제101회 토목시공기술사 1교시 기출문제&참고답안

 

제101회 토목시공기술사 1교시 참고답안 (심화)

1. 구조물의 신축이음과 균열유발이음

Ⅰ. 개요

콘크리트 구조물은 온도 변화, 건조수축 등으로 인해 수축 및 팽창을 반복하며, 이때 발생하는 응력은 불규칙한 균열을 유발할 수 있습니다. 신축이음과 균열유발이음은 이러한 변위를 허용하거나 균열을 특정 위치로 유도하여 구조물의 손상을 방지하기 위해 인위적으로 설치하는 줄눈(Joint)입니다.

Ⅱ. 종류 및 특징

구분	신축이음 (Expansion Joint)	균열유발이음 (Contraction Joint / Control Joint)
목적	구조물의 신축 변위를 허용하여 2차 응력 발생을 방지	건조수축 등으로 인한 균열을 계획된 위치로 집중시켜 불규칙한 균열 발생을 억제
구조	구조물을 완전히 분리(단절)시키고, 그 사이에 지수판이나 채움재(Sealant)를 삽입	구조물 단면에 의도적으로 단면결손(홈)을 만들어 응력을 집중시킴
기능	구조물이 자유롭게 움직일 수 있도록 함 (변위 흡수)	가장 취약한 단면에서 균열이 발생하도록 함 (균열 제어)
주요 설치 위치	교량의 상판과 교대 사이, 긴 옹벽이나 수로 구조물의 일정 간격	콘크리트 포장 슬래브, 옹벽 벽체, 바닥 슬래브 등

2. 침윤세굴 (Seepage Erosion)

Ⅰ. 정의

침윤세굴은 댐이나 제방과 같은 구조물 내부를 통과하는 침투수(Seepage Water)의 힘(침투력)이 흙의 저항력보다 클 경우, 흙 입자가 물과 함께 유실되면서 구조물 내부에 침투수 경로가 점차 확대되고 결국 구조물 전체를 붕괴에 이르게 하는 현상을 말합니다. 파이핑(Piping) 현상과 동일한 의미로 사용되며, 흙댐이나 제방의 가장 주요한 파괴 원인 중 하나입니다.

Ⅱ. 발생 메커니즘

1. 침투 발생: 상류측과 하류측의 수위차로 인해 제체 내부로 물이 침투합니다.
2. 침투력 증가: 물이 하류측으로 흘러나오면서 유속이 증가하고, 이때 발생하는 침투력이 흙 입자를 끌고 나갈 만큼 커집니다. (특히 하류측 제방 끝부분에서 위험)
3. 파이프 형성: 흙 입자가 유실되기 시작하면 물의 통로가 넓어지고, 유속과 침투력은 더욱 커져 더 많은 흙 입자를 유실시키는 악순환이 반복되면서 제체 내부에 파이프 형태의 물길이 형성됩니다.
4. 붕괴: 형성된 파이프가 상류측까지 도달하면 제체는 급격히 붕괴됩니다.

Ⅲ. 방지 대책

• 침투 경로 연장: 코어존(Core Zone), 차수벽 등을 설치하여 물의 침투 경로를 길게 만들어 동수경사를 완만하게 합니다.
• 필터(Filter) 설치: 하류측에 필터층을 설치하여 물은 통과시키되 흙 입자는 유실되지 않도록 막아줍니다.
• 차수 그라우팅: 기초 암반의 투수성이 높을 경우 커튼 그라우팅을 실시하여 기초 지반을 통한 누수를 차단합니다.

3. 제방의 측단 (Berm)

Ⅰ. 정의

측단(버어ם)은 하천 제방의 안정성을 높이기 위해 제방의 비탈면 중간에 설치하는 계단 형태의 작은 둑을 말합니다. 제방의 규모가 크거나 지반 조건이 불량할 경우, 제방의 활동 파괴를 방지하고 유지관리를 용이하게 할 목적으로 설치됩니다.

Ⅱ. 설치 목적 및 기능

• 제체 안정성 증대:
  • 제방 비탈면의 활동 파괴에 대한 저항력을 높여 사면 안정성을 증대시킵니다. (가장 주된 목적)
  • 침투수 경로(동수경사선)를 제체 내부에 머무르게 하여 파이핑 현상을 방지하고 누수를 줄입니다.
• 유지관리 용이성:
  • 제방의 점검, 보수, 제초 작업 등을 위한 작업용 통로 및 장비 이동 공간으로 활용됩니다.
• 수해 방지 및 기타:
  • 홍수 시 파랑(파도)의 에너지를 감쇠시키고, 유목 등 부유물이 직접 제방을 타격하는 것을 방지합니다.
  • 비상시 수방 자재나 장비를 적치하는 공간으로 활용될 수 있습니다.

4. 가로좌굴 (Lateral Torsional Buckling, LTB)

Ⅰ. 정의

가로좌굴은 I형강과 같이 휨강성이 강한 축(강축)에 비해 약한 축(약축)의 휨강성이 매우 작은 보 부재가 휨모멘트를 받을 때, 단순히 아래로 처지는 것뿐만 아니라 횡방향으로 휘면서 동시에 단면이 비틀리는 현상이 갑작스럽게 발생하는 좌굴 파괴 모드를 말합니다. 🔩

Ⅱ. 발생 메커니즘

I형강 보의 상부 플랜지는 휨에 의해 압축력을 받게 됩니다. 이 압축력을 받는 상부 플랜지가 기둥처럼 행동하여, 압축력이 한계에 도달하면 약축 방향(횡방향)으로 좌굴하려는 경향을 보입니다. 이때 하부 플랜지는 인장력을 받아 제자리에 있으려고 하므로, 상부 플랜지의 횡방향 변위는 결국 전체 단면의 비틀림을 동반하게 됩니다.

Ⅲ. 방지 대책

• 횡지지 확보: 압축을 받는 상부 플랜지가 횡방향으로 움직이지 않도록 보와 보 사이에 가로보(Cross Beam)를 설치하거나, 바닥 슬래브와 합성시켜 횡방향 지점을 제공합니다. (가장 효과적인 방법)
• 단면 형상 조정: 플랜지의 폭을 넓히거나 두께를 키워 약축 방향의 휨강성(Iy)과 비틀림 강성을 증대시킵니다.
• 지지 간격 축소: 보의 비지지 길이(횡지지가 없는 구간의 길이)를 짧게 합니다.

5. 양생지연 (Curing Delay)

Ⅰ. 정의

양생지연은 콘크리트 타설 후 시멘트의 수화반응이 정상적으로 진행되지 못하여, 응결 및 경화가 계획보다 늦어지는 현상을 말합니다. 이는 콘크리트의 초기강도 발현을 저해하고 공사 기간에 영향을 미치는 주요 품질 저하 요인입니다.

Ⅱ. 발생 원인

• 저온 환경: 온도가 낮으면 시멘트의 수화반응 속도가 급격히 느려집니다. 특히 5℃ 이하의 저온에서는 경화가 현저히 지연되며, 0℃ 이하에서는 물이 동결하여 수화반응이 중지됩니다. (가장 주된 원인)
• 혼화재료의 과다 사용: 감수제, 유동화제, 특히 응결지연제를 표준 사용량 이상으로 과다하게 사용할 경우 양생이 크게 지연될 수 있습니다.
• 재료적 요인: 수화열이 낮은 저열 포틀랜드 시멘트나 플라이애시 등을 다량 사용한 경우 초기 수화반응이 느립니다.
• 기타: 배합수나 골재에 포함된 당분, 유기 불순물 등도 시멘트의 응결을 방해할 수 있습니다.

Ⅲ. 대책

• 온도 관리: 저온 환경(서중 콘크리트)에서는 재료를 가열하거나 보온 및 급열 양생을 실시하여 콘크리트의 온도를 5℃ 이상으로 유지해야 합니다.
• 혼화재료 관리: 혼화재료는 반드시 시험을 통해 적정 사용량을 결정하고, 계량 오차가 발생하지 않도록 철저히 관리합니다.
• 배합 관리: 초기 강도 발현이 필요할 경우, 조강 포틀랜드 시멘트를 사용하거나 촉진제를 적절히 사용하여 경화 속도를 조절합니다.

6. 공사 착수 전 확인측량

Ⅰ. 정의

확인측량은 건설공사를 본격적으로 시작하기 전에, 시공사가 발주처로부터 인계받은 설계도서 상의 측량 기준점(Control Points)과 현장 지형 조건이 실제와 일치하는지를 확인하고 검증하는 측량 작업입니다. 이는 시공의 정확성을 확보하고 설계 오류를 사전에 방지하기 위한 매우 중요한 초기 단계 업무입니다.

Ⅱ. 주요 확인 항목

• 기준점(Control Point) 확인:
  • 발주처가 설치한 삼각점, 수준점, 중심선 말뚝 등 측량 기준점의 위치와 표고(높이)가 망실되거나 이동되지 않았는지 확인합니다.
  • 기준점의 정밀도를 검증하고, 시공 중에 유실될 우려가 있는 기준점은 안전한 장소에 인조점(보조 기준점)을 설치하여 보존합니다.
• 현장 지형 및 조건 확인:
  • 설계도에 표시된 현장의 지반고, 지형, 지물 등이 실제 현장과 일치하는지 확인합니다. (Cross-section 측량 등)
  • 설계도와 현장이 상이할 경우, 공사 착수 전에 즉시 발주처(감리단)에 보고하여 설계 변경 등의 조치를 받아야 합니다.
• 용지 경계 확인:
  • 공사에 필요한 부지의 경계(용지 말뚝)를 확인하여, 공사 중 인접 부지를 침범하는 일이 없도록 합니다.

7. 댐의 플린스 (Plinth)

Ⅰ. 정의

플린스는 콘크리트 표면차수벽형 석괴댐(CFRD: Concrete Faced Rockfill Dam)에서 댐체의 상류측 표면을 덮는 콘크리트 차수벽(Face Slab)과 기초 암반을 연결하는 기초 구조물(보통 콘크리트)을 말합니다. 이는 댐의 차수 성능에 있어 가장 중요한 부분 중 하나입니다. 💧

Ⅱ. 기능 및 역할

• 차수 기능: 댐 기초 지반과 차수벽 사이의 접합부(Joint)를 통해 물이 새는 것을 방지하는 핵심적인 차수 역할을 합니다.
• 기초 처리: 불규칙하고 굴곡이 심한 기초 암반면을 평탄하고 견고하게 만들어, 차수벽을 안정적으로 지지하고 시공할 수 있는 기반을 제공합니다.
• 응력 완화: 댐 축조 후 발생하는 부등 침하나 변위에 유연하게 대응하여 차수벽에 과도한 응력이 집중되는 것을 방지하고, 접합부의 수밀성을 유지하는 역할을 합니다.

8. 수중 콘크리트 (Underwater Concrete)

Ⅰ. 정의

수중 콘크리트는 물막이 공사를 할 수 없는 깊은 수심 등에서 물을 빼지 않고 수중에 직접 타설하는 특수 콘크리트입니다. 타설 시 물의 저항과 압력으로 인해 재료분리가 발생하고 품질 저하가 일어나기 쉬우므로, 특별한 재료와 시공법이 요구됩니다.

Ⅱ. 품질 저하 원인 및 요구 성능

• 품질 저하 원인: 콘크리트가 수중에서 낙하하거나 유동할 때, 물의 세척 작용으로 시멘트 페이스트가 씻겨나가고 골재와 분리되어 강도가 저하되고 공극이 많은 불량 콘크리트가 됩니다.
• 요구 성능:
  • 수중 불분리성: 물 속에서도 시멘트 페이스트가 골재로부터 분리되지 않는 높은 저항성.
  • 유동성: 거푸집 구석구석까지 잘 채워질 수 있는 높은 유동성.
  • 자기 충전성: 별도의 다짐 없이 자중만으로 밀실하게 채워지는 성능.

Ⅲ. 시공 방법

공법	내용
트레미(Tremie) 공법	수직 파이프(트레미관)를 거푸집 바닥까지 내리고, 그 하단을 콘크리트로 채운 상태를 유지하면서 콘크리트를 연속적으로 공급하여 아래에서부터 밀어 올리듯 타설하는 방법. (가장 널리 사용)
콘크리트 펌프 공법	콘크리트 펌프의 수송관을 트레미관과 같이 사용하여 타설하는 방법.
프리팩트 콘크리트 공법	거푸집 안에 굵은골재를 미리 채워 넣고, 그 공극 사이로 특수 모르타르를 주입하여 콘크리트를 만드는 방법.

9. 호안 구조의 종류 및 특징

Ⅰ. 정의

호안(Revetment)은 하천이나 해안에서 제방 또는 육지부가 파도, 유수, 조류 등에 의해 침식되는 것을 방지하고 비탈면을 안정시키기 위해 설치하는 구조물을 말합니다. 재료와 구조 형식에 따라 다양하게 분류됩니다.

Ⅱ. 종류 및 특징

구분	주요 공법	특징
강성(剛性) 호안	콘크리트 블록 쌓기/붙이기	- 시공이 간단하고 경제적임. - 유연성이 부족하여 기초 세굴이나 배면 토사 유실 시 파손되기 쉬움.
	콘크리트 현장 타설	- 일체화된 구조로 안정성이 높고 수밀성이 우수함. - 변위에 대한 저항력이 약하고 균열 발생 우려가 있음.
유연성(柔軟性) 호안	사석(깬돌) 쌓기/붙이기	- 지반 변위에 대한 순응성이 뛰어나고, 다공질 구조로 파랑 에너지를 잘 흡수함. - 생태계 친화적임.
	돌망태 (Gabion)	- 철망태에 돌을 채워 만든 구조로, 유연성이 매우 우수하고 시공이 용이함. - 철망의 부식에 대한 내구성이 중요함.
식생(植生) 호안	식생 매트, 식생 블록 등	- 식물을 활용하여 비탈면을 보호하는 환경 친화적 공법. - 유속이 빠르지 않고 완만한 경사의 비탈면에 주로 적용.

10. 침매공법 (Immersed Tube Method)

Ⅰ. 정의

침매공법은 육상에서 제작한 터널 구조물(함체, Tube)을 해상으로 운반하여, 미리 굴착해 둔 해저 지반에 차례로 가라앉혀(침설) 연결함으로써 수저(水底) 터널을 건설하는 공법입니다. 부산-거제 간 연결도로의 가덕해저터널이 대표적인 예입니다.

Ⅱ. 시공 순서

1. 기초 지반 조성: 터널이 놓일 해저면을 준설선으로 평탄하게 굴착하고, 그 위에 기초 사석을 포설하여 기초를 조성합니다.
2. 함체 제작: 육상의 드라이 독(Dry Dock)에서 철근콘크리트 또는 강재로 터널의 단위 블록인 함체를 제작합니다.
3. 함체 진수 및 운반: 제작된 함체의 양 끝을 격벽으로 막아 물에 띄운 후, 예인선으로 설치 위치까지 해상 운반합니다.
4. 함체 침설 및 접합: 함체 내부에 물을 채워(발라스트) 서서히 가라앉히고, GPS와 유압 잭 등을 이용하여 미리 설치된 함체에 정밀하게 접합시킵니다.
5. 뒤채움 및 보호공: 접합이 완료된 터널 상부와 측면에 흙이나 사석을 채워 파랑이나 선박 앵커 등으로부터 터널을 보호합니다.

11. 콘크리트 포장의 소음 저감

Ⅰ. 개요

콘크리트 포장은 아스팔트 포장에 비해 내구성이 우수하지만, 차량 주행 시 타이어와 노면의 마찰로 인해 발생하는 소음이 큰 단점이 있습니다. 도로 소음을 저감시키기 위해 포장 표면에 특수한 처리를 하는 공법들이 적용됩니다.

Ⅱ. 소음 저감 공법

• 타이닝 (Tining) 공법:
  • 원리: 콘크리트 표면이 굳기 전에 쇠갈퀴와 같은 장비로 표면에 일정한 간격과 깊이의 홈(Groove)을 만드는 방법입니다.
  • 종류: 가로 방향(횡방향) 타이닝은 배수성 및 미끄럼 저항성 향상에 효과적이며, 세로 방향(종방향) 타이닝이 소음 저감에 더 효과적인 것으로 알려져 있습니다.
• 골재 노출 (Exposed Aggregate) 공법:
  • 원리: 콘크리트 타설 후 표면의 모르타르를 제거하여 내부의 굵은골재가 노출되도록 하는 공법입니다. 노출된 골재 사이의 공극이 소음을 흡수하는 역할을 합니다.
  • 방법: 표면 응결지연제를 살포한 후, 일정 시간 경과 뒤 고압의 물이나 브러시로 표면의 시멘트 페이스트를 씻어냅니다.
• 다공성 콘크리트 포장:
  • 원리: 포장체 내부에 연속적인 공극을 많이 포함시켜, 타이어와 노면 사이에서 발생하는 공기 압축 소음을 포장체 내부로 흡수시키는 방법입니다.

12. 경량골재의 특성과 경량골재계수

Ⅰ. 경량골재의 특성

경량골재(Lightweight Aggregate)는 일반 골재보다 밀도가 낮은 인공 또는 천연 골재를 말합니다. 이를 사용한 경량 콘크리트는 구조물의 자중을 줄일 수 있는 큰 장점이 있습니다.

• 낮은 밀도 및 단위용적질량: 내부의 다공질 구조로 인해 밀도가 낮아 콘크리트의 무게를 크게 줄일 수 있습니다.
• 높은 흡수율: 다공질 특성으로 인해 일반 골재보다 흡수율이 매우 높으므로, 배합 시 이를 고려하여 단위수량을 조절해야 합니다.
• 낮은 강도 및 탄성계수: 골재 자체의 강도가 낮아 고강도 콘크리트 제조에는 한계가 있으며, 탄성계수가 낮아 콘크리트의 변형이 크게 발생할 수 있습니다.
• 우수한 단열성 및 내화성: 내부의 공극이 열전도를 차단하여 단열 및 내화 성능이 우수합니다.

Ⅱ. 경량골재계수 (f_l)

경량골재계수는 경량골재 콘크리트의 쪼갬인장강도를 산정할 때 사용하는 보정계수입니다. 경량골재는 일반골재에 비해 강도가 약해, 동일한 압축강도를 갖는 일반 콘크리트보다 쪼갬인장강도가 낮게 나타나는 경향이 있습니다. 경량골재계수는 이러한 특성을 반영하여 쪼갬인장강도 계산식(f_sp = f_l * 0.53 * √fck)에 적용되며, 항상 1.0 이하의 값을 가집니다. (예: 1종 경량골재 사용 시 0.85)

13. 현수교의 무강성 가설공법 (Non-stiffness Erection Method)

Ⅰ. 정의

무강성 가설공법은 현수교의 보강거더를 가설할 때, 보강거더 자체의 휨강성을 이용하지 않고 케이블 시스템(주케이블, 행어)에 전적으로 의지하여 보강거더 블록을 설치하는 공법들을 총칭합니다. 이는 보강거더가 완성되기 전까지는 휨에 대한 저항 능력(강성)이 거의 없다는 개념에서 유래합니다.

Ⅱ. 대표적인 공법

• 크레인 가설 공법:
  • 데릭 크레인(Derrick Crane) 공법: 주탑 위에 설치된 데릭 크레인을 이용하여 주탑 부근의 보강거더 블록을 인양하여 설치하는 방법입니다.
  • 이동식 크레인(Stiffening Truss Erection Gantry) 공법: 주케이블 위에 주행 레일을 설치하고, 그 위를 이동하는 크레인을 이용하여 중앙부에서부터 양쪽으로 보강거더 블록을 설치해 나가는 방법입니다.
• 리프팅(Lifting) 가설 공법:
  • 보강거더 블록을 바지선 등으로 가설 위치 하부까지 운반한 후, 주케이블에 설치된 윈치(Winch)나 리프팅 장비를 이용하여 블록을 제자리로 직접 끌어올려 설치하는 방법입니다. 해상 조건이 중요한 요소로 작용합니다.