土の引張りせん断特性

土の引張りせん断特性

柴 原 信 雄

1. 緒 ^言

土の引張 り強度については最近認識が高まってきつつある.舗装,アースダムその他の土 構造物において,土中に引張 りによるクラックが見出されることが多 く.これ らの大部分は 土中の引張 り応力による破壊が原因である.これ らの例 としてほ,舗装では交通荷重応力.

温度変化による収縮や乾燥収縮.アースダムでは不等沈下やそれによって生ず る引張 り応力 が考えられる. これ らのクラックが土構造物の安定性に大 きな影響を与える.

引張 り強度の測定については,その絶対値が一般に小さいほか.引張 り応力のわずかな変 化によって引張 りクラックが生 じ このために引張 り応力面の面積が減少して応力集中が生 じ.これ らの相乗作用によって見かけ上瞬時に破壊にいたるとい う特質をもっている.また 強度 自体が小さく,安全側をとることか ら土の引張 り強度は土構造物の設計では無祝される ことが多い. したがって土の引張 り強度の測定結果や研究報告の数は少ない. これ らの報告 には取扱 う土の条件とaTJ定の目的を考慮 した独 自の測定方法の結果を発表 しているものが多

い.

土の引張 り強度の測定法 としては,直接引張 り試験(1),圧裂試験(2)(3),割裂試験 (4)な どがあ り,締固めた土など脆性を示す土に適用されている.また粘性土の最適含水比 より湿潤側に 対する測定法 としては,コップ形容器 と針を用いる方法(5).遠心力法(6). 惰 円 1)ソグ状の供 試体による方法(竹などがある.以上はいずれも全応力による強度測定法であ り.単に破壊強 度を求めるものである.これ らに対 し,中心部附近の断面を くびれにより小さくした円柱型 供試体について三軸試験機を用い.円柱の上 下部 と中心部 との断面積の差か ら引張 り応力 を作 り出す測定法(8)(9)も行われて きてお り, これによれば排水条件の設定や間げき圧の測定 により有効応力解析が可能 となる.

著者は垂直応力が負 (引張 り)の場合の土のせん断強度 (引張 りせん断強度)を実験的に 調べている.既報的では粘性土の最適含水比 より湿潤側を対象 とし.また引張 りせん断の機 構上,全応力解析のみを行 っている.本報告では,測定装置の改良により,供試体の垂直方 向およびせん断方向の移動が正確かつ平滑に行えるようにし

, 2

りせん断強度の測定を行い,検討を加えている.

2 .

試料 として上水内郡豊野町の豊野砂岩泥岩層が風化 した粘土 (豊野粘土) と.下水内郡豊

* 昭和

5 8

2

5 7

** 土木工学科助教授

原稿受付 昭和5

8

9

30

7 0

80 60 l p 40

20 0

長野工業高等専門学校紀要 ･第1

4

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WATER CONTENT

%)

図

一1

‑2

田村替佐の飯綱火山灰層粘土 (替佐粘土)の2種煩を用いた. これ らの塑性 図上 の位 置 を 図‑ 1に示す,図中にはこのほか既往の報告的的 に使用 した試料土の土性 も併記 している.

豊野粘土 と替佐粘土についてそれぞれ.締固め.お よびスラリーか らの圧密,成形の

2

‑ 2

SA1 2

1 / 5

2

4. 9 kPa

3 .

実験装置を図‑ 3に示す.(1)は供試体の形状,寸法およびせん断面を示す.せん断面は‑

ッチソグで示す ように鉛直面であ り,供試体作成時の締固め面または圧 密 の加 圧面 (水平 面)に直交 している. この点は通常の一面せん断試験機 と異なっている.供試体寸法はせん 断方向の長さを

1 0 0mm

1 0‑20mm

1 2 0mm

5 mmとしている.

機構は(2)に示す ように

2

1

2

2

3 )

2

2 . 0 mm/ mi m

LP5 0 F)

TCLZI O kg f )

土の引張りせん断特性

(2) 甘 ∀

′●

′

(D 引張りせん断供試体 ② せん断箱 (卦 蓋 ① 締 具 ⑤ 左右せん断箱クランプ

⑥

⑨

‑3

検出して増幅し,せん断変位に対するせん断応力お よび垂直変位をⅩ‑Yレコーダーに記録 した.

垂直引張 り応力のみを加えることにより,直接引張 り試鋲 も実施 しているが, この場合は 応力制御とし.引張 り応力を1

5

1 . O kPa

4 .

2

‑4

せん断応力 ･せん断変位曲線か らせん断破壊の形態が

3

的 .

( α)

(b) 引張 り垂直応力とせん断応力が共に働 く破壊形態

( C)

である.図

‑4

a)

,( C)

( a)

,( b)

破壊形態

( α)

7 2

1 4

( 5)KAESA CLAYr COMPACTED w737%)

L c . I .. ｡｡川b 1 0

(4)KAESACLAY H TOYONOCLAYL COMPACTED w･ 45% ) ( . CO"w Pク, cT .E ZJ

5

U ∝ ト S

(

(qj三SSu∝トS∝V

U エ S

10 . ) ̲ 227k Po

5

1 0

5八度上こSSutlトStJVUS

l ( . り

0,‑165k Pc 1 0

(dq)^h3.87kP(⊃

l mm I 5 DJ SPLACEMENT E mm) Dl SPLACEMENT

( 2)TOYONOCLAY( COMPACTED v J ･55%)

5 I O 1 5

0Z SPLACEMENT E m

( 3JTOYONO CLAY ( CONSOuDATED w.55% )

5

(Dd三SSutIトS∝VuHS

5 1 0

DI SPLACEMENT l mm) ^{1 5}

10

1 5

D ISPLAC E ME NTt

mm I

きい引張 り垂直応力のもとでせん断される場合に生ずる.そのせん断応力 ･せん断変位曲線 の形状は,せん断変位量がごくわずかな時点で破断されるため,せん断応力の立ち上が りと 下降が急数である.

破壊形態(C)は圧縮せん断(一面せん断) もしくは,粘性土において徴小な引張 り垂直応力 のもとでせん断される場合に生ずる.破壊形態(∂)は

( α)

(C)

る.以下に破壊形態

( b)

図

1 4

それにともなって最大せん断応力が減少す る. これは当然であるが.それにともなって破断 にいたるせん断変位 も減少す ることである. これは破断部分の増大によってせん断面積が減 少 し,応力集中が生ずるため と考えられる.

次に豊野粘土 と替佐粘土の結果を比較すると.一般的に曲線形状が異なることがわかる.

7 4

1 4

しているとみることができ.両者間の関連性のよいことがわかる.

豊野粘二L 替佐粘土 ともに含水比が増加するにしたがって内部まさつ角,粘着力お よび引 張 り強度が減少 していることがわかる. この試験はせん断速度か らみて非排水せん断試験 と 考えられるか ら.土が飽和に近づ くにつれて内部まさつ角はゼロに近づ く.また引張 り強度 は最適含水比附近で最大に なるとい う報告 もあ り(4)(7),最適含水比 より湿潤側では含水比の 増大 とともに強度が減少することはこれ らの報告 と一致する. したがって破壊包絡線が垂直 応力の圧縮側か ら引張 り側へなめ らかに連続するものであれば.粘着力も含水比の増大にと

もなって減少するのが自然であると考えられる.

次にほぼ等 しい含水比,

密度を有する締固め土 と正

目)TOYONOCLAY w… 55

密土 との破壊包絡線の比較

で

を行 う.図‑7より豊野粘 土,替佐粘土のいずれ も圧 密土が引張 り強度,粘着力 ともに大きい値であること がわかる.特に引張 り強度 はその差が大きい. これは 土粒子の配向構造の相違 と チキソ トロピーによる影響 と考えられる.特に豊野粘 土の圧密土の場合に,実験 より得 られた破壊包絡線の 曲率円の直径が.図

‑ 9

A

P

P

ると考える こ とが で き る

的.

̲∠

空

CONSOLI D ATED

(kPcl)

. Sr : J OO% '

ユ

ー‑ J 一 一 て｢ ー 5 C O M P A C T E ^{DSr ; 99%}

‑]

5 ‑1 0 ‑5 0

( 2)KAES ACL AYw= 37%

で

10

g (kP(⊃)

1 5 20

‑J 0 ‑5 0

o l ) 0 1 5 20

‑7

図

‑8

( 1 )

, 0‑‑6. 9kPa)

( 2 )

( 壮

, 0‑‑1 0. 3kPa)

へ き開を ともな うせん断

敵

幸一 1 ･JTl張り葡皮と‑軸締強度

体は

成成供作

≡

小主応力面 (T棚 ヒ引･lJtり止:)Jllfl')に･lt杓っ

てせん断 クラックが

ノ I

倉水比 (%)

≡‑:;1…

日 5 ≡

一軸圧縮強 皮

( k

a

5 0 0 9 7 7 1 1 2

へ き脚がヱ体的に/JJfるため附 らかな平

面状の破断面を示 している･ 替佐粘土

4 ‑3

今同の試験に よって得 られた引張 り強

め密閉〃

〃

0 1 3 7 6 2 7 9

皮お よび これ らと含水比,密度の等 しい 屯径

3.

7.

‑ 10

J

また,園巾右端の破線は

Ramanat han( 2 )

(co' N C s O . " L; D O A L i … A i E

D

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KAESA CLAY

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KAESA CLAY

‑｣ ｣ RAMANATHAN 一 二 ノ 一 ◆ ■

o

r O 20 30 40

qu ( k P ( 】 )

11 0

St /quが大 きい. また St / quの

勾配は土の塩析にかかわ らずほぼ

0 . 1

,Ra manat han

0. 48

Ramanat han

り強度は圧縮強度 に比例 して増大す る.

次に土の種類お よび含水状態に よって粘着力に対す る引張 り強度が どの ように変化す るか を図‑11に示す.豊野粘土,替佐粘土以外 の直線は.過去に図巾の名称の土について改良前

76

1 4

ずれ も締固め土である.

図より一般に含水比 (液性指数)の増大 にともない

St /

ち,圧密土は明らかに

St /

次に図‑ 1を参照すれば,一般に高塑性 の土ほど

St /

St /

る.

4 ‑4

4‑ 1

‑1 2

2. 0

I . 5

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0 0, 2 0.

0. 6 0. 8 I . 0

L

図

‑1 1

図

‑1 2

方を示すものである.土塊が滑動を開始すれば,引張 りクラックに接続するすべ り面のある 長 さにおいて引張 りせん断応力が生ず ると考えられる.その長 さの推定法は未解決であるが.

この部分は圧縮せん断応力が生ず る底部附近に比較 して残留強度を保持 し得ず.かつ小さい 変位で破断されるため,引張 りせん断抵抗力は期待することができない. このことか ら,項 部附近の土が引張 り応力または引張 りせん断応力に十分抵抗 しうるものであれば,斜面の滑 動はかなり生 じに くくなる.路肩部分の舗装は土体への雨水の浸水を防 ぐ以外に,このよう に強度的にも重要な役割をはたす ものといえよう.

5 .

引張 り垂直応力のもとでのせん断特性を しらべるため,引張 り.圧縮いずれの垂直応力を も載荷できるせん断試験椀を試作 した. この試験機を用いて2種類の土についてそれぞれ締 固め供試体 と圧密供試体のせん断試験を実施 し.次の結論をえた.

(1)引張 り垂直応力のもとでのせん断応力による破壊形態は.せん断破壊,‑き閲をともな うせん断破壊お よびへき開破壊の

3

( 2 )

土の引張りせん断特性

( 3 )

( 4 )

(5) 含水比の増大に ともな って引張 り強度 と粘着力 の比は増大す る.また高塑性の土ほ ど引 張 り強度 と粘着力 との比は大 きい.

終 りに常 に御指導を頂いてい る信州大学工学部 川上浩教授 に厚 くお礼申上げ る. また実 験に協力された本校卒業生,山田治氏 (横川工事株式会社) と島浮多賀夫氏 (建設省) に感 謝 の意を表す る.

参 考 文 献

( 1 ) Co l i n

.Tho r ne,N.Ke i t h Toveyand Ri c k Br ya nt:Rec or di ngUnc o nf i ne dTens i on Te s t e r ,J o ur na loft heGe o t e c hni c a lEngi neer i ngDi vi s i o n,ASCE,γol .1 0 6 ,No.GT

1 9 8 0 ,pp. 1 2 6 9 ‑1 2 7 3.

( 2 ) B.Ra ma na t ha nandV.Ra ma n:Spl i tt e ns i l es t r e ngt hofc ohes i ves o i

s

Soi l sandFo1 1 m･

da t i o ns ,Vo l .1 4,No.I ,1 9 7 4,pp. 71 ‑ 7 6.

( 3 ) Add a nkiV.Gopa l aKr i s bna yya,Zd e ne kEi s e ns t ei na ndNor ber tR.Mor gens t e r n:Be･

ha vi orofc o mpa c t e ds o i li nt e ns i o n,J our na loft heGe o t ec hni c alEngi neer i ngDi vi s i on

ASCE,γo l . 1 0 0 ,No.G

9,1 9 7 4,pp. 1 05ト1 0 61 .

( 4 ) H . Y. Fa nga nd W . F.Che n:Ne w met ho df orde t er mi na t i o noft ens i l es t r engt hofs oi l s ,

Hi g h wa yRe s e a r chRe c o r d,No.3 5 4 ,1 9

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(5) 梶谷正孝,済木幸平 :土の引張 り強さのArl定について,第

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,1 9 7 5,pp. 2 61

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( 6 )

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1 9 8 1 ,pp. 5 3 7 ‑ 5 4 0 .

(7) 大根義男,成田国朝,小川書信 :土の引張 り特性に関する突放'第11回土質工学研究発表会

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pp. 3 0 3‑ 3 0 6 .

( 8 ) A. W. Bi s ho pa ndV. K.Gar ga:Dr a ine dt ens i o nt es t so n Lo ndo n cl ay,Ge o t echni que

Vo l .1 9,1 9 6 9,pp. 3

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( 9 )

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,1 9 8 2 ,pp. ( Ⅲ) 21 5 ｢ 21 6.

的 柴原信雄 :土の引張 りせん断試故について,長野工業高等専門学校紀要,第

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,1 9 7 6,pp. 71 ‑7 7.

的 柴原信雄 :土の引張 りせん断強度について (第

2

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1 9 7 7,pp. 1 3 5 ‑1 3 6 .

的 赤井浩一 :土質力学特論,森北出版

,1 9 7 4,p. 61 .