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

１．はじめにが被害を被っている．また，東北新幹線トンネル施工区間では，掘削工事中にトンネルが陥没した．
これは，地下水の上昇が原因だと言われている．

木原トンネルより採取した砂を用いて飽和砂および不飽和砂の三軸圧縮試験を行った．密度の異なる 3 種類の供試体を作製し，サクションを変え，指導教員

豊田浩史

2.745
1.150
0.671

100
Percentage finer by weight

討するため，東北新幹線（八戸－新青森間）三本八一

土粒子の密度ρ s(g/cm3)
最大間隙比e max
最小間隙比e min

災害が発生し，自然斜面や盛土などの土木構造物要である．本研究では，切羽の安定性について検三村

表-1 試料の物性値

近年，わが国では局地的な集中豪雨による地盤

このような地盤や切羽の崩壊を予防することは重地盤研究室

80

Sanbongihara sandGrain size distribution

604020それぞれのせん断特性について調べた．
00.001

これらの試験結果を利用して，トンネル切羽の0.010.1

110Grain size (mm)安定解析を実施した．さらに，不飽和土の強度試
験を実施しなくても，強度定数の概略値が利用で

図-1 三本木原砂の粒径加積曲線

きるように，細粒分調整を行った砂質土について強度定数を求めた．

を作製し試験を行うこととした．原位置での試料は相対密度 100％を越えており，試料が乾燥してい２．試験試料についてる状態では十分に密な供試体を作製することがで試験には，東北新幹線三本木原トンネルより採 きない．そこで，供試体作製は試料の含水比を 10％取した砂を使用した．乾燥させた後，2mm ふるい に調整し 5 層に分け，ランマーによる打撃で締固を通過したものを試験試料とした．物性値を表-1 めて作製した．それぞれの落下高さや打撃回数（1に，粒径加積曲線を図-1 に示す．表-1 より，土粒 層あたり）を以下に述べる．まず，ゆる詰めはラ子密度は 2.745g/cm3 であり，砂としては若干大き ンマー落下高さ 10cm・打撃回数 10 回，中密詰めめの値である．砂の最大密度・最小密度試験より， はランマー落下高さ 15cm・打撃回数 15 回，密詰最大間隙比 1.150，最小間隙比 0.671 という結果が めはランマー落下高さ 20cm・打撃回数 20 回とし得られた．JISA1224 に基づいて行ったが，細粒分 た．
が 20%弱含まれているので，試験方法の適用範囲外となる．また，図-1 より三本木原砂は砂が大部 ４．試験方法分を占めているが，細粒分も 20%弱含まれていることがわかる．

3 種類の間隙比の異なる供試体を用いて試験を行った．まず，三軸試験装置に設置した供試体を，二 重 負 圧 法 を 用 い て 飽 和 さ せ た ．

３．試料作製方法

p’=( σ1’+ σ2’+ σ3’)/3（平均有効主応力）は，50kPa，ゆる詰め，中密詰め，密詰めの 3 種類の供試体 100kPa，150kPa の 3 ケースであり，バックプレッ表-2 試験ケース
saturated

350

10300loose,50,100,150

medium dense,

400

suction(kPa)

50denseSanbongihara sand (Medium Dense)
T riaxial compression
CDtest( p',pnet =100kP a)

250

100

s=50kPa

150

Sanbongihara sand (Loose)
T riaxial compression
CDtest( p',pnet =100kP a)s=suction
s=100kPa250
q = σ 1‐σ 3 (kPa)200

s=100kPa

s=200kPa

200

200300(a)s=suct ion

q = σ 1‐σ 3 (kPa)p '，p net (kPa)density

Saturateds=10kPa

100(a)

500

s=200kPa3096εs=2/3( ε1‐ ε3 ) (%)

1512150
Saturated

s=10kPa–8s=50kPa

5003096εs=2/3( ε1‐ ε3 ) (%)

1512Volumetric strain, ε v (%)–8(b)

Sanbongihara sand (Loose)
T riaxial compression
CDtest( p',pnet =100kPa)–6

Volumetric strain, ε v (%)

100–6–4(b)s=200kPa

s=suction–4

s=100kPa
s=50kPa
s=10kPa–2
Saturated02

s=suction

Sanbongihara sand (Medium Dense)
T riaxial compression
CDtest( p',pnet =100kPa)

3069εs=2/3( ε1‐ ε3 ) (%)

1215s=100kPa
s=200kPa

図-3 中密三本木原砂の三軸圧縮挙動

s=50kPa–2(a)応力-ひずみ関係，(b)体積ひずみせん断ひずみ関係

s=10kPa

0Saturated20369
εs=2/3( ε1‐ ε3 ) (%)

1215以上の各試験ケースは表-2 に示す通りである．

図-2 ゆるい三本木原砂の三軸圧縮挙動

５．試験結果(a)応力-ひずみ関係，(b)体積ひずみ-５．１

せん断ひずみ関係

せん断特性

図-2 にゆる詰め供試体の三軸圧縮試験結果を示
す．図-2(a)は拘束圧に関係なく緩やかな曲線を描

シャー（B.P）は，200kPa 載荷した．軸ひずみ速度

き，サクションが大きいと少しピークが見られる

0.0417% / mm ， p ′ 一定のもと，排水条件でせん が，せん断ひずみが大きくなるにつれて緩やかに断を行った．
不飽和砂の三軸圧縮試験に関しては，pnet が強度が軟化傾向を示している．図-2(b)より，ゆる詰め供試体は飽和試験では負のダイレイタンシー

50kPa，100kPa，150kPa の各ケース毎に，サクシ が発生し，サクションが 10kPa，50kPa，100kPa，
ョン 10kPa，50kPa，100kPa，200kPa の 4 ケー

200kPa では正のダイレイタンシーが生じている．

スで供試体の不飽和化を行った．軸ひずみ速度はこのことから，サクションが大きいと膨張傾向を0.0104%/min，pnet=(σ1+ σ 2+ σ 3)/3-ua は一定，排気 示すと言える．
排水（サクション一定）条件でせん断を行った．

図-3 に中密詰め供試体の三軸圧縮試験結果を示400400(a)300q =( σ – σ ) (kPa)
13

Sanbongihara sand (Dense)
T riaxial compression
CDtest( p',pnet =100kPa)
s=suction350

q = σ 1‐σ 3 (kPa)

s=200kPa250

s=100kPa

s=50kPa

200150Saturated

s=10kPa

300

Sanbongihara Sand (Loose)
Triaxial Compression
CD test( p',pnet =const.)

s=100kPa200
s=50kPa
s=10kPa

100100Saturated

500

s=200kPa

s=suction030

96
εs=2/3( ε1‐ ε3 ) (%)

0501512(a)100150p',p net =( σ1+2 σ3 )/3– ua

200

400–12–8q =( σ – σ ) (kPa)
13

Volumetric strain, ε v (%)(b)

Sanbongihara sand (Dense)
T riaxial compression
CDtest( p',pnet =100kPa)–10s=200kPa

s=suction

s=100kPa–6–4s=50kPa

300200Sanbongihara Sand (Medium Dense)
Triaxial Compression
CD test( p',pnet =const.)
s=suction

s=100kPa
s=50kPa
s=10kPa

100s=10kPa–2Saturated

Saturated

00230

69
εs=2/3( ε1‐ε 3 ) (%)

s=200kPa

1215(b)0100150p',p net =( σ1+2 σ3 )/3– ua

200400q =( σ – σ ) (kPa)13

図-4 密な三本木原砂の三軸圧縮挙動(a)応力-ひずみ関係，(b)体積ひずみせん断ひずみ関係
す．図-3(a)より，サクションが大きいほど強度も300

s=200kPa

Sanbongihara Sand (Dense)
Triaxial Compression
CD test( p',pnet =const.)
s=suction200

s=100kPa
s=50kPa

s=10kPa

100大きいことがわかる．図-3(b)からゆるい砂と同様

Saturated

でサクションが大きいとダイレイタンシーも大き0くなっていることがわかる．
図-4 に密詰め供試体の三軸圧縮試験結果を示す．
図-4(a)より，明確なピークが現れ，せん断ひずみ

50050100150p',p net =( σ1+2 σ3 )/3– ua

(c)

200

図-5 三本木原砂の破壊線(a)ゆるい場合，(b)中密の場合，(c)密な場合

が ε s =10% く ら い で 定 常 状 態 を 示 し て い る ． 図-4(b)より，s＝200kPa 以外は，中密詰め供試体のの破壊線では，飽和土と s=10kPa の場合にほとん

ダイレイタンシーの大きさと同じような大きさでど差がない．密になるとサクションが低い場合にあり曲線の傾向も似ていることがわかる．

水が十分排水されず，不飽和化の程度が低いと考５．２えられる．密になるほど三本木原砂の破壊線の傾せん断強度

図-5(a)，(b)，(c)にゆる詰め，中密詰め，密詰きは大きくなっている．強度定数は以下の結果がめの破壊線を示す．まず，サクションの大きさで得られた．ゆるい砂の内部摩擦角φは約 38.5°，中まとめた不飽和土の破壊線は，飽和土の破壊線と密詰めは約 40.5°，密詰めは約 43.1°であった．

ほぼ平行になっている．図-5(c)の密詰めにおいてs=200kPa の粘着力 c はゆる詰めの場合で 17kPa，中密詰めで 20kPa，密詰めで 28kPa ほどである．
30

５．３ 内部摩擦角と粘着力についてLoose

図-5 に粘着力とサクションの関係を示す．どのなる傾向が見て取れる．図-6 に，内部摩擦角と間隙比の関係を示す．間隙比が小さいほど内部摩擦角は大きい．以上よりサクションや間隙比の大きcohesion (kPa)

密度でもサクションが大きければ粘着力も大きく

Medium Dense

25Dense201510Sanbongihara sandT riaxial compression
CDtest( p',pnet =const.)

さによって供試体の強度が変わり，これらを評価5していくことが必要であることがわかる．

050

0150
100suction (kP a)

６．強度定数の概略値について既往の研究では，地下水位の影響として地下水

250200

図-6 粘着力とサクションの関係圧のみを考慮していた．しかし，本研究より，不飽和土の c (粘着力)， φ (内部摩擦角)を考慮して解50
Sanbongihara sandT riaxial Compression
CD test ( p',pnet =const.)なるという結果が得られた．これより，地下水位の低下により，切羽の高い安定性が得られることがわかる．しかしながら，毎回不飽和土の力学試
験を実施して，強度特性を得るのは，多大な時間と労力を要する．そこで，細粒分含有率の違う砂internal friction angle

析を行うと，既往のものより数倍安定した切羽に454035を使用して，サクションと強度の関係を求めた．
これにより，試験をしなくても，強度定数の概略3000.4値が推定できる．
今回は，以下に試料と試験方法及び試験結果に

0.5

10.6
void ratio

10.80.7

図-7 内部摩擦角と間隙比の関係ついて述べる．
300

豊浦標準砂を用いて，モールドを組んでゆるい体を作製した．中密の破壊線を図-8 に示す．図か
ら，強度が増加し不飽和化の効果が得られたといえる．また，強度定数は，ゆるい詰めのφは約 33.6°，中密詰めは約 35°，密詰めは約 37°となった．サ

Toy oura Sand (medium dense)
Triaxial Compression, CD test( p',pnet =const.)

q =( σ – σ ) (kPa)
13(e=0.88)・中密(e=0.8)・密(e=0.7)の 3 種類の供試

200
suction=10kPa

100Saturated
c =7kPa

クション 10kPa の c はゆる詰めの場合で 2.4kPa，中密詰めで 3.4kPa，密詰めで 4.5kPa である．
７．おわりに

φ =35°

0050
100
150p',p net =( σ1+2 σ3 )/3– ua

200

図-8 豊浦砂の破壊線

1)応力-ひずみ関係において，ゆるい砂でありサクションが小さい程ピークが不明確で，密であり 大きい程ダイレイタンシーが大きくなる．
サクションが大きい程ピークが明確になり，後 3)密度で内部摩擦角が，サクションで粘着力が増加に強度が緩やかに軟化傾向を示す．

する結果が得られた．

2)ゆるい砂でありサクションが小さい程ダイレイ

4)不飽和砂質土の強度定数の概略値を推定するたタンシーが小さく，密な砂でありサクションがめの基礎データが得られた．