線状・面状補強材で補強した細粒分まじり砂の強度特性

(1)

線状・面状補強材で補強した細粒分まじり砂の強度特性

田口善文ヘ村上真琴材

S t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e s a n d w i t h f i n e f r a c t i o n r e i n f o r c e d by l i n e a r and s h e e t ‑ l i k e r e i n f o r c e m e n t

Y o s h i f u m i TAGUCHI

*

and Makoto MURAKAMI

**

In the reinforced soil of the embankment

，

it is chiefly used for the sandy soil so that the企ictionalforce between reinforcement and the soil may become important. However， on the site， it is possible to use the cohesive soil and the sand with fme合actionas a banking materials according to the soil and condition of execution. And， it is thought that the effect of linear and sheet‑like reinforcement changes according to properties of the soil when paying attention to the shape of reinforcement. The tensile reinforcement was inserted in the specimen that mixed the sand with the kaolin c1ay， imitated the sand with fine企action，and the kind， shape， and interval of reinforcement were changed variously， and the compressive strength of the reinforced soil by unconfined compression test was examined. As a resu ，t1the e首ectof reinforcement ofthe sheet‑like reinforcements was higher.

Keywords.・reinforcedsoil， s仕engthcharacteristics， sand with fme企action，linear and sheet‑like reinforcement

1

.はじめに

土は、圧縮強さやせん断強さが小さく、引張り強きも期待できない。そのため、降雨や地震等の外部から作用する力に非常に弱く、盛土や地山の切土部分では、せん断破壊やすべり破壊が生じることがあるOこれらに対応する方法として、引張り補強材を地盤内に挿入、敷設し、その地盤に引張りやせん断に対する抵抗力を付与する補強土工法があるol)3)

盛土の補強土工法においては、補強材と土の聞の摩擦力が重要となってくるため、砂質土地盤に主として用いられているO また、補強土壁工法では、細粒分の含有量が25%

以下の土質材料を用いることを原則としている。4)しかし、

実際の現場では土質や施工条件によって、粘性土や細粒分まじりの土を盛土材に使用する場合も考えられるo また、

補強材の形状に着目すると、面状の補強材や線状の補強材

*近畿大学工業高等専門学校総合システム工学科都市環境系材近畿大学工業高等専門学校

生産システム工学専攻土木工学系

の補強効果は、地盤の性状に応じて変化するものと考えられるo

本稿では、砂とカオリン粘土を混合し、細粒分まじりの砂を模擬して作製した供試体中に引張り補強材を挿入し、

補強材の種類や形状、配置を種々変化させ、一軸圧縮試験により補強した土の圧縮強度等を調べ5)、補強効果に及ぼす影響を検討した。

2 .

実験方法 2. 1 実験材料

供試体には5号珪砂(平均粒径D₅₀^二 0.5mm)とカオリン粘土を混合した材料を用い、混合比は5号桂砂:カオリン粘土 : 水 =1 : 0.26 : 0.20(以下、カオリン 20%と呼ぶ)、

および1: 0.43 : 0.26(以下、カオリン30%と呼ぶ)の2つのパターンを採用した。 5号桂砂、カオリン粘土、水の混合割合およぴ含水比を表‑1に示す。また、このときの粒度分布を図‑1に示す。

供試体に挿入した補強材の種類、および形状を表‑2に示す。補強材は、剛な面状補強材のモデルとして厚さ 0.30mm、直径40mmのアルミ板を、剛な線状補強材のモ

可﹄ムヴI

(2)

表‑1 混合割合および含水比配合(g)

供試体のカオリン含水比

配合 5号珪砂水

粘土

カオリン 1000 260 205 16%

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粒径 (mm)

10

図‑1 実験試料の粒度分布図

表‑2 補強材の種類および形状

種類形状

剛なアルミキ反厚さ 0.30mm

面状補強材直径 40mm

剛なスチール _~0.62mm

線状補強材ファイパー(SF) 長さ 30mm 柔な綿糸 ^~ 1.3mm

線状補強材長さ 30mm

デルとして~0.62mm、長さ 30mmのコンクリート用のスチールファイパー(以下、 SFと呼ぶ)、柔な線状補強材のモデルとして~ 1.3mm、長さ 30mmの綿糸(タコ糸)を用いた。

SFの両端部はカギ形の形状となっているO

2. 2 供試体作製方法

供試体は、5号桂砂とカオリン粘土粉末と水を撹祥機で十分に撹祥した試料を、図 -2 に示すような~5cm、高さ 10cmのモールドに締固めて作製した。締固め方法は1.5kg のランマーを使用し、落下高さ 20cm、締固め回数は全層合計で37.5回としたD

面状補強材の配置は、供試体10cmの中に補強材がない場合、 l枚、 3枚、 4枚、 5枚、 6枚挿入した場合の6ケースとした。SFの場合は、試料500gに対して旬、10g、20g、 30g、紛争 50g、60gを混入した。それぞれを供試体中に

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図 2 供試体の例(平面状補強材3枚の場合)

占める体積割合で表すと、 0%、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、 2.5%、3.0%であるO綿糸の場合は、試料500gに対してOg、 2g、旬、旬、旬、 10gを混入した。それぞれを供試体中に占める体積割合で表すと、 0%、1.3%、 2.5%、3.8%、5.1%、 6.4%であるD

3 .実験結果

3. 1 剛な面状補強材アルミ板を挿入した場合補強材にアルミ板を使用し、供試体材料としてカオリン 20%混入した土試料を用いた場合の応力一ひずみ曲線を図‑3に示す。アルミ板では、補強材の枚数が増加するに従い一軸圧縮強度が増加し、それに応じて変形係数も大きくなっている。特に、補強材が4枚以上では補強効果が顕著に表われ、補強材6枚では無補強の約4.5倍程度になっているO

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図‑3 応力一ひずみ曲線(アルミ板、カオリン 20%)

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4 5

同様に供試体材料のカオリン混合割合が 30%の場合の応力一ひずみ曲線を図‑4に示す。無補強の場合の一軸圧縮強度はカオリン 20%混合の供試体より大きくなっているO補強材の枚数5枚以上では、強度のピーク値は示さず順次増加の傾向を示す。アルミ板6枚ではほぼ直線的に増加しているO

次に、一軸圧縮強度とアルミ板の挿入枚数の関係を、カオリン粘土の混合割合別に表したものを図‑5に示す。両

(3)

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5 10 15 圧縮ひずみ(%)

図‑4 応力一ひずみ曲線(アルミ板、カオリン 30%)

土質条件においても、供試体に挿入するアルミ板の枚数が増加するに従い、一軸圧縮強度も大きくなっているが、カオリン混入30%の場合では、アルミ板4枚以上から急激に一軸圧縮強度が増加している口これは、土とアルミ板の一体化が発生し、補強効果が高くなるためと考えられるO

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アルミ板の枚数N(N枚/10cm) 図‑5 一軸圧縮強度の比較(アルミ板)

図‑6は、各一軸圧縮強度を無補強の場合の一軸圧縮強度で除して無次元化し、土質の性状および補強材の量の違いによる補強効果を比較したものであるOカオリンの混合割合が 30%の場合の方が補強した土の一軸圧縮強度そのものは大きいが、図‑6に示すように無補強の場合との比率により補強効果を比較すると、供試体中のカオリン混入率を変化させても補強効果にさほど差異は生じないことがわかった。

この結果の要因として次のようなことが考えられるOカオリンの混合割合20%の場合では、土粒子聞の摩擦力が大きいため、供試体中の砂粒子と補強材の噛み合わせ力が主となり、補強効果が表れた。カオリンの混合割合30%の場合では、カオリンの混合割合20%の場合よりも、供試体全体に対する砂粒子の割合が少ないことから、砂粒子と補強材の聞に生じる摩擦力は小さくなり噛み合わせ力も小さくなるO しかし、細粒分の割合が多いことから、補強材の面に作用する粘着力は大きくなるので、これが補強効果を補い、図‑6のように、土質条件を変化させても補強効果

に余り差異が現れなかったのだと思われるD

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アルミ板の枚数N (N枚110cm) 図‑6 補強効果の比較(アルミ板)

3. 2 剛な線状補強材 "'SFを混入した場合

6

長さ 30mm、直径0.62mmのコンクリート用のスチールファイパー(SF)を使用し、供試体材料としてカオリンを 20%混合した場合の応力一ひずみ曲線を図‑7に示す。SF でも、補強材の量が増加するに従い圧縮強度が増加し、それに応じて変形係数も大きくなっているO 特に体積比で 1.5%以上の混入率では補強効果が顕著に表われ、 3.0%では無補強の約7.3倍程度になっているO

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圧縮ひずみ(%)

図‑7 応力一ひずみ曲線 (SF、カオリン20%)

同様に供試体材料としてカオリンを 30%混合した場合の応力一ひずみ曲線を図‑8に示す。無補強の場合の一軸圧縮強度はカオリン 20%混合の供試体より大きくなっているo SFの混入率が増加するに従い、一軸圧縮強度は増加していき、強度のピーク値が表れないようになるO

次に、一軸圧縮強度と SF混入率との関係を、供試体材料のカオリン粘土の混合割合別に表したものを図‑9に示す。両土質条件においても、供試体に対する SFの混入率が増加するに従い、一軸圧縮強度も大きくなっているoSF 混入率3.0%では、カオリン混入20%で224kN/m²、カオリ

ン混入30%で457kN/m²の一軸圧縮強度になっている。図‑10は、両ケースについて、各一軸圧縮強度を無補強の場合の一軸圧縮強度で除して無次元化し、補強効果を

‑73‑

(4)

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図‑8 応力一ひずみ曲線 (SF、カオリン30%)

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0.5 1.5 2 SF混入率(体積%)

2.5 3

図‑9 一軸圧縮強度の比較 (SF)

比較したものである。カオリンの混合割合が 30%の場合の方が、補強した土の一軸圧縮強度そのものは大きいが、

図‑10に示すように無補強の場合との比率により補強効果を比較すると、カオリンの混合割合が 20%の場合の方が補強効果は高くなっているD

この結果から、 SFの場合は、カオリンの混合割合30%

のような粘着成分の大きい試料より、カオリンの混合割合 20%のように土粒子間の摩擦力が大きい土試料に対しての方が補強効果が高くなる傾向が見られた。従って、 SF による土の補強は、土粒子と SFの聞の摩擦力や噛み合わせ力が大きく影響すると考えられるo また、 SFの両端部はカギ形の形状となっているため、土粒子間の摩擦力が大きい土試料ほど、補強材と土粒子の噛み合わせを強くしていると考えられ、これも lつの要因だと考えられるO

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3

図‑10 補強効果の比較 (SF)

3. 3 柔な線状補強材綿糸を混入した場合長さ3伽m、直径1.3mmの綿糸(タコ糸)を使用し、供試体材料としてカオリンを 20%混合した場合の応力一ひずみ曲線を図‑11に示す。綿糸でも、補強材の量が増加するに従いピーク強度も増加しているが、初期の変形係数はほぼ同等になっている。

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5

圧縮ひずみ(%)

図‑11 応力一ひずみ曲線(綿糸、カオリン20%)

同様に供試体材料としてカオリンを 30%混合した場合の応力一ひずみ曲線を図ー12に示す。無補強の場合の一軸圧縮強度はカオリン 20%混合の供試体より大きくなっているO これまでの実験と同様に、綿糸の混入率が増加するに従い、一軸圧縮強度は増加していき、強度のピーク値が表れにくくなっているO

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圧縮ひずみ(覧)

図‑12応力一ひずみ曲線(綿糸、カオリン30%)

次に、一軸圧縮強度と供試体中に混入する綿糸の体積比の関係を、供試体材料のカオリン粘土の混合割合別に表したものを図‑13に示す。カオリン混入率 30%の場合は、

綿糸の混入率が増加するに従い、一軸圧縮強度も増加しているo しかし、カオリン混入率20%の場合では、供試体に混入する綿糸の量を増やしても、一軸圧縮強度はさほど増加しない結果が得られた。

図‑14は、両ケースについて各一軸圧縮強度を無補強の場合の一軸圧縮強度で除して無次元化し、補強効果を比較したものである口綿糸の場合では、カオリンの混合割合

(5)

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綿糸混入率(体積%)

図‑13 一軸圧縮強度の比較(綿糸)

が30%の場合の方が補強効果は高くなっているOこれは、

綿糸と土の聞の粘着力や付着力が大きく影響しているからだと考えられるO また、補強材の量がある一定を超えると補強効果が急激に現れるアルミ板やSFの時とは異なり、

綿糸の場合では補強効果が直線的に増加している口そのため、綿糸の混入率 6.4%における補強効果は、カオリン混入率20%のときで約1.5倍、カオリン混入率30%の時で約 2.3倍に止まっているO これは、綿糸自身が伸びやすいこ

とが原因であると考えられるO

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綿糸混入率(体積百)

図‑14 補強効果の比較(綿糸)

3.4 剛な様状補強材(SF)と柔な線状補強材(綿糸)の比較

図‑15は、図‑10と図‑14より、 SFと綿糸の無次元化した補強効果と混入率の関係を表したものであるO供試体に混入する補強材の量が等しい時の補強効果を比較すると、両ケースの土質条件において、 SFの方が綿糸より補強効果が高くなっているD これは、 SFの方が綿糸より伸びにくい材質だからと考えられるO また、 SFの両端部はカギ形、綿糸の両端部は直線形であることから、補強材の両端部の形状の違いも補強効果に関係していると考えられるD

3. 5 面状補強材と線状補強材の補強効果の比較図‑16は、供試体材料としてカオリン粘土を20%混入した場合の、面状補強材と線状補強材の混入率と無補強の強度で無次元化した補強効果の関係を比較したものであ

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線状繍強材の混入率(百)

図‑15 SFと綿糸の補強効果の比較

る。ここでは、面状補強材のモデルであるアルミ板も線状補強材と比較をするため、供試体への混入率(体積比)で表した。供試体 10cmに対してアルミ板を挿入しない場合、

l枚、 3枚、 4枚、 5枚、 6枚のとき、混入率は順に0%、 0.2%、 0.6%、0.8%、1.0%、1.2%となるD 補強材の混入率で補強効果を比較すると、供試体に線状補強材(SF、綿糸) を混入した場合より、面状補強材(アルミ板)を挿入した場合の方が補強効果は高くなっているOまた、前述のように、

柔な線状補強材(綿糸)を混入した場合においては、補強効果はあまり現れない。

同様に、供試体材料としてカオリン粘土を30%混入した場合の、面状補強材と線状補強材の混入率と無補強の強度で無次元化した補強効果の関係を比較したものを図‑17 に示す。ここでも、面状補強材(アルミ板)も線状補強材と

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補強材混入率(覧)

図‑16 補強効果の比較

(アルミ板、 SF、綿糸、カオリン20%)

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補強材混入率(%)

図‑17 補強効果の比較

(アルミ板、 SF、綿糸、カオリン 30%)

‑75‑

(6)

比較をするため、供試体への混入率で表した。補強材の混入率で、それぞれの補強効果を比較しても、同じ混入率のときの補強効果はほぼ全て面状補強材(アルミ板)が一番高くなっているO 一方、補強材の混入率が 0.5%程度の低い部分においては、面状補強材も線状補強材も同程度の補強効果となっているO

4

.まとめ

本研究では、細粒分まじり砂における引張り補強材の補強効果を調べるため、補強材の種類や形状、配置および供試体中のカオリン粘土の混合割合を変化させ、一軸圧縮試験により補強した土の強度や補強効果を検討した。その結果、以下のことが分かつた。

(1) 剛な面状補強材(アルミ板)

①補強材の枚数(混入率)が増加するに従い圧縮強度が増加し、補強材が4枚(混入率0.8%)以上では、土と補強材が一体化し、補強効果が急激に大きくなるO

②カオリンの混入割合が 30%の場合の方が一軸圧縮強度そのものは大きいが、補強した土の一軸圧縮強度を無補強の場合の一軸圧縮強度で除して求めた補強効果を比較すると、カオリン 20%の供試体に補強材を挿入した場合とカオリン 30%の供試体に補強材を挿入した場合で、補強効果は同程度となるO これは、細粒分まじり砂の摩擦成分と粘着成分の両者が補強効果に有効に寄与

しているためと考えられるO

(2) 剛な線状補強材(SF)

①補強材の量が増加するに従い圧縮強度が増加し、補強材の混入率が 1.5%以上では、土と補強材が一体化し、補強効果が急激に大きくなるD

②カオリンの混入割合が 30%の場合の方が一軸圧縮強度そのものは大きいが、補強した土の一軸圧縮強度を無補強の場合の一軸圧縮強度で除して求めた補強効果を比較すると、カオリン 30%の供試体よりも、細粒分が少ないカオリン 20%の供試体に補強材を混入した方が、

補強効果は高くなるD これは、今回使用したSFの両端部がカギ形であったため、砂分による摩擦力が補強材との噛み合わせを強くしているからと考えられるO

(3) 柔な線状補強材(綿糸)

①補強材の量が増加するに従い圧縮強度は増加するが、アルミ板や SFの場合とは異なり、補強効果は急激に現れず、直線的に増加しているO

②補強した土の一軸圧縮強度を無補強の場合の一軸圧縮強度で除して求めた補強効果を比較すると、カオリン 20%の供試体よりも、細粒分が多いカオリン 30%の供試体に補強材を混入した方が、補強効果が高くなるO これは、綿糸と土との聞の粘着力が補強効果に大きく影響

しているためと考えられるO

(4) 剛な線状補強材(SF)と柔な線状補強材(綿糸)の比較

①補強した土の一軸圧縮強度を無補強の場合の一軸圧縮強度で除して求めた補強効果を比較すると、カオリン 20%とカオリン 30%の両方の供試体において、剛な線状補強材(SF)を混入した場合の方が補強効果は高くな

っているO

②補強材自身が伸びにくく、補強材の両端部の形状が直線形よりもカギ形の方が、補強効果は高まると考えられるD

(5) 面状補強材と線状補強材の比較

①補強した土の一軸圧縮強度を無補強の場合の一軸圧縮強度で除して求めた補強効果を比較すると、カオリン 20%とカオリン 30%の両方の供試体において、補強材の混入率が同じ場合では、線状補強材(SF、綿糸)より、

面状補強材(アルミ板)を挿入した方が、補強効果が高くなるD

参考文献

1) 龍岡文夫:補強土入門・入門シリーズ24、(社)地盤工学会、 1999

2) 千田昌平:土質基礎工学ライブラリー29・補強土工法、

(社)地盤工学会、 1986

3) (社)地盤工学会:地盤補強技術の新しい適用一他工法との併用技術一、 2006

4) (財)土木研究センター:補強土(テールアルメ)壁工法設計・施工マニュアル第3回改訂版、 p.36、2003 5)村上真琴、田口善文:面状・線状補強材を挿入した細粒

分まじり砂の強度特性、平成20年度土木学会中部支部研究発表会、 2009.03、pp.267・268

線状・面状補強材で補強した細粒分まじり砂の強度特性