입자 크기가 모래 전단강도에 미치는 영향

초록

본 연구는 입자 크기가 균일·혼합 모래의 전단강도와 내부 마찰각에 미치는 영향을 직접 전단 시험을 통해 규명하였다. 0.075 mm부터 2.76 mm까지의 균일 입자와 두 종류의 연속 입도 구간(0.075‑1.18 mm, 0.075‑2.36 mm)을 대상으로 정상하중 0.05, 0.10, 0.15 kN을 적용하였다. 실험 결과, 입자 크기가 증가할수록 동일 정상하중에서 최대 전단응력과 내부 마찰각이 증가했으며, 입도 구간이 넓을수록 전단강도가 더욱 향상되는 경향을 보였다. 제안된 이론식은 실험값과 높은 일치성을 나타냈다.

상세 분석

이 논문은 입자 크기가 미세구조와 거시적 전단거동 사이의 연결고리 역할을 한다는 가설을 검증하기 위해 체계적인 실험 설계를 수행하였다. 먼저, 균일 입경을 가진 8가지 시료(0.075 mm~2.76 mm)와 두 가지 연속 입도 구간을 가진 시료를 준비하고, 각각에 0.05, 0.10, 0.15 kN의 정상하중을 가하였다. 직접 전단 시험을 통해 전단면에서 발생하는 최대 전단응력(τ_max)과 내부 마찰각(φ) 를 측정하였다. 결과는 입경이 커질수록 입자 간 접촉 면적이 확대되고, 동일 체적에서 발생하는 공극비가 감소함에 따라 전단저항이 증가한다는 전통적인 토질역학 이론과 일치하였다. 특히, 연속 입도 시료에서는 작은 입자들이 큰 입자 사이에 체공을 메우며 입도 분포가 넓어질수록 입자 간 전단전달 경로가 복잡해져 전단강도가 더욱 상승하였다. 저자들은 입자 크기(d)와 전단강도 사이의 관계를 τ_max = A·d^B·σ_n 형태의 경험식으로 제시했으며, 실험 데이터와의 회귀 분석 결과 R² > 0.95 로 높은 적합도를 보였다. 이 식은 설계 단계에서 입도 선택에 대한 정량적 가이드를 제공한다는 점에서 실용적 가치가 크다. 그러나 실험이 건조 상태에서 수행되었고, 입자 형상이 구형에 가까운 균일 입자를 사용했기 때문에 실제 현장 토양의 비구형 입자와 수분 함량을 고려한 추가 연구가 필요하다. 또한, 정상하중 범위가 제한적이므로 고하중 상황에서의 비선형 거동 여부도 검증해야 한다. 전반적으로 이 연구는 입자 크기와 입도 구간이 전단강도에 미치는 영향을 정량적으로 규명함으로써, 토목 설계와 지반 개량에 있어 입도 선택의 과학적 근거를 제공한다.