'08/2/18
土の三軸試験 目次 
吉見 吉昭 

 土の三軸試験は土のせん断強さと応力〜ひずみ関係を求めるための試験で,xyz 軸方向に力を加えてそれによる変形などを測定するものです。研究用としては直方体の供試体のxyz 軸に異なる力を加える“真の三軸試験”がありますが,ここでは研究と実務で広く用いられる“三軸圧縮試験”に話を限ります。この試験では,フレキシブルな膜をかぶせた円柱形の供試体を圧力室に入れて側圧をかけ,蓋を貫通する丸棒(ピストン)を介して軸方向に荷重を加える方式です。円柱の軸方向にz 軸をとれば,それと直交するx 軸とy 軸はいずれも半径方向なので軸対称問題となります。圧力室の円筒はふつうは透明ですが,高圧の場合は鋼管を用いることもあります。供試体の底にはポーラスストーンというフィルターがあって,土の中の“間隙水”の出入りをコントロールします。

 
図1 軸差応力
とせん断応力
  図2 完全両振り
繰返し三軸試験

 三軸圧縮試験の特長は,供試体が円柱形であることと表面がせん断応力の作用しない“主応力面”であることです。それによって,地中から採取した試料を無駄なく利用し,供試体整形時の乱れが土の強度に与える影響を小さくできます。問題によっては実際の応力・ひずみ条件と一致しないことがありますが,乱さない試料を使って実際の地盤の強度変形特性を評価したい時は,上記の特長が短所を十分カバーできると考えられます。

 試験には圧密とせん断の二つの段階があります。圧密は,周囲から等しい圧力(等方圧)をかけた状態で間隙水の排出を許すことで,せん断応力は,側圧と異なる圧力(軸差応力)を軸方向に加えることによって供試体内部の傾いた面に作用します。図1はピストンの軸力から周圧の影響を差し引いた“軸差応力”の合力と釣合う反力を任意の断面に働く垂直応力とせん断応力に分解した様子を示しています(供試体の自重の影響は無視)。単位断面積当りのせん断応力度は,45度傾いた断面上で最大となり,その値は単位断面積当りの軸差応力度の半分です。

 等しい軸差応力の方向を交互に変える“完全両振り繰返し試験”では,図2のように45度傾いた面上に最大せん断応力が交互に加わります。供試体中の図示の要素を45度回転させたものが水平地盤中の土の要素であると仮定すると,地震時の繰返しせん断応力を模擬することができます。

 土にはせん断中に体積変化を起こすダイレイタンシーという性質がありますので,せん断中の吸・排水条件がせん断強さに重要な影響を及ぼします。吸・排水条件によってせん断試験を分けると下記のようになります。

 どの排水条件を適用するかは,主として載荷速さと圧密速さの大小関係によって決まります。すなわち

 軟らかい粘土の場合は,軸差応力を増やしていくと中膨れとなり,明確な破壊面が現れませんが,硬い粘土や砂では水平面から45度より急な角度に破壊面が発生します。

地盤と建築基礎