地盤調査の要「三軸圧縮試験」とは？UU・CU・CDの違いと強度算出

構造物の基礎設計や斜面安定性の照査において、地盤の破壊耐力を正確に見極めることは構造物の安全を左右する最大の要素です。その地盤強度を評価する土質試験の中で、実際の土中応力状態を極めて精密に再現できる手法が三軸圧縮試験です。

現場の実務では「UU・CU・CD試験のどれを選択すべきか」「モールの応力円からどのように強度定数を導くのか」「一軸圧縮試験とどう使い分けるのか」といった判断が常に求められます。本稿では、三軸圧縮試験の基礎理論から各種試験タイプの違い、強度パラメータ（粘着力・内部摩擦角）の算出プロセス、実務上のコストや留意点までを分かりやすく整理して解説します。

📌 【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（水圧）をかけることで地下深部の応力状態を忠実に再現し、土のせん断強度を正確に把握する試験である。
• 要点2：排水・圧密条件の違いにより「UU試験」「CU試験」「CD試験」に分かれ、工事の施工速度や長期・短期の安定検討に応じて使い分ける。
• 要点3：異なる側圧下で得られた複数のモールの応力円から共通接線を引くことで、設計に必要な粘着力（c）と内部摩擦角（φ）を導出する。

【基礎知識】三軸圧縮試験の目的と土質力学における役割

地盤工学・土質力学において、地盤が荷重を受けて崩壊する現象の多くは「せん断破壊」によって引き起こされます。三軸圧縮試験を行う最大の目的は、地盤を構成する土のせん断強度特性（粘着力 $c$ および内部摩擦角 $\phi$）を正確に測定することにあります。

地中の土粒子は、上載土圧による鉛直方向の力だけでなく、周囲の土から均等に押される水平方向の力（側圧）を受けています。三軸圧縮試験機では、円柱状に成形した土の供試体を耐圧セル内に設置し、水圧によって全方向から一定の側圧（拘束圧：$\sigma_3$）を加えた状態で、上部から軸荷重（軸応力：$\sigma_1$）を加えて圧縮します。

これにより、掘削工事に伴う応力解放や盛土による荷重増加など、現場の応力履歴と将来の荷重変化を実験室内で自在にシミュレートできます。構造物の直接基礎の支持力検討、トンネル周辺の緩み解析、大規模盛土やすべり面を持つ斜面の安定計算など、高度な土質解析に欠かせない基準データを提供します。

【徹底比較】UU・CU・CD試験の決定的な違いと使い分け

三軸圧縮試験は、軸荷重を加える前段階の「圧密過程」と、破壊に至らせる「せん断過程」における排水バルブの開閉制御によって、大きく3種類（UU試験・CU試験・CD試験）に分類されます。現場の施工スピードと地盤の透水性に応じた適切な試験タイプの選定が極めて重要です。

試験種別	圧密過程	せん断過程	間隙水圧の挙動	主な適用対象・設計場面
非圧密非排水試験（UU試験）	非排水（非圧密）	非排水	せん断中に水圧が上昇	施工直後の飽和粘性土地盤（短期安定解析、$\phi_u=0$ 条件）
圧密非排水試験（CU試験）	排水（圧密完了）	非排水	間隙水圧を計測して有効応力を算出	段階施工時の安定検討、水位急降下時の盛土すべり照査
圧密排水試験（CD試験）	排水（圧密完了）	排水（完全消散）	過剰間隙水圧を発生させない	透水性の高い砂質土、自然斜面や構造物完成後の長期安定解析

非圧密非排水試験（UU試験）は、供試体内の水分を一切逃がさずに急速載荷する試験です。盛土の急速載荷時や掘削直後など、粘性土中の過剰間隙水圧が逃げない短期的な安定性を全応力表示で照査する際に用いられます。

圧密非排水試験（CU試験）は、地盤の初期土圧まで圧密させた後、せん断時は排水バルブを閉じて載荷します。試験中に発生する間隙水圧を測定することで、有効応力に基づく強度定数（$c'$、$\phi'$）を求めることができ、地盤改良工法や段階的な盛土工事の安定性評価に幅広く活用されます。

圧密排水試験（CD試験）は、せん断時に間隙水圧が発生しないよう極めてゆっくり載荷する試験です。砂質地盤の評価や、完成から数十年が経過した構造物の下部地盤など、完全排水状態における長期安定性の照査に適用されます。

一軸圧縮試験との違いは？三軸試験が選ばれる明確な理由

室内せん断試験の代表格である「一軸圧縮試験」と「三軸圧縮試験」の最大の違いは、供試体の側面に拘束圧（側圧）を与えるかどうかです。

一軸圧縮試験は、側圧を一切かけない状態（$\sigma_3 = 0$）で供試体を鉛直方向にのみ押し潰す試験です。装置が簡易でコストも安く、自立する飽和粘性土の非排水せん断強度（$c_u = q_u / 2$）をスピーディに把握できるメリットがあります。しかし、拘束圧がないため砂質土のように自立しない土には適用できず、深地盤特有の高圧環境下での挙動を評価することは不可能です。

一方、三軸圧縮試験はメンブレン（遮水ゴム膜）で保護した供試体の周囲に水圧をかけ、現場の土被り圧に合わせた自由な拘束圧を設定できます。砂質土から硬質粘性土、軟岩まで広範な土質に対応可能であり、地盤の沈下解析や耐震検討で必要となる変形係数（$E_{50}$）やダイレイタンシー特性まで高精度に抽出できる点が大きなアドバンテージです。

モールの応力円とクーロンの破壊包絡線｜内部摩擦角・粘着力の求め方

三軸圧縮試験で得られた測定データを設計用パラメータへ変換する際、土質力学の根幹をなす「モールの応力円」を用います。

試験では、拘束圧（最小主応力：$\sigma_3$）を段階的に変えた供試体（通常3本以上）を用意し、それぞれがせん断破壊に至った時点の軸応力（最大主応力：$\sigma_1$）を計測します。横軸に垂直応力 $\sigma$、縦軸にせん断応力 $\tau$ をとった平面上に、$\sigma_3$ と $\sigma_1$ を両端とする円を描いたものがモールの応力円です。

異なる側圧で描いた複数の応力円に対し、それらの上部に共通して接する直線（共通接線）を引きます。これがクーロンの破壊包絡線であり、以下の関係式で表されます。

τ = c + σ · tan(φ)

この直線の縦軸切片が粘着力 $c$ を示し、直線の傾斜角度が内部摩擦角 $\phi$ を表します。CU試験で間隙水圧 $u$ を計測した場合は、全応力から間隙水圧を差し引いた有効応力（$\sigma' = \sigma - u$）を用いて応力円を描くことで、有効粘着力 $c'$ および有効内部摩擦角 $\phi'$ を導出します。

供試体作成からせん断破壊までの試験手順と実務の留意点

三軸圧縮試験の精度は、供試体作成の丁寧さと試験機の緻密な制御に大きく依存します。地盤調査現場から実験室に至る標準的な試験ステップと注意点は次の通りです。

1. 供試体の成形とサンプリング管理
薄肉サンプラー（シンウォールサンプラー）等で採取した不攪乱試料から、直径35〜50mm、高さは直径の約2倍（70〜100mm）の円柱状供試体をトリマーで削り出します。供試体端面の平坦度や直角度が崩れると早期の応力集中を招くため、極めて繊細な成形技術が要求されます。

2. メンブレン装着とセルへの設置
成形した供試体を薄いラバーメンブレンで覆い、上下のペデスタル・キャップとOリングで密閉します。隙間からの浸水や漏気は測定値の致命的な狂いにつながるため、漏れのない確実なシールが不可欠です。

3. 飽和化とバックプレッシャーの印加
試料内の気泡を水に溶解させ完全飽和状態にするため、背圧（バックプレッシャー）をかけます。間隙水圧係数（$B$値）を測定し、飽和度の目安（通常 $B \ge 0.95$）を確認した後に次の工程へ進みます。

4. 等方圧密とせん断載荷
所定の拘束圧まで側圧を上げて圧密を進行させた後、一定のひずみ速度（変位制御方式）で軸荷重を加えていきます。せん断中に供試体が膨張・収縮する挙動や軸差応力（$\sigma_1 - \sigma_3$）のピークを捉え、明瞭なすべり面（せん断破壊面）の発生を確認して試験を終了します。

地盤調査における三軸圧縮試験の費用相場と工期

三軸圧縮試験の導入を検討する際、予算計画と工期スケジュールの把握は実務上の重要課題です。

室内試験自体の費用は、供試体3本を1セットとした場合、UU試験で約8万〜15万円、間隙水圧測定を伴うCU試験（CŪ試験）で約15万〜25万円、載荷に長い日数を要するCD試験で約20万〜35万円が一般的な目安となります。これに加え、現地でのボーリング掘削および高品質な不攪乱試料の採取（ロータリー式二重管・三重管サンプリングなど）に別途数十万円のコストが発生します。

工期については、試料採取後の試験室搬入からデータ整理・報告書作成まで、UU試験で約1〜2週間、透水性の低い粘性土のCD試験では圧密・せん断に日数を要するため3〜4週間程度のリードタイムを見込む必要があります。

【三軸圧縮試験】に関するよくある質問（FAQ）

Q1：砂質地盤の調査でも三軸圧縮試験を行う価値はありますか？
A1：大いにあります。砂質土は自立しないため一軸圧縮試験が不可能ですが、三軸圧縮試験であれば側圧を与えることで砂のせん断強度やダイレイタンシー角を正確に測定できます。特に液状化判定後の残留強度評価や、大規模構造物の支持層評価には欠かせないデータとなります。

Q2：モールの応力円を引く際、3本以上の供試体が必要とされるのはなぜですか？
A2：2本の応力円でも幾何学的に共通接線を引くことは可能ですが、供試体ごとのばらつきや測定誤差を吸収し、統計的に信頼できるクーロンの破壊包絡線を得るためには最低3点（異なる側圧条件3ケース）のデータが必須とされているためです。

Q3：UU試験と一軸圧縮試験では強度の測定結果に差が出ますか？
A3：完全飽和した粘性土であれば、全応力解析上の非排水せん断強度（$c_u$）は理論上ほぼ同じ値を示します（$\phi_u = 0$ 条件）。ただし、サンプリング時の乱れや不飽和部分が存在する場合、側圧をかけて密着させるUU試験の方がばらつきが少なく、より安定した強度値が得られます。

Q4：CU試験において間隙水圧を計測するメリットは何ですか？
A4：せん断過程で発生する過剰間隙水圧をリアルタイムで計測することにより、試験時間を短縮しながら、時間のかかるCD試験と同等の「有効応力パラメータ（$c', \phi'$）」を算出できる点が最大のメリットです。

まとめ：信頼性の高い地盤設計へ向けた三軸圧縮試験の実務的アプローチ

三軸圧縮試験は、地中の複雑な応力状態を実験室で忠実に再現し、精度の高いせん断強度定数を導き出すための標準的な地盤力学試験です。UU・CU・CDという3つの試験モードを現場の荷重速度・排水条件に応じて的確に使い分けることで、過剰設計を排した合理的かつ安全な構造物設計が可能になります。

構造物の巨大化や自然災害対策の高度化が進む現代の土木・建築分野において、得られた強度定数の力学的背景を正しく読み解き、実務設計へ確実に反映させる技術力がこれまで以上に求められています。 （出典: 三 軸 圧縮 試験（Yahoo!ニュース））