リングせん断試験機を用いたシールド機周りの摩擦特性に関する研究

1. はじめにシールド機が地中を掘進していく際、ジャッキ力に最も影響を与える要因は、シールド機と地盤との摩擦抵抗である。しかし、シールド機と地盤の摩擦特性に関する研究結果がないのが現状である。
そのため、本研究はシールド機周りの摩擦特性を求めることを目的とする。シールド機が地中を掘進していく際、シールド機と地盤には摩擦が働くとともに、ワイヤーブラシ間にはグリスが詰まっていることから、セグメントとグリスの間にも摩擦が働く。シールド機周りの摩擦特性として、本研究では、シールド機と地盤、セグメントとグリスの摩擦特性に注目した。鉄と試料との摩擦力はシールド機と地盤の摩擦力を、コンクリートとグリスとの摩擦力はセグメントとグリスの摩擦力を表すことになる。

2. 試料と試験方法(1)試料
試料は、市販の豊浦砂とカオリン粘土を使用した。豊浦砂（ρs=2.65、emax=0.990、emin=0.597）
は、リングせん断試験では、気乾状態のものを相対密度 70%で堆積させた。カオリン粘土は、スラリー状にしたものを脱気し、鉛直応力100kPa のピーク強度を計測する際に 90kPa、その他は 150kPa で圧密を約 1 日行った飽和度100％の土塊を成形して用いた。
鉄、コンクリートの表面粗さを Table 1 に示す。
(2)リングせん断試験試験に用いた供試体は外形 15cm、内径 10cm、高さ 1cm である。
試験は定圧試験で初期せん断と残留せん断の 2 通りの方法で行った。
試験条件は Table 2 に示す。また、介在物として用いた泥水は市販のベントナイトをスラリー密度 1.10g/cm3 にしたものを用いた。グリスとしては松村石油化成株式会社のテールシ

地盤工学研究室

徳山英之

指導教官

杉本光隆

ーラー♯8000NP を用いた。
Table 1 鉄とコンクリートの粗さ部材
鉄

粗さ Ra (μm) Ry (μm) Rz (μm)
滑らか
0.63
4.01
2.90普通1.256.385.47
粗い4.3827.8419.15
コンクリート1.8512.378.56

Table 2 試験条件
試験名部材料鉄
リングせん断試験
鉄コンクリート3.

表面粗さ 試料 介在物
滑らか
普通粗い粘土
砂無し
水泥水-

グリス無し

せん断速度mm/min
0.020.255076

拘束圧kPa5010〜100

100300500

試験結果と考察(1)ピーク強度について
a) カオリン粘土
せん断速度 5mm/min、50mm/min で行った試験結果を Table 3 に示す。
Fig. 1 よりせん断速度、50mm/min で行った試験結果は 5mm/min で行った試験結果より低い値を示している。これは、50mm/min せん断速度が速すぎるため、ピーク値をとらえることができなかったことを示している。よって、ピーク値を測定する際には、せん断速度 5mm/minにより測定した。
Fig. 2 は初期せん断と残留せん断の試験結果である。初期せん断からの残留状態も、残留状態に至らしめた後の残留せん断でも残留強度はほぼ同じ値であることがわかる。よって、残留強度を求める場合には、鉛直応力を増加させながら、連続して実験しても良いといえる。
Fig. 3 から残留強度とピーク強度とはφは約 10°くらい違いがあることがわかる。
b)

豊浦砂
Fig. 4 は初期せん断から残留状態に至らしめた結果である。ピーク強度を示していないことが分かる。

300

Table 3 カオリン粘土のピーク強度
速さ
鉛直応力(kPa)
近似式 1c φ 近似式 2 φmm/min 100 300 500
kPa °°
無し
550.6 132.6 204.1 0.3838x+13.9750 14.0 21.00 0.4197x 22.77
50- 178.3-

250200ピーク強度（φ p＝22.8°）150100
残留強度（φ r ＝13.2°）505mm/min
50mm/min200せん断応力(kPa)

せん断応力 (kPa)

粗さ 介在物
普通

ピーク強度
残留強度

25000100150200300400500600

鉛直応力 (kPa)

Fig. 310050

豊浦砂のピーク強度と残留強度（せん断速度：50mm/min、粗さ：普通、介在物：無し）

010304050
せん断変位(mm)
せん断速度のピーク強度への影響（鉛直応力：500ｋPa,粗さ：普通、介在物：無し）

Fig. 1

20

ピーク強度
残留強度

200

250500kPa

カオリン粘土のせん断速度のピーク強度への影響（鉛直応力：500ｋPa、粗さ：普通、介在物：無し）

250

せん断応力(kPa)60

せん断応力 (kPa)

0200
150300kPa
100100kPa

5000246
せん断変位 (mm)810

ピーク強度と残留強度の比較（せん断速度：50mm/min、粗さ：普通、介在物：無し）

Fig. 4 豊浦砂のピーク強度（せん断速度 50mm/min、粗さ：普通、介在物：無し）

150
1005000Fig. 2102030
せん断変位(mm)4050

カオリン粘土のピーク強度と残留強度（鉛直応力：500kPa、せん断速度：50mm/min、粗さ：普通、介在物：無し）(2)残留強度についてカオリン粘土で行った試験結果を Table 4、豊浦砂で行った試験結果を Table 5 に示す。
1)せん断速度の影響
a)カオリン粘土Fig. 5 はせん断速度 0.02、0.2、5、50、76mm/min で行った試験結果である。φは約13.00°であることから、せん断速度は残留強度に影響しないといえる。
b)豊浦砂
Fig. 6 はせん断速度 5、50mm/min で行っ試験結果である。どちらもほぼ同じ値を示すことから、せん断速度は残留強度に影響しないといえる。

2)粗さの影響a)カオリン粘土Fig. 7 は鉄の粗さが普通、滑らか、粗いものを使用した時の試験結果である。普通と滑らかな時はほぼ同じ値を示すが、粗い時はそれらより大きい値を示していることが分かる。よって、カオリン粘土の場合、今回用いた普通と滑らかとの粗さの違いでは強度に影響はなく、粗いものとの違いでは強度は大きくなるといえる。
b)豊浦砂
Fig. 8 は鉄の粗さが普通、滑らか、粗いものを使用した時の試験結果である。大きい方から粗い、普通、滑らかな順になっているのが分かる。よって、豊浦砂の場合、滑らかと普通の粗さの違いでも強度に影響していることが分かる。
3)介在物の影響
a)カオリン粘土Fig. 9、10 は鉄の粗さが普通、粗いものを用いた時、介在物として水、泥水がある場合、何も無い場合の試験結果である。普通のものを用いた時、何も無し、水がある場合はほぼ同じ

300

Table 4 カオリン粘土の残留強度
介在物

普通無し

水泥無し
水泥無し
水泥

滑らか粗い速さmm/min0.020.2550765050505050505050

近似式 1cφ 近似式 2 φ
鉛直応力(kPa)
100 300
500kPa°°24.5 79.0 109.0 0.2113x+7.4583 7.5 11.93 0.2304x 12.97
26.8 73.1 109.7 0.2073x+7.6917 7.7 11.71 0.2270x 12.79
24.8 77.1 112.6 0.2195x+5.6500 5.7 12.38 0.2340x 13.17
27.1 76.1 113.0 0.2148x+7.6417 7.6 12.12 0.2344x 13.19
26.4 73.1 112.3 0.2148x+6.1750 6.2 12.12 0.2306x 12.99
30.1 72.8 110.4 0.2008x+10.8750 10.9 11.35 0.2287x 12.8824.8 67.9 97.0 0.1805x+9.0833 9.1 10.23 0.2039x 11.52
24.5 69.9 117.9 0.2335x+0.7167 0.7 13.14 0.2353x 13.24
24.5 75.4 113.9 0.2235x+4.2167 4.2 12.60 0.2343x 13.19
23.8 62.4 92.4 0.1715x+8.0833 8.1 9.73 0.1923x 10.89
37.9 109 164.9 0.3175x+8.6833 8.7 17.61 0.3398x 18.77
34.3 101.9 121.5 0.2180x+20.500 20.5 12.3 0.2707x 15.15
33.6 81.3 116.2 0.2065x+15.083 15.1 11.67 0.2453x 13.78

せん断応力 (kPa)

粗さ5mm/min
50mm/min2505mm/min（φ＝22.6°）
50mm/min(φ=22.5°)

200150
10050
00100

200

300

400

500

600

鉛直応力 (kPa)

Table 5 豊浦砂の残留強度
普通無し

水泥滑らか 無し
水
泥
粗い 無し
水
泥

速さmm/min
550505050505050
5050

鉛直応力(kPa) 近似式
100300500
43.1 124.4 208.3 0.4165x
41.5 126.4 205.1 0.4132x
40.5 155.4 240.0 0.4876x
57.5 163.2 270.0 0.5420x
35.3 96.6 138.4 0.2906x56.0 130.0 215.0 0.4346x
61.7 164.0 240.0 0.5011x
71.5 204.1 325.8 0.6608x
68.6 184.1 282.1 0.5804x
60.4 171.7 279.5 0.5637x

φ°
22.61
22.45
25.99
28.46
16.20
23.49
26.62
33.46
30.13
29.41

250
せん断応力 (kPa)

粗さ 介在物

Fig. 6 せん断速度の影響（豊浦砂、粗さ：普通、介在物：無し）
普通
滑らか
粗い

200

粗い（φ＝18.8°）

150
100

普通（φ＝13.2°）50

滑らか(φ=13.2°)

000.02mm/min（φ＝13.0°）
120 0.2mm/min(φ=12.8°）5mm/min(φ=13.2°)
100 50mm/min(φ=13.2°)76mm/min(φ=13.0°)80
600.02mm/min
0.2mm/min
5mm/min
50mm/min
76mm/min

40
20
00

100

200

300
鉛直応力(kPa)

100

200

300
400
鉛直応力 (kPa)

500

600

Fig. 7 粗さの影響（カオリン粘土、せん断速度：50mm/min、粗さ：普通、介在物：無し）

400

500

400

普通
滑らか
粗い350
600

Fig. 5 せん断速度の影響（カオリン粘土
介在物：無し、粗さ：普通）値を示していることが分かる。泥水がある場合は、水がある場合よりも小さい値を示していることが分かる。よって、滑らかな場合も普通のものと同じ傾向を示していたことより、普通、滑らかな場合、水は排水され強度に影響はしない。泥水がある場合は摩擦面に少しベントナイトが残るためそれらより小さい値を示すといえる。また、粗い場合は普通、滑らかな場合より水、ベントナイトが多く残るため強度が何も無い時より小さくなったと思われる。
b)豊浦砂
Fig. 11 は鉄の粗さが普通のものを用いた時の介在物として何も無し、水、泥水がある場合の試験結果である。強度が大きい方から泥水、水、何も無しの順になった。しかし、Fig. 12の試験結果により再現性が無いことが明らかとなった。これは鉄の表面が砂との摩擦で粗くなったためであるといえる。

せん断応力 (kPa)

せん断応力(kPa)

140300粗い（φ＝33.5°）

250
200
150
100

普通（φ＝22.5°）滑らか(φ=16.2°)

5000

100

200

300400鉛直応力 (kPa)

500

600

Fig. 8 粗さの影響（豊浦砂、せん断速度：50mm/min、粗さ：普通、介在物：無し）
4)グリスの摩擦特性について
Fig. 13 はコンクリート、鉄を用いた場合のグリスとの試験結果である。鉄はφ＝6.5°、コンクリートはφ＝6.1°であることから部材の違いは強度には影響しないことが分かる。

4.

まとめ

1) ピーク強度：せん断速度が 50mm/min だと計測時間間隔が長すぎて、ピーク値をとらえられないことがある。残留強度を求める
場合には、鉛直応力を増加させながら、連続して実験しても良い。カオリン粘土のピ

160300
250120

せん断応力 (kPa)

せん断応力(kPa)

140
無し（φ＝13.2°）100

水（φ＝12.9°）8060
泥水（φ＝11.5°）
無し
水
泥水

402000100

200300鉛直応力(kPa)

400

φ 2 ＝25.2°

200150φ 1 ＝22.5 °100500500

0600

Fig. 9 介在物の影響（カオリン粘土、せん断速度：50mm/min、粗さ：普通）
せん断応力 (kPa)

250

100

500600

Table 6 グリスの残留強度無し（φ＝18.8°）水(φ=15.2°)
泥水（φ＝13.8°）

150

300
400
鉛直応力 (kPa)

Fig. 12 再現性の確認（豊浦砂、せん断速度：50mm/min、粗さ：普通、介在物：無し）

無し
水
泥水

200200

試料

部材

グリス

鉄
コンクリート100

速さ
近似式 1c φ 近似式 2 φ
鉛直応力(kPa)
mm/min 10 20 30 40 50 70 100
kPa °°
50 2.0 2.5 5.2 5.8 6.7 8.7 9.3 0.0856x+1.8277 1.8 4.9 0.1143x 6.5
50 3.6 3.7 3.8 4.0 4.0 - - 0.0110x+3.4900 3.5 0.6 0.1062x 6.1

50
160
100

200

300
400
鉛直応力 (kPa)

500

600

Fig. 10 介在物の影響（カオリン粘土、せん断速度：50mm/min、粗さ：粗い）
300

無し
水
泥水

250
200

せん断応力 (kPa)0

せん断応力 (kPa)

コンクリート鉄

1412鉄(φ=6.5°)

1086

コンクリート(φ=6.1°)

4200

泥水(φ＝28.5°)水(φ=26.0°)

204060鉛直応力 (kPa)

80

100

120

Fig. 13 グリスの摩擦特性（せん断速度：50mm/min）150

無し(φ＝22.5°)1005000100200300

400500600

鉛直応力 (kPa)

Fig. 11 介在物の影響（豊浦砂、せん断速度：50mm/min、粗さ：普通）ーク強度と残留強度はφで約 10°の差がある。
豊浦砂はピーク強度が得られない。
2)せん断速度：残留強度にせん断速度は影響しない。
3)鉄の粗さ：カオリン粘土は今回の試験で用いた普通、滑らかな場合、強度に影響ないが、粗い場合、強度は大きくなる。豊浦砂は普通と滑らかの場合でも強度に影響がでてくる。
4)介在物：カオリン粘土の場合は、介在物として水がある場合は、何も無い場合と比較して残留強度に影響はないが、泥水がある場合は、強度は小さくなる。豊浦砂の場合は同一条件で試験を行うためには試験ごとに同一条件の部材を用いらなければならない。
5)グリス:コンクリートのφは 6.1°。鉄のφは 6.5°。コンクリートと鉄の違いは無い。
参考文献
1） 酒井直樹：リングせん断試験による残留状態の評価と残留強度測定法に関する検討、土木学会論文集 No．743 Ⅲ‑64、pp．
223‑228、2003.92） 鈴木素之：直接型せん断試験における土の残留強度、土木学会論文集 No．645 Ⅲ‑50、pp．37‑50、2000.
3） 鈴木素之：リングせん断試験における粘土の残留強度とせん断変位の関係、土木学会
論文集 No.575/Ⅲ‑40,141‑158,1997.94） 柳和久：新しい JIS に基づく仕上げ面粗さのパラメータ表示、砥粒加工学会誌
vol40 No2、pp66‑68、1996.3