토질역학 I (Intro_흙분류)

(1)

토 질 역 학 I

(2)

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

(3)

(4)

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

(5)

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 않음

(6)

v

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

(7)

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 함

(8)

v

다양성

§ 흙은 지질학적 과정에 의한 시간이력을 가진 자연재료 § 흙의 형성과 변화가 장소마다 다름 § 장소마다 다양한 형태와 성질의 흙이 분포

v

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 점성토

(9)

v

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 영향

v

Water

§ 흙 재료의 특이성(투수성) § 흙의 간극에 물이 존재 § 간극수(pore water)는 흙의 응력변화를 유발 § 수압 발생(pore water pressure)

(10)

v

체적변화

§ 흙의 전단변형은 체적변화를 수반함 § 흙 입자의 재배열

(11)

v

구조물을 설치할 기초를 설계하는 문제

v

흙을 건설재료로 활용하는 문제

v

비탈면, 굴착면의 안정에 관한 문제

v

수평으로 작용하는 토압의 문제

:

(12)

§ 피사의 사탑

§ 18세기 이전 건축물 § 14,453 ton § 55 m 높이, 지름 20m § 수직면에서 5 m 기울기(5.5도) § 1350년-1.4m /1917년-3.9m /1996년-5.4m § 11m 깊이에 연약한 점토층 § 1173년 착공, 1372년까지 200년 공사 § 1990-2001년 보강공사 § 입장객의 수 제한

(13)

v

Landslide(

La Conchita, California, 14 January, 2005/ March 3, 1995

)

§ ‘라 콘치타’ 휴양도시에 mudslide 10년 진행

(14)

v

후버댐 (Hoover Dam, 1994; 1931-1935)

§

높이 221m, 길이 411m 중력식 아치댐 (112명 사망)

§콜로라도강 §볼더댐 §후버댐(1947) §대공항 시대 §라스베가스 §8천명 이상 인부

(15)

§ 2019. 09. 05. 건설 기공식 § 총 길이 41.843 km 순환선 § 1단계 2023년 완공 § 21,761 억원(국비 60%, 지방비 40%) § 정거장 44개소, 차량기지 1개소, 주박기지 1개소

(16)

v

간사이 국제공항 (오사카,

1994개항; 1987-1989

)

§

6년동안 11m 침하 (50년 예상치)

§ 3개산+80여척 배 § 인공섬(부등침하) § 길이 4km, 폭 1km § 수심20m 연약지반 § Sand 드레인공법 § 직경40cm+길이20m § 220만개 해저 설치 § 900개 이상 기둥 § 잭업공법(압밀해결) § ‘토목공학 세기의 기념비’ 상 (2001)

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§ 도심지 옹벽 붕괴 § 2015년 2월 5일 발생 § 폭설, 폭우로 누적된 하중 § 규정 높이 이상으로 축조 § 거주지 주변의 자연재해 안전 점검이 필요

(18)

§ 도심지 흙막이 공사 붕괴 § 2018년 9월 6일 발생 § 지반을 굴착하여 침하, 붕괴가 발생 § 지반 거동과 지하수위 이동 § 서울특별시 동작구 상도동 상도유치원

(19)

(20)

v

화성암

(Igneous Rock)

§ 마그마가 고결되어 지표면에서 생성 : 화산암(급냉각) § 지표면 밑에서 이동 중단 : 심성암(서서히 냉각)

(21)

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 퇴적

(22)

v

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

(23)

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) → clay

(24)

v

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)

(25)

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)

(26)

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

(27)

§

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

(28)

v

빙하토

(Glacial soil)

의 특성

洪積世(Pleistocene Ice Age, 홍적세)에 지구를 덮고있던 빙하가 많은 양의 여러가지 토사를 끌고 이동하며 퇴적한 흙. → 점토에서 호박돌 에 이르기까지 층서 없이 불규칙(부정합)하게 뒤섞임 빙하의 종착지 빙하가 녹으면서 흘러내린 퇴적토 빙하이동시 퇴적

(29)

v

풍적토

(Aeolian soil)

의 특성

§

사구(Sand dune)

-

입도가 매우 균일하고 바람부는 방향에서 원거리일수록 입자가 가늘어 짐 Windward side : Relative density : 50-65% Leeward side : Relative density : 0-15%

(30)

§

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.

(31)

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

(32)

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

(33)

v

비점성토 구조

§

단립구조 (single-grained structure)

§

봉소(벌집)구조 (honey-comb structure)

v

점성토 구조

§

면모구조 (flocculent structure)

§

분산(이산)구조 (dispersed structure)

(34)

(35)

v

Kaolinite(카올리나이트)

§ 우리나라의 대표적 점토광물 § 1:1 기본구조 (2층 구조) § Specific surface = 15m2_{/g ← 안정적임} § 고령석 (알루미늄을 함유한 규산염 광물) 7.2Å Hydrogen bond

(36)

v

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)}

(37)

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 이상

(38)

(39)

v

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 montmorillonite

(40)

v

점토광물과 물의 상호작용

§ 물의 쌍극성

§ 점토광물의 표면 → 음전하

§ 동형치환(isomorphous substitution) : 어떤 한 원자가 비슷한 이온반경을 가진 다른 원자와 치환하는 현상

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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)

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