전단강도(Shear Strength)를 결정하는 3가지 핵심 요소

건축물의 기초가 하중을 견디지 못하고 침하하거나, 절토사면이 무너지고, 옹벽 뒤쪽의 흙이 미끄러지는 현상은 지반의 전단강도와 밀접한 관계가 있다.

흙은 단순히 무게를 지탱하는 재료가 아니다. 흙 입자 사이의 마찰과 맞물림, 입자 골격에 전달되는 응력, 지반의 강도 특성에 따라 외부하중에 저항한다.

이때 흙이 전단변형과 미끄러짐에 저항할 수 있는 능력을 전단강도(Shear Strength)라고 한다.

지반공학에서는 전단강도를 설명할 때 점착력, 내부마찰각, 유효수직응력이라는 세 가지 핵심 요소를 사용한다.

이 세 요소는 모어-쿨롱(Mohr-Coulomb) 전단강도식으로 연결되며, 기초지지력 계산과 사면안정 해석, 옹벽 설계 및 굴착 안정성 평가에 활용된다.

그러나 실제 지반의 전단강도는 세 요소만 기계적으로 대입한다고 정확하게 결정되는 것은 아니다. 배수조건과 간극수압, 지반의 밀도, 응력 이력, 시험방법 등에 따라 적절한 강도정수가 달라진다.

이번 글에서는 전단강도를 결정하는 3가지 핵심 요소와 계산 원리, 지하수위와 배수조건의 영향, 지반시험을 통한 강도정수 산정 및 실제 설계에서 주의해야 할 사항을 살펴본다.

1. 전단강도(Shear Strength)란 무엇인가?

전단강도는 흙이 특정 면을 따라 미끄러지거나 전단변형을 일으키는 힘에 저항할 수 있는 한계 강도를 의미한다.

지반 내부의 한 면에는 크게 두 가지 응력이 작용한다.

• 수직응력(Normal Stress): 해당 면에 수직으로 작용하는 응력
• 전단응력(Shear Stress): 해당 면을 따라 미끄러짐을 유발하는 응력

흙의 전단강도는 그 면에 작용하는 수직응력과 흙의 강도 특성에 따라 달라진다.

예를 들어 같은 모래라도 위에서 누르는 압력이 다른 경우에는 입자 사이의 마찰저항이 달라질 수 있다.

또한 같은 수직응력이 작용하더라도 느슨한 모래와 조밀한 모래는 전단 과정에서 서로 다른 강도와 변형 특성을 나타낼 수 있다.

따라서 전단강도를 이해하려면 단순히 흙이 단단한지 여부가 아니라 어떤 응력조건에서 얼마만큼의 전단저항을 발휘하는지 확인해야 한다.

2. 전단강도를 결정하는 3가지 핵심 요소

지반공학에서 사용하는 대표적인 전단강도식은 다음과 같다.

τf = c′ + σ′n tanφ′

여기서

• τf: 전단강도(kPa)
• c′: 유효점착력(kPa)
• σ′n: 전단면에 작용하는 유효수직응력(kPa)
• φ′: 유효내부마찰각(°)

이 식을 기준으로 전단강도를 결정하는 세 가지 요소를 정리하면 다음과 같다.

핵심 요소	기호	주요 의미
점착력	c′	전단강도식의 절편
내부마찰각	φ′	유효수직응력에 따른 전단강도 증가율
유효수직응력	σ′n	흙 입자 골격에 전달되는 수직응력

세 요소는 서로 독립적으로 작용하는 것이 아니라 하나의 전단강도식 안에서 함께 영향을 미친다.

특히 내부마찰각과 유효수직응력은 곱의 관계로 연결되므로, 내부마찰각이 같더라도 유효수직응력이 달라지면 전단강도가 달라진다.

3. 첫 번째 요소: 점착력(Cohesion)

점착력은 흙의 전단강도를 나타내는 중요한 강도정수다.

모어-쿨롱 유효응력 전단강도식에서 점착력 c′는 유효수직응력이 0인 지점까지 파괴포락선을 연장했을 때의 전단응력 절편을 의미한다.

여기서 주의할 점이 있다.

모어-쿨롱 식의 유효점착력이 반드시 흙 입자 사이의 순수한 물리적 접착력만을 뜻하는 것은 아니다.

실제 흙에서는 입자 결합, 구조화, 시멘테이션 등의 영향이 나타날 수 있으며, 시험자료를 특정 응력 범위에서 직선으로 근사하는 과정에서 점착력 절편이 산정될 수도 있다.

따라서 지반조사보고서에 점착력이 제시되어 있다면 해당 값이 어떤 시험과 해석방법으로 결정되었는지 확인해야 한다.

4. 점착력이 전단강도에 미치는 영향

유효내부마찰각이 30°, 유효수직응력이 100kPa인 지반을 가정하자.

점착력이 0kPa일 때 전단강도는 다음과 같다.

τf = 0 + 100tan30°

τf ≈ 57.7kPa

점착력이 15kPa이면

τf = 15 + 100tan30°

τf ≈ 72.7kPa

점착력이 30kPa이면

τf = 30 + 100tan30°

τf ≈ 87.7kPa

유효점착력	계산 전단강도
0kPa	57.7kPa
15kPa	72.7kPa
30kPa	87.7kPa

다른 조건이 일정하다면 점착력 절편이 증가한 만큼 계산 전단강도도 증가한다.

그러나 점착력이 큰 값으로 평가되었다고 해서 실제 지반이 모든 조건에서 안전하다고 판단할 수는 없다.

특히 지반의 응력 이력과 시험조건, 장기적인 강도 변화 등을 함께 검토해야 한다.

5. 두 번째 요소: 내부마찰각(Internal Friction Angle)

내부마찰각은 유효수직응력이 증가할 때 흙의 전단강도가 증가하는 정도를 나타내는 강도정수다.

일반적으로 흙 입자 사이의 마찰과 맞물림, 입자의 배열 및 전단 중 체적변화 특성 등이 영향을 준다.

모어-쿨롱 전단강도식에서 내부마찰각은 다음 부분에 나타난다.

σ′n tanφ′

내부마찰각이 커지면 같은 유효수직응력에서 마찰성 전단저항이 증가한다.

다만 내부마찰각은 흙의 종류만으로 일정하게 결정되는 고정값이 아니다.

다음 조건에 따라 달라질 수 있다.

• 입자의 형상과 표면 거칠기
• 입도분포
• 상대밀도
• 초기 간극비
• 구속압
• 배수조건
• 응력 이력
• 전단변형 수준

특히 조밀한 모래는 전단 중 팽창거동을 나타낼 수 있으며, 이러한 특성이 피크 내부마찰각에 영향을 줄 수 있다.

6. 내부마찰각에 따른 전단강도 계산

유효점착력이 0이고 유효수직응력이 150kPa인 지반을 가정하자.

내부마찰각을 각각 25°, 30°, 35°로 설정하면 다음과 같다.

φ′ = 25°

τf = 150tan25°

τf ≈ 69.9kPa

φ′ = 30°

τf = 150tan30°

τf ≈ 86.6kPa

φ′ = 35°

τf = 150tan35°

τf ≈ 105.0kPa

내부마찰각	계산 전단강도
25°	69.9kPa
30°	86.6kPa
35°	105.0kPa

내부마찰각이 25°에서 35°로 증가하면 계산 전단강도는 약 50% 증가한다.

이 예제는 동일한 유효수직응력에서 내부마찰각이 전단강도에 미치는 영향을 보여준다.

단, 수치는 원리 설명을 위한 가상값이며 실제 설계 강도정수는 시험과 지반조사를 통해 평가해야 한다.

7. 세 번째 요소: 유효수직응력(Effective Normal Stress)

유효수직응력은 흙 입자 골격에 전달되는 수직응력이다.

흙의 전체 수직응력은 입자 골격이 부담하는 응력과 간극수압으로 구분할 수 있다.

포화토의 유효응력 관계는 다음과 같다.

σ′n = σn − u

여기서

• σ′n: 유효수직응력
• σn: 전수직응력
• u: 간극수압

유효수직응력이 증가하면 마찰성 전단강도도 증가하는 경향이 있다.

반대로 전수직응력이 일정한 상태에서 간극수압이 증가하면 유효수직응력은 감소한다.

이 때문에 지하수위와 간극수압의 변화는 사면안정 및 굴착 안정성에 중요한 영향을 줄 수 있다.

8. 유효수직응력 변화에 따른 계산 예제

유효점착력 10kPa, 유효내부마찰각 30°인 지반을 가정하자.

유효수직응력을 각각 50kPa, 100kPa, 150kPa로 설정한다.

σ′n = 50kPa

τf = 10 + 50tan30°

τf ≈ 38.9kPa

σ′n = 100kPa

τf = 10 + 100tan30°

τf ≈ 67.7kPa

σ′n = 150kPa

τf = 10 + 150tan30°

τf ≈ 96.6kPa

유효수직응력	전단강도
50kPa	38.9kPa
100kPa	67.7kPa
150kPa	96.6kPa

점착력과 내부마찰각이 일정한 경우 유효수직응력이 증가할수록 전단강도가 증가한다.

다만 유효수직응력의 증가가 곧바로 흙의 밀도 증가를 의미하는 것은 아니다.

응력 변화와 지반의 압축·압밀 또는 체적변화는 구분해서 이해해야 한다.

9. 세 가지 요소를 동시에 적용하는 종합 계산

이번에는 다음과 같은 가상의 지반 조건을 설정해 보자.

항목	가정값
전수직응력 σn	200kPa
간극수압 u	50kPa
유효점착력 c′	12kPa
유효내부마찰각 φ′	32°

① 유효수직응력 계산

σ′n = σn − u

σ′n = 200 − 50

σ′n = 150kPa

② 마찰성 전단저항 계산

σ′n tanφ′ = 150tan32°

약 93.7kPa

③ 점착력 성분 합산

τf = 12 + 93.7

τf ≈ 105.7kPa

따라서 가정한 조건에서 계산된 전단강도는 약 105.7kPa다.

이 값은 해당 면의 응력조건에서 모어-쿨롱 식으로 산정한 전단강도이며, 지반 전체의 허용하중이나 안전율을 직접 의미하지 않는다.

10. 간극수압이 증가하면 전단강도는 얼마나 변할까?

앞의 예제에서 전수직응력과 강도정수는 그대로 유지하고 간극수압만 100kPa로 증가했다고 가정하자.

변경된 유효수직응력은 다음과 같다.

σ′n = 200 − 100

σ′n = 100kPa

전단강도는

τf = 12 + 100tan32°

τf ≈ 74.5kPa

기존 계산값과 비교하면 다음과 같다.

조건	간극수압	전단강도
초기	50kPa	105.7kPa
변화 후	100kPa	74.5kPa

전단강도 감소량은 약 31.2kPa다.

이 예제는 전수직응력이 일정한 상태에서 간극수압 증가가 유효응력을 감소시키는 효과를 보여준다.

그러나 실제 강우나 지하수위 상승 상황에서는 전응력과 배수조건도 달라질 수 있다.

따라서 현장의 전단강도 변화를 판단하려면 지하수 흐름과 간극수압 변화를 함께 분석해야 한다.

11. 모래와 점토의 전단강도는 어떻게 다를까?

모래와 점토는 입자 크기와 구조, 투수성 및 배수 특성이 서로 다르다.

따라서 전단강도를 평가할 때 주의해야 할 요소도 달라진다.

모래질 지반

깨끗하고 시멘테이션이 없는 모래는 유효점착력을 0으로 근사하는 경우가 많다.

이때 전단강도는 주로 유효수직응력과 내부마찰각에 의해 평가한다.

모래의 상대밀도와 입자 형상, 구속압 및 팽창거동 등이 강도에 영향을 준다.

점토질 지반

점토는 배수조건과 응력 이력에 따라 강도 평가방법이 크게 달라질 수 있다.

장기 배수 거동에서는 유효응력 기준의 강도정수를 이용할 수 있다.

반면 포화 점토의 단기 비배수 거동에서는 비배수전단강도 su를 사용하는 전응력 해석이 적절할 수 있다.

따라서 점토의 전단강도를 항상 점착력 하나로만 설명하는 것은 정확하지 않다.

12. 배수 전단강도와 비배수 전단강도

지반의 전단강도를 평가할 때 가장 중요한 판단 중 하나는 배수조건이다.

배수조건(Drained Condition)

하중 작용 중 발생하는 과잉간극수압이 충분히 소산될 수 있는 조건이다.

이 경우 유효응력 기준의 강도정수 c′와 φ′를 이용한 해석이 일반적이다.

비배수조건(Undrained Condition)

하중 작용 중 과잉간극수압이 충분히 소산되지 못하는 조건이다.

포화 점토의 단기 전응력 해석에서는 다음과 같은 단순화된 관계를 적용하는 경우가 많다.

τf = su

여기서 su는 비배수전단강도다.

이때 전응력 해석에서 내부마찰각을 0으로 근사하는 경우가 있지만, 이것이 흙의 유효내부마찰각이 0이라는 의미는 아니다.

또한 배수조건은 단순히 모래인지 점토인지로만 결정되지 않는다.

흙의 투수성과 배수거리, 하중 작용속도 및 현장 조건을 함께 고려해야 한다.

13. 피크강도와 한계상태강도의 차이

흙의 전단강도는 전단변형이 진행되는 동안 달라질 수 있다.

특히 조밀한 모래에서는 전단변형 초기부터 강도가 증가하다가 최대값에 도달한 뒤 감소하는 거동이 나타날 수 있다.

이때 구분하는 대표적인 개념은 다음과 같다.

피크강도(Peak Strength)

전단 과정에서 나타나는 최대 전단저항이다.

한계상태강도(Critical State Strength)

충분한 전단변형이 진행된 후 응력과 체적이 일정한 상태로 전단이 지속되는 조건과 관련된 강도다.

피크강도와 한계상태강도는 같은 값이 아닐 수 있다.

특히 조밀한 모래의 피크강도에는 전단 중 팽창거동의 영향이 포함될 수 있다.

따라서 설계 목적에 따라 피크강도만 적용하는 것이 적절한지 검토해야 한다.

14. 잔류전단강도가 중요한 경우

점토질 지반에서는 큰 전단변위가 발생한 후 전단강도가 감소할 수 있다.

특히 이미 활동이 발생한 사면의 미끄럼면에서는 잔류전단강도(Residual Shear Strength)가 중요할 수 있다.

잔류전단강도는 기존 활동면을 따라 큰 전단변위가 발생한 후의 강도 특성을 나타낸다.

대표적으로 다음과 같은 상황에서 검토할 수 있다.

• 과거 산사태가 발생한 사면
• 기존 미끄럼면이 존재하는 점토질 지반
• 반복적인 활동이 발생한 사면
• 장기적인 재활동 가능성을 평가하는 경우

따라서 이미 파괴가 발생한 지반의 안정성을 검토할 때에는 초기 피크강도를 그대로 적용하는 것이 부적절할 수 있다.

15. 흙의 상대밀도와 전단강도의 관계

사질토의 상대밀도(Relative Density)는 입자의 조밀한 정도를 평가하는 지표다.

일반적으로 동일한 입자 특성과 응력조건에서 조밀한 모래는 느슨한 모래보다 높은 피크전단강도를 나타낼 수 있다.

이는 입자의 맞물림과 전단 중 팽창거동 등이 영향을 주기 때문이다.

그러나 상대밀도가 높다고 해서 모든 조건에서 동일한 내부마찰각을 적용할 수 있는 것은 아니다.

다음 요소도 함께 고려해야 한다.

• 입자의 형상
• 입도분포
• 구속압
• 응력 이력
• 전단 방향
• 배수조건

특히 내부마찰각을 상대밀도만으로 추정한 경우에는 적용 경험식의 범위와 한계를 확인해야 한다.

16. 점토의 압밀상태와 전단강도

점토질 지반의 전단강도는 압밀상태와 응력 이력에 영향을 받는다.

대표적으로 정규압밀점토와 과압밀점토를 구분할 수 있다.

정규압밀점토(Normally Consolidated Clay)

현재의 유효연직응력이 과거에 경험한 최대 유효연직응력인 상태다.

과압밀점토(Overconsolidated Clay)

과거에 현재보다 큰 유효연직응력을 경험한 점토다.

과압밀점토는 응력 이력에 따라 정규압밀점토와 다른 강도 및 변형 특성을 나타낼 수 있다.

특히 비배수전단강도는 현재 유효응력과 과압밀비, 응력 경로 등에 영향을 받을 수 있다.

따라서 점토의 강도정수를 평가할 때에는 압밀시험과 삼축압축시험 등 관련 자료를 함께 검토하는 것이 중요하다.

17. 직접전단시험으로 전단강도를 측정하는 방법

직접전단시험(Direct Shear Test)은 흙 시료에 수직하중을 가한 상태에서 정해진 전단면을 따라 전단변위를 발생시키는 시험이다.

시험에서는 일반적으로 다음 항목을 측정한다.

• 수직하중
• 전단하중
• 수평변위
• 수직변위

서로 다른 수직응력 조건에서 전단시험을 실시하면 수직응력과 전단강도의 관계를 평가할 수 있다.

이를 이용해 모어-쿨롱 강도정수를 추정할 수 있다.

다만 직접전단시험은 전단면이 시험장치에 의해 정해지고 응력분포가 균일하지 않을 수 있다는 한계가 있다.

또한 전단속도와 배수조건이 결과에 영향을 줄 수 있으므로 시험조건을 확인해야 한다.

18. 직접전단시험 결과로 c′와 φ′ 계산하기

다음과 같은 가상의 배수 직접전단시험 결과를 가정하자.

유효수직응력 σ′n	측정 전단강도 τf
50kPa	40kPa
100kPa	70kPa
150kPa	100kPa

이 데이터가 직선형 파괴포락선을 따른다고 가정하면 기울기는 다음과 같다.

tanφ′ = Δτf / Δσ′n

tanφ′ = (100 − 40)/(150 − 50)

tanφ′ = 60/100

tanφ′ = 0.6

따라서

φ′ = arctan(0.6) ≈ 31.0°

점착력 절편은 다음과 같이 계산한다.

c′ = τf − σ′n tanφ′

c′ = 40 − 50 × 0.6

c′ = 10kPa

따라서 이 가상 시험자료의 강도정수는 다음과 같다.

• 유효점착력: 10kPa
• 유효내부마찰각: 약 31.0°

전단강도식은 다음과 같다.

τf = 10 + 0.6σ′n

예를 들어 유효수직응력이 125kPa이면

τf = 10 + 0.6 × 125

τf = 85kPa

이 계산은 실제 시험자료에서 점착력과 내부마찰각을 산정하는 기본 원리를 보여준다.

실제 시험에서는 여러 측정값의 산포와 시험조건을 고려해 적절한 강도정수를 결정해야 한다.

19. 삼축압축시험에서는 무엇을 확인할까?

삼축압축시험(Triaxial Compression Test)은 시료에 구속압을 가한 상태에서 축방향 하중을 증가시켜 흙의 강도와 변형 특성을 평가하는 시험이다.

대표적인 시험은 다음과 같다.

시험	명칭	주요 특징
UU	비압밀 비배수	압밀 및 배수를 허용하지 않는 조건
CU	압밀 비배수	압밀 후 배수 없이 전단
CD	압밀 배수	압밀 후 배수를 허용하며 전단

특히 CU 시험에서 간극수압을 측정하면 전응력과 유효응력의 관계를 평가할 수 있다.

적절한 시험자료를 이용해 유효강도정수 c′, φ′ 또는 비배수전단강도 su 등을 평가할 수 있다.

어떤 값을 설계에 사용할지는 구조물의 하중조건과 지반의 배수특성에 따라 달라진다.

20. 현장시험으로 전단강도를 추정할 수 있을까?

지반의 전단강도는 실내시험뿐 아니라 현장시험을 통해서도 평가할 수 있다.

대표적인 시험은 다음과 같다.

표준관입시험(SPT)

지반의 관입저항을 측정한다.

SPT N값은 경험적 상관관계를 이용해 일부 지반정수를 추정하는 데 활용할 수 있다.

다만 N값 자체가 전단강도는 아니다.

콘관입시험(CPT)

콘 선단저항과 주면마찰 등의 자료를 이용해 지반의 연속적인 특성을 파악한다.

적절한 경험적 상관관계와 해석방법을 통해 지반정수를 추정할 수 있다.

현장베인전단시험(Field Vane Shear Test)

주로 연약한 점성토의 비배수전단강도를 평가하는 데 활용한다.

다만 시험방법과 지반의 이방성, 변형속도 및 교란 영향 등을 고려해야 한다.

현장시험 결과를 이용할 때에는 적용 경험식과 보정조건을 확인해야 한다.

21. 전단강도가 사면안정에 미치는 영향

사면에서는 흙의 자중과 외부하중에 의해 활동면을 따라 전단응력이 발생한다.

이때 지반의 전단강도가 작용 전단응력에 비해 부족하면 사면의 안정성이 저하될 수 있다.

유효응력 기준의 전단강도는 다음과 같다.

τf = c′ + (σn − u)tanφ′

이 식에서 알 수 있듯이 사면의 안정성은 점착력과 내부마찰각뿐 아니라 간극수압의 영향을 받는다.

특히 강우나 지하수 흐름으로 간극수압이 증가하면 유효수직응력이 감소하여 전단저항이 낮아질 수 있다.

그러나 사면의 안전율은 특정 한 점의 전단강도만으로 결정되지 않는다.

활동면 전체의 저항과 작용력, 사면의 형상 및 지층조건을 반영한 안정해석이 필요하다.

22. 전단강도가 기초지지력에 미치는 영향

건축물의 기초 아래에서는 구조물 하중에 의해 지반 내부의 응력이 증가한다.

하중이 커지면 기초 아래 지반에 전단파괴가 발생할 수 있다.

기초지지력 해석에서는 지반의 점착력과 내부마찰각이 중요한 강도정수로 사용된다.

예를 들어 Terzaghi의 띠기초 극한지지력식은 다음과 같다.

qult = cNc + qNq + 0.5γBNγ

여기서

• c: 해석조건에 적합한 점착력
• Nc, Nq, Nγ: 지지력계수
• q: 기초 저면 깊이의 상재압력
• γ: 지반 단위중량
• B: 기초 폭

지지력계수는 내부마찰각에 영향을 받는다.

따라서 강도정수의 선택은 계산되는 극한지지력에 직접적인 영향을 줄 수 있다.

다만 실제 기초설계에서는 지지력뿐 아니라 침하량과 기초 형상, 지하수위 및 하중조건도 함께 검토해야 한다.

23. 옹벽과 굴착 안정성에서의 활용

옹벽 배면의 흙은 벽체의 이동과 변형에 따라 서로 다른 토압상태를 형성할 수 있다.

내부마찰각은 주동토압과 수동토압을 산정하는 토압계수에 영향을 준다.

예를 들어 단순한 Rankine 주동토압 조건에서 점착력이 없는 지반의 주동토압계수는 다음과 같다.

Ka = tan²(45° − φ′/2)

내부마찰각이 30°이면

Ka = tan²30°

Ka ≈ 0.333

이처럼 내부마찰각은 전단강도 계산뿐 아니라 옹벽의 토압 평가에도 활용된다.

그러나 실제 굴착과 옹벽 설계에서는 지하수위와 벽체 변위, 상재하중, 배면 경사 및 지반의 층상구조 등을 함께 고려해야 한다.

24. 다짐하면 전단강도가 반드시 증가할까?

다짐(Compaction)은 흙에 기계적인 에너지를 가해 간극을 줄이고 밀도를 증가시키는 작업이다.

적절한 다짐은 사질토의 조밀도를 높이고 전단강도 및 변형 특성을 개선하는 데 도움이 될 수 있다.

그러나 다짐에 의한 강도 변화는 흙의 종류와 함수비, 다짐에너지 및 배수조건에 따라 달라진다.

특히 점성토에서는 같은 건조밀도를 갖더라도 최적함수비보다 건조한 쪽에서 다졌는지, 습한 쪽에서 다졌는지에 따라 구조와 강도 특성이 달라질 수 있다.

따라서 다짐을 실시했다고 해서 모든 조건에서 전단강도가 일정한 비율로 증가한다고 단정할 수 없다.

다짐 효과를 평가하려면 현장 밀도시험과 함수비 측정, 필요한 강도시험 등을 활용해야 한다.

25. 지하수위가 높으면 전단강도가 무조건 낮아질까?

지하수위와 전단강도의 관계는 단순하지 않다.

포화토에서 전응력이 일정한 상태로 간극수압이 증가하면 유효응력이 감소해 마찰성 전단강도가 낮아질 수 있다.

그러나 지하수위 상승이 실제로 어느 정도의 강도 변화를 일으키는지는 지반의 종류와 배수조건, 응력상태에 따라 달라진다.

또한 불포화토에서는 모관흡수력과 관련된 강도 특성이 나타날 수 있다.

이때 물이 유입되어 흡수력이 감소하면 겉보기 점착력이 줄어드는 현상이 발생할 수 있다.

따라서 물이 흙 입자 사이의 마찰을 단순히 윤활하여 강도를 떨어뜨린다는 설명만으로 지반의 전단강도 변화를 해석하는 것은 적절하지 않다.

실제 설계에서는 간극수압과 유효응력, 포화도 및 배수조건을 구분해 평가해야 한다.

26. 설계에 사용할 전단강도정수 선정 체크리스트

지반조사보고서에 전단강도정수가 제시되어 있다면 다음 사항을 확인해야 한다.

확인항목	주요 검토 내용
지반 종류	사질토, 점성토, 혼합토 등
응력 기준	전응력 또는 유효응력
배수조건	배수 또는 비배수
시험방법	직접전단, 삼축압축, 현장시험 등
강도 수준	피크강도, 한계상태강도, 잔류강도
응력 범위	현장 응력과 시험 응력의 적합성
시료 상태	교란 여부, 밀도, 함수비
응력 이력	정규압밀 또는 과압밀
지하수 조건	간극수압과 지하수위 변동
설계 목적	기초, 사면, 옹벽, 굴착 등

특히 c′, φ′와 su는 서로 다른 해석조건에서 사용하는 강도정수일 수 있다.

따라서 전응력 해석과 유효응력 해석의 강도정수를 혼합하지 않도록 주의해야 한다.

27. 전단강도와 관련해 자주 발생하는 오해

오해 1. 점토는 점착력으로만 전단강도를 발휘한다.

점토도 유효응력 기준에서는 내부마찰각을 포함한 전단강도 특성을 나타낼 수 있다.

오해 2. 모래는 항상 점착력이 0이다.

깨끗하고 시멘테이션이 없는 모래에서 c′를 0으로 근사하는 경우가 많지만, 모든 모래질 지반에 동일하게 적용할 수는 없다.

오해 3. 수직응력이 커지면 흙이 반드시 조밀해진다.

수직응력의 증가는 마찰성 전단강도에 영향을 주지만, 실제 밀도 변화는 압축성과 배수조건 등에 따라 결정된다.

오해 4. 지하수가 있으면 흙 입자가 미끄러워져 강도가 낮아진다.

지하수의 주요 영향은 간극수압과 유효응력, 불포화토의 흡수력 변화 등을 통해 평가해야 한다.

오해 5. 다짐하면 전단강도가 일정한 비율로 증가한다.

강도 개선 정도는 흙의 종류와 함수비, 다짐방법 및 시험조건에 따라 달라진다.

오해 6. 실내시험에서 가장 큰 강도값을 설계에 적용하면 된다.

피크강도와 잔류강도, 배수조건 및 실제 응력상태를 고려해 적절한 강도정수를 선정해야 한다.

오해 7. 전단강도가 충분하면 침하 검토는 필요 없다.

전단강도와 침하 특성은 서로 다른 설계 검토항목이다. 전단파괴에 대한 안전성이 충분하더라도 과도한 침하가 발생할 수 있다.

28. 자주 묻는 질문(FAQ)

Q1. 흙의 전단강도를 결정하는 세 가지 요소는 무엇인가요?

모어-쿨롱 유효응력 전단강도식에서는 점착력, 내부마찰각, 유효수직응력이 핵심 요소다.

Q2. 전단강도 계산 공식은 무엇인가요?

유효응력 기준의 대표적인 식은 τf = c′ + σ′n tanφ′이다.

Q3. 내부마찰각이 클수록 전단강도가 높아지나요?

같은 유효수직응력과 점착력 조건에서는 내부마찰각이 증가하면 계산 전단강도도 증가한다.

Q4. 점토의 전단강도는 어떻게 측정하나요?

삼축압축시험과 직접전단시험, 현장베인전단시험 등을 이용할 수 있다. 시험방법은 배수조건과 설계 목적에 따라 선택한다.

Q5. SPT N값으로 전단강도를 바로 계산할 수 있나요?

N값은 관입저항을 나타내는 지표이며 전단강도 자체는 아니다. 적절한 경험적 상관관계를 이용해 일부 강도정수를 추정할 수 있다.

Q6. 비배수전단강도와 점착력은 같은 값인가요?

동일한 개념이 아니다. 비배수전단강도 su는 특정 비배수조건의 강도이며, 유효점착력 c′와 구분해야 한다.

Q7. 지하수위가 상승하면 왜 사면이 불안정해질 수 있나요?

간극수압이 증가하면 유효응력이 감소하여 마찰성 전단저항이 낮아질 수 있기 때문이다. 실제 안정성은 지반과 강우·배수조건에 따라 달라진다.

29. 결론: 전단강도는 흙의 성질과 응력조건을 함께 평가해야 한다

전단강도(Shear Strength)는 흙이 전단변형과 미끄러짐에 저항하는 능력을 나타내는 지반공학의 핵심 개념이다.

모어-쿨롱 유효응력 전단강도식에서 중요한 세 가지 요소는 다음과 같다.

1. 점착력(c′): 전단강도식의 절편으로 나타나는 강도정수
2. 내부마찰각(φ′): 유효수직응력에 따른 마찰성 전단강도 증가율
3. 유효수직응력(σ′n): 흙 입자 골격에 전달되어 마찰성 저항에 영향을 주는 응력

이 세 요소를 이용하면 특정 응력조건에서 흙의 전단강도를 계산할 수 있다.

그러나 실제 지반설계에서는 계산식에 숫자를 대입하는 것만으로 충분하지 않다.

지반의 배수조건과 간극수압, 밀도, 응력 이력, 강도 수준 및 시험방법을 함께 고려해야 한다.

특히 같은 흙이라도 단기 비배수조건과 장기 배수조건에서 적절한 강도 평가방법이 달라질 수 있다.

지반의 전단강도를 정확하게 평가한다는 것은 흙이 얼마나 단단한지 판단하는 것이 아니라, 실제 하중과 배수조건에서 흙이 어느 정도의 전단저항을 발휘할 수 있는지 확인하는 것이다.

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참고자료 및 출처

1. Terzaghi, K., Peck, R. B. & Mesri, G.

Soil Mechanics in Engineering Practice.

유효응력 원리와 흙의 전단강도 및 지반의 강도 특성에 관한 참고문헌.

2. Das, B. M. & Sobhan, K.

Principles of Geotechnical Engineering.

모어-쿨롱 전단강도식, 점착력과 내부마찰각, 직접전단시험 및 삼축압축시험에 관한 참고문헌.

3. Budhu, M.

Soil Mechanics and Foundations.

지반의 응력상태와 배수·비배수 전단강도, 응력 이력에 관한 참고문헌.

4. Federal Highway Administration(FHWA)

Soils and Foundations Reference Manual.

지반조사와 강도정수 평가, 기초 및 사면 안정성 검토에 관한 기술자료.

https://www.fhwa.dot.gov/engineering/geotech

※ 본문의 계산 예제와 시험자료는 전단강도 원리를 설명하기 위한 가상 조건이다. 실제 설계에서는 현장 지반조사 결과, 적절한 강도시험 및 적용 설계기준을 우선해야 한다.