잔류전단강도와 링전단시험, 사면 재활동

GeoWith 001-108 · 전문지반공학

잔류전단강도와 링전단시험, 사면 재활동

안녕하세요, GeoWith입니다. 오늘은 한 번 무너졌던 자리가 또 무너지는 이유, 잔류전단강도(Residual Shear Strength)와 링전단시험을 알아보겠습니다.

GeoWith 500 프로젝트 백여덟 번째 이야기입니다. 001-34편의 사면붕괴 위험도 평가, 001-48편의 암반사면 안정해석과 이어지는 사면안정 주제입니다.

큰 변위가 지나면 흙의 전단강도는 최대강도에서 잔류강도로 낮아진다 (AI 활용)

1. 잔류전단강도란, 최대강도와의 차이

🔎 전문가 설명 흙이 전단변형을 받으면 처음에는 최대전단강도까지 저항하다가, 변위가 더 커지면 점토 입자가 전단방향으로 재배열되면서 강도가 점차 낮아져 더 이상 감소하지 않는 일정한 값인 잔류전단강도에 도달한다. 과압밀 점토에서는 이 하락이 두 단계로 일어나, 작은 변위에서는 함수비 증가로 완전연화(임계상태) 강도까지 떨어지고, 훨씬 큰 변위 뒤에 판상 점토광물의 재배열로 잔류강도에 이른다(Skempton 1985). 잔류상태의 점착력은 보통 0에 가깝게 보고 잔류마찰각(φ'r)으로 표현하며, 설계에서는 대상 흙이 어느 상태인지를 먼저 구분해야 한다.

💡 초보자를 위한 설명 흙은 처음 밀릴 때 가장 세게 버티다가(최대강도), 계속 밀리면 점점 힘이 빠져 결국 아주 약한 힘으로만 버티게 됩니다(잔류강도). 한번 많이 밀린 흙은 그 뒤로는 쉽게 밀립니다. 그래서 같은 흙이라도 얼마나 밀렸는지에 따라 믿을 수 있는 힘이 달라집니다.

2. 링전단시험, 무한 변위를 구현하는 시험법

🔎 전문가 설명 직접전단시험은 시료함의 크기 제약으로 큰 변위를 줄 수 없는 반면, 링전단시험(Ring Shear Test)은 도넛 모양의 시료를 한 방향으로 계속 회전시켜 변위 제한 없이 전단할 수 있어 잔류전단강도 측정에 적합하다. 반복(역방향) 직접전단시험으로도 잔류강도를 구할 수 있으나, 링전단시험은 전단면적과 수직응력이 일정해 잔류 상태를 더 분명하게 얻을 수 있다고 평가된다(Lupini 외 1981). ASTM D6467은 재성형 시료를 미리 전단한 뒤 일정 속도로 전단해 배수 잔류강도를 구하며, 보통 3개 이상의 수직응력으로 파괴포락선을 정한다. 점토분이 많은 흙에서는 현장 잔류강도가 링전단 값보다 다소 높다고 보고되어(Skempton 1985) 링전단 값은 보수적인 편이다.

💡 초보자를 위한 설명 보통 시험은 시료함 크기 때문에 조금밖에 못 밀어붙이는데, 링전단시험은 도넛 모양의 흙을 계속 돌려서 원하는 만큼 얼마든지 밀 수 있습니다. 그래서 최종적으로 약해진 힘(잔류강도)을 정확히 잴 수 있습니다. 판을 앞뒤로 여러 번 밀어 보는 방법도 있지만 밀 수 있는 거리가 제한되어 링전단이 더 믿을 만합니다.

전단변위에 따라 최대전단강도에서 잔류전단강도로 낮아지는 곡선을 보여주는 개념도

변위가 커질수록 강도는 최대치에서 훨씬 낮은 잔류치로 떨어진다 (AI 활용)

3. 왜 재배열이 강도를 낮추는가

🔎 전문가 설명 점토 입자는 판상(platy) 구조를 가져, 전단변위가 누적되면 입자들이 전단방향과 평행하게 배열(재배열)되면서 입자 간 맞물림 저항이 사라지고 매끄러운 활동면이 형성돼 강도가 낮아진다. 점토분이 약 25% 미만이면 이 두 번째 하락이 거의 일어나지 않아 모래나 실트처럼 거동하고, 약 50% 부근에서는 점토광물의 활동마찰이 잔류강도를 지배한다(Skempton 1985). Lupini 외(1981)는 잔류 전단을 난류(turbulent), 전이(transitional), 활동(sliding) 세 가지 모드로 구분했으며, 어느 모드인지는 둥근 입자의 비율과 판상 입자의 마찰에 따라 정해진다.

💡 초보자를 위한 설명 점토 알갱이는 얇은 판 모양인데, 계속 밀리다 보면 판들이 미는 방향으로 나란히 정렬됩니다. 그러면 알갱이끼리 걸리는 게 없어져서 미끄럼틀처럼 매끄러워지고 힘이 약해집니다. 다만 모래처럼 둥근 알갱이가 많은 흙은 판이 나란히 서기 어려워 이런 현상이 덜합니다.

4. 사면 재활동, 기존 파괴면의 위험성

🔎 전문가 설명 과거에 이미 한 번 활동했던 산사태 지역이나 고대 활동면이 존재하는 사면은 그 활동면을 따라 흙이 이미 잔류강도 상태에 있다. ASTM D6467도 이 시험 결과를 오래된 산사태 등 기존 전단면이 있는 사면의 강도 평가에 쓰도록 설명한다. 따라서 001-34편에서 다룬 신규 사면과 달리 최대강도가 아닌 잔류강도를 기준으로 안정해석을 수행해야 하며, 문헌에서는 이때 유효응력 점착력을 0으로 두는 것을 권한다. 과거에 활동한 사면의 사례를 역해석한 값과 링전단 결과를 비교해 잔류강도 정수를 확인하기도 한다.

💡 초보자를 위한 설명 예전에 한 번 무너졌던 자리는 이미 흙이 약해진 상태라서, 새 비탈보다 훨씬 작은 힘에도 다시 무너질 수 있습니다. 그래서 계산할 때도 약해진 힘을 기준으로 해야 합니다. 이미 무너진 적이 있는 사면의 기록을 거꾸로 계산해 보고, 시험으로 구한 약해진 힘과 맞는지 서로 비교해 보기도 합니다.

기존 파괴면을 따라 사면이 다시 움직이는 재활동 구조를 보여주는 단면 개념도

기존 파괴면이 있는 사면은 잔류강도만으로도 다시 움직일 수 있다 (AI 활용)

5. 어떤 흙에서 특히 중요한가

🔎 전문가 설명 점토분이 많고 소성지수가 큰 흙일수록 최대강도와 잔류강도의 차이가 크게 나타난다(Skempton 1985). 점토분이 약 25~50%인 구간은 전이 거동으로 잔류강도가 점토 입자의 비율과 성질에 모두 좌우되고, 약 50%에 이르면 점토광물의 활동마찰이 지배해 점토분이 더 늘어도 영향이 작다. 이러한 점성토 사면에서는 기존 파괴면 유무를 반드시 조사하고 잔류강도 정수를 별도로 확보해야 한다. 점토분이 25% 미만인 조립토에서는 이 차이가 상대적으로 작다.

💡 초보자를 위한 설명 찰기가 많은 점토일수록 처음 힘과 나중 힘의 차이가 크게 벌어집니다. 그래서 이런 흙으로 된 비탈은 예전에 무너진 적이 있는지 꼭 확인해야 합니다. 모래나 자갈이 많은 흙은 이 차이가 작아 같은 걱정을 덜 해도 됩니다.

6. 실무 적용, 001-34편과 001-48편의 연계

🔎 전문가 설명 001-34편의 사면붕괴 위험도 평가나 001-48편의 암반사면 안정해석에서 대상 사면에 기존 활동 이력이나 지질구조적 불연속면이 확인되면, 최대강도 대신 잔류강도 정수를 적용해 보수적으로 안전율을 재검토해야 한다. 반대로 기존 전단면이 없는 새 사면이라도 과압밀 균열 점토에서는 최대강도가 아니라 완전연화강도를 쓰는 것이 권장되며(Skempton 1970), ASTM D7608은 이를 기존 전단면이 없는 사면용 시험으로 규정한다. 따라서 조사 단계에서 활동 이력의 유무를 먼저 확인해 어느 강도(최대, 완전연화, 잔류)를 쓸지 정해야 한다.

💡 초보자를 위한 설명 사면 안전성을 따질 때 예전에 무너진 적이 있거나 갈라진 틈이 있는 곳이라면, 처음 힘이 아니라 약해진 힘을 기준으로 더 조심스럽게 다시 계산해야 합니다. 한 번도 무너진 적 없는 비탈이라도 딱딱하게 굳고 금이 간 점토라면 처음 힘을 그대로 믿지 말고 조금 약해진 값을 써야 합니다. 그래서 조사할 때 이 비탈이 무너진 적이 있는지부터 확인합니다.

📌 핵심정리

잔류전단강도는 큰 전단변위 후 점토 입자가 재배열되면서 최대강도(그리고 완전연화강도)보다 낮아진 채 일정하게 유지되는 강도이며, 점착력은 0에 가깝게 보고 잔류마찰각으로 나타낸다.
무제한 변위가 가능한 링전단시험(ASTM D6467)으로 잔류강도를 측정하며, 반복 직접전단시험도 쓰이지만 링전단이 더 신뢰할 만하다고 평가된다.
기존 파괴면이 있는 사면은 이미 잔류강도 상태라 신규 사면보다 작은 힘에도 재활동할 수 있고, 새 사면이라도 과압밀 균열 점토는 완전연화강도로 검토한다.
점토분이 많고 소성지수가 큰 점성토 사면은 안정해석 시 잔류강도 정수를 적용해 보수적으로 검토하며, 점토분이 약 25% 미만이면 차이가 작다.

📚 참고 기준·자료

· Skempton, A.W. (1985), Residual strength of clays in landslides, folded strata and the laboratory, Geotechnique 35(1), 3-18
· Lupini, J.F., Skinner, A.E., Vaughan, P.R. (1981), The drained residual strength of cohesive soils, Geotechnique 31(2), 181-213
· Skempton, A.W. (1970), First-time slides in over-consolidated clays, Geotechnique 20(3), 320-324
· Bishop, A.W., Green, G.E., Garga, V.K., Andersen, A., Brown, J.D. (1971), A new ring shear apparatus and its application to the measurement of residual strength, Geotechnique 21(4), 273-328
· ASTM D6467, Standard Test Method for Torsional Ring Shear Test to Determine Drained Residual Shear Strength of Cohesive Soils (최신판은 제목이 Fine-Grained Soils로 바뀐 이력이 있어 현행판 확인)
· ASTM D7608, Standard Test Method for Torsional Ring Shear Test to Determine Drained Fully Softened Shear Strength and Nonlinear Strength Envelope of Cohesive Soils (Using Normally Consolidated Specimen) for Slopes with No Preexisting Shear Surfaces

참고 기준 확인: 2026-10

지금까지 잔류전단강도를 살펴봤습니다. 001-34편 사면붕괴 위험도 평가, 001-48편 암반사면 안정해석과 함께 보시면 사면안정을 신규 사면부터 기존 파괴면까지 전체적으로 이해하실 수 있습니다.

다음 회차에서도 실무에 유용한 지반공학 이야기로 찾아뵙겠습니다. GeoWith는 지질과 지반 기술의 지식을 함께 공유하며 더 안전한 미래를 만들어갑니다.

❓ 자주 묻는 질문

Q1. 잔류전단강도는 왜 최대강도보다 낮나요?
A1. 과압밀 점토는 작은 변위에서 함수비가 늘며 완전연화강도로 떨어지고, 훨씬 큰 변위가 쌓이면 점토 입자가 전단방향으로 재배열돼 입자 간 맞물림 저항이 사라지고 매끄러운 활동면이 형성되기 때문에, 처음의 최대강도보다 낮은 값에서 안정됩니다.

Q2. 직접전단시험으로는 잔류강도를 잴 수 없나요?
A2. 반복(역방향) 직접전단시험으로도 잔류강도를 추정하지만 변위가 제한되고 전단면적이 바뀌기 때문에, 무제한 회전이 가능하고 단면적과 수직응력이 일정한 링전단시험이 더 신뢰할 만한 방법으로 평가됩니다.

Q3. 왜 기존 파괴면이 있는 사면이 더 위험한가요?
A3. 그 활동면을 따라 흙이 이미 큰 변위를 겪어 잔류강도 상태에 있기 때문에, 신규 사면이라면 견딜 수 있는 정도의 작은 힘에도 다시 움직일 수 있습니다.

Q4. 모든 흙에서 잔류강도 검토가 똑같이 중요한가요?
A4. 점토분이 많고 소성지수가 큰 흙일수록 최대강도와 잔류강도의 차이가 크게 벌어지므로 이런 점성토 사면에서 특히 중요합니다. 점토분이 약 25% 미만이면 모래나 실트처럼 거동해 차이가 작습니다.

🔗 참고 자료(외부)

ASTM 공식 스토어 D6467 표준 안내

▶ 다음 편 예고

GeoWith 001-109에서는 필댐의 침윤선과 안정관리(유선망·배수)를 다룹니다.

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본 콘텐츠는 AI의 도움을 받아 직접 기획하고 작성되었습니다.

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