'03/6/23
粘土の圧密特性 目次 
吉見 吉昭 

 図-1は,粘土粒子の間隙が水で満たされている“飽和粘土”の水平地盤の一部を模式的に表しています。ピストンとシリンダーの間には摩擦抵抗がないものと仮定します。スプリングは,粘土粒子から成る“骨格”に相当します。Wなる荷重(地盤の自重に相当)がスプリングだけによって支持されていたところへ,ΔWという荷重(盛土または建物の重量に相当)が新たに加わると,ΔWは,初め,粘土骨格と比べて著しく圧縮しにくい水によって支持されます。ΔWによって圧力の高くなった水は孔から外へ流出しますが,そうすると,ピストンが下がるとともにスプリングが縮んで,その分担する力が増え,WWに達すると,静止状態に戻ります。荷重を増やす代りに,地下水位の低下によって水が吸い出されても同様な結果になりますが,このことは,“地盤沈下と建物の不同沈下”で述べました。

図−1 圧密のメカニズム 図2 間隙比と有効応力の関係
 スプリング特性に相当する粘土の圧縮特性は,ほぼ図-2のようになります。縦軸の間隙比は,土粒子以外の部分(飽和土の場合は間隙水)の体積と土粒子の体積の比で,横軸は鉛直方向の有効応力(通常の応力から間隙水圧を差引いた値)を対数目盛りでプロットしたものです。点線は,その深さから上に堆積した地層の重量によって圧密が進行してAに達した,正規圧密過程を示しています。A点の正規圧密状態とは,それ以上の有効応力を経験したことがないことを意味します。A→Bは,荷重がΔWだけ増えることによる正規圧密過程を示しますが,この傾き(圧縮指数)が大きいほど圧縮性が高いことになります。B→Cは,荷重が減ることによるリバウンド(膨れ上がり)過程で,その傾きは,圧縮指数の十分の一程度です。つまり,粘土の圧縮・膨張特性は不可逆なのです。東京の下町では,地下水の汲上げ規制の効果で,地下水位が上昇した結果,有効応力が低下して,リバウンドが起りつつありますが,これについても,“地盤沈下と建物の不同沈下”で述べました。

 Cは,Wが現在の有効応力に対応するとすれば,それより大きな有効応力を経験したことがあるという意味で,過圧密状態に対応します。C→Bは,過圧密粘土が荷重ΔWによって再度圧密する過程です。C→BはB→Cと全く重なるわけではありませんが,ほぼ同じ位置にあると言えます。したがって,過圧密粘土の圧密量は正規圧密粘土より一桁ほど小さいことになります。ただし,ΔWより大きな荷重を加えれば,B点から右は,A→B線の延長線に乗って再び正規圧密領域に入りますから,大きな沈下が起ることになります。プレローディング工法では,粘土層にA→B→Cという履歴を与えますが,余裕をみて,ΔWが構造物の荷重より大きくなるようにします。

 図-1に示したピストンの孔の大きさは,粘土の透水性を表しますが,圧密に要する時間は,透水性が低いほど,圧縮性と粘土層の厚さが大きいほど長くなります。この中では厚さの影響が重要で,時間は厚さの自乗に比例して長くなります。粘土層の下に砂層や礫層があると,図-1のシリンダーの底にも孔があるようなものですから,粘土層の厚さが半分になったのと同様な効果があり,圧密層の下に不透水層(粘土や泥岩)がある場合と比べて,圧密に要する時間は四分の一になります。
 ある粘土層が最終的にどれだけ圧密沈下するかについては,乱さない試料に対する圧密試験を行うことなどによって,ある程度の確度で予測できますが,圧密に要する時間についての予測は,かなり難しいことを覚悟する必要があります。

有効応力の対数と間隙比との関係が直線になるという理論的根拠はありません。
吉見吉昭:『地盤と建築構造のはなし』,技報堂出版,2006
地盤と建築基礎参考図書