토목기사 요약/토질 및 기초/흙의 전단강도

위키배움터
둘러보기로 이동 검색으로 이동

출제 기준[편집]

2019-2021

  • 흙의 파괴이론과 전단강도
  • 흙의 전단특성
  • 전단시험
  • 간극수압계수
  • 응력경로

전단 강도[편집]

♣♣♣01, 03, 07, 10, 13-2, 15-2, 18-3, 19-3

압밀에선 점토층 중앙에서 유효응력을 구하는 문제가 많은데, 전단강도 단원에서는 깊이 몇 미터 점에서 전단강도 구하라고 명시해준다. 헷갈려서 문제 안 읽고 그냥 포화점토층 중앙 깊이 넣어서 계산하지 말자.(07)

  • 사질토가 내부마찰각이 점토보다 크다.(88)

파괴면과 수평면이 이루는 각[편집]

일축압축시험에서 파괴면과 수평면이 이루는 각 (03)

전단강도가 적어지는 경우[편집]

94, 97, 04

포화된 가늘고 느슨한 모래층에 지진 등의 충격이 가해질 때.

  • 액상화 현상

해성 점토(marine clay)가 민물에 씻겨 소금기를 잃었을 때.

  • 리칭현상(leaching)

전단강도가 증가하는 경우[편집]

  • 실트 지반에 모관 현상이 활발할 때 유효응력이 증가하면서 전단강도 증가.(94)
  • 틱소트로피(thixotropy) : 점토에 대해서 성립. 재성형 시료의 강도가 적어지나, 시간이 경과하면서 강도 회복(09, 19-2)

모어 원[편집]

공식은 토목기사 요약/응용역학/재료의 역학적 성질 참고.


98, 09, 19-3

  • 평면 기점(Origin of plane, Op) : 최소 주응력을 나타내는 모어원 상의 점에서 최소 주응력면과 평행한 선이 만나는 점
  • 한 면에 응력이 작용하는 경우 전단력이 0이면 그 연직응력을 주응력으로 가정한다.
  • 최대 주응력면과 최소주응력면은 직교
  • 최대 주응력과 최소 주응력의 차를 축차응력(deviator stress)라 한다.

전단시험 종류[편집]

삼축압축시험 종류[편집]

구분 배수 조건
구속압력 시 축차응력 시
압밀 배수시험(Consolidated Drained Test; CD Test) 배수 배수
압밀 비배수시험(Consolidated Undrained Test; CU Test) 배수 비배수
비압밀 비배수시험(Unconsolidated Undrained Test; UU Test) 비배수 비배수

91, 09, 15-2

  • 압밀배수시험(CD) 적용 경우
    • 성토된 하중에 의해 서서히 압밀이 되고 파괴도 완만하게 일어나 간극수압이 발생되지 않거나 측정이 곤란한 경우. 반드시 해야 됨.
    • 점토 지반의 장기간 안정 검토 시
  • 압밀 비배수 시험(CU) 적용 경우
    • 점토지반을 preloading 공법 등으로 미리 압밀 시킨 후 급격히 재하할 때 안정 검토
  • 시험 적용 경우
    • 포화 점토 지반이 성토 직후 급속히 파괴될 것이 예상되는 경우
  • 비압밀 비배수 전단 시험(UU) 적용 경우
    • 최근 매립된 포화 점성토 지반 위에 구조물을 시공한 직후 초기 안정검토에 필요한 지반 강도정수 결정할 때
    • 성토로 인한 재하속도가 과잉간극수압이 소산되는 속도보다 빠른 경우
    • 포화된 점토지반 위에 급속하게 성토하는 제방의 안정성을 검토할 때
    • 점토지반에 제방을 쌓을 경우 초기안정 해석을 위한 흙의 전단강도를 측정할 때
    • 포화점토지반이 시공 중 함수비의 변화가 없을 것으로 예상될 때

  • 삼축압축시험에서 Vertical Compression Test의 unloading : σ1 일정, σ3 증가 (98)



  • 내부마찰각 비교
    전응력에 의한 내부마찰각이 유효응력에 의한 내부마찰각보다 작다.(99)

점성토의 비배수 전단강도 구하는 시험[편집]

  • 일축압축시험
  • 비압밀비배수 삼축압축시험(UU)
  • 베인 시험

직접전단시험[편집]

모래에 대해서...(13-3, 19-2)

모래 직접전단시험1.png 모래 직접전단시험2.png

압밀 배수시험(CD TEST)[편집]

압밀배수시험의 구속압력 단계에선 체적수축이 일어난다.

압밀 배수시험(Consolidated Drained Test; CD Test)은 첫번째로 구속압력 단계로, 배수밸브를 연 상태로 σ3를 주고 24시간을 기다려야한다. 처음엔 과잉간극수압이 σ3를 받다가 나중이 되면 과잉간극수압이 0이 된다. 즉 물이 모두 빠져나가 흙 입자가 응력을 받을 것이고 압밀과 체적수축이 일어나 σ3' = σ3가 된다. 모래는 훨씬 빨리 압밀이 끝나고 점토는 24시간은 지나야 압밀이 완료된다.

두번째 단계는 축차응력을 주는 단계다. 이때 주의할 점은 과잉간극수압이 발생하지 않도록 아주 천천히 하중을 가해야한다는 것이다. 축차응력 시에도 과잉간극수압이 0이다. 즉 가해준 모든 응력을 흙 입자가 받아야 한다. 전단 파괴가 발생할 때의 최대주응력은

최소주응력은

σ3' = σ3

구속압력을 바꿔가며 실험을 여러번 반복한다.

그래프 이해해서 푸는 문제들 나옴.(06, 13-3, 14-2, 19-2)

CD 시험에서는 가해준 응력을 모두 흙이 받으므로 전단강도를 다음 식으로 쓸 수 있다.

CD TEST 응력경로

97 기출

두 개의 같은 정규압밀점토 시료에 대해 삼축 시험으로 250kN/m2 구속응력으로 압밀시킨 후, 한 시료는 배수상태로 삼축압축시험을 하여 이었고, 다른 한 시료는 비배수상태 삼축압축시험 결과 이었다. 비배수 시험 시료의 파괴 시 과잉간극수압은?


답은 200kN/m2. 흙만이 받는 응력(CD)과 흙과 물이 함께 받는 응력 시험(CU)에서 축차응력의 차이만큼을 물이 받는다는 것을 알고 있느냐 물어보는 문제로, 엄밀히 말하면 문제의 조건이 애매하게 주어져 있다.

  • 분석은 CD 시험과 거의 비슷하여 CD시험 대신 분석을 하는 추세이다. CD시험은 정말 중요한 경우가 아니면 잘 쓰이지 않는다.

압밀 비배수 시험(CU TEST)[편집]

12-3

  1. 구속압력 단계. 배수밸브를 연 상태로 σ3를 주고 24시간을 대기
  2. 처음엔 물이 σ3를 받아 과잉간극수압 발생.
  3. 나중이 되면 과잉간극수압이 0 (물이 모두 빠져나가 흙 입자가 모든 응력을 받음)
  4. 압밀(체적수축) 발생. σ3' = σ3. 모래는 훨씬 빨리, 점토는 24시간 이상 지나야 압밀 완료
  5. 축차응력 단계. 배수밸브를 잠그고 축차응력을 증가시킨다. 과잉간극수압 발생.
  6. 파괴.

참고 자료

  • 이인모. 《토질역학의 원리》 2판. 씨아이알. 

CU TEST 응력경로[편집]

92, 18-2년 기출

어떤 시료에 액압 1kg/cm2을 가해 각 수직변위에 대응하는 수직하중을 측정한 결과가 아래와 같다. 파괴 시 최대 주응력은? (단, 피스톤 지름과 시료 지름은 같고, 시료 단면적 A0 = 20cm2, 길이 L = 14cm)

ΔL (1/100mm) 0 1400 1500 1600 1700
P (kg) 0 49 50 53 51

액압이 뭔지 몰라서 틀렸다. 그리고 무슨 시험을 한 건지 정확히 파악하지 못했다.

액압 = σ3 = 1 kg/cm2

표의 하중에 의해 구하는 응력은 축차응력!! 0일 때 하중이 0이니까 축차응력임.

파괴 시의 최대 주응력을 물었으므로 P의 최댓값과 그에 해당하는 ΔL 사용.

전단시험결과 풀이1.jpg

비압밀 비배수 시험(UU)[편집]

13-2

UU Test.png

cu : 비배수 전단강도

  • 유효응력에 대한 모어원은 단 하나(98)

일축압축강도 시험[편집]

  • 점성토에서 사용
  • 배수조건 시험결과만 얻을 수 있다.(09)
일축압축강도시험.png

일축압축강도 식

95, 12-3

점토라면

19-3

예민비[편집]

19-2 / 실기 17-4

간극수압계수[편집]

등방압밀하중의 경우[편집]

등방압밀하중.png

이때의 과잉간극수압

B : Skempton의 과잉간극수압 B계수. 포화도 S에 따른 함수. S=0이면 B=0(완전건조된 흙은 수압이 있을 수 없다). S=1이면 B=1

일축압축하중의 경우[편집]

일축압축하중.png

이때의 과잉간극수압

A : Skempton의 A계수. 체적 감소 시 +, 체적 증가 시 -
D = B A

삼축압축하중의 경우[편집]

삼축압축하중.png

이때의 과잉간극수압은 등방압밀하중과 일축압축하중의 경우를 합친 것으로 생각한다.

Skempton의 과잉간극수압 공식(암기)

12-3, 14-3, 18-2

  • (압밀 비배수 조건) 포화 점토에서
  • 정규압밀점토 A = 0.7 ~ 1.3
  • 심한 과압밀 점토 A = - 0.5 ~ 0

92

  • 간극수압계수 A가 전단 시 변화하면 유효응력경로는 직선이 되지 않는다.

97

  • 조밀한 모래의 경우 구속응력이 클수록 전단하는 동안에 체적증가가 일어나나, 구속응력이 아주 크면 체적이 감소한다.
  • A계수는 시료의 과압밀 상태를 구분하는 데 유용하게 사용된다.

97 기출

비압밀 비배수 삼축압축 시험 시 최종 전단 파괴 단계에서, 점성토 시료(포화도 80%)에 작용하는 수평 유효응력을 간극수압계수 A, B를 이용해 나타내시오. σc : 구속응력, Δσa : 축차응력이다.


수평 유효응력을 구하는 거였다. UU 시험이라는 건 인지했는데, 포화도 80%라는 게 뭔지, 수평 유효응력을 구하는 건데 과잉간극수압 구하라는 건가 헷갈려서 틀렸다.


09 기출

과잉간극수압 문제1.jpg

지하수위가 지표면과 일치하는 연약지반 위에 양질의 흙으로 매립 성토하였다. 매립 끝난 후 매립 지표로부터 5m 깊이의 과잉간극수압은?


이용.

전부 대입하면

응력 경로, Kf[편집]

  • 응력 경로 : 모어원의 정점들을 연결한 선. 가로 p, 세로 q인 직교좌표계에 그려짐.
삼축압축시험 응력경로. 45도로 그려짐(14-2)
  • Kf 선 : 파괴원의 정점들을 연결한 선. 가로 p, 세로 q인 직교좌표계에 그려짐.

Kf 선과 Mohr-Coulomb 파괴포락선의 관계[편집]

15-1 / 실기 92-3, 95-3

dilatancy[편집]

94, 97, 13-3

  • 정의 : 전단응력에 의해 토질 체적이 증가하는 현상.
  • 조밀한 모래의 경우 발생. 점토에서도 발생.
  • 발생 시작 모래 간극비를 한계간극비라 함.
  • 간극수압
    • 정규압밀점토 : +
    • 과압밀점토 : -

크로스홀 탄성파 탐사[편집]

00 전단파 속도

G : 전단탄성계수
ρ : 흙의 밀도
g : 중력가속도
γ : 흙의 단위중량

점토의 강도증가율[편집]

11, 15-3, 18-3

실내시험에 의한 점토의 강도증가율 산정방법

  • 소성지수에 의한 방법
  • 비배수 전단강도에 의한 방법
  • 압밀 비배수(CU) 삼축 압축 시험에 의한 방법

소성지수를 이용한 비배수 점착력 계산[편집]

13-1 식은 줌.

정규압밀토 지반에서 점토층의 소성지수 IP가 주어졌을 때 비배수 점착력 cu 계산하는 문제.

같이 보기[편집]