내부마찰각 및 응집력 측정

오늘 Savo Kusić는 목재 창, 목재-알루미늄 창, 맞춤형 창, 문 및 견적 요청에 중점을 두고 있습니다. 이 텍스트는 지질 공학 아카이브로 남아 있으며 실험실 테스트, 지질 공학 설계 또는 토공사에 대한 제안이 아닙니다.

실험실 실험을 통해 토양 내부 저항, 응집력, 내부 마찰 각도 요소를 결정하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 중 직접 전단 및 3축 압축 테스트가 가장 유명합니다.

직접 전단 체험

테스트는 A 유형의 직사각형 단면을 가진 장치에서 수행됩니다. Casagrandea 또는 Hvorsleva 유형의 원형 장치에 있습니다. 가장 널리 사용되는 직사각형 단면 장치를 이용한 실험에 대해 설명하겠습니다. 두 경우 모두 시험은 교란되지 않은 시료로 수행되거나 항복점에서 교란된 시료로 수행되며, 이 경우 시험은 비교 값을 갖습니다.

직사각형 단면을 직접 절단하는 장치(그림 1)

그림. 1_카사그란데 직접전단장치 단면도_

장치는 상부 프레임과 하부 프레임의 두 부분으로 구성됩니다. 하부 프레임은 고정되어 있고, 상부 프레임은 이동 가능하며 상부 프레임과 하부 프레임의 접촉면에 작용하는 수평력 _Z_의 영향으로 하부 프레임에서 이동할 수 있습니다.

토양 샘플은 일반적으로 100 × 100 × 30 mm 크기 또는 정확하게 긁어낼 경우 해당 크기의 강철 직사각형 링에 배치됩니다. 샘플의 상단과 하단에 필터 스톤을 놓은 다음 모든 것을 장치의 링에 넣은 다음 물을 채웁니다. 수직 로딩 장치를 샘플 위에 놓습니다. 상부 여과석은 시료의 수직 로딩 시스템에 연결되고, 하부 여과석은 수로에 연결되며, 이를 통해 겉보기 응집력을 배제하기 위해 시험 중에 시료가 포화 상태로 유지될 수 있습니다.

상부 프레임과 하부 프레임의 접촉면의 마찰을 배제하기 위해 상부 프레임을 비틀어 수평 전단력의 영향으로 상부 프레임이 움직이는 장치가 있습니다. 또한, 상부 프레임과 하부 프레임의 접촉면은 바셀린으로 코팅되어 있습니다. 수직 및 수평 변형을 등록하기 위한 또 다른 2 비교기가 장치에 포함되어 있습니다.

직접 전단 시험

직접 전단 시험에는 주로 2 유형인 fast 및 slow 시험이 있습니다. 빠른 테스트는 장치에 도입된 후 일반적으로 0,50에 해당하는 특정 수직 압력으로 샘플을 로드하는 것으로 구성됩니다. 1,0; 2,0; 3,0 및 4,0 kp/cm2, 24 시간 Δh ≤ 0,02 mm 동안 침하되면 달성된 것으로 추정되는 압밀을 기다린 후 수평 전단력 Z, 크기를 적용합니다. 1/20 또는 1/40 수직력 _P_의 일부로, 땅이 무너질 때까지 매분 같은 값으로 증가합니다. 수평 전단력이 가해지는 동안 상부 프레임의 이동 과정은 비교기를 판독하여 지속적으로 모니터링되며 수평 변형은 각각의 새로운 하중 직전에 로그에 기록됩니다. 비교기가 급격한 움직임을 보이는 순간을 획기적인 것으로 채택합니다.

신속시험은 점토질 토양에 적용되며, 새로운 하중 하에서 자연적인 압밀이 느리고 이 시험 수행 방법에 해당합니다.

Slow 테스트는 2, 5 및 15 m분 또는 압밀될 때까지, 즉 수평 변형이 완전히 미미해질 때까지 수평 전단력이 더 긴 시간 간격으로 증가한다는 유일한 차이점을 제외하고 이전과 유사한 방식으로 수행됩니다. 수평 힘의 영향에 따른 압밀 과정은 비교기 9(그림 1)에서 모니터링됩니다.

느린 테스트는 모래 또는 먼지가 많은 토양에 적용되며 짧은 시간 간격으로 수평 전단력이 증가하는 경우 기공에 응력을 받은 수분의 영향으로 장치 내 샘플의 전단이 가속화되며 이는 자연 과정에 해당하지 않습니다. 따라서, 결합되지 않은 토양 입자의 미세도에 따라 시간 간격이 증가하여 토양 공극의 수압이 외부 수압과 균등화될 수 있습니다. 이러한 균등화는 각 수준의 수평 하중의 영향을 받는 데 충분한 시간을 두어 공극 내의 과잉 수분이 여과석을 통해 짜내도록 함으로써 달성됩니다.

언급된 테스트 외에도 어떤 경우에는 수직 하중 하에서 압밀이 없는 빠른 테스트가 수행됩니다. 즉, 샘플을 장치에 넣고 수직 하중을 가한 직후 수평 전단력을 가합니다. 그러나 이 시공방법은 점토질 흙으로 새로 설치된 성토의 경우 사전 다짐 없이 성토 직후에 적재하는 등 특수한 조건에서 적용된다.

내부 마찰 및 응집 각도 결정

시험 결과를 바탕으로 전단응력

τ=Z/A(kp/cm²), ​

는 파손 순간의 전단력 Z(kp)와 시료의 단면적 A(cm²)로부터 구합니다. 테스트는 다양한 정상 압력 σ=P/A in kp/cm²가 로드된 3 ~ 4 장치를 사용하여 수행됩니다. 여기서 _P_는 kp 단위의 샘플 수직 하중입니다. 일반적으로 다음과 같은 정상 압력 값이 사용됩니다. 1,0; 2,0; 3,0 및 4,0 kp/cm².

그림. 2. 수평 변형도

내부 마찰 요소 다이어그램을 기반으로 두 가지 유형의 다이어그램 1과 수평 변형 다이어그램(그림 2)이 얻어집니다.

수평 변형 다이어그램은 장치 상단 프레임의 수평 변위 ΔL(mm)을 가로축의 하단 프레임에 적용하여 얻습니다. 이는 비교기 9를 읽고 세로축에 해당 전단 응력 τ(kp/cm²)을 읽어 얻습니다(그림. 2).

토양의 압축 정도에 따라 압축의 경우 다이어그램 1, 느슨한 물질의 경우 다이어그램 2가 얻어집니다.

성형재의 경우 전단응력 _τ_은 처음에는 수평 변위 _ΔL_에 대해 비례한계 P까지 급격하게 증가하다가 점차 완만해지며, 이에 따라 다이어그램의 곡선 1이 증가하여 최대 높이 B에 도달한 후 일정 길이에 걸쳐 다이어그램이 감소하여 최종적으로 수평 흐름에 도달합니다. 전단응력의 증가가 변형의 증가에 비례하는 수평 변형도의 직선 상승 영역을 탄성 변형 영역으로 가정합니다. 한계 _P_를 넘어서면 다이어그램의 가장 높은 지점 B까지 변형 _ΔL_의 증가에 따라 전단 응력의 증가가 감소합니다. 이 영역에서는 재료가 “흐르기” 시작하고 소성 변형 영역으로 채택됩니다. 1 다이어그램의 가장 높은 지점 B는 최대 전단 응력 max τ를 나타내며, 이 지점에서 지반 파괴가 발생한다고 가정합니다. 즉, 지점 B가 파괴점입니다. B점을 넘어서면 재료는 액체상태가 되어 전단강도가 감소하며, 입자간의 연결이 끊어진 이 구간에서는 수평전단력에 반대되는 미끄럼 저항만 있을 것으로 추정된다. 다이어그램 1이 수평 방향으로 회전하는 지점 G를 슬라이딩 경계로 채택합니다.

파괴 한계 B에서의 전단 응력을 전단 강도 또는 순수 전단 강도 _τf_라고 하고, 항복 한계 G에서의 전단 응력을 미끄럼 강도 _τg_라고 합니다.

느슨한 재료의 경우 수평 변위 다이어그램에도 비례 한계 P가 있는 탄성 영역이 있지만 하류에는 미끄럼 한계 G까지의 소성 영역이 있습니다. 즉, 최대 전단 응력은 한계 강도, 슬라이딩(τ=τg)과 동일하며 그 이상에서는 재료의 액체 상태입니다.

그림. 3. 전단도, a) 응집성 토양의 경우, b) 비점착성 토양의 경우

전단 다이어그램은 수직 압력 σ(kp/cm)2이 가로축에 적용되고 해당 전단 강도 τf(kp/cm2)가 세로축에 적용되어 두 값이 모두 동일한 척도로 적용되면 얻어집니다(그림 3). 토양의 전단 강도 τf는 정상 압력 _σ_에 따라 증가하므로 서로 다른 압력에 대해 σ1 점 A, B, C 및 D가 얻어지며 이는 해당 전단 강도를 나타냅니다.

점착성 토양(그림 3a)에 대해 다이어그램 3에서 특정 지점 A, B, C 및 D를 얻기 위해 슬라이딩 강도 _τ_g가 채택됩니다. 그러나 점토질 토양의 경우 미끄럼 한계 G에 도달하기 훨씬 전부터 재료가 유동하기 시작하며, 흙의 응집력 c 및 내부 마찰각을 결정하기 위해 비례한계 P에서 전단강도를 채택하는 경향이 있으나 상대적으로 작기 때문에 2 도표의 변형 _ΔL_이 장치에서 이전 하중 수준에서의 변형의 2배가 되는 전단강도를 채택하는 경우가 많습니다. 이 강도는 P와 B의 경계, 즉 G 사이 어딘가에 있습니다(그림 2).

다이어그램의 A, B, C, D 연결점 76a는 성공적인 테스트에서 직선인 전단 다이어그램을 제공합니다. σ = 0에 대해 세로축과의 교차점까지 다이어그램을 확장하면 τf = c = 토양 응집력인 쿨롱 패턴 _τf = c+σ tgф_를 기반으로 얻어지며, 수평을 향한 다이어그램의 경사는 내부 마찰 각도를 제공합니다. 세로축 반대편의 전단선도를 확장하여 가로축에 응집력으로 인한 응력 pk 을 구하고, 응집력 c 의 크기는 마찰 저항의 등가로 표현됩니다:

c = pk tgф, 여기서 pk = c/tgф

모래와 같은 비점착성 토양의 경우 그림. 3b는 좌표 원점을 통과합니다. σ = 0의 경우 τ = 0을 얻습니다. 그러나 모래가 세밀하고 젖어 있으면 그림과 유사한 다이어그램이 나타납니다. 3a, 응집력이 더 작은 _c_는 겉보기 응집력을 나타냅니다. 이 경우 좌표 원점 반대편의 확장된 가로축에 있는 응력 _pk_가 모세관 응력을 나타냅니다.

직접 전단 시험에 의한 토양 응집력 및 마찰 측정에는 몇 가지 단점이 있다는 점에 유의해야 합니다. 그 중 가장 중요한 것은 지반 파괴가 전단 저항이 가장 작은 표면이 아닌 미리 결정된 전단 표면에서 발생한다는 것입니다. 장치에서 시료를 전단하는 동안 하부 프레임의 상부 프레임의 움직임으로 인해 전단 표면이 감소하며, 전단 중 시료의 변형은 짧은 길이에서만 모니터링할 수 있으므로 한계를 넘는 미끄럼 저항은 파단을 충분히 제어할 수 없으며, 특히 전단 시 변형이 큰 연약한 토양의 경우 등입니다.

3축 압축 테스트

이 테스트는 3축 장치에서 수행되며, 구성은 다르지만 모두 동일한 원리를 기반으로 하며 다음과 같습니다. 롤러 형태의 교란되지 않은 샘플을 스탠드에 수직으로 놓고 모든 측면에서 액체 덩어리의 측면 압력에 노출시킨 다음 전단 저항이 가장 작은 표면에서 샘플의 파손이 발생할 때까지 점차 증가하는 수직 압력에 노출시킵니다. 파단시 전단강도를 바탕으로 흙의 응집력과 내부마찰각을 계산합니다.

3축 장치 설명

그림. 4. 3축 장치

3축 장치(그림 4)는 시료 스탠드가 놓이는 챔버 베이스 플레이트의 하부와 시료의 수직 로딩을 위한 피스톤 상부와 챔버를 닫는 상부 플레이트로 구성됩니다. 가장 일반적인 샘플 치수는 직경 ф=36 mm, 높이 h=2,2-2,5_ф_입니다. 챔버의 직경은 D=135mm, 높이 H = 180 mm입니다. 바닥에서 시료를 배출하기 위한 좁은 튜브 K1는 시료 스탠드 중앙에서 시작되며, 다공성 판을 통해 시료의 물을 받아 챔버 외부의 수직 유리관 C1로 배출합니다. 샘플을 배수하지 않고 테스트를 진행하는 경우 이 채널은 기공 내 수압을 측정하는 역할을 합니다. 챔버의 청동 베이스에는 챔버를 채우고 샘플에 대한 챔버의 측면 압력을 달성하기 위해 액체 덩어리를 공급하는 채널 K2가 있습니다.

챔버의 상부 플레이트를 통해 샘플 로딩을 위한 피스톤 핸들이 통과됩니다. 챔버 안의 샘플은 고무 막으로 둘러싸여 있으며, 이 막은 양쪽 끝이 연장되어 있고 고무 링을 통해 피스톤과 베이스에 연결되어 있습니다. 피스톤 중앙에는 위쪽에서 샘플을 배출하기 위한 채널 K3가 있습니다.

챔버의 측면은 고무링을 통해 챔버의 상하판에 고정되는 플렉시글라스 실린더로 밀봉되어 있습니다.

챔버는 견고한 베이스 위에 배치됩니다. 샘플의 일반적인 로딩은 가중치가 있는 레버를 통해 수행되며 그 비율은 가장 자주 1: 10입니다. 챔버 내 샘플에 대한 측면 압력을 달성하기 위한 시스템은 튜브를 통해 챔버로 유입되는 액체 질량 B가 담긴 병, 공기 압력을 측정하기 위한 압력계 및 압축 공기가 담긴 병으로 구성됩니다. 시료를 로딩하는 피스톤 위에 비교기를 배치하여 하중을 받는 시료의 침강을 측정합니다.

챔버 내 액체 질량의 측면 압력은 밸브 V1 및 V2를 통해 병 B의 공기 압력을 사용하여 마음대로 조정할 수 있습니다. 이 압력은 샘플 σ2 및 _σ3_에서 수평 응력을 유발하며, 이는 샘플의 원형 단면으로 인해 σ2 = σ3.

액체 덩어리는 증류수나 오일일 수 있으며, 물이 나사를 통과할 수 있기 때문에 더 나은 밀봉을 위해 선호됩니다. 병 B의 공기압의 영향으로 액체 덩어리가 밸브 V6까지 챔버를 채우고 밸브가 닫힙니다. 피스톤 핸들을 통해 거의 마찰 없이 시료에 전달되는 시료 _P_의 수직 하중을 시료의 단면적 _A_로 나누어 수직 응력 σ1 = P/A

3축 압축시험 실시

시험 시료는 별도의 장치에서 처리하여 직경 36 mm, 높이 78 mm 또는 90 mm의 롤러를 얻고, 그 위에 여과석을 상하로 배치하고 고무막을 씌운다. 그런 다음 필터 스톤과 함께 샘플을 챔버의 스탠드에 놓고 끝 부분을 고무 막으로 스탠드와 로딩 피스톤 위로 끌어당겨 고무 링으로 고정합니다. 런던의 Skempton 교수와 같은 특정 실험실의 관행에 따르면 고무막을 당기기 전에 필터 종이를 샘플 측면에 배치하여 테스트 중 챔버 내 샘플 배수를 가속화합니다. 시료를 장치에 투입하고 플렉시글라스 실린더를 상하판에 고정시키면 테스트가 가능하며, 아래와 같은 여러 가지 방법으로 수행할 수 있습니다.

1. 비배수 테스트. 이 테스트에서는 측면 및 수직 테스트 적용 중에 샘플 배수가 허용되지 않으며 밸브 V4 및 V5는 닫혀 있습니다.

2. 통합을 통한 비배출 테스트. 측면 압력을 가하는 동안 샘플은 배수되며(V4 및 V5 밸브는 열림), 수직 압력을 가하는 동안에는 배수가 허용되지 않습니다(V4 및 V5가 닫힘).

3_) 배수된 샘플_. 샘플은 전체 테스트 기간 동안 배수되므로(밸브 V4 및 V5는 열려 있음) 수직 압력 σ1_을 적용하는 동안 완전한 압밀이 발생하고 기공에 스트레스를 받는 물이 생성되지 않습니다. 이 테스트는 특히 투수성이 낮은 토양의 경우 수직 하중 σ1_을 다수의 작은 단계에서 수행해야 하고 각 단계에서 압밀을 기다려야 하기 때문에 시간이 오래 걸립니다. 또한 언급된 테스트는 포화 및 부분 포화 샘플.

앞서 언급한 가능성을 고려하여 3축 압축 시험은 다양한 변형으로 수행할 수 있으며 하중 조건에서 토양의 유형에 따라 조정될 수 있습니다.

설명된 장치, 절차, 단위, 값 및 패턴은 역사적 소스에서 전송됩니다. 이 텍스트는 지반 공학 연구, 실험실 프로토콜, 기초 프로젝트, 경사 안정성 증명 또는 굴착 계획이 아닙니다. 샘플 및 테스트 방법 선택, 배수 및 압밀 상태, 지하수, 하중 방식, 지진 영향 및 굴착 안전은 현행 규정에 따라 적절한 실험실 및 공인된 지질 공학 전문가와 함께 특정 토양 및 건물에 대해 결정되어야 합니다.