不飽和土の力学特性を求めるための簡易な試験手法の開発
地盤工学研究室

高坂 紀久子

指導教員

豊田 浩史

1. はじめに

木原砂の不飽和三軸圧縮試験のサクションと含

これまでの土質力学は，土の中でも飽和土を中水比を示す．表‑3 に米山粘性土の不飽和三軸圧縮心に体系化されてきた．しかしながら，降雨によ試験のサクションと含水比を示す．定圧一面せん

る斜面の安定問題・土構造物への影響，トンネル断試験の供試体の大きさは直径 6cm，高さ 2cm

掘削に伴う切羽の安定問題を正確に評価する場である．供試体は，乾燥状態の試料に，霧吹きで合に不飽和土の強度評価は不可欠である．これら

蒸留水を加えて含水比を調整した後，3 層に分けの諸問題に対応するために，不飽和土の試験方法て所定の間隙比になるよう，突き棒による打撃での技術的な進展が期待される．また，不飽和土の締固めおよび静的締固め作製した．DL クレイとせん断試験は時間を要する・試験装置が高価・試

三本木原砂のせん断速度を 0.1mm/min，米山粘験の複雑さなどの問題を抱えていることより実性土のせん断速度を 0.005mm/min とし，せん断用的でない．そのため，強度定数を簡易に求める変位が 7mm になるまでせん断を行った．

手法を開発することは実務的問題に寄与することにつながるといえる．既往の研究から，土の強入値(AEV)までは飽和土として増加することが明らかになっている．1) しかし，不飽和化したときの強度増加は土によって異なるため，推量することは難しい．本研究では，不飽和土用の特殊な試

Grain size distribusion
Percentage finer by weight (%)

度定数である見掛けの粘着力 c は供試体の空気侵1008060DL clay

ρs=2.65g/cm3

Sanbongihara sand
ρs=2.765g/cm34020

Yoneyama sandy silt
ρs=2.746g/cm3

験装置を必要としない通常のせん断試験から，不00.001

飽和土の強度特性を求める手法の検討を行い，簡0.01

0.1
Grain size (mm)110

図‑1 粒径加積曲線

易不飽和土一面せん断試験を提案する．
2. 試験試料
施工現場の試料である東北新幹線三本木原トン
ネルより採取した砂，新潟県柏崎市米山付近で採取した粘土(ラテライト系粘土)を用いて試験を行った．図‑1 に，各試料の粒径加積曲線と土粒子密度を示す．図‑2 に，各試料の水分特性曲線を示す．

100

Degree of saturation, Sr (%)

非塑性シルトである DL クレイ，また，実際の80Pressure plate method
Drying (dehydration)
DL clayloose
dense
Sanbongihara sand
loose
dense
Yoneyama sandy silt
p'=100kPa
p'=300kPa

6040203. 試験作製・試験方法
0既往の研究結果 1), 2)から試験条件を求め，含水比と間隙比をパラメータとした定圧一面せん断試験を行った．表‑1 に DL クレイの不飽和三軸圧縮試験のサクションと含水比を示す．表‑2 に三本

110100Matric suction, S (kPa)

図‑2 水分特性曲線1000

表‑1 DL クレイの不飽和三軸圧縮試験の200(a)

サクションと含水比
サクション，S (kPa)
3050
200

含水比， w (%)
25.0
12.0
6.0

w=12%

Shear stress, τ (kPa)

ゆる詰め
密詰め

w=6%

100

saturated

w=water content
DL clay (loose)
Direct Shear Test
Constant Pressure (σv=200kPa)50

表‑2 三本木原砂の不飽和三軸圧縮試験の0サクションと含水比

1loosedensewater content, w (%)
15.0
13.5
12.0
11.014.513.0
11.5
10.5

Vertical displacement, ∆H (mm)-0.8suction (kPa)
1050100200
1050
100200w=25%1502345
Shear diplacement (mm)(b)

67DL clay (loose)
Direct Shear Test
Constant Pressure (σv=200kPa)
w=water content

-0.6
w=6%

-0.4

w=12%
-0.2
0
w=25%
0.2
saturated
0.4012345
Shear diplacement (mm)67

図‑3 ゆる詰め DL クレイの一面せん断挙動
表‑3 米山粘性土の不飽和三軸圧縮試験の(a)応力‑せん断変位関係

サクションと含水比(b)鉛直変位‑せん断変位関係
300(a)
w=6%250
Shear stress, τ (kPa)

サクション，S (kPa) 含水比， w (%)
10025.0
20028.040030.0w=12%200DL clay (dense)
Direct Shear Test
Constant Pressure (σv=200kPa)
w=water content
w=25%

150saturated

1004. 試験結果および考察50

今回の試験では，鉛直応力を 50kPa，100kPa，0で 3 種類の試験を行った．鉛直応力 200kPa の試-0.8

験結果を図‑ 3，図‑4，図‑8，図‑9 および図‑13-0.6に示し，他の鉛直応力については考察のみ述べる．
図‑3 にゆる詰め DL クレイの一面せん断挙動，
図‑4 に密詰め DL クレイの一面せん断挙動を示す．
それぞれ，(a)にせん断応力-せん断変位関係，(b)Vertical displacement, ∆H (mm)200kPa または 100kPa，150kPa，200kPa 一定

1267(b)w=12%-0.4w=6%-0.2

saturated
w=25%

0w=water content
DL clay (dense)
Direct Shear Test
Constant Pressure (σv=200kPa)

0.2に鉛直変位-せん断変位関係を示す．図‑3(a)，(b)0.4において，含水比 6%・12%と含水比 25%・飽和

345
Shear diplacement, δ (mm)012345
Shear diplacement, δ (mm)6では，その挙動が異なっている．図‑3(a)では含図‑4 密詰め DL クレイの一面せん断挙動

水比 6%・12%では，ピーク強度はせん断変位が(a)応力‑せん断変位関係

2mm 程度で表れているが，含水比 25%・飽和で(b)鉛直変位‑せん断変位関係

7は，はっきりとしたピークは見られない．また，

200

図‑3(b)の鉛直変位も含水比 6%・12%では体積は体積は減少傾向を示している．図‑4(a)においても含水比 6%・12%と含水比 25%・飽和で応力-

Shear stress, τ (kPa)

膨張傾向を示しているが，含水比 25%・飽和では，w=6%
φ'=32.7oc=20.2kPa

150

ひずみの挙動に違いが見られた．含水比 25%は不100

w=25%φ'=33.0oc=16.1kPa

w=12%
φ'=32.7oc=20.1kPa

50

saturated
φsat=31.2o

飽和土の状態であるが，その挙動は飽和土の挙動0に非常によく似ている．図‑4(b)では，体積は不他の鉛直応力での結果と比較し，体積変化を飽和

DL clay (dense)
Direct Shear Test
200 Constant Pressure
w = water content
Shear stress, τ (kPa)

示し，不飽和試験では鉛直応力が大きくなるほど，体積の膨張傾向は小さいことを示している．また，

w=12%
φ'=44.6oc=29.1kPa

150

100w=25%
φ'=44.9oc=9.7kPa
saturated50

φsat=42.8o

012%と含水比 25%・飽和の挙動の違いが見られた．
図‑5 ゆる詰め DL クレイの破壊線，図‑6 に密イの粘着力-飽和度関係を示す．表‑4 に DL クレ

30線はほぼ平行に上に推移している．不飽和供試体

Cohesion, c (kPa)

詰め DL クレイの破壊線を示す．図‑7 に DL クレ

水比が低下すると見掛けの粘着力は増加し，破壊50

Triaxial compression
CDtest φd=43.9o

100150
Vertical stress, σv (kPa)

200250図‑6 密詰め DL クレイの破壊線
35の強度定数を示す．図‑5，図‑6 の破壊線より，含250w=6%
φ'=45.1oc=31.2kPa

鉛直応力が 200kPa 以外においても，含水比 6%・イの不飽和三軸圧縮試験と定圧一面せん断試験

200250土の挙動に非常によく似ている．他の鉛直応力では鉛直応力が大きくなるほど，体積は圧縮傾向を

100150
Vertical stress, σv (kPa)

図‑5 ゆる詰め DL クレイの破壊線

飽和土と飽和土供試体ともに膨張傾向を示した．の結果と比較し，体積変化をみると，飽和試験で50

w=water content
DL clay (loose)
Direct Shear Test
Constant Pressure

25201510DLclay
Direct Shear Test
Constant Pressure
loose
dense

Triaxial Compression
CDtest (p', pnet=const)
loose
denseの内部摩擦角 φ d は飽和供試体の内部摩擦角 φ sat5とほぼ同じである．図‑7 より DL クレイのゆる詰

0め供試体では，定圧一面せん断試験から得られる

図‑7 DL クレイの粘着力‑飽和度関係

見掛けの粘着力 c と不飽和三軸圧縮試験から得ら

表‑4 DL クレイの強度定数比較

れた見掛けの粘着力 c はよく一致していることが不飽和三軸圧縮試験
サクション (kPa) 見掛けの粘着力, c (kPa) 内部摩擦角, φ (°)
飽和0.03015.9
ゆる詰め31.9(e =0.95)
50
19.1
20020.6
飽和0.03025.2
密詰め
43.9(e =0.75)50
29.8
20030.4
定圧一面せん断試験
含水比 (%)
見掛けの粘着力, c (kPa) 内部摩擦角, φ (°)
飽和0.0
31.7
25.0
16.1
33.0
ゆる詰め
(e =0.95)
12.0
20.1
32.8
6.0
20.232.7
飽和0.043.3
25.09.7
44.9
密詰め(e =0.75)
12.0
29.1
44.66.031.245.1

示されている．図‑5 の DL クレイの密詰め供試体の結果において，飽和度の高い範囲の定圧一面せん断試験の粘着力 c が 不飽和三軸圧縮試験結果よりも低い．これは，本来ならば擬似飽和状態として負の間隙水圧が働かなければいけない状態であるが，一面せん断試験ではその状態を再現できなかったということが考えられる．そのため一面せん断試験を行う際には，供試体の飽和度を考慮し，試験を行う必要があるといえる．

10203040506070
Degree of saturation, Sr (%)

8090100図‑8 にゆる詰め三本木原砂の一面せん断挙動，

250(a)

図‑9 に密詰め三本木原砂の一面せん断挙動を示(b)に鉛直変位-せん断変位関係を示す．図-8(a)では，飽和供試体の挙動はひずみ硬化型であるとい200Shear stress, τ (kPa)す．それぞれ，(a)にせん断応力-せん断変位関係，

w=11.0%w=12.0%

える．不飽和供試体では若干のピークが見られる．

150100w=water content
Sanbongihara sand (loose)
Direct Shear Test
Constant Pressure (σv=200kPa)

500

すがせん断強度の発現とともに体積は膨張傾向-2

験では鉛直応力が大きくなるほど，体積の膨張傾向は小さいことが確認できた．また，含水比が低くなると体積の膨張傾向が大きくなることが示

Vertical displacement, ∆H (mm)

不飽和供試体は，最初は正のダイレタンシーを示

きくなるほど，体積は圧縮傾向を示し，不飽和試

w=15.0%saturated

図-8(b)では，飽和供試体の体積は圧縮しているが，を示す．体積変化は，飽和試験では鉛直応力が大

w=13.5%

12345
Shear diplacement (mm)6(b)

Sanbongihara sand (loose)
Direct Shear TestConstant Pressure (σv=200kPa)
w=water content-1.57-1w=15.0%

w=11.0%-0.5

w=13.5%w=12.0%0saturated

された．図‑9(a)の応力-ひずみ曲線には大きく緩0.5

やかなピークを示している．含水比による強度の012345Shear diplacement (mm)67差 は よ り はっ き り と 見ら れ る ． また ， 含 水 比

図‑8 ゆる詰め三本木原砂の一面せん断挙動

13.5%・15%では飽和よりもピーク強度の発現が(a)応力‑せん断変位関係

遅い．図-9(b)では飽和・含水比 13.5%・15%では，(b)鉛直変位‑せん断変位関係

せん断直後の体積は正のダイレタンシーを示し，300その後膨張している．含水比 11%・12%・13.5%250

原砂においても，含水比が低下するほど，せん断強度は増加し，体積膨張の傾向は大きくなること

Shear stress, τ (kPa)では体積は膨張傾向を示している．密詰め三本木(a)w=10.5%w=11.5%w=13.0%200150が示された．また，含水比が低下するほど，せん

w=water content
Sanbongihara sand (dense)
Direct Shear Test
Constant Pressure (σv=200kPa)

50

断応力の立ち上がりが早く，ピーク強度に早く達0している．

木原砂の不飽和三軸圧縮試験と定圧一面せん断試験の強度定数を示す．図‑10，図‑11 より不飽和土の破壊線は飽和土の破壊線とほぼ平行であり，Vertical displacement, ∆H (mm)

木原砂の粘着力-飽和度関係を示す．表‑5 に三本

12Sanbongihara sand (dense)
Direct Shear Test
Constant Pressure (σv=200kPa)
w=water content-1.567(b)w=11.5%w=10.5%-1w=13.0%-0.5
saturated

0w=14.5%

含水比が低下すると上に推移している．図‑12 よ0.5

り定圧一面せん断試験の強度増加傾向と不飽和

345Shear diplacement (mm)-2

図‑10 ゆる詰め三本木原砂の破壊線，図‑11 に密詰め三本木原砂の破壊線を示す．図‑12 に三本saturated

w=14.5%100012345Shear diplacement (mm)6三軸縮試験の強度増加傾向は同じであることが

図‑9 密詰め三本木原砂の一面せん断挙動示される．ゆる詰めと密詰めでは，密詰めの場合(a)応力‑せん断変位関係の強度増加の割合が大きい．

(b)鉛直変位‑せん断変位関係

7表‑5 より，不飽和三軸圧縮試験と定圧一面せん断(a)にせん断応力-せん断変位関係，(b)に鉛直変位試験結果の強度定数がよく一致していることが-せん断変位関係を示す．図‑13(a)では不飽和土の示される．

挙動と飽和土の挙動で若干の違い確認された．含図‑13 に米山粘性土の一面せん断挙動を示す．

水比 25%と含水比 28%・30%では曲線のピークが表‑5 三本木原砂の強度定数比較

w=11.0%φ'=37.0oc=18.0kPa

200
w=12.0%φ'=36.8oc=17.0kPa

150

w=15.0%w=13.5%φ'=36.3oc=16.0kPa

100

φ'=37.5oc=7.9kPaw = water content

50

saturated

φsat=36.3o050

Sanbongihara sand (loose)
Direct Shear Test
Constant Pressure

100150
Vertical stress, σv (kPa)

200250

図‑10 ゆる詰め三本木原砂の破壊線

Shear stress, τ (kPa)

250
Sanbongihara sand (dense)
w=10.5%
Direct Shear Test
φ'=43.9o
Constant Pressure
c=28.7kPa
200w = water content w=11.5%

φ'=43.6o300

w=14.5%φ'=44.0oc=5.6kPa

c=24.0kPa

150
w=13.0%φ'=42.7oc=20.6kPa

100

w=25%

saturated

φsat=42.6o

50
triaxial compression
CDtest φd=43.1o0(a)

250

50

100
150
Vertical stress, σv (kPa)

200

250

Shear stress, τ (kPa)Shear stress, τ (kPa)250

不飽和三軸圧縮試験
サクション (kPa) 見かけの粘着力, c (kPa) 内部摩擦角, φ (°)
飽和0.0
109.9
ゆる詰め5014.936.2(e =0.68)
100
16.4
200
17.4
飽和0.0
105.3
密詰め
43.1
5020.1(e =0.52)100
23.8
20028.0
定圧一面せん断試験
含水比 (%)
見かけの粘着力, c (kPa) 内部摩擦角, φ (°)
0.0
36.3
saturated
15.0
7.9
37.5
ゆる詰め
13.5
16.0
36.3
(e =0.68)
12.0
17.0
36.8
11.0
18.0
37.0
0.0
42.6
saturated
14.5
5.6
44.0
密詰め
13.0
20.6
42.7
(e =0.52)
11.5
24.0
43.6
10.5
28.7
43.9

200

Yoneyama sandy silt
Direct Shear Test
w=28% Constant Pressure (σv=200kPa)
w=water content
w=30%150100saturated50

図‑11 密詰め三本木原砂の破壊線
0-0.835
Sanbongihara sandDirect Shear Test
Constant Pressure
loose
dense
Triaxial Compression
CDtest (p', pnet=const)
loose
dense

252015-0.6
Vertical displacement, ∆H (mm)Cohesion, c (kPa)30

105030

40

5060
70
80
Degree of saturation, Sr (%)

90

図‑12 三本木原砂の粘着力‑飽和度関係

100

12345
Shear diplacement (mm)

67(b)
w=25%

w=28%

-0.4
-0.2
0
w=30%
0.2
saturated
0.4 w=water content
Yoneyama sandy silt
0.6 Direct Shear Test
Constant Pressure (σv=200kPa)
0.8012345
Shear diplacement (mm)6

図‑13 米山粘性土の一面せん断挙動(a)応力‑せん断変位関係(b)鉛直変位‑せん断変位関係

7300

は緩やかなピークを示した．含水比 25%にははっ250きりとしたピークの応力-ひずみ曲線となった．図‑13(b)では，飽和土試験において体積は大きく圧縮傾向を示した．不飽和土試験において体積は膨

Shear stress, τ (kPa)異なった．含水比 28%・30%の応力-ひずみ曲線

Yoneyama sandy silt
Direct Shear Test
Constant Pressure
w=water content

200150w=25%
φ'=42.1oc=94.5kPa

w=28%
φ'=36.1oc=49.5kPa
w=30%

φ'=32.3o100c=17.7kPa張傾向を示し，含水比が低下するほどその傾向は

saturated

50φ sat=38.5o大きい．図‑14 に米山粘性土の破壊線を示す． 図
0‑15 に米山粘性土の粘着力-飽和度関係を示す．表50

Triaxial Compression
CDtest φd=38.3o

100
150
Vertical stress, σv (kPa)

200250

図‑14 米山粘性土の破壊線‑7 に米山粘性土の不飽和三軸圧縮試験と定圧一面せん断試験の強度定数を示す．図‑14 の米山粘性土の破壊線は平行ではなく，ばらつきがみられ150た粘着力 c は不飽和三軸圧縮試験の粘着力 c よりも低いことが示されている．表-7 の不飽和三軸圧縮試験と定圧一面せん断試験結果を比較するとCohesion, c (kPa)る．図‑15 より，定圧一面せん断試験から得られ10050

その差が大きいことはっきりとわかる．米山粘性

Triaxial Compression
CDtest(p', pnet=const, compression)

土の供試体作製方法や圧密時間などを検討し，試験を行う必要があると考えられる．
5. 結論

Yoneyama sandy silt
Direct Shear Test
Constant Pressure

060708090
Degree of saturation, Sr (%)

100

図‑15 米山粘性土の粘着力‑飽和度関係1) 非塑性の試料であれば，不飽和土の強度を簡易一面せん断試験から求めることができる．
2) 擬似飽和状態にある試料については負の間隙水圧し試験を行う必要がある．
3) 塑性試料に関しては，簡易一面せん断試験からは正確な不飽和土の強度を求めることができない．
以上の結果より，適用範囲は限られるが，簡易不飽和土一面せん断試験は，飽和度と粘着力の関係を求める簡易試験方法として有用である．
6. 参考文献
1) 河野敬，不飽和砂質土の強度評価手法に関する基礎的研究，長岡技術科学大学大学院建設工学専攻修士論文，2007.3
2) 三村八一，東北新幹線トンネル施工現場より採取した砂の不飽和せん断特性，長岡技術科学大学大学院建設工学修士論文，2006.3

表‑7 米山粘性土の強度定数の比較
不飽和三軸圧縮試験
サクション (kPa) 見かけの粘着力, c (kPa) 内部摩擦角, f (°)
saturated
0.0
100.0
68.2
38.3
200.0
91.2
400.0
121.5
定圧一面せん断試験
含水比 (%) 見かけの粘着力, c (kPa) 内部摩擦角, φ (°)
saturated
0.0
38.5
30.0
17.7
37.3
28.0
49.5
36.1
25.0
94.5
42.1