現行試験法の範囲で可能な試験法

２.２.１

Test method possible within scope of current test method
久保裕一*，三上武子**，山田眞一***
Yuichi KUBO, Takeko MIKAMI and Shinichi YAMADA
変形特性を求めるための繰返し試験は，試験法の中でいくつかの異なる試験方法が許容されているため，異なる試験条件が試験結果に影響を及ぼさないのか検討した。検証内容は，載荷中の排水条件，制御方法，載荷方法，試験方法，載荷周波数，データ整理方法，繰返し回数である。この結果，載荷中の排水条件の違いにより，せん断剛性率では差がないものの，ひずみの大きい領域での履歴減衰率が異なった。載荷方法の違いでは，ステージ載荷の方が過剰間隙水圧の影響により，フレッシュ載荷よりせん断剛性が大きくなった。さらに，試験方法の違いでは，ねじりせん断試験の方がひずみの小さい領域でせん断剛性が大きくなった。また，最終的な結論に至らなかった制御方法と，載荷周波数についても，異なる結果がでる可能性が高いことを示した。
キーワード：大ひずみ，繰返しせん断試験，繰返し変形特性
Large Strain, Cyclic share test, Cyclic deformation properties

1. はじめに排水条件である。三軸圧縮試験では，排水条件が異なる

現在の試験法では，変形特性を求めるための繰返し試

CD 試験と CU 試験では結果が大きく異なることが知ら験は，繰返し三軸試験と繰返しねじりせん断試験の 2 種れているが，繰返しせん断試験は排水と非排水のどちら類が地盤工学会で基準化されている。この 2 種類の試験で試験を実施してもよいことになっている。排水条件では，小さいひずみレベルにおける繰返し載荷のもとでの試験を実施した場合，繰返し載荷中に発生する過剰間隙地盤の変形特性を求めることで，目的は同じであるが，水圧は瞬時に消散し，非排水条件で実施した場合は，ス試験に使用される供試体の違いや，作用する応力方向のテージ中の過剰間隙水圧は消散しない。ただし，繰返し違いにより，試験方法が大きく異なっている。そして，せん断試験では，ステージ終了後には必ず排水状態にしさらに試験法を詳細に見ていくと，繰返し三軸試験，繰て過剰間隙水圧を消散することになっているため，いず返しねじりせん断試験，それぞれの試験法の中で制御方れにせよ，ステージ終了後は必ず過剰間隙水圧は消散さ

法や排水条件など，いくつかの異なる試験方法が認められる。図-1 は繰返し中空せん断試験での排水試験と非排れている。これらの異なる試験方法で実施された試験結水試験を比較した試験結果を示したものである 1)。この果は全て同じになるとは考えにくく，異なる試験値が出

図での逆載荷とは，通常三軸試験では圧縮側から載荷をる可能性があるのではないだろうか。そこで，これらの開始するが，これを伸張側から載荷を始めたという意味

試験法で認められている異なる試験条件をいくつか取りである。

上げ，これらの条件の違いが結果にどのように影響する

1.0

載荷中の排水条件

2.

制御方法

3.

載荷方法

4.

試験方法

5.

載荷周波数

6.

データ整理方法

7.

繰返し回数

豊浦砂N=100.30.2
排水（ν=0.5 を仮定）
非排水
非排水（逆載荷）0.50.1減衰定数比 h1.

せん断剛性比 G/G 0のか検討した。

σ'0=196kPa

σ 0' =19.6kPa010-6

σ'0=196kPa
10-510-410-3010-2

せん断ひずみ γ

図-1

排水試験と非排水試験の違い 1)

2. 載荷中の排水条件試験法の中で許容されている異なる試験のひとつが，図から，せん断剛性では，若干の違いはあるものの特*

中部土質試験協同組合

Chubu Soil Test Corporation**

応用地質株式会社

OYO Corporation***

基礎地盤コンサルタンツ株式会社

Kiso-jiban Consultants Co.Ltd

に大きなものではない。これに対し，履歴減衰率では，このため，ひずみ制御方式が可能な試験機関は少ないのひずみの小さい領域ではほとんど差は見られないものの，が現状である。

ひずみの大きい 10-3 付近では排水条件の方が非排水条件より履歴減衰率が大きくなっている。これは，非排水条4. 載荷方法（ステージテストとフレッシュテスト）件で発生する繰返し載荷中の過剰間隙水圧が原因と考え

ステージテストとは，せん断応力振幅を小さい方からられる。
せん断応力 τ (kPa)

80
排水条件
10-80

図-223-0.01

00.01
せん断ひずみ γ

せん断応力 τ (kPa)

ステージごとに振幅を大きくしていくような試験方法をいい，フレッシュテストは常に新しい試料を用意する方80
非排水条件法をいう。このように，ステージテストとフレッシュテ
0-80-0.1

ストは試験方法が全く異なる。フレッシュテストの例としては，液状化強度試験がこれにあたる。
-0.05
00.05
せん断ひずみ γ0.1

排水・非排水条件下におけるせん断応力-せん断ひずみ関係 2)

ステージテストは，ひとつの試料でひずみの小さい領域から，大きな領域までを計測することが可能であるので，実務では大変便利な試験法である。しかし，ステージテストは繰返し載荷中に発生した過剰間隙水圧をステく異なっており，応力状態をみるとよくわかる。図-2 はージごとに排水しているため，ステージを繰返すごとに試料が密実化していくという欠点がある。

排水条件と非排水条件の応力-ひずみ関係を示した図でるため，密な状態になり硬化現象をおこしている。これに対し，非排水条件では繰返すたびに過剰間隙水圧の発生により劣化現象をおこしている。このことから，排水条件が異なることにより，試験結果が異なると考えられる。

1000

せん断剛性 G (Mpa)あるが2)，排水条件では載荷を繰返していくたび排水す

フレッシュ
ステージ

6040200.130.001

験方法である。これに対して，ひずみ制御方式は一定ひずみ振幅により軸ひずみを加えるものである。実務では，
土の繰返し非排水三軸試験（液状化強度試験）と同じ試

豊浦砂
100.890.010.1
せん断ひずみ γ (%)

1010

フレッシュテストとステージテストの比較 3)
せん断応力比 σd/(2σ'm0)

式の 2 種類が試験法で認められている。ここで，応力制御方式とは，一定振幅で対称な繰返し軸荷重を加える試

40200.200.540.80.5

繰返しせん断試験では，応力制御方式とひずみ制御方

50300.1

数値は 10 サイ
クル時の過剰間隙水圧比3. 制御方法1%
γSA=0.1%

0.40.3γSA=0.5%

0.5%
1%5%

0.2
液状化強度試験繰返しせん断特性試験

0.10.01

験機を使うことが多いため，一般的に応力制御方式で試験を行うことが多い。応力制御とひずみ制御の違いは，0.020.05

0.15

00.0001

図-3Dr=50%
σ'0=98kPa
非排水0.01080

減衰定数 h (%)

なお，これらの排水条件と非排水条件では，挙動が全図-410
繰返し数 N100

液状化試験と繰返しせん断試験の比較 4)

研究事例が少なく試験結果の違いについて直接比較することが難しいため，ここでは応力制御とひずみ制御の特徴や問題点にふれる。

図-3 はステージテストとフレッシュテストを比較した例である 3)。図中の数字は 10 サイクル時の過剰間隙水圧応力制御方式は，先に述べたように荷重によりひずみ比を表している。図から，ステージテストとフレッシュを変化させていく方法で，試験法ではステージごとのひテストともに，減衰定数ではどちらもほとんど差がないずみ増加は 2 倍程度としている。しかし，荷重によるひことがわかる。しかし，せん断剛性では，せん断ひずみずみの増加量は，ある程度経験がないと予測は難しく，が 0.01%付近からステージテストの方がフレッシュテス

試験者により繰返すステージ回数に違いがでる。また，

トより上に位置している。これは，過剰間隙水圧比の上過剰間隙水圧の上昇が著しいせん断ひずみ 10-3 付近では，昇と同期していることから，ステージテストではステー繰返すたびにひずみが大きくなり，測定間隔が液状化にジ間で排水される過剰間隙水圧の消散により，試料が密より大きく離れてしまう。これらの現象が応力制御方式

実化し剛性が高まったと考えられる。の欠点である。

この現象が表れている例を示す。図-4 は繰返しせん断

一方，ひずみ制御方式では，ひずみ増加を直接設定す試験と液状化試験の結果を重ね合わせ，せん断ひずみ（片ることができるため，測定間隔を一定にすることが可能振幅）に対する等値線として表したものである 4)。このである。このため，試験者による測定間隔のバラツキを図から，同じ繰返し数，せん断ひずみの応力をみると，なくすことが出来る。しかし，先に述べたようにひずみ液状化試験より繰返しせん断試験結果の方が大きくなっ制御方式は液状化試験機と併用の場合，荷重制御方式かている。このことからも，繰返しせん断試験はステージら変位制御方式への切替え装置などの増設が必要となる。

ごとの排水の影響により，フレッシュテストの液状化試

験と結果が異なることがわかる。

図-6 は粘性土のせん断剛性の周波数依存性を示したも

繰返し三軸試験とねじりせん断試験は，どちらも G-γ関係を求める試験として利用されている。繰返し三軸試
験方法も大きく異なるにもかかわらず，実務ではこれらから求められた G-γ 関係は同じように扱われている。そもそも，繰返し三軸から計測されているひずみは軸ひず500みであり，せん断ひずみではないので，求められるものは等価ヤング率と履歴減衰率である。これをポアソン比

図-60.050.060.070.06

不撹乱沖積粘土験とねじりせん断試験では，使用される供試体の形も試100

せん断ひずみ振幅 (%)

不撹乱洪積粘土5. 試験方法（繰返し三軸とねじりせん断）

せん断弾性定数 Gm ax （MN/m 2）のである 6)。（図は振動数と表記）

0.010.025
0.040.02

0.01

0.11.0振動数 (Hz)10

せん断剛性の周波数依存性 6)

0.5 と仮定し，G-γ 関係として表している場合が多い。
図-5 は繰返し三軸試験とねじりせん断試験での，等方圧密された供試体の結果を比較したものである5)。ただ広範囲の周波数にわたって実験がされており，周波数による依存性がないことの根拠となっているようである。

し，繰返し三軸試験とねじりせん断試験は，最大せん断

しかし，これはひずみの小さい領域であり，数%の大きい応力方向などいくつかの異なる要因があるが，ここではひずみはどうなるのかはこの図からはわからない。また，単純に試験結果のみを比較した。

ひずみ速度で考えた場合，局部的に非常に早くなる可能

図から，せん断剛性率ではひずみの小さい領域でねじ性がある。ひずみ速度依存性はコンクリートやその他のりせん断試験の方が高い値となっているが，ひずみが大構造材料にも一般的に見られる現象であり，土のみが例きくなるごとにその差は小さくなっているように見える。

外とは考えにくいのではないだろうか。

履歴減衰率では，ひずみの小さい領域でねじりせん断の方が小さい値となっているが，ひずみが大きくなるごと

7. データ整理方法-3 付近では繰返繰返しせん断試験の試験結果は，通常せん断ひずみがし三軸試験より，ねじりせん断試験の方が大きくなって

10-3 付近より少し大きいひずみで試験が終了しているこいる。一般的に，ねじりせん断試験の方が実地盤に近いとが多い。これは，制御方法でも述べたように繰返すた状態を再現しているが，試験機械の構造が複雑で試験費びにひずみが大きくなり，これ以上試験を続けることが用が高いことや，試料整形が複雑で試料を乱してしまう不可能になるためである。しかし，1%をこえるような大可能性が高いなどの問題点もある。

きなひずみまで計測されているデータも見ることがある。

150

豊浦砂
空中落下法
非排水載荷試験

σ'c=98kN/m2
Dr=80%, e=0.688
繰返し載荷 10 回目か注意する必要がある。
0.3

1000.250：繰返しねじりせん断試験：繰返し三軸試験

この様な場合は，データが外挿されている可能性がない

0.4

履歴減衰率 h

等価せん断剛性率 Geq（MN/m2）にその差は小さくなり，せん断ひずみ 100.1

データの外挿は G-γ 関係のグラフを延長して点を補間されている場合が多いと考えられ，補間された点は G-γ関係のグラフを見ているかぎり特に問題はないように見える。だが，これらの点を応力-ひずみ関係で表すと異常な点として気づく場合がある。これは，繰返しせん断試

0 -610図-510-510-410-3
片振幅せん断ひずみ γSA

010-2

繰返し三軸試験と繰返しねじり試験の比較 5)

験ではせん断応力を大きくしながら試験を繰返すので，せん断応力が前の点より大きくなるはずであるが，補間が間違っている場合，前の点より小さくなっていることがある。この様な場合，データの補間がされている可能

6. 載荷周波数性が高い。大ひずみ領域では，G の値は絶対値として小現在の試験法では，載荷周波数は繰返し三軸試験，ねさいので，実際にかなり大きい誤差があっても図では目

じりせん断試験共に，0.05～1.0Hz 間の試験が認められて立たないので注意が必要である。このような処理が常にいる。0.05～1.0Hz では 20 倍もの差がり，実に許容範囲おこなわれているわけではないが，あまりに大きなひずが広い。実務では，通常 0.1Hz～0.2Hz 程度で実施されてみ領域までデータがある場合は留意する必要がある。

いる試験データを見ることが多い。この理由は，周波数が遅い方が供試体から得られる信号を正確に受信することが可能になるため，試験精度は高い。しかし，試験時

8. 繰返し回数
ここでは二つの観点から繰返し回数の影響を検討する。

間が長くなる。逆に，周波数が早いと試験は早く終了す

現在の繰返しせん断試験では，同一の繰返し応力（あるるが，試験精度が悪くなる。これら両方のバランスが良いはひずみ）を 11 サイクル載荷し，必要に応じて 2～10いのが 0.1Hz～0.2Hz 程度の周波数なので，実務で多く使サイクルの範囲での結果を報告することとしている。実用されている。

務では，10 サイクル目のせん断剛性と履歴減衰率を報告している。図-7 は，1,2,10 サイクル目のせん断剛性と履数による影響である。図-9 には単調載荷試験と繰返し載7)，図中の数字は各ステージで荷試験の G-γ 関係から求めた応力-ひずみ関係 9)が比較さ発生した過剰間隙水圧比を表している。この図からわかれている。この図より，繰返し載荷試験は単調載荷試験-4 付近からより大きな応力になっている。これは，ステージ終了後歴減衰率を示したものでるように，過剰間隙水圧が発生しはじめる 10

サイクル数が多くなるごとにせん断剛性や履歴減衰率がの過剰間隙水圧の消散による材料の密実化の影響である。

変化するようになる。この現象はせん断剛性率ではさほ

この現象は，ステージ数が試験者により異なる応力制御ど大きくないものの，履歴減衰率ではひずみが大きくなの場合，ステージ数が多いほど密実化の影響が大きくなるごとに変化が大きくなる。このことは，過剰間隙水圧るので注意が必要である。

-4 程度のひずみレベルでは，測定点の数の発生のない 10が試験者によって変化しても結果大きく変化しないが，これ以降の大きいひずみレベルでは測定数により結果に0.01

100010-6

図-710-5300.040.070.100.13

1 サイクル2 サイクル
10 サイクル50

せん断応力 τ (kPa)

履歴減衰率の両方に影響を及ぼすことがわかった。これ

401500200.170.230.35

1010-410-3
せん断ひずみ γ

きい。このため，ひずみが大きくなるに従い密実化などにより，差異が大きくなっている。これら過剰間隙水圧の影響を少なくするため，ステージ間では排水しない，法の改良が必要ではないだろうか。また，データシートの報告事項についても，過剰間隙水圧の情報を加えるべ

繰返し数によるせん断特性の違い

7)きではないだろうか。試験の適用限界については，過剰60

間隙水圧の影響により，砂質土では 10-3 を少し超えた付40

近，粘性土でもこれを少し超えた付近であると考える。
繰返しせん断試験が材料試験と位置づけられるのであ20れば，試験方法や試験者による影響がでない試験方法が0定義されるべきではないだろうか。

-20-60-0.2-0.10
せん断ひずみ γ (%)

0.1

せん断ひずみ 10-3 付近の応力-ひずみ関係 8)

図-8 には，せん断ひずみ 10-3 付近の応力-ひずみ関係を示す 8)。図から，載荷を繰り返すたびにひずみが伸張側に伸びていく様子が見て取れる。これらは，繰返し載荷中に発生する過剰間隙水圧の影響により材料が劣化するため，この様な現象が発生すると考えられる。
10080
せん断応力 τ (kPa)

らは，繰返し中に発生する過剰間隙水圧によるものが大制御はひずみ制御方式に設定する，などいくつかの試験

010-2-40

図-8

現在の試験法で許容されている計測条件の違いが試験結果に及ぼす影響について検討した結果，せん断剛性と等価減衰比 h (%)

せん断定数 G (MN/m2)

違いが生じることを示唆している。

9. まとめ豊浦砂
中空ねじり試験
排水試験

σ'm0=98kPa
Dr=80%

0.10.46040200

図-900.20.3
せん断ひずみ γ (%)

0.5

単調載荷と繰返し載荷試験の比較 9)

このため，過剰間隙水圧の上昇が大きいひずみの大きい領域ほどこの現象は顕著に表れる。そして，砂質土ではこの後に液状化に至る。そして，もう一つはステージ

参考文献
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Soil Properties for Wide Strain Range, Soils andFoundations, Vol.20, No2,pp. 45-60
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ISSMFE,pp. 80-90
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ステージ載荷が動的変形特性に与える影響，地盤および土構造物の動的問題における地盤材料の変形特性-試験法・調査法および結果の適用-に関する国内
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地盤の地震応答解析のための土の動的変形特性試験の提案，第 40 回地盤工学研究発表会
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8) 吉田望 (2010) : 地盤の地震応答解析，75pp9) 山下聡 (1992) : 砂の繰返し載荷試験に及ぼす諸因子の影響と試験結果の適用に関する研究, 北海道大学学位論文, 258