三軸圧縮試験の種類と土質への適用について

室内土質試験のなかで、地盤の強さを計測する試験の一つに三軸圧縮試験があります。

三軸圧縮試験(さんじくあっしゅくしけん triaxial compression test)は、不透水性の膜で包んだ円柱形の供試体に三軸的な圧力を加えながら、更に軸方向に圧縮して強度-変形特性を求める試験です。
この試験で、設計・施工に必要な、粘着力C、内部摩擦角φを求めることができます。
一軸圧縮試験は、試験体に、z方向(鉛直方向)だけに載荷しますが、三軸圧縮試験では、z方向だけではなく、x,y(水平方向)にも力を作用させます。
三軸圧縮試験器は、供試体をゴムスリーブで被膜した後、三軸室内に水を満たし水圧をかけることにより、供試体に側方から均等に一定の圧力を加える事ができます。
また、供試体の上・下には水を通すような仕組みになっており、供試体の間隙水の制御も可能になっています。
土の強度を測定する上で、供試体への水の出入りは重要な要素になるので、施工目的に合致した状態の土質定数を求める事ができる試験方法です。

試験方法と適用は、以下の通りです。
①非圧密非排水試験(UU)
比較的透水性の低い土が排水をしないで荷重をかけて圧縮強さを求めます。
通常、飽和粘土の場合には間隙水圧が発生するので、側圧の増加がただちに強度の増加とはならないので、一軸圧縮試験をすることが多いです。
不飽和土の場合は空隙に圧密作用が働き、結果的にCU条件と近似した値になることがあります。
②圧密非排水試験(CU)・(CUber)
圧密を行ったのち、せん断強さの増加分を調べることができます。
CUbarはせん断中に試料の間隙水圧を測定して、有効応力解析に利用します。
飽和粘土でCD試験を行うかわりにCUbar試験を行うことがあります。
また、原位置での有効応力を三軸室で作用させたのち、圧縮強さを求める簡易型のCU試験もあります。(厳密なK0圧密ではないために簡易型と呼んでいます)
③圧密排水試験(CD)
圧密を行ったのち、過剰間隙水圧が発生しない条件で圧縮試験を行います。
圧縮過程で間隙水を排水させるので、砂のような透水性のよい土に適用される事が多いですが、粘性土でも緩速施工が想定される場合には適用できます。

地中から採取した「乱れの少ない土」は、地中では、常に土圧を受けていますが、地上では、土圧が作用しない状態となります。
周囲から圧力を受けている状態とそうではない状態を想像すると、周囲から土圧を受けている方が強く、変形も小さくなります。
したがって、三軸圧縮試験では、採取する前の応力状態を再現するために、鉛直方向と水平方向の力を加えます。
この過程を、「圧密過程」と呼びます。
「圧密過程」が終了すると、「せん断過程」に入ります。
ここでは、試験体にz方向の力を与え、地盤が破壊するまで力を大きくしていきます。
この「せん断過程」で、載荷中に作用する間隙水圧を計測する場合がありますが、水はけの悪い粘性土の場合、せん断中に過剰間隙水圧が発生し、土の粒子間に働く力が小さくなります。
過剰間隙水圧が大きくなりすぎると、土粒子間に力が伝わらなくなります。
この状態は、液状化現象と全く同じものです。
「圧密過程」と「せん断過程」において、供試体から水を抜くか抜かないかで、試験結果は大きく変わります。
「圧密過程」で圧密を行い、「せん断過程」で排水を許しながらせん断する条件を、「圧密排水(CD)」試験と言います。
一方、圧密後、せん断中の排水をゆるさない試験を「圧密非排水(CU)」試験と言います。
CD試験は砂質土で、CU試験は粘性土で適用することが一般的です。
また、粘性土では、UU(非圧密非排水)試験もよく利用されますが、この試験は、土圧による拘束効果が全く期待できないので、地盤の特性を十分に再現しているとは言えません。
また、せん断中に間隙水圧を確認する試験は、(CU)などの試験要件を表す文字の上に横棒を書き(CUber)試験と呼びます。
このように、三軸圧縮試験の試験条件は、
①対象となる地層の土質
②荷重が作用した場合の挙動
をある程度想定し、条件設定をする必要があります。

土質試験名(力学試験)試料の状態
A:乱した
B:乱れの少ない
目的結果
土の一軸圧縮試験
JIS A1216/JGS0511
B地盤の支持力
改良体の品質管理
一軸圧縮強さqu
C(粘着力)など
土の非圧密非排水(UU)
三軸圧縮試験
JGS0521
B主に粘着土地盤の
現状の支持力
杭の周辺摩擦の
算定など
Φ(内部摩擦角)
C(粘着力)など
土の圧密非排水(CU)
三軸圧縮試験
JGS0522
B主に粘性地盤において
圧密化完了した後の
地盤の安定計算など
Φ(内部摩擦角)
C(粘着力)など
土の圧密非排水(CUバー)
三軸圧縮試験
JGS0523
B主に粘性地盤の
長期安定解析
盛土、擁壁、 掘削工の
安定解析など
Φ(内部摩擦角)
C(粘着力)など
土の圧密排水(CD)
三軸圧縮試験
JGS0524
B砂質土地盤の支持力
盛土地盤の長期安定性
の推定など
Φ(内部摩擦角)
C(粘着力)など
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