供試体作成方法と飽和砂のせん断特性に与える影響

長野工 業高等専門学校紀要 ･第18号(1987) 127

供試体作成方法 と飽和砂のせん断特性 に与 える影響

常 田 亮*

A   S A M P L E   P R E P A R A T I O N   M E T H O D   A N D   I T S   E F F E C T S   ON SHEAR CHARACTERISTICS OF SATURATED SANDD

Makoto TOKIDA

A simplepreparationmethodofsandspecimenusingplllViationapparatus(Conical HopperMethod)bywhichvariousdesiredspecimendensitycanbeprovidedbycont‑ rollingthe別terdiameterisdeveloped. Itwasfound thatvarious densitiescanbe achievedbythismethodwithoutapplyingvibrationorimpact.A seriesofstatictri･ axialcompressiontestsonthespecimenspreparatedbyanothermethod(DryTapping method)Werealsoperformedtocomparein detailwith theshearcharacteristicsof specimensformedbyConicalHoppermetllOd.Testsresultsshowedthatshearchara･

cteristicsdue to the effects ofdifference in sample preparation method can be observedinthetriaxialcompression tests.Itwas also seen thatConicalHopper method can provided the uniform and reproducible specimens irrespectiveofthe tester.

1. は じ め に

従来 より行なわれてきた液状化現象に関する研究において,均質な供試体を作成す ること が,正確なデ‑タを得 る うえで必要不可欠であると考 えられてきた.そのため砂の供試体 の 作成方法については多 くの研究者に よって提案されてお り,その主な方法を列記す ると以下 の ように分析 される1).

1) PW法 (Pluviated through Watermethod)

脱気 した砂をスプ‑ソで脱気水中に落下させて供試体を作成す る方法.

2) PA法 (Pluviated through Airmethod)

フラスコ内の乾燥砂を空中落下 させて供試体を作成す る方法で,密度は落下高, フラス コの口径で調整す る.

3) MT法 (MoistTapping method)

含水比を8%に調整 した砂を,直径 3cmのタソパーで各層の密度が一定になるように 6屑に分けて突 き固める方法.

4) HV法 (High Frequency Vibration method)

含水比を8%に調整 した砂を,円柱形のおも りを乗せてバ イブレーターで 100cpsの振

* 土木工学科 助手

原稿受付 昭和62年9月29日

動を加えなが ら所定の密度に締め固める方法.

5) DT法 (DryTappingmethod)

秤量 した乾燥砂をモール ドに入れて,モール ドの周囲に振動を加えて所定の密度に締め 固める方法.

上記の供試体作成方法の他に,三浦,土岐2)が開発 した MSP法が提案 され,現在でも用 い られている.

このように,様 々な方法に よって砂の供試体は作成 されているが,作成方法の違いが原田 となって実験結果に誤差が生 じるもの と考えられ る.そのため,実験結果に対する供試体作 成方法の影響について検討す る必要がある. 供試体の作成方法は,Oda3)や Ladd4)が述べ ているように,供試体の初期構造に大 きな影響を及ぼす ことが明 らかにされている. また, Seedら5)は動的せん断特性について供試体作成方法の検討を行ない, 作成方法に よってか な りの違いのあることを確認 している.

そ こで本研究は,簡単に均質な供試体を作成す ることのできるCH法 (ConicalHopper method)を提案するとともに, DT法 より得 られた供試体を用いた三軸圧縮試験結果6) と の比較,検討を行なった.

2.CⅡ 法 と CH 法 に よ る供 試 体 作 成 方 法

2‑I CH法 (ConicalHoppermetI10d)

CH法は,図‑ 1お よび図‑ 2に示す落下装置 とフィルタ‑を用いて乾燥砂をモール ド内 に空中落下 させることに よって,

供試体を作成する方法である.

この方法の特長は, フィルタ ーの口径 と数を変 えることに よ って,供試体 の相対密度を任意 に変 えることがで きることであ る. また,落下させる砂の量 と 落下高を一定にしてお くことに より,実験者 の個人誤差を最小 限に低下させ ることが可能であ

る.

落下装置は,円錐形の漏斗 と プラスチ ックの円筒 よ りで きて お り, フィルターホルダーに よ りフィルター と接続できるよう になっている.また, フィルタ ーはアクリル板を加工 して作成 し, フィルターの穴の数お よび 配置は次の条件に したがって決 定 した.

ト^且｣

tlnit:Allt Fig.1 PluviationApparatus(ConicalHopper)

供試体作成方法と飽和砂のせん断特性に与える影響

まけ ^{A A}

≡ 二

= ̲

129

Fig.2 PluviationApparatus(Filter) 1) 砂の通過断面積を一定にす る.(Ar‑30%〜35%)

Ar‑(Al/A乞)×100(%) Ar:面積比

Al:通過断面積 (mm2)

A2:フィルター全断面研 (1963.5mm乞) 2)穴は軸対称に配置する.

2‑2 CII法の検定

cH法の有効性を検討するために, フィルターの口径をノミラメーターに した ときの相対密 度 と落下高の関係および相対密度 とフィルターの口径の関係を調べた･ ⊥･

図‑ 3は,落下高を 50mm か ら150mm まで変化 させた ときの,相対密度 と落下高の関係 を示 した ものである.図に示す ように,相対密度は落下高が増加す るにしたがって, フィル ターの口径に関係な くわずかに増加す る傾向を示 している. しか し,検定試験 より得 られた 相対密度の差は,2%以下であったので実用上ほ とんど無視す ることのできる誤差であると

0800hU80hu98‑6LLl122(Z)三三!suaoaA].7efaZZ

‑ 0‑ 0‑ 0‑

I

l l

d 4‑

I ‑

A

‑

d7 ^▲一□‑

ト

▲ ll

▲ ‑1 ▲ ̲ ‑ ▲

‑

d9‑ ロ‑ ロl‑ □‑l ロlー

t l

D 25 58 75 1CD l25 150 Tllghto EFzlll lr (= )

Fig.3 Relative densitiesofpreparated

CUe5<uo∧unU▲Unl▲UhU900765432(i)JCL二SUga4eLO!l

● 日昌50mm O H=100mm

＼

ヽiヽ

i＼ ＼

＼

ヲ＼｡､ ヽ

o l 2 3 4 5 6 7 8 9 10 FHterDlaneler A ( M )

Fig.4 Variation ofrelative density of sand undervariouscombinationsof preparatedsandwith丘Iter diameter Glterdiameterandhigh toffall

Table1 RelativeDensityachievedbyCH methodunderfilterdiameters of3mm to9mm andheightoffallof50mm to150mm

考 えられる.表‑ 1に今回行なった検定試験結果を示す.

落下高50mmと100mmの ときの相対密度 とフィルタ‑の関係を,図‑ 4に示す.相対密 度は, フィルターの口径の増加にともなって低下す ることが,図 より明 らかである. さらに, 相対密度の低下の煩向は,次式 によって近似す ることができる.

Dr‑(2.1/d)x100 (2) Dr:相対密度 (%)

d:フィルターの口径 (mm)

2‑3 CII法による供試体作成方法

今回の実験に用いた試料は,新潟県中蒲原郡黒崎町において採取 された砂で,粒度分布及 び物理的性質は,図‑5お よび表‑2に示す とお りである.

Table2 IndexPropertiesofPreparatedsand D50(mm)D60(mm)ID30(mm)I Uc

0.3310.35 1 0.14 1 2.188

hu爪じれU0nU0l‖U∧∪98‑65132

7忘!aH^q･Zauごー

一

0.01 tl.05 0.1 0.5 1.0 2.03.8 GrainSiヱe ( nh )

Fig.5 Grainsizedistributioncurveofsoilsample

供試体作成方法と飽和砂のせん断特性に与える影響 実験用の供試体は本研究で提

案 したCH法に より作成 した.

以下,その手順を示す.

1) 落下装置およびフィルタ ーを,図‑ 6に示す ように, 供試体作成用モール ドに接 続す る.

2) コニカルホ ッパーに所定 の乾燥砂 (質量300g)を入 れる.

3) サ ン ドス トッパーを押下 げてモール ド内に試料を自 由落下 させ る.

4) 試料が完全に落下 した ら 落下装置 とフィルターを取

りはず し,受け皿に残 って いる試料の質量を測定 し, 供試体の質量を求める.

5) フィルター等を取 り外 し た後,ス トレーエ ッジを用 いて供試体端面の整形を行 な う.

6) 供試体に負圧を作用 させ て自立 させ,モール ドを取

り外 し寸法を測定す る.

今回の実験に使用 した供試体 は,落下高Hを100mmとして 作成 した ものである.

131

Fig.6Typicalpluviation mannerin triaxial specimen

3. 実験結果お よび考察 3‑1排水せん断試験

3‑1‑1応力比一軸ひずみ関係

初期有効拘束圧(o･'C)が50kPaで相対密度 (Dr)を50%と70%に変化 させた ときの,CH

法 とDT法に よる応力比 と軸ひずみの関係を 図‑ 7に示す. 図 より明 らかであるように, 軸ひずみの増加に ともな う応力比 (ワ)は,CH法に よって作成 された供試体 の方がDT^法

によって作成 された供試体 よりも,最大応力比 (ヮmaⅩ)お よび終局強度 ともに大 きくなって いる.またこの憤向は,相対密度に依存 していないが相対密度が低いほど著 しくなっている ことがわかる. さらに,応力比一軸ひずみ曲線の初期勾配は,CH^{三法の方が}DT^{法に比べて}

大 きくなる傾向を示 している.

86420864211111.000O

kOe∝SSaJ一S

l‑ 0l

o/

.IO;J' 一●

● 首●l■ 01

●

̲ . ̲ ● 一 一 ● ‑ ● ‑ ●

′

♂′° ‑ 50 kPa t)r ‑ 5 0 %

I

00▲ く1 ^{l ○ ct● DlT methodtmethodl ー}

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Axial Strain ca (Ⅹ )

864208641.1.1.1.10'O0

aOe出SSaJ一S

l t L A , , A i ̲ A . ‑ i . . A ‑ , 長 軸 二 ま

〟 ′ ′

∫ i

/

Al

▲ A

▲l A■

▲l

A Q/C ‑ 5 0 kPa

I

▲1 A) 千 (

A Dr ‑ 7 0 % ‑

△ cH rlethod

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Axial Strain 丘a (.A) Fig.7Typical stress ratio･axialstrain behaviour inCID tests

上述の傾向は,本研究で採用 した他の初期有効拘束圧お よび相対密度においても認め られ, 相対密度が低いほ ど著 しくなることが明 らか となった.以上のことか ら,CH法によって作 成 された供試体の方が,DT法によって作成 された供試体に比べて均質であると考えられる.

また,相対密度が低い場合ほど実験結果に与える供試体作成方法の影響が大 きくなるものと 考 えられる.

3‑1‑2体積ひずみ一軸ひずみ関係

図‑ 8は,初期有効拘束圧が50kPaで相対密度が50%お よび70%における軸ひずみ と体

it ヽノ

>

tI)

u!e1一SU二一atmtOA

1 (a)

′0 /○ノ ′●,d'1′●′0●

0 1 . 0 ‑ e ^{● . ●} ‑ ● : ' o '

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Axial Strain Ca ( ‡ )

u!e1一SU!J一a∈コtO>

0 2 4 6 8 10 12 14 16

AxialStrain ca ( ‡ ) Fig.8Typical volumetric strain･axialstrain behaviour inCID tests

供試体作成方法と飽和砂のせん断特性に与える影響 133 横ひずみの関係を示 した ものである.国中,体積ひずみは圧縮側を正 としている.せん断の 進行に伴 って発生す る体積圧縮塁は,CII法の方がDT法に比べて大 きくなることが図 より 明 らかである.また,体積ひずみが圧縮領域か ら膨張領域に移行す るときの軸ひずみの値は, 供試体の作成方法 の違いに関係な くほ とん ど同じであ り,膨張傾向はCH法 の方が著 しいこ

とがわか る.

上記の供試体作成方法の違いによる体横ひずみ特性の違いは,供試体の均質性 の違いに よ って生 じるものであると考えられる. したがって,CH法によって作成 された供試体の方が 均質であ るために,体積膨張特性が著 しくなっているもの と考 えられ る.

3‑1‑3内部摩擦角 (声J)

(6'./q3')maxに対応す る内部摩擦角 と相 ｡,0 5｡

対密度の関係を図‑ 9に示す. ここで内部 摩擦角は,破壊包絡線が原点を通 るものと

して次式 より求めたものである.

sin如 ‑3×M/(6+M) (3) ここで M‑?,ワニq/p′ とす る 図に 示す ように, 内部摩擦角 (Qd) 紘 相対密度の増加に伴って直線的に増加 し,

CH法の方法がDT法に比べて30‑40大 きな値を示 している.同様の実験結果が, 三浦,土岐2)の研究によっても得 られてい る. このことは,均質な供試体ほどせん断 強度が大 きくなることを示 しているものと 考え られ る.

.3‑2非排水せん断特性

3‑2‑1有効応力経路

図‑10は,初期有効拘束圧 50kPa,相対 密度50%における非排水せん断時の有効応 力経路を示 したものである. ここでqは主 応力差 (q‑q'1‑0'3),p'は有効平均主応 力 (p′‑(q'1+0'8)/3)を示す.

有効応力経路は,せん断の初期において

q/q'Cの増加に伴 って p'/q'Cが低下 し, 変相点を境に して q/〆Cおよび pソ♂'Cが 増加 してCriticalStateLineに到達す る.

また, ここでは初期有効拘束圧 50kPaの 場合のみを扱 ったが,有効応力経路は初期 有効拘束圧の大 きさに関係な くほぼ相似形 をなし,相対密度の増加に伴ってq/q'Cの 低下が小 さくなることが明 らか となってい

0043

83uetS!SauleatlSJOat叫uv

Y.I.a10.; ..

/

.

.

10 30 50 70 90

RelativeI)ensHy Dr (‡ )

Fig.9 Relationshipbetween9〜dandDr

1.5

ヽU

〜

‑､1.0 tl

6Dr'C‑ 50 kt; 50 %Pa. ♂

● DT‑ ⁰‑3⁰/^0.//^.

O CtlrICthod

〜,合㌶●o;'

㌔⁰●

J ,61'

‑Q〜0◆q5 '...

C3 ヽ

㌔ oヽ

J ヽ●

̀ヽ

㌔ olt 3

さI

●

i

0 0.5 1.0 1.5 p'/ q'c

Fig.10 Typical effective stress paths

inCIUtests

る6)7).

3‑2‑2応力比一軸ひずみ関係

図‑11は,非排水せん断試験 における応力比 と軸ひずみの関係 (♂'C‑50kPa,Dr‑50%,

70%)を示 した ものである.図に示す ように,CH 法に よって作成 された供試体 の方がDT

法に よって作成 された供試体に比べて,最大応力比 (ヮmax) お よび終局強度 ともに大 きな値 を示 している. しか し.応力比‑軸ひずみ曲線の初期勾配は,供試体作成方法に よる大 きな 相違は認め られず, この傾向は相対密度を変 えて も同様であ り,本研究で採用 した他の拘束 圧 においても認め られた.前述 した排水せん断試験においては供試体作成方法の違いによる 初期勾配の相異が明確に表われたのに対 して,非排水せん断試験において相違が表われない 原因 としては,非排水せん断試験は等体積せん断であるのでせん断の初期においては,供試 体の均質性の影響が小 さい ことが考えられ る･

0 2 4 6 8 10 12 14 16 A'xial Strain ea ( Ⅹ )

1.8 1.6 1.4 1.2

0864210000

0e∝ssaごS

L 一 一 ム llLlr ー ム ー

A I ̲ 三 ‑ . ‑ . ‑ ム ‑. ー ‑ . ム ー ‑ . . . ‑ A A

ム ▲

/′

/

ム▲ i^I/

A1

▲A1I

▲A▲ (AlII

4'C ‑ 5 0kPa Dr三; 7 0 %

△ cR Llethod

b) ▲ DTqethOd

0 2 4 6 8 10 12 14 16 Axial Strain ca ( .i )

Fig.llTypicalstressratio･axial strainbehaviourinCl^{t ft}ests

3‑2‑3間隙水圧比一軸ひずみ関係

間隙水圧比 (Au/d'C)と軸ひずみの関係 (q'C‑50kPa,Dr‑50%,70%)を図‑12に示 す.せん断に伴 って発生す る間隙水圧比は,相対密度の増加に伴 って低下す る傾向を示 して お り, この傾向は初期有効拘束圧および供試体作成方法の違いに無関係であることが,図 よ り明 らかである. しか し,最大間隙水圧比 (Au/q'C)^ma王は,CH 法の方がDT法に比べて 大 きくなることが認め られた. また,間隙水圧比が圧縮領域か ら膨張額域に移行するときの 軸ひずみは,体積ひずみの場合 と同様に,供試体の作成方法に無関係であることがわかった･

さらに非排水せん断時の膨張傾向は,相対密度(Dr)が50%以下の場合,CH 法の方が著 しい傾向を示すのに対 して,70%程度になると供試体作成方法に よる相違はほ とんど見 られ ない. したがって非排水せん断時の間隙水圧比特性に与える供試体作成方法の影響は,相対 密度が増加するほ ど小 さくな り,特に膨張領域ではその影響がほ とんどない ものと考 えられ

る.

供試体作成方法と飽和砂のせん断特性に与える影響

0 2 4 6 8 10 12 14 16

AxialStrain ea ( 苫 )

135

I

(b) 4'C ‑ 50t(Pa.

九㌔●ヽヽ

●〜

0 〇 号 ､ I

●

0 2 4 6 8 10 12 14 16

AxialStrairL Ca ( 'L )

Fig.12 Typicalporepressure･axialstrain behaviourinCIU tests

3‑2‑4内部摩擦角

排水せん断試験の場合 と同様の方法で求 めた内部摩擦角 (￠') と相対密度の関係を, 図‑13に示す.内部摩擦角は,供試体の作 成方法の違いに関係な く相対密度の増加に 伴 って直線的に増加する憤向を示 している.

また,CH法によって作成された供試体は,

DT法に よって作成 された供試体に比べて 30‑40大 きな内部摩擦角を有 している.

さらに,Qd と ￠′を比較 した場合, ddは 相対密度の大 きさに関係な くd'よりも約20 大 きな値を示 している. しか し Bjerrum

ら8)が述べているように,実用上は ￠dとU は等 しい として問題ない もの と考え られる.

000543

､QBut)e一StSaaJeansJOatBuv

一■一′ 0.‑

‑ ′ 一0 .I .63/‑ Ot /

O Ctlmethc.d

10 30 50 70 90

Relative Density Dr (‡ )

Fig.13Relationshipbetweend'andDr

4.結 論

今臥 砂を用いた供試体の簡易作成法 としてConicalHopper法を提案 し,その実用性 を検討す るとともに,供試体の作成方法が実験結果に及ぼす影響について比較,検討を行な った.その結果を以下に示す.

1) ConicalHopper法を用いた場合,供試体の相対密度はフィルターの口径に よって任 意に決定することが可能であ り,得 られた結果は良好であった･

2)せん断特性を 比較検討 した結果 CH法に よって作成 された 供試体は,DT法に よっ て作成された供試体に比べて,均質であると考 えられる.

3) 飽和砂のせ ん断特性 に与 える供試体作成方法 の影響は,供試体 の初期構造 によるもの が最 も大 きい と考 え られ る.

謝 辞

本研究を行 な うにあた り長 岡技術科学大学 小川 正二教授,亀井 健史助手 の御助言, 御指導を得た ことを ここに感謝致 します. また,実験装置の製作お よび改良においては和 田 技官 の御協力を得た ことを, ここに感謝致 します.

参 考 文 献

1) 右脇 茂,書見台昭,時松孝次 :砂の液状化抵抗 と初期剛性の関係,第14回土質工学研究発表会, 1969.

2) Miura,T.andToki,S.:A SamplePreparationMethodandItsEffectsonStaticand CyclicDeformationStrengthPropertiesofSand,SoilsandFotユndations,γol.22,No.1, pp.61‑77,1982.

3) Oda,M.:InitialFabricsandTheirRelationstoMechanicalPropertiesofGranular Material,SoilsandFoundations,Vol.12,No.1,pp.17‑36,1972.

4) Ladd,R.S.:PreparingTestSpecimensUsingUndercompaction,GeotechnicalTesting Journal,ASTM,γol.1,pp.16‑23,1978.

5) Muliris,J.P.,Chan,C.K.andSeed,H.B.:TheEffectsofMethodofSamplePrepa･

rationonCyclicStress･Strain BehaviourofSand,ReportNo.EERC 75‑18,Univ.of Carifornia.

6)常田 亮 :伸張領域における飽和砂のセン断特性,長岡技術科学大学修士論文,1982.

7) 常田 亮,小林正二,亀井健史 :低拘束圧下における飽和砂のせん断特性,長岡技術科学大学研究 報告,γol.9,pp.35‑42,1987.

8) Bjerrum,L.,S.Kringstadand0.Kumeneje:TheShearStrengthofFineSand,Proc 5th,ICSMFE,γol.1,pp.29‑37,1961.