함수비, 평형함수비, 수분특성곡선은 지반공학이나 토질역학을 공부하거나 실무에서 다루다 보면 반드시 접하게 되는 개념입니다. 이번 글에서는 이 세 가지 개념을 이해하기 쉽게 정리하고, 실제 산정 방법까지 예시와 함께 소개합니다.
목차
함수비란?
함수비는 흙 속에 포함된 수분의 양을 나타내는 지표로, 흙의 건조 중량에 대한 수분 중량의 비율(%)로 표현됩니다. 함수비는 지반의 물리적 성질을 파악하는 데 중요한 요소이며, 지반의 강도, 팽창성, 침하 등에 큰 영향을 미칩니다.
수분특성곡선이란?
수분특성곡선(Water Retention Curve)이란 흙이 가진 흡인압과 함수비 간의 관계를 나타낸 곡선입니다.
즉, 흙에 외부 압력을 가하면서 수분을 점차 제거해 나갈 때, 그에 따른 함수비의 변화를 나타낸 곡선이죠. 이 곡선은 지반의 배수 특성과 팽창·수축 특성을 이해하는 데 핵심적인 자료가 됩니다.
평형함수비(EWC)란?
평형함수비(Equilibrium Water Content, EWC)는 지반 내 응력과 배수 상태가 일정한 조건에서, 지표면으로부터 일정 깊이에서의 함수비가 더 이상 변화하지 않고 평형 상태에 도달했을 때의 함수비를 말합니다.
이 수치는 지반의 수분 상태를 평가하고, 지반 안정성이나 동결 위험성을 판단하는 데 중요한 기준이 됩니다.
수분특성곡선 및 평형함수비 산정법
수분특성곡선과 평형함수비는 다음과 같은 순서로 산정됩니다:
- 시료에 부압 가하기
- 수분 흡입 유도
- 평형 시 수두 높이(h) 측정
- 흡인압(PF) 계산
- 평형함수비(EWC) 계산
부압(負壓, Negative Pressure)은 대기압보다 낮은 압력을 말하며, 일종의 진공처럼 흙 내부의 수분을 밖으로 끌어내는 힘입니다. 실험에서는 이 부압을 인위적으로 걸어주어 흙 속 수분이 얼마나 잘 빠져나가는지, 그에 따라 함수비가 어떻게 변하는지를 관찰합니다. 쉽게 말해, 물을 “빨아들이는 압력”을 가해 흙의 수분 특성을 측정하는 과정이라고 이해하면 됩니다.
흡인압(PF) 계산 공식
(여기서 h는 수두 높이(cm)입니다)
흡인압은 흙이 수분을 붙잡으려는 힘, 즉 토양이 수분을 빨아들이는 능력을 수치로 나타낸 값입니다. 실험에서는 수두 높이(h)를 측정한 후, 이를 로그값으로 변환하여 흡인압(PF)으로 계산합니다. PF 값이 높다는 것은 그만큼 흙이 수분을 강하게 붙잡고 있다는 뜻이며, 반대로 PF가 낮으면 수분이 쉽게 빠져나갈 수 있는 상태를 의미합니다.
평형함수비(EWC) 계산 공식
(위에서 구한 PF로 평형함수비 산정 가능합니다)
흙 종류별 수분특성
흙의 종류에 따라 수분 특성이 다르죠. 토사 종류별(사질토, 점성토) 함수비 특징을 그래프 및 표로 정리했습니다. 점성토의 경우, 교란/비교란으로 나눠서 함수비, 흡인압을 비교하였습니다. 그래프 및 표를 참고하시면 되겠습니다.
| 흙 종류 | 특성 |
|---|---|
| 사질토 | 비표면적이 작고 표면이 비활성이기 때문에 흡인력이 낮고, 함수비도 적은 편 |
| 점성토 | 비표면적이 크고 표면보수력이 강해 흡인력도 크고, 함수비도 높은 편 |
함수비에 따른 현장 지반 특성
함수비와 흡인압(PF)에 따라 지반의 물리적 특성이 크게 달라집니다. 현장 함수비 조건에 따른 지반 특성을 알아보시죠.
- 흡인압(PF)이 큰 지반:
- 수분이 적어 건조 상태
- 파괴에 취약하고, 동결 위험 있음
- 현장 함수비 vs. 평형함수비 비교
- 현장 함수비 > 평형함수비 → 수분 흡수, 지반 팽창 가능
- 현장 함수비 < 평형함수비 → 수분 유출, 지반 수축 가능
마무리: 평형함수비 이해가 중요한 이유
함수비와 수분특성곡선, 평형함수비는 단순한 이론 개념이 아니라, 실제 지반의 거동 예측과 안정성 평가에 직접적으로 활용됩니다. 특히 지반조사, 기초설계, 배수설계 등 다양한 실무 분야에서 필수적으로 고려되는 요소입니다.