흙의강도(전단강도)

목차

(1) 흙의 전단 강도
(가) 점착력
(나) 전단 저항각
(다) 모어-쿨롱의 파괴 기준
(라) 흙의 종류에 따른 전단 강도
(2) 전단 시험
(가) 실내 시험
① 직접 전단 시험(direct shear test)
② 일축 압축 시험(unconfined compression test)
③ 삼축 압축 시험(triaxial compression test)
(나) 현장 시험
① 베인 전단 시험(vane shear test)
② 콘 관입 시험
(3) 흙의 전단 특성
(가) 점토질 흙의 전단 특성
(나) 모래질 흙의 전단 특성

본문내용

한다.
이 방법은 점토 지반이 어느 정도 압밀된 다음 갑작스런 파괴가 예상될 때의 안정 해석에 적용되는데, 지하수위가 갑작스럽게 내려갈 경우에 흙 댐의 안정 문제 등을 그 예로 들 수 있다. 이 시험에서 구한 강도 정수는 Ccu, ψcu로 나타낸다.
㉢ 압밀 배수 시험(consolidated drained test, CD-test) : 시험 전에 시료를 압밀키고, 시험 중에도 서서히 하중을 가하면서 배수를 허용하여 간극 수압이 생기지 않도록 해서 전단한다.
이 방법은 성토나 사면 안정과 관련된 점토 지반의 장기 안정 해석이나 모래 지반의 지지력 등을 조사할 때 적용하며, 이 시험에서 구한 강도 정수는 Cd, ψd로 나타낸다.
(나) 현장 시험
① 베인 전단 시험(vane shear test)
베인 시험은 시료를 채취하지 않고, 주로 현장에서 십자형 날개가 달린 베인을 흙 속에 관입하여 회전시키면서 베인 날개에 의하여 원통형의 전단면이 형성되는 데 필요한 힘, 즉 전단 저항력을 측정하여 연약한 점성토 지반의 원위치 전단 강도를 현장에서 측정할 수 있는 시험이다.
점성토의 전단 강도는 현장에서 채취한 시료를 가지고 실내에서 전단 시험을 하여 구하는 것이 일반적이다. 그러나 연약한 점성토 지반의 경우는 시료 채취나 공시체 성형이 불가능하므로, 실내 시험을 하여 그 지반의 전단 강도를 산정하는 것이 불가능하다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 베인 전단 시험이 고안되었으며, 이 시험은 시료 채취 및 실내 시험에서의 오차를 제거할 수 있다는 이점이 있다.
베인 시험은 비배수 조건의 사면 안정 해석이나 지반의 지지력을 산정하는 데 필요한 자료를 얻을 수 있는 비 배수 강도 시험이다.
② 콘 관입 시험
콘 관입 시험은 로드에 콘 저항체를 부착하고 이를 지반에 삽입하여 회전, 인발 등에 대한 저항력으로부터 전단 강도 및 지지력, 토층의 분포 상태 등을 산정하는 현장 시험이다.
콘 관입 시험에는 크게 정적 콘 관입 시험과 동적 콘 관입 시험의 두 가지가 있는데, 정적 콘 관입 시험은 연약한 점성토 지반에 적합하며, 원형 콘을 일정한 속도로 지반에 압입할 때의 관입 저항력을 구하는 것이고, 동적 콘 관입 시험은 모래나 굳은 점성토 지반에 적합하며, 일정한 중량의 해머를 자유 낙하시켜 콘을 일정한 깊이까지 관입시키는 데 필요한 저항력을 구한다.
(4) 흙의 전단 특성
(가) 점토질 흙의 전단 특성
① 교란의 영향
자연 상태의 흐트러지지 않은 점토를 함수비의 변화 없이 시험하고, 또한 흐트러뜨려 다시 성형하여 흙의 일축 압축 시험을 해 보자. 이 두 경우의 결과를 비교하면, 교란된 점토는 자연 그대로에 비해 압축 응력이 현저하게 떨어짐을 알 수 있다. 이 때, 그 정도를 예민비(sensitivity rato, St)로 나타낸다는 것을 앞에서 이미 공부하였다.
대부분의 점토에서는 예민비가 2～4 정도이고, 예민한 점토의 경우는 예민비가 4～8 정도이며, 매우 예민한 점토에서는 8 이상이다. 또한, 불안정한 점토(quick clay)의 예민비는 16을 넘기도 하며, 어떤 흙은 예민비가 100에 달하는 것도 있다.
② 배수 조건과 선행 압밀 하중(pc)의 영향
포화 상태의 점토는 투수성이 낮기 때문에 하중이 작용해도 물의 배출이 잘 되지 않아, 과잉 간극 수압이 소산되는 데는 많은 시간이 필요하다. 따라서, 점토의 전단 강도는 배수 조건과 선행 압밀 하중의 크기에 영향을 받게 된다.
위 그림에서와 같이, 압밀 배수 조건에 의한 것은 점토 시료에 압밀 하중을 가해 시료의 압밀이 끝난 다음 흙 속의 간극수가 자유로이 배출되도록 천천히 전단력을 가한다. 이 경우, 간극 수압의 증가는 일어나지 않고, 수직 응력이 큰 만큼 점토의 간극은 작아지고 함수비도 저하하기 때문에, 점토의 전단 강도는 증가한다.
수직 응력과 전단 강도와의 관계는 위의 그림과 같고, 선행 압밀 하중 pc보다 작은 수직 응력에서의 전단 강도는 쿨롱의 식으로 나타낸 값보다 커진다.
s = c + σtanψd (kgf/㎠)
③ 압밀 비배수 조건의 영향
압밀 비배수 조건으로 시험을 하면 전단력을 가할 때 간극수의 배출이 안 되는 상태에서 전단하기 때문에, 과잉 간극 수압이 발생한다.
수직 응력과 전단 강도와의 관계는 앞의 그림과 같고, 선행 압밀 하중 pc보다 작은 수직응력에서 파괴 포락선은 곡선이 된다.
s = c + σtanψcu (kgf/㎠)
④ 비 압밀 비 배수 조건의 영향
이 방법은 시료를 채취한 현 지반에서의 강도를 구하기 위하여 행한다. 동일 지점, 동일 깊이에서의 시료에 대한 시험에서 전단 강도는 수직 응력에 관계 없이 일정한 값을 가진다.
s = cu(kgf/㎠)
여기서, ψu는 0이 된다.
(나) 모래질 흙의 전단 특성
건조한 모래의 전단 강도는 c=0이 되므로 다음과 같이 나타낸다.
s = σtanψ (kgf/㎠)
위의 식은 모래의 전단 강도가 수직 응력과 전단 저항각의 크기에 따라 결정되는 것을 나타내고 있다.
전단 저항각 ψ는 모래를 다져 넣은 정도와 입도에 따라 달라지는데, 조밀하게 다져 넣으면 전단 저항각이 커지고, 느슨한 경우는 전단 저항각이 작아진다.
모래의 직접 전단 시험에서, 같은 수직 응력에 대해 조밀한 경우와 느슨한 경우의 전단 응력-수평 변위 곡선은 그 양상이 달라지는데 위의 그림과 같이 조밀한 경우는 극대값이 나타나고, 느슨한 경우는 극대값이 없는 상태에서 전단 응력과 수평 변위도 증가한다.
또 부피 변화와 변형의 관계에서도 위의 그림과 같이 조밀한 경우는 전단되는 과정에서 어느 정도까지 부피가 감소하다가 다시 부피가 증가하고, 느슨한 경우는 부피가 감소함을 알 수 있다. 그 이유를 살펴보면 다음과 같다.
느슨한 상태의 사질토에 전단 변형이 일어나면 입자와 입자가 서로 미끄러지면서 빈 공간을 채우게 되어, 입자와 입자가 전단 변형 전보다 더 가깝게 재배열되므로 결국 부피가 감소하게 된다.
조밀한 사질토의 경우는 본래 입자들이 가깝게 배열되어 있으므로, 초기의 얼마간은 느슨한 사질토처럼 부피가 감소하지만, 그 후 전단 변형이 더 커지면 입자가 입자 위로 오라가게 되어 결국 부피가 증가한다.

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