[토질 및 기초 기술사] 138회 4교시 기출문제 1번

1. 사질토의 전단특성과 점성토의 간극수압계수에 대하여 설명하시오.

사질토와 점성토는 입자 크기 및 구조적 특성의 차이로 인해 하중 재하시 상이한 전단 특성과 간극수압 발생 메커니즘을 보인다
사질토는 점착력(c)이 없고 전단저항각(Φ)에 의해서만 강도가 결정되며, 다짐 상태에 따라 체적 변화 특성이 뚜렷히 나타난다
점성토는 투수계수가 낮아 비배수 상태에서 하중을 받을 때 과잉간극수압(△u)이 발생하며, 이를 정량화하기 위해 Skempton의 간극수압계수(A, B)를 활용한다

1. 조밀한(Dense) 모래 vs 느슨한(Loose) 모래

응력-변형률 관계
- 조밀한 모래: 명확한 Peak 강도를 보인 후 변형이 진행됨에 따라 잔류 강도로 수렴
- 느슨한 모래: Peak 강도 없이 변형률 증가에 따라 강도가 완만하게 증가하여 잔류 강도에 도달

체적 변화 특성 (Dilatancy)
- 조밀한 모래: 초기 압축 후 전단 진행 시 입자 간 Interlocking에 의해 체적이 팽창하는 Dilatancy(+ △V) 현상 발생
- 느슨한 모래: 전단 전 과정에서 입자가 재배열되며 체적이 감소하는 수축(- △V) 현상 발생

2. 잔류 전단각 (Φr)과 Peak 전단각(Φp)

Skempton은 비배수 상태에서 전응력 변화(△σ1, △σ3)에 따른 간극수압 변화(△u)를 다음 식으로 정의함

1. 간극수압계수 B (포화도 영향)

정의: 삼축압축시험의 압밀 단계에서 등방응력(△ σc = △σ1 = △σ3) 재하시 발생하는 간극수압 비율
특성: 지반의 포화도(S)에 절대적으로 종속됨
- 완전 포화 지반 (S=100%): 물은 비압축성이므로 B ≒ 1.0 (전응력 증가분이 그대로 u로 전이)
- 불포화 지반 (S < 100%): 간극 내 공기의 압축성으로 인해 B < 1.0
실무 활용: 포화도가 높은 점성토 지반의 비배수 해석 시 B=1.0 가정이 타당함

2. 간극수압계수 A (전단 하중 및 과압밀비 영향)

정의: 삼축압축시험의 전단 단계에서 축차응력(△σ1 - △σ3) 재하시 발생하는 과잉간극수압 비율 (Amax는 파괴 시 값)
특성: 과압밀비(OCR) 및 다일레이턴시 특성에 종속됨
- 정규압밀 점토 (OCR=1): 전단 시 체적 수축(-)으로 인해 큰 양(+)의 간극수압 발생. Amax = 0.5 ~ 1.0
- 과압밀 점토 (OCR>1): 전단 시 체적 팽창(+) 경향으로 인해 음(-)의 간극수압 발생. Amax는 0에 가깝거나 음수 可
실무 활용: 댐, 성토 등 급속 시공 시 발생하는 과잉간극수압을 예측하여 압밀 및 지지력 해석에 활용

구분	사질토 (다짐 상태)	점성토 (압밀 상태, OCR)	역학적 상관성
체적 팽창 (+△V)	조밀한 모래	강과압밀 점토	음(-)의 간극수압 발생 (유효응력 증가) → 계수 A < 0
체적 수축 (- △V)	느슨한 모래	정규압밀 점토	양(+)의 간극수압 발생 (유효응력 감소) → 계수 A > 0
강도 지배 요소	전단저항각(Φ) (Interlocking)	비배수 강도(cu) (간극수압 소산 속도)	사질토는 팽창각(Φd)에 의해, 점성토는 유효응력(σ' = σ - u) 변화에 의해 강도 결정.

사질토의 액상화 (Contraction 특성 활용): 지진 시 느슨한 사질토 지반은 급격한 체적 수축으로 인해 양(+)의 과잉간극수압이 발생, 유효응력(σ')이 0이 되는 액상화 현상이 발생하므로 다짐 등의 지반 개량 필수
점성토의 급속 성토 안정 (계수 A 활용): 정규압밀 점토 지반 위에 성토 시 A계수가 크므로 높은 과잉간극수압이 발생하여 지지력 파괴 위험. 단계 성토를 통해 간극수압 소산 시간 확보 필수
불포화 지반의 강도 (계수 B 활용): 불포화 다짐토(필댐 코어재 등)는 B < 1.0이므로 시공 중 전응력 증가폭보다 간극수압 상승폭이 작아 안정성에 유리하나, 만수위 시 포화되면 계수 B가 급증하여 잔류 수압에 의한 안정성 저하 우려

- 사질토의 전단 특성과 점성토의 간극수압 계수는 지반의 '시간-하중-변위' 관계를 규명하는 가장 기초적인 도구이다. 기술사는 다음과 같은 공학적 대응을 수행해야 한다.

첫째, 사질토 설계 시 단순히 Φ값만 적용할 것이 아니라, 지반의 조밀도에 따른 다일레이턴시 특성을 파악하여 액상화 등 체적 변화에 의한 위험성을 평가할 것
둘째, 점성토 지반의 비배수 해석 시 과잉간극수압 발생량을 예측하기 위해 대상 지반의 OCR에 따른 Skempton 계수 A를 정확히 산정할 것
셋째, 실제 현장에서는 이론값(A, B 활용 예측치)과 계측된 실제 간극수압(u) 데이터를 비교하여 지반의 압밀 진행 상태를 실시간으로 역해석하고 안전한 시공 속도를 제어해야 한다