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圧密とは?土の圧縮性の基礎知識

圧密は土特有の性質です。圧密は、時間をかけてゆっくりと圧縮することをいいます。圧密による沈下を圧密沈下と言います。


鋼やコンクリートは、圧縮力を受けて変形しますが、そのような現象はありません。


一方土は、時間とともに歪が増大し、中には十年も圧密沈下することがあります。今回は、そんな圧密について説明します。

圧密とは?

圧密は、圧縮力を受けた時、ゆっくりと変形する現象です。圧密による沈下は、圧密沈下です。つまり圧縮時の変形の特殊なケースが圧密です。普通材料は、圧縮力が作用した瞬間に変形しますが、圧密は時間に依存して変形が進みます。


では、なぜ圧密現象が起きるのでしょうか。下図のように、土には土粒子と間隙があります。圧密とは、この間隙が排出されるため起きる現象なのです。

土粒子の骨格

鋼は圧縮力を受けると、鋼自体が縮みます。一方、土を構成する土粒子や水は、圧縮されてもほとんど変形しません。これを非圧縮性といいます。下表は土と土粒子部、水の圧縮性を示します。圧縮性は単位応力当たりの歪の大きさを表しています。よって単位はu/kNです。

物質 圧縮性 u/kN
沖積粘土 600000
土粒子 2.0
49.0

単位応力当たりの歪は、明らかに沖積粘土が大きいですね。つまり圧縮されやすいのです。一方、土粒子と水はほとんど圧縮されません。つまり、「圧密は、水と空気が排出される現象」だと分かります。


砂は透水係数が大きく、排水されやすい物質です。一方、粘土は透水係数が低く排水されにくい構造です(土粒子が細かいため)。排水されにくいので、時間をかけてゆっくりと圧縮されます。これが圧密が起きる要因です。砂はすぐに排出されるので沈下もすぐ起きます。


圧密は粘土特有の現象と言えます。日本の地盤は、圧密しやすいため沈下量を想定した基礎の設計も大切です。前述しましたが、粘土層の中には10年以上かかって圧密される場合もあります。

圧密と有効応力の関係

圧密と有効応力の関係は、テルツァギがピストンを使ってモデル化しました。下図をみてください。水槽に水を満たします。バネを蓋と水槽の底に取り付けます。蓋には小さな孔をあけます。

土のモデル化

バネは土粒子の骨格をモデル化しています。この状態で荷重を加えると、バネと水の両方が力を受けます。孔が空いているので、荷重が大きくなると排水されます。前述したように、排水されることで圧密が起きます。


また、粘土は排水されにくいため圧密(ゆっくりと変形する)が起きます。上図のモデルでいうところの「孔が小さいため、少しづつ排水される」のです。

有効応力の原理

有効応力については下記の記事が参考になります。

有効応力の基礎知識と、よくわかる全応力との違い

まとめ

今回は圧密について説明しました。土の重要な性質なので、必ず理解しましょう。軟弱地盤は、圧密に伴い沈下を起こします(圧密沈下)。圧密を理解すれば、それを改善する工法の理解も早くなります。

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