フジタ技術研究報告第 㻡㻠 号㻌 㻌 㻞㻜㻝㻤 年

改良土の高度利用化技術の開発
北 島明

福 島 伸 二堀 田 崇 由概要

砕･転圧盛土工法 1) は老朽化したフィルダムやため池の堤体改修（補強や漏水防止）を池内に堆積した底泥土を所要の強度や遮水性を有するように固化改良した築堤土（砕・転圧土）により行うもので、これまでに 13 事例に適用されている。砕･転圧盛土工法における品質管理は非常に重要でその頻度も多いことから、簡便な強度推定法として球体落下試験を用いることを基本としている。しかし、近年は高堤体への適用事例が増えており、初期固化土の目標強度が高くなる傾向にあるため、従来の球体落下試験では測定精度に問題が生じるようになってきた。そのため筆者らはより高い強度の改良土を対象とするべく針貫入試験の適用性について検討してきたが 2)、対象となる固化改良土の強度レベルが qu≦200～1000kN/m2 と、針貫入試験機が対象としている軟岩と比較して低く、直径0.84mm の木綿針を用いる従来型針貫入試験では貫入抵抗が小さいため、やはり強度推定の精度が低いままであった。
そこで、本稿は砕・転圧盛土工法の固化改良土にも適用できるように針径を大きくした改良型針貫入試験の強度推定原理について室内試験により調べた結果を報告するとともに、簡易的に強度を推定できる改良型針貫入試験による強度推定法について提案する。

Development of advanced utilization technology for cement-mixed muddy soil
Abstract
Using muddy soil mixed with cement is an excellent and cost-effective method to repair old fill-type dam
embankment, so we have applied this method to the repair of more than 13 dams. It is very important toperform a quality control test frequently, so we needed to develop a new method which can conduct testingeasily. We have tested the possibility of application of a needle penetration test, but it still has someproblems for application to quality control tests because the soil mixed with cement is too soft to measureaccurately. In this paper, we describe the newly improved needle penetration test which can estimate thestrength of cement-mixed muddy soil accurately and propose to apply it to quality control tests.

キーワード： 砕･転圧盛土工法，発現強度，簡易推定法−37−－㻝－㻌フジタ技術研究報告㻌 第 㻡㻠 号

§１．はじめに砕･転圧盛土工法 1) は老朽化したフィルダムやため池の堤体改修（補強や漏水防止）を池内に堆積した底泥土を所要の強度や遮水性を有するように固化改良した築堤土（砕・転圧土）により行うもので、これまでに 13 事例に適用されている。砕･転圧盛土工法における品質管理は非常に重要でその頻度も多いことから、簡便な強度推定法として球体落下試験を用いることを基本としている。しかし、近年は高堤体への適用事例が増えており、初期固化土の目標強度が高くなる傾向にあるため、従来の球体落下試験では測定精度に問題が生じるようになってきた。そのため筆者らはより高い強度の改良土を対象とするべく針貫入試験の適用性について検討してきたが

㻌 球体落下試験器
図 1

2)、対象となる固化改良土の強図 2 球体落下試験と一軸圧縮強さの関係

度レベルが q

P：貫入抵抗象としている軟岩と比較して低く、直径0.84mmの木綿針をδ：貫入深さ用いる従来型針貫入試験では貫入抵抗が小さいため、やはり強度推定の精度が低いままであった。

ττ

そこで、本稿は砕・転圧盛土工法の固化改良土にも適用

貫入抵抗 P

u≦200～1000kN/m2 と、針貫入試験機が対できるように針径を大きくした改良型針貫入試験の強度推
ｄ：針直径

定原理について室内試験により調べた結果を報告するととせん断応力：τ≒c

もに、簡易的に強度を推定できる改良型針貫入試験による強度推定法について提案する。

NP1NP=P/δ：貫入勾配
貫入深さ δ

図 3 針貫入試験の貫入抵抗と貫入深さの関係§２．従来の改良土の強度推定法

㻞㻚㻞 従来型針貫入試験㻌
従来型針貫入試験（以下、単に針貫入試験）は軟質な岩

㻞㻚㻝 球体落下試験㻌
砕･転圧盛土工法では堤体の築堤工における施工管理を、施工エリアを面的に広く、多数位置で試験が簡単に実施で石に試験針（JIS S3008 木綿針 2 号）を一定速度で貫入させたときの抵抗力 P と貫入量 δ の比例関係より、δ=10mmにおける針貫入勾配 NP（=P/δ (N/mm)）から一軸圧縮強さきる現場強度試験により行う必要がある。

qu (kN/m2)を求めるもので、試験が現場で簡単にできる利盛土地盤の強度を現場で簡単に知ることができる現場強点がある 3)。qu と NP の関係には市販の針貫入試験機（丸東度試験は各種あるが、低～高強度までの広範囲な地盤の製作所社製軟岩ペネトロ計 SH-74)）に付属した相関図に強度試験に適している球体落下試験を標準として採用して強度換算式として qu=418･NP0.978 が与えられている。上式

きた。この試験は固化処理地盤面上に一定条件(球体重は 20～300MN/m2 の軟岩、5～100MN/m2 の固化改良土量･落下高さ)で球体を自由落下させた時に形成された凹みの試験から得られたものである 5)。の直径 D を測定して、D と地盤の一軸圧縮強さ qu の関係か

針貫入試験の強度推定原理を図 3 に概念的に示す。直ら強度を簡単に知ることができるものである。この試験機

径 d の試験針を供試体中に深さ δ まで一定速度で貫入さ（FW-26 型）は図1 に示すように、球体の直径80mm、重量せると P と δ の間に比例関係が得られるが、この意味は以下

W=2.6kg で、落下高さ H=45cm である。これにより求めたのように説明できる。P と貫入した針周面に発揮されるせん

初期固化土強度(qu)IS あるいは砕･転圧土強度(qu)CC と球体断応力 τ の関係は、d が小さく先端の尖った針の先端抵抗落下により形成された凹みの直径 D(cm 表示)の逆数 1/Dを無視すると周面摩擦のみからなり P=π･d･τ･δ となる。また、の関係は図 2 に示すようにほぼ一本の直線

P は拘束圧レベルが低く内部摩擦角の影響を無視できるの(qu)IS 、(qu)CC=3960･(1/D)-602

でτを粘着力 c に等しいとおけるから、P=π･d･c･δ となる。

で近似できることがわかる。図中の◯は砕･転圧土、◆は初したがって、c と qu の関係を c=qu/2 とおくと P=π･d･(qu/2)･期固化土の試験結果であり、強度レベルによらず高い相関δ となり、P と δ が比例しているので貫入勾配 NP= P/δ を導性があることが確認できる。

入すると−38−－㻞－㻌改良土の高度利用化技術の開発㻌

qu=2･(P/δ) /(π･d)=2･NP/(π･d)(1)d=4mmが得られる。すなわち、針貫入試験は qu と NP の間に比例

P：貫入抵抗ｄδC=7.46mm

関係が成り立つことを利用した強度試験と言うことができる。

§３．改良型針貫入試験による強度推定法
改良型針貫入試験は、P を大きくするために木綿針より直θττ

θ=30°

τ δCτ

δ：貫入深さτ≒c=qu/2

図 4 改良型針貫入試験 MkⅠの貫入針と貫入抵抗径の大きい（d=4mm あるいは 2mm）ロッドを用い、その先端を図 4 に示すように固化改良土内にスムーズに貫入し式(1)で想定したように周面摩擦抵抗だけを受けるように角度θ=30°のコーン状にしたコーン・ロッド型針（Mk.Ⅰ）を採用した。写真 1 には使用した試験針 Mk.Ⅰの外観を示す。針を δ だけ貫入させたときの P は前述の通常型針貫入試験と同様に c のみによる表面摩擦抵抗力からなるとすると、コー

写真 1 改良型針貫入試験 MkⅠの試験針ン部の貫入量 δC による抵抗力 PC と、ロッド部のみの貫入量

δ－δC による PR からなり（P=PC＋PR）

NN：カオリン(%)

PR =(π･d/2)･qu･(δ－δC)100㻌 㻌 㻌 㻌 (2.1)
㻌 㻌 㻌 㻌 (2.2)

80

通過質量百分率 P

PC=(π/2)･qu･tan(θ/2)･δC2/cos(θ/2)

とおくことができる。PC はコーン部貫入量 δC の二乗に比例する。また、式(2.2)は貫入勾配を NP=PR/(δ－δC)とおくと式(1)と同形になる。

60

FM：藤の森粘土
モデル化底泥土（NN：FM=1：0.25）

4020§４．改良型針貫入試験 㻹㼗㻚Ⅰの試作

藤の森粘土，NNカオリンとモデル化底泥土の粒度曲線

00.0010.01

粒 供試体の作製

0.1
径

110

D (mm)

図 5 モデル化底泥土試料の粒度曲線

針貫入試験用の固化改良土の供試体は図 5 に粒度曲線
300

混合し、含水比 w=60%に調整したモデル化底泥土を使用

250

貫入抵抗 P (N)を示す NN カオリンと藤の森粘土を乾燥質量比 1：0.25 でした初期固化土を用いた。モデル化底泥土に加える固化材添加量（ΔMc=50～200kg/m3 ）や養生日数（t=2～28日）を種々変えることで強度の異なる複数の供試体を準備

200150P=PC･(δ/δC)2(PC=140N)100した。モルタルミキサーで撹拌混合したまだ固まらない状態

50の改良土を、針貫入試験用供試体として直径 100mm×深0

さ 50mm の広口の浅いビーカーと、一軸圧縮試験用供試体として直径 50mm×深さ 100mm の三分割成形モールド

改良型針貫入試験Mk.Ⅰ
針仕様：d=4mm, δC=7.46mm, θ=30°
一軸圧縮強さ：qu=1148kN/m2

δC=7.46mm

02468

10 12 14 16
貫入量 δ (mm)18202224

図 6 d=4mm の針貫入試験 MkⅠによる P～δ 関係に流し込んで作製し、乾燥しないようにラッピングし、クーラーボックス内で所定の期間養生した。

貫入抵抗 P (N)70 針貫入試験と一軸圧縮試験の試験結果
固化改良土の針貫入試験は試験針をビーカー内の固化改良土面に一定速度 3.5mm/分で貫入させて実施し、同時に一軸圧縮試験も実施することにより固化改良土の qu を求改良型針貫入試験Mk.Ⅰ
針仕様：d=2mm, δC=3.73mm, θ=30°
一軸圧縮強さ：qu=944kN/m2

60504030P=PC･(δ/δC)2(PC=31N)

2010めた。

0

図 6 と図 7 にそれぞれ針径 d=4mm と d=2mm の針貫入試験 Mk.Ⅰから得られた典型的な P～δ 関係を、また写δC=3.73mm

024681012貫入量 δ (mm)14161820

図 7 d=2mm の針貫入試験 MkⅠによる P～δ 関係

真 2 に針貫入試験状況を示す。
−39−－㻟－㻌フジタ技術研究報告 第号

これらの図から、P～δ 関係は d に関係なく傾向の異なる二つの部分、すなわちコーン部貫入による PC に対応して曲線的に増加する部分と、それ以降の一定径のロッド貫入による PR に対応して直線的に増加する部分から構成されることがわかる。ロッド部分の P～δ 直線の勾配は式(1)の NP に相当している。一方、コーン部の P～δ 関係は式(2.1)に示したように表面積が δ の二次曲線として増加するので、図中に δ≦δC の範囲で P～δ 関係を近似した二次曲線 P=PC･(δ/δC)2 を示す。図から、二次曲線がよい近似となっており、

写真 2 改良型針貫入試験の状況

P がコーン部貫入による表面積に比例した c（= qu/2）のみで構成されるとした針貫入試験の強度推定原理に調和していることがわかる。コーン部による PC と δC の関係は割線勾
一軸圧縮強さ qu (kN/m2)

配 NPC=PC/δC を導入し、d=2･δC･tan(θ/2)を考慮すると、式(2.1)がqu=(2/π)･{cos(θ/2)/ tan(θ/2)}･(PC/δC2)= 4･cos(θ/2)･NPC/(π･d)

改良型針貫入試験Mk.Ⅰ
針仕様：d=4mm,
δC=7.46mm, θ=30°

10000(3)となり、qu と NPC の直線関係を利用できる。また、コーン部のみの貫入による PC は貫入した針の表面積に比例するので、d=4mm の針による PC は d=2mm によるものの 4 倍に1000

ロッド部
qu=265.8･NP1.00110なるはずであり、図 6 と図 7 の比較から強度の相違を考慮
するとほぼそのようになっていることがわかる。針は d が小さ

コーン部
qu=50.7･NPC1.114

1000.11貫入勾配

10NP ， NPC (N/mm)100

図 8 針貫入試験 MkⅠによる qu～貫入勾配関係

い方が固化改良土内にスムーズに貫入するが、d=2mm では P が小さく強度推定の精度を確保しにくいので、以下の4mm試験では d=4mm の針を基本とした。以上から、改良型針

P：貫入抵抗3mm

貫入試験 Mk.Ⅰはコーン部による PC とロッド部による PS の
δC=7.46mm

どちらも c による周面摩擦抵抗のみからなるとして扱えることがわかった。
図 8 は以上のような試験を固化改良土の強度レベルを各種変えた供試体について実施して得られた PR～(δ－δC)関係から求めた qu～NP 関係、PC～δC 関係から求めた quθ θ=30°ｄ

δC ττ

δ：貫入深さτ≒c=qu/2

図 9 改良型針貫入試験 MkⅡの貫入針と貫入抵抗～NPC 関係のそれぞれを両対数図上にプロットしたものである。qu～NP 関係にややバラツキが目立つが、両関係とも従来型試験と同様に直線関係が成立つことがわかる。

§５．改良型針貫入試験

Ⅱの試作

コーン・ロッド型針を用いる針貫入試験 Mk.Ⅰ試験によるP～δ 関係はコーン部とロッド部の二つの部分から構成され、それらのおのおのにおいて得られる貫入勾配 NPC=PC/δC と

写真 3 改良型針貫入試験 MkⅡの試験針

NP=PR/(δ－δC)のどちらも一軸圧縮強さ qu との相関関係が得られる。しかしながら、改良型針貫入試験 Mk.Ⅰは現場部のみを利用する方が便利なことから、ロッド部の周面摩擦での実施を想定すると、試験から得られる P～δ 関係はコーが作用しないようにした図 9 に示すような d=4mm、θ=30°ン部あるいはロッド部のどちらからも強度推定ができるもののコーン型針を採用した改良型針貫入試験 Mk.Ⅱを実施の、第二段階のロッド部の NP では δ=δC 以降の貫入抵抗した。写真 3 に Mk.Ⅱ針の外観を示す（後述する θ=15°のPR を読取ることが難しい問題がある。そこで、現場で実施す針も併せて示す）。

る試験は貫入抵抗が読みやすく、貫入勾配も大きいコーン−40−－ －改良土の高度利用化技術の開発

Ⅱとその試験結果

改良型針貫入試験Mk.Ⅱ
針仕様：d=4mm, δC=7.46mm, θ=30°
一軸圧縮強さ：qu=380kN/m2100
貫入抵抗 P (N)§６．改良型針貫入試験

図 10 と図 11 は強度レベルを変えた固化改良土供試体の針貫入試験 Mk.Ⅱにより得られた P～δ 関係の典型例を示す。図中には δ≦δC の P～δ 関係を二次曲線 P=PC･(δ/δC)2 により近似した曲線も示してある。図から、Mk.Ⅱ試

8060PC=52N

40P=PC･(δ/δC)2(PC=52N)

20

験による P は、コーン貫入部（δ＜δC）では Mk.Ⅰ試験の場

δC=7.46mm δ=10mm

00

合と同様に二次関数的に増加しているが、コーン部分が改24681012
貫入量 δ (mm)14161820

良土中に埋没した以降では表面積の増加がないためほぼ

図 10 針貫入試験 MkⅡによる P～δ 関係一定値になることがわかる。ただし、二次曲線領域から一定（qu=380kN/m2）

荷重領域への移行は MkⅠと同様に理想的なものではなく、P が δ=δC で 一定 値 に な ら ず 、 さ ら に 変 位 の 進 ん だ

改良型針貫入試験Mk.Ⅱ
針仕様：d=4mm, δC=7.46mm, θ=30°
一軸圧縮強さ：qu=944kN/m2

200
貫入抵抗 P (N)δ=10mm 付近になると一定値となっている。
図 12 は強度レベルを種々変えた固化改良土の針貫入
試験 Mk.Ⅱによる NPC’=PC’/δC と qu の関係を示す。NPC’は

δ=δC における P 値、すなわち図 13 に概念的に示すようにPC’（＜PC）を読み取り、NPC’=PC’/δC から求めた貫入勾配で150

PC=105N

100P=PC･(δ/δC)2(PC=105N)

50δC=7.46mmある。コーン型針の Mk.Ⅱ試験を現場で実施することを想0定すると、貫入勾配には現場で読取りしやすい P 値の方が便利であり、PC としては図 13 に示したように P が一定値に02481012
貫入量 δ (mm)14161820

図 11 針貫入試験 MkⅡによる P～δ 関係

なる δ=10mm での値 P10 を採用するのが実用的と考えられ（qu=944kN/m2）

る。そこで、図 14 には P～δ 関係から読み取った P10 から求めた NPC= P10/δC と qu の関係を示す。図から、qu～NPC 関係

10000

改良型針貫入試験Mk.Ⅱ
針仕様：d=4mm,
δC=7.46mm, θ=30°

は両対数グラフ上でほぼ直線になり(4)

一軸圧縮強さ qu (kN/m2)

qu=39.1･NPC1.1656δ=10mmにより近似できる。図中には図 12 に示した qu～NPC’関係も示すが、上式とほぼ平行となっており、PC 相当値をきちんと読取りできれば NPC と NPC’のどちらでも強度推定が可能であり、現場での読取りに個人差の少ない P10 を用いる NPC

1000

qu=46.7･(NPCʼ)1.160

100が合理的といえよう。

NPC'=PC/δC

改良型針貫入試験 Mk.Ⅱでは θ が小さい針ほど固化改(PC=P at δ=δ C)
10

良土中にスムーズに貫入し、通常型針貫入試験に近い条件になると考えられる。そこで、同一径 d=4mm で θ=15°と0.1

1
10貫入勾配 NPC' (N/mm)100

図 12 針貫入試験 MkⅡによる qu～貫入勾配関係

した、より尖ったコーン型針の改良型針貫入試験 Mk.Ⅱを較のために、同一強度の固化改良土について実施した

θ=30°の改良型針貫入試験 Mk.Ⅱによる結果も示してある。
θ=15°の針は、θ=30°の針に比較して表面積が 2 倍であるから PC が 2 倍になり、かつ δC が 2.04 倍であるので、NPC

貫入抵抗 P実施し、得られた P～δ 関係を図 15 に示す。図中には比P10PCがほぼ等しくなるはずである。図から、実際にそのような関NPC

P～δ関係
1PC’係になっていることがわかる。すなわち、 P は θ=15°とθ=30°のどちらでも、c（=qu/2）が一定ならば、二次関数的に1増加するコーン表面積だけで決まることがわかる。現場での試験に使用する針に θ=30°と θ=15°のどちらを選択する

NPC’

NP=PC/δC=P10/δC
NPC’=PC’/δCδC δ≧10mm

貫入深さ δ

図 13 改良型針貫入試験 MkⅡにおける貫入勾配かの問題は、針貫入試験の強度推定原理に近い先端のより尖った θ=15°の針であるが、どちらも同様の結果が得られ−41−－ －

フジタ技術研究報告㻌 第 㻡㻠 号

るので、ここでは θ が大きく試験実施中に損傷しにくい

10000

改良型針貫入試験Mk.Ⅱ
針仕様：d=4mm,
δC=7.46mm, θ=30°

1000

qu=46.7･(NPC’)1.160(kN/m2)

θ=30°の針を使用することにする。

一軸圧縮強さ qu§７．改良型針貫入試験 㻹㼗㻚Ⅱの実施上の留意点
コーン型針を用いる試験針の改良型針貫入試験 Mk.Ⅱの理想的な P～δ 関係はコーン部貫入中では二次曲線的に増加し、δ=δC に達した以降に一定値 P=PC に移るが、実

qu=39.1･NPC1.136

100

NPC=P10/δC際にはそのようにならずにコーン部が完全に貫入した後の10

ほぼ δ=10mm に達すると一定値になる。そこで、現場で実(P10=P at δ=10mm)
0.1

110
貫入勾配 NPC (N/mm)

施する試験では、NPC としてはコーン針が δ=δC を超えてδ=10mm まで貫入したときの P=P10 を読取り、これを100

図 14 針貫入試験 MkⅡによる qu～貫入勾配関係

δC=7.46mm で除し値 NPC=P10/δC を求め、図 14 に示した
qu～NPC 関係を近似した式(4)から qu を換算することを提案

250§８．おわりに200

貫入抵抗 P (N)したい。

本稿は、砕・転圧盛土工法における固化改良土に適用できるように、木綿針より貫入抵抗力が大きくなるように針径d を大きく、かつ先端を一定角度 θ で尖らせたコーン・ロッド
針（ d=2.4mm／θ=30°）を採用した改良型試針貫入試験

改良型針貫入試験Mk.Ⅱ
針仕様：d=4mm
一軸圧縮強さ：qu=483kN/m2
P=PC･(δ/δC)2(θ=15 °)150

P=PC･(δ/δC)2(θ=30°)

PC=137N(θ=15°)

NCPC
1100

PC=72N(θ=30°)50

Mk.Ⅰ、およびコーン型針（ d=4mm／θ=30°）を採用した

δC=15.19mm(θ=15°)

改良型針貫入試験 Mk.Ⅱによる強度推定原理を室内試験

0により調べた。試験結果から、改良型私権は対象となる固化改良土の強度範囲では．通常型試験と同様にコーン部

δC=7.46mm(θ=30°)051015貫入量 δ (mm)2025

図 15 MkⅡ(θ=15°･30°)による P～δ 関係による貫入抵抗試 PC とロッド部による貫入抵抗 PR のどちらも粘着力 c による表面摩擦のみからなるとして扱えることを確認できた。コーン型針の貫入抵抗 P は針貫入試験の基本原理に合致してコーン貫入部の表面積に比例するが、P3)

土木学会編：軟岩の調査・試験の指針(案)－1991年版－、土木学会、pp.56-60, 1991.

～δ 関係が必ずしも理想形とならないので、試験針が δC を4)(株)丸東製作所 HP：http://www.maruto-group.co.jp/,

超えた δ=10mm まで貫入したときの P=P10 を読取り、これ5)

岡田 滋, 泉谷泰志、飯塚友之助、堀内澄夫：針貫を δC=7.46mm で除して NPC=P10/δC を求める式(4)を提案し入試験による軟弱な地山強度の推定、土と基礎、た。

Vol.33、No.2、pp.35-38、1985.

参考文献
1)

2)

(社)農業農村整備情報総合センター編：ため池改修

ひ と こ と工事の効率化－砕･転圧盛土工法によるため池堤体

砕･転圧盛土工法は品質管理の占め

改修－設計･施工・積算指針(案)、(社)農業農村整備る割合が高く、試験の簡便化が喫緊

情報総合センター、 2006.の課題であるが、本試験法がその一北島 明、福島伸二、谷 茂：固化改良土（砕･転圧助になることは喜ばしい限りである。

盛土工法）の強度管理への針貫入試験の適用性、土一方、早くも秋風が吹き始めたペナン

木学会第 68 回年次学術講演会、Ⅲ-61、pp.121-122,

トではあるが、せめて CS 進出を目指2013.

して今一度虎の奮起を期待したい。
北島 明−42−－㻢－㻌