アクティブ制御
アクティブ制御による制御による土による土の非排気せん
非排気せん断試験方法
せん断試験方法の断試験方法の開発
地盤工学研究室 佐藤 勇太
指導教員
1. はじめに豊田 浩史も変化することになる．

近年，地震により不飽和斜面が流動化（液状化）原地盤で非排気非排水状態となりえる一例とした例が報告されている．飽和状態の地盤と違い，して，地震時の不飽和状態の地盤内では，急激な不飽和状態の地盤には間隙空気が存在しており，せん断により地盤内の空気・水が排出されない状

地震時の不飽和状態の地盤内では，急激なせん断態となることが考えられる．

により地盤内の空気・水が排出されない状態となる．すなわち非排気非排水状態となっている．そ3. 二重セル二重セル型三軸試験機
セル型三軸試験機について型三軸試験機についてれにともない，非排気非排水条件での不飽和土の二重セル型三軸試験機の簡略図を Fig.3.1 に示繰返し三軸試験が盛んに行われるようになってす．

いる．
非排気非排水条件での三軸試験は古くはビショップにより，セル水のかわりに水銀を用いて非排気試験が行われたが，その毒性のため近年は使用が制限されている．近年の不飽和三軸試験では二重セル構造の三軸試験機を用いて非排気試験を行うのが主流となっているが，メンブレンの空気の透過性を考えると厳密には非排気状態とはなっていない．それゆえに，飽和土の繰返し三軸試験と不飽和土の排気排水条件での三軸圧縮試
験は基準化されているものの，非排気非排水条件は基準化されていないのが現状である．
そこで本研究では供試体内の間隙空気がメンブレンを透過して漏れ出しているのかを検証す

Fig.3.1 二重セル型三軸試験機簡略図る．また，非排気状態と等価な状態を作り出すア
クティブ制御を用いて水銀を用いなくても精度

不飽和土の非排気非排水三軸試験は Fig.3.1 のよく，そして容易に非排気試験が行えるか検討すような二重セル型三軸試験機で試験が行われてるものである．

いる．供試体の体積変化量は，定水位管と内セル水の水位差による圧力差を差圧計で測定して，体2. 非排気非排水条件について非排気非排水条件について積変化を計算している．精度良く体積変化量を測

非排気非排水状態とは不飽和土のせん断時に定するために，内セル水には脱気水を用いている．

供試体内部から空気と水を排出しない条件のこ

また，内セル水にセル圧が作用した空気が溶け込とである．土粒子と水の体積は不変と仮定できる

まないように，内セル水水面にオイルを浮かべるため，飽和土の非排水条件では供試体体積は一定

ことで内セル内を密閉している．となるが，空気は圧縮性があるため，供試体体積

しかし，第 1 項でも述べているように，メンブ

1レンの透過性により完全に非排気状態にはならいることから，間隙空気がメンブレンを透過し，ないという問題点を抱えている．

内セル水に溶け込んだと言える．

4. 間隙空気が間隙空気がメンブレンをメンブレンを透過し透過し，内セル水セル水に溶け5. アクティブ制御
アクティブ制御について制御について現行の試験のままではメンブレンの透気性に込む現象
本現象が実際に試験機内で起きているか検証

より非排気状態が維持できないという問題に対するため，供試体内に間隙空気圧 ua=200kPa を作し，本研究では非排気状態と等価な状態を作り出用させた状態で，長時間非排気状態で放置したとすアクティブ制御という手法を提案する．アクテ

きの供試体内の間隙空気圧と内セル水(脱気水)のィブ制御とは，ある変化量を見積り，変化量にあ溶存酸素量の変化をみる実験を行った．Fig.4.1 にわせて所定の制御を自動で行う制御方式である．

間隙空気圧の変化，Table.4.1 に溶存酸素量の変化

非排気非排水せん断中の供試体の体積変化をを示す．

差圧計で逐次測定し，体積変化量から間隙空気圧の変化を式(1)により理論計算して，この間隙空気圧を自動制御することにより，非排気状態と事実上等価な状態をつくり出す．

P2 = P1

V1 T2•V 2 T1(1)P1：初期の間隙空気の絶対圧力，V1：初期の間隙空気の体積，T1：初期の間隙空気の絶対温度，
P2：試験中の間隙空気の絶対圧力，V2：試験中の間隙空気の体積，T2：試験中の間隙空気の絶対温度
水の体積変化は排水量から計算でき，土粒子の体Fig.4.1 間隙空気圧の変化

積変化はないと仮定すれば，供試体の体積変化から，空気の体積変化を算定することが可能である．

Table.4.1 溶存酸素量の変化

溶存酸素量Do (mg/l)

長時間放置前長時間放置後の内セル水の内セル水

0.84

8.88

6. 試験方法および試験方法および試験条件
および試験条件
本研究ではアクティブ制御を用いた不飽和粘性土･砂質土の非排気非排水単調載荷試験と完全乾燥砂の P（平均主応力）一定繰返し載荷試験を行い，アクティブ制御の有効性について検討した．

Fig.4.1 より，供試体内の間隙空気圧 ua が時間経

砂試 料は豊 浦砂 である ．豊 浦砂の 物性 値を過と共に減少しているのが分かる．完全な非排気Table.6.1 に示す．単調載荷試験ではモールドを使状 態で あれば 間隙 空気圧 は時 間が経 過し ても用した締固め法により砂試料を Dr=0%，w=5%で200kPa 一定であるが，間隙空気圧が変化している．

締固めたものを使用した．また，完全乾燥砂でのまた，Table4.1 より，内セル水として用いた脱気P 一定繰返し載荷試験では漏斗を使用し空中落下

水が長時間放置前の溶存酸素量が 0.84 mg/l だっ法で作成した．
共に供試体直径 50mm，高さ 125mmたのに対し，長時間放置後は 8.88 mg/l となってで作製した．

2

と間隙水圧 uw の差で表す．

粘性土試料は新潟県柏崎市米山付近より採取した米山粘性土である．米山粘性土の物性値を

s=ua-uw (2)Table6.2 に示す．乾燥した試料に蒸留水を加えス

単調載荷試験では供試体を三軸試験機にセッラリー状にしたものを脱気して，圧密容器内で一ト後，飽和させ予圧密を行い，B 値 0.95 以上を確次元圧密をしてできた土塊を直径 50mm，高さ保する．p’=100kPa で圧密を行った後，供試体上125mm の供試体に作製した．

部から空気圧を載荷して脱水させる加圧板法を行い，所定のサクションで不飽和化を行う．その後，所定のせん断速度で非排気非排水せん断を行

Table.6.1 豊浦砂の物性値
豊浦砂

う．アクティブ制御でのせん断の場合，供試体上

土粒子密度 ρs

2.65部へのバルブを開け，第 5 項での制御を行う．

最大間隙比

emax0.99

繰返し載荷試験では脱水工程がないため，飽和最小間隙比

emin0.597

用のペデスタルを用いている．供試体をセット後，均等係数Uc1.55

背圧載荷を行い ua=300kPa まで載荷し，p’=100kPa

曲率係数Uc’1.05で圧密を行った後，所定のせん断速度で非排気 P

0（平均主応力）一定繰返しせん断を行う．アクテ

細粒分含有率Fc

ィブ制御でのせん断の場合，供試体上部へのバルブを開け，第 5 項での制御を行う．

Table6.2 米山粘性土の物性値試験ケースを Table.6.3 に示す．

米山粘性土
土粒子密度 ρs2.746

液性限界WL(%)

46.2

塑性限界 WP(%)

31.0

塑性指数 IP(%)

15.2

粘土 (%)

23.6

シルト (%)

57.0

砂 (%)

19.4

Table.6.3 試験条件（Pnet=100kPa）
初期サ条
試料

せん断速度

非排気(mm/min)

制御

クショ

件ン(kPa）

なし
0.05

米山粘性土
300
単なし

(不飽和)
0.005調本研究ではアクティブ制御を実施し, 単調載荷載試験においては供試体の不飽和化に加圧板法を荷用いて試験を行った．供試体上部に背圧を与え，豊浦砂

0.00625

供試体にサクションを与えた．単調載荷試験での繰

和土用ペデスタルを使用している．米山粘性土で返は AEV=400kPa，豊浦砂では AEV=50kPa の不し飽和土用ペデスタルを用いた．ここで，本研究で載取り扱うサクション s とは不飽和状態を表す重要

荷なパラメータであり，式(2)の通り間隙空気圧 ua

3あり
なし

(不飽和)

みセラミックディスクが埋め込まれている不飽あり
なし

0.1
10

供試体下部のセラミックディスクより排水させ，あり

あり

0.012
（振幅

豊浦砂
ua=300(完全乾燥砂)なし

q=50kPa
100 サイクルで終了)

あり

非排気非排水単調載荷試験試験結果
非排気非排水単調載荷試験試験結果・
試験結果・考察

た，制御ありの両ケースと制御なしの高速度せん

最初に非排気非排水単調載荷試験の結果につ断(0.05，0.1mm/min)はほぼ同一の挙動を示していいて述べる．図中では制御なしを nocontrol，制御る．このことから，アクティブ制御はせん断速度ありを control と表示している．の違いによる影響がないことが言える．

7.

Fig.7.1 に軸差応力‐せん断ひずみ関係図，
Fig7.2 に軸差応力‐平均基底応力の関係図，Fig7.3に体積ひずみ‐せん断ひずみ関係図，Fig.7.4 に間隙空気圧‐せん断ひずみ図，Fig7.5 にサクション‐せん断ひずみ関係図を示す．

(a) 不飽和粘性土非排気非排水単調載荷試験(a) 不飽和粘性土非排気非排水単調載荷試験(b) 不飽和砂質土非排気非排水単調載荷試験
Fig7.2 軸差応力‐平均基底応力の関係図(q-pnet)
低速度せん断(0.005，0.00625mm/min)の制御な(b) 不飽和砂質土非排気非排水単調載荷試験

しのケースが他のケースに比べ q が大きく出ていFig.7.1 軸差応力‐せん断ひずみ関係図(q-εs)

るのが分かる．これは ua が低下し Pnet(=P’－ua)が上昇したためであると考えられる．Pnet 上昇によFig7.1 より，制御なしの低速度せん断(せん断速り原地盤でいう土圧が高い状態となり，供試体が度 0.005，0.00625mm/min)のケースが他ケースに過剰に拘束され本来の強度より過剰に値が出た

比べ軸差応力 q が大きく出ているのが分かる．まと考えられる．Fig7.2(a)では制御なしの高速度せ4ん断と制御ありの両ケースに若干の開きがあるたと考えられる．制御なしの 2 ケースは間隙空気のに対し，Fig7.2(b)では制御なしの低速度せん断が内セルに溶け込んだ分体積が減少しており，ま以外のケースは結果が同じとなっている．これは，たせん断による空気の体積変化により体積ひず

Fig7.2(a) で の 高 速 度 せ ん 断 の せ ん 断 速 度 がみεv が制御ありの 2 ケースより大きく表れてい0.05mm/min に対し，Fig7.2(b)の高速度せん断のせると考えられる．

ん断速度が 0.1mm/min によるせん断時間の違いによるものだと考えられる．0.05mm/min だと間隙空気圧 ua がメンブレンを透過して内セル水に溶け込んでしまう現象が起きたと考えられる．

(a) 不飽和粘性土非排気非排水単調載荷試験(a) 不飽和粘性土非排気非排水単調載荷試験(b) 不飽和砂質土非排気非排水単調載荷試験
Fig.7.4 間隙空気圧‐せん断ひずみ図(ua-εs)Fig.7.4 より制御なしの低速度せん断の間隙空気圧 ua の低下は確認できる．Fig.7.4(a)では制御な(b) 不飽和砂質土非排気非排水単調載荷試験
Fig7.3 体積ひずみ‐せん断ひずみ関係図(εs-εv)

しの高速度せん断でも間隙空気圧 ua の低下が起きていることが見て取れる．また，Fig.7.4(b)より，Fig7.3 より，制御ありの 2 ケースは似たような制御なしの高速度せん断では間隙空気圧 ua の低結果となった．アクティブ制御により間隙空気圧下が確認されておらず，非排気状態であると言えua が同様に保たれ，体積ひずみが同一の変化をしる．制御ありのケースは，非排気状態である制御

5なしの高速度せん断と同一の結果でどれも同じuw の伝達が遅かったためと考えられる．サクショ軌跡を描いており，せん断速度によらず同一の結ンは間隙空気圧 ua と間隙水圧 uw の差で求められ果が出ていることから，アクティブ制御は上手くる．どの程度のせん断速度で行えば間隙水圧 uw出来ており，非排気状態であると考えられる．

伝達の遅延がなく，サクションを正確にはかれるのか，次項にて述べる．
8.

AEV 値の高い不飽和土用ペデスタル
不飽和土用ペデスタルによるペデスタルによる間による間隙水圧伝達の隙水圧伝達の遅延
不飽和粘性土非排気非排水単調載荷試験ではAEV=400kPa の高い AEV 値のセラミックディスクを使用している．AEV 値が高い場合，圧の伝達に遅延が生じる．
せん断速度が速い場合は間隙水圧の変化が早く，AEV 値の高い不飽和土用ペデスタルの場合，正確な間隙水圧を測定することが困難であると(a) 不飽和粘性土非排気非排水単調載荷試験考えられる。逆にせん断速度が十分遅くなると，間隙水圧の変化が遅く，正確な間隙水圧が測定できると思われる．以上の事を証明するために AEV
値 400kPa の不飽和粘性土用ペデスタルを用いて米山粘性土非排気非排水条件の三軸圧縮試験を行った．試験ケースは S=300kPa，Pnet=100kPa にてアクティブ制御ありのせん断速度0.0025mm/min を実施し，不飽和粘性土非排気非排水条件三軸圧縮試験のサクションとせん断ひずみの関係で比較を行った．Fig.8.1 に比較図を示す．

(b) 不飽和砂質土非排気非排水単調載荷試験
Fig7.5 サクション‐せん断ひずみ関係図(s-εs)Fig7.5(b)ではサクションはほぼ同じ値となっているが，Fig7.5(a)ではせん断速度の違いによる影響が見て取れる．Fig7.5(a)ではサクションは最終的にほぼ同値となるが，それまで値に開きが出ている．これは不飽和用ペデスタルの圧の伝わり方が影響しているのではないかと考えられる．粘性
土用ペデスタルは AEV 値が高いセラミックディスクを使用しているため，計測機器への間隙水圧

Fig.8.1 せん断速度によるサクションの変化

6

せん断速度 0.005mm/min のケースとアクティブ制御ありのせん断速度 0.0025mm/min のケースはほぼ同等の軌跡を描いている．高速度せん断のケースと比べると開きがないのがわかる．高速度せん断だとセラミックディスクの圧伝達遅延の影
響によるサクションが低速度せん断と比べて高いのが見て取れる．AEV 値が高い不飽和用ペデスタルを用いてサクションを測定する場合はせん断速度を遅くする必要があることが分かった．本試験の場合はせん断速度 0.005mm/min 以下でサクションを正確に測定できるということが言える．
9.

Fig9.2 軸差応力‐平均基底応力の関係図(q-pnet)

非排気非排水 P 一定繰返し
一定繰返し載荷試験試験結載荷試験試験結果・考察
非排気非排水 P 一定繰返し載荷試験の結果について述べる．不飽和での繰返し試験では，せん断ひずみごとに側圧が変化してしまう．地震時の地盤内は拘束圧が一定で，横揺れが作用しているとすると，P(=P’+ua)一定とすることでせん断応力のみを載荷し，地震時の地盤内を再現できる．
図 中 で は 制 御 な しを nocontrol， 制 御 あ り をcontrol と表示している．
Fig.9.1 に軸差 応力‐せん 断ひずみ 関係図 ，
Fig9.2 に軸差応力‐平均基底応力の関係図，Fig9.3に体積ひずみ‐せん断ひずみ関係図，Fig.9.4 に間Fig9.3 体積ひずみ‐せん断ひずみ関係図(εs-εv)

隙空気圧‐せん断ひずみ図を示す．

Fig.9.1 軸差応力‐せん断ひずみ関係図(q-εs)

Fig.9.4 間隙空気圧‐せん断ひずみ図(ua-εs)7ua が低下しているのが分かった．

Fig.9.1 より，制御なしはせん断が進むにつれ，せん断ひずみの進展が小さくなっているのが分
かる．単調載荷同様， Pnet 上昇が原因であると考② 空気圧-せん断ひずみ関係図をみると，アクテえられる．

ィブ制御なしの高速度せん断でも若干ながら

Fig9.2 より，初期挙動は合ってるがせん断が進

間隙空気圧 ua の減少が起きていた．

むにつれずれているのがわかる．制御なしは Pnetが上昇していくのに対し，制御ありは Pnet が低下③ 全試験の応力-せん断ひずみ図，軸差応力‐平している．制御なしのケースでは ua が低下してい均基底応力の関係図，体積ひずみ-せん断ひずるので Pnet が高くなっていると考えられ，制御あみ図を見て分かるように，間隙空気圧 ua が低りのケースでは空気の漏れが起きないために ua下することにより Pnet が高くなり，供試体強が上昇して Pnet が低くなったと考えられる．

度が上がっているのが分かった．

Fig9.3 より，初期挙動は同じであるが，せん断が進むにつれて制御なしのケースに比べて制御④ 全試験の体積ひずみ-せん断ひずみ図より，アありのケースは体積ひずみが大きく出ているのクティブ制御なしの低速度せん断は間隙空気が見て取れる．制御なしはせん断が進むにつれてがメンブレンを透過し，内セル水へ浸透する

供試体強度が上がり，体積ひずみが制御ありに比ことによる間隙空気圧 ua が減少し，Pnet が高べて値が小さく表れていると考えられる．

くなり，体積ひずみが大きく出る．アクティFig.9.4 より，両ケースともある一定のせん断ひブ制御なしの高速度せん断も間隙空気がメンずみまでは同じ間隙空気圧 ua となっているが，せブレンを透過し，内セル水へ浸透することにん断が進むにつれ制御ありのケースは間隙空気よる間隙空気圧 ua の減少による体積変化が若圧 ua が上昇，制御なしのケースは間隙空気圧 ua干起きており，体積ひずみがアクティブ制御が低下している．制御なしのケースにおいてはアありのケースに比べて大きい．

クティブ制御がないため，間隙空気圧 ua が空気漏れのため低下していると考えられる．初期におい⑤ 間隙空気圧 ua と間隙水圧 uw はアクティブ制御ては，ua は変化しないが，空気漏れの分と空気圧の影響を受けて大きく変化するが，サクショ縮による分がつり合って変化がないと考えられンの変化は小さい．

る．制御ありのケースはアクティブ制御により，空気漏れ分の間隙空気圧 ua と供試体の体積変化⑥ 不飽和粘性土の非排気非排水三軸圧縮試験のによる間隙空気圧 ua の変化分が制御されており，間隙水圧 uw は，不飽和ペデスタルにおける水間隙空気圧 ua が上昇したと考えられる．ゆるい砂

圧伝播速度の影響が出ている．AEV 値が高いであるので，この間隙空気圧 ua の上昇が，原地盤不飽和用ペデスタルを用いる場合は，せん断内の挙動である．

速度を遅くする必要がある．

9.

結論
以下に実験から得られた結論を列挙する．

① 空気圧-せん断ひずみ関係図をみると，アクテ
ィブ制御なしの低速度せん断の長時間かかる
試験では試験開始前と開始後では間隙空気圧

8