安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020
報 告

大型三軸試験装置を用いた礫質土の力学特性評価事例
室山拓生 *1・永井裕之 *2
技術研究所では，近年，三軸試験機を再整備し，礫材料（盛土材料）や新材料（アッシュクリートなどの固化破砕材）などの材料に対して積極的に試験を実施している。こうした取組の中で，本稿では石炭
灰（原粉）活用の取組みとして，大型三軸試験機を用いた力学特性および安定性（クリープ特性・破砕特性）を把握し，人工地盤材料(破砕材)としての適用性について検討した事例を報告する。また，従来の乾燥密度と含水比の管理に加えて，より高品質な盛土を効率的に施工する技術として飽和度を重視した締固め管理手法が提案されているが，礫材料である盛土材の基本的な性質である，飽和度の異なる盛土材料の強度特性把握の大型三軸圧縮試験についても併せて報告する。
キーワード： 大型三軸試験，石炭灰，人工地盤材料，飽和度，締固め

表 -１

１．はじめに三軸試験の供試体寸法
直径(cm) 高さ(cm)

技術研究所では表 -１に示す供試体寸法の異なる各種

小型試験装置

三軸試験機を保有しており，地盤関係の研究開発や現場

中型試験装置支援などに幅広く活用している。特に写真 -１に示す大大型試験装置型三軸試験機については，阪神・淡路大震災以降，まさ

5

10

10
15
20
30

20
30
40
60

土などの礫質土の液状化強度などの動的特性の評価・研究 1)，2）などに用いられてきた。また，最近では礫材料（盛土材料）や新材料（アッシュクリートなどの固化破砕材）などの材料に対して積極的に試験を実施しており，その対応のため試験機の再整備などが行われた。
本稿は，再整備した大型三軸圧縮試験の事例として，
石炭灰（原粉）活用の取組みである人工地盤材料（破砕材）としての適用性について検討した事例と比較的新しい盛土の品質管理手法である飽和度管理の一環で実施した密度・飽和度の異なる盛土材料の強度特性を検討した
事例について報告するものである。

２．適 用事例１：人工地盤材料（破砕材）としての適用性検討
写真 -１

２. １

大型三軸試験装置

背景と目的

著者らは福島第一原子力発電所土木工事における石炭
灰（原粉）活用の取組 3) ～ 6） を進めている。図 -１に示

シルトフェンス

基礎マウンドす鋼製ケーソンとして有効利用する予定のメガフロート

K7K6魚類移動防止網K5 K4K8 作業船

東

波

K2

K1

堤

汚濁防止フェンス

6500

や大型重量ブロックの基礎マウンドに用いる人工地盤材

1-8

起重機船

料（石炭灰の固化体の破砕材；以下，固化破砕材）が礫

1-4
1-2

S8

作業船

1-3

S6

S7
#1ｽｸﾘｰﾝ・ﾎﾟﾝﾌﾟ室

S5 S4#2ｽｸﾘｰﾝ・ﾎﾟﾝﾌﾟ室

S3

1-5

S2
#3ｽｸﾘｰﾝ・ﾎﾟﾝﾌﾟ室

1-6

S1

#4ｽｸﾘｰﾝ・ﾎﾟﾝﾌﾟ室
消波堤

1-1#1,2,3
放水口

1:2

1:1.3

質材料であることから，この材料について大型三軸試験

T.P+4.400物 揚 場機を用いた三軸試験により力学特性および安定性（ク#1共通配管ﾀﾞｸﾄ(東側)リープ特性・破砕特性）を評価した。
*1 土木研究部

K3
除

図 -１

*2 技術第二部

1

メガフロート工事概要

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

表 -２

２. ２ 基礎マウンド材の材料特性と試験項目
基礎マウンド材に用いるアッシュクリート固化体の配基礎マウンド材（固化材）の配合表

設計基準
Ad添加率 水粉体比
強度
（%）
（%）
(N/mm 2)

合表を表 -２，材令と圧縮強度の関係を図 -２に示す。

単位量（kg/m 3）

C

F

W

Ad

試験に使用する材料は，表 -２に示す固化体を破砕し

10

3

28.5

386

174

1145

35

粒度を調整したφ 20-40mm の固化破砕材とした。これは

35

3

29.8

428

683

695

21

図 -２

石炭灰混合材料の材齢と圧縮強度

施工過程による細粒分の流出などを考慮したものである。
材料強度と締固め度（密度）の強度特性に及ぼす影響を比較する目的で実施した大型三軸圧縮試験（ＣＤ試験）
では突き固めによる締固めにより密度調整を行い，現地での施工状況を考慮した大型三軸圧縮試験機を用いた載荷試験では，水中落下法で Dc=80% に調整し試験を実施した。
試験項目を表 -４に示す。
固化破砕材の密度特性を表 -３，
また，固化破砕材に対しては，スレーキング特性を把握するため，「岩石の促進スレーキング試験方法」による試験も実施した。スレーキング区分は 10N，35N のいずれの試料および浸潤させる水条件についても「変化なし：0」を示し，浸潤による経時的な性質変化（劣化）などの影響はほとんどないものと考えられる。図 -３には，スレーキング試験中の含水比変化を示すが，乾湿繰

表 -３

返しに伴う含水特性の変化も認められなかった。

項目

固化破砕材の強度特性を把握するとともに，長期的な圧土 粒 子の 密度

縮特性や細粒分流出などを確認し，人工地盤材料としての適用性を把握するため，表 -４に示す試験，検討を行った。

２. ３ 大型三軸試験による力学特性・安定性
検討結果
(1)

基礎マウンド材（固化破砕材）の密度特性3

設計基準強度
10N/mm 2
35N/mm 2
2.335
2.435

ρs

g/cm

最 大 乾燥 密度 ρ dmaxg/cm 3

1.098

1.177

最 小 乾燥 密度 ρ dming/cm 3

0.781

0.837

湿 潤 密 度γtg/cm 3

最適含水比

w opt

％

摘要

1.215

1.251

Dc90%

1.086

1.119

Dc80%

23.9

18.3

三軸ＣＤ試験
35.00

また，表 -５に試験より得られた内部摩擦角Φ，粘着力ｃ2を示す。内部摩擦角Φは 10N/mm -Dc80% のケースでやや小30.00

脱イオン水125.00

脱イオン水2

含水 20.00比

脱イオン水3(

写真 -２に試験後の大型三軸圧縮試験機の状況を示す。

水道水2

%

2

)

さい値を示しているが，実際の荷重領域（上載圧 500kN/m未満）において十分な強度特性であると考えられる。

10.00

水道水3

5.00

塩水1

0.00

今回の実験結果により，設計基準強度による強度特性の

水道水1

15.00

塩水2
w1(%)

w2(%)

w3(%)

w1(%)

w2(%)

w3(%)

w1(%)

w2(%)

初期

水浸前 水浸24hr
経過後

初期

水浸前 水浸24hr
経過後

初期

水浸前 水浸24hr
経過後違いは，設計基準強度が大きくなるとφが大きくなり，荷

1回目

図 -３

重領域が大きな箇所での強度増加に寄与することが確認

2回目

w3(%)

塩水3

3回目

スレーキング試験時の含水比変化

2された。また，締固め度の違いは，設計基準強度 35N/mm(2） 載荷試験で比較すると，粘着力ｃが大きくなり，内部摩擦角φは抑載荷試験は，現場で作製した固化破砕材（35N/mm2）

えられる結果となり，締固め度の増加は，実際の荷重領域付近の強度増加に大きく寄与することが確認された。
表 -４で大型三軸試験機を用いて，大型ブロック設置後と同じ
試験項目一覧

試験項目

大型三軸試験機を用いた載荷試験
粒度試験(ふるい)

JIS A 1204「土の粒度試験方法」に準拠する。大型三軸 CD 試験及び載荷試験の前後の試料にて実施し，破砕状況の確認を行った。

大型三軸圧縮(ＣＤ試験)
固化
破砕材

試験方法
密度（締固め度）と固化体強度（設計基準強度）の影響を検討。
粒径 φ20-40mm の固化破砕材の締固め度 90%で実施。
既往の試験結果との比較のため，供試体作成は「締固め」で行った。
現場施工状況を模して，施工後残留沈下の有無を確認するために実施。
粒径 φ20-40mm の固化破砕材の締固め度 80%で実施。
現地状況を鑑み，「水中落下法」で供試体を作成した。

2

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

ような応力状態（鉛直応力σv=300kN/m2）を要素実験として模擬し，残留沈下量の測定，破砕（細粒化）状況の確認を行うための載荷試験を実施したものである。
図 -４に示すように，鉛直変位は載荷前後で上載圧に応じた変位が即時的に生じたのち，継続的に変位する傾向などは認められない。したがって，現場においても長期的な変位（沈下）が生じる可能性は極めて小さいものと考えられる。
体積変化についても，鉛直変位と同様に大きな変化は認められない。ただし，鉛直変位と比較して変化量が落ち着くまでの時間を要するようであった。
(3） 破砕状況

写真 -２

大型三軸圧縮試験機（試験後）

図 -５に示す試験前後の粒度試験の結果から，突き固めにより，φ20-40mm の試料が，φ0-40mm となるような

表 -５破砕が見られ，特にφ10mm-20mm の範囲で増加が大きい
結果となった。これは試料作製時の突き固めおよびせん

三軸圧縮試験（CD）試験結果一覧

35N/mm 2

10N/mm 2

強度特性

Dc80%

断により，試料が 2 つから 3 つの試料片に割れた状況で

内 部 摩 擦角 φ(°)

あると推察される。しかし，より顕著な流出が懸念されるような数 mm の破砕試料の増加（細粒化）は 10% 未満，

粘

着

2

力 ｃ(kN/m )

Dc90%

30.7

36.3

28.2

51.05

44.79

127.72

一般に細粒分といわれる 0.075mm 未満の試料について
は，増加は 5% に満たない範囲である。すなわち，特に実施工を考慮した載荷試験で破砕・細粒化された試料が比較的少ないことからも，破砕による細粒化および細粒分の流出については，影響は大きくないと考える。

２. ４ まとめ福島第一原子力発電所港湾関係工事において，メガフ
ロート工事（特に大型重量ブロック）の基礎マウンド材料に用いる固化破砕材について , 力学・安定性についての検討を実施した。その結果，設計基準強度 35N/mm2 で

図 -４

載荷試験結果作製した固化破砕材を，設計上必要な荷重範囲内で基礎
マウンド材料として活用する場合は，十分な強度を有し，通過質量百分率 （％）

破砕や施工後残留沈下についても懸念はないことを確認した。このことから , 基礎マウンド材として 35N/mm2Dc90% の固化破砕材を適用することについて問題はなく，適用可能と考えられる。

３．適 用事例２：飽和度の異なる盛土（礫）材料の強度特性

図 -５

３. １ 背景と目的

試験前後の粒度特性

近年，激甚化する大地震や集中豪雨などの自然災害の頻発化への合理的な対策工が求められている。一方で，品質管理されてきた。近年では加速度応答法によりリア

i-Construction の推進という近年の社会的な背景を踏まルタイムかつ面的な品質評価手法や飽和度 Sr を用いた

え，効率的な施工管理手法による高品質な盛土の構築が盛土の品質管理手法などが提案されている。しかし，こ

課題といえる。従来の盛土の締固めは，転圧後に限られれまではあくまで小粒径材料を対象とした研究成果に基た場所で土の乾燥密度ρd，含水比 w を測定することでづいたものであり，大粒径を含む実施工に適用された事

3

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

例は少ない。
従来の盛土品質管理は，ある締固めエネルギでの最大乾燥密度と最適含水比を設定し，最適含水比と等しいか
やや湿潤状態の土質試料を用いて，締固め度 Dc（Dc= 現場で締固めた土の乾燥密度 / 基準の締固め試験の最大乾燥密度）を指標として品質管理を行うことが主流である。しかし，例えば，標準プロクター試験（1Ec）を基準とした場合，最新の施工機械を用いると締固めエネル
ギはそれをはるかに上回る例が多い。また，現場では締固めエネルギが不明であることが多く，転圧しすぎて飽

図 -６ 三軸試験に用いた粒度調整した盛土材料の粒度特性

和度が高くなりすぎ，過転圧となる恐れがある。一般的に最適含水比は締固めエネルギによって変動する値であ形係数）が小さくなる傾向が見られた。

り，最大乾燥密度が上昇するにつれて小さくなる傾向に体積変化（ひずみ）についても，締固め度 100% におある。このため，近年，龍岡ら 7),8) は，粘性土，砂，礫

ける体積変化が最も大きく，歪軟化も顕著に見られた。

質土を対象と幅広い土質材料を対象に締固めの研究を

締固め度 95% の試料では，顕著な歪軟化はほとんど認め行っており，最適飽和度（最大乾燥密度を示す時の飽和られず，体積変化も比較的小さいものであった。

度）Sropt と最大乾燥密度を基準として，締固め乾燥密度(3） 含水状態と強度の関係

ρd と飽和度 Sr を用いた締固め曲線（ρd ～ Sr 曲線）を今回使用した試料を採取した現場では，盛土の品質管用いることにより，土の締固めの程度を表現することを理基準値に，一般的な締固め基準による管理値ρ d，含検討し，盛土の飽和度管理手法を提案している。

水比 w に加え，飽和度 Sr を追加し，より高度な飽和度

本稿では，含水状態（飽和度）および粒径（最大粒径：管理手法を取り入れた。これにより，過大な飽和度 SrDmax）を変化させた盛土材料に対して小型三軸圧縮試験

による過転圧時の強度・剛性低下のリスクや過小な飽和（CU），大型三軸圧縮試験（CU）を実施し，盛土の品質管

度 Sr による水浸時の強度低下や沈下のリスクを排除す

理に資する，盛土材料の粒径・含水状態と強度の関係にることが可能となった。すなわち，飽和度 Sr の上下限ついて検討した結果を示す。

値を管理基準に導入することで従来よりも高品質な盛土の構築ができると考えられる。

３. ２ 最 大粒径を変えた盛土材料に対する大型三軸試験

づいて要求品質を満足するように締固め目標を設定する(1） 試験に用いた盛土材料

こととし，盛土の要求品質は標準プロクター（1Ec）に

当施工現場においては，実施した室内試験の結果に基試験には岩手県釜石市の道路盛土の現場における対する締固め度 (Dc)1Ec ≧ 97%（現場 RI 管理での値。室

盛土材を粒度調整して使用した。図 -６に，最大粒径

内試験は Dc=95% とした。）とせん断抵抗角φ≧ 30°とDmax=4.75 ～ 75.0mm に粒度調整した盛土材料の粒径加積した。要求品質を満足するρd，Sr，w の管理範囲を図 -曲線を示す。これらの試料のうち，Dmax=4.75 ～ 19.0mm

８の黄色のハッチング部と設定した。また Sr の上限値，までのものは一般的な小型三軸試験機で試験を行い，下限値は，作成した供試体の Sr の最大値と最小値を参Dmax=37.5 ～ 75.0mm の試料は大型三軸試験機を用いて三考に設定した。

軸試験（CU）を実施した。

図 -９は突固めによる土の締固め試験によって求めた(2） 三軸圧縮試験結果

締固め曲線上に今回の試験結果（試験実施時状態とせん

図 -６で示した粒度調整試料のうち大型三軸圧縮試断抵抗角）を示したものである。

験機を用いた Dmax=37.5 ～ 75.0mm の試料の三軸圧縮試験

図 -10 は最大粒径 Dmax 毎に飽和度と強度特性である（CU）結果を図 -７に示す。

せん断抵抗角の関係を整理したものである。最適飽和度

これらの三軸圧縮試験は，後述する各試料の締固め（Sr=88.5%）に向かって若干のせん断抵抗角の増加傾向

曲 線 上 で， 締 固 め 度 を 95%（ ま た は 100%）， 飽 和 度 をがみられるが，せん断時の密度の影響が出ているものと60,70,80% とした状態における試験結果である。

考えられる。また，同様の締固め度（乾燥密度），含水

全体には，締固め度が大きいほど，ピーク強度（軸差条件（飽和度）では，最大粒径が大きい（砂礫混入率が応力）が大きくなり，飽和度の変化によって，強度も変大きい）ほど，せん断抵抗角は大きくなる傾向を示した。

化する結果となった。また，飽和度が 80% と大きくなる(4） 密度状態と強度の関係と，軸差応力 - 軸ひずみ曲線における，初期の傾き（変図 -11 は本実験結果で飽和度 80% における乾燥密度と4

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図 -７

大型三軸圧縮試験結果（左：軸差応力 - 軸ひずみ関係，右：体積ひずみ - 軸ひずみ関係）

せん断抵抗角φpeak の関係を示したものである。実験に

現場全粒度試料
Dmax=75.0mm(Walker-Holtz法)

品質管理範囲乾燥密度 , ρd (g/cm3)

おける乾燥密度の範囲内では線形関係にあり，最大粒径
Dmax の影響はほとんどないことが確認された。
また，礫の混入程度と強度の増加率の関係について，
図 -12 に Walker-Holtz の礫率補正式における礫の混入率（礫率）P とφ比率（基準 Dmax=75mm）の関係を示した。
礫の混入率 P は，「加えた礫粒子の質量」と「礫混入後2.00
DL=(Dc)1Ec97%
1.80の全土粒子の質量」の比 P= α r/(1+ α r)>0，もしくは「除締固め曲線(B-c)
Dmax=37.5mm

去した礫の質量」の割合 P= α f で表されるものである。

1.60

図 -12 より，強度の増加（変化）率は，礫率で表現す

0

10

20

含水比 , w (%)

ることで，最大礫径によらず一意な線形関係を示すこと
図 -８がわかった。

現場における盛土品質の飽和度管理概念図を実施した。礫材料盛土の強度特性は，飽和度などの含

３. ３ まとめ飽和度管理手法を礫材料の盛土へ適用するにあたり，

水状態よりも，礫の混入率や最大礫径，もしくは乾燥密

基準値策定のための試験の一環として大型三軸圧縮試験

度などの密度状態に大きく影響を受け，強度に対する礫5

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

図 -10

図 -11

図 -９

Dmax 毎の飽和度とせん断抵抗角

乾燥密度ρ d とせん断抵抗角φpeak の関係

Dmax 毎の締固め曲線とせん断抵抗角

混入率，乾燥密度の影響は，実際の施工の範囲であれば線形関係にある。また，影響の度合いについては飽和度

図 -12

礫の混入率とφ増加率の関係が小さいほど，線形の傾きが大きくなることが確認された。
今後，現場での適用に際し，飽和度管理手法を適用す

い盛土の品質管理手法である飽和度管理における盛土材

る際の礫補正の考え方，一般的な室内試験レベルから現料の強度特性検討事例について報告した。

場強度の推定手法の検討を行っていく予定である。

新材料への適用については，材料が硬質で実験中にスリーブが破れるなどの問題もあったが，実験方法を組み

４．おわりに合わせることで，クリープ・破砕特性，力学特性を把握するための十分なデータを得ることができた。

本稿では，再整備した大型三軸圧縮試験の事例として，礫質土など粗粒材料の締固めは，礫率による密度補正

石炭灰（原粉）活用の取組みである人工地盤材料（破砕や粒子破砕等の諸課題について未だ議論の最中であり，材）としての適用性について検討した事例と比較的新し

また近年では ICT 技術の活用やリアルタイムかつ面的に

6

安藤ハザマ研究年報 Vol.8 2020

盛土品質を評価する取組みも活発に行われ，今後も盛土

４）髙木亮一，田所治，増井香織，小池雄一郎：福島第などを評価する新しい指標・評価手法も今後増えてくる

一原子力発電所工事における石炭灰活用の取組（そものと思われる。これらの新技術をより現場に近い条件の 2 施工編），土木学会全国大会第 74 回年次学術講での材料試験で評価が行える大型三軸圧縮試験技術を保演会，Ⅵ -967，2019

持・継承しておくことは非常に重要であると考える。

５）河原忠弘，古川園健朗，坂本守，高木亮一：福島第一原子力発電所工事における石炭灰活用の取組（そ

参

考

文

献

の 3 品質管理編），土木学会全国大会第 74 回年次学

１）平澤賢治，脇田和試，大前延夫，松原勝己，吉見憲

術講演会，Ⅵ -968，2019

一：大型振動三軸試験装置を用いたレキ質マサ土の６）室山拓生，坂本守，増井香織，野口幸太：福島第一液状化試験，阪神・淡路大震災に関する学術講演会

原子力発電所工事における石炭灰活用の取組（その論文集，土木学会，pp.183-186，1996

4 物性編），土木学会全国大会第 74 回年次学術講演

２）足立有史，三原正哉，浦野和彦，大前延夫：大型繰

会，Ⅵ -969，2019

返し三軸試験による礫質土の動的特性，ハザマ研究

７）龍岡文夫，藤代健司，須藤雅人，建山和由，根本忠：年報，pp.51-56，1999

乾燥密度と飽和度の関数として締固めた土の物性，

３）増井香織，藤田純一，坂本守，髙木亮一：福島第一

第 48 回地盤工学研究発表会，pp575-578，2013

原子力発電所工事における石炭灰活用の取組（その８）龍岡文夫ら : 地盤工学・技術ノート , 盛土の締固め

1 設計編），土木学会全国大会第 74 回年次学術講演

1 ～ 20 回，雑誌「基礎工」,2013 年 7 月号～ 2015

会，Ⅵ -966，2019

年 2 月号

Example of evaluation of mechanical properties of gravel soil using a large triaxial testing machine
Takuo MUROYAMA, Hiroyuki NAGAI

In recent years, the Technical Research Institute has redeveloped the triaxial testing machine
and is actively conducting tests on materials such as gravel materials (filling materials) andnew materials (solidified crushed materials such as ash cleats). As an initiative to utilize coalash (raw powder), an example of understanding the mechanical properties and stability (creep
characteristics / crushing characteristics) using a large triaxial tester and examining theapplicability as an artificial ground material (crushing material) has been reported. In addition
to the conventional control of dry density and water content, a compaction management methodthat emphasizes saturation has been proposed as a technique for efficiently constructing higher
quality embankments using gravel materials. We also report on a large triaxial compression test for
grasping the strength characteristics of embankment materials with different saturation properties.

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