圧密に伴う粘土の強度増加に関する研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

圧密に伴う粘土の強度増加に関する研究

梅崎, 健夫

https://doi.org/10.11501/3081243

圧密に伴う粘土の強度増加 に関する研究

�I乙J五乙7壬1三 ¹ J=J

字毎 H碕 ^伝主主 三た

目次

第1章 序論

1 . 1 研究の背景と目的・・

1 . 2 圧密および非排水強度に関する用語の定義・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3

1 . 3 既往の研究・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 5

1 . 3 . 1 正規圧密線上にある粘土の非排水強度・・・・・

1 . 3 . 2 圧密過程における粘土の強度増加・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 6

1 . 3 . 3 一次元圧密理論における粘土骨絡の構成関係・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 9

1 . 4 本論文の内容と構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 12 参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 15

第2章 圧密に伴う軟弱粘土地盤の貫入抵抗の増加特性 ¹⁹

2. 1 序説・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 19

2 . 2 軟弱粘土地盤の圧密 ・ 貫入試験装置の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 20

2 . 2. 1 試験装置の概要および特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 20

2 . 2. 2 試験装置の検定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 23

2 . 2 . 3 試料および試験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 33

2 ^. 3 軟弱粘土地盤の圧密挙動と貫入抵抗の増加特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 36

2 . 3 . 1 軟弱粘土地盤の一次元圧密挙動・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 36

2 . 3 . 2 軟弱粘土地盤の貫入抵抗の増加特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 43 2 . 4 結論・・・・・・・・・・・・..'・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 50 参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 52

YEEa

第3章 一次圧密過程における粘土の強度増加特性 ⁵⁴ 3. 1 序説・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 54

3 . 2 間隙水圧制御装置の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 58

3 . 2 . 1 間隙水圧制御装置の原理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 58

3 . 2 . 2 セラミックディスクの選定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 58

3 . 2 . 3 一次圧密過程における粘土の三軸圧縮試験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 62

3 . 3 正規圧密線上にある粘土の非排水強度特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 65

3 . 3. 1 正規圧密線 ・ 破壊線および非排水強度線・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 65

3 . 3 . 2 強度定数および強度増加率・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 68

3 . 4 間隙水圧制御装置を用いた圧密試験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 71

3 . 4 ^. 1 間隙水圧と体積ひずみの経時変化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 71

3 . 4 . 2 圧密過程の状態経路・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 71

3 ^. 4 . 3 圧密度・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 74

3 . 5 破壊線 ・ 強度定数および強度地加特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 76 3 . 5. 1 破壊線および強度定数・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 76 3 . 5 ^. 2 圧密度と強度増加・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 82 3 . 5 . 3 間隙比の減少量と強度増加・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 82

3 ^. 6 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 87 参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 88

第4章 一次圧密および二次圧密過程における粘土の強度増加l特性 ⁹⁰ 4 ^. 1 序説・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 90 4 ^. 2 K 0圧密・ 平面ひずみ三軸試験装置の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 93

4 . 2 . 1 既往の試験装置の概略・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 93

4 . 2 . 2 開発した試験装置の原理と特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 94

4 . 2 ^. 3 試料・ 供試体および試験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 98

4. 3 K 0圧密・ 平面ひずみ状態における粘土の強度増加特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・102

4 . 3. 1 圧密過程における K o値の変化・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・102

4 . 3 ^. 2 圧密過程の状態経路と破壊線・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・102

4 ^. 3 . 3 圧密度と強度増加・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・105

4 . 3 . 4 間隙比の減少量と強度増加・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・108

4 . 4 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・110

参考文献・・・・・・·· · · . · · · . . · · · · 111

第5章 圧密に伴う粘土の強度増加の評価法 ¹¹⁵

5. 1 序説・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・115

5 . 2 換算圧密応力に基づく強度増加の評価法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・119

5 . 2. 1 圧密応力の評価一換算圧密応力一・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・119

5 . 2 . 2 圧密の進行の評価-圧密進行係数-・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・121

5 ^. 2 . 3 換算圧密応力に基づく強度増加の評価式・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・122

5 . 3 検証のための強度試験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・125

5 ^. 3. 1 試験の概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・125

5 . 3 ^. 2 評価法のパラメータの決定・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・127

5 . 4 室内土質試験に基づく提案法の検証・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・128

5 . 4 . 1 換算圧密応力の検証・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・128

5 . 4 ^. 2 計算結果と試験結果の比較・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・131

5 . 5 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・135 参考文献・・・・・・. . . · · · . . · · . · · · . . . · · . . . · · · . . . . · · · . · . · · · . . · · · · 137

第6章 盛土に伴う軟弱粘土地盤の強度増加 ¹³⁹

6. 1 序説・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・139 6 ^. 2 軟弱地盤対策のための築堤模型実験装置の開発・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・141

6 . 2. 1 実験装置が備えるべき性能と既往の実験装置の概略・・・・・・・・・・・・・・・・141

6 . 2 . 2 開発した実験装置の構成および特徴・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・142 6 . 2 . 3 試料および実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・146 6 ^. 3 盛土に伴う軟弱粘土地盤の変形挙動・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・153 6 ^. 3. 1 地表面の変形挙動・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・153 6 . 3 . 2 地盤内の変形挙動・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・155 6 . 3 . 3 盛土の施工管理・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・158

6 . 4 盛土に伴う軟弱粘土地盤の貫入抵抗の増加特性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・161

国 一

6 . 4 . 1 6 . ^{4 . 2}

軟弱粘土地盤の含水比および貫入抵抗・.. . . .・・・・・・・161 軟弱粘土地盤の貫入抵抗の地加と従来法の適HJ・.. . . .・・・・・・・・・164 6 . 5 結論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・166 参考文献・・・・・・· · · . . . . · · · . . · · · . . . · . · · · · . . . · · . · · . . . · · · 168

第7章 総括 171

謝辞 178

第1章 序 論

1 . 1 研究の背景と目的

我が国の沿岸部には軟弱な沖積粘土が広く分布している1). 2) これらは， 構造物の基礎 地盤としての支持力が小さく， 圧縮性が大きいために建設工事においては多くの地盤工学 的問題点を抱えている. 例えば， 軟弱粘土地盤上の盛土の築造においては， 盛土基礎地盤 のすべり破壊から築堤後長期にわたって継続する圧密沈下や側方流動などの地盤変状ま で，

多様な問題が生じS〉~5\ このうち築堤時に最も懸念される問題が盛土基礎地盤のすべり破 壊である. 一様な正規圧密状態にある軟弱粘土地盤における土のせん断強度は， 透水性が 極めて低いために， 通常， 非排水強度として捉えられる. 一方， 盛土基礎地盤の変形は圧

密とせん断が同時に生じており， 圧密の進行に伴う非排水強度の増加量の予測が大切とな る.

圧密に伴う粘土の非排水強度の増加を予測するための評価手法が幾っか提案されている 6) -1 2) これら既往の評価法は， いずれも強度増加率と圧密度に基づいて誘導されたもの

であるが， 後述するように， Terzaghi( 1924)， 三笠(1963)13)およびBjerrum(1967)14)のい

ずれかの圧密理論に立脚している. これらの一次元圧密理論は， 圧密過程をそれぞれ一次 圧密および二次圧密に区別してその一方を取り扱うものであり， 一次圧密から二次圧密ま でを統一して取り級ったものではない. したがって， 既往の評価法も同様の問題点を含ん でおり， 用いられている強度増加率と圧密度の評価にも問題点が残されている. 強度増加 量の不適切な評価のためにトラブルが生じた事例も多くl B〉， 精度良い評価法の擁立が強く

望まれている.

一方， Lowe(1974)16)， Leroueilら(1985)17)および今井ら(1989)18)の最近の研究により，

変形のひずみ速度依 存性を考慮、した一次元圧密理論が理論的 ・ 実験的に支持されてきてい

る. これらの理論は， 後述するように， 一次正統と一次LE慌の区別をすることなくu:_lff，t過 程を統一的に取り扱ったものであり， 圧密;挙動をより良く評価できるものである.

本論文は， まず， 一次圧密および二次庄密過松における粘土の強度地)JII特性を実験によ

り 明らかにする. 次いで， その成果と変形のひずみ述皮依存性を考慮した一次元f[情理論 とを結びつけることにより， 一次圧密および二次正悦j品位における*，Ij j-_の強度NI)JIIのJ、ドfdIi 法を提案したものである. そのために本論文では， 以下に示す5つの瓜11についてlリjらか にする.

( 1 )圧僚に伴う軟弱粘土地盤の貫入低!Jtの1\'1加特性を偵)�I�実験にl/;づいてlリjらかにす

る.

( 2 )一次圧密過程における粘土の強度増加特性を軟弱粘土地盤内の応ノJ状態を再現し

た三軸圧縮試験に基づいて明らかにする.

( 3 )一次圧密および二次圧密過程における粘土の強度地加特性を原位置の応力状態を 再現したKo圧密・ 平面ひずみ三軸圧縮試験に基づいて明らかにする.

( 4 )圧密に伴う粘土の強度増加の評価法の提案とその実験的検証を行う.

( 5 )盛土に伴う軟弱粘土地盤の強度増加と提案法の実際問題への適用の可能性につい て築堤僕型実験に基づいて検討する.

近年， 社会基盤の整備と都市の過密化や地価の高騰が相まって， 軟弱粘土地盤上にも重 要な構造物が建設されることが多くなっている. また， 最近のウォーターフロントの再開 発に伴う沿岸地域の埋立てや関西国際空港に代表されるような沖合い人工島の建設などが 進められており， 軟弱粘土地盤に対する地盤工学的アプローチの重要性が益々高まってい る. 本論文の内容は， これらの問題に対処するための基礎的研究でもある. ただし， 現段 階においては実際問題への具体的な適用については取り扱わず今後の検討課題としている.

1 . 2 圧密および非排水強度に関する用語 の定義

本論文では， 圧密および非排水強度に関する用語を次のように定義している.

①一次圧密過程:載荷により生じた間隙水圧が消散している圧密過程.

②二次圧密過程 戟荷により生じた間隙水圧が消散した後の圧街過程.

③圧密終了:一次圧密終了後も粘土の圧密は継続する(二次圧密) . 土質試験において は， 一定の基準に基づいて一次圧的終了後のある時点をlE術終了と定めて いる. 例えば， 標準圧密試験(試料厚さ: 2cm， 両面排水〉では24時間， 三 軸試験では3t法が一般的である.

④正規圧密線(N. C. L.) :圧密終了時におけるIIUI獄比(c)とイi効此�)J (p')の|刈係.

⑤正規圧密状態:過去において現在よりも大きな有効応力を経験したことがない状態.

⑤正規圧密粘土:正規圧密状態にある粘土. ⑦， ③， ⑨ともに正規圧密粘土である.

⑦正規圧密線上にある粘土:土質試験において一次圧密が完全に終了しその後二次圧也t を生じていない粘土.

⑧一次圧密過程における粘土:載荷により生じた間隙水圧が消散途中の粘土. いわゆる 未圧密状態の粘土.

⑨二次圧密過程における粘土:一次圧密終了後さらに二次圧密を生じている粘土.

⑩100指圧密:一般にはちょうど一次圧密が終了した時点を示す. 本論文では， 便宜的に 24時間もしくは3t法による圧密終了時点を100出圧密としている.

⑪圧密打切り:土質試験において圧密を任意の時間で取り止め， 非排水状態にすること.

⑫有効応力に関する圧密度(_u p)

U p = 1-(ムu/ ムp) = (p' -PO)/(PI- PO)， ここで， ムuは圧密応力増分(ムP = PI-PO) により生じた間隙水圧の残留分， POおよび:Plはそれぞれ応力増加前 ・ 後の圧密応力，

p'は任意の圧密時間における有効圧密応力である.

⑬ひずみに関する圧密度(Uε)

Uε = εV/εVl = (eO-e)/(eO-el)， ここで， εV 1は圧密応力Plによる100児圧密時の

体積ひずみ， εvは任意の圧密時間における体積ひずみ， e 0および、e 1はそれぞれ圧密応 力poおよひ�P 1による100%圧密時の間隙比， eは圧密応力Plによる任意の圧密時間におけ

円ぺU

る間隙比である.

⑭沈下量に関する圧密度( U _{s :} 平 均圧密度)

U s 二 S/Sl， ここで， Slは圧密応力Plによる100指圧密時の沈下量， Sは圧密応力Plによ る任意の圧密時間における沈下量である.

⑮非排水強度(Cu) : Cu = (σ1 -σ3)max/2， ここで， σ1， σ3はそれぞれ厳大， 最 小主応力であり， 任意の圧密時間において定義する.

⑬強度増加率(Cu/p) : 一般には圧密終了時における非排水強度(Cu)と有効圧密応 力(p' )の比であるが， 任意の圧密時間において定義する.

1 . 3 既往の研究

1 3 工E支見EE笹雪f殺長」二Uこ凌云るキ占二仁α〉

ゴド主ゴド71<ヲ盆居E 1

まず， 正規圧密線上にある 粘土(任意の圧密応力の下で一次圧僚が完全に終了し， その 後二次圧密を生じていない粘土)についての研究を取り挙げる .

軸対称三軸応力 状態において， 軸圧p， 側圧K・pで圧密が終了した飽和粘土の非排水強度 ( C^u) は_， 有効応力に 関する土質定数を用 い て次式の^よ う ^{に表される 111 )}

Cu

c， cosφ'+p {K+At(l-K)} sinゆ' 1+C2At-l)sinφ'

、、aノ-EEEA • -r，‘、

ここで， c' は有効応力に 関する粘着 力_， φ' は 有効応力に関する内部摩擦角， p は 鉛直正 密応力， K は 鉛直方向と水平方向の圧密応力の比(土庄係数) _， Atは破壊時の 間隙水圧係数

1 9)である .

正規圧密粘土では一般 に c'二Oであるので， この場合の強度増加率(Cu / p)は次式で表さ れる.

Cu/p 二

(K+AtCI-K)} sinφ' 1+ C 2A t一l)sinφ'

( 1. 2)

すなわち， 強度増加率は， 有効応力 に 関する内部摩擦角(ゆ')， 圧密履歴を表わす応力 比(K)， および土の構造を表わす破壊 時の間 隙水圧係数(At )の 関数として表される^{20 )}

中瀬ら2^{1 )は，} 塑性指数が異なる数種類の練返し粘土 に 対して， 圧密履歴(等方圧密およ びK o圧密〉 とせん断応力履歴・(圧縮試験および伸 長試験)の 異なる非排水三軸試験を行い，

強度増加率が圧密履歴とせん断応力履歴 に 大きく影響されることを示している. また， 内 部摩擦角(ゆ， )および破壊 時の間隙水圧係 数(At )が塑性指数(I ^p )と直線関係 に あるこ

とを示すとともに， この関係と実演IJの土圧係数(K)を用いれば強度増加率(Cu/p)を

phd

(1. 2)式で評価できることを報告している.

また， 藤川ら22 )は強度増加率(Cu/p) が塑性指数(1 ^p) ， 液性指数(I ^L )および鋭敏比 (St)の関数で表されることを報告している.

一方， Schofieldら23 )は， 等方圧密応力(p) を受けて正密が終了した(二次Hft討を無税 した)飽和粘土の非排水強度(Cu) をCam-clayモデノレ24 )に基づいて次式のように与えてい る.

Cu ( M/2) ・exp { 一(1 - κ/え) } ・p ( 1. 3)

ここで， Mは限界状態線の傾き， κ=0.434Cs (Cs:膨削指数)， À -0. 434Cc (Cc:正紛指 数) ， pは等方圧密応力である.

(1. 3)式は非排水強度が圧密応力に比例することを示しており， このことがMayne25)による 既往の試験結果の整理によって確かめられている. しかしながら， この関係は圧密応力が 異なる正規圧密線上の粘土(異なる正街応力で一次11.憎が完全に終了し， その後二次正似 を生じていない粘土)の相互関係において成立するものであり， 後i&するように， 一般に は一連の圧密過程において強度増加率は一定ではないことが本論文により示される.

1 3 2 EE空告示品毛呈Uニオ0':7之主手占二1:::. OJ

ヲ盆犀E持寄力口

圧密過程における粘土の非排水強度の増加量(8. Cu) を評価するために従来より提案さ れている方法6い1 2 )は， いずれも以下に示す一般式の形で表されており， 強度地)JII 率とLf 密度に関する評価法に集約される.

8. Cu = Cu t - Cu 0 二(Cu/p)・ムp・U ( 1. 4)

ここで， ムpは載荷による応力増分， Cu tは応力増分ムpの下での任意の圧密時間tにおけ る非排水強度I Cu 0は載荷前の非排水強度， Cu/pは圧密終了時の強度地加率I Uは庄密度で ある がI (1.4)式 が成り立つための前提条件は， (Cu/p)が一定であることと， 応力と関連づ けられた圧密度を用いることである.

一般に圧密過程が一次圧密と二次圧密に分けて論じられることから， 非排水強度の増加 に関する研究も一次圧密過程6)- 9)と二次圧密過程1 1) - 1 2). 26)に分けられ， ほとんどの研 究がどちら か一方を取り扱ったものである.

( 1 ) 一次圧密過程における粘土の強度増加

先駆的研究として赤井27 )の研究がある. 赤井は， 等方圧密過程において異なる圧密度を 有する不撹乱および練返し粘土に対して三軸圧縮試験を行い非排水強度を求めている. そ の結果， 圧密途中の粘土の非排水強度はその時の有効応力に対応する圧密応力で一 次圧密 が終了した粘土のそれと同等であり， log t法により 求めた圧密度(U)と非排水強 度(Cu) の間に U-log Cuの直線関係が成り立つことを示した. ただし， 一 次圧密過程における間|球 比(e)と有効応力 (p' )の関係は常に正規圧密線上に沿って変化することを前提としてお り， また， 圧密度 (U)は， U = (eo - e)/(eo - el) = (p' - PO)/(Pl - po) = 1 -(u/uo) と定義している.

その後， 一般に圧密度は応力に関する圧密度 (Up)とひずみに関する圧密度 (U_é )に分 けて 考えられるようになったが， やはり e-log pの直線関係を前提に して圧密途中の Upは

Uεより常に遅れて生じ， その遅れは荷重増加率(ムp/p )に依存すると型解されている 2 8 )

不撹乱粘土に対する研究に高山9 )の研究がある. 高山は， 一次圧密過程の非排水強度を 評価するためにせん断強度の増加割合(Uτ= (Cu - CUO)/(CUl 一 CUo)) を定義した. これ はせん断強度に関する圧密度を定義したものと考えることができる. 円筒容器(内径7.5 crn ， 高さ1 0crn， 20crn ) 内で一次圧密過程にある試料を切り出して非圧密定体積一面せん断 試験を実施した結果から， UτとUpを関係づける実験式を次式のように与えている.

Uτ= 1 - (1 - ^{Up)l/n ( 1. 5)}

ここで， nは 実験 定数であり， 練返し粘土に対しては n= 1， 不撹乱粘土に対してはnニ2

"'6としている.

さらに， 一次圧密過程の強度増加率((CU/p)t)として次式 を提案している.

(Cu/p) t = (Cu/p)・(Ur /Up) ( 1. 6 )

作i

すなわち， 一次圧密過程の強度増加率は， 練返し粘土の場合は一定であるが， 不撹乱粘干 の場合は一定ではないことを示している. ただし， 有効応力は， 間隙水圧を直接測定して 算定したものではなく ， 一次圧密過程における含水比(間隙比〉と 有効応力の一義性を仮 定 して供試体の 含水比から推定されている_. (1. 5)式の実験定数nの値には幾らか検討の余 地があるように思われるが， 一次圧密過程における含水比の減少星と非排水強度の増加量 の関係など興味深い結果が数多く示されている.

( 2 ) 二次圧密過程における粘土の強度地lJJ

練返し粘土の長期圧密を対象とした安原ら 1 1 ). 1 2)の研究と自然地盤を対象とした半ð�

2 9 )の研究が挙げられる.

安原ら 1 1 )_. 1 _{2 )}は， 圧密応力P 0， 含ノk比Woの正規圧白線上の点( u引出Lけから正信此;ノJ 定のままで含水比Wl (時間tl)まで長期j庄復された飽和粘土に対して， 村上3 0 )が示した凡 かけの先行荷重を適用することにより， このときの強度増加率(CUl/PO)と非排水強度

(CU1)をそれぞれ次式のように求めるとともに， 等方圧密 ・ 三軸圧縮試験の結巣により鎚 案式の妥当性を検証している.

CUl/PO 二(CUO/PO)・(tl/tO)R ， R ⁼ Cα/Cc ( l. 7)

Cu 1 = Cu 0・exp [ {G s・( Wo - Wl)} /43.4・CcJ ( 1. 8)

ここで， Cαは二次圧密係数， Ccは圧縮指数， Cu 0は含水比WOの時の非排水強度， Gsはー 粒子の比重である.

半沢2⁹ )は， 時間効果を受けた自然地盤の非排水強度を①一次圧密によ る強度増加， ②二

次圧密による強度増加， ③化学的結合作用による強度増加lの3つの要因に分けて評価して いる. すなわち， 強度増加率が， 有効土被り圧に依存するのではなく， 圧密時間に依存す るとして31\時間効果を受けた自然地盤の非排水強度を一次圧密のみを受けた粘土の強度 増加率と圧 密降伏応力を用いて評価するための手法を提案している.

( 3 ) 一次圧密および二次圧密過程における粘土の強度増加

二次圧密を含む全ての圧密過程を対象とした研究に外崎ら 1 0)の研究がある. 外崎らは，

一次元圧密における体積ひずみ( ð.ε〉は平均 有効主応力(σm)の増加による体積ひずみ (ð.εm)と負のダイレイタンシーの時間依存性による体積ひずみ(ムεd)の和であると

しS2) S S}， 体積変化に寄与する有効応力を等価有効応力(σe )と定義した. さらに， 等 価有効応力を用いた圧密度(Ue)を次式のように定義している.

Aε σ" - σe 0

Ue 二 一一一一= (1.9)

ムεm I σm I - σe 0

ここで， ムεmlはAεmの収束値， σmfはムεmlの時の平均有効主応力， σe 0およびσ.

はそれぞれ圧密前および任意の圧密時間における等価有効応力である.

等価有効応力を用いた強度増加率( CU/σe )は圧密履歴や圧密時間に依らず一定であるこ とS S)， Ueは二次圧密過程においてUe孟lの値となり二次圧密を含めた全ての圧密過程にお ける強度増加量を評価できることを示している. ただし， 外崎らも一次圧密過程における e-log pの直線関係を前提としており， また， ðεmlを厳密に求めることは困難であり経験

式により算定するとしている.

1 3 3 一ー と欠ヨ-cEE答ラ玉里言命Eニヰ0'7る牢占」一 手守牟各OJキ持見文I英Jfj長

圧密理論をその中で用いられている粘土骨格の機成関係(圧街過程における応力 ・ ひず み ・時間関係)の違いにより分類することができる. そして， 圧密過程における粘土の非 排水強度の評価法を合理的に誘導する場合にはこの榊成関係の評価がたいへん重要である.

Leroueil17)ら， 今井S .0およびTangS 5)は， 一次元圧密理論における粘土骨格の構成関係

を整理し， その要点を的確にまとめている. これらの文献を引用してその変遜と現状を概 観する. 圧密過程における粘土骨格の構成関係は， _Table 1.1に示すように， ①時間非依存 性の構成関係(弾性および塑性変形を表す)と②時間依存性の構成関係(粘性およびクリ ープ変形を表す)に大別され， さらに， 時間依存性の構成関係は3つのタイプに細分類さ れる.

( 1 ) 時間非依存性の構成関係

まず， 時間非依存性の(1)式であるが， これは当然のことながら一次圧密過程のみを取り 扱うものであり， 圧密過程における間隙比(e)と有効応力(p' )の一義性を意味している.

このタイプの圧密理論の代表はTerzaghiモデルである. 体積ひずみ〈ε〉と有効応力増分

Table

Comparison of different constitutive models

Time -independent type Time-dependent type e=f( p/)

e=f( p/， t)

- ・ ・ - - - ー ー ー ー ・ーー ー ー -ー ー ー ・ ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ー ーー事

e=f(色，

1， P 1)

e=f(色，

(ムp' )の聞にε=mv. ，6p'の関係を用いている mvは体積圧縮係数と呼ばれ， 比jーな�lli 土ではmvは定数として扱われるので， Terzaghiモデルは線形弾性理論(今井3⁴ )は 正確に は見かけの線形弾性と述べている〉である. これに対し， m vの有効応力依存性を考慮した 非線形(見かけの非線形)の圧密理論として， lanbu3G)， Davis37)および三笠1 3 )のモデル が挙げられる. このうち， 三笠モデルはc-log p'の直線関係を川いたものである.

1. 3. 2で概説した一次圧密過程における粘土の強度増加に関する既往の料価法6)-引

はすべて三笠モデルを踏襲している.

( 2 ) 時間依存性の構成関係

( 2)式の構成関係は圧密過程における間隙比(e)が有効応力(p' )だけでなく圧街時間 ( t)にも依存することを表したものであり， 二次LE訟を取り倣ったモデルの代表として

Bjerrum14)のモデルが挙げられる. Bjerrumは， (2)式の機成関係を川いて二次IE密とその 影響を的確に説明し， その後の圧密研究の艇を築いた34 ) また， Koppejan3 8)， lIanscn31!)，

Gerlanger40)およびMesri41)も(2)式の摘成関係を川いている.

1. 3. 2で概説した安原ら1 1 )^{. 1} 2)および半沢2₉ )の評価法はBjerrumモデルを踏襲たも

のである. しかしながら， (1)式および(2)式の構成関係は， それぞれ一次圧密および二次 圧密を区別して取り扱うものであり， いわば “古典的な圧密理論" である .

一方， (3)式および(4)式の構成関係は一次圧密と二次圧密の区別をすることなく， 圧密 過程における時間依存性の変形(粘性およびクリープ変形)を評価することができる. い わば “新しい圧密理論" であり， 最近の圧密理論の主流ともいえる. ただし， その起源、は 意外に古く， 1940年にはTaylor42)らが(3)式の構成関係をレオロジーモデルとして提案し ている. (3)式の構成関係は圧密過程における間隙比(e)がその速度(ê二 一de/dt)， 有 効応力(p' )および有効応力の速度(

p

そして， (4)式の構成関係は正密過程における間隙比(c)がそのよ生皮(êニ ーdc/dt)お よび有効応力(p' )の関数であるとするものであり， このうち， lIawleyら<1 3)のモデルは，

レオロジーモデルを用いずにBjerrulIlモデルを発展させたこと， 粘土層全体に対してではな く， 骨格点(粘土層内の分割要素ごと)の構成関係という認識を明確にしたこと， 一次庄 密と二次圧密の区別をしなかったことが画期的であると今井は評価している3<1 )

さらに， (4)式の構成関係を理論的 ・ 実験的に示したものとしてLowe1S)， Leroueilら17 )

および今井ら18 )の研究が挙げられる. Loweは動水勾配一定の圧密 試験により ， Leroueilら は段階載荷および定ひずみ速度圧密試験とクリープ試験により， 今井らは分割l型圧密試験 により(4)式の妥当性を検証している. 特に， Le roue i 1らおよび今Jt・らの研究は， 圧密過極 における間隙比(e)が有効応力の速度(

p

圧密過程における間隙比と有効応力の関係は正規圧省線から上方に逸脱した経路を辿るこ とを示した.

一方， 吉国<1<1 ). <1 5)は， 多くのレオロジー特性を総吊したうえで， (3)式の榊成関係を誘

導し， 除荷時の挙動や応力緩和挙動を説明できるモデルを提案している34 )

本論文の主要な目的は一次圧密から二次圧密までの全ての圧密過程における粘土の強度 増加の評価法を提案することである. そのためには， 最近の圧密型論の主流である変形の ひずみ速度依存性を考慮、した一次元圧密理論に着 目しており， 圧密過程における粘土骨格 の構成関係としては， (3)式よりも簡単であり， 詳細な実験により検証されている(4)式を 支持する立場を取っている.

1 1

1. 4 本論文の内容と構成

本論文は， 次の7つの章から構成されている.

第1章 序論

第2章 圧密に伴う軟弱粘土地盤の貫入抵抗の榊加特性 第3章 一次圧密過程における粘土の強度地加特性

第4章 一次圧密および二次圧俊過訟におけるMj�の強度榊1A1特性 第5章 圧街に伴う粘土の強度助加の評価法

第6章 盛土に伴う軟弱粘土地盤の強度.lfl1A1 第7章 総括-

本論文の内容を各章ごとに要約すると以下のようである.

第1章では， 本論文の研究の背景とその目的を述べるとともに， 圧密に伴う粘土の強度 増加に関する既往の研究を整理し， 本論文の位置づけを明確にしている.

第2章では， 圧密に伴う軟弱粘土地盤の貫入低抗の増加特性について明らかにする. ま ず， 原位置で多く見られる軟弱粘土地盤の圧密過程を再現し， 引き続き圧後'，( ;品店における 貫入抵抗を測定できる試験装置の開発について論じる. 次いで， 一連の圧密 ・ コーン貫入 試験を実施して， 開発した試験装置の有用性を示すとともに， 貰入低:tJtは， 庄密に伴い一 様に増加するのではなく， 深度ごとに大きく異なること， 含水比(w)と貫入抵抗(Qc )の 聞にはw-log Qcの直線関係が成り立つことを明らかにする.

第3章では， 圧密過程における軟弱粘土地盤内の応力状態を再現した室内土質試験を実 施して， 一次圧密過程における粘土の強度増加特性を明らかにする. まず， 既往の試験方 法の問題点を指摘し， そのことを解決するために， 圧密過程における供試体の間隙水圧を 制御するための装置の開発について論じる. 次いで， 一連の圧密非排水三軸圧縮試験を笑 施して， 開発した間隙水圧制御装置を用いれば圧密過程における供試体を要素として評価 できることを示すとともに， 一次圧密過程における粘土の間隙比と有効応力の関係、は正規 圧密線から逸脱した経路を辿ること， 非排水強度の増加は圧密度より遅れて発現し強度地 加率は一定ではないこと， および一次圧密過程における間隙比(e)と非排水強度(Cu)の 聞にはe-log Cuの直線関係が成り立つことを明らかにする.

第4章では， 一次圧密および二次圧密過程における粘土の強度増加特性を実験により砂j

らかにする. まず， 原位置において最も普通にみられる応力状態の一つであるKo圧密とそ れに引き続く平面ひずみ状態での応力変化を再現できるKo圧密 ・ 平面ひずみ三軸試験装置 の開発について論じる. 次いで， 一連の圧密非排水三軸圧縮試験を実施して， 第3章で得 られた結論を確認する結果を示すとともに， 二次圧密を含む全ての圧密過程においても e-log Cuの直線関係が成り立つことを明らかにする.

第5章では， 一次圧密から二次圧密過程における飽和粘土の非排水強度を定量的に評価 する手法を提案 する. 提案法は， 第2章~第4章において得られた圧密過程における間隙 比の減少量と非排水強度の増加量の一義性の経験則と変形のひずみ速度依存性を考慮した 一次元圧密理論を結びつけたものである. そのために二次圧密過程を含む全ての圧密過程 を評価する応力として “換算圧密応力" を新たに定義し， 換算圧挫'，C J，ぶブJを川いることによ り強度増加率および圧密度を再評価する. 計算結巣と既往の試験結果を含む各樋の試験結 果を比較することにより提案法の妥当性を検証し， その適合性が良好であることを確認す る.

第6章では， 盛土に伴う軟弱粘土地盤の強度地加に対して第5 :!主で挺案した評価法の適 用性を検討する. まず， 軟弱粘土地盤の圧惚過松から盛上の純工過程までを再現し， 盛上 基礎地盤の変形挙動や強度増加特性を調べるための僕型災験装置の開発について論じる.

次いで， 圧密期間と盛土荷重の戟荷速度が異なる2樋類の模型実験を実施して， 盛土基礎 地盤の含水比(w)と貫入抵抗(qc)の問にもw-log qcの直線関係が成り立つことを明らか にするとともに， この関係が提案法により予測できることを示す.

第7章は総括であり， 各章ごとに得られた成果を要約して全体の結論としている.

本論文の構成と各章の相互関係を示すとFig.1.1のようである.

13

圧密に伴う粘土の強度増加に関する研究

質1 1章 序論

・ 研究の1f鼠と目的

- 圧密および非排水強度に閲する川詑の定義 . 既往の研究

・ 正 規 LE密線上にある粘土の非傍水強度

. 圧密過程における粘土の強度地加

・ 一次元圧ゼ管理論における粘土骨絡の楠成関係 . 本論文の内容と情凪

貫12奪 lE �に伴う欽弱粘土地盤の貫入抵抗の嶋加特性 -軟弱粘土地鑑の正密・強度試験技置の開発

- 軟弱粘土地盤の圧管に伴う強度地加特性 - 軟弱枯土地盤の一次元lf �管省主動 -軟剥粘土地盤の強度地加特性

1n3民主 -ðUE�管過位における枯t-.の強度榊加特性

. nu隙Jj(LE $1J御設置(1'. C. lJ. )の開発

賞1 -1 /1. -lXIE t管および二次JE開A首位における 粘土の強度鳩lJl特性

• P. C. D.をJIl�、fこ正悦試験 • K ./E �管・半面ひずみ三納試験設置の削宛

. K.正隆・平面ひずみ状態における粘土の 強度嶋加特性

. fI日開/j(圧と体積ひずみの経時変化 . 正俊過位の状閉経路

・ 圧密度

・ 破峨線 ・ 強度定数および強度地加特性 - 破境線および強度定数

- 庄日賢治控の状態経路と磁lj{線 . IE \t度と強度嶋加

(既往の評価法の検証)

- 圧憎度と強度I曾加 ・ 間瞭比の減少量と強度地加

(既往の評価法の倹証)

• 110隙比の減少量と強度榊JAI

買1 5 ø: IE �に伴う粘土の強度嶋加の評価u;

-換算正\i':比;))に基づく強度1曾111の併{画法 - 圧惚応力の評価ー換算圧俊応力一 - 庄日管の遊行の評価一正俊進行係敏一 - 換F草花憎応力に基づく強度噌1A1の評価式 . 室内土質試験に基づく鎚家法の検証

・ 練返し粘土に対する適合性 - 不腐乱粘土に対する適合性

m6寧 盛土に伴う歓弱粘土地11の強度嶋加

・ 軟弱地盤対策のための築疑僕型実験装置の開発 . 盛土に伴う軟弱粘土地盤の変形挙動

- 地表面の変形挙動 . 地盤内の変形挙動 . 盛土の路工管理

. 盛土に伴う軟弱粘土地盤の強度地III特性と提案法の適用

・ 含水比およびコーン貫入抵抗値 I強度地加特性と鍵案法の検証

参考文献

1) 奥村樹郎:軟弱地盤対策工法-調査 ・ 設計から施工まで- 第I編 第1章， 土質工

学会編， pp.2-6， 1993.

2) 土質工学会編:土質工学J�ンドブック， 付録vn分布地図， pp.1457-1468， 1982.

3) 久楽勝行 ・ 三木博史 ・ 岡田芳樹 ・ 関一雄:軟弱地盤上の盛土による周辺地盤への影響 の^実態， 土木^{技術資料26-2}， pp.26-32， 1984.

4) 柴田徹 ・ 関口秀雄:軟弱地盤の側方流動， 土木学会論文集 第382号/1U-7， pp.卜 14， 1987.

5) 鈴木音彦:盛土による軟弱粘土地盤の側方流動に関する研究， 土木学会論文集 第 382号/皿-7， pp.15-34， 1987.

6) 土質工学会編:軟弱地盤の調査 ・ 設計 ・ 施工法， 土質工学会， p.202， 1966.

7) Ikuo Towhata and Kirn Seung Ryull : Undrained strenglh of underconsolidaled clays and its application to stability analysis of submarine slopes under rapid sedimentation. Soils and Foundations. Vol. 30. No.1. pp.100-114. 1990.

8) Toyotoshi Yarnanouchi， Norihiko Miura. Noboru Matsubayashi and Naozou

Fukuda : Soil irnprovernent wi th quicklirne and fil ter fabric. A. _S. C. E. _{Vol. 108.}

No. GT7. pp.953-965. 1982.

9) 高山 昌照 : 圧密途中における粘土の強度増加-有明粘土の土質工学的性質について (IV) -， 農業土木学会論文集， Vol. 109. pp.61-69， 1984.

10) 外崎明 ・ 似内政康 ・ 赤石勝 ・ 稲田倍穂:一次元圧密における庄密度と強度増加の関係，

土と基礎， Vol. 34. No.12， pp.5-9， 1986.

11) Kazuya Yasuhara and Syunji Ue : Increase in undrained shear strength due to secondary compression. Soils and Foundations， Vol. 23， No.3， pp.50-64. 1983.

12) 安原一哉 ・ 平尾和年 ・ 藤原東雄 ・ 上俊二:擬似過圧密粘土のせん断特性， 土と基礎，

V^ol. 33， No.3， pp.29-35. '1985.

13) 三笠正人:軟弱地盤の圧密， 鹿島出版会， ^1963.

14) Bjerrum. L. _: Engineering geology of norwegian normally-consolidation marine clays as related to settlements of buildings. Geotechnique. 17. pp.81-118.

15

1967.

15 ) 土質工学会編:地盤改良のトラブルの要因とその対策， 土質工学会， ^1993.

16) Lowe， III， 1. : New concepts in consolidation and sett1ement analysis， ]our.

Geotech. Engng. Div.， Proc. A.S.C.E.， Vol.100， No.GT6， pp.574-611， 1974.

17) Goro Irnai : A unified theory of one-dirnensional consolidation with creep，

Proc. 12th I.C.S.M.F.E.， Vol.l， pp.57-60， 1989.

18) Leroueil， S.， Kabbaj， M.， Tavenas， f'. and Bouchard. R : Stress-strain-strain rate relation for the cornpressibility of sensitive natural clays， Geotchnique.

Vol. 35， No.2， pp.159-180， 1985.

19) Skernpton. A. W. and Bishop， A. W. :Soils， Chaptcr 10 of Building Materials.

North 11υlland Publ. Co.. pp.417-482， 1954.

20) 中瀬明男 ・ 小林正樹 ・ 勝野克:圧密および膨張による飽和粘上のせん断強度の変化，

港湾技術研究所報告. Vol. 8， NO.4， pp.l07-143， 1969.

21) Akio Nakase and Takeshi Karnei: Undrained shear strength of remoulded marine clays， Soils and Foundations， Vol. 28， No.l， pp.29-40， 1988.

22) 藤川武信 ・ 高山昌照:有明粘土の強度増加率一有明粘土の土質工学的性質について

(皿) -. 農業土木学会論文集， Vol. 90， pp.48-54， 1980.

23) Schofield， A. N. and Wroth， C. P. : Cri lical slale soil mcchanics， McGraw Ilill.

London， 1968.

24) Roscoe， K. H. Schofield， A. N. and Thurairajah， A. : Yielding of clays in states wetter than critical， Geotechnique， 13， pp.211-240， 1963.

25) Mayne， P. W. : Carn-clay predictions of undrained strength， Jour. Geotec. Eng..

Vo1.106. No.GTll. pp.1219-1241. 1980.

26) Toshiyuki Mitachi and Yukihiko Fujiwara : Undrained shear behavior of clays undergoing long-terrn anisotropic consolidation， Soils and Foundations， Vol. 27.

No.4. pp.45-61. 1987.

27) 赤井浩一:基礎地盤の圧密度と強度増加の関係， 土木学会論文集， Vol. 60， No. 1，

pp.46-53. 1959.

28) 土質工学会編:土質工学ハンドブック， 土質工学会， p.164， 1982.

29) Hideo Hanzawa : Undrained strength characteristics of normally consolidated

aged clay. Soils and Foundations. Vol. 23. No.3. pp. 39-49. 1983.

30) Yukitoshi Murakarni : Excess pore water pressure and preconsolidation effect in norrnally-consolidated of sorne ages. Soils and Foundations. Vol. 19. No.4.

pp.17-29， 1979.

31) Hideo Hanzawa and Takao Kishida : Fundamental considerations on undrained strength characteristics of alluvial rnarine clays， Soils and Foundations， Vol.

21. No.1. pp.39-50. 1981.

32) 赤井浩一 ・ 足立紀尚:有効応力よりみた飽和粘土の一次元圧密と強度特性に関する研

究， 土木学会論文集， Vo1.113. No.1. pp.11-27. 1965.

33) 稲田倍穂 ・ 赤石勝 ・ 寒河江健也:強度地加率に関する一考察， 土質工学論文報告集，

Vol. 21. No.1. pp.139-145， 1981.

34) 今井五郎:飽和土の一次元圧密， わかりやすい土質力学原論第l回改訂版， 土質工学

会I pp. 187-243， 1992.

35) Yi-Xin Tang : Studies on one-dirnensional consolidation of clay with creep，

Dr. Thesis， Yokoharna National Universi ly. 1992.

36) Janbu. N. : Consolidation of clay layers bascd on non-linear stress strain.

Proc. 6th ^1. C. S. M. F. E.. Vol. 2. pp.83-87. 1965.

37) Davis. E. H. and Rayrnond. G. P. : A non-linear theory of consolidation，

Geotechnique. 15-2. pp.161-172. 1965.

38) Koppejan. A. ^W. : A forrnula cornbining the Terzaghi load compression

relationship and the Buisman secular tirne effect. Proc. 2nd ^I. C. S. M. ^F. E. . Vol. 3. pp.32-37. 1948.

39) Hansen. B. : A rnathernatical rnodel for creep phenomena in clay. Proc. 7th I.C.S.M.F.E.. Specialty session 12. pp.12-18. 1969.

40) Garlanger.J. E. : The consolidation of soils exhibiting creep under constant effective stress， Geotechnique. 22-1. pp.71-78.

41) Mesri， G. and Rokhsar， A. : Theory of consolidation for clays. Jour. ASCE

(GT8)， pp.889-904. 1974.

42) Taylor， D. ^W. and Merchant. ^W. : A theory of clay consolidation accounting for secondary cornpression. Jour. Math. Phys. 19. pp.167-185. 1940.

17

43) Hawley， J. G. and Borin， D. L. : A unified theory for consolidation of clays，

Proc. 8th I.C.S.M.F.E.， 1-3， pp.107-119， 1973.

44) 吉国洋:軟弱粘土の圧密曲線と圧縮曲線に対する一つの解釈( ^{1 )} ， 第25回土質工学 研究発表会講演集， pp.307-310， 1990.

45) 吉国洋:軟弱粘土の圧密曲線と圧縮曲線に対する一つの解釈( ^I1) ， 土木学会第45回 年次学術講演会概要集， pp.244-245， 1990.

第2章 圧密に伴う軟弱粘土地盤の貫入 抵抗の増加特性

2. 1 序

説

軟弱粘土地盤に生じる変形は， 圧密変形(排水による体積減少)とせん断変形(非排水 および部分排水状態における形状変化)に大別して考えることができる1). 2) 庄密変形は 地盤沈下を生じさせるが， その結果として地盤内のせん断強度の地加をもたらす. 一方，

せん断変形は側方流動や地盤の隆起を生じさせ， せん断変形が大きくなりせん断応ノJがせ ん断強度を越えると軟弱粘土地盤はすべり破壊を生じる.

軟弱粘土地盤上の盛土の築造においては， このような圧密変形とせん断変形が同時に生 じるので， 地盤内の圧密の進行状態とそれに伴うせん断強度の地加量を正確に把握するこ とがたいへん重要である. また， この場合の変形挙動は一般には三次元の現象であり， 圧 密過程における地盤のひずみや間隙水の流れは鉛直方向だけでなく水平方向にも生じる.

しかしながら， _F E Mなどを用いた変形解析を実施する場合を除いて， 通常の笑務設計に おいては， Terzaghi(1924)や三笠(1963)3)の一次元圧密理論が用いられることが多い.

次元圧密とはひずみと間隙水の流れの方向が鉛直方向のみの圧密であるが， ①軟弱粘土地 盤の層厚に比べて非常に広い範囲に等分布荷重が載荷される場合や②局部的な載荷である が， 厚い砂層などに挟まれた薄い粘土層の載荷直下付近に生じる圧密などは一次元圧密と

して取り扱うことができる2 )

本章では， まず， 軟弱粘土地盤の圧密過程を一次元モデルとして再現し， 引き続き貫入 試験を実施することができる試験装置<4 )の開発について論じる. 次いで， 低塑性のカオリ

ンを用いた圧密時間の異なる一連の圧密 ・ コーン貫入試験の結果に基づいて， 軟弱粘土地 盤の一次元圧密の進行過程とそれに伴う貫入抵抗の増加特性について考察する.

19

2. 2 軟装 弱置 粘の 土開 地発 盤 の 圧 密 貫 入 試 験

2 2 1 言式屠食連主三官室OJ相互正豆宴ヰヨ J二 ζ〆 斗守 宅数

通常実務として用いられる標準圧密試験は供試体の沈下量のみを測定するものであるが，

圧密現象とそのメカニズムをより詳細に検討するためには， 沈下量だけでなく， 供試体内 部の応力 ・ ひずみ挙動を精度良く測定することが重要である.

既往の研究において内部挙動をiJlIJ定した一次元の圧街試験には， ①供試体を複数の:ti;1�

に分害lJし， 各要素の圧縮量と要素間の間隙水圧を測定する分割j型圧街試験5)-8 )と②大型供 試体で層状粘土層の圧密過程を等時線により検討した大型圧密試験9 )が挙げられる) 0) 分 割型圧密試験装置は網干5)が考案したものであり， その後， Berreら6)， MeSrlら7)なども 同様の手法を用いた. 最近では今井ら8)の研究によりクリープ変形を考慮、した弾粘性型の 粘土骨格の情成式が提案され， 新しい圧密理論が榊築されようとしている1 ) ). ) 2 ) 一方，

高田ら9)による大型圧密試験は， 2種類の異なる粘上層の境界に標点を設置することによ り粘土層全体の沈下量に加えて層別の沈下量を測定し， さらに， 大型試料の含水比分布を 測定することにより粘土層内部のひずみ分布を算定するものである. したがって， この試 験装置自体の機構は汎用の圧密試験装置とほぼ同じである.

本研究で開発した試験装置の主要部分をFi ^g. 2. 1に示す. 本試験装置が備えるべき必要条 件は， 粘土層内部の応力 ・ ひずみ挙動を精度良く測定できることに加えて， 圧密過程にお ける強度増加を精度良く測定できることである. 分割型圧密試験装置のように複数の強度 試験装置を連結した装置を開発することも考えられたが， 本装置は， 結果として， 大型の 多機能圧密セルにコーン貫入装置を組み込んだものとした. 装置の全体図をFi ^g. 2. 2に示す.

試験装置の開発 ・作製に際して具体的に考慮、した点は以下のとおりである.

①載荷応力， パックプレッシャ ーおよび二重負圧を正確に負荷できること.

②貫入抵抗の分布が測定可能な大型の圧密セルにおいて粘土層の沈下量を精度良く測定 できること.

③粘土層内の間隙水圧を精度良く測定できること.

④圧密過程の応力状態を変化させることなく正確な貫入試験を実施できること.

\Ili--ノrl nL PLJHH m川日Ui-- . l c

，uln n n 'Et 、E

、l

c n

n

ハL ハし 円L C 50 rE 句 Ei 戸 4F u - - 一 一 日 DH 印/l-|\pa

に じ v u H じ ・b h --W 民 r r u p・

川ω v

f I ω u

y比ヱ リ川

u u

k uu : ww・・山 氏日川トcmr

r ー M ト

J u d

p v u ω

い mrH

什U 山 山/

O因。①囚

a /

W /

Fig.2.1 Essential features of a new dcsigned pressure cell

21

clay layer

displacement transducer

/

Fig. 2.2 Outline of test apparatus

penetratlon apparatus

⑤圧密応力により生じた粘土層内の含水比分布を精度良く測定できること.

以上の列挙した検討項目を実現するために， 次のような工夫をしている点に本装置の特 徴および独創的な点がある(F i g. 2. 1参照) .

①に関して， 戟荷板の側面およびコーンのシャフトにOリングを設置し， さらに， 戟荷 板およびコーンのフリクションスリーブをベアリングで支持することにより圧力セル の気密性を保持しつ つ摺動部分の摩僚力も軽減した.

②に関して， 排水層(上下面ともにろ紙1枚と不織布2枚)の戦荷応ブJに対するLE納屋 をキャリプレーションの結果から正確に求めておき， 沈下量からその値を差し引くこ とにより粘土層の沈下量を算定することとした.

③に関して， 二重負圧法とノ〈ックプッレシャーにより粘土層の飽和度を高めるとともに，

排水経路と間隙水圧の測定経路を分離することで間隙水圧の測定精度を向上させた.

さらに， 粘土層内に間隙水圧の測定管(直径D=0.3cmのアルミ管)を複数挿入した. そ

して， 測定管と間隙水圧計の聞にろ紙とポーラスストーンを介し管内を脱気水で満た すことにより粘土粒子の浸入を阻止した.

④に関して， 圧密試験に引き続き迅速で正確な強度試験を実施する必要があり， 試験の 簡便性も考慮、してコーン貫入試験を実施することとした. コーンの寸法は圧力セルの 内径15cll1に対する影響範囲を考慮、して， 直径1.5cm， 先端角600 のミニサイズのコーン を使用した. シャフトの外側にフリクションスリーブを設けることによりコーン貫入 抵抗力と周面摩僚力を分離して， 貫入抵抗力のみをロードセルにより測定できる機構 を設けた(Fig. 2.1参照) .

⑤に関して， ミニサイズのコーンを用いた迅速で簡便な貫入試験を実施することで貫入 試験の影響とその範囲をできるだけ抑制すること， さらに， 空気圧を用いて試験後速 やかに粘土層を抜き出すことで乱れの少ない試料を採取することにより対処した.

2 _ 2 2 ま式厄従事妄lE霊OJ;ft主主文E

前節で述べた試験装置の性能や試験の精度に関する検討項目のうち， それぞれ①~④の 項目に対応する( 1 )応力戦荷機情， (4)排水材の圧縮性， (2) I削|球ノk正測定機構お

よび( 3 )コーン貫入機構についての検定試験の結果について考察する. なお， ⑤の項 については試験結果に基づいて考察することとした.

23

-

応力載荷積構

、、，J 'Ei ，，目、

( a )圧力セルの気密性

装置の外部 バックプレッシャーおよび二重負圧を正確に負荷するためには，

載荷応力，

および載荷板で仕切られた上部セルと下部セルの問にわずかの圧力の漏れも生じではなら 下部セル内を脱会\J.Kで満 そのために次のような手順で検定試験を災胞した. まず，

ない.

上部および下部セルに試験時のパックプレ ッシャーと等しい196kPaのL[ )Jを似仰す たし，

上 部セ ノレfEを245kPaに 地)JIIさせて 全てのバルブを閉じ非排水状態にした後，

る. 次いで，

F i ^{g. 2.} 3に試験結栄を 対応する下部セル庄の経時変化を11日隙ノk圧計で測定するものである.

上部セルとド奇Hセルの正ノj差が戦仰tÜ後の他を保った 下部セル圧は瞬時に地加lし，

示す.

このことはセル内の気術性が十分であることを示す 下部セル圧は変動していない.

まま，

で述べる摩提言応力に起因している.

、、，，， hu f，‘、

この圧力差約4.9kPaは次の なお，

ものである.

若干の圧力変化は供給される空気圧の微少な変動が原因である.

また，

( b )載荷板と圧力セルとの摩擦応力

載荷板のロ ッド 載荷板の側面にOリングを設置しシリコングリースを塗布することと，

この状態の摩擦応力を をベアリングにより支持することにより摩擦応力を軽減している.

上部および下部セルに196 kPaの圧力を載荷する.次いで，載荷板のロッ ドに変位計を設置し上部セル 圧 を O.98kPa/sec

まず，

測定するために次のような手順で検定試験を実施した.

(F凶ぷ)仏 ω』コ∞∞ω』仏

200

0 20 40 60 80 100 120

、‘，/

/'zk

Change of cell pressure with time Elapsed time

Fig.2.3

の載荷速度で徐々に 増加させながら， 載荷圧力と載荷板の変位量の関係を測定するもので ある. 検定は同様に3回行い. _{F i g. 2.} 4に示すような結果が得られた. 図中の3種類の記号 はそれぞれ3回の検定試験に対応している. 載荷板の変位が生じたときの載荷応力約4.9

kPaがこの状態の摩擦応力であり， この値は( _a )で述べた上部セルと下部セルの圧力差に 対応している. これらの結果より， 摩擦応力はたいへん小さい値であったが， 圧密 ・ 貫入 試験における戟荷応力には4.9kPaを加えた応力を戟荷することとした.

( _c )パックプレッシャーの載荷速度

試験時には， バックプレッシャーとして粘土層内部(下部セル)に196kPaを， 同時に戟 荷板(上部セル)に200.9kPaを戟荷するが， このとき圧力の戟荷経路の違いにより戦初版 が変位することが懸念される. 戦荷仮の変位が生じない適切な戦術迷!立を決定するために 次のような手}I頂で検定試験を実施した. 戟荷板のロ ッドに変位計を設置し， 上部および下 部セルに49.OkPa/rninと49kPa/45sec (二65.7kPa/rnin)の2種類の載荷速度で徐々にバック プレッシャーを負荷してそのときの載荷板の変位を測定するものである. 試験結果をF_{i g.}

2. 5に示す. 2つの載荷速度ともに最初の載荷段階において微少な変位を生じさせるが， そ の後は所定の大きさまで圧力を増加させても戟荷板の変位は全く生じていない. 特に. 49 kPa/rninの場合には変位はO.02rnrnであり， 十分に無視できるものであると考えてこの載荷速

度を採用した. なお， 実際の試験においては25cm程度の層厚の粘土試料に水圧を負荷する

凸

】ロωEωυ伺12Q

。 1 2 3 4 5

Pressure p (kPa)

Fig. 2.4 Friction stress between loading plate and inner wall of pressure cell

25