全地連「技術フォーラム2022」那覇【20】

土の凍上による強度低下について
北海道土質試験協同組合○高橋 孝輔平 信明

1. はじめに
表-1 物理・締固め試験結果一覧表

近年、寒冷地で土の凍上を起因とする土木構造物の被1)害事例が多く報告されている 。盛土構造物では、凍上

火山灰質砂
凍上前

試料名

現象により斜面の安定性・支持力が低下し、すべり・崩土粒子の密度ρs(Mg/m3)

落に伴い、側溝などの付帯構造部の破損といった被害が報告され、社会的な問題となっている。凍上により土がと考えられるが、土の密度や強度定数である粘着力 c や内部摩擦角φ等、凍上の影響による物性値の変化に関して報告例が少ない。
一般的に室内試験では、NEXCO 試験法 112 の「凍上性

粘性土質砂
凍上前

2.547

含水比ｗ(%)

体積膨張した後、融解する事で、土の強度低下が生じる

火山灰質砂
融解後

32.2

粘性土質砂
融解後2.521
39.8

34.5

42.9

細粒分含有率
Fc(%)

36.3

30.0

最大乾燥密度ρdmax(Mg/m3)

1.402

1.345

最大乾燥密度90%
ρdmax90％(Mg/m3)

1.262

-

1.211

-

融解後乾燥密度ρd(Mg/m3)

-

1.220

-

1.164

供試体飽和度
Sr(%)

80.8

93.3

75.2

93.0

凍結速度
U(㎜/h)

1.19(凍結完了後)-

1.14(凍結完了後)-

凍上速度
Uh(㎜/h)0.16(凍結完了後)-

0.22(凍結完了後)-

凍上量
ΔHf(㎜)

6.37(凍結完了後)

1.62

6.36(凍結完了後)

1.94

膨張率
ξ(%)

12.8(凍結完了後)

3.3

12.7(凍結完了後)

3.9

判定のための土の凍上試験 2)」があり、凍結融解後の CBR値をもって土の強度低下を評価する事が出来る。地盤工学会より基準化されている「JGS0172-2020 凍上性判定のための土の凍上試験 3)」(以下: JGS 型凍上試験)では、土の強度低下を評価する方法は定められていない。
そこで本論では、JGS 型凍上試験を実施後、凍上後の融解時に土の体積が変化する事により、密度と含水比を計測可能である事に着目し、融解後の供試体条件にて三軸圧縮試験を行い、JGS 型凍上試験の強度低下の評価料の凍上前、融解後の試験結果を表-1に示す。一般的な盛土管理基準である最大乾燥密度の90%を目安に、自然含水比で供試体を作製し、JGS 型凍上試験及び三軸圧縮試験を行った。
図-1に凍上試験経過時間と凍上量の関係を示す。JGS型凍上試験を実施し、試料の凍上速度を測定した後、供試体の融解を行った。凍上試験の温度降下速度は-0.05℃/h で実施し、粘性土質砂の凍上速度は0.22㎜/h、火山灰質砂の凍上速度は0.16㎜/h であった。凍結速度 U は1～2㎜/h の範囲で凍結が完了した。凍結した供試体の両端面

12840-4-810.0

上端面温度Ｔw
下端面温度Ｔc

010208.0

凍上量⊿Ｈ吸排水量⊿Ｖ6.0

y = 0.1561x + 0.2548

30405060708090100

凍結完了

10080
60

4.0

402.0

200.00
経過時間 ｔ（h）-2.00102030

405060-20708090100

図-1 凍上試験経過時間と凍上量の関係を+10℃で融解させ、凍上量、吸排水量が安定した後、凍上量及び吸排水量を測定し土の体積を求め、融解後供試材料の劣化に対して考慮・検討は行っていない。

体の乾燥密度・含水比を算出した。

3. 試験結果と考察

次に融解後供試体の状態を再現した供試体で三軸圧縮(1) 三軸圧縮試験結果試験を実施し、凍上前の三軸圧縮試験結果と比較を行っ三軸圧縮試験結果を表-2 に示す。各試料の凍上前と融た。実施した材料は、2試料とも砂質土に分類されている解後を比較すると UU 法では、粘着力 c は大きな変化は見が、細粒分含有率 Fc が30%を超えており、中間土であるられず、内部摩擦角φは、融解後の方が小さい結果とな事を考慮し三軸圧縮試験のせん断時の条件として、CD 法った。CD 法では、粘着力 c は、融解後に小さくなり、 内2部摩擦角φは大きくなる結果となった。試験結果より UUで行った。尚、本論では凍上試験後の試料を用いて供試法では、内部摩擦角φ、CD 法では粘着力 c が低下する傾体作製はしていないため、凍上作用による土の細粒化等向が得られた。と UU 法の2条件で実施し、側圧は、σ=30・60・90kN/m

吸排水量 ⊿Ｖ(cm3)

使用材料には、火山灰質砂・粘性土質砂を用い、各試

凍上量 ⊿Ｈ(mm）2. 使用材料及び試験方法

端面温度 （℃）

に関する方法として検証し報告するものである。

全地連「技術フォーラム2022」那覇(2) 側圧と軸差応力の関係(火山灰質砂)表-2 三軸圧縮試験結果

火山灰質砂の側圧と軸差応力の関係を図-2 に示す。
なる傾向にあり、凍上前と融解後を比較すると融解後のUU法方が小さい。融解後の状態は凍上前より体積、含水比がCD法増加し、乾燥密度が低くなるためである。融解後の UU法では、側圧増加による軸差応力の差は小さく、凍上前
2

CD 法の凍上前と融解後の比較では、側圧 30kN/m の結果て凍上による土の強度低下が懸念されると考えられる。

軸差応力(kN/m2)

れる。以上の結果から土被りの小さい盛土表層部におい粘性土質砂凍上前

粘性土質砂
融解後

ｃu

14.3

φuｃd
φd36.722.437.815.324.123.57.96.441.028.1
15.838.69.710.541.8

火山灰質砂凍上前UU法

火山灰質砂融解後UU法

火山灰質砂凍上前CD法

火山灰質砂融解後CD法

400が最も軸差応力が低下しており、側圧が小さい程、著し着力 c が低下し、内部摩擦角φが大きくなったと考えら

火山灰質砂
融解後500と比較すると大きく強度が低下する事が確認された。

い強度低下の傾向が確認された。そのため、融解後の粘火山灰質砂
凍上前

せん断

UU 法、CD 法ともに側圧の増加に伴い、軸差応力は大きく増加大300200(3) 側圧と軸差応力の関係(粘性土質砂)
粘性土質砂の側圧と軸差応力の関係を図-3 に示す。

100

UU 法、CD 法ともに側圧の増加に伴い、軸差応力は大きく増加小なる傾向にある。融解後の UU 法では、火山灰質砂と同様0030に側圧増加による軸差応力の差は小さく、凍上前と比較凍上前より融解後の軸差応力が大きくなっており、火山圧と圧密後間隙比の関係を示す。融解後の強度が増加し粘性土質砂凍上前UU法

粘性土質砂融解後UU法

粘性土質砂凍上前CD法

粘性土質砂融解後CD法400た要因として、凍上前供試体よりも融解後供試体の圧密増加大軸差応力(kN/m2)

変化は比較的少ない。この事から、融解後における圧密120500

灰質砂とは逆の傾向が見られている。図-4 に CD 法の側

火山灰質砂では凍上前、融解後供試体の圧密後の間隙比

90

図-2 側圧と軸差応力の関係(火山灰質砂)すると大きく強度が低下する事が確認された。CD 法では、後の間隙比が低下し、より密実化した事が考えられる。

60側圧(kN/m2)

後間隙比の変化の程度により、強度特性が異なる事が確

300200

認された。
1004.まとめ① UU 法では、融解後に著しい強度低下の傾向が見られ増加小た。

0030② CD 法では、低側圧領域での強度低下が見られ、粘着120

1.100③ 土被りの小さい盛土表層部で凍上による土の強度低下が懸念される。

90

図-3 側圧と軸差応力の関係(粘性土質砂)

力 c の低下、内部摩擦角φが増加した。圧密後間隙比の変化の程度により、強度特性が異なる。

60側圧(kN/m2)

粘性土質砂凍上前

粘性土質砂融解後

火山灰質砂凍上前

火山灰質砂融解後

1.050

5.おわりに今後は、種々の材料や異なる凍上性、密度の大小等がい。
《引用・参考文献》

1.000
間隙比

土の強度低下にどのような影響があるか検討していきた低下

0.9501) 公益社団法人地盤工学会北海道支部 凍上対策工の調査・設計法に関する研究委員会:斜面の凍上対策の調0.900

査・設計マニュアル(案)，PP4～PP13，2016.102) 東、中、西日本高速道路株式会社：NEXCO 試験方法
第 1 編 土質関係試験方法，PP50～PP61，2017.073) 公益社団法人地盤工学会：地盤材料試験の方法と解説-二分冊の 1-，PP253～PP256，2020

0.850
03060
側圧(kN/m2)90

図-4 側圧と圧密後間隙比の関係120