不飽和土のサクションによる強度異方性に関する研究
地盤工学研究室 須佐見 朱加
指導教員

豊田 浩史

①最大主応力方向

１．はじめに土の異方性に関しては，古くから実験的・理論

最大主応力方向は，最大主応力の鉛直軸から的に研究が行われている．特に粘性土については，の傾きである．は一定圧密とせん断過程で設定堆積時の粒子配列の卓越性や異方的な応力を受可能であり，圧密時の最大主応力方向をc，せんけたことが原因となって，その強度や変形特性が断時の最大主応力方向をs と定義する．また，c異方性を示すことが知られている．しかしながら，とs の差の絶対値を最大主応力方向差’とし，こ不飽和土を対象として異方性を論じたものはほれを変化させることにより実地盤の異方性を再とんど存在しない．

現することができる．

そこで本研究では，中空ねじりせん断試験装置を用いて，不飽和粘性土の強度異方性の有無を確②中間主応力係数 b認することを目的とする．

中間主応力係数 b は，最大主応力1，最小主応力3 に対する中間主応力2 の大きさを示す係数

２．試験材料であり，Eq.1 で定義される．

本研究で用いた試料は，新潟県柏崎市米山付近(1)より採取したラテライト系粘土（以下，米山粘性土と称する）である．Table 1.に米山粘性土の物理特性を示す．

を再現することができる．

Table 1. 米山粘性土の物性値
土粒子密度rs

液性限界

wL
Ip

塑性指数
粘土分
シルト分
砂分

これを変化させることで様々な 3 次元応力状態(g/cm3 )
(%)

2.740

(%)
(%)
(%)

23.6
4719.45223３．試験装置③サクション
本研究で取り扱うサクション s とは，不飽和状態を表わす重要なパラメータであり，Eq.2 に示すとおり，間隙空気圧 ua と間隙水圧 uw の差で定義される．
(2)
４．試験方法および試験条件

本研究では，3 次元応力状態を再現できる中空供試体は，乾燥した試料に蒸留水を加え，スラねじりせん断装置を用いて実験を行った．この装リー状にしたものを圧密容器内で 1 次元圧密した．

置は，最大主応力方向と中間主応力係数 b を任

そして，できた土塊を外径 8cm，内径 5cm，高さ意に設定することができ，複雑な応力条件下での16cm の中空円筒形に成形した．

土の強度・変形特性を明らかにすることができる．

Fig.1 に本研究の試験経路を示す．

そのため，土の強度異方性を求めるのに適してい試験の手順は，出来上がった供試体を装置に設る．

置し，飽和させ，p’=50kPa で圧密を行う．そして，p’=50kPa を一定に保ったまま K 値が 0.35 にTable 2. 試験ケース達するまで排水せん断を行った．そして，不飽和試験では，供試体上部から空気圧を 400kPa 載荷し，供試体下部のセラミックディスクから排水さ排水せん断せる加圧板法により不飽和化を行った．Fig.2 は，不飽和化後の供試体の含水比分布を示したもの

緩速せん断である．供試体の高さによらず含水比が均一に分布していることを確認することができる．その後，

急速せん断

両試験とも K 値を一定に保ったまま p’=300kPa

K 一定圧密サクションs (kPa) c (deg)bc4500-454504000-454522.5
40000-22.5-45

せん断試験bs s (deg)
450.5

450.5

450.5まで圧密を行った．この時，c を変化させることにより，土粒子の配向性を再現することとする．

５．試験結果そして，排水状態で q を除荷してから等方状態に各せん断過程の偏差応力 q－せん断ひずみs 関し，飽和試験では排水せん断，不飽和試験は緩速係を Fig.3~Fig.5 を，体積ひずみv－せん断ひずせん断および急速せん断を行った．

みs 関係を Fig.6~Fig.8 に示す．なお，本研究に本試験で行った試験ケースを Table 2.に示す．

おける飽和土試験では，偏差応力 q がせん断ひずみの増加にともない漸増するため，最大値を定めK=0.35400ることが難しい．そこで，せん断ひずみの試験限Deviator Stress , q (kPa)界を考慮し，s=5%までの範囲で最大値を求め，
K 一定圧密300

それをせん断強度と定めることとする．
飽和粘性土の q－s 関係は，最大主応力方向差’

せん断200が小さいほど初期の立ち上がりが急であり，明確なピークを示さない．不飽和粘性土の q－s 関係

排水除荷
脱水

100は飽和粘性土と同様，’=0 (deg)の時の立ち上が排水せん断りが最も急であり，’が増加するにともない立ち

00100

200

上がりが穏やかになっている．また，’が小さく300Net mean stress , p-ua (kPa)になるにしたがい，ピーク時に対するせん断ひず

Fig.1 試験経路みが大きくなっている．
排水せん断および緩速せん断のv－s 関係は，16最大主応力方向差’によらず，体積ひずみは圧縮傾向にある．また，’の増加にともないv も大きSpecimen height (cm)

12くなっている．その一方，急速せん断のv－s 関係は，ピーク強度を迎えて以降，体積ひずみは圧84020縮側から膨張側に転じている．また，その体積ひ1234522ずみは他のケースと比較して最も小さい．このような体積ひずみ挙動は，せん断強度が現れるせん
242628

Moisture weight percentage (%)

Fig.2 不飽和化後の供試体の含水比

30

断ひずみの大きさと関連が深そうである．

400300

Volumetric strain , v (%)

Deviator Stress , q (kPa)0.0

200
'= 0 (deg)'=45 (deg)'=90 (deg)qmax (kPa)

100

00.5

1.0

'= 0 (deg)'=45 (deg)'=90 (deg)

1.5

2.00

123450

1

Shear Strain , s (%)

q－s 関係（排水せん断）

Fig.3

2345

Shear Strain , s (%)

Fig.6 v－s 関係（排水せん断）

0.0
400

Volumetric strain , v (%)

Deviator Stress , q (kPa)

500

300

200

'= 0 (deg)'=45 (deg)'=90 (deg)qmax (kPa)

100

00.5

1.0

'= 0 (deg)'=45 (deg)'=90 (deg)1.501234501

Shear Strain , s (%)

q－s 関係（緩速せん断）

Fig.42345

Shear Strain , s (%)

Fig.7 v－s 関係（緩速せん断）

-0.5

400

Volumetric strain , v (%)

Deviator Stress , q (kPa)

500

300
'= 0 (deg)'=22.5 (deg)'= 45 (deg)'= 90 (deg)qmax (kPa)

200

100

0.00.5

'=0 (deg)'= 22.5 (deg)'= 45 (deg)'= 90 (deg)1.0001234

Shear Strain , s (%)

Fig.5

q－s 関係（急速せん断）

501234

Shear Strain , s (%)

Fig.8 v－s 関係（急速せん断）

5

６．せん断強度ことにより異方性が発現することがわかった．

6.1 せん断強度異方性
Fig.9，Fig.10 に飽和度別の最大偏差応力 q max

6.2 サクションによる強度増加－最大主応力方向差’の関係を示す．図中には，Fig.11，Fig.12 に飽和試験および不飽和試験の樺沢 1)が行った飽和粘性土の非排水せん断試験のピーク強度 qmax－最大主応力方向差’関係を示す．

結果も合わせて示す．
500

Deviator Stress , q (kPa)

Deviator Stress , q (kPa)

400

300

排水せん断試験
非排水せん断試験
2000.0300

飽和粘性土
不飽和粘性土
200
0.0

22.5

45.0

22.5

45.0

67.5

90.0

90.0

Fig.11qmax－’関係（排水，緩速せん断試験）

qmax－’関係（飽和粘性土）
飽和粘性土不飽和粘性土

Deviator Stress , q (kPa)

500

Deviator Stress , q (kPa)

67.5

Difference of  , ' (deg)Difference of  , ' (deg)

Fig.9

400

500

400300400

緩速せん断試験
急速せん断試験2000.0

22.5

45.0

67.5

90.0

Difference of  , ' (deg)
0.0

22.5

45.0

67.5

90.0

Difference of  , ' (deg)Fig.12qmax－’関係（非排水，急速せん断試験）

Fig.10 qmax－’関係（不飽和粘性土）
初期サクションが増加することにより，強度も飽和粘性土の qmax－’関係は，排水せん断試験

140kPa 程度増加することがわかる．しかしながは’の増加に関わらず一定値を示すのに対し，非ら，非排水せん断試験と急速せん断試験の qmax

排水せん断試験は’の増加にともない強度が低下

は ’=45 (deg)以降は傾向がことなることから検していることがわかる．不飽和粘性土の qmax－’討が必要である．

関係においても，緩速せん断試験では’の増加に関わらず一定値を示すのに対し，急速せん断試験

７．せん断剛性では’=0~45 (deg)までは強度が急激に低下し，そ7.1 せん断剛性の異方性

れ以降は一定値を示している．
これより飽和度に関わらず，急速にせん断する

せん断弾性係数の算出には，正八面体せん断剛性の式 Eq.3 を用いる．

(3)ん断弾性係数 G0，G90 を Eq.4 に代入して算出する．

本研究では，せん断ひずみs=0.0%とs=0.1%の各試験別の低下率を Table 4.に示す．飽和試験時の偏差応力 q0，q1 を用いて，割線せん断弾性係

では 70%程度，不飽和試験では 40~50%程度低下数を算出する．

することがわかる．

全ケースにおけるせん断弾性係数 G を Table 3.に，せん断弾性係数 G－最大主応力方向差’関係を Fig.13 にそれぞれ示す．

Table 4. せん断剛性低下率
非排水せん断試験
排水せん断試験
急速せん断試験
緩速せん断試験

Table 3. せん断弾性係数 G (MPa)

(%)
(%)
(%)
(%)

71.3
70.2
41.9
48.5

a' (deg)
排水せん断試験
非排水せん断試験
緩速せん断試験
急速せん断試験

045.7
40.4
59.8
65.6

22.5－－－
58.7

4532.2
26.2
47.8
54.5

90
13.6
11.6
30.8
38.1

８．せん断強度とせん断弾性係数の定式化
せん断強度とせん断弾性係数について， ’=0(deg)の時の排水せん断試験の結果を基準に ’を変数とするせん断強度比 Rq nor とせん断弾性係数
比 RG nor の定式化を行う（Eq.5，Eq.6）．

Elastic Shear Modulus , G (MPa)100

排水せん断試験
非排水せん断試験
緩速せん断試験
急速せん断試験

80(5)
(6)

60

ここで，q：各試験の’=0 (deg)の時の非排水強40度 (kPa)，q0：任意の’での非排水強度 (kPa)，

2000.0q0-CD：飽和 CD 試験の’=0 (deg)の時の排水強度
22.5

45.0

67.5

90.0(kPa)，G：各試験の’=0 (deg)の時のせん断弾性Difference of  , ' (deg)係数 (MPa)， G0 ：任意の ’でのせん断弾性係数

Fig.13 G－’関係(MPa)，G0-CD：飽和 CD 試験の’=0 (deg)の時のせん断弾性係数 (MPa)である．

飽和度やせん断速度によらず，’の増加にともFig.14 にせん断強度比 Rq nor－最大主応力方向ない G が線形に減尐していることから，実用的に差’関係を，Fig.15 にせん断弾性係数比 RG nor－は直線近似が可能と考えられる．また，サクショ

最大主応力方向差’関係を示す．

ンの増加にともない，一定の割合でせん断弾性係

Fig.14 より，飽和土および不飽和土の任意の主応力主応力方向におけるせん断強度は，下記の数 G が増加する．

式より推定することができる．
(7)

7.2 せん断剛性の低下率
せん断剛性の低下率の算出には，Eq.4 を用いる．
(4)
本研究では，’=0 (deg)と’=90 (deg)の時のせFig.15 で直線関係が得られたので，各試験におけるせん断弾性係数は下記の式より推定することができる．
(8)

り，異方圧密による強度異方性の発現が確認
0.1

できた．その異方性は，最大主応力方向差’

飽和粘性土
不飽和粘性土が 0~45 (deg)の範囲では強度が大きく低下す

0.0Rq nor

るが，それ以降はほぼ一定値を示す．一方，飽和土では，最大主応力方向差’の増加にと-0.1もない強度は低下し，その低下率は大きい．
5.

-0.2

粘性土の強度は，せん断条件の違いによらず，サクションが増加することにより著しく増

-0.3
0.0

22.5

45.067.5加する．

90.0

Difference of  , ' (deg)6.

Fig.14 Rq nor－’関係

飽和土，不飽和土とも，せん断剛性の異方性を確認できた．最大主応力方向差’の増加にともないせん断弾性係数 G が線形に減尐し0.2ており，その割合はほぼ一定である．

RG nor

0.0-0.2

参考文献-0.41)

-0.6
-0.8
-1.00.0

異方性の評価手法，平成 19 年度長岡技術科
排水せん断試験
非排水せん断試験
緩速せん断試験
急速せん断試験22.5

45.0

学大学修士論文，2007．

67.5

90.0

Difference of  , ' (deg)Fig.15 RG nor－’関係
９．結論
本研究で行った飽和および不飽和粘性土のせん断試験の結果より，以下に示す主要な知見が得られた．
1.

飽和度に関わらず，最大主応力方向差’=0(deg)の時（K 一定圧密時の主応力方向c とせん断時の主応力方向s が一致），応力－ひずみ曲線の初期の立ち上がりが最も急である．
また，’の増加にともない立ち上がりの傾きが緩やかになる．

2.

不飽和土は明確なピーク強度を示すのに対し，飽和土は明確なピークを示さない．

3.

せん断時の体積ひずみv は，’が増加するにともない，圧縮傾向にある．

4.

樺沢駿治：過圧密された粘性土の非排水強度

不飽和土では，急速にせん断を行うことによ