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Experimental and numerical analysis of planar piezo...
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粒状体地盤材料の弾性波伝播特性に関する
室内実験と個別要素法解析
東京大学生産技術研究所 助教
大坪正英(桑野研究室)
土木学会地震工学委員会2019年3月5日
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ガラスビーズ材料(研究目的)
川砂珪砂
粒状体地盤材料(細砂~礫材)
粒子間の接触によって地中応力を伝達する材料
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Majmudar et al., 2008 Majmudar & Behringer, 2005
応力伝達 光弾性による可視化
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地盤剛性率
Atkinson and Sallfors, 1991
剛性
率
せん断ひずみ
𝑮𝟎 = 𝝆𝑽𝑺𝟐
微小ひずみ剛性の高精度計測 → 地震応答解析の高性能化
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表面波探査
ダウンホール
クロスホール
Clayton, 2011
✓ 剛性率(せん断波速度)は深度に依存
✓ 水平方向の方が深度方向よりも大きい
弾性波検層
鉛直方向(ダウン・クロス)
水平方向(クロス)
剛性率
深度
𝑮𝟎 = 𝝆𝑽𝑺𝟐
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発表内容
粒状体地盤材料(細砂ー礫材)に対する
1)弾性波速度の密度・拘束圧依存性
2)土粒子堆積方向による速度異方性
3)細粒分混じり材料の周波数応答特性
地盤の巨視的な応答を土粒子スケール挙動で説明する
研究手法:室内実験+個別要素法数値解析(DEM)
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ディスクトランスデューサーの開発
圧電素子を試験装置に取付け
P波&S波を送信・受信
(形状・幅・厚みは設計次第)
38 mm
Epoxy
resin
28 mm
Silicon
P
Acrylic
plate
Metal
housing
2 mm
2 mm
1 mm
S
Suwal & Kuwano, 2013
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試験装置
9種類弾性波2種類弾性波6種類弾性波
大型三軸試験装置
H500×235×235mm
三軸試験装置
H150×φ75mm
立方体土槽
100×100×100 mm
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弾性波計測手法
PX PY PZ
SXZ SYX SZX
X
YZ
SP
PZ
SZX
PX PY PZ
SXZ SYX SZX SXY SYZ SZY
S
S
P
S
S
P
大型三軸試験装置
H500×235×235mm
三軸試験装置
H150×φ75mm
立方体土槽
100×100×100 mm
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弾性波計測手法
X
YZ
三軸試験装置
H150×φ75mm
P波到着
S波到着
PZ
SZX
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個別要素法(DEM)数値解析
𝝈𝟏′
𝝈𝟐′
𝝈𝟑′
𝝈𝟏′
壁面境界
周期 or 壁面境界
✓ 砂粒/ガラスビーズの物性
✓ ヘルツーミンドリン接触理論
DEMソフトウェア:
LAMMPS (オープンソース)
壁面境界
粒子形状
球体 2球体剛結
法線バネ:非線形接線バネ:バイリニア
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P波伝播
個別要素法(DEM)数値解析
せん断変位圧縮変位
S波伝播
受信壁
送信壁
周期境界
壁面のせん断応力
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室内試験と数値解析の比較
拘束圧 100kPa
拘束圧 400kPa
せん断波到着両
壁面
にお
ける
せん
断応
力室内試験
数値計算
ガラスビーズ材料
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発表内容
粒状体地盤材料(細砂ー礫材)に対する
1)弾性波速度の密度・拘束圧依存性
2)土粒子堆積方向による速度異方性
3)細粒分混じり材料の周波数応答特性
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弾性波速度(経験則)
𝑉 = 𝐴 𝑓𝑒 𝜎′ 𝑛
A, n : 材料定数𝒇𝒆 : 間隙比関数𝜎′ : 等方拘束圧
弾性波速度の密度依存性
密度による速度の増大 → 粒子間の接触点数が増加するため
せん
弾波
速度
(m/s
)
間隙比 間隙比
平均
接触
点数
Troyee et al. 2019
Otsubo 2016
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CN = 10
CN = 4
供試体
接触点の可視化実験
X線マイクロCT
墨汁による着色実験
Otsubo 2016; Otsubo et al, 2015
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弾性波速度の拘束圧依存性
弾性波速度(経験則)
𝑉 = 𝐴 𝑓𝑒 𝜎′ 𝑛
A, n : 材料定数𝑓𝑒 : 間隙比関数𝝈′ : 等方拘束圧
深度による速度の増大 →粒子間の接触剛性が増加するため
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一般的な砂 :2n =1/2 (経験則)
弾性波速度の拘束圧依存性
剛性率(経験則)
𝐺0 = 𝜌𝑉𝑆2 ∝ 𝜎′ 2𝑛
変位
接触力
非線形
三角錐McDowell & Bolton (2001)
滑らかな球面(ヘルツの接触理論)
2n = 1/3
2n = 1/2
粗い球面Yimsiri & Soga (2000)
2n > 1/2
角材 2n = 0
変位
接触力
線形
接触面積の増加
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Smooth
Rough
直径: 2.54 ±0.15 mm
Sq = 661 nm
Sq = 36 nm
10 μm
0.2 0.3 0.4
表面粗度の影響
深度による速度の増大 →粒子間の接触面積が増加するため
せん
弾剛
性率
(MP
a)
間隙比補正後
滑らかなビーズ2n = 0.35 – 0.37
粗いビーズ2n = 0.53 – 0.66
等方拘束圧 (MPa)
Otsubo et al, 2015
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発表内容
粒状体地盤材料(細砂ー礫材)に対する
1)弾性波速度の密度・拘束圧依存性
2)土粒子堆積方向による速度異方性
3)細粒分混じり材料の周波数応答特性
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土粒子堆積方向による速度異方性
Santamarina & Cho, 2004
Clayton, 2011
鉛直方向(ダウン・クロス)
水平方向(クロス)
剛性率
深度
v
h
𝑉𝑃,𝑉𝑉𝑆,𝑉𝐻
𝑉𝑃,𝐻
𝑉𝑆,𝐻𝑉
𝐻
𝑉
𝑉𝑃,𝐻𝑉𝑃,𝑉
=ℎ
𝑣
𝑉𝑆,𝐻𝑉𝑉𝑆,𝑉𝐻
= 1.1 ~ 1.5地盤堆積方向の速度が大きい
→ 粒子の向きが影響する?
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大型三軸試験装置 鹿島川砂
ガラスビーズ
水平方向
深度方向
剛性
率剛
性率
等方拘束圧
水平方向≒深度方向
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個別要素法数値解析
接触力網粒子接触点数
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個別要素法数値解析
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発表内容
粒状体地盤材料(細砂ー礫材)に対する
1)弾性波速度の密度・拘束圧依存性
2)土粒子堆積方向による剛性異方性
3)細粒分混じり材料の周波数応答特性
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Chen & Zhang, 2006
Gouhou dam, China
細粒分混じり材料
骨材(粗粒材)の挙動+細粒分の挙動?
細粒分流出による水みち、地中空洞形成
液状化強度の増大?力学特性
透水・浸透特性
ダムの決壊事例
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細粒分混じり材料の透水特性
Kawano et al. 2018
DEM-CFDcoupled simulation
Particle stress
細粒分の応力伝達指数
細粒分が骨格に寄与している場合は流出しにくい
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細粒分混じり材料の周波数応答特性
骨材(粗粒材)の挙動+細粒分の挙動?
液状化強度の増大?
目的:細粒分の骨格構造寄与度を非破壊検査で評価する
力学特性
細粒分が骨格構造に寄与しているか否かが重要
Gouhou dam, China細粒分流出による水みち、地中空洞形成透水・
浸透特性
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Under-filled fabric
細粒分の骨格構造寄与
骨材間の応力伝達が卓越
Transitional fabric
骨材間の接触が減少
Over-filled fabric
細粒分間の応力伝達が卓越
細粒分の貢献大
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細粒分の骨格構造寄与
細粒分含有率
細粒
分間
の応
力伝
達割
合細粒分25~35%の範囲で大きく遷移
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Low-pass frequency vs particle size受
信F
FT
/ F
FT
送信
最大通過周波数
粒径が小さい → 高周波成分まで地盤を通過する
周波数 : kHz 1 / 平均粒径 : m-1
最大
通過
周波
数:
kH
z
弾性波周波数応答 (個別要素法数値解析)
粒径小
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受信
FF
T /
FF
T 送
信
弾性波周波数応答 (室内試験)
粒径小
周波数 : kHz 1 / 平均粒径 : m-1
最大
通過
周波
数:
kH
z
粒径が小さい → 高周波成分まで地盤を通過する
最大通過周波数
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最大通過周波数の変化
最大
通過
周波
数:
kH
z
細粒分含有率
細粒分25~35%の範囲で大きく遷移
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Loose case
実験結果との比較
最大
通過
周波
数:
kH
z
細粒分含有率
実験値
実験値実験値
細粒分が応力負担 → 高周波成分が通過するようになる
Otsubo et al, 2019
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結論
粒状体地盤材料の弾性波速度は
• 密度が大きいほど増大する
→ 粒子間の接触点数が増加するため
• 深度が大きいほど増大する
→ 粒子間の接触剛性(面積)が増加するため
• 水平方向の伝播速度>深度方向の伝播速度
→ 土粒子の向きとの相関あり(要検討)
細粒分が骨格構造に寄与すると高周波成分が顕著となる