不飽和砂質土の強度評価手法に関する基礎的研究
地盤工学研究室 河野 敬
指導教員

1. はじめに豊田 浩史

基に沈下予測や切羽の安定についての解析を行土の強度定数 c，φ は，各種構造物の基礎の設うことは，時間的な問題が発生する．そこで，一計や地盤・地山の安定性において最も重要なパラ

般的に試験で使用されている豊浦砂や，その他メータである．強度定数は，砂や粘土といった様々な試料で試験を行うことで，不飽和砂質土の様々な土の種類や環境条件によって異なること強度発現機構の一般化を試みる．その結果より，に加えて，間隙比，飽和度，応力履歴などの土の密度・細粒分含有率などの物理試験から，容易に状態によって変化する．したがって，各種構造物粘着力や内部摩擦角などの地盤強度を算定できの基礎の設計や地盤の安定性の検討に用いる土る指標の構築を目指す．本研究では，地下水位をの強度定数を唯一に決定することは容易ではな下げることにより，容易に飽和度が変化する砂質い．トンネル掘削などを行うたびに，実験結果を土を主な対象とする．用いた試料は，純粋な砂で100
Grain size distribution

DL clayρs=2.65g/cm3

Degree of saturation, Sr (%)

Percentage finer by weight80

60

Toyoura sand
ρs=2.65g/cm340
Sanbongihara sand

ρs=2.75g/cm3

2000.001

0.01

0.1

180

60

20010

Toyoura sand
loose
dense
DL clayloose
dense
Sanbongihara sand40

Grain size (mm)10100
Matric suction, S (kPa)

図.1 粒径加積曲線

図.2 水分特性曲線

表.1 豊浦砂試験ケース

表.2 DL クレイ試験ケース

condition B.P, Suction (kPa) p' , p net (kPa)saturated
B.P200S 1050unsaturated
S 50S200loose
saturated
B.P200(e =0.84)
S 10
Toyoura sand100
unsaturated
S 50
dense
S200
(e =0.66)
saturated
B.P200
S 10200
unsaturated
S 50
S200
samplePressure plate method
Drying (dehydration)

100

density-1-1

sampleDL clay1000

condition B.P, Suction (kPa) p' , p net (kPa)saturated
B.P200S 30
50unsaturated
S 50
S200
saturated
B.P200loose
S10*(e =0.95)
S20*
100
S 30
unsaturated
S40*
dense
S50
(e =0.75)
S200
saturated
B.P200S 30
200unsaturated
S 50
S200
(*印：denseのみ実施)density250

250(a)

200(a)

200
s = 200 kPa

150
s = 10 kPa

100

s = 50 kPa

s = 50 kPa

q=σ1-σ3 (kPa)

q=σ1-σ3 (kPa)s = 200 kPa

saturated150

s = 10 kPa
saturated

100

s=suction50

s=suction

50

Toyoura sand (loose)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=100kPa)

0

5

1015

Toyoura sand (dense)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=100kPa)05

εs=2/3(ε1-ε3) (%)-1015-6-4
s = 50 kPa
s = 10 kPa

s = 200 kPa(b)Toyoura sand (dense)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=100kPa)-8s=suction

-2

-10

Volumetric strain, εv (%)

Volumetric strain, εv (%)(b)

Toyoura sand (loose)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=100kPa)-810

εs=2/3(ε1-ε3) (%)

s=suctions = 200 kPa-6s = 50 kPa-4s = 10 kPa-2saturatedsaturated

000

5100

15

510

εs=2/3(ε1-ε3) (%)εs=2/3(ε1-ε3) (%)

図.3 ゆるい豊浦砂の三軸圧縮挙動

図.4 密な豊浦砂の三軸圧縮挙動(a) 応力-ひずみ関係(a) 応力-ひずみ関係(b) 体積ひずみ-せん断ひずみ関係(b) 体積ひずみ-せん断ひずみ関係

153. 試料作製方法

ある豊浦砂，非塑性シルトである DL クレイ，実現場の様々な密度に対応できるように，ゆる詰際の施工現場である東北新幹線三本木原トンネルより採取した砂を用いて試験を行った．

め供試体，密詰め供試体を作製し，試験を行うこ

2. 試験試料ととした．豊浦砂は含水比を 5%程度に調整した試験に用いた試料は，豊浦砂，DL クレイ，東後，突き棒で所定の間隙比となるように作製した．

北新幹線トンネル三本木原トンネルより採取しDL クレイは，含水比を 10%程度に調整した後，た砂である．図.1 に，各試料の粒径加積曲線と土所定の間隙比となるように突き棒で作製した．比粒子密度を示す．図.1 より，豊浦砂は土粒子密度

較対象の三本木原砂は，含水比を 10%程度に調整3が 2.65g/cm となっており，ほぼ中砂で構成されした後 5 層に分け，所定の間隙比となるようにラた，純粋な砂であることがわかる．DL クレイはンマーによる打撃で作製されている．

34. 試験方法

土粒子密度 2.65g/cm ，ほぼシルトで構成された非塑性細粒分試料である．三本木原砂は，乾燥させ各試料ともに，2 種類の間隙比の異なる供試体た後 2mm ふるいを通過したものを試験試料としを用いて試験を行った．飽和三軸圧縮試験は，三ており，砂が大部分を占めているが，細粒分も軸試験装置に設置した供試体を，二重負圧法を用20%弱含まれており，広い粒径分布の試料となっいて飽和させた．p ' = (σ 1 + σ 2 + σ 3 ) / 3 は，50kPa，ている．

100kPa，200kPa の 3 ケースであり，バックプレッ-2-300

300(a)(a)s = 10kPa
s = 20kPa

s = 200 kPa

200s = 50 kPa

q=σ1-σ3 (kPa)

q=σ1-σ3 (kPa)s = 50 kPa
s = 200 kPa

s = 30 kPa

100saturated

0200

s = 30 kPa
saturated

100

s=suctions=suction

DL clay (loose)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=100kPa)

DL clay (dense)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=100kPa)

5100155-10-4s = 50 kPa

s = 200 kPa-20

s = 30 kPa

s =40kPa

s=suction-6
s = 200 kPa
s = 50 kPa-4-2

saturateds = 30 kPa

2saturated415

s =10kPa (b)s =20kPa

DL clay(dense)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=100kPa)-8s=suction

Volumetric strain, εv (%)

Volumetric strain, εv (%)-10(b)DL clay(loose)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=100kPa)-610

εs=2/3(ε1-ε3) (%)εs=2/3(ε1-ε3) (%)-8s = 40kPa

00

510150510

εs=2/3(ε1-ε3) (%)εs=2/3(ε1-ε3) (%)

図.5 ゆるい DL クレイの三軸圧縮挙動

図.6 密な DL クレイの三軸圧縮挙動

15(a) 応力-ひずみ関係(a)応力-ひずみ関係(b) 体積ひずみ-せん断ひずみ関係(b) 体積ひずみ-せん断ひずみ関係

シャー(B.P)は 200kPa 載荷した．軸ひずみ速度

ゆる詰め供試体は飽和試験では負のダイレイタ

0.04%/min，p’ 一定のもと，排水条件でせん断をンシーが発生し，不飽和試験では正のダイレイタ行った．

ンシーが生じている．また，サクションが大きい

不飽和砂の三軸圧縮試験に関しては， pnet がと膨張傾向を示す．

50kPa，100kPa，200kPa の各ケースで，サクショ

図.4 に，密詰め供試体の試験結果を示す．

ンをかけて供試体の不飽和化を行った．軸ひずみ

図.4(a)より，飽和・不飽和試験ともにピークが速度は 0.01%/mm，pnet = (σ 1 + σ 2 + σ 3 ) / 3 − ua 一

現 れた 後に軟 化傾 向を示 し， せん断 ひず みが定，排気排水(サクション一定)条件でせん断を行

ε s =10%程度で定常状態を示している．図.4(b)より，った．

飽和・不飽和試験ともにせん断開始直後より正の表.1 に豊浦砂の，表.2 に DL クレイの試験ケーダイレイタンシーが発生している．

スを示す．

5.2 DL クレイの試験結果

5. 試験結果

図.5 に，ゆる詰め供試体の試験結果を示す．

5.1 豊浦砂の試験結果

図.5(a)は，飽和試験はひずみ硬化型を示し，不図.3 に，ゆる詰め供試体の試験結果を示す．

飽和試験では，サクション 30kPa でははっきりと図.3(a)は，サクション 50kPa，200kPa では若干したピークを見ることができないが，サクションピークが見られるが、せん断ひずみが大きくなる

50kPa，200kPa でははっきりとしたピークが現れにつれて緩やかに強度軟化している．図.3(b)より，ている．ピークを迎えた後，大きく強度軟化し，

-3-

400

500300 s = suction

300

20050

100s = 200 kPa
c = 21.9 kPas = 50 kPa
c = 19.1 kPa

200s = 30 kPa
c = 15.9 kPa

100saturated
φ=33.9osuction= 10kPa,c=1.13kPa
suction= 50kPa,c=3.20kPasuction=200kPa,c=4.76kPa
150
200
250

1000(a)DL clay (loose)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=const)
q=σ1-σ3 (kPa)

q=σ1-σ3 (kPa)

400(a)

Toyoura sand (loose)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=const)

saturated
φ = 31.9o

0

50

100

p', pnet (kPa)
500(b)

Toyoura sand (dense)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=const)

200

50

100

150

250200(b)300s=200kPa
c=35.0kPa
s=50kPa
c=29.8kPa

s=30kPa
c=25.2kPa

s=40kPa
c=29.4kPa

s=20kPa
c=21.6kPa

200s=10kPa
c=12.1kPa

saturated
φ=40.0osuction= 10kPa,c=1.69kPa
suction= 50kPa,c=3.74kPa
suction=200kPa,c=6.15kPa

100200DL clay (dense)
Triaxial compression
CDtest (p', pnet =const)
s=suction

300

0400

q=σ 1-σ 3 (kPa)

q= σ1-σ3 (kPa)

400

150p', pnet (kPa)saturated

φ=43.9 o

100
50250

100

150

200p', p net (kPa)p', pnet (kPa)

図.7 豊浦砂の破壊線

図.8 DL クレイの破壊線(a) ゆる詰め供試体 (b)密詰め供試(a)ゆる詰め供試体 (b) 密詰め供試体

その後定常状態となっている．図.5(b)より，飽和

図.7 に豊浦砂の破壊線を示す．

試験では負のダイレイタンシーが発生し，不飽和図.7(a)のゆる詰めの破壊線を見ると，サクショ試験では正のダイレイタンシーが発生している．

ンが大きくなるにつれ粘着力が増加している．しまた，サクション 50kPa と 200kPa は同じようなかし，サクション 200kPa でも粘着力の増加は挙動を示している．

4.8kPa と小さい．サクション 10kPa では粘着力は図.6 に，密詰め供試体の試験結果を示す．

1.1kPa と小さく，サクションによる強度増加がほ

図.6(a)では，不飽和試験サクション 30kPa，とんど得られていない．

50kPa，200kPa に加えて，サクション 10kPa，20kPa，図.7(b)の密詰めの破壊線においても，サクショ40kPa の試験結果もプロットした．飽和試験より

ン 10kPa での粘着力は 1.7kPa と若干ゆる詰めより不飽和試験の方が，ピーク値が大きくなっている．

は大きいが，サクションによる強度増加は小さい．

また，サクションが大きいほど，ピーク値が大き密になるほど豊浦砂の破壊線の傾きは大きくなくなっていく．図.6 (b)より，サクションが大きくっているなるにつれて膨張傾向が強くなっていくが，サク6.2 DL クレイのせん断強度

ションが小さい場合，飽和試験と同じような曲線

図.8 に DL クレイの破壊線を示す．の傾向であることがわかる．

図.8(a)のゆる詰め供試体の破壊線では，飽和試

6. せん断強度

験と不飽和試験では約 15～20kPa の強度差があり，6.1 豊浦砂のせん断強度大きく強度が異なる．サクション 50kPa，200kPa-4-にはそれほど大きな強度差が見られない．そのた

図.12 に，粘着力と細粒分含有率の関係を示す．

め，サクション 50kPa でもサクション 200kPa と図.12 より，細粒分が多くなるほど，供試体密度同じ脱水効果が期待できるといえる．比較的粒径が大きくなるほど，粘着力が大きくなることがわがそろっているため，あるサクションになると急かる．

激に脱水され，その後のサクションによる差が生7.5 粘着力と飽和度の関係じないと考えられる．

図.13 に，粘着力と飽和度の関係を示す．全て

図.8(b)については，飽和試験と不飽和試験で約の試料が，図.2 水分特性曲線と似た傾向を示して12kPa～35kPa 程度の強度差がある．密になるほどいる．DL クレイでは，AEV 以降は飽和度が低下

DL クレイの破壊線の傾きは大きくなっている．

40７. 地盤強度指標(a)7.1 粘着力とサクション

1 130cohesion (kPa)

図.9(a)に豊浦砂，(b)に DL クレイ，(c)に三本木原砂の粘着力とサクションの関係を示す．どの試料，密度においても，サクションが大きければ粘着力も大きくなる傾向が見て取れる．また，DL

20

Toyoura sand (dense)

10Toyoura sand (loose)

AEV3kPa

クレイと三本木原砂では，空気侵入値 AEV までは，内部摩擦角φ に沿って粘着力が増加している．

05010011cohesion (kPa)30

気侵入値 AEV を求めれば，おおよその粘着力をDL clay (dense)

20DL clay (loose)

10推量することができる．

DL clay
Triaxial compression
CDtest (p', pnet=const)

AEV=25kPa

7.2 内部摩擦角と間隙比

050100150200250suction(kPa)

図.10 に，内部摩擦角と間隙比の関係を示す．

40tanφdense

すべての試料で，間隙比が小さいほど，内部摩擦tanφloose角が大きくなることがわかる．

1 1
Sanbongihara sand (dense)

30cohesion (kPa)

砂では，若干間隙比が大きくなると粘着力が小さ(b)tanφdenseに沿って粘着力が増加すると推察できる．よって，

図.11 に，粘着力と間隙比の関係を示す．豊浦

250

tanφloose

でも AEV 以下のサクションでは，内部摩擦角φ7.3 粘着力と間隙比

20040クション 3kPa で試験を行っていないが，豊浦砂三軸試験で内部摩擦角φ を求め，保水性試験で空150suction(kPa)

豊浦砂では，空気侵入値 AEV が 3kPa と低く，サ比較的短時間で試験を終えることのできる飽和

Toyoura sandTriaxial compression
CDtest (p', pnet=const)

tanφdense
tanφloose

くなっているが，その差は小さい．DL クレイで

20
Sanbongihara sand (loose)

10は，各サクションともほぼ同じ角度で，間隙比がSanbongihara sandTriaxial compression
CDtest (p', pnet=const)

AEV8kPa大きくなるにつれて粘着力が低下している．三本050

100

150200suction(kPa)

木原砂では，サクション 10kPa が，他のサクショ

図.9 粘着力とサクションの関係

ンに比べて，粘着力の低下が小さい．

(a) 豊浦砂，(b) DL クレイ，(c) 三本木原砂

7.4 粘着力と細粒分含有率の関係-5-2505050

Triaxial compression
CDtest (p', pnet=const)

Triaxial compression
CDtest (p', pnet=const)

cohesion (kPa)internal friction angle

DL clay

40

Sanbongihara sand

s=200kPa

30s=50kPa
s=30kPa

20s=100kPa
s=10kPa

Toyoura sand

35s=200kPa

Toyoura sand
Sanbongihara sandDL clay40

45s=50kPa
s=200kPa

10s=10kPa
s=50kPa

030
0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

10.50.6s = suction

0.7

void ratio

50

Triaxial compression
CDtest (p', pnet=const)
Toyoura sandDL clay
Sanbongihara sands = suction

Triaxial compression CDtest (p', pnet=const)

loose, dense
loose, dense
loose, dense

Toyoura sandDL clay

40 Sanbongihara

dense, s=200kPa

cohesion (kPa)cohesion (kPa)1

図.11 粘着力と間隙比の関係

50300.9void ratio

図.10 内部摩擦角と間隙比の関係

400.8dense, s=50kPa

2010loose, s=50kPaloose, s=200kPaloose,loose,loose,

dense
dense
dense

40603020dense, s=10kPa

10800loose, s=10kPa

0020

4060

1002080100

Degree of saturation, Sr (%)

finer grain content (%)

図.12 粘着力と細粒分含有率の関係

図.13 粘着力と飽和度の関係

しても，AEV 以前と比べると粘着力の増加か小さションが大きいほどダイレイタンシーが大きい．豊浦砂は，AEV が 3kPa と低く，粘着力の増い．

加自体が小さい．三本木原砂では，飽和度が低下

3) 密度が等しければ，飽和砂と同一サクションのするにしたがって AEV 以降も粘着力が増加して不飽和砂の内部摩擦角φ は，ほぼ平行となった．

いる．これは，豊浦砂，DL クレイは粒径が均一

4) 不飽和土において，細粒分が多く，密度が大きであることに比べ，三本木原砂は粒度が良いためく，サクションが大きくなるほど粘着力が増加だと考えられる．

した．

8. おわりに5) サクションが空気侵入値 AEV までは，飽和土1) 応力-ひずみ関係において，ゆるい砂，サクシの内部摩擦角φ に沿って粘着力が大きくなってョンが小さいほどピークが不明確である．また，いく．AEV 以降は，粒度が均一であれば粘着力密になるほど，サクションが大きいほどピークの増加は小さく，粒度が良ければ粘着力の増加が明確になり，後に強度が軟化傾向を示す．

は大きい．この粘着力の増加は，粒度や水分特

2) ゆるい砂の飽和試験では負のダイレイタンシ性曲線と似た傾向を示している．

ーが発生する．不飽和試験，密な砂では正のダ以上の結果を用いることにより，実施工の管理イレイタンシーが発生する．密な砂ほど，サク図等の作成が容易になることが期待できる．

-6-