九州北西部に分布する玄武岩風化土(おんじゃく)の土質理工学的性質

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九州北西部に分布する玄武岩風化土(おんじゃく)の 土質理工学的性質

肥山, 浩樹

https://doi.org/10.11501/3154834

出版情報：Kyushu University, 1999, 博士（農学）, 論文博士 バージョン：

権利関係：

第6章

6 . 1 まえがき

前章においておんじゃくの締固め特性と圧縮性を明らかにするとともに、 乾 燥側で締固めたおんじゃくが水浸によって沈下を生ずることを認めた。 水浸に ともなう沈下いわゆるコラプスの発生条件は、含水比が最適含水比以下であり 飽和度が 80'"'-'90%以下であること、 コラプスの発生量は、 含水比が一定であ

る場合には圧縮圧力が圧縮降伏応力よりやや大きい圧力において最大であり、

圧縮圧力が一定である場合には低含水比ほど大であることを明らかにした。 本 章では、 乾燥側で締固めたおんじゃくの水浸による圧縮性と強度の変化につい て実験的に検討した。

表 6.1 赤坂試料の物理的性質

6. 2 実験材料と実験方法

6.2. 1実験材料 士粒子の密度 ρs

(glcnf)

実験に用いた試料は、 肥前町赤坂 液性限界 _WL (%) ^75.2 塑性限界 _WI P p(%) ^44.2 に建設された赤坂ダムのダムサイト 塑性指数 (%

)

で採土した赤色おんじゃくであり 自然含水比 _Wn (%) ^41.6 第5章で用いた試料と同じもので 粒径区分 地盤工学会 国際法 ある。 試料の物理的性質を表6.1に 砂 磯 (%

)

粗 砂 (%

)

示している。 実験材料はこの試料の 細 砂 (%

)

2mmふるい通過分である。 シルト (%

)

米占 土 (%

)

6.2.2締固めによる供試体の作製

標準締固め試験で求めた赤坂おんじゃくの最適合水比と最大乾燥密度はそれぞ れωopt ⁼ 37.5%、 ρd max = 1.27 g/cm3である。 締固め土のコラプス現象は、 含 水比が最適含水比より低く、 密度が小さいときに顕著である。 本実験において は、 締固め含水比を 25%とし、 締固めエネルギとしては標準締固めエネルギ (E100)の1/2 に相当する2.81 cm'kgf/cm3 (E50)を採用した。 締固めに際し ては10cmモールドを用い、 1層の突固め回数を4固とし、 9層の突固めを行 った。 図6.1は、 赤坂おんじゃくの締固め曲線である。 今回の実験に用いた供 試土は図中の・で表している。 圧縮試験、 せん断試験に用いた試料の初期状態 は初期含水比24.1'"'-'25.3%、初期間隙比1.40'"'-'1.49 、乾燥密度1.14'"'-'1.18 g/cm3、

飽和度47'"'-'79%であった。

1.30

M

1.25

5 u

。。

、 Q

1.20

盛1.15

1.10 20

6.2.3実験方法 (a)圧縮試験

口E100

o

・実験に用いた供試体

30 40

含水比 w (%)

図6. ¹ 赤坂おんじゃくの締固め曲線

50

締固め試料から直径6cm、 高さ 2cm の供試体を作製し、 一次元圧縮試験を 行った。 圧縮に際しては癒紙を使用せずに、 0.1 kgf/cm2の圧力で、 力日圧板と 供試体を密着させた。 圧縮圧力PV は、 0.5，l.0，2.0，4.0，8.0， 16.0 kgf/cm2であり、

各圧縮段階の載荷時間は 1時間であった。 本実験には、 圧縮圧力 PV、 底面圧 力PL、 側圧Phを測定することができる一次元圧縮試験機を使用した。 平均圧 縮圧力はPαve=Pv{l・ex p ( - A . H) } / A . H で表される。 ここに、 A = {ln(pv/PL)}/H、

H:供試体の高さ、 である。

(b)圧縮 ・ 水浸 ・ 再圧縮試験

水浸による圧縮性の変化を把握するため、 所定の圧力による圧縮が終了した 後、 圧縮圧力を変えずに水浸箱に注水した。 供試体は、 下部からの吸水によっ て水浸状態になった。 水浸状態で1時間経過後に次の圧縮段階に移行した。

(c)圧縮 ・ 定体積水浸 ・ 再圧縮試験

所定の圧力による一次元圧縮が終了した後に水浸を行い、 垂直変位が変化し ないように圧縮圧力を加減した。 この定体積水浸を 1時間行った後に圧縮圧

次の圧縮段階に移行した。

カを元に戻して再び1時間の圧縮を行い (d)サクション一定の圧縮 ・ 定体積水浸試験

本実験の場合、 一次元圧縮試験機の上部の多孔板はポーラスストーン

それはセラミックディスクである。 0.1 kg f/cm2の圧力で、 加圧板と供試体を

密着させた後に水浸を行い、引き続き上部多孔板から所定の空気圧を負荷して、

所定のサクションを有する供試体を作製した。 サクション一定の供試体を作製 下部の

所定の圧力で圧縮 次に、

6""' 7時間であった。

するための空気圧の負荷時間は した後に定体積水浸を行った。

(e)一面せん断試験

圧縮定圧せん断試

2000

圧縮定体積せん断水浸試験を行った。

1000

「汁1

Pv

(kgffcmι)

5 10

の供試体を作製し、

Pv

(kPa) 500

「ー「寸

圧縮圧力 100 200

圧 縮圧力

1 2

高さ 2cm 締固めた試料から直径6cm、

圧縮定圧せん断水浸試験、

50

「寸

験、

20 0.5

初期水浸土の範囲

圧縮 ・ 水浸土のe

-

Oムロマ0・A

水浸時の圧縮圧力 kgfcm2{kPa}

o

{ O}

0.5 { 49.0}

1.0 { 98.1}

2.0 { 196 } 4.0 { 392 } 8.0 { 785 } 16.0 {1570 } 1.3

1.2

初期水浸土、

1.5 1.4

0.9

図6.2

ω ムJよ�

1.1

ハU 唱EEA 紙一 E

制 �� .� _u

t; ^�

・，� 2

p = ^0.5 kgUcm2で水浸 水位 一寸

00 0 0 �立::000 0 0 0

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経過時間 ₍ (min)

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経過時間 ₍ (m!n)

図6.3 水浸による沈下速度、 沈下量、 底面圧力、 側圧の変化

6 . 3 圧縮試験結果と考察

6.3. 1一次元圧縮試験結果

6.3. l. 1圧縮後に水浸した締固め土の挙動

締固め試料を圧縮前に圧縮容器内で水浸した初期水浸試料と所定の圧縮圧力 の下で水浸した締固め試料の間隙比e-圧縮圧力Pvの関係が図6.2のe-logpv 曲線である。 締固め土をある圧縮圧力の下で一次元圧縮した後に水浸した試料 は、 同一圧力で圧縮されている初期水浸試料の間隙比に達するまでの沈下を示

している。 これはBardenら44)が既に指摘している点である。

水浸にともなう沈下は、 初期含水比が低く、 間隙比が高い試料で、 圧縮降伏 応力をやや超えた圧縮圧力において最大値を示している。 また、 ある圧縮圧力 の下で水浸した試料に対して圧縮圧力を増すと、 その e-Pv関係は初期水浸試 料のe-logPv曲線上をほぼ同じようにたどる。

図6.3は、 所定の圧力の下で圧縮した後に水浸した試料の沈下速度と沈下量、

側圧、 底面圧力の変化を示している。 沈下量、 側圧、 底面圧力ともに水浸直後 に変化を示すが短時間で一定値に達している。 水浸によって側圧、 底面圧力と もに増加し、 圧縮圧力が大きいときに水浸した試料ほど側圧、 底面圧力の増加 量も大きい。

水浸によって、 不飽和試料の静止土庄係数、 摩擦係数はともに減少する。 し かし、 水浸後においては圧縮圧力が増えるとともに、 静止土圧係数は増加し、

摩擦係数は減少する。

圧縮圧力Pv (kPa)

5o 1 00 200 500 1 000

圧縮圧力pv(kgfcm2)

0.5 1 2 5 10

1.5

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後 後

水 水 再

o-v.T'口

•

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起1.3

，_司'

h吐、佳公二

町 1.2

皿三

ハU--a-a

図6.4 定体積水浸試験結果

6.3.1.2定体積水浸による圧縮圧力の変化

締固め土を所定の圧縮圧力で一次元的に圧縮した後、 体積を一定に保ったまま 水浸を行い、 圧縮圧力の変化を測定した。 図6.4は定体積水浸の実験結果であ る。 図中に示した縦線の範囲は締固め土を初期水浸した場合の e-logpu曲線 の範囲であり 、 0印は締固め不飽和土の e-Pu 関係である。 o印の試料につい て定体積水浸を行うと、 圧縮圧力は初期水浸試料の同一間隙比に相当する圧縮 圧力までの低下を示す。 定体積水浸後の試料に対して水浸前の圧縮圧力 Pu を 負荷すると、 初期水浸試料のPuに相当する間隙比に達するまでの沈下を示す。

すなわち、 一度水浸を受けた試料の e-Pu関係は応力履歴の影響をほとんど受 ないことがわかる。

p=()号kgf!cm2て， IKh1.

定体積水i:J. Iり戦術

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30 60 90 120

経過時間 ( (min)

� 6.5 定体積水浸時における沈下量、 圧縮圧力、 底面圧力、 側圧の変化

図6.5は所定の圧力で圧縮した後、 定体積水浸を受け、 再圧縮した試料の沈 下量、 圧縮圧力、 底面圧力、 側圧の変化である。 p = 0.5，l.0 kgf/cm2と圧力が 小さい場合、 定体積水浸にともなって側圧は増加するが、 圧縮降伏応力より p が大である p = 2.0，8.0 kgf/cm2 の場合には側圧は減少している。 圧縮圧力、

底面圧力は、 定体積を保つため、 いずれの場合でも減少している。

1.5

圧 縮 圧 力Pv(kPa)

5o 100 200 500 1000 2000 圧

拡

元

ぷ

0.5 1 2 5 10 20 1.5

起1.3 貫 主ミ1.3

平均圧縮圧力Pave(kPa) 5o 100 200 500 10002000 平均圧縮圧力 P ave (kgflcm 2)

0.5 1 2 5 10 20

、 、

鍾 \ 盤 、

E 12 o s= 1.0kgKEEl 2、 E I.2 os- 1.0kgfcmド - 1.1

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-初期水浸土 ・初期水浸土

0.5 1 2 5 ] 0 20 0.5 1 2 5 10 20

、、

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1.5 0.5 1 2 5 10 20 ^{1 �} 0.5 1 2 5 10 20

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、

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鑑1.2 鑑1.2 、\

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(a) (b)

図6.6 サクション一定の圧縮試験結果

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図6.7

桜0.5U

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0.3 0

。

図6.8

L一一一一i サクシヨンlS(kgkm2

サクションS (kPa) 100 200

サクションによる 圧縮降伏応力の変化

サクションS(kgUcm2) サクションS(kPa) 100

サクションによる 圧縮指数の変化

2 200

6.3. 2 サクション一定の圧縮試験

F、

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、­

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( a)

0.5

初期水浸土.

S=O.5 kgfcm: f 49.0 kPa}

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不飽和土

1 2 5 10

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0.5

圧縮圧力瓦(kPa)

初期水浸土.

S=O.5 kgUcm� { 49.0 kPa}

�= 1.0 kgf7cm: { 98.1 kPa}

S=2.0 kgfcm‘{196 kPa}

不飽和土

1 2 5 10

圧|縮圧ヂん(kgf佃2)l 20 50 100 200 500 1000 2000

圧縮圧力五同(kPa)

図6.9 サクションによる 体積圧縮指数の変化

図 6.6は、 サクション一定の圧縮試験結果である。 図6.6(a)においては、 問 隙比を圧縮圧力 PVに対して示し、 図6.6(b)においては間隙比を平均圧縮圧力 Pαueに対して示している。

図 6.7 6.8 には、 圧縮降伏応力 PyV、 Pyα、 圧縮指数 Ccv 、 Ccαをサクション

Sに対して示している。 ここで 、 PyV、 CCIJはe-log Pv曲線から、 Pyα、 Ccαはe -log Pαve曲線から求めた。 図6.9は体積圧縮係数mvをサクションをパラメー タとして示している。 サクションの増加にと もない、 圧縮降伏応力、 圧縮指数 は増加し、 体積圧縮係数 は減少している。

同じ間隙比をもっ不飽和士と飽和士では同一荷重下における沈下量に差異が ある。 これ は、 不飽和土のサクションが 圧縮降伏応力の増加に寄与しているこ

と 不飽和土の体積圧縮係数が飽和士のそれに比べて小であるためである。

図 6.10 は、 サクション kgf/cm2) の負荷 ・ 圧縮 ・ 定 体積水浸を同一試料 について繰返し行った実験結果である。 図6.11は、 図6.10に示した実験結果

圧縮圧力pv(kPa) 平均圧縮圧力Pave(kPa) 5o 100 200 500 10002000 5o 100 200 500 1000

圧 品 ^{圧力pv(kddl)} 平均圧縮圧力pave(kgkm2) O.5

2 5 10 20 1.4 0.5

2 5 10

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図6.10 サクション一定下における圧縮 ・ 定体積水浸の繰返し試験結果

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圧縮圧力Pv (kPa)

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500 1000

平均圧縮圧力P

(kPa)

図6.11 定 体積水浸にともなう圧縮圧力の減少量と平均圧縮圧力

から定体積水浸による圧縮圧力の減少量Svと平均圧縮圧力の減少量SEを求め PU、 pαωに対してプロ ットしている。 SE の大きさは、 Pyα を越えた圧力領域に

おいて、 負荷されているサクションの大きさの1 kgf/cm 2にほぼ等しい。

図6.12は、 図6.6(b)に示した結果から、 初期水浸土とサクションを負荷し ている試料の同一間隙比における平均圧縮圧力の差SEをPαveに対してプロ ッ

トしている。 圧縮圧力が圧縮降伏応力より大きく、 e-logPαve曲線に直線関係 が認められる圧力領域(正規圧縮領域)においては、 SEはサクションの大き さにほぼ等しい。

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-定体積水浸による平均圧縮圧力の低下量 O定体積水浸による圧縮圧力の低下量

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Sv :初期水浸土とサクションが負荷されている試料の圧縮圧力の差

{196 }

j231;

SE :初期水浸土とサクションが負荷されている試料の平均圧縮圧力の差 LJpv :初期水浸土と不飽和土の圧縮圧力の差

.LJPave 初期水浸土と不飽和土の平均圧縮圧力の差

図6.12 初期水浸土と 締固め土との同一間隙比におけるSE、 ζ1pu、 ζ会αue

また、 同図には初期水浸土と不飽和土の同じ間隙比における圧力差( LJpu、

L]pαuJと不飽和土の定体積水浸による圧縮圧力の低下量(Su、 SE、 図中のO、

・印)を示している。 LJpuと Su、 LJpαueと SEとはそれぞれ比較的良い一致を 示している。

すなわち、 圧縮圧力 が圧縮降伏応力を越えた領域である正規圧縮領域におい て、 SEはサクションの値にほぼ等しい。 このことは、 初期水浸土と不飽和土 の同一間隙比における平均圧縮圧力の違いがサクション に起因していることを 示している。

6. 4 せん断試験結果と考察

6.4. 1乾燥側の締固め土

締固め含水比 25%、 E50のエネルギで作製した締固め土の一面せん断試験機に よる定圧せん断試験結果を図 6.13(a)， 6.14に示している。 垂直応力σの増加 にともないせん断強度τfは増加している。 a = 0.5， .1.0，2.0 kgf/cm2の場合、

ダイレイタンシーは正であり、 。=4.0 kgf/cm2においては負である。 せん断抵 抗角はφd =42.10 、 粘着力はCd = 0.77 kgf/cm2である。 また、 ダイレイタン シーを補正したせん断抵抗角、 粘着力はφdm = 43.70 、 Cdm = 0.77 kgf/cm2で ある。

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0.5 { 49.0}

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口

4.0 {392 }

図6.13 一面せん断試験結果(乾燥側)

φd，ゆdm C d，_Cdm

( deg. ) ( kgf/cm ) { kPa }

42.1 0.77 {76}

43.7 0.56 {55 } 26.5 0.21 {21}

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1 2 3 4 5

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100 200 300 400 500

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(乾燥側)

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a宅手チ?l G，'(同ゲz)1

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垂直応力 。， (kPa) 図6.14

5

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Mm倒mt蛍\.くが

凶器室\〈州ゲ

(乾燥側)

。'一 τf関係 図6.15

所定の垂直応力の 下で圧縮 した締固め土を水浸後にせん断した場合、 図 6. 13 (b ) ^， 6. 14に示すようにせん断強度τfは、 水浸を行わない土に比べ低い値 を示す。 σ= 0.5'"'-' 4.0 kgf/cm2において、 ダイレイタンシーは負である。 せん 断抵抗角はφd= 26.50 、 粘着力は Cd = 0.21 kgf/cm2である。

締固め不飽和土のせん断強度定数は水浸によって大きな変化を示している。

せん断抵抗角はφd=42.10 (φdm=43.70 )から26.50 へ、 粘着力はcd =0.77 kgf/cm2 (Cd m = 0.56 kgf/cm2) から0.21 kgf/cm2に低下した。

図6.15は、 不飽和土の垂直応力σに図6.12から求めたサクションの推定値 Sを加えて有効垂直応力。，(= a ⁺ S)とし、 不飽和土のせん断試験結果をσ'一

τf関係に整理した結果である。 有効応力で整理を行うと水浸試料と非水浸試 料のせん断抵抗角はほぼ等しくなる。 しかし、 不飽和土の有効応力に関する粘 着力はo 一 τf関係から得られた値とほとんど変化がなく、 有効応力で整理し でも水浸試料と非水浸試料の粘着力は一致しなかった。

図 6.16 は、 締固め不飽和土の圧縮定圧せん断過程において、 ピーク強度に ほぼ達したところで水浸した試験結果である。 水浸にともないせん断応力は低 下し、 せん断にともなう垂直変位にも変化が生じ、 せん断強度は初期水浸士の 定圧せん断強度まで低下したD

図 6.17は締固め不飽和土の定体積せん断過程においてピーク強度にほぼ達 した段階で定体積水浸を行った結果である。 垂直応力σ、 せん断応力τはとも に減少を示し、 せん断強度は初期水浸土の定圧せん断強度まで低下した。

以上の実験から、 締固め不飽和士をせん断途中において水浸した場合、 その σ一 τf関係は、 定圧せん断、 定体積せん断に関わらず初期水浸土のa- τf曲 線に一致することがわかる。

6.4.2湿潤側の締固め土

乾燥側で締固めたおんじゃくは水浸によって強度低下を示すことが明瞭であ るロ 比較のために最適含水比(ωopt = 37.5% ) の湿潤側で締固めた試料につい て一面せん断試験を行った。 締固め含水比は 40%であり、 締固めエネルギは E 100であった。 締固め土の乾燥密度はρd = 1.25'"'-' 1.27 g/cm3であり、 飽和度 は91'""'-' 94%であった。

図6.18は締固め土と水浸土のせん断変位-せん断応力図であり、 図6.19は a- τf関係である。 締固め土と締固め水浸土のa - τf関係には差異をほとん ど認めることができない。 せん断過程において破壊強度に達した後に水浸した 場合、 わずかでも強度低下を生じたのはσ= 0.5 kgf/cm2 の場合のみであり、 そ の量は0.68 kgf/cm2から0.50 kgf/cm2への低下であった。

。

(kgfYCIJ){kPa}

・ 0.5 {49.0}

o

1.0 {98. 1}

・ 2.0 {196 } 口 4.0 {392 }

円代同パ「止蛍\〈削「

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0.0 �記

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1.0 思

5

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浸ん 試断 -山事q lf の

浸 浸 水せ 水 圧 期 非 水

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住 回 ぺハハl 制 川

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ヘミ

|

キJ 100卜 キJ 1

。

1 2 3 4 5

垂直応力 u(kgfcm2)

100 200 300 400 500

垂直応力 σ(kPa)

図6.16 圧縮定圧水浸せん断試験結果

圧縮圧力 ( kgf/cm2 ) {ぽa }

・ 0.5 {49.0}

o 1.0 {98.1 } 圃 2.0 {196}

ロ 4.0 {392 }

l

I

6 8

D

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A『

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2J

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R

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R

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5 4

400 500

圧縮定体積水浸せん断試験結果 3

a (kgfcm2) 300

a (kPa)

1 2

垂直応力 100 200

垂直応力

。 。

。

図6.17

U

53

i安

'-'2 E:ギ5 l h ^{0「」 室}

^{0 l}

。

2 4 6

せん断変位D (^rrm)

�

30

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キJ

0

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6

せん断変位D (^rrm)

8

8

(a)締固め土

，-.、

、_"

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1 :

口

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(kgf/cd){kPa} 0.5 { 49.0}

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2.0 {196 } 3.0 4.0 {294 } {392 }

(b)圧縮・水浸土

〆圃‘、

、_"

-1司 0l

41国

図6.18 一面せん断試験結果(湿潤側)

3

〆'画、、

〆'画、、

t-

。

』ふ ^、.._"

トJ

。

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Q- _O

0非水浸 0水 浸

ヘミ

.初期水浸試料

キJo 。 2 3 4 5

垂l直a応力1 G1(kg1fcII1』 ²⁾

。 100 200 300 400 500

垂直応力 a (kPa)

図6.19 a一 τf関係(湿潤側)

6. 5 初期水浸土の圧縮 ・ 除荷、 不飽和土の水浸時におけるp'-^q、

。'm一応力比

乾燥側で締固めた試料の初期水浸土についての圧縮 ・ 除荷過程 不飽和土の 定体積水浸過程、 不飽和土の圧縮 ・ 水浸過程の応力経路を図 6.20 の p'-q関 係と図6.21のσ'm一(pαue-Ph)/σ'm関係に示している。ここに、p' =(pαue + P h ) /2 +SE、 q = (pαue - Ph ) /2であり、 。'm= (pαue +2Ph ) /3+SE である。 図6.20に示 した破壊線は一面せん断試験結果に落合50)の提案する方法を適用して求めた。

図6.20(a)の初期水浸土の圧縮過程、 図 6.20(c)のO印で示した不飽和土の圧 縮過程にあっては、 p'の増加にともないp'-q関係は破壊線から離れ、 安定な 状態に移行している。 また、 初期水浸土の除荷過程、 あるいは不飽和土の定体 積水浸過程にあっては、 p'の減少にともないp'-q関係はp'の減少開始点から 破壊線に平行に減少し、 安定な状態に達している口

一方、 不飽和土を圧縮後に水浸した場合、 p'が減少してもqにはわずかな減 少があるのみで、 p'-q 関係は破壊線に近づいている。 圧縮圧力が圧縮降伏応 力に等しい場合のp'の値はp'yαue = 4.2 kgf/cm2である。 p'がこの値に近いか やや低い場合の水浸においては、 p'-q関係は破壊線に接している。

図6.21の平均有効応力σ'mと応力比(pαue - Ph)/o'mの関係をみると、 初期 水浸土の圧縮 ・ 除荷過程は次のようであるD 初期水浸によって負になった応力 比はo'mの増加にともなって急激に増加し、 圧縮圧力が圧縮降伏応力に等しい 場合の平均有効応力( σ'm y = 4.0 kgf/cm2)において 0.55'""0.75に達する。

σ'm がさらに増加した場合、 応力比 はσ'm に関わりなくほぼ一定とな り 0.55 ... 0.65 程度の値を示している。 この応力状態から除荷すると 応力比は急激 な減少を示している。 定体積水浸においては水浸開始時のoFm がσ'nt y以上で あれば、 応力比は載荷時と同じく0.55'""0.7程度であり、 σ'mに関わりなくほ ぼ一定である。 しかし、 水浸開始時のσ'mがσ'my以下である場合にはu'm の 減少にともない応力比は急激な低下を示す。

不飽和土の圧縮過程にあっては、 σ'm がσ'my以下であれば応力比は 0.8'""

0.95の値を示し、 σ'mがo'm y以上になると応力比は0.45'""0.5程度の値とな る。 このような圧縮された不飽和土を水浸した場合、 水浸時のσ'mがu'myよ り十分大きい場合には応力比は載荷時よりやや高い0.5"'0.6程度の値である。

60

2Aι 20<r õ02

、・d

。司 1

-20

。 60

"‘、40 .Z￥ 20

、_，

(a)初期水浸土

一一一一圧縮過程 A場ン� n ー 除荷過程

喚7' ^�イヲ心

札yム�ン

Fy

，ð.'二_D.... � 企8.0kgUcm: ^{ 785 kPa }

oo-U- 0 4.0 kggcmL ^{ 392 kPa}

う

p' (kPa) (b)繰返し定体積水浸

-20 5_p， (kgVcmヲふ)10 15 500 _p' (kPa) 1000

(c)締固め土の水浸

1500

L-...L..J

60 40

� 20

.::，t. 、_，

-0

-.-..0水 浸

-20 ヲ10

.f\(kpf…

:

500 _p' (kPa) 1000

15

。 ^.a.._lー」1500

図6.20 p'( ⁼ p ^{+ SE} ) - q関係 (乾燥側)

qL KK b 一一一一圧縮過程

ーー一一 除荷過程 (a)初期水浸土

nu lo」

\(￡!とと封R迫

ロ 16.0kgUcαr〈T除荷荷重

ð 8.0 kggcm】�^{ 785 kPa}

o 4.0 kgUcαmL ^{ 392kPa}

E?m:(?g?cf)... 107 500 om'(kPa) ^{. _} 1000

15

.a.._l

1500

。

ウLRh b (b)繰返し定体積水浸

lo」 。

\(ミlEd)起R曽

s= 1.0 kggcm ^{2 {9}8^. 1 kPa}

107. 15

0 m' (kgUcm ')

500 。m' (kPa) ^{_ _} 1000 1500

。

---..0水 浸

。

U m' (kgUcm -) 107 500 o ^m' (kPa) 1000

.a.._l

1500 15

図6.21 σ'm一(pαω- ^Ph )/ ^a 'm関係 (乾燥側)

60 (a) ^(b)

官νグ

Z必 ) 20

除 2

。

千区J主^{、R 匂}

l

。 。

0 締固め土 ^{) 。 0 締固め土}

-水漫土

2主4

一20Ø- -2!

p'

。 500p' (kPa) 1000 1500 ^。 500

m'

(kP�ヤ

図6.22 p'- q、 σ'm一(pαve ^{- Ph} )/σ'm 関係(湿潤側)

しかし、 水浸時のo'm がo'm yに近い値かやや低い値である場合には、 水浸に よって応力比の値は0.8""'0.95程度から1.3 ""' 1. 5程度に上昇する。 ちなみに、

一面せん断試験による圧縮水浸土の破壊時の( σ〉、 応力比)は、 (0.86，1.91)，

(1.14，1.33 ) ， (2.07，1.18) ， (4.13，1.17 ) である。

また、 水浸時のσ'nt がo'm y以下で水浸によって膨張を示す圧縮圧力の範囲 においては、 応力比の値はσ'mの減少にともない急激な低下を示している。

以上のことから、 乾燥側で締固めた試料について、 初期水浸土の除荷過程と 締固め不飽和土の圧縮圧力下における水浸現象を次のようにまとめることがで きる。

初期水浸土は除荷によってp'、 qはともに減少し、p'-q関係は安定方向に 向かう。 一方、 不飽和土を水浸した場合、p'は減少するがqにはわずかな減少 があるのみでp'-q関係は破壊線に近づく口 これらのことをσ〉一応力比でみ ると、 初期水浸土は除荷によって応力比が急激に減少する。 一方、 不飽和土を 水浸した場合、 水浸時の圧縮圧力が圧縮降伏応力より十分大きな値であれば応 力比は圧縮過程と同じであるが、 圧縮降伏応力近傍の値であれば応力比は増大 しその値はせん断破壊時の応力比と同程度となる。 また、 圧縮圧力が圧縮降伏 応力より低応力下においては応力比は低下する。

圧縮降伏応力、 あるいはそれよりやや低めの圧縮応力下において発生する水 浸にともなう応力比の急激な増加は、 せん断破壊に類似する現象であり、 圧縮 降伏応力よりも低圧縮応力下において発生する応力比の急激な減少は、 膨張に 関わる現象である。

乾燥側の締固め土と比較のために、 湿潤側で締固めた不飽和土の水浸試験の 結果を図6.22に示している。締固め土の含水比は40%、乾燥密度は1.26""'1.28 g/cm3、 飽和度は 88""'92%である。 水浸時の垂直応力が 0.5 kgf/cm2である場 合において、 主応力差にわずかな減少があったが、 他の応力下にあっては変化 が生じなかった。

6 . 6 まとめ

最適含水比より乾燥側で締固めたおんじゃくの水浸による圧縮性と強度の変 化を実験的に調べた。 得られた主な結果は次の通りである。

( 1)締固め土を一次元圧縮後に水浸すると、 同一圧力で圧縮されている初期水 浸試料の間隙比に達するまでの沈下を示す。

(2)締固め不飽和士、 サクション一定の下で圧縮した試料について、 定体積水 浸を行いサクションを解放すると、 圧縮圧力は初期水浸試料の同じ間隙比 に相当する圧縮圧力まで減少する。

(3)初期間隙比が同じである水浸、 非水浸試料の同一間隙比における平均圧縮

圧力の差はサクションに等しい

(4)締固め土のサクションの解放にともない、 圧縮降伏応力、 圧縮指数は減少 し、 体積圧縮係数は増加する。

(5)締固め不飽和土を圧縮後にあるいはせん断途中に水浸すると、 そのせん断 強度は同じ垂直応力下にある初期水浸土のせん断強度まで低下するロ 垂直 応力にサクションを加えて有効応力としたσ' に対してせん断強度τfを示 すと、 水浸、 非水浸試料にかかわらず同程度のφdが得られるが、 Cdには

違いがある。

(6)不飽和土を圧縮後に水浸した場合、 p'が減少しても qにはわずかな減少が あるのみで、 p'- q関係は破壊線に近づく。 特に、 圧縮圧力が圧縮降伏応 力に近い値かやや低い値の場合、 水浸によって p'- q関係は破壊線に接す るようになる。

(7)平均有効応力σ'm一応力比(pαve ^- Ph) /σ'm図上で締固め不飽和土の圧縮 ・ 水浸過程をみると、 圧縮過程の応力比は 0.45'"" 0.9 であり、 初期圧縮段階 の応力比が大である。 この不飽和土を水浸した場合、 水浸時の圧縮圧力が 圧縮降伏応力より十分に大であれば応力比は圧縮過程における値とほぼ同 等かやや大である。 しかし、 水浸時の圧縮圧力が圧縮降伏応力近傍であれ ば応力比は増大しその値はせん断破壊時の応力比と同程度になる。 圧縮降 伏応力より低応力下での水浸においては応力比は減少する。

第7章 砂岩風化土やまさ土の混合によるおんじゃくの土質改良24，25)

7. 1 まえがき

おんじゃくは、 含 水比が最適合水比より 15'"" 25%も高く、 土木材料として 施工性の悪い土である。 また、 最適合水比のもとで標準締固めにより最大乾燥 密 度に突固めた供試体の強 度 定数の平均値は、 c' 二0.6 kgf/cm2、 φ， = 250 で あり、 この値はフィルダムの築堤材料としては低いものである。

上場農業水利事業の一環として、 赤坂ダムと藤ノ平ダムの建設においては、

おんじゃくにそれぞれ砂岩風化土とまさ土を混合して土質改良を行い、 フィル ダムの遮水材にすることを検討した。 本章では、 おんじゃくに砂岩風化土ある いはまさ土を混合することにより、 施工性、 透水性およびせん断特性がどのよ

うに改良されるか検討している。

7. 2 砂岩風化土混合によるおんじゃくの土質改良 7. 2. 1試料の物理的性質

実験に用いた試料土のおんじゃくと砂岩風化土は、 肥前町赤坂地内で採土し たものである。 おんじゃくの色は暗褐色7.5YR3/4であり、 砂岩風化土は明褐

表7.1 砂岩風化土 ・ おんじゃく 混合土の物理的性質

砂岩風化土の混合割合 ^{0/4 1/4 2/4 3/4 4/4} 土粒子の密 度 ρs (g/cm3) ^{2. 90 2.83 2. 78 2.74 2. 66}

ニコ 湿

ン 潤 ^{WL (%) 59.9 48. 1 44. 2 38.9 32. 6}

、ノ (%) ^{47.3 38.2 30. 0 26. 6 25. 9}

コぇ 土 ^Wp

ア 風

ン 乾 ^{WL (%) 57.2 44.0 43. 3 41. 6 32. 4}

:，./ 土 ^Wp (%) ^{41. 5 32.2 29. 0 23. 8 21. 9}

自 _< 5μm

(%)

粒 ^究犬

状 5'"'"'74μm (%) 17.0 17. 1 13.5 13.5 13. 6

度 態 ^>74μm (%) ^{46. 7 56. 0 60. 1 64. 5 71. 8} 組

超

3

波処^日::r. 5'""74μm ^{< 5μm (%)}

(%)

成 _理 ^{> 74μm (%) 29. 0 35.9 48. 2 45. 4 63. 0}

自然含水比 _Wn (%) ^{58. 7 48. 7 36. 3 28. 0 18. 7} (標準偏差) ^{(1. 27) (1. 61) (2.58) (0.90) (0.78)}

超音波処理時間480分

、.，aEEE， p

、‘IJ ea ηド

o nF J'EE・、、 + F、3 d nド ，目E .. 目目 ，/，/ ea ρ

nv nuF 一一 m nv

口--- -

治--_ 杢 ミご口\\ 口

114 2/4 3/4 4/4

砂岩風化土の混合割合(乾燥質量比)

図7. 1 砂岩風化土 ・ おんじゃく混合土の物理的性質

[ρ

]

式中のサフィ ックス 0， Sはおんじゃく， 砂岩風化土を示す。l P 1ns s/ ( 1nS

0

色7.5YR5/6 である。 表 7.1は、 試料の物理的性質一覧である。 自然状態にあ るおんじゃくの液性限界(ωL)、 塑性限界(ωp)、 5μm以下の粘土分含量( C ) は、 それぞれ60，47， 3 7%である。 試料土を懸濁状にし 、 撰祥しな がら超音波で 8時間分散させる21)と 、 ωL、 ωp、 Cの値は、 それそれ82、 45、 55%となった。

試料土を超音波を用いて完全分散させることにより、 ωL、 Cは増加する。

本実験に 用いた おんじゃくの自然含水比は 57'"'-'61 %である。 おんじゃくは、

粘土分含有量の割に 含水比の高い土であると見なされてきたが. この考えは、

JSF T 131の分散方法では完全分散されないため、 粘土分含有量 を過少評価し

たことに起因する。 自然状態のおんじゃくの ωL、 ωpをもとに 液性指数(1L) を求めると 0.8であり、 超音波処理士のωL、 ωpを用いるとILは0.4となる。

練返しによる強度低下 、 土木工事に おける施工性の悪さを含水比の相対的な値 IL等で評価 を試みるとき 、 自然状態のおんじゃくの ωL、 ωpを使う方が実状に

ノ主、 ヤ

つ。

砂岩風化土の含水比は19%であり、 最適合水比に近い。 乾燥質量の割合 で 1 /4、

2/4、 3 /4になるように 、 砂岩風化土をおんじゃくに混合したときの物理的性 質も表7.1に示している。 混合土の土粒子密度、 ωL、 ωρ、 自然含水比は、 図7.1 に示すように砂岩風化土の混合割合の増加に対し 、 直線的に減少している。

締固め特性

7.2. 2

A.c法によるおんじゃくの締固め曲線である。

A.b r去、

7 1 1 図7.2はJSF T

( ρd max) 最大乾燥密度

ω 法による最適合水比 ( 乾燥 ・ 非繰返し)

A.b

nド。ω

法による A.c ( 非乾燥 ・ 非繰返し)

1.23 g/cm3である。

それぞれ40%、

は、

ρd max は0.06 1. 17g/cm3であり 、 A.b法に比べωoptは5%高く、

ρd max (ま45%、

、ーー、­

試料調製方法により異なるが、

おんじゃくの締固め曲線は、

g/cm3小さい。

を含むことに起因する。

( 10 A) ト

れ は主要粘土鉱物にハロイサイ

A.c法による締固め曲線 砂岩風化土および混合土の

おんじゃく 7.3は、

図

ω ρd maxは増加し、

である。 おんじゃくに砂岩風化土を混合することにより

図7.4に示すように砂岩風化土 ωoptの減少は、

ρd maxの増加、

は減少するが、

Woptとρd maxとの間にも図7.5のよう また 、

の混合割合に対し直線的である。

な線形関係がある。

4/4

3/4 l.6

1.5

1.4

日υ b.o

'--' 1.3

可 Q

生当 ^1.2 創 壊 起 _1.1 A.b

1.2

1.1

(何日ど凶)

可 Eユ

Mm翻意起

1.0

砂岩風化土の混合割合 分数値

40 50 1.0

30

60 70 40 50

30 20 0.9 10

( % ) 0 含水比 w

( % ) 含水比 w

砂岩風化土 ・ おんじゃく 混合土の締固め曲線 図7.3

おんじゃくの締固め曲線 7.2

。

40

( ヌ

内回。「コ

1.6百

u b.O

1.4 ^{MRaE可門司}

30

封V穴加い摺噌

1.2制 悌繋 1.0

ぢ

4/4 �

20 。

(ヌ)色。円『】

20

封ゾ穴加別刷用曜

1.5 1.6 1.4

1.3 1.1 1.2

2/4 3/4 114

0 0/4

( g/cm3 )

ρd max 最大乾燥密度

砂岩風化土の混合割合

砂岩風化土 ・おんじゃく 図 7.5

砂岩風化土 ・おんじゃく 図 7.4

混合土の最大乾燥密度と 最適含水比の関係

混合土の最適合水比と 最大乾燥密度

締固め土のコーン指数 7.2.3

トラフィカ しての土の施工性はトラフィカビリティで評価され、

土木材料と

一フ

'ht 51) 。

ビリティはコーンベネトロメータで測定したコーン指数で示される

cm2のコーンを 断面積3.24

先端角300 フィカビリティの室内試験法52)は、

3等分する 2点にお 15cmモールドに締固められた供試体上面の直径を

用い、

4点の平均値をもってqc cmの貫入低抗を求めるもので、

深さ2.5、 5.0 いて、

10cmの 火山灰質粘性土のような高含水比土の場合、 直径

なお、

としている。

qc を求めてもよいとされている。 本 モーノレド中心1カ所で

モールドを用い、

cm2のコーンを用 断面積2.0

先端角300 10cmモールド、

実験においては、

qcの平均値qcをもって、 トラフ cm貫入時の

ィカビリティ評価のコーン指数としている。

5 2.5、

1カ所における し、、 中心

おんじゃくのコーン指数 7.2.3.1

N回の突固め 3 匡ヨ

30cmで、

2.5kgfランマーを用い、 落下両 10cmモーノレド、

により作製した供試体にコーンを貫入した時の貫入量(D)と貫入低抗(qc)の関 D-qc曲線の上昇部、

qc は、

5cmの時の D 2.5、

7.6に示している。

係を _図

qcの平均値 と対比するためのインデックスとみなすべきであ

5cm面における 2.5、

D 定でない。

降部であって、

あるいl

トラフィカビリティ

qc は、

る。

突固め回数(N)一貫入低抗( qc ) 突固めにより容易 然含水比状態のおんじゃくは、

は風乾による含水比の減少に基づく、

関係の変化を示している。

図 7.7

10 50 25 200 100 N= 5 おんじゃく

8

4 6

2 (N日υUMM{)

O‘ ‘d

採血仲入

5 3 4

D (cm)

1 2

貫入量 0 0

150・

n

N= 100 砂岩風化土

ハUnu 'EA (N日υゐ凶ぷ)

50

10 5 25

c)< U

訴捉入

円

5 3

2 0 1

0

(cm) 貫入量 D

コーン貫入量とコーン指数 N:突固め回数) 図7.6

( 3層N回突固め試料，

土工作業の難しいことが 3以下であり、

25におけるqcは N 一

に軟弱化する。

ωopt以下の含水比に ωoptより含水比が高いと 風乾の進行と共にqcは大きくなる。

しカEし、

理解できる。

ほぼ一定になる。 N ン状態が現れる。

25におけるqcは、

なると N

く25でオーバーコンパクシ ョ

砂岩風化土の混合によるおんじゃくのqcの変化 7.2.3.2

手 砂岩風化 トに入れ、

乾燥質量比で示している。

自然含水比状態の土をバッ 混合割合は、

の混合は、

で混ぜることにより行った。

おんじゃくと砂岩風化

3/4

2/4 砂岩風化上の混合割合

(刺gubMぷ)

I�

制献血件

入 l n

ω= 311.4 % 100

50

20

10

5

(NEubωuA) 訴県

入 l n

2 1/4 おんじゃく

2

500 200

100 50 20

10 200 5

50 100 20

10 1

5

N (回) 突固め回数 (回)

突固 め 回数 N

砂岩風化土 ・ おんじゃく 風乾によるおんじゃくの 図7.8

図7.7

混合土のN- qc ( 3層N回突固め) qcの変化

( 3層N回突固め)

N ₌ 100 50 200 25

惚削i!ff憶に:必要 なq，の般小値 自走式スクレーバ ブルドーザ(大型) 被宣伝引式スクレーパ

ブルドーザ(中型) 10

15 王13 者10

，足bll

7

p d 0・U qc = (qc25 ₊ qc5 )/2

qc 2.5 2.5cm貫入時のqc qc 5 5 cm貫入時のqc 100

50

20

2 5 10 (NEυ\MMぷ)

謡 史 入

n

4/4 2/4 3/4

1/4 0/4

1

砂清風化I �の混介1則合、

の混合によるおんじゃくのqcの変化 砂岩風化

7.9

土の自然含水比は19%程度であり 、 ほぼωoptに相当する。 ρd maxは1.56 ^g/cm3 である。 締固めた砂岩風化土のqcは、 おんじゃくに比べて非常に大きい。 図7.8

おんじゃくと砂岩風化土の混合土のN- qc図である。

は、

砂岩風化土の混合割合の増加にともなう の混合割合の増加に対し Nをパラメータとして、

7.9は、

図

のqcは、 砂岩風化 qcの変化を示している。 混合

大型普通ブルドーザが同一轍を数回走行するに必要なコ 53，54)QC> 7

型普通ブノレドーザが同様の走行をするために必要なコーン指数53，54)QC> 5を得 40%以上に 、 中 砂岩風化土の混合率を

を得ニるためには、

て直線的に増加する。

ーン指数

混合率を25%以上にする必要がある。

るためには、

。

100

95

(ヌ)Mmロ階窓(もω事部紙ν育制

。 。

。

100 20 50

( hr ) 10 の継続時間

5 2

(620mmHg) 1

0.5 負圧 90 0.2

0.1

の継続時間と飽和度 ( 620^{mm H g})

負圧 図7.10

100 。

98

(式)

96 川町長ge制作能低ゾ育相

5 6

3 4 1 2

94 0

( kgf/cm2 )

パックプレ ッシャの大きさと飽和度 パックプレッシャ

7.11

砂岩風化土 ・ おんじゃく混合土の透水性 おんじゃく

7. 2. 4

変水位法 による透水試験 311

T の透水係数(h)を求めるため、 JSF

締固め

質試験法では真空度を600mmHg を行った。供試体を事前に飽和させるため

土質試験法の

55) ま た、

10分放置することが定められている 。 以上に保って約

15分以上継続す の真空度を

700mmHg以 やシノレトの場合

解説では、 砂質

標 Woptに調整し、

の真空度の継続時間と 7.10は風乾したおんじゃくを

図 る必要があるとしている。

620mmHg 準締固めによって作製した供試体について、

Sr を得ェるた めには 、 95%以 上の

し たもので あ る 。 飽和度(S1')の 関係を示

620mmHgの真空度を8時間以上継続する必要がある。

(以下 パックプレ ッシャ

透水試験に用いる供試体の 飽和度を高めるために

4時間 継続 620mmHgの真空度を

7.11は、

56) 図

。 の使用は有効である B.P.)

B.P.の大き S，.> 95%を達成す

2/4

砂岩風化土の混合割合 そのま まの状態で透水試験したときの B.P.を2 kgf/cm 2かけることにより 、

3/4 4/4

(門EU\凶)川町崩壊起

説 話10・5 耗 的

10・6

、。

Q

\ 吋

、、-F/園尾Jr

/パUF1d

/ 風u~

P J ・

30 分かけ、

さと Srの関係、である。

おんじゃく B.P.を した後、

l.1

l.0 10・3

10-4

10-5

(円Eど凶)

「匂 亡主

(ω\日υ)Mm制強起

...!:己

総艦長約

30 含水比 20

50 60 30 40

10・6 20

( % ) ( % ) w

比 w

含水

の締固め ・ 7.13 混合

おんじゃくの締固め ・ 7.12

透水試験結果

ì (A ^: 620mmHgにて8hr吸引 1

2kgf/cm:lのB_P_) LB : 620mmHgにて2hr吸引+ 2kgf/cm:lのB_P_J

透水試験結果

〔

ることができる。 なお、 620mmHgの真空度の継続時間を2時間とし、 B.P. ⁼ 2 kgf/cm 2を負荷したときもSr> 95%は容易に達成できた。 このとき、 620mmHg 真空度を解放後、 供試体上部から B.P.を負荷したとき、 供試体下部の間際水 圧は、 直ちに負荷圧力と等しくなることを確認している。 以下の実験において は、(A) : 620mmHgの真空度を 8時間経続した後、 透水試験を行う方法、(B) : 620mmHgの真空度を 2 時間継続し、 2 kgf/cm 2 の B.P.を30分負荷した後、

透水試験を行う方法、 の併用とした。

透水係数 hの測定は、 30 分以上透水し、 透水速度 が安定したのを確認した 後に行った。 図 7.12はおんじゃくの締固め ・ 透水試験結果である。 A.b、 A.c 法の試料調製方法によらず、 (B)法で飽和度を高めた試料の場合に大きい h値 が得られた。 ω� Woptの領域では、 ρdは試料調製方法の影響を受けず、hにも 大きな差異はない。 ω< woptの範囲では、 ρd の小さい A.c 法による締固め土 において、 大きいhが得られている。 図7.13はおんじゃくに対する砂岩風化 土の混合割合の変化にともなうhの変化を示している。 混合割合 50%前後に おいて、 フィルダムの不透水材料としての条件 57) kく1 x 10・5 cm/s が満足さ れている。

7.2.5砂岩風化土 ・ おんじゃく混合土の強度定数 7.2.5.1おんじゃくの三軸uu試験結果

JSF T 711 A.b 法で作製した試料土を直径5cm、 高さ 10cm の円柱状に成形

して、 三軸圧縮試験の供試体とした。 図 7.14は、 非圧密非排水三軸圧縮試験 ( uu試験) による Cll、 φu を含水比に対して示しているロ 含水比の滅少に対 して、 CIl はやや増加する。 一方、 ゆμ は最適合水比よりやや高めから、 低めの

含水比になるときに、 急激な増加を示す。

7.2.5.2砂岩風化土 ・ おんじゃく混合土の強度定数

自然含水比状態で調整した砂岩風化土とおんじゃくの混合土を 10cmモール ドと 2.5 kgfランマーを用い、 3層25回の突固めで作製した供試土を直径5cm 高さ10cm の円柱形に成形して、 供試体とした。 図7.15は、 三軸CU、 CD試 験結果である。 ξU、 CD 試 験 のせん断速度は 、 それぞれ 0.0125 %/min 0.0036 %/min であり、 ξU試験における B値(スケンプトンの間隙圧係数)

は 0.95以上である。 Ccu、 φcu は、 砂岩風化土の混合割合の増加にともない、

ほぼ直線的に増加するが、 Ccu、 φcuの変動幅は 0.2� 0.8 kgf/cm2、 23� 270 で ある。 C'、 Cdは、 砂岩風化土の混合割合の増加に対してやや大きくなるが、 実 用上o kgf/cm 2 とみなしてよい。 φ'、 φdは、 砂岩風化土の混合割合に関係な

c u

φu

。 0.6

20 10

(N日υ\畑出一ぷ)

0.5

0.3

30 40

に〉ヨ

::!

G

(・凶ωガ)

40 45 35

( % ) 25 30

0 20

比 w

含水

非圧密非排水三軸圧縮試験

(A

ωopt= 35 %， ρd max= 1.31 g/cm3 図7.14

。

ム•

。

ム

。

。

。Cw 圃C'

ð. Cd (NEυ\同一∞ぷ)

v

•

望

ム

。

A

•

里

。φCII 圃φ' Aφd )凶ω℃.( 40

30

。

。 。

。

。

4/4 2/4 3/4

1/4 20

0/4

砂岩風化土の混合割合

の混合によるおんじゃくの強度定数の変化 砂岩風化

図7.15