第24巻第1号（1972） 87 粘性土と粗粒土の混合材の工学的特性について
Ⅲ 粒度配合による締固め土の特性の変化に関する実験的研究
多田竹夫・青柳省吾・横瀬贋司・斉藤 実
Ⅰま え が き 締固めは土を土橋造物として最も安定した状態にし，土橋造物に要求される強度特性を満足させ，完成後の圧縮沈 下■などの影響を少なぐする目的で行をわれる施工法で，過去，現在そして将来においても，最も実用的で，最も経済 的な土質改良工法の1つであると考えられる．この原始的であるが効果のあるエ法は昔から河川の堤防，貯水池の捉 体などに広く用いられてきたが，以前には，施工もあまり急がれず，要求される品質もさほど高くをく，技術者の経 験と判断で処理されてきた． しかし，1933年にR・RPROCTORl）が最適含水比の理論を発表して以来，近代の土木機械の発展，大規模な土橋造 物の計画，急速な施工，品質の向上などの要求なども加わって，土の締固めの問題が工学的な研究対象として取り上 げられるようになった．その結果，文化，経済の発展に伴う社会の要語，土木材料の研究，開発の進歩などとも上あい まって，現在のような東名高速道，国鉄の新幹線，新東京国際空港などの重交通を支えうる道路，鉄道，滑走路が安 全に，合理的に築造されるようになった． しかし，当然の問題として，この大規模で，しかも，高水準の品質が要求されるエ事に対して，採用が可能な均質 で良質な用土を近辺で大畠に確保するこ．とは困難になってきでおり，目的に合致する混合物を人工的に配合して用い た方が経済的な場合も生じ，使用例も増加の傾向にある2￣＄）． 土の締固め機構に関係する因子としては， （1）締固める機械，我荷方法，試料厚さをど締固めの方法に関係するもの． （2）試料処理の方法，初期含水盈，吸水性などの含水急に関係するもの． （3）粒皮紐成，粘土鉱物の種類，土粒子の形状，土の生成による差など土質に関するもの． に大別される． （1），（2）の縮固めの方法，試料の調整，試験開始時の状態などの条件を−・定とした場合，土質による締固め特性 の変化が明らかになる．また土質の異なる土の混合は砂質系土，粘性系土が単独時に表わしていた弱点を除去し合う 作用をもたらす．つまり，粘性系土の掘削，まき出し，転圧の作業過程で生じる強度低下を伴った机伊感触加圧密 沈下による変形，高倉水盛による施工能率の低下，間ゲキ水圧発生による安定性の減少をど，また，砂男系土の地震， 機械感動による糠子骨格の崩壊，再配列に伴う変形や流動などの欠点を消去する効果がある．これらは粗粒部分によ る骨組構造やセン断抵抗角の発生，細粒部分による強い水膜形成からの粘着力の発生が有機的に作用して，土の工学 的性質を改良すると考えられる1）． このように締固め土の特性は高含水比枯土の班如叫抄現象，粘土鉱物の差，粒子の形状をどの因子もあるが土の 粒度組成が大きく影響するものとして，最も良く締固まる理想的粒度を求めて多くの研究が行われてきた． 最大密度にをる理想的な粒度を大別すると，コンクリート骨材の配合決定のために示されたFtJllERの最大密度曲 線式で代表される連続粒度型6）とFERETノ，FuRNASらの提案した不連続粒度塑7）がある．前者は実験的に導かれたも ので，現在，コンクリート骨材について，大体常識化している考え方であり，我が国のほか，欧米の諸国で最も密に つまる粒度の基準として競走されているものである．自然の土はこの分布型であるため連続型については多くの研究 が紅9）行夜われているが，不連続糖度については少ない．しかし，近年，天然骨材の枯渇から人工骨材，砕石が大き く進出し，経済的面からも不連続粒度が検討されつつある10￣11）．この型は，ある大きさの粒子によって形成される 間ゲキ部分につめられるのに適する粒子群は，より粗な粒子による骨組みを乱さ凌いで，それを丁度満たすような粒 大と分盈のものであり，このようを，お互いのつまり方を妨著するようを中間の粗大の粒径群が欠けたものが，順次， その間ゲキ部を満していけば最大密度の集合体が得られると考えるものである．OLIVE 香川大学学術情報リポジトリ
89 第24巻第1号（1972） 第1表 土貿試験結果 ⅠⅠⅠ実験の結果と考察 締固め試験から求めた含水比と密度の関係を表わす柿間め曲線のうち，数例を第2図に示した．砂，シルト，粘土 の各粒径物の配合の差によって，同じ条件で−・定仕事量で経国めた場合でも，その効果に大きな彫皆のあることが示 されている．−・般に，砂粒径物の多い試料は曲線の山型が鋭く最大乾燥密度（7d，m乱Ⅹ）は高い．逆に，細粒部分の 多いものは曲線が平坦で7d，m江Ⅹは小さい．しかし，縦軸にとった乾燥密度（γd）は土粒子比重に影砂される償であ るから，比重の異なる試料を同一・図面上で比吸するため，こ．こでは，間ゲキ比（e）による整理を行なって，第3図に 示した．曲線の変異点，つまり，掠も良く柿間まった状態である叔小間ゲキ比（em‡。）の生じる位置は，砂粒径物の 混合割合が増加するにつれて飽和度（5γ）が低い状態で測定され，砂分の減少，つまり，細粒部分が増加するにつれ て高い5γの点に変曲位眉が表われている．租粒部分がかをり多い混合物の場合に最も良く締固まる配合割合が存在 するようで，その位置は混合する素材に規制されると考えられる．本実験で採用した配合では砂粒径物，シルト粒径 物，粘土粒径物が69：12：19のものが，最も鋭い形状で，混もemlnが小さい曲線であった．この曲線から遠ざかる ものほど，emln が大きくなり平坦な締周め曲線になるようである．曲線の形状が異浸るのは単固体状，弾性的を領 域と説明1）されている最適含水比（棚。。も）に到る以前の部分であって，塑性的，半粘性流動的な領域1）とされる郷。，t を超えた部分では，混合割合によって5γに差が認められるが含水比が増加した場合の曲線がぶγ＝100％線に平行す
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8 9 1 7 r療 準砂 、 （）内は各成分の配合割合 6 1 1 妃燥密度 1 l ．︰〓−り︸ 5 10 15 20 25 30 含水比 w（％） 第2図 密度一合水比曲線 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 0 0 0 00 聞ゲキ比 e 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 含水比w（％） 第3図間ゲキ比一合水比曲線（畏3：：2去＝畏3：ニ去主）
91 第24巻第1号（1972） 1．0 0．9 0．8 0．7 問0・6 ゲ キ 比0．5 e O．4 0．．3 0．2 0．1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 含水比 w（％） 第4図 間ゲキ比一合水比曲線（Noい11−No・21） るようである． 棚。。tと7d，m乱Ⅹの関係は比例的9￣12）と考えられているが，配合物を用いた本実験の結果と天然の粒度のものの測 定結果を第5図に示した．図中の直線は森12）が全国380の天然土から求めた7rd，m乱X一彿。。tの関係式から筆者らが換 算18）したものである．混合試料において，細粒部分が多いときはこの薗線によく合致するが，その分畠がある割合 以下になり，極度に砂粒径物が多い混合物では傾向が異なって，emlnになる粒度配合が存在することを示している． 練固めに対する粒度の関係を更に検討するため，粒径や混合の程度を統計立として表現する KRUMBEIN らの提 案14〉した≠−・r（αJβを用いて試料を整理した． ≠−√‡‘−αJβとmm一化αJgの関係は次式で示される． d（￠）＝−log2d（mm） ここにd（￠）は￠一肌涼による土粒子の大きさ，d（mm）はmm−∼‘・αJβによる土粒子の大きさである． 加療重恩百分率5，16，50，84，95％に対応するd（￠）の値を，それぞれ￠5，￠16，￠5。，￠8小￠95とすれば次の関係 式によって各吻咤肌m庸が求められる． 職￠＝￠50 中央粒径 平均粒径 喝＝÷（ぬ＋￠16） ♂￠＝÷（￠84−￠16） （4） 標準偏差
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0 9 8 1 0 0 ● ● 4 3 7 6 00 敢小間ゲキ比 0．5 0． 0． 0．2 0 10 20 30 40 最適含水比 w。。【（％） 第5図 最小間ゲキ比（柿間め試験で最大乾燥密度になる点の間ゲキ比）と最適含水比の関係
α￠＝（唯一晦）
（5） β￠＝忘i÷（￠95−￠5ト♂’￠卜 （6） ヒズミ度 先鋭度 〟。わ〟￠はその試料の大きさを代表する値である．♂￠は分散，分級の程度を表わすか ら，その他が大きい程陶 汰が悪く，大小粒子の混合の暗が大きいことをしている．RoMINGERが階級として，ひβrグ抄ggJ5〃rJgd（0＜α￠＜1），抄βJg ∼8rJβd（1＜♂￠＜2），花〃r〝‡叫ノりOrJβd（2＜α￠＜3），♪0♂r抄∫〃rJβd（3＜♂￠＜4），ひβrハ加ゆ‡Orgβd（4＜β￠）のように分類している・ α￠ は花〃r〝之αJゐJrま∂〟′ま〃花からの分布の片寄りの相対的蓋を表わしたもので粒度全般の非対称性を反映する．乃βgαJ加 正犯働‖で粗粒側にひずみ，卯由如！鬼β抄花♂‡5で細粒側にひずみ，ヒズミ度が強いほどα￠の絶対値が大きく，分布が 左右対称の場合はα￠＝0 となる．β￠は頻度曲線のとがりの度合で，分布の両端における扱がりの程度の相対的患を 表現たものである． 第6図は確率紙に≠−！（αJβで♪わJした例である． 粒径の代表値として〟￠を用いてeml。との関係をみると第7図となる．〟≠＝5近辺でemin値が最小となり，そ・ の前後，粒径の増減により急激にemin偲は増加する．これをemi。と α￠の関係（第8図）と関連させてみると， α￠＞0でしかも絶対値が大きい分布型のものがeminが低いことから，良く締固まる土は本実験の試料のように最大 粒径が規定される場合，試料の粒径頻度分布曲線が粗相の方へ大きく片よった．そ・して〟￠倍を幾分高める（mm− −（βJgで考え．れば，平均径が幾分低くなる）程度の小泉の細粒部分を有する粒度分布のものであると考えられる．混 合による締固め効果の向上の程度と粗粗部分（ここでは砂粒径群）との細粒部分（ここではシルト，粘土径群）の配 合此は，そ・れぞれが単独に存在Lたときに発揮する特性によって異をる．本実験ではNo3試料が最も密に締固まり， その粗・細粒分の比は69：31，間ゲキ部分は混合素材の平均値e＝0い78から0い39と1／2に減少している．著者らが カオリン＋標準砂の2成分による実験13）においては，粗・細粒分の比64：36，間ゲキ比も約1／2に減少した．間ゲキ を最小にする乾燥砂の粒度についての実験15）によれば，粗・細粒径が近接した2成分の混合では密度上昇が低く，粒 径差が大をる程間ゲキ部が少くをる傾向があった．これらから，粗粒部に大きくひずんだ粒皮紐成が佼密になった実93 第24巻第1号（1972） 粒径 d（mm） 試牲−Noユ1 （2d：50：30） M叫＝≠5。＝6．．72 M≠＝与（≠81＋≠1。）＝6．．34 ♂≠＝4（ね−≠1。）＝3．26 α≠＝去（M≠−M（l≠）＝−0．12 l A＝去くう（あ5・一存一掃＝0．25 9 9 9 8 7 6 5 4 3 2 1 加租百分率 P ︵％︶ 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 粒径 d（≠）＝−log2d（mm） 第6図 確率紙にplotした粒径加硫曲線の1例 ，lご 1．j、 1さ Ilこ 1」云 1．ii lい 】こミ￠ 】k、ご l−；ご1 寒川 カオl ● 00 7 0 0 5 6 00 叔小間ゲキ比 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 平均粒径 hl声 第7図 最小間ゲキ比と平均粒径の関係
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8 0 寒川 シルト＿●カオリン 標準砂 ●● ヽ ▼○▼● ●
●●○
● ● ● ● ● ● 4 6 7 00 最小問ゲキ比 5 0 0 畝 −0．5 0 ＋0．．5 十1．0 ヒスミ度 α≠ 第8図 最小間ゲキ比とヒズミ皮の関係 験結果は，最大，粒径が砂後程度の土であれば2成分でシルト粒径物を欠いた不連続糖度塑の混合が適当であること を示めしていると考え．られる．（つまり方のみを対象とするなら） より弓削こ締固まるにはかなりの粒径差のある粒径の混合が要求されることは第9図のeminと♂。の関係にも表わ れている．図の下方のものは，標準砂に細粒群（寒川シルト，カオリン）が混人して♂￠が増大するに従ってemln が急激に低下し，最良の配合を経て漸次el−、inが上昇している．つまり，砂の嵐が卓越している状態で2成分混合的 傾向を示しているのである．更にα￠が増しβ0〃r抄！〃rJβdに入ると，3成分が均衝してきて中間のシルト径物の影響 カオリン さ＼． ＿寒川シルト 8 ヽヽ 7 6 000 最小間ゲキ比 1 2 3 4 標準偏差 ♂≠ 第9園 長小間ゲキ比と標準偏差の関係95 第24巻第1号（1972） が強く表われemin催は上昇すると同時にばらつく．この他点から更に細粒群が増加して行くと相対的に標準砂塵は 減少し，げ￠値は低下してゆき，混合による密度増加の効力を減少せさ細粒群固有のemlnに到る．これが図の上方 の関係で粗少農，細多韮の2成分混合的関係でける．どの様な粒径幅のものが良く締固まるかは，以上の結果からも 知れるように複雑であり，これだけで締固めを規定できをいと考えられる． ⅠⅤ あ と が き 粘性土と粗粒土の混合材料の工学的特性についての実験的な研究の一都として人工的に粒度組成を変化させた試料 26種類を作製し，蹄固め試験を行い糖度特性との関係について考察した． 混合素材として，市販の標準砂，粗粒分の除去のための調整をした花輪閃緑岩を母岩とする寒川シルト，市販の関 白カオ■リンを用いた． 含水比と密度の関係で示される締固め曲線を同山図面上で比較するために，含水比と間ゲキ比の関係で示した・混 合比によって最小間ゲキ比emlnと最適含水比w。。tの位置は移動し，その傾向は，砂粒径物の割合が増加するにつ れて飽和度5γが低い所で求められた． 本実験の配合で砂：シルト：粘土＝69：12‥19のものが最密に締固められた・そしてe−び曲線は最も急峻であっ た． 最良配合から遠ざかる混合物ほど（＝en血が大きくなるにつれて）平坦なe−び曲線になる． e一棚曲線の形状の変化はぴ。。tに達する以前に生じ，彿。ptを超えた含水状憩で，全ての曲線に大差は無かった・ emln一卿。。tの関係において，叔良配合以上に細粒部分を含む試料については天然土と同様な傾向を示した・粗粒 部分が極度に多い試料は特異な傾向を示した． eminと平均粒径（〟￠），ヒズミ度（α￠）の関係から，標準妙に少虞の細粒部分が加えられた，試料の粒径頻度曲線が 粗粒の方へ大きく片よったものが最良配合であることが示された．これは，最大粒径が砂粒径程度の−・般の土であれ ば，2成分でシルト径を欠いだ木連続粒度型が秀れていることを示したと考えられる． eminと標準偏差（α￠）の関係，つまり，どのようを粒径幅の試料が良く柿間まるかについては，混合素材の性質 に大きく影響され，α￠借だけでは決定できないようである▲ 筆者らは，更に，混合材料についてそこに発生する工学的特性とくに透水，セン断強度について検討してゆきたい と考えている． 本文作製にあたって，種々のご援助とご討議をお願いした本学農業工学札農地工学研究室山田宣良教官に深く謝 意を表します． 参 考 文 献 （7）FuRNAS，GC：GradingaggregatesI∼Mathe−
matica＝elationfbr bedof brokensoilsof maxi−
mumdensity，I71d．Eng．Chcm23（9），1052−1058 （1931）・・ （8）福岡正巳：河川堤防体材料の理想的粒度曲線に ついて，土木研究所報告，郎（2），1−12（1953）‖ （9）赤井浩一・：土の粒度配合による締固め特性の変 化，土と基礎，5（5），19−22（1957）1． （10）水野高明ほか：粒体のつめこみに関する研究， （Ⅰ），（Ⅱ）：九州大学工学雑報，30（3），31（2）， 170−175，77−81（1957，1958）・ （11）書本彰ほか：アス■ファルトコンクリー・トにおけ る連続粒度と不連続紐皮のマ・−ジャル試験法に よる比椴，土本学会論文報告雛，166，17−25 （1965）．． （12）森 満雄：土の最大乾燥密度と最適含水比につ （1）久野吾郎：土の締固め一主として道路土工に 関連して−，44−100，東京，技報堂（1963）・ （2）谷本喜一・ほか：盛土地盤の2，3の特性，土と 基礎，9（4），12−15（1961）．・ （3）三園英四郎：フィルタイブダムしゃ水壁材料の 性質と締め固めに関する研究，土と基礎，10 （1），用（2），10（3），4−12，25−34，16−27（1962）‘ （4）渡辺忠ほか：泥岩を材料としたフィルタイブダ ムの設計例，北海道開発局土木試験所月報，110， 2−17（1962）い （5）田中筒三ほか：名神高速道路吹田工蔀の土質調 査から施工まで，土と基礎，10（4），川（5），17− 26，23−31（1962）． （6）FuLLER，W。B，THOMPOSON，S、El：Thelowsof proportioning concrete，5AlSl・CりE・TTa那・Voll エJ∬67−68（1907）．
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いて，土と基礎，川（9），12−16（1962）り （13）横瀬鹿司ほか‥粘性土と粗粒土の探合材料の工 学的特性について，Ⅱ 締固め土の密度と粒度 特性の相関性に関する予備的実験，香川大学農 学部学術報告，23（1），118−126（1971） （14）横瀬厨司：吉野川河口の滞積土の粒度組成から みた特性一主として土の分級度がコンシステ ンシ一個におよぽす影響について−，土と基 礎，11（4），24−29（1963）． （15）沢田敏男・横瀬靡司：間ゲキを最小にする粒度 分布についての一・実験的考察，土，砂，レキの ような粒状土木材の集合特性に関する研究（1）， 農業土木学会論文集，22，45−52（1967）．
ON THE ENGINEERING PROPERTIES OF CLAY−SAND MIXTURES
