砂の液状化にともなう固有異方性の変化

1. はじめにの影響が無視できず，合理的な設計を行うためにはこれを考慮する必要がある．土の異方性には堆積時の粒子の配向性による固有異方性，異方応力状態による誘導異方性があり， 本研究では固有異方性に着80
p er cen tag e fin er b y w eig h t (% )ほとんどである 1)．土構造物においてはこの異方性

文岩秀貴

指導教員

豊田浩史

100

実地盤の土粒子構造は，その構造物の応力履歴・堆積履歴・構築過程に起因して異方的であることが地盤工学研究室60

最大粒径

Gmax=0.25

土粒子の密度ρs=2.65

最小間隙比

emin=0.597

最大間隙比

emin=0.99

40

Toyoura sand20

目した．
地盤の液状化強度は一般に年代効果(応力履歴，堆積構造，セメンテーションなど)によって大きく左右されることがわかっている．筆者らのこれまでの研究により，液状化すると過圧密効果が喪失し，さらに，供試体の密度が増加しているにもかかわらず，応力履歴の喪失以上に液状化強度比は低下することが示されている 2)．これは堆積構造の変化によってもたらされたものとして考えることができる．液状化による「堆積構造の変化」=「固有異方性の変化」と考えることで，液状化によって堆積構造が変化することを捉えられる可能性がある．
そこで，本研究では豊浦砂を対象に堆積方向の異なる供試体を作製し，三軸試験機を用いて液状化履歴による固有異方性への影響を調べた．さらに供試体作製方法を変えることで堆積構造がもたらす影響について様々な視点から検討を行った．

00.0010.010.1

110100Grain size, D (mm)Fig.1 使用した試料の物性で作製したケース」の 3 ケースを行った．
空中落下法による作製方法はモールド内に一定の高さよりふるいを通して自然落下，堆積させる方法である．また，ふるいの落下高さは供試体採取領域(約 12.5cm)の相対密度の変化が Dr±1%となる範囲を事前に予備試験として求め，供試体の相対密度を均一とした．その後，水槽内にモールドを設置し下部より一定の流速で通水し，一定の水位を保った．その後，脱水のために水槽内からモールドを取り出し一定時間放置した．これにより土粒子間にサクションが働き，供試体の自立を可能にした．
水中落下法による作製方法は水を張ったモール

2. 実験概要
2.1

用いた試料ド内に試料を落下させて堆積させる方法である．これによって，空中落下法より密度が低い状態に供試

本研究では，標準砂である豊浦砂を使用した．試体を作製できる．密度が低く自然脱水では十分な自料の物理特性と粒径加積曲線を Fig.1 に示す．豊浦

立強度が確保できなかったため，真空ポンプを用い砂は比較的粒径が揃っており，粒子形状は少し扁平て負圧を供給し脱水することとした．

である．

湿潤締固め法による作製方法はモールド内に詰める試料の量を 10 層に分けて 1 層当たりの分量を決2.2

供試体作製方法

めて堆積させる方法である．これによって，突き固供試体作製方法は，土粒子の配向性の影響を確認

めの影響による固有異方性の変化を調べた．本作製するために「空中落下法で作製したケース」と「水方法では適度な含水比で締固めており，供試体は自中落下法で作製したケース」，「湿潤締固め法立可能なため通水・脱水は行わない．
各作製方法で試料を自立させた後，トリミング法

により直径 50mm，高さ 125mm の寸法に成形した．

3.

試験結果

相対密度 Dr は，空中落下法より作製したケースが3.1

堆積方法の違いが固有異方性に与える影響Dr≒90% ， 水 中 落 下 法 よ り 作 製 し た ケ ー ス が3.1.1 供試体条件の比較

Dr≒60% ， 湿 潤 締 固 め 法 で 作 製 し た ケ ー ス が空中落下法，水中落下法，湿潤締固め法で作製したケースの相対密度 Dr-，堆積面の角度 α 関係を Fig.3

Dr≒65%となった．
堆積面の定義として，Fig.2 に示すように堆積面が水平方向の場合を α=0°として定義する．に示す．空中落下法で作製したケースの方が密詰めとなることが分かる．また，堆積面の角度の大小関係による相対密度 Dr の変化はほとんど見られなかった．

堆積面

1000°

22.5°

959045°αRelative density Dr(%)

67.5°

85

供試体
供試体
切り出し角
堆積面の角

90°

80
75
70
656055
空中落下法で作製したケース
水中落下法で作製したケース
湿潤締固め法で作製したケース

5045

Fig.2 堆積面の定義

2.3

400

圧密排水試験

4590°

Angle of sedimentation plane  ( )三軸試験は，二重負圧のもと供試体下部から脱気Fig.3

水を通水し，平均有効主応力 p’=50kPa の状態で背圧相対密度 Dr-堆積方向の角度 α 関係

200kPa を載荷する方法で供試体の飽和化を促進さ3.1.2 強度特性

せ，間隙圧係数 B>0.95 を確認した後，有効拘束圧(a) 空中落下法で作製したケース

p’=150kPa の圧密応力で等方圧密を行い，その後排空中落下法で作製したケースの軸差応力 q-軸ひず

水条件のもと軸速度 0.05%/mm で軸ひずみ 15%まで

み εa 関係を Fig.4 に示す．軸ひずみ 0.5%付近から角せん断を行った．

度ごとに勾配が変化し，排水強度 qmax(最大軸差応力)で大きな強度差をもたらしている．

2.4

飽和非排水繰返し三軸試験(b) 水中落下法で作製したケース

圧密過程までは 2.3 項と同様の手順で行い，その水中落下法で作製したケースの軸差応力 q-軸ひず後ひずみ制御のもと，初期平均主応力 p’=150kPa，

み εa 関係を Fig.5 に示す．空中落下法と同じく，軸軸ひずみ速度 0.1%/min で非排水繰返しせん断する

ひずみ 0.5%付近から勾配が変化し，排水強度 qmax方法で行った．また，繰返し載荷過程では軸ひずみで強度差をもたらしている．しかし，空中落下法よDA=5%に達した段階を液状化したものとみなし試りも強度差は小さく，これは供試体密度が低いため験を終了することとした．

だと考えられる．

(c)
2.5

試験手順

湿潤締固め法で作製したケース

水中落下法で作製したケースの軸差応力 q-軸ひず

各供試体作製方法で供試体を作製した後，堆積方み εa 関係を Fig.6 に示す．他の 2 ケースと違ってこ法が固有異方性に与える影響を調べるため，排水条のケースでは堆積角ごとの強度差はあまり見られず，件でせん断を行った．さらに，液状化履歴が固有異突き固めは固有異方性にあまり影響しないことがわ方性に与える影響を調べるために水中落下法と湿潤かった．

締固め法で作製した供試体に対して繰返し載荷を行(d)い，液状化させた後，排水条件でせん断を行った．

排水強度 qmax の比較

各ケースの排水強度 qmax を堆積面の角度 α 別にまとめたグラフを Fig.7 に示す．すべてのケースにお700いて堆積角が大きくなるにつれて強度が低下する傾向が見られた．これは土粒子の配向性によるものだする．また，空中落下法で作製したケースでは堆積面の角度が大きくなるにつれて，著しい強度低下が見られるのに対し，水中落下法で作製したケースでは大きな強度低下は見られない．これより，供試体

Deviator stress q (kPa)と考えられる．配向性のメカニズムについては後述

600
500
400
300
200の密度と強度異方性には関連性があると推測できる．

=0°
=90°100

また，一般的に密度と強度には関連性があると言わ0れているが，Fig.3 の相対密度と堆積面の角度関係を0123456789 10 11 12 13 14 15Axial strain a (%)

照らし合わせると，強度は密度のみではなく，固有異方性にも大きく依存していることが分かる．

Fig.6

軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係(湿潤締固め法)

700
700

600
Deviator stress qmax (kPa)

Deviator stress q (kPa)

600
500
400
300
200
=0°
=45°
=90°

100
0012345678500

400

300

200

4590

Angle of sedimentation plane  ( )Fig.7 排水強度 qmax-堆積面の角度 α 関係

軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係(空中落下法)

3.2
700

3.2.1

液状化履歴が固有異方性に与える影響
供試体条件の比較

水中落下法，湿潤締固め法で作製したケースの相600
Deviator stress q (kPa)0°

9 10 11 12 13 14 15

Axial strain a (%)

Fig.4

自然落下法
水中落下法
湿潤締固め法対密度 Dr-，堆積面の角度 α 関係を Fig.8 に示す．液500状化による変化を，液状化履歴を与えない場合のケースと比較する必要があるため初期相対密度は同一400条件に揃えることとした．

300
200
=0°
=45°
=90°

100
00

12345678

9 10 11 12 13 14 15

Axial strain a (%)

Fig.5

軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係(水中落下法)

700

100600Deviator stress q (kPa)

Relative density Dr(%)

9080
7060

500
400
300
200

=0°(液状化履歴無し)
=90°(液状化履歴無し)
=0°(液状化履歴有り)
=90°(液状化履歴有り)

100500水中落下法(液状化履歴無し)
水中落下法(液状化履歴有り)
湿潤締固め法(液状化履歴無し)
湿潤締固め法(液状化履歴有り)

40300012345678910 11 12 13 14 15Axial strain a (%)

軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係(水中落下法)

Fig.990°

Angle of sedimentation plane  ( )3.2.2

相対密度 Dr-堆積方向の角度 α 関係

強度特性

Fig.9 に水中落下法で作製したケースの軸差応力
q-軸ひずみ εa 関係，Fig.10 に湿潤締固め法で作製したケースの軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係を示す．この600
Deviator stress q (kPa)

Fig.8700

Fig.11 に水中落下法で作製したケースの排水強度

Fig.10Deviator stress qmax (kPa)

液状化後，再圧密を行ったことによる密度増加の影

01345678910 11 12 13 14 15

軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係(湿潤締固め法)

500
450400350

響であると考えられる．

液状化履歴無しのケース
液状化履歴有りのケース

3000(b) ひずみが小さい領域での変形特性の異方性

90°

Angle of sedimentation plane  ( )液状化強度は，せん断ひずみレベルが 0.01%程度の割線せん断弾性係数と相関がよいことが示されて2550を示す．両ケースにおいて液状化履歴を与えても液化履歴を与えると排水強度は増加しているがこれは

=0°(液状化履歴無し)
=90°(液状化履歴無し)
=0°(液状化履歴有り)
=90°(液状化履歴有り)

600

作製したケースの排水強度 qmax-堆積面の角度 α 関係の程度はほぼ同じになる結果となった．また，液状200

Axial strain a (%)

qmax-堆積面の角度 α 関係，Fig.12 に湿潤締固め法で状化履歴を与えないケースと排水強度の強度異方性

3000レベル毎で異なる傾向が見られた．

排水強度の異方性

400100

結果より液状化履歴を与えると両ケースともひずみ(a)500

Fig.11

排水強度 qmax-堆積面の角度 α 関係(水中落下法)

いる 3)．そこで，ひずみが小さい領域におけるせん
600

ひずみ 1%までの軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係，Fig.14550に湿潤締固め法における軸ひずみ 1%までの軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係を示す．両ケースとも液状化履歴を与えると堆積角 α=0 度では初期勾配が増加し，堆積角 α=90 度では初期勾配が減少する結果となっ

Deviator stress qmax (kPa)

断挙動を見てみる．Fig.13 に水中落下法における軸500
450400350

液状化履歴無しのケース
液状化履歴有りのケースた．この結果より，液状化履歴を与えることによっ
300て供試体の堆積構造が変化したことが推測される．

090°Angle of sedimentation plane  ( )Fig.12

排水強度 qmax-堆積面の角度 α 関係(湿潤締固め法)

4003) ひずみが小さい領域（1%以下）では堆積角α=0°=0 (液状化履歴無し)°

=90 (液状化履歴無し)°

度(水平方向堆積)で初期勾配が増加し，α=90 度

=0 (液状化履歴有り)°

Deviator stress q (kPa)300

=90 (液状化履歴有り)(鉛直方向堆積)で減少する結果となった．これより，液状化によって堆積構造の変化が生じたこ

200とが考えられる．しかし，ひずみが大きくなる
100と液状化前の異方性を取り戻すことから，液状00.0

化履歴による堆積構造の変化は小さいものであ
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Axial strain a (%)

軸ひずみ 1%までの軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係

Fig.13(水中落下法)=0°(液状化履歴無し)
=90°(液状化履歴無し)
=0°(液状化履歴有り)
=90°(液状化履歴有り)

Deviator stress q (kPa)

調べる必要がある．

Toyoura sandCD testp'=150kPa
K=120010000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

Axial strain a (%)

Fig.14軸ひずみ 1%までの軸差応力 q-軸ひずみ εa 関係(湿潤締固め法)

3. 結論
本研究では，液状化が固有異方性に与える影響について調べるために，豊浦砂を用いて堆積面の角度を変え，液状化履歴を与えることで固有異方性の変化を調べた．
本研究より得られた知見を以下に示す．
1) 排水強度 qmax に着目すると，空中落下法で作製したケースでは，水平方向から堆積方向の角度が大きくなるにつれて，著しい強度低下が確認できたが，水中落下法で作製したケースでは，堆積方向の角度が大きくなっても強度低下はそれほど著しくはなかった．このことから，強度特性と供試体の密度は大きく関係していることがわかった．
2) 液状化履歴を与えると液状化後の密度増大に伴って排水強度は増加するが，強度異方性は液状化前と同程度の大きさを示すことが実験より確認できた．このことから液状化が生じても排水強度については，密度の影響のみ考慮すればよいことがわかった．

今後は，本研究で得られた液状化による異方性の変化が，再液状化強度にどのように影響してくるか

400300ったのではないかと推測できる．

【参考文献】
1) 中田幸男，兵動正幸，吉本憲正，村田秀一：締固め
まさ土の強度・変形特性に及ぼす異方性の影響，土木学会論文集Ｃ，Vol62，No.2，360-370，2006.
2) 森田雅也：砂の液状化による過圧密効果の喪失，長岡技術科学大学修士論文，2012.
3) 檀原志織：礫混じり砂のせん断弾性係数と液状化強度に与える礫粒度の影響，長岡技術科学大学修士論
文，2012.