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あやかありたけ
5 years ago
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1 7.4.5 粘性土の一軸圧縮試験利点 : 何と言っても手軽に実施出来る ( 三軸圧縮試験と比較すると ) 従って常に一軸圧縮強度 q u が原地盤内での非排水状態での圧縮強度 (σ 1 -σ 3 ) f と一致していればこんなに便利なことはないしかしそうは問屋が卸さない一軸圧縮試験に対する元々の考え方 : 次の条件が満たされていれば一軸圧縮強度 q u = 原地盤内での非排水状態での圧縮強度 (σ 1 -σ 3 ) f と考えて良い 1) 原地盤内の応力状態は主応力比 K=σ 3 /σ 1 = 1.; σ 3 =σ 1 =p o 2) 一軸圧縮試験時の供試体の体積と含水比は原地盤内での値と一致している 3) サンプリング時試料の整形時等で試料の乱れが全くなく構造が全く痛んでいない 4) 原地盤内での圧力レベル p o が, 1. kgf/cm 2 程度以下 ( 通常は.8 kgf/cm 2 程度以下 ) この条件は塑性指数が低いほど重要な条件になる原位置一軸圧縮試験 ( 地下水面と地表が一致していると仮定 ) 拘束圧 (=)+ 軸応力深さH 拘束圧拘束圧 (=) p o Sampling & handling p o 間隙水圧 :(u ) field =γ w H 間隙水圧 (u ) laboratory = - p o σ 1 σ 1 T; 原位置での全応力状態が等方であると仮定する σ 3 =σ 1 =p o +(u ) field (=γ w H) 1:1 E; 原位置での有効応力状態 p o σ 3 =σ 1 =p o 及び理想的な一軸圧縮試験での初期有効応力状態 ( 理想的 = 有り得ない ) (u ) field 一軸圧縮試験での載荷前の初期全応力状態 (σ 3 =σ 1 =) σ 3 σ 3 全応力 σ1 = σ 3 有効応力 σ ' 1 = σ ' 間隙水圧 u 3 原位置一軸圧縮試験開始時圧密非排水三軸圧縮試験開始時 p ' + u p ' u p ' p ' ' + u p ' u p 1

2 通常の粘性土は粒子間に真の粘着力が無いのになぜ拘束圧を加えていない一軸圧縮試験で大きな圧縮強度を発揮できるのか? せん断応力 τ 一軸圧縮試験における破壊時の間隙水圧 ( 負 ) 有効応力であらわした破壊包絡線 q u 全応力であらわした破壊時のモール円 S u 拘束圧 ( 全応力有効応力 ) 有効応力であらわした破壊時のモール円 σσ, ' 供試体の表面内部は飽和している粘土の供試体表面張力 T s 間隙水圧 u w は負になる土粒子 T 二次元で考えると負の間隙水圧 u w 大気圧 p a = (p a u w ) 2 r cosα=2 T s cosα ( 絶対圧としての間隙水圧 )u w = p a -T s /r, メニスカスの半径 r (Gauge 圧としての間隙水圧 ) u= u w -p a = -T s /r= -S ( 負 ) α T 1 Suction S= -uはメニスカスの半径 rが小さいほど大きくなりうる理想的一軸圧縮試験では S=p o になっていると想定している 2 供試体をトリミングして放置しておくと供試体は乾燥するそうすると rは小さくなり供試体が完全に乾燥しない限り一軸圧縮強度は大きくなる 3 土の粒径が小さいほど rは小さくなり強くなる粒径が大きいと空気が供試体内部に進入し易くなり初期のSの値を保てなくなる 4 一軸圧縮試験中も非排水条件が満足されていていると仮定する圧密非排水三軸圧縮試験の場合の間隙水圧の変化と同様に載荷中にSは変化すると仮定している 2

3 しかし実際は前記 4つの条件が十分に満足されているとは限らない条件 1に関して ) 正規圧密粘土地盤内の主応力比 ( 静止土圧係数 )K =σ 3 /σ 1 =.5 程度である σ 1 =p o である一方一軸圧縮試験の開始時は等方応力状態従って sampling+handling により必ず有効応力状態の変化がある ( 下図 1 の有効応力経路参照 ) これは除荷的挙動による弾性的変形が主なので試料の構造を乱す影響は小さい条件 2に関して ) 砂質土になるほど吸水あるいは吸気することによる供試体の体積は膨張するこれにより試料を弱化する条件 3に関して ) さらに sampling+handling が下手くそなほど試料が乱れそれに伴い供試体内の suction は減少し試料は弱化する ( 仮に含水比の変化が無くても ) 条件 4に関して ) 供試体内部の suction が 1. kgf/cm 2 に近づくと間隙水は気化しやすくなる (cavitation: ただし粘土のように粒径が細かいと粒子間にある間隙水の圧力は-1. kg/fcm 2 以下になりうる ) また -1. kg/fcm 2 に達する前でも間隙水圧内部に溶解していたガスが気化する傾向にある従って原地盤内での圧力レベル p o が 1. kgf/cm 2 以上 ( 通常は.8 kgf/cm 2 程度以上 ) だと一軸圧縮試験開始時の有効応力レベルは原位置内での有効応力レベルよりも低くなる傾向にある以上を総合すると深い位置ほど通常条件 3,4を満たすのが困難になる特に深度が大きい砂分の多い ( あるいは塑性指数の低い ) 粘土では条件 2 4を満たすのが困難になるこのような場合は圧密非排水三軸圧縮試験を実施すべきである実際の sampling, handling における供試体内の有効応力経路原位置での破壊時有効応力経路 σ 1 σ 1 T; 原位置での全応力状態 p o σ 1 =p o +(u ) field (=γ w H) 1 σ 3 =K o p o +(u ) field E; 原位置での有効応力状態 2 σ 1 =p o σ 3 = K o p o q u p ' = p ' : 理想的 sampling 後の有効応力状態原位置での破壊時有効応力状態 q u (u ) field (σ 3 -σ 1 ) f ; 原位置 σ 3 σ 3 一軸圧縮試験での一軸圧縮試験での破壊時有効応力状態有効応力経路一軸圧縮試験での初期有効応力状態 σ 3 =σ 1 =-u ; 一種の過圧密状態一軸圧縮試験開始時のサクション S=-u <1. kgf/cm 2 一軸圧縮試験での初期全応力状態 σ 3 =σ 1 = 1; 条件 2-4が満たされた理想的な sampling: 2: 有効応力での破壊包絡線 3

4 実務での現状粘性土 ; 関西国際空港での地盤調査の例 UU: 非圧密非排水三軸圧縮試験 U: 一軸圧縮試験 UU = q max ( 圧密非排水三軸圧縮強度 ) 4

9 m 砂質泥岩軸応力 (kgf/cm 2 ) E i E 5 供試体数泥質砂岩泥岩軸ひずみ (%) 明石層堆積軟岩の一軸圧縮強度 q u のまとめ当時

5 堆積軟岩 ; 明石海峡大橋での地盤調査の例堆積軟岩 ; 真の粘着力を有しているため供試体は容易に自立するので一軸圧縮試験の実施は容易であるしかし明石海峡大橋の基礎の設計ではまず大量に一軸圧縮試験が実施された砂岩一軸圧縮試験神戸層 ( 堆積軟岩 : 砂岩 ) 松帆 : 採取深度 m 砂質泥岩軸応力 (kgf/cm 2 ) E i E 5 供試体数泥質砂岩泥岩軸ひずみ (%) 明石層堆積軟岩の一軸圧縮強度 q u のまとめ当時堆積軟岩の圧縮強度は一軸圧縮試験で求めることが標準的しかし q u は非常に大きなばらつき q u に基づいて設計すると過大な基礎寸法地盤内でも大きなばらつき? ばらつきは人工的な原因? 全ての堆積軟岩明石海峡大橋の設計段階で行われた堆積軟岩の一軸圧縮強度のまとめ ( 本四公団による ) 明石海峡大橋の設計の最終段階で行われた地盤調査の例 ( 本四公団による ) 5

6 しかし堆積軟岩でもせん断強度は拘束圧の関数である τ f = c ' + σ ' tan ϕ' : の第二項は無視できない 5 4 τ max = *σ 3f ' τ max = q max /2 (kgf/cm 2 ) : z= m(cd) : z= m(cd) 3 : z= m(cd) : z= m(cd) : z= m(cd) 2 : z= m(cd) : z= m(cd) : z= m(cu) 1 : z= m(cu) : z= m(cu) Site 3P : z= m(cu) :z= m(cu) σ 3f ' (kgf/cm 2 ) 東京湾口橋ピア 3P 予定位置で採取した堆積軟岩不攪乱試料の圧密排水及び非排水三軸圧縮試験による有効応力での破壊包絡線神戸層松帆 ( 採取深度 : 11-3 m) 一圧縮強度 : q u (kgf/cm 2 ) 数字は拘束圧 : 泥岩粗粒砂岩細粒砂岩 CU 三軸圧縮強度 : q max =σ 1 - σ 3 (kgf/cm 2 ) 不攪乱試料を用いた一軸圧縮強度 q max と三軸圧縮強度 q u の直接比較 qu は地盤内の圧縮強度を過小評価 : 1.qu には試料の乱れの影響が大きい 2. 堆積軟岩といえども強度は拘束圧の影響を受ける ( 砂岩ほど ) 関東地方での例 6

7 1) まず室内試験としては実施が最も簡単な一軸圧縮試験が膨大な量実施された理由 ( 粘性土に対して ): 沖積粘性土の非排水せん断強度は一軸圧縮試験で求められると言う言い伝えそのような技術者教育しかし深い位置にある塑性指数が低い洪積粘性土はこの条件を満足しない一軸圧縮強度は原位置非排水圧縮強度よりも著しく小さくなる理由 ( 堆積軟岩に対して ): 堆積軟岩は岩の一種であると考えた岩の圧縮強度は一軸圧縮試験で求められると言う経験言い伝えクラックの少ない硬岩では正しいまたそのような技術者教育しかし堆積軟岩の圧縮強度は拘束圧を加えることにより増加するまたサンプリングにより供試体内にマイクロクラックが生じると一軸圧縮試験は低下する結果 : 非現実的なほど低いせん断強度が得られた構造物が建設できないと言う結論この結論は経験に反する構造設計者の土質試験に対する不信ひいては地盤工学に対する不信 ( 東京湾横断道路での地盤調査でも同じ経験 ) 2) 一軸圧縮試験の次に実施されてきた室内試験は UU 試験 ( 非圧密非排水三軸圧縮試験 ; unconsolidated undrained triaxial compression tests) 理由 ; 塑性指数の低い洪積粘土や堆積軟岩では非排水状態の供試体でも原位置有効上載圧と同じ拘束圧 ( セル圧 ) を与えると圧縮強度はかなり強くなる ( 注 : 飽和度の高い沖積粘性土では非排水のまま拘束圧を増加しても供試体内の有効応力状態は殆ど増加せず一軸圧縮強度と殆ど同じ強度が得られる ) しかし塑性指数の低い洪積粘土や堆積軟岩のサンプリングした試料は室内試験開始時には若干脱水し飽和度が 1 % よりも低い状態になっている特に原位置有効拘束圧 p が 1. kgf/cm 2 以上である場合はそうなっている従って非排水のままでも拘束圧を増加すると供試体内部の気体が圧縮して供試体内の有効応力状態は増加するしかしこの有効応力の増加量は通常測定しておらずまた個々の試験条件に左右される非客観的な量である UU 試験では供試体の体積を測定せず圧密時間がゼロであるから通常の圧密非排水三軸圧縮試験と比較すると試験装置も試験方法も遙かに簡便である ( 従って実務で大変好まれるしかし私はUU 試験がキライである ) 結果 : 一軸圧縮試験よりも大きな圧縮強度が得られるが結果に安定性がない何よりも客観的なデ-タではない結局最終的には圧密非排水三軸圧縮試験 ( 堆積軟岩では圧密排水三軸圧縮試験も ) が行われて 7

8 その結果から設計用のせん断強度が決定された何と壮大な無駄が行われたことか!! これは発注者側受注者側両方の技術者の責任である簡単な土質実験は簡単と言う理由で実務的と言われるが試験結果の解釈は簡単ではなくなる総合的に見れば決して簡単ではない最近は試験装置の合理化自動化により圧密非排水三軸圧縮試験が簡単に実施できるようになってきた試験は複雑でも結果の解釈は容易であるもっと圧密非排水三軸圧縮試験を実施すべきであるその傾向になってきたこれはこの2 年間の大きな変化 ( 極最近も経験したこと ) ある堆積軟岩地盤内のトンネルの盛土荷重による安定性の検討 : a) 本来 CU 三軸圧縮試験を実施すべきところを幹部候補生である技術者がいわゆる経験を積んだしかし stereo-type 的技術者コンサルタントの提案の適否を理解できず提案をそのまま鵜呑みにして一軸圧縮試験を実施使えないデ-タを大量に生産 b) そのデ-タを委員会に提出し説明技術判断ができない無駄なデ-タであったことをしかも必要なデ-タが無いことを指摘される発注者側の幹部候補生の技術者は大変な権力を持っている受注者側の技術者は大変弱い存在である特に地盤工学に関することは機械的に発注すれば良いというものではない発注者側の幹部候補生の技術者は自分で具体的な仕事をしなくても発注した仕事の内容を理解できないと技術的な誤った手続き判断の誤りを犯す逆に受注者側の技術者は現在基準に機械的に従った発注の内容の合理性を自ら判断しより合理的な提案をする努力が必要基準は常に時代に遅れている発注者側受注者側のエリート技術者の責任 a) 常に技術の進歩に敏感であること b) 設計基準やいわゆる技術者の常識の内容を理解し自分の頭で合理的にその適否を判断しそれに囚われないで合理的な技術的判断ができること c) その為には基礎から考える能力習慣を持つこと 8

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<4D F736F F D E682568FCD CC82B982F192668BAD93785F F2E646F63> 7. 粘土のせん断強度 ( 続き ) 盛土 Y τ X 掘削飽和粘土地盤せん断応力 τ( 最大値はせん断強度 τ f ) 直応力 σ(σ) 一面せん断図強固な地盤 2 建物の建設現在の水平な地表面 ( 建物が建設されている過程では地下水面の位置は常に一定とする ) 堆積 Y 鉛直全応力 σ ( σ ) 水平全応力 σ ( σ ) 間隙水圧図 2 鉛直全応力 σ ( σ ) 水平全応力