[토질역학실험]흙의 투수 계수 시험(Coef.of Permeability) 1부

시험 목적

투수계수란 단위동수구배에서 단위 시간에 흙의 단위 단면적을 흐르는 수량으로서 단위 ㎝/s로 표현하며, 흙 속을 흐르는 물의 통과 용이성을 보여주는 수치로서 모래의 투수계수는 점토와 비교하여 크다. 투수계수의 크기는 흙입자의 크기에 따라 그 범위가 대단히 넓으며 투수시험은 실내에서 행하는 실내투수시험과 현장에서 실시하는 현장투수시험이 있다.

한국 산업규격(KS F 2322)에서는 실내 투수시험으로 투수계수가 비교적 큰 사질토에 적합한 정수두 투수시험과 투수계수가 비교적 작은 점성토에 적합한 변수두 투수시험이 규정되어 있다. 정수위 투수시험이란 일정한 수위차에서 지름과 길이가 일정한 시료속을 일정한 시간 내에 침투하는 물의 양을 측정하여 투수계수를 결정하는 방법이고, 변수위 투수시험이란 일정한 지름과 길이를 가진 시료 속을 침투할 때에 발생되는 수위강하와 그 경과시간의 관계를 조사하여 투수계수를 결정하는 방법을 말한다.

시료를 완전히 포화시켜야 할 다짐시료인 경우에는 투수시험 몰드에 삼축시험에서와 같이 백 프레셔나 진공펌프로 시료를 사전에 포화시킨 후에 시험을 실시한다. 투수계수는 유효숫자 3자리까지 한다. 그 밖에 삼축시험기를 이용하여 등방압 또는 이방압 상태에서 투수계수를 측정할 수 있다.

시험 이론 및 원리

1. 실험 개요

흙의 투수성은 흙댐과 하천제방, 간척제방의 제체와 기초지반중의 투수 또는 지하수위 이하에 설치된 구조물에 미치는 양압력을 알아내어 제체와 배수공 등을 설계, 시공하는데 필요하다. 흙의 투수성은 투수계수의 대소로 표현된다. 

흙의 투수계수를 구하는 방법에는 실내투수시험법과 현장투수시험법이 있다. 투수시험에는 수위의 주어진 방법에 따라 정수위 투수시험 및 변수위 투수시험이 있으며, 통상 정수위형은 사질토에, 변수위형은 점성토에 적용된다. 본 시험은 침투류의 겉보기 유속과 동수 기울기를 관련짓는 비례상수인 흙의 투수계수를 구하는 것을 최종목표로 한다.

 

2. Darcy의 법칙

Darcy는 흙 속을 흐르는 물의 침투유량을 구하기 위하여 다음과 같은 실험식을 발표하였다.

q = kiA

여기서, q는 침투유량, i는 동수경사, A는 흙속으로 물이 흐르는 단면적이다.

이 식에서 k를 투수계수라 하며 속도와 같은 단위를 가진다. 투수계수의 값은 흙의 입경의 변화에 따라 그 변화의 범위가 대단히 넓다. 거친 모래나 자갈은 1.0 ㎝/sec이상이 되는 반면, 점토는 10-8 ㎝/sec 이하가 되기도 한다.

 

3. 정수위 투수시험

k = QL/hAt

여기서, t : 측정시간(sec)

L : 물이 시료를 통과한 거리(㎝), Q : t시간 동안 침투한 유량(㎤)

A : 시료의 단면적(㎠), h : 수두(㎝)

 

4. 변수위 투수시험

여기서, a : 스탠드 파이프의 단면적(㎠)

t1 : 측정 시작 시간(sec), t2 : 측정 종료 시간(sec)

h1 : t1에서의 수주높이(㎝), h2 : t2에서의 수주높이(㎝)

시험 기구 및 장치

1. 시험 재료

1) 투수통 본체, 월류구, 유공밑판, 황동제 망

2) 투수원통

상단에 일류구를 가진 플라스틱 또는 금속제의 원통으로 안지름 10㎝, 일류구까지의 높이 15㎝의 것을 원칙으로 하고, 안지름이 적어도 시료의 최대입경의 20배 이상이어야 한다.

3) 유공판

투수원통을 올려놓는 다리가 달린 판으로서 지름 약 15㎝, 두께 약 15㎝의 황동판에 작은 구멍을 뚫은 것이어야 한다.

4) 유공 밑판

투수몰드를 올려놓은 다리가 달린 판으로서 지름 15cm 두께 15cm의 황동판에 작은 구멍을 뚫은 것이어야 한다.

5) 황동제 망

지름이 투수몰드의 안지름보다 약간 작게 잘라낸 원형의 황동제 망으로 눈금의 크기가 420㎛(No.40체)정도의 것 1장과 72㎛(No.200체)정도의 것 2장이 있어야 한다.

 

6) 수조

시료용기를 넣는 데 적당한 크기를 가지고 있으며, 유공판의 윗면에서 약 1㎝의 높이로 수면을 유지할 수 있는 배수구를 가진 플라스틱 또는 금속제의 것이어야 한다. (메스실린더로 물을 받을 수 있는 높이의 선반에 수조를 얹을 것)

7) 다짐대

시료를 용기에 넣고 다지는 금속제봉으로서 그 한쪽 끝에 고무를 씌운 것이라야 한다.

8) 다짐봉

시료를 투수몰드에 넣고 다지는 금속제 다짐봉으로 그 한쪽 끝에 고무를 씌운것이라야 한다.

9) 저울 : 용량 10kgf 감도 10gf의 것이라야 한다.

10) 메스실린더 : 용기 1000㎖의 실린더로서 100㎖의 눈금을 새긴 것이라야 한다.

 

11) 진공펌프 : 진공도 600mmHg이하를 유지할 수 있어야 한다.

 

 

8) 기타 : 스톱워치, 온도계, 여과사, 자, 캘리퍼스, 시료받이, 팬, 저수조, 스텐드파이프

시험 방법

1. 정수위 투수시험(결과 생략)

1) 투수시험기의 몰드와 밑판의 무게를 측정하고 몰드의 안지름과 길이를 잰다.

2) 몰드에 사질토를 넣고 진동을 가하여 시험용 시료를 조제한다. 투수시험용 시료는 다짐 방법으로 다진 시료 또는 불교란 시료를 사용할 수 있다.

 

3) 시료상면에 필터 페이퍼를 놓고 몰드 가장자리를 깨끗이 한 다음 고무 가스켓을 놓고 뚜껑을 덮는다. 뚜껑은 물이 새지 않도록 잘 죄어져야 한다.

 

4) 뚜껑에 붙은 비닐관을 저수조와 연결한 다음 기포가 완전히 없어질 때까지 물을 순환시킨다. 순환수는 배기한 물이어야 한다.

 

5) 시료를 통해 흘러나온 물을 500 ㎖ 또는 1000 ㎖ 용기(Q)로 받고 그 용기를 채우는 시간(t)을 측정한다. 이와 같은 조작을 2,3회 반복하여 측정시간이 거의 일치 하는가 확인 한다.

 

6) 시료의 배수면과 저수조의 상류면 사이의 높이(h)를 잰다.

 

2. 변수위 투수시험

1) 변수위 투수시험기와 밑판의 무게를 단다. 몰드의 용적(V)과 단면적(A)을 측정한다.

2) 스탠드 파이프의 단면적(a)을 측정한다.

 

3) 투수시험기 속에 흙을 넣어 시료를 조제한다. 시료는 교란된 흙을 적절한 에너지로 다져서 만들 수 도 있고, 불교란시료를 사용할 수도 있다.

 

4) 시료를 포화시킨다. 시료의 포화는 백 프레서(back pressure) 가압장치를 사용하는 것이 가장 효과적이다. 이것을 이용하지 못하는 경우에는 진공펌프를 이용하여 시료 내부를 대기압보다 더 낮은 압력으로 감압하면서 물을 투과시킨다.

 

5) 스탠드 파이프의 최초의 수위 h1과 최종수위 h2를 미리 정해 둔다. 수위가 h1에서 h2로 내려올 때의 시간을 스톱워치로 측정한다. 이와 같은 조작을 수회 되풀이하여 측정시간이 일정하게 되는가 확인한다.

 

6) 측정 때마다 온도계로 물의 온도를 측정한다.

 

7) 시험이 끝나면 투수시험기를 부속장치로부터 분리하여 그 무게를 달고 시료의 중량을 결정한다.

 

8) 흙의 비중을 측정한다.

HJ-4303 3연식 정수위 투수시험기

HJ-4323 3연식 변수위 투수시험기

주의 사항

1. 용기의 연결부 등에서 물이 새지 않도록 주의한다.

2. 투수하기 전에 시료를 포화에 가까운 상태로 한다.

3. 일반적으로 k > 1X 10-3㎝/sec인 경우에는 정수위 투수실험, 그보다 작은 경우에는 변수위 투수시험을 적용한다.

4. 모래필터는 투수성이 흙 시료에 비하여 충분히 큰 것이라야 한다.

5. 시료의 상면과 하면의 수두의 차가 과도하게 크지 않게 한다.

6. 공기가 들어가면 안된다 : 관에 기포가 있다면 그것은 공기가 있다는 것이므로 관을 탁탁 털어 공기를 빼주고 그래도 공기가 여전히 남아있다면 진공을 걸어주어 공기를 빼낸다. 그리고 거름종이를 수평으로 넣으면 공기가 들어갈 수 있으므로 약간 뉘어서(대각선) 넣는다

7. 틈이 없어야 한다 : 어찌보면 공기와 틈은 상관있는 이야기이지만 따로 분리해서 적어본다. (당연히 틈이 있으면 공기가 있으니까.) 세팅할 때 측벽에 실리콘 글리이스 혹은 실리콘으로 발라주어서 틈을 없애준다.

 

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