地盤工学会北海道支部技術報告集第 5 5 号平成 27 年 1 月於室蘭市細粒土の一面せん断試験から得られた凍結融解による強度定数の変化 1. はじめに北見工業大学大学院学生会員佐々木貴北見工業大学工学部正会員川口貴之北見工業大学工学部正会員中村大北見工業大学工学部正会員川

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あおいかみこ
4 years ago
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1 地盤工学会北海道支部技術報告集第 5 5 号平成 27 年 1 月於室蘭市細粒土の一面せん断試験から得られた凍結融解による強度定数の変化 1. はじめに北見工業大学大学院学生会員佐々木貴北見工業大学工学部正会員川口貴之北見工業大学工学部正会員中村大北見工業大学工学部正会員川尻峻三北見工業大学工学部正会員山下聡寒冷地の自然斜面や人工斜面における融雪期の斜面崩壊メカニズムを解明し, 崩壊危険度の評価やより効果的な対策法の検討に役立てることを目的として, 筆者らは一連の試験システムを新たに構築し, 斜面内土要素の変形強度特性が凍結融解履歴によってどのように変化するのかを把握しようと試みている 1). この試験システムでは無限長斜面内の応力状態やせん断機構の再現に適していることや, せん断面が斜面内にできる氷層 ( アイスレンズ ) の方向とほぼ一致させることができることも勘案し, 比較的研究例の多い三軸試験 2), 3), 4) ではなく, 一面せん断試験を採用している. また, 凍上試験によって供試体内にできるアイスレンズが不均一であることを考慮し, 一供試体内に複数のせん断面を設けることができるよう, 通常よりも縦横比が大きい立方体形状の供試体を作製できるモールド, これを設置可能な凍上試験装置と一面せん断試験装置から構成されている 1). 本文では, まず通常の縦横比で作製した供試体を用いた一面せん断試験結果との比較や凍上させた供試体内のアイスレンズ分布を X 線 CT スキャンで評価した結果を示している. その上で, 凍上性のある細粒土に対して実施した定圧および定体積一面せん断試験結果を示し, これらの試験から得られた凍結融解による強度定数の変化について議論している. 2. 試験方法条件結果表 1 は本研究で実施した一連の試験に関する試験条件をまとめたものである. 試験に用いた試料は北見市内で採取された風化火山灰であり, 細粒分が 5% を超えているため火山灰質粘性土に分類される. また, 地盤工学会基準である凍上性判定のための土の凍上試験方法に従うと凍上性が高い判定される凍上速度 Uh(>.3mm/h) 大きく超える高い凍上性 (Uh.7mm/h) を有することが確認されている 5). 供表 1 試験条件のまとめ試験名土粒子密度目標乾燥密度目標含水比鉛直応力せん断速度 ρ s (g/cm 3 ) ρ d (g/cm 3 ) w (%) 浸水凍結融解 σ v (kpa) せん断方法 (mm/min) CSCM1-3 無無 1 CSCM5-3 無無 5 CSST1-3 有無 1 CSST5-3 有無 5 定圧 CSFT1-3 有有 1 CSFT5-3 有有 5 CSCM1-1 無無 1 CVST 無無 1.5 CVST5-3 無無 5 CVFT1-3 有有 1 CVFT5-3 有有 5 CVST1-1 有無 1 定体積 CVST5-1 有無 5 CVFT1-1 有有 1 CVFT5-1 有有 5 Change of Strength Parameters by Freezing and Thawing Obtained from Box Shear Tests Using Fine Grained Soil Sasaki, T., Kawaguchi, T., Nakamura, D., Kawajiri, S. and Yamashita, S.: Kitami Institute of Technology 173

2 試体については, 先述のように一辺 1mm の立方体形状であり, 最適含水比よりも幾分乾燥側の含水比 w=26%, 締固め度 Dc=9% になるよう調整計量した試料を 3 分割し, 各層 4mm の高さになるまで締固めることで作製した. 試験名については, 最初の 2 文字は一面せん断方法を表しており,CS は定圧,CV は定体積一面せん断試験である. 次の 2 文字は供試体条件を表しており,CM は締固めて作製した直後の供試体 ( 以下, 締固め供試体 ),ST は締固め後にせん断箱内で 3 日間浸水 ( 通水飽和 ) させた供試体 ( 以下, 浸水供試体 ),FT は締固め後に凍上試験装置に設置浸水し, 凍結融解履歴を与えた上で浸水させた供試体 ( 以下, 凍結融解供試体 ) である. 最後の 2 桁の数字は一面せん断開始時の鉛直応力, その後のハイフンに続く数字は層数を表している. 表 2 は一連の試験から得られた主な試験結果をまとめたものであり,3 層供試体については各せん断面で得られた最大せん断応力を示している. なお, 浸水供試体と凍結融解供試体については変形強度特性への悪影響を考慮して負圧を与えることや大きな水頭差での通水を行っていないこともあり, 完全飽和には達していないものの, いずれの試験でも 95% 程度の飽和度は確保できていることが分かる. 定圧一面せん断試験方法については, 反力板側 ( 水浸箱底部 ) にあるロードセルの計測値をモニタリングしながら重錘の増減によってコントロールしており, 供試体上端から 3, 6, 9cm の位置 ( それぞれ上層下部, 中層中心, 下層上部に該当 ) を順にせん断している. その他, 試験装置や方法の詳細については参考文献 1) を参照して頂きたい. 定体積一面せん断試験については, 図 1 に示すように所定の鉛直応力が変化し試験名表 2 試験結果のまとめ初期含水比初期乾燥密度初期間隙比せん断前の間隙比せん断前の飽和度最大せん断応力 w (%) ρ d (g/cm 3 ) e e S r (%) τ max (kn/m 2 ) CSCM1-3 CSCM5-3 CSST1-3 CSST5-3 CSFT1-3 CSFT CSCM CVST1-3 CVST5-3 CVFT1-3 CVFT CVST CVST CVFT CVFT τ max は上から順に供試体上層, 中層, 下層から得られた値 174

3 ないよう注意しながら載荷軸両端を固定することで鉛直変位が生じないようにしている. また, 定体積一面せん断試験は浸水供試体と凍結融解供試体に対してのみ実施した. 3. 供試体縦横比の違いに関する検討地盤工学会基準である土の圧密定圧一面せん断試験方法と土の圧密定体積一面せん断試験方法には, いずれも直径 2cm, 高さ 6cm の円盤形を標準とし, 供試体断面は正方形や長方形でも良いが, 高さは直径の 1/3 程度とすることが記載されている 6). 図 2は高さが底辺の 1/3 となる 1 層分のみとした供試体と, それを 3 層重ねることで立方体形状とした供試体に対して実施した一面せん断試験結果を比較したものである. 図 2a) は締固め供試体に対して実施した定圧一面せん断試験, 図 2b) と図 2c) はそれぞれ浸水供試体と凍結融解供試体に対して実施した定体積一面せん断試験結果を比較し図 1 載荷軸の固定方法概略図たものである.3 層供試体で実施した全ての試験において, 中層のせん断時には先に上層をせん断した際にできたせん断面が残っている状態でせん断しており, この影響もあってかダイレイタンシー特性には多少の違いが見られる. しかし, 最大せん断応力にそれほど大きな違いはなく, 本試験システムによって 3 層供試体における各層のせん断特性の違いを相対的に把握できると判断した. また, 凍結融解などによる強度定数の変化についても十分に評価しうると判断した. なお, 簡易定圧試験を用いた他の研究により, 本試験システムのように反力板側の垂直応力で強度を整鉛直応力 σ (kn/m 2 ) 1 3 CSCM1 3 CSCM CVST1 3 CVST5 3 CVST1 1 CVST5 1 CVFT1 3 CVFT5 3 CVFT1 1 CVFT5 1 鉛直変位 Η (mm) 膨張圧縮上層中層下層 1 層 1kPa 上層中層下層 1 層 1kPa 5kPa.2.2 上層中層下層 1 層 1kPa 5kPa 5 1 せん断変位, δ (mm) 5 1 せん断変位, δ (mm) 5 1 せん断変位, δ (mm) a) 定圧 - 締固め供試体 b) 定体積 - 浸水供試体 c) 定体積 - 凍結融解供試体図 2 層数が異なる一面せん断試験結果の比較 175

理すれば, 強度定数は供試体高さの影響を受けないことが示されている 7), 8). 4.

側面は岩石切断機でカットしたが, 撮影面は切断による表面の融解部分を丁寧にナイフで削り取っている.

図 3は各層の中心付近を 15mm 角の立方体範囲で X 線 CT 撮影し, その中心断面画像を比較したものである ( 概ね写真 1 中の ).

表 3は撮影後の供試体を層ごとに分割して体積, 質量, 含写真 1 X 線 CT 撮影した凍上供試体水比を計測し, その計測値から概略的に算出した土粒子と空隙 ( 全て氷と仮定 ) の体積比等をまとめたものである.

4 理すれば, 強度定数は供試体高さの影響を受けないことが示されている 7), 8). 4. 凍上させた供試体のアイスレンズ分布に関する検討写真 1 は凍結融解供試体と同様に作製した凍上試験終了後の供試体を凍結したまま試験装置から取り出し,X 線が透過しやすいよう側面をカットし, 約 5cm の矩形断面としたものである. 側面は岩石切断機でカットしたが, 撮影面は切断による表面の融解部分を丁寧にナイフで削り取っている. 写真中のピンはマイクロフォーカス機能を用いて X 線 CT 撮影をした中心高さを示しており,3 層のそれぞれ中心付近としている各層の境界は撮影面から肉眼観察と供試体全体の X 線 CT 撮影から確認した. 図 3は各層の中心付近を 15mm 角の立方体範囲で X 線 CT 撮影し, その中心断面画像を比較したものである ( 概ね写真 1 中の ). それぞれの画像は撮影で得られた CT 値のヒストグラムにおいて, 撮影範囲には土粒子と氷のみが存在すると考えて二値化するための閾値を設定し, 色調の異なる 2 色で表現している. 表 3は撮影後の供試体を層ごとに分割して体積, 質量, 含写真 1 X 線 CT 撮影した凍上供試体水比を計測し, その計測値から概略的に算出した土粒子と空隙 ( 全て氷と仮定 ) の体積比等をまとめたものである. 閾値については,CT 値のヒストグラムを氷と土粒子からなる2つの正規分布で近似できるとし, それらが重なり合う点としている. ただし, これによって二値化された体積比が表 3 中の体積比と概ね一致することも確認している. 表 3に示した計算結果からも明らかであるが, 図 3から 3 層の中で上層 ( 供試体上部 ) に存在する氷の量が最も多いことや, 土粒子の集合体 ( 団粒 ) の周辺に概ね霜降状に氷が発達していることが視覚的に確認できる. また, 写真 1や表 3からいずれの層も凍上しているが, 中層や下層に比べて上層の凍上量がとりわけ大きいことが確認できる. 供試体上層供試体中層図 3 二値化した凍上供試体の X 線 CT 画像供試体下層 : 土粒子 : 氷表 3 凍上供試体の各層における諸量のまとめ層名体積質量含水比間隙比体積比 (%) V (cm 3 ) m (g) w (%) e 土粒子氷上層中層下層

5 5. 凍結融解による強度定数の変化図 4は 3 種類の方法で作製した 3 層供試体 (a): 締固め,b): 浸水,c): 凍結融解 ) で実施した定圧一面せん断試験において, 各層で得られた最大せん断応力 τf とその時の鉛直応力 σf をプロットし, それぞれを直線で結ぶことで得られた内部摩擦角 φd と粘着力 cd を比較したものである. 層によってばらつきはあるものの, 供試体を浸水させることで主に cd が大きく低下すること, 凍結融解させることで全般的にはφd,cd ともにわずかに低下することが確認できる. 図 5は 2 種類の方法で作製した 3 層供試体 (a): 浸水 b): 凍結融解 ) で実施した定体積一面せん断試験において, 同様に各層のτf とσf をプロットし, それぞれを直線で結ぶことで得られた内部摩擦角 φ' と粘着力 c' を比較したものである. なお, 図中にはせん断中のせん断応力と鉛直応力の推移についても示している. 浸水供試体については, 特に低応力下で過圧密的な挙動を示すために定圧一面せん断試験結果と比べて粘着力は大きく, 内部摩擦角は小さい結果となっている. また, 凍結融解供試体については, 他の研究成果でも報告されているように凍結融解でダイレイタンシー特性が変化するために, 浸水供試体と比べて c' が低下し, 代わりにφ' は大きくなっている. 図 6は定体積一面せん断試験において, せん断開始時の鉛直応力とτf から得られた浸水供試体と凍結融解供試体の内部摩擦角 φcu と粘着力 ccu を比較したものである. 浸水供試体については,φ',c' と比べてそれほど大きな違いはないが, 凍結融解供試体については φcu は φ' と比べてかなり小さくなっており,ccu は c' と比べてわずかに大きくなっている. 一方, 層による強度定数の違いについて比較すると, いずれの図においても凍結融解供試体では上層のτf が最も小さくなっており, それに伴って内部摩擦角が小さくなっている. これについては, 図 3に示したようにアイスレンズの量が大きく影響しているものと思われ, アイスレンズのでき方やその量が土のせん断強度やダイレイタンシー特性の変化に大きく関与することがより明確になったと考えている. また,τf およびダイレイタンシー挙動の違いは定体積一面せん断で特に顕著である ( 図 5b) 参照 ). これについては, 定体積一面せん断試験では定圧一面せん断試験のようにせん断中に圧縮挙動が生じないため, 融解後にも残存していたアイスレンズによる土構造の損傷 ( クラック) がより顕著に反映したためではないかと考えている CSCM1 3 CSCM5 3 : 上層 c d =15 φ d =43 : 中層 c d = φ d =39 : 下層 c d = φ d = 図 4a) 定圧締固め供試体の強度定数 : 上層 c d =3 : 中層 c d =3 : 下層 c d = φ d =36 φ d =43 φ d =45 CSST1 3 CSST 図 4b) 定圧浸水供試体の強度定数 : 上層 : 中層 : 下層 c d =1 c d =1 c d =3 φ d =36 φ d =41 φ d =37 CSFT1 3 CSFT 図 4c) 定圧凍結融解供試体の強度定数 177

6 6 4 CVST1 3 CVST5 3 : 上層 c' =12 : 中層 c' =12 : 下層 c' =13 φ' =12 φ' =19 φ' =13 CVFT1 3 CVFT5 3 : 上層 c' =1 : 中層 c' = : 下層 c' =2 φ' =27 φ' =37 φ' = a) 浸水供試体 b) 凍結融解供試体図 5 定体積一面せん断から得られた強度定数 ( 有効応力表示 ) 6 4 CVST1 3 CVST5 3 : 上層 c cu =13 : 中層 c cu =14 : 下層 c cu =16 φ cu =12 φ cu =16 φ cu =7 CVFT1 3 CVFT5 3 : 上層 c cu =2 : 中層 c cu =3 : 下層 c cu =4 φ cu =11 φ cu =19 φ cu = a) 浸水供試体 b) 凍結融解供試体図 6 定体積一面せん断から得られた強度定数 ( 全応力表示 ) 図 7は先に示した凍結融解による強度定数の変化が具体的に斜面の安定性にどのように寄与するのかを把握するため, 浸水供試体と凍結融解供試から得られた強度定数を式 1に代入し, それぞれから算出された浸透流のない無限長斜面の安全率 Fs を比較したものである. なお, 図 7a) は定圧一面せん断試験から得られた φd と cd, 図 7b),c) はそれぞれ定体積一面せん断試験から得られたφ' と c',φcu と ccu を用いて計算された Fs を比較したものである. c F = γ z sinα cosα + s t tanφ tanα ここで,z はスライス厚であり, 本研究の主旨を考えて.25~2m の範囲で計算した. また, 各強度定数は凍結融解の影響が顕著に表れていると考えられる上層で得られた値を使用した. 湿潤単位体積重量 γt についてはそれぞれの試験で 16.9~17.3kN/m 3 の範囲にあったが, 強度定数による違いを明確にするため 17.1kN/m 3 で統一した. 図 7a) に示した計算結果から,cd は凍結融解でわずかにしか減少していないにも関わらず,Fs は比較的大きく減少していることが分かる. また, 図 7b) からφ' は凍結融解で大きく増加しているにも関わらず,c' が低下したことで Fs が大幅に低下しており, 特に層厚が小さい範囲で顕著であることが確認できる. さらに, 図 7c) でも主に ccu の減少によって Fs が大きく減少している. 以上のことから, 凍結範囲となる斜面表層では内部摩擦角に比べて粘着力の方が Fs に大きく影響し, 凍結融解による粘着力の低下が斜面の不安定化に大 (1) 178

7 スライス厚浸水凍結融解.25m.5m 1.m 2.m 7 6 CS 7 6 CV 7 6 CV cu 安全率, F s 斜面の傾斜角, α a) φ d,c d 斜面の傾斜角,α 斜面の傾斜角,α b) φ',c' c) φcu,ccu 図 7 無限長斜面における安全率 Fs きく関与していると解釈できる. 過去の研究では凍結融解履歴を受けていない試料に対し, いわゆる閉式での凍結融解履歴を与えて一面せん断試験や三軸試験を実施し, 粘着力が低下することを報告しており, 凍結融解履歴によって粘着力が低下するという同様な結果が得られている 9), 1), 11). 最後に, 図 7a)~c) に示した凍結融解供試体から得られた 3 組の強度定数による Fs の違いについて比較すると, 層厚の小さい範囲では定体積一面せん断試験から得られたφ' と c' を用いて計算した Fs が最も小さく, 定圧一面せん断試験から得られたφd と cd に比べて凍結融解による Fs の変化も顕著であることが分かる. 今後, このことが試料や供試体作製条件によってどの程度変化するのかについても明らかにしていきたいと考えている. 6. まとめ本研究で得られた知見を以下にまとめる. 供試体縦横比が異なる試験と比較した結果, 本研究で用いた方法によって立方体形状である 3 層供試体から各層のせん断特性の違いを相対的に把握することや, 凍結融解などによる強度定数の変化を評価することは概ね可能だと判断した. X 線 CT 撮影等から凍上させた供試体において上層の凍上量が最も大きく, 多くのアイスレンズが存在することを確認した. また,3 層の中で上層の最大せん断応力が最も小さいことから, アイスレンズのでき方やその量が土のせん断強度やダイレイタンシー特性の変化に大きく関与すると考えられた. 凍結融解による最大せん断応力やダイレイタンシー挙動の変化は定体積一面せん断試験の方が顕著であった. これは定体積一面せん断試験では定圧一面せん断試験のようにせん断中に圧縮挙動が生じないため, 融解後にも残存していたアイスレンズによる土構造の損傷 ( クラック) がより顕著に反映したためではないかと考えられる. 本試験で得られた強度定数を用いた無限長斜面の安全率計算から, 凍結範囲となりうる斜面表層では内部摩擦角に比べて粘着力の方が安全率に大きく影響し, 凍結融解による粘着力の低下が斜面の不安定化に大きく関与していると考えられた. また, 層厚の小さい範囲では凍結融解供試体の定体積一面せん断試験から得られたφ' と c' を用いて計算した安全率が最も小さく, 定圧一面せん断試験から得られたφd と cd に比べて凍結融解による安全率の変化も顕著であることが分かった. 179

8 参考文献 1) 佐々木貴, 川口貴之, 中村大, 山下聡 : 凍結融解の有無が締固めた細粒土の一面せん断挙動に与える影響, 地盤工学会北海道支部技術報告集,Vol.54,pp.69-74,14. 2) 石川達也, 尾崎悠太, 三浦清一 : 凍結融解作用を受ける火山灰質粗粒土の力学特性の評価試験方法の検討, 土木学会論文集 C,Vol.64,No.3,pp ,8. 3) 小野丘, 三田地利之 : 粘性土の軸対称三軸応力下における凍結融解履歴について, 土木学会論文集, No.617/III-46,pp , ) 小野丘, 小玉大樹, 加藤幸輝 : 凍結融解履歴を受ける正規圧密および過圧密飽和粘土の性質について, 土木学会論文集,No.743/III-64,pp.47-57,3. 5) 中村大, 鈴木輝之, 後藤隆司, 金学三, 伊藤陽司, 山下聡 : 凍結融解による土の透水係数及び間隙比の変化, 土木学会論文集 C,Vol.67,No.2,pp ,11. 6) 地盤工学会 : 地盤材料試験の方法と解説, 二分冊の2,pp.667,9. 7) 高田直俊, 大島昭彦, 坂本佳理 : 一面せん断定圧試験における供試体層厚の影響, 第 31 回地盤工学研究発表会講演集,pp , ) 住武人, 大島昭彦, 高田直俊, 深見知亨 : 一面せん断定圧試験における供試体層厚の影響 ( 第 2 報 ), 土木学会第 52 回年次学術講演会概要集,III-A,Vol.3,pp.6-61, ) 福田誠, 青山清道, 小川正二 : 凍結 - 融解を受けた土の強度低下, 土木学会第 33 回年次学術講演会講演概要集,pp , ) 長沢徹明, 梅田安治 : 土の強さに及ぼす凍結融解過程の影響, 農業土木学会論文集,Vol.6,pp.19-25, ) 青山清道, 小川正二, 福田誠 : 凍結 - 融解を受けた土の力学特性, 土木学会第 34 回年次学術講演会講. 演概要集,pp.77-78,

H23 基礎地盤力学演習演習問題

H23 基礎地盤力学演習演習問題せん断応力 τ (kn/m ) H6 応用地盤力学及び演習演習問題 4 年月日. 強度定数の算定ある試料について一面せん断試験 ( 供試体の直径 D=6.cm, 高さ H=.cm) を行い表に示すデータを得たこの土の強度定数 c, φ を求めよ垂直応力 P (N) 4 せん断力 S (N) 5 8 < 解答 > 供試体の断面積 A=πD /4 とすると垂直応力 σ=p/a 最大せん断応力