안녕하세요, 꾸공남입니다.
오늘은 점성토의 소성과 구조_액성한계, 소성한계, 수축한계.. ETC에 대해 알아보겠습니다.
1. 흙의 4가지 기본 상태
점성토는 어느 정도의 함수비를 유지하면 부서지지 않고 재성형 될 수 있습니다.
이러한 점착성은 점토 입자 주위에 있는 흡착수 때문인데요.
Atterberg가 발견한 함수비 변화에 따른 점토(세립토)의 연경도를 설명할 수 있는 방법을 “Atterberg limit”, “애터버그 한계”라고 합니다.
흙은 함수비가 매우 낮을 때 고체처럼 거동하며, 함수비가 매우 높으면 흙과 물은 액체처럼 흐르게 됩니다.
이렇게 함수비에 따라 흙은 고체 / 반고체 / 소성 / 액성 상태로 4가지 기본 상태로 나뉘게 됩니다.
그렇게 나뉘어지는 기준을 설정한 것이 애터버그 한계 (Atterberg Limit) 입니다.
2. Atterberg Limit
2-1. 수축한계 (Shrinkage limit)
고체상태에서 반고체상태로 변환되는 점에서의 함수비
2-2. 소성한계 (Plastic limit)
반고체상태에서 소성상태로 변환되는 점에서의 함수비
2-3. 액성한계 (Lquid limit)
소성상태에서 액성상태로 변환되는 점에서의 함수비
3. 액성한계(Lquid Limit) 도출 방법
(1) 액성한계 시험기를 통할 시 (일점법 / One-point method)
액성한계 (Liquid Limit, LL) : 25회 낙하했을 때 홈의 바닥이 12.7mm 맞붙었을 때 함수비로 정함.
여기서 실험결과를 바탕으로 유동지수 I_F를 나타낼 수 있으며 다음과 같습니다.
수백 회의 액성한계시험 결과를 분석한 경험식으로 다음과 같이 액성한계(LL, Liquid Limit)를 구할 수 있습니다.
(2) 콘 낙하시험법 (fall cone method)
액성한계 (Liquid Limit, LL) : 콘 두부의 각 30도, 중량 0.78N인 표준 콘을 5초동안 20mm 관입 때 함수비
= 콘 관입 d=20mm 에 대응하는 함수비
유동지수 I_FC는 다음과 같이 정의됩니다.
4. 소성한계(Plastic Limit, PL) 도출 방법
(1) 정의
반죽된 흙을 직경이 2.3mm 인 실모양으로 굴려서 부서질 때의 함수비 백분율
흙의 소성 단계의 최소한계
(2) 시험 방법
2가지 방법이 있습니다.
- 흙을 유리판 위에 놓고 손바닥을 사용하여 반복적으로 굴려서 수행
(손바닥으로 굴리면서 수분이 날아가기 때문입니다)
- 액성한계와 마찬가지로 콘 낙하시험법을 통해 도출
: 중량이 2.35N인 원추형 콘을 낙하시켜 관입깊이 d=20mm 의 콘 관입에 대응하는 함수비
콘 관입시험으로 액성한계와 소성한계를 표현하면 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
(3) 소성지수 (Plasticity index, PI)
액성한계와 소성한계의 차이로 정의됩니다.
PI 지수가 낮을수록 액성한계와 소성한계의 차이가 크고 “낮은 소성”을 나타낸다고 할 수 있다.
* 쉽게 생각하면, 흙은 물이 없으면 고체고, 물이 많으면 액체의 성질을 띌 수 밖에 없습니다.
때문에 최소 “고체상태” 최대 “액체상태”로 정해져 있습니다.
반고체 상태를 나타내는 소성한계 (PL)가 액체상태를 나타내는 “액성한계”와 차이가 나지 않는다
= 고체 ~ (반고체) ~ 액체 의 간격이 짧다
= “낮은” 소성을 가진다
5. 수축한계 (Shrinkage Limit, SL)
(1) 정의
흙의 수분이 점점 없어지다가 수분의 감소가 더 이상 체적 변화에 영향을 미치지 않을 때의 함수비
* 수분이 흙 입자 사이사이에 있다면 수분이 증발해도 고체의 부피는 같겠죠.
(2) 도출 방법
직경이 44mm 이고 높이가 12.7mm 인 증발 접시를 이용하여 실험실에서 실시함
다음의 그림과 함께 아래의 설명을 참고해 주세요!
① 젖은 흙을 접시에 가득 채운 후 (V1) 질량을 기록 (M1) ->ω1
* 현재 M1 = 흙 + 수분의 질량 = (Ms + Mw) / Ma=기체이기 때문에 0
② 건조로에 넣고 건조시킨 후 줄어든 상태의 흙 체적 (V’) 과 줄어든 상태의 흙 질량을 기록 (M2)
* 현재 M2 = 흙 질량 (수분 X) = Ms
따라서, 수축한계 (Shrinkage Limit, SL)은,
* M2= 흙 질량 = Ms,
V1= “젖은 흙”으로써 Saturation Vw/Vv=1 인 상태로, Va=0, V=Vs+Vw로 생각할 수 있기 때문에, 아래와 같은 식이 도출되기 때문입니다.
따라서, 수축한계(SL)은 아래와 같이 표현됩니다.
(3) 수축비 (Shrinkage Ratio, SR)
수축한계시험으로부터 계산할 수 있는 또 다른 계수로서, 수축비 (Shrinkage Ratio, SR)가 있습니다.
수축비 = 함수비 변화에 대응하는 건조된 흙의 질량 변화에 대한 백분율로서 흙의 체적 변화의 비
* 라고 되어 있지만, 쉽게 이해하면, “체적 변화의 비” / “질량 변화의 비” 라고 생각할 수 있습니다.
ΔV = V1-V’, ΔM=M2-M1
이는 아래의 과정을 거치면 흙의 비중인 Gs 와도 연관이 있음을 알 수 있습니다.
* 풀이했으니 따라가보세요!
* M2=Ms, V1=Vs+Vw (완전포화, Saturation=Vw/Vv=1), M1=Ms+Mw (Ma=0, 기체 무게 0)
* V’=Vs+Va (건조시켰고 기체를 없앴다는 말은 없으니까요)
* 흙의 비중에 대한 설명은 아래의 링크를 확인해주시기 바랍니다.
수축한계 값의 크기에 대해 논리적으로 설명해보면,
수축한계가 작다 = 고체상태로 돌아갈 때의 함수비가 작다 = 같은 체적에 비해 더 많이 수축할 수 있다
라고 설명할 수 있습니다.
6. 액성지수와 연경지수
6-1. 액성지수 (Liquidity Index, LI)
자연상태에서 점성토의 상대적인 연경도는 액성지수 (Liquidity index, LI)로서 정의할 수 있습니다.
- 예민한 점토에 대한 현장함수비는 액성한계보다 클 수 있습니다. (LI>1)
이러한 흙은 재성형하면 액체처럼 흐를 수 있겠죠.
* 물이 너무 많은 것이니까요!
- 심하게 과압밀된 지층은 소성한계보다 작은 함수비를 가질 수 있습니다. (LI<0)
6-2. 연경지수 (Consistency Index, CI)
만약 ω=LL 이면 CI=0 으로 연경지수가 낮은 것에 속하겠죠.
오늘은 이렇게 흙의 소성과 구조, 즉 애터버그 한계에 대해서 알아보았습니다.
액성한계, 소성한계, 수축한계 모두 처음에 잘 이해 못했던.. 기억이 있네요.
다음 번에 또 다른 지식을 가지고 오겠습니다.
감사합니다!