1. 흙의 생성
흙의 기본적인 성질을 알려면 우선 흙의 성인부터 알아야 한다. 지질학자에 의하면 지각의 표면은 깊은 곳에 있는 모암과 그 위의 고결되지 않은 체적물의 층으로 구분되어있다.
지반을 구성하는 지층의 두께와 순서를 보여주는 연직단면을 토층단면(soil profile)이라한다. 잔적토층의 두께는 암반의 풍화 정도와 침식력의 정도에 영향을 받는다. 이와 같이 하부의 풍화되지 않은 암반에서 상부의 지표면으로 갈수록 풍화 정도가 크다. 풍화 정도는 건조지역에서 보다는 습한지역에서, 온도차가 작은 지역보다는 큰 지역에서 더 크다.
지각을 형성하는 광물입자들은 암석이 풍화되어 생긴 것이다. 그 암석은 형성과정에 따라 화성암, 퇴적암 그리고 변성암의 세가지 형태로 나눌 수 있다.
화산 활동에 의해서 지구 내부의 마그마(magma)가 지각의 약선을 따라 외부로 분출되어 그대로 냉각, 고결하여 화성암(igneous rock)이 되고, 이 암석은 오랜 기간 동안 열, 대기, 물, 생물 등의 물리적, 화학적 풍화작용에 의하여 자갈, 모래, 실트, 점토 등의 조각들로 되는 데 이와 같은 작용을 풍화작용(weathering)이라고 한다.
2. 물리적 풍화작용(mechanical weathering)
물리적 풍화작용이란 연속적인 온도의 변화로 암석이 팽창과 수축을 되풀이 하면서 붕괴되는 현상
① 온도변화에 의한 파쇄작용(암석 틈에 스며든 물이 얼어서 부피팽창에 의한 압력으로 암석 파쇄)
② 유수, 파랑, 강우, 결빙 등 물의 작용에 의한 침식 및 파쇄작용
③ 바람에 의한 침식작용(erosion)
④ 빙하에 의한 침식작용 등이 있다.
3. 화학적 풍화작용(chemical weathering)
화학적 풍화작용이란 암석광물이 화학적 작용에 의해 다른 광물로 변화하는 현상으로서 대기중의 물과 이산화탄소는 탄산을 만드는 데 그것은 현존하는 암석광물과 용해성 염을 만든다.
① 대기중의 산소의 작용에 의한 산화 및 환원작용
② 용해, 수화, 가수분해 등의 물에 의한 분해작용
③ 탄산 및 염류에 의한 용해작용
④ 부식된 유기물질에서 형성된 유기산이 일으키는 화학적 풍화작용 등이 있다.
4. 암과 흙의 생성
이와 같이 분해된 암석이 다시 유수, 바람 등에 의하여 운반되어 퇴적되면 퇴적암(sedimentary rock)으로 되고, 여기서 다시 화성암과 퇴적암이 압력이나 열에 의하여 그 성질이 변화하게 되었을 때, 이것을 변성암(metamorphic rock)이라고 한다.
위의 세 가지 암들이 지표에서 풍화작용에 의하여 분해되어 원위치에서 운반되지 않고, 모암의 광물질을 그대로 함유한 채로 쌓이게 되었을 때 잔적토 또는 잔류토(residual soil)라 하고, 운반되어 퇴적된 흙을 운적토(transported soil)라 한다.
운적토는 잔적토에 비하여 운반 및 침전의 형태에 따라서 여러 가지 광물질 및 기타 다른 화학성분 및 유기물을 혼입하게 되어 그 성질이 매우 복잡하게 되어 빙하토(glacial soils), 충적토(alluvial soils), 호상토(laustrine soils), 해성토(marine soils), 풍적토(aeolian soils), 붕적토(colluvial soils) 등의 형태를 이룬다. 이처럼 대부분의 흙은 생성 과정에서 부터 복잡한 집합체가 되어 그 성질이 일정치 않을 뿐더러 함유된 양이나 입자의 배열상태에 따라 그 성질이 다양하게 변하므로 토질공학을 연구하는 데에는 흙의 성질을 명확하게 규명하지 않으면 안된다.
지구의 탄생은 지금으로부터 수십억년 전인 것으로 알려져 있다. 그로부터 현재까지 지구상에는 많은 변화가 일어나고 있으나, 이 대지와 생물계에 큰 변화 또는 만들어선 사건을 중심으로 지질시대를 구분한다.
이중 지반공학의 대상으로 되는 것은 주로 제4기에 퇴적한 충적층 및 홍적층인 것이다. 충적층은 충적세에 이루어진 지층으로서 암석풍화물이 유수에 의하여 운반, 퇴적된 흙이며, 홍적층은 지구상에 빙하가 발달하고 비로서 원시인류가 나타난 홍적세에 이루어진 지층으로서 해성층, 담수성층, 빙하층이 해당된다.