奈良教育大学学術リポジトリNEAR
ベントナイト混合土の突固め特性と一軸圧縮試驗
著者 太田 ?敏, 橋本 揚之助
雑誌名 奈良学芸大学紀要
巻 6
号 2
ページ 93‑100
発行年 1957‑01‑31
その他のタイトル Studies on Unconfined Compression Test and Specific Character in Compact Solidity of Bentonite Mixtured Soils.
URL http://hdl.handle.net/10105/4942
(93)
ベントナイト混合土の突固め特性と一朝圧縮試験
∴ J M 、 !・ *, i:.
(昭和31年10月31日受理) yoritoshi Ota. Yonosake Hasimoto
Studies on TJnconfjned Compression Test and Specific Character
in Compact Solidity of Bentonite M:i二Ktlユred Soils.
I は し が き
最近ベントナイトの膨潤性を農業土木事業に応用することが注目され,土堰堤の中心匁金,前 匁金に混合して漏水を防止すること,又新しく開田する場合や漏水田に応用することが盛んに行 はれる横になって来た。
、 : 二 .: i ∴
る試料を用い,之にベントナイトを混入した場合の物理性中特に混合此率及び水分量に依る突固 め特性と‑軸圧縮強度について試験したがその内の一部を報告するものである0
. . .二 、 ∴ 一 °. …‑' ', 蝣 ' ''f',二・ ざ十 一・:∴. :
木学会を通じて発表したが,この結果最高強度の含水比は貴通含水比(締固めの際最大密度を与 える含水比)より多少共低い傾向を有することが結局土粒子の周りの水の形態,空隙中の水の占
‥,‑ . '' 蝣 ' '・‑.(二・ {・:∴ ! .一蝣̲i蝣:蝣蝣‑ ,
でそのことよりこのベントナイト混合土について適用して見ることにより従来水密性にのみ重点 が置かれているこの方画の研究に対し強度の点の考察を加えることにより水密性,安定性の両面 よりその性格た確立し,利用面に何等かの参考事項を提供せんことを念願しつつこの実験を遂行 した。
館貴近は三軸圧縮試験が行はれているが之は構造複雑で価格も数十万円に及び現在の所本学で はir'i'!蝣!'汗こ:jU'‑'状甘i̲"∴iC互・」*Cこn・,、O
この一朝圧縮試験機は三朝の場合の閏培試料の側圧を零と見倣した場合即ちコンクリート試験 の場合に相当し充分本実験の目的には役立つことを信じたのである。
本研究に対し京都大学沢田敏男帝士より御助言を賜った。ここに厚く感謝する。
I工 実験材料と方法
実験材料には天理市豊井グム用土を使用した。
之は花置岩の風化士で,寅比重2‑68のSandy Loa‑11である。
之を風乾状態にした後4粗の館で通し,順次含水させ,又順次乾燥させて試験した。
含水方法としては小型Sprayerを二使用し,試料を大型Shallow‑Pan内で薄く拡げ,その上よ り Spray L含水させ,良く混合した後,時間をおいて使用することにした。
突固め試料の成形は,内在0cm,長さ10cmの鉄製Cylinderに同径の枠をはめ込み,直径 2.0cmの鉄製Rammerで試料を三層,各層25回の突固めを行い,後両端を平らに仕上げ,吏ic Sere＼＼'Jackで静かに試料を抜き取り,併読体としたo
使用したBenton!teは豊順洋行の製品で商品名シリカライト 3̲9うmeshのものであるQ Bsiitomteの性質については本誌第4巻第2号に紹介した。
之を各種混合比率(重量比)で混合させたのであるが,風乾状態で含水比が土試料で2‑23^,
( !"・蝣! ) 太 田 頼 政・橋本揚之助
Bentoniteが6‑90%であったので重量比5%, ¥0%, m%は夫々乾燥状態では4.1 14%, 47
c'上・*‑"蝣。
突固め試料成形器による精度はJiS, A1210の標準試験と殆んど同一であった。
圧縮試験機はループ荷重計を主要部に持つ形式である。
上記の懐にして準備された土の円墳試料にAxial Loadを掛けて行われ,荷重が増大する時の Stressに相応するStramを測定するのであるo
Stressが終局強さに達すると試料はGradual Bulging又はSudden Reptureによって破壊す
蝣T*.1o
Continuous Bulging:によって破壊する試料のUItimate Strengthは独断的にStramの20%に 相当するStre.・SSであるとして差支えない0
倍Strain Gaugeの指針の進行状況によって試料内部の破壊面の発生を予知しうることが分っ た。
III 実験結果と考察 (1)突固め密度
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I + ミ 5
、、、50
0 10 20 含 水 ^30
Hg.iを見て分る如くBentoniteの混合量を増大するに伴って乾燥密度は減じ,道に最適含水 比は次第に大となるQ
・'蝣rEpこ含水‑・3Ji}.>上社旗こさせた"iV.‑iでは 弓持 主^蝣Ti'.iご言LYll >H tミい.
Graph中実線が前者,点線が決着の場合であるo
Graph中の数字はBentornte混合比率を示すO (風乾状態の場合) 圭一‑‑ ] V一 座 需 Eft"
A ;tj*}・'蝣"蝣千 二・/、i‑.'i‑' B 順次乾燥の場合
附記。最大密匠につき固妙ることの出来るときの含水量を最適含水量という。
この試験の目的は言葉を換えて言うと盛土をし吟固める場合,適当の水分を持っていると粒子問の間際 水の毛管カを弱め,せん断抵抗力が小さくなってPlasticになり,し妙固mこよって最大密度が得られ
るという理由から,現場でし埼固めるときにその土の最適含水量を見出す篤に行うものである。
ベントナイト混合土の突固め特性と一朝圧縮試験 C95)
館含水量,D表示法として「含水度」を用tJlると締め固め土に於ける含水の4段階を見出しうる。
Bentonite混合比I a
rcC ±
1 "・ 0.05
1 : 0.15 1 : 0.50
藩 今Bentouite混合比率による真 比重Gの変化を示す。
土の乾燥密度と上記の合水産と の関係を錬図に播けばFig.'の如
くである。
含水度'1%)
.＼‑i:・‑‑‑・∴ 言十‑‑‑ 一一一.I'.I I ¥‥ ∴一・二.:(こ, 5"4:,一・・"蝣̲I*.ォl‑,・一 :i!!i'蝣
される。
B‑‑・‑・・水和限界
;‑・i‑‑‑言・:十 . :午‑ち‑‑'.サ'.*1*',」.・'> *;.::*蝣;'蝣."蝣.‑'蝣";i・蝣∴ここV,' : ;.'雄i
をなし,士の密度を大にし,之を密美にする。
空気は未だ全部は排除されない。
D・・‑ 滑動限界‑貴通含水量を与える点.
D‑E・・‑・‑・膨脹の段階‑一一水分は土に巌脆性を与えるが,空気量の変化僅少である。
E‑・・・‑膨脹限界
E‑F‑ ・・飽和段階‑ ‑空気が排除されるo F‑・・‑‑飽和限界(空気全部排除)
以上の内力諸口,滑動の二限界を知ることは後述の圧縮強度を調べる大きな助けとなるのであ る。試験の結果をFig.2に示したが,このGraphより水和,滑動両限界の含水慶並にそれに相 当する含水比を求めた結果を次表に示す。
A 順次含水の場合
秦‑ 2 含 水 段 階
B mg;衆乾燥の場合
(2)間隙比及び飽和度
F らー+ 糾 賭 jL
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5 史固,10会米th(V)IS 20 IS
(96) 太 田 頼 敏・橋本揚之助
聞除容積と土粒子容積との比を問障比(Void Ratio)といい,之に対し全体容積との比を間隙 率(Porosity)といっているが,両者の関係を示せば次式の如くである。
Vv Vv
n=vxlOO, e=‑w=一前∴n=‑Ii了㌻×IOO
ここにn‑問隙奉, e‑間揮比, Vv‑間隙容積, V‑全体の容積, Vs‑土粒子容積 一般に粘質土は圧縮されて甚だしく間隙容積が変化するO
その為Vはその度に変化する値であるが, Vsは間隙容積の変化には無関係であるから間隙比 の方がより合理的である。
館実際上は間隙比は試料の容積Vと乾燥重量Wsを測れば次式に依って計算出来る。
GsRIVV
ws ‑ Gs‑土の比鼠R、V‑水の密度, Ws‑土粒子重量
:蝣*l"''v「・.I蝣 'ト", 一 蝣 ・. .'(・・ I ' 、 /:・∴∴ こ∴.' : :こ
数等'D土の重要な性質はこの間隙比に園聯しているO 砂土ではe<1,0,粘土ではe≧2.0が普通である。
一般に1.0以下の粘質土は相当団結したものと見て良いo
'・・i・' ‥ '¥',∴‑..∴ ∴=‑∴ ∴ ∴ ・If*呈・、 二:
けられる。
即ちrig.4に依ればBentonito混合比率の大なるもの程最小間隙比の値が高くなり,館之に 相当する含水比は貴通含水比に殆んど一致するのであるO
次にこの土の空隙容積中に占める水の容積の割合であるが,之を一般に飽和慶と呼んでいる が,今之をSと表わせば次式で示されるo
s‑品×100, Vs‑濫vs‑土粁容積, Ww‑含水重量
飽和健は地下水面以下の粘土は多くは100^に近い。
:.';i'‑." :・!∴=;!!一・‑. ∴ :I.∵! .‑.: . :、 ..∴ TTii蝣' .'i";‑:'*‑・・・ ‑̀ *.・。
佃この飽和度は透水係数,革新強度,電気的性質等と密接な関係があるので,今後土の含水量の 表示法として広く採用されるべきであろうo
Fig.5は突固める際の含水比に応するSを示したもので突固めの際の含水比は同一でもBen七一 川1itt、ミM."rll圭;三.'蝣'Oこなるロブ出ilt.t士上ない、 j‑.!‑'*‑>て 印.・'サ:Lt)iI‑い伯L・示Lてい・?>。
佃順次乾燥の方が間隙比,飽和度ともに低い傾向を示しているO
このことは土粒子周回の水膜形成が均等に行われ叉水膜厚さも均等に薄く分布していることと 思はれる。
このことについては鏑将来良く研究したい。
A 順次含水の場合
Bentoni咽合比恒小間酎ヒL含水
I'‑ '.
1 : 0.05 1 : 0.15 1 : 0.50
: I . ‥ て‑:̲.ち ‥、fJ・蝣・
B 順次乾燥の揚合
I‑V、u ‑‑
i‑L ト fi:濃
0.315 10.80 0.535 I 13.00
1
0.570 14.00
含
ベントナイト混合土の突固め特性と一朝圧縮試験
(3)圧編強度 (ilitnl;
?;!i:言辞十∵上 Fig.
la.牀
⊥⊥⊥⊥日 r1, ∴
1
㌧̀
一㌔ 、
♂ N ′
‑
(97)
(4)弟断力及び内部摩擦角Up)算。
Fig.6こ於て材料にWなる圧龍力 が[加ナば横断面MN上には
60‑貰‑・・‑・CO
なる圧縮応力が生する。
但しA。は横断面積である。
今この横断面とβなる角をなす面 M′N'には如何なる応力が生するか を調べて見る。
WをM/N/に垂直な方向の力PとM′N'方向'D力Qとに分解すると, P=Wcoso,Q‑Wsino である。
PによってM'N'面に圧縮応力aを生するが,その大きさはM′N'の面積をAとすれば, A‑
A。secflだからa‑‑{一‑‑‑芸慧‑0‑ocos‑o一・一 ‑‑蝣(2)
叉Qに依ってM'N'面に沿ってせん断応力Tを生じ,その大きさは
・‑普‑農霊
‑ ㌢sin20 (3)
式(2)より圧縮応力は, COS20‑1,即ち0‑0‑の時最大で,その大きさは<;max‑0‑。‑ ‑ (4) でT‑v‑。
叉(3)式よりせん断応力は, sm20‑1 20‑90‑即はち1‑45‑で最大になr),その大きさは Tmax‑一㌢・・‑蝣(5)となる。
叉この面上の圧縮応力は<7‑<7oCOS245‑‑‑㌢である。
佃(3)式中勇断応力Tは試験片の上部を斜面M′hT'に沿ってm節しようとする単位面積当りの募
、 ‑.‑・ ∴ ・:・: 蝣 '','蝣;蝣' :!・ ・ ' さl(ゴ 蝣 V
αに正比例する力〃αとの和であると仮定して次の平衡式を立てて見る。
丁‑Ks+j>ォ7‑日・・‑・・・‑‑(6)
義に〃は実験的常数であり,此の式のT及び6の式に(1), (2)の値を代入すると
1
Ks‑, 〃♂‑すtfosin20‑〃♂OCos20‑<70(‡sin20‑,ォcos20> ‑ ・(7)よ.I
となる。
この式のKsは‑軸圧縮応力がdoのとき試験片の横断面と0なる傾きをなす斜面M'N′上に生 する真の勇断応力であり,読(7)は0の総ての値に対して成立する平衡式である。
在ってKsの低が貴大である画に沿ってとり破かいが行われるから, Ksを0に就て夜分しそ
I"V二・! '.'・' '卜Il.・ K ‑ : 1 '・.'('.'
豊‑ffo(cos20+〃sin20)‑O ∴ cos26+〃sm20‑0
cos20
上式より p‑一両‑ニーCOt;20‑tan(20‑号)となるo 椅pの代りにta叫とおけば
tan(20一芸)‑叫を得るo
(98) 太 田 頼 敏・橋本揚之助
' ∴ ., ! ∴ ,.1'‑ご′目 し:蝣0.‑て・::‑‑‑‑・・・
なる傾斜を有する斜面に沿ってとり破壊を呈する筈である。
例えば実験の結果l‑ot> となったとすると> (8)式より
≠‑26‑号よ。,軽20。であ。 〟‑tan20‑‑0‑364を得るo
之を(7)式に代入すればK‑s‑0.35tf。となるから,単純(叉は‑軸)圧縮試験を行うことにより 此の材料の労断強さを測定しうると同時に,其の勢断強さは圧縮強さの半分ではなくて35^に相 当し,逆にこの材料の圧縮強さは勇断強さの2.86倍となることを推定しうるのである。
上式の〃を材料の内部摩擦係数と名附けているのであるo
少は摩擦角であり,材料を破壊後0を実測して(8)式に依り算出すれば良い。
(a) Mohrの応力円による粘着力の算定
供試体がせん断面で破壊するか叉は側方にふくらんでしまう迄垂直荷重をかけるo その時の圧縮強さは,最大主応力を表はし,他の二つの主応力は0となる。
Fig.7に於て主応力Uj差の半分(閏の半径)は破壊の時のせん断応力を表はすo
∴ ‥i ,‑' S ',i上: ,̲ ' !",',‑;ニー.、 ∴1ォ.'I.t二∴1 .
は前述のことで分るO
若しも側方を押えない状態,即はち本試験の如くにしておけば供試体の軸に直角な方向の力は Oとなるから破壊の時のせん断応力は最大主応力の半分の大きさになるo
著し少が0よ。大きい値を取るときは,破壊面は最大主応力の鋸南と45‑+昔の角度をなすo ち:‑ ∴:i‑.二・・‑・ナー:>‑‑., 十'f' ‑"‑‑I二 ∴
この時のせん断強さは,圧縮力の半分より小さくなるo
Oa
Fig.7から smj5=前γ
∴ si叫O。‑2cco坤) ‑do tfn (l‑Si叫) ‑2cco蜘i叫=2ccos声
9E tf。Cl ‑Si叫)
′ ‑一一(9)
2cos少
一方 1‑sinゅ
cos少 ‑tan (45‑‑号) ‑一・一‑‑・色O, (10)を(9)に代入して
C‑㌢tan (45。一昔)一一一(ll)
I'.1 ; ' "‑ '. ' ∫
9ccOS≠
♂oこ= 1‑sin少 ‑2ctan(45‑号)
as
2cco坤+60
故に(ll)式より供試体の粘着力Cを:算定出来る。
O'O 圧縮実験結果
一朝圧縮試験の方払並に一般粘性土の試験結果は本誌第5巻第2号(195錘)に述べたから 省略し,直ちに実験結果を述べるO
ベントナイト混合土の突固め特性と‑軸圧縮試験
F . ▼8 J t ‑ 癖 殖 度
′一、、、
イ
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、、、、、、′∫ V 0 a
厨J9/0含水止. /5 20 2.∫
表‑・5 圧縮強度
A 順次含水させた場合。
B 順次含水乾燥させた場合。
Bentonite j見合比 )京 土 1 : 0.05 1 : 0.15
t最高圧‑可 iI㌻ A‑ *七
(99)
一般粘性土では最高強度の含水比が,密度の 最適含水比よ帰日当低い傾向を有し,大体水和 限界附近に存在する懐であるが,このベントナ イト混合土では滑動限界の含水比に接近しそ れ故ほぼ駄転含水比と同一と見て差支えない。
ベントナイト混合比率を増加するに伴い強度 は増大し,又順次乾燥の場合の方が水膜構成が 良好であること並に間隙が小さい為に強度が瑠
'a.こい・11。
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0. L ∠公 ⊥ ゝ 」 」 ) フ ＼l ＼′蛙 2iーZ0一) O.J
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0 5 安田*io会水上t<ォ'∫ 20 2∫
次に(8)式を使って内部摩擦角声を算出し粘着力Cを求めた結果をFig.gに示す。
この場合は圧縮試験の際各含水比の試料について亀裂角0を測定し,これに依って戸を算出L Cをその圧縮強度より求めたのであるが,この場合0には多少変動が多く,これの精密試験とし ては矢張り三軸圧縮試験によりその結果をMohr円に画き所要の値を求めて行く方が良いと感ぜ L‑,.れ.*2。
平均角としてはh%, ¥b%, bQ%の混合比ではylの値が夫々 39', 26‑ 20′. 30‑であった。
良質の砂湿り粘土の場合之を勢断試験によって求めた結果少‑34‑, C=0.50である。
唯声の水分量に依る変化については一定の説がなく,土質によって異なる複雑な問題であるO
Ⅳ 結 び
以上ペン下ナイト混合土の突固め特性と一朝圧縮強度並に粘着力につ¥nて実験結果の一部を述 べたが,業際の施工に当っては用土の含水量,用土の性質,即ち粒径,粒度,物理的性質等の吟 味が蝣」.'、華で下Il?.喝に'iN!用ナ 諦:.男性＼,'>,‑,方己;蝣蝣Jfl十二* )蝣*且軽 骨こIP!甘言に‑∴、‑こ‑V.'t[童,.t すべきであり,ここに述べた事柄はその施工計画の基礎事項を与えるものとして充分役立つもの
と信する。
密度の最適含水量がベントナイト混合土の場合,安定性から云っても最適の含水量であること が,更に種一々の用土について確かめられなければならないが,この安定性の最適含水量の意義は 非常に大なるものとなろう。
(100) 太 田 頼 敏・橋本揚之助
付今後各憶の士について調査する予備実験として川砂を用いて之に混入するベントナイトが含 水中に共存する無塵塩矧′こよる水密性並に安定性についてその影響を調査すべく準備している が,その結果も叉本誌を通じて発表する予定であるO
終りに貴重な資材を提供して戴いた二豊順洋行ベントナイト研究部に対し厚く感謝するo 館叉木美東に協力して呉れた本学学生間遠秋良君に感謝する。
Ⅴ 摘 要
一度乱された土に対しBentomteを混入L含水法を変えながら之を突固めた場合の密度,間隙
蔓 一・・言 I.∴一二 : 蝣. II'J ' '・'・蝣:
性の吟味を平行して試験したものである。試料は花冠岩の風化したSandy LoamであるO (1)ベントナイト混合比率の増プ]Dするに伴い乾燥密度は低下し,最適含水比は高くなるO
.ご ‥ . 、 」 *' .'‑I .''‑'I : .二 言.
比とはぼ‑一致する。
(3)密度の最適含水比は含水段階に於ける滑動限界点に一致する。
(4)突固め含水比は同一でもベントナイト混合比率の増大するに伴い飽和度は減少する。
(5)間隙量,飽和慶共に含水方法による差異が明らかに認められ,順次乾燥して施工した場合の 方が良好・な結果を得ると恩はれるo
(6)一一軸圧縮強度はベントナイト混合比率,突固め含水比,間隙比,飽和度によって影響される ものである。
伸せ.. ・寝蝣¥: '.^‑,t‑t.r.上.;.ォ.!!.上1)最適.一・rut:はは蝣:>蝣'衷‑J‑ ^。
唯少々水和限界点に近づく傾向は認められる。
館含水方法の差の影響は著しく, I慣次乾燥法が廃れている。
・丁 ‑ =∴;一一 ∴ :∴ f t.'∴ノー ∴: 1.・し 1,'l'i ,'
、葵酎以するo
・ヾ ・‥ ・、 ・ ∴:二 ㌧・‑,! i ・‑,>
ればならないが,これは三軸圧縮試験機による実験に大いに期待される問題である。
参 考 文 献 谷 藤 正 三 怪問土質試貌とその賂溌1954年
豊 順 洋 行 ベントナイト研究報告 1956年 S.Timoshenko 材料 力学
K.Tcrzaghi 土質jj学(基礎編) 1956年
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‑t二':'i 、亡蝣j ¥fl l:‑il‑ ‑j当.二:i''・'''l蝣"iこ<蝣‑';葛J '蝣 >*;.'蝣;蝣蝣・*;三 ・二∴ 等 第 1i)"i'f‑
h ‑ と ふ油lL1、二:三墨‑「 、II'‑1‑:三!^^き、i n き了二ニー."I"一二::'ミ^'C蝣',一 二 ㌢ミt;. 川 1956"r^.
同 上 同 上 (2)農業土木学会大会講演集1956年
同 上 ベントナイト混合土の突固め特性とその強度について,農業土木学会京都支部会1956年 L.D.Buver Soil physics 1955年
薪 B] 釣 謄用機械力学1955年
