토질역학에서 체분석 시험은 흙의 입자 크기 분포를 측정하는 시험입니다. 흙의 입자 크기 분포는 흙의 물리적 특성, 특히 투수계수, 침투속도, 압축성 등에 영향을 미치므로, 토질의 안정성, 내구성, 성능 등을 평가하는 데 중요한 역할을 합니다.
입도 체분석 시험 목적
흙은 일반적으로 굵은 입자와 가는 입자가 넓게 섞여 있으므로 그 분포를 알기 위해서는 입 자를 분류해야 된다. 그중 가장 손쉬운 방법은 체를 사용하는 것이고 이번 실험이 체분석 실험이다. 흙입자의 크기는 흙의 공학적 성질에 많은 영향을 끼치며 그중 작은 입자일수록 더 많은 영향을 미친다. 이번 실험은 주어진 체를 통과한 흙의 중량을 구하여 흙입자의 분포를 알아내고 더 나아가서 그 흙을 공학적 성질에 관련하여 토목재료로써 좋고 나쁨을 판단하는 것이다.
입도 체분석 시험 장비
체 1세트(No.4~No.200), 진동계, 전자저울(0.1g 단위), 건조로, Pan
입도 체분석 시험 방법
- 실험에 앞서 체와 팬들의 무게를 측정한다. 각 체, 팬의 무게는 0.1g 단위까지 측정해 둔다.
- 공기 중에서 충분히 말린 흙을 손으로 잘 부순 다음 골고루 섞어 500g의 시료를 취한다. (No.4 체의 실험필요 시료의 최소중량이 500g 이므로)
- 체 눈의 크기 순서대로 체를 포갠 후, 맨 밑의 No.200체 밑에는 팬을 놓는다.
- 최상단에 있는 체 속으로 시료를 흘리지 않게 붓고 뚜껑을 씌운 다음, 진동계에 고정시킨다.
- 10분 정도 진계를 사용하여 흔든다.(전원을 끈 후 흙이 진정될 때까지 잠시 기다려야 된다.)
- 각 체를 분리하여 각체에 남은 흙의 무게를 측정한다.(이 무게의 합계와 처음에 투입한 흙의 전체무게 사이에 차이가 2% 이상 있을 때 재실험)
입도 체분석 시험 이론
각체에 걸러지는 흙의 무게를 구한다.
그 후에 나온 Data를 가지고 입도분포곡선을 구하고, 또한 위의 언급되는 지표들을 계산을 통해 얻을 수 있다. 체 No.4부터 체 No.200까지 선택된 체 set로 분류된 흙의 분포를 위의 제시된 공식들을 이용하여 정형화시킨다. 잔류율을 구하고 , , 에 해당되는 체의 번호를 구해서 만약 No.200의 체를 통과한 실트 및 점토의 잔류율이 10%가 넘게 된다면, 더 이상의 체 set로는 이 실험을 계속할 수가 없다. 이때는 다른 방법들을 이용해야 하는데 대표적인 방법으로 비중계법(Hydrometer Method), 침전법(Sedimentation Method), 피벳법(Pipette Method)등이 있다. ※참고로 보통 조립토의 분포를 알아보기 위해선 체분석, 세립토의 경우에는 비중계 실험을 하게 된다.
통일분류법
흙을 공학적으로 분류하는 방법으로는 삼각좌표에 의한 분류, 통일분류법, AASHTO 분류법등의 여러 가지의 방법이 있으나 흙의 입도와 Atterberg 한계를 기초로 하여 분류하는 방법으로 통일분류법이 있다. 흙의 종류는 2개의 로마문자의 조합으로 표시되며 흙의 조립토 8종류, 세립토 6종류, 유기질 흙의 1종류가 아래와 같이 있다.
| 제1문자 | 토 질 |
|---|---|
| G | 자갈 (Gravel) |
| S | 모래 (Sand) |
| M | 가는 모래 또는 소성이 없는 암분형의 실트 (Silt) |
| C | 무기질의 점토 (Clay) |
| O | 유기질의 점토 및 실트 (Silt) |
| Pt | 이탄 또는 극히 압축성이 큰 유시질의 흙 |
| 제2문자 | 흙의 입도 |
|---|---|
| W | 세립분이 적고 입도분포가 좋은 재료 ( > 10) |
| P | 세립분이 적은 입도분포가 나쁜 재료 ( = 5 ~ 10) |
| M | 비소성 또는소성이 적은 세립분을 포함한 조립재료 |
| C | 소성이 있는 세립분을 포함한 조립재료 ( > 10) |
| 제2문자 | 세립토의 경우 |
|---|---|
| L | 압축성이 낮음 (< 50%) |
| H | 압축성이 높음 (> 50%) |
실험결과
실험 Data
Wt. Container : 360.61g
Wt. Container+Dry Soil Ws: 848.09g
| 체번호 | 체눈금(mm) | 흙의 무게(g) | 체잔류량(g) | 체통과량(%) | 체잔류량(%) |
|---|---|---|---|---|---|
| 4 | 4.760 | 0 | 100 | 0 | 100 |
| 10 | 2.000 | 177.57 | 63.57 | 63.57 | 36.43 |
| 20 | 0.840 | 126.35 | 37.65 | 37.65 | 25.92 |
| 40 | 0.420 | 52.67 | 26.85 | 26.85 | 10.80 |
| 60 | 0.250 | 36.72 | 19.32 | 19.32 | 7.53 |
| 100 | 0.149 | 43.66 | 10.36 | 10.36 | 8.96 |
| 200 | 0.074 | 37.69 | 2.63 | 2.63 | 7.73 |
| Pan | 12.80 | 0 | 0 | 2.63 | |
| Total | 487.46 | 0 | 100 | 0 |
입도분포곡선
분석
실험 후 무게 487.46g는 실험 전 무게 487.48g의 2%(9.75g)의 오차보다 훨씬 적게 나왔다. 우선 오차가 무척 적게 나와 성공적인 실험이라고 할 수 있겠다.
D10= 0.24mm
D30= 0.56mm
D60= 1.8mm
균등계수와 곡률계수를 구하면
Unified Soil classification System(통일분류법)에 의하면
- 조립토 No.200체 통과량이 50% 미만 -> G or S
- No.4체 통과량이 50% 이상 -> S
- No.200체 통과량이 5% 미만 -> SW or SP
- 6이지만 1<<3의 조건을 만족시키지 못하므로 -> SP
통일분류법에 의하여 실험에 사용된 흙은 SP(Sand Poorly)로 판정되었다.
마무리 글
이번 실험은 지금까지 토질역학을 공부하면서 가장 기본이 되는 실험 중에 하나라는 생각이 든다. 어느 곳에서 토목에 관련된 공사를 하게 된다면 제일 첫 번째로 하게 되는 실험인 것 같다. 지금까지 이론으로만 알고 있고 그래프의 분석만으로 했던 것을 실제로 하게 됨으로써 이론과 실제 실험과의 차이를 발견할 수 있었다. 이러한 차이 중에 이론과 차이를 나타낼 수 있는 요인 중에 오차에 대한 것을 생각해 보았다.
제일 첫 번째로는 무게 측정이다. 입도에 대한 분류를 일일이 손으로 할 수가 없어서 직경에 대한 분류를 무게를 통한 방법으로 분류하게 되었다. 무게를 측정함에 있어서 측정할 때의 오차를 무시할 수가 없다. 대규모로 하는 실험이 아니기 때문에 아주 정밀하게 측정을 해야만 한다. 하지만 우리 실험에서는 총무게가 실험 전과 실험 후의 무게가 1%의 오차를 발생시키지는 않았지만 저울로 무게를 재는 데에 오차가 발생하였다. 총 8번을 재는 기회가 있게 되어 서로 상쇄되어 작게 나올 수 있는 문제이다.
하지만 각각의 무게를 정확히 재는 것이 오차를 줄이는데 큰 역할을 할 것이다. 그래프를 그리는 데 있어서도 어느 정도의 오차를 쉽게 찾을 수가 있었다. 두 번째로는 각각의 체마다 체 구멍마다 시료가 끼여 있는 것이다. 처음에 재는 무게는 변함이 없지만 이 체에 시료를 부어서 재는 데 있어서 흔들릴 때 끼여 있는 시료가 다시 튕겨져 나오고 걸러져야 할 부분들이 체 사이에 끼게 된다면 무게를 재는 데에 오차를 발생시킬 수가 있다. 따라서 체의 관리를 철저히 해야겠지만 이러한 문제점도 오차의 한 요인으로 볼 수가 있겠다.
세 번째로는 입도분포곡선을 그릴 때의 오차이다. 이러한 오차는 나중에 결과의 분석을 함에 있어서 균등계수와 곡률계수와 유효입경에 영향을 주게 된다. 이 때문에 입도분포곡선을 그릴 때 세심한 작업이 필요하다고 하겠다. 이번 실험을 함에 있어서 아쉬운 점도 생겼다. 통일분류법을 이용하여 시료의 특성에 따라 속한 흙으로 분류를 하게 되었는데 이 시료를 통해 나온 0.075mm를 통과한 시료를 가지고 소성지수를 구하였다면 어떨까? 하는 생각이 들었다.
조교님의 설명을 들으면서 암석으로부터 부서져 흙이 된 이 시료는 어떠한 소성지수를 갖게 되는지 궁금하게 되었다. 전에 애터버그 실험에서는 갯벌 같은 곳에서 구한 시료라고 하였다. 하지만 이러한 암석의 풍화토로 생긴 흙의 소성지수를 알게 된다면 이번 우리가 구한 시료의 통일분류법을 통한 흙의 특성을 아는데 좀 더 쉬웠을 거라는 생각이 들었다.
또 이번 실험을 통해서 체분석 실험을 할 때에는 체 분석을 하게 될 시료를 선정함에 있어서도 신중을 기해야 한다는 점을 알게 되었다. 작은 양을 가지고 실험을 하기 때문에 한쪽에 편중된 흙을 시료로 정하거나 특정한 부분만을 선정하여한다면 전체의 입도분포를 아는데 어려움이 있을 거라는 생각이 들었다. 많은 시료를 가지고 한다면 오차를 줄일 수가 있겠지만 적은 수의 실험을 통해 한정된 실험을 하게 된다면 측정하고자 하는 주변의 흙을 대표할 수 없다는 생각이 들었다. 이번 실험을 함에 있어서 이론과 지금까지 봐 왔던 그래프의 분석을 다시금 생각하게 하고 새롭게 아는 계기가 되었다.
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