토질 다짐시험, 액성소성한계, 일축압축, 체가름시험

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본문 지반은 다져서 공학적 특성을 개량할 수 있으며 지반의 다짐은 정적이나 동적인 방법으로 흙 속의 공기량을 감소 시키고 흙 입자간의 간격을 근접시켜서 흙의 건조단위 중량을 증가시키는 작업을 말한다. 다짐작업으로 인해 강도의 증가, 압축특성의 개선(과도한 침하방지 및 침하감소), 지반의 지지력 증가, 투수성의 개선(입자의 간격이 적어지므로), 지반의 부피변화 억제(이미 최적화가 되므로) 그리고 동상의 방지 등의 효과를 기대할 수 있다. 다짐은 다짐에너지와 지반의 입도 분포 및 함수비의 영향을 받는다. 또한 다짐의 효과는 건조단위중량 rd로 확인한다. 다짐시험은 에너지를 가하여 최대 건조단위 중량과 이때의 최적함수비를 구하는 시험이다. 흙의 다짐시험에서는 부피 V가 일정한 몰드에 흙을 N층으로 나누어 넣고 무게 W의 다짐 램머를 낙하고 H에서 M회 낙하시켜 에너지를 가하고 이때 가해지는 다짐에너지 Ep는 다음과 같다. E_p = W H N M over V 흙의 다짐은 함수비, 포화도 그리고 큰 입자의 영향을 받는다. 다짐은 에너지를 가하여 입자를 움직여 새로이 조밀한 상태로 만드는 작업이므로, 지반 함수비의 영향을 받는다. 투수성이 좋은 지반에서는 다짐 에너지를 가할 때 과잉간극수압이 발생되지 않으므로 함수비가 다짐에 아무런 영향을 미치지 못한다. 그러나 투수성이 나쁜 지반에서는 공극이 충분히 크면 과잉간극 수압이 발생하므로 입자의 배열이 잘 변화되어 좋은 다짐 효과를 기대할 수 있다. 포화도에 따른 건조단위중량은 다음의 식으로 나타낼 수 있으며 포화도가 클수록 건조단위중량도 커진다. r_d = r_sat over 1+ wr_sat over sr_sat 다짐시험은 일정한 몰드에서 실시하므로 몰드 직경의 약 1/10보다 큰 입자가 있으면 다짐의 결과에 영향을 미친다. 그러나 큰 입자가 많을수록 건조단위중량이 커지므로 경제적일 수 있다. 점성토를 최적 함수비보다 큰 함수비로 다지면 다짐이 신속하고 투수계수가 작아지며 사용하중 상태에서 부피변화가 작게 일어나지만 전단변형량이 커진다. 최적 함수비보다 작은 함수비로 다지면 반대로 되어진다. 함수비가 최적함수비보다 작은 지반은 겉보기 점착력이 크고 구조골격이 불완전하며 간극에 공기를 많이 함유하게 되어 다짐작업이 어렵다. 일반적으로 다짐 흙의 간극 공기량은 12%미만이어야 한다. 다짐시험은 현장에서 임의의 함수비로 흙을 다질 때 예상되는 단위중량을 결정하기 위하여 실시한다. 현장에서는 다짐시험의 결과를 이용하여 최대 건조단위중량의 어느 비율(다짐도) 이상을 요구하고 있다. 시료의 함수비를 증가시키며 다짐시험을 수행하여 건조단위중량이 최대가 되는 함수비 즉, 최적함수비를 찾는다. 이를 위하여 함수비를 변화시키면서 다짐시험하여 함수비-건조단위중량 관계곡선을 구하여 최대건조단위중량과 이에 대응하는 최적함수비를 구한다. 다짐에너지는 시료의 최대입경과 램머의 무게 및 다짐층수를 달리하여 변화시킬 수 있다. 이와 같이 다짐에너지에 따라 다짐방법을 표와 같이 구분하였다. 참고문헌 7. 참 고 문 헌 ▶ 기본토질시험, 이상덕, 도서출판 새론, ▶ 토질 실험법 (실내 및 현장 실험법과 그 결과의 이용법), 임병조김영수 共譯, 형설출판사, 1994. ▶ 토질역학 신은철 역 흙의 체가름 시험 (KS F 2502) ■ 목차 ■ 서론 이론적배경 실험목표 이론적배경 관련공식 본론 시험기구 시험방법 실험 시 주의사항 결론 실험값 실험값 계산과정 적용사례 고찰 참고문헌 1. 실험목적 흙은 여러 가지 모양과 크기를 가진 흙 입자들로 구성되어 있다. 흙의 크기는 일정할 수가 없으며, 흙 안에 크고 작은 입자가 섞여있기 마련이다. 체분석의 목적은 이들 입자간의 입도분포를 각 크기의 집단으로 분류하고, 건조중량에 의해서 각 입자의 크기의 상대적인 비율을 결정하는데 있다. 또한 이번 실험을 통해서 채취한 시료가 용도에 적절한지 적절하지 않은지 판단할 수 있도록 한다. 2. 실험이론 1) 흙의 입자의 따른 일반적 분류 - 조립토 : 자갈, 모래 등의 사질토나 비점성토 - 세립토 : 실트, 점토 등의 점성토 - 유기질토 : 압축성이 크고 비중이 작아 기초 지반 재료로 부정당함 2) 입자크기에 따른 분류 - 자갈 : 암석의 한 부분으로 석영이나 장석 등 다른 광물질을 함유 하고 있다. 암석이 마모되어 둥그스름해진 형태를 띄고 있으며 우 리나라의 경우 암석을 부수어 만든 모난 석재의 경우는 쇄석이라 하여 자갈과 분류하고 있다. USCS 분류법에 의하면 입자의 크기가 4.75mm 이상인 것을 자갈 로 정의하고 있으며, MIT와 USDA, AASHTO의 경우는 2mm 이상 인 경우를 자갈로 정의하고 있다. - 모래 : 대부분이 석영과 장석의 입자들로 이루어져 있다. 광물질의 조성의 따라 석영이 많은 석영사, 유색 광물이 많은 흑사(黑砂), 회 록석이 많은 녹사(綠砂) 등으로 나누기도 한다. 만들어진 원인이나 퇴적장소에 따라 산사(山砂) 강사(江砂) 해사(海砂) 사구사(砂丘 砂) 화산회사(火山灰砂) 등으로 나눈다. 강사는 토목 건축 재료로 중요하며, 콘크리트용 모래로는 석영사가 좋다. AASHTO와 USCS 분류법은 0.075mm 이상의 입자를 모래로 정의 하고 있다. - 실트 : 흙의 미세한 부분으로 매우 미세한 석영 알갱이와 다른 판 모양의 입자들로 이루어져 있다. 연안성 퇴적물에서 많이 발견되 는데, 하천의 운반물질이 해저에 퇴적할 때 가장 빨리 가라앉는 다. MIT, USDA, AASHTO 분류법은 0.002mm보다 큰 입자를 실트로 정의하고 있다. - 점토 : 현미경으로 관찰할 수 있는 판모양의 미세한 입자이다. 점토광물은 운모와 같은 구조를 가졌는데, 2층구조 또는 3층구 조인 것도 있다. 전자는 카올린류, 후자는 몬모릴로나이트 일라이 트 등이며, 층 사이에 물 칼륨 철 마그네슘 등이 들어가 여러 가 지 점토광물을 이룬다. MIT, USDA, AASHTO 분류법은 0.002mm보다 작은 입자를 점 토로 정의하고 있다. 3) 점토 광물의 특징 - 점토광물의 구조적 특징 점토광물의 경우 기본 형태가 2개 존재한다. 하나는 Silica tetrahedron (실리카 사면체) 과 Alumina octahedron (알루미나 팔 면체) 이다. 각각 4면체 8면체의 형태를 나타내고 있다. 이들은 둘 다 전기적으로 음전하를 띄고 있는데 이들이 얇은 판처럼 결합된 것 을 각각 silca sheet 와 gibbsite sheet라고 한다. 그림 1 실리카 사면체와 실리카 시트 그림 2 알루미나 팔면체와 깁사이트 시트 또한 운모와 마찬가지로 층구조를 나타내고 있다. 2층구조를 나타내 고 있는 것으로는 카올리나이트 ( kaolinite, K )로 우리는 고령토라고 부르는 것이다. 구조적으로 카올리나이트는 규소-산소의 사면체층(실 리카 사면체)이 알루미늄-산소-수산화물의 팔면체층(알루미나 팔면 체)과 결합되어 있다. 이러한 이중 판은 전기적으로 중성을 띈다. 3층 구조를 나타내는 것으로는 몬모릴로나이트( montmorillonite, M )와 일라이트 (illite, I )가 있다. 기본적인 결정구조는 두 개의 사면체 층 과 한 개의 팔면체 층을 포함한 세 개의 층으로 이루어져 있다. 그림 3 카올리나이트 층구조 그림 4 일라이트 층구조 - 점토광물과 수분 카올리나이트, 몬모릴로나이트 그리고 일라이트는 각각 다른 단위 질량당 면적( m2/g )을 지니고 있다. 평균적으로 카올리나이트의 경 우 15, 일라이트의 경우는 80, 몬모릴로나이트의 경우 800이다. 단 위질량당 면적이 클수록 물을 많이 끌어들인다고 볼 수 있는데, 물을 많이 끌어당길수록 건조시나 습윤시 수축과 팽창이 커지게 된다. 따라서 수축과 팽창의 민감성은 몬모릴로나이트가 가장크며, 일라이트, 카올리나이트 순으로 민감성은 작아진다. 따라서 안전성은 카올리나이트가 가장 크며, 일라이트, 몬모릴로나이트의 순으로 작아진다. - 점토광물의 표면이 음전하를 띄는 이유 동형치환의 영향으로 점토광물이 음전하를 띄게 된다. 동형치환이란 비슷한 형태의 이온이 원래 이온과 치환되는 현상인데, 그 이유는 원래의 이온과 모양이 비슷하며 그 양도 많기 때문이다. 따라서 사면체와 팔면체가 결합되는 상태에서 알루미늄이온과 규소이온의 치환이 일어나게 된다. 따라서 전기적으로 중성을 이루지 못하고 항상 음의 전기적 성질을 나타내게 된다. 또한 시트의 형태로 넓적한 판의 형태를 띄고 있는 데 그것이 깨지면서 모서리 부분에서 전기적으로 음전하를 띄게 된다. - 점토의 점성 점토는 위에서 다뤘듯이 전기적으로 표면이 음전하를 나타낸다. 물의 경우로 우리가 배웠듯이 극성을 나타내기 때문에 물과 점토는 전기적으로 강력하게 결합하게 되는데 이 물을 흡착수라고 한다. 점토의 전기적 포텐셜 밖에 존재하는 물은 자유수라고 한다. 여기서 점토표면에서부터 점조의 전기적 포텐셜이 존재하는 영역을 확산2중층(dispersed double layer) 이라고 한다. 또한 물이 극성을 나타내기 때문에 물 속에 풍부하게 녹아있는 양이온이 역시 점토의 표면으로 달라붙으면서 점성을 나타내게 된다. 게다가 물속에 녹아있는 수소이온이 점토의 표면과 강력한 수소결합을 하게 된다. 따라서 점토는 점성을 나타내게 된다. 4) 흙의 공학적 분석 - 통일분류법 ( USCS, Unified Soil Classification System ) 미국의 카사그란데( Casagrande ) 교수가 개발한 것으로 도로, 활주로, 댐 및 기초 지반 등 흙의 분류에 널리 이용되고 있다. 흙입자의 크기를 입도라 하며 이는 입경으로 표시한다. 흙입자는 점토광물의 두께인 0.0001mm로부터 직경이 수 십cm나 되는 돌에 이르기까지 그 분포가 대단히 광범위하다. 이와 같이 넓은 범위의 흙입자는 개략적으로 조립토, 세립토, 또는 사질토와 점성토로 분류한다. 입자가 굵은 자갈이나 모래는 조립토 또는 사질토로 분류하고, 입자가 잘고 점성을 가지고 있으면 세립토 또는 점성토로 분류한다. 흙의 입경을 결정할 때에는 입경이 대략 0.075mm이상이면 체 분석에 의하고, 그 이하의 입경에 대해서는 비중계 분석에 의한다. 표 1. 통일분류법에 사용되는 문자 대분류(제1문자) 소분류(토질의 속성, 제2문자) 조립토 자갈 G 조립토 세립이 거의 없고 입도 분포가 좋은 흙 W 모래 S 세립이 거이 없고 입도분포가 나쁜 흙 P 세립토 실트 M 12% 이상의 실트를 함유하고 있는 실트질의 혼합토 M 점토 C 12% 이상의 실트를 함유하고 있는 점토질의 혼합토(점토결합토) C 유기질의 흙 O 세립토 액성한계가 50이하로 압축성이 낮은 것 L 유기질토 이탄 Pt 액성한계가 50이상으로 압축성이 높은것 H 토질 토질의 속성 제3문자 조립토 액성한계 WL ≤ 28, 소성지수 LP ≤ 6 D 액성한계 WL ≥ 28 U 표 2. 통일분류법에 의한 자갈의 분류 표 3. 통일분류법에 의한 모래의 분류 그림5. 통일분류법에 의한 흙의 분류방법 - 입도분포 곡선 체 분석 또는 비중계 분석에 의하여 흙의 입경과 그 분포를 결정한 결과를 그래프로 나타낸 것을 입도분포 곡선이라고 한다. 즉, 입도분포 곡선은 입도분석 결과를 반대수지에 입경과 통과율 관계를 곡선자나 운형자로 그린 것이다. 모래처럼 굵은 입자가 많은 조립질은 대체로 체 가름 시험만으로 분포곡선이 완성된다. a) 균등계수 Cu 균등계수 C_u는 유효경에 대한 중량 백분율 60%에 대응하는 입경 D_10의 비이다. 입도 분포 곡선에서 통과중량 백분율 10%에 대응하는 입경을 유효경이라고 하고 D_10으로 표시한다. 흙의 입도분포가 좋고 나쁜 것을 균등계수로서 나타낼 수 있다. 균등계수가 작으면 입경 이 균등에 가깝다. 균등계수가 큰 경우에는 입도분포가 양호한 경우가 있고 입도분포가 양호하지 못한 경우가 있다. 이때는 곡률계수 C_g를 구함으로써 입도분포 상태를 정량 적으로 정할 수 있다. b) 곡률계수 Cg 여기서, D_30은 통과중량 백분율 30%에 대응하는 입경이다. 통일분류법에서는 균등계수 가 4 또는 6보다 크고 곡률계수가 1~3의 범위에 있을 때 입도 분포가 양호하다고 분류 한다. 3. 실험기구 및 시료 ◆ 실험기구 - 체: 표준체에 규정된 No.4, 10, 20, 40, 60, 100, 200 - 저울 : 감도 0.1~5gf - 증발접시 - 시료팬 - 부수는 기구 : 유발과 고무를 씌운 유발봉으로 흙의 덩어리를 부수기에 적합한 기구이어야 한다. 그림6 유발봉 - 체분석 용지 - 체 진동기 (sieve shaker) ◆ 시료준비 흙의 입도 및 물리적 성질 시험용 건조시료 조제방법에 의해서 시료를 준비하도록 한다. 1) 시료는 반드시 공기건조시켜야 한다. 2) 공기건조 시킨 다음 유발에 넣고 천천히 부순다. 3) 4분법 도는 시료분취기를 이용하여 대표 시료를 다음과 같이 취한다. -입도시험 모래질 : #10 통과시료 115gf 점토, 실트질 : #10 통과시료 65gf ※ 일반적으로 100gf 사용한다. - 물리시험 #40 통과시료 → # 10 통과시료를 체가름한다. 애터버그 한계 : 액성한계 100gf , 소성한계 15gf, 수축한계 30gf 원심함수당량 15gf 현장함수당량 50gf 예비용 95gf ※ 주의 사항 - 공기건조한 시료를 사용한다. - 공기건조를 하면 노 하고 싶은 말 좀 더 업그레이드하여 자료를 보완하여, 과제물을 꼼꼼하게 정성을 들어 작성했습니다. 위 자료 요약정리 잘되어 있으니 잘 참고하시어 학업에 나날이 발전이 있기를 기원합니다 ^^ 구입자 분의 앞날에 항상 무궁한 발전과 행복과 행운이 깃들기를 홧팅 키워드 토질, 일축압축, 다짐시험, 체가름시험, 액성소성한계, 액성