(99)7

pH が異なる粘土の強度・変形特性
松下 英次（設計工学専攻）
鈴木 素之（社会建設工学科）
山本 哲朗（社会建設工学科）

Strength and deformation characteristics of clays
with different pHs
Eiji MATSUSHITA （Division of design Engineering）
Motoyuki SUZUKI（Department of civil engineering）
Tetsuro YAMAMOTO （Department of civil engineering）
In order to the clarify influence of a physico-chemical index, pH on the strength and deformation characteristics ofclay, standard consolidation and triaxial compression tests were performed on clay samples of which pH values wereartificially changed by adding sulfuric acid or sodium hydroxide solution. It was shown that the consolidation indexesof clay were dependent on the pH value and the mineral composition. Furthermore, the undrained shear behaviors ofclay notably changed by the pH value. Although the effective stress passes were affected by the pH value of clay
specimen before undrained shearing, they reached a same critical state line.

Key Words : pH, Clay, Strength and deformation characteristics, Soil structure, Standard consolidation
test, Triaxial compression test, Stress pass, Critical state line

１．はじめに子骨格の形成に及ぼす影響を明らかにすることは重要である．

土粒子の堆積環境の化学的条件や含有する粘土鉱物

本論文は，間隙水の化学的状態を表す pH に着目し，の種類によって土粒子表面の界面化学的作用が異なり， 硫酸および水酸化ナトリウムにより土の pH を人工的土粒子間にはそれに応じて異なる大きさの引力と斥力に変化させた含有粘土鉱物が異なる二種類の粘性土をが生じる．これらの引力および斥力の大小関係により，対象にして土の圧密および非排水せん断特性に及ぼす

土はランダム構造，綿毛構造，分散構造および配向構

pH の影響について実験的に検討したものである．

１）

造のいずれかの形態で存在している ．土粒子間に作用する引力には普遍的に働く比較的弱い力ではあるが， ２．土の pH が強度に与える影響に関する既往の土粒子表面からかなり離れたところまで作用するファ研究
ン・デル・ワールス力がある．その一方，斥力には土粒子表面に形成される拡散電気二重層に起因した電気本章では，土の pH と強度特性に関する研究のうち力があり，これはイオンの種類や濃度によって影響範で，代表的な研究成果の概要を述べるとともに，この

１）〜３）

囲を変化させるものである．これに関連して土分野における現状と課題を記述する．

粒子表面に帯電する電荷には，その周辺部の水素イオ

海外における土の化学的状態に着目した先駆的な研

ン濃度（水素イオン濃度指数：pH）によって生じる究がとして，Warkentin ら４） は土試料に含まれる陽イものがあり，これを pH 依存荷電２），３）という．これ

オンの種類と pH を変化させたモンモリロナイトおよ

は pH の値によって引力あるいは斥力となる．このこびカオリナイトに対して一面せん断試験を行っている．

とは吸着水を含めた土の間隙水の化学的性質によってその結果，土粒子構造は間隙水の化学的状態により綿土粒子間に働く力がその方向と大きさを変えうること

毛状態もしくは分散状態に変化し，それに応じて稼動を示唆している．特に上記の界面化学的作用が強くなされる一面せん断強度が変化すると考察している．まる粘土の強度と変形を考える際には，このような物

た，Torrance ら５）は塩酸を用いて pH を調整したラダ

理・化学現象を無視することはできず，これらが土粒

粘土の降伏応力を測定し，pH の値の減少に伴って降山口大学工学部研究報告

8 (100)
Table 1 Physical and chemical properties of soil samples
Kaolin clay
2.618
0.007
0.200
62.0
40.2
21.8
35.3
56.4
6.8

70

Annaka clay
2.400
0.004
0.032
375.7
34.5
341.2
59.7
100.0
10.6

(a) Kaolin cla y

wL

50
40
30

wP

20
10
0
1

IP
2

3

4

5

ら６）も Warkentin らと同様な実験を三軸圧縮試験を用

789 10 11 12

60 0

いて行ない，粘土の工学的性質は土粒子間の物理・化
50 0(b) Annaka c lay(pH)i =10.6

wL(%),wP(%),IP

学的相互作用により変化すると考察している．一方，我が国においても，村上ら７）が pH を調整した地すべ

40 0

り粘土に対する一面せん断試験結果から pH の減少に

wL

30 0

伴って土の残留強度は減少することを示している．また，亀井ら ８）〜１０）は土の酸性化が土の物理的性質や

20 0

静的強度・変形特性に大きな影響を及ぼすことを報告

IP
10 0

１１）

が自然状態で徐々に酸性化する土の pH，経過時間および一軸圧縮強度の0
1

三者の間に密接な関係にあることを，また山本ら１２）
〜１５）

6

pH

伏応力が減少することを示している．さらに，Olson

している．最近では，佐野ら(pH)i =6.8

60wL(%),wP(%),IP

Sampleρs (g/cm3)
D50 (mm)
Dmax (mm)wL (%)wP (%)
IP
Fclay (%)
Fc (%)(pH) i80

は土の繰返しせん断強度が pH の変化に伴う土の

wP
2

3

4

5

6 7
pH

8

9 10 11 12

Figs.1 Change of consistency with pH

骨格構造と密接な関係にあることを示している．
このように現状では，個々の土を対象にしたものや間隙水のイオンの種類と濃度を対象にして検討したも(2)試料の pH 調整方法のがほとんどであり，総括的な議論はされていない．

pH 調整薬品として（pH）i より酸性側に変化させる

今後の課題として土の化学的状態の変化と強度・変形

ときは硫酸，アルカリ性側に変化させるときは水酸化

特性の関係を定量的に評価することが重要である．

ナトリウムを用いる．以下に試料の pH 調整手順を示
す．①純水に pH 調整薬品を加え，所定の濃度に調整

３．試料および実験概要

した水溶液を作製する．②試料の含水比が（pH）i における液性限界の約 1.5〜2.0 倍となるように上記①の(1)試料の物理的および化学的性質

水溶液を加え攪拌してスラリー状にする。③スラリー

試料はカオリン粘土および安中粘土の 2 種類である． 試料を 1 日放置して，所定の pH になっていることを
Table 1 にこれら試料の物理的性質および化学的性質確認するため，pH メーターを用いて pH を測定する．

を示す．今回用いた試料の粒度は土粒子の分散性が良

このとき，pH の値が所定の pH に達していない場合

好でないため，レーザー回折粒度分布測定装置を用いには含水比を調整しながら pH 調整薬品を加えた水溶て求めている．カオリン粘土および安中粘土はともに液をさらに加えて pH の値を調整する．ここで，注意

CH に分類される．また，表中の記号のうち，Fclay は

すべきことは，pH を調整するとき，ある pH の値を

粘土含有量であり，(pH) i は試料調整前の初期の pH で超えると pH が急激に変化することである．このことある．カオリン粘土は(pH)i=6.8 であるのでほぼ中性，

は土の緩衝能が特異に変化する pH の識閾値の存在を

安中粘土は(pH)i=10.6 であるので強アルカリ性である．

示唆している．これにより，試料の pH が所定の pH

不定方位試料を用いた粉末 X 線回折試験結果によの値を超えた場合は（pH）i の試料を加えて pH を調ると，カオリン粘土の主要粘土鉱物がカオリナイトで整することにした．なお，（pH）i の試料を作製する場あることは無論のこと，安中粘土の主要粘土鉱物がス合は pH 調整薬品を加えた水溶液の代わりに純水を用メクタイトであり，両者ともにその他の鉱物として石いる．

英を含んでいることを確認している．
Vol.50 No.2（2000）

(101) 9
0.0 0

Change of void ratio ∆ e

Change of void ratio ∆ e

0.0

0.5
pH
2 .7
5 .8
6 .8
8 .4
10.7

1.0

1.5

(a ) K a olin c la y
2.0
0 .1

1

10

10 0

10 00

1.25

2 .50

3.75

pH
2 .7
9 .2
10.6
11.0
11.5

(b ) An n a ka c la y
5.0 0
0 .1

C on so lid a tion tim e t ( m in)

1

10

10 0

10 00

C on so lid a tion tim e t ( m in)

Figs.2 Change of void ratio with elapsed time of samples with different pHs(3)土のコンシステンシー特性に及ぼす pH の影響
１６）

松下ら

た後，直ちに軸ひずみ速度 0.1％/min で非排水条件のは pH の変化により土のコンシステンシ

下で軸ひずみ 15％まで圧縮した．非排水せん断前のー特性がその含有粘土鉱物の種類により特異に変化す

有効拘束圧はσ’30=49.0kPa，98.0kPa および 196.0kPa

ることを見出している． Figs ．1(a)および(b)にそれぞの 3 通りに設定した．なお，この試料でも，試験の前

れカオリン粘土および安中粘土の pH の変化に伴う液後で pH の値がほとんど変化しないことを確かめてい性限界，塑性限界および塑性指数の変化を示す．カオ

る．

リン粘土では pH の増加に対して液性限界，塑性限界
および塑性指数はいずれも (pH) i までいったん増加し４．pH が異なる土の一次元圧密特性

た後，減少する．安中粘土では pH の増加に対して液性限界，塑性限界および塑性指数はそれぞれ単調に増加する．なお，pH の変化により土粒子の密度や粒度
分布に大きな変化はみられない．

(1)間隙比の変化と pH の関係
Figs.2 (a)および(b)にそれぞれ pH が異なるカオリン
粘土および安中粘土の圧密応力 p=9.8kPa における間隙比の変化量Δe と経過時間 t の関係を示す。カオリ(4)標準圧密試験

ン粘土の間隙比の変化は，t=10 分程度までは pH の値

上記（2）で作製した pH が異なるスラリー試料を圧によらずほぼ同じ挙動を示すが，その後 pH の値によ

密リングにつめ，標準圧密試験を行った．両試料の pHって大きく異なる．安中粘土の間隙比の変化は t=100

は pH=2.7〜11.5 の範囲で 5 通りに変化させている．

分程度以降において pH の値によって大きく異なる．

ここで最も注意すべきこととして実験中の pH の値を

Figs.3 (a)および(b)にそれぞれ pH が異なるカオリン

一定に保つことである．空気中に含まれる CO2 ガスの粘土および安中粘土の間隙比 e と圧密応力 p の関係を

溶解により，試料の pH が所定の値から変化すること示す。図中に 5 通りに変化させた pH の値，初期含水が懸念される．そこで，実験終了後の試料に対して pH

比 w0，初期間隙比 e0 を示している．間隙比と対数表を測定し，pH の値に有意な変化はほとんどないこと

示の圧密応力の関係は正規圧密状態では直線関係となを確かめている．

ることが経験的に知られている １７）．カオリン粘土の場合，いずれの e〜logp 関係も直線関係となっている(5)圧密非排水三軸圧縮試験

が，pH の値によってその傾きすなわち圧縮指数 Cc は

標準圧密試験と同様に pH を調整したスラリー試料

異なっている．安中粘土の場合も，pH=2.7 を除いてを大型圧密装置につめて一次元的に圧密した．試料のほぼ直線関係が得られているが，pH の値によって圧pH は pH=3.9〜10.6 の範囲で 3 通りに変化させている．

縮指数は異なっている．

鉛直圧密応力 p は p=9.8→19.6→49.0→98.0kPa のよう

Figs.4(a)および(b)にそれぞれカオリン粘土および安に段階載荷し，第 1〜3 段階では 1 日間，第 4 段階で中粘土の圧縮指数 CC と pH の関係を示す。カオリン粘は最長 246 日，最短で 7 日間である．圧密の打ち切り

土の場合，圧縮指数は pH=2.7〜10.7 の範囲で pH の増の目安は 3t 法に基づいて決定した．このようにして加に対して直線的に減少している．一方，安中粘土の作製した予圧密試料から三軸圧縮試験に用いる供試体

場合，圧縮指数は pH=2.7〜11.5 の範囲で pH の増加にを切り出した．供試体寸法は直径約 5cm，高さ約 10cm

対して増加しているようである．このとき，圧縮指数である．飽和度を上げるためにバックプレッシャーをの値は 1.5〜4.0 程度と大きな値を示しており，膨張性負荷した供試体を等方応力によって正規圧密状態にし粘土鉱物であるスメクタイトを含む土は pH が高い領
山口大学工学部研究報告

10 (102)
3.0

10( a ) k a olin cla y

pH w 0 (%)
e0
2. 7 562.1 12. 992
9. 2 569.2 13. 497
10.6 584.9 13. 128
11.0 563.6 13. 752
11.5 563.0 12. 867

8

e

2.0

6

V oid rat io

V oid rat ioe2.5( b) Anna ka cla y

pH w 0 (%)
e0
2. 7 124.0 3. 155
5. 8 124.6 3. 123
6. 8 124.2 3. 071
8. 4 124.5 3. 175
10.7 124.8 3. 268

1.5

1.0

4

2

0.5

0.0 0
10

1

10

2

10

0 0
10

3

10

1

2

10

Con solid at ion pressure p (k Pa)

10

3

10

Con solid at ion pressure p (k Pa)

Figs.3 Relation between void ratio and consolidation pressure of samples with different pHs
5(a ) Ka olin clay

Compression index CC

Compression index CC

1.0

0.8
(pH)i = 6.8
0.6
0.4

0.2

(b) Annaka clay
43(pH)i =10.6
2
1

0.0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH

Figs.4 Change of compression index with pH
域すなわち強アルカリ性領域ではかなり高い圧縮性をの増加に対して減少傾向にある．一方，安中粘土の圧有していることがわかる．

密係数は pH の増加に対して(pH) i 付近まで減少しているが，その後増加に転じている．

(2)圧密係数，体積圧縮係数および透水係数

Figs.7(a)および(b)にそれぞれ pH が異なるカオリン

Figs.5(a)および(b)にそれぞれ pH の異なるカオリン−

粘土および安中粘土の圧密係数 cv と平均圧密応力 pの関係を示す。カオリン粘土の場合，圧密係数は対数表−

示のpの増加に対して増加しているが，pH の値によってその度合いは異なる．正規圧密粘土の圧密係数は対数表示の平均圧密応力に対してほぼ一定か若干増加し−ていることが知られている１７）．今回得られた cv〜p関
係はこの結果と一致している．一方，安中粘土の場合，粘土および安中粘土の体積圧縮係数 mv と平均圧密応力の関係を示す。カオリン粘土の体積圧縮係数は平均
圧密応力の増加とともに減少しており，通常の正規圧
密粘土でみられる傾向と一致している１７）．いずれの−−mv〜p曲線もp=10kPa 程度以上の領域では pH の値によって大きな差異はみられない．安中粘土の体積圧縮係数も平均圧密応力の増加とともに減少しているが，pH−

圧密係数はカオリン粘土と逆の傾向を示しており，の値による mv〜p曲線はカオリン粘土の場合とは異なり，pH の値によって差異がみられる．

pH=2.7 では他の pH に比べて圧密係数はかなり大きなFigs.8(a)および(b)は Figs.7(a)および(b)のデータを平値を示している．
Figs.6(a)および(b)は Figs.5(a)および(b)のデータを平均圧密圧力ごとに圧密係数と pH の関係で再整理したものであり，それぞれカオリン粘土および安中粘土に分けて表示している．カオリン粘土の圧密係数は pH
Vol.50 No.2（2000）

均圧密圧力ごとに体積圧縮係数と pH の関係で再整理−したものである．カオリン粘土の体積圧縮係数は， p=4.9kPa の場合には pH の増加に対して直線的に増加−しているが，p=55.5kPa および 887.0kPa の場合にはほぼ一定の値を示している．一方，安中粘土の体積圧縮

cv (cm /day)10

10

Coeffidient of consolidation

10
10
10

2

1
0

1

2

10
10
10
−
M e a n c on so lida tion pr e ss ur e p ( k Pa )3( b) Anna ka cl ay
3

2

1

pH
2.7
9.2
10.6
11.0
11.5

-1

10
-2

10
10

0

−

p=887. 0 kP a−

p= 55.5 kP a

10

2
−

p= 4.9 kPa(pH)i =6.8

( a ) Ka olin c la y
101

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH

4

1

Coeffidient of consolidation

pH
2. 7
5. 8
6. 8
8. 4
10.7

3

10

4

10

2

10

2

cv (cm /day)

10( a ) Ka olin c la y

3

1

2

10
10
10
−
M e a n c on so lida tion pr e ss ur e p ( k Pa )3

Figs.5 Relation between coefficient of consolidation andconsolidation pressure of samples with different pHs−

係数は，pH の増加に対して，p=4.9kPa の場合には減−Coeffidient of consolidation

102

cv (cm /day)

Coeffidient of consolidation2

cv (cm /day)(103) 11(b) An naka cla y310−p= 4.9 kP a

2

10

−

p= 55.5 k Pa

1

10
1

−

p= 887.0 kP a

10
10

-1

-2

(pH)i =10.6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH

Figs.6 Relation between coefficient of consolidation andpH
カオリン粘土の場合，間隙比は等方圧密前では(pH)i で少し，p=55.5kPa および 887.0kPa の場合には増加する傾向にある．

最大となるが，等方圧密後では等方圧密応力の値によらず(pH)i 付近で最小となっている．一方，安中粘土の次に，透水係数 k と pH の関係について考察する．

場合，間隙比は等方圧密の前後によらず pH の増加に

透水係数は圧密係数 cv，体積圧縮係数 mv および水の対して増加している．このことは等方圧密後の土粒子

単位体積重量γw から算出されるものである．以上のの構造も試料調整時における pH の値換言すれば間隙結果に基づけば，カオリン粘土の場合には p=9.8kPa

水の化学的状態によって大きく異なることを示唆する．

の場合を除いて体積圧縮係数は pH の変化に対してほぼ一定であるから，透水係数と pH の関係は圧密係数(2)軸差応力および過剰間隙水圧と軸ひずみの関係とほぼ同じ傾向を示す．一方，安中粘土の場合には pH

Figs.10〜13 に等方圧密過程に引続く非排水せん断の変化に対して圧密係数，体積圧縮係数はともに特異試験の結果を示す．Figs.10(a)〜(b)および Figs.11(a)〜な変化をするため，透水係数と pH の関係は複雑なも(b)はそれぞれ pH が異なるカオリン粘土および安中粘のになると考えられる．

土の軸差応力(σ1−σ3)および過剰間隙水圧Δu と軸ひずみεの関係を初期有効拘束圧σ’30 ごとに示している．

５．pH が異なる土の非排水せん断特性

カオリン粘土の場合，pH の値が大きいほど最大軸差応力は大きくなっており，(σ1−σ3)〜ε関係は pH の(1)等方圧密過程における間隙比の変化と pH の関係

大きさの順に並んでいる．このときの過剰間隙水圧とFigs.9(a)および(b)にそれぞれ pH が異なるカオリン

軸ひずみの関係をみると，σ’30=196kPa の場合を除い

粘土および安中粘土の等方圧密過程での間隙比の変化て pH の値により大きな差異はみられない．一方，安を示す．図中の ei は等方圧密前の間隙比，e49，e98 およ

中粘土の場合には，カオリン粘土とは全く逆の傾向をび e196 は等方圧密後の間隙比を示しており，下付きの示し，pH の値が大きいほど最大軸差応力は小さくな

49，98 および 196 は等方圧密応力σ3 の大きさを示す．

っている．このときの過剰間隙水圧と軸ひずみの関係
山口大学工学部研究報告

pH
2. 7
5. 8
6. 8
8. 4
10.7

-3

10

10

-4

-5
0

1

2

10
10
10
−
M e a n c on so lida tio n pr e ss ur e p (k Pa )

3

-2

10
(b) Annaka cla y
pH
2. 7
9. 2
10.6
11.0
11.5

-3

10

-4

10

10

-5

10

Figs.7

0

1

2

10
10
10
−
M e a n c on so lida tio n pr e ss ur e p (k Pa )10-1( a ) Ka o lin cla y(pH)i =6.8

10

−

-2

p= 4.9 kPa−

p= 55.5 k Pa

10

-3

−

p= 887.0 kPa-4

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12pH

mv (1/kPa)

10

Coefficient of volume compressibility(a ) Ka o lin c la y10

Coefficient of volume compressibility mv (1/kPa)

mv (1/kPa)-2

10

Coefficient of volume compressibility

Coefficient of volume compressibility mv (1/kPa)

12 (104)

3

Relation between coefficient of volume
compressibility and consolidation pressure ofsamples with diffrernt pHs

10

-1

−

p= 4.9 kPa

10(pH) i =10.6-2−

p= 55.5 kP a

10

-3
−

p= 887.0 kP a(b) An naka cla y-4

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
pH

Figs.82.0

Relation between coefficientcompressibility and pHofvolume6ei(a) Ka ol in cl ay

e4 9(b) Annaka clay

e 1 96

e 98

5

e
e4 9

Void ratio

Void ratio

e

ei

e9 8

1.5

4

3

e 19 6

2

1.0

1
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12

1

2

3

4

5

pH

Figs.9 Change of void ratio with pH under isotropic consolidation

Vol.50 No.2（2000）

6
pH

7

8

9

10

11 12

(105) 13200(a) Kaolin clay

∆u

150

(σ1 -σ3 ) ( kP a )(σ1 -σ 3) ( k Pa )(σ 1-σ 3)

50

0

5

10
Axial Strain

ε (%)

100

(σ 1-σ 3)

100

50

200

200

(b) Annaka clay

pH
3.9
6.8
8.6
3.9
6.8
8.6

(σ 1-σ 3)∆u150( σ1- σ3) ( kP a )

150

100

200

σ '30=98.0 kPa

50

0

5

10
Axial Strain

50(σ 1-σ 3)100∆uσ'30=98.0 kPa

50

5

10

50
∆u (k P a )∆u ( kP a )Axial Strai n
100

150

200

200

(c) Kaolin cl ay

200

σ'30 =196.0 kPa(c) Annaka clay

100

50

0

5

10
Axial Strain

50

510 Strai n
Axial

ε (%)1550

100(σ -σ )
1

3

150
∆u

pH
3.9
6.8
8.6
3.9
6.8
8.6

Figs.10 Relation between axial strain and deviator stressor pore water pressure for kaolin clay withdifferent pHs∆u (k P a )∆u ( kP a )σ'30= 196.0 kPa

100

0

15
ε (%)

50

200

ε (%)

150

( σ1- σ3) ( kP a )(σ1 -σ 3) ( k Pa )

150

15

100

150

200

15
ε (%)

pH
3.9
7.4
10. 6
3.9
7.4
10.6

0

15
ε (%)

10
Axi al St rain

100

150

(b) Kaolin clay

5

50

150

200

∆u

σ '30=49.0 kPa

pH
3. 9
7. 4
10. 6
3. 9
7. 4
10. 6

0

15

∆u ( kP a )∆u ( kP a )50(σ1 -σ 3) ( k Pa )(a) Annaka clay

pH
3.9
6.8
8.6
3.9
6.8
8.6

150

100

200

σ'3 0=49.0 kPa

100

150

(σ 1-σ 3)
∆u

200

pH
3.9
7.4
10.6
3.9
7.4
10.6

Figs.11 Relation between axial strain and deviator stressor pore water pressure for Annaka clay withdifferent pHs
山口大学工学部研究報告14 (106)
1.50

1.50
(b) Annaka clay σ'3 0=98kPa
pH= 7.4(a) Kaolin clay σ'3 0=98kPa
1.25

1.00

P or e p r es su re co ef fie nt A

P or e p r es su re co ef fie nt A

1.25

pH=3.9pH=6.80.75

0.50

pH=8.60.25

pH=3.91.00

0.75
pH=10.6
0.50

0.25

0.00

0.00
0

5
Axial Strain

10
ε (%)

15

0

5
Axial Strain

10
ε (%)

15

Figs.12 Relation between Axial strain and pore pressure coefficient for σ’30=98.0kPa
250250(a) Kaolin clay(b) Annaka clay
Μ =1.24
200

pH
3.9
6.8
8.6

Pr in ci pa l st re ss dif fe re nc e q ( kP a )P r in cip a l st re ss dif fe r en ce q ( kP a )

200

1

150

100

50

0
0

50

100

150

200

pH
3.9
7.4
10.6

150

1

50

0
0

250

Μ= 0.64

100

Mean effect ive pres sure p' (kPa)

50

100

150

200

250

Mean effective pres sure p' (kPa)

Figs.13 Relation between principal stress difference and mean effective pressure of samples with different pHs
も pH の値により大きく異なる．

(3)有効応力経路と限界状態線

過剰間隙水圧の挙動に及ぼす pH の影響をさらに詳

Figs.13(a)および(b)にはそれぞれ pH が異なるカオリ

しく検討するために，Figs.12(a)および(b)にはそれぞ

ン粘土および安中粘土の p’-q 面の有効応力経路を示し

れ pH が異なるカオリン粘土および安中粘土の間隙圧ている．ここで用いる応力パラメータは次式（１）お係数 A 値と軸ひずみの関係を示す．正規圧密粘土やよび（２）である．

軽い過圧密粘土の A 値は１/3 より大きくなり，破壊に近づくにつれて 1 に近くなることが知られている．
カオリン粘土および安中粘土の A 値の挙動もこれと同様である．カオリン粘土の場合，pH が小さいほどp' =σ '1 +2σ ' 3
3q = σ1 −σ3

（１）
（２）

A 値の最大値は大きくなっている．一方，安中粘土のカオリン粘土の場合，pH の値により有効応力経路

場合，pH=7.4 で最も大きく，pH=10.6，3.9 の順で小は異なる．このことは非排水せん断挙動が間隙水の化

さくなっている．σ’30=49kPa および 196kPa の場合も学的性質に起因する土粒子の構造の影響を受けている

ほぼ同様の傾向を示している．以上より，過剰間隙水ものと考えられる．しかし，最終的に同一の限界状態

圧の挙動は等方圧密終了後の土粒子の骨格構造に多少線に達している．図中の限界状態線は次のような式なりとも影響を受けることが考えられる．

（３）および（４）を用いて表現できる．

Vol.50 No.2（2000）

(107) 15
q = Μ ⋅ p'（３）

6 sin φ'Μ=
3 − sin φ'（４）

カオリン粘土の場合には，限界状態線の傾きはΜ
=1.24 となり，式（４）より有効応力に関する内部摩擦角はφ’=30.9°である．一方，安中粘土の場合には

技報堂出版，1987.
3)岩田進午，喜田大三監修：土の環境圏，(株)フジ･テクノ
システム，1997.
4)Warkentin B.P. and.Yong R.N：Shear strength of Montmorillonite
and Kaolinite Related to Interparticle Forces，Clay and Clay
Minerals，Vol.9，pp.210〜218，1962.
5)Torrance, J.K. and Pirnat, M.: Effect of pH on the Rheology ofpH の変化によって p’-q 面の応力経路は異なる．さら

Marine Clay form the Site of the South Nation River , Canada,に，限界状態線は pH によって異なり，再構成されたLandslide of 1971, Clays and Clay Minerals, Vol.32, No.5,

正規圧密粘土にもかかわらず pH=3.9 の場合を除いて原点を通らないことがわかる．安中粘土の pH=3.9 にpp.384〜390, 1984.
6)Olson,R.E. ： Shearing Strengths of Kaolinite, Illite, andおける限界状態線の傾きはΜ=0.64 となり，φ’=16.8°

Montmorillonite, Journal of the Geotechnical Engineeringである．このことは，安中粘土の主要粘土鉱物である

Division, ASCE, Vol.100, No.GT11, pp.1215〜1229,1974.

スメクタイトが土粒子の層間に水分子を取り込む性質を有しており，Fig.1(b)および Fig.9(b)で示したように，
pH の高い領域ではその性質が顕著に現れて高い間隙比を有したことによると考えられる．
以上の結果を総括すると，pH の値によって粘土の強度・変形特性は大きく変化し，その度合いは土の種類によって異なるものといえる．これらの原因の一つとして物理化学現象が圧密過程で形成される土粒子の骨格構造を著しく変化させたものと推測できる．

６．結論
本研究から得られた結論は以下のとおりである．
1)圧縮指数は土の種類により pH の増加に対して減少するものと増加するものがある．
2)圧密係数は土の種類により pH の増加に対して減少するものといったん減少した後，増加に転じるものがある．
3)体積圧縮係数は土の種類と平均圧密応力の大きさにより pH の増加に対して増加，減少および不変のものがある．
4)一次元圧密および等方圧密による間隙比の変化はともに pH の値によって大きく異なる．
5)最大軸差応力は pH の増加に対して増加するものと減少するものがある．
6)間隙圧係数 A 値は pH の増加に対して減少するものといったん減少した後，増加するものがある．
7)p’-q 面の有効応力経路は pH の値によって異なるものの，最終的に同じ限界状態線に達する．

7)村上幸利，土倉 泰，鈴木史浩：地すべり粘土の水素イオ
ン濃度と残留強度の関係把握に関する基礎的研究，土木学会大 48 回年次学術講演会，pp.956〜957，1993.
8)亀井健史，佐野博昭：ベントナイトの工学的特性に及ぼす水素イオン濃度指数の影響，地すべり，第 30 巻，第 2 号，pp.30〜40，1993.
9)亀井健史，佐野博昭：水素イオン濃度指数の違いがベント
ナイトのせん断特性に及ぼす影響，地すべり，第 31 巻，
第 3 号，pp.37〜42，1994.
10)亀井健史，佐野博昭：粘性土の強度・変形特性に及ぼす酸性化の影響，土木学会論文集，No.517，Ⅲ-31，pp.189〜196，1995.
11)佐野博昭，山田幹雄，太田 実，能澤真周：酸性移行を呈する土の強度，変形特性に関する研究，土木学会論文集，No.575，Ⅲ-40，pp.159〜167，1997.
12)山本哲朗，大原資生，山内智也，畑岡直樹 ：間隙水の水
素イオン濃度指数が砂質土の液状化に及ぼす影響，第 30回土質工学研究発表会発表講演集，pp.1037-1038，1995.
13)山本哲朗，畑岡直樹，真鍋 浩：水素イオン濃度指数の
宇部岬粘性土の繰返しせん断強度に及ぼす影響，第 31 回
地盤工学研究発表会発表講演集，pp.1323-1324，1996.
14)山本哲朗，畑岡直樹，松下英次：庄原粘土の繰返しせん
断強度に及ぼす水素イオン濃度指数の影響，第 32 回地盤工学研究発表会発表講演集，pp.827-828，1997.
15)松下英次，山本哲朗，岩井 勝：安中ベントナイトの繰
返しせん断強度に及ぼす pH の影響，第 33 回地盤工学研究発表会発表講演集，pp.791-792，1998.
16)松下英次，山本哲朗，鈴木素之：土のコンシステンシーに及ぼす pH の影響，土木学会論文集，No.617/Ⅲ-46 ，pp.283-297，1999.

参考文献
1)土壌物理研究会編：土の物理学−土質工学の基礎−，森北
出版，1979.
2)日本粘土学会編：粘土ハンドブック第二版，日本粘土学会，

17)地盤工学会編：土質試験から学ぶ土と地盤の力学入門，地盤工学会，1995.

（平成 11 年 11 月 30 日受理）
山口大学工学部研究報告