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Deformation modulus characterization of unsaturated cohesive soil in small strain range by in- situ and trixial tests

(原位置および三軸試験による微小ひずみ領域における不飽和粘性土の変形特性)

氏名 Sramooon Wilailak
学位の種類 博士(工学)
学位記番号 博甲第286号
学位授与の日付 平成15年12月31日
学位論文題目 Deformation modulus characterization of unsaturated cohesive soil in small strain range by in- situ and trixial tests (原位置および三軸試験による微小ひずみ領域における不飽和粘性土の変形特性)
論文審査委員
 主査 教授 杉本 光隆
 副査 助教授 海野 隆哉
 副査 助教授 大塚 悟
 副査 助教授 豊田 浩史
 副査 北海道大学大学院工学研究科 助教授 澁谷 啓

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TABLES OF CONTENTS

Title page p.i
Acknowledgements p.ii
Abstract p.iv
Tables of contents p.v
List of tables p.ix
Llst of figures p.x
Notations p.xvi

chapter1 INTRODUCTION p.1
1.1 General p.1
1.2 Unsaturated soil p.1
 1.2.1 Classification of unsaturated soils p.2
 1.2.2 Importance of unsaturated soil p.3
 1.2.3 Unsaturated soil theory p.4
1.3 Small strain stiffness p.16
 1.3.1 Importance of small strain stiffness p.16
 1.3.2 Small strain stiffness by in-situ test p.17
 1.3.3 Small strain stiffness of saturated soils in laboratory tests p.22
 1.3.4 Small strain stiffness of unsaturated soils p.24
 1.3.5 Non-linear small strain stiffness p.28
1.4 Objectives and scopes of this sutudy p.33
1.5 Organization of this research work p.35

chapter2 Soil stiffness by in-situ tests p.36
2.1 General p.36
2.2 Test site characteristics and geological profiles p.37
2.3 In-situ testing program p.43
 2.3.1 Field vane shear test (FVT) p.43
 2.3.2 Seismic cone penetration test (SCPT) p.43
 2.2.3 Cone penetration test (CPT) and Piezocone test(CPTU) p.43
 2.3.4 Dilatometer test (DMT,Marchetti,1980) p.43
2.4 Test results and data analysis p.44
 2.4.1 Prediction of soil stiffness by cone tip resistance p.44
 2.4.2 Prediction of soil stiffness by dilatometer modulus p.47
 2.4.3 Estimation of soil stiffness with borehole data p.49
2.5 Summary p.55

chapter3 Development of triaxial system for small strain measurement p.56
3.1 General p.56
3.2 Dvelopment of small strain measurement equiment p.56
 3.2.1 Triaxial apparatus and small strain measurement systen p.56
 3.2.2 Proximeter mesurement p.59
 3.2.3 Requirements for small strain measurement by proximeters p.62
 3.2.4 Sources of errors for small strain mesurement by proximeters p.62
 3.2.5 Strain rate p.68
3.3 Experiment p.69
 3.3.1 Soil sample preparation p.69
 3.3.2 Testing procedure p.70
3.4 Reliability test p.75
3.4.1 Repeatability p.75
3.4.2 The influence effects by diffrence of distance between axial targets p.81
3.4.3 Comparative laboratory on NSF stiffness result p.84
3.4.4 Self-checking by initial shear stiffness(Go) p.87
3.5 Summary p.90

chapter4 Factors affecting small starain stiffness of unsaturated soil p.91
4.1 General p.91
4.2 Testing program p.91
4.3 Factors affecting small strain characteristics and stiffness of unsaturated soil p.95
 4.3.1 Influence of suction effect to the basic characteristics of soil test p.95
 4.3.2 Influence of stress effect to the basic characteristics of soil test p.96
 4.3.3 Influence of drainage condition effect to the basic characteristics of soil test p.100
 4.3.4 Influence of siol parameters affecting E0.001 p.102
 4.3.5 Influence of suction and mean net stress to soil stiffness at strain 0.001% p.106
 4.3.6 Influence of suction and stress effect on stiffness-normalizing p.106
4.4 Summary p.113

chapter5 Ssmall starain stiffness model forf unsaturated soil p.115
5.1 General p.115
5.2 Non-linear small starain stiffness of unsaturated soil p.115
 5.2.1 Nonlinearity with stiffness dependency by hyperbolic model p.115
 5.2.2 Data analysis with the non-linear parameter determination p.120
5.3 Initial stiffness of unsaturated soil p.131
 5.3.1 Formulation of the initial stiffness p.131
 5.3.2 Data analysis with the parameter determination at initial state p.133
5.4 Summary p.144

chapter6 Conclusions and recommendations p.145
6.1 Conclusions p.145
6.2 Recommendations for further studies p.147

Feferences p.148

本研究は,不飽和土の微小ひずみ領域における変形特性を明らかにするために,原位置試験と室内要素試験を行い,サクションが不飽和土の変形特性に与える影響を考察したものである.
一般に土は小さなひずみ領域から強い非線形性を示すため,擁壁や基礎の変形を正確に予測するにためには,この非線形挙動を把握しておくことが重要となる.土の変形特性に関する研究は飽和土に対して行われており,不飽和土に対するデータがほとんど存在しないのが現状である.そこで本研究では,微小ひずみを精度良く測定でき,不飽和土の試験も可能な三軸試験装置を開発する.この試験装置を用いた実験結果から,不飽和土の変形特性におよぼすサクションと基底応力の影響について考察する.さらに,サクション(または飽和度),基底応力,間隙比から不飽和土の初期剛性を予測できる計算式を確立する.また,剛性のひずみ依存性についても,既存の双曲線法の適用が可能か検討する.最終的に,複雑で時間の要する不飽和土の試験を行わなくても,取得の容易なパラメータから不飽和土の変形特性が予測できることを目標とする.
本論文は,「原位置および三軸試験による微小ひずみ領域における不飽和粘性土の変形特性」と題し,6章より構成されている.
第1章「序論」では,不飽和土の基礎的理論を説明するとともに,微小ひずみ領域における変形特性についての既往の研究をまとめている.さらに,以上のことを基に,本研究の背景と目的を述べている.
第2章では,タイのバンコクで行った原位置試験の結果をまとめている.サイスミックコーン試験を中心に,比較のため電気式コーン貫入試験とダイラトメータ試験も行った.それぞれの試験から得られる地盤剛性に関して相関関係を調べたところ,地盤(土質)の違いによる差が若干見られた.地盤剛性に関して,これまで提案されている関係式を適用したが,地中の深いところに存在する硬質粘土において,あまりよい一致が得られなかった.この理由として,地下水汲み上げによる硬質粘土層の飽和度の低下が挙げられる.そこで,飽和度をべき乗関数として組み込んだ新たな関係式を提案した.
第3章では,第2章の研究成果を受け,不飽和土の変形特性を詳細に調べられるような三軸試験装置の開発を行った.三軸セル外から位置調整可能なギャップセンサーにより供試体の局所ひずみを測定する方法を選択した.試験の測定誤差,再現性,軸ひずみ測定ターゲット間の距離について検討を行った.この方法により,0.001%のひずみまで精度良く測定できることを示した.
第4章では不飽和土の変形特性に影響をおよぼす因子として,サクション(または飽和度),基底応力,間隙比を変化させて実験を行った.飽和土と比較したとき,サクションが100kPaで約2倍,サクションが400kPaで約3倍の初期剛性が得られることがわかった.また,基底応力のルートに比例して剛性が大きくなることを示した.さらに,不飽和土の初期剛性は,排水条件によらずほぼ同じ値を取ることを示した.このように,サクションや基底応力により初期剛性は大きく変化するが,今回の試験ケースでは間隙比の変化が小さかったため,間隙比の影響を記述するには至らなかった.不飽和土の変形係数を飽和土の変形係数で割った値は,どの試験ケースにおいても,ひずみがほぼ0.1%で最大値を示すという興味深い結果が得られた.
第5章では,変形係数のひずみ依存性と初期変形係数の計算式を提案した.ひずみ依存性に関しては,双曲線モデルを選択し,そのパラメータの取りうる値の範囲について議論した.初期変形係数に関しては,サクション(または飽和度),基底応力,間隙比を含んだ関係式を3つ提案し,どの式も誤差がプラスマイナス15%と良好な結果を得た.この式を用いることにより,容易に不飽和土の変形特性が予測できる.今回の試験では,低サクション(400kPa以下)で,高飽和度(70%以上)の試料について検討したが,今後は高サクション,低飽和度の試料での適用性について調べる必要性もある.
第6章では,本研究を総括し,本研究で得られた知見をまとめた.さらに,今後の検討課題を示した.以上のように,本研究では,不飽和土の変形特性について,新たな三軸試験装置を開発するとともに,原位置と室内試験の比較検討を行い,その工学的利用方法についても言及している.

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