「技術フォーラム 2020 Web 技術発表会」

砂質粘性土の凍結による力学特性への影響
中部土質試験協同組合〇久保裕一，池田謙信，石原聖子，法安章二
名城大学

1. はじめに小高猛司作製した試料の圧密曲線を図２に示す。e-logP 圧密曲

近年調査が多い堤防やため池の試料は土質が極めて不線は，100kPa の圧密圧力を反映して粘性土，中間土，そ均質で，細粒分と砂分が混在する。押出機での抜き取り

れぞれ100kPa 付近で折れ点が観察される。圧縮指数 Cc

作業は砂分が多く含まれる場合，試料を圧縮してしまうは粘性土0.28，中間土0.16であった。

ため，やむを得ず冷凍してから切り出しが行われる。し3. 実験結果

かしながら，その凍結の過程が力学特性に与える影響に(1) 物理試験結果（液性限界・塑性限界試験）
表 1 液性限界・塑性限界試験結果

ついて詳細に検討された報告は少ない。今回，人工的に圧密させた粘性土と中間土を用い，凍結による力学特性

粘性⼟中間⼟の影響について比較，検討したので報告する。

液性限界 %

49.4(48.5)

29.7(28.3)

2. 実験条件

塑性限界 %23.2(23.5)

15.4(15.2)

実験試料は，三河珪砂6号砂と青粘土を乾燥質量比1:1

まず，凍結させることで液性限界と塑性限界の値が変で混合した混合試料（中間土と称す）と，比較のため青化するのか調べた。試験結果を表１に示す。液性限界，粘土のみ（粘性土と称す）を使用し，凍結試料と未凍結

塑性限界のカッコ内の数値は凍結し解凍した後の数値を試料を用い実験を行った。試料の作製は，直径20cm の一示す。液性限界と塑性限界はともに凍結後にやや数値が次元圧密容器を準備，容器内で含水比50％程度になるよ

約1%ほど低下するものの，わずかな差異で特に大きな違うに含水調整（試料の分離を防ぐためある程度粘性を持いは見られなかった。

たせた），撹乱しながら12時間真空脱気を行った後，4日(2) 三軸圧縮 CUB 試験結果

間圧密させた。そして，容器から試料を取り出し4分割し三軸試験の結果を図３と図４に示す。図３は粘性土のた後，直径5cm，高さ10cm に整形し供試体とした。実務

未凍結と凍結の有効応力経路を示し，それぞれ軸差応力に即した方法とするため，凍結後に整形作業を行った。

最大時と変相時の破壊比を求めた。図４は中間土である。

ただし，凍結整形作業は専用回転式凍結整形機を使用し

図３の粘性土では，せん断の最終段階で凍結が未凍結とているため2分程度で整形が可能で，融解による乱れの影

200

響を受けることなく三軸セルに入れられる。図１に粘性未凍結土と中間土，添加した6号珪砂の粒径加積曲線を示す。

150

軸差応力 (kPa)

通貨質量百分率 (%)

10080604000.001

破壊比
M=1.35未凍結変相
M=1.25

100M=1.20
凍結変相50

粘性土
中間土
6号珪砂

20

凍結000.010.1110粒径 (mm)
図 1 粘性土と中間土 6 号珪砂の粒径加積曲線

50100150200

平均有効応力 (kPa)

図 3 粘性土の有効応力経路
2001.2未凍結

凍結粘性土 Cc=0.280.80.60.4

破壊比
M=1.42150

中間土 Cc=0.16

軸差応力 (kPa)

間隙比 e

1.0

未凍結変相
M=1.20100M=1.00
凍結変相

500.2
110100100010000

圧密圧力 p (kPa)

図 2 粘性土と中間土の e-logp 圧密曲線

0050100150

平均有効応力 (kPa)

図 4 中間土の有効応力経路

200

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比較して早く正のダイレイタンシーが発現している。そ

力最大値ではともに同じになるものの，凍結させることれ以外で特に凍結と未凍結で大きな差異は見られない。

により構造が変化し，解凍しても完全に元には戻らず変これに対し図４の中間土では，凍結においてせん断初期相が早く発現し過圧密的な挙動を示すようになる。これから負のダイレイタンシーが発生し，その後大きく正のは凍結により弾性的な構造が劣化するものと考えられる。

ダイレイタンシーを発現させている。未凍結と全体を比そして，この影響は砂分が多く含まれる中間土の方が粘較すると，せん断開始時とせん断最終段階のみが一致す性土より大きくなる。またモール円で結果を整理した場るのみであり，ほとんど凍結と未凍結で異なる経路をた合，粘性土と中間土のどちらにおいても軸差応力最大時どり最終段階に至ることがわかる。と変相時では包絡線の角度の差はわずかで，凍結による線が漸近し，最終的に同じ破壊応力比となることがわかった。変相時の応力比を求めると，粘性土では未凍結で1.25，凍結で 1.20。そして中間土では，未凍結で 1.20，凍結で 1.00 であった。これらから，凍結により変相応力比が減少することから，凍結により構造が劣化し，弾性800.3
未凍結 G

60

0.1

01.E-06

土の有効応力によるモール円である。軸差応力最大時と変相時の有効応力で c=0 として破壊規準線を求めた。軸差応力最大時と変相時ではモール円の大きさが異なるも結の軸差応力最大時と変相時でのせん断抵抗角を示した。
いずれの条件，軸差応力最大時と変相時，どちらの場合においてもモール円の大きさが変化するのみで，せん断抵抗角に差がないことがわった。

01.E-01

1.E-02

0.3
未凍結 G

凍結 G

未凍結 h

凍結 h600.240200
1.E-06

凍結:G0=54.4
未凍結:Go=55.4

1.E-050.1

1.E-04 1.E-03
せん断ひずみ γ

1.E-02

01.E-01

図 7 中間土の G-γ・G-h 曲線
前節の三軸試験結果では比較的ひずみの大きい領域での影響について考察したので，ここでは動的変形試験を実施し，比較的ひずみの小さい領域について検証した。
図６と図７は，三軸圧縮試験と同様に粘性土と中間土において凍結，未凍結条件で繰返し三軸試験を行い，せんこれらの三軸圧縮試験の結果から，粘性土と中間土ともひずみの大きい領域では破壊応力比は最終的に軸差応100
軸差応力最大でのモール円

1.E-04 1.E-03
せん断ひずみ γ80のの，せん断抵抗角に大きな差が無いことがわかる。表３に全ての条件においての粘性土と中間土の凍結，未凍

1.E-05図 6 粘性土の G-γ・G-h 曲線
せん断剛性 G (MN/m2)

大値での応力によりモール円が求められる。図５は中間0.2

20

れる中間土の方が大きい。

強度定数が報告される。データ整理の際は，軸差応力最凍結 h

凍結:G0=38.9
未凍結:Go=34.1

影響を与えると考えられる。この影響は砂分が多く含ま

三軸圧縮試験を実施した場合にはモールの応力円による未凍結 h40

応答が弱まり塑性圧縮が増加するために，変相応力比に次にモール円について考察する。実務においては通常

凍結 G

履歴減衰率 hの大きい領域では最終的に凍結と未凍結のそれぞれの曲(3) 変形特性を求める繰返し三軸試験結果

履歴減衰率 h1.35，中間土で 1.42 となった。これらの破壊時のひずみ影響は表現できないことがわかった。

せん断剛性 G (MN/m2)

最終的な軸差応力最大時の破壊応力比は，粘性土で断ひずみ～せん断剛性・履歴減衰率関係を求めたものである。図７の中間土においては，せん断剛性率と履歴減衰率において全く差異は見られないものの，図６の粘性変相でのモール円土においてはせん断剛性率に差異が見られ，凍結のせんτ (kPa)

軸差応力最大時：34.8°

変相時：34.2°

断剛性率が大きくなっている。これは，凍結した供試体50の方が等方圧密後の間隙比が小さくなっており，実際に剛性が高くなっているからである。

4. まとめ0050100σ (kPa)150図 5 c=0 での中間土のモールの応力円200

粘性土と中間土において，凍結による影響を検討した
結果，三軸圧縮試験から変相するタイミングの違いなど影響が認められたが，実務レベルでのモール円による強表 2 粘着力を 0 とした場合のせん断抵抗角度定数では凍結と未凍結の違いを表現できなかった。ま

軸差応力最大時

変相時た，繰返し三軸試験の結果からも粘性土においてやや初

粘性土：未凍結

33.4°

33.0°

期せん断剛性率に違いは見られるものの，大きな違いは粘性土：凍結

32.6°

32.2°

見られなかった。今後も実験をかさねる予定である。

中間土：未凍結

34.8°

34.2°

中間土：凍結33.8°

32.2°