泥炭性軟弱地盤の静止土圧係数とその推定法

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泥炭性軟弱地盤の静止土圧係数とその推定法

K０-value of peaty soft ground and its estimate method

北海道開発土木研究所 ○正員林宏親（Hirochika Hayashi）

北海道大学大学院工学研究科フェロー三田地利之（Toshiyuki Mitachi）

同正員田中洋行（Hiroyuki Tanaka）

北海道開発土木研究所正員西本聡（Satoshi Nishimoto）

１．まえがき

地盤の変形解析を行う上で、原位置での初期応力状態の把握が重要であることはいうまでもない。とりわけ、

静止土圧係数を正しく評価することが求められる。泥炭地盤についても、弾塑性解析が実施されることが多くなってきているが、静止土圧係数に関する研究は十分とはいえない。既往の研究において、泥炭の正規圧密状態での静止土圧係数が、粘土など無機質土のそれと比べ小さい値を示すことなどが明らかになっているものの^{１）２）３）}、原位置応力が過圧密状態にある場合の評価法などについて不明確なままである。

そこで、泥炭地盤から採取した試料に対して三軸 K０

圧密試験を実施するとともに、原位置においてダイラトメーター試験を行い、それらに基づいて泥炭地盤の静止土圧係数の評価法について検討を行った。

２．調査・試験方法と調査地点 2.1 調査地点と地盤物性

石狩低湿地に位置する江別市の美原地区と篠津地区ならびに釧路湿原の釧路市鶴野地区の３地点において、調査を実施した。三軸 K０圧密試験、ダイラトメーター試験のほかに、室内試験（等方圧密非排水三軸圧縮試験、

標準圧密試験）、電気式コーン貫入試験を実施した。

図−１に江別市美原の地盤物性を示す。当該地盤は、

表層に自然含水比 400%〜500%の泥炭があり、その下位に

有機質粘土、砂質シルト、粘土が堆積している、いわゆる典型的な泥炭性軟弱地盤である。泥炭はほぼ正規圧密状態であるが、有機質粘土はやや過圧密状態にある。

図−２に江別市篠津の地盤物性を示す。当該地点は、

美原地区の近傍にあり、地盤構成は美原地区と大きくは変わらない。ただし、美原地区と比較して、全体的に過圧密比が高いのが特徴である。農耕地であるため、応力履歴を受けたものと考えられる。

図−３に釧路市鶴野の地盤物性を示す。当該地盤の軟弱層は他の２地点より薄く、泥炭、有機質粘土、粘土が互層状に存在している。泥炭はほぼ正規圧密状態であるが、有機質粘土と粘土は軽い過圧密状態にある。

2.2 三軸 K_０圧密試験

シンウォールチューブにて採取した不撹乱試料に対して、地盤工学会基準に従い三軸K０圧密試験を実施した。

泥炭試料については、トリミングを行わず、直径 75mm・

高さ 75mm の供試体寸法とした。これは、乱れを極力少なくするためである。それ以外の試料の供試体寸法は、直径 50mm・高さ 100mm である。

K０圧密の制御は、軸変位と体積変化の測定により間接的に側方ひずみを検出し、それに応じて側圧を増減する方法を採った。供試体内に過剰間隙水圧が生じると過小な K0値となること^４）から、十分に遅い軸方向載荷速度

（0.2kN/m²/min）とした。

泥炭有機質粘土

‑4.2m

砂質シルト

粘土

‑10.8m

‑20.5m

‑2.2m 0

5

10

15

20

25

0 2 4

CPT先端抵抗 qt (MN/m²)

深度 (m)

0 300 600

自然含水比 Wn (%)

0.0 3.0 6.0 圧縮指数 Cc

0 100 200

圧密降伏応力 Pc (kN/m²)

有効土被り圧

0.0 1.0 2.0 過圧密比 OCR

図−１江別市美原の地盤物性

Ⅲ－６

平成16年度　土木学会北海道支部　論文報告集　第61号

(2)

2.3 ダイラトメーター試験

ダイラトメーター試験（以下、DMT とする）は、幅 93mm厚さ16mmの薄い板状のブレードを地盤内に貫入し、所定深度まで貫入した後、ブレードに内蔵されたメンブレンの中央部をガス圧によって1.1mm膨張させ、地盤の水平方向に載荷する原位置試験である。得られた測定値より、３種類のインデックスが計算される。ここでは、静止土圧係数の推定に用いられる水平応力インデックス

K

Dのみ取り扱う。

K

Dは

1)式で表される。

図−２江別市篠津の地盤物性

0.0 0.5 1.0 1.5

0 20 40 60

σ'a (kN/m²)

K0

K0NC＝0.38 泥炭

圧密降伏応力Pc 0

5

10

15

20

25

0 5 10

深度 (m)

0 300 600 0.0 3.0 6.0 0 60 120

有効土被り圧

0.0 3.0 6.0 深度

(m) 土質

2.7 泥炭

4.2 有機質粘土

5.3 泥炭

8.8

細砂

20.3

粘土

22.0 シルト・細砂互層

CPT先端抵抗過圧密比

深度

(m) 土質

2.1

泥炭

2.6 有機質粘土

3.4 粘土

3.9 細砂

4.3 砂質粘性土

4.7 粘土

5.2 有機質粘土

6.2 泥炭

6.9 有機質粘土

7.5 細砂

0 50 100

圧密降伏応力 pc(kN/m²)

有効土被り圧

0.0 2.0 4.0 OCR 0.0 4.0 8.0

圧縮指数 Cc 0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10

q_t(MN/m²)

深度 (m)

0 300 600 自然含水比

w_n （%）

過圧密比 OCR 圧密降伏応力

pc （kN/m²）圧縮指数

Cc 自然含水比

wn （%）

CPT先端抵抗 qt(MN/m²)

80 図−３釧路市鶴野の地盤物性

K

D

= (P

0

- u

0

) / σ

v

’ 1)

^図−４σa と K０値（鶴野：深度 1.39m〜1.56m）

ここで、

P

0

:

測定値

(kN/m

²

) u

0

:

静水圧

(kN/m

²

)

0.1 1 10

1 1

OCR

K0

OCR＝1.37 K0OCr＝0.41

泥炭

0

σ_v

’

:有効土被り圧

(kN/m

²

)

３．試験結果と考察

3.1 三軸 K_０圧密試験結果の評価

試験結果のうち、泥炭試料についての軸方向圧密圧力 σa’とK０値の代表的な関係（鶴野：深度1.39m〜1.56m）

を図−４に示す。軸方向圧密応力が圧密降伏応力を超えて正規圧密領域になると、K０値がほぼ一定値となっている。この値を正規圧密領域でのK０値（以下、K0NCとす

る）とした。また、圧密降伏応力に対して、十分に大き図−５ OCR と K０値（鶴野：深度 1.39m〜1.56m）

(3)

な軸方向圧密圧力を与えた後にK０除荷を行った。

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0 50 100

強熱減量 Li (%) K0NC

泥炭有機質粘土粘性土

浅い採取深度

この除荷において、過圧密比（以下、OCRとする）と文献1)

過圧密状態でのK０値（以下、K0OCとする）を求めた。

泥炭のOCRとK0OCについても、他の土質同様に両対数上でほぼ直線近似の関係が認められた。つまり、泥炭の K0値は、粘土などの無機質土と同様に応力履歴に依存し、

OCRの関数として表現できることが確認された。代表例として、図−４の結果を整理したものを図−５に示す。

3.2 正規圧密状態での静止土圧係数

図−６に強熱減量と K0NCの関係を示す。図中に実線で併記した関係^１）は、海外の泥炭^５）、練り返し泥炭^２）

および木くずを使った模擬泥炭^２）の結果に対するものである。図中に○囲みした比較的浅い深度から採取した試料の結果を除いて、強熱減量の増加、すなわち有機物含有量が増えるに従い、K0NCがほぼ直線的に減少することがわかる。強熱減量の高い試料（85%）では、K0NC が 0.21と、粘土と比較して極めて小さい値であった。

ら採取した試料の結果を除いて、強熱減量の増加、すなわち有機物含有量が増えるに従い、K0NCがほぼ直線的に減少することがわかる。強熱減量の高い試料（85%）では、K0NC が 0.21と、粘土と比較して極めて小さい値であった。

図−６強熱減量と K０NCの関係

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

sinφ' K0NC

K0NC =1-sinφ'

図中で○囲みした比較的浅い深度から採取した試料は、他の試料と異なり、強熱減量に関係なく0.4程度の K0NCを示した。土田^６）は、K0圧密開始前の初期等方圧力として圧密降伏応力の1/6程度が適当で、これよりも大きな値を採るとK0NCを過大評価すると指摘している。

図中で○囲みした試料は、極めて小さな圧密降伏応力（概

ね10kN/m²以下）であった。このため、可能な限り最も

小さい初期等方圧力を与えてはいるが、土田の指摘より大きな値となり、過大なK0NCが得られたと考えられる。

一般に、泥炭の圧密降伏応力は、非常に小さい。泥炭に対して、三軸 K_０圧密試験を実施する場合は、初期等方圧力の設定に十分注意する必要がある。なお、以降の検討において、図中で○囲みした試料は除外している。

図中で○囲みした比較的浅い深度から採取した試料は、他の試料と異なり、強熱減量に関係なく0.4程度の K0NCを示した。土田^６）は、K0圧密開始前の初期等方圧力として圧密降伏応力の1/6程度が適当で、これよりも大きな値を採るとK0NCを過大評価すると指摘している。

図中で○囲みした試料は、極めて小さな圧密降伏応力（概

ね10kN/m²以下）であった。このため、可能な限り最も

小さい初期等方圧力を与えてはいるが、土田の指摘より大きな値となり、過大なK0NCが得られたと考えられる。

一般に、泥炭の圧密降伏応力は、非常に小さい。泥炭に対して、三軸 K_０圧密試験を実施する場合は、初期等方圧力の設定に十分注意する必要がある。なお、以降の検討において、図中で○囲みした試料は除外している。

図−７ sinφ と K０NCの関係

K0NCの推定式としてJakyの式がよく知られている。

K_0NC = 1−sinφ’ 2) K_0NC = 1−sinφ’ 2) ここで、φ’は有効せん断抵抗角ここで、φ’は有効せん断抵抗角

Jakyの式は、粘土に対して広く有効な関係であることが確認されている^７）。K0NCと等方圧密非排水三軸圧縮試験から得られた sinφ’の関係を図−７に整理した。泥炭および有機質粘土試料の三軸圧縮試験において、直径

75mm・高さ150mmの供試体に対して、圧密圧力20, 40,

80kPaもしくは25, 50, 100kPaを与えた。軸ひずみにピ

ークが見られない試料が大部分であったが、軸ひずみが 15%に達した時点を破壊と見なした。

Jakyの式は、粘土に対して広く有効な関係であることが確認されている^７）。K0NCと等方圧密非排水三軸圧縮試験から得られた sinφ’の関係を図−７に整理した。泥炭および有機質粘土試料の三軸圧縮試験において、直径

75mm・高さ150mmの供試体に対して、圧密圧力20, 40,

80kPaもしくは25, 50, 100kPaを与えた。軸ひずみにピ

ークが見られない試料が大部分であったが、軸ひずみが 15%に達した時点を破壊と見なした。

泥炭の K0NC は小さな値であるが、同時にφ’も大きいことから、結果的にJaky式で表される直線に近い関係となった。ただし、高有機質土については、Jakyの式の適用性が低いとの指摘^８）もある。φ’の定義とも密接に関わる問題であり、今後とも慎重に議論していきたい。

3.3 原位置応力状態における静止土圧係数 3.3 原位置応力状態における静止土圧係数

今回調査した３地点とも、泥炭が軽い過圧密な状態で堆積していることがわかる（図−１〜３）。泥炭の場合、

湿潤密度が極めて小さいため、冬季の地下水位低下によ

って、容易に過圧密状態になる。したがって、原位置での静止土圧係数を評価するにあたっては、K0OCについて十分検討する必要がある。

今回調査した３地点とも、泥炭が軽い過圧密な状態で堆積していることがわかる（図−１〜３）。泥炭の場合、

湿潤密度が極めて小さいため、冬季の地下水位低下によ

って、容易に過圧密状態になる。したがって、原位置での静止土圧係数を評価するにあたっては、K0OCについて十分検討する必要がある。

K0OCは、3)式で表現できることが知られている。

K0OC = K0NC・OCR^m 3) K0OC = K0NC・OCR^m 3) ここで、mは定数

ここで、mは定数

前述の通り、今回の試験結果から、泥炭のOCRとK0OC

は、両対数上でほぼ直線近似でき（図−５）、3)式が成り立つことがわかっている。

前述の通り、今回の試験結果から、泥炭のOCRとK0OC

は、両対数上でほぼ直線近似でき（図−５）、3)式が成り立つことがわかっている。

図−８に強熱減量とmの関係を示す。強熱減量の増加に伴いmが増加し、その関係は4)式で近似できる。

m = 0.005Li + 0.45 4) m = 0.005Li + 0.45 4) ここで、Liは強熱減量(%) ここで、Liは強熱減量(%)

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 50 100

強熱減量 Li (%)

m

泥炭有機質粘土粘性土 m = 0.005Li + 0.45

図−８強熱減量と m の関係

(4)

次に、K0NCとmの関係を図−９に示す。K0NCとmには、土質に関係なく一義的な関係が認められた。強熱減量の増加に伴い概ね直線的に K0NCが減少（図−６）したことと強熱減量とmの間にもほぼ直線的な関係（図−

８）が認められたことを考え合わせると、K0NCとmに相関関係があることが理解できる。両者の関係は5)式で近似できる。

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8

K0NC

m

m = 0.95 - 0.9K0NC

m = 0.95 - 0.9 K0NC 5)

以上のことから、有機物含有量である強熱減量を尺度として、K0NCおよび原地盤の K0OCが推定可能であることが明らかとなった。泥炭地盤は極めて不均質に堆積しており、少ないサンプルから地盤全体の力学定数を決定するより、数多くの簡易な試験から推定する方が合理的である。

図−９ K0NCと m の関係

0

5

10

15

20

25

0 0.5 1

K0OC

深度 (m)

DMT 室内

0

2

4

6

8

0 0.5

K0OC

深度 (m)

DMT 室内 1

a)江別市篠津 b)釧路市鶴野図−10 DMT から推定したK0DMTの深度分布同様に、簡便で連続的に測定できる原位置試験を数多

く実施し、その結果をもって地盤全体の代表値を決定する方法も有効と考えられる。その観点から、DMT結果から原位置における K０値の推定について試みた。前述の通り、DMT から得られるのはインデックスであり、K_０値を推定するには経験的な相関式を用いる必要がある。

本検討では日本の沖積粘土に適用性が高いとの報告がある6)式を用いた^９）。

K0DMT = 0.29 KD

0.57 6) ここで、K0DMT: 推定されたK0OC

K_D: DMTインデックス 1)式

DMT から推定された K0OC（以下、K_０DMT）を図−10 に示す。三軸K０圧密試験から得られたK0OCも併記した。

全体の傾向としては、K0OCとほぼ等しいK０DMTが得られている。DMTは連続的かつ簡便にK0OC を推定できることから、泥炭地盤の K０値の推定法として有効な手法と考えられるが、泥炭に対する6)式の適用性あるいは新たな推定式について、検討を継続する必要がある。

3) 藤川敬人・小川正二・福田誠：粘土およびピートの圧密時の間隙水圧および K_０値、土木学会第 38 回年次学術講演会講演概要集、第 3 部門、pp.515‑516，1983 4) 小田美明・三田地利之：飽和粘土の三軸 K_０圧密試験

方法について、土木学会論文集、第 448 号、Ⅲ‑19、

pp.45‑52、1992 ４．まとめと今後の課題

泥炭地盤の K０値を精度良く評価する方法を確立することを目的にして、三軸 K０圧密試験ならびにダイラトメーター試験を実施した。

5) Edil, T.B. et al: At-rest Lateral Pressure of Peat Soil, Journal of Geotechnical Engineering Division, ASCE, Vol.107, No.GT2, pp.201-220, 1981

その結果、強熱減量を尺度として、K0NCおよび原地盤のK0OCが推定可能であることが明らかとなった。さらに、

原位置 K_0OCの推定法としてダイラトメーター試験の有効性が確認された。今後、その精度向上に向けた検討を行う予定である。

6) 土田孝：三軸試験による自然粘性土地盤の強度決定法に関する研究、港湾技術研究所資料、No.688、pp.63‑84、

1990

7) Watabe, Y., Tanaka, M., Tanaka, H. and Tsuchida, T.:

K0-consolidation in a Triaxial Cell and Evaluation of In-situ K0 for Marine Clays with Various Characteristics, Soils and Foundations, Vol.43, No.1, pp.1-20, 2003

【参考文献】

1) 土質工学会・高有機質土の力学的性質および試験方法に関する研究委員会：高有機質土の工学、pp158-162、

1990

8) 宮川勇・柴田恒夫・高野隆：K_０圧密による有機質土の強度特性に関する２，３の考察、土木学会東北支部技術研究発表会講演概要集、pp.44‑46、1974 2) 川野克典・山口晴幸・大平至徳：泥炭の K_０値につい

て、土木学会第 41 回年次学術講演会講演概要集、第 3 部門、pp.477‑478、1986

9) 岩崎公俊：フラット・ダイラトメーター試験による静止土圧係数の評価、第 30 回土質工学研究発表会発表講演集、pp.271-272、1999