アッターベルグ限界

アッターバーグ限界は、細粒土の臨界水分含有量、すなわち収縮限界、塑性限界、および液性限界の基本的な尺度です。

土壌は、水分含有量に応じて、固体、半固体、可塑性、液体の 4 つの状態のいずれかになります。各状態では、土壌の粘稠度と挙動が異なり、その結果、その工学的特性も異なります。したがって、各状態の境界は、土壌の挙動の変化に基づいて定義できます。アッターバーグ限界は、シルトと粘土を区別したり、シルトと粘土の異なるタイプを区別したりするために使用できます。土壌が 1 つの状態から別の状態に変化する水分含有量は、粘稠度限界、またはアッターバーグ限界として知られています。

これらの限界は、1911年にスウェーデンの化学者で農学者のアルバート・アッテルベリによって作成されました。 ^[1]これらは後に、オーストリアの土質工学者でありカール・テルツァギの親しい協力者であったアーサー・カサグランデ（両者とも土質力学の先駆者）によって改良されました。

土壌の特性は、その上に建造物を建てる土壌を評価する際に使用されます。土壌は湿っていると水分を保持し、一部は体積が膨張します (スメクタイト粘土)。膨張の量は、土壌が水を吸収する能力と構造構成 (存在する鉱物の種類:粘土、シルト、または砂) に関係しています。これらのテストは主に粘土質またはシルト質の土壌に使用されます。これは、これらの土壌が水分含有量が変化すると膨張したり収縮したりするためです。粘土とシルトは水と相互作用してサイズを変え、せん断強度が異なります。したがって、これらのテストは、土壌が適切なせん断強度を持ち、水分含有量の変化によって膨張したり収縮したりしても体積が大きく変化しないことを保証するために、あらゆる構造物を設計する準備段階で広く使用されています。

収縮限界（SL）とは、水分がこれ以上失われても体積が減少しない水分含有量のことです。^[2]収縮限界を決定する試験は、ASTM International D4943です。収縮限界は、液体限界やプラスチック限界ほど一般的には使用されていません。

塑性限界 (PL) は、平らで多孔質でない表面で土の細かい部分を糸状に伸ばして測定します。手順はASTM規格 D 4318 で定義されています。土の水分含有量が塑性挙動を示すレベルであれば、この糸は非常に細い直径まで形状を保ちます。その後、サンプルを再度成形してテストを繰り返します。水分含有量が蒸発により減少すると、糸は直径が大きくなると破断し始めます。

塑性限界は、糸が直径3.2mm（約1/8インチ）で破断する重量水分含有量として定義されます。糸がいかなる水分量でも3.2mmまで伸ばせない場合、その土は非塑性であるとみなされます。 ^[3]

液性限界 (LL) は、概念的には、粘土質土の挙動が塑性状態から液体状態に変化する水分含有量として定義されます。ただし、塑性挙動から液体挙動への移行は、水分含有量の範囲にわたって徐々に行われ、土壌のせん断強度は実際には液性限界でゼロになるわけではありません。液性限界の正確な定義は、以下に説明する標準テスト手順に基づいています。

アッターバーグの最初の液性限界試験では、直径 10～12 cm の丸底磁器ボウルに粘土を一塊り入れて混ぜ合わせました。粘土にへらで溝を切り、ボウルを片方の手のひらに何度も打ち付けました。その後、カサグランデは装置を標準化し (落下動作を標準化するためにクランクで回転するカム機構を組み込むことにより)、測定の再現性を高める手順も標準化しました。土壌を装置の金属カップ (カサグランデ カップ) 部分に入れ、幅 2 mm (0.079 インチ) の標準化されたツールで中央に溝を掘ります。カップを 1 分間に 120 回の打撃の速度で繰り返し 10 mm の高さから硬いゴム製のベースに落下させます。この間、衝撃によって溝が徐々に閉じます。溝が閉じるまでの打撃回数を記録します。カップから 25 滴の滴を落として溝が 12.7 ミリメートル (0.50 インチ) の距離にわたって閉じられる水分含有量が、液性限界として定義されます。通常、このテストはいくつかの水分含有量で実行され、溝を閉じるのに 25 回の打撃を必要とする水分含有量は、テスト結果から補間されます。液性限界テストは、ASTM 標準テスト方法 D 4318 で定義されています。^[4] このテスト方法では、溝を閉じるのに 20 ～ 30 回の打撃が必要な 1 つの水分含有量でテストを実行することもできます。その後、補正係数を適用して水分含有量から液性限界を取得します。^[5]

液性限界を測定する別の方法は、コーン貫入試験とも呼ばれる落下コーン試験である。これは、特定の頂角、長さ、質量を持つ標準化されたステンレス鋼のコーンの土壌への貫入を測定することに基づいている。カサグランデ試験は北米で広く使用されているが、落下コーン試験は液性限界の決定においてオペレータに依存しにくいため、ヨーロッパやその他の地域でより普及している。^[6]

カサグランデ方式に対する利点

• 実験室で実行する方が簡単です。
• コーン貫入試験機による結果は、オペレーターのスキルや判断に左右されないため、より信頼性の高い結果が得られます。
• この結果は土壌の非排水せん断強度を推定するために使用できる。^[7]

これらの限界値は、さまざまな方法で使用されます。限界値と、圧縮率、透水性、強度などの土壌の特性との間にも密接な関係があります。限界値の決定は比較的簡単ですが、他の特性を決定するのは難しいため、これは非常に有用であると考えられます。したがって、アッターバーグ限界値は、土壌の分類を識別し、他のいくつかの工学特性との経験的相関関係を可能にするために使用されます。

塑性指数 (PI) は、土壌の塑性を表す指標です。塑性指数は、土壌が塑性特性を示す水分含有量の範囲の大きさです。PI は、液性限界と塑性限界の差です (PI = LL-PL)。PI が高い土壌は粘土質である傾向があり、PI が低い土壌はシルト質である傾向があり、PI が 0 (非塑性) の土壌はシルト質や粘土質がほとんどないかまったくない傾向があります。

PIに基づく土壌の説明: ^[8]

• (0) – プラスチック以外
• (<7) – ややプラスチック
• (7-17) – 中サイズのプラスチック
• (>17) – 可塑性が高い

流動性指数 (LI) は、土壌サンプルの自然水分含有量を限界までスケールするために使用されます。これは、自然水分含有量、塑性限界、および液体限界の差の比率として計算できます。LI = (W-PL) / (LL-PL)、ここで W は自然水分含有量です。

粘稠度指数 (Ic) は、土壌の粘稠度 (硬さ) を示します。これは として計算されますCI = (LL-W)/(LL-PL)。ここで、W は既存の水分含有量です。液性限界の土壌の粘稠度指数は 0、塑性限界の土壌の粘稠度指数は 1 です。W > LL の場合、Ic は負になります。つまり、土壌は液体状態です。さらに、流動性指数と粘稠度指数の合計は 1 です。

液性限界を決定する際に、水分含有量と打撃数の対数のグラフから得られる曲線はほぼ直線であり、フロー曲線として知られています。

フロー曲線の式は、W = - I _f Log N + C です。

ここで、'I _{f は}フロー曲線の傾きであり、「フローインデックス」と呼ばれる^[9]

塑性限界における粘土のせん断強度は、その粘り強さの尺度です。これは塑性指数と流動指数の比です。これにより、土のせん断強度がわかります。^[9]

土壌の活性は、塑性指数と粘土粒度比の比である。活性が0.75未満の場合、土壌は不活性である。活性が1.4を超える場合、土壌は活性である。活性が上記の値の範囲内であれば、土壌は中程度に活性である。^[10]

ウィキメディア・コモンズには、アッテルベルグ限界に関連するメディアがあります。

• 土壌の物理的性質 - 力学
• シード、HB (1967)。「アッターバーグ限界の基本的側面」。土質力学および基礎学部門ジャーナル、92(SM4)、アッターバーグ限界の基本的側面から取得
• Das, BM (2006). 土質工学の原理. スタンフォード、コネチカット州: Thomson Learning College.
• Sowers、1979 年。『土質力学と基礎入門: 土質工学』、第 4 版、Macmillan、ニューヨーク。(Coduto、1999 年。『土質工学: 原理と実践』、Prentice Hall、ニュージャージー州で参照)