液状化によるセメンテーション破壊と密実化が再液状化に及ぼす影響
長岡技術科学大学大学院 地盤工学研究室 塚田千広
指導教員 豊田浩史
1． はじめにら，液状化履歴の大小によって，液状化強度に違い

平成 23 年 3 月 11 日に発生した東北地方太平洋地が発生することが分かる．得られた液状化強度に着

震では，地震の規模が大きく，広い範囲で液状化が発目すると，液状化履歴の大きい場合には液状化強度生した．そのため，人々の生活を支えるインフラ設備が減少している．一方で，液状化履歴の小さい場合に対して大きな被害をもたらした．この被害報告にには液状化強度が上昇していることが分かる．このよると，過去に液状化が発生した地点において，再度ように液状化の判定方法によって液状化強度が変化液状化が発生する再液状化現象も見られた．一般にしていることが再液状化のメカニズムが未解明であは，液状化が発生すると間隙水が排出されて，間隙比ると考えられる．

が下がり密になることで，液状化が起こりにくくな

そこで，本研究ではセメントを添加した試料を用るとされている 1)．そのため，液状化強度に比べ，再いて，液状化履歴による力学的特性の変化を検討す液状化強度は上昇すると考えられる．

る．そのために，様々なひずみ領域に対して力学的

しかし，東北地方太平洋地震では，過去に液状化特性を求める試験を行うことで，液状化強度の変化が確認された地震よりも小さな震度で再液状化が発傾向との比較検討を行う．多角的なアプローチのた生した地点もあった．密度の観点から強度が上昇す

めに大ひずみ領域に対して三軸圧縮試験，微小ひずると考えられていたにもかかわらず，実際には液状み領域に対してベンダーエレメント試験(BE 試験)，化強度が下がったと考えられ，液状化強度には密度中ひずみ領域に対して局所ひずみ測定試験(LSS 試以外の影響があったと考えられる．以上の事から，験)を用いて比較する．

再液状化のメカニズムについては様々な要因が関連しているため，未解明である．
土の液状化強度に影響を及ぼす要因として，応力履歴や年代効果，粒子配向性，密実化，化学反応などがあり 2)，これらの要因を再現するための試験が広く行われている 3)．本研究では，特に年代効果に着目し，セメント添加を行うことで，実際の地盤の年代効果を再現した．
図 1 液状化履歴による液状化強度の違い
2． 研究概要
本研究では，先行研究でセメント添加を行った年

3． 試験方法

代効果再現試料に対して，繰返し載荷を行い，液状3．1 試験装置

化強度曲線を求めた．この液状化強度曲線から繰返

本研究で用いる試験機は，セル内完全浸水式三軸し回数 20 回の際の繰返し強度比を液状化強度 RL と試験機である．本試験機の，供試体上部のキャップ，した．また，液状化判定において，以下の 2 種類を供試体下部のペデスタルにベンダーエレメントを内用いた．

蔵しており，供試体内部に sin 波を発信し，非破壊の・判定①平均有効主応力 p’=0kPa→液状化履歴小せん断波測定試験を行うことが出来る．また，本試験

・判定②両振幅軸ひずみ DA=5%→液状化履歴大機には供試体に局所微小ひずみ測定装置を設置する

図 1 の先行研究 4)5)より得られた液状化強度比かことができ，せん断過程において，軸方向と水平方向

3．3 試験手順のひずみを測定することが出来る．
図 2 に，本研究で用いた試験機を示す．

本研究では，漏斗堆積法で供試体を作製し，三軸室に設置した後，供試体を飽和させる．飽和の確認をしたのちに，背圧を作用させ，供試体は平均有効主応力p’=50kPa で圧密を行う．その後，非排水繰返し載荷を行い，供試体の液状化を行う．繰返し載荷終了後には供試体内の間隙水を排水しながら平均有効主応力p’=50kPa で再圧密を行う．本研究では，再圧密後に以下の 3 種類の試験を行い，再液状化のメカニズムについて検討する．
また，本試験では密実化の影響を検討するために，圧密後，再圧密後の間隙比を計測することで液状化に伴う排水による密度の変化を比較する．
供試体作製・飽和圧密(p’=50kPa)

繰り返し載荷(液状化履歴：無,小,大)再圧密(p’=50kPa)※履歴：小 or 大の場合

図 2 三軸試験機の概略図
3．2 供試体作製

強度試験

LSS 試験

BE 試験(大ひずみ領域)(中ひずみ領域)(微小ひずみ領域)

本研究で用いる試料は豊浦砂に早強ポルトランド
セメントを添加し，供試体は高さ 12.5cm，直径 5.0cmのものを漏斗落下法で作製する．早強ポルトランド

図 3 研究の流れ
3．3．1 三軸圧縮試験

セメントは水中養生 4 日間で強度を発現するため，本研究で実施した強度試験は，平均有効主応力一本研究のセメンテーション供試体は 4 日間の水中養定の条件下で 0.20mm/min の圧縮せん断を行う．また，生を行った．本研究で用いた豊浦沙の物性値を表 1

本試験では，せん断時の最大圧縮強度と圧密応力に示す．

(p’=50kPa, 100kPa, 150kPa)によりモール・クーロンの本研究では，年代効果による影響を検討するため破壊規準を用いて強度定数を算出する．以下の式をに，セメント分含有率 Cc を 0.0%，0.3%，0.5%，1.0%用いて，強度定数(c, φ)を求める．また，本試験ではの 4 ケースで実施する．

大ひずみ領域における砂の最大圧縮強度も求め，比表 1 豊浦砂の物性値較検討を行った．

土粒子密度 ρs(g/cm3)

2.650

rad = sin−1(3 × 𝑀⁄6 + 𝑀)

最小間隙比 emin

0.597

φ = 𝑟𝑎𝑑 × 180⁄𝜋

最大間隙比 emax0.990

細粒分含有率 Fc(%)

0.0

砂分含有率 Sc(%)

100.0

ここで，𝑀, 𝑓0 ：圧縮強度―圧密応力の近似式の傾

礫分含有率 Gs(%)

0.0

き及び切片，𝜑：内部摩擦角(°) ，c：粘着力(kN/m2)c=とする．

{3 − sin(𝑟𝑎𝑑)} × 𝑓0
6 × cos(𝑟𝑎𝑑)3．3．2 ベンダーエレメント(BE)試験
本研究で実施する BE 試験は，図 4 に示すように

ここで，𝜀𝑎 ：軸方向ひずみ(%)，𝜀𝑟 ：水平方向ひずみ(%)，𝜀𝑠 ：せん断ひずみ(%)，𝜎′𝑎 ：軸方向応力

供試体内部に上部のキャップから sin 波を発信し，ペ(kPa)，𝜎′𝑟 ：水平方向応力(kPa)，q：軸差応力

デスタルで受信する．この時の供試体内部の波の伝(kPa)，G：割線せん断剛性率(MPa)とする．

播速度と砂の湿潤密度から以下の式のように，初期せん断剛性率を求めることが出来る．
G0 ＝𝜌𝑡 × 𝑉𝑠 2 × 10−3
ここで，𝐺0：初期せん断剛性率(MPa)，𝜌𝑡：湿潤密度(g/cm3)，𝑉𝑠 ：せん断波速度(m/s)とする．
本研究では，せん断波速度の測定のために，入力波と受信波から，せん断波の到達時間を判定する T.D.
法を用いる．また，受信波の立ち上がり点の読み取り位置は，start-to-start 法 6)によるものを利用して，せん断波到達時間とする．

図 5 供試体及びひずみ測定装置の概略図
4． 試験結果および考察
本研究で得られた結果について考察する．本研究では，液状化試験から得られた液状化強度比と関連のある力学的特性の検討のため，以下の 4 つの指標の比較を行った．
①相対密度(密実化の影響)はじめに，密実化による影響を検討する．本研究
図 4 BE 試験の概略図

では，繰返し載荷の後に間隙水の排水を行い，再圧密を行った．その際の供試体の間隙比から，相対密3．3．3 局所微小ひずみ(LSS)試験度を算出することで検討する．図 6 に示した相対密本研究で実施する LSS 試験は，供試体に設置され度に着目すると，液状化履歴無に比べ，履歴小ではた微小ひずみ測定装置を用いて直接ひずみを求める

相対密度が約 3.0%上昇，履歴大では約 7.5%の密度試験である．供試体軸方向のひずみを測定する装置上昇となった．一般に密度の上昇に従い，液状化強を 2 か所，供試体水平方向のひずみを測定する装置

度は上昇するが，液状化試験から得られた液状化強を 1 か所設置する．図 2 にひずみ測定装置の設置個

度は履歴大で減少しており，違った傾向にあること所を示す．

が確認された．そのため，液状化履歴による液状化

本研究では，軸方向ひずみ εa と水平方向ひずみ εr

強度の変化には，密度以外の要因が関連しているとからせん断ひずみ εs を算出し，せん断時の軸差応力考えられる．

q から割線せん断剛性率を求める．

②圧縮強度(大ひずみ領域の力学的特性)

𝜀𝑠 = 2/3 × (𝜀𝑎 − 𝜀𝑟 )三軸圧縮試験から得られた圧縮強度と液状化強度q = 𝜎′𝑎 − 𝜎′𝑟の比較を行う．図 7 より圧縮強度は液状化履歴によ𝑞3 × 𝜀𝑠 × 10って変化する傾向があり，液状化に伴う土粒子構造𝐺=の変化や密度による影響があると考えられる．また，圧縮強度はセメント添加によって増加する傾向影響しているが，直接的な相関は無い．にあるが，セメント添加 Cc=1.0%の場合でも大きく強度が上昇することはない．大きな上昇が見られなかった要因として，最大圧縮強度 qmax の際のひずみは軸ひずみ 5.0%以上となっており，セメント添加による土粒子間の固結が破壊された状態にあるためであると考えられる．
次に液状化試験から得られた液状化強度との比較を行うと，液状化履歴無と履歴小，履歴大ともに変化傾向が大きく違っており，直接的な相関はない．
要因としては，大きくひずみが発生しており，要素

図 6 相対密度の変化破壊の影響が大きく発生しているからであると考えられる．
③初期せん断剛性率(微小ひずみ領域の力学的特性)
次に，BE 試験から得られた初期せん断剛性率 G0について検討する．初期せん断剛性率には，液状化に伴う密実化による間隙比の影響が考えられる．そこで，間隙比関数 F(e)=(2.17-e)2/(1+e)で G0 を除することで，間隙比の影響を無くし検討する．間隙比の影響を除いた正規化せん断剛性率に着目すると，セメント添加によってせん断剛性が上昇していること

図 7 LSS 試験結果(Cc=0.3%)が分かる．また，正規化せん断剛性率は液状化履歴によって減少しており，液状化による土粒子間の固結の破壊が考えられる．そこで，液状化によるセメンテーションの破壊を定量的に示すため，以下の式を用いてセメンテーション破壊率を算出する．
セメンテーション破壊率(%)=液状化にともなうせん断剛性率の低下
セメント添加によるせん断剛性率の増加

× 100

図 9 に示したセメンテーション破壊率から，セメント添加が多い程，セメンテーション破壊が減少し

図 8 正規化せん断剛性率の計算結果ていることが分かる．また，液状化履歴で比較した場合，履歴大に比べ履歴小では半分程度の破壊となっていることが分かる．要因としては，粒子間の固結が，履歴小では完全に破壊されなかったためであると考えられる．
液状化強度の変化傾向と比較を行うと，液状化履歴無と比べ，履歴小・履歴大ともにせん断剛性が減少しており，液状化試験から得られた液状化強度の変化傾向と違った結果となった．そのため，微小ひずみ領域の力学的特性にはセメンテーション破壊が図 9 セメンテーション破壊率の計算結果

④局所ひずみ測定試験(中ひずみ領域の力学的特性)
LSS 試験から得られた割線せん断剛性率 G について検討する．LSS 試験はせん断ひずみ約 0.001%～1.0%のせん断剛性率を連続歴に計測することができ，本試験でもせん断ひずみの増加と共に変化する割線せん断剛性率が確認された．図 10～図 13 のグラフに着目すると，すべてのセメント添加のケースにおいてせん断ひずみが増加するにしたがって割線せん断剛性率は減少することが分かる．理由として，ひずみが大きくなるほど要素破壊が発生し，剛性が失わ

図 10 LSS 試験結果(Cc=0.0%)

れるためであると考えられる．また，液状化履歴の有無や大小によって，割線せん断剛性率の減少の傾向は違っていることが分かる．一方で，せん断ひずみ1.0%付近では割線せん断剛性率が同程度となっている．
液状化強度の変化傾向と比較を行うと，部分的に液状化強度の変化傾向と一致するところが確認された．Cc=0.3%，0.5%，1.0%ではせん断ひずみ 0.003%～0.1%の部分で傾向の一致が見られ，Cc=0.0%では0.005%付近での一致が見られた．

図 11 LSS 試験結果(Cc=0.3%)

5． 比較検討
以上の①～④の検討結果と液状化強度の変化傾向を表 2，3 にまとめる．比較結果から，中ひずみ領域の力学的特性である割線せん断剛性率の液状化履歴による変化傾向が最も液状化強度の変化傾向と一致している部分が多いことが分かる．特に液状化履歴
小では全ケースの傾向が一致している．また，液状化履歴大の場合でも，Cc=0.0%以外では傾向の一致が見られる．一方で，履歴大の Cc=0.0%のせん断ひずみ

図 12 LSS 試験結果(Cc=0.5%)

0.005%付近では，変化傾向と一致している．
他の項目の比較では，多くのケースで液状化強度の変化傾向と一致しない．そのため，液状化強度の変化には密実化や大ひずみ領域における力学的特性，微小ひずみ領域の力学的特性は直接的には相関がないと考えられる．
以上の結果から，液状化強度の変化傾向は，せん断ひずみ 0.005%付近の力学的特性と関連があると考えられる．
図 13 LSS 試験結果(Cc=1.0%)6． まとめ

参考文献

本研究から得られた知見をまとめる．

1)

東畑郁生，他：砂の液状化抵抗が年代とともに増• 液状化に伴う密実化には液状化履歴により違う加する現象，日本地震工学会論文集，第 15 巻，• 液状化履歴による密度上昇による強度上昇はなく，第 7 号，pp.121-130，2015

液状化強度には密度以外の要因が関連する2)• 大ひずみ領域における力学的特性は，密実化とセ半澤秀郎，岸田隆夫：年代効果を受けた粘土の非排水強度特性，土と基礎，Vol.30, No.12, pp. 5-10,
1982.

メンテーション破壊の影響が関連している• 初期せん断剛性率はセメント添加による，土粒子

3)間の固結により上昇する

奥村哲夫・成田国朝・大根義男：人工的にセメンテーション効果を与えた砂の非排水繰返し強度，• 液状化履歴の大小により，セメンテーション破壊

土木工学会論文報告書，Vol.29, No.2, pp.169-180,
1989.の程度は変化する• LSS 試験より得られた割線せん断剛性率の減少傾4)

吉田岬：人工的にセメンテーションを与えた砂の再液状化に関する研究，令和 2 年度長岡技術

向は，液状化履歴により異なる• せん断ひずみ 0.005%付近における力学的特性が，液状化強度と相関がある

科学大学大学院修士論文，2020
5)

長井優之：液状化による砂のセメンテーションの変化に関する研究，令和 3 年度長岡技術科学

7． 今後の展望

大学大学院修士論文，2021

本研究から得られた結果より，今後の展望を示す．

6)

川口貴之，三田地俊之，澁谷啓，佐野佶房：室内

中ひずみ領域の力学的特性が液状化強度と相関があ

ベンダーエレメント試験によるせん断弾性係数ると考えられるため，今後は要素試験以外のアプロ

G の評価，土木学会論文集，No.694/Ⅲ-57，pp.

ーチを行い，液状化強度との相関を検討する必要が195-207，2001.

ある．そこで，原位置試験の一種であるプレッシオメータ試験を行い，実際の地盤の力学的特性を検討することが効果的であると考えられる．
表 2 液状化強度の変化傾向との比較(履歴小)0.00.30.51.0

履RL

液状化強度→

↗

↗

↗

歴Dr

相対密度↗

↗

↗

↗

無qmax

最大圧縮応力↗

↘

↘

↗

↓

G0

初期せん断剛性率↘

↘

↘

↘

小G

割線せん断剛性率→↗

↗

↗

表 3 液状化強度の変化傾向との比較(履歴大)
0.0

0.3

0.51.0

履RL

液状化強度↘

↘

↘

→

歴Dr

相対密度↗

↗

↗

↗

無qmax

最大圧縮応力↗

↗

↗

↗

↓

G0

初期せん断剛性率

↘

↘

↘

↘

大G

割線せん断剛性率→↘

↘

→