ＩＳＳＮ１３４６－７８３２

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所

港湾空港技術研究所
報告
REPORT OF
THE PORT AND AIRPORT RESEARCHINSTITUTE

VOL.55No.2 June

NAGASE,YOKOSUKA,JAPANNATIONAL INSTITUTE OF MARITIME,PORT AND AVIATION TECHNOLOGY

2016

港湾空港技術研究所報告（REPORT OF PARI）
第 55 巻 第 2 号（Vol. 55, No. 2）, 2016 年6月（June 2016）目

次（CONTENTS）

1. 高潮津波シミュレータ(STOC)による津波被害解析手法········································································ 富田孝史，本多和彦，千田優 ·······

3（Numerical Simulation on Tsunami Inundation and Debris Damage STOC Model·································································· Takashi TOMITA, Kazuhiko HONDA, Yu CHIDA）
2. 植生が浅海域の流動場にもたらす影響に関する現地調査と流動モデルによる数値解析···························· 茂木博匡，中川康之，渡辺謙太，所立樹，門谷茂，桑江朝比呂 ·········35（Field Observations and Numerical Analyses on the Effect of Vegetation on the Hydrodynamics of a Shallow
Water Using a New Hydrodynamic Model··············································· Hirotada MOKI, Yasuyuki NAKAGAWA, Kenta WATANABE,
Tatsuki TOKORO, Shigeru MONTANI, Tomohiro KUWAE）
3. サンゴ礫混じり土の力学特性－人工配合による再構成試料を使ったパラメトリックスタディ－········································································ 渡部要一，金子崇，佐々真志 ······· 61（Mechanical properties of coral-gravel soil –a parametric study using reconstituted samples–···························································· Yoichi WATABE, Takashi KANEKO, Shinji SASSA）
4. 海底液状化土砂流動のダイナミクスと解析法及び実験・現地検証··································································································· 佐々真志 ······· 75（Submarine Liquefied Flow Dynamics and Their Analytical Framework with
Experimental and Field Validations··················································································································· Shinji SASSA）

港湾空港技術研究所報告第 55 巻第 2 号(2016.6)

サンゴ礫混じり土の力学特性－人工配合による再構成試料を使ったパラメトリックスタディ－
渡部要一*・金子崇**・佐々真志***要

旨

サンゴ礫混じり土は，フィンガーコーラルに代表されるサンゴ礫が，シルト質からなるマトリッ
クスの中に介在した土である．サンゴ礫が少なければシルトが支配的な力学挙動となり，サンゴ礫が多くなるとシルトとサンゴ礫との複合的な力学挙動を示すものと考えられる．本研究では，サン
ゴ礫混じり土の力学特性を評価することを目的として，サンゴ礫含有率をパラメータとした一連の三軸試験を通じて以下の知見を得た．サンゴ礫混じり土の強度定数は，サンゴ礫の噛み合わせや粒子破砕の影響を受けるため，サンゴ礫含有率に支配されており，本研究で用いた試料の場合，サン
ゴ礫の体積含有率が20%を越えるとその影響が現れた．サンゴ礫の体積含有率が20%以下の試料では，CD試験から得られたせん断強さはCU-bar試験から得られたせん断強さよりもわずかに大きいが，両者の差はきわめて小さい．一方，サンゴ礫体積含有率が20%以上の試料では，CU-bar試験から得られたせん断強さは，激しいダイレーションのために原位置では非現実的なほどに大きな負圧が発生し，設計強度としては過大評価になる．CD試験から得られたせん断強さについても，体積膨張のために強度が増加する傾向が見られるが，CU-bar試験の結果に比べるとかなり小さな値となる．サン
ゴ礫が密に詰まった試料では，せん断抵抗角ϕは一般的な土に比べて非常に大きな値となるが，せん
断を続けるとサンゴ礫の粒子破砕によって次第に減少する．

キーワード：サンゴ礫混じり土，サンゴ片，シルトマトリクス，粒子破砕，力学特性，三軸試験* 地盤研究領域長** 地盤研究領域土質研究グループ研究官*** 地盤研究領域動土質研究グループ長〒239-0826 横須賀市長瀬3-1-1 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 港湾空港技術研究所
電話：046-844-5053 Fax：046-844-4577
e-mail: watabe@ipc.pari.go.jp- 61 -REPORT OF THE PORT AND
AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Vol.55, No.2 (Mar.2016)

Mechanical properties of coral-gravel soil
– a parametric study using reconstituted samples –Yoichi WATABE*
Takashi KANEKO**
Shinji SASSA***

Synopsis
Coral gravel soils, which are composite soils consisting of finger-coral fragments and silt matrix, are often found in coastal
regions of sub-tropical islands, particularly in Okinawa. In this study, for reconstituted soils with various coral gravel fractions
up to 44% that was the densest package, a series of triaxial CU-bar and CD tests was conducted to study determination method
for soil design parameters in consideration of interaction between soil skeleton consisted of coral fragments and silt matrix. For
samples with volumetric percentage of coral fragments less than 20%, the shear strength obtained from the CD tests was slightly
larger than that obtained from the CU-bar tests; however, the difference between those two tests was very small. For samples
with volumetric percentage larger than 20%, the shear strengths obtained from the CU-bar tests were significantly overestimatedbecause of the unrealistically large negative excess pore pressure in the field corresponding to significant dilation. The shear
strengths obtained from CD tests also show the similar tendency corresponding to the volume expansion; however, these aremuch smaller than those obtained from the CU-bar tests. For the samples with dense package of coral fragments, shear
resistance angle ϕ was much larger than normal soils; however, it tended to decrease in association with particle crush of coralfragments. The tendency of particle crush was visually evidenced through CT-images observed before and after the triaxial tests.
The soil parameters were significantly influenced by volumetric percentage of coral fragments in association with particle
interaction and particle crush, when the percentage was larger than 20% for the coral gravel soils examined in this study.

Keywords: Coral gravel soil, coral fragment, silt matrix, particle crush, mechanical properties,
triaxial test
* Director, Geotechnical Engineering Department (Head, Soil Mechanics and Geo-environment Group)** Researcher, Soil Mechanics and Geo-environment Group*** Head, Soil Dynamics GroupPort and Airport Reseaerch Institute, 3-1-1 Nagase, Yokosuka, 239-0826 Japan
Phone：+81-46-844-5053
Fax：+81-46-844-4577
e-mail: watabe@ipc.pari.go.jp- 62 -

目要次旨･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････61

1．はじめに ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････65
2．供試体の作成条件と作成方法 ･･････････････････････････････････････････････････････････････67
3．試験結果 ････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････68
4．CTスキャナによる試料内部構造の観察 ･････････････････････････････････････････････････････72
5．結論 ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････72
謝辞 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････73
参考文献 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････････････74- 63 -

サンゴ礫混じり土の力学特性－人工配合による再構成試料を使ったパラメトリックスタディ－

1. はじめに含む場合に，ある最大寸法以下の粒度に調整したり，相似粒度に調整したりした試験用試料に対する力学試験結サンゴ礫混じり土は，フィンガーコーラルに代表され果から元の粒度の試料の力学特性をどのように評価したるサンゴ礫が，シルト質からなるマトリックスの中に介ら良いかに着目したものである．

在した土である．サンゴ礫が少なければシルトが支配的

Kumar and Muir Wood (1999) や Vallejo and Mawby

な力学挙動となり，サンゴ礫が多くなるとシルトとサン(2000)は，粗粒分と細粒分の混合土のせん断特性についゴ礫との複合的な力学挙動を示すものと考えられる．一て調べている．いずれの研究においても，粗粒分が少な

般に，構造物基礎の設計では，排水性が低いと非排水せ

いと細粒分のせん断挙動が全体のせん断挙動を支配し，ん断特性を考慮して粘着力c，排水性が高いと排水せん断

粗粒分がある程度以上になると粗粒分の影響が現れ始め，特性を考慮してせん断抵抗角ϕが用いられる．しかし，シルトとサンゴ礫との複合材に対しどのようにcやϕを設定したら良いか，これまでのところあまり多くの知見は得られていない．これは，サンゴ礫の存在が良質のサンプ
リングを阻害するため，サンゴ礫混じり土本来の力学挙
動のパフォーマンスを正しく評価できなかったためでもある．サンゴ礫混じり土は，日本では，亜熱帯気候下に位置する南西諸島の海岸に多く堆積しており，これらの地域では，構造物基礎の設計において，上記理由によりその取り扱いに苦慮しているのが実情である．
沖縄県沿岸の建設現場では，一般的なサンプリング方法（粘性土はコアキャッチャー付きの固定ピストン式シ
図-1 サンゴ礫混じり土が堆積する沖縄県浦添市の海岸

ンウォールサンプラー，砂や石灰岩はロータリー式スリーブ内蔵二重管サンプラーなど）で試料採取が実施されている．一例として，浦添市の海岸における道路の埋立て建設現場（図-1）で採取された試料の様子を写真-1 に示す．表層付近から深度 8ｍの部分がサンゴ礫混じり土に相当する地層であり，それ以深はサンゴ礫混じり土を含むが石灰岩が主体となっている．試料採取時にサンプ
ラーの刃先にサンゴ礫が当たり，サンゴ礫が連れ込まれるなどして試料が著しく乱れ，もはや不攪乱試料とは言えない状況になっていることがわかる．このように試料が乱れてしまうために，サンゴ礫混じり土の力学特性の(a) G.L. –0.45 to –5.45 m

解明が遅れてきた．
サンゴ礫混じり土の力学特性を直接的に調べた研究事
例はきわめて少なく，当該分野の研究は始まったばかりであると言える．しかしながら，砂礫などの大きな寸法の粒子が粘性土のマトリックスの中に存在している混合土を対象とした研究など，関連した研究が幾つか報告されている．Fragaszy et al. (1990)は，大きな粒子が存在することによってその周囲の細粒分マトリックスの詰まり具合が影響を受けることに着目し，土の密度がどのように変化するかモデル化して表現した．Fragaszy et al.
(1992)や Simon and Houlsby (2006)は，礫を含む砂質土の(b) G.L. –5.45 to –10.40 m
写真-1 一般のサンプラーで採取されたサンゴ礫混じり土の状況

せん断特性の評価を試みている．これらの研究は，試験に用いる供試体の寸法に影響を与えるような大きな礫を- 65 -

渡部要一・金子崇・佐々真志

粗粒分の割合がさらに増えると粗粒分のせん断挙動が全サンゴ礫については，フィンガーコーラル（枝状サンゴ）

体のせん断挙動を支配するようになるという結論が導かの破片を中心に，様々な形状や太さ，長さのものが含まれている．しかしながら，それらの挙動を分ける配合のれており，サンゴ礫の表面には様々な突起が付いている

境界は，それぞれ異なる値が報告されており，個々の材ことがわかる（写真-2）．

料特性によって異なっている．Crawford et al. (2008)は，

シルト質土の鉱物組成を X 線回折分析によって調べた

礫と粘土の混合土について，せん断特性のみならず，透結果を図-3 に示す．細粒分含有率 50%の土であるが，カ

水特性についても調べている．また，Watabe et al. (2011)

オリナイト，イライト，スメクタイトといったいわゆるは，粘土と砂の混合土について，圧縮特性と透水特性を粘土鉱物や，多くの堆積物に見られる一般的な鉱物であ

土骨格と関連して議論している．
本研究で扱うサンゴ礫混じり土の場合，粒子破砕の影
響についても考慮する必要がある．せん断に伴う砂質土や礫質土の粒子破砕の影響については，例えば，Lade et al.
(1996)や Lobo-Guerrero and Vallejo (2005)に報告されている．近年では粒子破砕の影響を DEM でモデル化してシミュレートするなどにより，せん断挙動に現れる粒子破砕の影響も明らかになってきている（Lobo-Guerrero andVallejo 2006）．
本研究では，サンゴ礫含有率を種々変化させて作成した人工配合の試料を作製して一連の三軸試験（CU-bar 試
験および CD 試験）を実施した．サンゴ礫混じり土の力
学挙動について，シルトとサンゴ礫の複合材としての挙図-2 試験に用いたシルトの粒径加積曲線

動がサンゴ礫含有率の変化とともにどのように変化する
かをパラメトリックに調べ，c や ϕ といった地盤定数の設定手法を提案することが目的である．最新の研究によれば，地球温暖化の影響によりサンゴの生息域は徐々にではあるが緯度の高い地方に向かって拡がっており，現在は温帯気候下にある地域でも将来的にはサンゴ礁が拡がる可能性があることが報告されている（Jones, 2011;
Yamano et al. 2011）．このような背景からも，本研究で扱うサンゴ礫混じり土の重要性は，現在の亜熱帯地域にとどまらず，将来的にはさらに拡大していく可能性がある
写真-2 試験に用いたサンゴ礫の例ものと考えられる．
試験に用いたサンゴ礫混じり土は，上述の浦添市の海岸において，干潟・浅瀬から採取したものである．複合材としてのサンゴ礫混じり土をバックホーで掘削・採取したのち，試験室にてサンゴ礫とシルト質土（砂分，シルト分，粘土分を含めて，ふるい分けして得られた 2mm
以下の粒子をまとめてシルト質土と称することにする）とに分離し，次章で説明する手順で所定の配合に調整し，供試体を作製して三軸試験に供した．
シルト質土の土粒子密度は 2.76g/cm3 ，液性限界は22.9%であったが，塑性限界は得られず非塑性の土であると評価された．シルト質土の粒径加積曲線を図-2 に示
す．0.075mm 以下の細粒分含有率は約 50%，0.005mm 以

図-3 サンゴ礫混じり土のシルトマトリックス部分に対す
る X 線回折による鉱物分析結果

下の粘土分は 17%（0.002mm 以下は 13%）である．一方，- 66 -

サンゴ礫混じり土の力学特性－人工配合による再構成試料を使ったパラメトリックスタディ－

表-1 人工配合サンゴ礫混じり土試料の一覧

る石英などもほとんど含まれていない．同定された鉱物にサンゴ礫を投入して十分に混合した．次に，内側にテはサンゴの骨格を形成するアラゴナイト（Chalker et al.

フロンシートをセットした高さ 15cm，直径 7.5cm の塩化

1985; Kleypas et al. 1999）で，CaCO3 を主成分とするもの

ビニル製円筒容器に投入し 1 層毎に締固め，5 層に分けである．換言すれば，多くの土に含まれるシリカ（Si）

た全ての試料を投入した後，円筒容器の上下をステンレ系鉱物が含まれていない．このように，粘土鉱物を含まス板で拘束するとともに，塩化ビニル円筒の半径方向のないことが，細粒分を 50%含むにもかかわらず塑性が見膨張を抑えるためにバンドで締め付けた状態で–40℃のられないことの原因であると考えられる．

冷凍庫で 24 時間かけて凍結させた．凍結した供試体を容

沖縄県各地の港湾工事で行われた地盤調査結果から，器から脱型して寸法と重量を計測した後，三軸試験機のサンゴ礫混じり土のマトリックス部分を形成するシルト

ペデスタルに載せ，ペーパードレーンとゴムスリーブを質土について，シルト分と粘土分（0.005mm 以下）の含

装着し，キャップを取り付けた．

有率の関係を示したものが図-4 として報告されている

三軸セルを組み立て，セル内を脱気水で満たした後，(親泊・善, 2004)．塑性指数が 20 以上のもの，20 未満の

16kPa のセル圧を負荷し，脱気水を通水しながら十分なもの，塑性を示さないものに分類してプロットされてい時間をかけて解凍するとともに，供試体の飽和度を高める．本研究で扱っている浦添のサンゴ礫混じり土では，た．その後，背圧 200kPa を負荷して十分に飽和させ，有シルト質土の細粒分含有率は FC=50%，粘土分含有率は

効圧密圧力 σ'c=50kPa で等方圧密した後，排水条件とし17%であることから，プロットが集中した領域内にあり，て三軸圧縮試験を行った．排水性が悪い材料に対してはサンゴ礫混じり土のシルト質土としては代表的なものの一つであると言える．また，細粒分が多くても粘土分が50%以下の土では，浦添のシルト質土と同様に塑性を示
さないものが多い．

2. 供試体の作成条件と作成方法
試験条件は，表-1 に示すように，供試体の全体積に対しサンゴ礫の体積が 0, 5, 10, 20, 30, 44%の 6 通りとした．
サンゴ礫 44%は，サンゴ礫が最も密に詰められた状態で，サンゴ礫が骨格を形成した隙間をシルト質土が埋めている．シルト質土は含水比 30%の飽和状態で準備し，これがサンゴ礫の隙間に充填される（全体体積に対してそれ
ぞれ 100, 95, 90, 80, 70, 56%となる）．
各配合に合わせてサンゴ礫とシルト質土をそれぞれ 5
等分にして用意し，それぞれに対して含水比が約 30%と図-4 サンゴ礫混じり土のシルトマトリックス部分におけるシルト分含有率と粘土分含有率の関係

なるようにシルト質土に水を加えてスラリー状とした中- 67 -

渡部要一・金子崇・佐々真志

非排水試験から粘着力 c を，排水性が良い材料に対しては排水試験から ϕ を評価することに対応するため，ここでは，同じ配合の供試体を 2 つ準備し，1 つには非排水せん断試験（CU-bar 試験），もう一方には排水せん断試
験（CD 試験）を実施した．比較的排水性の高い材料であることから，せん断速度はともに 0.1%/min とした．なお，表-1 に示したように，作製したサンゴ礫混じり土の湿潤密度は 1.81～2.01g/cm3 であるので，圧密圧力 50kPa
は深さ 5～6m の地層の有効土被り圧を想定した設定ということになる．
試料記号はシルト質土とサンゴ礫の配合を反映して付けられており，S と C の後の数字はそれぞれシルト質土とサンゴ礫の体積百分率を表している．
(a) 主応力差 q (= σ1 – σ3)と軸ひずみ εa の関係

3. 試験結果
三軸圧密非排水圧縮せん断試験（CU-bar 試験）で得られた(a)主応力差 q（=σ1 – σ3）と軸ひずみ εa の関係，ならびに(b)過剰間隙水圧 Δu と軸ひずみ εa の関係を図-5 に示す．サンゴ礫を含まない C0S100 を始めサンゴ礫を 5%含
む C5S95 や 10%含む C10S90 では，主応力差は軸ひずみ1%程度まで急勾配で増加した後，軸ひずみ 5%程度まで
さらに徐々に増加し，軸ひずみ 5%以上ではほぼ一定値となっている．過剰間隙水圧は，軸ひずみ 1～2%まで上昇した後徐々に減少するが，それでも軸ひずみ 15%まで正の値を示している．このような挙動は正規圧密状態にある粘性土やシルトのせん断挙動の典型である．しかし，サンゴ礫を 30%含む C30S70 や 44%含む C44S56 になると主応力差は軸ひずみ 5%程度まで急勾配で著しく増加
し，その後も軸ひずみ 10%程度まで徐々に増加し続ける．

(b) 過剰間隙水圧 Δu と軸ひずみ εa の関係
図-5 三軸 CU-bar 試験の結果

主応力差の最大値は，サンゴ礫の体積百分率 0，5，10，
20，30，44%においてそれぞれ 120，180，150，220，420，
920kPa である．サンゴ礫の増加とともにせん断強さが増うな著しい負の過剰間隙水圧が発生していることになる．

加する傾向があり，サンゴの体積百分率が 20%以上にな

従って，サンゴ礫が骨格を形成するほどにサンゴ礫が密るとその増加は飛躍的に増大する．サンゴ礫の体積百分に入っている C44S56 のような試料において，CU-bar 試

率が 30%以上の試料では，軸ひずみ 1%程度までは過剰験から得られる非排水せん断強さは，実際の強度よりも間隙水圧は増加するが，その後減少に転じ，軸ひずみ 2%

過大評価している可能性があり，設計上危険である．

以上では負の過剰間隙水圧となる．特に C44S56 では著

C44S56 では，せん断中の主応力差の変化に著しいノイ

しい負の過剰間隙水圧が発生しており，軸ひずみ 15%時

ズ状の変化（凸凹）が現れているが，これは，骨格を形に–120kPa にまで達している．サンゴが骨格構造を形成成するサンゴ礫が破砕してサンゴ礫同士の噛み合いが外する C44S56 で著しく大きなせん断強さが発揮されていれ，応力が瞬間的に減少することが表れた結果であるとるが，その理由は，せん断に伴って骨格を形成するサン考えられる．このような変化は C30S70 でも明瞭に見らゴ礫が著しいダイレーションを起こすにもかかわらず，れる．不明瞭ではあるが，C20S80 においても同様の傾向

排水バルブが閉じられているためである．現場では完全が僅かに見られ，一部のサンゴ礫は接触し合って破砕しな非排水は期待できないので，実地盤ではあり得ないよている可能性が示唆される．サンゴ礫同士が噛み合った- 68 -

サンゴ礫混じり土の力学特性－人工配合による再構成試料を使ったパラメトリックスタディ－(a) せん断試験から得られた応力経路の全体図(a) 主応力差 q (= σ1 – σ3)と軸ひずみ εa の関係(b) せん断試験から得られた応力経路の初期部分に着目した拡大図
図-6 三軸 CU-bar 試験で得られた有効応力経路(b) 体積ひずみ εv と軸ひずみ εa の関係
図-7 三軸 CD 試験の結果傾向を示し，ひずみ硬化の傾向を示す．サンゴ礫を 5%

挙動が見られるかどうかは，サンゴ礫の体積百分率 20%以上含むものでは，平均有効主応力が一旦減少する傾向

辺りが境界になるようである．なお，このようなノイズは見られず，単調に右上に向かって推移しており，ダイのような変化が粒子破砕に起因することは，破砕性の土

レーションを生じる密な砂のように著しいひずみ硬化をに 対 す る DEM に よ る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 結 果示す挙動になっている．サンゴ礫を 30%以上含む C30S70（Lobo-Guerrero and Vallejo 2006）からも示唆されるもの

や C44S56 では，限界状態に達したと考えられる応力経である．

路の後半部分でも，限界状態線の傾きが次第に小さくな応力経路を主応力差と平均有効主応力の関係として，る傾向を読み取れる．これは上述の主応力差と軸ひずみ応力経路の(a)全体図と(b)初期部分の拡大図を図-6 に示関係において示唆されたように，サンゴ礫の破砕の影響

す．全体の傾向としては，上に凸な曲線となっている．

が現れたものと考えられる．

サンゴ礫を含まない C0S100 では，過剰間隙水圧の発生

三軸圧密排水圧縮せん断試験（CD 試験）で得られた(a)により平均有効主応力が一旦減少する傾向がわずかに見主応力差 q（=σ1 – σ3）と軸ひずみ εa の関係，ならびに(b)られるものの，その後限界状態線に沿って右上に向かう

体積ひずみ εv と軸ひずみ εa の関係を図-7 に示す．多少順- 69 -

渡部要一・金子崇・佐々真志図-9 三軸 CU-bar 試験と三軸 CD 試験から得られた最大主応力差とサンゴ礫体積百分率の関係

図-8. 三軸 CD 試験から得られた有効応力経路に対する代表的な 1 供試体の結果のみを示したが，実際番が前後するものもあるが，基本的には CU-bar 試験と同には各配合の試料に対して 2 供試体（C44S56 の CD 試験

様にサンゴ礫が増えると最大主応力差が増える傾向にあは 3 供試体）ずつ試験を実施しており，図-9 にはすべて

り，特に，サンゴ礫が骨格を形成する C44S56 の増加がの結果をプロットした．CU-bar 試験と CD 試験のいずれ著しい．

においても，サンゴ礫の体積百分率が 20%未満ではサンサンゴ礫が 10%以下の試料では，せん断に伴って体積ゴ礫の増加に伴うせん断強さの増加はわずかであり，圧縮を生じる．サンゴ礫が 20%や 30%の試料では，初期20%を超えるとサンゴ礫の増加とともにせん断強さが増に圧縮が見られたのち膨張に転じるが，その変化は非常加する．

に小さく，体積変化はほとんど見られない．C44S56 では，サンゴ礫が 20%未満では，主応力差の最大値 qmax は，初期に僅かに圧縮が見られた後，著しい膨張が生じていCD 試験の方が若干大きいものの，CU-bar 試験と CD 試

る．この著しい膨張のために，ひずみの増大に伴う主応

験ではほぼ同じ値となった．これは，図-7 に示したよう

力差の減少，すなわち，ひずみ軟化の傾向が強く現れるに，シルト質土のみでも砂のようなひずみ硬化挙動がわ

結果が得られた．

ずかに現れたが，体積変化が顕著ではないことから，

主応力差と軸ひずみの関係は，サンゴ礫の体積百分率

CU-bar 試験と CD 試験の応力経路が比較的似ていて，両が 10%以下の試料では滑らかな曲線になっているが，サ者のせん断強さにあまり差が現れなかったためと考えら

ンゴ礫の体積百分率が 20%以上になると，CU-bar 試験とれる．

同様にサンゴ礫が破砕することに伴って現れると考えら

サンゴ礫が 20%以上になるとダイレーションが顕著にれる著しいノイズ状の変化（凹凸）が現れている．特に，なり，CU-bar 試験では完全非排水条件下において原位置

C44S56 において顕著である．

では非現実的なほどに高い負の過剰間隙水圧が発生した

応力経路を主応力差と平均有効主応力の関係として図結果，有効応力が著しく増加し，結果として非常に大き-8 に示す．排水試験なので，傾き 1:3 の直線で表されるなせん断強さが得られた．これに対し，CD 試験ではダが，ひずみ軟化が見られる C44S56 では，ピーク強度発イレーションに伴って試料が膨張して密度が低下してし現時から主応力差が約 40%も低下し，これにより，限界

まうため，強度の増大は CU-bar 試験ほど大きくはない．

状態線の傾き M は 2.4 から 2.0 まで約 17%低下している．

設計に用いるべき現実的なせん断強さを求めるという視

このことは，サンゴ礫が多く含まれる試料の CU-bar 試験点からすると，C44S56 の CU-bar 試験で得られた負の過において限界状態線の傾きがせん断とともに低下したこ

剰間隙水圧は非現実的なほどに大きく，得られたせん断とと整合している．

強さもこれに起因したものであることから，設計で使う

CU-bar 試験および CD 試験において得られた最大主応には不適切であると考えられる．このため，サンゴ礫を力差 qmax とサンゴ礫の体積百分率の関係を図-9 に示す．

大量に含む試料（本研究の場合にはサンゴ礫が 20%以上）

図-5～図-8 では，図を見やすくするために各配合の試料- 70 -

サンゴ礫混じり土の力学特性－人工配合による再構成試料を使ったパラメトリックスタディ－(a) CU-bar 試験(a) CU-bar 試験(b) CD 試験
図-10 応力比の最大値(q/p')max ，残留値(q/p')res，および，両者の比(q/p')res/(q/p')max とサンゴ礫体積百分率との関係(b) CD 試験
図-11. せん断抵抗角の最大値 ϕmax，残留値 ϕres，および，両者の比 ϕres/ϕmax とサンゴ礫体積百分率との関係の場合には，排水試験から得られるせん断強さを用いる

はそれぞれ 1.62, 1.57, 0.97（40°, 38°, 0.95），C44S56 におべきである．

いてそれぞれ 2.18, 1.92, 0.88（53°, 47°, 0.89）であった．

上述したサンゴ礫があまり含まれない試料（本研究の同様に CD 試験の結果では，C0S100 において Mmax, Mres,

場合にはサンゴ礫が 20%未満）の場合には，非排水せん

Mres/Mmax（ϕmax, ϕres, ϕres/ϕmax）はそれぞれ 1.55, 1.50, 0.97

断試験から得られた試験結果を用いるべきである．ただ（38°, 37°, 0.97），C44S56 においてそれぞれ 2.04, 2.40,

し，本研究の試料の場合には，CU-bar 試験と CD 試験で0.85（50°, 59°, 0.85）であった．サンゴ礫が骨格を形成す

差がほとんど現れないことから，結果としてどちらの試

るような試料では，M が 2 を超える（ϕ が 50°を超える）

験結果でも大きな差はない．しかし，シルト質土の部分結果となっており，一般的な土で得られる値に比べて著がより粘性土的な挙動を示す場合など，ダイレーション

しく大きい．これは，写真-2 に示したように表面に突起特性が異なれば，サンゴ礫が少なくても CU-bar 試験とがあるなど，サンゴ礫はきわめてアンギュラリティが高CD 試験の結果に著しい差が生じることが想定され，原い礫粒子であることに起因したものであると考えられる．

則としては CU-bar 試験のせん断強さとするべきである．

Mmax（ϕmax）はほぼ直線であるがやや下に凸な曲線，

限界状態線の傾き M について，最大値 Mmax と残留値

Mres（ϕres）はやや上に凸な曲線，Mres/Mmax（ϕres/ϕmax）はMres とサンゴ礫体積百分率との関係，ならびに最大値に上に凸な曲線（二次曲線で近似しているため，サンゴ礫

対する残留値の比 Mres/Mmax とサンゴ礫体積百分率との体積百分率が小さいところで減少するように見えてしま

関係を図-10 に示す．同様の図をせん断抵抗角 ϕ についうが，本来は一定と考えるべき）で表される関係が見らて示したものを図-11 に示す．CU-bar 試験の結果では，れる．限界状態線の傾きやせん断抵抗角で見ても，最大

C0S100 において Mmax, Mres, Mres/Mmax（ϕmax, ϕres, ϕres/ϕmax）

主応力差 qmax で考察したように，サンゴ礫体積百分率が- 71 -

渡部要一・金子崇・佐々真志(a) C5S95(b) C20S80(c) C44S56(d) Enlarged image of C44S56
図-12 三軸 CU-bar 試験のせん断前およびせん断後に CT 撮影した断面画像
増加するのに伴って大きくなる傾向が見られる．また，

うな複雑な形状のサンゴ礫も含まれている．

サンゴ礫体積百分率が 20%を超えると最大値と最小値のサンゴ礫が少量しか含まれない C5S95 では，サンゴ礫差が開き，サンゴ礫 44%では最大値からで 15%程度減少

が相互に干渉することなくシルト質土のマトリックスのしている．

中に浮かんでいて，せん断試験により大変形を与えても，相互に離れて存在するサンゴ礫に特に変化は生じなかっ

4. CTスキャナによる試料内部構造の観察たことが確認できる．サンゴ礫が 20%含まれる C20S80
では，多くのサンゴ礫は他のサンゴ礫と接触しそうなほ

サンゴ礫混じり土の体積百分率が 5%, 20%, 44%の試どになっており，せん断に伴って割れたものもあること

料について，CU-bar 試験のせん断試験前とせん断試験後を確認できる．サンゴ礫が骨格を形成している C44S56の内部構造を CT スキャナで観察した結果を断面画像とでは，ほとんどすべてのサンゴ礫が他のサンゴ礫と接触して図-12 に示す．配合したサンゴ礫は，写真-2 に示ししており，せん断に伴って多くのサンゴ礫が割れている

たようなフィンガーコーラルであり，CT による断面画

様子を確認できる．これらのサンゴ礫の破砕状況は，図像としてはサンゴ礫の横断面は円形や楕円形，縦断面は-5 や図-7 に見られた応力～ひずみ関係の著しいノイズ

長い粒子として捉えられている．中には枝分かれしたよのような変化が，サンゴ礫の破砕に起因したものである- 72 -

サンゴ礫混じり土の力学特性－人工配合による再構成試料を使ったパラメトリックスタディ－

ことを裏付けるものとなっている．

過剰間隙水圧に起因した値が得られていることから，

サンゴ礫の破砕性について，個別要素法によりシミュ設計に使うせん断強さとしては著しく過大評価していレーションをした研究成果が報告されている（Nakata

る可能性がある．CD 試験から得られたせん断強さにand Watabe, 2013; 2015）．使用されているサンゴ礫は，本ついても，体積膨張によりせん断強さが大きくなる傾研究と同一地域から採取されたものであり，サンゴ礫の向が見られるが，CU-bar 試験で見られた強度増加の傾挙動を理解する上で参考になる．サンゴ礫の割裂引張強向よりも遙かに小さい．これらの結果に基づいて考え2

度は 5N/mm 程度であり（Nakata and Watabe, 2013），一ると，サンゴ礫が密に詰まった試料に対する設計用の般的なコンクリートと同レベルにある．強度を支配する

せん断強さは，排水強度を用いるべきである．

物質が炭酸カルシウム CaCO3 で共通であることに由来

5) サンゴ礫が密に詰まった試料では，応力比 q/p'は 2 以

するかも知れない．この結果を基に個別要素法による解上（せん断抵抗角 ϕ が 50°以上）の大きな値になる．

析パラメータを設定し，サンゴ礫がかみ合った骨格構造

この値は，一般的な土に比べてきわめて大きい．このの圧縮挙動をシミュレーションすると，応力集中により大きなせん断抵抗は，サンゴ礫の表面についていた突サンゴ礫が破砕され，著しいノイズのような応力の変化

起により粒子のアンギュラリティが高いことで説明でが現れた（Nakata and Watabe, 2013）．このようなシミュ

きる．
6) せん断強さと同様に，サンゴ礫の体積百分率の増加とレーション結果も，上述したサンゴ礫体積百分率が高い

ともに，せん断抵抗角 ϕ は増加する．サンゴ礫の体積

試料の挙動を裏付けるものである．

百分率が 20%以上になると，せん断強さがピーク値を5. 結論示した後，せん断を続けるとせん断抵抗角は著しく減
少する．
7) サンゴ礫の体積百分率が 20%以上の試料では，せん断

本論文では，サンゴ礫とシルトマトリックスから構成されるサンゴ礫混じり土についてサンゴ礫体積百分率を中に著しくギザギザの応力～ひずみ関係が観察された．

パラメータとした人工配合試料を作成し，その力学特性

このギザギザの曲線になる理由は，せん断中に生じるをパラメトリックに詳しく調べた．得られた主な知見を

サンゴ礫の破砕に起因していると考えられ，せん断前

以下に取りまとめる．

後の CT 画像の比較から，実際にサンゴ礫が破砕した

1) 本研究で扱ったシルトマトリックスの主な鉱物はアことを確認した．

ラゴナイトであり，サンゴを構成する炭酸カルシウム8) サンゴ礫混じり土のせん断強さの評価では，サンゴ礫

CaCO3 と同じ鉱物である．このような鉱物組成であるのかみ合いのみならずサンゴ礫の破砕の影響がせん断ことは，サンゴ礫混じり土のシルトマトリックスが非強さを支配する鍵となる．
（2016年1月25日受付）

塑性であることの理由の一つであると考えられる．
2) 三軸 CU-bar 試験でも，三軸 CD 試験でも，サンゴ礫

謝辞の体積百分率が 20%を越えると，体積百分率の増加とともにせん断強さが増加する．

沖縄総合事務局の與那嶺和史氏と前幸地紀和氏には，

3) サンゴ礫の体積百分率が 20%以下の試料では，体積百サンゴ礫混じり土を提供いただくとともに，試験結果に分率の増加とともにわずかにせん断強さが増加する傾

対して実務面から有益なアドバイスをいただきました．

向が見られた．これらの試料では，CD 試験から得ら

基礎地盤コンサルタンツ（株）の山田眞一氏には，サンれたせん断強さは CU-bar 試験から得られたせん断強

ゴ礫混じり土の再構成試料の作成に当たり，ご協力をい

さより大きくなるものの，両者の差は非常に小さい．

ただきました．東亜建設工業（株）からの依頼研修生でしかしながら，せん断特性は土のダイレイタンシー特あった柳沢昭彦氏と野崎郁郎氏には，サンゴ礫混じり土

性に依存することから，設計で使うべき強度として第の三軸試験を実施していただきました．基礎工研究チー

一に考えるべきせん断強さは CU-bar 試験から得られムリーダーの水谷崇亮氏には，CT画像撮影にご協力いた

た値とすべきである．

だきました．ここに記し，感謝の意を表します（いずれ4) サンゴ礫の体積百分率が 20%以上の試料，特に，体積も所属は研究実施時のもの）．本研究は，文部科学省の科百分率が 44%とサンゴ礫が最密状態に詰められている

学研究費補助金（基盤研究(B) 課題番号23360208）を受け試料において，CU-bar 試験から得られたせん断強さは，て実施しました．

原位置では起こりえない非現実的なほどに大きな負の- 73 -

渡部要一・金子崇・佐々真志numerical analyses. Soils and Foundations 46(2),147–157.
Nakata, Y., and Watabe, Y. (2013): DEM simulation for coralgravels, Proceedings of the Workshop on Experimental
Micromechanics for Geomaterials, Hong Kong,
pp.692-695.
Nakata, Y., and Watabe, Y. (2015): Compression behavior for
assembly of DEM crushable cylindrical gravels,
Geomechanics from Micro to Macro, Proceedings ofthe the International Symposium on Geomechanics
from Micro to Macro, IS-Cambridge 2014, pp.281-284.
Simoni, A., and Houlsby, G.T. (2006): The direct shear
strength and dilatancy of sand–gravel mixtures.
Geotechnical and Geological Engineering 24(3),523–549.
Vallejo, L.E. (2001): Interpretation of the limits in shear
strength inbinary granular mixtures. Canadian
Geotechnical Journal 38(5), 1097–1104.
Watabe, Y., Yamada, K., and Saitoh, K. (2011): Hydraulicconductivity and compressibility of mixtures of Nagoya
clay with sand or bentonite. Géotechnique, 61(3),211–219.
Yamano, H., Sugihara, K., and Nomura, K. (2011): Rapid
poleward range expansion of tropical reef corals in
response to rising sea surface temperatures.
Geophysical Research Letters 38(4),doi:10.1029/2010GL046474
親泊正孝, 善 功企 (2004): 排水特性からみたサンゴ礫
混じり土の強度評価上の区分方法, 土木学会論文集, No.771/III-68, 1–10.

参考文献
Chalker, B., Barnes, D., and Isdale, P. (1985): Calibration of
X-ray densitometry for the measurement of coralskeletal density. Coral Reefs 4(2), 95–100
Crawford, B.R., Faulkner, D.R., and Rutter, E. H. (2008):
Strength, porosity, and permeability development
during hydrostatic and shear loading of synthetic
quartz-clay fault gouge. Journal of GeophysicalResearch: Solid Earth 113(B3),
doi:10.1029/2006JB004634
Fragaszy, R.J., Su, W., and Siddiqi, F.H. (1990): Effects ofoversize particles on the density of clean granular soils.
Geotechnical Testing Journal 13(2), 106–114.
Fragaszy, R., Su, J., Siddiqi, F., and Ho, C. (1992): Modelingstrength of sandy gravel. Journal of GeotechnicalEngineering 118(6), 920–935.
Jones, N. (2011): Coral marches to the poles. Nature,
doi:10.1038/news.2011.33
Kleypas, J.A., Buddemeier, R.W., Archer, D., Gattuso, J.-P.,
Langdon, C., and Opdyke, B.N. (1999): Geochemicalconsequences of increased atmospheric carbon dioxide
on coral reefs. Science 284(5411), 118–120
Kumar, G.V., and Muir Wood, D. (1999: Fall cone andcompression
tests
on
clay±gravel
mixtures.
Géotechnique 49(6), 727–739.
Lade, P., Yamamuro, J., and Bopp, P. (1996): Significance ofparticle crushing in granular materials. Journal of
Geotechnical Engineering 122(4), 309–316.
Lobo-Guerrero, S., and Vallejo, L.E. (2005): DEM analysis ofcrushing around driven piles in granular materials.
Géotechnique 55(8), 617–623.
Lobo-Guerrero, S., and Vallejo, L.E. (2006): Modeling
granular crushing in ring shear tests: experimental and- 74 -

港湾空港技術研究所報告第 55 巻第 2 号

２０１６．６

編集兼発行人

国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所

発

港 湾 空 港 技 術 研 究 所

行

所

横 須 賀 市 長 瀬 ３ 丁 目 １ 番 １ 号
TEL. 046(844)5040 URL. http://www.pari.go.jp/

印

刷

所

株 式 会 社 シ ー ケ ン

C （2016）by MPAT
Copyright ○All rights reserved. No part of this book must be reproduced by any means without the written
permission of the President of MPAT
この資料は、海上・港湾・航空技術研究所理事長の承認を得て刊行したものである。したがって、
本報告書の全部または一部の転載、複写は海上・港湾・航空技術研究所理事長の文書による承認を得ずしてこれを行ってはならない。

㹇㹑㹑㹌㸯㸱㸲㸴㸫㸵㸶㸱㸰

CONTENTSᅜ❧◊✲㛤Ⓨἲேᾏୖ࣭

‴࣭⯟✵ᢏ⾡◊✲ᡤ

1. Numerical Simulation on Tsunami Inundation and Debris Damage STOC Model······················································· Takashi TOMITA, Kazuhiko HONDA, Yu CHIDA ·············· 3

2. Field Observations and Numerical Analyses on the Effect of Vegetation on the Hydrodynamics of a Shallow
Water Using a New Hydrodynamic Model······································· Hirotada MOKI, Yasuyuki NAKAGAWA, Kenta WATANABE,
Tatsuki TOKORO, Shigeru MONTANI, Tomohiro KUWAE················ 35

3. Mechanical properties of coral-gravel soil –a parametric study using reconstituted samples–····················································· Yoichi WATABE, Takashi KANEKO, Shinji SASSA ················· 61

4.Submarine Liquefied Flow Dynamics and Their Analytical Framework with
Experimental and Field Validations···································································································· Shinji SASSA ················· 75ࢽსߗࢽܿ੅ࡄ‫ݪ‬ਫ਼!
༭࣬!




΃Ͷ΁΀΃΅͑΀ͷ͑΅͹Ͷ͑΁΀΃΅͑ͲͿ͵͑Ͳͺ΃΁΀΃΅͑΃Ͷ΄ͶͲ΃ʹ͹͑ͺͿ΄΅ͺ΅Ά΅Ͷ͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑

͑

·΀ͽͦͦ͑͟ ͑ ͑ ͿΠͣ͑͟ ͑ ͻΦΟΖ͑ ͑ ͑ ͑ ͣͧ͑͢͡
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑
͑

ͿͲ͸Ͳ΄Ͷ͝Ί΀ͼ΀΄ΆͼͲ͝ͻͲ΁ͲͿ͑͑ͿͲ΅ͺ΀ͿͲͽ͑ͺͿ΄΅ͺ΅Ά΅Ͷ͑΀ͷ͑;Ͳ΃ͺ΅ͺ;Ͷ͑͝΁΀΃΅͑ͲͿ͵͑Ͳ·ͺͲ΅ͺ΀Ϳ͑΅Ͷʹ͹Ϳ΀ͽ΀͸Ί͑