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Unformatted text preview: 건 설 재 료 실 험 - 토질실험 - 2012 학년도 1학기 연세대학교 공과대학 토목·환경공학과 지반공학연구실 목 차 1. 흙의 기본 물성실험 1.1 입도분포(체분석시험) ······················ 1 1.2 입도분포(비중계시험) ······················ 4 1.3 비중시험 ······················ 10 1.4 단위중량시험 ······················ 13 1.5 함수비시험 ······················ 16 2. 흙의 다짐시험 ······················ 18 3. 들밀도 시험 ······················ 23 4. 액소성한계 시험 ······················ 30 5. 흙의 압밀시험 ······················ 35 6. 흙의 투수시험 ······················ 50 7. 직접전단시험 ······················ 56 8. 일축압축시험 ······················ 69 9. 삼축압축시험 ······················ 76 입도분석시험(체분석) 1 서론 1.1 개요 흙의 입경과 분포를 알면 그 흙을 공학적으로 성질이 비슷한 토군으로 분류할 수 있다. 흙 을 토목재료로 사용하는 구조물 즉 흙댐이나 하천제방, 도로 또는 비행장의 포장 단면의 축 조재료등은 흙입자의 크기와 그 분포가 대단히 중요하다. 체분석은 네모로 된 눈금을 가진 적절한 크기의 체를 체눈금 크기의 순서로 포갠 다음 흙을 부어 넣고 흔들어, 주어진 눈금의 체를 통과한 흙의 중량을 구하여 흙입자의 크기와 분포를 알아낸다. 1.2 목적 입도는 조립토의 판별분류 및 흙의 공학적 성질을 판별하는데 쓰여진다. 2 이론적 배경 2.1 체분석 입경이 대략 0.074mm이상인 흙에 대하여 체분석을 하는데 굵은 체로부터 가는 체를 위로 부터 포개어 놓고 흙을 넣어 흔든 다음, 각 체를 통과한 흙의 무게를 계산하여 흙 전체의 무게로 나눈다. 이렇게 결정된 비율은 어느 체에 남아 있는 흙의 입경보다 더 가는 입경의 흙 전체에 대한 중량백분율이 된다. 2.2 입도분포곡선 2.2.1 유효경 입도분포곡선에서 통과중량백분율 10%에 대응하는 입경을 유효경이라고하고, D 10 시한다. 2.2.2균등계수( C u ) 유효경에 대한 통과중량백분율 60%에 대응하는 입경 C u = DD 60 10 D 60 의 비를 말한다. 균등계수가 큰 흙은 일반적으로 입도분포가 양호하고 작으면 입경이 균등에 가깝다. 2.2.3 곡률계수( C g ) 2 C g = D( D×30D) 10 60 1 < Cg < 3 이면 입도분포가 좋은 흙이다. - 1 - 으로 표 3 시험 기구 체 1세트 , 진동기 , 저울 4 시험방법 (1) 사용할 체를 결정하고 ( 38.1mm 25.4mm 19.1mm 9.52mm No.4 No.10 No.20 No.40 No.60 No.100 No.200), 각 체의 무게를 측정한다. (2) 공기 중에서 충분히 말린 흙을 손으로 잘 부순 다음 골고루 섞어 적절한 양의 시료를 취 한다. (3) 체눈의 크기 순서로 체를 포갠 다음 No.200체 밑에는 팬을 놓는다. (4) 최상단에 있는 체 속으로 시료를 흘리지 않게 붓고 뚜껑을 씌운 다음 진동기를 사용하 여 1분 동안 흔든다. (5) 각 체를 분리하여 체에 남은 흙의 무게를 측정한다. 이 무게의 합계와 처음에 투입한 흙의 전체무게 사이에 차이가 2 %이상 있을 때에는 시험을 다시 실시해야 한다. (6) No.200체에 흙이 많이 잔류되어 있다면 그 체에 물을 부어 작은 입자들이 씻겨져 나가 도록 해야 한다. 이 때에는 체 밑에 큰 그릇을 받쳐두고 흙탕물을 받아서 건조로에서 말려 그 흙의 무게를 측정한다. (체분석기) 5 결과처리 5.1잔유율 결정 잔유율 = 잔유량 흙의전체무게 ※통과율은 100%에서 잔유율을 빼서 구한다. - 2 - ×100 % 5.2 입도분포곡선 반대수지상에 입경과 가적통과율과의 관계를 그린다. 이곡선으로부터 다음 계수를 구한다. C u = DD 60 10 2 C g = D( D×30D) 10 60 체번호 4 10 20 40 60 100 200 체눈금(mm) 38.1 25.4 19.1 9.52 4.76 2.00 0.84 0.42 0.25 0.149 0.074 체분석 잔유량(g) 통과율(%) Pan Total - 3 - 잔유율(%) 비고 입도분석시험(비중계시험) 1 서론 1.1 개요 입자가 굵은 흙은 체분석으로 입도분포를 결정할 수 있지만 No.200체를 통과한 가는 입자 는 이것으로 입자의 크기를 판별하는 것은 불가능하다. 이러한 경우에는 Stokes의 법칙을 이용하면 흙의 입도 분포를 알 수 있다. 즉 이것은 대소입자들이 물속으로 낙하하면 입경의 치수에 따라 낙하하는 속도가 달라지는 원리를 이용한 것이다. 흙 입자가 섞인 물은 시간의 경과에 따라 농도가 변하므로, 이의 비중을 측정함으로써 흙의 입경과 그 분포를 알 수 있 기 때문에 이것을 비중계분석이라고 한다. 1.2 목적 실트와 점토가 대부분인 흙은 비중계분석으로 입도분포곡선을 얻는다. 2 이론적배경 2.1 Stokes의 법칙 입자의 침강속도는 그 입자의 직경의 제곱에 비례한다. v= 여기서, v γ s- γ w 18η D2 : 구의 낙하속도, cm/sec γ s : 구의 단위중량, g/cm γ w : 물의 단위중량, g/cm η : 액체의 점성계수, dyne-sec/cm2 D : 구의 직경, cm 18ηv γ s- γ w D= 여기서, L : 구의 낙하거리, t : 시간, min = 18η γ s- γ w L t cm 입자가 너무 크면 물이 지나치게 교란되고, 또 너무 작으면 브라운운동이 생기기 때문에 윗 식의 적용범위는 0.0002 mm ≤ 위식에서 L 은 cm로, t는 D ≤ 0.2 mm 라야 한다. 분으로, 또 D 는 mm로, 실용상 편리한 단위로 고치면 이식은 다음과 같다. D= 30η L L 980( G s- G w ) ․ t = κ t 여기서, κ 의 값은 흙의 비중, 물의 비중 및 점성계수의 함수이다. - 4 - 2.2 비중계의 유효깊이( L ) L = Z - 2VAb = L 1 + 12 L 2 - 2VAb = L 1 + 12 ( L 2 - VAb ) 여기서, Z : 비중계를 읽는 값의 현탁액의 깊이 L 1 : 비중계 구부의 상단부터 축상에서 읽어낸점까지의 L 2 : 비중계 구부의 길이 V b : 비중계 구부의 체적 A : 메스실린더의 단면적 거리 2.3 입경 D 보다 가는 입자의 분포비중을 결정하는 방법 만일 체적이 V인 용기에 마른 흙 Ws를 이 최초단위중량 γ i 는 다음식과 같다. γi = 넣고 흔들어 잘 섞었다고 하면, 물과 흙의 현탁액 Ws + V ( γ w- Ws VG s ) Ws/V 는 현탁액의 단위체적당 흙입자의 중량이다. 또한 흙입자를 Ws/G sγ wV 이므로, 물의 무게는 γ w (1- Ws/G sγ wV ) 가 된다. 여기서, 1 - 뺀 물의 체적은 임의의 깊이 Z에 있는 작은 한 요소를 생각해 보자. 시간 t 가 지난 후에는 이요소안에는 D보다 더 굵은 입자는 이미 낙하하였으므로 존재하지 않는다. 지금 마른 흙 전체의 무게에 대한 D보다 가는 입자의 무게의 비를 적당 무게는 PWs/W 가 P라고 하면 깊이 Z와 시간 t에서의 흙입자의 단위체 되므로, 이 때의 현탁액의 단위중량( γ )은 다음과 같다. γ= PWs + V ( γ w- ) PWs = + G s-1 ․ PWs G sV γ w G s V - 5 - ∴ P= Gs G s-1 V ( γ - γ )×100(%) ․W w s 3 시험기구 비중계, 분산장치, 분산제, 메스실린더, 항온수조, 온도계, 비이커, 저울, 건조로 4 시험방법 4.1 비중계검정곡선의 작성 (1) 비중계의 구부를 메스실린더의 수중에 담가서 비중계 구부의 체적( V B )과 그 길이 ( L 2 )를 측정한다. (2) 메스실린더의 단면적( A j )을 측정한다. (3) 비중계 구부의 위끝에서 다음 눈금까지의 거리( L 1 )를 측정한다. (4) 검정곡선을 그린다. 4.2시료의 분산 4.2.1 A방법(흙의 소성지수가 20 이하인 경우) (1) 시료를 비이커에 고 증류수를 200 ml 이상 가하여 충분히 젖도록 교반한 다음 18시 간 이상 방치하여 둔다. (2) 비이커의 내용물을 분산용기에 쏟아넣고 용기의 위끝으로부터 5cm의 깊이까지 증류수 를 더 가한다. 이 때 시료의 선모화를 방지하기 위하여 규산나트륨용액을 20 ml 가한다. (3) 용기의 내용물을 교반장치로 10분간 교반시킨다. 4.2.2 B방법(흙의 소성지수가 20 이상인 경우) (1) 시료를 비이커에 넣고 6%의 과산화수소용액을 100 ml 가하여 충분히 젖도록 교반한다. (2) 비이커를 접시로 덮고 110±5℃의 건조로에 1시간 동안 넣어 둔 다음 꺼내어 증류수 100 ml 가하고 18시간 이상 방치하여 둔다. (3) 비이커의 내용물을 분산용기에 쏟아넣고 A방법과 같은 방법으로 분산시킨다. 4.3 비중계시험 (1) 분산시킨 내용물을 메스실린더에 옮기고 증류수를 메스실린더에 더 가하여 1000 ml 가 되도록 한다. (2) 이 실린더를 항온수조에 넣고 현탁액을 가끔 유리막대로 휘저어서 부유한 입자가 침강 하지 않도록 한다. (3) 현탁액이 수조와 같은 온도로 되면 실린더를 꺼내어 그 윗부분을 손바닥 또는 고무마개 로 막고 1분간 위아래로 약 30회 반전시킨다. (4) 위의 조작이 끝나면 실린더를 수조에 넣음과 동시에 시간을 기록하고 비중계를 가만히 실린더 속에 넣어 경과 시간 1/4, 1/2, 1, 2 분에 대한 비중을 계속해서 읽는다. (5) 그 다음에는 비중계를 꺼내고 5, 15, 30, 60, 240, 1440 분의 각 경과 시간마다 다시 넣어 비중을 측정한다. 5 결과처리 - 6 - 5.1 입경 계산 D= 30η L L 980( G s- G w ) ․ t = κ t (mm) 현탁액속에 비중계를 넣어 1/4, 1/2, 1, 2, 5,……1440 분 등의 측정 시간 t와 각 시간에 대응하는 비중을 측정한다. 비중을 알면 비중계 검정곡선으로부터 유효길이 입경 D를 L을 결정하여 구할 수 있다. 5.2 비중계의 유효깊이(L) ( b L = L 1 + 12 L 2 - V A 여기서, L 1 : 비중계 구부의 상단부터 L 2 : 비중계 구부의 길이 V b : 비중계 구부의 체적 A j : 메스실린더의 단면적 j ) (cm) 축상에서 읽어낸 점까지의 거리 5.3 중량백분율 입경 D 보다 가는 입자의 중량백분율은 다음과 같다. G s ․ V ( ' + C + F)×100(%) P= G m Ws γ s Gw 온도를 일정하게 유지하고 V = 1000ml 로 두면 율 P 일정하므로, Gs ․ V G s- G w Ws 는 상수 F 는 표에서 구하고, γ'는 비중계 읽음에서 1.0을 뺀 값 즉 비중의 읽음이며, C m 는 메니스커스 보정값이므로 이러한 값들을 대입하면 중량백분 가 된다. 온도 보정값 소수 부분의 Ws는 를 구할 수 있다. - 7 - 각온도에 대한 보정계수( F )의 값 온도(℃) 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 보정계수( F ) -0.0006 -0.0006 -0.0006 -0.0006 -0.0006 -0.0005 -0.0005 -0.0004 -0.0003 -0.0002 -0.0001 0.0000 0.0001 0.0003 - 8 - 온도(℃) -18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 보정계수( F ) 0.0004 0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.0020 0.0023 0.0025 0.0028 0.0031 비중계 분석 흙의 비중, 흙의 무게, Gs = Ws = 비중계 분석 날짜 경과시간 온도 (min) 1/4 1/2 1 2 5 15 30 60 240 1440 (℃) 비중계읽음값 실제값 보정값 Cm - 9 - F P (%) κ L (cm) D (mm) 비중시험 1 서론 1.1 개요 흙의 비중이란 4℃에서의 증류수의 단위중량에 대한 흙입자의 단위중량과의 비로 정의된다. 따라서 흙의 비중은 그 흙을 조성하는 광물질의 단위중량과 관계되므로, 철분과 같은 성분 을 포함하고 있으면 비중의 값은 커진다. 1.2 목적 흙입자의 비중은 흙의 기본성질인 간극과 포화도를 아는데 필요할 뿐만 아니라 흙의 다짐의 정도와 유기질흙에 있어서 유기물함량을 구하는데 이용되며 이 때문에 흙 입자의 비중시험 한다. 흙입자의 크기나 흙성분의 변화에 따른 비중의 변화변위는 좁기 때문에 이것으로 비교적 정 확히 흙을 분류하거나 판별하는 데 사용하기는 어렵다. 2 이론적 배경 2.1 비중 비중은 다음식으로 표시 된다. Gs = = V ․Wγ s s w( 4℃ ) γs γ w( 4℃ ) ( 무차원 ) 여기서, γ s : 흙입자의 단위중량 γ w (4℃ ) : 4℃에서의 증류수의 단위중량 Ws Vs :흙 입자의 건조중량 : 흙입자의 체적 2.2 비중을 이용한 간극비와 포화도의 계산 2.2.1 간극비 e ( ) w -1 = G sγ w -1 e = Gγsγ w 1+ 100 γd t 여기서, Gs : 흙입자의 비중 γ w : 물의 단위 체적 중량 (g/cm3) ( 1 t/m3 , 1 g/cm3 , 62.4 lb/ft3 ) w : 함수비 (%) γ t : 습윤단위중량 (g/cm3) γ d : 건조단위중량 (g/cm3) - 10 - 2.2.2 포화도 S r s S r = wG e 3 시험용 기구 비중병 , 저울, 알코올램프 , 건조로, 온도계 4 시험 방법 4.1 비중병의 검정 (1) 비중병을 씻어서 건조시킨 후 그 중량( Wf )을 측정한다. (2) 비중병에 증류수를 넣어 병목의 눈금과 메니스커스의 바닥이 일치하게하고 병의 바깥 부분을 깨끗이 닦아내고 수면위에 있는 병목 안의 물기도 깨끗이 제거한다. (3) 비중병과 증류수의 전체중량( Wa ' ) 및 수온( T' )을 측정한다. (4) 임의의 온도( T )에 있어서 증류수를 채운 비중병의 중량( Wa )을 계산한다. (5) 측정치를 정리하여 검정표를 만든다. 4.2 비중의 결정 (1) 110±5℃의 건조로에서 건조시킨 시료를 약 20 g정도 준비한다. (2) 실온상태로 식힌 시료를 말린 비중병에 넣어 중량을 측정한다.( Ws ) (3) 시료가 완전히 잠길정도로 비중병에 증류수를 가한다.(비중병의 약 1/2 정도) (4) 흙 속에 있는 공기를 배출시키기 위하여 흙과 물을 채운 비중병을 10분 이상 끓인다. (5) 가열된 시료는 실온이 될 때까지 식힌다. (6) 비중병에 증류수를 넣어 병목의 눈금과 메니스커스의 바닥이 일치하게하고 병의 바깥 부분과 병목 안쪽의 메니스커스 윗부분의 물기를 깨끗이 제거한다. (7) 전체중량( Wb ,비중병 + 시료 + 물)과 내용물의 온도 T 를 측정한다. 5 결과 처리 5.1 Wa 의 계산 T ℃에 있어서 물의 밀도 × ( W ' - W )+ W Wa = T' ℃에 있어서 물의 밀도 a f f 5.2 비중 결정 s G s = [ W -( W W a b - Ws )] ※ γ w ( T℃ ) γ w (4℃ ) s = [ W -(W Gw W a b- Ws )] 온도의 변화에 따른 물의 비중의 변화 범위는 대단히 좁다. 따라서 물의 비중 대신 15℃ 를 기준으로 보정하더라도 측정값의 큰 차이를 나타내지는 않는다. 한국공업규격은 15℃를 기준으로 보정계수를 정하여 보정하도록 하고 있다. - 11 - 15℃의 물에 대한 비중은 다음식과 같다. 여기서, K = s G s = [ W -(W Wb - Ws)] a γ w ( T℃ ) γ w (15℃ ) s = [ W -(W Wb- Ws)] K a 보정계수 비중병 검정 시험번호 (비중병+물)의 무게 , 1 Wa 2 3 4 5 g 온도 ℃ 비중 결정 시험번호 1 2 #1 #3 온도 (비중병+물+흙 )의 g 무게, Wb Wa 3 (비중병+물)의 무게, 4 용기 번호 5 (마른흙+용기)의 무게 g 6 용기의 무게 g 7 마른 흙의 무게, Ws g 8 보정계수, 9 흙의 비중 = 평균비중 , 온도oC 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 #2 물의비중 1.000000 0.999992 0.999968 0.999930 0.999877 0.999809 0.999728 0.999634 0.999526 0.999406 0.999273 K g (7×8)÷ (3+7-2) Gs 보정계수 1.0009 1.0009 1.0008 1.0008 1.0007 1.0007 1.0006 1.0005 1.0004 1.0003 1.0001 온도oC 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 물의비중 0.999129 0.998972 0.998804 0.998625 0.998435 0.998234 0.998022 0.997800 0.997568 0.997327 0.997075 - 12 - 보정계수 1.0000 0.9998 0.9997 0.9995 0.9993 0.9991 0.9989 0.9987 0.9984 0.9982 0.9979 온도oC 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 물의비중 0.996814 0.996544 0.996264 0.995976 0.995678 0.995372 0.995058 0.994734 0.994403 0.994064 보정계수 0.9977 0.9974 0.9971 0.9968 0.9965 0.9962 0.9959 0.9956 0.9953 0.9949 단위 체적중량 시험 1 서론 1.1 개요 이 시험은 흙의 단위체적중량(흙의 밀도)을 구하기 위해 실시된다. 단위체적중량은 흙의 단 위 체적당의 중량을 말하며, 흙의 중량과 체적을 측정하여 그 중량을 체적으로 나누어 구한 다. 토립자와 토립자에 포함된 물을 함께 고려한 중량을 습윤 단위중량이라고 하고 , 토립 자만을 고려한 경우를 건조 단위 중량이라고 한다. 1.2 목적 단위체적중량은 지반의 다짐 여부를 추정 또는 토압 , 지지력 , 사면안정 및 기초지반의 침 하등의 설계계산에 필요한 흙의 자중산정에 쓰인다. 2 이론적 배경 2.1 습윤단위 체적중량( γ t) 자연 상태에 있는 흙의 중량을 이에 대응하는 체적으로 나눈 값이다. γt = 여기서, W V W V ( g/cm3 ) : 시공체의 중량 (g) : 시공체의 체적 (cm3) 2.2 건조단위 체적중량 ( γ d ) 흙을 건조시켰을 때의 단위중량을 건조단위중량이라고 한다. γd t = 1+ γω/100 ( g/cm3 ) 여기서, w : 함수비(%) 3 시험용 기구 트리머, 줄톱 , 곧은 날 , 유리판 , 버어니어 캘리퍼스 4 시험 방법 성형법(버어니어 캘리퍼스법) (1) 시료를 sampler로부터 꺼내 준비한다. (2) 트리머로 공시체를 제작한다. (3) 성형시 남은 시료를 가지고 함수량을 측정한다. (4) 공시체중량을 측정한다. (5) 공시체의 상부, 중앙부, 하부의 직경을 측정한다. (6) 공시체의 높이를 측정한다. (7) 측정치를 정리해 습윤단위중량과 건조단위중량을 계산한다. - 13 - 5 결과 처리 5.1 습윤 단위 체적 중량( γ t) γt = 여기서, W V ( g/cm3 ) W : 공시체의 중량 (g) V : 공시체의 체적 (cm3) 5.2 건조 단위 체적 중량 ( γ d ) γd 여기서, w t = 1+ γω/100 ( g/cm3 ) : 함수비(%) 5.3 체적( V )의 계산 여기서, 여기서, V A D L Dt Dc Db V = A․L = π4 D 2․L ( cm3 ) : 공시체의 체적 ( cm3 ) : 공시체의 단면적 ( cm2 ) : 공시체의 평균직경 ( cm ) : 공시체의 높이 ( cm ) D = ( D t + D3 c + D b) : 공시체상단의 직경 ( cm ) : 공시체중앙의 직경 ( cm ) : 공시체하단의 직경 ( cm ) - 14 - ( cm ) 단위체적중량 공시체 번호 공시체중량 공시체의 높이 공시체상단의 직경 공시체중앙의 직경 공시체하단의 직경 공시체의 평균직경 공시체의 단면적 공시체의 체적 #1 W L Dt Dc Db D =( D t + D c+ D b)/3 A = πD 2/4 V =A․L #3 g cm cm cm cm cm cm2 γt= W 습윤단위체적중량 #2 cm3 /V g/cm3 함수비 w % 건조단위체적중량 γ d = γ t w ) /(1+ 100 g/cm3 함수비, 시험 번호 용기 번호 (젖은흙 + 용기)의 무게, (마른흙 + 용기)의 무게, w #1 Wa Wb Wc 마른흙의 무게, Ws 물의 무게, Ww = Wa - Wb 함수비, w = ( Ww /Ws)×100 평균 함수비 , w = g g 용기의 무게, g g g % - 15 - #2 #3 함수비 시험 1 서론 1.1 개요 이 시험은 흙의 성질 파악에 필수적인 요소인 함수량을 구하기 위하여 수행한다. 흙덩어리 는 토립자, 물 , 공기의 3요소로 구성되어 지며 , 흙의 성질은 그 속에 포함되어 있는 물의 양이 많고 적음에 따라 크게 변한다. 따라서 흙에 포함되어 있는 수분을 정량적으로 안다는 것은 흙을 공학적으로 판단하는데 있어서 매우 중요하다. 1.2 목적 이 시험으로 구한 함수비를 이용해 흙의 단위 중량을 구할 수 있다. 2 이론적 배경 2.1 함수량 온도 110±5oC 의 건조로에서 젖은 흙으로부터 제거된 수분량을 말한다. 2.2 함수비( w ) 흙의 함수량과 마른 흙의 무게와의 비를 백분율로서 나타낸 것을 말한다. w w= W Ws 여기서, Ww Ws × 100 (%) : 물의 무게(g) : 흙입자의 무게(g) 3 시험용 기구 용기 , 항온 건조로 , 저울 4 시험 방법 (1) 시료를 준비한다. (2) 용기의 중량을 측정한다. ( Wc ) (3) 시료를 용기에 넣어 중량을 측정한다. ( Wa ) (4) 시료를 건조로에 넣고 일정중량이 될 때까지 건조시킨다. (5) 건조된 시료를 실온이 될 때까지 식힌다. (6) 마른 흙과 용기의 중량을 측정한다.( Wb ) - 16 - 5 결과 처리 함수비 w 는 다음 식에 의하여 구한다. + 용기 )의 무게 -( 마른흙 + 용기 )의 w = ( 젖은흙 ( 마른흙 + 용기 )의 무게 - 용기의 무게 무게 ×100 W -W = Wa - W b ×100 b c 여기에서 , Wa : 젖은흙과 용기의 무게 (g) Wb : 마른흙과 용기의 무게 (g) Wc : 용기의 무게 (g) 함수비, 시험 번호 용기 번호 (젖은흙 + 용기)의 무게, (마른흙 + 용기)의 무게, w #1 Wa Wb Wc 마른흙의 무게, Ws 물의 무게, Ww = Wa - Wb 함수비, w = ( Ww /Ws)×100 평균 함수비 , w = g g 용기의 무게, g g g % - 17 - #2 #3 다짐 시험 1. 서론 1.1 개론 공학적 목적으로 흙의 성질을 개선하는 방법은 여러 가지가 있지만, 로울러나 진동기와 같 은 다짐기계를 사용하여 다지는 것이 가장 경제적인 방법이다. 느슨한 흙의 다짐으로 인해 흙의 단위중량이 증가하고 전단강도가 증가하며, 또한 투수계수와 압축성이 감소됨으로써 그 흙의 공학적 성질이 크게 개선된다. 다짐시험은 1933년 R.R. Proctor에 의해 체계적으로 정리되었다. 그는 1/30 ft3(944cm3) 의 모울드(mold)에 흙을 3층으로 나누어 넣어 각층마다 5.5lb(2.5kg)의 래머를 1ft(30cm) 의 높이에서 25회씩 낙하시켜 다짐시험을 행하였다. 시험결과로부터 동일한 에너지로 흙을 다졌을 때 건조단위중량이 최대가 되는 함수비가 있다는 것을 발견하였다. 이것을 최적함수 비(OMC)라고 하며 Proctor의 방법은 실내에서의 표준다짐방법으로 널리 알려져 있다. 2차대전 중 중량의 항공기를 지지할 비행장 건설에 요구되는 다짐을 위해서 Proctor의 표 준다짐 에너지로는 부족함을 알게 되어 수정 Proctor방법이 개발되었다. 수정다짐방법은 1/13.33ft3(2123cm3)의 모울드에 흙을 5층으로 나누어 넣고 10lb(4.5kg)의 래머로 1.5 ft(45cm)의 높이에서 55회씩 다지는 것이다. 1.2 목적 실내다짐시험의 목적은 현장에서 흙을 다질 때 살포할 가장 적절한 수량과 이 수량으로 흙 을 다질 때 예상되는 단위중량을 결정하기 위한 것이다. 이를 위해 현장의 다짐에 대응하는 실내다짐시험을 한 후, 현장에서의 다짐을 시험을 통해 얻은 최대건조단위중량의 어느 일정 비율로 한정한다. 예를 들어 도로교시방서에는 “도로의 기층은 수정다짐방법의 95%이상 다 져야 한다”고 규정되어 있다. 2. 이론적 배경 2.1 다짐 에너지 추를 낙하시키는 방법으로 흙에 에너지를 가해 다짐을 하게 되는데, 단위체적당 흙에 가해 지는 에너지를 다짐에너지라 한다. 다짐에너지 Ec는 E c = WhVn l n b 여기서, nl W V h nb : 다짐 층수 : 추의 무게 : 몰드의 용적 : 추의 낙하수 : 각층당 다짐 횟수 - 18 - 다음과 같다. 다짐에너지의 크기에 따라 표준다짐시험(standard Proctor test)과 수정다짐시험(modified Proctor test)으로 나누어진다. 한국공업규격(KS F 2312)에 의하면 몰드의 크기와 래머 무 게의 조합에 따라 다짐방법은 다음 표와 같이 5가지로 나뉜다. 방법 래머무게(kg) 낙하높이(cm) 매층당 타격횟수 층수 모울드 허용최대입경 치수 (㎜) A 2.5 30 25 3 100 19 B 2.5 30 55 3 150 37.5 C 4.5 45 25 5 100 19.0 D 4.5 45 55 5 150 19.0 E 4.5 45 92 3 150 37.5 여기서 A와 B방법은 표준다짐이고, C, D 및 E방법은 수정다짐이다. 2.2 건조단위중량과 함수비와의 관계 동일한 에너지로 다짐을 하여도 함수비에 따라 다져진 흙의 건조단위중량은 동일하지 않 다. 다짐시험을 하여 흙의 함수비와 건조단위중량과의 관계곡선을 그릴 수 있는데 이것을 다짐곡선(compaction curve)라 한다. 주어진 에너지로 흙을 다질 때 함수비를 증가시키면 건조단위중량은 증가하나, 어느 일정 한 함수비에 이르면 건조단위중량은 최대가 되고 그 이상 함수비가 증가하면 오히려 건조단 위중량은 감소한다. 최대건조단위중량이 나타나는 함수비를 최적함수비(Optimum Moisture Content, OMC)라 하고, 이때 흙이 가장 잘 다져진다고 할 수 있다. 최적함수비를 중심으로 좌측을 건조측, 우측을 습윤측이라 한다. 다진 흙의 건조단위중량은 함수비의 함수로서 다음과 같이 표시할 수 있다. γd = 만일 포화도가 100%라면 Gs 1+ e γw = S = 1 이므로 Gs 1+( G s ω/S ) γw 위의 그림과 같이 영공기간극곡선(zero-air void curve)을 얻게 된다. 모든 다짐곡선은 영공기간극곡선의 왼쪽에 그려지게 된다. 다짐곡선에서 다짐에너지가 클수록, 입도분포가 양호한 흙일수록 최대건조단위중량은 커지 고 최적함수비는 작아진다. 3. 시험기구 ① 모울드(mold) : 100㎜와 150㎜의 2종이 있으며, 높이 65㎜의 칼러(collar)와 밑판을 붙일 수 있어야 한다. ② 래머(rammer) : 지름 5cm의 원형면을 가진 중량 2.5kg 또는 4.5kg의 금속제로서 전 자는 낙하거리 30cm, 후자는 낙하거리 45cm라야 한다. ③ 시료추출기(sample extruder) : 모울드에서 다진 시료를 빼내는 데 사용되는 기구이 다. - 19 - ④ 저울 : 용기 10kg 이상, 감도 10g 이상인 것과 용기 100g이상, 감도0.1g 이상인 2종 ⑤ 건조기 ⑥ 곧은날(straight edge) : 길이 약 30cm되는 강철제의 곧은 날이어야 한다. ⑦ 체 : No. 50㎜, 19㎜ 및 No. 4체 다짐장비 4. 시험 방법 ① 칼러(collar)를 제거하고 저판과 모울드의 무게를 측정한다. ② No.4(4.75㎜)체를 통과한 공기건조시킨 시료를 3kg 정도 취하여 흙덩이는 손으로 잘 부순다. ③ 시료에 예상되는 최적함수비보다 4~9% 정도 낮은 함수비가 되도록 물을 가하여 흙 과 잘 섞는다. ④ 다진 후의 두께가 모울드 깊이의 약 1/3이 되도록(5층으로 다질 때에는 약 1/5) 모울 드 속에 흙을 넣는다. ⑤ 2.5kg의 래머(수정다짐에는 4.5kg)를 사용하여 25회 다진다. 이 때 흙이 골고루 다져 지도록 래머를 모울드 안쪽 둘레를 따라 낙하시키고 난 다음 중앙 부분에도 낙하시 켜야 한다. ⑥ 다음 층에 대해서도 모울드 속에 흙을 넣어 동일한 방법으로 다진다. 마지막 층을 다 질 때에는 칼러를 붙여 넣어 다지되 다진 후에는 흙의 표면이 모울드의 가장자리 위로 약간 올라와 있어야 한다. ⑦ 칼러를 떼어내고 곧은날로 모울드의 가장자리를 따라 깨끗이 깎는다. ⑧ 모울드 주위에 붙어 있는 흙을 깨끗이 털어낸 후 무게를 잰다. ⑨함수비를 측정하기 위하여 모울드의 아래, 위 및 중간부분에서 흙을 따내고 건조로에 서 말린다. ⑩ 시료추출기 또는 손으로 시험한 흙을 모울드 속에서 빼어내고 부순 다음 새로이 흙을 더 추가한다. 흙에 물을 약간 첨가하여 함수비가 전체적으로 약 3% 정도 증가 되 도록 한다. ⑪ ⑥~⑩단계를 5회 정도 반복한다. 원활한 다짐곡선을 얻으려면 최적함수비 근처에서 1회, 건조측 및 습윤측에서 각 2회씩 함수비를 구하는 것이 가장 이상적이다. 5. 결과 처리 - 20 - 5.1 건조단위중량(건조밀도), γ d γd = 여기서, W V γt W 1+ ω = V(1+ ω ) : 모울드 속의 흙의 무게 : 모울드의 용적 ω : 함수비 세로축은 건조단위중량, 가로축은 함수비로 잡고 각 함수비에 대한 건조단위중량을 점찍으 면 다짐곡선이 얻어진. 이 곡선으로부터 최대건조단위중량과 최적함수비를 구한다. 5.2 영공기간극곡선 : γd = 여기서, Gs Gs γw 1+( ω G s/S ) : 흙의 비중 γ w : 물의 단위중량 S 위 식에서 : 포화도 S = 1로 두고 함수비와 건조단위중량과의 관계곡선을 구하면 이것이 영공기간 극곡선(포화곡선)이 된다. 90% 포화곡선 또는 80% 포화곡선을 얻기 위해서는 는 S = 0.8 을 대입하면 된다. - 21 - S = 0.9 또 다짐 시험 (COMPACTION TEST) Description of Soil : Test No. : Location : Sample Depth : Sample No. : Date : Specific Gravity, Gs : Tested by : MOULD Mould No. Height of Mould , Diameter of Mould, Volume of Mould, Average V h d V = π d 2 h/4 COMPATION Test No. Weight of Wet Soil+Mould g Weight of Mould g Weight of Wet Soil,, W g Wet Unit Dry Unit Wt , Wt , γ t = W /V 1 2 g/cm3 γ d = γ t /(1+ u' ) g/cm3 WATER CONTENT Container No. Weight of Wet Soil+Container g Weight of Wet Soil+Container g Weight of Water g Weight of Container g Weight of Dry Soil g Water Content, ω % PERCENT SATURATION ω 80% Saturation γd = ω 100% Saturation γd = Gs γw 1+( ω G s/0.8 ) Gs γw 1+( ω G s) % t/m3 % t/m3 - 22 - 3 4 5 6 들밀도 시험 1. 서론 1.1 개요 이 시험은 흙의 단위중량을 현장에서 직접 구하기 위한 것이다. 흙의 단위중량은 흙의 단 위체적당 중량을 말하며, 중량으로써 흙입자에 포함되어 있는 물과의 양자를 고려할 경우를 습윤단위중량, 흙입자만을 고려할 경우를 건조단위중량이라 말한다. 측정지반의 단위중량을 얻기 위해 측정지반의 흙을 파내어 구멍을 뚫고, 그 흙의 중량과 시험구멍의 체적을 측정한 다. 구멍의 체적측정방법은 KSF에서는 모래치환법에 의하여 구하고 있다. 현장에서의 흙의 단위중량은 노상, 노반, 흙구조물 등의 다빔정도를 측정하여, 설계 및 시공관리 등에 이용한 다. 이 시험방법은 KS F2311에 규정되어 있다. 1.2 목적 도로의 노상, 노반 또는 흙구조물 등의 다짐정도를 나타내는 단위중량을 현장에서 직접 측 정하기 위한 시험이다. 2. 이론적 배경 측정지반의 흙의 습윤단위중량( )과 건조단위중량( )은 다음과 같이 구한다. 시험구멍으로부터 파낸 흙의 중량 시험구멍의 체적 여기서, w는 함수비이다. 위의 건조단위중량의 식에서 시험구멍으로부터 파낸 흙의 중량(W)은 직접 무게를 측정함 으로 쉽게 구할 수 있으나, 시험구멍의 체적(V0)은 직접 측정할 수 없다. 정확한 체적(V0)을 구하기 위해서 본 실험은 균일한 모래를 시험구멍에 채워 측정하는 모래치환법을 사용한다. 입경이 균일한 모래를 시험구멍에 채웠을 때, 채운 모래의 무게와 사용한 모래의 단위중량 ( )을 구하여 시험구멍의 체적(V0)을 간접적으로 계산한다. 시험구멍의 체적(V0)은 다음 식 과 같다. ′ 시험구멍을 채우는 데 필요한 모래의 중량 시험용 모래의 단위중량 여기서, 시험용 모래의 단위체적중량( )은 검정과정을 통해 구한다. - 23 - 3. 실험 기구 4. 시험 방법 4.1 준비 단계(검정) 4.1.1 용기와 연결부의 체적 검정 1) 측정기의 중량(W1)을 측정한다. 2) 용기와 연결부에 물을 가득 채운 후, 물을 넣은 측정기의 무게(W2)를 측정한다. 3) 측정기 속의 물의 온도(T0C)를 측정한다. 4) 용기와 연결부의 체적(V1)을 계산한다. 5) 위의 과정을 3회 이상 반복하여 평균치를 구한다. 4.1.2 시험용 모래의 단위중량 검정 1) 시험용 모래를 약 10kg 준비한다. 2) 측정기를 거꾸로 세우고 밸브를 닫은 후, 시험용 모래를 깔대기의 상단까지 넣는다. 3) 4) 5) 6) 7) 8) 밸브를 열어서 모래를 용기와 연결부에 채워질 때까지 넣는다. 모래의 이동이 멈추면 밸브를 닫고 깔대기 속에 남은 모래를 버린다. 모래로 채운 측정기의 중량(W3)을 측정한다. 측정기 속에 들어있는 모래의 중량(W4)을 구한다. 시험용 모래의 단위중량( )을 구한다. 위의 과정을 3회 이상 반복하여 평균치를 구한다. - 24 - 4.1.3 깔때기를 채우는 데 필요한 시험용 모래의 중량 검정 1) 계속해서 검정하는 경우 : 검정으로 측정한 모래의 중량(W3)을 측정한다. 새로 검정하는 경우 : 깔때기를 채우는 데 충분한 양의 모래를 용기에 넣는다. -> 밸브를 닫고, 측정기에 넣은 모래의 중량(W3')을 측정한다. 2) 유리판 위에 베이스 프레이트를 놓고, 그 위에 측정기의 깔때기가 아래로 향하도록 설치한다. 3) 밸브를 열고 깔때기에 모래를 채운 후, 모래의 이동이 멈추면 밸브를 닫는다. 4) 용기에 남은 모래와 측정기의 중량(W5)을 측정한다. 5) 깔때기를 채우는데 필요한 시험용 모래의 중량(W6)을 구한다. 6) 위의 과정을 3회 이상 반복하여 평균치를 구한다. 4.2 본시험 1) 시험할 곳의 지표면을 스트레트 옛지 등으로 평평하게 한 후, 베이스 프레이트를 밀착시킨다. 2) 베이스 프레이트 구멍의 내측의 흙을 파내며, 미량이라도 잃지 않도록 뚜껑 달린 용기에 넣는다. 3) 파낸 흙의 전 중량(W7)을 측정한다. 4) 파낸 흙의 일부를 이용해 함수량을 측정한다. 5) 측정기에 깔때기를 끼운 상태로 밸브를 닫는다. 6) 시험용 모래를 깔때기의 상단까지 넣은 후, 밸브를 열고 모래를 용기와 연결부에 꽉 찰 때까지 넣는다. 7) 모래에 채워진 측정기의 중량(W3)을 측정한다. 8) 측정기의 깔때기를 베이스 프레이트에 대고 세운 후, 밸브를 열어 모래를 시험구멍 및 깔때기에 채운다. 9) 모래의 이동이 끝나면 밸브를 닫는다. 10) 측정기와 남은 모래왕의 중량(W8)을 측정한다. 11) 측정 후 시험용 모래를 회수한다. 12) 시험구멍 및 깔때기에 들어간 모래의 중량(W9)을 구한다. 13) 시험구멍을 채우는 데 필요한 모래의 중량(W10)을 구한다. 5 결과처리 5.1 단위중량 측정기 및 시험용 모래의 검정 1) 용기와 연결부과의 체적(V1)은 다음 식과 같다. 여기서, W2 : 용기와 연결부과의 부분에 물을 채웠을 때의 중량(g) W1 : 측정기의 중량(g) K : 측정수온 ToC에 있어서의 물 1g 당 체적 (표 참조) - 25 - 2) 시험용 모래의 단위중량 를 다음 식으로 구한다. 여기서, W3 : 용기와 연결부과의 부분에 모래를 채웠을 때의 중량(g) 수온 ToC 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 물 1g 당 체적 K 1.00027 1.00048 1.00073 1.00103 1.00138 1.00177 1.00221 1.00268 1.00320 1.00375 1.00435 1.00497 3) 깔때기를 채우는 데 필요한 시험용 모래의 중량 W6을 다음 식으로 구한다. ′ 또는 여기서, W3' : 측정기와 넣은 모래(깔때기를 채우는 데 필요한 양)의 중량(g) W3 : 용기와 연결부에 채운 모래의 중량(g) W5 : 측정기와 남은 모래와의 중량(g) 5.1 단위중량 측정기 및 시험용 모래의 검정 1) 흙의 습윤단위중량 는 다음 식으로 구한다. 여기서, W7 : 시험구멍으로부터 파낸 흙의 중량(g) V0 : 시험구멍의 체적(cm3)(후술 3)의 계산으로 구한다. - 26 - 2) 흙의 건조단위중량 는 다음 식로 구한다. 여기서 w : 시험구멍으로부터 파낸 흙의 함수비(%) 3) 시험구멍의 체적 V0 는 다음 식으로 구한다. 여기서, W9 : 시험구멍 및 깔때기에 들어간 모래의 중량(g) W6 : 깔때기를 채우는 데 필요한 모래의 중량(g) W10 : 시험구멍을 채우는 데 필요한 모래의 중량(g) 4) 시험구멍 및 깔때기에 들어간 모래의 중량 W9는 다음 식으로 구한다. 여기서, W8 : 측정기와 남은 모래의 중량(g) 5) 데이터 시트에 기입한다. - 27 - 들밀도 시험(모래치환법) 과업명 : 시험날짜 : 조사위치 : 시험자 년 월 일 : Gs : 시험공 번호 용기번호 (시험공에서 파낸 흙 + 용기)중량 용기의 중량 시험공에서 파낸 흙의 중량 시험공에서 파낸 흙의 건조중량 흙의 최대입경(mm) 용기와 피크로미터톱에 모래를 채운 중량 측정기와 잔류모래의 중량 시험공에 들어있는 중량 시험공의 체적 흙의 습윤중량 흙의 건조단위중량 No.sadsa No.sadsa No.sadsa Wa Wb Wa Wb Wa Wb Wb Wc Wb Wc Wb Wc Ww Ws Ww Ws Ww Ws No.sadsa 조사지점의 약도 No.sadsa No.sadsa Wa Wb Wa Wb Wa Wb Wb Wc Wb Wc Wb Wc Ww Ws Ww Ws Ww Ws 평균함수비 시험공의 스케치 평균함수비 평균함수비 흙의 습윤단위중량 흙의 건조단위중량 함수비 평균치 최대입경 - 28 - mm 들밀도 시험(모래치환법) -검정용Ⅰ. 용기와 연결부의 체적 검정 측정번호 1 자아와 피코노미터톱에 W2 g 측정기의 중량 W1 g 채워진 물의 중량 W2-W1 채워진 물의 중량 측정기 속의 물의 온도 T 2 3 4 5 g o C o T C에 있어서의 물 1g 당 체적 용기와 피코노미터톱의 체적 K V1 평균치 V1= Ⅱ. 시험용 모래의 단위중량의 검정 측정번호 1 용기와 피코노미터톱에 W3 g 측정기의 중량 W1 g 채워진 모래의 중량 W4=W3-W1 g 시험용 모래의 단위중량 채워진 물의 중량 2 3 4 5 평균치 = Ⅲ. 깔때기를 채우는데 필요한 모래의 중량검정 측정번호 1 측정기와 그 속에 들어 있는 모래의 중량 깔때기를 채우고 모래를 제거, 측 정기에 남아있는 남은 모래의 중량 깔때기를 채우는 데 필요 한 모래의 중량 W3 g W5 g 2 3 4 5 W6=W3-W5 g 평균치 W6= - 29 - g 액성한계시험 1 서론 1.1 개요 세립토는 함수비의 변화에 따라 고체 상태로부터 반고체 상태, 소성 상태 ,액체 상태로 변 화하는데 이때 소성 상태와 액체 상태의 경계가 되는 함수비를 액성한계(liquid limit), w l 라 고 정의한다. 액성한계는 입자의 치수는 물론 흙의 화학성분과 광물성분 입자에 흡착되어 있는 이온 등에 따라 그 값을 달리한다. 액성한계의 값과 동일한 함수비를 가지고 있는 흙은 어떤 흙이든 최소값의 전단강도를 가진다. 따라서 자연함수비가 액성한계를 넘어서면 그 흙의 전단강도 는 거의 무시할 수 있다. 1.2 목적 액성한계는 흙을 공학적으로 분류하는 데 널리 이용되며, 때로는 세립토의 종류를 판별하는 데 활용된다. 이 값들이 설계에 직접 이용되는 경우는 드물지만 , 설계에 사용되는 중요한 계수를 이 값들과 관련시켜 만들어낸 경험공식은 더러 있다. 경험이 많은 기술자는 액성한 계와 소성지수의 값만 알아도 그 흙의 공학적 성질을 대략 추정할 있으므로 이 값들을 실험실에서 정확히 결정하는 것은 대단히 중요한 일이다. 2 이론적 배경 2...
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