一面せん断従来型定圧試験と真の定圧試験の比較大阪市立大学工学部正 ○大島昭彦高田直俊同学坂本佳理(現東洋建設) まえがき加圧板がせん断箱中で移動する通常の形式の一面せん断試験機では，供試体とせん断箱内面の周面摩擦のため，ダイレイタンシーに起因する供試体の体積変化に伴ってせん断面上の垂直応力が変化する．すなわちダイレイタンシーの正，負によって垂直応力はそれぞれ増加，減少し，したがって得られる強度は過大，過小になる．これを避けるために加圧板とせん断箱を一体化した中型試験機を試みている 1) が，操作の繁雑さなどから，必ずしも通常の試験には適していない．このことから通常形式の試験機で加圧軸側の垂直応力を制御して，せん断面上の垂直応力を一定とする試験（真の定圧試験と呼ぶ）が提案されている AAAA が，定圧試験の簡便さを損なうことになる．ここでは，従来方反力ネジ式の定圧試験でもせん断面上の垂直応力を測定して強度を整理すれば，真の定圧試験，定体積試験と一致することを報告する．実験方法試料は，乾燥豊浦砂（ Dmax=0.425mm ， D50 =0.19 mm ，ρs=2.65 ，ρdmax=1.63 ，ρdmin =1.36 g/cm3 ）である．図-1 に試験機の概略を示した．改良型試験機の形式を踏襲し，せん断面上の垂直応力σU を直接測定するため，上せん断箱と反力ロー 4) ラーの間に 2 台の平行平板型の荷重計を入れる改造を行った．せん断の進行とともに上荷重計にかかる加圧力の作用点が移動するが，それによって出力がずれないことを確認している．図 -2 に加圧軸側垂直応力σL とせん断面上の垂直応力σU の算定方法を示した．σU は上せん断箱の自重（荷重計，上板を含む）を考慮している．試験条件は，供試体直径φ 120mm ，層厚 H40mm ， A A AA AA A τ 上下せん断箱の隙間 d=0.5mm5)，せん断速度 0.8mm/min で，従来方式の定圧試験は通常通りσL （=σc ）が一定（無制御）で，真反力ローラー供試体上せん断箱下せん断箱下加圧板 AA AA A AA 上ガイドローラー加圧軸下ガイドローラー加圧軸位置決めボルト下垂直荷重計の定圧試験はσU （=σc ）が一定になるようにσL を制御した．反力板上垂直荷重計初期密度 Dr=25 ， 75% （空中落下法），圧密圧力σc ＝ 1 ， 2kgf/cm ， 2 2),3) 実験結果図−３，４にそれぞれ Dr=25 ， 75%における試験結果を比較した．従来方式のσU は，圧密終了時に下せん断箱内面の下向きの摩擦力でσL の約 90%となる．図(1)の応力−変位関ベロフラムシリンダー係によると，せん断初期の負のダイレイタンシーで垂直変位∆ H が収縮する間のσU は従来方式の方が小さく，τ は小さい．その後，ダイレイタンシーが正に転じて∆ H が膨張に向かうと摩擦力も図−１一面せん断試験機の概略上向きに反転し，σU は大きくなる．この段階でτ が最大となるため，τ f は従来方式が約 10%大きい．しかし，図(2)の応力比−変位関係に示すように，両者の垂直応力比σU/σL （垂直応力伝達率を表す）と応力比τ /σU はほとんど一致しており，相似的なせん断挙動が生じている．またこの場合の周面摩擦によるσU の変化割合は±20%程度である（供試体の直径と層厚の比が 3 の場合）．図(3)のσU による応力経路には定体積試験による経路も合わせて示したが， 3 種類の試験の P1 + P2 + W A P1：反力(上荷重計No.1) P2：〃 (上荷重計No.2) W ：上せん断箱自重 P2 P1 W σU = 供試体強度線はほとんど一致している．ただし，図(3)の表中に示すように，通常の(τ f /σL) で定義した摩擦角φ d は，(τ /σU)max で定義した摩擦角φ d ’より 2∼4°大きい．以上から，従来方式の定圧試験方法でもせん断面上の垂直応力σU を測定して (τ /σU)で強度を整理すれば，正しい強度定数を得ることができる． P σ =P L A 図−２ σU，σLの算出方法 Comparison between ordinary and true split box shear tests under constant pressure condition Akihiko Oshima, Naotoshi Takada and Yoshimasa Sakamoto : Osaka City University 1.5 τ–D (1) 応力−変位関係 1.5 τ (kgf/cm2 ) τ (kgf/cm2 ) τ –D ∆H – D 0 0 ∆ H (mm) 0.5 0.5 1.0 τ–D 4 8 D (mm) ∆H – D 凡例は(2)と同じ 0 -0.5 16 12 0 1.2 4 8 D (mm) 16 1.0 (2) 応力比−変位関係 0.8 0.8 τ/ σU – D τ/ σ U , σ U/ σL τ/ σU – D τ/ σ U , σ U/ σL 12 1.2 (2) 応力比−変位関係 0.6 0.6 0.4 0.4 σU = 1 真の定圧 σU = 2 〃 σL= 1 従来定圧 σL= 2 〃 0.2 0 0 4 8 D (mm) 12 (3) 応力経路 1 8 D (mm) 12 Mark 条件 σU=1 σU=2 σL=1 σL=2 e0 0.699 0.702 0.704 0.705 Df 2.000 2.596 2.046 3.078 τf 0.760 1.473 0.866 1.669 φd 39.8 40.8 40.0 40.9 φd' 36.0 37.2 36.4 37.3 φd = tan-1(τf /σL), φd' = tan-1(τ /σU)max 2 32.0° 4 16 3 τ (kgf/cm2) τ (kgf/cm2) 2 0 0 16 Mark 条件 σU=1 σU=2 σL=1 σL=2 e0 0.864 0.863 0.867 0.864 Df 4.290 4.924 5.074 5.768 τf 0.665 1.285 0.731 1.406 φd 36.0 34.6 36.2 35.1 φd' 33.6 32.7 33.7 32.9 φd = tan-1(τf /σL), φd' = tan-1(τ /σU)max σU = 1 真の定圧 σU = 2 〃 σL= 1 従来定圧 σL= 2 〃 0.2 3 35.4° (3) 応力経路 1 ▲は定体積試験による． ▲,▼は定体積試験による． 0 0 σU / σL – D σU / σL – D 1.0 0.5 0.5 凡例は(2)と同じ 0 τ–D ∆ H (mm) (1) 応力−変位関係 1.0 0 1 σ U (kgf/cm 2) 2 3 0 0 1 σ U (kgf/cm2) 2 3 図−３豊浦砂 Dr=25%における従来型定圧試験と図−４豊浦砂 Dr=75%における従来型定圧試験と真の定圧試験の比較 (φ 120×H40, d=0.5mm) 真の定圧試験の比較 (φ 120×H40, d=0.5mm) 参考文献 1) 高田，他：一面せん断試験と単純せん断試験の比較，直接型せん断試験の方法と適用に関するシンポジウム , pp.173∼ 180, 1995 ． 2) 澁谷，他：豊浦砂の一面せん断強度に及ぼす供試体寸法と形状の影響 , 1)と同じ， pp.95∼ 102, 1995 ． 3) 本郷，他：一面せん断試験機の自動化と適用性 , 1)と同じ , pp.135∼ 140, 1995 ． 4) 谷：切削加工の分野で使用されるロードセルについて ,生産研究 , 34 巻 6 号 , pp.35∼ 42, 1982 ． 5) 大島，他：一面せん断定圧試験における上下せん断箱の隙間の影響 ,第 31 回地盤工学研究発表会（投稿中） , 1996 ．