토질시험의 종류 및 특징 - 비중, 함수량, 액성한계 등

토목을 하면서 현장에서 제일 중요한것은 어떤 흙인지를 파악하고 그에 따라서 설계하고 시공하는 것입니다. 이번에는  토질시험의 분류에 대해서 알아보겠습니다. 

1. 일반사항

토질 시험은 공사 착수전 지반에 대한 Data를 얻기 위한 것으로 현장에서 채취한 시료를 대상으로 행하는 시험입니다.

2. 토질시험의 분류

1) 물리적 시험 : 토사 물질 고유의 성질을 알아보고자 하는 시험입니다. 흙은 기본적으로 토립자, 수분, 공기의 3상체제로 이루어졌습니다. 이 흙은 물을 머금게 되면 액성상태가 되기도 하고 소성상태가 되기도 하고 고체상태가 되기도 합니다. 흙의 비중, 함수량, 입도, 액성/ 소성/ 수축 한계 그리고 입자크기를 알아보는 #200체 통과시험, 밀도시험이 있습니다.

2) 역학적 시험 : 흙의 역학적 성질을 파악하는 시험으로 물이 흙속에서 얼마나 잘 움직일수 있냐를 살피는 투수시험이나 흙을 압축하였을때 그리고 압밀하였을때 간극수가 빠져나가거나 공기가 빠져 나가는 시험을 하기도 합니다. 또한 일번 힘 이상에서 전단 파괴가 일어나는 직접전단시험도 있습니다.

3) 지지력 시험 : 흙이 기초로써 상부구조물에 대하여 얼마나 그리고 얼만큼 지지 할수 있는지를 테스트하는 시험입니다. 지지력 시험을 통하여 상부구족물 지지에 안정성을 판단하고 설계를 할수 있습니다.

3. 물리적시험

1) 비중시험 : 흙의 비중이란 4도씨에서 증류수의 단위중량에 대한 흙입자의 단위중량과의 비로 정의됩니다. 따라서 흙의 비중은 그 흙을 조성하는 광물질의 단위중량과 관계가 됩니다. 비중시험을 하는 목적은 흙의 기본적인 성질인 간극 e과 포화도를 구하기 위해서 합니다. 또한 흙의 다짐의 정도와 유기질흙에 잇어서 유기물햠량을 파악할수도 있습니다.

2) 함수량 시험 : 흙의 성질 파악에 있어서 함수량을 구하기 위해서 수행됩니다. 토사의 3상체계에서 수분의 양이 많고 적음에 따라서 그성질이 크게 변합니다. 따라서 흙에 포함되어 있는 수분을 정량적으로 알고 이에 대한 토사의 공학적 성질을 판단할수 있는겁니다. 이 시험을 통해서 함수비를 구하고 그 함수비를 통해서 흙의 단위 중량을 구할수 있습니다.

3) 입도시험 : 입도시험을 통해서 흙의 입경과 분포를 알면 그 흙을 공학적으로 성질이 비슷한 토군으로 분류할수 있습니다. 흙은 토목재룔로 사용하는 구조물 즉 흙댐이나 하천제방, 도로 또는 비행장의 포장 단면의 축조재료 등은 흙입자의 크기와 그 분포가 중요합니다. 체분석은 네모로 된 눈금을 가진 적절한 크기의 체를 체눈금 크기의 순서로 포갠 다음 흙을 부어 넣고 흔들어 주어진 눈금의 체를 통과한 흙의 중량을 구해 흙입자의 크기와 분포를 알아냅니다. 입도를 구한다음 조립토의 판별분류 및 흙의 공학정 성질을 파악할수 있습니다.

4) 액성/소성/수축 한계 시험 : 세립토는 함수비의 변화에 따라 고체상태로부터 반고체, 소성 상태, 액체 상태로 변화하는데 이때 소성 상태와 액체 상태의 경계가 되는 함수비를 액성한계라고 정의합니다. 액성한계는 입자의 치수는 물론 흙의 화확성분과 광문성분 입자에 흡착외어 있는 이온 등에 따라 그 값을 달리합니다. 액성한계의 값과 동일한 함수비를 가지고 잇는 흙은 어떤 흙이든 최값의 전단강도를 가지게 됩니다. 따라서 자연함수비가 액성한계를 넘어서면 그 흙의 전단강도는 거의 무시할 수 있습니다.

4. 역학적 시험

1) 투수시험 : 흙의 투수성은 흙댐과 하천제방, 간척제방의 제체와 기촌지반중 투수 또는 지하수위 이하에 설치된 구조물에 미치는 양압력을 알아내어 제체와 배수공등을 설계 시공하는데 필요합니다. 흙의 투수성은 투수계수의 대소로 표현되는데요 흙의 투수계수를 측정하는 방법에는 실내투수시험법과 현장 투수시험법이 있습니다. 사질토의 경우는 정수위법 점성토의 경우는 변수위법이 해당됩니다.

2) 압밀시험 : 모든 흙은 압축성이 잇습니다. 흙이 하중을 받으면 체적이 감소합니다. 이때 토체를 이루고 있는 세가지 요소 즉, 흙입자, 물, 공기중에서 흙입자와 물은 비압축성이므로 결국 토체의 체적감소는 흙입자 사이의 간극을 차지하고 잇는 공기가 압축되거나 물에 용해되어 간극속에서 물이 빠져 나가기 때문입니다. 흙이 완전 포화되어 있으면 압축은 유동성인 물이 빠져나가서 발생하는데요 이때 압축속도는 간극 속의 물이 빠져 나가는 속도에 달려 있으며 오랜 시간에 걸쳐 흙 속으로부터 물이 빠져나가면서 지반이 압축되는 현상을 압밀이라고 합니다. 압밀현상을 실내에서 시험적으로 구하는 시험을 압밀시험이며 이 방법은 Terzaghi의 1차 압밀이론에 근거를 두고 있습니다.

3) 직접전단시험 : 흙 공시체에 여러가지 크기의 수직응력을 주어 가면서 전단응력을 가해서 어느 정해진 면에서 전단파괴를 발생시킵니다. 그때의 수직응력과 전단응력에 관한 Coulomb의 법칙에 의해 흙의 내부마찰각과 전단력(C)를 구할수 있습니다.

4) 일축압축시험:  점착력이 있는 시료를 원추형 공시체로  만들어 측압을 받지 않는 상태로 축하중을 가하여 전단파괴시켜서 시료의 전단강도를 결정하는 방법입니다. 점착력이 없는 흙은 성형이 않기에 일축압축시험을 수행할수 있습니다. 대체로 흙의 젊착력은 파괴면의 형태에 영향을 미치지 않으므로 파괴면의 각도를 재어서 흙의 전단저항각을 결정할수 있습니다.

5) 삼축압축시험 : 삼축압축시험은 가장 널리 이용되는 흙의 전단강도를 구하는 시험으로 모든 종류의 흙에 대해 적합하며, 응력조건과 배수조건을 임의로 조절할수 잇어서 현장지반의 구속압력이나 압밀압력을 재현할수 잇기 때문에 신뢰도가 큰 시험결과ㅐ를 얻을수 있습니다. 시료를 고무막으로 싸서 압력실안에 설치하여 수압으로 구속압력을 가할수 있고 시료와 셀의 압력을 다르게 하여 시료를 전단시키며 간극수를 배수할수 있어서 재하중에 체적의 변화뿐만아니라 간극수압을 측정할수 잇습니다. 또한 Back Pressure를 가해 시료를 완전포화된 상태서 시험할수도 있습니다. 시험의 목적은 직접전단시험이나 일축압축시험과 마찬가지로 흙을 전단파괴시켜 그 흙의 강도정수를 구하는 것이 목적입니다. 

5. 지지력 시험

1) 다짐시험 : 다짐시험을 통해서 흙의 닺딤정도를 파악할수 있습니다. 이는 흙의 단위중량이 증가하고 전단강도가 증가하며 또한 투수계수와 압축성이 감소됩니다.