地盤崩壊を防ぐ三軸圧縮試験の全貌｜UU・CU・CDの違いと応力円の読み方

大規模な構造物の基礎設計や斜面安定計算、盛土の施工管理において、地盤の「せん断強度」を正確に把握することは構造物の倒壊や地すべり事故を防ぐ生命線です。土質力学の試験体系の中でも、現場の応力状態を最も忠実に室内で再現できる試験法が「三軸圧縮試験」です。しかし、排水条件の違いによる分類やモールの応力円による強度定数の算出プロセスは複雑で、実務担当者でも判断に迷う場面が少なくありません。

本稿では、三軸圧縮試験の基礎原理から、実務で必須となる「UU・CU・CD試験」の使い分け基準、モールの応力円を用いた粘着力・内部摩擦角の求め方、さらには試験報告書のチェックポイントや費用相場まで、現場実務に直結する専門知見を網羅して解説します。

📌 【この記事の重要ポイントまとめ】

• 要点1：三軸圧縮試験は側圧（拘束圧）を制御して地中の三次元応力状態を再現し、土の真のせん断強度を測定する最高精度の室内土質試験である。
• 要点2：UU（非圧密非排水）・CU（圧密非排水）・CD（圧密排水）の3種は排水弁の開閉タイミングが異なり、施工スピードや水位変動のシナリオに応じて厳格に使い分ける。
• 要点3：モールの応力円の共通接線（包絡線）から粘着力（c）と内部摩擦角（φ）を導出し、全応力・有効応力のどちらで設計すべきかを明確に見極める必要がある。

【基礎知識】三軸圧縮試験とは？一軸圧縮試験との決定的な違い

土構造物や基礎杭にかかる荷重を安全に支えるためには、土がすべり破壊を起こす限界値（せん断強さ）を割り出さなければなりません。三軸圧縮試験は、円柱状に成形した土の供試体に側方から水圧（拘束圧 $\sigma_3$）を加えながら、軸方向（上部）から荷重（軸応力 $\sigma_1$）を載荷して破壊に至らせる力学試験です。

現場の地中は、周囲の土圧によって常に全方向から押し固められています。自立する粘性土のみを対象とし、側圧ゼロの大気圧下で押しつぶす「一軸圧縮試験」では、浅い深度の簡易評価しか行えません。一方、三軸圧縮試験は地下深くの拘束圧を自在に再現できるため、砂質土から硬質粘性土、岩盤まで幅広い地盤材料の強度変形特性を精密に評価できます。

比較項目	三軸圧縮試験（Triaxial Test）	一軸圧縮試験（Unconfined Test）
拘束圧（側圧）	セル水圧により任意に設定可能（現場応力を再現）	なし（側圧 $\sigma_3 = 0$）
適用可能な土質	粘性土、砂質土、中間土、改良土、軟岩など全般	自立可能な飽和粘性土（砂質土は不可）
得られる強度定数	粘着力（$c, c'$）および 内部摩擦角（$\phi, \phi'$）	一軸圧縮強さ（$q_u$）、非排水せん断強さ（$c_u = q_u / 2$）
JIS規格 / 基準	JIS A 1220 / JIS A 1221 / JGS 0521〜0524	JIS A 1216

UU・CU・CD試験の決定的な違い｜排水条件と使い分けの基準

三軸圧縮試験を理解する最大のハードルが、「UU試験」「CU試験（CŪ試験）」「CD試験」という3つの試験モードの選定です。これらは「圧密過程」と「せん断過程」において排水バルブを開くか閉じるかの組み合わせによって定義されています。

試験種別	圧密過程	せん断過程	主な想定現場事象・用途
UU試験 （非圧密非排水）	非排水 （非圧密）	非排水	粘性土地盤における急速施工（盛土載荷直後のすべり安定照査、短期安定問題）。
CU試験 / CŪ試験 （圧密非排水）	排水 （圧密完了）	非排水 （間隙水圧測定）	圧密完了後の急激な荷重増加、地震時の動的せん断挙動、貯水池の急激な水位低下時の法面安定。
CD試験 （圧密排水）	排水 （圧密完了）	排水 （透水追従）	透水性の高い砂質土地盤の支持力検討、粘性土の大規模切土法面の長期安定照査。

実務で最も多用されるのは間隙水圧測定付きの圧密非排水試験（CŪ試験）です。CŪ試験を実施することで、全応力基準の強度だけでなく、土骨格だけにかかる実効応力である「有効応力強度定数（$c', \phi'$）」を1組の試験から効率よく算出できます。

モールの応力円と破壊基準｜粘着力（c）と内部摩擦角（φ）の計算手順

三軸圧縮試験で得られた測定データは、モール・クーロンの破壊基準（Mohr-Coulomb failure criterion）に基づいて解析されます。せん断破壊時における土のせん断強さ $\tau_f$ は、垂直応力 $\sigma$ を用いて次式で定義されます。

$\tau_f = c + \sigma \tan \phi$ （全応力表示） ／ $\tau_f = c' + \sigma' \tan \phi'$ （有効応力表示）

強度定数を決定する具体的な計算手順は次の通りです。

1. 拘束圧を変えて3体以上試験を実施：同一深度から採取した均質な不撹乱試料に対し、拘束圧 $\sigma_3$ を段階的に変えて（例：$50\text{ kPa}, 100\text{ kPa}, 200\text{ kPa}$）せん断試験を行う。
2. 主応力差（破壊時）の決定：軸差応力（$\sigma_1 - \sigma_3$）が最大値に達した点、または規定の軸ひずみ（通常15%）に達した時点を破壊と判定する。
3. モールの応力円の作図：横軸に垂直応力 $\sigma$、縦軸にせん断応力 $\tau$ を取り、直径が（$\sigma_1 - \sigma_3$）、左端が $\sigma_3$、右端が $\sigma_1$ となる円を描く。
4. 強度包絡線（エンベロープ）の描画：3つ以上の応力円すべてに外接する直線（共通接線）を引く。
5. 強度定数の読み取り：直線の縦軸切片が粘着力（$c$ または $c'$）、直線の傾き角度が内部摩擦角（$\phi$ または $\phi'$）となる。

完全飽和した粘性土のUU試験では、拘束圧をいくら高めても有効応力が変化しないため応力円の直径が一定となり、内部摩擦角 $\phi_u = 0$（$\phi=0$ の原理）、せん断強さは粘着力成分のみ（$\tau_f = c_u$）となります。

試験の精度を左右する供試体作成と間隙水圧測定の現場ノウハウ

三軸圧縮試験の信頼性は、力学計算の以前に供試体作成（トリミング技術）と飽和度管理の技術力で決まります。採取されたシンウォールサンプラーやロータリー式多重コアバーレルから乱れのないコアを取り出し、正確な寸法（一般に直径35mmまたは50mm、高さは直径の2倍）の円柱に削り出す作業には高度な熟練が求められます。

特に重要なのが、間隙水圧の測定精度を担保する「B値（間隙水圧係数）チェック」です。供試体内部に気泡（空気）が混入していると、せん断時に間隙水圧が正確に伝達されず、有効応力を過大評価してしまいます。背圧（バックプレッシャー）工法を用いて供試体内部の水分に圧力をかけ、拘束圧増分に対する間隙水圧の応答比率であるB値が0.95以上に達していることを確認してからせん断工程へ移行するのが標準プロトコルです。

地盤調査報告書の見方と実務設計への落とし込み方

地盤調査会社から納品される三軸圧縮試験報告書を実務設計に反映する際、設計者が必ず精査すべきチェックポイントは以下の3点です。

1. 応力〜ひずみ曲線の形状：ピーク強度を示した後に強度が下がる「脆性破壊型」か、ひずみとともに強度が上がり続ける「硬化型」かを確認する。過圧密粘土や密な砂では明瞭なピークが現れる。
2. 間隙水圧応答挙動：せん断に伴って間隙水圧が正に上昇（体積収縮傾向）しているか、負の値を示す（ダイレイタンシーによる膨張傾向）かを照合する。
3. 応力経路（Stress Path）の整合性：$p'-q$ 空間（平均主応力対軸差応力）にプロットされた軌跡が理論通りの降伏曲面に沿っているか確認し、異常値を示す供試体データがないかを排除する。

斜面の長期安定計算を行う場合は、間隙水圧が完全に消散した状態を想定するため「有効応力強度定数（$c', \phi'$）」を採用します。一方、粘性土上の盛土の施工直後など、排水が追いつかない急速施工時の支持力検討には「全応力強度定数（$c_u, \phi_u$）」を適用するのが原則です。

外注時の費用相場と納期｜適正な試験計画を立てるための注意点

三軸圧縮試験は高度な試験装置と長期の拘束時間を要するため、一般的な土質試験と比較してコストと工期がかかります。試験計画を立てる際は、以下の費用相場と所要日数を織り込んでおく必要があります。

試験種別	費用相場（1深度・3本1組）	所要日数（試験期間）	特記事項
UU試験	約4万円 〜 8万円	約2〜4営業日	圧密・B値測定が不要なため比較的短納期・安価。
CU / CŪ試験	約10万円 〜 18万円	約5〜10営業日	バックプレッシャー負荷・等方圧密工程を要する。
CD試験	約18万円 〜 30万円以上	約10〜20営業日以上	粘性土の場合、間隙水を逃がすため極めて遅い載荷速度が必要。

※ボーリング調査および不撹乱試料採取（サンプリング費）は別途加算されます。粘性土のCD試験はせん断完了までに数日から1週間以上載荷し続けるケースもあり、追加費用や納期延長が発生しやすいため、CŪ試験の結果から有効応力定数を算出する手法が一般的です。

【三軸圧縮試験】に関するよくある質問（FAQ）

Q1：一軸圧縮試験と三軸圧縮試験はどちらを選ぶべきですか？
A1：小規模建築物の基礎直下で、均質な粘性土地盤の短期支持力を概略把握する程度であれば一軸圧縮試験でも対応可能です。しかし、重要構造物の基礎、深い掘削を伴う山留め壁、斜面・盛土の安定計算、砂質土や礫混じり土の強度評価を行う場合は、側圧と排水挙動を考慮できる三軸圧縮試験が必須となります。

Q2：CU試験とCŪ試験の表記の違いは何ですか？
A2：厳密には、せん断中に間隙水圧測定を行わない圧密非排水試験を「CU試験」、間隙水圧を連続測定しながら実施する試験を「CŪ（シー・ユー・バー）試験」と区別します。現在の地盤工学会基準（JGS）の実務試験では間隙水圧測定を行うCŪ試験が標準となっており、報告書上でも同一視されるケースが多く見られます。

Q3：モールの応力円で共通接線がうまく引けない（円が重なる）原因は？
A3：供試体ごとの土質のばらつき（乱れ、貝殻や小砂利の混入）、またはトリミング時の不陸が主な原因です。不撹乱試料であっても局所的な不均質性がある場合、低拘束圧の供試体が過大な強度を示したり、高拘束圧の供試体が早期に破壊したりして応力円が交差します。この場合は異常値を除外するか、追加試料の再試験を検討します。

Q4：砂質土の三軸圧縮試験でUU試験を行わないのはなぜですか？
A4：砂質土は透水係数が極めて高く、拘束圧をかけた段階や通常のせん断速度では瞬時に排水が生じてしまうためです。人為的に非排水状態を保つことが難しく、非排水せん断強さを定義する実務的意味が薄いため、砂質土にはCŪ試験またはCD試験を適用します。

まとめ：精度の高い地盤強度評価が構造物の安全を担保する

三軸圧縮試験は、地盤の三次元的な応力履歴と間隙水の挙動を室内で正確に再現できる不可欠な地盤調査手法です。UU・CU・CDの各試験特性を正しく理解し、現場の施工条件や荷重負荷速度に適合した試験種別を選定することが、合理的で無駄のない安全設計につながります。

土質試験結果の数字を単なる計算パラメータとして扱うのではなく、モールの応力円が描く包絡線や間隙水圧の挙動を深く読み解くことが、地盤災害を未然に防ぎ、構造物の長期的な安全性を確保するための重要なアプローチです。 （出典: 三 軸 圧縮 試験（Yahoo!ニュース））