본문내용
1. 토질의 종류와 성질
1.1. 토질의 기본적인 성질
1.1.1. 공극비와 공극률
공극비(void ratio)는 흙 속 고체성분의 용적에 대한 공극의 용적의 비율이며, 일반적으로 10진법으로 나타낸다. 흙의 전체 용적에 대한 공극의 용적의 백분율을 공극률(porosity)이라고 한다. 공극비와 공극률의 관계는 다음과 같다.
공극비 e는 고체성분의 용적 Vs에 대한 공극의 용적 Vv의 비율로 나타내며, 다음 식과 같다.
e = Vv / Vs
공극률 n은 흙 전체 용적 V에 대한 공극의 용적 Vv의 백분율로 나타내며, 다음 식과 같다.
n = Vv / V * 100(%)
따라서 공극비와 공극률 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.
e = n / (1 - n)
일반적으로 자연상태의 흙의 공극비와 공극률은 다음과 같다.
모래: 공극비 e = 0.54 ~ 0.85, 공극률 n = 35 ~ 45%
실트: 공극비 e = 0.67 ~ 1.00, 공극률 n = 40 ~ 50%
점토: 공극비 e = 1.00 ~ 3.00, 공극률 n = 50 ~ 75%
즉, 입자가 작은 점토질 흙일수록 공극비와 공극률이 크게 나타난다. 이는 점토 입자 사이의 간극이 상대적으로 크기 때문이다.
1.1.2. 함수비와 함수율
함수비와 함수율은 흙 속에 포함된 수분의 양을 나타내는 개념이다. 함수비는 흙 입자의 무게에 대한 수분의 무게 비율을 말하며, 함수율은 흙 전체의 무게에 대한 수분의 무게 비율을 말한다.
함수비(moisture content, w)는 토립자의 무게에 대한 수분의 무게 비율을 백분율로 나타낸 것이다. 즉, 건조된 토립자 무게에 대한 수분 무게의 백분율로 정의된다. 함수비는 토질의 물리적 성질을 나타내는 가장 기본적인 인자로서, 토질의 거동을 예측하는 데 매우 중요한 역할을 한다. 토질의 압축성, 전단강도, 투수특성 등이 함수비에 따라 크게 변화하기 때문이다.
함수율(water content, w%)은 흙 전체의 무게에 대한 수분의 무게 비율을 백분율로 나타낸 것이다. 건조한 토립자의 무게에 대한 수분의 무게 비를 백분율로 나타낸 함수비와는 달리, 함수율은 토립자와 공극 내 물의 총 무게에 대한 물의 무게 비를 백분율로 표시한다. 함수율은 토질의 강도, 압축성, 투수성 등의 물리적 성질을 나타내는 지표로 사용된다.
함수비와 함수율은 다음의 관계식으로 표현할 수 있다.
w = w% / (100 + w%)
여기서 w는 함수비(%), w%는 함수율(%)이다.
요약하면, 함수비는 토립자의 무게에 대한 수분의 무게 비율이며, 함수율은 흙 전체의 무게에 대한 수분의 무게 비율이다. 이 두 개념은 토질의 물리적 성질을 나타내는 중요한 지표로 사용된다.
1.1.3. 포화도
지반 내 공극은 일반적으로 물과 공기로 이루어져 있다. 포화도는 공극 내 물의 비율을 나타낸 것으로, 공극 내 물이 차지하는 용적의 비율을 백분율로 표시한 것이다. 즉, 공극 내 완전히 물로 채워져 있다면 포화도는 100%가 되며, 공극 내 물이 전혀 없다면 포화도는 0%가 된다. 포화도(S)는 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
S = (Vw / Vv) x 100 (%)
여기서,
S: 포화도 (%)
Vw: 공극 내 물의 용적
Vv: 전체 공극의 용적
따라서 포화도는 흙의 함수비와 간극비를 통해 간접적으로 계산할 수 있다. 점토나 실트와 같이 투수성이 낮은 흙은 공극 내 물이 배제되기 어려워 포화상태로 존재하는 경우가 많다. 반면 모래와 같이 투수성이 좋은 흙은 공극 내 물이 쉽게 배제되어 불포화 상태로 존재할 수 있다. 포화도는 지반의 침하 특성, 강도 특성, 투수 특성 등 토질 공학적 측면에서 매우 중요한 인자로 활용된다.
1.1.4. 단위중량
흙의 단위중량은 흙덩이의 무게를 이에 대응하는 부피로 나눈 값이다. 단위중량의 단위는 kN/m³ 또는 kgf/cm³으로 표시된다. 자연상태에 있는 흙의 단위중량 γ는 흙의 다져진 상태, 입자크기와 입도분포, 그리고 함수비 등에 따라 다른 값을 갖는다. 건조단위중량 γ_d은 흙을 노건조시켰을 때의 단위중량이며, 자연상태의 단위중량 γ와 함수비 w의 관계식 γ = γ_d(1+w)에 의해 계산할 수 있다. 또한 흙이 완전히 포화되었을 경우의 단위중량인 포화단위중량 γ_sat도 구할 수 있다. 이와 같이 흙의 단위중량은 흙의 기본적인 성질을 나타내는 중요한 특성이다."
1.1.5. 흙의 비중
흙의 비중은 건조된 토립자만의 무게를 그 토립자의 용적과 같은 용적의 4℃ 물 무게로 나눈 값이다. 흙의 비중은 흙 속의 모든 광물입자의 무게의 평균으로서 일반적으로 흙의 비중이 불명확할 때에는 석영의 비중 2.65를 쓰고 있다.
흙의 겉보기 비중(apparent specific gravity)이란 고체 토립자와 그 사이의 공극을 포함한 전체 흙의 무게를 그 전체 흙의 용적과 같은 용적의 4℃ 물 무게로 나눈 값이다. 이와 같이 하여 토립자의 비중(true specific gravity) 는 토립자 즉, 고체성분의 단위중량으로 구할 수 있다.
실제로 토립자의 비중을 측정하면 비중병(pycnometer)을 사용하여 토립자만의 무게와 그 토립자와 같은 용적의 물의 무게를 측정하여 구한다. 이때 온도의 영향을 고려해야 하므로 15℃의 물에 대한 토립자의 비중을 구하게 된다.
1.2. 토질의 분류
1.2.1. 모래
모래는 주요 토질 중 하나로, 대부분 석영(SiO2)으로 구성되어 있다. 모래는 일반적으로 다른 토질에 비해 투수성이 좋고 압축성이 낮다. 모래는 구성 입자의 크기에 따라 굵은 모래, 중간 모래, 가는 모래로 구분된다.
굵은 모래는 입자크기 2.0~0.5mm 범위의 모래로, 투수성과 통기성이 뛰어나고 건축용 혼합재료나 콘크리트 제작에 사용된다. 중간 모래는 입자크기 0.5~0.25mm 범위의 모래로, 비교적 투수성과 통기성이 좋으며 골재로 사용된다. 가는 모래는 입자크기 0.25~0.075mm 범위의 모래로, 투수성과 통기성이 낮으나 미립자가 적어 콘크리트와 같은 건설재료 생산에 이용된다.
모래의 특성은 입자 크기, 입도 분포, 입자 형상, 광물 구성 등 복합적인 요인들에 의해 결정된다. 일반적으로 입자가 크고 입도 균일성이 높을수록 투수성이 양호하며, 입자가 작고 입도 분포가 넓을수록 투수성이 낮다. 또한 입자 형상이 구형에 가까울수록 투수성이 좋고, 편평하거나 세장형일수록 투수성이 낮다. 광물 구성은 흙의 역학적 성질에 영향을 미치는데, 석영으로 구성된 모래가 대표적이다.
모래의 다양한 특성으로 인해 토질 분류, 지반 조사, 지반 설계 등 토질공학 분야 전반에 걸쳐 중요한 역할을 한다. 건설현장에서는 토목공사, 건축공사 등에 필수적으로 사용되며, 특히 콘크리트 제작, 성토재 사용 등에 광범위하게 활용된다.
1.2.2. 실트
실트는 점토와 모래의 중간 크기의 흙 입자로, 입자 크기가 0.002~0.075mm 범위에 해당한다. 실트 입자는 모래보다는 작고 점토보다는 크며, 그 크기와 성질이 점토와 모래의 중간에 위치한다.
실트는 대체로 모래보다 투수성이 낮고 점토보다는 투수성이 높은 편이다. 실트 입자는 점토보다는 ...
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