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ひろきかいて
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1 土質力学 Ⅰ 土の基本的性質 (4) ( 締固め ) 澁谷啓教授 2019 年 4 月 22 日締固めた土の性質土の締固め既に存在している自然状態の土の対比としての材料としての土 = ダム鉄道道路盛土宅地等の建設の為の材料としての土 : a) この場合製造のプロセス ( 盛土材料の選択と締固め作業 ) が製品 ( 盛土 ) の性能 ( 安定性と変形性 ) を決める b) なんやかや言うが結局良く締固まりやすい材料を用いて土を良く締固め高い相対密度 ( あるいは乾燥密度 ) を実現するほど良い盛土を実現できるある拘束圧での飽和土のせん断強度 ( 地震時 ) f 正のダイレイタンシ - による強度増加非排水強度排水強度 ( 常時 ) 負のダイレイタンシ - による正の過剰間隙水圧による強度低下相対密度 ( あるいは乾燥密度 ) 特に地震時を考えると少しでも良く締め固めた方が良い 1

2 a) 土の乾燥密度に言及しなれば良い土悪い土と言う区別はできない * しかし締固めにくい土締固め易い土の区別による良い土悪い土と言う区別はある例 1) 粒度分布が良くて ( 均等係数 U c が大きくて ) 粒径がある程度大きければ透水係数も大きく排水しやすいまたサクションが小さいため締固めやすく良く締固めたならば高い乾燥密度が得られるこれは良い土である例 2) 鉄道のバラスト貧配合で大粒径取り扱いやすい ( この点では良い材料 ) しかし高い乾燥密度は得にくい列車荷重で変形しやすい ( この点では悪い材料 ) 例 3) 高含水比粘性土 : 粘性土でも仮に良く締め固められれば良い土になるしかし実際は a) 粒径が小さいために透水性が低い締固めの時に間隙水を追い出しにくい b) 不飽和状態でのサクションが強いため締固めにくい c) 粒子が角張っていて扁平密実になりにくい同じ土でも 1 最も良く締固めができる含水比が存在する 2 締固めエネルギーが大きいほど良く締固められる 3 締固め時の撒き出し層厚 (lift) が薄いほど良く締め固められるエネルギ - 伝達量 : * 深くなると急速に減少 1.0 の締固め energy で lift( 撒き出し層厚 )= 15 cm で締め固めた方が 2.0 の締固め energy で lift= 30 cm で締固めるよりもはるかに均等に良く締め固まる 3.0 の締固め energy で lift= 30 cm で締固めるよりもはるかに均等に良く締め固まる 2

3 しかし : 土工の工費は締固め工に大きく左右される a) 締固め検査が非常に大切手を抜いたら (lift を大きく締固め回数を少なくしたら ) 儲かる b) どうしても締固めざろう得ない工法を採用する * 鉄道関係での盛土締固め管理材 ( その発展形態としての補強土盛土 ) 斜面近くは 1) 締固め重機が載りにくい載ると斜面が壊れて危険従って作業がしにくいため締め固めがおろそかになりやすい 2) 拘束圧が低く強度が低いまた降雨の影響をすぐ受ける 3) 従って破壊しやすい 30 cm 鉛直間隔でネットを敷くネットを敷くために平面を作らなければならないから結局締固めをさぼれない建設業者管理材と言うべき最悪の盛土建設法盛りこぼし工法関東ロームの盛りこぼし最悪戦争中の河川盛土単位体積乾燥重量締固め曲線と最適含水比 G s 1 e 最大単位体積乾燥重量 * (γ ) max 同一の締固め energy に対する A( 飽和度の低下 ) 締固め曲線個々のデ-タポイント図 1 最適含水比 opt (optimum ater content) 含水比 * あるいは最大乾燥密度 ( ) max 3

4 opt の存在の発見 (Proctor 米国) 何故 γ が最大になる opt が存在するのか? 二つの相反するメカニズムが存在しているから (Peak が存在するときは常に何か二つ以上の相反するメカニズムが存在している ) a) メカニズム1: 図 1の A の方向で考えて ( 含水比小 ) ( 同一のγ で考えると飽和度 S r 小 ) (suction 大 ) ( 締固め抵抗大 ) つまり図 1で A の様に進もうとするとより多くの締固め energy が必要である従って一定の締固め energy ならば曲線のようになるサクション水浸沈下の事例表面張力土の強さは水で決まるサクション応力つぶつぶの隙間が全て水つぶつぶの隙間が水と空気つぶつぶの隙間が全て空気つぶつぶ + 水 ( 飽和 ) つぶつぶ + 水 + 空気 ( 不飽和 ) つぶつぶ + 空気 ( 乾燥 ) 4

5 サクション水浸沈下の事例乾いた砂自立しないサクション水浸沈下の事例湿った砂表面張力土の強さは水で決まるサクション力不飽和土は固くて強い 5

6 サクション宅地盛土のトラブル事例霧吹きで降雨を再現飽和化サクションの消失建物の重さに耐えられず地盤が崩壊メカニズム 2: がある程度以上になると間隙水の存在のために γ が大きくなれない [γ 曲線 ] が [γ 曲線の上限 ] にぶつかってしまう単位体積乾燥重量 G 1 e G Gs 1 1 S G s s 1 S r s r 下図から (s r e) γ = G s γ 従って e = ( G s )/ s r air e G s γ ater s r e G s γ soil particle 1 6

7 G 単位乾燥体積重量 s 1 e Sr= 100 %( 空隙に空気がない ) (γ ) 曲線の上限 : ゼロ空気間隙曲線 (γ)(e=emin) 80% 最大単位体積乾燥重量 60% 1 1/ G (γ)max 同一の締固め energy に対する B 締固め曲線 s 図 3 B A 最適含水比 opt 含水比 (optimum ater content) 1 同一の飽和度に対する単位体積乾燥重量 ~ 含水比関係 1 Gs Sr 含水比 =B では更に高い締固めエネルギーを用いた締固めによって更に空気を追い出すことができれば γ はまだBだけ大きくなる余地があるしかし含水比 =A では更に高い締固めエネルギーを用いた締固めによって仮に全ての空気を追い出すことができても γ が大きくなる余地は殆ど無いなおが 0 % に近づくと suction が作用しなくなるから単位体積乾燥重量 γ は大きくなり Gs ( e emin ) 1 e min となるこれは砂質土では実現するが粘性土では実現しない細粒分が多いほど同一の均等係数でも suction が大きくなり乾燥最大密度は小さくなる傾向にある道路公団加瀬沢データ (2002 年 10 月 ) 最大乾燥密度 (g/cm 3 ) 相関曲線細粒分含有率 (%) 系列 1 多項式 ( 系列 1) 7

8 飽和土および不飽和土の構造の概念不飽和土の土粒子間に作用するサクションによる粒子間の接触力 8

5kg のランマーを 45cm の高さから落下させる方法の 2 種類があり土の粒径に応じてモールド ( 内径 10cm または

9 含水状態による不飽和土の粒子間接触力土の締固め曲線土の締固め試験試験方法所定の含水比に調整した土を規定された層数に分けてモールドへ投入し各層毎にランマーを所定回数自由落下させて突固め充填された土の密度を求める ( 写真 1). 突固め方法は質量 2.5kg のランマーを 30cm の高さから落下させる方法と質量 4.5kg のランマーを 45cm の高さから落下させる方法の 2 種類があり土の粒径に応じてモールド ( 内径 10cm または 15cm) を選択する. 試料の使用方法は原則として非繰返し法としている. また試料の準備方法としては砂質土は乾燥法を粘性土は湿潤法を採用する. 出典 : ランマー試料抜取器モールドビデオ 1 試験方法写真 1 試験状況 9

10 土の締固め曲線の特性含水比 = B では図 3のBの分に相当する残存間隙空気量は締固め energy が大きいほどより追い出せる含水比 = A では締固め energy を大きくしても γ が大きくなる余地は殆どない従って締固め energy を大きくすれば図 4の矢印 αのように (γ ) max が大きくなり opt が小さくなる 1 1 G S s r α S r = 100 % ( 空隙に空気がない ) (γ ) 曲線の上限 (γ ) max 同一の締固め energy に対する B 締固め曲線図 4 B A 最適含水比 opt (optimum ater content) 含水比 10

11 異なる締固め装置方法を用いれば締固め曲線が異なる室内試験では標準締固め方法が定められている教科書 53, 54 頁 H= 30 cm (N B = 25 回 ) ランマ -( 重量 W R = 2.5 kgf) 体積 V = 1,000 cm 3 N L 層数 =3 * 標準締固め energy Ec= (W R H N B N L )/V= 56 cm kgf/ cm 3 * 実際の締固め試験での γ の求め方 γ t =W/V とを測定する t 単位体積乾燥重量 1 締固め曲線に及ぼす締固めエネルギーの影響最大乾燥密度大きいつき固め回数大きいつき固め回数最適含水比大きい小さい 11

12 粒度配分の異なる土の締固め曲線粒度分布が良く, 粒径の大きな砂質土 (1) 締固め効果が高い P.59 図 -4.8 盛土の品質管理盛り土の安全が確保される範囲締固め度 :Dc=ρ ( 現場 )/ρ max ( 室内 ) 100% P.60 図

13 実際の盛土の締固め曲線同じ盛土内でも, 場所によって値に差が出る P.60 図砂置換法砂置換法に用いる測定器現場における, 乾燥密度 ρ を測定 ( 現場における, 土の締固め度を求める方法 ) P.61 図

14 現場での諸問題 a) 異なる締固め装置方法を用いれば締固め曲線が異なる異なる締固め energy での締固め曲線が必要 b) 初期含水比の影響 Gs 単位体積乾燥重量 : 1 e S r= 100 % ( 空隙に空気がない ) α (γ ) 曲線の上限 (γ ) max 同一の締固め energy に対する締固め曲線 P 図 5 B A 最適含水比 opt 含水比 (optimum ater content) 湿った我が国では > opt のことが多い従って乾かさないと良く締め固まらない例 ) 道路公団 : 関東ロームの締固めなかなか乾かない生石灰などを混合することもある雨の日は締固め工事をしてはいけない土を濡らしてはいけないし良く締め固まらない乾燥した地域 ( 外国に多い ) では < opt のことが多い散水して締め固める必要がある例 )Haaii 島 Mauna Kea での天文台基礎工事海岸から 4000 m の高さの山頂まで水を運搬 a) 粒度の影響 i) 粒径が大きいほど空気と間隙水が抜けやすい締め固めやすい図 4 5での矢印 αの方向に移ることが容易 ii) Uc が大きいほど e min が小さい (γ max が大きい ) 締め固めやすい図 4 5での矢印 αの方向になる (γ ) max が ( ) eemin Gs により近づく 1 e iii) 細粒分がある程度多い場合の締固めの問題 : a) 細粒分が多くなり粘性土的になると最適含水比 opt と塑性限界 P は近くなる従って締固めにくくなる b) 最適含水比 opt は塑性限界 P よりも 10 % 程度小さくないと最適含水比 opt よりも若干含水比が多い状態で締固め作業を行うことになり練返し状態になり締め固めにくくなる細粒分は出来るだけ少ない方が締固めやすい min 14

15 締め固めた土の力学的性質 Gs 単位体積乾燥重量 1 e 最大単位体積乾燥重量 (γ ) max 同一の締固め energy に対する A 締固め曲線個々のデ-タポイント図 1 最適含水比 opt 含水比飽和化後のせん断強度 τf log( 飽和化後の透水係数 k) k: opt よりやや大きな含水比で最低になる τf: 最適含水比より若干小さい含水比で最大になるより不飽和になり気泡が増加して間隙水の移動を妨害する中央遮水壁 (τf が最大で k が最小が良い ) H = 100 m B = 50 m v= i k の意味 v: 流速 (cm/sec): i: 動水勾配 ; 単位はない上図では大略 i= 2 k: 透水係数 (cm/sec) 日本の rockfill am の勾配は世界的に見て非常に緩い ( 非経済的 ) コンクリート表面遮水式 rockfill ダム ( 水圧を有効応力として利用できる ) は世界では多いが日本では殆ど無い 15

締固めた土の性質の締固め既に存在している自然状態の土の対比としての材料としての土 = ダム鉄道道路盛土宅地等の建設の為の材料としての土 : a) この場合製造のプロセス ( 盛土材料の選択と締固め作業 ) が製品 ( 盛土 ) の性能 ( 安定性と変形性 ) を決める b) なんやか

締固めた土の性質の締固め既に存在している自然状態の土の対比としての材料としての土 = ダム鉄道道路盛土宅地等の建設の為の材料としての土 : a) この場合製造のプロセス ( 盛土材料の選択と締固め作業 ) が製品 ( 盛土 ) の性能 ( 安定性と変形性 ) を決める b) なんやか質学 Ⅰ 土の基本的性質 (4) ( 締固め ) 澁啓教授 2018 年 4 23 締固めた土の性質の締固め既に存在している自然状態の土の対比としての材料としての土 = ダム鉄道道路盛土宅地等の建設の為の材料としての土 : a) この場合製造のプロセス ( 盛土材料の選択と締固め作業 ) が製品 ( 盛土 ) の性能 ( 安定性と変形性 ) を決める b) なんやかや言うが結局