일러스트라이터

극점법

평면에 작용하는 응력을 Mohr 원을 통해 평면 응력을 시각적으로 분석하는 방법

Mohr 원은 응력 상태를 시각적으로 표현하는 도구로, 1882년 독일의 공학자 Otto Mohr에 의해 소개되었다.

이 방법은 재료의 응력 상태를 쉽게 이해하고, 안전성을 평가하는 데 유용함.

Mohr 원은 주응력 방향과 크기를 도출하는 데 사용되며, 평면 내의 모든 점의 응력 상태는 원의 둘레에 위치함.

주응력은 Mohr 원의 가장 좌측(s3)과 우측(s1)의 점에 해당함.

극점법은 Mohr 원에서 평면의 방향에 따른 응력을 구하는 방법이다.

평면의 방향은 중심점을 기준으로 θ 각도로 회전시키면 된다.

원을 θ 각도로 회전시켜 극점을 찾으면, 그 위치에서의 응력을 쉽게 구할 수 있다.

예를 들어, θ가 45도일 때, 회전된 위치의 좌표를 통해 해당 평면의 응력을 도출할 수 있다.

이는 회전된 점의 좌표로부터 주응력과 최대 전단응력을 계산하는 방식이다.

극점법을 통해 복잡한 응력 상태를 단순화하고, 구조물의 안전성을 효과적으로 평가할 수 있다.

Mohr 원과 극점법은 공학적 분석과 설계에서 중요한 역할을 하며 이를 통해 재료의 안전성을 사전에 예측하고, 적절한 대처 방안을 마련할 수 있다.

극점

선과 Mohr원의 교차점

 - 선: 한점(응력상태를 알고있는 지점)에서 평면(응력이 작용하고 있는 면)에 평행하게 그은 선

그림에서 AB면에 작용하는 수직응력, 전단응력은 알고 있으며 이는 Mohr 원에 M으로 표현할 수 있다. 

M 점에서 AB에 평행한 선(MP)를 그리면 P점(AB에 평행한선이 Mohr원과 만나는점)이 극점이 된다.

EF (AB와 각도를 가진 면)에 작용하는 수직응력, 전단응력

Mohr원상의 극점(P, AB면과 AD면의 극점)점에서 EF와 평행하게 선을 그려 Mohr원과 만나는점(Q) 지점의 값이  EF에 작용하는 수직, 전단응력 값의 크기이다.

예시

ab면에 작용하는 힘은 수직응력 10t/m, 전단응력 0 이다. 

ac면에 작용하는 힘은 수직응력 4t/m, 전단응력 0이다. 

이를 Mohr원에 그리면 지름 6t/m의 원이 그려짐

ab면에 작용하는 힘은 A로 한점으로 표현되며 ab면을 평행하게 Mohr원에 그리면 Op-A선이 그려진다. 

여기서, Mohr원과 만나는 Op 점이 극점으로 정의 된다. 

(ac면에 작용하는 힘은 B로 한점으로 표현되며 ac면을 평행하게 Mohr원에 그리면 Op-B선이 그려짐)

e-b면에 작용하는 힘은 극점에서 eb와 평행하게 선을 그려 Mohr원과 만나는 점인 D점의 수직, 전단응력 값이다.

연약지반 개량공법은 개량원리에 따라 분류할 수 있음.

연약지반 공사에서 발생하는 문제는 구조물의 형태나 지반 조건에 따라 다르며, 이러한 문제를 완전히 해결하기 위해서는 상당한 비용과 시간이 요구됨. 

연약지반의 대책공법은 크게 4가지 목적으로 구분

1) 전단 특성의 개선

2) 압축(침하) 특성의 개선

3) 투수 특성의 개선

4) 동적 특성의 개선

1) 전단 특성의 개선

- 흙의 전단강도를 증가

- 작용하는 하중을 경감시키는 것

- 완속 시공을 통해 전단특성 개선

2) 압축(침하) 특성의 개선

- 압밀침하는 지반에 작용하는 하중을 감소

- 압밀을 촉진시켜 시공중에 대부분의 압밀침하를 발생시킴 (압밀침하량을 감소)

3) 투수 특성의 개선

- 지하수위를 저하

4) 동적 특성의 개선

- 액상화 문제

연약지반 개량공법, 로마 시대부터 현대까지 이어진 혁신의 역사

연약지반 개량공법은 로마 시대의 토목 기술에서 비롯되어, 현대 과학 기술의 발전과 함께 혁신적으로 발전하여 연약한 지반을 안전하고 견고하게 만들어, 건설과 인프라 개발을 가능하게 한다.

연약지반 개량공법의 초기 사례는 로마 제국에서 찾아볼 수 있다. 로마인들은 도로와 건물을 지을 때 지반을 안정화하기 위해 다양한 기법을 사용했다. 당시의 기술은 오늘날의 기준으로 보면 매우 기초적이었지만, 그 원리는 현대의 지반공학 기술과 많은 공통점을 갖고 있다. 현대 연약지반 개량공법은 다양한 기술과 원리를 활용하여 지반을 개량합니다. 이 공법들은 크게 물리적, 화학적, 생물학적 방법으로 분류할 수 있으며, 각 방법은 지반의 특성과 개량 목적에 따라 선택한다.

물리적 방법

1. 다짐 공법: 이 방법은 기계적 장비를 사용하여 지반을 압축하고 밀도를 높이는 방식입니다. 다짐은 지반의 공극을 줄이고, 지반의 지지력을 향상시킵니다. 대표적인 장비로는 다짐롤러와 진동다짐기가 있습니다.
2. 동다짐 공법: 중량물을 높은 곳에서 떨어뜨려 지반을 다지는 방법입니다. 이 공법은 지반 깊숙이까지 영향을 미치며, 특히 대규모 토목공사에서 사용됩니다.
3. 프리로딩 공법: 사전 하중을 지반에 가하여 지반을 미리 침하시키는 방법입니다. 이 방법은 연약지반의 압밀을 촉진하여 장기적인 침하를 방지합니다. 프리로딩 공법은 주로 도로와 공항 활주로 건설에 사용됩니다.

화학적 방법

1. 시멘트 안정화: 지반에 시멘트를 혼합하여 강도를 높이는 방법입니다. 시멘트가 물과 반응하여 지반 내에서 경화되면, 지반의 강도와 내구성이 크게 향상됩니다. 이 공법은 주로 도로 기초와 건물 기초에 사용됩니다.
2. 석회 안정화: 석회를 지반에 첨가하여 화학 반응을 통해 지반을 개량하는 방법입니다. 석회는 지반의 입자 사이의 결합력을 강화하여 지반의 지지력을 높입니다. 이 공법은 습지나 점토질 지반에서 효과적입니다.
3. 화학 주입법: 지반에 화학 약품을 주입하여 지반의 특성을 개선하는 방법입니다. 주입된 약품은 지반의 입자 사이에 작용하여 지반을 경화시키거나, 물의 흐름을 차단하여 지반의 침하를 방지합니다. 대표적인 약품으로는 실리카 겔, 아크릴레이트 등이 있습니다.

생물학적 방법

1. 미생물 기초 강화법: 미생물을 이용하여 지반의 특성을 개량하는 방법입니다. 미생물은 지반 내에서 칼슘 카보네이트를 생성하여 지반 입자 사이를 결합시키고, 지반의 강도를 높입니다. 이 공법은 환경 친화적이며, 주로 농업 및 생태 복원 프로젝트에 사용됩니다.
2. 식생 기법: 식물을 이용하여 지반을 안정화하는 방법이다. 식물의 뿌리가 지반을 결속하여 침식을 방지하고, 지반의 구조적 안정성을 높입니다. 이 기법은 특히 경사지 안정화와 하천변 보호에 유용하다.

연약지반 개량공법의 발전은 지속적으로 이어져 왔습니다. 현대의 연구와 기술은 더욱 효율적이고 안전한 방법을 개발하고 있다. 예를 들어, 지오텍스타일(Geotextile)과 같은 신소재를 이용한 지반 안정화 기술은 최근 크게 주목받고 있다. 지오텍스타일은 높은 인장 강도를 가지고 있어, 지반의 변형을 최소화하고, 침식을 방지한다. 또한, 최신의 정보통신 기술을 활용한 스마트 지반 모니터링 시스템은 지반의 상태를 실시간으로 관찰하고, 이상 징후를 조기에 탐지하여 안전성을 확보하는 데 중요한 역할을 하고 있으며 이를 통해 예기치 못한 사고를 예방하는 데 큰 기여를 하고 있다.

결론적으로, 연약지반 개량공법은 고대 로마 시대부터 시작된 오랜 역사를 가지고 있으며, 현대에 이르러 다양한 과학적 원리와 기술을 통해 혁신적으로 발전해 왔다. 물리적, 화학적, 생물학적 방법을 포함한 다양한 공법들은 각기 다른 지반 조건과 개량 목적에 맞게 적용되어, 건설과 인프라 개발에 필수적인 역할을 하고 있다. 앞으로도 연약지반 개량공법은 지속적인 연구와 기술 발전을 통해 더욱 효율적이고 안전한 방향으로 발전할 것이다.

인장균열의 비밀: 주동토압이 사라지는 '점착고'란?

정의

지반공학에서 '점착고'는 주동토압이 0이 되는 깊이로, 점착력이 있는 흙에서 인장균열의 도달 깊이를 의미함

점착고 = 인장균열(tension crack) 도달깊이

점착고는 점착력이 있는 흙에서 고려하며 점착력에 의한 힘과 주동토압을 더하여 주동토압이 0이 되는 깊이를 의미함

설명

점착력은 흙 입자 간의 결합력을 의미하며, 주로 점토질 흙에서 관찰된다. 이러한 점착력은 흙의 강도와 안정성을 결정짓는 중요한 요소이다. 흙이 점착력을 가지면, 그 흙은 자체적으로 결합하려는 성질을 가지게 되어, 외부 힘에 저항할 수 있는 힘이 생긴다.

주동토압은 흙이 변형될 때 발생하는 토압으로, 지반이 변형되면서 흙 내부에 발생하는 압력이다. 지반이 깊어질수록 주동토압은 증가한다. 하지만 점착력(주동토압과 반대방향의 힘)은 깊이에 무관하므로, 두 힘이 균형을 이루는 지점이 생기는데 이 지점이 바로 점착고이다.

지반공학에서는 점착고를 정확하게 예측하는 것이 매우 중요하다. 이는 건축물의 기초 설계나 지하 구조물의 안정성을 평가하는 데 필수적이기 때문이다. 예를 들어, 댐이나 제방과 같은 대형 구조물의 경우, 점착고를 고려하지 않으면 인장균열로 인해 구조물의 안전성이 크게 저하될 수 있다.

점착고를 측정하는 방법은 주로 실험실에서의 직접 측정과 현장 조사로 나뉜다. 실험실에서는 점토 샘플을 채취하여 전단 시험을 통해 점착력을 측정하여 이를 기반으로 점착고를 계산할 수 있다. 현장 조사에서는 지하탐사 기법을 통해 흙의 성질과 점착력을 직접 평가할 수 있다.

연약지반 

1. 흙의 성질 및 분류
2. 다짐
3. 투수
4. 압밀
5. 전단강도
6. 사면
7. 토압
8. 흙막이
9. 얕은기초
10. 깊은기초
11. 지반조사
12. 연약지반
13. 폐기물 매립
14. 암반
15. 터널
16. 진동 내진

스미어 ()

연직배수 등의 타설로 인하여 주변점토가 교란되는것

교란으로 인해 점토의 투수성이 감소된다.

정의

베노토(Benoto)공법은 프랑스 베노토社가 개발한 공법

특징 공벽의 안정을 위해서 케이싱(Casing)을 사용하여 베노토공법을 올케이싱(All casing)공법이라고도 함

베노토공법은 건설 현장에서 지반을 강화하고 지하수 유입을 차단하는 혁신적인 케이싱 공법입니다.

이 방법은 20세기 초, 엔지니어인 베노토에 의해 개발되었으며, 그의 이름을 따서 명명되었습니다.

베노토공법은 지반을 뚫고 케이싱을 설치하는 동안 지반 침식을 방지하고, 구조물의 안정성을 보장합니다.

이 기술은 특히 연약한 지반에서의 터널링, 기초 공사, 그리고 지하 구조물 건설에 있어서 매우 유용합니다. 베노토공법의 핵심은 지반에 케이싱을 설치하면서 동시에 회전 드릴링을 통해 내부를 굴착하는 것입니다. 이 과정에서 케이싱은 지반을 안정시키며, 드릴링은 효율적으로 내부 재료를 제거합니다.

역사적으로 베노토공법은 여러 대규모 프로젝트에서 그 효용성이 입증되었습니다. 예를 들어, 이 방법은 복잡한 지반 조건에서의 지하철 노선 건설이나 대형 교량의 기초 공사에 성공적으로 적용되었습니다. 이 공법은 작업의 안전성을 높이고, 공사 기간을 단축시키며, 전체적인 비용을 절감하는 데 기여합니다.

과학적 사실로 볼 때, 베노토공법은 지반과 상호작용하는 동안 발생할 수 있는 여러 문제들, 예를 들어 지반 침식이나 지하수 유입을 효과적으로 제어합니다. 이는 케이싱을 통해 지반을 보호하고, 동시에 드릴링으로 내부 재료를 안전하게 제거함으로써 구조물의 안정성을 최대화하는 방식으로 이루어집니다.

결론적으로, 베노토공법은 건설 기술의 진보를 대표하는 혁신적인 방법입니다. 그것은 공사의 효율성과 안전성을 크게 향상시키며, 다양한 건설 환경에서 그 가치를 증명하고 있습니다.

상대밀도, 건설 현장의 안전을 좌우하는 결정적 요소

상대밀도는 지반의 상태를 평가하는 중요한 지표로, 건설 현장에서 지반의 안정성을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다. 상대밀도는 다짐도와 밀접한 관계가 있으며, 이는 구조물의 안전과 직결된다.

상대밀도(Relative Density)는 토질역학에서 지반의 다짐 상태를 나타내는 중요한 개념이다. 이는 실제 지반의 밀도가 최대 밀도와 최소 밀도 사이에서 어디에 위치하는지를 보여준다. 상대밀도는 주로 사질토(모래) 지반에서 사용되며, 지반의 강도와 압축성을 평가하는 데 사용된다.

정의 및 표현 

조립토(모래 자갈 등 입경이 큰 흙)의 조밀한 정도를 나타낸다.

상대밀도는 백분율로 표현되며, 0%는 지반이 가장 느슨한 상태, 100%는 지반이 가장 치밀한 상태를 의미한다.

한문: 相對密度(서로 상, 대답할 대, 빽빽할 밀, 법도 도)

영문: Relative density

여기서, e_max는 최대 간극비, e_min는 최소 간극비, e는 현재 간극비를 나타낸다. 간극비는 지반 내의 간극 공간의 비율을 의미하며 흙의 부피에 대한 간극의 부피로 정의된다. 

상대밀도의 중요성

상대밀도는 지반의 다짐 정도를 평가하는 데 중요한 지표로 사용된다. 다짐이 잘 된 지반은 침하와 변형이 적어 구조물의 안정성이 높다. 반대로, 다짐이 부족한 지반은 침하와 변형이 발생할 가능성이 높아 구조물의 안정성을 저하시킬 수 있다.

또한, 상대밀도는 지반의 강도를 평가하는 데도 중요한 역할을 한다. 상대밀도가 높은 지반은 전단강도가 높아 외부 하중에 대한 저항력이 크다. 

상대밀도의 개념은 20세기 초에 도입되었다. 초기 연구자들은 지반의 밀도가 구조물의 안정성에 미치는 영향을 인식하고, 이를 정량적으로 평가하기 위한 방법을 개발했다. 그 결과 상대밀도의 개념이 도입되었으며, 이후 많은 연구를 통해 이 개념이 발전하고 구체화되었다. 사질토는 입자 간의 결합력이 약해 다짐 정도에 따라 물리적 특성이 크게 변하므로 상대밀도는 특히 사질토 지반에서 중요한 지표이다. 상대밀도를 통해 사질토의 상태를 평가함으로써, 지반의 안정성과 구조물의 안전을 평가 할 수 있다.

상대밀도가 높은 지반의 구조물은 안정성이 높다. 예를 들어, 도로 건설 시 상대밀도가 높은 지반은 도로의 침하를 방지하고, 장기적인 안정성을 확보한다. 실제로, 미국의 여러 고속도로 건설 현장에서 상대밀도가 높은 지반을 사용하여 도로의 내구성을 크게 향상시킨 사례가 있다. 또한, 상대밀도는 지반의 액상화 가능성을 평가하는 데도 중요한 역할을 한다. 액상화는 지진 등 외부 충격에 의해 지반이 액체처럼 변하는 현상으로, 상대밀도가 낮은 지반에서 발생할 가능성이 높다. 따라서 상대밀도를 높여 액상화 위험을 줄이는 것이 중요하다.

실무에서 상대밀도는 지반 조사와 설계, 시공 과정에서 중요한 역할을 한다. 지반 조사를 통해 상대밀도를 측정하고, 이를 바탕으로 적절한 설계와 시공 방법을 결정한다. 예를 들어, 상대밀도가 낮은 지반에서는 다짐 작업을 통해 상대밀도를 높이고, 구조물의 안정성을 확보한다. 또한, 상대밀도는 지반 개량 공법의 선택에도 영향을 미친다. 상대밀도가 낮은 지반에서는 지반 주입, 다짐, 배수 등의 개량 공법을 통해 상대밀도를 높여야 한다. 이러한 개량 작업은 구조물의 안전성과 장기적인 내구성을 보장하는 데 필수적이다.

상대밀도의 측정 방법

상대밀도를 측정하는 방법에는 실내 시험과 현장 시험이 있다.

1. 실내 시험: 실내 시험에서는 다짐 몰드를 이용하여 최대, 최소의 건조단위중량을 산정하여 상대밀도를 구할 수 있다.
2. 현장 시험: 현장에서는 표준 관입 시험(Standard Penetration Test, SPT)과 콘관입 시험(Cone Penetration Test, CPT)을 통해 상대밀도를 평가할 수 있다. SPT는 표준 관입량을 측정하여 상대밀도를 추정하는 방법이고, CPT는 콘의 저항력을 측정하여 상대밀도를 추정한다.

요약

상대밀도는 지반의 상태를 평가하는 중요한 지표로, 건설 현장에서 지반의 안정성을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다. 상대밀도는 다짐도와 밀접한 관계가 있으며, 지반의 강도와 압축성을 평가하는 데 사용된다. 실험실 시험과 현장 시험을 통해 상대밀도를 측정하고, 이를 바탕으로 적절한 설계와 시공 방법을 결정하여 구조물의 안전성을 확보할 수 있다.

역사적으로도 상대밀도는 지반 공학의 중요한 개념으로 자리 잡았으며, 앞으로도 지속적인 연구와 기술 발전을 통해 더욱 효율적이고 정확한 지반 평가 방법으로 발전할 것이다.