토 질 역 학 1
v
토질역학
(Soil Mechanics)
§
흙(soil)의 거동과 평형에 관한 학문
§
여러 형태의 힘을 받았을 때 흙의 움직임 연구
v
지반공학
(Geotechnical Engineering)
§
토질역학, 암반역학, 기초공학 등
§
지반을 구성하는 재료와 관련된 공학
v
역학
(Engineering Mechanics)
§
어떤 재료의 거동특성을 규명
§
토질역학의 재료 : 흙(soil)
v
공업역학과 토질역학의 개별성 및 차이점
§
여타 재료와 구별되는 흙 재료의 독특한 특성
§
흙은 자연적으로 형성된 재료
v
흙
(soil)
§ 비균질, 불연속체 § 강재(Metal), 콘크리트 재료와 구별(균질, 연속체) § 흙 : 3상 재료, 거시적 관점에서 연속체로 간주 § 양면성 § 입자와 입자의 결속력은 결합체와 달리 강하게 부착되어 있지 않음v
지반재료(soil)의 강성, 강도
§
압축된 흙일수록 경도가 증가
§
지표면 근처의 흙 재료는 손가락으로도 쉽게 부서짐
§
깊은 곳에 위치할수록 흙의 강성과 강도가 증가
§
응력레벨에 따라 경도가 좌우됨
§
응력레벨이 증가함에 따라 개개의 흙입자가 구조적으로
치밀하게 배열됨
v
초기응력의 불확실
§ 흙은 지질학적 과정에 의한 시간이력을 가진 자연재료 § 응력의 초기상태가 불명확하고 일정하지 않음 § 외부하중이 작용시 흙의 거동을 결정하는데 매우 중요 § 초기 수직응력은 흙두께(상재하중)에 의하여 파악할 수 있음 § 초기 수평응력은 정확히 파악하기 어려움 § 오래전 수평방향으로 압축이 진행된 경우 – 초기 수평응력 큼 § 일반적으로 수평방향 응력이 작음 § 따라서, 흙의 거동을 이해할 때, 응력의존성과 함께 초기응력의 불확실성을 고려해야 함v
다양성
§ 흙은 지질학적 과정에 의한 시간이력을 가진 자연재료 § 흙의 형성과 변화가 장소마다 다름 § 장소마다 다양한 형태와 성질의 흙이 분포v
Creep
§ 일정 하중에서 변형이 시간의 경과와 함께 증대되는 현상 § 추가 하중이 없어도 감지할 수 없을 만큼 느린 속도로 장기간에 걸쳐 변형 § 흙의 종류에 따라 다름 § 주로 점성토v
응력이력
§ 흙은 자연적으로 생성, 지질학적 과정을 통하여 오랜시간에 걸쳐 형성 § 현재의 응력상태가 되기 전 과거 응력의 발생경력이 다름 § 점성토에서는 흙의 공학적 성질은 응력이력에 의해 큰 영향v
water
§ 흙 재료의 특이성(투수성) § 흙의 간극에 물이 존재 § 간극수(pore water)는 흙의 응력변화를 유발 § 수압 발생v
체적변화
§ 흙의 전단변형은 체적변화를 수반함 § 흙 입자의 재배열
v
구조물을 설치할 기초를 설계하는 문제
v
흙을 건설재료로 활용하는 문제
v
비탈면, 굴착면의 안정에 관한 문제
v
수평으로 작용하는 토압의 문제
:
:
:
§ 피사의 사탑
§ 18세기 이전 건축물 § 14,453 ton § 55 m 높이 § 수직면에서 5 m 기울기(5.5도) § 지름 20 m § 11m 깊이에 연약한 점토층 § 1990-2001년 보강공사v
후버댐 (Hoover Dam, 1994; 1931-1935)
v
간사이 국제공항(오사카, 1994; 1987-1989)
v
화성암
(Igneous Rock)
§ 마그마가 고결되어 지표면에서 생성 : 화산암(급냉각) § 지표면 밑에서 이동 중단 : 심성암(서서히 냉각)
v
퇴적암
(Sedimentary Rock)
§ 풍화작용에 의하여 형성된 물질 등이 퇴적된 후 상재하중에 의하여 다져지고 고결되어 형성 § 쇄설성 퇴적암 : 쇄설물질이 해저 및 육상에 퇴적, 고화 § 화학적 퇴적암 : 물에 용해되어 있는 물질이 화학적으로 침전 § 유기적 퇴적암 : 생물의 유해가 퇴적v
변성암
(Metamorphic Rock)
§ 열, 압력에 의하여 모암 광물의 성분과 구조가 변화
§ 접촉변성암 : 모암이 마그마와의 접촉(열접촉)에 의하여 변성 § 광역변성암 : 지각 깊은 곳의 암석이 고온, 고압에 의한
v
흙의 생성(암반의 풍화)
§
물리적 풍화(Mechanical weathering)
- 물리적인 힘에 의하여 작은 입자로 부서지는 현상 - (물, 바람, 파도, 빙하, 동상, 온도변화에 의한 팽창과 수축)§
화학적 풍화(Chemical weathering)
-
암반의 구성원소의 화학적 분해. 본래 성격을 완전 상실 장석(feldspar), 운모(mica) → clayv
잔적토
(Residual Soil)
§
풍화된 위치에서 이동하지 않고 제자리에 남아있는 경우
§
정적토 또는 잔류토
v
퇴적토
(Transported Soil)
§
풍화된 흙이 자연적인 이동수단에 의하여 다른 곳으로
이동하여 생성
§
충적토(Alluvial or Fluvial soil)
§
빙하 퇴적토(Glacial soil)
§
풍적토(Aeolian soil)
§
호상토(Lacustrine soil)
§
붕적토(Colluvial soil)
§
해성토(Marine soil)
v
잔적토(잔류토)의 특성
§
정규압밀지반
§
외부하중이 작용하면 비교적
큰 변형(압밀침하) 발생
§
과거에 현재의 상재하중보다
큰 하중을 받았던 이력이 없음
§
풍화작용에 의해 분해된
암석이 원위치에서 토층 형성
§
토층심도가 깊어짐에 따라
흙입자의 크기 증대, 풍화도
감소(» 정적토)
v
충적토
(Alluvial soil)
의 특성
§
급류(Braided streams)에 의한 퇴적
-
동수경사가 큰 급류에 의한 퇴적 → 대규모의 침식과 침전 유발. → 지층이 불규칙적이고 구성입자의 크기가 다양 1. 입자 크기가 자갈에서 실트까지 다양하며 점토입자 없음 2. Pocket or lens를 형성하는 입 자는 균질 3. 동일한 깊이에서도 간극비와 단위중량, 표준관입시험치가 매 우 불규칙§
완속류(Meander belt)에 의한 퇴적
- 흐름의 속도가 느리고 구불구불 휘어진 강에서의 퇴적 → 흐름이
꺽이는 오목한 부분에서 침식, 반대편 볼록한 부분에서 침전(Point bar
deposit) → 굴곡이 심해지면 홍수시 범람하면서 직선화 → Levee deposit, backswamp, oxlake의 생성
과거의 강줄기
Sand and silt Backswamp
§
황사(Loess)
-
Silt 또는 silt 입자크기의 바람에 의하여 운반되어 퇴적된 비교적 균등한 입도의 황토. 입자의 표면을 덮고 있는 clay와 입자사이의 염기성 화학물질(Leaching에 의한) → 점착력 저하 → 포화시 급작스럽게 강도저하 → collapsing soil. ※Leaching : 물에 녹아있던 화학물질이 수분의 증발과 함께 흙 입자 사 이에서 건조된 상태로 남아있는 현상.v
흙 입자의 크기
§ 흙 입자 크기의 범위는 매우 광범위 § 자갈 : 석영, 장석 등 광물 입자들을 갖는 암석의 일부분 § 모래 : 석영, 장석으로 구성 § 실트 : 매우 미세한 석영 입자 및 운모를 함유하는 광물의 파편인 얇은 조각형태의 입자로 구성 § 점토 : 운모, 점토광물 등 얇은 조각형태를 한 매우 미세한 입자 Grain size (mm)Gravel Sand Silt Clay
MIT >2 2~0.06 0.06~0.002 <0.002
USDA >2 2~0.05 0.05~0.002 <0.002
AASHTO 76.2~2 2~0.075 0.075~0.002 <0.002
v
점토광물
§
2㎛ 이하의 미립자로 존재
§
높은 점성을 지님
§
점토크기의 치수를 가진 흙≠점토광물
v
점토광물의 기본단위
§
규산사면체(Silica tetrahedron) → Silica sheet
§
알루미늄, 마그네슘 팔면체(Aluminum or Magnesium
v
비점성토 구조
§
단립구조 (single-grained structure)
§
봉소(벌집)구조 (honey-comb structure)
v
점성토 구조
§
면모구조 (flocculent structure)
§
분산(이산)구조 (dispersed structure)
v
Kaolinite(카올리나이트)
§ 우리나라의 대표적 점토광물 § 1:1 기본구조 (2층 구조) § Specific surface = 15m2/g ← 안정적임 § 고령석 (알루미늄을 함유한 규산염 광물) 7.2Å Hydrogen bondv
Illite (Clay mica group, 일라이트)
§ 2:1 구조 (3층 구조) § Specific surface = 80m2/g § Si4+대신 Al+3이 들어갈 경우(동형치환)이 일어남 § 운모 (판모양의 단단한 광물) 10Å K+ (don`t exchangeable)v
Montmorillonite (몬모릴로나이트)
§ 2:1 구조 (3층 구조) § Specific surface = 800m2/g ← 불안정 § 물을 흡수하면 팽창 § 알루미늄과 마그네슘을 주성분 (규산염 광물, 장석, 응회석) 9.6Å 이상v
활성도
§
=
소성지수
() 이하의
점토
함유율
(%)§
흙의 팽창성을 판단하는 기준
§
활주로, 도로 등의 건설 재료를 판단하는데 사용
§
활성도가 클수록 공학적으로 불안정하며, 팽창수축의
가능성이 커진다.
점토 활성도(A) 주성분 비활성 점토 A < 0.75 Kaolinite 보통 점토 0.75 ~ 1.25 Illite 활성 점토 A > 1.25 montmorillonitev
점토광물과 물의 상호작용
§ 물의 쌍극성
§ 점토광물의 표면 → 음전하
§ 동형치환(isomorphous substitution) : 어떤 한 원자가 비슷한
v
확산이중층
(Diffuse double layer)
§ 점토광물의 표면은 수소결합 → 결합력이 강함 § 음으로 대전된 점토광물의 전하가 평형유지 → 양이온을 끌어들이는 범위가 점토표면을 넘어 멀리까지 미침 § 전하의 평형을 유지하고 있는 두께 → 이중층 § 흡착수(absorbed water) → 점성이 강함 § 자유수(free water)v
비중
§
일정온도에서 흙 입자의 공기 중 질량과 같은
온도에서 흙 입자와 같은 체적의 증류수의 공기 중
질량과의 비
§
흙의 비중 : 2.6~2.9
s s s w wm
G
m
g
g
=
=
v
흙 입자들의 크기를 결정
v
체분석
(Sieve analysis)
§ 0.075mm 이상의 입자
v
체분석 실험
2
18
30
(
1)
s w s wv
D
v
D
L
D
G
t
g
g
h
h
g
-=
µ
\
=
-v
비중계 분석
(Hydrometer analysis)
§ 세립토의 입자 크기를 결정 § 흙 입자의 침강속도 → Stokes 법칙2 30 60 10 c