토질역학

토질역학(土質力學, 영어: soil mechanics)은 지반 또는 흙을 공사재료로 이용하는 측면에서 역학, 수리학, 화학 등의 원리를 응용하여 흙의 역학적 거동을 해석하는 학문이다. 토질역학에서는 흙이 물, 공기, 흙 입자 세 가지로 이루어져있다고 본다. 이들의 비율에 따라 흙의 역학적 특성이 달라진다. 물과 공기가 차지하는 부분은 '공극' 또는 '간극'이라고도 한다. 토질역학에서 간극비 e는 흙 입자의 부피에 대한 간극 즉, 물과 공기의 부피의 비로 정의된다. e = V v V s {\displaystyle e={\frac {V_{v}}{V_{s}}}} 공극률 n은 흙 전체의 부피 V와 공극만의 부피 Vv로부터, 다음과 같이 정의된다. n = V v V × 100 ( % ) {\displaystyle n={\frac {V_{v}}{V}}\times 100(\%)} 포화도 S는 물이 차지하는 부피 Vw와 공극의 부피 Vv로부터 다음과 같이 정의된다. S = V w V v × 100 ( % ) {\displaystyle S={\frac {V_{w}}{V_{v}}}\times 100(\%)} 함수비 ω는 흙 입자 중량 Ws와 물의 중량 Ww를 이용해 다음과 같이 정의한다. ω = W w W s × 100 ( % ) {\displaystyle \omega ={\frac {W_{w}}{W_{s}}}\times 100(\%)} 흙의 진비중 Gs는 흙의 입자 단위중량 γs(또는 입자 밀도 ρs)와 4°C 물의 단위중량 γw(또는 물 밀도 ρw)를 이용해 다음과 같이 정의한다. 그냥 비중이라고 하기도 한다. G s = γ s γ w = ρ s g ρ w g = ρ s ρ w {\displaystyle G_{s}={\frac {\gamma _{s}}{\gamma _{w}}}={\frac {\rho _{s}g}{\rho _{w}g}}={\frac {\rho _{s}}{\rho _{w}}}} G s ω = S e {\displaystyle G_{s}\omega =Se} 위의 관계식들을 통하여 삼상도에서 Vs = 1이라고 볼 경우, 삼상도의 각 요소들은 다음과 같이 요약할 수 있다. V w = S ⋅ e 100 {\displaystyle V_{w}={\frac {S\cdot e}{100}}} V v = e {\displaystyle V_{v}=e} V = 1 + e W s = G s γ w {\displaystyle W_{s}=G_{s}\gamma _{w}} W w = S ⋅ e 100 γ w {\displaystyle W_{w}={\frac {S\cdot e}{100}}\gamma _{w}} ( G s + S ⋅ e 100 ) γ w {\displaystyle \left(G_{s}+{\frac {S\cdot e}{100}}\right)\gamma _{w}} 흙 시료에 물이 포함되었는가, 수중에 흙 시료가 있는가 등 상황에 따라 단위중량은 여러 가지로 정의된다. 전체단위중량(total unit weight), 또는 습윤단위중량(moist unit weight) γ t = W V = W s + W w V = W s ( 1 + W w / W s ) V = W s ( 1 + ω ) V = G s + S e 1 + e γ w {\displaystyle \gamma _{t}={\frac {W}{V}}={\frac {W_{s}+W_{w}}{V}}={\frac {W_{s}(1+W_{w}/W_{s})}{V}}={\frac {W_{s}(1+\omega )}{V}}={\frac {G_{s}+Se}{1+e}}\gamma _{w}} 공기중에 있는 습윤상태의 흙 시료 단위중량을 전체단위중량 또는 습윤단위중량이라고 한다. 건조단위중량(dry unit weight) γ d = W s V = G s γ w 1 + e = γ t 1 + ω {\displaystyle \gamma _{d}={\frac {W_{s}}{V}}={\frac {G_{s}\gamma _{w}}{1+e}}={\frac {\gamma _{t}}{1+\omega }}} 건조되어 물이 없는 경우의 흙 시료 단위중량을 건조단위중량이라고 한다. 포화단위중량(saturated unit weight) γ s a t = W V = W s + W w V = G s γ w + ω G s γ w 1 + e = G s γ w + S e γ w 1 + e = G s + e 1 + e γ w {\displaystyle \gamma _{sat}={\frac {W}{V}}={\frac {W_{s}+W_{w}}{V}}={\frac {G_{s}\gamma _{w}+\omega G_{s}\gamma _{w}}{1+e}}={\frac {G_{s}\gamma _{w}+Se\gamma _{w}}{1+e}}={\frac {G_{s}+e}{1+e}}\gamma _{w}} 공극이 모두 물로 채워져 있을 때 단위중량을 포화단위중량이라고 한다. 수중단위중량(submerged unit weight) γ s u b = γ s a t − γ w = G s + e 1 + e γ w − γ w = G s − 1 1 + e γ w {\displaystyle \gamma _{sub}=\gamma _{sat}-\gamma _{w}={\frac {G_{s}+e}{1+e}}\gamma _{w}-\gamma _{w}={\frac {G_{s}-1}{1+e}}\gamma _{w}} 지하수위 아래에 있는 흙의 단위중량을 수중단위중량이라고 한다. 지하수위 아래에 있는 흙은 부력을 받기 때문에, 포화단위중량보다 가벼워져야 하므로 포화단위중량에서 물의 단위중량을 빼준다. 사질토와 관련된 특성으로 상대 밀도( D r {\displaystyle D_{r}} )가 있다. D r = e m a x − e e m a x − e m i n × 100 ( % ) {\displaystyle D_{r}={\frac {e_{max}-e}{e_{max}-e_{min}}}\times 100(\%)} D r = γ d m a x γ d ⋅ γ d − γ d m i n γ d m a x − γ d m i n × 100 ( % ) {\displaystyle D_{r}={\frac {\gamma _{dmax}}{\gamma _{d}}}\cdot {\frac {\gamma _{d}-\gamma _{dmin}}{\gamma _{dmax}-\gamma _{dmin}}}\times 100(\%)} e m a x {\displaystyle e_{max}}  : 최대 공극비, e m i n {\displaystyle e_{min}}  : 최소 공극비, e : 공극비 γ d m a x {\displaystyle \gamma _{dmax}}  : 최대 건조 단위중량, γ d m i n {\displaystyle \gamma _{dmin}}  : 최소 건조 단위중량, γ d {\displaystyle \gamma _{d}}  : 건조 단위중량 장병욱 등. 2010, 1쪽. harv error: 대상 없음: CITEREF장병욱전우정송창섭유찬2010 (help) 장병욱 등. 2010, 25쪽. harv error: 대상 없음: CITEREF장병욱전우정송창섭유찬2010 (help) 장병욱 등. 2010, 26쪽. harv error: 대상 없음: CITEREF장병욱전우정송창섭유찬2010 (help) 장병욱 등. 2010, 27쪽. harv error: 대상 없음: CITEREF장병욱전우정송창섭유찬2010 (help) 장병욱 등. 2010, 28쪽. harv error: 대상 없음: CITEREF장병욱전우정송창섭유찬2010 (help) 임진근; 정대석; 허경한; 이동현 (2015). 《토목기사 과년도 - 토질 및 기초》. 성안당. 2-16쪽. ISBN 9788931568110.  장병욱 등. 2010, 30쪽. harv error: 대상 없음: CITEREF장병욱전우정송창섭유찬2010 (help) 장병욱 등. 2010, 31쪽. harv error: 대상 없음: CITEREF장병욱전우정송창섭유찬2010 (help) 임진근 외, <토목기사 과년도 - 토질 및 기초> 2-8쪽, 성안당, 2015 장병욱 등. 2010, 32-33쪽. harv error: 대상 없음: CITEREF장병욱전우정송창섭유찬2010 (help) 장병욱; 전우정; 송창섭; 유찬; 임성훈; 김용성 (2010). 《토질역학》. 구미서관. ISBN 978-89-8225-697-4.  사면 (토질역학) 위키미디어 공용에 토질역학 관련 미디어 분류가 있습니다.