飽和粘土の過圧密領域におけるK_0値および粘弾性係数に関する研究: University of the Ryukyus Repository

Title

飽和粘土の過圧密領域におけるK_0値および粘弾性係数

_{に関する研究}

Author(s)

赤嶺, 伴子; 原, 久夫; 村吉, 政人

Citation

琉球大学工学部紀要(58): 47-55

Issue Date

1999-09

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/1439

Rights

琉球大学エ学部紀要第58号，1999年 4７

飽和粘土の過圧密領域におけるＫ0値

および粘弾性係数に関する研究

赤嶺伴子・原久夫．。村吉政人.．．

AStudyonKb-wBlueinOverConsolidatedRe淳on

andCoeffiCientofWscoelasticofSaturatedClay

TbmOkoAKAm⑩IE．HisaoHARAooandMasatoMuRAYoＳｍ．．。

Abstract

AdetailedstabilityanalysisandadefmmationanalysisaⅡBnecessaIytoplanningofan

mpmtantsmctuIcandtopI巳ventingnDmagmunddisasOersuchaslandsUidorgmundsubsidemce．

、ecoeHicientofealdlpIBssmcatI己st町valueandcoeHicientofviscoelaslic率画uhBdinoIder

manalysethepmblcms.、lispaperisasmdyomeXperimentson恥-valueinoverconsoUdaOed

IBgionandIhecoeHiciBntofviscoelsticofsatumtedShimajiriPC1ay6Kin-dayandAIiake-C1ay6

」nFvalueinnDmm1ycomsoUidaOedl巳印DnisgoteasUybbutXb､valueinoverconsoUidabedI巳gion

isnotm1emAb-valueinoverconsoudatedrBgionisgotmmlnp'一〃curve・m2elinear”lations

bctweenthepamme0er耐andmcplasticityindcx4ispmved ＳａｍｍＯｅｄｃｌａｙｈａｓｔｈｅｄｍｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃhamcOeIisticsofdefbmDatiouLThecoemBcientof viscoelsticisgotbygememUzed恥igtmodeL KeyWmds:SatumOedC1ayPverConsoUdation,BQ-value,CoeHicientofViscoelastic 1．まえがき

_{島尻粘土,金武粘土有明粘土の過圧密領域における岡}

値を求める．また,過圧密傾城の脇値を求める際にパラ メータとなる数を過圧密崎数ｍとし,過圧密Rb数ｍと 塑幽旨数４が線形関係にあることが実測値として報告さ れている!)ことを受けて，本論文においても同様の関係 を検証する． また,飽和粘土は時間依存性挙動を顕著に示す粘弾性 体であることが知られている．時間依存性挙動の解析に 重要構造物の設計や地すべり，地盤沈下などの地盤災 害を未然に防ぐためにI主より精密な安定解椀変形挙 馴i鞠而：必要となる．そのためにば地盤の初期応力状 態を表す静止土庄係数岡や,粘土の時間依存111挙動を表 す粘弾性係数ｳﾖ必要となってくる．本論文は飽和した島 尻粘土金武粘土， における脇値 及U酷弾性係数に関する実験的研究を行ったものである．

正規圧密領域の燭値似下jnOに〕）は焔圧密H鯛試

験の結果から容易に求められるが，過圧密領域において は鉛直有効応力。｝と水平有効応カワカで表わされる応力 経路が曲線となり崎値は応力の関数としてあらわされる．

そこで,脇圧密膨潤試験の結果得られるInpP‐〃曲線を

利用して過圧密領域の｣n値を求める方法がWiuhl)によ

って見出されていることを受けて，本輪文では飽和した はＭ３、尼Uモデルや､bigtモデルが用いられる.本論文で は原乃らの研究で提案されている一般化Nbigtモデルを用 い，それを飽和粘土の時間依存性挙動に適用して粘弾性 係数を求め，その応力依存性を検証する．また，それぞ れの粘土の瞬時変形分担率を求める．ここで用いた試料 は，有明粘土，島尻粘土，金武粘土のそれぞれ乱さない 試料と練り返し再ｌ玉密した試料である． 受理:1999年６月７日 にて－１弼圏表 本鶴dd主平成９ ロ日山画ＢＳｂｍユCivuEng＆他血 ＊ ．、工学躯剰譲製H工学PImPLofChmE軽＆AⅡ囮h,HmjWof口軽 …＃１W鬮県α山画wnIHEfbchm

赤嶺・原・村吉：飽和粘土の過圧密領域におけるＫ６値および粘弾性係数に関する研究 4８ 武粘土＠種類)，有明粘土の計４種類の乱さない鉋､粥ｉ 士に関して同様の関係を検証した．その結果，前述の報 告とは傾きが異なるものの，線形関係にあることが確認 できた． ユ静止土庄係数岬 地盤の精密な安定解析を行う場合には，地盤の初期応 力状態を検討する必要があり，静止土庄係数脇が必要と なってくる． 型試料士およひ議験方法 2.1正規および過圧密領域における脇値 ２２１試料士二 2.1.1正規圧密領域における岡値 本論文で使用した島尻粘土は則自城齋から，金武粘土は 金武湾から，有明粘土は佐賀県の嘉瀬川からそれぞれシ ンウオールサンプラーにより採取されたものである．金 武粘土は多様な土質の土が複雑に入り混じっているのが 特徴である．試料土の物理的性質を表-1に示「す６ 静止土圧係数岡個式水平方向の変位を拘束したとき の鉛直有効応カワ;に対する水平有効応力。》の比として 定義される．粘土の｣､変形が 劃｣士Ｉ． ると き,。､－ワカ関係は原点をとおる直線となることが実験的

に確かめられており，Ahmは，この直線の傾きとして容

易に求められる． ２２２試験方法

脇圧密､艫試験l主三軸圧鏥試験機を用いて合成応力

速度981匹ﾛﾊday(速度一定，でp，=14,唾までAb圧密し， 軸力が試験開嫡時Fと同じ値になるまで岡膨潤した． 非排水せんI擁試験は，脇圧密臘綱試験後にせん断ひず み速度0196hmmの速度で行った． ２１２過圧密領域における崎値

陶咽は21.1に述ぺたように容易に求められるが,過圧

密領域においては応力経路が曲線となり｣n値は応力の関 数としてあらわされる． 過圧密領域における脇変形では,その応力変化を応力

比〃＝9ZP，とInP，で愛すと直線になることがＷｍ１１)によ

って見出されており,lnp，‐刀曲線におけるその直線の勾

配を1ﾉ、とすると， ２３試験結果ｄｌａよび考察 23.1崎圧密膨灘｡(験

‘繩[鵲擶H蝋欝］

(1) _{a）正規圧密領域}

ＫｂＡｎ値は。;-つ>曲線における正規圧密領域の直線部

の勾配として与えられる（図－１③，表-31 と表わされる．ここに，〃は過圧密比.腕は｣n値と過圧 密比〃を関連付けるパラメータとして用いられ,過圧密 kb数と呼ぶ． また,過圧密燭数ｍと塑性指数４ｶs線形関係にあるこ とが，Ipndonclay，Kaolinなどの実測値として報告され ているりことを受けて，本論文においても島尻粘土・金 b）過圧密領域 過圧密領域の｣n値を求めるにあたり，ま顎過圧密比〃 と脇値を関連付ける過圧密脇数ｍを求める（図－２)．

また,、はしと線形関係にあることがＷｍｆ)によって

表－１８由料±pⅨ#鯉DM生８６ ±粒子の密度 （gﾉcmf） 沼甜銀界'IIL岡塑性限界昨岡 塑燭闇数４駒 粒慶組成僻） 粘土銃.シルト、９６砂凝 44,16 島尻粘土 ＺＢ８ 6450 2034 粘土“シルト9196,,3％ 1864 31J６ 金武粘土１ ﾕﾌ0 5040 粘土36ﾜﾑｼﾙﾄ2696秒3896 金武粘土２ 2J7０ 31回６ Ｂｎ３ 18ｍ 粘土3295,シルト679G8砂1％ 有噸占土 2ｍ 7150 3a3８ 3.,

琉球大学工学部紀要第58号，1999年 4９ 300

§２５０

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表包Ｂａ性指数jX96〕と退座密妬数ｍ ､L尻粘土金鼠粘土１金武粘土２有明粘土 3６１２ 18ｍ 3，６ 4４１６ 卜 Ｍ７ 1３７ 1３４ 156

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赤嶺・原・村吉：飽和粘土の過圧密領域におけるＫ６値および粘弾性係数に関する研究 5０ 密過程からは圧縮指数Ｚが，膨潤過程からは膨張指数庁 が得られる(表－３)． 示されている．本研究においてもその関係を検証してみ たところ，ｗｍｈｌ)の示した直線とは傾きが異なるが，線 形関係にあることが確認できた（図－３，表－２)．傾きが 異なるのは，粘土のローカリテイを表しているものと思 われる． 、と４の線形関係を示すことにより，物理試験の結果 から過圧密領域の脇値を求めることができる． Inp,－刀曲線において直線の勾配が1ﾉｈ８であることか

ら式(1)力潟らねこれに』nA[殖６ｍ及び原位置の過圧密

比〃を代入して脇値を求める俵－３)． 図－３より，本研究により得られた碗の値がＷｍｈＤの 示した値より小さいことがわかる．また，式(1)において 過圧密比"一定のまま腕の値を小さくすると踊値は大き くなることが示された． 232非排水せんM鯖試験 非tlhlQせん断試験により得られた応力経路を。;‐ワカ 曲線で示す‐（図－１｡)． Ｃ;と平均F漉h応力p,および偏差応力９の関係は，

床÷…)｡；

② ９＝Ｕ－ｘｂ)す'， で表わされる.得られたび;-ワカ曲線における限界状態線 CSLの勾配を似とすると,グー９曲線におけるＣＳＬの勾 配j‘は，

鰯薑誌

(3) c）圧縮指数えおよUF調長指数芯 図-41主妬圧密臓閏試験における間隙比ｅと平i鮪 効応力pの関係を示すe-Inp，曲線である．この曲線の圧 となる（図－１｡，表－３)． 凹理印ね氾昶ね、由 ０００００００００ ①週鍾題 1.30 1.25 ①

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1.15 1.10 0.01０．１１１０１００ 平均有効応力ロ．（ｋＰｄ ａ）、尻粘±のe-hpP由熱 0.01０．１１１０１００ 平均有効応カグ（kPJ b）金武粘土1の２－坪由鹸 鑓“、⑪釦鑓餌 ０００００００ ①判冠塵匡 Ｂ〃８５ ２２２２ ①

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炉

0.01ｑｌｌｌＯ１００ 平均有効応力〃（ｗｄ ｄ金武紘上2のe-m〃幽囚 0.0101110１００ 平均有効応力〃,（kPB） の有8用も±のe-hp,曲§ 図－４名粘土のe-hp，曲線

琉球大学工学部紀要第58号，1999年 5１ 表己恥圧翻陽ﾛ團副H蘭こより求められた6回の－，ｔ 金Ｈｆ粘土２ 有明粘土 金武粘土１ ■5劃占土 4６４０ gｕｌ６ 54874 ±被り圧P90⑭０ 188.0 1西 130 135 田翻降伏応力pl仏P珀リ 2;、 Ｍ４Ｉ 鍋PFF傳比” 247 2０１ Ｍ３ 1４５ CSLの勾配Ｍ 1５１ Ｍ８ 008 圷凶麓鋼処！ ｑｌｌ 0,8 0,6 H醒蜀霞h狂 OCB ００１ 001 0３２ 正規領域のAb■値 On3 ０５８ 0５３ 082 、５ 原位四二獄ﾅる陶値 097 1３７ Ｍ７ 過圧密鰯数ｍ 156 1５４ 式、において,ｑ,､q叙乃の３個の未知ﾄﾞｵ料定数は観 測点を聡=2&,５=34となるような&,1h,19の３点を週U； 3ｂ粕弾性係数， 飽和粘士の時間依存牲挙動に3要素一般化1bigtモデル その時のび;弓みとの関係より式(5)へ(7)力滑られる．

卯--可:iiiw

q=篭圭

結果 を適用し，三軸試験機を用い から粘弾性定数を求める． ⑥ 3.1粘弾性係数の快定 ₍₇₎ 3.1」３要素一般化､big上モデル

_{CM＝Ｂｉ＋oin'ｑＦｉ－ｑ}

₍₈₎ Cl 図－５１主４要素一般化Nbigtモデルの図であり，モデ ル全体の変形成分の中で，バネは弾性成分ｂダッシュポ ットは糊生成分を表わしている．このモデルの要素で， Maxwdl要素の緩添ﾛ時間、,→｡｡とすることによって， Maxw巳ｕ要素のダッシュポットが剛体として挙動するた め，要素数が一つ減ることになる．このようにしてでき た３つの要素を持つ粘弾性モデルを，３要素一般化1bigｔ モデルと呼ぶ句．

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月=１－E(4)（i=1,2,3）

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3.12粘弾性係数の決定 ３要素一般化1bigtモデルの支配方程式l主式(4)で表わ され,初期応力，初期ひrずみをゼロとしたとき，応力速 度６=一定の条件下でのびずＺＡ応答は式X5)となる．

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バト(…)…{…(-ｮ｝⑤

ただし，oiT戸す、,． ｡ 図－５４要素罰則b噸8ﾒﾓﾗｳﾚ

赤嶺・原・村吉：飽和粘土の過圧密領域におけるＫ６値および粕弾性係数に関する研究 5２ ３３試験結果および考察 ３２試験方法及び識ﾄﾞs}土 33.1粘弾性係数およひ騨性係数 3ﾕ.１試験方法 式(6)へ(8)と実験結果から得られた粘弾性係数の結果を 図－７～１２に示す．図－１３，１４１主粘弾性係数の結果と 式(9),(10）より求まった,それぞれの粘土のせん断弾性係 数および体積弾性係数である． １ （９）

Ｇ＝3(Cb+ＣｈＪ

Ｋ＝＿と

（10） ｃか＋ｑ側‘ また,得られた粘弾性係数の応力依存性を表-4にまと める．この表から，練り返し再圧密した粘土はせん断変 形での弾性成分CbP。Ｃｂ`の大きさが,応力増加によって 変化しないことがわかる．また，練り返し再圧密した金 武粘土は，恥ＧｂＣｈＤｑｍＺｍｘにおいて他の２つ の練り返し再圧密した粘土とは違った挙動を示すことが わかる.乱さない粘土の体頓変形I主z卜論文で使用した３ つの飽和粘土で応力増加にともなう粘弾性係数，弾性係 数の増減変化が異なることがわかる．Ｃb`については本 実験で使用した６つの飽和粘土すべてにおいて，応力依 存性を示さないという結果が得られた. 粘土の粘弾性係数を求めるときには，土は過圧密状態 でなければならないそこで，通常の三軸試験機を用い 線形漸増載荷方式で，ある応力まで排水せん断し,続い て側圧一定で等方応力状態まで除荷することによって士 の過圧密状態を得る． 今回の試験で1±，この過圧密状態を粘弾性定数決定の ための基準状態とした．その基準状態の過圧密粘土に対 して同様に三軸試験機を用いて線形漸増載荷試験を行い， 応力ひずみ関係を得た． 粘弾性係数については飽和粘土の時間依存性挙動に３ 要素一般化1bigtモデルを適用し,三軸田帽試験機を用い た線形漸増載荷試験の結果から値を求める． 322試料士 試料士は,２．２２で述ぺたものと同じ島尻粘土,金武粘 土2,有明粘土を用いたが，ここでは乱さない試料ﾂﾞﾋﾟけで なく乱した試料も用いた.乱した試料Iよ－度42SIumの フルイを通した粘土を，図－６に示すような装置を用い 5,趣の圧力で再圧密することにより作成した． 332騨清蜜形分担率 全体の弾性変形ﾛ9kに対する騨譲形量の分担率を求め (表一ｺ，瞬時変形d藍と遅延変形量の大小を表－６にまと

める.せん断変形の豚塒変形分担率αGおよび体積変形の

瞬時変形分担率αxは式111),（12)より求められる．ｑ副`，

Ch`は瞬時変形量を受け持ち，ＣｂｗＣｈ,１３遅延変形量を 受け持つ．

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Ⅲ「 表－５から，本研究において使用したすべての飽和粘 土において，体積変形のほうがせん断変形よりも瞬時変 形分担率が大きくなることがわかる．また，金武粘土の 体積変形を除いては,練り返し再汪密した粘土のほうが， 乱さない粘土よりも瞬時変形分担率が大きくなる． アクリル固定 表－６からは乱さない飽和粘土のせM9f蕊形において は，遅延変形遇ﾛｳｴ変形の大部分を占めていることがわか

Ｕ識

る．また，練り返し再圧密し にお 図－６圧密装匠 _{いては遅延変形量が変形の大部分を占めているのに対} し，他の２つの繰り返し再圧密した粘土の変形量は,応 力が小さいときは遅延変形量が大きく，応力が増加する につれて瞬時変形量のほうが大きくなることがわかる．

せん断変形のVo唾要素 コンブライアンスCGvWkPa） ●･･･ ･｡｡･ ･一価、〔回← 体積ひずみのMaxwell要素 コンブライアンスＣＷ(%/kPa） －｡－｡ ｡一己。 －－”Ｇ■← せん断変形のMaxweU要素 コンブライアンスｃ⑨(%/kP80 ●･･ ･｡● H国－－、Ｇ□ 体積ひずみのVo唾要素 コンブラィァンスＣＭＷｋＰａ） ●･･● 圏！。=冨冨室 。□ｐ●■し 。。。← 因Ｉ『 ● と。 Ｃ 因Ｉ旨 と。

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酌。 ←Ｃ 嗣麟軒廿・色も巴 咋昏琿○盛事一仙離一弐呼○’○・く麗痢 酌。 」Ｃ 宙鰡軒廿○○も巴 昨香琿・兜事一ｍ融一寺かＱＩＱ２麗顕 胸○ 公○ 個岳封違研ご口．○も巳 卉塑・蝿争一ｍ敵一斗伽もｒ○吾菌調 、。 ←。 僧睦封違軒廿も．。【で巳 卉劃・玲事行敵辱か□ｒ○更囲調 灘騨汁紳Ｈ稚嚢誼墹翻留血．活塞紺 ③。 ③。 ロ。 ②。 体積変形の 遅延時間７bvhm） ￣－－ 鱒②｡、ＯＤＣ爪、△ ●｡￣｡｡･･ ･￣｡￣｡･･ ･●￣●○ピコ･･ せん断変形の 遅延時間７Ｍｍ） ￣－－ ９３台ぎぎＳ９台 ●●￣｡｡･･ ･○・￣こり｡｡｡ ○ 圏－■ ○ 圏Ｉ悼函 錐諸種件倭数爪M、） ￣￣ ｡（別｡《2１ せん断弾性係数GGHpa0 。⑭＝茜 因’五

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因ｌ団 ｡ いつ や。 宙嚇爵廿・宍刀巳 呼啓覇・兜塾而跡一十か。Ｉ『・囲寵 、。 ←○ 判越針違召廿互弁呵巳 卉■・蝿聖一価敵一十かｂｒ『専鴎調 的。』○ 面嚇田凶・弁で巳 。‐②瘤零調 、ｒ蓋

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②。 ロ。 ￣=さ＝＝ 練り返した金武湾粘土の せん断弾性係数G(Mp臼） ⑤。 ②。 、⑬

赤嶺・原・村吉：飽和粘土の過圧密領域におけるＫｂ値および粘弾性係数に関する研究 5４ 粘弾性係数弾性係数b、:塒変形分担率の結果から， 練り返し再ﾘ圧密した金武粘土は他の２つの繰り返し再圧 密した粘土とは違った挙動を示すことが多いことがわか る． 表－４応力町i加にともなう各々0,粘土鍵ﾖU本の｡鰯盾変化 定数 _体制函移 名親粘土 q， Ｑ几 乃 Ｋ Ｇ ↓ ↑_ １ ↓ 『 １ 乱さなし､有明粘土 ↑ _ ↓Ｉ→↓ ↓ ↑ ↓ ↓↑ １ 乱さなW1b尻粘土 －＋ ｌｌｌＩ：↓１ ↑ １ ↓ ↓ 乱さなし虚圃GUF粘土 一 練り返し再正宙した 有明粘土 → _ ↑ ↓ Ｉ ↑ _ -練り返し浦圧密した ■5瀦土 → _ ↑ ↓ ↓ １ → -練り運ｕ珂正宙した 金武別離土 → → ↓ ↑ Ｍ↑→ １ ↓ １：応力依１判生を示しその＃肋聴力増加にともなし贈加する ↓：応力依存性を示し，その６８力聴力増伽二ともない減少する １１：応力依り判生を示しそのi団0t初N聴力でIddIR加し後半で減少する ↓↑：応力lIi存性を示しそCD極力t初90聯B力では減少し後半で増加する →：応力依存性を示さない _↑：応力応力依存性を示す部分と，示さなし！瓢分】b《ある 表－５瞬時淘膠丘の分担率 練り返し再圧宙した粘土 島尻粘土金武粘土有q月粘土 白尻佑土金武粘土有明粘土乱さなし鮎土 016０１６０１２ ０６３０５２０３１

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表－６園時澳ﾖ穆丘と麹E園田践且のﾌﾞ則、 練り返し再圧宙した粘土 島尻粘土金武粘土有明粘土 瓜尻粘土衝b冠四k＋有鴎Nb±乱さな'N粘土

》

_命② せA痴変形 体$H淘膠 ≧ ＞→く ニン シく ＞ アン ＞-＜ ≧：錦沙に大きい ＞_＜:応力Ulvで麺趨副上■が大きく，応力大で瞬時調上目が大きくなる

琉球大学工学部紀要第58号，1999年 5５ Ｓまとめ 崎値については３種類,粘弾性係数については６種類 の飽和粘土に関して実験的研究を行ったj鰭果得られた結 論を以下に述べる．

①妬圧密膨潤試験の結果得られる膨張曲線を応力比刀

とlnp，で表すと直線になる． ②その勾配ｍは過圧密比〃と」同値を関連付けるパラメ ータとなる． ③､過圧密岡数ｍは４と線形関係にある． ④乱さない粘土の体積変形では，各々の粘土で,応力 増加にともなう粘弾性係数，弾性係数の増減変化が異な る ⑤､練り返し再圧密した粘土では,せん断変形での弾性

成分cbwch`の大きさは,応力増加によって変化しない

⑥､本研究で用いた全ての粘土ＰＧ弾性せん断変形成分

ＣＭ主応力増加によって変化しない

⑦､本研究で用いた全ての粘土で，体積変形の方がせん 断変形よりも瞬特変形の分担率が大きくなる． ⑧､金武粘土の体積変形を除いては練り返し再圧密し た粘土の方が乱さない粘土よりも瞬時変形分担率が大 きくなる． ⑨乱さない飽和粘土のせん断変形においては,遅延変 形量が変形の大部分を占める． ⑩練り返し再汪密した金武粘土は他の２つの練り返し 再圧密した粘土とは違った挙動を示すことが多い． 参考文献 l）石原研而b木ﾄﾂﾞ孟:土ﾌﾄｴ学体系8土質力事鳶酒仕pP1型-126, 1980 2)原久夫:練り返し再汪密した島尻粘土の変形特性に91Ｉする実験とその 偲翫士沐挙会鑓｡［梨Nu561/Ⅲ38,pplO9‐118,19,73 3)赤鬮半子;乱さなし＃古土の妬厘密･臘轤特性の上b綾平成9年度二1木 学会西部支部研読溌表会（其の1>/Ⅲ56,ｐp484-485,19963. 4)村吉政人:３要素魎臥ごEデルによる､§ｉｆﾛ粘土の粘弾１４係数に関する研 究平成10年度卒熱'F宛19993. ，原久夫:一般化1Ho砂モデルの粘翻労i冒数の快走方法とその適用例Ｉ 第六回淋縄土質工学研究発表会1,9伍出銘，199ｍ