제112회 토목시공기술사 1교시 기출문제&참고답안

 

제112회 토목시공기술사 1교시 참고답안

1. 흙의 압밀 특징과 침하종류

1. 개요

압밀(Consolidation)은 포화된 점성토 지반이 하중을 받아 장시간에 걸쳐 과잉간극수압을 소산시키며 압축되어 침하하는 현상입니다. 구조물 기초의 전체 침하는 즉시침하, 압밀침하, 2차압밀침하의 합으로 나타납니다.

2. 압밀의 특징 및 침하의 종류

구분	설명
압밀 특징	- 포화된 점성토 지반에서 주로 발생. - 간극수 유출에 시간이 걸려 시간 의존적으로 발생.
즉시침하 (Immediate Settlement)	- 하중 재하 즉시 발생하는 탄성 침하. - 사질토 지반에서 전체 침하의 대부분을 차지.
1차 압밀침하 (Primary Consolidation)	- 과잉간극수압이 소산되면서 발생하는 주된 압밀 침하. - Terzaghi의 1차원 압밀이론으로 해석.
2차 압밀침하 (Secondary Consolidation)	- 과잉간극수압 소산이 완료된 후에도, 흙 입자 구조의 재배열(Creep)로 인해 발생하는 장기적인 침하. - 유기질토에서 현저하게 나타남.

2. H형강 버팀보의 강축과 약축

1. 개요

H형강은 단면의 형상으로 인해 휨 저항 성능이 방향에 따라 다른 이방성(Anisotropic) 부재입니다. 단면계수가 큰 방향을 강축, 작은 방향을 약축이라 하며, 휨 부재나 압축 부재로 사용할 때 하중이 작용하는 방향에 맞춰 축 방향을 올바르게 배치하는 것이 매우 중요합니다.

2. 강축과 약축의 특징

구분	강축 (Strong Axis, X-X축)	약축 (Weak Axis, Y-Y축)
단면 성능	단면2차모멘트와 단면계수가 크다.	단면2차모멘트와 단면계수가 작다.
저항 성능	휨 및 좌굴에 대한 저항력이 강하다.	휨 및 좌굴에 대한 저항력이 약하다.
버팀보 적용	버팀보의 자중 등 연직 방향 하중에 대해 강축으로 저항하도록 설치해야 함. (H를 세워서 설치)	강축 방향으로 좌굴하기 전에 약축 방향으로 먼저 좌굴할 수 있으므로, 중간 지지 등 보강이 필요.

3. 결론

흙막이 공사에서 긴 경간의 버팀보를 설치할 때, 약축 방향으로 배치하면 자중에 의해서도 쉽게 휘거나 좌굴하여 붕괴 사고의 원인이 될 수 있습니다. 따라서 반드시 부재의 강축 방향으로 주된 하중이 작용하도록 설치 방향을 준수해야 합니다.

3. 특수방파제의 종류

1. 개요

특수방파제는 전통적인 경사제나 직립제와 달리, 해수 유통, 경관 보전, 해안 침식 방지 등 특정 목적을 달성하기 위해 개발된 기능성 방파제를 총칭합니다.

2. 종류 및 특징

종류	특징 및 기능
잠제 (Submerged Breakwater)	구조물 상단이 항상 해수면 아래에 잠겨 있어 파랑을 저감시키면서 해수 유통 및 경관 확보에 유리.
이안제 (Detached Breakwater)	해안선과 평행하게 육지에서 떨어진 곳에 건설하여 배후의 해안 침식을 방지하고 모래를 퇴적시키는 목적.
투과성 방파제 (Permeable Breakwater)	구조물에 틈(슬릿 등)을 두어 파랑의 일부는 반사/소산시키고 일부는 통과시켜 해수 교환을 원활하게 하는 친환경적 방파제.
공기 방파제 (Pneumatic Breakwater)	해저에 설치된 파이프에서 공기를 분사하여, 공기 방울이 상승하면서 발생하는 수평 흐름으로 파랑 에너지를 감쇠. (유지관리비 고가)

4. 시멘트 콘크리트 포장의 구성 및 종류

1. 개요

시멘트 콘크리트 포장은 포장 슬래브가 휨강성으로 하중을 지지하는 강성포장(Rigid Pavement)입니다. 일반적으로 표층, 중간층(선택), 기층, 보조기층으로 구성되며, 줄눈 및 철근 사용 여부에 따라 여러 종류로 나뉩니다.

2. 포장의 구성

• 표층 (Surface Course): 교통하중을 직접 받는 최상부 콘크리트 슬래브.
• 중간층 (Separation Layer): 선택적으로 설치하며, 표층과 기층의 분리 및 배수 기능.
• 기층 (Base Course): 표층을 균일하게 지지하고 하중을 분산시키는 층.
• 보조기층 (Subbase Course): 동상 방지 및 배수 기능을 하며, 노상(Subgrade)의 불균일성을 조정.

3. 포장의 종류

종류	약어	특징
무근 콘크리트 포장	JCP	철근 없이 콘크리트만으로 구성되며, 일정한 간격의 줄눈으로 균열을 제어. (가장 일반적)
철근 콘크리트 포장	JRCP	슬래브 내에 철망을 배근하여 균열폭을 제어하고, 줄눈 간격을 JCP보다 길게 할 수 있음.
연속 철근 콘크리트 포장	CRCP	가로줄눈 없이 연속적인 종방향 철근을 배근하여, 발생하는 미세균열을 철근이 제어하도록 하는 방식. (주행성 우수, 유지관리 유리)

5. 콘크리트교와 강교의 장·단점 비교

1. 개요

교량은 주재료에 따라 크게 콘크리트교와 강교로 나뉩니다. 두 형식은 재료적 특성으로 인해 설계, 시공, 유지관리, 경제성 등 여러 측면에서 뚜렷한 장단점을 가지므로, 교량 계획 시 종합적인 비교 검토를 통해 최적의 형식을 선정해야 합니다.

2. 장·단점 비교

구분	콘크리트교 (Concrete Bridge)	강교 (Steel Bridge)
장점	- 유지관리 용이 (재도장 불필요) - 내구성, 내화성, 내진성 우수 - 재료 구입이 용이하고 형상 제작이 자유로움 - 진동이 적고 주행성이 좋음	- 자중이 가벼워 장경간에 유리 - 재료가 균질하고 강도가 큼 - 공장 제작으로 품질관리가 용이하고 신속한 시공 가능 - 해체 및 재활용 용이
단점	- 자중이 무거워 장경간에 불리 - 양생 기간이 필요하여 공기가 길어짐 - 균열 발생 및 보수가 어려움	- 부식에 취약하여 유지관리비(재도장)가 많이 듦 - 좌굴에 대한 검토가 중요 - 화재에 취약 - 진동이 심하고 소음 발생

6. Bulking 현상

1. 개요

Bulking(용적 팽창) 현상은 주로 세립사(가는 모래)와 같이 표면적이 넓은 흙이 건조 상태에서 습윤 상태로 변할 때, 흙 입자 표면에 형성된 물의 표면장력으로 인해 입자 간의 간격이 벌어져 전체 부피가 팽창하는 현상입니다. 함수율이 약 4~6%일 때 부피 팽창이 최대로 발생합니다.

2. 문제점 및 대책

• 문제점: 흙이나 모래를 부피 단위로 계량할 경우, Bulking으로 인해 실제보다 적은 중량의 재료가 계량되어 토공량 계산이나 콘크리트 배합에 심각한 오차를 유발.
• 대책:
  • 중량 단위 계량: 재료를 부피가 아닌 중량 단위로 계량하여 Bulking 현상에 의한 오차를 원천적으로 방지. (가장 확실한 방법)
  • 함수율 보정: 부득이하게 부피로 계량할 경우, 모래의 함수율을 측정하여 Bulking에 의한 부피 증가율을 보정.

7. 유효 프리스트레스(Effective Prestress)

1. 개요

프리스트레스(Prestress)는 PSC 구조물에 외부 하중으로 인한 인장응력을 상쇄시키기 위해 미리 도입하는 압축응력입니다. 그러나 PS강재에 도입한 초기 프리스트레스는 다양한 원인으로 인해 시간이 지나면서 손실이 발생하며, 모든 손실이 일어난 후 최종적으로 구조물에 남아있는 프리스트레스를 유효 프리스트레스라고 합니다.

2. 프리스트레스 손실 원인

유효 프리스트레스 = 초기 프리스트레스 - 즉시 손실 - 시간의존적(장기) 손실

구분	손실 원인
즉시 손실	- 정착장치 활동 (Anchorage Slip) - 콘크리트의 탄성수축 (Elastic Shortening) - 강재와 쉬스관의 마찰 (Friction)
장기 손실	- 콘크리트의 크리프 (Creep) - 콘크리트의 건조수축 (Shrinkage) - PS강재의 릴렉세이션 (Relaxation)

3. 결론

PSC 구조물의 장기적인 안전성과 사용성을 확보하기 위해서는, 설계 시 이러한 즉시 및 장기 손실량을 정확하게 예측하여, 최종적으로 필요한 유효 프리스트레스가 구조물에 확보될 수 있도록 초기 긴장력을 결정해야 합니다.

8. BHTV와 BIPS의 비교

1. 개요

BHTV와 BIPS는 지반조사 시 시추공 내벽의 상태(불연속면의 방향, 간격, 암질 변화 등)를 정밀하게 파악하기 위해 사용하는 공내 영상 촬영 장비입니다. 두 장비는 측정 원리와 적용 환경에 차이가 있습니다.

2. 비교

구분	BHTV (Borehole Televiewer)	BIPS (Borehole Image Processing System)
측정 원리	음파 (Acoustic) 초음파를 발사하고, 공벽에서 반사되는 파의 주시와 강도를 분석하여 영상화.	광학 (Optical) 원추형 거울과 고해상도 카메라를 이용하여 공벽을 직접 촬영.
장점	- 공내수가 탁하거나 암흑 상태에서도 측정 가능. - 암석의 강도 등 물리적 특성 추정 가능.	- 실제 색상의 고해상도 이미지 획득 가능. - 불연속면의 상태를 육안으로 직접 관찰하는 것과 같음.
단점	- 해상도가 낮고 흑백 이미지. - 공벽면이 불규칙하면 난반사로 왜곡 발생.	- 공내수가 맑아야 측정이 가능. - 별도의 광원 필요.

9. 잔류토(Residual Soil)

1. 개요

잔류토는 암반이 제자리에서 물리적, 화학적 풍화작용을 받아 생성된 후, 다른 곳으로 운반되지 않고 원래의 위치에 남아있는 흙을 말합니다. 이는 운반작용을 거쳐 퇴적된 운적토(퇴적토)와 구분되는 개념입니다.

2. 공학적 특성

• 점이적인 심도 변화: 지표면의 완전 풍화토에서부터 아래로 갈수록 풍화암, 연암, 경암 순으로 점진적으로 변화.
• 불규칙한 입도 및 각진 입자: 모암의 구조와 광물 성분을 그대로 유지하는 경우가 많고, 운반되지 않아 입자가 모난 형태.
• 불균질성: 풍화의 정도가 위치에 따라 달라 공학적 특성이 매우 불균질하고 이방성이 큼.
• 예민한 구조: 교란 시 강도가 급격히 저하되는 경우가 많음.

10. 전단철근

1. 개요

전단철근(Shear Reinforcement)은 철근콘크리트 보나 기둥 등에서, 하중에 의해 발생하는 전단력과 사인장응력(Diagonal Tension Stress)에 저항하기 위해 배치하는 철근을 말합니다. 콘크리트는 인장력에 취약하므로, 전단력에 의한 사인장균열이 발생하여 취성파괴되는 것을 방지하는 역할을 합니다.

2. 종류

• 스터럽 (Stirrup): 보의 주철근을 수직 또는 경사지게 감싸는 폐합 또는 U자형 철근. (가장 일반적)
• 굽힘 철근 (Bent-up Bar): 보의 하부 주철근 일부를 구부려 올려 상부 철근으로 사용하는 것으로, 굽힘 구간이 전단력에 저항.
• 띠철근 및 나선철근 (Tie & Spiral): 기둥에서 주철근을 감싸는 횡방향 철근으로, 전단력 저항 및 주철근 좌굴 방지, 심부 콘크리트 구속 효과.

11. 공극수압

1. 개요

공극수압(Pore Water Pressure, u)은 흙 입자 사이의 공극(Void)에 존재하는 물이 가지고 있는 압력을 말합니다. 이는 흙의 거동을 지배하는 가장 중요한 요소 중 하나로, 유효응력(Effective Stress)의 개념을 통해 흙의 강도 및 변형 특성을 설명하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

2. 유효응력의 원리 (Terzaghi)

흙에 작용하는 전체 응력(σ)은 흙 입자가 직접 받는 응력인 유효응력(σ')과 물이 받는 응력인 공극수압(u)의 합으로 구성됩니다.

σ' = σ - u

흙의 전단강도나 압축성은 오직 유효응력에 의해서만 결정됩니다. 따라서 공극수압이 증가하면 유효응력은 감소하고, 결과적으로 흙의 전단강도가 저하되어 안정성에 문제가 발생합니다.

12. 약액 주입에서의 용탈현상

1. 개요

용탈(Leaching) 현상은 약액주입공법으로 개량된 지반에서, 주입된 약액(겔)이 시간이 지남에 따라 지하수의 흐름에 의해 씻겨나가 본래의 강도나 차수 성능을 상실하는 현상을 말합니다. 이는 지반개량 효과의 내구성과 관련된 심각한 문제점입니다.

2. 발생 원인 및 문제점

• 원인:
  • 지하수 유속이 빠른 지반에 적용한 경우.
  • 주입재 자체의 내구성이 부족한 경우 (특히 규산소다계(물유리) 약액).
• 문제점:
  • 장기적으로 지반 보강 및 차수 효과가 감소하여 구조물의 침하나 누수 발생.
  • 용탈된 약액 성분이 지하수를 오염시킬 우려.

3. 대책

내구성이 요구되는 영구 구조물의 지반개량 시에는 시멘트계나 고분자계 등 용탈에 대한 저항성이 큰 비알칼리성 약액을 사용해야 합니다.

13. 철근콘크리트 구조물의 허용 균열폭

1. 개요

허용 균열폭은 철근콘크리트 구조물이 공용 중에 외관, 수밀성, 내구성 등의 사용성 요구조건을 만족시키기 위해, 허용되는 최대 균열폭을 규정한 값입니다. 이는 균열을 통해 물, 염화물 등 유해물질이 침투하여 철근을 부식시키는 것을 방지하기 위한 내구성 설계의 핵심 기준입니다.

2. 환경 조건별 허용 균열폭 (콘크리트구조기준 예시)

노출 환경	허용 균열폭 (mm)
건조한 환경	0.40
습윤한 환경, 옥외 노출	0.30
해양 환경, 제빙화학제 노출	0.18 ~ 0.25 (철근 종류에 따라)
수밀성이 요구되는 구조물	0.10 ~ 0.20