[토질역학실험]일축 압축 시험(Uniaxial compression Test)

실험 목적

암석의 역학 시험 중 가장 대표적인 시험으로 시료에 한 방향의 압축응력을 가하여 암석의 일축압축강도 및 탄성계수(Young’s modulus, E) 및 포아송비(Poisson’s ration, υ)를 구할 수 있다.

실험 이론 및 원리

1. 실험 개요

1축 압축시험은 원주형태의 점성토 공시체를 측방 구속이 없는 상태로 압축하여 파괴시키는 시험으로, 시험결과로부터 1축 압축강도 qu 및 흙의 내부마찰각 (Φ) 과 점착력 (c)을 구할 수 있다, 또한 불교란 점성토의 1축 압축강도와 함수량의 변화 없이 다시 이겨 성형한 점성토의 1축 압축강도와 함수량의 변화 없이 다시 이겨 성형한 점성토의 1축 압축강도의 비, 즉 예민비를 구할 수 있다. 1축 압축시험 방법에는 변형제어형 (strain control type)과 응력제어형 (stress control type)의 두 가지가 있으나, 변형제어형이 많이 쓰이고 있다. 이 시험방법은 KS F 2314에 규정되어 있다.

 

점착력이 없는 흙은 성형이 되지 않으므로 1축 압축강도시험을 수행할 수 없다. 물체가 전단파괴될 때에는 파괴면은 주응력면과 45+Φ/2 각도를 이루므로 일축압축시험을 하여 주응력면과 파괴면의 각도를 측정하면 전단저항각을 결정할 수 있다. 흙의 점착력은 파괴면의 형태에 영향을 미치지 않으므로 파괴면의 각도를 측정하여 흙의 전단저항각을 결정할 수 있다.

 

전단저항각이 Φu이라면 Mohr-Coulomb 파괴 포락선은 가로축과 나란한 수평선을 이루고 점착력은 다음과 같다. 그러나 비교적 단단한 점토를 제외하고는 파괴면이 명확히 나타나지 않으므로 전단저항각의 측정이 어렵다. 전단저항각이 영이어서 Mohr-Coulomb파괴 포락선은 가로축과 나란한 수평선을 이루고 점착력은 cu=qu/2로 나타낼 수 있다.

 

이때 qu를 일축압축강도 또는 비배수 압축강도라고 한다. 대체로 소성지수가 Ip≥30인 흙에서도 일축압축시험결과를 Φu=0해석에 적용할 수 있으며 Ip〈10인 경우에는 적용이 불가능하다. 결국 이 시험방법은 전단저항각이 영에 가깝고 균열이 없으며 거의 포화된 점성토에서 좋은 결과를 얻을 수 있다.

 

이 시험결과는 실제의 현장조건과 일치하지는 않지만 점성토의 전단강도를 신속하고 간편하게 구할 수 있으므로 많이 이용되고 있으며, 시험의 결과는 토압이나 지지력 계산, 사면안정계산, 흙의 개량효과 판정 및 개량지반의 안정성 평가 등에 이용된다.

 

시험중에 시료의 교란이 불가피하므로 실제보다 약간 작은 안전측의 일축압축강도가 구해지며, 특히 대단히 견고한 지반이나 불포화 지반에서는 일축압축강도가 과소평가되는 경우가 많다. 정확한 흙의 전단강도는 삼축시험을 실시하여 구해야 한다.

 

2. 일축압축강도

응력-변형률곡선으로부터 구한 최대 압축응력을 일축압축강도라 하며 특징은 시험이 간단하고 시료가 적으며 이용경험이 많다.

1) 장 점 ① 시료가 적다. ② 시험장치, 방법이 간단하다 ③ 경험이 풍부하다.

2) 단 점 ① 비배수 조건 적용 ② 교랸영향 ③ 비배수강도가 적다. ④ 점성토에만 가능하다. ⑤ 불포화토 점성토는 과소평가 ⑥ 굳은 점토는 취성파괴 발생한다.

 

3) 일축압축강도 측정시 만족해야 할 조건

① 포화되어야한다.

② 틈새나 결점이 없이 균질해야한다.

③ 점성토이어야만 한다.

 

3. 탄성계수의 결정

암석에 대하여 시행된 일축압축시험 결과로 얻어진 응력-변형율 곡선은 일반적으로 직선의 관계를 보이지 아니한다. 따라서 응력-축변형율 곡선의 기울기로 정의되는 탄성계수는 구하는 방법 및 지점에 따라 차이가 난다.

① 접선 탄성계수 : 응력-축 변형률 곡선에서 파괴응력의 50% 지점의 접선의 기울기

② 평균 탄성계수 : 응력-축 변형률 곡선에서 직선 부분의 평균 기울기

③ 할선 탄성계수 : 응력-축 변형률 곡선에서 원점과 파괴 응력의 50% 지점간의 기울기

주의점 : 일축압축강도는 동종의 암석의 경우에도 시료의 상태에 따라 매우 큰 차이를 보인다. 일축압축 강도에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 절리로, 시료 내에 절 리가 내재되어 있으면 강도가 현저히 저하한다.

 

실험 기구 및 장치

1. 시험 기구

 

실험 방법

1. 시험 과정

1) 트리머를 2개를 이용하여 시료를 만든다.

2) ⑴ 흙313g 과 물 55g, ⑵ 흙109g 과 물 19g인 시료를 가지고 원통형 공시체를 만든다.

3) 원통형의 공시체를 상, 하 가압판 사이에 설치한다.

4) 축방향 하중을 분당 0.5%~2.0% 압축변형이 일어나도록 압축한다.

5) 응력-변형률을 측정한다.

6) 압축변형이 15%될 때 까지한다.(이건 생략)

7) 시료가 파괴되면서 압축응력이 최대가 될 때까지 시험한다.

실험 결과

1. 결과 data

공시체		1	2
직경 D		50.85㎜	35.5㎜
재하전 칫수	높이 H	125.10㎜	88.30㎜
	면적 A	2030.8㎟	989.8㎟
	체적 V	254053.1㎣	87399.3㎣
무게/단위중량	흙 Ws	313g	109g
	물 Ww	55g	19g
	습윤상태무게 Wt	368g	128g
	γt (=(Gs+Se/1+e)γw)	1.5g
	γd (=γt/1+w)	1.275510204g	1.77683135g
함수비 w% (Ww/Ws×100%)		17.6%	17.4%
일축압축강도 qu		0.91796 ㎏/㎠	0.80278 ㎏/㎠
점착력 Cu		0.45898㎏/㎠	0.40139㎏/㎠
비배수 강도 τf		0.45898㎏/㎠	0.40139㎏/㎠
파괴각도 θ		75°	75°
φd		60°	60°

 

다이얼 게이지 치수는 1칸에 0.01㎜ 이므로 20칸은 02008.2㎜가 된다. 또한, 분당 하중 1%는 10초에 0.2085㎜ 움직인다.

시료 1

시료 2

 

1번 시료	Time (sec)	축압축량 ΔL(㎜)	하중 P kgf	변형률ℇ %	단면적A ㎟	응력 σ ㎏/㎠
start	-	-	-	-	-	-
1	14	0.2	0.03	0.159872	2027.553	0.00148
2	27	0.4	0.06	0.319744	2024.307	0.00296
3	40	0.6	0.07	0.479616	2021.06	0.00346
4	54	0.8	0.11	0.639488	2017.813	0.00545
5	1.08	1.0	0.14	0.799361	2014.567	0.00695
6	1.21	1.2	0.1	0.959233	2011.32	0.00497
7	1.34	1.4	0.2	1.119105	2008.073	0.00996
8	1.49	1.6	0.24	1.278977	2004.827	0.01197
9	2.02	1.8	0.26	1.438849	2001.58	0.01299
10	2.16	2.0	0.3	1.598721	1998.333	0.01501
11	2.31	2.2	0.34	1.758593	1995.086	0.01704
12	2.45	2.4	0.37	1.918465	1991.84	0.01858
13	2.59	2.6	0.46	2.078337	1988.593	0.02313
14	3.13	2.8	0.49	2.238209	1985.346	0.02468
15	3.27	3.0	0.54	2.398082	1982.1	0.02724
16	3.39	3.2	0.6	2.557954	1978.853	0.03032
17	3.57	3.4	0.64	2.717826	1975.606	0.03240
18	4.02	3.6	0.69	2.877698	1972.36	0.03498
19	4.16	3.8	0.79	3.03757	1969.113	0.04012
20	4.28	4.0	0.83	3.197442	1965.866	0.04222
21	4.42	4.2	0.93	3.357314	1962.62	0.04739
22	4.54	4.4	0.6	3.517186	1959.373	0.03062
23	5.09	4.6	1.2	3.677058	1956.126	0.06135
24	5.22	4.8	1.24	3.83693	1952.88	0.06350
25	5.33	5.0	1.25	3.996803	1949.633	0.06411
26	5.5	5.2	1.25	4.156675	1946.386	0.06422
27	6.05	5.4	1.25	4.316547	1943.14	0.06433
30	6.18	5.6	1.25	4.476419	1939.893	0.06444
31	6.3	5.8	1.25	4.636291	1936.646	0.06454
32	6.45	6.0	1.25	4.796163	1933.4	0.06465
33	6.56	6.2	1.8	4.956035	1930.153	0.09326
34	7.08	6.4	3	5.115907	1926.906	0.15569
35	7.19	6.6	4.6	5.275779	1923.659	0.23913
36	7.31	6.8	5.8	5.435651	1920.413	0.30202
37	7.46	7.0	6.5	5.595524	1917.166	0.33904
38	8.01	7.2	8.34	5.755396	1913.919	0.43576
39	8.16	7.4	10.5	5.915268	1910.673	0.54954
40	8.31	7.6	12.5	6.07514	1907.426	0.65533
41	8.46	7.8	14.9	6.235012	1904.179	0.78249
42	8.01	8.0	16.04	6.394884	1900.933	0.84380
43	9.16	8.2	17.42	6.554756	1897.686	0.91796
	9.31	8.4	16.96	6.714628	1894.439	0.89525
	9.41	8.6	16	6.8745	1891.193	0.84603

2번 시료	Time (sec)	축압축량 ΔL(㎜)	하중 P kgf	변형률ℇ %	단면적A ㎟	응력 σ ㎏/㎠
start	-	-	-	-	-	-
1	10	0.2	0.04	0.226501	987.5581	0.00405
2	21	0.4	0.08	0.453001	985.3162	0.00812
3	30	0.6	0.12	0.679502	983.0743	0.01221
4	39	0.8	0.15	0.906002	980.8324	0.01529
5	48	1.0	0.17	1.132503	978.5905	0.01737
6	59	1.2	0.19	1.359003	976.3486	0.01946
7	1.07	1.4	0.21	1.585504	974.1067	0.02156
8	1.16	1.6	0.25	1.812005	971.8648	0.02572
9	1.26	1.8	0.26	2.038505	969.6229	0.02681
10	1.35	2.0	0.3	2.265006	967.381	0.03101
11	1.46	2.2	0.34	2.491506	965.1391	0.03523
12	1.55	2.4	0.36	2.718007	962.8972	0.03739
13	2.05	2.6	0.4	2.944507	960.6553	0.04164
14	2.16	2.8	0.42	3.171008	958.4134	0.04382
15	2.26	3.0	0.46	3.397508	956.1715	0.04811
16	2.36	3.2	0.49	3.624009	953.9296	0.05137
17	2.45	3.4	0.54	3.85051	951.6877	0.05674
18	2.54	3.6	0.58	4.07701	949.4458	0.06109
19	3.05	3.8	0.61	4.303511	947.2039	0.06440
20	3.14	4.0	0.66	4.530011	944.9619	0.06984
21	3.25	4.2	0.72	4.756512	942.72	0.07637
22	3.34	4.4	0.8	4.983012	940.4781	0.08506
23	3.44	4.6	0.86	5.209513	938.2362	0.09166
24	3.54	4.8	0.98	5.436014	935.9943	0.10470
25	4.03	5.0	1.05	5.662514	933.7524	0.11245
26	4.14	5.2	1.11	5.889015	931.5105	0.11916
27	4.24	5.4	1.2	6.115515	929.2686	0.12913
30	4.34	5.6	1.31	6.342016	927.0267	0.14131
31	4.45	5.8	1.31	6.568516	924.7848	0.14165
32	4.56	6.0	1.31	6.795017	922.5429	0.14200
33	5.07	6.2	1.31	7.021518	920.301	0.14234
34	5.17	6.4	1.31	7.248018	918.0591	0.14269
35	5.27	6.6	1.31	7.474519	915.8172	0.14304
36	5.37	6.8	1.31	7.701019	913.5753	0.14339
37	5.47	7.0	1.32	7.92752	911.3334	0.14484
38	5.57	7.2	2.17	8.15402	909.0915	0.23870
39	5.57	7.4	3.3	8.380521	906.8496	0.36390
40	6.17	7.6	4.03	8.607022	904.6077	0.44550
41	6.24	7.8	5.87	8.833522	902.3658	0.65051
42	6.35	8.0	6.11	9.060023	900.1239	0.67880
43	6.45	8.2	6.46	9.286523	897.882	0.71947
	6.54	8.4	7.19	9.513024	895.6401	0.80278
	7.05	8.6	7.13	9.739524	893.3982	0.79808
	7.15	8.8	6.7	9.966025	891.1563	0.75183
	7.27	9.0	3.45	10.19253	888.9144	0.38811

토의 사항

1. 실험 고찰

1축 압축시험은 원주형태의 점성토 공시체를 측방 구속이 없는 상태로 압축하여 파괴시키는 시험으로, 시험결과로부터 1축 압축강도 및 흙의 내부마찰각과 점착력 을 구할 수 있다, 또한 불교란 점성토의 1축 압축강도와 함수량의 변화 없이 다시 이겨 성형한 점성토의 1축 압축강도와 함수량의 변화 없이 다시 이겨 성형한 점성토의 1축 압축강도의 비, 즉 예민비를 구한다.

이 실험을 하기에 앞서 공시체를 만들었다. 큰 공시체, 작은 공시체를 만들었는데 이 과정이 쉽지 않았다. 공시체를 만들고 원통형의 공시체를 상, 하 가압판 사이에 설치하고 축방향 하중을 분당 1% 압축변형이 일어나도록 압축한다. 응력-변형률을 측정하면서 압축변형이 15%될 때 까지한다.마지막으로 시료가 파괴되면서 압축응력이 최대가 될 때까지 시험한다. 시료가 파괴될 때 사진을 찍고 각을 구한다. 시간이 지남에 따라 변형량ΔL, 하중P, 변형률ℇ, 단면적A, 응력σ 등을 구한다.

비교적 쉬운 실험이었지만 공시체를 만드는 과정에서 공시체에 금이 가서 다시 만들어야 했고 이 과정이 쫌 까다로웠다. 다행이 쉽게 할 수 있었고 재미있게 실험을 할 수 있었다.