아터버그 한계
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1. 개요
아터버그 한계는 점착성 흙의 함수량 변화에 따른 상태 변화를 나타내는 지표로, 액성 한계, 소성 한계, 수축 한계로 구성된다. 각 한계는 흙의 연경도와 공학적 특성을 결정하며, 흙의 분류와 특성 파악에 활용된다. 액성 한계는 흙이 액체 상태에서 소성 상태로 변하는 함수비, 소성 한계는 소성 상태에서 반고체 상태로 변하는 함수비, 수축 한계는 부피 변화가 멈추는 함수비를 의미한다. 아터버그 한계와 함께 소성 지수, 액성 지수, 활성도 등의 지수를 활용하여 흙의 특성을 평가한다.
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| 아터버그 한계 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 정의 | 흙의 함수량과 관련된 지반 공학적 특성 |
| 주요 특징 | 흙의 상태를 액성, 소성, 반고체성, 고체성으로 구분하는 지표 |
| 활용 분야 | 흙의 분류, 다짐 설계, 사면 안정성 분석 등 |
| 아터버그 한계 | |
| 액성 한계 (LL) | 흙이 액체 상태에서 소성 상태로 변하는 경계 함수비 |
| 소성 한계 (PL) | 흙이 소성 상태에서 반고체 상태로 변하는 경계 함수비 |
| 수축 한계 (SL) | 흙이 반고체 상태에서 고체 상태로 변하는 경계 함수비 |
| 관련 지수 | |
| 소성 지수 (PI) | 액성 한계 (LL) - 소성 한계 (PL) |
| 액성 지수 (LI) | (함수비 - 소성 한계) / 소성 지수 |
| 수축성 지수 (SI) | 함수비 변화에 대한 체적 변화 비율 |
| 측정 방법 | |
| 액성 한계 측정 | 캐서그랜드 액성토 시험 |
| 소성 한계 측정 | 3mm 실뜨기 시험 |
| 수축 한계 측정 | 수은 치환법 |
| 역사 | |
| 개발자 | 알베르트 아터베르그 |
| 개발 연도 | 1911년 |
| 기원 | 스웨덴 토양 역학 |
| 참고 사항 | |
| 중요성 | 토양의 공학적 성질을 파악하는 데 중요한 지표 |
| 주의 사항 | 흙의 종류에 따라 아터버그 한계 값이 다름 |
2. 정의
일반적으로 점착성이 있는 흙은 함수량에 따라 성질이 달라진다. 함수량이 매우 높으면 흙 입자는 물속에 떠 있는 상태로 있다가, 함수량이 감소하면서 점착성이 있는 풀(slurry)과 같은 상태, 소성을 나타내는 상태, 반고체 상태, 고체 상태로 변화한다. 이처럼 점착성이 있는 흙의 함수량에 따른 연하고 딱딱한 정도를 흙의 연경도(consistency of soil)라고 한다.
함수량의 변화는 연경도뿐만 아니라 부피에도 영향을 미친다. 함수량이 매우 높아 액체인 상태에서는 흙의 부피가 가장 크며, 함수량이 감소함에 따라 소성, 반고체 상태로 변화하면서 부피는 점차 감소한다. 그러다 함수량이 줄어 흙이 고체 상태가 되면 함수량이 줄어도 부피 변화는 없다. 이와 같이 함수량이 매우 높은 액체 상태의 흙이 건조되어 가면서 거치는 4가지 상태, 즉 액성 상태, 소성 상태, 반고체 상태, 고체 상태의 변화하는 한계 지점의 함수비를 아터버그 한계라고 한다.[1] 각 상태마다 흙의 연경도와 거동이 달라지며, 이에 따라 공학적 특성도 달라진다.
2. 1. 액성 한계 (Liquid Limit, LL)
액성 한계(Liquid Limit, LL)는 흙이 액체 상태와 소성 상태의 경계가 되는 함수비를 의미한다. KS F 2304 액성 한계 시험에 따르면, 1cm 높이의 황동 접시를 1초에 2회 비율로 25회 떨어뜨렸을 때, 양분된 흙이 양측으로부터 흘러내려 1.5cm 길이로 합쳐졌을 때의 함수비로 정의된다.[4]카사그란데는 시험 장치를 표준화하고 측정 절차를 개선하여 시험의 재현성을 높였다. 흙을 카사그란데 컵이라는 금속 컵에 넣고, 폭 2mm의 표준 도구로 가운데에 홈을 만든다. 이후 컵을 1분에 120회 속도로 10mm씩 반복해서 떨어뜨리고, 홈이 닫히는 데 필요한 타격 횟수를 기록한다. 홈이 12.7mm 거리에서 닫히는 데 25회의 타격이 필요한 함수비를 액성 한계로 정의한다.[5]
액성 한계를 측정하는 또 다른 방법으로는 낙하 콘 시험이 있다. 이 방법은 특정 정점각, 길이, 질량을 가진 표준화된 스테인리스강 콘이 흙 속으로 관입하는 정도를 측정하여 액성 한계를 구한다. 카사그란데 시험은 북미 지역에서 널리 사용되지만, 낙하 콘 시험은 시험자의 숙련도에 덜 의존하기 때문에 유럽 및 기타 지역에서 더 널리 사용된다.[6]
낙하 콘 시험은 카사그란데 방법에 비해 다음과 같은 장점이 있다.[7]
- 실험실에서 수행하기 더 쉽다.
- 시험자의 기술이나 판단에 덜 의존적이므로 결과가 더 신뢰할 수 있다.
- 흙의 비배수 전단 강도를 추정하는 데 사용할 수 있다.
2. 2. 소성 한계 (Plastic Limit, PL)
소성 한계(Plastic Limit, PL)는 흙이 소성상태와 반고체상태의 경계가 되는 함수비를 의미한다. KS F 2304 소성한계 시험에 따라, 흙을 손바닥으로 굴려서 지름 3mm의 줄 모양으로 늘였을 때 막 잘라지려는 상태가 되었을 때의 함수비로 정의된다.[3]
2. 3. 수축 한계 (Shrinkage Limit, SL)
수축 한계(Shrinkage Limit, SL)는 반고체 상태와 고체 상태의 경계가 되는 함수비를 말한다. 흙의 함수량을 감소시켜도 흙의 용적이 줄지 않고, 함수량이 증가하면 흙의 용적이 증가하는 상태의 함수비를 KS F 2305 수축한계 시험에 따라 정의한다.[2]3. 아터버그 한계와 관련된 지수들
아터버그 한계는 흙의 특성을 나타내는 여러 지표들을 계산하는 데 사용된다.
- 소성 지수 (PI, plasticity index): 액성 한계(LL)와 소성 한계(PL)의 차이(PI = LL - PL)이다. 흙이 소성 상태로 존재할 수 있는 함수비 구간의 크기를 나타내며, 이 값이 클수록 세립분을 포함하고 소성이 풍부한 흙이다.[8]
- 수축 지수 (SI, shrinkage index): 소성 한계(PL)와 수축 한계(SL)의 차이(SI = PL - SL)이다. 이 값이 클수록 흙의 팽창성이 크고, 작으면 안정한 흙이다.[1]
- 액성 지수 (LI, liquidity index): (는 자연 상태의 함수비)로 계산된다. 흙의 유동 가능성을 나타내며, 0에 가까울수록 안정적이고, 1에 가까울수록 공학적으로 불안정한 흙이다.[1][2]
- 활성도 (A, activity): 소성 지수(PI)를 0.002mm보다 가는 입자의 중량 백분율(%)로 나눈 값(A = PI / (0.002 mm 보다 가는 입자의 중량백분율(%)))이다. 흙이 물을 흡수하는 정도를 나타내며, 이 값이 크면 지반의 팽창 잠재력이 커진다.[10]
이러한 한계값들은 압축성, 투수성, 강도와 같은 흙의 다른 특성들과 밀접한 관련이 있다.
3. 1. 소성 지수 (Plasticity Index, PI)
소성 지수(Plasticity Index, PI)는 액성 한계(LL)와 소성 한계(PL)의 차이(PI = LL - PL)로, 흙이 소성 상태로 존재할 수 있는 함수비 구간의 크기를 나타낸다.[8] 소성 지수가 클수록 세립분을 포함하는 소성이 풍부한 흙임을 의미하며,[8] 소성 지수가 0(비소성)인 흙은 실트나 점토 성분이 거의 없는 흙이다.소성 지수에 따른 흙의 특성은 다음과 같이 분류할 수 있다.[8]
| 소성 지수 (PI) | 흙의 특성 |
|---|---|
| 0 | 비소성 |
| < 7 | 약간 소성 |
| 7 - 17 | 중간 소성 |
| > 17 | 매우 소성 |
3. 2. 수축 지수 (Shrinkage Index, SI)
수축 지수(Shrinkage Index, SI)는 소성 한계(PL)와 수축 한계(SL)의 차이이다. 수축 지수가 큰 흙일수록 팽창성이 크고, 수축 지수가 작으면 안정한 흙이다.[1]SI = PL - SL
3. 3. 액성 지수 (Liquidity Index, LI)
액성지수는 자연 상태의 흙의 함수비에서 소성 한계를 뺀 값을 소성지수로 나눈 값이다. 액성지수는 흙의 유동 가능성을 나타내는 지표로, 0에 가까울수록 흙은 안정적이라고 볼 수 있다.[1] 자연 상태의 함수비가 액성한계에 가까워 액성지수가 1에 가까울수록 공학적으로 불안정한 흙이다.[2] 액성지수가 1이면 정규압밀점토, 0이면 과압밀 점토를 나타낸다.[3]액성 지수(LI)는 다음과 같이 계산한다.
:
- : 흙의 자연 상태 함수비
- PL: 소성 한계
- PI: 소성 지수 (PI = 액성 한계 - 소성 한계)
3. 4. 활성도 (Activity, A)
활성도(A)는 소성지수(PI)를 0.002mm보다 가는 입자의 중량 백분율(%)로 나눈 값이다. 흙의 상태 변화에 필요한 함수비는 입자의 단위중량당 표면적에 따라 달라지는데, 활성도는 흙이 물을 흡수하려는 정도를 나타낸다. 활성도가 크면 지반의 팽창 잠재력이 커진다.[10]활성도는 흙의 입도 분율에 대한 소성 지수의 비율로 계산된다. 활성도에 따른 흙의 분류는 다음과 같다.[10]
- 0.75 미만: 비활성 흙
- 0.75 ~ 1.4: 중간 활성 흙
- 1.4 초과: 활성 흙
3. 5. 일관성 지수 (Consistency Index, Ic)
흙의 일관성(굳기)을 나타내는 지표이다. Consistency Index영어는 다음 식으로 계산된다.[1]: ''I''c = (''LL'' - ''W'') / (''LL'' - ''PL'')
여기서 ''W''는 현재 함수율이다. 액성 한계에서 흙은 일관성 지수가 0이고, 소성 한계에서 흙은 일관성 지수가 1이다. ''W'' > ''LL''이면 Consistency Index영어는 음수이며, 흙이 액체 상태임을 의미한다. 액성 지수와 일관성 지수의 합은 1이다.[1]
3. 6. 유동 지수 (Flow Index, If)
액성 한계를 결정할 때 타격 횟수의 로그값에 대한 함수로 표시한 함수에서 얻은 곡선은 거의 직선에 가까우며, 이를 유동 곡선이라고 한다.유동 곡선의 방정식은 다음과 같다. W = - If Log N + C
여기서 'If'는 유동 곡선의 기울기이며 "유동 지수"라고 한다.
3. 7. 인성 지수 (Toughness Index)
소성 지수를 유동 지수로 나눈 값으로, 흙의 전단 강도에 대한 정보를 제공한다.[9]4. 점토 광물별 아터버그 한계
수축 한계(SL)는 수분 손실이 더 이상 부피 감소를 유발하지 않는 함수비이다.[2] 수축 한계를 결정하는 시험은 ASTM International D4943이다. 수축 한계는 액성 한계 및 소성 한계보다 덜 일반적으로 사용된다.
5. 흙의 조직 및 소성 데이터
ASTM 표준 D 4318에 따르면, 소성 한계(PL)는 흙을 평평하고 비다공성 표면에 굴려 실처럼 가늘게 만들 때, 직경 3.2mm(약 1/8인치)에서 부서지는 중량 수분 함량으로 정의된다.[3] 만약 어떤 수분 함량에서도 흙을 3.2mm까지 가늘게 만들 수 없다면, 그 흙은 비소성으로 간주된다.
액성 한계(LL)는 점토질 흙이 소성 상태에서 액체 상태로 변하는 수분 함량으로 정의되지만, 실제로는 점진적인 변화를 보인다. 액성 한계에서의 흙의 전단 강도는 0이 아니며, 정확한 정의는 표준 시험 절차를 따른다.
소성 지수(PI)는 흙의 소성 정도를 나타내는 척도로, 액성 한계와 소성 한계의 차이(PI = LL - PL)로 계산된다. 소성 지수가 높을수록 점토 성분이 많고, 낮을수록 실트 성분이 많으며, 0이면 실트나 점토 성분이 거의 없음을 의미한다.[8]
소성 지수(PI)에 따른 흙의 특성은 다음과 같다.
| 소성 지수 (PI) | 특성 |
|---|---|
| 0 | 비소성 |
| < 7 | 약간 소성 |
| 7 ~ 17 | 중간 소성 |
| > 17 | 매우 소성 |
참조
[1]
웹사이트
Brief history of Swedish Soil Mechanics
http://www.geoforum.[...]
2007-01-15
[2]
웹사이트
Shrinkage Limit Test
http://www.usace.arm[...]
2006-12-21
[3]
웹사이트
Atterberg's Limits
https://www.aboutciv[...]
2019-09-22
[4]
웹사이트
ASTM D4318 - 10 Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils
http://www.astm.org/[...]
ASTM
2011-02-18
[5]
간행물
Fundamental Aspects of the Atterberg Limits
http://trid.trb.org/[...]
1967
[6]
문서
BS 1377 part 2
[7]
간행물
The effect of surface roughness and shear rate during fall-cone calibration
https://www.icevirtu[...]
2019-03-15
[8]
문서
Sowers, 1979
[9]
웹사이트
Atterberg Limits Soil Classification - Liquid Limit, Plastic Limit, Shrinkage
https://www.aboutciv[...]
2020-07-01
[10]
웹사이트
The Colloidal "Activity" of Clays
https://www.issmge.o[...]
International Society For Soil Mechanics and Geotechnical Engineering
1953
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