不飽和粘性土の強度特性に及ぼすせん断速度の影響
地盤工学研究室

武田成史

指導教員

豊田浩史

3．試験手順および試験ケース

1．はじめに
地盤の安定解析にはそれぞれの地点の応力状態に(1)試験手順対応するせん断強度を用いることが重要である．不まず，飽和状態で成形した供試体を試験機に設置

飽和土の場合，土中のサクションの大きさ，軸圧縮し，飽和させ，p’=50kPa で圧密を行う．そして，中の排気・排水条件，土質材料の物理的性質などのp’=50kPa を一定に保ったまま K 値が 0.35 に達する影響因子は多数あると考えられる．昨年の研究では，まで排水せん断を行った後，供試体を不飽和化させあるせん断速度において強度異方性が発現することた．不飽和化させた後，K 値を一定に保ったままが確認されている．

p’=300kPa で圧密を行った．この時，最大主応力方

そこで，本研究では，中空ねじりせん断試験装置

向α’を変化させることにより，異方圧密を行っていを用いて，せん断中の中間主応力および平均応力がる．そして，排水状態で q を除荷し等方状態でせん

一定の条件のもとで応力～ひずみ関係や最大編差応断を行った．実験条件では，K 一定圧密時の主応力力に与えるせん断速度の影響に注目し，不飽和粘性方向を αc=-45,0,45 と変化させ，圧密時の中間主応力土のせん断試験を行う．その結果をもとに不飽和粘係数 bc=0 と固定し，せん断時の主応力方向 αs=45 中性土の強度特性に及ばすせん断速度の影響を解明す

間主応力係数に関しては bc=0.5 で一定とした．

ることを目的とする．
2．試験概要(1)試験装置
本研究では，3 次元応力状態を再現できる中空ねじりせん断装置を用いて実験を行った．この装置は，最大主応力方向 α と中間主応力係数 b を任意に設定することができる．また，供試体上部から空気圧を400kPa 載荷し，供試体下部で接しているセラミックフィルターより脱水させる加圧板法により不飽和化を行った．

Deviator stress , q (kPa)

400300K=0.35

K 一定圧密非排水せん断

脱水200100排水除荷00100200300400Net mean stress , p'-u a (kPa)(2)試料
本研究で用いた試料は，新潟県柏崎市米山付近よFig.1 不飽和粘性土の試験経路り採取したラテライト系粘土（以下，米山粘性土と(2)試験ケース称する）である．米山粘性土の物性値は，土粒子密本研究では，不飽和土非排水せん断試験

3度 ρs=2.74g/cm ， 液 性 限 界 WL=52(%), 塑 性 限 界

α’=0,45,90 の 3 パターンの試験を行った．その時，

WP=29(%),塑性指数 IP=23(%),粘土分 23.6(%),シルト

せん断速度を毎分 5%,毎分 0.5%,毎分 0.05%,毎分分 57.0(%),砂分 19.4(%)である．供試体の作製は，乾0.005%と変化させ実験を行った．また，飽和土非排燥した試料に蒸留水を加え，スラリー状にしたもの

水せん断試験も行った．

を圧密容器内で一次元圧密した．そして，できた土4．試験結果塊を外径 80mm，内径 50mm，高さ 160mm の中空円一般的に，中空ねじりせん断試験をはじめとす筒形に成形した．

るせん断試験による強度は q の最大値をとるが，飽和試験の偏差応力は，せん断ひずみの増加にと350もない漸増するため，最大値を定めることが難しして，せん断ひずみが 5%までの範囲での最大値を最大偏差応力 qmax と定めている．
Fig.2 より，最大主応力方向差’=0(deg)の時 q

300
Deviator Stress,q(kPa)い．本研究では，せん断ひずみの試験限界を考慮の値が一番大きく，最大主応力方向差’=45（deg），250
200α'= 0(deg)150α'=45(deg)100α'=90(deg)50qmax(kPa)00

最大主応力方向差’=90(deg)ではほぼ同じ値に収12345Shear Strain,ε s (%)

束している．これより，q－s 関係は，c が変化することで強度異方性があり，’により影響を受Fig.2q－s 関係（飽和非排水せん断）けることがわかる．Fig.3 に飽和非排水せん断試験

350の応力経路を示す．α’=0(deg)の時では p’はほぼ値が大きく下がっていることがわかる．この結果
より，α’を変化させることで p’の値が変化し，間隙水圧の変化は α’によって変わることが確認でDeviator Stress,q(kPa)300kPa を保っているが，α’=45，90(deg)では p’のα'= 0(deg)300α'=45(deg)250
α'=90(deg)20015010050きる．この間隙水圧の発生により，有効応力が低0下して，強度異方性を引き起こしていることがわ

050

100150200
250300
Effective mean principal stress,p’(KPa)

かる．
不飽和土の q－s 関係では，偏差応力に最大値

350

Fig.3 q-p’関係（飽和非排水せん断）が存在することから，本研究ではその最大値を最500

大偏差応力 qmax と定めている．Fig.4,5,6 より，cことができた．また，K 一定圧密過程における最大主応力方向 c とせん断載荷過程における最大主応力方向s の差が小さくなるにしたがい，ピーDeviator Stress,q(kPa)が q－s 関係に影響を与えていることを確認する

450
400
350
300α'= 0(deg)250
200α'=45(deg)150α'=90(deg)100qmax(kPa)

50

ク時に対するせん断ひずみが大きくなっている

00

ことがわかる．

123Shear Strain,ε s (%)

45偏差応力に関しては，’の違いにより差異を確認することができた．’=0(deg)の時に最大値をとFig.4 q－s 関係（不飽和非排水せん断毎分 0.005%）

り，’=45(deg)までは減少傾向を示すが，それ以500降はほぼ一定な値を示す．これより，’が変化す度に対するせん断ひずみおよび qmax が影響を受けることがわかった．
Fig.7,8,9 より，せん断にともなう体積ひずみは圧縮傾向にあるが，ピーク強度以降は減少傾向にあることがわかる．また，’の増加にともないv

Deviator Stress,q(kPa)

ることにより，初期勾配の立ち上がり，ピーク強

450
400
350
300α'= 0(deg)250α'=45(deg)200150α'=90(deg)

100qmax(kPa)

500012345Shear Strain,ε s (%)

も圧縮性が大きくなっていることから，c がv に影響を及ぼしているといえる．

Fig.5 q－s 関係（不飽和非排水せん断毎分 0.5%）

Deviator Stress,q(kPa)

性係数 G を算出する．全ケースにおけるせん断弾

500450400350300
250200150100500

性係数 G を Table1.に，示す．

G  Goct 

α'= 0(deg)α'=45(deg)Δq3Δεs(3)α'=90(deg)Table1.せん断弾性係数 G(MPa)qmax(kPa)

012345Shear Strain,ε s (%)

Fig.6 q－s 関係（不飽和非排水せん断毎分 5%）

057.9
60.6
65.765.8

不飽和非排水せん断試験 せん断速度0.005%/min
不飽和非排水せん断試験 せん断速度0.05%/min
不飽和非排水せん断試験 せん断速度0.5%/min
不飽和非排水せん断試験 せん断速度5%/min

α'4546.053.3
56.8
65.09033.436.5
45.156.8

Volumetric Strain,ε v (%)‐0.5

Fig.11 より最大主応力方向差 α’を変化させることで強度異方性が発生する．Fig.12 より最大主応力方0向差が大きくなるほどせん断弾性係数が低下してい0.5ることがわかる．

α'= 0(deg)α'= 45(deg)500α'= 90(deg)1123Shear Strain,εs (%)

45480

Fig.7 v-s 関係（不飽和非排水せん断毎分 0.005%）‐0.5

qmax (kPa)0460
せん断速度5%/min

440

せん断速度0.5%/min

Volumetric Strain,ε v (%)

せん断速度0.05%/min

420

せん断速度0.005%/min

0400
00.545Difference of α,α'(deg)90α'= 0(deg)α'= 45(deg)Fig.11 qmax-α’関係

α'= 90(deg)112
3Shear Strain,ε s (%)

45Fig.8v-s 関係（不飽和非排水せん断毎分 0.05%）

Volumetric Strain,ε v (%)‐0.5080

Elastic Shear Modulus,G(MPa)06040
せん断速度5%/min
せん断速度0.5%/min

20

せん断速度0.05%/min
せん断速度0.005%/min

00.5

0

α'= 0(deg)45
Difference of α,α'(deg)α'= 45(deg)90α'= 90(deg)101234Fig.12 G-α’関係

5Shear Strain,ε s (%)

Fig.9 v-s 関係（不飽和非排水せん断毎分 5%）
5. 最大主応力方向差の影響

6.せん断速度の影響
Fig.13 よりせん断強度は，せん断速度によらず一定となっており，強度異方性の発現も，せん断速度せん断弾性係数の算出には，正八面体せん断剛に影響しないことがわかる．Fig.14 よりせん断速度性の式 Eq.3 を用いる．本研究では，せん断ひずみが大きくなるほどせん断弾性係数が増加しているこs=0.1%の時の偏差応力 q1 を用いて割線せん断弾とがわかる．

qmax (kPa)

500異方性が発現している．Fig.16 に不飽和土での結果480を示す．こちらも同様，排水試験では強度異方性が発現していないが，非排水試験では強度異方性が発460現していることがわかる．
440

8.不飽和土強度異方性の予測
α'= 0(deg)420

Fig.17 に飽和土のせん断中における間隙水圧の増α'=45(deg)α'=90(deg)

400
0.001

0.01

0.1Torsional rate(deg/min)

1分，Fig.18 に不飽和土のせん断中における間隙水圧10の間隙水圧の増分量がよく似ているため，不飽和土Fig.13 qmax-t 関係のサクションの変化を飽和土の間隙水圧から推定可Elastic Shear Modulus,G(MPa)80能という仮説を立てた． Fig.19 に，破壊時のサクションの値と最大偏差応力の値の関係を示す．同図に60は，不飽和土の破壊規準に基づいた，飽和状態から40不飽和状態へ変化する破壊線も示してある．この破20壊線によると，試料の AEV は約 100kPa と予測できα'= 0(deg)α'=45(deg)る．Fig.20 に米山粘性土の AEV を示す．pnet=300kPa

α'=90(deg)00.0010.010.1

110Torsional rate(%/min)のときの飽和度が変化する値が s=100kPa 程度であることより，Fig.19 の AEV とほぼ一致していることがわかる．したがって，Fig.19 で整理した結果は，Fig.14 G-t 関係

不飽和土の破壊規準にも適合していると考えられる．

7.排水条件の違いによる異方性qmax (kPa)の増分を示す．不飽和土の間隙水圧の増分と飽和土400

つまり，不飽和土強度異方性は，サクション変化に360よるものと考えられる．さらに，Fig.17 と Fig.18 より，そのサクション変化は，飽和土の間隙水圧変化320から予測できる可能性がある.
280120240

飽和排水試験

100

飽和非排水試験2000458090⊿Uw (kPa)

Difference of α,α'(deg)Fig.15 qmax -α’関係
500

60
40

α'= 0(deg)α'=45(deg)20

qmax (kPa)480

α'=90(deg)

00

460

45
Difference of α,α'(deg)440

Fig.17420

不飽和排水試験
不飽和非排水試験

400
04590

Difference of α,α'(deg)Fig.16 qmax -α’関係

Fig.15 に飽和土での結果を示す．排水試験では強度異方性が発現していないが，非排水試験では強度⊿Uw-α’関係(飽和土)90

もに大きくなった．最終的に，この強度異方性がサ

120

クションによりもたらされていること，サクション

100

変化は，飽和土の間隙水圧変化と同等であることを⊿Uw (kPa)

80用いて，不飽和土の強度異方性の予測法を提案した．

60

参考文献
40

α'= 0(deg)1)須佐見朱加：不飽和土のサクションによる強度異方性に

α'=45(deg)20

関する研究,平成 24 年度長岡技術科学大学修士論文,2012

α'=90(deg)0045
Difference of α,α'(deg)90⊿Uw-α’関係(不飽和土)

Fig.18

不飽和土

飽和土
490B

450

y = ‐0.0001x2 + 0.23x + 418.79

qmax (kPa)

410370330290不飽和土AEV

250
0100

200Suction,S(kPa)

Fig.19300

qmax -s 関係

Degree of saturation, Sr (%)

100

pnet=300 kPa

Yoneyama sandy silt
Pressure plate method
Drying (dehydration)

90

400

pnet=100 kPa

80
7060

110

100

1000

Matric suction, s (kPa)

Fig.20Sr-s 関係

9．結論
本研究では，不飽和粘性土の強度特性に及ぼすせん断速度の影響について実験的検討を行った．その結果，せん断速度（不飽和土非排水試験）は，せん断強度や強度（異方性）特性にほとんど影響しなかった．また，割線せん断弾性係数はせん断速度とと