膨潤性粘土鉱物を含む地盤材料のコンシステンシ一

膨潤性粘土鉱物を含む地盤材料のコンシステンシ一 特性に関する研究

伊藤 驍・菫澤絵理架＊

ConsistencyofMontmorillonite‑KaoliniteMixturesasSwellingClays

IToTakeshiandKuKIzAwAErika*

(2000年11月30日受理）

Inordertoinvestigatetheconsistencycharacteristicsofswellingclays,artificiallyblended montmorilloniteandkaoliniteclayswerepreparedandaseriesofconsistencytestshavebeen performed. Basedontheexperimentalconsiderations, relationshipsbetweenconsistency parametersarediscussedwiththecontentofswllingclays. Thenseveralconstitutiveeqau‑

tionsareconducteddependingonthesoiltypes・ Inaddition,thispaperalsoshowsprediction models,anditwasfoundthatthepredicteddatabytheproposedmodelscouldbewell in agreementwiththeexperimentaldata.Theseconsistencymodelsmightbeprovidedabetter estimateofotherswellingclays.

ようなコンシステンシー特性を示すかいろいろなパ ラメータを使って検討を行ってきた。その結果，膨 潤性粘土鉱物試料の基礎的情報となるコンシステン シー特性に関し， これまで知見しなかった幾つかの 新たな構成方程式を導くことができた。本文ではそ の主な概要について報告する。

まえがき 1

土がその容積増加を示す現象として一般に膨張 (expansion) と膨潤(swelling)の2通りがある。

地盤工学ではこの性質を示す土を一括してexpan‑

siveclaysと呼んでいる。 swellingは粘土鉱物がそ の内部に液体を取り込んで結晶水としてこれを拘束 し，浸透・拡散・イオン交換等の作用を伴って体積 増加をきたす現象である')。したがって，単に圧密の 逆現象ではなく， また通常のダイレタンシーとも意 味を異にする。このような膨潤性に富む粘土鉱物の 代表としてモンモリロナイト (Montmorillonite)が 挙げられる。一方，非膨潤性の粘土鉱物の代表とし てカオリナイト (Kaolinite)が挙げられよう2)。

そこで本研究では，粘土鉱物を取り扱う場合， そ の基本となるコンシステンシー特性は力学的性質を 推測する上で極めて重要な要因であると考え，力学 的研究3)と並行しながら検討を進めてきた。試料と

して非膨潤性粘土鉱物のカオリナイトを用い，膨潤 性試料としてはモンモリロナイトの粉末試料を用い た。原試料独自の実験以外に， さらにそれらの配合 割合を段階的に変えた試料を作製し， これらがどの

2．研究の背景

地すべり等地盤災害4)が発生したときには，概ね その地盤中にモンモリロナイト等膨潤性粘土鉱物の 存在力ぎ指摘される5)。地すべりをはじめとする地盤 の軟弱化や地盤沈下現象， トンネルの塑性変形や構 造物基礎の変状に至るまで多くの諸現象には概ねこ のモンモリロナイトが関わっていることが多い。 し たがって，地盤環境の制御にはこの地盤材料の存在 は無視できないばかりか，むしろ積極的にその工学 的性質や物理的特性を解明していく必要がある。筆 者は長年にわたりこの問題と取り組み， これまで多

くの物理的・工学的性質を明らかにしてきた6)'7)。

一方， このような粘土鉱物の特性を工業材料とし てうまく利用した研究も進んでいる。 しかし，地盤 工学的には未だこうした粘土鉱物の性質が解明され ている訳ではない。特に膨潤性に富むモンモリロナ

＊秋田高専卒業生（現：長岡技科大学生）

イトが含まれている地盤は塑性流動的で予測しがた い変形挙動をもたらすなど建設作業を困難にしてい

る。

地盤の中に粘土鉱物が含まれることによって生じ る塑性流動的変形は，極めて複雑であるがその挙動 解明に関する力学的研究8)は数多い。しかし，コンシ ステンシ一は土の最も基本的性質を示す情報とは認 識されながらも未だ十分研究がなされているとは言 い難い。これは， コンシステンシーの実験が簡易で あるために，個々の性質に深く突っ込んだ研究は軽 視されがちであったことに一因があるように思う。

1．gBX

＝

＝

CTカオリン

Ｎ﹄︒

ｓ

■

碗Ｌｕ

＝

菫 ＝

跡

茎

﹄の② ﹄の ﹄の函﹄⑩

Z､95 畑.0a 20．98 38．66 4G.

−28

図1 (b)． CTカオリンのX線スペクトルチャート

3．使用した粘土鉱物と実験試料 含まれていたことがわかる。

また,CTカオリンについても同様なX線粉末回 折を行ったところ，図1(b)に示すようにカオリナイ

I(K)の回折線が大半を占めていた。 しかしこれに もさらに若干のセリサイト (Sericite:Serと略記）

や石英の回折線の存在が認められる。このように実 験に用いた粘土鉱物はそれぞれがどれだけの純度で あったか詳細は定量分析等にまたねばならない。 し たがって， ここでいうM100,K100はそれぞれクニ ケルV1,CTカオリンの原試料であることを断って おく。

以上の7種類の試料について,JISA1205による 液性限界・塑性限界試験を行った。そしてこれによ って得られるいろいろなパラメータを求めた。

以下の2つを原試料とする。

(1)モンモリロナイト (Montmorillonite:Mと略 記） ：山形県左沢月布産クニケルV1

(2)カオリナイト (Kaolinite:Kと略記) :広島県勝 光山産CTカオリン

さらに， それぞれの重量配合比率によって原試料 以外に以下に示す5つの混合試料を作製し合計7種 の試料を試験に供した。

K100,K90‑M10,K80‑M20,K70‑M30, K60‑M40,K50‑M50,M100。

先ず,K100及びM100についてX線粉末回折を行 った。そのスペクトルチャートを図1(a), (b)に示す。

X線回折パターンによると，図1(a)のクニケル V1(M100)はモンモリロナイト (M)のピークが明 瞭に出ていることからこの成分が主成分として卓越 していることが読みとれる。 さらに石英(Quartz:

Qrzと略記)や長石(Feldspar:Fldと略記),斜プ チロル沸石Clinoptilolite:Cliと略記),方解石 (Calcite:Calと略記）の回折線もみられることか らモンモリロナイト以外にもこのような粘土鉱物が

4．結果と考察

先ず，液性限界試験の結果を図2に示す。図中の 流動曲線は一般に次式のように示されることから，

それぞれの試料に関する定数α，βを求めた。

W(%)=α一β･ﾉqgioN (1)

その結果，以下のように整理できた。ここでβは 流動指数(Flowindex:=If)で粘土の種類によっ

1．日8K

Ｎ﹄︒

クニケルV1

600

００００００００００５４３２１

︵ま︶言封蕎仙

＝

Ｎ﹄ロ

５

●

ｍ企劃 一画︒

目室

Ｎ﹂︒

●■■■■

一

○

Ｎ﹄︒画一﹂

＝

■ー 一

○

:竃

＝ 0

10 100

落下回数N(回）

図2．クニゲルV1(M)+CTカオリン(K)の流動曲線

Z･日q 18．95 誼.98 ヨロ･巴ロ 4日･gq

−28

図1 (a).クニゲルV1のX線スペクトルチャート

I

M100

I

〜_ー

ーー ーｰ

ー

ー含一旬_弓呈

〜〜一

一一二一一二

匡山=

K50‑M50 K60‑M40 K70‑M30 K80‑M20 K90‑M10

一一

K100

−

IfLogN C一

４ 一 一

W(%)一

一一 一一 一一

−ー 一

一 一

＝

ー

ー

ー

−

日＝

一

﹃

﹃

﹃

︲ 弓 一 二 二

一一一一一

声

一一一一一

− 一 口

−

一声

ー ー

一一﹂一一

ｰ ー

ー 鳧_一一

−

ー

一▲一

学

､

一

一一︾一一

ー

一

畠

＝

一幸

〜

一口﹄﹄

膨潤性粘土鉱物を含む地盤材料のコンシステンシー特性に関する研究

200

｡

ー

類 聖100 超 割

0

50 100

液性限界W2(%)

図3．クニケルV1(M)+CTカオリン(K)の塑性図

150 0

て異なる。

K100 :W(%)=120.42‑29.10jOgioN (2) K90‑M10 :W(%)=179.92‑51.35jOgioN (3) K80‑M20 :W(%)=226.44‑62.47/QgioN (4) K70‑M30 :W(%)=268.27‑72.06/QgioN (5) K60‑M40 :W(%)=312.80‑75.88ﾉ｡gioN (6) K50‑M50 :W(%)=375.80‑88.02ﾉQgioN (7) M100 :W(%)=589.16‑106.45/QgioN (8) この式から分かるように,Mが大きくなるにつれ α,βは共に大きくなっている。さらにこれらの曲線 から液性限界(W/)を求め，塑性限界試験から塑性 限界(Wp)を求め， さらに，塑性指数(Ip)を求め る。得られた結果を塑性図(soilplasticitychart) にして示すと図3のようになる。この図の中でα＝

C,"=Ifと置いている。図によると,K100はA‑line の下側にあるが,M≧5%からA‑lineの上側に来 るがさらにB‑lineやE‑lineの右側に来る。 したが って,Mが増えるにつれ透水性が小さくなり， タフ ネスは大きくなり，圧縮性も大きくなる等の特性が 強まり，土質分類上,CHとなる。M100はW/=450 であったため，図にはプロットされていないが，混 合試料とこれら原試料は塑性図上では直線近似でき

る関係にあった。そこで本研究に用いた一連の試料 の特性関係を求めてみたところ，次式で示されるこ

とがわかった。

Ip=0.991(Wノー31.3) (9) なお，図3には参考までにZ100はゼオライト (Zeolite), S100はセリサイト (Sericite)の試験結 果も記入した。ZeoliteやSericiteの試料について は別途解析を進めており追って報告する予定であ

る。

この他， タフネス指数(1t)や塑性比(Pr)等を求 め,Kの含有量(Kc:%)に伴うこうした物理的パ ラメータ間の関係にも注目した。その結果，本研究 の試料には次のような関係があることを見出した。

α=‑4.651(Kc)+595.1 00) さらにKcとの関係や他のパラメータ間などにつ いて調べてみたところ，以下に示すような諸関係が 見出された。

Ip=‑3.632(Kc)+399.6 01) Wノ=‑3.657(Kc)+434.3 03 If=‑0.0074(Kc2)+0.0177(Kc)+106.0 01 Pr=‑0.0003(Kc2)‑0.064(Kc)+10.74 00 1t=‑0.0248(Kc)+3.757 (13 1t=0.0068(Ip)+1.028 (10 1f=33.38/"(Ip)‑93.81 (11 Ip=1.532(Pr2)+19.12(Pr)+18.71 (13 1f=43.77/"(W/)‑156.2 (19

500

００００００００４３２１

昌類躯起割

0

0 20 40 60 80 100 120

カオリナイト含有率Kc(%)

図4(a)．M〜K系clayの含有率の変化に伴うlp変化

B−I1no W2＝50

中塑性の

(Cu

無機質粘土

E−I1n●

W2＝80

（CH）

高塑性の 無機質粘土

K80‑M20

A−Ⅱno

●

低塑性の 無機質

Z100K1(

と有機質粘土

M100 Ip=‑3.632Kc+399.6 (R2=0.998）

〜、、

､藍､転=

剛落蹴FNeK80=U20

K6

0 ． ‐ 〜巡延避呼

以上の関係式はいずれも決定係数がr2==

0.946〜0.991の範囲にあり極めて良好な相関関係に あった。

これらの関係をグラフに描きその幾つかを図示す ると, (11)式は図4(a)となる。

また，図4(b)は⑯式を表し，図4(c)は(11式を，図 4(d)は(10式，図4(e)は(19式を表している。これらを 見ると，直線関係を示すものとしてIp〜It, Ip〜Kc, It〜W/関係等があり，非線形的関係にあるものと して, If〜Ip, If〜W/,WノーPr等が挙げられる。さ らにIp〜Prは多項式で表現して近似度が高かっ た。塑性比Pr(=Ip/Wp)はIpから由来しIpは片 対数グラフより求まるW/値で決まるのでこうし た関係が生じたものと考えられる。

以上， これらの図を見て分かるように，実験式は いずれも正しい実験公式を誘導することにより，か なりの精度で実験結果を良く再現していることが検 証できる。

次に， このようなパラメータ間の関係をさらに発 展させることを検討する。この場合， これまで示し たいろいろな実験式を利用し， 3つのパラメータに よって表現することを試みた。このとき上式相互を 組み合わせて式の展開を行う。そうするといろいろ なパラメータ間の関係がさらに明瞭になる。こうし た多数の変数間の関係から特定のパラメータを予測 する方法としては重回帰分析法も考えられるが， こ こでは誘導された2変数の式からさらに3変数に発 展させたものとして，図5にIp, If,Kcの関係，図 6にIp, It,Kcの関係を示した。図5,図6の関係 は，それぞれIp〜Kc関係にIfまたはItを加えた構 成方程式であり,If,Itが両者の関係を支配している

と言える。この場合も，図を見ると良好な関係にあ るので， これを式示すると以下のようにまとめられ る。

Ip=If(‑0.0248Kc+3.757) m Ip=It(‑0.0074Kc2+0.0177Kc+106.0) @1) 両図ともIpを求める予測式であるが,用いるパラ メータが異なる。いずれの図にも実験結果は試料毎 に記号を変えて示した。それを見ると実験結果はい ずれも予測曲線にほぼ一致した位置にあり，本式の 予測結果は極めて再現性が高いものとなっている。

また,M60以上の試料については実験を行っていな いがM100については実験を行っているので， これ らの予測式に従って実験を行わなかった範囲のもの について予測すると点線のようになる。図を見ると 明らかに予測結果はM50〜M100の範囲にあって妥

５４３２１０望類躯〆特︑必

0 100 200 300 400 500

塑性指数Ip

図4(b)．M〜K系clayの変化に伴う1t〜lp関係

120 100 80 60 40 20 0

窒類聖詞擴

0 100 200 300

塑性指数Ip

図4(c)．M〜K系clayの変化に伴う

400 500

lp〜If関係

００００００００００５０５０５０５０５４４３３２２１１昌類躯起劉

0 2 4 6 8 10 12

塑性比Pr

図4(d)．M〜K系clayの変化に伴う lp〜Pr関係

０００００００２０８６４２

0 100 200 300 400 500 600

液性限界W2(%)

図4(e)．M〜K系clayの変化に伴うlf〜WI関係

一"耐

1t=0.00681p+1.028 R2=0.994

ロ B G

M1 一一

上ツー 喫緬矛

K7 K6修鴎0

／緬剥'0

／

／ ^Rz=0.994

B 、 凸 ロ

一／

ID=1.532Pr2+19̲12Pr+18.71 ／〆 ^H1

R2=0.989 ／

／

K50者50．／

K7仏M30 ／ざR^{6 H40}

=ff@O̲M20 一ィ扉H,0 一.耐oo

I Q Q O O

一ず､耐

K斗塑9,一 災短蔦《

K70 6'M40

ノ/伽¹⁰ If=43.77Ln(W2)‑156.2

/〈

ノ

I O Q Q ロ

膨潤性粘土鉱物を含む地盤材料のコンシステンシー特性に関する研究

当な結果が得られている。 したがって，本予測式は 5．結 論 いずれもモンモリロナイト (M) ･カオリナイト (K)

混合試料のコンシステンシ一特性を良く説明してい 以上から，高塑性を示す、

ると言える。 低塑性を示すカオリナイト

このことから本研究の成果は，他の粘土鉱物の． 及びその混合試料のコンシノ ンシステンシー特性を表す場合の参考になるばかり 実験を行った。その結果を；

か粘土試料の力学的特性を推測する際の重要な情報 要約される。

になると考えられる。 (1)カオリナイトK100は塑闇

以上から，高塑性を示すモンモリロナイト (M), 低塑性を示すカオリナイト (K)を用い，独自の試料 及びその混合試料のコンシステンシー特性に関する 実験を行った。その結果を整理すると以下のように 要約される。

(1)カオリナイトK100は塑性図のA‑line下側にくる が，モンモリロナイト (M)の含有率が高まるに つれ透水性が低く圧縮性が大きくなるなどの特性

ＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯ ６５４３２

100 0

50 100

流動指数If

150 200

0

図5． lp〜Kc〜lf関係と予測曲線（点線）

ＯＯＯＯＯＯＯＯＯＯ５０５０５０５０５ ４４３３２２１１

0 2 3

タフネス指数It

図6. lp〜Kc〜lt関係と予測曲線（点線）

4 5

Ip=(‑0.O248Kc+3.757)If

/ダ

M100

K10‑M9O<予測）

〆 夕 タ少

グ タ

グ タ

グ ク

ク グ ダ ダ タ

タ ク

ク 夕

タ デ

タ グ

タ グ

タ ク

タ ヮ

タ 夕

KZU−MUU《ア湖ノ K30‑M70<予測）

K40−M60(予測）

タ グ

グ ダ

クー グ

タ グ

P 夕

F "

〃 タ

‐

タク 夕

づ づ

クク タ グ

ク タ

タク

タ グ クー

グ タ

００ｎ５３匁ＭＭＭ−一一０ｏｎ５７盆ＫＫ睦

｜ I I

実験瞳 XK100◆＋●×一 ＫＫＫＫＫ ９８７６５ ＯＯＯＯＯ 一一一一一 ＭＭＭＭＭ １２３４５ ＯＯＯＯＯ −

■M100

Ip=1t(‑0.0074Kc2+0.0177Kc+106.0)

睦句、一且nTnf宰和、

/ごう二子

ケタゴタググ ^{■可一一 ママ寺守一､｡ー●ケ} K40‑M60(予測）

ニレ医n日口置命

/盃::三ｼﾞﾝｸｰ

■■ーー ■守守一一

K60‑M40

/ダ多妻ジグづ/K70‑M30

/づ諺乏二つ／二／".｡"…

盗参妻乏多二／二一"" 卿 ※

１

１１

−

XK1”

◆K鋒M10

＋K8酢M20●×一 砂椴擁 ＭＭＭ 銅㈹釦 。

■M1

を示すA‑lineの上側,B‑lineの右側にくること力ざ 分かった。この特性は(9)式で提示できた。

(2)カオリナイト (K)の含有量(Kc)に着目しコン システンシーパラメータ相互関係を調べてみたと ころ，⑩〜(19式が導かれた。いずれも本研究で用 いた試料のコンシステンシー特性を良く表すもの であることが検証された。

(3)上記⑩〜側式を基にKcを含む3つのパラメータ を用いIpを予測するコンシステンシー特性方程 式側, 01)を導いた。これを用い，実験を行わなか った範囲について予測した結果， それらは妥当な ものであることを検証した。

参考文献

1)R.Grim&N.Giiven:Bentonite,EIsevier, 1978,pp.232‑237.

2) J.E.Gillot:Clay inEngineeringGeology, EIsevier, 1968,296pp.

3)T. Ito:RockSlopeLandslideWithSwelling Behavior,Proc.oftheRockMechanicsand Environmental Geotechnology‑RMEG'97, ChungquingUniversityPress, pp.285‑290,

1997.

4)M.G.Anderson&K.S.Richards(ed.):Slope Stability,JohnWiley&Sons, 1989,648pp.

5)R.K.Katti&A.R.Katti (ed.):Behaviourof SaturatedExpansive Soil andControl Methods,Balkema, 1994, 1132pp.

6）伊藤驍：土の膨潤挙動からみた地盤災害，土 と基礎, 29,2,pp.31‑38, 1980.

7)T. Ito: StrainSofteningofUnsaturated SwellingClays,Proc.bfthelnt'ISymp.on Suction, Swelling,PermeabilityandStruc‑

tureofClays, IS‑SHIZUOKA,Balkema,pp.

137‑142,2001.

8)W.F.Chen&G.Y.Baladi :SoilPlasticity, EIsevier, 1985,231pp.

以上，本研究の成果は，他の粘土鉱物のコンシス テンシ一特性を表す場合の参考になると共に粘土試 料の力学的特性を推測する際の基本的な情報になる

と考えられる。

謝 辞

本研究を行うに当たり，試料の粉末X線回折に関 して秋田大学名誉教授本多朔郎先生に労を煩わし 数々のコメントを頂いた。ここに記して厚く御礼申 し上げます。 また，試料を提供されたクニマイン㈱

ならびに㈱勝光山鉱業所に対し深く御礼申し上げま す。