토질역학(土質力學, 영어: soil mechanics)은 지반 또는 흙을 공사 재료로 이용하는 측면에서 역학, 수리학, 화학 등의 원리를 응용하여 흙의 역학적 거동을 해석하는 학문이다. 토목공학 및 지반공학(geotechnical engineering)의 핵심 기초 분야 중 하나로, 구조물의 하중을 지지하는 지반의 안정성과 변형을 다룬다.
역사
토질역학에 대한 최초의 과학적 연구는 프랑스의 물리학자 샤를 오귀스탱 드 쿨롱(Charles-Augustin de Coulomb)에 의해 시작되었다. 1773년 쿨롱은 지압(地壓)에 관한 이론을 발표하였으며, 이 이론은 1857년 스코틀랜드의 공학자 윌리엄 랭킨(William Rankine)이 발표한 토압 이론과 함께 현재까지 지응력을 정량화하는 데 이용되는 중요한 수단이 되고 있다. 이후 1925년 카를 테르차기(Karl Terzaghi)가 저서 《Erdbaumechanik》에서 처음으로 "Soil Mechanics"라는 용어를 사용하면서 토질역학이 하나의 독립된 학문 분야로 정립되었다. 테르차기는 "토질역학의 아버지"로 불린다.
흙의 삼상 구조
토질역학에서는 흙이 흙 입자(고체), 물(액체), 공기(기체)의 세 가지 상(phase)으로 이루어져 있다고 본다. 이들의 비율에 따라 흙의 역학적 특성이 달라진다. 물과 공기가 차지하는 부분은 '공극(間隙)' 또는 '간극'이라고 한다. 흙의 기본적인 물성 지표로는 다음과 같은 것들이 있다.
- 공극비(e): 흙 입자의 부피에 대한 공극(물과 공기) 부피의 비. e = Vv / Vs
- 공극률(n): 흙 전체 부피에 대한 공극 부피의 비율(%). n = (Vv / V) × 100(%)
- 포화도(S): 공극 부피 중 물이 차지하는 부피의 비율(%). S = (Vw / Vv) × 100(%)
- 함수비(ω): 흙 입자 중량에 대한 물 중량의 비율(%). ω = (Ww / Ws) × 100(%)
- 진비중(Gs): 흙 입자의 단위중량과 4°C 물의 단위중량의 비.
단위중량
흙 시료의 상태에 따라 단위중량은 여러 가지로 정의된다.
- 전체단위중량(습윤단위중량, γt): 공기 중 습윤 상태 흙의 단위중량.
- 건조단위중량(γd): 건조되어 물이 없는 경우의 단위중량.
- 포화단위중량(γsat): 공극이 모두 물로 채워진 상태의 단위중량.
- 수중단위중량(γsub): 지하수위 아래에 있어 부력을 받는 흙의 단위중량. γsub = γsat - γw
흙의 전단 강도와 사면 안정
흙의 전단 강도는 내부마찰각과 점착력(응집력)에 의해 결정된다. 내부마찰은 모래나 자갈에서 크게 나타나며, 점착력은 점토에서 크게 나타난다. 사면의 안정성은 활동에 저항하는 힘과 활동을 일으키는 힘의 비율인 안전율(F)로 평가하며, 일반적으로 F가 1.5~2.0 이상이면 안정하다고 판단한다.
토압
옹벽이나 널말뚝 등의 구조물에 작용하는 흙의 압력을 토압이라 하며, 주동토압, 정지토압, 수동토압으로 구분된다. 쿨롱과 랭킨의 이론이 토압 산정에 널리 사용된다.
활용 분야
토질역학은 구조물의 기초 설계, 도로 및 철도 노반 설계, 댐 및 제방 건설, 터널 굴착, 사면 안정 해석, 옹벽 설계, 지반 개량 등 토목공학 전반에 걸쳐 필수적으로 적용된다. 지반 조사(시추, 사운딩, 탄성파 탐사 등)와 실내 시험(입도 시험, 액소성 한계 시험, 전단 시험, 압밀 시험, 다짐 시험 등)을 통해 지반의 공학적 특성을 평가한다.
