三軸液状化試験により変化する砂粒子配向性と液状化強度の関係
長岡技術科学大学大学院 CHAVEZ GARCIA CARLOS ALAIN
1. はじめに

指導教員 豊田浩史

液状化は，地震やその他の振動が原因で，主に飽和した砂質土壌で発生する現象である．砂
粒子配向性及び液状化に関する研究は，地震時に砂質土が液状化するメカニズムを理解し，被害を予測し防止する方法を探ることを目的と指導教員 豊田浩史
している．砂粒子の配向性は，土のせん断強度や圧縮性に影響を及ぼし，液状化のしやすさに影響する．微小ひずみ及び液状化に関する研究
は，地震などの外部からの力によって引き起こされる土の微小なひずみから液状化に至るまでのプロセスを解明することである．これらの研究成果は，液状化現象のメカニズムを解明し，地震による被害を防ぐための予測手法の高度化に利用できる．
2. 試験内容
2.1 三軸非排水繰返し試験機について

図 1 三軸試験機

本研究で用いる試験機は，セル内完全浸水式三軸試験機である．本試験機の，供試体上部の2.2 供試体作製方法

キャップ， 供試体下部のペデスタルにベンダ

本研究では，空中落下法で堆積角度 0°，ーエレメントを内蔵しており，供試体内部に45°，90°供試体を作製した．空中落下法は試sin 波を発信し，非破壊のせん断波測定試験を料をふるいから自然落下させて供試体を作製行うことが出来る．また，本試験機には供試体する方法である．その際に，モールドの角度をに局所微小ひずみ測定装置を設置することが変えることで堆積角度を決めることができる．

でき，せん断過程において，軸方向と水平方向

本研究では供試体の相対密度 Dr を均一に作製のひずみを測定することが出来る．

するために，落下高さが常に一定となるように調整を行った．モールド内に乾燥試料を一定量入れた後，水槽内に一定の流速で通水し，試料を水浸させ，一定の水位を保った．水槽の水を取り除いた後，水槽内からモールドを取り出し，負圧により脱水し，直ナイフとトリマーにより直径 50 mm，高さ 125 mm の円柱供試体を成形した．

3.1.2 粒度配向性 45°
2.3. 試験手順
本研究では，漏斗堆積法で供試体を作製し，45°の配向の場合、液状化前と比べて、液状化三軸室に設置した後，供試体を飽和させる．飽

後に 90°から 100°付近で粒子配向の分布が和の確認をしたのちに，背圧を作用させ，供試増加傾向を示します（図 4 と図 5）。しかし VM体は平均有効主応力 p’=50kPa で圧密を行う．

に関してはほぼ同じ値がでました。

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．
3. 試験結果
3.1 マイクロスコープ分析
3.1.1 粒度配向性 0°

図 4 配向性 45°液状化前マイクロスコープ分析

0°の配向の場合、液状化後に 90°付近で増加傾向が観察されて VM の値が落ち行くことが確認できました（図 2 と図 3）。

図 5 配向性 45°液状化後マイクロスコープ分析
図 2 配向性 0°液状化前マイクロスコープ分析
3.1.3 粒度配向性 90°90°の配向の場合、粒子配向の分布で減少傾向および角度の減少を示します。図 7 はこれらの観察をさらに支持し、液状化後に 0°および45°の θ 値が増加するが、90°の配向の角度（°）は減少することを示しています。これら
図 3 配向性 0°液状化後マイクロスコープ分析の結果は、液状化プロセスが粒子の配向に影響を与え、分布パターンの変化を引き起こすことを示唆しています。グラフィカルな比較と分析は、液状化が土試料の織物異方性に与える影響を理解するのに役立ちます。

液状化後配向性w (%)
BE G00°45°90°LSSDr

N c2G0(%)εa=1%

σ d / 2σ' c

26.42

75.00073.000

64.63

27.5

0.20

25.75

72.00072.000

66.92

8.5

0.25

26.18

71.00074.00066.16

4.50.30

25.60

76.00077.000

67.94

23.0

0.20

26.55

78.00076.000

63.87

11.5

0.25

25.41

77.00074.000

76.00

9.0

0.30

26.25

65.00066.000

60.31

20.5

0.20

25.41

69.00063.000

70.74

13.5

0.25

26.09

65.00064.00065.39

3.50.30

図 6 配向性 90°液状化前マイクロスコープ分析
表２ 液状化後試験条件

図 8 と図 9 からわかるように，0°配向では，液状化前の G o は 61MPa から液状化後に72MPa になる増加傾向があった．これは，表 1からわかる密度の増加の他，粒子の配置が影響していると考えられる．45°配向でも，液状化前の G o は 65MPa から液状化後 78MPa と増加している．90°配向では，0°および 45°配
図 7 配向性 90°液状化後マイクロスコープ分析

向と比較して液状化前の G o が大きく，液状化後は，0°および 45°配向で G o が増加したのに対して，90°配向では減少した．密度が増加

3.2 ＢＥ試験と微小ひずみ結果したにもかかわらず G o が減少したのは，粒子ここで行う試験条件は表 1 と表 2 に示す。の配向が変化したからと考えられる．さらに，
図 2 と図 3 から，ベンダーエレメント試験と微液状化前
配向性w (%)
BE G00°

45°

90°

LSSDr

N c1

小ひずみ LSS 試験の結果は一致していること
σ d / 2σ' cG0(%)

εa=1%26.42

60.000

63.00

62.60

15.5

0.20

25.75

61.000

61.00

64.89

6.5

0.25

26.18

62.000

61.00

63.87

2.50.30

25.60

61.000

64.00

65.65

20.5

0.20

26.55

65.000

64.00

61.83

10.5

0.25

25.41

62.000

61.00

68.45

4.5

0.30

26.25

71.000

70.00

58.27

33.5

0.20

25.41

73.000

72.00

68.70

18.0

0.25

26.09

73.000

71.00

62.34

9.50.30がわかる．
液状化により粒子の配向が変化すると、その土の剛性や強度が変わります。0°配向の場合、液状化前の剛性（Go）が 61MPa から液状化後に72MPa に増加しており、これは粒子がより効率的に配向し、より密な構造を形成していることを示している可能性があります。45°配向でも

表 1 液状化前試験条件

同様に、液状化後に Go が 65MPa から 78MPaへと増加しており、粒子の密度が増加していることが考えられます。
一方で、90°配向では、液状化前後で Go が減少しています。これは、液状化によって粒子が90°付近で減少するため、配向が変化し、粒子間の接触が減少して土の剛性が低下したと考えられます。つまり、0°および 45°の配向では粒子が液状化によってより密な配向へと変化し、剛性が増加するのに対し、90°配向では粒子の減少による接触の喪失が剛性の低下を招いているのです。

図 11 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）

3.3.2 粒度配向性 0°ｑ＝25kpa

図 8 液状化前微小ひずみと BE 試験比較

図 12 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）
図 9 液状化後微小ひずみと BE 試験比較
3.3 液状化強度特性軸方向ひずみ（εa）を水平軸に，偏差応力（q）を垂直軸にとった応力-ひずみ曲線と，平均有効主応力（p'）を水平軸にとった応力経路を図 10から図 27 までに示す．
3.3.1 粒度配向性 0°ｑ＝20kpa

図 10 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）

図 13 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）

3.3.3 粒度配向性 0°ｑ＝30kpa

図 17 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）
図 14 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）

図 15 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）

3.3.5 粒度配向性 45°ｑ＝25kpa

図 18 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）

3.3.4 粒度配向性 45°ｑ＝20kpa

図 19 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）
図 16 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）

3.3.6 粒度配向性 45°ｑ＝30kpa

図 23 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）
図 20 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）

図 21 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）

3.3.8 粒度配向性 90°ｑ＝25kpa

図 24 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）

3.3.7 粒度配向性 90°ｑ＝20kpa

図 25 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）
図 22 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）

3.3.9 粒度配向性 90°ｑ＝30kpa
3.3.10 液状化強度曲線

図 26 平均有効主応力（p'）と偏差応力（q）

図 28 液状化強度曲線

3.3.11 液状化と再液状化比較
図 29，30，31 にそれぞれの配向角で，液状化
図 27 軸方向ひずみ（εa）と偏差応力（q）

強度と再液状化強度を示す．0°と 45°では再液状化強度が上昇したのに対し，90°では低下

これらの図 10 から図 27 までは、20kPa、25kPa、している．

30kPa の偏差応力における応力-ひずみ経路を液状化強度試験結果から得られた知見は、90°示しています。また、0°、45°、90°の方向性の粒子配向が 0°の配向よりも液状化強度が高における応力経路を示しています。0°方向のいということです。これは、液状化する際に、p'値が急速に減少することが観察され、90°方90°配向の粒子がより耐性がある構造を形成

向は 0°や 45°の方向に比べて時間がかかるこしていることを示唆しています。再液状化強度とがわかります。この結果より液状化時に 90°が 0°と 45°で上昇し、90°で低下したというの粒子配向は 0°の配向より液状化強度が高い

結果は、粒子の再配向が影響していると考えらことが確認できた。

れます。具体的には、液状化と再液状化のプロセスにおいて、粒子配向がどのように変化するかが重要な役割を担っています。
初めに述べたように、マイクロスコープによる粒子配向性の読み取り結果からは、液状化後に0°と 45°の粒子配向が 90°付近へ近づいたこと、そして 90°のケースでは液状化後に90°付近の粒子数が減少したことが観察されました。これは、液状化によって粒子が特定の方向へ再配向し、その結果として液状化強度に影響を与えていると考えられます。
液状化前にせん断剛性率が堆積角度に応じて異なり（0°、45°、90°の順に大きくなる）、液状化後のせん断剛性率が液状化強度と同様の傾向を示したことは、液状化時の粒子の配向性と土の力学特性との間に直接的な関連があ

図 31 90°液状化前後ることを示しています。特に 90°のケースでせん断剛性率が少し減少したのは、液状化後の粒4. 結論子数の減少によるものであり、再液状化におけ後の比較る粒子の配向変化が剛性と強度に直接的な影

粒子配向性の変化: 液状化によって、0°と響を与えていると解釈できます。

45°の粒子配向が液状化後に 90°付近へ近づきました。これは、液状化が粒子の配向を変化させ、それが土の力学特性に影響を与えることを示しています。
液状化強度: 90°の粒子配向は 0°の配向よりも液状化強度が高いことが確認されました。これは 90°配向の粒子が液状化に対してより強い構造を形成していることを示唆しています。
再液状化強度: 再液状化時には、0°と 45°の配向で強度が上昇する一方で、90°の配向では強度が低下しました。これは、液状化と再液状化のプロセスにおける粒子配向の変化が、土の図 29 0°液状化前後力学特性に重要な影響を及ぼしていることを示しています。の比較

せん断剛性率: 液状化前のせん断剛性率は堆積角度が大きいほど高く、液状化後も同じ傾向が維持されました。0°と 45°で剛性率が上昇し、90°で少し減少したことが、液状化強度と強い相関関係にあることを示しています。

図50°液状化前後の比較
図 30 45°液状化前後の比較

これらの結果は、土の液状化挙動と粒子の配向性との間には密接な関連があり、液状化プロセスが粒子の配向に与える影響は土の力学的特性に大きな影響を及ぼすことを明らかにしました。また、液状化耐性の評価においては、粒子配向性を考慮することが非常に重要であると結論付けることができます。この研究は、土木工学や地震工学における土構造物の設計と安全評価において、粒子配向性を考慮するための実用的な指針を提供するものです。
5. 参考文献
1.社団法人地盤工学会. (2009). 地盤材料の方法と解説-二分冊の2. pp. 730-736. 3.LE HOANG 2.KIM. (2021). 粒子配向性を考慮した砂の液状化特性. 長岡技術科学大学大学院工学研究科修士論文.