三軸圧縮試験の原理とUU・CU・CDの違い｜強度定数と実務の要点

構造物の基礎設計や斜面安定計算において、地盤がどれだけの力に耐えられるかを正確に把握することは、建設プロジェクトの成否を分ける生命線です。その土のせん断強度を実験室内で高い精度をもって再現・測定する標準的手法が、土質力学における三軸圧縮試験です。地下深くの土が受けている周囲からの圧力を人工的に再現し、現地の応力状態に近い環境下で破壊強度を割り出します。

しかし、実際の設計実務や試験発注の現場では、「UU・CU・CDのどの試験条件を選ぶべきか」「一軸圧縮試験で代用できないのか」「得られた粘着力や内部摩擦角をどう設計に落とし込むか」といった判断で迷う技術者が後を絶ちません。本稿では、三軸圧縮試験の根底にある力学的原理から、試験ごとの排水条件の決定的な違い、モール円を用いた強度定数の算出プロトコル、さらには費用相場や実務上の判断基準まで、現場の知見を交えて徹底的に解説します。

📌 【この記事の重要ポイントまとめ】

• 要点1：三軸圧縮試験は供試体に側圧（拘束圧）と軸差応力を加えることで、地中の三次元応力状態と排水挙動を忠実に再現する高度なせん断試験である。
• 要点2：UU（非圧密非排水）・CU（圧密非排水）・CD（圧密排水）の3種は施工速度と地盤の圧密・排水スピードの関係性に応じて厳格に使い分ける必要がある。
• 要点3：試験結果から描くモール円の共通接線（破壊包絡線）によって、地盤の安定計算に不可欠な強度定数（粘着力 $c$・内部摩擦角 $\phi$）を全応力・有効応力別に正しく導出できる。

【基礎から掴む】三軸圧縮試験の目的と土質力学における基本原理

土は単体では引張力を持たず、粒子の噛み合わせや粒子間の電気化学的な結合によってせん断抵抗を発揮します。地中に存在する土要素は、上載荷重だけでなく全方向から土圧（拘束圧）を受けており、この拘束圧の大きさによって発揮できる強度が劇的に変化します。この地中応力状態を円筒形の供試体を用いて実験室で忠実にシミュレートするのが三軸圧縮試験の原理です。

試験では、ゴムスリーブで被覆した円筒供試体を圧力セル内に設置し、水圧によって全方向から一定の側圧（拘束圧 $\sigma_3$）を載荷します。その後、供試体上部からピストンを通じて鉛直方向に荷重を加え、側圧との差分である軸差応力（主応力差 $\sigma_1 - \sigma_3$）を徐々に増加させて供試体をせん断破壊に至らせます。

国内の土質試験はJIS規格（JIS A 1216など）や地盤工学会基準（JGS 0521〜0524）に厳格に規定されています。標準的な供試体寸法は直径35mm〜50mm、高さは直径の約2倍（70mm〜100mm）が採用され、粒径の大きな礫質土などを対象とする場合は直径100mm以上の大型三軸試験機が用いられます。側圧を段階的に変えて複数の供試体（通常3本以上）を試験することで、拘束圧の違いがせん断強度に与える影響を定量的に把握します。

【決定的な違い】UU・CU・CD試験の排水条件と実務における使い分け

三軸圧縮試験を実務で扱う上で最大の要となるのが、排水条件の選定です。土中の間隙水が載荷中に排水できるかどうかによって、間隙水圧の発生状況と土粒子骨格が負担する有効応力が根底から変わります。試験は「圧密プロセス」と「せん断プロセス」の2段階における弁の開閉状態により、大きく3つに分類されます。

構造物を建設するスピードと地盤の排水速度の力関係を正確に見極める必要があります。例えば、飽和粘性土の上に短期間で盛土を築造する場合、間隙水が抜ける余裕がないためUU試験の強度定数による短期安定検討が妥当です。一方で、長期間放置されて圧密が完了した後の斜面安定や、透水性の高い砂質土地盤の支持力を評価する場合は、CD試験または間隙水圧を測定するCŪ試験による有効応力解析が不可欠となります。

【図解手順】モール円と破壊包絡線から粘着力・内部摩擦角を求める手法

三軸圧縮試験で得られた複数の応力データは、モール・クーロンの破壊基準に基づいて整理され、設計に直結する強度定数である粘着力 $c$ と内部摩擦角 $\phi$ へと変換されます。実務におけるグラフ作成とパラメータ導出は以下の手順で厳密に行われます。

まず、横軸に垂直応力 $\sigma$、縦軸にせん断応力 $\tau$ を取る座標平面を用意します。側圧 $\sigma_3$ を一定に保ったまま軸差応力を加え、供試体が破壊に至った瞬間の最大主応力を $\sigma_1$、最小主応力（側圧）を $\sigma_3$ とします。この $\sigma_3$ と $\sigma_1$ を直径の両端とする円を描いたものがモール円です。

異なる側圧（例：100 kPa、200 kPa、300 kPa）で試験を実施すると、応力レベルに応じた3つのモール円が横に並んで描かれます。これらの円群に対して、外側から接するように引いた共通の接線が破壊包絡線（せん断破壊線）です。この直線は以下のクーロンの法則で表されます。

$$\tau_f = c + \sigma \tan \phi$$

破壊包絡線の縦軸切片が粘着力 $c$ を示し、直線の傾斜角が内部摩擦角 $\phi$ を表します。CŪ試験で間隙水圧 $u$ を測定している場合は、全応力から間隙水圧を差し引いた有効応力（$\sigma'_3 = \sigma_3 - u$、$\sigma'_1 = \sigma_1 - u$）を用いて有効応力モール円を描くことで、有効粘着力 $c'$ および有効内部摩擦角 $\phi'$ を極めて高精度に導き出せます。

【実態検証】一軸圧縮試験との決定的な差と現場で多発する誤解の罠

地質調査の現場や設計協議において頻繁に生じるのが、「コストの安い一軸圧縮試験で三軸圧縮試験の代用はできないのか」という議論です。地盤工学の専門家や調査会社の技術者が指摘する通り、両者には力学的な適用限界において決定的な断絶が存在します。

一軸圧縮試験は、側圧をかけずに大気圧下（$\sigma_3 = 0$）で供試体を圧縮する試験です。自立しない砂質土や礫質土では供試体そのものが自立できず試験不可能です。また、深さ20mや30mといった深い地盤から採取した粘性土の場合、現場で受けていた巨大な土圧から解放された状態で試験を行うため、サンプリング時の乱れや応力解放の影響を過大に受け、地盤が本来持っているせん断強度を著しく過小評価してしまうリスクを抱えています。

現役の地盤調査エンジニアへの取材や実務データによると、「過圧密粘土において一軸圧縮強さ $q_u$ だけで支持力計算を行った結果、基礎杭の設計が過剰に長大化し、施工費が数千万円単位で跳ね上がった」「逆に、側圧による強度増加を見込みすぎて崩壊事故寸前に至った」といった事例が報告されています。三軸圧縮試験は、地中の拘束圧を復元した上で試験を行うため、応力履歴や過圧密比（OCR）を考慮した高精度な地盤強度評価が可能なのです。

【コストと実務】三軸圧縮試験の費用相場と試験選定の判断基準

三軸圧縮試験の採用にあたって実務担当者が直面するのが、調査予算と納期のバランスです。一般的な地盤調査会社や試験機関における三軸圧縮試験の費用相場（1セット＝3〜4供試体）の目安は以下の通りです。

• UU試験：1セットあたり 約8万円〜15万円（納期：検体受領後 約3〜5日）
• CU / CŪ試験：1セットあたり 約15万円〜30万円（納期：検体受領後 約1〜2週間）
• CD試験：1セットあたり 約30万円〜60万円以上（粘性土の場合は載荷速度を極限まで落とすため納期に1ヶ月以上要する場合あり）
• （参考）一軸圧縮試験：1本あたり 約8,000円〜1万5,000円

【プロの結論】おすすめできるケース・慎重になるべきケースの判断基準

多大な試験費用を投じるべきか否かは、対象構造物の重要度と破壊時のリスク規模によって明確に選別すべきです。

三軸圧縮試験（CŪ・CD）を強く推奨するケース：
高層ビルや大規模インフラの支持力検討、河川堤防・ダムの大規模盛土、地盤改良工法の最適化検証、トンネルや大規模開削工事に隣接する斜面の安定解析。これらのプロジェクトでは、強度定数の精度が直接的に数千万円〜数億円規模の工事費削減や重大事故防止に直結するため、詳細な有効応力パラメータの取得が必須となります。

簡易試験（一軸・サウンディング）で留めるべきケース：
小規模な低層住宅の直接基礎判定や、土質が均一かつ実績の豊富な沖積粘土層での標準的な仮設構造物検討。このような現場で無理に高額なCD試験を発注することは、工期遅延とコストの浪費を招くだけの過剰設計になりかねません。

【三軸圧縮試験】に関するよくある質問（FAQ）

Q1：砂質土のせん断強度を求める場合、なぜUU試験ではなくCD試験やCŪ試験が推奨されるのですか？
A1：砂質土は透水係数が極めて高く、実際の現場でも荷重載荷時に間隙水が速やかに抜けて有効応力が発現するためです。UU試験のように間隙水を閉じ込めた状態では非現実的な過剰間隙水圧が発生し、砂本来の摩擦抵抗角（$\phi$）を正しく評価できません。砂質土の設計ではCD試験または間隙水圧を測定するCŪ試験によって有効内部摩擦角 $\phi'$ を求めるのが標準です。

Q2：破壊包絡線が直線ではなく曲線になる場合はどのように強度定数を決定しますか？
A2：高い側圧領域や過圧密粘土では、モール円群の接線が上に凸の曲線を描くことが一般的です。実務では、構造物が実際に地中で受ける拘束圧の範囲（使用応力レベル）に限定して直線近似を行い、その区間における等価な粘着力 $c$ と内部摩擦角 $\phi$ を導出します。広範囲の応力を一律の直線で評価すると、低拘束圧域で強度を危険側に過大評価する恐れがあります。

Q3：JIS規格に準拠した不攪乱試料（コア）のサンプリングで注意すべき点は？
A3：三軸圧縮試験の精度は供試体の品質（不攪乱度）に完全に依存します。シンウォールサンプラーやロータリー式二重管・三重管サンプラーを用いて慎重に採取し、現場でのパラフィン密封、運搬時の振動防止・温度管理を徹底しなければなりません。サンプリング時に乱れが生じた供試体は強度が著しく低下し、試験自体の信頼性が失われます。

まとめ：地盤リスクを最小化する試験設計と今後の実務指針

三軸圧縮試験は、単に土の強度数値を弾き出す作業ではなく、現場の地盤が直面する応力履歴と間隙水の挙動を室内で忠実に再現する高度な力学シミュレーションです。UU・CU・CDという各試験の排水特性を構造物の施工ステップや供用環境と正しくリンクさせ、モール円から得られる強度定数の本質を理解して適用することが、構造物の安全性確保と経済設計の両立を実現します。

自然相手の地盤工学において、不適切な試験選定による数値の過信は致命的な破壊リスクを生み出します。設計技術者・調査担当者は、土の力学的メカニズムに立ち返り、地盤条件に最適化された試験計画を立案することが求められます。 （出典: 三 軸 圧縮 試験（Yahoo!ニュース））