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まれあてらわ
5 years ago
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1 土は大小さまざまの土粒子ならびに有機物から成り立っており, さらに微細な粘土粒子は相互に大きな粒子間力を及ぼし合うために, 特徴的な粒子配列をとる. このような土の構造は工学的性質を左右する重要な役割を担っている. 土壌学の分野では作物の生育のために土質条件を最適なものに調整する必要があることから, 土粒子のつまり方, 配列の仕方には敏感であった. 一方, 土の力学の分野では Terzaghi 以来, 土の平均的な密度や間隙の大小について敏感であったが, 土粒子の配列については土の分類として用いられた程度にすぎなかった. ところが, 地盤の変形挙動を正確に表現することが要求されるようになって, 土粒子の個々の動きにも着目せざるをえなくなり, 必然的に粒子配列の重要性が認識されるようになった. 1

2 6.1 土の構造の定義とその意義土の構造 (soil structure) とは, 地盤を構成している固体粒子が, 力学的な作用を受けたり, 粒子とそれをとりまく環境条件下で受けている物理化学的作用の結果としての粒子配列と定義される. よって, 現在の土の構造を理解することは, 過去に経てきた環境と, その土の今後の挙動をある程度推定しうることを意味している. 上記のことから明らかなように, 土の構造は微視的な土の状態を規定しているものであり, 土の応力 - ひずみ挙動を表現するための構成式確立の基本要因であるだけでなく, 土の物理化学的特性そのものを説明するものとみなされる. 2

3 6.1 土の構造の定義とその意義土粒子の配列のみに着目した定義には次のようなものがある. 1 土の構造は土が崩れてできた細片 (fragment) や土塊 (clod) からなるものである (Zakharov の定義 ). 2 土の構造は相互に分割しうる砂, シルト, 粘土の集合体, またはそれらがある種の形状をもつ集合体へ団粒化したもの ( アメリカ農務省土壌環境便覧 ). 3 土の構造は固体粒子とそれに付随する間隙の大小, 形状, 配列に基づいて示される土の物理構成のことである (Baver の定義 ). 4 土の構造は土層を構成する粒子の大きさ, 形状, 表面の性質に基づく粒子間の配列と相互作用ならびに粒子間の結合特性を表したもの (Ларионов の定義 ). 3

4 6.1 土の構造の定義とその意義土粒子の配列のみに着目した定義には次のようなものがある. 1 から 3 は, 元来, 農業土壌学の分野で用いられ,4 は地質学の分野で使われていたものであり, 前述の定義に含まれるものである. 4 はすべての地盤をあるシンボルによって統一的に表現しようと試みており, 土の分類という観点からきわめて有用である. 4 では表現の基礎となるファクターとして, 次の八つをあげている : (a) 土の起源 (b) 土の粒度分散性 (c) 多成分性 (d) 土の三相構成 (e) 多様な鉱物組織 (f) 人工的および自然的な変動性 (g) 土の構成の不均等性 (h) 熱力学的条件の多様性 4

5 6.1 土の構造の定義とその意義 (a) から (h) のような各種要因から決まる土のなりたちを土の構造と呼んでおり, structure のみでなく fabric とか texture という用語が同時に用いられている. fabric は単に土粒子の配列のみを意味し,structure が意味するような物理化学的作用力は無視している. 一方,texture は地質学鉱物学の結晶組織に対して従来から用いられた用語であるため, それらを含めた構造の総称とみなすべきだと Brever が提案している. しかしながら, 物理化学的要因による土の構造に結晶性を加味する必要がないこともあって, 一般には structure で代表されている. 以上のようにニュアンスの違いがあるものの,structure,fabric,texture の三つの用語に構造という和訳をあてている. 5

6 6.1 土の構造の定義とその意義図 -6.1 土の構造の意義 6

7 6.1 土の構造の定義とその意義土の力学的挙動を構造の観点から説明することによって, 土の構成式の確立ならびに合理性の判定に役立つものである. さらに, 土構造物や基礎の設計にあたって, その基準となる土質パラメータの決定に際し, 局所的な特殊性が安定性を左右する重要な要因となることが多く, 土の構造の評価手法が導入される必要がある. また, 地盤改良は地盤工学上最も重要なものの一つとみなされるが, 物理化学的安定処理の開発にあたって, 土の構造の変化を安定処理効果の指標とすることが可能となり, 従来の試行錯誤的な開発であったものが科学的合理性をもったものに改変されつつある. 7

8 6.2.1 つまり方と密度砂礫土や砂質シルト土などのような粗粒土は構成粒子が大きいことから, 土粒子水系の界面化学的な作用はほとんどないか, あるいはあっても無視しうる程度のものである. そのために粒子のつまり方, すなわち密度が最も重要なファクターの一つである. 8

9 6.2.1 つまり方と密度表 -6.1 均等粒径 ( 半径 R) の球体の充填の仕方 9

10 6.2.1 つまり方と密度図 -6.2 均等粒径の球体の理想充填 10

11 6.2.1 つまり方と密度均等粒径のつまり方については最粗構造から最密構造までの密度, 間隙, 接点数などについて, 理論的に表 -6.1 ならびに図 -6.2 のような充填形態が示されている. 図中 (d),(e) は同じつまり方を別方向からみたものにすぎず, 最密構造を示しており,(a) は最粗状態を表している. 11

12 6.2.1 つまり方と密度均等粒径の粒子からなる地盤の間隙は, 当然のことながら粒子径には無関係である. このような粒子のつまり方を定量的に表現するためには, 任意の 1 粒子に接する粒子の数, すなわち平均接点数 (N) が有効であり, 間隙率 (n) を用いて次式で表される. N = n (6.1) 12

13 6.2.1 つまり方と密度図 -6.3 最大最小間隙比 13

14 6.2.1 つまり方と密度均等粒径でない場合には, 大きな粒子間の隙間を小さい粒子で埋めてゆくことによって間隙が減少する. 自然界に存在する砂質土粒子は球状であったり, 均等粒径であったりすることの方がむしろまれであり, 多かれ少なかれ長円状の形状をとっており, 粗粒土の配列構造には粒子の形状と大小の分布, ならびにそれらの配置に左右されることになる. 実用上は次式で表される相対密度 Dr( または密度指数 I D ) がつまり方の程度としてよく用いられている. e max - e D r = (6.2) e max - e min e は対象とする土の間隙比,e max と e min はおのおの同じ土の最粗状態, 最密状態の間隙比である. 最大間隙比 e max は求め方によって変動が大きいため, 慎重に算定されなければならない. 14

15 6.2.1 つまり方と密度表 -6.2 相対密度と地盤強度 15

16 6.2.1 つまり方と密度前述した D r の大小と地盤の物性との対応づけが得られており, 標準貫入試験結果の N 値との関係を示す表 -6.2 など多方面で用いられている. 砂のせん断抵抗や液状化に対する抵抗などは D r に比例すると考えられており, 地震時の砂質土地盤の安定性の評価に使われるなど, その重要性は極めて高い. 16

17 6.2.2 粗粒土の不均一性図 -6.4 粒状体の強度と土粒子構造の不均一性 17

18 6.2.2 粗粒土の不均一性さらに, 単にこれまでの平均的な粒子のつまり方のみでなく, 堆積構造そのものにも着目すべきことが知られている. まず不均等粒子によって構成されている構造上の不均一性があげられる. 粒度組成の異なる土が堆積すると, 土全体としての間隙比は同一であっても局所的にみると各部のつまり方が異なるものに出くわすことがある. 18

19 6.2.2 粗粒土の不均一性図 -6.4 に示すように, 密につまった部分と粗なつまり方の部分とが共存しており, 当然のこととして, 密な部分は大きいせん断抵抗をもち, 粗な部分のせん断抵抗は小さくなる. このような構造をもった土のマクロなせん断強度は, 一般に弱い部分に支配され, 同一間隙比をもった土で異なる強さを示す原因となることから, 構造不均一性の評価が求められるようになっている. 19

20 6.2.2 粗粒土の不均一性さらに長円形や扁平粒子が堆積するときには, 粒子の長軸方向が堆積面にならぶ傾向を有している. よって, このような不均一な構造特性に対して統計的な処理が施されて, 力学特性との対応がはかられている. 20

21 6.2.3 粗粒土の構造表現 (1) 定方向配列性図 -6.5 原位置砂地盤における砂粒子配列の異方性 21

22 6.2.3 粗粒土の構造表現 (1) 定方向配列性長円形あるいは扁平粒子の長軸方向の測定によって粗粒土の配列性を表している. 図 -6.5 は実際の砂地盤に対して求められた例であって, 河川砂と海浜砂とにおける分布が相違することを表現している. 上述の分布は実験室内で水中堆積させてつくった人工地盤においてもみられており, 力学的特性の異方性の原因とみなされる. 22

23 6.2.3 粗粒土の構造表現 (2) 粒子間の相互関係図粒子当りの平均接点数 N t と間隙比 e の相関 23

24 6.2.3 粗粒土の構造表現 (2) 粒子間の相互関係粒子接点における粒子接点数, 接点方向, 接点における粘着力などによって説明されている. 粒子接点数については先に述べたように, 粒子当りの平均接点数 (N) と間隙比との関係で示され図 -6.6 が得られている. 図中点線は均等粒径の球の場合を意味している. 間隙比の増大によって粒度組成によらないで,1 粒子当りの接点数が減少することを示している. 24

25 6.2.3 粗粒土の構造表現 (2) 粒子間の相互関係図 -6.7 粒子の接点方向と二次元光弾性丸棒の積層体 ( 密詰め, 緩詰め ) のせん断変形に伴う構造の変化 25

26 6.2.3 粗粒土の構造表現 (2) 粒子間の相互関係図 -6.7 続き (L-2,L-3,L-16 の位置で接点での法線方向を測定し, その頻度図 (c) を得る ) 26

27 6.2.3 粗粒土の構造表現 (2) 粒子間の相互関係接点方向については各接点での法線方向の頻度分布で図 -6.7 のように表され, 粒子のつまり方の差による強度の違い, 変形による接点方向の変化などを示している. さらに接点における粘着力は, 粗粒土においても含有される細粒土の働きによって微視的には付着力をもち, セメンテーション作用を及ぼすことがある. 27

28 6.2.3 粗粒土の構造表現 (2) 粒子間の相互関係図 -6.8 砂の粒子表面特性 28

29 6.2.3 粗粒土の構造表現 (2) 粒子間の相互関係図 -6.8 は, 堆積環境時代の相違に基づく粗粒土の表面状態の変化を示している. 上記のことは, 地質年代の古い粗粒土では続成作用などによって, 粒子界面付近に存在するアルミニウム, 鉄, シリカ分などが析出し, このような化学的沈殿物が粒子表面に付着するためである. すなわち粒子表面はなめらかなものではなくて, 凹凸に富んだ形状をなしており, 粒子間にセメンテーションを及ぼすことになる. 29

30 6.2.3 粗粒土の構造表現 (2) 粒子間の相互関係以上に述べたように, 粗粒土であっても粒子の堆積構造が力学的特性に多大の影響を及ぼすことになり, 原位置の構造を保持した乱さない状態で土質パラメータを求めることが必要になってくる. 30

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