흙의 전단시험

흙의 전단시험

□ 전단시험의 목적

① 흙의 강도정수( C, ψ)를 측정하여 전단강도를 구한다.

② 전단조건(함수비, 밀도, 배수조건, 교란정도)변화에 따른 강도정수의 변화를 측정

③ 파괴상태까지 응력과 변형의 관계를 비교 검토한다.

 

□ 전단시험의 종류

구분	종류	측정
실내시험	직접전단시험	점착력, 내부마찰각
	일축압축시험	일축압축강도, 예민비, 흙의 변형 계수
	3축압축시험	점착력, 내부마찰각, 간극 수압
현장시험	베인전단시험	연약지반의 점착력
	원추관입시험	콘지지력
	표준관입시험	N치

 

 

1. 직접전단시험(Direct shear test)

 

(1) 직접전단시험이 개념

사질토에 적용하며, 원통형이나 입방체형의 시료를 정지시키고 다른 부분을 평행 이동시켜전단강도를 측정하는 방법,

① 상하로 나뉘는 전단 상자에 시료(공시체: ø 6cm, H=2cm)를 넣고 시료 위에서 수직 하중을 재하한 다음 위아래 상자에 수평한 힘을 반대방향으로 가하여 그 때 흙에 생기는 전단 저항력을 측정하는 시험.

② 전단강도(τ, 종축)에 대응하는 수직응력(σ, 횡축)을 plot한 점들을 연결하는 직선을 작도할 때 절편은 점착력(C)이고 기울기는 내부마찰각(ø)이다.

 

(2) 전단시험의 응력

① 수직응력 :

② 1면 전단 시험: τ = 

  (2면 전단일 경우 A→2A로....)

┌ σ: 수직응력(kg/㎠)
│ P: 수직하중(kg)
│ A: 시료의 단면적(㎠)
│ τ: 전단응력(kg/㎠)
└ S: 최대 전단력(kg)

 

(3) 직접전단시험의 장단점

[장점]

① 시험기 조작 및 공시체 제작이 비교적 간단함

② 시험 과정에서 개인차가 비교적 적음

③ 중간 주응력(σ)의 영향이 실제와 같게 작용함

[단점]

① 전단시험 중 주응력의 방향이 시시각각으로 변함

② 완벽한 비배수 전단 시험을 실시하기 어려움

③ 전단 중의 유효 응력의 변화를 알 수 없음

 

2. 일축압축시험

(1) 1축압축시험(Unconfined compression test)의 개념

외부의 σ3 = 0인 상태에서 축방향으로 압축하여 흙을 파괴시키는 시험, 즉 외부의 영향 없이 한 방향으로 힘을 가해 전단시키는 방법

(2) 일축압축시험의 특징

① 내부마찰각(φ)이 작은 점성토에 주로 적용하며 점성토 지반에서 상당히 편리한 시험이다.

② 비배수 비압밀 전단시험(UU - Test)에서 σ=0인 상태의 삼축압축시험과 같다.
    전단시 배수 조건이 UU인 조건에만 적용이 가능하다.

③ 점성토의 일축압축강도(qu), 예민비, E50을 알기 위해 실험이다.
    변형률이 15%가 넘어도 파괴가 안 될 때에는 15%일 때의 강도를 qu로 한다.

(3) 최대 주응력면과 파괴면이 이루는 각

  

   ∴ 내부마찰각 :

 

(4) 일축압축강도((qu)
    

 ∴ ø=0°이면,  

=2c (이때 점착력 c는 일축압축강도의 1/2배이다.)

     - 점착력(C)는 위 식을 바탕으로 푼다.

 

(5) 점성토의 N치와 일축압축강도

    

cf) 일축압축강도시험

시료는 흙에 국한되지 않으며 시험편 역시 원주형에 제한되지 않는다.

(1) 압축강도 : 압축 시험에 의하여 압축 시험편이 파괴를 일으킬 때의 응력

(2) 주요공식
┌ Sc : 압축 강도(Kg/m2)
│ St : 인장 강도(Kg/m2)
│ Ss : 전단 강도(Kg/m2)
│ Pc : 시험편이 파괴를 일으켰을 때의 하중
└ A : 시험편의 단면적 ┬ 사각형 : 가로×세로
                            └ 봉 : πr2

 

3. 삼축압축시험(Triaxial compression test)

 

(1) 3축압축시험의 개념
    전단강도를 측정하는 방법으로서 시료를 얇게 고무막으로 싸서 구속압력(σ3)을 가한 후 축차응력(σ1 -σ3)을 가해 전단시키는 방법
① 중요 구조물의 기초 지반 시험시 현장 조건과 가장 비슷한 상태에서 강도 정수를 얻기 위한 시험
② 지반의 구속압력(σ3)을 재현하고 주어진 구속 압력하에서 수직방향의 하중(σ1 -σ3)을 재현하여 전단강도를 측정할 수 있음.

(2) 삼축압축시험의 결과

① 최대 주응력면과 파괴면이 이루는 각
   

② 최소 주응력면과 파괴면이 이루는 각
   

③ 최대 주응력

σ1 = 축차응력 + 최소 주응력 = (σ1 -σ3) + σ3

④ 축차응력

 

4. 배수조건에 따른 시험방법의 종류

(1) 비압밀 비배수시험(UU Test, Unconsolidated undrained test)
    성토직후 파괴가 예상되는 경우에 사용, 사전에 압밀을 시키지 않고 시험 중에도 간극수를 배출시키지 않은 상태로 시료를 파괴시키는 방법

① 연약한 점토 위에 급속히 성토할 때

② 포화 점토가 성토 직후 급속한 파괴가 예상될 때

③ 점토의 단기간 안정 검토시

④ 포화 점토 지반이 시공 중 압밀이나 함수비의 변화가 없고, 체적의 변화가 없다고 판단될 때

⑤ 전단시 공극수의 출입을 허용하지 않을 때

⑥ 강도 정수는 

로 나타낸다.

 

(2) 압밀 비배수시험(CU Test, Consolidated undrained test)
    압밀된 후 갑자기 파괴가 예상되는 경우에 사용, 시료에 구속 압력을 가하고 간극 수압이 0이 될 때까지 압밀시킨 다음 전단시험 중에는 비배수상태로 전단시키는 방법

① Pre-loading 후 (압밀 진행 후) 갑자기 파괴가 예상 될 때

② 제방, 흙댐에서 수위가 급강하할 때 안정 검토시

③ 점토 지반이 어느 정도 압밀 후 급속히 파괴가 예상될 때

 

(3) 압밀 배수시험(CD Test, Consolidated drained test)
    서서히 압밀되고 파괴가 완만히 진행될 때 사용, 시험 전에 시료를 압밀시키고 시험 중에도 서서히 하중을 가하면서 배수를 허용하여 간극 수압이 생기지 않도록 전단하는 방법

① 점토 지반의 장기간 안정 검토시

② 압밀이 서서히 진행되고 파괴도 완만하게 진행될 때

③ 간극 수압이 발생되지 않거나 측정이 곤란할 때

④ 전단 전에 압밀시킨 후 전단시 배수를 허용

 

(4) 간극수압을 측정한 압밀비배수시험(

)
    시료를 압밀한후 간극수압 U를 측정하면서 값을 측정

① 간극 수압의 측정 결과를 이용하여 유효 응력으로 강도정수( )를 결정하는 경우

② 포화 점토 지반이 성토 직후에 급속히 파괴될 것이 예상되는 경우