一軸圧縮試験と地耐力
2019年03月01日 地盤改良
一軸圧縮試験は、地盤改良工事の耐圧性能を評価・測定するのに欠かせない試験です。一軸圧縮試験以外にも種類があります。浅層混合処理工法や中層改良工法などで地盤改良を行った後、目的に応じて改良土の圧縮試験を行いながら、強度を確認します。
横から圧力を加えず、一軸で圧縮を行うのが一軸圧縮試験、横からの圧力を加えるのが三軸圧縮試験です。一軸圧縮試験は上下から押しつぶすイメージです。一軸圧縮試験は三軸圧縮試験より簡便に実施することができ、しかも、地盤の力学性状を測定する方法として充分に効果的な方法です。一軸圧縮試験から算出された改良土の強度は、構造物基礎地盤の支持力などの評価に役立つ重要な数値です。 マッドミキサー工法を軸にセメント系固化材を用いて地盤改良を行う株式会社セリタ建設では、品質管理のため、地盤改良の施工後に改良土の一軸圧縮試験を行っています。その意義や方法について説明します。
一軸圧縮試験の結果判明する一軸圧縮強度から粘着力や変形係数を算出することができます。粘着力は一軸圧縮強度の2分の1の値で、かつ、地盤の地耐力と大きく関わります。一軸圧縮強度が高いほど粘着力が強く、地耐力も強いという関係性になります。地耐力とは文字どおり地盤の耐力のことで、kN／㎡という値で表します。地耐力が大きいほど、固く、安定した地盤ということになります。1㎡あたり何kN（キロニュートン。10ｋN=1t）の圧力に耐えうるか、が地耐力です。40kN／㎡の圧力をかけた場合、地耐力が40kN／㎡以上あれば地盤は沈下しないということです。
このとおり、改良土の一軸圧縮試験の結果は、地盤改良の結果、どの程度強固な地盤になったかを確認するために欠かせないものです。
慣習的な手法として、一軸圧縮試験の方法としては、まず、試験用に試験片を６本以上採取します。２週目でまず３本について試験し、平均値を算出します。４週目に残り３本を試験し、これについても平均値を算出します。こうして、改良土で固化が確実にできているかを確認します。試験片の寸法は、直径35mmまたは50mmが標準で、高さは直径の2～3倍程度とします。この試験片に加圧版、荷重計、変位計などを取りつけた上で測定開始です。試験片を上下から圧縮しますが、その際のひずみ速度は毎分１％の圧縮ひずみが生じる割合を標準とします。
一軸試験の結果をもとに設計強度値を超えた強度が認められた場合、地盤改良の完了です。
株式会社セリタ建設では、一軸圧縮試験の実施による改良強度の確認などによって、安全・安心・確実な地盤改良を行っています。また、経験や勘だけに頼るのではなく、データに基づいた施工、デジタル管理による効率的な施工を目指しています。ホームページに取り組みの一端を紹介していますので、ぜひご覧ください。
重要ポイントをQ&A形式で確認
Q1. 一軸圧縮試験とは何をする試験ですか?
A1. 一軸圧縮試験とは地盤改良後の土がどれだけの圧力に耐えられるかを測る試験です。試験片を上下方向から押し潰すように荷重をかけて破壊するまでの強さを計測します。横方向からの圧力を加えない点が特徴で、これにより試験方法が簡便になります。地盤改良工事では浅層混合処理や中層改良などでセメント系固化材を混ぜた土の固まり具合を確認する目的で実施されます。試験結果から得られる数値は構造物を支える地盤の支持力評価に活用され、建物の安全性を判断する重要なデータとなります。改良工事の品質管理において欠かせない試験といえます。
Q2. 一軸圧縮試験と三軸圧縮試験はどう違いますか?
A2. 一軸圧縮試験は試験片を上下からのみ圧縮する方法です。対して三軸圧縮試験は上下に加えて横方向からも圧力をかけながら測定します。三軸圧縮試験の方がより実際の地盤状態に近い条件で試験できますが、装置が複雑で手間もかかります。一軸圧縮試験は装置がシンプルで短時間で結果が得られるため、現場での品質管理に適しています。地盤の力学的な性質を把握する手法として十分に有効であり、コストと精度のバランスが取れた試験方法として広く採用されています。改良土の強度確認には一軸圧縮試験が実務上の標準となっています。
Q3. 一軸圧縮強度から何が分かりますか?
A3. 一軸圧縮強度の数値からは地盤の粘着力や変形のしやすさを表す変形係数が算出できます。粘着力は一軸圧縮強度の半分の値として求められ、この粘着力が地盤の耐える力である地耐力と深く関係します。一軸圧縮強度が高ければ粘着力も強くなり、結果として地耐力も高くなるという相関関係があります。つまり試験結果の数値が大きいほど固くて安定した地盤であることを示します。地盤改良によってどの程度強固な地盤が形成されたかを客観的に評価できるため、工事の品質保証に直結する重要な指標となっています。
Q4. 地耐力とは具体的にどういう意味ですか?
A4. 地耐力とは文字通り地盤が荷重に耐えられる能力のことで、kN/㎡という単位で表現されます。1平方メートルあたり何キロニュートンの重さまで支えられるかを示す数値です。キロニュートンは力の単位で、10kNがおよそ1トンに相当します。例えば地耐力が40kN/㎡の地盤であれば、1平方メートルあたり約4トンの重さまで沈下せずに支えられることを意味します。数値が大きいほど固く安定した地盤であり、建物を安全に支持できます。地盤改良工事ではこの地耐力を向上させることが主要な目的の一つとなっています。
Q5. 一軸圧縮試験はどのような手順で実施されますか?
A5. 試験は改良した地盤から試験用の試料を6本以上採取することから始まります。採取した試料は直径35mmまたは50mmの円柱形に整形し、高さは直径の2倍から3倍程度に調整します。施工後2週間の時点で3本を試験して平均値を求め、さらに4週間後に残りの3本を試験して同様に平均値を算出します。試験片には加圧版、荷重計、変位計などを取り付け、毎分1パーセントの割合でひずみが生じるように上下から圧縮します。この方法により固化が確実に進んでいるかを時系列で確認でき、改良土の強度発現を適切に評価できます。
Q6. なぜ2週目と4週目の2回に分けて試験するのですか?
A6. セメント系固化材を使った地盤改良では時間経過とともに固化反応が進行します。2週目の試験では初期の固まり具合を確認し、4週目の試験では十分に養生された後の最終的な強度を把握します。この2段階の測定により固化の進行状況を追跡でき、設計で想定した強度に到達しているかを判断できます。もし2週目の時点で極端に低い数値が出れば早期に対策を検討できますし、4週目で基準を満たせば改良工事が成功したと評価できます。時系列での強度管理は品質保証の観点から重要な手順となっています。
Q7. 試験で設計強度値を超えたらどうなりますか?
A7. 一軸圧縮試験の結果が設計で設定した強度値を上回れば、地盤改良工事は完了と判断されます。設計強度とは建物を安全に支えるために必要な最低限の強度であり、これをクリアすることが工事合格の条件です。試験結果が基準を満たしていれば改良土は十分な支持力を持つと評価され、次の工程である基礎工事や建築工事へ進むことができます。逆に基準に達していなければ追加の改良や再施工が必要になる場合もあります。試験は工事の品質を保証する最終的な確認作業として位置づけられています。
Q8. 一軸圧縮試験は地盤改良でなぜ重要なのですか?
A8. 地盤改良工事の最終的な目的は建物を安全に支える強固な地盤をつくることです。一軸圧縮試験はその目的が達成されたかを数値で証明する唯一の方法といえます。経験や見た目だけでは地盤の強度は正確に判断できず、科学的な測定によって初めて客観的な評価が可能になります。試験結果は施工記録として残り、建築主や設計者に対する品質保証の根拠となります。また万が一将来的に問題が生じた場合でも、当時の試験データがあれば原因究明や責任の所在を明確にできます。データに基づく品質管理は現代の建設工事において不可欠な要素です。
Q9. 試験片のサイズはなぜ直径35mmか50mmなのですか?
A9. 試験片のサイズは試験精度と実務上の取り扱いやすさを考慮して標準化されています。直径35mmまたは50mmという寸法は試験機の規格に対応しており、多くの試験機関で共通して使用できるサイズです。また地盤から採取した試料を加工する際にも適度な大きさであり、試験片の作製がしやすい利点があります。高さを直径の2倍から3倍にするのは、圧縮時に試験片が座屈せず適切に破壊されるようにするためです。こうした標準化により試験結果の信頼性が保たれ、異なる現場や時期のデータを比較することも可能になります。
Q10. デジタル管理による施工とはどういうことですか?
A10. デジタル管理とは地盤改良工事の各工程で得られるデータを電子的に記録し、リアルタイムで確認・分析しながら施工を進める手法です。一軸圧縮試験の結果もデジタルデータとして蓄積され、過去の施工実績と比較したり統計的な分析に活用したりできます。従来の経験や勘だけに頼る施工と異なり、客観的な数値に基づいて判断するため品質のばらつきが減り、効率的な工事が実現します。またデータが電子化されることで報告書作成や情報共有も迅速になり、発注者への説明責任も果たしやすくなります。デジタル技術の活用は建設業界全体の生産性向上にもつながる取り組みです。
