문헌자료를 통해 알아보는 원지반 토사의 설계지반정수(단위중량, 점착력, 내부마찰각) 산정방법

비탈면 안정성 검토의 첫걸음은 설계지반정수를 산정하는 일입니다. 이 과정은 해당 지반이 얼마나 강한 전단강도를 가지고 있는지를 파악하고, 결정하는 핵심 단계인데요. 다양한 자료를 면밀히 비교하고 검토해서 신중하게 결정해야 합니다.

설계자는 누가 보더라도 합리적이고 타당하다고 인정할 수 있도록 설계지반정수를 산정하기 위해 노력해야 합니다. 다양한 토질에 대한 이해가 깊어질수록 여러분의 지반 설계 실력은 비약적으로 향상될 것입니다.

설계지반정수의 종류

먼저, 우리가 수행하려는 한계평형해석에 필요한 설계지반정수는 어떤 것들이 있을까요?

단위중량(Unit Weight of Soil, $γ,$ kN/㎥) : 1㎥당 흙이 갖는 무게입니다.

느슨한 흙 일수록 입자 사이의 공극이 클 것이고, 단위중량은 작습니다.
자연상태의 흙은 사질토와 점성토로 구분됩니다. 사질토는 또다시 모래와 자갈로 구분되죠.

점착력(Cohesion, $c,$ kN/㎡) : 외부의 수직 응력이 없어도 흙 입자들 사이에 존재하는 전단 저항력입니다.

주로 점성토(점토, 실트) 전단강도의 전부라고 볼 수 있습니다.
사질토(모래, 자갈)는 점착력이 거의 없습니다.

내부마찰각(Angle of Internal Friction, $ϕ, ˚) : 흙 입자들 간의 마찰 저항을 나타내는 각도입니다.$

주로 사질토(모래, 자갈) 전단강도에서 주된 역할을 합니다.
입자의 크기, 모양, 조밀도 등에 따라 달라집니다.

설계지반정수 산정 과정

설계지반정수는 주로 다음과 같은 자료를 비교하고 그 범위 값을 파악한 후 적절한 값을 선정합니다.

문헌자료 : 각종 설계기준에서 제시된 일반적인 지반의 물성치(=지반정수)
계산식 : 학자들이 연구 끝에 제시한 N치와 물성치의 상관관계식
인근 설계자료 : 인접하여 설계된 과거 자료에 적용했던 지반의 물성치
시험결과 : 해당 현장에서 조사된 시료로 시험한 결과값

이 자료들 중에서 가장 신뢰가는 자료는 무엇일까요? 바로 **시험결과**겠죠. 실제 현장의 시료를 이용해 시험을 했기 때문입니다. 두 번째로는 **인근 설계자료**입니다. 우리 현장의 시험결과가 인근 설계자료들의 값과 어느정도 경향이 비슷한지 보는 것도 아주 중요합니다. 지층 구성과 N치 등이 비슷한데 시험결과가 튀면 시험에서 어떤 오류가 생겼을 가능성도 있기 때문입니다.

아쉽게도 오늘은 여러분께 [문헌자료]와 [계산식]을 이용한 방법에 대해서 소개드리려고 합니다.

원지반 토사의 설계지반정수 산정(문헌자료)

철도설계기준(1999) : 흙의 단위중량

도로설계요령(2009) : 자연지반의 토질종류별 설계정수

지반조사편람(1996), 지반학술 발표회(1991) : 풍화토의 일반적인 물성

원지반 토사의 설계지반정수 산정(계산식)

계산식을 이용하여 지반의 점착력 또는 내부마찰각을 구하기 위해서는 표준관입시험 결과인 N치를 알아야 합니다. 지층별 평균 N치를 구하고 계산식에 대입하여 지반정수의 범위 값을 산출합니다.

중요한 점은 N치를 이용한 점착력 산정은 점성토인 지반에 대해서만 적용할 수 있고, N치를 이용한 내부마찰각 산정은 사질토 지반에 대해서만 적용이 가능한 점입니다. 예를들면, 단단한 모래층 N치를 가지고 점착력 구하는 계산식에 대입해서는 안됩니다. 모래층은 사질토니까 내부마찰각 계산식에 사용하시면 되겠습니다. 점성토의 경우도 마찬가지로 점착력 구하는 계산식만 이용하시면 됩니다.

N값을 이용한 점착력 산정

N값을 이용한 내부마찰각 산정

마무리하며

지반정수를 더 정확히 산정하기 위해서는 토질의 특성에 대해서 기본 지식을 갖는 게 중요합니다. 단순한 예로 성인별 종류입니다. 붕적층이라는 토층이 조사되었다고 가정합시다. 물성치 산정한 것을 보니 풍화토보다 훨씬 약하게 산정 되어 있습니다. 왜 그럴까요? 만들어진 원인을 보면 붕적층은 중력에 의해 굴러떨어져 퇴적된 흙입니다. 풍화토는 암이 있던 자리에서 그대로 풍화되어 만들어진 흙이죠. 무엇이 더 조밀할지 감이 오시나요? 이렇듯 토질에 대한 여러가지 지식들을 하나씩 쌓아가면 지반설계의 시야가 넓어지고 더욱 재밌는 설계를 하게 될 것입니다. 응원합니다. 힘내세요~!

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