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よりおかたいわ
5 years ago
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1 土質力学 Ⅰ 及び演習 B 班 : 小高担当配付資料 No 土の指示的性質土の組成土は, 土粒子の集合体で出来ているが, ツブツブなので, 当然土粒子どうしの間にはスキマができるこのスキマを間隙と呼ぶが, 一般の自然の土の間隙には, 水と空気が入っているただし, 海底の地盤や陸上でも地下水位よりも下の地盤には, 間隙が完全に水に満たされている土もあるこの間隙がすべて水である土を飽和土と呼ぶ逆に, 間隙の中に空気も含まれている土を不飽和土と呼ぶここでは, より複雑な場合である不飽和土を対象にして説明する間隙水間隙空気土粒子空気のみスキマなく固めた部分水のみスキマなく固めた部分土粒子のみスキマなく固めた部分土粒子実質部分 a 実際の土の状態 b モデル化示相図図 : 示相図によるモデル化実際の不飽和土は図 a のように, 土粒子, 間隙水, 間隙空気が混ざり合って存在しているが, そのままでは, それぞれの割合がわかりにくいので, 図 b のように土粒子, 水, 空気をそれぞれ完全に分離してしまって考える特に土粒子実質部分というのは, ツブツブの土を一旦ドロドロに溶かして, もう一度型に入れてカチカチに固めたような状態を想像するこのようにモデル化した図示相図とも呼ぶを用いて, 土の基本的な物理量を考える 2 基本的な物理量の定義土の物性を考える場合には, 土粒子, 水, 空気の割合が重要であるが, 割合にも質量の割合と体積の割合があるので注意する体積の世界単位質量の世界単位 kg a 間隙空気間隙水 a ただし, a 0 と考える土粒子実質部図 2: 体積と質量に関する基本的な諸量の定義とにかく覚えるべきつの重要な割合体積の世界での重要な割合 : 間隙比土粒子の体積に対するスキマの体積の割合土粒子の詰まり具合を表す非常に重要なインデックス飽和度スキマの体積の中で, さらに水の体積が占める割合不飽和の度合いを表し, 飽和土なら飽和度 00% となる百分率で表すのが通例となっている飽和度 % 00

2 質量の世界での重要な割合 : 土粒子の質量に対する間隙水の質量の割合含水比計測するのが最も簡単かつ正確なために, 土の性質を表すための最も基本的かつ重要なインデックス飽和土ならば, 間隙比と対の関係となる百分率で表すのが通例となっている含水比 % 00 体積の世界と質量の世界を結ぶ量 : 質量密度単位 :kg/ 各相のみで土粒子は土粒子, 水は水として考える密度水の質量密度 : / 土粒子の質量密度 : / 空気の質量をゼロと考えるので, 間隙空気の密度は定義しない土土粒子, 水, 空気の集合体をつの物質の塊体積として考える密度土の湿潤密度 : スキマに間隙水がある湿潤状態 / d / 土の乾燥密度 : スキマは空気だけの乾燥状態密度どうしの割合 : 比重比重 : / 水の密度に対する, 土粒子実質部の密度の割合土は鉱物の集合で出来ているので, どんな土でも大体 2.65~2.8 程度であり, 大差はないと言う点が重要以上の定義をきちんと覚えておけば, 土の基本的な物理量はだいたい計算できる密度と単位体積重量密度質量 / 体積単位 :kg/ I 単位,/ 単位体積重量重量 / 体積単位 :kn/ I 単位,f/ 密度と体積重量質量と重量の違いは重力加速度 g がかかっているかどうかであり, g g となるので,I 単位で書けば水の密度は 000kg/, 水の単位体積重量は 9.8kN/ と明らかに異なることがわかるが, 重力単位系で書くと, 水の密度は /, 水の単位体積重量は f/ となり, f が付くかどうかだけの違いとなるちなみに f は重力加速度が加わっていることを示す記号であり, フォースあるいは重じゅうと読む日本では, 実務において依然として,I 単位より重力単位を使用する場合が多いので注意する各種の単位体積重量単位 kn/ I 単位,f/ / 水の単位体積重量 / / 土粒子の単位体積重量事実上ほとんど使わない土の湿潤単位体積重量 d / 土の乾燥単位体積重量以上の他に, 土が飽和した場合の単位体積重量土の飽和単位体積重量 a もよく使用する

3 4 土の密度あるいは単位体積重量の別の表現式上で表した各種の密度あるいは単位体積重量は始めに定義した, 間隙比, 飽和度, 含水比等を用いて別の式で表現することができる特に, 土粒子, 水, 空気の集合体としての土の密度は, つの物質ではないので, 式は複雑になるが, 諸量の定義を抑えていれば難しいものではない土の湿潤密度 / / / 土の湿潤単位体積重量 : 2 土の乾燥密度 d 土の乾燥単位体積重量 : d の飽和度 0% 0 の場合と考えても良い土の飽和単位体積重量通常, 飽和密度というものは定義しないの飽和度 00% の場合と考える a 4 土の水中単位体積重量この場合も通常, 水中密度というものは定義しないさらに, 飽和土が完全に地下水中にある場合には, 浮力が働くただし, この場合は, 土粒子ひとつひとつに浮力が働くのではなく, 土としての塊に対して浮力が働くと考えるすなわち, 図のように袋に入った土の重量を考えていると思えば良い図のように, 飽和土をそのまま袋に詰めて水槽に沈めた場合に, つり下げたヒモに作用する重量は, 全重量 a から浮力を差し引くことにより, a a したがって, 水中単位体積重量は a しかしながら, 実際の地下水位以下の土は袋に入っているわけではないので, もう少し補足しておかなければならない T 浮力飽和土塊 : 体積 T 土粒子実質部 : 間隙水部 : モデル化図 4 図

4 図 4 のように, 飽和土が袋の中で間隙水と土粒子実質部隙間なしの状態に完全に分かれたとすれば, つり下げたヒモに作用する重量は, したがって, 単位体積当たりの重量は, a つまり, は全体に均質に分布していると仮定した土粒子の集合隙間ありを水中で支えている重量である結局, 飽和土の全重量は a と表され, が全部土隙間ありとした時の土の水中での重量とが全部水とした時の水の重量との和と考えるべき注 : この考え方が, 後で学ぶ有効応力の概念に密接に結びつく 5 飽和度, 含水比, 間隙比の関係よりよって, したがって, 6 その他の物理量間隙率 : n 全体の体積の中で間隙の体積が占める割合空気間隙率 : n a a 全体の体積の中で空気の体積が占める割合 7 土の粒度土は粒径によって図 5 のように分類される粒径図 5: 日本での土の粒径による区分土質力学の授業で扱う材料は, 粘土 ~ 砂せいぜい細礫自然の土は色々な粒径の土粒子で構成されているので, この区分を行うために, フルイ分け試験を行う細砂中砂粗砂細礫中礫粗礫粗石巨石粘土シルト砂礫石細粒分粗粒分石分間隙水の重量は水中ではゼロ当然求め方はいくつもある

5 フルイ分け試験 : フルイの目 :0.075, 0.06, 0.25, 0.425, 0.85, 2, 4.75, 9.5, 9, 26.5, 7.5, 5, 75 上のようなフルイを使って土をフルイ分けして, 土全体の重量に対して, それぞれのフルイの目を通過した土の重量の和の割合通過重量百分率を計算して片対数グラフにプロットする粒径加積曲線 00 通過重量百分率 % 豊浦砂噴出しらす鹿児島県西部地震六甲アイランドのまさ土兵庫県南部地震ポートアイランドのまさ土兵庫県南部地震噴出粘土兵庫県南部地震粘土シルト細粒径砂粗 0.42 砂細礫図 6: 実際の土の粒径加積曲線の例岩石質材料では, 細かすぎてフルイ分けが出来ないような, 粒径以下のシルトや粘土はどのように粒径を求めるのか? 沈降分析土粒子の沈む速さによって粒径を決める大きい土粒子は比較的早く沈み, 細かい土粒子ほどいつまでも水中を浮遊している礫 75 粒度分布から得られる土の性質の指標土粒子の平均的な大きさの指標 : 平均粒径 D 50 大小の土粒子の混合具合の指標 : 均等係数 U c D 60 / D 0 U c が大きいほど不均等粒度分布が良い U c が小さいほど均等粒度分布が悪い U c が大きい土良く締め固めると密度の大きい固い土塊になる良く締め固めないと緩い状態のまま U c が小さい土良く締め固めてもそれほど密度の大きい固い土塊にならない良く締め固めなくても, そこそこの密度になる軽く振動を与えてやれば簡単に締まる 00 通過質量百分率 Y Axi Til % X Axi Til 粒径 D D D 均等係数 UcD 60 /D /0.066.

6 8 土の統一分類法実際の土は色々な粒径の土が混ざって構成されていることは今まで述べた通り土の粒度から, さらに細かく土を分類し, それぞれの性質を推定する扱う材料 : 土質材料 75 未満粒径粘土シルト砂礫石細粒分粗粒分石分大分類粗粒土 75μ 以上の土が 50% を超える細粒分 < 粗粒分細粒土 75μ 以下の土が 50% 以上細粒分粗粒分高有機質土ピート性質が異なる人工材料粗粒土礫質土礫分 > 砂分, 砂質土砂分礫分さらに中分類, 小分類粘性土 C 粘土 C 細粒土有機質土 O, シルト M 火山灰質粘土塑性図で分類次節で説明中分類粗粒土対象砂分 <5% 礫礫質土細粒分 <5% 砂分 5% 砂礫細粒分 5% 細粒分混じり礫 F 礫分 <5% 砂砂質土細粒分 <5% 礫分 5% 礫質砂細粒分 5% 小分類粗粒土対象三角座標を用いる ~ 質 ~まじり何もつけない細粒分混じり砂 F 5% 以上 50% 未満 5% 以上 5% 未満 5% 未満粗粒土の中分類, 小分類において細粒分 75μ 以下の混入割合が分類のポイントとなる理由 : 粒径 D の土は, 土粒子個あたりの体積 D 土粒子個あたりの表面積全土粒子数 n 総表面積 a nd D 2 D 2 D 2 D D

以下の非常に細かい土粒子で構成されている土を粘土と呼ぶ純粋な土壌学では, 粘土鉱物概ね 2μ 以下で構成されているものだけを粘土と呼ぶ粘土は土粒子, 間隙水, 間隙空気の構成割合によって, 変形のしやすさや流動に対する抵抗性等, その性質コンシステンシーと呼ぶを色々と変化させる通常は, 土粒子, 間隙水, 間隙空気の混合割合は, 最も計測が簡単な含水比を基準して議論する

7 では, D 0.00 の粘土と D の砂が同じ体積だけあったとすれば粘土の粒子数は砂の粒子数の億倍 9 粘土粒子の総表面積は, 砂粒子の総表面積の0 000 倍粒子の小さい土は重量比が小さくても粒子数, 粒子総表面積が大きい土の力学的な性質に及ぼす影響は非常に大きいきちんと分類することが重要 9 細粒土主に粘土のコンシステンシー日本の土の分類法では, 5μ 以下の非常に細かい土粒子で構成されている土を粘土と呼ぶ純粋な土壌学では, 粘土鉱物概ね 2μ 以下で構成されているものだけを粘土と呼ぶ粘土は土粒子, 間隙水, 間隙空気の構成割合によって, 変形のしやすさや流動に対する抵抗性等, その性質コンシステンシーと呼ぶを色々と変化させる通常は, 土粒子, 間隙水, 間隙空気の混合割合は, 最も計測が簡単な含水比を基準して議論する粘土の先天的な性格を表すインデックス : 塑性限界, 液性限界, 塑性指数粘土らしい粘土とは? 粘土あそびがしやすいすなわち, 簡単に変形して, かつ, その形を維持し続ける塑性と呼ぶ形を維持する力粒子間力メニスカス力粘土鉱物の場合, 電気的な力も働くバラバラ, ボロボロ水分量少ない固体塑性粘土らしい状態この幅を塑性指数と呼ぶ塑性限界液性限界液状ドロドロ水分量多い含水比塑性指数が大きな粘土ほど, 粘土らしい粘土であり, 塑性指数は粘土の持って生まれた性格を表す塑性指数から粘土の色々な性質が予測できる色々な経験式, 実験式が提案されている粘土の現在の生活状況を表すインデックス : 自然含水比または自然含水比と塑性限界, 液性限界を見比べれば, その粘土がどのような状態ボロボロ, ほどよい, ドロドロにあるのか想像がつくしかし, 我々が住んでいる粘土地盤には, 自然含水比 > 液性指数という粘土がたくさんある有明, 関東ローム, 有楽町セメンテーション化学的な固結力 : 後天的な性質 n 飛行機工事等の外乱によるセメンテーションの破壊一見しっかりした粘土地盤ぐちゃぐちゃ, ドロドロマヨネーズ? 某学会の幻のポスター

8 コンシステンシーを表すインデックス塑性限界 : ボロボロの固体状態での含水比 P 液性限界 : ドロドロの流動状態での含水比塑性指数 : I 液性指数 : I L P 塑性の性質を呈する含水比の幅 L P P L に近いほど現在の状態が液性限界に近いことを表す I P 対象とする粘土の流動しやすさを表すインデックス L コンシステンシー指数 Ic に近いほど現在の状態が塑性限界に近いことを表す I p 対象とする粘土の流動に対する抵抗性を表すインデックスその他のインデックス, 収縮限界, 粘土の活性度, 鋭敏比細粒土の分類はフルイ分けできないので, 塑性図を用いて行う塑性指数 P I C 粘土 M シルト A 線 : I P L 液性限界 L % 0 粗粒土主に砂の状態を表すインデックス粒径の大きな砂のような粗粒土は, 細粒土ほど含水状態によって大きく性質を変えることはないまた, 通常は塑性限界, 液性限界は計測不能であり, 塑性指数はゼロとなる非塑性 non-plaic の土であるために, 細粒土のような分類はできないそのため, 粗粒土の分類は, 水分量には着目せず, 土粒子の詰まり具合を直接調べる方法が用いられる相対密度詰まり具合 ax 相対密度 : D 0~5% 非常に緩い ax 5~5% 緩い in 5~65% 中位 ax : 最大間隙比, in : 最小間隙比, : 現在の間隙比 65~85% 密 85~00% 非常に密粘土と粘土鉱物粘土鉱物カオリン鉱物群例 : カオリナイトスメクタイト鉱物群例 : モンモリナイト雲母粘土鉱物群例 : イライトシリカ層 4 面体シート io2 ギブサイト 8 面体シート AlOH Al, F, Mg 2 K 結合力が大きいカオリナイト : 構造モンモリナイト 2: 構造吸着性, 膨張性イライト

2019/4/3 土質力学 Ⅰ 土の基本的性質 (1) ( 土の組成 ) 澁谷啓 2019 年 4 月 9 日 1 土の基本的性質粒子の組合せ内部の粒子の幾何学的配置粒子の性質外部からは見えない連続体 + としてのマスの性質工学技術の対象粒子の性質 ( 粒度分布 ) 異なる大きさの粒

2019/4/3 土質力学 Ⅰ 土の基本的性質 (1) ( 土の組成 ) 澁谷啓 2019 年 4 月 9 日 1 土の基本的性質粒子の組合せ内部の粒子の幾何学的配置粒子の性質外部からは見えない連続体 + としてのマスの性質工学技術の対象粒子の性質 ( 粒度分布 ) 異なる大きさの粒土質力学 Ⅰ 土の基本的性質 (1) ( 土の組成 ) 澁谷啓 2019 年 4 月 9 日 1 土の基本的性質粒子の組合せ内部の粒子の幾何学的配置粒子の性質外部からは見えない連続体 + としてのマスの性質工学技術の対象粒子の性質 ( 粒度分布 ) 異なる大きさの粒子の混じり具合 ( 個々の粒子の性質 ) 粒子の大きさ粒子の比重粒子の形粒子の硬さ強度平均単位体積重量 * *