中間土 中間土 中間土

中間土 中間土 中間土

中間土および および および および粘性土 粘性土 粘性土 粘性土の の の の繰返 繰返 繰返 繰返し し し載荷後 し 載荷後 載荷後の 載荷後 の の の強度特性 強度特性 強度特性 強度特性に に に に関 関 関 関する する する する研究 研究 研究 研究 Strength characteristics of intermediate and clayey soil subjected cyclic loading

土木工学専攻 19 号 熊谷 悠 Kumagai yutaka

1． ． ． ．はじめに はじめに はじめに はじめに

砂質土で構成される地盤では地震動のような大き な繰返し載荷を受けると液状化を起こす．しかし粘性 土や粘土分を含む中間土は，繰返し載荷を受けても液 状化を容易に起こすことはない．しかしながら，繰返 し載荷を受けると，地盤内に過剰間隙水圧が蓄積され て有効応力が減少するため， 強度の低下が懸念される．

また，発生した過剰間隙水圧が消散すれば，強度は回 復することが予想されるが，消散により間隙比が低下 する．同時に，繰返し載荷を受けることにより，変形 係数も影響が及ぶと予想される．このため，繰返し載 荷を受けると，粘性土や中間土において，その後のせ ん断特性に影響を与えることが考えられる．

これまで，繰返し載荷後のせん断特性に関する研究 は松井ら

，安原ら

によって行われている．これら の研究は主に粘性土を対象としているが，中間土と粘 性土を比較すると，繰返し載荷を受けることによる過 剰間隙水圧の上昇は中間土の方が大きくなり，繰返し 載荷後のせん断特性に与える影響が大きくなる事が予 想される．

以上から本研究では，人工的に調整した中間土およ び粘性土を作成し，三軸試験によって繰返し載荷を経 験させた後のせん断特性を調べ，繰返し載荷を経験し ていないせん断特性との比較を行い，繰返し載荷が強 度特性，変形特性に与える影響を検討した．

2． ． ． ．使用試料 使用試料 使用試料 使用試料

本研究では，東京湾汐留地区で採取した I

=40 の粘 性土と， これに珪砂 7号を混合して砂分量が 50％， 60％，

70％となるように人工的に調整した試料を用いた．以 後，作成した中間土は砂分量に応じて，それぞれ SK50

～SK70 と呼ぶものとする．また，どの試料も，液性 限界の 2 倍となるように初期含水比を調節し，圧密圧

力 100kPa で予備圧密を行った． 各試料の物理特性を表

-１に示す．

試料名 汐留粘土 SK50 SK60 SK70 珪砂7号

土粒子密度　ρs(g/㎝³) 2.70 2.65 2.65 2.65 2.65 液性限界　wL(%) 66.4 42.9 39.1 30.6 NP 塑性限界　wP(%) 27.2 21.9 22.9 24.0 NP

塑性指数　Ip 39.2 21.0 16.2 6.6 NP

砂分（％） 8.5 50.0 60.0 70.0 97.8

シルト分（％） 41.5 23.2 18.8 14.4 2.2

粘土分（％） 50.0 26.8 21.2 15.6 0.0

3． ． ．実験概要 ． 実験概要 実験概要 実験概要

本実験では人工調整試料を100 kPaにて予備圧密し，

直径 50mm， 高さ 100mm にトリミングして試料を成形

した． B 値が 0.96以上となっていることを確認した後，

背圧 u

=200kPa，有効拘束圧σ

’=200kPa の下で等方圧 密を行った．圧密終了後，ひずみ制御方式

にて，軸 ひずみ片振幅を ε=0.5%，載荷周波数を 0.1Hz とし，非 排水繰返し載荷を与えた．その後，図-1 に示すように 非排水条件を保ちつつ間隙水圧が定常(約 1 時間程度) になったことを確認した後， 非排水圧縮試験を行った．

また繰返し載荷後に排水を行い過剰間隙水圧が十分に 消散(約 4 時間)したことを確認した後，非排水圧縮試 験を行った．

4． ． ．実験結果 ． 実験結果 実験結果 実験結果と と と と考察 考察 考察 考察 4.1 繰返 繰返 繰返し 繰返 し し三軸試験 し 三軸試験 三軸試験 三軸試験

汐留粘土，SK70 の繰返し載荷過程における応力-軸 ひずみ関係，間隙水圧の挙動ならびに有効応力経路を 図-1 に示す． 図 -1 から汐留粘土と SK70 を比較すると，

SK70 の方が過剰間隙水圧の上昇が大きく，有効応力 が低下していることが分かる．よって，粘性土よりも 砂分を多く含む中間土の方が，同じひずみ周期の載荷 を行った場合，有効応力が低下する．図-2 は繰返し載 荷によって発生する過剰間隙水圧比と砂分量の関係で あり， 上から繰返し回数が 100 回， 50 回， 10 回である．

図から砂分量が大きくなるほど過剰間隙水圧が大きく 発生していることがわかる．

表-1 使用試料の物理特性

-200 -100 0 100 200

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

軸ひずみ　ε　（％）

主応力差　σ1-σ3 （kPa）

-50 0 50 100 150 200

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 軸ひずみ　ε　（％）

過剰間隙水圧　⊿u （kPa）

-100 -50 0 50 100

0 100 200

(σ'1+σ'3)/2 （kPa）

(σ1-σ3)/2　（kPa）

-100 -50 0 50 100

0 100 200

(σ'1+σ'3)/2 （kPa）

(σ1-σ3)/2　（kPa）

-200 -100 0 100 200

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6

軸ひずみ　ε　（％）

主応力差　σ1-σ3 （kPa）

-50 0 50 100 150 200

-0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 軸ひずみ　ε　（％）

過剰間隙水圧　⊿u （kPa）

汐留粘土

4.2 繰返 繰返 繰返 繰返し し し し載荷後 載荷後 載荷後 載荷後の の の の非排水 非排水 非排水せん 非排水 せん せん せん断試験 断試験 断試験 断試験

4.2.1 繰返 繰返し 繰返 繰返 し し載荷 し 載荷 載荷 載荷後 後 後に 後 に に排水 に 排水 排水 排水を を を を行 行 行わない 行 わない わない状態 わない 状態 状態による 状態 による による による非排 非排 非排 非排 水 水

水 水せん せん せん断 せん 断 断 断

図-3 に SK70 の繰返し載荷後に排水を行わない状態 による非排水せん断試験における主応力差‐軸ひずみ 関係を示し，図-4 に SK70 の繰返し回数が 10 回のケー スにおける応力経路を示す．両図には，繰返し載荷を 受けていない非排水せん断試験結果も併せて示す．図 から繰返し載荷後の強度は繰返し載荷を経験していな

0 50 100 150 200

0 5 10 15 20

軸ひずみ　ε　（％）

主応力差　σ1-σ3　（kPa）

-50 0 50 100

0 50 100 150 200 250

(σ₁'+σ₃')/2 （kPa）

(σ1-σ3)/2　（kPa）

い静的強度の 7～ 8 割程度となっている．これは，繰返 し載荷によって有効応力が減少したことが強度を低下 させたと考えられる．有効応力の減少は図-4 に示す応 力経路からも分かり，繰返し載荷後の非排水せん断過 程では繰返し載荷を受けた場合でも破壊線に至ること が分かる．また，繰返し載荷後に過剰間隙水圧が上昇 する傾向が見られ，図に示すケースでは過剰間隙水圧

が約 20kPa 上昇し，有効応力が約 50kPa に減少した．

これは， せん断により供試体内の間隙水の移動が遅れ，

測定にタイムラグが生じたためであると考えられる．

4.2.2 繰返 繰返 繰返 繰返し し し し載荷後 載荷後 載荷後に 載荷後 に に に排水 排水 排水を 排水 を を を行 行 行 行った った った った状態 状態 状態 状態による による による による非排水 非排水 非排水 非排水 せん

せん せん せん断 断 断 断

繰返し載荷後に排水を行った状態による非排水せん 断試験における主応力差‐軸ひずみ関係，応力経路を それぞれ図-5，図-6 に示す．図-3，図-4 との違いは，

繰返し載荷後の排水の有無により，繰返し載荷によっ て生じた過剰間隙水圧を消散させるか消散させないか である．図-5 より繰返し載荷後の強度は繰返し載荷を 経験していない静的強度の約 1.5 倍，約 2 倍の強度と なっている．また，図-6 より繰返し載荷を受けた供試 体は非排水せん断過程において，破壊線上に至ること がわかる．図-7 に繰返し載荷から，排水，単調載荷に 至るまでの間隙比－有効応力関係を示す．図から繰返

0 100 200 300

0 5 10 15 20

軸ひずみ　ε　（％）

主応力差　σ1-σ3　（kPa）

図-3 非排水単調載荷時の応力‐ひずみ関係

図-4 非排水単調載荷時の応力経路

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 20 40 60 80 100

砂分量(%)

過剰間隙水圧比

図-5 非排水単調載荷時の応力‐ひずみ関係 N=0

N=4 N=10

試料：SK70

試料：SK70 N=0 N=10 N=4 N=10

N=50 N=100

破壊線 繰返し載荷無

繰返し載荷後

繰返し載荷

⊿u の 上昇

繰返し載荷回数：N

繰返し載荷回数：N 繰返し載荷回数：N

B A

図-2 砂分量‐過剰間隙水圧 図-1 繰返し載荷時の挙動

-100 -50 0 50 100 150 200

0 50 100 150 200 250 300 (σ1-σ3)/2（kPa）

(σ₁'+σ₃')/2 （kPa）

0.65 0.7 0.75

10 100 1000

log p' （kPa）

間隙比　e

し載荷後の排水により，繰返し載荷によって生じた過 剰間隙水圧を消散させることによって間隙比の低下が 起きる．このため，繰返し載荷前より密な供試体とな ることから強度の増加が生じたことが考えられる．こ れは，応力解放等による通常の過圧密とはそれまでに 受けた応力履歴の違いから区別される“擬似過圧密 ”と 呼ばれる状態になっていると判断される．

4.2.3 繰返 繰返し 繰返 繰返 し し載荷後 し 載荷後 載荷後 載荷後のせん のせん のせん断特性 のせん 断特性 断特性 断特性と と と と繰返 繰返 繰返 繰返し し し載荷 し 載荷 載荷 載荷を を を受 を 受 受け 受 け け け ていないせん

ていないせん ていないせん

ていないせん断特性 断特性 断特性 断特性の の の比較 の 比較 比較 比較

繰返し載荷後の非排水せん断過程から得られる強 度と変形係数について，繰返し載荷を経験していない 場合との比較を図 -8，図-9 に示す．図-8 は，繰返し載 荷を経験した各試料の実験ケースによる繰り返し載荷 後のせん断強度と，繰返し載荷を受けていないせん断 強度との強度比である．また，図-9 に応力 -ひずみ関係 から得られる変形係数比を示す．両図の横軸は各実験 ケースにおいて繰返し載荷によって発生した過剰間隙 水圧である．図-10 に繰返し載荷によって生じた過剰 間隙水圧と繰返し回数の関係を示す．繰返し載荷後に 排水を行った場合，強度比は 1 より大きくなる傾向を 示し，排水を行わないケースでは 1 より小さくなる．

また，繰返し載荷によって生じる過剰間隙水圧が大き いほど，強度比の変化が大きくなっている傾向が見ら れる．過剰間隙水圧の発生による有効応力の低下が大

きいほど，より過圧密な状態になると考えられる．こ のため，その後の強度に影響を与えているものと思わ れる．また，繰返し載荷後に消散を行わないケースで は，過剰間隙水圧が大きくなるにつれ，一様に変形係 数比が小さくなっている．一方，消散を行うケースで は変形係数比にばらつきが見られる．

0.5 1 1.5 2 2.5

0 50 100 150 200

過剰間隙水圧(kPa)

強度比

汐留粘土 排水無 SK50 排水無 SK60 排水無 SK70 排水無 汐留粘土 排水有 SK50 排水有 SK60 排水有 SK70 排水有

0 0.5 1 1.5 2

0 50 100 150 200

過剰間隙水圧(kPa)

変形係数比

汐留粘土 排水無 SK50 排水無 SK60 排水無 SK70 排水無 汐留粘土 排水有 SK50 排水有 SK60 排水有 SK70 排水有

0.5 1 1.5 2 2.5

0 20 40 60 80 100

砂分量(％)

強度比

0 0.5 1 1.5 2

0 20 40 60 80 100

砂分量(％)

変形係数比

0 50 100 150 200

0 25 50 75 100

繰返し回数

過剰間隙水圧(kPa)

汐留粘土 SK50

SK60 SK70

10 4

図-6 非排水単調載荷時の応力経路

図-7 e－log p’ 関係

図-8 強度比－過剰間隙水圧関係

図-9 変形係数比－過剰間隙水圧関係

図-10 過剰間隙水圧関係－繰返し回数関係

図-11 強度比－砂分量関係

図-12 変形係数比－砂分量関係 繰返し載荷

破壊線

繰返し載荷無

A C B

繰返し載荷

等方圧密

排水

間隙比 の低下 繰返し載荷後

B

A C 排水・消散

◇･･･排水有 ◆･･･排水無

□■ 繰返し回数4回

◇◆ 繰返し回数10回

△▲ 繰返し回数50回

○● 繰返し回数100回

◇･･･排水有 ◆･･･排水無

□■ 繰返し回数4回

◇◆ 繰返し回数10回

△▲ 繰返し回数50回

○● 繰返し回数100回

◇･･･排水有◆･･･排水無

□■繰返し回数4回

◇◆繰返し回数10回

△▲繰返し回数50回

○●繰返し回数100回

◇･･･排水有◆･･･排水無

□■繰返し回数4回

◇◆繰返し回数10回

△▲繰返し回数50回

○●繰返し回数100回

次に，砂分量と強度比，変形係数比の関係を図-11，

図-12 に示す．図より，砂分量が大きくなるほど，排 水を行うケースでは強度比，変形係数比ともに１より 大きくなり，排水を行わないケースでは強度比，変形 係数比ともに１より小さくなる傾向が見られる．砂分 量が大きくなるほど変化が大きくなることから，砂分 量の大きい試料ほど繰返し載荷による影響を受け易い．

また，最も砂分量の大きい SK70 において，強度比，

変形係数比に他の試料との違いが見られた．

5． ． ． ．過圧密供試体 過圧密供試体 過圧密供試体 過圧密供試体の の のせん の せん せん せん断 断 断 断特性 特性 特性との 特性 との との比較 との 比較 比較 比較

図-8 や図-11 の SK70 において，強度比の増加が他の 試料と比べて大きくなっていることから，応力解放に よって作成した過圧密供試体との強度の比較を行った．

実験ケースを表-2 に示し，図-13 にせん断前の間隙比 とその時の有効応力の関係を示す．図-14 はせん断時 の最大主応力差と間隙比の関係である．図中(’)はせん 断後の状態を示す．非排水条件にてせん断を行ってい るためせん断中の間隙比の変化は無い．図-14 から同 程度の有効応力状態である B’と D’を比較すると，B’

のほうが間隙比が小さいにもかかわらず強度が小さい．

その理由として， 繰返し載荷後に排水を行わない場合，

繰返し載荷によって発生した過剰間隙水圧が維持され るため，同じ有効拘束圧の過圧密供試体よりも強度が 小さくなることが示唆される．また，同様に同じ有効 応力状態にある C’と E’を比較すると両者とも間隙比 はほぼ同じであるが C’のほうが強度が大きくなって いる．その理由として，繰返し載荷後排水が行われた

記号 実験条件 有効応力

(kPa)

A 正規圧密・繰返し載荷無 200

B 繰返し載荷後排水無 47

C 繰返し載荷後排水有 200

D,G 過圧密・繰返し載荷無 50

E,F 過圧密・繰返し載荷無 200

0.63 0.68 0.73

10 100 1000

log p' （kPa）

間隙比　e

場合は圧密が起こるため，応力解放によって膨張され た場合の強度よりも大きくなることが考えられる．

6． ． ．まとめ ． まとめ まとめ まとめ

1）繰返し載荷を与えた後の強度特性について 繰返し載荷後に排水しないケースでは強度比が１

以下となる．一方，繰返し載荷後に排水させるケー スでは強度比は１以上となる．

2）繰返し載荷を与えた後の変形特性について 繰返し載荷後に排水ケースでは，変形係数比が１

以下となる．一方，繰返し載荷後に排水させるケー スでは，変形係数比にはばらつきが認められる．

以上から，中間土や粘性土が繰返し載荷を受けると その後の排水の有無によって，繰返し載荷を受ける前 のせん断強度，変形係数よりも増加するか減少するこ とがわかった．さらに，砂分量が大きくなると繰返し 載荷時の過剰間隙水圧の発生量が大きくなり， 強度比，

変形係数比の変化が大きい．

また，砂分量が 70% の試料では繰返し載荷後に排水 をしない場合，応力解放による過圧密供試体よりも強 度が小さくなる．一方，排水をした場合，過圧密供試 体よりも強度が大きくなる．よって，中間土のような 地盤において繰返し載荷を受けた際，液状化を起こさ ず， 排水が起きれば強度が増加することが考えられる．

参考文献 参考文献 参考文献 参考文献

1） Matsui, T., Bahr, M.A. and Abe, N.：Estimation of shear characteristics degradation and stress-strain relationship of saturated clays after cyclic loading, Soils and Foundations, Vol.32, No.1, 161-172, 1992

2）

安原一哉・平尾和年：繰返し荷重を受けた飽和粘土 の非排水せん断特性，土木学会論文集，第

号，

pp.113～122, 1985

3）

増田昌昭･風間基樹･柳澤栄司：ひずみ制御繰返し三 軸試験による土の非排水繰返し強度評価，第

回 地盤工学研究発表会，pp.725～726，1997

A B C

D

E G

F

図-13 非排水せん断前の間隙比－有効応力関係 表-2 実験ケース

図-14 非排水せん断時の最大応力差－間隙比関係 0

100 200 300 400

0.625 0.65 0.675 0.7 間隙比　e

主応力差　(kPa)

A’

D’

B’

C’

E’

F’

G’

せん断時最大主応力差(kPa)