過圧密粘性土の非排水せん断特性に 及ぼすひずみ 速度の影響

長野工業高等専門学校紀要 ･第

2 7

( 1 9 9 3 ) 1 01

過圧密粘性土の非排水せ ん断特性 に 及 ぼすひずみ速度の影響

常田亮 亀井健史

I

N F L U E N C E   O F   S T R A I N   R A T E   O N   U N D R A I N E D   S H E A R  

CHARACTERISTICS OF OVERCONSOLIDATED COHESIVE SOIL

Makoto TOKIDA and Takeshi KAMEI

I no r d e rt oi n ve s t i ga t et hei n f l u e n c eo f s t r a i nr a t eo nu nd r a i n e ds h e a rc ha r a c t e r i s t i c s o fo v e r c o n s o l i da t e dc o he s i v es o i l , t wot y p e so ft r i a xi alc o mp r e s s i o nt e s t s( CI UCTEST a n d面 cTEST)We r ep e r f o r me donr e mo u l d e dc o he s i ves o i lun d e rd i f fe r e n ts t r ai n r a t e .

Th eo b s e r ve de f fe c t so fs t r ai nr a t ea n do v e r c o n s o l i d a t i o nhi s t o r ie sa r edi s c u s s e dby ad e t a i l e dt o o ka te f fe c t i v es t r e s spa t h, s t r e n g t h a n dde f o r ma t i o nc ha r a c t e r i s t i c s .

1 . は じ め に

一般的に,地盤内の土要素がせん断応力を受ける場合,道路や滑走路 においては極めて短 時間に応力が加 えられるのに対 して,永久構造物 による荷重の場合には,非常 に長 い期間応 力が一定に保たれてお り,その載荷速度には大 きな相違のあることが容易に想定 され る.漢 た,近年軟弱地盤において建設 され る諸施設の大型化に伴い,地盤改良後の大規模掘削工事 や プレロー ド工法が実施 されているが,その後の地盤の力学的挙動を評価す る場合 には,土 の吸水膨張に伴 う力学的挙動の変化,すなわち過圧密履歴を考慮す ることが必要不可欠であ ると考 えられ る.

一方,室内実験の三軸試験におけるひずみ速度は,通常排水せん断試験の場合,供試体内 に過剰間隙水圧が発生 しないよ うに,また,間隙水圧の測定を伴 う非排水せん断試験 の場合 には,供試体内の過剰間隙水圧の均等化などを考慮 して決定 されている. これに対 して,間 隙水圧の測定を実施 しない非排水せ ん断試験の場合 には,土質工学会l

)

( Fi g.

上記のような点に着 日して,ひずみ速度が土のせん断特性 に及ぼす影響を解明す るために, 正規圧密試料を対象 とした研究例が これまでに数多 く報告 されている.その代表例 として,

Ske mpt o nandBi s hop2 )

,Ta yl or

Cas a gr an deandSha nno n

'土木工学科 講師

= 基礎地盤コソサルタソツ㈱地盤物性研究室室長

1 0 2

を整理 した結果,砂の場合には変形速度を

1%/ m in

1 0 0 0%/ m i n

1 0%

5 0 %

0. 0 0 0 9 4%/ mi n

1. 1 %/ mi n

(約

1 1 7 0

3 0

%程度増加 した との報告例 もある

⁵

⁶⁾

0. 0 7 %/ mi n

1 4

%/ mi n

5

Ki mur aa ndSai t o h 7

, 3

Ko

0. 0 7 %/ mi n

,Na ka s ea n dKa me

3

0. 7 ,0. 0 7 ,0. 0 0 7 %/ mi n

3

Ko

している.

一方,過圧密試料 に関 しては

,Ri c ha r ds o nandWhi t ma n 9

( OCR‑1 6 )

0. 0 0 2 %/ mi n

1. 0 %/ mi n

5 0 0

,Ro be r t s o n

10)

,Le da

( OCR≒2 3 )

0. 0 0 0 7 2 %/ mi n

4 0 0

2 5 %

以上の ことから, ひずみ速度が土の強度 ･変形特性に及ぼす影響 に関 しては,正規圧密試 料のせん断特性に及ぼす影響 はかなり解明されているが,過圧密試料に関 してはまだ未解明 な点が多いのが現状であると考 えられ る.

本研究では,上記の点 に着 目し,練返 し陸成粘性土に対 してひずみ速度を

3

2.

2‑ 1

実験に使用 した試料は,長野県下水内郡豊 田村替佐で採取 した陸成粘性土 (替佐土)杏 繰返 して予備圧密 した ものである.練返 し試 料 の予備圧密は,スラ リー状 の試料を内径

1 5 c m

2 3 c m

5 6 kPa

1 0

Ta bl e

5c m

0. 03 0. I I . 0 2. 0

( X / Di n)

Fi g. 1 Ad o p t e ds t r a i nr a t ei nt hep r e s e n t s t u d y

過圧密粘性土の非排水せん断特性に及ぼすひずみ速度の影響 103 Table1 Indexpropertiesofsoilsample

SoilSample

ps WL uJ p Ⅰp

d)

1 .

nV 0

(

虐 ヨ ) Z)

0

C.

( %)

0 0

Fig.2 Typicalstress･axialstraincurvesinCⅠUCTESTandCIRIUCTEST

高 さ

2‑ 2 実験方法

実験 は, ひずみ制御方式 の等方圧密非排水三軸圧縮試験 (ei百c TEST)と等方圧密等方 膨潤非排水三軸圧縮試験 (ei豆i召c TEST)である.せ ん断時のひずみ速度 は,0.07,0.7, 1.0%/minの3種類 とした.Fig.1に本研究で使用 した ひずみ速度 の適用範囲を示す. また, 初期有効拘束圧 oTc.′は196kPaとし,圧密,膨潤 お よびせん断過程 を通 して供試体 に98kPa

1 0 4

0 o 0

n V

常田 亮 ･亀井健史

0 2 4 6. 8 1 0 12 1 4 I6 8. ( %)

0 2 4 6 8 1 0 12 14 16 8. ( %)

0 2 4 6 8 1 0 12 14 ) 6 8. ( %)

0 2 4 6 S l 0 1 2 I 4 1 6 8. ( %)

Fi g. 3 Ty p i c a le xc e s spo r ep r e s s u r e ‑ a xi a ls t r . a i mc u r ve si nei i f cTESTa n d召京王 百 cTEST

,3 t

1) ･

2 4

a)

( ei O cTEST)

1 9 6 kPa

b)

( ei 豆i 百 cTEST)

1 9 6 kPa

o

9 8 kPa,4 9 kPa,2 5 kPa

OCR

, 2, 4, 8

3.

3‑ 1

Fi g. 2( a ) 〜( d )

0. 0 7%/ mi n

1. 0%/ mi n

1 5%

( OCR‑8)

過圧密粘性土 の非排水せ ん断特性 に及 ぼすひずみ速度の影響 '

1 0 5

0 0 0 0 0 5 0 5 2 一■▲ ■1 (β ヨ ) b 00 50 00 50 0 つ一

Z) 05 2 0 0 '▲ 0

5

I

oo

05

0 200 50 00 (β コ ) b 0 0 5 0 (d 岳 ) b

0 50

p

0 50 1 00 1 50 200

p

Fi g.

には

8%

3‑ 2

過剰間隙水圧 と軸 ひずみの関係を

Fi g. 3

)

8)

一方,過圧密試料の場合,過圧密比が2の試料の同ひずみ条件下における過剰間隙水圧 の 発生量は,ひずみ速度の増加 に伴 ってわず かに低下 している. これに対 して,過圧密比が4 お よび8の試料では,過剰間隙水圧一軸 ひずみ曲線 は,ひずみ速度が0.7%/minと1.0%/

minの場合,ほぼ一致 した挙動を示 し,0.07%/mi nの場合のみ同ひずみ条件下 の過剰間隙

1 0 6

1 . 5

0. 03 0 . 05 0 . 1 0 . 5 1 . 0 2. 0

丘 . ( X / 凪i n )

⁝

o

⁝ 0

1 ^{2 4 810 20}

0CR

Fi g. 5 Ef fe c to fs t r a i nr a t eo nt heu nd r a i n e d Fi g. 6 Re l a t i o n s hi pbe t we e ns t r e n gt h r a t i o s h e a rs t r e n g t h a n do v e r c o n s o l i da t i o nr a t i o

また,過剰間隙水圧の発生量 は過圧密比の増加 に伴 って低下 してお り,過圧密比が

4

8

1 3%

8%

3‑ 3

Fi g. 4 ( a ) 〜( d )

Cr i t i c alSt at eLi ne( C. S.

.

一方,過圧密試料の場合には,せん断に伴 う過剰間隙水圧の発生量が正規圧密試料 よ りも 低下す るために,有効応力径路 は,ひずみ速度によらず主応力差の増加 に伴 って平均有効主 応力が増加 してほ蹄 亘線的に

C. S.

.

2

4

8

0. 7%/ mi n

1. 0 %/ mi n

,0. 0 7 %/

mi n

3‑4

Fi g. 5

なお,図中の一点鎖線及 び破線 は

,Ri c har ds o na ndWhi t ma n 9

非排水せん断強 さは,両試料 ともひずみ速度の増加 に伴 ってわずかに増大す る傾向を示 して いる. この傾向は,既往の研究例9)において も認め られてお り,非排水せん断強さはひずみ

過圧密粘性土 の非排水せ ん断特性 に及 ぼすひずみ速度 の影響

1 0 7

2. 0

1 . 5

ら

＼

1 . 0 0

0 . 5

0 0. 030. 05 0. 1 0. 5 1 . 0 2 . 0 1 2 4 8 1 0 20

丘. ( 冗 / 把i n ) OCR

Fi g. 7 Ef f e c tofs t r ai nr at eo nt her at i ooft he Fi g. 8 Ef f e c tofo ve r c on s ol i dat i o nhi s t o r y u ndr ai ne ds he a rs t r e n gt ht ot hepr e s e n t o nt her at i oo ft heundr ai ne ds he a r e f f e c t i vec o ns ol i da t i o npr e s s ur e s t r e ngt h t o t he pr e s e nte f f e c t i ve

c o ns ol i dat i o npr e s s ur e

速度の影響を受けていることがわかる.また, ひずみ速度の増加に伴 う非排水せん断強 さの 増加割合は,ひずみ速度が

0. 0 7%/ mi n

1. 0 %/ mi n

1 4

1 5%

( QCR‑ 8)

8%

程度 となってお り,ひずみ速度が非排水せん断強 さに及ぼす影響は,正規圧密試料 にわず か に大 きく表われている. この要因 としては,本研究の場合,ひずみ速度の増加割合が約

1 4

1%

過圧密試料 の非排水せん断強 さ

cu

c

C｡｡/c

Fi g.

6

,Nakas e

Ⅰ ,‑3

g

‑0. 06%/ m i n)

Fi g. 7

1 0 8

ている.図より,強度増加率 は,ひず み速度の増加 に伴 ってわずかに増大 し てお り,過圧密比 によらずはば類似 し た増加傾向を示す ことがわかる. また, 強度増加率は,ひずみ速度によらず過 圧密比の増加 に伴 って大 きくなる傾向 富

を示 している. このことを明瞭に表わ さ すために,強度増加率 と過圧密比 との 関係を

Fi g. 8

,Laddand

tt14)

Kame iandNakas e l

)

Ko

Ko

･伸張試験においても認め られている.

以上のことより,土の非排水せ ん断 特性 を評価す る場合 には,土 の内的諸 条件 とひずみ速度の適用範囲を十分に 考慮す ることの必要性を示唆 した.

3‑ 5

Fi g. 9

1/ 2

変形係数は,正規および過圧密試料 と もひずみ速度の増加 に伴 って増大する 傾向を示 してお り,ひずみ速度が

0. 0 7

%/ mi n

1. 0%/ mi n

3 0 0 0 0

2 0 0 0 0

E z ]1 0 0 0 0

0 . 0 30 . 0 5 0 . 1 0 . 5 1 . 0 2 . 0

丘

/ 凪 i n )

Fi g. 9 Ef f e c to fs t r ai nr at eont hemo dul us ofde f or mat i on

1 ^{2 ‑ 1 .8 1 0 20}

0 CR

Fi g.1 0 Ef fe c to fo ve r c on s ol i dat i o nhi s t o r y o nt hemo dul usofde f o r mat i o n 1 8%

の変形係数は,ひずみ速度によらず正規圧密試料 よりも小 さくなっている.

変形係数 と過圧密比 との関係を

Fi g.1 0

過圧密粘性土の非排水せん断特性に及ぼすひずみ速度の影響 109

1.0

< ^{b o･ 5}

0

‑0.5

0.03 0.05 0.I 0.5 1.0 2.0 と. (

苫 / mi n )

Fig.ll VariationinA,Valueswithstrain rate

‑0.5

J

2 4

0CR

Fig.12 Variationin

A

Table2 Summaryoftriaxialcompressiontestresults

OCR

c u / o T c ′

a

E

(%/min) (kPa) (%) (kPa)

1 0.0.077 ー990.8.13 0.0.445912 6.7.58 2241400000 ･0.0.675771 1.0 103.2 0.516 8.1 25200 0.628

2 d.0.077 784.0.52 0.0.78405p2 7.7.82 1123000000 0.0.234143 1.0 84.3 0.843 8.3 13900 0.209

4 0.0.077 550.2.99 1.1.005188 7.8.74 190860000 0.0.010781 1.0 54.8 1.096 8.8 11300 0.057

8 0.0.077 334.6.3‑0 1.1.344721 8.8.47 78540000 ‑0.‑0.111249

3‑ 6 三軸圧縮試験結果

Fig.11は,破壊時の間隙圧係数

A

4

110 常田 亮 ･亀井健史

いても報告されてお り, この ことは,過圧密比の増加 に伴 って過剰間隙水圧 の発生量が低下 し,過圧密比が

8

Tabl e2

4.

本研究では,せん断時のひずみ速度が過圧密試料の非排水せん断特性 に及ぼす影響を明 ら かにす るために,練返 し陸成粘性土に対 して等方圧密および等方圧密等方膨潤非排水三軸圧 縮試験を実施 した.

以下に,本研究 より得 られた主要な結果を列記する.

1

0. 07%/ mi n

1. 0%/ mi n

1 4

8%〜1 5%

1 8%

1 4

るものと考えられる.

2) 破壊時の軸ひずみは,正規圧密および過圧密状態の両試料 ともひずみ速度の増加 に伴 って大 きくなる傾向を示 し,破壊時の間隙圧係数

A

3) ひずみ速度が粘性土の強度 ･変形特性 に及ぼす影響を検討 した結果,ひずみ速度 は, 正規圧密および過圧密試料の強度 ･変形特性 に類似 した影響を及ぼす ことがある程度明 らか となった.また,ひずみ速度が速 い三軸試験を実施 した場合には,強度 ･変形特性を過大評 価す る可能性 のあることを定量的に示 した.

参 考 文 献

1) 土質工学会編 :卓質試験法 [第

2

,1 9 7 9.

2 ) Ske mpt on,A. W.andBi s hop,A. W.:t ' So i l s " ,Cha p t e rX o fBui l di n gMat e r i a ls ,No r t h Hol l a ndPu bl .Co. ,Ams t e r dam,pp.4 1 7 〜4 8 2 ,1 9 5 4 .

3 ) Ta yl o r ,D. W.:9 t hPr o gr e s sr e po r to ns he a rr e s e a r c ht oU. S. Wa t e rEn gi ne e r s , MI T‑ Pu b1

1 9 4 3 .

4 ) Cas a gr ande , A. W.andShanno n, W.

∴St r e s s ･ d e f om a t i o na nds t r e ngt hc ha r a c t e r i s t i c sof s o i l sa nds o f tr o c ksunde rt r a ns i e ntl oadi n g,Ha r var dSo i lMe c ha ni c sSe r i e s ,No.3 1 ,1 9 4 8 . 5 ) Vai d,Y. P.a ndCampa ne l

a , R. G∴ Ti me ‑ d e pe n de ntbe ha vi oro fa nun di s t ur be dc l a y,The

Uni ve r s i t yo fBr i t i s hC61 u mbi aSoi lMe c ha ni c sSe r ie s ,No.3 3 ,1 9 7 7 .

6 )

,No.8 5 ,pp.1 ‑6 ,1 9 6 2 .

7 ) Ki mu r a,T.a ndSai t o h ,K ∴Thei nml e nC eOfs t r ai nr a t eo npor epr e s s ur e si nc o ns o l i da t e d un dr a i ne dt r i axi alt e s t sonc o he s i ves o i

s , Soi l sa ndFo unda t i on s , Vol . 2 3 , No. 1 , pp. 8 0 ‑9 0

1 9 8 3 .

8 ) Naka s e , A.a ndKa me i ,T.:I n f lue n c eo fs t r ai nr at eo nundr ai n e ds he a rc ha r a c t e r i s t i c sof

過圧密粘性土の非排水せん断特性に及ぼすひずみ速度の影響

1 1 1 K｡ ‑ c o ns o l i da t e dc o he s i ves oi

s ,Soi l sandFounda t i o ns ,Vol .2 6 ,No .1 ,pp.8 5 ‑9 5 ,1 9 8 6 . 9 ) Ri c ha r ds o n

A. W. a ndWhi t ma n

R. Ⅴ. : Ef f e c to fs t r ai nr a t eupo nund r ai ne ds he a rr e s i s t anc e

o fs a t ur a t e dr e mo ul de df a tc l a y,Ge o t e c h ni que ,Vol .1 3 ,No.4 ,pp.3 1 0 ‑3 2 4 ,1 9 6 3 . 1 0 ) Ro be r t s o n

. ,Vai d

andCa mp a ne l

a

R. G.:St r ai nr at ebe ha vi o ro fST.J e a n

Vi a nne yc l ay,TheUni ve r s i t yofBr i t i s hCol umbi aSoi lMe c hani c sSe r i e s ,No.3 4 ,1 9 7 8 . l l ) Ka me i ,T. ,Oga wa,S.a ndTa naka,N.:Thevar i a t i o ni nundr ai ne ds he arc ha r ac t e r i s t i c s

du r i n gc o ns o l i dat i o npr oc e s s ,Soi l sa ndFo undat i o ns ,Vo l .2 7 ,No.3 ,pp.9 1 ‑9 8 , 1 9 8 7 . 1 2 ) At ki ns o n,∫. H.andBr ans by ,P.

∴ Theme c hani c sofs oi

s ,Mc Gr a w‑ Hi l lBoo k,Lo ndo n

1 9 7 8 .

1 3 ) Naka s e ,A.:Thee f fe c to fov e r c o ns ol i da t i o no nt heund r ai ne ds t r e n gt hofc l a y,Re por tof t heHar bo ura ndRe s e a r c hI n s t i t ut e ,Vo l

7 ,No.1 ,pp.3 ‑2 4 ,1 9 6 8 .

1 4 ) La dd,C. C.andFoo

Ne wde s i gnp r o c e du r ef o rs t a bi l i t yo fs o f tc l ays ,J GED,ASCE

Vol .1 0 0 ,No.GT7 ,pp.7 6 3 ‑7 8 6 ,1 9 7 4 .

1 5 ) Ka me i ,T.a ndNa kas e ,A∴ Undr a i ne ds he ars t r e n gt ha ni s o t r o pyo fK｡ ‑ O ve r c o ns o l i da t e d c o he s i ves oi l s ,Soi l sandFoun da t i o ns ,Vo l .2 9 ,No.3 ,pp.1 4 5 ‑1 5 1 ,1 9 8 9 .

1 6 )

,Vo l

8 ,No.4 ,pp.1 0 3 ‑1 4 3 ,1 9 6 9 .