흙의 연경도 및 흙의 전단강도 정리

1. 흙의 연경도 (Consistency of Soil)

 

1.1 개요

 

흙의 연경도는 흙이 함수비 변화에 따라 보이는 물리적 상태의 변화를 말하며, 주로 점토질 흙에서 중요한 특성이다. 즉, 흙이 고체 상태에서 반고체, 소성상태, 액상태로 변화하는 일련의 과정을 통해 흙의 일관성(Consistency)을 평가하며, 이는 구조물 시공 및 안정성 평가의 중요한 기초 자료로 활용된다.

연경도는 주로 아터버그 한계(Atterberg Limits)를 통해 정량화하며, 토질의 분류, 기초 설계, 연약지반 판별 등 다양한 분야에 활용된다.

 

1.2 아터버그 한계 (Atterberg Limits)

 

아터버그 한계는 점토질 흙의 함수비에 따른 물리적 상태 변화를 나타내는 한계값으로 다음과 같은 항목으로 구분된다.

액성한계 (LL, Liquid Limit): 흙이 액체처럼 흐르는 상태로 변화하는 임계 수분함량. 일반적으로 카사그란데 기구 또는 콘 관입 시험기로 측정한다.

소성한계 (PL, Plastic Limit): 흙이 손으로 말았을 때 더 이상 가늘게 늘어나지 않고 부서지는 수분함량. 손으로 직경 3mm 이하로 말았을 때 갈라지기 시작하는 함수비를 기준으로 한다.

수축한계 (SL, Shrinkage Limit): 흙의 수분이 더 이상 증발해도 체적 변화가 없는 최소한의 함수비.

이러한 값들로부터 다음과 같은 지표가 도출된다.

소성지수 (PI) = LL - PL

유동지수 (LI) = (w - PL) / (LL - PL)

여기서 PI는 흙의 소성 정도, LI는 현재 함수비(w)에서 흙의 상태를 나타낸다.

 

1.3 유동지수에 따른 흙의 상태 분류

유동지수 LI	흙의 상태	설명
LI < 0	반고체	매우 단단하며 부서지기 쉬움
0 ≤ LI < 0.25	경질 소성상태	단단하고 취성적 거동
0.25 ≤ LI < 0.5	중간 소성상태	일반적인 소성 거동
0.5 ≤ LI < 0.75	연질 소성상태	부드럽고 점착성 있음
0.75 ≤ LI ≤ 1.0	액상태	흐르기 시작하는 상태
LI > 1.0	과잉 액상태	거의 액체와 같은 성질

 

1.4 연경도의 실무적 활용

 

기초 설계: LI가 0.7 이상일 경우, 연약지반 가능성이 높아 기초 형식 결정에 주의가 필요하다.

지반 개량 필요성 판단: PI 값이 클 경우 압밀침하 가능성 증가 → 심층혼합처리, 치환공법 등 검토

도로 및 철도 설계: CBR 값 예측 시 액성한계와 소성지수 기준으로 노상/기층 설계 등급 산정 가능

흙막이 및 굴착 설계: 저소성 또는 비소성 흙은 쉽게 붕괴될 수 있어 흙막이 벽체 보강 필요

 

2. 흙의 전단강도 (Shear Strength of Soil)

 

2.1 개요

 

흙의 전단강도는 외력 작용 시 흙이 전단파괴에 저항할 수 있는 최대 전단응력을 의미한다. 이는 지반의 안전성과 직결되며, 기초지지력 산정, 사면안정성 해석, 흙막이 구조 설계 등 거의 모든 지반공학 분야의 핵심 요소다.

흙은 하중을 받으면 전단파괴가 일어나는데, 이때의 전단응력을 전단강도라고 한다. 일반적으로 모어-쿨롱의 파괴 기준(Mohr-Coulomb Failure Criterion)에 따라 다음과 같이 표현된다.

 

2.2 전단강도의 구성요소

 

1) 점착력 (c)

흙 입자 간의 정전기적 결합력 또는 화학적 결합에 의한 저항

주로 점토질 흙에서 유의미한 값

 

2) 내부마찰각 (φ)

흙 입자 간 마찰 및 상호 기하학적 얽힘에 의한 저항

사질토, 자갈 등 입상재에서 지배적

 

2.3 전단강도 시험방법

 

(1) 직접전단시험 (Direct Shear Test)

상·하반으로 나뉜 흙 시료를 수평 방향으로 전단

간단하고 빠르지만, 파괴면이 미리 정해져 있어 정확도 제한

사질토나 비점착성 토질에 적합

 

(2) 삼축압축시험 (Triaxial Compression Test)

고무막 안에 시료를 넣고 구속압력 + 축방향 하중 가해 파괴

실제 현장응력 상태 모사 가능

다양한 배수조건으로 시행 가능

종류	설명	적용
UU (Unconsolidated Undrained)	배수없고 압밀 없음	단기 안정성, 연약지반
CU (Consolidated Undrained)	압밀 후 배수 없음	중간조건 분석
CD (Consolidated Drained)	압밀 후 배수 허용	장기 안정성 평가

 

2.4 전단강도에 영향을 미치는 인자

 

• 토질 종류: 점토는 c가 우세, 사질토는 φ가 우세
• 함수비: 수분 증가 시 전단강도 급감, 포화상태일수록 약해짐
• 다짐도: 조밀하게 다져진 흙일수록 전단저항력 증가
• 배수조건: 무배수 조건(UU)은 과잉간극수압에 민감
• 응력경로: 반복하중이나 진동 → 액상화 발생 가능

2.5 실무적 활용

기초지지력 산정: c와 φ 값을 지지력 공식에 적용

γ​ 사면 안정해석: 한계 평형법, 슬라이스 방법 등에서 필수 입력값

흙막이 설계: 토압 산정 시 흙의 강도계수 적용

연약지반 처리: qu (비배수전단강도)를 이용한 지지력 개선 필요성 평가

 

3. 종합 정리

 

흙의 연경도와 전단강도는 흙의 공학적 특성을 평가하는 핵심 지표이며, 지반공학 및 건설 실무에서 가장 빈번하게 활용된다.

연경도는 흙의 함수비 변화에 따른 상태 변화를 설명하며, 아터버그 한계를 통해 정량화된다. 이는 연약지반 판단, 기초설계, 시공 적정성 판단에 중요한 역할을 한다.

전단강도는 흙이 구조물 하중이나 외력에 대해 얼마나 저항할 수 있는지를 나타내며, 모어-쿨롱 이론에 의해 점착력과 내부마찰각으로 구성된다. 이는 지지력 산정, 사면안정, 기초 및 흙막이 설계의 필수 요소이다.

두 특성 모두 현장 조사 시 반드시 확보해야 할 물성값이며, 시험 정확도 및 적절한 해석을 통해 구조물의 안전성과 경제성을 동시에 확보할 수 있다.