[토목공학] Part.2 지반공학(Geotechnical engineering)

Part.2 지반공학

 

지난 시간에는 토목 구조물을 설계하는데 기본이 되는 ‘구조공학’에 대해 연구해 보았다..

구조공학이 토목공학의 기본이라고 한다면 오늘 연구해 볼‘지반공학’은 토목공학의 ‘기초’ 정도 될 것 같다.

 

지반공학이란 토목공학의 근원적인 재료인 흙과 돌, 쉽게 말해 어떠한 구조물을 설계하기 전 땅의 재료와 거동을 살펴 구조물을 설계하여 사용할 수 있을만한 땅인지 확인하고 원하는 구조물에 맞춰 조정할 수 있도록 판단할 수 있도록 하는 분야이다.

 

‘모래성 위에 쌓은 집’이라는’ 말처럼 아무리 견고하고 구조역학적으로 흠이 없는 구조물을 설계하고 만들었다고 해도 결국 그 ‘기초’가 되는 땅이 제대로 받쳐주지 않는다면 말 그대로 모래성 위에 쌓은 집이랑 다를 게 없을 것이다. 이처럼 과거부터 지반공학에 대한 중요성은 토목공학에서는 아주 중요한 분야로 손꼽히며 발전해 왔는데, 그럼 오늘은 공중에 떠 있지 않는 이상 모든 구조물을 설계하는 데 있어 우선적으로 필요한 이 지반공학에 대해 조금 더 알아보도록 하자.

 

모래성

 

지반공학 역시 구조역학과 마찬가지로 그에 상응하는 여러 가지 세분화된 분야들이 있는데 이는 크게 지질학, 토질역학, 기초공학, 지반공학, 암반공학(역학), 터널공학 등이 있다.

 

먼저, 지질학(Geology)이란 자연공학의 일종으로 지구를 이루고 있는 물질과 그 물질들의 형성과 역사, 화석 등을 연구하는 분야이다. 고등교육을 마친 사람들이라면 누구나 한 번쯤 들어봤을 ‘지구과학’ ‘지구과학’이라는 과목이 이 지질학에서 뻗어 나온 한 분야라고 할 수 있을 것이다.

 

지질학은 위에 개념처럼 지구를 이루고 있는 모든 물질들에 대해 연구하는 분야인데 크게 암석, 광물, 퇴적, 고생물, 광상, 지사, 화산, 지구과학 등을 연구하며 지구를 이루고 있는 지질의 역학적 성질이나 거동 등을 살피고 있다.

 

지구의 단면

다음으로 알아볼 분야는 토질역학인데,

토질역학(Soil mechanics)은 토(土) 질의 역학적 거동을 해석하는 분야로서 토목공학을 공부한 사람이라면 가장 먼저 떠오르는 분야이지 않을까 생각한다. 깊이 들어가면 정말 어렵고 또 재밌는 분야이기도 하다.

 

토질역학에서는 ‘삼상관계’라고 하여 흙은 물, 공기, 흙입자 이렇게 총 세 가지로 이루어져 있다고 본다. 이 세가지 각각의 비율에 따라 흙의 역학적 특성 및 거동이 달라지게 된다는 것이다.

 

삼상도

 

위 그림은 삼상관계를 수식으로 표현한 '삼상도'이다. 여기서 우리는 '공극(간극)'이라는 표현을 하나 배우게 되는데 이 공극은 삼상관계에서 흙입자를 제외한 나머지 즉, 물과 공기가 차지하는 부분을 의미한다. 위 그림으로 보면 Vv에 해당하는 부분이 '공극'인 것이다.

 

삼상도는 흙 전체의 부피가 V=1이라고 가정한 후 만들어진 수식으로 흙 전체의 부피(volume), 공기의 부피(Vair), 물의 부피(Vwater), 흙 입자의 부피 (Vsoil)로 표현하고 있다. 그러므로 공극은 Va+Vw 인 Vv로 표현되는 것이다.

 

추가적으로 여기에 각각의 부피들을 활용해서 공극비, 공극률, 포화도, 함수비, 비중 그리고 각각의 관계식들을 도출해 낼 수 있는데 그 관계식을 활용하여 흙의 역학적 거동을 실험하고 표현해 낼 수 있는 것이다.

 

단, 여기서 도출해 낸 관계식은 V 전체 볼륨이 1이라는 가정하에 만들어진 식이므로 실제 현장과 비교했을 때 여러 오차들이 발생하게 되며, 이는 이상적인 흙의 경우에만 해당이 된다. 그러므로 해당 관계식을 활용하여 흙의 역학적 거동을 확인하기 위해선 실제 현장에서 여러 요소들을 가정한 후 사용할 수 있으며 그 외에 요소들을 추가적으로 고려하게 되면 흙의 역학적 거동을 어느 정도 해석해 낼 수 있는 것이다.

 

다음으로 기초공학(Foundation Engineering)은 위에서 설명한 토질역학의 원리를 활용하여 구조물의 하중을 지반에 전달하는 하부 구조인 '기초'에 대해 설계하고 연구하는 분야이다. 앞서 이야기했듯이 지반공학은 토목공학의 '기초'라는 말처럼 이 기초공학이야 말로 그 '기초'에 대한 원초적인 해석을 위해 연구하는 분야라고 할 수 있다.

 

토질역학과 매우 밀접한 관련이 있어 사실상 명확히 구분하기는 어렵지만 기초공학은 말 그대로 구조물과 지반을 이어주는 '기초'에 대해 연구하는 분야라고 생각하면 될 것 같다. 구조물에 막대한 하중을 지반에 골고루 분배할 수 있어야 땅 위에 집이 견고히 서 있을 수 있지 않을까!

 

마지막으로, 암반공학(역학)은 암반에 관한 전반적인 것들을 역학적으로 접근하여 해석하는 학문으로 암반을 그 자체 재료뿐만 아니라 절리, 층리, 균열과 같은 분리면을 포함한 하나의 구조로 보고 그러므로 발생할 수 있는 암반의 변형과 강도에 대한 그 특성을 연구한다.

 

우리가 살고 있는 이 지구, 우리가 밟고 있는 땅에는 흙도 있지만 그 흙이 모여 열과 압력을 받거나 여러 요인들로 인해 크고 작은 암석, 암반도 굉장히 많이 분포하고 있다는 것을 알 수 있다. 그에 따라 구조물을 설계하고 그에 맞는 지반을 확인하고 조사하는 과정에서 나타난 이 암반들을 의 역학적 특성과 거동에 대해서도 지질학에서는 함께 연구할 필요성이 있는 것이다.

 

 

 

[출처]

 

모래성 : Unsplash의Tomas Williams

지구의 단면 : naver post_ 전파과학사