全地連「技術フォーラム 2022」那覇【63】

洋上風力地盤調査における単純せん断試験に関する実験的考察－供試体拘束方法の違いが結果に与える影響－
応用地質株式会社〇

岩下智哉、小野正樹

1. はじめに沖合海上における洋上風車基礎のボーリング調査は極めて高額で、採取した地盤試料も貴重である。この点、欧州で広く普及する単純せん断試験は、供試体サイズが直径5cm、高さ2cm など三軸圧縮試験に比べ小さく、同じ試料量でより多くの試験が実施できる点で有利である。
単純せん断試験は直接せん断試験の一種で、供試体の側方向変位を拘束した K0状態で供試体に一様なせん断ひずみを生じさせて試料の強度・変形特性を求める試験である。本試験は、ASTM（米国試験材料協会）、NORSOK(ノ図-2 単純せん断試験機

ルウェー標準海洋規格）で基準化されているが、日本国内では基準化されておらず、試験ノウハウの蓄積も少ない。実務で多用される単純せん断試験方法には、SGI 型と NGI 型の2種類があり、ASTM ではどちらの方法で試験を行っても良いとされている。SGI 型が薄いリングを積み重ねて(以下、積層リングと称す)供試体を拘束するのに対し、NGI 型ではワイヤーで補強されたメンブレン(以1)

図-3 見かけのせん断抵抗下、ワイヤーメンブレン)で拘束する違いがある 。本稿

積層リングでは見かけのせん断抵抗（φ50mm 供試体をは、今後の国内の試験基準化も視野に、供試体の拘束方仮定してせん断力を断面積で除した値）が最大で法の違いが繰返しせん断挙動へ与える影響を実験的に考0.36kPa、最小で-0.36kPa となり、ワイヤーメンブレン察したものである。

では最大で1.23kPa、最小で-1.37kPa となった(図-3)。

なお、実験は、波浪外力に対する洋上風車基礎設計のための試験を考慮し、繰返し載荷にて実施した。

積層リングよりもワイヤーメンブレンのせん断抵抗が大きく、積層リングではせん断の押し側(+側)と引き側(側)で見かけのせん断抵抗に差がほとんどないのに対し、2.

積層リングとワイヤーメンブレンの違い(1) 見かけのせん断抵抗の違い

ワイヤーメンブレンでは、せん断の押し側と引き側で0.14kPa の差があった。今回使用したワイヤーメンブレ実験に用いた積層リング(GDS 社製、リング1枚の厚さンは、ワイヤーのねじれ・歪みに起因したくせのような1.1mm×22枚）とワイヤーメンブレン（Geonor 社製、メものがあり、これが押し引きのせん断抵抗の差を生じさンブレン厚さ0.5mm）を図-1に、単純せん断試験機を図-せた要因と考えられる。

2に示す。本検討では初めに、これら拘束治具の剛性を把(2) 見かけのせん断抵抗の異方性握するための実験を行った。供試体がない状態で通常の見かけのせん断抵抗の異方性を確認するために、載荷メンブレンに積層リングをセットしたケースとワイヤー方向を30°ごとに0°～150°まで変化させ、繰返し載荷メンブレンをセットしたケースの2ケースで、押し、引きを行った。結果を表-1に示す。積層リングは、載荷方向ともに3mm(供試体高さ2cm の場合、せん断ひずみ15%に相を変更してもせん断抵抗にほとんど差が見られず、押し当)の繰返し変位を1回加えて、その時の見かけのせん断側と引き側のせん断抵抗もほぼ同じであった。一方で、抵抗値を測定した。

ワイヤーメンブレンでは押し側と引き側のせん断抵抗に差が見られ、載荷方向が0°の時に押し引きの差が最も小さく、載荷方向が90°の時に最も差が大きい結果となった。
以上から、今回用いたワイヤーメンブレンは、積層リングに比べて載荷時のせん断抵抗が大きく、その大きさは載荷方向によって若干異なること、また押しと引きで異なるせん断抵抗を示す方向があることが分かった。

図-1 ワイヤーメンブレン(左)と積層リング(右)全地連「技術フォーラム 2022」那覇
表-1 各載荷方向の見かけのせん断抵抗
見かけのせん断抵抗(kPa)
0306090120
載荷方向°
積層リング
0.360.360.360.360.35(最大)積層リング-0.36 -0.36 -0.36 -0.36 -0.35(最小)
ワイヤーメンブ
1.35
1.22
1.43
1.171.32
レン(最大)
ワイヤーメンブ -1.35 -1.32 -1.22 -1.43 -1.38
レン(最小)(3) 載荷方向が異なるワイヤーメンブレンの試験結果
150
0.35-0.36

せん断抵抗の差が小さい載荷方向0°と、差が大きい載荷方向90°で繰返し単純せん断試験を行った。載荷方向0°はひずみが均等に進行していったが、載荷方向90°では、片側にひずみが進行する結果となった(図-6)。また、

1.43

載荷方向0°より、載荷方向90°の方が、応力経路が-側-1.22に偏りいびつになっている(図-7)。
ﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ(0°方向)

3. 拘束方法を変えた粘土の繰返し単純せん断試験(1) 試料と試験条件
有明海沿岸域で採取された粘土試料（シンウォール採ﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ(90°方向)取）を用いて繰返し単純せん断試験を行い、積層リングとワイヤーメンブレンの比較実験を行った。ワイヤーメ

せん断ひずみが片側に進行ンブレンについては、せん断抵抗の差が最も小さい載荷方向0°と、差が最も大きい載荷方向90°の2つの実験を行い、載荷方向による剛性の違いが繰返しせん断挙動に図-6 せん断ひずみ(ﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ、異なる載荷方向)与える影響を調べた。今回の実験は、NORSOK G-001に準ﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ(0°方向)ﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ(90°方向)拠して行った2)。試験条件は、圧密定体積条件で、載荷周
波数 f は0.1Hz とした2)。垂直応力σn は60kPa、繰返しせん断応力τは17kPa とし、両振幅ひずみ DA が15%に達したときを試験終了とした。供試体の諸元を表-2に示す。

拘束治具
ワイヤーメンブレン
積層リング

表-2 試料の諸元
載荷 供 試 体 自然含方向 寸法
水比(%)
0°105.6
D=50mm90° H=20mm
106.4107.2

図-7 応力経路(ﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ、異なる載荷方向)
湿潤密度(Mg/m3)
1.434
1.427
1.431

4. まとめ積層リングとワイヤーメンブレンを用いて、粘土の繰返し単純せん断試験を行い、供試体側面の拘束方法が繰返しせん断挙動に与える影響について実験的に検証し(2) 積層リングとワイヤーメンブレンの試験結果の比較た。実験の結果、①拘束方法を変えても DA=15%における積層リングとワイヤーメンブレン(載荷方向0°)の試繰返し回数にほとんど差が無いこと、②ワイヤーメンブ

験結果を図-4に示す。DA=15%時の繰返し回数 N15%は、積層レンでは、押しと引きで見かけのせん断抵抗が異なる載リングが15回、ワイヤーメンブレンが16回で大きな違い

荷方向で試験をした場合、せん断ひずみが片側に進行しは見られなかった。応力経路(図-5)については、ワイヤていくことが分かった。②の原因としては、ワイヤーメーメンブレンでの試験の後半で応力経路が若干いびつにンブレンにワイヤーを巻く方向や間隔の違いなどによりなったものの両者の傾向は概ね同じであった。

反力特性に微小な違いがあり、繰返し応力載荷に伴い供積層リング
N15%=15試体の剛性が失われていくにつれて、このワイヤーメンブレンのくせと見かけのせん断抵抗の影響が相対的に大きくなったためと考える。今回の粘土を用いた実験からは、繰返し強度を求める場合に拘束方法の違いは大きくﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ
N15%=16影響しなかったが、繰返し載荷中の供試体の剛性低下を詳細に計測する場合、ワイヤーメンブレンの使用には注意する必要がある。
《引用・参考文献》

図-4 せん断ひずみ(積層ﾘﾝｸﾞとﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ)

1) M. I. Amer, M. S. Aggour, W. D. Kovacs: SIZE EFFECT
IN

積層リング

ﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ

SIMPLESHEARTESTING, CivilEngineering

Department, University of Maryland, College Park, MD,
1984．
2） 工藤雄次 細田光一 亀谷裕志：洋上風力地盤調査における繰返し単純せん断試験, 海洋調査(海洋調査協

図-5 応力経路(積層ﾘﾝｸﾞとﾜｲﾔｰﾒﾝﾌﾞﾚﾝ)会協会報) , 139号41-44, 2020．