様式Ｃ－１９
科学研究費助成事業（科学研究費補助金）研究成果報告書
平成 25 年 7 月 1 日
機関番号：32201
研究種目：基盤研究(C)
研究期間： 平成 22 年度～ 平成 24 年度
課題番号：22560497
研究課題名（和文） 降雨と地震の複合作用に対する盛土安定性能評価のための基礎的研究
研究課題名（英文） Evaluation of safety for embankment due to rain fall and earth quake
研究代表者

西村 友良

（NISHIMURA TOMOYOSHI）

足利工業大学・工学部・教授
研究者番号：00237736
研究成果の概要（和文）：研究成果として水分特性曲線は不飽和土の有効応力解析に不可欠であること。不飽和土の安定性評価には浸透作用およびサクション載荷によるコラプス量の把握が必要。繰返し載荷時の不飽和状態の過剰間隙水圧の発生は小さく、不飽和状態から再度浸透作用を受けた土は液状化破壊を示した。また加圧膜法によるサクション制御を行い、規準化されている加圧板法では得られない高い測定技術の蓄積が得られた。
研究成果の概要（英文）：This study obtained as followings; SWCC is useful to conduct
effective stress analysis for unsaturated soils. Collapse behavior performed during
seepage and applying of suction that influence to unsaturated soil properties. At cyclicloading triaxial tests under undrained conditions, excess pore-water pressure occurred afew. Other hands, unsaturated soils due to seepage described that excess pore-water ratio
approached to 1.0 and took a failure as fully saturated soil. Also suction control technique
was developed through this test program.
交付決定額（金額単位：円）

直接経費

間接経費

合計

22 年度

1,600,000

480,000

2,080,000

23 年度

900,00270,000

1,170,000

24 年度

500,00150,000

650,000

3,000,000

900,000

3,900,000

総 計

研究分野：土木工学
科研費の分科・細目：土木工学・地盤工学
キーワード：不飽和土 サクション 繰返し三軸試験 液状化 降雨浸透１．研究開始当初の背景
気候変動によって集中豪雨の多発や予測を上回る時間的降雨量が発生し、土砂災害に対する対策がこれまで以上に求められている。さらに我が国は地震被害への対策も必要であり、近年“降雨浸透と地震の複合作用に対する土構造物の強化対策が強く求められている。土構造物の中で斜面を有する盛土内部は不飽和状態である。不飽和土は土粒子、間隙空気、間隙水によって構成されている。
不飽和土中にはサクションが作用し、サクシ
ョンが不飽和土のせん断強さ、体積変化、透水性などの工学的性質に深い関わり合いがある。不飽和土の工学的性質の解明の重要性が高まる中で特に“降雨浸透による崩壊の予測”と“降雨浸透後の地震に対する性能評価の検証”は盛土の弱点箇所・危険個所の抽出、防災の観点からも重要である。
表１ 試料の物理的特性のための基礎研究を行う。また加圧板法に代わる加圧膜法によって土の水分特性曲線を測定し、不飽和土の有効応力解析に役立てるとともにサクション制御を伴う不飽和土の繰返し三軸試験測定技術の蓄積試みる。
３．研究の方法
本研究の主な試験は土の保水性試験、不飽和非排気・非排水三軸圧縮試験（単調載荷試験）、不飽和非排気・非排水繰返し三軸試験、不飽和土に浸透作用を行い、さらには見かけ飽和状態の土を対象に非排気・非排水状態の繰返し三軸試験を実施した。

非接触型変位計
荷重計

供試体
試料キャップ
体積変化計
二重管ビュレット

改良ペデスタル
間隙空気圧供給

非接触型変位計
ロッド

図２

有孔ガイド
供試体
微細多孔質膜図１

水分特性曲線測定装置表２膜の物性
材質

ポリエーテルスルフォン

膜厚 μm

140

孔径 μm0.45

空気侵入値 kPa250

飽和透水係 m/sec

5.19×10-8

２．研究の目的“降雨浸透による崩壊の予測”と“降雨浸透後の地震に対する性能評価の検証”は盛土の弱点箇所・危険個所の抽出、防災の観点からも重要である。本研究では不飽和土を対象に不飽和非排気・非排水三軸圧縮試験および非排気・非排水状態の不飽和繰返し三軸試験を行い、土の保水性と単調載荷・繰返し載荷時の強度特性を関連付けて堤防安定強化対策

繰返し三軸試験機の三軸室実験に用いた試料は当初、砂質土を対象と考えたが、地震被害を受ける盛土は全てが砂質土ではなく、細粒分を含む土質材料を選択することで、本研究の成果が防災・減災のため広く社会に寄与すると判断した。実験計画
では非塑性シルトを用いた。さらに研究代表者が知る限りでは、砂質土に関する液状化現
象の研究報告に比べて細粒分を含む材料の不飽和状態の研究報告は見当たらない。試料の非塑性シルトの諸量を表１に示す。試料の含水比を 10％に調整し所定の乾燥密度になるように静的に締固めた。
保水性試験では図１の加圧膜法対応水分特性曲線測定装置を用いた。使用した膜は微細多孔質膜と呼ばれ表２に物性を示す。
単調載荷試験と繰返し載荷試験はともに不飽和土用三軸圧縮試験機、不飽和土用繰返し三軸試験機を使用した。不飽和土用繰返し
三軸試験機の三軸室を図２に示す。構成は二重セル式三軸室、加圧膜法用ペデスタル、体積変化計、圧力制御装置、二重管ビュレット等からなる。間隙水圧計は三軸室外部に設けたが、間隙空気圧計の設置箇所については、可能な限り管路中の空気量が少ない方が良いと考え三軸室内に設けた。また電磁弁によって管経路の開閉制御を行った。不飽和繰返し三軸試験機のその他の性能は次のようである。空圧サーボ式応力制御載荷方式、応力制御容量 5kN、載荷波形正弦波、載荷周波数
範囲 0.001Hz から 2Hz、低サクション載荷制御のため低容量レギュレータ使用。制御ソフ
トウェア PCD-30A（共和電業）によるデータ集録である。
改良ペデスタル中央に微細多孔質膜を置
きプレートと O リングとで挟む。研究代表者
は、土の水分特性曲線の測定を通じて微細多孔質膜とセラミックディスクの比較を行い、①②③④⑦軸圧縮

浸透

サクション載荷

背圧載荷

基底応力載荷

供試体作製

⑥

軸圧縮

⑤

めるために試験手順⑥の後、非排気・非排水条件三軸圧縮試験を実施した（⑦）。比較のために試験手順④でサクションを制御した
後、基底応力が異なる非排気・非排水条件の三軸圧縮試験を実施している。ひずみ速度は毎分 0.013%とした。また非排気・非排水条件の繰返し載荷試験は⑦の段階で実施した。初期繰返し応力振幅比は 0.25 を主体に、載荷周波数は 0.1、0.5、1.0Hz、サンプリング周波数 50Hz とした。供試体作製直後の供試体の初期サクションを測定した。間隙水圧計の計測値の変化を図４に示す。75 分以降はほぼ平衡状態と判断でき、供試体の初期サクションを 34.6kPa とした。

図５
図３

図４

浸透量の経時変化

試験手順

図６

水分特性曲線（飽和度の変化）

図７

水分特性曲線（含水比の変化）

初期サクションの測定

微細多孔質膜の方がサクション平衡に至る時間が大幅に短縮されることを確認していた。
試験手順を図３に示す。供試体を作製（①）
し三軸室に設置した後、供試体に所定の基底応力を載荷（②）
、100kPa の背圧を載荷（③）
して有効拘束圧で見かけ上飽和状態とした。
その後基底応力を一定に保ったまま、加圧膜法でサクションを載荷（④）した。再度、水頭差 50cm の浸透作用を供試体に少なくとも24 時間以上与え、見かけ飽和状態に戻した（⑥）
。ここで、見かけ上飽和状態とは供試体に背圧または浸透作用を与えた後、サクションがゼロであっても飽和度が 100％未満の状態のこととした。
強度定数（せん断抵抗角と見かけの粘着力）から繰返し載荷試験時の破壊規準線を求図８

水分特性曲線（間隙比の変化）

水頭差 50cm の浸透作用を供試体に与え、透水係数を測定した。浸透量の経時変化を図５に示す。経過時間と浸透量の関係に直線性が保たれており、得られた透水係数は 2.51×10-7m/sec であった。

図９4.1 水分特性曲線とコラプス現象
図６～８に乾燥過程の水分特性曲線を示す。サクション 0kPa における飽和度が 83.9％であった。サクションが 0kPa から 10kPa まで飽和度の低下は非常に小さい。10kPa 以後、飽和度は低下しサクション 20kPa において70％近くまで低下している。再び、供試体に水浸作用を与え、0kPa までサクションを低下
すると飽和度は 83.4％であり、飽和度 100％に至ることはなく、見かけ飽和状態であった。
図７は含水比の変化を示す。また、図８にはサクション増加・減少による間隙比の変化を示す。サクション増加とともに減少し、サクション 20kPa において 0.743 まで低下した。

試験手順に沿った間隙比の変化
図 12 有効応力経路（不飽和状態）
表３

図 10 応力-ひずみ曲線

図 11 サクション－軸ひずみ曲線
４．研究成果強度定数
サクション 10kPa

浸透作用後

摩擦係数

1.159

1.233

土のせん断抵抗角 °

29.1

30.8

見かけの粘着力 kPa

2.50

再び、供試体に浸透作用を与えるとコラプス現象によって 0.735 まで体積収縮を起こしている。さらに図９に試験手順に沿った間隙比の変化を示している。間隙比はどの過程においても減少し、軸圧縮前（単調載荷前、繰返し載荷前）には供試体の乾燥密度が増加しており、間隙比の変化を測定することが重要である。
4.2 単調載荷試験結果
図 10 にサクション 10kPa の場合の応力－軸ひずみ曲線を示す。基底応力が大きいほど、最大主応力差を示す軸ひずみ量が増大している。図 11 にサクションの変化を示している。10kPa の初期サクションはせん断が開始されると低下を見せている。基底応力の大きさに関わらず軸ひずみ量が 1.0％近くでサクションはゼロに近づき、せん断過程終了までサクションがゼロ付近の値を保っている。ところが、基底応力 50kPa の場合は 0kPa よりも小さくなっている。このようなサクション値が負値を示したのは計測された間隙空気圧よりも間隙水圧が上回ったためである。
図 12 に平均有効主応力と主応力差ならびに破壊規準線を示す。サクション 10kPa の場
合は Bishop の不飽和土の有効応力式のχを有効飽和度に置き換え有効応力を算定した。
最大主応力差の値に着目して破壊規準線を描き、それぞれの強度定数を求め表３にとりまとめた。サクション 10kPa の場合、土のせん断抵抗角は 29.1°、浸透後は 30.8°であり、浸透後の方が 1.7°大きい。見かけの粘着力については浸透後の場合、0kPa。サクション 10kPa の場合、サクション効果によって

図 15 軸ひずみと繰返し応力振幅比の関係2.5kPa の値が求められた
4.3 繰返し三軸試験結果
非排気・非排水条件で繰返し載荷を行い、過剰間隙水圧比と繰返し載荷回数との関係を図－12 に示す。表４には過剰間隙水圧比が

図 13 過剰間隙水圧比の変化
表４ 過剰間隙水圧比 1.0 の繰返し特性
載荷周波数
Hz

時間秒

載荷回数

軸ひずみ％

軸ひずみ幅％

繰返し応力
振幅比0.169469

4.85.70.210.5

167

842.8

3.60.191.045451.6

1.70.23

図 14 軸ひずみの増加と載荷周波数

図－16 平均有効主応力と主応力差の関係(載荷周波数 0.1Hz)

図 17 平均有効主応力と主応力差の関係（載荷周波数 0.5Hz）
1.0 に到達した時の載荷時間、載荷回数、軸ひずみ、軸ひずみ幅、繰返し応力振幅比を示す。過剰間隙水圧は繰返し載荷開始とともに発生している。載荷周波数が 1.0Hz よりも小さいと過剰間隙水圧比が 1.0 に至る載荷回数が増大するが、0.5Hz の方が 0.1Hz よりも大きいので載荷周波数と載荷回数との間には定性的な関係を見出すことはできない。
軸ひずみの変化を図 14 に示す。載荷周波数に関わらず軸方向の変形が圧縮側で進行し過剰間隙水圧比 1.0 付近で軸ひずみが急増している。
圧縮側の繰返し応力振幅比と軸ひずみの関係を図 15 に示す。載荷周波数 0.1Hz と0.5Hz の場合は繰返し応力振幅比が軸ひずみとともにゆるやかに減少する。載荷周波数
1.0Hz の場合は、軸ひずみに対する繰返し応力振幅比の低下が比較的大きいが、これらの挙動に与える載荷周波数の影響を定性的に関係付ける結果ではない。
図 16～18 に平均有効主応力と主応力差の関図 18 平均有効主応力と主応力差の関係(載荷周波数 1.0Hz)係を示す。ただし、不飽和状態から浸透を受けた場合の結果である。繰返し載荷が始まると、有効応力は減少を示している。載荷周波数が 0.1Hz と 1.0Hz の場合には明確である。
載荷周波数が 0.5Hz と 1.0Hz の場合に、平均有効主応力に対する圧縮側の主応力差は破壊規準線よりも大きな値を示している。しかし、伸張側では破壊規準線に沿って平均有効主応力が減少を示している。一方、載荷周波数が 0.1Hz の場合、過剰間隙水圧比 1.0 の時点の応力状態は圧縮・伸張破壊規準線で囲まれた内側にある。一方、不飽和状態（サクション 20kPa）の非排気・非排水条件・繰返し
三軸試験では明確な破壊は確認されなかった。
５．主な発表論文等〔雑誌論文〕
Nishimura,
T.:
Applicationofmicro-porous membrane technology formeasurement of soil-water characteristic
curve, 第 18 回 国 際 地 盤 工 学 会 議 ,( 査 ),2013.(掲載決定)
Nishimura, T.: Liquefaction test ofcompacted, unsaturated soil and saturated

soil with controlling matric suction, The
5th INTERNATIONAL GEOTECHNICAL SYMPOSIUM
IGS-Incheon 2013, (査), pp.279-284, 2013.
西村友良・松本政文：不飽和・飽和繰返し三軸試験方法の試み 大ひずみ領域を考慮した
土の繰返しせん断特性に関するシンポジウ
ム，(査)，pp.117-124，2013．
Nishimura, T., J. Koseki 他 2 名 :Micro-porous membrane technology formeasurement of soil-water characteristic
curve, Geotechnical Testing Journal, ASTM,(査), Vol. 35, pp.201-208, 2012.
Nishimura, T.: Evaluation of effective
stress of an unsaturated soil under cyclicloading, Proceedings of the International
symposium
onEarthquake-Induced
Landslides,(査), pp.537-546, 2012.
Nishimura, T., Koseki, J. & Rahardjo, H.:
Determination of air entry value fordifferent compacted unsaturated soils,
Proceedings of the 2nd International
Conference on Transportation Geotechnics,(査), pp.604-609, 2012.

〔学会発表〕
松本政文・西村友良・古関潤一：不飽和履歴を受けた不飽和土の繰返し三軸試験結果，第48 回地盤工学研究発表会，2013 年．
（掲載決定）
松本政文・西村友良：加圧膜法を用いた不飽和繰返し非排水三軸試験，第 47 回地盤工学
研究発表会，pp.645-646，2012 年．
６．研究組織(1)研究代表者

西村友良（Nishimura Tomoyoshi）

研究者番号：00237736(2)研究分担者
無(3)連携研究者
豊田浩史（Toyota Hirofumi）
研究者番号：90272864