佐賀大学低平地沿岸海域研究センター

佐賀大学大学院工学系研究科博士後期課程

佐賀大学大学院工学系研究科都市工学専攻

佐賀大学工学系研究科都市工学専攻

佐賀県立唐津工業高等学校

姫野, 季之

日野, 剛徳

柴, 錦春

根上, 武仁

陣内, 隆文

Saga University Institutional Repository

論文・報告
27
日野　剛徳１　根上　武仁２　柴　　錦春２
姫野　季之3　陣内　隆文4
論文･報告
土の活性度と物理化学的性質に
関する一考察
１.はじめに
土の活性度は，その物理化学的性質を間接的に
示すことから，地盤環境の判定や化学的地盤改良
工法適用時の参考値として期待される．しかし，
同値が最近の学術・技術の場で検討される機会は
少なくなってきている．
　有明海沿岸低平地域では，有明海沿岸道路建設
プロジェクトの進行に伴い，多くの地盤調査結果
が蓄積されつつある１）．
　本報では，土の活性度について改めて理解する
とともに，佐賀県政下の有明海沿岸道路建設プロ
ジェクトで掘削された8箇所の基準ボーリング結
果を用い，当地における活性度の地域的・深さ的
性質を検討した結果について述べる．
２.土の活性度
2．1　活性度の定義
　Skempton ２）によって示された活性度（＝A
（”A”ctivity））は次式で示され，多くの学術・技
術書で説明されてきている．なお，Skemptonに
よる次式（1）の分母については「2μm未満（＜
２μm）の粘土分含有量（%）」と示されているが，
近年の和文版学術・技術書では「2μm以下（≦
２μm）の粘土分含有量（%）」と示されるよう
になってきている．
A＝
塑性指数Ip
2μm未満（＜2μm）の粘土分含有量（%）
（1）２）
　さらに，活性度の説明として，近年の和文版学
術・技術書では次のような原文によって記述され
てきている．
１） 界面作用の大きな粘土粒子を多量に含む土
のIpは大きい．また，Ip ／（粘土分の%）は粒子一
個の界面作用の尺度とみてよく，これを活性度と
呼ぶ．活性度が粘土鉱物の種類に応じた固有の値
をとることは，上の説明からあきらかであろう．3）
２） 一般に，粘土分の含有量が多い土ほど液性
限界は高く，塑性を示す含水比の範囲，すなわち
塑性指数Ipが大きい．ただし，粘土分の含有量が
同じでも，電気的な性質の活発なスメクタイトな
どの粘土鉱物の含有量が多い土ほどIpが大きくな
る．（中略）活性度は細粒土の堆積時の環境や含
有粘土鉱物の推定などにも用いられる．4）
3） 活性度Aは，粘性土の活性の程度を表した
もので，次式（前述の（1）式）で求められる．５）（た
だし，前述の（1）式において分母が「2μm以下（≦
2μm）の粘土分含有量（%）」のように示されて
いる．）
2．2　活性度と物理化学的性質の関係
　活性度の説明について，地盤工学会では次の説
明を続けているが，補足にとどめている．
4） 活性とは，他の物質を吸着したり，化学的
に結合する傾向の強さをいう．５）
　Mitchellは，活性度の説明に至るまでに，結
晶構造，鉱物学的性質，土構造，土の構成の定
義，土と水，粘土―水電解質系，土の集合系およ
び測定，有効応力と全応力，土の構成と工学的性
質，のように，事前に多くの物理化学的知識を踏
まえさせている６）．その上で，活性度の事例とし
て表－１の結果を示している．他方，嘉門・浅川
は，代表的粘土鉱物の特徴として表－２の内容を
示している．
　表－１および表－２より，モンモリロナイト（正
しくは，スメクタイト族に属するモンモリロナイ
１佐賀大学低平地沿岸海域研究センター
２佐賀大学大学院工学系研究科都市工学専攻
3佐賀大学大学院工学系研究科博士後期課程
4佐賀県立唐津工業高等学校
28 低平地研究　No.25 May 2016
表-2　代表的な粘土鉱物の特徴８）
ト種９））およびカオリナイトを選び，両者の特性
について再整理したのが図－１である．同図から，
土の活性度が1.25を超え，高活性と判断される場
合，スメクタイト（モンモリロナイト）のような
粘土鉱物が含有されていること，同粘土鉱物は高
い比表面積および陽イオン交換容量のために化学
的な反応に敏感なこと，粒度組成によらず高液性
限界を示す根拠になること，などのように推定さ
れる．
　他方，活性度が0.5を下回る低活性な土の場合，
カオリナイトのような粘土鉱物が含有されている
こと，同粘土鉱物は低い比表面積および陽イオン
交換容量のために化学的な反応に鈍感なこと，粒
度組成によらず低液性限界を示す根拠になること，
などのように推定される．
　図－２に，土粒子・水界面のイオン・水分子吸
着水の模式図を示す．粘土鉱物の比表面積および
陽イオン交換容量が液性限界の高低に関連するの
は，前者の値が高ければ同図中の吸着水（強吸着
水・弱吸着水）の量が増し，低ければ吸着水の量
が減ることによる．
2．3　活性度の理解に認められる課題
　前節までに示してきた活性度に関する理解は，
近年の和文版学術・技術書においては嘉門・浅川
によるものが詳しい11）．また，山口による同書で
は，活性度に関する理解の以前に粘土粒子の物理
粘土鉱物 粒子の大きさ 比表面積（㎡ /g）
陽イオン
交換容量
（meq/100g）
形　態 備　考
カオリナイト d=0.3 ～ 3μmt=d/3 ～ d/10 10～20 3～15
不整形六角板状，または鱗片
状
結晶度の低いものは，周辺がギ
ザギザしており，粒径も小さい．
ハロイサイト
外径：0.07μm
内径：0.04μm
長さ：0.5μm
40～100 10～40 細長い中空管状，球状短冊状
バーミキュライト
d≦2 μ m
t=d/10
（tmin= 数 10Å）
5～400 150～200 不定形板状または薄片状 粒径範囲が広い．水に分散させたとき，微細粒子が観察される．
イライト d=0.1 ～ 2μmt=d/10 60～100 10～40
不定形板状または薄片状
不整六角板状
モンモリロナイト d=0.1 ～ 1μmt=d/100 800 100～150
無定形板状または薄片状
水で分散したとき薄膜状
{d=0.02～0.2μm　t=20Å
という報告もある．
鉱　物 活性度
スメクタイト 1 ～ 7
イライト 0.5 ～ 1
カオリナイト 0.5
ハロイサイト（2H２O） 0.5
ハロイサイト（4H２O） 0.1
アタパルジャイト 0.5 ～ 1.2
アロフェン 0.5 ～ 1.2
表-1　様々な粘土鉱物の活性度７）
図-1　活性度と物理化学的性質の関係
論文・報告
29
化学に関する章が設けられていた12）．今日の活性
度に関する理解は，土のコンシステンシーに関す
る説明において，世界各地の土の値が示される程
度の簡易な記述のみであり，真意が伝えられてい
るとはいい難い．
　前述のように，活性度の理解には土の堆積時の
環境や含有粘土鉱物の推定などが期待されている
が，（1）式の分子に塑性指数が用いられているこ
とも課題になる．これまでの研究事例に基づけば，
２次的な地盤環境の変化14）が塑性限界に及ぼす
影響は小さい反面，液性限界に及ぼす影響は大き
いことがわかってきている15）．堆積当時の液性限
界が塩分溶脱現象などによる２次的な地盤環境の
変化に伴い低下すると，塑性指数も低下する．粒
度組成が不変の場合，図－１上で活性度の値は鉛
直下方に低下することになる．結果として，かつ
ては高活性の土が現在では低活性の土になってい
る可能性が否定できなくなり，堆積時の環境の復
元に誤った情報をもたらしてしまうことになる．
　図－３に，粘土化へのプロセスを示す．典型的
な高活性を示すモンモリロナイトと低活性を示す
カオリン鉱物との間で可逆性の関係が認められる．
２次的な地盤環境の変化には，かつてのアルカリ
環境から酸性環境に転じるものがある14）．同図に
おけるモンモリロナイトのカオリン鉱物化は，酸
性から中性の環境下で生じる．これらは土の粒度
組成を変化させ，鉱物自ら比表面積や陽イオン交
換容量をも変化させ，結果として活性度を変化さ
せる可能性を示している．
　土にアロフェンが含まれている場合，同鉱物の
活性度は図－１の関係において0.5から1.25の範
囲に分布するため，注意が必要である．同鉱物の
表面電荷は，図－２の事例とは逆の正の電荷を有
しており，固着層および拡散層に吸着されるイオ
ンは陰イオンとなるため，他の鉱物を含む土との
間で物理化学的性質を違えることになる．
　以上のことから，活性度の理解として，あくま
図-３　粘土化へのプロセス13）
図-2　土粒子・水界面のイオン・水分子吸着水の模式図10）
30 低平地研究　No.25 May 2016
で調査時点における土の鉱物学的性質，比表面積，
陽イオン交換容量，化学的反応性，液性限界の数
値の根拠，などの推定に活かされるほうが無難と
いえる．アロフェンとそれ以外の鉱物の含有に関
する単純な見分け方として，土に対する塩化カル
シウムの添加が挙げられる15）．塩化カルシウムの
添加によって液性限界や練返し強さの値の増加が
認められれば，アロフェンの含有は否定されるこ
とになる．
３ .有明海沿岸低平地における活性度の地
域的・深さ的性質に関する検討
3．1　基準ボーリング「嘉瀬コア」における活性度
　図－４に，本報の検討に供した基準ボーリング
群の調査位置を示す．図－５に，これらの調査結
果の事例として，嘉瀬コアと呼ぶ基準ボーリング
の調査結果を示す．基準ボーリング群の掘削は，
佐賀県政下の有明海沿岸道路（佐賀福富道路）に
おける技術検討の段階において，2003（平成15）
年度から2005（平成17）年度の季節的な地下水位
の回復の時期（稲作期後）16）に行われている17）．
　嘉瀬コアについて，下位から非海成の蓮池層下
部aH1（同図中では記号未表記），海成の有明粘
土層aAcおよび非海成の蓮池層上部aHu（記号未
表記）のように区分される完新統が，非海成の更
新統に区分される三田川層dMの上に重なる堆積
環境を有する．活性度Aについて，完新統の下位
から上位にかけて１から２の範囲でC字的な垂直
分布を示している．また，更新統に区分される中
原層上部dNuの上位では2.5程度の高い値が認め
られる．
図-5　嘉瀬コアの調査結果
図-4　基準ボーリング群の調査位置
論文・報告
31
3．2　活性度の地域的・深さ的性質に関する検討
　図－６に，基準ボーリング群から得られた活性
度Aの深さ分布を示す．同図における深さ25m付
近から以浅にかけてのデータは，基準ボーリング
群における完新統の結果である．25m付近から以
深のデータは更新統のものである．
　完新統の結果について，竜王コアでは非活性粘
土（A=0.75未満）としての性質が認められるが，
これ以外のコアでは普通の粘土（A=0.75 ～ 1.25）
以上の性質としてプロットされる．さらに，六角
川を境として嘉瀬，久保田，道免，芦刈の各コア
と福富東，福富，築切搦の各コアとの間でグルー
ピングの可能性がうかがえ，後者の各コアでは活
性の高い粘土（A=1.25以上）の性質として理解
される．
　次に，更新統の結果について，完新統に比べて
相対的に活性度Aの値が高まり，かつ完新統と同
様な地域区分の傾向がうかがえる．
3．3　物理化学的性質と活性度の関係
　図－７～９に，有明海沿岸低平地域における物
理化学的性質の評価に際し，簡便な指標として用
いている酸化還元電位（ORP），pHおよび塩化ナ
トリウム（NaCl）濃度を横軸に取り，活性度Aと
の関係を求めた結果を示す．これらの3つの数値
は市販の器機を用いて計測されてきている18），竜
王コアの完新統では酸化状態が卓越し，塩化ナト
リウム濃度の値が2g/L以下の塩分溶脱現象を示
していることから，２次的な地盤環境の変化が著
しく進んでいると考えられる14）．前述の（1）式
の分子における塑性指数Ipは，Ip＝液性限界wL－
塑性限界wpの関係であり，上記の塩分溶脱現象
は液性限界wLを低下させることから15），結果とし
て活性度Aの値を低下させる．このようなメカニ
ズムが竜王コアにおける完新統の活性度Aに生じ，
堆積当時から今日にかけて同値が低下しているこ
とが考えられる．
　図－８に示したpHの関係では，図－６の検討
で述べた地域区分がほぼ同様に当てはまることが
うかがえる．pHは，セメント系・石灰系固化材
による化学的地盤改良工法適用時の貴重な数値で
あるが，計測の機会は少なくなってきている．同
工法の施工においてpHの値を伴わなくとも，技
術者にとってはむしろ土質試験の範ちゅうとし
て取り扱い可能な活性度Aを検討することにより，
pHが未計測の場合の代理値として役割を果たす
可能性がある．
図-6　活性度の深さ分布
図-７　活性度と酸化還元電位（ORP）の関係
図-８　活性度と pHの関係
32 低平地研究　No.25 May 2016
４.おわりに
　本報では，活性度の定義，物理化学的性質との
間の関係，活性度の理解に認められる課題につい
て検討した．これらの検討から得られた知見に基
づいて，佐賀県政下の有明海沿岸道路建設プロ
ジェクトにおける基準ボーリング結果を用い，当
地における活性度と物理化学的性質の地域的・深
さ的性質に関する検討を行った．本報で得られた
知見を要約すると，次のとおりである．
１） 土の堆積時の環境や含有粘土鉱物の推定に
活性度を用いるのは難しいことを指摘した．調査
時点における土の活性の程度を知るための利用は
有用と考えられる．
２） 土にアロフェンが含まれている場合，同鉱
物の活性度は0.5から1.25の範囲に分布する．た
だし，同鉱物の表面電荷は正の電荷を有し，固着
層および拡散層に吸着されるイオンは陰イオンと
なるため，他の鉱物を含む土との間で物理化学的
性質を違えることに注意が必要である．
3） 本報で検討した地域における活性度は，六
角川以東の佐賀地区，同河川以西の白石地区およ
び白石地区最西部との3つの地域区分が行える可
能性がある．
4） 更新統の活性度は完新統の同値に比べて相
対的に高い値を有する．
５） 活性度とpHの間で優位な関係が求められ
ることがうかがえた．
謝辞：本報の検討に用いた地盤調査結果は，佐賀
県有明海沿岸道路整備事務所によって2002（平成
14）年度来から得られてきているものを提供して
いただいた．また，本報の検討に際しては，日
本学術振興会（JSPS）・科学研究費補助金・基盤
研究（B）（一般）・課題番号23360204（研究代表
者：日野剛徳），同・挑戦的萌芽研究・課題番号
23656300（研究代表者：日野剛徳），同・挑戦的
萌芽研究・課題番号24656288（研究代表者：柴錦
春）および同・基盤研究（C）（一般）・課題番号
25420499（研究代表者：梅崎健夫（信州大学））
のそれぞれから補助をいただいてきた．記して感
謝の意を表します．
参考文献
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盤及びフロート式深層混合処理地盤上の試験盛土の挙動，
地盤工学会誌，地盤工学会，Vol. 60，No. 8，pp. 18-21，
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６） Mitchell, J. K. : Fundamentals of soil behavior, Second
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edition, John Wiley & Sons, Inc., p. 186, 1992.
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力学（Ⅰ）～土の分類・物理化学的性質～，技法堂出版，p.
43，1988．
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力学（Ⅰ）～土の分類・物理化学的性質～，技法堂出版，p.
62，1988．
11）嘉門雅史，浅川美利：土木学会編・新体系土木工学16土
の力学（Ⅰ）～土の分類・物理化学的性質～，技法堂出版，
pp. 87-97，1988．
12）山口柏樹：土質力学（全改訂）～講義と演習～，技法堂出
版，pp. 13-21，1984．
13）土質工学会編：土質工学における化学の基礎と応用，土質
基礎ライブラリー 15，pp. 2-15，1978．
14）日野剛徳，柴錦春：5.海面変動が地盤環境に及ぼす影響と
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地盤工学会誌，地盤工学会，Vol.62，No.1，Ser.No.672，
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15）Ohtsubo, M., Egashira, K., Koumoto, T. and Bergado,
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with the geotechnical index properties of Bangkok clay:
Comarison with Ariake clay, Soils and Foundations, Vol.
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16）陶野郁雄：大深度地下開発と地下環境，鹿島出版会，
pp.119-133，1990．
17）日野剛徳，伊賀屋豊，下山正一，柴錦春：九州・沖縄の特
殊土の紹介①～有明粘土～，地盤工学会誌，地盤工学会，
Vol.58，No.6，pp.6-9，2010．
18）日野剛徳，井上貴昭，辻大輔，竹辺義信：粘土中塩分濃
度の簡易測定法について，低平地研究，No.10，pp.15-24，
2001．
図-9　活性度と塩化ナトリウム（NaCl）濃度の関係


ツチ　ノ　カッセイド　ト　ブツリ　カガクテキ　セイシツ　ニ　カンスル　イチコウサツ

ツチ　ノ　カッセイド　ト　ブツリ　カガクテキ　セイシツ　ニ　カンスル　イチコウサツ

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