土の液性限界・塑性限界試験について

土の液性限界・塑性限界試験について調べてみました。

土の液性限界・塑性限界試験は、「土が塑性状態から液状に変わるときの含水比である液性限界(wL)」と「土が塑性状態から半固体に移るときの塑性限界(wP)」を求める試験です。
粘土・シルト分を多く含む細粒土は、含水比が変化すると、その性状が変わります。
非常に乾いているときは、固体的に振る舞い、含水比が少し上昇すると半個体として振る舞い、塑性限界(wP)を超えると塑性体として振る舞い、さらに含水比が上昇して液性限界(wL)を超えると液体と同様な性状を示すように変化します。
このような、硬さや変形に対する抵抗性の大小を、総称して、コンシステンシーと言い、液性限界や塑性限界をコンシステンシー限界とも言います。
試験結果は、主に、細粒土の分類に使用され、粒度試験の沈降分析結果よりも、液性限界・塑性限界試験結果の方を優先します。

1)液性限界(wL)
液性限界は、粘性土が塑性体を示す最大の含水比または液体状を示す最小の含水比で、「JIS A 1205 土の液性限界・塑性限界試験」により求められます。
液性限界(wL)より含水比の高い粘性土は僅かな荷重増や衝撃により不安定化が著しく、こね返すと容易に流動し、ベタベタの状態になります。
しかし、液性限界(wL)の土は、実際にはある程度のせん断強度を有しており、その強さは2.0~3.0kN/m2の範囲にあるとされています。

2)塑性限界(wP)
塑性限界は、粘性土が塑性体を示す最小の含水比または半固体状を示す最大の含水比で、「JIS A 1205 土の液性限界・塑性限界試験」により求められます。
塑性限界(wP)は、ガラス板の上で、直径3mmの粘土ひもを作成したときに、粘土ひもがきれぎれになる含水比を持って塑性限界(wP)とします。
なにか、個人差が大きくでる試験のようですが、それなりに経験をつんだ人が行えばあまり個人差は無いようです。
塑性限界(wP)は、その土の締固めにおける最適含水比(wopt)とほぼ同じ値であるようです。

3)収縮限界(wS)
収縮限界は、粘性土が半固体状を示す最小の含水比または固体状を示す最大の含水比で、これ以上乾燥しても体積変化が生じない最大の含水比でもあります。
この値は、「JIS A 1209 土の収縮定数試験方法」により求まりますが、土木に係わる実務では他の土質試験に比べて実施されることが少ない土質試験だと思います。

4)液性限界(wL)と塑性限界(wP)から求められる指標
液性限界(wL)と塑性限界(wP)から求められる指標として、次のものがあります。
①コンシステンシー指数 Ic
コンシステンシー指数は、粘性土(細粒土)の硬軟や安定の程度を表します。
計算式は、液性限界(wL)から自然含水比(w)を引いた値を塑性指数(IP)で割ったもので、自然含水比(w)が塑性限界(wP)に等しい場合はIc=1となり、塑性限界(wP)より低い場合はIc>1となります。
Ic≧1のときは安定な状態にあり、硬いこととなります。
また、自然含水比(w)が液性限界(wL)と等しいときはIc=0ですから、Icが小さな値であるときは自然含水比(w)が液性限界(wL)に近く、不安定な状態にあることとなります。
正規圧密の粘性土ではIc≒0に近いことが多くなります。
・コンシステンシー指数 Ic=(wL-w)/(wL-wP)=(wL-w)/Ip
②液性指数 IL

液性指数、相対含水比とも呼ばれていますが、計算式は、自然含水比(w)から塑性限界(wP)を引いた値を塑性指数(IP)で割ったものですから、粘性土の相対的な硬軟を示す指数です。
液性指数(IL)は自然含水比(w)が塑性限界(wP)に近い場合IL≒0となりますから、その粘性土は安定となります。
逆に言えば、ILが1に近いときは液性限界(wL)に近く、IL≧1ですと液性限界(wL)以上となりますから、この値が大きくなるほど圧縮性に富み、不安定で鋭敏な粘性土であると言えます。
また、液性指数(IL)は、その粘性土の応力履歴の概略を判断する目安とすることが出来ます。
正規圧密の粘土は自然含水比(w)が液性限界(wL)に近いことが多いので、IL≒1で過圧密の粘性土ではIL≒0となります。
IL<0の粘性土は極めて過圧密な粘性土と推定されています。
コンシステンシー指数(Ic)と液性指数(IL)は、塑性指数(IP)に対して自然含水比(w)が液性限界(wL)と比べてどの程度の位置にあるか、あるいは塑性限界(wP)に比べてどの程度の位置にあるかを指数化したものです。
・液性指数 IL=(w-wP)/(wL-wP)=(w-wP)/Ip
③塑性指数 IP
塑性指数は、土質材料の管理基準や判定指標として利用されています。
塑性指数(は液性限界(wL)から塑性限界(wP)を引いたものですから、その粘性土が塑性体として振舞う含水比の幅を表わすものとなります。
塑性指数は、土の細粒分の分類に使われる他、路盤材料の品質規格の判定に使用されます。
塑性指数は、砂質土では0または小さく、その土に含まれる粘土分が多くなると塑性指数(IP)も大きくなります。
また、液性限界が高いわりに塑性指数が小さいものは有機質土の可能性が高いとのことです。
土の細粒分の分類では、沈降分析により求められたシルト分や粘土分の値より、塑性図における分類を優先して使用します。
・塑性指数 IP=wL-wP
④活性度 A
活性度は、粘性土の活性の程度を表わします。
粘性土の液性限界(wL)と塑性限界(wP)は、粘土分の含有率が高くなるとそれぞれの値も大きくなりますが、塑性限界(wP)の増加量に比べて液性限界(wL)の増加量の方が増加度合いが大きいことが知られています。
このため、塑性指数(IP)は、粘土分の含有率に正比例して増加することとなりますので、塑性指数(IP)の大きな粘性土が活性度の高い粘土鉱物を含んでいることにはなりません。
そこで、スケンプトンは、塑性指数(IP)を0.002mm以下の粘土含有量(%)で除して、活性度を表わすことにしました。
活性度(A)は、土木の分野ではあまり使われていないと思いますが、Aの値が大きいほど活性度が高いことを示し、粘土の成分・性状に応じた分類では役立つようです。
日本の港湾地域の粘性土の例では大部分が1~2程度と言われています。
・活性度 A=Ip/(0.002mm以下の粘土含有量(%))
⑤塑性比 Pr

塑性比は、塑性指数(IP)を塑性限界(wP)で除した値で、塑性限界(wP)を1とした時に、塑性的性状を示すために、土粒子が保持している水分量の割合を示します。
横軸を液性限界、縦軸を塑性比とした塑性比図を用い、活性度Aでは十分に説明できない土のコンシステンシー特性をより的確に表現しようとするものだそうです。
・塑性比 Pr=Ip/wP
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