제113회 토목시공기술사 1교시 기출문제&참고답안

 

제113회 토목시공기술사 1교시 참고답안

1. 단층 파쇄대

1. 개요

단층 파쇄대(Fault Fracture Zone)는 지각 변동으로 인해 단층이 발생할 때, 그 주변 암반이 심한 전단력을 받아 잘게 부서지고 점토 광물 등으로 변질된 매우 연약한 지질 구조대를 말합니다. 터널이나 사면 등 암반 구조물 공사 시 조우할 경우 붕괴, 용수 등 심각한 문제를 야기하는 주요 위험 요소입니다.

2. 공학적 특성

• 매우 낮은 강도: 암반이 원래의 강도를 거의 상실한 상태로, 전단강도가 매우 낮음.
• 높은 투수성 및 함수비: 파쇄된 틈으로 지하수가 집중되어 다량의 용수를 동반하는 경우가 많음.
• 팽창성 및 duże 변형: 몬모릴로나이트 등 팽창성 점토광물을 포함할 경우 물과 만나 팽창(Swelling)하거나, 큰 압력으로 인해 터널 내로 밀려 들어오는(Squeezing) 거동을 보임.

3. 시공상 문제점 및 대책

문제점	대책
터널 막장 붕괴 및 대규모 용수	- 막장 전방 수평보링, TSP 탐사 등 사전 탐사 철저 - 강관다단그라우팅, 주입식 록볼트 등 막장 전방 보강 - 대구경 강관보강(강관다단그라우팅) 등 강력한 보조공법 적용
과도한 지보재 변위 및 파괴	- 강지보재 간격 축소, 숏크리트 두께 증대 - 인버트 조기 폐합을 통한 단면 안정성 확보

2. 콘크리트의 수화수축

1. 개요

수화수축(Hydration Shrinkage) 또는 화학수축(Chemical Shrinkage)은 시멘트가 물과 반응하는 수화 과정에서, 생성된 수화물의 절대 부피가 반응 전 시멘트와 물의 절대 부피의 합보다 작아져 발생하는 콘크리트의 체적 감소 현상입니다. 이는 외부로의 수분 증발과 관계없이 발생하는 내부적인 수축입니다.

2. 건조수축과의 비교

구분	수화수축 (화학수축)	건조수축 (Drying Shrinkage)
발생 원인	시멘트의 수화반응 자체에 의한 내부적인 부피 감소	콘크리트 내부의 잉여수가 외부로 증발하면서 발생하는 부피 감소
주요 발생 시기	콘크리트 타설 후 초기 재령 (수화가 활발한 시기)	주로 응결 후, 장기 재령에 걸쳐 발생
특징	- W/C비가 낮을수록(고강도) 수축량이 커짐. - 자기수축(Autogenous Shrinkage)이라고도 함.	- 부재의 단면이 작을수록, 습도가 낮을수록 수축량이 커짐. - 콘크리트 균열의 주된 원인.

3. 병렬터널 필러(Pillar)

1. 개요

병렬터널 필러는 2개 이상의 터널이 서로 근접하여 시공될 때, 터널과 터널 사이에 존재하는 암반 또는 토사 기둥을 말합니다. 이 필러는 양쪽 터널 굴착으로 인해 응력이 집중되는 매우 중요한 부위로, 필러의 안정성이 병렬터널 전체의 안정성을 좌우합니다.

2. 중요성 및 파괴 메커니즘

• 중요성: 양쪽 터널로부터 전달되는 하중을 지지하고, 두 터널이 하나의 거대한 공동(空洞)처럼 거동하지 않도록 막아주는 역할을 함.
• 파괴 메커니즘: 필러의 폭이 너무 좁거나 암반 상태가 불량할 경우, 집중되는 응력을 견디지 못하고 필러 자체가 파괴되어 터널 전체의 붕괴로 이어질 수 있음.

3. 설계 및 시공 시 고려사항

• 필러 폭 결정: 수치해석 등을 통해 필러에 작용하는 응력이 허용치를 넘지 않도록 터널 간 최소 이격거리를 결정. (일반적으로 터널 직경의 1~2배 이상)
• 굴착 순서: 한쪽 터널 굴착이 반대편 터널에 미치는 영향을 최소화하도록 굴착 순서 및 선행 이격거리를 계획.
• 필러 보강: 필러의 폭이 충분하지 않거나 암반이 불량할 경우, 록볼트나 강관 그라우팅 등으로 필러 자체를 보강.

4. 순수내역입찰제도

1. 개요

순수내역입찰제도는 발주기관이 입찰 시 설계서와 함께 공종별 목적물을 구성하는 품목과 규격, 수량이 명시된 물량내역서(Bill of Quantities)를 배부하고, 입찰참가자는 물량내역서에 단가만을 기재한 입찰내역서를 제출하여 입찰하는 방식입니다. 이는 입찰자의 물량산출 부담을 덜어주고, 입찰 경쟁을 가격 경쟁으로 유도하는 데 목적이 있습니다.

2. 특징

• 발주처 물량 제공: 발주처가 물량 산출에 대한 책임을 짐.
• 입찰자 단가 산정: 입찰자는 주어진 물량에 대한 단가 경쟁에만 집중.
• 설계변경 용이: 계약 후 물량 변동이 발생할 경우, 계약된 단가를 기준으로 손쉽게 계약금액 조정 가능.
• 입찰 준비기간 단축: 입찰자의 물량 산출 업무가 생략되어 입찰 준비가 용이.

3. 장단점

장점	단점
- 입찰자의 과업 부담 경감 및 입찰 비용 절감.	- 발주처의 물량 산출 오류 시 책임 문제 발생.
- 입찰 담합 및 덤핑 입찰 방지에 일부 기여.	- 입찰자의 기술력보다는 가격 경쟁에만 치중할 우려.

5. 건설공사비지수(Construction Cost Index)

1. 개요

건설공사비지수(CCI)는 건설공사에 투입되는 재료, 노무, 장비 등 직접공사비의 가격 변동을 측정하기 위해 작성하는 통계 지수입니다. 기준 시점(보통 특정 연도)의 비용을 100으로 놓고, 비교 시점의 비용 변동을 백분율로 나타낸 것으로, 건설 시장의 물가 변동 추이를 파악하는 중요한 경제 지표입니다.

2. 산정 방식 및 활용

• 산정 기관: 한국건설기술연구원
• 활용:
  • 계약금액 조정(Escalation): 장기계속공사 등에서 물가변동으로 인한 계약금액 조정의 기초자료로 활용.
  • 사업비 추정: 과거의 공사비 실적자료를 현재 시점의 공사비로 환산하여 사업비 예측에 활용.
  • 건설 경기 분석: 건설 시장의 물가 동향을 파악하고 향후 경기를 예측하는 거시 경제 지표로 활용.

6. 암발파 누두지수

1. 개요

누두지수(Blasting Index, n)는 암반의 종류에 따른 발파 저항성을 나타내는 지수로, 발파 시 형성되는 파쇄공(Crater)의 크기를 예측하고 적정 장약량을 산정하는 데 사용되는 경험적인 계수입니다. 일반적으로 암질이 경암일수록 누두지수가 커지고(발파가 어려움), 연암일수록 작아집니다.

2. 활용 (Livingston의 누두공 이론)

누두공 이론은 특정 깊이에 장전된 폭약이 폭발할 때 지표면에 형성되는 원뿔형 파쇄공의 크기를 예측하는 이론입니다. 이때 최적의 파쇄 효과를 얻는 최적 장약깊이(Do)는 폭약량(W)과 암반의 특성(누두지수)에 따라 결정되며, 누두지수는 이 관계를 정립하는 데 사용됩니다.

3. 공학적 의미

누두지수는 특정 암반을 파쇄하는 데 필요한 단위체적당 폭약량, 즉 '발파 난이도'를 정량적으로 나타내는 지표로 볼 수 있습니다. 시험발파를 통해 해당 암반의 누두지수를 파악하면, 본 발파 시의 적정 장약량과 천공 패턴을 결정하여 경제적이고 효율적인 발파 계획을 수립할 수 있습니다.

7. 여수로의 감세공

1. 개요

감세공(Energy Dissipator)은 댐의 여수로(Spillway)나 방수로를 통해 방류되는 고속의 흐름이 가진 막대한 운동에너지를 소산시켜, 하류 하천의 세굴 및 침식을 방지하고 댐 구조물의 안전을 확보하기 위해 설치하는 수리구조물입니다. 일반적으로 댐 직하류에 설치됩니다.

2. 에너지 감세 원리 및 종류

감세공의 가장 일반적인 원리는 수력도약(Hydraulic Jump) 현상을 이용하는 것입니다.

종류	특징	주요 적용
수력도약형 감세공 (Stilling Basin)	- 가장 일반적인 형식으로, 평탄한 바닥 위에서 수력도약을 발생시킴. - 효율 증진을 위해 배플블록, 엔드실 등을 설치.	중소규모의 댐, 위어 등
스키점프형 감세공 (Ski-jump Type)	- 여수로 끝단을 위로 향하게 하여 물줄기를 공중으로 방류. - 공기와의 마찰 및 수면 낙하 충격으로 에너지를 감세.	하류 하천의 기반암이 매우 견고하여 세굴에 안전한 경우
감세지 (Plunge Pool)	- 댐 하류에 인공적으로 깊은 연못을 만들어, 낙하하는 물줄기의 에너지를 물의 쿠션 효과로 감세.	스키점프와 함께 사용되거나, 하류 암반이 약한 경우

8. 부재의 최소 철근비

1. 개요

최소 철근비(ρ_min)는 철근콘크리트 휨 부재(보, 슬래브)에서, 콘크리트에 균열이 발생한 직후 철근이 항복하면서 부재가 급작스럽게 파괴되는 취성파괴를 방지하기 위해 규정된 최소한의 철근량 비율을 말합니다.

2. 목적

콘크리트에 휨인장균열이 발생하는 순간의 저항모멘트(균열모멘트, Mcr)가, 철근이 배근된 단면의 공칭휨강도(Mn)보다 크도록 보장하기 위함입니다. 즉, Mn ≥ Mcr 조건을 만족시켜, 균열 발생 후에도 철근이 하중을 받아 연성적으로 거동하도록 유도하는 것입니다. 만약 철근량이 너무 적으면, 균열 발생과 동시에 철근이 바로 항복하여 부재가 예고 없이 파괴될 수 있습니다.

관련 기준 (콘크리트구조기준)

콘크리트구조기준에서는 휨 부재의 최소철근비에 대한 규정을 명시하고 있으며, 건조수축 및 온도 변화에 의한 균열을 제어하기 위한 최소철근비(온도철근비)도 별도로 규정하고 있습니다.

9. 아스팔트 감온성

1. 개요

아스팔트의 감온성(Temperature Susceptibility)은 온도가 변함에 따라 아스팔트의 경도나 점도와 같은 물리적 성질이 변하는 정도를 나타내는 성질입니다. 감온성이 크다는 것은 온도 변화에 민감하여, 여름철 고온에서는 쉽게 연화되고 겨울철 저온에서는 쉽게 부서지는 등 품질 변화가 심하다는 것을 의미합니다.

2. 감온성 지표 및 개선 방안

• 평가 지표:
  • 침입도지수 (PI, Penetration Index): 감온성을 나타내는 대표적인 경험적 지수. PI 값이 클수록 감온성이 작음(양호).
  • PG 등급 (Performance Grade): 포장이 사용될 지역의 최고/최저 온도 조건에 대한 저항성을 등급화하여 감온성을 관리.
• 개선 방안 (감온성 저감):
  • 개질아스팔트 사용: 일반 아스팔트에 SBS 등 고분자 폴리머를 첨가하여 고온에서의 유동 저항성과 저온에서의 균열 저항성을 동시에 향상시킴.

10. 말뚝의 동재하시험

1. 개요

말뚝 동재하시험(Dynamic Pile Load Test)은 말뚝 항타 시 발생하는 힘과 속도의 파동을 측정하고, 파동이론을 이용하여 말뚝의 지지력, 건전도, 항타 시스템의 효율 등을 평가하는 시험입니다. 정재하시험에 비해 시험이 신속하고 경제적이어서 널리 사용됩니다.

2. 시험 방법 및 활용

• 시험 방법:
  • 말뚝 두부에 변형률계와 가속도계를 부착.
  • 항타 해머로 말뚝을 타격.
  • 타격 시 센서에 기록된 힘과 속도의 파형 데이터를 파일드라이빙분석기(PDA)로 분석 (파동이론 기반 CAPWAP 해석).
• 활용:
  • 지지력 평가: 말뚝의 전체 지지력을 선단지지력과 주면마찰력으로 분리하여 산정.
  • 건전도 평가: 말뚝의 파손, 균열 등 결함의 위치 및 정도 추정.
  • 항타 관리: 항타 해머의 효율, 적정 관입량 등을 판단하여 시공 관리.

11. 굴입하도(堀入河道)

1. 개요

굴입하도(Incised River Channel)는 하천이 자유롭게 흐르며 형성한 충적평야(홍수터)를 깊게 파고 들어가(하각작용), 양안에 뚜렷한 하안 단구를 형성하며 흐르는 하천을 말합니다. 이는 하천의 유량이나 유사가 평형 상태를 이루지 못하고, 침식 작용이 우세하게 나타나는 불안정한 상태의 하천입니다.

2. 특징 및 문제점

• 특징: 하상 경사가 급하고, 만곡이 심하며, 양안의 제방이나 호안이 높고 가파름.
• 문제점:
  • 하상 저하 및 제방 붕괴: 지속적인 하상 침식으로 인해 교각 기초가 노출되거나 제방 기초부가 세굴되어 붕괴 위험 증가.
  • 급격한 수위 변화: 홍수 시 수위가 급격히 상승하고 유속이 빨라져 피해를 가중시킴.

12. 철근의 부착강도

1. 개요

부착강도(Bond Strength)는 콘크리트 내부에 묻힌 철근이 뽑히거나 미끄러지지 않도록 저항하는 힘을 말합니다. 이는 철근과 콘크리트가 일체로 거동하여 응력을 원활하게 전달하기 위한 가장 기본적인 전제 조건으로, 철근콘크리트 구조물의 성능 발현에 필수적입니다.

2. 부착강도 발현 메커니즘

• 화학적 부착력: 시멘트 페이스트와 철근 표면 사이의 화학적 결합력 (초기 하중에 저항).
• 마찰 저항력: 콘크리트가 경화, 수축하면서 철근을 조이는 힘에 의한 마찰력.
• 기계적 저항력(지압력): 이형철근의 마디(Rib)가 콘크리트에 맞물려 미끄러짐에 저항하는 힘 (부착력의 대부분을 차지).

3. 부착강도에 영향을 미치는 요인

콘크리트 압축강도, 철근의 표면상태(이형철근>원형철근), 피복두께, 철근 직경, 다짐 정도 등.

13. 준설매립선의 종류 및 특징

1. 개요

준설선은 항만, 하천 등의 수심을 확보하거나 수저의 토사를 채취하여 매립지로 운반하기 위해 사용되는 선박입니다. 준설 방식에 따라 크게 기계식과 펌프식으로 나뉩니다.

2. 종류 및 특징

구분	종류	특징 및 주요 용도
기계식	그래브(Grab) 준설선	- 크레인에 그래브 버킷을 장착하여 수저 토사 채취. - 점성토, 모래, 자갈 등 다양한 토질에 적용 가능. - 소규모, 협소한 장소 작업에 유리.
펌프식 (유압식)	커터 석션 준설선	- 흡입관 전단에 회전식 커터를 장착하여 다소 단단한 지반도 절삭하며 준설. (가장 널리 사용)
	호퍼(Hopper) 준설선	- 이동하면서 준설토를 선내 호퍼(저장고)에 저장 후, 운반하여 투기. - 기동성이 우수하여 외해 작업에 적합. (항로 유지준설)