不飽和土の力学挙動に与えるサクションの影響—せん断挙動を中心として—
神戸大学大学大学院
工学研究科市民工学専攻
加藤 正司

Oroville Dam1

本日の発表内容
１．はじめに２．不飽和土とは
３．二つのサクション効果
４．不飽和土のせん断時の挙動（実験的方法）
５. 不飽和土の研究成果の応用例（疎水材を用いた高機能遮水層の開発）

2

1．はじめに3地球上での乾燥地域の分布
7560ooo300oExtremely Arid
Arid
Semi Arid
150o 120o

9060o30o0o30oo

6090o 120o 150o
4

乾いた地盤が起こす問題

平成16年 台風21号による斜面崩壊

5

乾いた土に水を加えるとどうなる？
乾いた土水を加える

膨張：地盤が緩む
例：斜面崩壊相反

収縮：地固まる
例：水締め，浸水沈下

6

1.1 「地盤が緩む」の例
天気予報：雨によって地盤が緩んでいますので，土砂災害に注意7Sダムの降雨による表層崩壊事例

S ダム
表土（植生）
ロック

8

堤体上流

Sダム
被災前

堤体下流
9

豪雨によるダム下流斜面の崩壊

2016.08.1撮影
水土総研報告書より2016.07.31 最大降雨76 mm/h

101.2 「地盤が固まる」の例（浸水沈下: Collapse due to wetting）

11

アメリカでの浸水沈下実験
浸水沈下箇所

浸水沈下箇所
口絵写真，土と基礎 29(6), 1981

12

Cougarダム浸水沈下
・H = 158 m
・ロック材はD8トラクタとブルドーザを用い，Pass2回30cm沈下
クラック長さ90m

15cm沈下クラック長さ121m

13

2．不飽和土とは

14

砂粒子間に形成されたメニスカス水の状況（Lourenço et al, Geotechnique 62(3):193-199 · March 2012）15不飽和土とは?
• 土は土粒子とその隙間（間隙）からなる。
• 一般に，その間隙は水と空気で満たされている。
飽和土：間隙が水だけで満たされている。
不飽和土：間隙が水と空気で満たされている。

Soil particle
Water• 土は一般には不飽和状態にある。
• つまり，土は三相からなる。個相（土粒子），• 液相（水）と気相（空気）からなる。
• 三相間で相互作用が生じる。

Air16

封入不飽和 懸垂水不飽和

サクション

実際の土における可能な不飽和形態と水分特性曲線

00

土粒子
間隙水
間隙空気

過渡的

封入

Fuzzy saturation

Insularair
saturation

Pendularsaturation

懸垂水

Air entry value
100

Degreeof saturation
(%)
飽 和度

過渡的不飽和17

サクションと粒子間圧縮力
Ｔ：水の表面張力

ｆＴ

ｕａ：間隙空気圧

ｕｗ：間隙水圧
ｕａ＞ｕｗ

サクション ｓ＝ｕａ－ｕｗ
２球モデル
粒子間圧縮力 ｆ18

3．二つのサクション効果

19飽和土の有効応力

全応力
w

20

不飽和土の有効応力

全応力

Bishop (1961)

間隙流体圧
pore fluid pressure
間隙空気[間隙空気圧]
21

Bishopの有効応力式

  = ( - ua ) +  (ua - uw ) :有効応力
 :全応力 :履歴により決まる係数，
 = Sｒを提案
ua , uw :間隙水圧および空気圧
22飽和土と不飽和土に関する研究の流れ
年代

飽和土に関するトピック

1920

Terzaghiの有効応力

不飽和土に関するトピック

Casagrandeの限界間隙比
1940

Taylorのエネルギー補正式

1960

Hvorslevの破壊規準

Bishopの有効応力式⇔ Burlandの批判

Roscoeのカムクレイモデル
Colemanのひずみ増分式
Matyasの状態面Fredlundの2つの応力状態変数
1970

Fredlundの破壊規準

1990

AlonsoのBaroseronaモデル
Wheelerの限界状態モデル

23

Bishopの有効応力式とコラプス

Bishopの有効応力式

  = ( - ua ) +  (ua - uw )コラプス（水浸時の体積圧縮）を説明できない
水浸すると外部載荷応力項

ua=uw→σ’は小さくなる

サクションの寄与分（内力的成分）

体積膨張同時に加えるのはおかしい？
24

実際の土における二つのサクション効果

飽和に近い状態

封入不飽和 懸垂水不飽和・飽和土のように，間隙水圧は中立応力として作用・有効応力としてサクションを評価

土粒子
間隙水
間隙空気過渡的不飽和

別のサクション
効果の考慮＝内部拘束効果25

サクションの内部拘束効果• 右の図で，サクションは毛管力(Nc)を生む。
• 毛管力は土粒子を引き付ける力であり，糊のような効果がある。
• 土粒子は，この糊のようなくっ付ける力（毛管力）で動き難くなる。
• これが，サクションによる内部拘束効果
土中水はメニスカスの中に保持される。
26

サクションの影響

粒子間応力を増す

土骨格応力（Bishop式）

力学定数
土骨格剛性を増す

変形 λ
強度 ｃ27

２つの応力状態変数（Fredlund ＆ Morgenstern，1977）(  – ua )；基底応力（Net stress)

微小要素に関する力のつり合い( ua – uw);サクション（Suction)28

4．不飽和土のせん断時の挙動（実験的方法）29不飽和土の三軸セル
内セル

セラミックディスク

Bishopの二重セル改良された二重セル

セラミックディスクについて

セラミックディスクの概観
素焼きの陶磁版（http://www.soilmoisture.com/0600.htmlより）セラミックディスクの表面の電子顕微鏡写真（http://www.hosokawamicron.co.jp/main/1news/news20040210.htmlより）

セラミックディスクの原理

AEV = Air Entry Value (空気侵入値）

Fredlundの破壊規準
 f = csat + ( - ua )tannet + (ua - uw )tan b
飽和状態での粘着力基底応力によるせん断強度

実用的にはφnet=φsat

サクションによるせん断強度増分

Fredlundの破壊規準

 f = csat + ( - ua )tannet + (ua - uw )tan b
飽和状態での粘着力基底応力によるせん断強度

サクションによるせん断強度増分

せん断応力 τ実用的にはφnet=φsat飽和状態（φb＝φsat)csat

不飽和(ua − uw ) tanb

ﾏﾄﾘｯｸｻｸｼｮﾝ

空気侵入値

34

不飽和状態でのせん断強度を求めるには？
f = csat + ( - u a )f tan net + (u a - u w ) tan b

飽和化試料の三軸圧縮試験

水分特性試験
またはサクションを測定した
一軸圧縮試験
＋不飽和状態でのサクション

せん断時のダイレイタンシー

飽和度が低い（サクションが高い）とダイレイタンシーは増加

図-3.1936

ダイレイタンシーへのサクションの影響

pm：メニスカス応力（軽部ら，土木学会論文集 No. 575/111-40, 49-58, 1997）37不飽和土の限界状態について限界状態を用いた構成モデル

Alonso et al.(1990)
Kohgo et al.(1993)
Wheeler &Sivakmar(1995)

不飽和土の試験の問題点○体積変化の測定方法○セラミックや供試体の透水性の低さにどう対処するか
38

限界状態線の存在について（Q. Wang et al., Can. Geotech. J. 39: 213–218, 2002)（ｑ～ｐ’’～ｓ）空間に，限界状態線が存在する

39

バルク水とメニスカス水の概念図
メニスカス水

バルク水
土粒子

40

☆

水分特性曲線と不飽和土の間隙水の分布状態

土塊の剛性を強める作用

800⇒『メニスカス応力 pm 』

メニスカス水中心s

サクション

☆

Cバルク水中心600◎土塊の剛性を強める作用◎体積圧縮作用⇒『バルク応力 pb 』
Sr0400

空気侵入値

脱水曲線

吸水曲線

B200

水侵入値
00

残留飽和度

DA

2040

飽和度

60

80 E 100

Sr %41

メニスカス水と粒子間圧縮内力

Ｐm：メニスカス水による圧縮内力

Pm
Pm

Pm

粒子接平面に垂直に作用

Pm
粒子接点の滑りに対する抵抗を増加

メニスカス応力42

バルク水による圧縮内力
Pb
Ｐｂ：バルク水による圧縮内力

Pb

Pb

粒子接点に対しせん断力を作用

粒子接点に滑りを生じる

Pb
バルク応力

43

サクション応力の定義
τφc

サクション応力 psσ

Sr − Sr 0
ps = pm + pb =s
100 − S r 0

メニスカス応力
バルク応力

44

不飽和土の破壊時の応力状態について（基底応力による三軸圧縮試験整理結果）

不飽和土の破壊時の応力状態について（サクション応力を考慮した三軸圧縮試験整理結果）

不飽和土の限界状態へのサクション応力の影響（サクション応力を考慮した最大圧縮点での三軸圧縮試験整理結果）

不飽和土の一軸圧縮試験における残留強度に至るまでの応力経路
600

200500UU testσ3=10 kPa
σ3=50 kPa

φ=42°

q (kPa)q (kPa)

400
φ＝42°

100

300
200100Unconfined compression test
020

4060
pnet+ ps (kPa)

80

100

0

200
100
pnet+ ps (kPa)300

せん断時に膨張する不飽和土での限界状態の存在 （Kim et al, 2016)
不飽和土の一軸圧縮試験

49高飽和領域における破壊時サクションと一軸圧縮強さの関係（阿部（1994））

・予圧密した試料を成形後，一軸圧縮試験を実施。
・予圧密した試料⇒高飽和度

低飽和度では？
・一軸圧縮試験⇒無拘束圧
低拘束圧状態での挙動
斜面の表層崩壊締固め供試体における破壊時サクションと一軸圧縮強さの関係

締固め供試体における破壊時の応力状態の解析

300

τ2250Mfq (kPa)

200(σnet-f, τf）

150
100

Compaction:
50 times
25 times
25 times (air-dried)
Static compactionc(unsat)50

psc’=0Oe
lin

0qu(σ-ua)

0

50

100

150

pnet + ps (kPa)52

一軸圧縮試験における２つのサクション応力の効果を考慮した場合の破壊時モール円と破壊包絡線

τ'(σnetf, τf）

c(unsat)
Mohr’s circle at failureps

内部拘束効果Ops

拘束応力的効果

2つのサクション応力の効果を考える

ps+qu (σ-ua)

一軸圧縮試験におけるサクション応力を考慮した破壊時モール円と破壊包絡線（飽和破壊線）低拘束圧状態では，2つのサクション応力の効果が影響2つのサクション応力の効果を考慮した場合の一軸・三軸圧縮試験の破壊包絡線500

d=11.2 kN/m3

f (kPa)

400(σ*+ps,τｆ）

300200100+σ3ps+σ1F.L for saturated condition

00200400600

 + ps (kPa)

不飽和土では，2つのサクション応力の効果が破壊時に影響

55

5. 不飽和土の研究成果の応用例
疎水材を用いた高機能遮水層の開発
共同研究者；金 秉洙 准教授（壇国大学）

56

研究背景
自然界に存在する疎水性土

自然地盤内の疎水性層；植物油，バクテリア，山火事などが原因

疎水性層の影響による氾濫57

粒子レベルの水のつき方の違い(a) 親水性砂(b) 疎水性砂

疎水性をもつ土粒子の表面は，水に対して 拡散障壁として作用。
58

疎水性の発生メカニズム
疎水性をもつ親水性を 分子もつ

疎水性をもつ疎水性をもつ豊浦砂上の水滴の様子：疎水材になった豊浦砂は，落下した水を浸透させない。

シラン処理における化学変化≡ Si-OH + C8H17Si(OC2H5)3
両親媒性物質の疎水性側の部分が⇒ ≡ Si-O-Si(OC2H5)2C8H17 材料表面に整列し，水の双極性と反発する
両親媒性物質は数分子レベルの層でも+ C2H5OH疎水性を発揮する

両親媒性物質（テトラエトキシシラン化合物）

59

疎水性が土の力学特性与える
影響（その１）
土の水分特性に違いが生じる

60

疎水性が土の力学特性与える影響（その２）
内部摩擦角が変化する

61

疎水性を持つ層がある場合の雨水浸透の違い
地表面が親水性の場合

地表面がかなり疎水性の場合

地表面がわずかに疎水性の場合

地表面が完全に疎水性の場合
62

キャピラリーバリアへの適用（その１）

従来のキャピラリーバ
リア63キャピラリーバリアへの適用
（その２）
検討事項
・シラン処理の効果
土の種類，溶液濃度

・シラン処理の持続性
長期間，効果が持続？
・疎水層の止水効果
層厚，雨量強度
疎水性層を取り入れた
キャピラリーバリア

64

実験内容
実験
長期暴露試料を用いた接触角測定試験
土カラムによる降雨耐水性試験

実験の目的
疎水性材料の長期耐久性の検討．
作製した疎水性測定．
疎水性材料の現場適用性の検討
疎水性材料による遮水層が．雨水浸透をどれほど防げるかどうかを検討．

小型土槽を用いた遮水層の 小型土槽内に，遮水層を持つ斜面を作製し，長期間自長期耐水性試験
然暴露して，雨水の浸透を防ぐかどうかを検討．

65

コンクリート被覆養生材とは？
コンクリート被覆養生材は、コンクリート表面に吸水防止層を形成して、コンクリート内部への水や劣化因子の浸透を防止する材料．シラン・シロキサン系の材料

メリット
・短期間で作製できる・特殊な試薬が必要なく安価リーズナブル

・自然乾燥で十分実験で用いたコンクリート被覆養生材
引用元：https://www.kajima.co.jp/tech/c_renewal/material/index.html#!body_01

66疎水性材料の作製方法

シラン試薬処理

コンクリート被覆養生材処理

土試料，イソプロピルアルコール，シラン試薬を 50：50：3 の比率で混合

土試料，水コンクリート被覆養生材
を 50：50：1 の比率で混合

3日放置

1日放置

１日炉乾燥

１日自然乾燥

この2種類の作製方法を豊浦砂，まさ土に適用して疎水性材料を作製

67

長期暴露試料を用いた接触角測定試験68

自然暴露試料の作製

4種類の疎水性試料を，約6か月間暴露し続ける．

図-3 自然暴露の例

69

接触角測定試験～接触角測定方法～

1. カメラのレンズと同じ高さの実験台に両面テープを貼り，疎水性材料の層を作る．
2. マイクロピペットを用いて70μｌの水を滴下する．
3. 横から写真撮影する．

両面テープ

実験台

写真撮影時の様子撮影された水滴702θ法による接触角の測定

Daɤ
Ob/2βαC

A

θ
BL
71

接触角測定試験結果

シラン試薬処理まさ土
被覆養生材処理まさ土
シラン試薬処理豊浦砂被覆養生材処理
豊浦砂••

いずれの作製方法でも疎水性が確認
疎水性を約6ヶ月間維持する．

72

土カラムを用いた降雨試験

73使用した降雨装置の概念図及び写真
給水口
①

コッ
ク
②

PC

③

図-8-2 降雨装置上からの写真」
③
排水口

5°
図-7 降雨装置の概念図

図-8-1 降雨装置下からの写真74使用した土カラム，水分計
表-1 使用した土カラム

土カラムの種類

乾燥密度①未処理の豊浦砂

全て未処理の豊浦砂で作製した土カラム②シラン試薬処理豊浦砂
全て③被覆養生材処理豊浦砂 1.5g/ml④未処理のまさ土⑤シラン試薬処理まさ土⑥被覆養生材処理まさ土概要

体積1800ml

上層4.5cmシラン試薬処理豊浦砂下層13.5cm未処理の豊浦砂で作製した土カラム
上層9cm被覆養生材処理豊浦砂下層9cm未処理の豊浦砂で作製した土カラム
全て未処理のまさ土で作製した土カラム
上層4.5cmシラン試薬処理まさ土
下層13.5cm未処理のまさ土で作製した土カラム
上層9cm被覆養生材処理まさ土下層9cm未処理のまさ土で作製した土カラム

・全ての土カラムの下層部に途中水分計を差し込んだ・被覆養生材処理層の厚さはシラン試薬処理層の2倍使用した水分計
12cm

18cm

水分計のコード

土カラムの例75

降雨実験試験結果(豊浦砂の土カラム； 100ｍｍ/ｈｒ)

未処理の豊浦砂

シラン試薬処理豊浦砂被覆養生材処理豊浦砂・両方の疎水性材料で5時間雨水の浸透を防げた．

76

小型土槽を用いた遮水層の長期耐水性試験

77

模型斜面実験

真砂土層の水分計の出力値が上昇していなければ②が遮水していると言える

380㎜①真砂土（疎水性なし）②珪砂5号（疎水性あり）

665㎜
模型斜面概要78

模型斜面実験の測定結果
最大雨量

雨量計データ(左)と水分計データ(右)雨量計データ

実験中最大雨量
約10㎜/hｒ

水分計データ

暴露状態で長期にわたって水分計出力変動は見られない

79

まとめ•

作製した疎水性材料を長期自然暴露して接触角の変化を測定した結果，6ヶ月間疎水性を発揮．

疎水性材料の長期耐久性を確認•

シラン処理した疎水性材料は，100mm/hの雨に対して，5時間雨水浸透を防いだ．

豪雨に耐えられる可能性を確認•

小型土槽の遮水層が，自然暴露状態で １カ月間，雨水の浸透を防いだ．

現場への適用性を確認。
現在も測定は継続し，約7か月間雨水の浸透を防いでいる。

80