木元 小百合

粘性土の3次元的なひずみの局所化挙動を正確に追跡することを目的とし、粘性土の3次元有限要素解析法を開発し、実験のシミュレーションを行った。解析法は有限変形理論に基づいた水―土連成解析法であり、粘性土の構成式には内部構造変化を考慮した弾粘塑性構成式を用いている。実験は、角柱飽和粘土供試体を用いた非排水三軸圧縮試験であり、画像解析により供試体側面のせん断帯発生過程を定量化した。実験結果と解析結果を詳細に比較した結果、本解析法は供試体形状およびひずみ速度の異なる、正規圧密および過圧密粘土双方の3次元的なひずみの局所化挙動を精度良く追跡できることがわかった。

雲母混じりの砂は,雲母の平板状の粒子形状により,強度異方性が顕著に表れることが知られている。本報では,雲母を僅かにシルトに混入することにより,シルト試料の力学挙動がどのように変わるのかについて,三軸圧縮および伸張試験により調べた。具体的には重量比1%, 2.5%,5%の3種類で雲母を混入したところ,わずか1%の混入で圧縮せん断強度は上昇するのに対し,伸張せん断強度は低下することが示された。この強度異方性は,雲母の堆積方向によるものであると考えられるが,SEMによる供試体断面の観察によりその検証を行った。

Computing and analysis methods of bearing capacity conventionally used nowadays do not consider the effect of microstructure change of clay which leads to softening of soil strength and strain localization. The strain localization is generally considered to be important as a sign of failure and therefore the effect of microstructure cannot be neglected. In the present study, the finite element analysis of bearing capacity of surface foundation on homogeneous saturated clay stratum is conducted using an elasto-viscoplastic soil constitutive model considering microstructure change. Finally, the effect of microstructure change on collapse load and load-deformation behavior in bearing capacity problem is evaluated.

不飽和土の力学的挙動はサクション(ua-uw)に強く依存することが明らかになっている。しかし,従来の研究では排気・排水試験が主で非排気条件での研究が少ない。したがって,本研究では低飽和度の不飽和シルトを用いて,非排気・非排水,排気・排水および非排水定体積三軸圧縮試験を行い,その力学的挙動を検討した。試験試料としてはDLクレーを用い,締固めにより供試体を作製している。また,一連の試験では,間隙空気圧(ua)と間隙水圧(uw)を変化させる制御試験によりサクションを与え,それが不飽和土の力学挙動に及ぼす影響について検討した。

不飽和土地盤を解析するためには,サクションの効果をどう取り込むかが重要である。間隙空気圧を基準圧力とし,サクション(ua- uw)による影響を粘着力として考え,構成式の中で表現する方法がある。また,サクションの効果を主に有効拘束圧として考慮する方法がある。これは,気相と液相を1つの流体と見なし,骨格とその間隙を流れる流体の分圧から求められる等価間隙圧に基づいて有効応力として考える方法である。本論文では,不飽和シルトの排気・排水三軸圧縮試験について以上の2つの方法を用いて実験結果を整理し,構成式によるシミュレーションを行った結果を比較する。解析では,内部構造を考慮した弾粘塑性構成式を用いた。

著者らはメタンハイドレートを模擬した氷試料を用いて三軸圧縮試験を行っている。試験は拘束圧とひずみ速度を変えて排水条件で行ったものである。今回、この三軸圧縮試験結果について、岡らの提案する「凍結砂のひずみ軟化型弾粘塑性構成式」を用いてシミュレーションを行い、試験結果との比較を行った。その結果、ひずみ硬化-軟化挙動やひずみ速度効果等の試験結果をよく表現できることが明らかとなった。

地中に存在するメタンハイドレートから抽出されたメタンを新しいエネルギー源として利用する方法が注目されている。本研究では、メタンガスを安定して生産するため、メタンガス生成に伴う地盤環境の影響評価を行う。その評価方法として、地盤環境を再現できるモデルを開発し、有限要素法を用いて加熱・減圧法でのメタンハイドレートの分解、水・メタンガスの流れ、地盤の変形をシミュレートする。解析の結果、加熱、減圧によって地盤の条件を変えることによって、地盤内のメタンハイドレートが分解し、水・メタンガスの流れが生じる。さらに、地盤内の応力状態が変化し、地盤が変形することが確認された。

メタンハイドレートの生産に伴う海底地盤への影響を把握する目的で、有限要素法による弾塑性圧密解析を行った。解析領域としては海底面からメタンハイドレート層下面までを対象とし、外力としては生産に伴うメタンハイドレートの分解を掘削(メタンハイドレートを構成する要素の削除)で模擬し、掘削解放応力を与えることとした。パラメータの設定に際しては、想定される地盤として南海トラフを念頭に置き、基礎試錐などのデータや過去に日本周辺の海底地盤における土質・地質について調査されたデータに基づいて設定し、それらの値が変化することによる海底面での沈下の発生状況,海底地盤内の応力や水圧の分布状況,変形や水圧の経時変化などについて検討を行った。

本研究では、正規および過圧密粘土の角柱供試体を用いた非排水三軸試験を行い、供試体側面のひずみ分布を画像解析から定量化し、せん断帯の発生・成長について詳細に検討した。また、この実験は境界条件の設定が容易な小型模型載荷実験として行われている。そこで、新たに開発している3次元水-土連成有限要素法により粘土角柱供試体を用いた非排水三軸圧縮試験のシミュレーションを行った。実験結果とシミュレーション結果から、正規圧密および過圧密粘土の3次元的なせん断面の成長過程について比較することにより、ひずみの局所化のメカニズムについて検討した。

現在までひずみの局所化に関する計算工学的研究が行われてきたが、奥行き方向対称を仮定した2次元平面ひずみ条件での解析が主流であった。しかし、斜面崩壊などの実問題はもちろん、要素試験である三軸試験においてもせん断面は3次元的に現れるため、ひずみの局所化のメカニズムを解明するにあたって3次元解析は必須である。そこで本研究では、弾粘塑性構成式を用いた2次元及び3次元水―土連成有限要素法によるひずみの局所化解析を行い、2次元解析結果と3次元解析結果について比較検討を行った。その結果、3次元的なひずみの局所化と共に、供試体内部の応力やひずみの分布が明らかとなった。

内部構造の変化を考慮した弾粘塑性構成式を用いて、粘性土地盤の一次元圧密解析を行った。足立・岡によって提案されている弾粘塑性構成式中の、過圧密境界面および静的降伏関数を、粘塑性ひずみの発生に伴って縮小させることによって内部構造崩壊を表現できるよう拡張したものを用いた。構造変化を考慮した場合、破壊応力付近の軟化のみ考慮した構成式では再現できない、ひずみ速度の一時的な増加および間隙水圧の増加などの不安定現象を再現することができた。また構造変化を考慮しない場合と比較して、圧密中に排水面近くのひずみの集中帯がみられた。内部構造の崩壊が、圧縮ひずみの局所化、すなわち圧縮帯を引き起こすと考えられる。