토질역학에서는 토양의 세 가지 주요 유형을 구분한다: 비점착성 토양, 점착성 토양, 그리고 _유기질 기원 토양_이다. 이 밖에 암석도 있으나, 이는 토질역학이 아니라 _암석역학_이라는 학문 분야에서 다룬다.
비결속 토양
비결합 또는 _비응집성 토양_은 그 구성 성분이 어떠한 결합재로도 결합되어 있지 않은 토양을 말합니다. 건조 상태에서는, 즉 수분의 영향을 받지 않을 때 비결합 토양의 고체 성분은 흙덩이 속에서 완전히 자유롭게 존재하며, 이들 사이에는 내부마찰이라고 불리는 마찰만 존재합니다. 비결합 토양에는 다음이 포함됩니다:
- 블록, 입자 크기 200 – 2000 mm
- 파쇄석, 입경 60 – 200 mm
- 자갈, 입자 크기 2 – 60 mm
- 모래, 입도 0,02 – 2 mm
- 먼지, 입자 크기 0,002 – 0,02 mm.
참고로 먼지 분획은 때때로 실트(영어: silt, 독어: Schluff)라고도 불린다. 그러나 우리나라에서 mulj는 유기 기원의 특정 토양 유형을 의미하므로, 이 분획에 대해 이 명칭을 사용하는 것은 오해를 불러일으킬 수 있다.
Sl. 1 - 모래질 토양
결합 토양
점착성 또는 _응집성 토양_은 고체 성분들이 응집력에 의해 서로 결합되어 있는 토양이다. 응집성 토양은 매우 불안정한 물리적 성질을 가질 수 있으며, 물의 작용에 의해 쉽게 변한다. 점착성 토양에는 크기가 0,002 mm 이하인 고체 성분을 포함하는 토양이 속한다. 주로 크기 0,002 – 0,0002 mm의 성분을 포함하는 토양은 _점토_라고 하며, 이러한 성분의 크기가 0,0002 – 0,00002 mm이면 _콜로이드 점토_라고 한다.
자연에서 순수한 점토는 좀처럼 발견되지 않으며, 대개 모래와 먼지와 같은 다른 성분과 섞여 있는데, 이를 _일로바차_라고 한다. 석회암이 섞인 점토는 마르 점토 (마르)라고 하며, 마그네슘이 섞인 점토는 _우마_이다. 일반적으로 50%%보다 많은 점토질 성분을 포함한 토양은 비옥한 점토 또는 단순히 _점토_라고 하고, 50%%보다 적은 점토질 성분을 포함한 토양은 _점토질 토양_이라고 한다. 5%%보다 적은 점토질 성분을 포함한 토양은 비결합성 토양의 성질을 가진 것으로 간주된다.
가장 빠르고 가장 간단한 방법으로 어떤 토양이 어느 그룹에 속하는지 판단하려면 시료를 건조시킨 뒤 손가락으로 부서지는지 시험해 보면 된다. 비응집성 토양은 바로 부서진다. 점성 토양은 손가락으로 더 작은 조각으로 부서지고, 점토는 거의 돌처럼 단단해진다.
그림 2 - 점토질 토양
유기질 기원의 토양
이 토양은 유기물 또는 식물성 재료가 큰 비율을 차지하고, 그 밖에 점토성 및 기타 성분을 포함한다. 유기 성분의 함량 때문에 이 토양은 매우 불안정하고 물을 강하게 흡수하므로, 따라서 불안정하며 지지토로도, 토목 구조물의 재료로도 사용할 수 없다. 이 토양에는 humus, mulj 및 _treset_이 포함된다.
_부식토_는 지각의 표층에 존재하는 비옥한 토양으로, 일반적으로 수 데시미터 두께이다. 그것은 유기물과 무기물의 혼합물로 이루어져 있으며 많은 박테리아를 포함한다. 흙 성토, 도로의 포장 및 이와 유사한 토목공사, 그리고 흙 구조물을 위한 재료 채취장의 굴착 시에는 부식토 층 전체를 굴착하여 제거해야 하며, 이는 물에 의한 침식을 막기 위한 흙 사면 보호에만 사용할 수 있다.
도면 3 - 부식층
_진흙_은 점토, 실트, 모래와 같은 광물질과 매우 미세한 입자 형태의 유기물의 혼합물로 이루어진다. 과거의 강과 호수 바닥에서 발견된다.
_이탄_은 섬유 형태의 식물성 및 유기성 물질이 다량 함유되어 있으며, 광물성 물질의 함량은 더 적습니다.
토양의 형성
지각을 절단해 보면, 그것은 대체로 표층 토양—얇은 두께의 부식토—, 그다음 서로 다른 조성과 다양한 두께의 하나 이상의 층으로 이루어진 하부 토양, 그리고 마지막으로 _암반_으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 표층 토양은 주로 식물성 및 유기물의 붕괴로 형성되며, 하부 토양은 암반의 붕괴로 형성되었다.
암석의 붕괴는 대기 작용 또는 화산 작용 때문에 발생한다. 대기 작용은 기계적일 수도 있고 화학적일 수도 있다. 암석 붕괴 과정이 광물과 산소의 결합이라면 _산화에 의한 붕괴_이고, 물과의 결합이라면 _수화에 의한 붕괴_이다. 화산 작용은 화학적이다. 높은 열로 인해 암석은 화산재로 변한다.
암석이 붕괴되어 토양으로 변하는 과정은 현지에서, 즉 „in situ“로 일어날 수도 있고, 운반을 동반할 수도 있다. 붕괴된 부분의 운반은 _물_에 의해 이루어질 수 있으며, 이 경우 충적토가 형성된다. _바람_에 의해 운반되면 풍성토가 되고, _얼음_에 의해 운반되면 빙하토가 형성된다. 운반 과정에서 붕괴된 암석 덩어리와 조각들은 충돌, 마찰 및 세척에 의해 더욱 세분화되는데, 이는 운반 중 그들이 받는 작용이다. 이러한 작용으로 깨진 조각의 모서리는 둥글어지고, 새로운 조각들은 더 잘게 부서지며, 그 모서리도 다시 둥글어지는 식으로 운반이 지속되는 동안 계속된다. 고형 성분의 크기와 형상은 암석의 강도, 운반 거리, 운반 방식 등에 따라 달라진다. 따라서 토양의 고형 입자 형상은 매우 다양하다: 둥근 것, 타원형, 날카롭거나 둥근 모서리를 가진 것, 삼각형 등이다. 크기 0,02 – 0,002 mm의 고형 성분은 토질역학에서 _먼지_로 불리는 분획으로, 주로 둥글거나 타원형이다. 0,002 mm보다 작은 크기의 이러한 성분은 _점토_로 불리는 분획이며, 판상 형상을 띤다. 모래, 자갈 및 조약돌의 더 큰 입자들은 입방체형, 둥근 형태, 판상형 등 다양한 형상을 가질 수 있다. 입방체형 입자는 형태가 잘 변하지 않으며, 판상형은 더 쉽게 변한다. 따라서 주로 판상 입자로 구성된 토양은 조성이 쉽게 변할 수 있다.
이미 형성이 완전히 끝난 일부 토양은 나중에 새로운 퇴적물로 덮이는 경우가 있으며, 그 결과 앞서 형성된 토양은 깊은 곳에 남고, 새로운 퇴적물 위에는 이전 토양과 전혀 관계가 없을 수도 있는 또 다른 토양이 형성된다. 이렇게 나중에 새로운 퇴적물로 덮인 이전에 형성된 토양을 _매몰토양_이라 한다. 이는 주로 경작지였던 토양이 풍성 풍진의 퇴적물로 바람에 의해 덮인 경우이지만, 퇴적물은 하천성일 수도 있다. 매몰토양은 어두운 색으로 식별되며, 이 과정이 여러 번 반복되면 그러한 토층이 여러 개 존재할 수 있다.
충적토
충적토는 물에 의해 운반되는 동안 고형 입자가 침적되어 형성된다. 침적은 여러 요인에 좌우되며, 그중 가장 중요한 것은 물의 흐름 속도, 운반되는 입자의 크기, 그리고 염분, 석회 등 다른 성분의 함량이다. 물의 흐름 속도가 클 때는 큰 입자만 침적되고, 작은 입자는 침적되지 않고 더 멀리 운반된다. 따라서 더 큰 고형 성분은 물의 흐름이 빠른 상류, 즉 수원에 더 가까운 상부에서 침적된다. 물의 흐름 속도가 감소할수록 점점 더 작은 입자들이 침적된다. 흐름이 없는 고요한 물에서는 일반적으로 가장 미세한 고형 입자가 침적된다. 물의 흐름이 느려지는 곳에서는 어디서나 큰 침적이 발생하는데, 하천이 범람하여 물이 하도 밖으로 넘칠 때의 범람 지역, 하구, 댐 앞 등이 그 예이다.
콜로이드성 점토의 매우 미세한 입자 침전은, 물속에 잠긴 0,0002 mm 미만 크기의 미세 입자들 사이에서 발생하는 전기화학적 작용으로 인해 무한히 오랜 시간 지속될 수 있다. 이 경우 고체 입자들은 같은 부호(음)의 전하를 띠고 있으므로 서로 밀어내며, 더 작을수록 더 큰 속도로 유체 속을 움직인다. 이것이 브라운 운동이다. 이러한 운동 때문에 물속의 고체 입자 침전은 현저히 지연되며 무한히 오랜 시간 지속될 수 있다.
그림 4 - 충적토
에올 풍성 토양
풍성 토양은 바람에 의해 고체 입자가 퇴적되어 형성됩니다. 풍성 토양에는 _레스_와 _사구_의 두 종류가 있습니다. _레스_는 약 0,05 mm 정도 또는 그보다 조금 더 작은 굵기의 고체 입자들로 이루어져 있으며, 이들 입자는 탄산칼슘에 의해 서로 결합되어 있습니다. 따라서 건조한 상태에서는 레스의 강도가 매우 큽니다. 레스 지반의 절개면은 매우 큰 높이에서도 수직면을 유지할 수 있습니다. 그러나 레스가 많이 젖으면 강도를 잃고 쉽게 움직이게 됩니다. 베오그라드 인근 베자니스카 코사의 레스 퇴적층은 20m를 넘는 높이에서도 수직면을 유지하는 것으로 알려져 있습니다. 그러나 가장자리 근처에 주거지가 들어선 구간, 예를 들어 제문의 추나르스카 거리처럼 생활용수가 비탈 바로 옆에 지속적으로 스며들어 레스 고원 사면이 계속 젖는 경우에는 레스 사면이 붕괴되고 가장자리 인근의 레스 지반 안정성이 위협받습니다.
_듄_은 바람에 의해 퇴적된 비결합 모래로 이루어진 이동성 언덕이다. 이러한 언덕은 바람의 작용으로 빠르게 흩어졌다가 다시 형성되므로, 주택과 운송수단을 매몰하거나 파괴할 위험을 초래한다.
그림 5 - 풍성토
빙하성 토양
빙하성 토양은 얼음에 의해 고체 토사 입자가 운반되면서 형성된다. 빙하성 토양은 충적토와는 성분이 다르며, 이는 크기가 대체로 비슷한 고체 입자, 즉 자갈, 자갈층(모레인) 또는 얼음이 녹은 뒤 남은 모래로 이루어져 있기 때문이다. 과거 빙하호의 층에는 빙하성 양토가 존재한다.
그림 6 - 빙하성 토양