飽和砂 の排水 セン断特性 に及ぼす拘 束圧条件 と 背圧条件 の影響*
常 田 亮* *
1 は じ め に
本研究は
,10m以攻の地盤におけるセソ断特性及び変形特性,特に体積変化特性の解明を 行な うことを目的 とし,地質の対象を飽和砂質土に限定 して実験を行なった.地盤条件 とし て
10m以浅の領域を対象 としているので,有効拘束圧を
0.2,0.5,0.8,
1.Okgf/cm之の
4種煩を考えるとともに,排水性の良好な砂質土地盤を想定 している.また本研究は上述 した
ように,低拘束圧領域の排水セソ断特性を解明すると同時に,実験を行な う過程で供試体の 飽和度を上昇させるために作用 させるバ ックプレッシャーの大 きさが,排水セソ断特性 ( 蘇 度特性及び変形特性)に及ぼす影響について検討することも目的 としている. 特に
10m以浅の 地盤を対象 とした実験を行な う場合,有効拘束圧が
1.0kgf/cm2以下 となるの でセソ断特 性に及ぼすノミックプレッシャ‑の影響を調べることは,かな り重要なポイソ トになって くる.
近年,比較的低い拘束圧のもとでの土の変形特性及び強度特性についての研究が多 くなっ てきた.これは,地盤の表層付近に発生する液状化現象の解明, 河川提防や フィルダムなどの 斜面表層部における安定性の検討,あるいは各種土質構造物の模型実故における実験模型を 作成する場合に,欠 くことのできない土の基本的性質の
1つであるか らである. しか しなが
ら, 低拘束圧下の突放は実験精度の面で問題点も多いために, 今までその実施例は少なかった.
低拘束圧下の砂質土の強度特性を調べた事例 としては
,Ponceと
Bell(1)や詑岡 ら( 2 )の研 究がある. また変形特性に関する研究 としては,石原 ら
(31や山下,土岐 ら
(4 )の研究があ り, 小川 ら( 5 )は低拘束圧下の飽和砂の臨界間隙比について言及 している. しか しこれ らの研究は, 有効拘束圧が
0.1kgf/cm乞以下の領域について多 く研究されているので,本研究で対象 と
している有効拘束圧が
1.Okgf/cm2‑ 0.2kgf/cm之の領域におけるセソ断特性 と比較,検 討 してみる必要があると思われる.実際の現場で問題を起 こすのが
10m以浅の地盤に多いこ
とか ら考えても,その額域におけるセソ断特性の解明が重要な意味を持つ もの と考えられる.
2
実 験 方 法
本研究に用いた試料砂は,豊浦標準砂
(Gs‑2.625,emax‑0.963,emin‑0.640)であ り,
Fig.1と
Tablelにその粒度分布 と物理的性質を示 してある.実験に用いた供試体は,高 さ
10cm,内径
5cmの
2つ割 りモール ドを用いて作成 した.以下にその作成手順について述 べる.
( 1 ) 下部ペデスタルに厚 さ
0.15mmのゴムス 1 )‑7' 及び
2つ割 りモール ドをセ ットし,
* 昭和60
年度土木学会中部支部研究発表会で発表 榊 長野工業高等専門学校土木工学科助手
原稿受付 昭和61年9月5
日
長野工業高等専門学校紀要 ・第17号
10
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Fig.1 grainsizeaccumulation
TAble.1 propertiesofsand
モール ド内に負圧を作用 させ ゴムス リーブをモール ドに密着 させ る.
(・2)
気乾状態の砂をモール ド内に空中落 させ,モール ドの周囲に振動を加えて所定 の密度 となるように調整 し, プラスチック製のス トt /‑ トエ ッジで端面の整形を行な う.
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0.5 1. 0
‑tre輔 ratio
q ′ p
Fig.3 arelatioship
…‑1;i'twlienq/paid ea,EV
(3)
供試体内 に 約
0.1kgf/ cm之の負圧を作用させて供 試体を自立 させた後,モー ル ドを取 りはず し寸法を測 定す る.
(4)
セル内 に 注水 し て
0.1 kgf/cm宅の拘束圧 を 加え て,供試体内の負圧を解除・
す る.
(5)
約1
0βの脱気水を
2時間 かけて供試体内を通水 し飽 和度を高かめる.
以上の手順で供試体を作成す るが,供試体を 自立するために 作用 させ る負圧は,供試体が過 圧密 とな らない ようにで きるだ け低 くす ることが望 ましい. 普 た脱気水を通水する際に も上向 き浸透流によって供試体に乱れ を生 じない ようにす るために, 動水傾度を限界動水憤度以下 と
した.
通水終了後 ,B 係数をチェッ
飽和砂の排水セソ断特性に及ぼす拘束圧条件と背圧条件の影響
111クし飽和度を確認する.
(B係数 が
0.95以上であることを飽和の条件 とした。)そ の 後所定 の拘束圧 と
J:ックプレッシャーを作用 させて等方圧密 を 行 な い,圧密終了後セソ断速度を
0.3%/minとして ヒズ ミ制御のもとでセソ断を行な う.
供試体条件 としては,密度が相対密度で
30%〜70% (e‑0.746‑0.867)の範囲 となるよ うに設定 し,試験条件 としては,有効拘束圧を
0.2,0.5,0.8,1.Okgf/cm之 の
4段階,メ ックプレッシャーを
0.5,1.
0,1.5kgf/cm2の
3段階に変化させ るように設定 した.
3
排 水セン断試験結果
3‑1排水セン断特性Fig.2
は応力比 とひずみの関係を拘束圧が
0.5kgf/cm2の場合について,初期間隙比を パラメーターにして比較 した ものです.
Fig.1(a)は軸ひずみ と応力比の関係を示 しています が,初期間隙比が低下するにしたがって,応力比〜軸ひずみ曲線の初期勾配が増大 し,終局 強度が大 きくなる傾向が見 られる. このことは,拘束圧が一定である場合,初期間隙比の低 下に伴い強度が増加することを示 している.
Fig.2( b) は体積ひずみ と応力比 の関係を示 し ているが,初期間隙比の増加に伴いセソ断によって生 じる体積圧縮量が増加す ることが明 ら かである.以上のことより,初期拘束圧が一定である場合,初期間隙比の低下に伴い強度が 増加すると同時に剛性が増す ものと考えられる.その原田 としてほ,初期間隙比の低下に伴 ってセソ断によって生 じる体積圧縮量が減少し,膨張債向が著 しくなることが考えられる.
・Fig.3
は
Fig.2と同様に応力比 と軸ひずみの関係を,初期間隙比を一定 として初期拘束 圧をパラメーターにして比較 した ものである.図より明らかであるように,初期間隙比が一 定である場合,初期拘束圧が低下す るにしたがって応力比〜軸ひずみ曲線の初期勾配が大 き くな り,終局強度 も大 きくなる傾向を示 している.すなわち,初期拘束圧が低下す るほどセ ソ断強度は増加するものと考えられる.また応力比 と体環ひずみの関係において,初期間隙 比が一定である場合,初期拘束圧が低下するにしたがって体積圧縮量が減少す るとともに体
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Fig.4 arelationshipbetween EVandQIc
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Fig.5 arelationshipbetween (ea)iande.Dr
112 長野工業高等専門学校紀要 ・第17号
積膨張が著 しくなる傾向が見 られる.
以上のことより,飽和砂の排水セソ断強 さは,初期間隙比及び初期拘束圧が低い場合ほど 大 きくなるもの と考えられ る.その要因 としては,双方の条件の場合 ともセソ断によって生
じる体積圧縮量が低下す るとともに,体積膨張の傾向が著 しくなることが考えられる.
次に体積変化特性をさらに詳 しく検討す るために,Fi
g.4のように初期拘束圧 と体積ひずみの関係を各々の軸ひずみ ごとに比較 してみると初期拘束圧が低下す るにしたがってセソ断 の初期 の段階で体積膨張が発生 していることが,明 らかである. ここでは圧縮側の体積ひず みを正,膨張側の体積ひずみを負 として表わ してある. したがって前述 した ように,初期拘 束圧及び初期間隙比の低下に伴 ってセソ断強度が増加す る原因は,セソ断の初期の段階で正 の ダイレイタンシーが発生す るために,見かけのセソ断強度が増加するためであると考えら れ る.
Fig.5
は破壊時の軸ひずみ と初期間隙比の関係を,初期拘束圧をノ ミラメーターとして比較 した ものであるが,各々の拘束圧の場合 とも初期間隙比が低下するとともに破壊時の軸ひず みは,小さな倍を示す傾向があると同時に,初期拘束圧が低いほ ど破壊時の軸ひずみは,小 さ くなる傾向を示 している.すなわち,密な供試体であるほ どセソ断の初期 の段階で破壊が 生 じることになる. また,低拘束圧状態であるほ ど破壊はセソ断の初期に生 じることを示 し
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r(%)Fig.6 arelationshipbetween (q/p)fande,Dr
ている.故に,低拘束圧状態にある密な供試体ほど, 変形に対 してもろい性質があることが わ か る, さ ら に破壊時の軸ひずみは,初期間隙比の増加に伴 って急 散に大 きくなることが明らかであるとともに,破壊時 の軸ひずみ と初期拘束圧の間には,ある一定の比例関 係が見 られ る.
次に初期間隙比 と破壊時の応力比の関係 を 示 し た
Fig.6を見ると, 初期間隙比の増加に伴い破壊時の応力比が低下す ることが明 らかである.また,初期拘 束圧の低下に伴い破壊時の応力比が,小 さくなる煩向
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Fig.T arelationshipbetween(Sv)fande,Dr
飽和砂の排水セl /断特性に及ぼす拘束圧条件と背圧条件の影響
113を示すことを図か ら読み取 ることができる. したがって飽和砂のセソ断強 さは, ̲ 初期間隙比 及び初期拘束圧が低下す るほ ど大 きくなることが明 らかであ り,破壊時の応力比は初期間隙 比の閑数式で表わす ことができそ うである.
Fig.7
は初期間隙比 と破壊時の体積ひずみの関係を示 した ものであるが,初期拘束圧 とは 無関係に初期間隙比の増加に伴 って,圧縮領域で破壊が発生す る傾向が見 られ る. また,初 期拘束圧が低い場合はど破壊時の体積ひずみは,膨張領域にあることが明らかであ る.すな わちセソ断に よって発生する破壊は,初期間隙比が大 きいほど圧縮領域で発生す る傾向が見 られ るとともに,初期拘束圧 の低下に ともなって破壊の発生す る領域は,圧縮側か ら膨張側 へ移動 してゆ くことが明 らかである.特に初期拘束圧が
1.Okgf/cm乞以下 の条件における セソ断破壊は,膨張領域で発生する可能性が高い と思われる.
以上の ことか ら飽和砂の排水セソ断特性についてまとめると,次のような結論が得 られ る。
( 1 ) 飽和砂の排水セソ断強 さは,初期拘束圧及び初期間隙比の低下に伴 って増大する傾向 を示す.その原因 として考えられ ることは,破壊時の体積ひずみが示す ように,初期拘 束圧及び初期間隙比の低下にともなって,体積膨張傾向が著 しくな′ り見かけのセソ断強 度が増加することがあげ られる.
(2)
破壊時の軸ひずみについて初期拘束圧 と初期間隙比の影響を検討 した結果,初期拘束 圧及び初期間隙比が低い場合ほ ど,破壊時の軸ひずみは小 さな値を示す債向が確認 され た. この結果は,初期拘束圧 と初期間隙比が低いほ ど変形に対 してもろ くなるこ' とを示 している.破壊時の体積ひずみ と比較 してみ る
と,体積ひずみの膨張性が著 しい もの,すなわ ちダイレイクソシー特性の著 しい供試体ほど変 形に対 してもろい性質を有するものと考えられ る.
3‑2
排水セン断特性に及はす背圧の影響 排水セ ソ断特性に及ぼすバ ックプレッシャーの影 響を確認するために,各々の拘束圧 と密度 に お い て,バ ックプレッシャーを
0.5,
1.
0,
1.5kgf/cm之の三段階の大 きさに分けて作用 させ,破壊時の軸 ひ ずみ,破壊時の応力比,破壊時の体積ひずみ及び内 部摩擦角について比較,検討 した.
Fig.8
は破壊時の軸 ひ ず み と初期間隙比の関係 を,初期拘束圧が
0.5と
1.Okgf/cm2の場合につい てバ ックプレッシーをパ ラメーターに して比較 した ものであ るが破壊時の軸ひずみに対す るバ ックプレ ッシャーの影響は,ほ とんど認め られなか った.吹 に
,Fig.6の上段の図は初期拘束圧が
0.5kgf/cm忠の場合について,破壊時の応力比に対す るバ ックプ レッシャーの影響を示 した ものであるが,各々の間 隙比において多少のば らつ きはあるものの,ほ とん
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Fig.8 arelationshipbetween (Ea)fande,Dr
長 野工業 高等専門学校紀要 ・第17号
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D rどその影響は認め られなかった.図中では,初期拘束圧 が
0.5kgf/cm之の場合の みを示 しているが,他 の拘束 圧 に関 しても同様の結果が得 られた.
Fig.9は破壊時の 体積ひずみに対するバ ックプレッシャーの影響を初期拘 束圧が
0.5と
1.Okgf/cm2の場合について比較 したもの であるが,破壊時の体積ひずみに対するバ ックプL /ッシ
ャーの影響は,ほ とん ど認め られなかった.
以上の ように,破壊時の軸ひずみ,破壊時の応力比, 破琴時の体積ひずみ といった飽和砂の強度特性及び変形特性に対す るバ ックプレッシーの影 響を調べた結果,バ ックプレッシャーの大 きさに よる飽和砂の排水セソ断特性‑の影響は認 め られず,初期拘束圧の大 きさにも無関係であることが明 らか となった. しか し各々の間隙 比における測定結果のば らつ きは,初期間隙比が大 きい場合ほど,その度合が大 きくなる傾 向か認められた.
さらに強度定数である内部摩擦角についてバ ックプレッシャーの影響を検討 し た も の が
Fig.10であるが,パ ックプレッシャーの影響は認め られず,初期間隙比の増加に伴 って 低 下す る懐向を示 している.
以上のことか ら得 られた結果をまとめると次のようになる.
( 1 ) 破壊時の軸ひずみ,応力比,体積ひずみ,内部摩擦角に対す るバ ックプレッシャーの 影響を検討 した結果,飽和砂の排水セソ断特性に対す るバ ックプレッシャーの影響は, ほ とん どない もの と考 えられる.
(2)
飽和砂の排水七・ ' /断特性に対す るバ ックプレッシャ‑の影響は,ほとんどない もの と 考えられ るが,初期間隙比が大 きくなるほど,すなわちゆる詰めになるほ どデータのば らつきが大 きくなることか ら,ゆるー 詰めの状態では,バ ックプレッシャーに よって供試 体内部に乱れが生 じている可能性が考えられ る..
4 結
ー
論ー
( 1 ) 低拘束圧領域におけ る飽和砂の排水セ ソ断特性は,初期拘束圧及び初期間隙比が低 い
場合ほ どセ ソ断強度は増加す る.その原田 としては,初期 拘束圧及び初期 間隙比が低下 す るほ ど, セ ソ断 の初期 の段階 で体節膨張 が発生 し, 正 の ダイ レイタンシーの効果 に よ る ものであ る と考 え られ る. したが って,実際 の砂質土地盤においては,密度が高いほ ど, また浅い地盤であ るほ ど見かけのセソ断強度は増加す る.
(2)
破壊時 の軸 ひずみに着 目して検討を加えた結果,初期拘束圧 及び初期 間隙比が低下す るに したが って, セ ソ断の初期 の段階 で破壊が生 じることが明 らか とな った.す なわ ち 初期拘束圧及 び初期間隙比 の低下 に伴 って,変形に対 しては もろい性質を有す る よ うに な るもの と考 え られ る.
(3)
飽和砂 の排水セ ソ断特性 に対す る
バックプレッシャーの影響 を検討す るために,破壊 時 の軸 ひずみ,応 力比,体積ひずみ及 び内部摩擦角について比較を行 な った結果, ほ と ん どその影響 はない もの と考 え られ る. しか し,バ ックプ レッシャーの作用方法 に よっ ては,供試体 内部 に乱れを発生 させ る可能性があ るので,バ ックプレッシャーは圧 密 と 同時に作用 させ,圧密後にバ ックプ レ ッシャーを作用 させ るこ とは避け るこ とが望 ま し い もの と考 え られ る.
(4)
今後 の課題 としては,飽和砂 の非排水セ ソ断特性 に対す る拘 束圧条件及 び背圧 の影響 を検討す る とともに,過圧 密履歴, セ ソ断履歴等が及 ぼす影響 について も検討 してい く 予定であ る.
5 参 考 文 献
5‑ 1 参考文献
(1)Ponce,V.M.andBe
l
l,J.M.:Shearstrength ofsandatextremelylow Pressures Proc.ofASCE,γ
ol.97,No.SM4,pp625‑638,1971(2) ShinjiFukusbimaandFumioTatsuoka:StrengtIlanddeformationcharacteristicsof saturated sand atextremely low Pressures,SOILS AND FOUNDATIONS,γol.24
,
No.4,pp30‑48,1984(3)
小J f T 正二,山田俊昭,井上等詩 :低側圧条件における飽和砂の臨界間隙比
第36回年次学術講演会
,1981(4)
石原研而,菊池菩昭,金谷守 :低拘束圧下の砂の変形強度特性について
第37回年次学術講演会,1
982(5)
山下聡,土岐祥介,三浦清一 :低圧力下における飽和砂の変形特性
第40回年次学術講演会,1
985( 6 ) 坂本信,問岡文夫,福島伸二 :低拘束圧下の砂の三和試放
第19回土質工学研究先安会,1
9845‑ 2 記号の説明 (1)ea:
軸方向ひずみ ( 2 ) E v:体積ひずみ
(3)q/p;応力比(4) q:
主応力差
(q‑ql108) (5) p:平均主応力
(p‑(ql+q3)/3) (6)e:初期間隙比(7) Dr:相対密度 (Dr‑(emax‑e)/(emax‑emi n) (
8 )
(Ea)f:破壊時の軸ひずみ
(9) (Sv)f:
破旗時の体積ひずみ
㈹ (q/p)f: