토 질 역 학 4. 흙의 소성과 구조 담당교수 : 이 승 호 담당조교 : 안준영, 문효종 보조 : 김명인, 서우빈

4. 흙의 소성과 구조 4.1 흙의 연경도 연경도(Consistency) 애터버그 한계(Atterberg limit) 함수비가 매우 낮을 때 흙은 고체처럼 거동하고, 함수비가 매우 높을때 흙과 물은 액체처럼 흐른다. 따라서 함수비의 기준에 따라 흙은 네가지 기본상태, 즉 고체, 반고체, 소성, 액성상태로 나눌수있다. 반고체 상태(Cheese 상태) : 외력을 가하면 변형이 되면서 균열이 발생되는 상태 소성 상태(Butter 상태) : 외력을 가하면 변형은 되지만 균열이 발생되지 않는 상태 애터버그 한계(Atterberg limit)      

그림 4.1 애터버그 한계(Atterberg limit) 4. 흙의 소성과 구조 4.1 흙의 연경도 4.1 흙의 연경도 애터버그 한계(Atterberg limit) 그림 4.1 애터버그 한계(Atterberg limit)

4. 흙의 소성과 구조 4.2 액성한계     그림 4.2 액성한계 시험

그림 4.3 액성한계시험 : (a) 액성한계 시험기구 4. 흙의 소성과 구조 4.2 액성한계   애터버그 한계(Atterberg limit) 그림 4.3 액성한계시험 : (a) 액성한계 시험기구 (b) 홈파기 기구 (c) 시험 전의 흙덩어리 (d) 시험 후의 흙덩어리

4. 흙의 소성과 구조 4.2 액성한계   유동곡선(Flow Curve)   그림 4.4 유동곡선 (Flow Curve)

4. 흙의 소성과 구조 4.3 소성한계     그림 4.5 소성한계 시험

4. 흙의 소성과 구조 4.4 수축한계   흙은 수분이 점점 없어짐에 따라 수축되며, 수분이 지속적으로 없어지면 수분의 감소가 더 이상 체적 변화에 영향을 미치지 않는 평형상태에 도달한다. 흙의 체적 변화가 발생하지 않을 때의 함수비를 수축한계라고 정의한다. 그림 4.6 수축한계 시험

4. 흙의 소성과 구조 4.4 수축한계         그림 4.7 수축한계의 정의

4. 흙의 소성과 구조 4.5 액성지수와 연경지수 4.5 액성지수와 연경지수 자연상태에서 점성토의 상대적인 연경도는 액성지수(liquidity index,LI)라 불리는 비로서 정의할수있다.     공학적 목적을 위해 보통 사용되는 또 다른 지수는 다음과 같이 정의되는 연경지수(consistency index, CI)이다.   만약 w가 액성한계와 같다면 연경지수는 0이다. 만약 w=PI 이면 그때 CI =1이다.

4. 흙의 소성과 구조 4.5.1 소성지수, 액성지수, 수축지수 4.5 액성지수와 연경지수   액성한계와 소성한계의 차이를 말하며, 흙의 소성상태로 존재할 수 있는 함수비의 범위     자연함수비와 소성한계의 차이를 소성지수로 나눈 것을 말하며, 0에 가까울 수록 흙의 상태는 안정되어 있음을 의미한다.       수축지수는 소성한계와 수축한계의 차이를 말한다.  

4. 흙의 소성과 구조 4.5.2 유동지수, 터프니스지수 4.5 액성지수와 연경지수   유동곡선(그림 4.4)에서 직선의 기울기를 말한다.       터프니스지수는 소성지수와 유동지수의 비를 말한다.  

4. 흙의 소성과 구조 4.6 활성도 4.6 활성도        

그림 4.9 소성도표(Plasticity Chart) 4. 흙의 소성과 구조 4.7 소성도 4.7 소성도 소성도표(Plasticity Chart) - Casagrande(1932)는 많은 흙에 대해 액성한계와 소성지수의 관계를 연구하여 그림 4.9과 같이 소성도표를 제안하였다. 그림 4.9 소성도표(Plasticity Chart)

4. 흙의 소성과 구조 4.8 흙의 구조 흙의 구조(Soil Structure) ① 흙의 구조는 흙입자들 간의 기하학적 배열이라 정의한다. ② 흙의 구조에 영향을 주는 인자는 흙입자의 모양, 크기, 광물학적 구성, 물의 성질과 구성이다. 단립구조(Single-grained structure) 비점성토 봉소구조(Honeycombed structure) 흙의 구조 면모구조(Flocculent structure) 점성토 이산구조(Dispersive structure)

그림 4.10 단립구조 (Single-grained structure) 4. 흙의 소성과 구조 4.8 흙의 구조 4.8.1 비점성토의 구조 단립구조(Single-grained structure) - 흙입자는 각 입자들이 서로 인접한 입자와 접하고있는 안정된 위치이다. 흙입자의 모양과 크기분포, 그리고 상대적인 위치는 적재의 조밀함에 영향을 준다(그림 4.10). 그러므로 넓은 범위의 간극비가 가능하다. (a) 느슨한 상태 (b) 조밀한 상태 그림 4.10 단립구조 (Single-grained structure)

4. 흙의 소성과 구조 단립구조(Single-grained structure) 4.8 흙의 구조 흙의 작은 입자들은 큰 입자들 사이에 간극을 차지할 수 있다. 그러므로 흙의 간극비는 크기가 같은 구입자들에 비해 작다. 그러나 일반적으로 흙입자 모양의 불규칙성은 흙의 간극비를 증가시킨다.     그림 4.11 입자의 배열에 따른 간극비의 변화

그림 4.12 봉소구조(Honeycombed structure) 4. 흙의 소성과 구조 4.8 흙의 구조 4.8.1 비점성토의 입자구조 봉소구조(Honeycombed structure) - 비교적 미세한 모래와 실트가 입자들의 고리모양을 이루며 작은 아치를 형성 한다. 봉소구조를 나타내는 흙은 큰 간극비를 가지며, 보통의 적정하중을 지탱 할 수 있으나, 무거운 하중이나 충격하중을 받게 되면 흙의 구조가 부서져서 큰 침하가 발생한다. 그림 4.12 봉소구조(Honeycombed structure)

4. 흙의 소성과 구조 4.8.2 점성토의 구조 4.8 흙의 구조 그림 4.13 점토의 구조 - 확산이중층의 두께가 얇을 때는 인력이 우세하므로 면모구조가 형성되며, 확산이 중층의 두께가 두꺼울 때는 반발력이 우세하므로 이산구조가 형성된다. 확산이중층(Diffuse double layer)에 의한 반발력 반데르발스 힘(Van der Waal’s force)에 의한 인력 (a) 분 산 (b) 비염기성 면모화 (c) 염기성 면모화(Lambe, 1958) 그림 4.13 점토의 구조

4. 흙의 소성과 구조 4.8.2 점성토의 입자구조 면모구조(Flocculent structure) 4.8 흙의 구조 4.8.2 점성토의 입자구조 면모구조(Flocculent structure) - 면모화(Flocculation) : 양전기를 띠는 모서리가 음전기를 띠는 면으로 끌려 점토입 자가 서로 결속되는 현상 - 염기성 면모화 : 염분은 점토입자들 주위에 있는 이중층수의 두께를 감소 시키는 역할을 하므로 입자상호간의 반발력이 작아진다. - 비염기성 면모화 : 대부분 면모구조와 분산구조와의 중간구조를 갖는다. 이산구조(Dispersive structure) 또는 분산구조 입자들간의 반발력이 반데르발스 힘에 의한 인력보다 크며 각각의 입자에 작용하는 중력은 매우 작으므로 현탁액 속에 남아서 브라운운동(현탁액 속에서 부유운동)을 하거나 또는 매우 천천히 가라앉게 된다. 이렇게 형성된 침전물은 서로 평행하게 놓이게 된다.