2.5 아터버그한계(atterberg limits) -...

지반지질공학 및 실습 강의노트

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2.5 아터버그한계(Atterberg limits)

2.5.1 개요

그림 2-10 흡착수와 자유수

그림 2-11 점토입자와 모래입자의 접촉

그림 2-12 상태변화와 아터버그한계

(1) 함수비를 기준으로 네 가지 흙 거동 상태: 고체, 반고체, 소성, 액성상태

(2) 아터버그한계: 세립토의 연경도(consistency)를 표시하는 방법, 세립분에 포함된 점토광물의 종류와 양을 암시해 주는 기능 (점토의 활성도)


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가. 수축한계(shrinkage limit, SL, ws): 고체상태로부터 반고체상태로 변할 때의 함수비나. 소성한계(plastic limit, PL, wp): 반고체상태로부터 소성상태로 변할 때의 함수비다. 액성한계(liquid limit, LL, wl): 소성상태로부터 액체상태로 변할 때의 함수비

2.5.2 액성한계

(1) Casagrande 기구를 이용하는 시험방법

가. 40번 체 통과한 흙 이용 --> 10mm 높이에서 낙하 --> 홈 밑부분이 12.7mm 정도 맞닿을 때의 낙하회수 와 함수비나. 유동곡선: 함수비와 낙하회수와의 관계 곡선다. 액성한계: 낙하회수가 25일 때의 함수비 라. 흙속의 점토광물의 종류와 양에 영향: 점토 함유량이 많을수록 유기질 함유량이 증가할수록 커짐

그림 2-13 액성한계 시험


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마. 일점법에 의한 액성한계 계산 (N : 20 ～ 30)

tan

N: 홈이 12.7mm 맞닿을 때의 낙하회수wn: 낙하회수 N에 해당하는 함수비tanβ: 0.121

(2) 콘관입기(cone penetrometer or fall-cone)를 이용하는 시험방법

그림 2-14 콘관입기

가. 직경 55mm, 높이 40mm의 캔속에 시료를 넣고 그 위에 선단각 30o, 무게 80g인 콘관입기를 올려놓은 후 5초 동안의 관입량을 측정하는 시험나. 액성한계: 몇 경우의 시료의 함수비에 대한 결과를 반대수용지에 그려 관입량이 20mm가 될 때의 함수비

2.5.3 소성한계

그림2-15 소성한계 시험


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(1) 직경 40번 체 통과한 흙 15g 이용하여 지름 3mm 막대모양 둥근 봉을 손바닥으로 굴러 막대가 끊어진 상태 의 함수비

(2) 소성지수(plastic index, PL): 액성한계와 소성한계의 차

(3) 비소성(non plastic, NP): 소성한계가 액성한계보다 큰 경우

(4) 액성지수 (liguidity index, LI) : 자연상태 점토의 상대적인 연경도

w: 자연상태 흙의 함수비

(5) 연경지수(consistency index, CI):

2.5.4 수축한계

(1) 부피변화가 일어나지 않을 때의 함수비(2) 흙이 포화상태에서 불포화상태로 이동하는 점(3) 수축한계

×

w: 젖은 흙의 함수비V1: 젖은 흙의 부피V2: 마른 흙의 부피W2: 마른 흙의 무게

(4) 수축지수(shirinkage index, SI): 소성한계와 수축한계의 차

2.5.5 소성도 (plasticity chart)

(1) 액성한계와 소성지수의 관계를 이용하여 점성토의 분류, 강도, 압축성 등의 공학적 성질 추정(Casagrande, 1932 제안)

(2) A선 : PI = 0.73(LL - 20), 무기질 실트 (inorganic silt, A선 아래)와 무기질 점토 (inorganic clay, A선 위)를 구분하는 선


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(3) U선: PI = 0.9(LL - 8), 액성한계와 소성지수 관계의 상한선

그림 2-16 소성도

2.6 흙의 구조

2.6.1 개요

(1) 흙의 구조(Soil structure): 흙을 구성하는 흙입자들의 배열상태(2) 흙의 구조에 영향을 미치는 요소: 흙입자들의 모양, 크기, 광물학적 성분, 흙속의 물의 특성과 성분

2.6.2 점토광물의 기본구조

(1) 점토광물의 3가지 주요 형태- 카오리나이트(kaolinite): 규소판(silica sheet)과 알루미늄판(gibbsite)으로 이루어진 2층구조, 점토광물의 풍화로 형성, 매우 안정된 구조, 물의 침투 억제하고 물로 포화되더라도 팽창하지 않음(결속력: 카오리나이트 > 일라이트 > 몬트모릴로나이트)- 일라이트(illite): 두 개의 규소판 사이에 알루미늄판이 결합된 3층구조로 그 사이에 칼륨이온이 결속 역할, 물을 가하면 약간 팽창- 몬트모릴로나이트(montmorillonite): 일라이트와 같은 3층 구조로 그 사이에 물이나 양이온이 결속 역할, 결합력이 매우 약함, 매우 불안정한 구조, 물을 흡수하면 크게 팽창하고 건조하면 수축과 균열 발생, 몬트모릴로나이트의 일종인 벤토나이트(bentonite)는 물 흡수 시 팽창하는 성질을 이용하여 그라우팅(grouting)재료로 활용(2) 점토광물의 기본구조: 규소사면체(silica tetrahedron), 알루미늄팔면체(aluminium octahedraon)


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그림 2-17 점토광물의 기본구조

2.6.3 점토광물

그림 2-18 주요 점토광물의 구조

2.6.4 점성토의 구조

(1) 점토입자에 작용하는 힘: 반발력 과 인력이 있음가. 이산구조(dispersed structure, 배향구조, oriented structure): 모든 입자가 떨어져 있는 구조 ⇒ 반발력 때문나. 면모구조(flocculent structure): 입자가 붙어서 생성된 구조 ⇒ 인력 때문다. 염분의 영향: 염분은 이중층수의 두께를 감소시킴 ⇒ 강한 면모화 구조가 됨, 왜냐하면 반발력감소로 면과 모서리 접합 + 면대면의 인력도 강해짐 라. 클러스터(cluster): 점토입자들이 모여서 생긴 작은 군마. 점토입자 사이에 인력이 우세하면 면모구조가 되고, 반발력이 우세하면 이산구조가 됨, 면모구조를 갖는 점토는 이산구조에 비해 간극비가 크고 가벼움, 바다에서 형성된 침전물은 면모구조가 우세하고 담수에서 형성된 침전물은 이산구조와 면모구조의 중간


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그림 2-19 점성토의 구조

2.6.5 비점성토의 구조

(1) 단립구조(낱알구조, single-grained structure)가. 흙입자들이 안정된 상태에 있음 나. 흙입자의 모양, 분포, 입자의 상대적인 위치 등이 밀도에 영향을 주므로 간극비에 영향을 미침

(2) 봉소구조(벌집구조, honey-combined structure)가. 비교적 가는 모래와 실트의 연쇄적인 배열로 작은 고리형태를 이룸나. 흙의 간극비가 크며, 작은 정적하중에는 견디지만 큰 하중이나 충격하중에 의한 구조의 파괴로 커다란 침하 발생

2.7 비표면적과 활성도

2.7.1 비표면적 (specific surface)

(1) 물질의 표면적을 질량으로 나눈 값(2) 비표면적은 입자 크기에 반비례(3) 질량

표면적비표면적 입자크기

(4) 비표면적의 크기kaolinite(15m2/g) < illite(80m2/g) < montmorillonite(800m2/g)


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주요 점토광물의 두께, 직경, 비표면적

점토광물 두께 범위(×10-6 mm)

직경 범위(×10-6 mm)

비표면적(m2/g)

montmorillonite 3 100~1,000 800illite 30 10,000 80chlorite 30 10,000 80kaolinite 50~2,000 300~4,000 15

2.7.2 활성도 (activity)

(1) 활성도- 다른 물질을 흡착하거나 물리적, 화학적으로 결합하려는 성질의 크기- 흙입자의 크기가 작을수록 비표면적이 커져 물을 많이 흡수하므로 흙의 활성은 점토에서 뚜렷하게 나타남

(2) Skempton (1953) : 소성지수 PI와 점토비율 사이 관계의 직선의 기울기 A 보다 작은 입자 점토입자 의 중량백분율

(3) 점토의 팽창 가능성 지표

(4) 활성도 크기kaolinite (0.5, 비활성 점토) < illite (0.5-1, 보통 점토) < Ca-montmorillonite (1.5, 활성 점토) < Na-montmorillonite (4-7, 활성 점토)

점토광물의 활성도점토광물 활성도(A)

kaolinite 0.5halloysite(2H2O) 0.5halloysite(4H2O) 0.1illite 0.5~1.0Ca-montmorillonite 1.5Na-montmorillonite 4.0~7.0

2.7.3 비화작용 (slaking)


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- 건조한 고체상태의 점토에 물을 가하면 점토입자 사이의 결합력이 약해져 점토가 붕괴되는 현상

2.7.4 팽창작용 (bulking)

- 건조한 사질토에 물을 가하면 흙의 부피가 팽창하는 현상- 흙입자 간극 사이에 물이 들어가 표면장력이 발생해서 흙입자 사이를 벌려 부피가 일시적으로 늘어남

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