有機質十のダイレィ タンシー′性状に及ぼす
1ニ ズミ 凍度影響についての
対 馬 雅 己
EffectofStrain‑RateuponProperties ofDilatancyofPeat
MasakiTsushima (昭和53年10月31日受理）
1 ま えがき
−
比 重Gs 1．84〜1．86
特殊土といわれる高有機質土は粘性土と比べて，
その骨格の構成内容が複雑であり， しかも自然含水 比，間ゲキ比などが大きいことから，作用する荷重 の速度によってその応力〜ヒズミ挙動がそれぞれ異 なった特性を呈すると考えられる。そこで今回の報 告は，室内試験（軸対称三軸圧縮試験）によって，
有機質土について種々のセン断速度によるダイレイ タンシ一挙動とその強度特性への影響について検討 を加えたものである。
表−1 試料の物性
2試料および実験方法
壊規準としては有効主応力比（ぴ',/ぴも)maxとした。
泥炭性土では多くの場合,乱さない試料は含水比，
密度，繊維構造などにかなりの変異が認められる。
そこでそのバラツキを避けるために，本実験では乱 した後再成形した供試体を用した。試験に用いた試 料は，秋田県雄物川流域から採取したものである。
採取した試料は， 日本統一分類法による黒泥(Mk) にほぼ近いものである。またその物性は表一 に示 すとおりである。試料は液性限界以上の高含水比で 十分練り返したものを，気泡が混入しないように十 分注意しながら圧密容器に入れ，所定の圧力よりも やや低い圧力で予圧密した後，直径3.5cm,高さ8.75 cmの円柱形の供試体に成形した。試験は等方圧密非 排水三軸圧縮試験を行ない，圧密の終了は有効応力 で規定し，残留間ゲキ水圧が作用圧密圧力の3％以 下という条件によった。圧密圧力ぴは0.3, 0.6, 0.
9, 1.2, 1.5kg/cnfの5段階で行ない， ヒズミ速度は それぞれ約1:0, 0.1, 0.01, 0.001%/minの4種類 とした。非排水試験における発生間ゲキ水圧△uの 測定は，供試体の底端部において行なった。なお破
3試験結果および考察
図−1は，等方圧密された有機質土のセン断抵抗
●
角の'を各々のヒズミ速度どについて示したもので ある。の'は約1.0%/minのデータを除いて， ヒズミ 速度の増加とともにやや減少するか，あるいはほと んど変化しない傾向を示すようである。粘性土の非 排水クリープ試験において，定常，加速クリープの
セン断抵抗角の︵度︶
ヒ ズl¥ 連度9（％ﾉmin）
l ｛
●
図−1 のf〜E 昭和54年2月
−70−
対馬雅己
開始時および破壊時の有効内部摩擦角は，ほぼ一定 であるという報告1)9またヒズミ制御試験による破壊 時の有効内部摩擦角は， ヒズミ速度が変化してもほ とんど変わらない2)という実験結果と同じ傾向を示
すものである。
非排水強度増加率(Cu/p)のヒズミ速度による変 化を図−2に示す。 ヒズミ速度の増大にともなって
1．5
【":鴬一 ・
CO ● ●
Ｏ５Ｌｑ破壊時の間ゲキ水圧ｕ
●
①
① ①
①
0 。 0
７６５４３ 。
●●■●◆０強〆潮卸率０ん０
0
0．m1 0．0Ⅱ 0．1 1 ．0
● ヒ ズ ミ 遼度■ （％/min）
●
●
●
図‑3 Uf〜E
sinめ′
Cu/p= .‑ " . . ̲ . .…． ･(1) 1+(2Af‑1)sinの′
の関係で表わされる。前述した図−2からヒズミ速 度をパラメーターとした(Cu/p)は，図‑1, 4の 現象からわかるように，セン断抵抗角の'の影響によ らず,むしろ間ゲキ圧係数A『に大きく依存するよう である。
次にヒズミ速度と破壊時間について吟味してみ る｡粘性土のクリープ破壊試験において,定常クリー プ速度esはクリープ破壊過程で最小値をとり， この 値がクリープの破壊特性を知るうえで有力な因子と なりうることが，斉藤･上沢ら3)によって実験的に示 されている。その後，斉藤は内外の文献のクリープ 破壊試験の結果をも合せて検討を加えた結果、破壊 時間と定常クリープ速度の間に次の関係が見いだせ
ることを示した。 4）
有掴質土
■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■
0．2
0．1 I
0．1 0
0．01 0．m1
ヒ ズ ミ連度2 （％/min）
●
図‑2 Cu/p〜e
(Cu/p)は増加する傾向を示した。粘性土について は,通常のヒズミ制御試験や荷重制御試験において，
ヒズミ速度すなわちセン断速度が大きいほど破壊時 間が短く (Cu/p)が大きいという現象は，一般的事 実として認められている。粘性土については，
RichardsonandWhitmanら2)はヒズミ制御試験に おいて， ヒズミ速度が強度に及ぼす影響を検討し、
栗原')はクリープ過程では，ヒズミ速度を定常クリー プで代表させ、そのヒズミ速度と破壊時間との関係 を調べている。これらの実験結果は，試験方法（ヒ ズミ制御，荷重制御）にかかわりなく， ヒズミ速度 が大きくなれば強度は増加すると報告している｡こ れは著者が行なった有機質土の実験結果と一致して いる。
次に破壊時の発生間ゲキ水圧U『および間ゲキ圧 係数Afのヒズミ速度による変化を図‑3, 4に示 す。U｢は約1.0%/minのデータについては， ヒズミ 速度の影響が現われているが， これは本質的なもの ではなく測定精度によるものと考えられる。ヒズミ 速度約1.0%/minを除くその他のUfはヒズミ速度 の影響がほとんど認められないようである。一方，
破壊時の間ゲキ圧係数Arは，ヒズミ速度が大きくな るほど減少する傾向を示すようである。等方圧密土 の非排水強度増加率(Cu/p)は，セン断抵抗角斡；
破壊時の間ゲキ圧係数Arによって
log,otr=2.23‑0.9161og,oEs士0.59……(2)
●
ここにtr :破壊時間(min),es :定常クリープ速度
１０破壊時の間ゲキ圧係散糺
0
ヒ ズ ミ 連度■ （％/min）＝
図‑4 Af〜E
秋田高専研究紀要第14号
、
沮
a（％/min） 0．m1 0．01 0．1 1．0
Cu/p 0.4釦 0.497 O̲垂 0．m
■ −71−
有機質土のダイレイタンシー性状に及ぼすヒズミ速度の影響について (10‑4/min)｡(2)式の関係は，破壊時間は定常クリー
プ速度にほぼ逆比例するということであり，定常ク リープ速度が大きいほど破壊時間が短いことを示し ている。そしてこの関係が斜面の崩壊時間の予知に 対して，有力な手段となることを示した。栗原')は通 常のヒズミ制御あるいは荷重制御試験において，セ ン断速度が大きいほど破壊時間が短く強度が大きい という現象から， ES･trの関係が通常のヒズミ制御試
●
験におけるE･trの関係と等価であることを示し
0．015
０唾ＩＯ
■■０⑪
ダィレィタン・ンＩ棚当敢郵
◎虹
。＆
Ems｡tr==Em｡tr==COnSt･ ・ ・ ・ ． ．(3) I】 T《た【／・・、
という関係を与えた。ここに
Es :非排水クリープ試験における定常クリープ速 度(10‑4/min)
●
E:ヒズミ制御試験におけるヒズミ速度(10‑4/
min)
rn:定数，通常m=1としてよい。
これらの関係は，主として斜面の崩壊時期の予知 法として現場において大きな威力を発揮した。そこ でこれまで著者が行なってきた泥炭の定ヒズミセン 断試験,宮川ら5)のクリープ破壊試験結果とカナダの MuskegについてAdams6)が行なった定ヒズミセン 断試験の結果をプロットすると図一5のようにな る｡図には斉藤4)の与えた(2)式も比較として併示して
図‑6 edu〜Zbct/Oin
有■寅士（6：0．1％ﾉmin）
ｅ◎ｌ◎雷︒●の○⑧●ｌⅡ●函唖︒︾①●が訳戦評頷︲
●設殻︒●の︒●①︒Ｉ⑧①①●◎①①Ｉ
Ｏｅ●①
︒ｅ浄・・訳ｌｅ①①○ｅ①①⑧①のＩｅ①の◎ｅ①①侭ｅ①●０函卯諏即●①ＰＧｂｏ申００１１⑨①︑●︒ｅ塾◎ｅ①●
一ＯＣｍｍ
ｑＯＯ
ダィレィタンシＩ相当載恥
0
0.5 丁 tノヴ 、 I ．《）
一︑︑
図‑7 edu〜zbct/ぴ命
1lx叩I ■、
、
、
、
、
、
、 、
、
、
、
、
、
、
、
ある。図から一般的に知られるように，斉藤4)の与え た95％のデータを含む±0.59の幅を考慮したとして も泥炭性有機質土の破壊に至るヒズミ量が，一般の 粘性土と比べて大きいことを示すものである。また
●
クリープ破壊試験から得られたESotrと定ヒズミセ ン断試験のE･trとの関係は，試験方法によらず定性 的に同様であることが本実験から得られた。これは 前述した栗原')の報告と同じ傾向を示すようである。
さて有機質土の非排水セン断過程において発生す る間ゲキ水圧の挙動を通じて， ヒズミ速度の変化に よるダイレィタンシ−特性について検討してみる。
応力が作用した場合の土粒子骨格要素に生じる体積 ヒズミは次式で表わされるとする。
ev=e七+Ed･･ ． ・・ ・(4) ,
︑
︑︑
︑野辺①Ｎ剛Ｈ１破壊時間時・叩く
、
≧
10
、
I
l(） 11剛
●
上 ズ ミ 迩堰8 （×I(). /min）
I)． I
図‑5 tr〜E 昭和54年2月
ここにEv :応力変化による全体積ヒズミ
−72−
対馬雅己
何興nf
−
⑧ｅ
①ｅ
①・鱗
◎ｅの︒ｅ
祉恥ｅｅ
①①︒●
①恥︒ｅ
①のり
の︒ 有檀画土⑭：0．01％/min）
E｡:"'｡
唖蜘 CO
●■００ダイレィタンシＩ相当垂﹄ 唖０ダイレィタンシ−係数恥
●
⑧
坐
︒戦︒ｅ
武ｅｅ銭︒﹂錬
巡
●
●
●
0 1.0
0．5 丁唾t/グ、
0．020
0． 1
●
連腹 ど （％/min）
0.(X)1 0．01 1 ．0
上 ズ
Edu〜zbct/ぴ論 図−8
図‑10 "u〜E
となる。したがって非排水状態においてEv=0とし て，間ゲキ水圧について解けば，
0．m
画e己一画
Au=Aoin+ed/3Cs……(9).
咽
０
ダイレィタンシ１相当丘恥
aO◎OL
となり，偏差応力成分によるダイレィタンシ−相当 量edU (=ed)は(9)式より
edu=3Cs (Au一△oin)……(10
0.010
となる。ここで(6)式の係数Cとして，非排水セン断 過程における応力径路の状態から考えて膨張指数を
用いる。
そこで(10式から求められたダイレィタンシ一相当 量edUとその発生因子の一つと考えられる正八面体 面上の応力比Tbct/ぴ砧との関係を，各ヒズミ速度 E1.0, 0.1, 0.01, 0.001%/minについて示せば図
−6〜図−9となる。これらの図からedu〜zbct/oin は， ヒズミ速度の変化に関係なく，非排水セン断過 程中においてほぼ線形関係が認められる。これより，
偏差応力成分によって発生するダイレイタンシ一相 当量edUと応力比zbci/cinとの間に線形関係が成り 立つとすれば，そのダイレィタンシ一式として
0.5 T《た【/ぴ 、 1 ．0 0
図‑‑9 edu〜zbct/dn
E℃：等方応力成分の増分による体積ヒズミ Ed :偏差応力成分の増分による体積ヒズミ さらにECは次式で表わされ
E℃=3Cs△崎……(5)
ここで3Csは等応力(平均有効主応力)の増分△ぴ命 の変化による土粒子骨格の圧縮率または膨張率であ
り次式のように求められる。
3Cs=Clog{(ぴ'm+△ぴ論)/dn}/(1+e)△ぴ'm
・ ・・・ ・ ・(6)
ここでe:間ゲキ比,C:圧縮指数または膨張指数。
(5)式における応力を全応力の増分△Oinと発生問ケ キ水圧の増分△uによって示せば
ｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌｌＩＩ︲ＩｌｌＩｊ■■■■■■且■■■■■■■■■■■■■■■Ｉ edu="u (Zbct/Oln-")……(lD
の基本式が近似的に用いられる。ここで〃UはedUが zbct/ぴ命に比例する領域におけるダイレイタンシ一 係数である。Uは，応力比zbct/ぴ姉がある大きさに達 するまでは, edU (圧縮）がほとんど生じないという 限界の応力比である。図−6〜図−9に示される応
●
力比の限界〃は，ヒズミ速度Eが小さくなるにつれ
●
て，零(原点）に近づいていき， Eが約0.001%/min では原点から応力比の増分に対応して，ほぼ比例的 に増大する傾向を示すようである。この点について は，応力と間ゲキ水圧の発生機構に関してさらに検
秋田高専研究紀要第14号 eC=3Cs (Adin‑△u)……(7)
となり， (7)式を(4)式に代入すれば
ev=3Cs (AOin−△u)十ed……(8)
ＩＩｌ１Ｉｌ
一麹』
E （％/min）0.1 0．01 0． 1 1.0 恥 0．m10 0.0265 0．0249 0．0弱1
討を進め今後の課題としたい。
(lD式で示される非排水セン断過程中に発生するダ イレィタンシ一相当量と応力比zbct/ぴ'mのコウ配，
すなわちダイレィタンシ一係数〃uとヒズミ速度E
●
との関係を示せば図−10となる。 ヒズミ速度El.
0%/minのデータを除いて(測定精度上の問題), 77u はヒズミ速度が大きくなれば，やや減少する傾向を 示すようである。このような現象は，セン断速度の 変化と定性的に得られたダイレィタンシー効果とは 深くかかわりあっているものと推論される。
される。またダイレィタンシ−の発生をともなう応 力比の限界値の存在が定性的に認められ，その限界 値はヒズミ速度に大きく依存するようであった。
5） ダイレィタンシー･係数は， ヒズミ速度の増 加にともなってやや減少する傾向を示すようであ り， この現象からヒズミ速度の変化とダイレィタン シ−効果とは深くかかわりあっているものと推測さ れる。
最後に，本研究を行なうにあたり終始御指導いた だいた秋田大学鉱山学部宮川勇教授に感謝の意を表
します。
︾魂
4結
文 献
本報告は，泥炭性有機質土のヒズミ速度効果につ いて， その力学的およびダイレィタンシー特性の一 端を示したものである。それらを要約するとつぎの ようになる。
1） 有効応力解析によるセン断抵抗角は， ヒズ ミ速度1.0%/minを除いて， ヒズミ速度が変化して もほとんど変わらないようであった。また非排水強 度増加率は， ヒズミ速度が大きくなるにつれて増加 する傾向を示した。
2） 破壊時の発生間ゲキ水圧は，測定精度の点 から考慮して，ヒズミ速度の増大にともなってほと んど変化しないようである。一方破壊時の間ゲキ圧 係数は， ヒズミ速度の増加とともに減少した。また その傾向は非排水強度増加率の変化に対応している ようであった。
3） クリープ破壊試験および定ヒズミセン断試 験による有機質土のヒズミ速度と破壊時間の間に は,試験方法にかかわらずほぼ逆比例関係が成立し，
その比例定数は一般の粘性土と比べて大きい値をも
つ。
4） ダイレィタンシー相当量は， ヒズミ速度の 変化にかかわりなく，応力比の一次関数として表わ
1）栗原則夫：粘土のクリープ破壊に関する実験 的研究，土木学会論文報告集，第202号, pp.
59〜71, 1971｡
2)A.V・Richardson･R.V.Whitman:Effect of Strain‑Rate uponUndrained Shear ResistanceofaSaturatedRemouldedFat clay,Geotech.,Vol,13,No. 4, pp. 310〜324,
1963.
3）斉藤・上沢：土のクリープ破壊に関する実験 的研究，鉄道技術研究報告， 128号,pp. 1〜9,
1960．
4）斉藤迪考：斜面崩壊時期の予知方法，第3回 土質工学研究発表会講演集, pp. 381〜384, 1968｡
5）宮川・五十嵐・須貝：高有機質土のクリープ 破壊に関する一考察，土木学会東北支部技術研 究発表会講演概要, PP.53〜55, 1974.
6) J.I.Adams:LaboratoryCompressionTest onPeat,Proc. SeventhMuskegRes.Conf． ， Tech.Memo71,pp、36〜54, 1961.
■■■〒
■巳■１■■■ロＩ
昭和54年2月
