非膨潤性砂・粘土混合地盤の物理的・力学的 強度特性に関する基礎的研究
伊藤 驍・花田智秋
工藤義幸＊ ・赤上可南子*＊・秋山勘久呂**＊ ・板垣陽介**＊
ABasicStudyonPhysicalandMechanicalCharacteristicsof Non‑swellingGeomaterials
TakeshilTo,TomoakiHANADA,YoshiyukiKuDo*,
KanakoAKAGAMI**,KankuroAKIYAMA***andYosukelTAGAKI***
(1999年11月30日受理）
Numericalsoiltestswereperformedonnon‑swellingsandyclaygeomaterialstoinvesti‑
gatetheirphysicalcharacteristicsandmechanicalproperties. Usedsampleswereblended withquartzitesandandTajimiclaycontained50%,60%,70%,80%,90%, 100%. Fromthe consistencytests, followingrelationshipwasconductedbytheuseofphysicalparameters
betweenplasticityindex(Ip),toughnessindex(It)andclaycontent(C).Ip=It{6.401exp.(0.0102･C)}
Astheresultofsheartests,weobtainedtherelationshipbetweenpeakstrength(zf)and
residualstrength(zf)asfollows:
"=2.746zi̲o･8096andzT/zi̲=0.0353+0.0484･C‑8.0xlO‑4 ･C2+6.0xlO‑5・C3
Ontheotherside,settlementphenomenaoftestingsamplesthroughthepreconsolidation beforeshearingtestsagreedwellwiththefollowingpredictionequation.
t=("+P･t)/(S‑So)
Inwhich, t: time(min.), Q, andP: constants,S: settlementatt,So: settlementata
calculationstarttime.
まえがき
1 潤性土が複雑に混合していることが多く， こうした
地盤の挙動や強度特性を把握しておくことは建設作
業を行う上で極めて重要なことである。軟弱地盤や 地盤のせん断強度に関する研究は枚挙に暇がないが，本研究では非膨潤性土の砂・粘土の混合比率を
段階的に変え， その物理的特性と力学的強度特性の関係を論じることを目的とする。 しかしこうした研 究はあまり知見しない。筆者はかねてから粘土の中 でも特に顕著な膨潤性を示すベントナイトを多量に
含む混合地盤を想定し,これと砂やカオリナイトの比率をかえた膨潤性と非膨潤性の混合地盤の物理特 性と力学的強度特性の関係を研究してきた')‑3)。本
研究では非膨潤性のjil砂とカオリナイトを主成分とする混合材料を対象に物理特性と力学特性の相互関 係を検討してみた｡その結果,この非膨潤性混合土は 古生代や中生代の地盤は，一般に固結度カゴ高〈単
一の地層が連続する場合が多く，せん断強度も大き な値を示すことで知られる。 ところが新生代，特に 沖積世地盤の大半はその構成材料が礫や砂,シルト，
粘土層が複雑に混じりあって未固結である場合が多
いため，含水率が高く強度も低い。このため，建設
現場では施工作業に支障をきたすproblematic soilsとして厄介者扱いされている。日本の沖積土には多かれ少なかれ膨潤性土と非膨
＊秋田高専卒業生（現・長岡技科大・学生）
*＊同上（現・秋田大学工学資源学部・学生）
**窯秋田高専専攻科学生
粘土の配合割合によって特異な挙動を示すなど幾つ かの興味ある知見を得ることができた。本研究によ
るこれら知見は今後膨潤性土および非膨潤性土の物
理的・力学的特性の研究を行う上で重要な資料になると考えられるため， ここでは先ずその概要を報告
する。C90,C80,C70,C60,C50として用いることにした。
そしてこれらの試料についてコンシステンシー試
験，一面せん断試験，三軸圧縮試験(CU‑Test)等
を行いそれぞれの試料は一律に同じ先行荷重，先行圧密時間（50時間） とした。なお，一面せん断試験
における圧密時間は30分とした。
3．解析方法 2．試料と実験方法
3． 1 コンシステンシ一特性
試料の物理的特性として先ずコンシステンシ一試 験を行った。図2にはこの試料の流動曲線を示す。
この図から液性限界(WL)並びに流動指数(If)を 求める。例えば図2を見て分かるように粘土分の多 い試料はIfが大き<,粘土分の含有率が下がるにつ
れてIfも小さくなっている。この特性は次の図3に 示す塑性図にも見ることができる。図3から明らかなように粘土含有率が低くなれば無機質土の特性が 現れる。C80以上は各試料ともA‑lineの上側にあり
用いた試料は新城川河床から採取した川砂と市販の岐阜県多治見産の粘士である。このような川砂と
か多治見産粘土はいずれも非膨潤性の代表的土質と して知られているが， その成分は主として石英や長
石など火山性起源のものを多く含む。そこで実験に供した試料の分析を粉末X線回折(エチレングリコ
ール処理）によって行ってみた。図1のX線回折チャートを見て判るように川砂
は石英，長石を主成分としており， 多治見粘土は主 としてカオリナイトと石英から構成されている。試料は重量比で粘土分が100%, 90%, 80%, 70%, 60
%, 50%含まれるものに調整し，それぞれをC100,
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粘土含有率による流動曲線 図2
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図1 試料の粉末X線回折
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一一 一一 一二
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伊藤驍・花田智秋・工藤義幸・赤上可南子・秋山勘久呂・板垣陽介
粘土分が80%を超えたものはB‑lineの右側にある。
このような特性から，混合土の塑性指数など各種物 理パラメータを算定してこれと以下に示す力学的特 性との関係を検討することを試みた。
が変わればIfは段階的に減少していくことが分か ったので，これらの現象を整理してみた。その結果，
C%とWpには次に示す指数関数式が適合するこ とがわかった。
Wp=11.03exp.(9.12xlO‑3･C) (2)
これを図示すると図5のようになる。両者の関係 式としてかなり近似度が高いことが分かる。一方,C%が変わればIp, Itも変わることからさ
らにこれら相互の関係を誘導すると次式を得る。Ip=It{6.401exp.(1.02xlO‑2･C)} (3)
これを図示したのが図6である。図中には実験結 果とC50以下の予測曲線も点線で記入してみた。これをみても判るように，上式は粘土含有率が変 化するにつれこの非膨潤性混合材料の挙動を良く説
明していると判断される。3． 2 非膨潤性
本研究で用いた試料について活性度(Ac)を取っ てみたところ，図4に示すような結果を得た。用い
た試料6種類がいずれもAc≦0.5と極めて小さく
明らかにLowexpansionの特性が示されていることから，ほぼ非膨潤性士であると判断できる。
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α%）
試料土の活性度
25
図4 余宣姜 ２０
3． 3 力学特性 15
混合土のせん断特性を調べるため三軸圧縮試験 (CU‑test)並びに一面せん断試験を行った。これら の試験を通じて有効摩擦角や有効粘着力を求め， ま たピーク強度と残留強度の関係式を導き粘土含有率 による強度特性を定式化することを試みた。一方，
一面せん断試験における先行圧密試験からは圧密予 測曲線を求める実験を行い， これら粘土含有率毎の 試料の圧密特性を示す予測式誘導に関する検討も行
うこととした。
10
5
0
1 90 80 70 60 50
C(%）
図5 試料の塑性限界と粘土含有率
０５０５０５０５０５０５４４３３２２１１
Ｑ 一
4．解析結果と考察
4． 1 混合土の物理特性
コンシステンシー試験より先ず図2に示した関係
から各試料の液性限界（以下WLと略記） と流動指 数(If)を求める。この時，試料の含水比をW(%)とすれば次式が成立する。
W(%)=a−If･ log,0N (1)
ここでαは定数で,Nは落下回数である。
また，塑性限界(Wp),塑性指数(Ip), タフネス 指数(It)等も求め，それら相互の関係を調べてみた｡
その結果，図2に見られるように粘土含有率(C%)
0 0．5 1 ＩＩｓｔ
2 2．5 3
図6 1p, If,Cの相互関係
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4． 2 一面せん断強度特性 1皿
先ず一面せん断試験の結果から，せん断応力（で：
kPa) とひずみ(E:%)関係の事例を図7に示す。
上からC100,C80,C60の場合を示す｡これによると，
粘土含有率が高くなればピーク強度(爵）と残留強度 (zis)の差が明瞭になるが，低くなれば升と爵の差
は判別できずほぼ等値であると判断される。同じ圧密時間でも砂分が多くなることによって正規圧密現 象が，粘土分が多くなることによって過圧密現象が
生じるということが判明した。粘土分力：多くなることは試料内部の間隙水が徐々 に時間遅れを伴って排出されることになる。このた めこのせん断当初に大きなせん断強度が発生する。
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図8 ピーク強度（爵） と残留強度(zf)の関係
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粘土含有率αﾛ）
図9 せん断強度比と粘土含有率の関係
40
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一方，砂分が多くなると砂と粘土の噛み合わせ効果
が余り良く発揮できず粘土分が多いものより強度が
低くなったと推定され， こうした現象につながった ことが考えられる。換言すれば，粘土分が多くなる
につれ，ひずみ硬化現象と軟化現象がstepwiseに 明瞭になってくるが，完全軟化点から直ちに残留強 度状態に入るという現象が見られる。特にC80以上 でこの傾向が強く現れていることが判明した。このことから，埒とZfの関係を取ってみると図8
のようになり，垂直応力(oh)が小さい範囲では両者
の関係に多少乱れは見られるものの， これらの関係 はほぼべき乗型関数として次式のように表示できることがわかった。
Zf=2.746z1.0･8096 （4）
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粘土含有率が異なる試料の一面せん断試験 図7
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伊藤驍・花田智秋・工藤義幸・赤上可南子・秋山勘久呂・板垣陽介
そこで粘土分C%を横軸にこれら強度比舜/zi.を 縦軸に取ってその関係を図示すると図9のようにな
り，両者の関係は非線形的であるが，実験式誘導で
いろいろ試みたところほぼ次式のような3次多項式 で表示できることが判った。爵/"=0.0353+0.0484.C‑8.0xlO‑4・C2
＋6.Ox10‑5・C3 （5）
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4． 2 圧密沈下予測曲線の解析
一面せん断試験を行うに当たり，試料の安定性を 得るため先行圧密を行う。この時の圧密時間は一律
に30分とした。図10に一例としてC50とC60の圧密量と圧密時間の関係を示す。垂直応力が大きくなれ ば明らかに圧密沈下量が急速に大きくなり，垂直応
力が小さくなると圧密沈下量も小さくなっていくの が判る。この現象に着目し圧密沈下予測を行った。このような圧密沈下に対する予測法は幾つか提案さ
れているが，主なものを挙げると，①双曲線法，② 星埜法,Ologt法，④浅岡法，⑤門田法等である。この中で①は初期の実測沈下量より将来の沈下量 を予測するものであり，最も多く利用される方法で ある。そこで手始めに本研究ではこの方法によって
図10に見られる圧密沈下挙動を予測することを試み た。その基本式は次式で示される。t=(a'+β・t)/(S‑S｡) (6)
ここに, t :時間(min.)S:時間tにおける沈下量(mm)
So :計算開始時における沈下量(mm) α,β：実測沈下量から求められる係数 実験結果から，垂直応力別に異なる圧密挙動が示 されることよりそれぞれの垂直応力に対応する予測
曲線を求める。この場合,上式の係数α,βを求めれば図10の挙動が直線近似できる。こうした作業を行
って例えばC50の試料について以下に示す垂直応力（α,）の大小について示すと次のような結果が得ら
れる。
oh=49.69kPa:t/(S‑So)=300.51+28.89･t
（7）
oh=244.12kPa: t/(S‑So)=42.200+2.88･t
（8）
これをみても判るように, Ohが小さければ共に
α,βが大きいという特徴がみられる。これは粘土含
有率が変わっても同じ傾向を示した。そこで図10の 挙動を予測曲線で表示すると図11のようになる。一 般にせん断試験を行うに当たり圧密をどの程度で終 了させるかが議論の対象となることが多い｡この点，､0
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圧窟時周K雨）
圧密沈下予測曲線
図11地盤工学会の簡便法では最急勾配線の延長時刻t『
に対する3tfをもってこれに当てるが4),本実験では この条件がほぼ満たされていた事から，図11は妥当
な予測結果を与えていると言える。へ
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4． 3 CU‑TeStについて
粘土分が同一含有率をもつ試料について，一面せ
ん断試験と同様，三軸圧縮試験(CU‑Test)も行っ た｡その結果の事例を図12に示す｡この場合はC80と C70の試料の側圧変化(ぬ)に伴う主応力差(oi‑的）と軸ひずみの関係を描いている。これに対し同じ粘
土分の比率をもつものについて間隙水圧(U)と軸ひ
ずみの関係を取ってみたものが次の図13である。このUから有効応力を計算し，さらにこの試料の力学
的挙動を考えてみる。例えば,C80とC50について応力のstresspathを描くと図14のようになり，これか ら有効粘着力C'や有効内部摩擦角め'が求められ る。図12に示す結果からも判るように，粘土分の低 l,C50ではstresspathは破壊強度に近づくと,横軸 の有効主応力成分の和(oi'+ot')/2は減少傾向を示
しているが,C80では上昇傾向を示す。これは先に述 べた正規圧密現象と過圧密現象がそれぞれで反映さ れたもので， この混合土の特異性であると言える。ることができる。この時，間隙水圧係数Af,Bを導 入しUの変化を△Uで表すと，
AU=B･△碗+Af(△び,−△鰯) (9)
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０︐００００００００Ｏ沁切釦切釦釦叩０
１
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4． 4 間隙水圧パラメータAfについて
CU‑Testによると,実験中に試料内に間隙水圧U が発生することから， この変化に注目した挙動を検 討する。正規圧密された試料は非排水状態ではこの
Uは等方応力成分の変化△碗によるものと，異方成 分応力の変化（△ぴi−△碗）によるものに分けて考え
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図13間隙性と軸ひずみ関係
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図14 C50とC80のストレスパス
0．0 3．0 6．0 9．0 12， 15．0
軸ひずみ9，(%）
図12三軸圧縮試験による応力〜ひずみ曲線
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程において側圧の小さいものは過圧密状態になりや すい傾向を持っていたもので， このような混合土の 実験から得られた新しい知見である。
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0.10 5．結 一一二目
非膨潤性土として川砂とカオリナイトを多量に含 む多治見粘土の混合土についてコンシステンシー試 験と一面せん断試験，三軸圧縮試験を行いこれら試
料の物理的特性と力学的強度特性について調べ， そ
の特性式を提示した。提案式はいずれも実験結果と 良く適合し，非膨潤土の特性を良く表しているもの で妥当な結果を与えていることがわかった。これまで膨潤性士を使ってこれが含む地盤を想定 しその挙動解析を行ってきたが，今回のような非膨 潤士の特性式が膨潤土を含む場合と比較論を展開し ていく上で有用な結果を与えている。
既に提案された膨潤土の特性方程式と今回のよう な非膨潤土の特性解析がどのような関係にあるか未 だ十分議論が進んでいない。これは今後の大きな課
題であるが,本研究のような基礎資料から膨潤性土，
非膨潤性土の特性をより明らかにしていきたい考え
である。0 0
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図15 C70とC80のひずみによるAf係数の変化
完全飽和を仮定するとB=1.0なのでAf係数は 実験過程の応力〜ひずみ変化から次式が誘導され
る。
Af=(AU−△蝿)/(△ぴ,−△醜) (10 このAfと軸ひずみElの変化に伴う両者の関係 を例えばC80とC70について示すと図15のようにな る。この図から，両者の関係はa,bを定数として次
のように仮定する。Af=‑a・ ln(E,)+b (11)
そこで粘土含有率毎及び設定側圧（醜）毎に定数 a,bを調べてみたところ，これらの変化はe,が5%程度までは蝿による影響は認められるが, Elが大 きくなるとその影響が薄れ側圧による差異は判別で
きなくなった。 しかし蝿が小さ< E]が大きくなる
参考文献
1)Takeshi lTO: SwellingCharacteristicsof Bentonite,秋田高専研究紀要，第11号, 63‑71,
1976.
2）伊藤驍：膨潤挙動を示す地盤の力学的性質に 関する一考察，第12回岩盤力学に関するシンポ
ジウム論文集，土木学会他， 46‑50, 1979.
3）伊藤驍：士の膨潤挙動からみた地盤災害，土 と基礎,V.28,No.2,33‑40, 1980.
4）地盤工学会編：地盤調査法，地盤工学会，
648pp.,1995.
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