토질역학 및 실험 I (3-4장)

(1)

1. Soil Composition

v

흙의 구성

§ 자연발생적 흙 → 흙 입자(광물의 입자), 물, 공기 § 3상 체계(Three phase system)

(2)

Geotechnical Engineering

2. Weight~Volume Relationships

§ 간극비(Void ratio) : § 간극률(Porosity) : § 포화도(Degree of saturation) :

Chapter 3

v s

V

e=

V

v

V

n=

100(%)

V

´

w v

V

S=

100(%)

V

´

(3)

2. Weight~Volume Relationships

v

간극비와 간극률의 관계

v v v v s v

V

_V

n

e=

=

V

V-V

_1-

1-n

V

e

n=

100(%)

1+e

´

(4)

2. Weight~Volume Relationships

§ 함수비(Moisture content) : § 단위중량(Unit weight) : w s W ω= (100%) W ´

Chapter 3

W

γ=

V

w s s s w s

W

W 1+

W

W +W

W (1+ω)

W

γ=

=

V

é

_æ

_ö

ù

ê

ç

÷

ú

è

ø

ë

û

- 습윤단위중량(moist unit weight)

- 건조단위중량(dry unit weight) s d

W

γ =

V

d

γ

γ =

1+ω

(5)

2.1 Relationship among unit weight, void ratio,

moisture content and specific gravity

v s V e= V s

V =1

(If volume of soil particles is 1, then volume of

void is void ratio)

s s w s s w s w W W V G = = V γ V W æ × ö ç ÷ × _è × _ø w w s s s s W V = V G =ω G W \ × × × s s s w s w W =G V γ =G γ× × × w s W ω= W w s s w W =ω W =ω G γ× × × s w s w s w s w W +W G γ +ω G γ (1+ω) G γ W γ= = = = V V 1+e 1+e × × × ×

(6)

2.1 Relationship among unit weight, void ratio,

moisture content and specific gravity

s w d G γ e= -1 γ × s s w d W G γ γ = = V 1+e ×

Chapter 3

w s v V ω G S= = V e × s

S e=ω G

×

(7)

2.1 Relationship among unit weight, void ratio,

moisture content and specific gravity

s w sat s w w s w W +W W γ = = V V G γ +e γ = 1+e (G +e)γ = 1+e × × s

e=ω G

×

완전포화 : 포화도 100% s w s w sub sat w w (G +e) γ (G -1) γ γ =γ -γ = -γ = 1+e 1+e × ×

(8)

2.2 Relationship among unit weight, porosity

and moisture content

v

V

n=

V

V=1 s w s w

W +W

γ=

=G γ (1-n)(1+ω)

V

×

Chapter 3

(If total volume is 1, then volume of solid is _1-n)

s d s w W γ = =G γ (1-n) V × w s s w

W =ω W =ω G γ (1-n)

×

s s s w s w

W =G V γ =G γ

×

(1-n)

(9)

2.2 Relationship among unit weight, porosity

and moisture content

s w s w w sat s w

W +W

(1-n)G γ +n γ

W

γ =

=

V

1 =[(1-n)G +n]γ

×

완전포화 : 포화도 100% w w s w s s

W

n γ

n

ω=

=

W

(1-n)γ

G

(1-n)G

×

(10)

3. Relative Density

max r max min

e

-e

D =

e

-e

Chapter 3 v

상대밀도

§ 조립토 또는 사질토 § 자연상태에서 조밀하거나 느슨한 정도

d(min) d d d(min) d(max) r d(max) d(min) d d(min) d(max) 1 1 -γ γ γ -γ γ D = = γ -γ γ 1 1 -γ γ é _{ù é} _ù ê _{ú ê} _ú é _{ù é} _ù ê ú ë û ë û ê _{ú ê} _ú é ù é ù _ê_ë _{ú ë}_û _û ê ú ê ú ê ú ê ú ë û ë û

(11)

3. Relative Density

s d(min) m W γ = V § 최소 건조단위중량 : 낙하고 25.4mm, Φ12.7mm 직경의 대롱, 깔대기 몰드 부피 - 2830cm3 § 최대 건조단위중량 : 14 kN/m2 _{추 하중재하, 3600 cycle/min 주기} 진폭 0.635mm, 8분간 진동

(12)

4. Consistency of Soil

Chapter 3 v

흙의 연경도

§ 함수비에 따른 점성토의 성질의 변화를 나타냄 § 점토 입자 주위에 있는 흡착수에 기인함 § 애터버그 한계 (Atterberg limit)

(13)

4.1 Liquid Limit

v

액성한계

(LL ; Liquid Limit)

§ 흙이 액체상태로 변하는 순간의 함수비 § 타격횟수 25회 함수비 § 유동지수(flow index) 1 2 2 1 F ω -ω I = N log N æ ö ç ÷ è ø

(14)

(15)

점토질 실트의 액성한계 결정을 위한 유동곡선

1 2 2 1 F ω -ω I = N log N æ ö ç ÷ è ø

(16)

4.2 Plasticity Limit

Chapter 3 v

소성한계

(PL ; Plasticity Limit)

§ 반고체 상태로부터 소성상태(변형가능상태)로 변하는 순간의 함수비 § 소성(plasticity) : 균열이나 파괴없이 일정한 부피에서 원상회복되지 않는 변형을 일으키는 성질 § 직경 3.2mm로 말았을 때 부서지기 시작하는 함수비

§ 소성지수(PI ; Plasticity Index) : 액성한계와 소성한계의 차

(17)

4.3 Shrinkage Limit

v

수축한계

(SL ; Shrinkage limit)

§ 고체상태와 반고체상태의 경계 § 더 이상의 체적변화가 발생하지 않는 평형상태의 함수비 i

SL=ω -Δω

(18)

4.3 Shrinkage Limit & Ratio

v

수축한계시험 (수축비)

(a) 건조전 (b) 건조후 _ = 1 1  −  100 여기에서, SL은 수축한계

(19)

v

연경지수

(CI ; Consistency Index)

§ 1에 가까울수록 안정

§ 0에 가까울수록 예민

v

액성지수

(LI ; Liquid Index)

§ 0에 가까울수록 안정

§ 1에 가까울수록 예민

4.4 Relative Consistency of Cohesive Soil

ω-PL ω-PL LI= = LL-PL PI LL-ω LL-ω CI= = LL-PL PI

v

점성토의 상대적 연경도

§ 현재의 함수비 상태를 평가

(20)

5. Activity

중량백분율 입자의 이하 ) mm 002 . 0 ( 2 PI A m =

Chapter 3 v

활성도

(Activity)

§ Skempton(1953) → 흙의 소성지수는 흙 속에 존재하는 점토함유율(%)[2μm 보다 가는 입자의 함유율]에 직선적으로 비례 § 점토의 팽창 가능성을 나타내는 지표 A<0.75 (inactive) 0.75<A<1.25 (normal) A>1.25(active)

(21)

(22)

6. Plasticity Chart

Chapter 3 v

소성도

(Plasticity Chart)

§ 액성한계와 소성한계의 관계 → Casagrande(1932) § 점성토의 특성(점토, 실트, 상한선)을 결정 (A-line, U-line)

(23)

7. Soil Structure

v

흙의 구조

§ 흙 입자들의 기하학적 배열상태

§ 흙 입자의 모양, 크기, 광물조성, 물의 양, 물의 성분 등이 영향을 미침 § 점성토와 사질토의 흙 구조는 상이함

(24)

7.1 Structures in Cohesionless Soil

Chapter 3 v

사질토에서의 흙의 구조

§ 단립구조(Single grained structure) : 안정된 상태, 각각의 입자는 인력이나 점착력 없이 중력의 작용을 받아 서로 접촉

§ 벌집구조(Honeycombed structure) : 비교적 가는 모래나 실트가 연쇄적인 배열로 작은 고리를 이룸, 간극비가 상대적으로 큼,

(25)

7.2 Structures in Cohesive Soil

v

점성토에서의 흙의 구조

§ 점토입자 사이에 작용하는 전기적 반력, 인력이 작용 § 양이온 및 점토입자의 전기력, Van der Waal`s force § 분산구조(Dispersed structure) : 입자간 반발력이 우세 § 면모구조(Flocculated structure) : 입자간 인력이 우세

§ 해상점토에는 염분이 존재하며 이는 이중층수의 두께를 감소시키는

(26)

1. Classification of Soil

Chapter 4 v

흙의 분류법

(Soil Classification System)

§ 성질이 비슷한 여러 흙에 대하여 여러 군으로 분류, 배열 § 입도, 소성도, 흙 구조 등.... 매우 다양

§ 비균질, 복합 → 간결한 정의 필요

(27)

2. Textural Classification

v

입도에 의한 분류

(Textural Classfication)

§ 흙 입자의 크기에 의한 단순분류 § 공학적 이용에 부적합 § 소성도 등 점성토의 주요특성 무시 Grain size (mm)

Gravel Sand Silt Clay

MIT >2 2~0.06 0.06~0.002 <0.002

(28)

3. Classification by Engineering Behavior

Chapter 4 v

공학적 분류

§ 입도분포 및 consistency 고려

§ AASHTO(American Association of State Highway and Transprotation Officials)분류법

§ 통일분류법(USCS ; Unified Soil Classification System) § 주로 통일분류법이 이용됨

(29)

§ No.200체 이하 입자량에 의하여 좌우됨

§ 군(group)으로 분류하는데 직접적 이용하지 않음 § 도로 노상토 재료의 적부 판단 기준

§ 흙의 품질은 군지수와 반비례 § 규칙

3.1 AASHTO Classification System

GI=(F-35)[0.2+0.005(LL-40)]+0.01(F-15)(PI-10)

v

군지수

(GI ; Group Index)

§ 도로의 노상토 재료로 사용되는 흙의 품질을 평가하기 위하여 사용

- 음수 → GI=0, 정수로 표시, 상한성 없음

- A-1-a, A-1-b, A-2-4, A-2-5, A-3군 흙의 군지수는 항상 0

(30)

3.1 AASHTO Classification System

Chapter 4

(31)

3.1 AASHTO Classification System

v

AASHTO 분류법

(32)

3.2 USCS(Unified Soil Classification System)

Chapter 4 v

통일분류법

(USCS)

§ Casagrande(1942)가 군사적 목적으로 미 육군 공병단을 위하여

개발

§ 이 후 미국 개척국(U.S. Bureau of Reclamation)과 함께 수정

1952년 완성 (ASTM 규정 D-2487) § 현재 공학자들에 의하여 널리 사용 토질재료 입도 컨시스턴시 G (Gravel) S (Sand) M (Silt) C (Clay)

O (Organic silt or Clay)

P_t (Peat and highly organic soil)

W (Well graded) P (Poor graded)

L(Low plasticity) H(High Plasiticy)

(33)

(34)

3.2 USCS(Unified Soil Classification System)

Chapter 4

(35)

3.2 USCS(Unified Soil Classification System)

(36)

3.3 Comparison between the AASHTO and USCS

Chapter 4 v

AASHTO분류법과 통일분류법의 비교

§ 흙의 입도조성, 소성을 근거로 분류 § No.200체 통과량 기준 → 조립토와 세립토 구분 - AASHTO : 35%, 통일분류법 : 50% § 약 35%정도의 세립질 갖는 조립토는 세립토와 같은 거동 - 조립토 사이의 간극을 채울 수 있어 세립토가 조립토 분리 - 이 점에서 AASHTO분류법이 더 적절 § 모래, 자갈 분류

- AASHTO : No.10체, 통일분류법 : No.4체

- 흙 입자들을 분리하는 입경의 관점에서 No.10체가 모래의 상한선 크기로 인정됨.

§ 통일분류법 : 자갈질 흙과 모래질 흙이 명확히 구분 § 통일분류법이 흙의 성질을 잘 설명하며 직관적