알겠습니다. 다음과 같이 인트로 글을 작성해 보았습니다. 토목공학 직접전단 시험이란? 토목공학에서 직접전단 시험은 흙의 전단강도를 측정하는 시험입니다. 흙의 전단강도는 흙이 전단응력을 받는 상태에서 저항하는 힘의 크기를 나타내는 것으로, 흙의 안정성, 내구성, 성능 등을 평가하는 데 중요한 역할을 합니다.
직접전단 시험 목적
일반적으로 직접전단시험은 배수조절을 하지 않고 간극수압이나 부피변화의 측정이 없으므로 시험의 속도가 빠를 뿐 아니라, 시험절차가 간단하여 강도정수만을 목적으로 할 경우 실용적으로 많이 활용되는 시험이다. 즉, 직접전단시험을 통하여 시료가 전단파괴되는 최 대수평력을 시료의 단면적으로 나눈 최대전단응력과 수직하중을 단면적으로 나눈 수직응력을 얻는데 이들을 좌표로 하는 Mohr의 파괴포락선에서 시료의 강도정수인 내부 마찰각과 점착력을 구할 수 있다.
직접전단 시험 이 론
직접전단시험의 장단점
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직접전단시험의 특징 및 적용
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흙의 전단강도
흙지반은 보통의 고체재료와 같이 인장이나 전단에 의하여 파괴된다. 그런데 지반의 인장 저항력은 무시할 수 있을 만큼 작으므로, 지반은 인장저항력이 없다고 간주해도 무방하다. 따라서 지반에서는 대개 전단저항력만이 문제가 되며 흙이 최대로 발휘할 수 있는 전단저 항력을 전단강도라고 한다. 흙의 전단파괴 시의 응력상태를 나타내는 3개 이상의 모어 응력 원을 그리면 그 외접선이 대개 완만한 곡선이 되는데 이를 Mohr-Coulomb 파괴포락선이라 고 한다. 그런데 흙의 응력 수준이 낮고 Mohr-Coulomb 파괴포락선은 낮은 응력상태에서는 직선으로 가정할 수 있으며 그 직선의 절편을 점착력(c), 경사각을 내부마찰각(∮)라고 정 의하면 임의의 응력상태에서 흙의 전단강도를 다음과 같이 직선식으로 표현할 수 있다. 지반의 점착력(c)과 내부마찰각(∮)은 지반의 고유한 값이며 이들을 알고 있으면 임의의 응력상태에서 그 지반의 전단강도를 구할 수 있다. 따라서 이들을 강도정수 라고 한다.
사질토의 전단강도
사질토의 Mohr-Coulomb 파괴곡선은 평면의 원점을 통과하므로 강도정수 2개 중 에서 점착력은 0이 되어 Mohr-Coulomb 파괴공식은 단순히 t=otan∮가 된다. 사질토는 전단변형 시 대체로 부피변화를 일으키는데, 조밀한 상태에 있는 사질토는 부피증가를, 그리고 느슨한 상태의 사질토는 부피감소를 일으킨다. 미시적인 입장에서 그 이유를 설명하자면, 우선 느슨한 상태의 사질토 내에 전단변형이 일어나면, 입자와 입자가 서로 미끄러지면서 빈 공간을 채우게 되어 입자와 입자가 전단변형 전보다 더 가깝도록 재배열되어 부피가 감소하고, 조밀한 상태의 사질토 내에 전단변형이 발생하면, 본래 입자와 입자들이 엇물림 상태에 있기 때문에 초기에는 얼마 간의 압축이 일어나지만, 그 후 전단변형이 더 커지기 위해서는 뒤의 입자가 앞의 입자 위로 굴러 올라가거나 입자가 전단면을 따라 깨어져야 하는데, 일반적인 구속응력 하에서는 전자의 경우가 보다 쉽게 일어난다. 이와 같이 억 물림 상태에서 입자가 입자 위로 올라가게 되면 자연히 부피증가를 가져오게 되는데, 이와 같은 성질을 조밀한 사질토의 팽창성이라고 한다. 조밀한 사질토의 전단강도는 두 가지로 볼 수 있는데, 하나는 최대전단강도이고, 다른 하나는 극한전단강도이다. 극한전단강도는 동일한 구속응력하에서 사질토의 밀도에 상관없이 일정하다.
점성토의 전단강도
점성토는 사질토와 비교해서 크게 두 가지 다른 점이 있다. 그중 하나는 점성토의 역학적 거동이 과거의 응력이력에 큰 영향을 받는다는 점이고, 다른 하나는 투수성이 아주 낮기 때문에 완전히 포화된 상태에서 비교적 짧은 기간 동안 하중을 받는 경우에 비배수 조건하에서 거동을 하게 된다는 점이다. 과거의 응력이력에 따라서 점성토는 정규압밀 점성토와 과압밀 점성토로 구분이 되는데, 정규압밀 점성토는 현재 그 지반이 받고 있는 상재압력이 과거에 경험했던 최대의 연직압력인 경우이고, 과압밀 점성토는 과거에 경험했던 최대연직압력보다 현 지반의 상재압력이 작은 경우의 점성토를 의미한다. 과압밀의 정도를 나타내기 위하여 과압밀비(OCR)를 다음과 같이 정의한다.
과압밀비 = [과거에 경험한 최대연직압력] / [현 지반에서의 유효상재압력]
UU시험의 결과를 o-t평면상에 도시하면 수평축과 평행한 파괴곡선을 얻게 되어 절편값은 비배수 전단강도 Cu를 나타내며, 내부 마찰각 ∮=0이 된다. 여기서 ∮=0이 되는 이유는, 전단시험을 위해 준비한 시료에 대하여 비배수상태하에서 구속응력을 달리하여도 그에 상응하는 과잉 간극수압이 시료 내에 발생하여 초기의 유효응력상태가 변화하지 않기 때문이고, 이 결과는 포화된 흙의 전단저항력이 전체응력과는 무관하게 오직 유효응력에 의해 좌우된다는 사실을 알려준다.
계산과정 및 실험결과
전단변위 - 전단응력 그래프
위의 그래프는 전단변위를 x축으로, 전단응력을 y축으로 하여 그린 그래프이다. 맨 위의 그래프가 수직하중이 0.64kg/cm일 때, 가운데 그래프가 수직하중 0.32kg/cm, 맨 아래 그래프가 수직하중이 0.16kg/cm일 때이다. 이 그래프로 분석할 수 있는 것은 수직하중이 커질수록 큰 전단응력의 값이 나오며 Peak점이 크게 나온다는 것이다. 또한 수직하중이 클수록 Peak값이 나오는 지점이 전단변위가 많이 일어난 상태에서 발생한다.
수직응력(kg/cm2) 0.16 0.32 0.64 최대전단강도(kg/cm2) 0.1738 0.3183 0.5122
수직응력 - 전단응력 그래프
위의 그래프는 수직응력을 x축으로, 전단응력을 y축으로 하여 그린 그래프이다. 위의 표를 이용하여 구한 최대전단응력과 그때의 수직응력을 이용하였다. 이 그래프로 분석할 수 있는 것은 흙의 전단강도정수이다. 그래프의 추세선 식을 보게 되면 이다. 여기서 점착력(c)은 이 식의 y절편인 0.0768이며, 기울기 0.6909는 tan∮이다. 위의 식에서 y를 t로 x를 o로 바꿔 생각하면 이해하기가 더 쉽다. t=0.6909o+0.0768 tan∮가 0.6909이기 때문에 tan-10.6909을 구하면 ∮는 34.64˚가 나오는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이를 다시 정리해 보면 다음과 같다.
또한 그래프는 수직응력이 증가할수록 전단응력이 증가하고 있는 것을 나타내고 있다.
마무리 고찰
이번 실험은 직접전단시험이었다. 토질역학을 배우기 전에는 흙이라고 하면 다 똑같다고 생각했다. 바닷가에 놀러 갔을 때 밟았던 모래와 어린 시절 놀이터에서 두꺼비 집 놀이를 하면 장난을 쳤던 모래와 같이 많은 부분에서 접할 기회가 많았지만 서로 다른 모래를 접하면서도 깊게 생각하지 않았었다. 하지만 토질역학 수업을 들어가면서 흙의 종류와 모래의 성질등을 배워가고 있다. 이러한 실험을 통해서 얻는 모든 살아있는 지식들은 앞으로 실무에 나가서 많은 활용이 가능하다고 생각한다.
전단시험은 전단상자 속의 시료를 약 30g씩 2.5cm 높이로 3층 다짐을 하여 수직하중을 각각 4kg, 8kg, 16kg으로 변화를 주며 시행하였으며, 5분 동안 1.0mm/min의 속도로 전단력을 가하면서 Shear Dial과 Proving Ring Dial의 값을 측정하여 기록하였다. Shear Dial의 눈금 100이 1mm를 의미하므로 시간이 지나가면서 발생하는 누적된 Shear Displacement를 0.01mm 단위로 계산을 하였다. 3층으로 나누어 실험을 진행했는데 다른 이유는 없고 오직 잘 다져주기 위함이었다.
오차를 줄이기 위해선 3층보단 5층이 더 오차를 줄이는 방향으로 실험을 진행하는 것이라고 볼 수 있겠다. 전단상자를 고정하는 핀이 없어 실험당시 6각 렌치를 이용하여 전단상자를 고정시켰고, 여기서도 미세한 오차가 발생가능하다. 실험도중 물을 넣어 섞을 때 작은 입자도 놓치지 말아야 한다. 작은 입자가 결과에 큰 영향을 미쳐 많은 오차를 발생시킬 수 있기 때문이다.
한층 한층 시료를 전단상자에 투입하여 다짐을 하는데 전에 했던 다짐실험과는 다르게 여기서는 다짐 횟수에 비중을 두지 않는다. 다지는 횟수는 결과에 영향을 미치지 않기 때문이다. 1층을 쌓고 2층시료를 추가할 시, 1층 상단 부분을 교란시켜 주는 것 또한 잊지 말아야 한다. 교란시켜 주는 이유는 각층 사이의 밀착력을 최대한 끌어올려 일체화시켜 주는 데서 그 이유를 찾을 수 있다.
이렇게 잘 다져진 3층으로 된 전단상자를 직접전단 시험기에 조심스럽게 올려놓고 7분 30초 동안 시간을 체크해 가며 실험을 진행했다. 시간상 5분 동안의 데이터만 확보하고 나머진 조교님의 데이터를 추가하여 최종 데이터를 완성하였다. 위와 같은 실험을 3 cycle 반복을 해야 하는데 두 번째와 세 번째 실험은 조교님의 지시하에 학생들이 실험을 진행했다.
따라서 많은 오차를 예상할 수 있었는데, 시료를 전단상자에 넣는 과정에서 시료가 많이 손실 됐고, 심지어 완성된 전단상자에 충격을 가하여 시료 내부가 교란되는 실수도 있었다. 또한 첫 번째 실험 시 시험대 왼쪽에 추가 올려져 있어 4kg의 수직하중을 가정하고 했던 실험에서 그 추의 무게만큼 뺀, 즉 4kg 이하의 수직하중이 작용한 상태에서 실험이 진행 됐던 것이다.
결괏값을 보면 알겠지만 적은 수직하중으로 실제 4kg을 올렸을 때 보다 더 낮음 값인 0.1738 값을 얻었다. 정상적인 실험을 진행했다면 약 0.2 정도의 값을 얻었으리라 예상된다. 또한 실험이 진행되면서 proving 값이 튀는 현상을 목격할 수 있었는데 그 이유는 표준사 입자가 다소 크기 때문에 입자가 움직이면서 생기는 하중의 영향으로 그 값이 튀는 원인을 찾을 수 있다. 실험을 진행하면서 모든 학생들이 의문을 가졌던 부분이 조교님께서 수동으로 작업을 하시던 변위의 문제이다.
손으로 작업을 하게 되면 당연히 일정하게 변위를 줄 수 없을 것이고 이는 바로 오차의 원인이 된다고 생각했다. 하지만 일정 시간 동안 일정변위만 지키면 큰 오차를 발생시키지 않기 때문에 수동으로 해도 상관없다는 조교님의 설명을 듣고 나서야 그 부분을 이해할 수 있었다. 또한 쓰레기 같은 오물이 포함됐을 때는 대형 전단기구를 사용하기도 한다.
한 사이클이 끝나면 전단상자에 있던 모레를 깨끗이 제거해주는 것도 잊어서는 안 되겠다. 모든 시험이 끝나고 결과를 분석한 결과 수직응력이 0.16, 0.32. 0.64일 때 최대전단강도는 각각 0.1738, 0.3183. 0.5122이 나왔다. 이 결과를 토대로 점착력 계수와 내부마찰각을 구한 결과 0.0768과 34.64가 나왔다. 상대밀도(%) 내부마찰각(°) 대단히 느슨 < 20 < 30 느슨 20 - 40 30 - 35 중간 40 - 60 35 - 40 조밀 60 - 80 40 - 45 대단히 조밀 > 80 > 45 위의 표에서 확인할 수 있듯이 이번 실험에 사용한 시료는 느슨한 모래로 판단된다.
실험을 통해 얻어진 그래프를 살펴보면 4kg에서보다 8kg과 16kg에서 더 빠르게 최고점에 도달한 것을 확인할 수가 있다. 그 이유는 수직하중이 더 클 때 흙입자들이 더 조밀하게 되므로 엇물림 현상이 강하게 나타나며 비교적 낮은 변형률에서 높은 최고점을 보이게 되는 것이다. 불안했던 학생들의 실험을 감안한다면 비교적 실험을 잘 진행했다고 판단된다. 모든 결과가 만족스럽게 나온 것 같다. 다시 실험을 한다면 어디서 오차를 줄일 수 있을지 한번 생각해 보았다.
첫째로 흙을 다질 때 최대한 평면으로 다져줘야 오차를 줄일 수 있다.
둘째로 시료의 작은 입자 하나하나가 결괏값에 큰 영향을 미치므로 최대한 시료를 소실시켜서는 안 된다.
셋째로 전단상자는 육각렌치보단 고정핀을 사용하여 좀 더 단단하게 고정시켜 주고
넷째로 전단상자를 기구에 올려놓을 시 충격에 주의하여야 한다. 다섯째로 한 사이클이 끝나고 나면 전단상자 내부에 있던 모레는 깨끗하게 제거해 준다. 이번 실험을 통해 배우고 느낀 점이 상당히 많다. 실험이 좀 오래 걸리긴 했지만 단조롭고 단순히 반복하는 시간이 많아서 그랬던 것이지 어려웠던 점을 없었다. 토질실험의 특성은 실무에서 바로 적용가능한 상당히 실용적인 지식을 전달해 준다는 것에 있다. 이번 실험을 통해서 흙의 전단응력을 간단히 알아볼 수 있는 실험을 완벽히 습득하였고, 어느 현장에서든지 그 현장의 모래 특성을 바로 파악할 수 있을 것 같다. 앞으로 남은 실험도 열심히 하여 많은 지식과 정보를 습득하는데 노력을 기울여야 하겠다.
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