三軸圧縮試験とは｜UU・CU・CDの使い分けと、条件で c・φ の意味がどう変わるかを図で解説

地中の土は、上からの荷重だけでなく周囲の土からも押されています。一軸圧縮試験は拘束圧をかけずに上から押すだけの試験で、手軽な反面、拘束圧ゼロで自立する粘性土にしか使えません。三軸圧縮試験は圧力室の水圧で周囲から拘束圧をかけるため、砂質土や砂礫のように自立しない試料にも適用でき、地中の応力状態に近い条件で強さを測れます。

両者は無関係ではありません。粘性土では、UU 条件の三軸圧縮試験で得られるモール円の接線が水平になることを根拠に、非排水せん断強さを cu = qu/2 とする「φu = 0 法」が使われます。これは、一軸圧縮強さ qu が UU 条件の圧縮強度 q とほぼ等しい試料に限って成り立つ関係です。内部にクラックがあるなどして qu が q より小さくなる試料は、一軸ではなく UU 条件の三軸圧縮試験から強さを求める必要があります。

供試体は円柱形に成形し、ゴム膜で覆って圧力室に入れます。圧力室を水で満たして水圧をかけると、供試体は周囲から一様に押されます。これが拘束圧 σ₃ です。この拘束圧を保ったまま、上から軸方向の力を加えて供試体を圧縮し、破壊するまでの応力と変形を記録します。破壊時の軸方向の応力が最大主応力 σ₁、拘束圧が最小主応力 σ₃ で、その差 σ₁ − σ₃ を圧縮強度 q と呼びます。

1本の供試体では破壊線は引けません。同じ試料から採った供試体を一般に3〜4個用意し、それぞれに異なる拘束圧をかけてせん断します。拘束圧を変えると破壊時の σ₁ も変わるため、供試体の数だけモール円が描けます。圧密を行う条件（CU・CU̅・CD）では、せん断の前に拘束圧のもとで供試体を圧密させる工程が入ります。供試体の乱れは結果に直接効くため、乱さない試料を丁寧に採取して成形することが前提になります。

モール円は、横軸に垂直応力 σ、縦軸にせん断応力 τ をとり、σ₃ と σ₁ を直径の両端とする半円です。直径は圧縮強度 q（= σ₁ − σ₃）に等しく、半径は q/2 です。拘束圧の異なる供試体のモール円を同じ図に描き、それらに共通する接線を引いたものが破壊線で、τ = c + σ tanφ の形で表されます。この関係を「モール・クーロンの破壊規準」と呼びます。

接線の切片が粘着力 c、傾きの角度が内部摩擦角 φ です。CD 条件で得られる φd は、クーロンの摩擦係数 μ と等価な物性値です。2つの物体の接触面では垂直力 N と摩擦力 F が F = μN の直線関係にあり、粒子の集合体である土の内部でも同じ関係が成り立つことがクーロンの実験で確かめられています。土の内部で発現する摩擦なので「内部摩擦」と呼びます。

一方、UU 条件の粘性土では、拘束圧を変えても圧密が起きないので強度は増えず、どの供試体も圧縮強度 q が同じになります。直径の等しい円が横に並ぶため、接線は水平になり、φu = 0、切片の cu がそのまま非排水せん断強さです。同じ「接線を引く」作業でも、条件によって c・φ の出方はまったく違います。

拘束圧で供試体を圧密してから、非排水条件でせん断します。圧密で間隙比が減って強度が増すため、モール円の接線は角度を持ちます。この接線の角度 φcu は、盛土荷重による非排水せん断強さの増加率を表し、「強度増加率 cu/p」として cu/p = tanφcu の関係にあります。盛土を段階的に立ち上げる工事では、現段階の荷重で圧密が終わり強度が増した地盤に対して、次の段階の盛土直後の短期安定を検討します。そのときに要るのが、この強度増加率です。

正規圧密粘土では接線が原点を通ります。過圧密状態、つまり現在の土被り圧 pv が圧密降伏応力 pc より小さい粘土では、拘束圧の変化に対する間隙比の減り方が小さいため、強度増加率も低くなります。試験結果のモール円に過圧密と正規圧密の違いがはっきり出た場合は、それぞれの領域で強度増加率を求めて解析に使い、2本の接線が交わる圧力が pc に対応します。違いが不明瞭なら平均的な1本の接線で求めます。

条件は試験室ではなく、設計で想定する荷重のかかり方から決まります。粘性土に急速に荷重をかける短期の検討なら UU、段階盛土なら CU で強度増加率、掘削のように時間をかけて荷重が抜ける長期の検討なら CU̅ の φ′、砂質土の支持力や斜面の検討なら CD の φd という対応です。

国土交通省の河川砂防技術基準 調査編は、河川堤防や河川構造物の土質調査で行う主な土質試験の一つとして三軸圧縮試験を挙げ、得られる値をせん断抵抗角 φ′・φu・φcu・φd と粘着力 c′・cu・ccu・cd としています。添字が4種類あるのは、試験条件の違いを表すためです。報告書の地盤定数の表で添字を落として c・φ とだけ書くと、読み手は条件を判断できないので、必ず残します。

三軸圧縮試験の結果は、供試体ごとの応力とひずみ、破壊時の σ₁・σ₃、モール円と破壊線、そして c・φ の値としてデータシートにまとまります。読むときに確認したいのは次の4点です。

試験値は地盤の「点」の情報です。教養読本も、試験を計画した箇所が地層の代表値になり得るか、頻度は十分かを調査目的と施工計画に沿って検討する必要があると注意しています。実務では、N値から推定した内部摩擦角や粘着力と試験値を層ごとに並べ、食い違いが大きい層は試料の乱れや層区分を疑う、という使い方をします。試験結果を報告書の一覧表や図にまとめる手順は室内土質試験の結果整理にまとめています。

層ごとに試験値と推定値を並べる作業は、成績表からの転記と計算が積み重なります。サファリテックの地質調査AI「CAMEL GEO」は、室内土質試験の成績表を読み取って一覧表に整理し、設計指針を選んで層ごとの地盤定数（γt・c・φ・E 等）を根拠つきで算出します。地盤定数一覧表はExcelで出力できます。どの条件の値を採用するかの判断は技術者が行い、その下ごしらえをCAMEL GEOが引き受けます。詳しくはサービス資料をご覧ください。