GeoWith 001-91 · 전문지반공학
흙의 입도분석 방법과 균등계수·곡률계수
안녕하세요, GeoWith입니다. 오늘은 흙 알갱이의 크기가 얼마나 다양하게 섞여 있는지를 분석하는 입도분석(체가름시험, 비중계분석)을 알아보겠습니다. GeoWith 500 프로젝트 아흔한 번째 이야기입니다. 지난 회차에서 흙입자의 비중을 다뤘다면, 오늘은 그 흙입자가 어떤 크기로 분포하는지를 살펴봅니다.
눈금이 다른 표준체를 겹쳐 흙을 흔들어 크기별로 걸러낸다 (AI 활용)
1. 입도분석이란
🔎 전문가 설명
입도분석은 KS F 2302(흙의 입도 시험방법)에 따라 흙을 구성하는 입자의 크기별 분포비율을 구하는 시험이다. 0.075mm(#200체)보다 큰 조립토는 표준체를 이용한 체가름시험(ASTM D6913)으로, 그보다 작은 세립토는 침강(비중계) 분석(ASTM D7928)으로 각각 분석하며, 비중계 시료가 흙 전체를 대표하지 않으면 체가름 결과와 합쳐야 완전한 입도분포가 된다. 스토크스 법칙은 약 0.2μm보다 작은 콜로이드 입자에는 맞지 않는다고 알려져 있다.
💡 초보자를 위한 설명
흙에 섞인 알갱이들이 큰 것부터 작은 것까지 얼마나 비율로 섞여 있는지 알아보는 시험입니다. 굵은 알갱이는 체로 거르고, 아주 고운 알갱이는 물속에 가라앉는 속도로 크기를 짐작합니다. 두 방법의 결과를 이어 붙여 흙 전체의 입도를 하나의 그래프로 만듭니다.
2. 체가름시험 원리, 체 눈금 통과율
🔎 전문가 설명
눈금 크기가 다른 표준체를 큰 것부터 작은 순서로 겹쳐 쌓은 뒤 진동체분석기로 흔들어 각 체에 남은 흙의 무게를 측정하고, 전체 시료 무게에 대한 통과 백분율을 누적으로 계산해 입도분포를 구한다. 대표 체 눈금은 4.75mm(#4), 2mm(#10), 0.425mm(#40), 0.075mm(#200)이며, 체에 남은 무게의 합과 처음 시료 무게의 차이가 작아야(문헌에서는 2% 미만) 결과를 인정한다. 점토가 붙어 있는 시료는 물로 씻어 #200체 통과분을 분리하는 세척 체가름을 쓴다.
💡 초보자를 위한 설명
눈금이 다른 체를 여러 개 겹쳐서 흙을 흔들면 큰 알갱이는 위쪽 체에, 작은 알갱이는 아래쪽 체로 걸러집니다. 각 체에 남은 무게를 재면 크기별 비율을 알 수 있습니다. 체에 남은 무게를 모두 더했을 때 처음 무게와 거의 같아야 시험이 잘 된 것입니다.
큰 입자는 빨리, 작은 입자는 천천히 가라앉는 원리로 세립토 크기를 분석한다 (AI 활용)
3. 비중계분석 원리, 스토크스 법칙에 의한 침강속도
🔎 전문가 설명
체로 거를 수 없는 미세한 세립토는 분산제(헥사메타인산나트륨 용액 등)를 넣어 물에 분산시킨 뒤 정치시키고, 입자가 클수록 빨리 가라앉는다는 스토크스 법칙을 이용해 시간에 따른 비중계 읽음값 변화로부터 입자 크기와 그 비율을 역산한다. 현탁액의 밀도는 시료 농도, 입자 비중(Gs), 분산제 양에 좌우되므로 온도와 분산제 보정이 필요하며, 스토크스 법칙은 입자를 구형으로 가정하므로 실제 점토 입자와는 차이가 있을 수 있다. 일반적으로 152H 비중계가 쓰인다.
💡 초보자를 위한 설명
아주 고운 흙을 물속에 풀어놓으면 큰 알갱이가 먼저 가라앉고 작은 알갱이는 오래 떠 있습니다. 이 시간 차이를 재서 얼마나 작은 알갱이가 얼마나 섞여 있는지 계산합니다. 흙 알갱이가 서로 뭉쳐 있으면 큰 알갱이처럼 보일 수 있어 뭉침을 풀어 주는 분산제를 넣습니다.
4. 입도분포곡선과 균등계수, 곡률계수
🔎 전문가 설명
체가름과 비중계분석 결과를 입자지름(로그축)과 통과중량백분율로 그린 것이 입도분포곡선이다. 통과율 10%, 30%, 60%에 해당하는 입경 D10(유효입경), D30, D60으로 균등계수 Cu = D60/D10과 곡률계수 Cc = D30² / (D10 × D60)을 산정해 입도분포 특성을 정량적으로 표현한다. 곡선이 한쪽 구간에서 평평하게 이어지면 중간 크기가 빠진 gap-graded 흙이므로 계수만 보지 말고 곡선의 모양도 함께 확인한다.
💡 초보자를 위한 설명
입자 크기별 비율을 그래프로 그린 뒤, 그 모양에서 두 가지 숫자(균등계수, 곡률계수)를 뽑아냅니다. 이 숫자로 흙에 크기가 고르게 섞여 있는지, 한쪽으로 치우쳐 있는지를 판단합니다. 숫자만 보지 말고 그래프의 모양도 같이 봐야 중간 크기가 빠진 흙을 놓치지 않습니다.
입도분포곡선의 기울기와 형태로 균등계수와 곡률계수를 계산한다 (AI 활용)
5. 입도분포와 흙 분류
🔎 전문가 설명
통일분류법(USCS)에서 조립토는 균등계수와 곡률계수로 양입도(Well-graded)와 빈입도(Poorly-graded)를 구분한다. 일반적으로 자갈은 Cu 4 이상, 모래는 Cu 6 이상이면서 Cc가 1~3 범위일 때 양입도로 본다. 여기에 세립분 비율과 애터버그한계 결과를 더해 최종 흙 분류가 결정되며, 세립분이 5~12%인 조립토는 GW-GM처럼 이중 기호를 쓴다. 분류 기준은 적용 기준서에서 확인한다.
💡 초보자를 위한 설명
이 시험 결과는 흙을 GW, SP 같은 기호로 분류할 때 중요한 근거가 됩니다. 크기가 고르게 섞였는지 아닌지가 분류 기호를 결정하는 데 큰 영향을 줍니다. 고운 알갱이가 조금 섞인 모래는 기호 두 개를 이어 적기도 합니다.
6. 실무 활용, 필터재와 배수재 설계, 액상화 평가
🔎 전문가 설명
입도분포곡선은 댐이나 옹벽 배면의 필터재와 배수재가 세립토 유실 없이 물만 통과시키도록 설계하는 필터기준 산정, 그리고 세립분 함유율을 이용한 액상화 가능성 평가 등 실무 전반에서 활용된다. 필터 기준(Terzaghi)은 필터의 D15를 보호할 흙의 D85로 나눈 값이 4~5 이하이면 보호 대상 흙이 빠져나가지 않고, 필터의 D15를 보호 대상 D15로 나눈 값이 4~5 이상이면 물이 잘 빠진다는 개념이므로 적용 기준서의 값을 확인한다. 투수계수도 D10에서 대략 추정할 수 있다.
💡 초보자를 위한 설명
배수시설을 설계할 때 흙이 빠져나가지 않으면서 물만 잘 통과시키도록 재료를 고르는 데, 그리고 지진 시 액상화 위험을 판단하는 데도 활용됩니다. 필터 재료는 보호할 흙보다 크기가 적당히 커야 물이 잘 빠지고, 너무 크면 고운 흙이 빠져나갑니다.
📌 핵심정리
- 입도분석은 조립토는 체가름시험(ASTM D6913), 세립토는 스토크스 법칙 기반 비중계분석(ASTM D7928)으로 크기별 분포를 구하며 두 결과를 합쳐 완전한 곡선을 만든다(KS F 2302).
- 입도분포곡선에서 D10, D30, D60으로 균등계수(Cu)와 곡률계수(Cc)를 산정하며, 곡선의 모양도 함께 확인한다.
- 양입도 판정은 Cu(자갈 4 이상, 모래 6 이상)와 Cc 1~3을 함께 보며 통일분류법의 핵심 근거가 된다.
- 필터재 설계와 액상화 평가 등 실무 전반에 활용된다.
📚 참고 기준·자료
· KS F 2302, 흙의 입도 시험방법 (현행판 확인)
· ASTM D6913/D6913M, Standard Test Methods for Particle-Size Distribution (Gradation) of Soils Using Sieve Analysis
· ASTM D7928-21e1, Particle-Size Distribution (Gradation) of Fine-Grained Soils Using the Sedimentation (Hydrometer) Analysis (체가름과 결합, 스토크스 법칙, 분산제)
· GeoEngineer, Step by step guide for grain size analysis (체 눈금, Cu, 비중계)
· UTA, Hydrometer Analysis (분산제, 세립토 입도분석 절차)
참고 기준 확인: 2026-10
지금까지 흙의 입도분석을 살펴봤습니다. 001-05편 물리적 특성 시험, 001-90편 비중시험, 001-78편 입도분포와 통일분류법과 함께 보시면 흙의 기본 물성을 종합적으로 파악하실 수 있습니다.
다음 회차에서도 실무에 유용한 지반공학 이야기로 찾아뵙겠습니다.
GeoWith는 지질과 지반 기술의 지식을 함께 공유하며 더 안전한 미래를 만들어갑니다.
❓ 자주 묻는 질문
Q1. 체가름시험과 비중계분석은 언제 각각 쓰나요?
A1. 0.075mm(#200체)보다 큰 조립토는 체가름시험으로, 그보다 작아 체로 거를 수 없는 세립토는 스토크스 법칙 기반의 비중계분석으로 분석합니다. 흙에 두 크기가 섞여 있으면 두 방법을 함께 사용해 하나의 입도분포곡선으로 합칩니다.
Q2. 균등계수(Cu)가 크다는 것은 무슨 의미인가요?
A2. 균등계수가 클수록 입자 크기가 다양하게 섞여 있다는 뜻입니다. 다만 양입도 판정은 균등계수만으로 하지 않고, 곡률계수 Cc가 1~3 범위인지도 함께 확인합니다.
Q3. 입도분포곡선의 기울기가 급하면 무엇을 의미하나요?
A3. 곡선이 가파를수록 입자 크기가 좁은 범위에 몰려 있는 빈입도(균등한 흙)를 의미하고, 완만하게 넓게 퍼진 곡선일수록 다양한 크기가 섞인 입도를 의미합니다.
Q4. 왜 비중시험 결과가 비중계분석에도 필요한가요?
A4. 비중계분석은 현탁액의 밀도 변화로 입자 크기를 구하는데, 현탁액의 밀도는 흙입자의 비중(Gs)과 분산제 양에도 좌우되므로, 정확한 세립토 입도분석을 위해서는 비중시험 결과가 필요합니다.
▶ 다음 편 예고
GeoWith 001-92에서는 응력경로와 p-q 다이어그램, Kf선 해석을 다룹니다.
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본 콘텐츠는 AI의 도움을 받아 직접 기획하고 작성되었습니다.