제111회 토목시공기술사 1교시 기출문제&참고답안

 

제111회 토목시공기술사 1교시 참고답안

1. 주철근 (Main Reinforcement)

가. 정의

주철근은 철근콘크리트 부재에서 휨모멘트, 축방향력 등 외부 하중에 직접 저항하기 위해 부재의 주응력 방향으로 배치되는 핵심 보강 철근입니다. 콘크리트가 취약한 인장 응력을 주로 부담하여 구조물의 강도와 연성을 확보하는 역할을 합니다.

나. 주철근의 기능 및 역할

• 강도 확보: 부재가 설계 하중에 저항할 수 있는 소요 휨강도 및 축강도를 확보합니다.
• 연성 증진: 하중 초과 시 급작스러운 취성 파괴가 아닌, 충분한 변형 능력을 발휘하도록 하여 구조물의 붕괴를 예방합니다.
• 균열 제어: 사용 하중 상태에서 발생하는 균열의 폭과 분포를 제어하여 구조물의 내구성과 사용성을 유지합니다.

다. 관련 법규 및 설계기준

관련 기준: KDS 14 20 콘크리트구조 설계기준

설계 주요 검토사항	내용 및 목적
최소 및 최대 철근비	취성 파괴 방지(최소 철근비)와 콘크리트 압축 파괴 방지(최대 철근비)를 위해 철근량을 일정 범위 내로 제한합니다.
피복 두께	철근의 부식을 방지하고 내화성능 및 부착력을 확보하기 위해 소요 피복 두께를 준수해야 합니다.
철근 간격	콘크리트를 원활히 타설하고 다질 수 있도록 최소 철근 간격 규정을 준수합니다.
정착 및 이음	철근의 응력이 콘크리트에 충분히 전달될 수 있도록 정착 길이를 확보하고, 이음은 응력이 작은 곳에 위치시킵니다.

2. 잠재적 수경성과 포졸란반응

가. 정의

잠재적 수경성 (Latent Hydraulic Property)은 고로슬래그 미분말과 같이 그 자체만으로는 물과 거의 반응하지 않지만, 시멘트 수화 시 생성되는 수산화칼슘(Ca(OH)₂) 같은 알칼리 자극제를 만나면 활성화되어 경화하는 성질을 말합니다.

포졸란 반응 (Pozzolanic Reaction)은 플라이애시, 실리카퓸처럼 그 자체는 수경성이 없으나, 시멘트 수화물인 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 상온에서 물과 함께 반응하여 불용성의 안정한 화합물을 생성하는 반응입니다.

나. 특성 비교

구분	잠재적 수경성	포졸란 반응
대표 재료	고로슬래그 미분말	플라이애시, 실리카퓸, 화산재
핵심 반응물	알칼리 자극제 (OH⁻)	수산화칼슘 (Ca(OH)₂)
반응 속도	포졸란 반응보다 일반적으로 빠름	초기 반응은 느리나 장기적으로 지속
공통된 개선 효과	장기강도 증진, 수화열 저감, 수밀성 향상, 화학 저항성(황산염, 해수) 증대

3. 상수도관 갱생공법

가. 정의

상수도관 갱생공법은 노후된 기존 상수도관을 굴착하여 교체하는 대신, 기존 관로를 그대로 활용하면서 그 내부에 새로운 관을 형성하거나 라이닝 처리를 하여 관의 통수능, 수밀성, 수질 등 핵심 기능을 회복시키는 비굴착 또는 최소굴착 보수 공법을 총칭합니다.

나. 관련 법규

관련 법규: 수도법 및 하위 법령
수도시설의 안정적인 용수공급 및 위생적 관리를 의무화하고 있으며, 노후 상수도관의 성능 개선을 위한 갱생공법의 적용 근거가 됩니다.

다. 주요 공법의 종류와 특징

공법 분류	주요 공법	특징 및 적용성
라이닝 공법	시멘트모르타르 라이닝	관 내면에 시멘트 모르타르를 도포하여 방식층 형성. 경제적이나 양생시간 필요. 구조적 보강 효과는 미미.
	에폭시수지 라이닝	액상 에폭시수지를 도포하여 매끄러운 코팅막 형성. 통수능력 손실이 적고 위생적임.
삽입 공법	슬립 라이닝 (Sliplining)	기존 관보다 작은 직경의 신관(주로 PE관)을 견인하여 삽입. 통수단면 감소가 단점.
	CIPP (Cured-In-Place Pipe)	수지를 함침시킨 튜브를 삽입 후 온수나 증기로 경화. 굴곡부 시공이 용이하고 단면 손실이 적음.
파쇄/갱신 공법	파이프 버스팅 (Pipe Bursting)	기존 관을 파쇄함과 동시에 동종 또는 더 큰 직경의 신관을 설치. 관경 확대가 가능.

4. 폴링(Forepoling) 보강공법

가. 정의

폴링(Forepoling)은 터널 굴착 시 막장 전방의 지반이 연약하거나 붕괴 위험이 클 때, 굴착에 앞서 막장 상부 또는 주변에 강관이나 강재 등을 경사지게 선행적으로 설치하여 아치형의 견고한 보강대(Arch Shell)를 형성하는 터널 보조공법입니다.

나. 목적 및 적용

• 목적: 막장 전방 지반의 이완 방지, 천단부 붕락 방지, 지표 침하 억제, 용수 유입 억제.
• 주요 적용 구간:
  • 토사 및 풍화암 구간, 단층 파쇄대 등 지반 자립성이 낮은 곳
  • 터널 입출구(갱구부)와 같이 토피고가 낮거나 편토압이 작용하는 곳
  • 기존 구조물 하부를 근접하여 통과하는 구간

다. 유사 공법과의 비교

구분	폴링 (Forepoling)	파이프루프 (Pipe Roof)
보강재	소구경 강관(φ 50~75mm), 강재 등	대구경 강관 (φ 100mm 이상)
강성 및 효과	지반 이완 방지 및 숏크리트와의 일체화 효과	강관 자체가 구조체 역할, 강력한 빔(Beam) 효과로 지반 지지
적용성	국부적인 불량 지반 안정, 막장 전방 안정	대단면 터널, 구조물 하부 통과 등 고도의 안정성이 요구되는 구간

5. 댐의 종단이음

가. 정의

댐의 종단이음은 콘크리트 중력댐과 같은 매스 콘크리트 구조물에서, 시멘트 수화열로 인한 온도응력 및 건조수축으로 인한 균열 발생을 제어할 목적으로 댐의 축 방향을 따라 설치하는 연직 시공이음(줄눈)을 말합니다. 댐을 일정한 길이의 블록(Block)으로 분할하여 타설할 수 있도록 합니다.

나. 설치 목적

• 온도균열 제어 (주요 목적): 콘크리트 경화 시 발생하는 수화열을 블록 단위로 외부로 발산시켜 유해한 온도응력에 의한 균열을 방지합니다.
• 시공성 향상: 댐을 블록 단위로 분할 타설함으로써 시공 계획 및 장비 운용이 용이해집니다.
• 부등침하 대응: 기초지반의 부등침하 발생 시, 이음부에서 변위를 어느 정도 흡수하는 역할을 합니다.

다. 종단이음 시공 시 주요 고려사항

항목	시공 시 유의사항
차수성 (Watertightness)	이음부를 통한 누수를 방지하기 위해 댐 상류 측에 지수판(Waterstop)을 반드시 설치하고, 시공 중 손상되지 않도록 관리해야 합니다.
전단 저항	블록 간의 일체성을 확보하고 전단력에 저항하기 위해 이음면에 전단키(Shear Key)를 설치합니다.
이음 그라우팅	콘크리트 냉각 및 수축이 완료된 후, 이음부의 틈을 충전하여 댐의 일체성을 최종적으로 확보하기 위해 이음 그라우팅(Joint Grouting)을 실시합니다.

6. 사장현수교

가. 정의

사장현수교는 교량 형식 중 '사장교'의 높은 강성과 '현수교'의 장경간 적용성을 모두 결합한 하이브리드(Hybrid) 형식의 교량입니다. 주탑에서 보강거더를 직접 연결하는 사장 케이블과 주탑과 주탑 사이를 곡선으로 연결하는 주케이블 및 행어를 함께 사용하여 보강 효과를 극대화한 교량입니다.

나. 구조적 특징 및 적용성

• 장점: 사장교의 높은 강성과 현수교의 장경간 적용성을 결합하여 초장대 교량(경간장 2,000m 이상) 건설에 유리합니다. 또한, 사장 케이블이 보강거더의 강성을 높여주어 현수교의 단점인 내풍 안정성을 개선할 수 있습니다.
• 단점: 두 가지 상이한 구조 시스템의 상호작용으로 인해 구조 해석 및 설계가 매우 복잡하며, 시공 난이도가 높고 공사비가 증가할 수 있습니다.

다. 주요 교량 형식 비교

구분	현수교 (Suspension Bridge)	사장교 (Cable-stayed Bridge)	사장현수교 (Hybrid Bridge)
케이블 형태	주케이블(Catenary 곡선) + 행어(수직재)	사장 케이블(직선)	주케이블 + 행어 + 사장 케이블
하중 전달 경로	보강거더 → 행어 → 주케이블 → 주탑 → 기초	보강거더 → 사장 케이블 → 주탑 → 기초	두 시스템의 복합적인 하중 전달
적용 경간장	장경간 ~ 초장대 (1,000m 이상)	중·장경간 (200 ~ 1,000m)	미래 초장대 교량 (2,000m 이상 목표)

7. PS강연선의 릴렉세이션(Relaxation)

가. 정의

릴렉세이션이란 프리스트레스트 콘크리트(PSC)에 사용되는 PS강연선을 일정한 길이(일정 변형률)로 긴장시켜 놓았을 때, 시간이 경과함에 따라 외부 하중의 변화 없이 응력이 자연적으로 감소하는 현상을 말합니다. 이는 강재 내부의 미소 소성 변형(크리프) 현상에 기인합니다.

나. 릴렉세이션의 중요성

릴렉세이션은 PSC 구조물에서 발생하는 프리스트레스 손실의 주요 원인 중 하나입니다. 설계 시 이 손실량을 정확히 예측하여 초기 도입 긴장력을 결정하지 않으면, 장기적으로 구조물의 처짐 증가, 균열 발생 등 사용성 및 안전성에 심각한 문제를 야기할 수 있습니다.

관련 기준: KDS 14 20 10 (콘크리트구조 프리스트레스 설계기준)에서는 릴렉세이션에 의한 프리스트레스 손실량을 산정하는 식을 제시하고 있습니다.

다. 릴렉세이션에 영향을 미치는 요인

주요 요인	릴렉세이션에 미치는 영향
PS 강재의 종류	일반 강연선(Normal Relaxation)보다 특수 열처리된 저릴렉세이션(Low Relaxation) 강연선이 손실량이 훨씬 적어 현재 대부분 사용됩니다.
초기 긴장응력	초기 긴장응력의 크기가 클수록 (인장강도 대비 높은 응력으로 긴장할수록) 릴렉세이션 손실량은 커집니다.
시간 및 온도	시간이 경과함에 따라 손실량이 증가하며(초기에 대부분 발생), 주변 온도가 높을수록 분자 활동이 활발해져 릴렉세이션이 증가합니다.

8. 보상기초(Compensated Foundation)

가. 정의

보상기초는 연약지반 위에 구조물을 축조할 때, 구조물의 하중으로 인해 지반에 발생하는 응력 증가를 최소화하기 위해, 구조물 중량과 같거나 비슷한 중량의 흙을 굴착하여 제거하는 원리의 기초 형식입니다. 이를 통해 지반의 최종 침하량을 억제하며, 부력기초(Floating Foundation)라고도 합니다.

나. 원리 및 종류

기초 하부 지반에 작용하는 순수 응력증가량(Δp)을 '0' 또는 최소화하는 것이 핵심 원리입니다. (Δp = (구조물 총하중 - 굴착토 중량) / 기초 면적)

• 완전보상기초 (Fully Compensated): 순수 응력증가량이 0인 경우로, 이론적으로 압밀 침하가 발생하지 않습니다.
• 부분보상기초 (Partially Compensated): 허용침하량 범위 내에서 경제성을 고려하여 굴착 깊이를 조절하여 순수 응력증가량이 0보다 큰 경우입니다.

다. 시공 시 유의사항

문제점	대책
히빙 (Heaving)	굴착 저면의 융기 현상. 굴착 주변 지반 개량, 어스앵커 설치, 굴착 공정 관리 등으로 안정성을 검토 및 확보해야 합니다.
주변 지반 침하	굴착에 따른 지하수위 저하로 발생. 차수성이 높은 흙막이벽 설치, 차수 그라우팅, 지하수위 복원(리차지 웰) 공법 적용.

9. 한계성토고

가. 정의

한계성토고란 연약지반 상부에 성토를 할 경우, 기초지반의 전단파괴(지지력 파괴)가 발생하지 않는 이론적인 최대 성토 높이를 말합니다. 성토체의 하중이 연약지반의 극한지지력을 초과하면 활동파괴가 발생하게 되는데, 파괴가 발생하는 임계 높이를 의미합니다.

나. 산정 원리 및 공식

연약지반의 지지력 공식(테르자기 공식 등)으로부터 유도되며, 일반적으로 다음과 같이 산정합니다.
H_c = (N_c × C_u) / γ_t

• H_c: 한계성토고 (m)
• N_c: 지지력 계수 (일반적으로 5.14 적용)
• C_u: 연약지반의 비배수 전단강도 (kN/m²)
• γ_t: 성토재의 단위중량 (kN/m³)

실제 설계에서는 안전율(F.S. = 1.2~1.5)을 고려하여 설계성토고(H_d = H_c / F.S.)를 결정합니다.

다. 한계성토고의 활용

• 성토 공법 결정: 계획 성토고가 한계성토고보다 높을 경우, 지반개량공법(연직배수, 고결공법 등)의 적용 여부를 판단하는 기준으로 활용됩니다.
• 단계 성토 계획: 압밀에 의한 지반 강도 증가를 고려하여 각 단계별 성토고와 방치 기간을 결정하는 데 중요한 기초자료가 됩니다.

10. 액상화 검토가 필요한 지반

가. 정의

액상화(Liquefaction)란 지진 시 발생하는 진동으로 인해 포화된 느슨한 사질토 지반이 전단강도를 완전히 상실하고 액체처럼 거동하는 현상입니다. 이러한 액상화 발생 가능성이 높아 상세한 평가가 요구되는 지반을 '액상화 검토가 필요한 지반'이라 합니다.

나. 액상화 발생의 3요소

1. 흙의 종류: 입도분포가 불량한 느슨한 모래, 실트질 모래 (포화 사질토 지반)
2. 포화 상태: 지하수위가 높아 간극이 물로 완전히 채워진 상태
3. 하중 조건: 지진과 같은 반복적인 동적 하중

다. 액상화 검토 대상 지반

관련 기준: KDS 17 10 00 (내진설계 일반)에 따라, 내진Ⅰ, Ⅱ등급 시설물이 위치한 지역에서 다음 조건을 만족하는 지반은 액상화 검토를 수행해야 합니다.

검토 조건	세부 내용
지층 조건	지표면으로부터 20m 깊이 이내에 포화된 모래 또는 실트로 구성된 퇴적층이 존재하는 경우 (충적층, 매립지 등)
지하수위 조건	지하수위가 지표면으로부터 10m 이내에 위치하는 경우
세립분 함유량 및 N치	일반적으로 세립분(0.075mm체 통과량) 함유량이 35% 이하이고 N치가 낮은(느슨한) 사질토 지반

11. 블록포장

가. 정의

블록포장이란 공장에서 제조된 소형의 콘크리트 또는 점토 블록 등을 모래나 기타 안정층 위에 맞물림(Interlocking) 효과를 이용하여 조립식으로 포설하는 포장 형식을 말합니다. 아스팔트나 콘크리트 포장과 달리 유연한 거동을 하는 가요성 포장의 일종입니다.

나. 장단점 및 적용 분야

구분	내용
장점	미관 우수: 다양한 색상과 형태로 미적 경관 연출이 가능합니다. 유지보수 용이: 파손된 부분만 들어내어 용이하게 교체할 수 있습니다. 투수성 확보: 투수성 블록 사용 시 우수 유출을 억제하고 도시 열섬 현상을 완화합니다. 즉시 교통 개방: 양생 기간이 필요 없어 시공 후 바로 사용 가능합니다.
단점	초기 공사비: 아스팔트 포장에 비해 초기 비용이 다소 높습니다. 평탄성 불리: 부실 시공 시 부등침하가 발생하여 평탄성 확보가 어렵습니다. 주행 소음: 고속 주행 시 차량 소음이 클 수 있습니다.
주요 적용 분야	보도, 광장, 주차장, 공원 산책로, 저속차량도로, 항만 컨테이너 야적장 등

12. 민자활성화 방안 중 BTO-rs와 BTO-a 방식의 차이점

가. 개요

BTO(Build-Transfer-Operate)는 민간이 시설을 건설하여 소유권을 정부에 이전한 뒤, 일정 기간 운영하여 투자비를 회수하는 전통적인 민간투자사업 방식입니다. 하지만 수요 예측 실패 시 민간사업자의 위험이 커지는 단점이 있어, 정부가 위험을 분담하거나 최소운영수입을 보장하는 방식이 도입되었습니다.

관련 법규: 사회기반시설에 대한 민간투자법 (민간투자법) 및 동법 시행령에서 사업방식을 규정하고 있습니다.

나. BTO, BTO-rs, BTO-a 방식 비교

구분	BTO (수익형 민자사업)	BTO-rs (위험분담형)	BTO-a (손익공유형)
핵심 개념	모든 운영위험을 민간이 부담	정부와 민간이 운영위험을 사전 약정에 따라 분담	정부가 시설임대료와 운영비용을 지급하여 민간 위험 최소화
정부의 역할	사업권 부여 (직접 재정지원 없음)	실제 운영수입이 예측보다 부족할 경우 재정 지원 (초과 시 이익 공유)	민간이 건설한 시설을 임차하여 시설임대료와 운영비를 지급
민간의 위험	매우 높음 (수요 위험 전체 부담)	중간 (정부와 위험 분담)	매우 낮음 (정부가 수요 위험 부담)
적용 대상	수요 예측이 확실한 시설 (도로, 터널 등)	수요 예측 불확실성이 큰 시설 (철도 등)	수익성은 낮으나 공익성이 높은 시설 (환경시설 등)

13. 말뚝재하시험의 목적과 종류

가. 목적

말뚝재하시험은 설계된 말뚝이 실제 지반 조건에서 요구되는 성능을 발휘하는지 확인하기 위해 실시하며, 주된 목적은 다음과 같습니다.

• 지지력 확인: 설계의 근간이 되는 말뚝의 축방향 극한지지력 및 허용지지력을 확인합니다. (가장 중요한 목적)
• 침하량 검토: 하중 단계별 침하량을 측정하여 하중-침하 관계를 파악하고, 설계 허용침하량 만족 여부를 판단합니다.
• 설계의 타당성 검증: 지반조사 및 이론적 공식에 의해 산정된 지지력과 실제 지지력을 비교하여 설계의 신뢰성을 검증합니다.
• 시공 품질 관리: 시공된 말뚝의 건전도 및 시공방법의 적정성을 평가합니다.

나. 말뚝재하시험의 종류

시험 종류	세부 공법	목적 및 특징
정재하시험 (Static Load Test)	압축 재하시험	말뚝에 정적인 압축하중을 단계적으로 가하여 지지력 및 침하 거동을 직접 확인. 가장 정확하고 신뢰도가 높음.
	인발 재하시험	말뚝의 주면마찰저항력, 즉 인발 저항력을 측정합니다. (부력, 전도모멘트 등에 저항하는 말뚝)
	수평 재하시험	말뚝의 수평방향 저항력과 변위 특성을 파악합니다. (교각, 옹벽 등 수평력이 작용하는 구조물)
동재하시험 (Dynamic Load Test)	항타분석기를 이용한 시험(PDA Test)	항타 시 말뚝 두부에 발생하는 힘과 가속도 파형을 분석하여 말뚝의 지지력과 건전도를 추정. 경제적이고 신속함.
	저변형률 건전도 시험(PIT)	말뚝 두부를 작은 해머로 타격 시 발생하는 응력파의 반사파를 분석하여 말뚝의 길이, 균열, 단면변화 등 건전도(Integrity)를 신속하게 평가.