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繰 返 し荷 重 を受 け る粒 状材 料 の 累積 損 傷 度 理 論 に よ る塑 性 変 形 解 析

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Academic year: 2022

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(1)【土木 学 会 舗 装 工 学論 文集. 第10巻2005年12月. 】. 繰 返 し荷 重 を受 け る粒 状材 料 の 累積 損 傷 度 理 論 に よ る塑 性 変 形 解 析 関根 悦 夫1・ 石 川 達 也2 1正 会 員 2正 会 員. 博(工)(財)鉄. 博(工)北. 道 総 合 技 術 研 究 所 軌 道 技 術 研 究 部 軌 道 ・路盤 研 究 室. (〒185‑8540東 京 都 国分 寺 市 光 町2‑8‑38) 海 道 大 学 大 学院 助 教 授 工 学 研 究 科(〒060 ‑8628札 幌 市 北 区北13条. 西8). バ ラ ス ト軌 道 は,列 車 走行 に よる繰 返 し荷 重 を受 け,粒 状 材 料 で あ る道床 バ ラス トに 塑性 変形 を生 じる. 鉄 道 線 路 の効 率 的 な維 持 管理 を行 うた め に は,繰 返 し作 用 す る列 車 荷 重 下 にお け る道 床 バ ラ ス ト部 分 の変 形 特 性 を解 明 す る必 要 が あ る.そ こで,本 研 究 で は,道 床 バ ラス トの 材 料 特 性 を考 慮 したバ ラ ス ト軌 道 の 変形 挙 動 解 析 法 につ い て検 討 した.そ の結 果,道 床 バ ラス トの 累 積 ひ ず み 特 性 を考 慮 したFEM解 析 に よる 道 床 部 の繰 返 し塑性 変 形 量 の 簡 易推 定 方 法 を 提 案 した.ま た,模 型 試 験 結 果 との比 較 検 討 か ら,提 案 した 推 定 法 の 妥 当性 を 検 証 し,累 積損 傷 度 理論 を応 用 した 場 合,簡 易 な線 形 弾 性 解 析 で も道 床 の弾 塑 性挙 動 を あ る程 度 推 定 で き る こ とを示 した.. Key Words : FEM, cumulative damage, plastic deformation, cyclic loading, granular materials, ballasted track. 1.は. じめ に. 塑性 変形 に関す る解 析的検討 は行 われ てお り7),8),修正. 我 が国の鉄道線 路 において,在 来線 の約90%を バ ラス ト軌道(図‑1)は,繰. Cam‑Clayモ デル に基 づいた変形解析 に よ りコンク リー ト. 占め る. 舗 装 にお ける粒状 路盤 の塑性 変形 の追跡や粒 状路盤材 料. 返 し作用 す る列車荷 重 に よ. の三軸圧縮 試験 の弾塑性 解析 を行 い,静 的載荷条件 での. り,粒 状材料 で ある道 床バ ラス トに塑 性変形 が生 じ,列. 適 用性 を確 認 してい る ものの,繰 返 し荷 重に よる塑 性変. 車の走行安全 性や乗 り心地 等 に影響 を与 えるた め,軌 道. 形の進行 に対 して は今 後 の課題 と して いる.. の変形量 を定期的 に測定 し,基 準値 を超過 した場 合には. 本研 究で は,こ の よ うな状況 を踏 まえ,粒 状材料 で あ. 補修 作業 を行 ってい る.こ のた め,効 率的 な軌 道 の維 持. る道床 バ ラス トの材料 特性 を考 慮 し,比 較的簡易 な軌道. 管理 を行 うに は,繰 返 し作 用す る列 車荷重 下の道床 バ ラ. 構造 解 析手法 を構築す るた め,後 述す る累積損 傷度理論. ス ト部分 の変 形特性 を解 明す る必要 が ある.. を用 い,道 床バ ラス トの累積 ひずみ特 性を考慮 したFEM. これ まで,バ ラス ト軌 道の変形挙動解 明の一環 として,. 解析 に よって道床 バ ラス トの塑性 変形 量の合理 的 な算 出. 軌道や路盤 を対象 と した変形特性 検討 のための模型 載荷. 方法 を提 案 する.. 試 験が実施 された り1),2),3),4),構 造解 析手法 が提 案 され て きた5),6).構 造解析 手法 につ いては,そ の多 くは道床バ ラス トをマ ク ロな構造 体 と して扱 うバネ ー ダ ッシ ュポ ッ ドー質 点系モデ ルで あ り,粘 弾性 論 を骨 子 としてい る. そ のため,道 床 バ ラス トの繰返 し載荷 に伴 う塑性 変位 量 は道床 バ ラス トへの作 用圧力 と道 床バ ラス トに生 じる振 動加速 度 に比例 す る とい う実験 式で表 現 され,解 析モ デ ル は塑性 学的 な理論展 開 をせ ずに構築 され てい る.し か し,道 床バ ラス トは弾塑性 的挙動 を示 す均等粒 径 の粒 状 材料 で あ り,そ の材料 特性 を充分考慮 して いない実験 式 の一般 性 はな く,道 床 の繰返 し塑性変 形機構 の解 明には いたってい ない. また,舗 装 に用 い られ てい る粒状 路盤 材料 につ いて も. 図‑1バ. 53. ラス ト軌道 の縦 断面.

(2) ここに,. 図‑2各. 応 力 の定義. 図‑3繰 返 し三軸圧縮試験結果 と近似曲線. (a)SRs=0.5. (b)SRs=0.7 図‑4(εa)max〜Nc関係 の近似 曲線 こ こ で は,道 床 バ ラ ス トの 累 積 ひ ず み 特 性が,砂. 2.累. 積 損 傷 度 理 論 を応 用 したFEMに. よる累積変. 質土. 盛 土 材 料 の 累積 ひ ず み 特 性 と同様 に 式(1)の よ うに表 す こ. 形解析. とが で き る と仮 定 し,道 床 バ ラ ス トの1/5相 似 粒 度 の粒 状 材 料 に 対 す る繰 返 し三 軸 圧 縮 試 験 結 果 を も とに 式(1)のa1 〜a7の 係 数 を 同 定 し,SRs,SRd,Ncと 累積 軸 ひ ず み(εa)max. (1)道 床バ ラス トの 累積 ひずみ特性 繰 返 し荷 重 を受 け る盛土 は,繰 返 し荷 重強度 と累積 さ. の 関係 を求 め る こ と と した.図‑3は,繰. れ るせ ん断 ひずみ に依 存 してせ ん断剛性 が低 下 し,永 久. 験(供. 変形 が進行す る.繰 返 し荷重 強度 と累積 され るせ ん断 ひ る。そ こで,平 野等9)が砂質 土盛 土材料 の繰返 し三軸圧縮. れ た軸 ひ ず みεaと繰 返 し載 荷 回 数Ncの. 試験 を実施 し,堀井等10)が初期せ ん断応 力τs,繰返 し応力. 関係 を示 した もの. で あ る.図 中 のεmaxは繰 返 し載 荷 中 に 最 大 軸 差 応 力qmax. (動的せ ん断応 力τd),繰返 し載荷 回数Ncを パ ラメー ター. を負 荷 した 状 態 を,εminは最 小 軸 差 応 力qminを 負 荷 した状. と した累積 ひずみ特性 を式(1)のよ うに定式化 してい る.. 態 の 軸 ひ ず み を そ れ ぞ れ 示 して い る.ま た,軸. 各応 力 の定義 を図‑2に 示す.. は,初 期 状 態(図‑2に. 示 すA点. ひ ず み εa. の 状 態)の 軸 ひ ず み を基. 準 に した測 定結 果 で あ る.図‑3は,繰. (1). 返 し載 荷 に 伴 い軸. ひ ず み は 増 加 す る傾 向 に あ る も の の,繰 返 し載 荷 初 期 に は 残 留 軸 ひ ず み の 増 加 が 大 き く,塑 性 の卓 越 す る弾 塑 性. SRs:初 期 せ ん 断応 力 比. 状 態 を示 す が,繰. Rs=τs/σm=σs/(2σm)S. 返 し載 荷 回 数 の 増 加 と と も に残 留 軸 ひ. ず み の増 加 量 が 減 少 し,弾 性 化 へ 進 行 す る こ とを示 して. SRd :動 的せ ん 断 応 力 比. い る.こ の軸 ひず みεa〜繰 返 し載 荷 回 数Nc関 係 を式(1)で. Rd=τd/σm=σd/(2σm)S. 近 似 した 結 果 を 図‑3中 に実 線 で示 す 。 同図 か ら,近 似 は. σs :初 期 軸 差 応 力. 試 験 デ ー タ に 対 して ほ ぼ 妥 当 な もの と な っ て お り,式(1). :繰 返 し応 力 振 σd幅. が道 床 バ ラ ス トの よ うな粒 状材 料 の 累 積 ひ ず み 特 性 に 対. σm. して も有 効 で あ る こ とが わ か る.ま た,式(1)に 基 づ く道 (εa)max:累積 軸 ひ ず み a1〜a7:係. 効 拘 束 圧 σc'=. 29.4kPa(等 方 応 力 状 態),軸 差 応 力 振 幅qa=100kPa(qmax =110kPa ,qmin=10kPa),載 荷 周 期f=0.25Hz)10)か ら得 ら. ずみ の関係 は,盛 土 内部の初期せ ん断応 力比 に影 響 され. :平 均 主 応 力. 試 体 初 期 乾 燥 密 度1.39g/cm3,有. 返 し三 軸 圧 縮 試. 床 バ ラ ス トの 累 積 ひ ず み 特 性 の 一 例 と して,(εa)max〜Nx. 数. 54.

(3) 盤材 料 のせ ん断剛 性を低 下 させ て,繰 返 し荷 重載荷 時の 地盤 構造 物 の弾塑 性 変形 を推測 す る理論 を,「 累積 損傷 度 理論」と称 し,累 積損 傷度理論 を取 り入れ たFEM解. 析. に よる繰 返 し荷 重載荷 時の粒状材 料 の弾塑性 変形量 の推 定方法 を提 案す る. FEM解 析 モデル にお ける道床 バ ラス トの変 形係 数 の設 定や繰 返 し荷 重載荷時 の道 床バ ラス トの弾塑性 変形量 の 推定方 法の概 略 を図‑5に 示す。 ただ し,計 算過程で は, 道床 バ ラス ト以外 の部材 は繰返 し載荷 に よ り損 傷 しない と考 え,道 床 バ ラス ト以外 の材 料 定数 は変 更 しない で FEM解 析 を行 うもの とす る. 累積 損傷度理論 による解析 手順 を以下 に示す. (1)道床バ ラス ト各 要素 に損傷 していない状態 の変形係数 を設 定 し,自 重に よる初期安 定解析(FEMの. 静的線 E0. 形 弾性解)を 行 い,道 床 の応 力分布(σs)と 自重 変位 iを算 出す る(図‑5の 処理手順1).な お,損 傷 してい u ない状 態の道床 バ ラス トの変形係 数は,道 床 バ ラス ト の静 的三軸圧縮試 験 にお ける単調 載荷過程 でのせ ん断 開始 後εa=0.001%程度 の微小 ひ ずみ 領域 で 定義 され る 初期接線 変形係数 を採 用す る. (2)損傷 して いない状態 の変形係 数(=E0)を と載荷荷 重に よる初期応力解 析(FEMの. 用い て 自重 静的線 形弾 性. 解析)を 行 い,道 床 バ ラス トの応力分布(σs+σd)と初 期変位u0を 算 出す る(図‑5の 処理 手順2). (3)上述 の応 力分布 に基づ き,道 床各要 素のσs,σd,σmを 求 めて式(1)に代入 し,Nc=1と 図‑5累. お いて繰 返 し載荷1回. 目の累積軸ひずみ(εa)maxを 算 出す る。その後,道 床バ ラ. 積 変形解析 の手順. ス トの要 素 ご とに繰 返 し載荷 に よる損 傷後 の変形係数 関係 をSRdな らび にSRd別 に求めた結果 を図‑4に 示す.. (軟化変形係数)E1(n)を 式(2)によ り算出す る(図‑5の. 同図 か ら,道 床 バ ラス トの累積ひず み特性 に関 して次 の. 処理 手順3).な お,nは. 収束計算 回数 の こ とであ る.. こ とが わか る. ・ 初期せ ん断応力比SRsと 動的せん断応 力比SRdが 一定 の. (2). 場合,累 積軸 ひず み(εa)maxは 繰返 し載荷 回数Ncの 増加 とともに増加す る. ・初期せ ん断応 力比SR. (4)軟化 変形係数E1(n)を用いて 自重 と載荷 荷重 による繰 返 し応 力解析 を行 い,収 束計算n回. 目の道床 の応力 分布. sと繰返 し載 荷回数 現 が一定 の場. と弾塑性変位u1を 算 出す る.そ の後,再 度累積損傷度. 合,累 積軸 ひずみ(εa)maxは 動的せ ん断応 力比SRdの 増加. 理 論 を 用 い て 累 積 軸 ひ ず み(εa)maxと 軟化変 形係数. とともに増加す る. ・動的せ ん断応 力比SRdと 繰 返 し載荷 回数Ncが 一 定の場. E1(n+1)を算 出 し,解 析 前後 の軟化 変形係数 を比較 して 両者が一 致 しない場 合には,(3)〜(4)の計算過 程 を収束. 合,累 積軸 ひず み(εa)maxは 初期せ ん断応 力比SRsの 増加. す るま で繰 り返す(図‑5の 処理 手順4).. とともに増加す る.. (5)軟化変形係数E1(n)が収束 した場 合 には,各 要 素はその. 本来 で あれ ば,同 試料 に対 して系統 立てた繰返 し三軸. 応 力状態 にお け る当該材 料の累積 ひずみ 特性 を満 足す. 圧縮試 験 を行 い,種 々の試験条件 の試験結 果 に対 し図‑4. る と考 え,収 束 した軟化変形係 数E1(n)を用 いた 自重 と. の妥 当性 を検証す べ きで あ るが,以 下 では,式(1)が 他 の. 載 荷荷重 に よる累積 変形解 析 を行 い,自 重 と載荷 荷重. 応力状態 につ いて も適 用で きる と仮定 して検討す るこ と. に よる累積変位uaを 算出す る。 なお,載 荷 に よる最終. とした.. 的な弾塑 性変位upは,累 積変位uaか ら自重変位uiを 差 し引いて算 出す る(図‑5の 処理手順5).. (2)累 積 損傷度理 論に基 づ くFEM解 析. (6)繰返 し載荷 を行 う場合 には,繰 返 し載荷 回数N回. 本研 究で は,地 盤 材料 の累積ひ ずみ特性 を考 慮 し,地. は式(1)にお いてNc=Nと 55. 目で. して,(1)〜(5)の計算過 程 を繰.

(4) ここに,. 図‑7模 型試験の概略. 図‑6最. 大 主 応 力 ・最 小 主 応 力 とσs,σd,σmの 関 係. 図‑8定 点繰 返 し載荷試験結果. り返す. なお,累 積 損傷度理論 の適用 の過程 で,初 期軸 差応力. σ1sp :自重 と載 荷荷重負 荷時 の最 大主応力. ,繰 返 し応力振幅σd,平 均主応力σmの決 定方 法 を検討 σs. σ3sp:自重 と荷 重負 荷時 の最小主応力. しな けれ ばな らない.累 積 損傷度理論 で は,σs,σd,σm. σ1s:自重負 荷時 の最 大主応 力. が決まれ ば式(1)に基 づ き累積軸ひず み(εa)maxを 算定 し,軟. σ3s:自重負 荷時 の最 小主応 力. 化 変形係 数EI(n)を求 める ことがで きる.し か し,三 軸圧 縮 試験 の よ うに軸圧 が載 荷 され て も拘束 圧が一 定に保 た. (3)解 析 モ デ ル. れ る制御 された応力状 態 と異 な り,一 般 に地盤 内の応力. 累積 損 傷 度 理 論 に基 づ くFEM解. 状 態は ある方向か ら荷 重が載荷 されれ ば,そ の方 向の応. る た め,1/5縮. 力状態が変化す るだけでな く,そ れ と直 交す る他の2方 向の応 力状態 も変化す る.こ の傾 向はFEM解. 擬 す る こ こ と した.な お,通. 析におい て. 照)6)を 模. 常 の列 車 の繰 返 し荷 重 は 車. 輪 走 行 で の 移 動 荷 重 に よ る繰 返 し載 荷 で あ るが,こ. も同様 で ある.従 って,地 盤 中の 自重 のみが載荷 され た. こで. は,載 荷 ロ ッ ドに よ る定 点 で の繰 返 し載 荷 を 対 象 と した.. 場 合の応力状 態 と自重 と載荷荷 重が載荷 された場 合の応. 解 析 モ デ ル の概 略,解. 力 状態で,三 軸圧縮試験 の等方圧 密状態 の応力状 態 と軸. 析 メ ッシ ュ を 図‑9,10に. 示 す.模. 型 試 験 は バ ラ ス ト軌 道 の 繰 返 し一 点 載 荷 試 験 を平 面 ひ ず. 差応 力載荷 時の応力状 態 を近似す るこ とが必要 にな る.. み 状 態 で 行 っ た もの で あ り,解 析 モ デ ル も2次. こ こで は,各 載荷状態 の軸差応 力の差 の半分が繰返 し応. 元 平面ひ. ず み 状 態 と し,模 型 ま く ら ぎ 中 心 線 を 対 称 軸 と した1/2. 力振幅σdに等 しい と仮定 し,式(3)に よる方 法に よって近. 対 称 モ デ ル で あ る.な お,道 床 バ ラ ス トが ま く ら ぎ な ら. 似 した.σs,σd,σm,σc'と載荷 状態 の最大 ・最小 主応 力 ,σ3と の関係 を図‑6に 示す.. 析 の妥 当 性 を検 討 す. 尺 模 型 の繰 返 し載 荷(図‑7,8参. び に 路 盤 と不 連 続 で あ る こ と を 考 慮 して,ま. σ1. くらぎ と. 道 床 バ ラ ス トお よ び 路 盤 と道 床 バ ラス トの 境 界 に は,剛 性 が 低 く薄 い要 素(以 下,「 境 界 要 素 」 とい う)を そ れ ぞ れ 挿 入 した.. (3). FEMの. 静的 線 形 弾性 解 析 で用 い る解 析 パ ラ メ ー ター を. 表‑1に 示 す 。 こ の うち,ま (密度,変. 56. 形 係 数,ポ. く らぎ お よび 路 盤 の材 料 定 数. ア ソ ン比)は,模. 型 試 験 と同 じコ.

(5) (a)収 束 計算1回 目の解析結果 図‑9FEM解. 析モデ ルの概略. (b)収 束計算2回 目の解 析結果. 図‑10解. 表‑1FEM解. 析 メ ッシ ュ. 析 に用 い た パ ラ メ ー タ. (c)収 束計算8回 目の解 析結果. *:初 期 変形係数. (d)収 束計 算9回 目の解析結果 図‑12道. 床 バ ラス トの軟化変 形係数E1(n)の分布状 況 (繰返 し載荷1回 目). にお け る鉛 直荷重2.0kN相 当を対称軸(ま くらぎ中心 線)に 沿 って載 荷 した。 なお,累 積損傷度 理論 を適 用 す る過 程 では,初 期安 定解析,初 期応力解 析,繰 返 し 図‑11変. 位量 の定義. 応 力解 析,永 久変形解 析が行 われ るが,初 期安定解 析 で は重 力1G(9.8m/s2)の. ンク リー ト製 ま く らぎ と鉄製路盤 を想 定 し,鉄 道構 造物 等設計標 準11)等で用 い られ てい る一般 的な値 を採用 した. 一方 ,道 床 バ ラス トの密度 とポア ソン比,お よび初期安 定解析 ・ 初期応 力解析時 の変形係 数(初 期 変形係 数)は,. 繰 返 し応 力解析,永 久変形解 析 では鉛 直荷 重 と重力 を載 荷 した. 3.解. 模 型試験 の試験 条件 と模 型試験 の道床 バ ラス ト応 力状態 を想定 した繰 返 し三軸圧縮試 験結果10)をもとに設 定 した.. み を考慮 し,初 期応 力解析,. 析 結果. 累積 損傷度理論 を応用 したFEM解. 析 を用い て,繰 返 し. また,境 界要 素の変形係 数 とポア ソン比は,模 型試 験 で. 荷 重載荷 時の道床 バ ラス トの繰 返 し塑性 変形量 を推 定 し. 得 られた繰返 し載荷1回. た結果 を以下 に示 す.こ こで は,繰 返 し応 力解析 の計算. 目の弾性 鉛直変位量(図‑11参. 照)お よびま くらぎ直下近傍 の路盤圧 力分布 がFEM解. 析. 過 程 で得 られ た軟 化変形係 数 の分布 と収束傾 向,収 束後. 結果 と模 型試験 結果 とでほ ぼ一 致す る よ うに設 定 した.. の永久変形解 析 よ り得 られたま くらぎ上面(図‑9中 に示. 荷重条件 は,模 型試験 との整合 性 を とるた め,模 型試 験. すA点)で. 57. の弾塑 性鉛直変位 量upの 繰返 し載 荷 に伴 う推.

(6) ここに,. (a)収 束計算1回 目の解析 結果. 図‑13道. 床 バ ラス トの平均損傷 度の推移 (繰返 し載荷1回 目). (b)収 束 計算2回 目の解析 結果. 図‑14ま. くらぎの弾塑 性変位量 の推移 (c)収 束計 算8回 目の解析結果. (繰返 し載荷1回 目). 移 を も とに,累 積 損 傷 度 理 論 を応 用 したFEM解. 析の適用. 性 につ い て 検 討 す る.. (1)繰 返 し載 荷1回. 目. 繰 返 し載 荷 回 数Nc=1に. 対 して 行 っ た 解 析 結 果 の うち,. 道 床 バ ラス トの軟 化 変 形 係 数E1(n)の 分 布 状 況 を図‑12((a) 〜(d)は そ れ ぞ れ 収 束 計 算1 ,2,8,9回 目の解 析 結 果)に. (d)収 束計 算9回 目の解析 結果. 示 す.同 図 で は,色 の 濃 い部 分 ほ ど載 荷 に よっ て 損 傷 し,. 図‑15道 床 部 の軟化変形係 数El(n)の分 布状況 (繰返 し載荷2回 目). 変 形 係 数 が 初 期 値 よ り減 少 した 要 素 を表 して い る. 鉛 直荷 重 の 載 荷 に よ る 要 素 の 損 傷 は,収 束 計 算1回. 目. で は ま く ら ぎ直 下 か らま く ら ぎ端 部 下45° 方 向範 囲 内 で, 激 し く,収 束 計 算2回. (4). 目で は さ らに道 床 バ ラス ト表 面 に. 広 が る傾 向 を 示 して い る.し か し,後 述 す る収 束 の 判 定. (E/E0)ave:平 均 損 傷 度. に よ り収 束 した と判 断 され る収 束 計 算9回. m:道. 目で は ま く ら. EN,k(n):繰 返 し載 荷 回 数N回. ぎ 直 下 と ま く ら ぎ端 部 周 辺 域 で損 傷 は激 しい も の の,道 床 バ ラ ス ト表 層 ・下 層 で100mm,中. 層 で140mm以. 上離. 目 ・収 束 計 算n回. 目の 道 床 要 素kの 軟 化 変 形 係 数. れ た 要 素 で は鉛 直 荷 重 を 載 荷 して も損 傷 しない こ とが わ か る.ま た,各. 床 部 の全 要 素 数. 収 束 の 判 定 は,式(4)に 示 す 「 平 均 損 傷 度 」 に つ い て,n. 深 さ と も要 素 の損 傷 は載 荷 点 直 下 か ら外. 回 目の値 がn‑1回. 目の 値 と比 較 して,そ の変 化 率 が士5%以. 周 部 に 向 け て 比 較 的 緩 や か に伝 搬 して い る こ と,載 荷 点. 下 とな っ た場 合 に収 束 した もの と判 定 した.な. か らの水 平 距 離 が 等 しい 場 合 に は ま く ら ぎ下 面 に 近 い ほ. 収 束 せ ず に,あ. ど損 傷 度 が 大 き くな る こ とが それ ぞ れ わ か る.. は,振 動 の 中心 値 を 収 束 後 の 「 平 均 損 傷 度 」 と した.. 図‑13は,式(4)で. ま た,図‑14は. 定 義 され る 「 平 均 損 傷 度 」 が収 束 計. お,充. 分. る値 を 中心 と した 振 動 状 態 に あ る場 合に. 収 束 計 算 の 進 行 に伴 うま く らぎ 上 面 で の. 弾 塑 性 変 位 量 の 推 移 を そ れ ぞ れ 示 した もの で あ る.図‑13. 算 回 数 に応 じて 推 移 す る様 子 を示 した もの で あ る.. か ら道 床 部 の 平 均 損 傷 度 が,図‑14か. 58. ら弾 塑 性変 位 量up.

(7) 図‑16道. 図‑18解. 床 部の平 均損傷度 の推 移. 析結果 と実 験結果 の比較. と考 え られ る.ま た,道 床部 の損傷状 態が ほぼ収 束 した 収束 計算6回 目の平均 損傷度 は45%,同 量upは0.47mmあ. じく弾塑性変位. った.な お,繰 返 し載荷 回数2回 目の. 試験 結果の弾塑性 変位 量upは,0.62mmで. あった.. (3)繰 返 し載荷 に伴 う弾塑性 変形の推移 これ までの解 析結果 をも とに,繰 返 し荷重載荷 時 の道 床 バ ラス トの繰 返 し塑性変形 量 を推 定 し,累 積損 傷度理 論 を応用 したFEM解. 析 の適 用性 について検討 す る.図. 18は,解 析結果 のま く らぎ上面 での弾塑 性変位 量upと ‑ 図‑17弾. 塑 性変位量 の推 移. 繰返 し載荷回数Ncの 関係 を試験結 果 と比較 した ものであ. (繰返 し載 荷2回 目). る.同 図か ら,解 析 結果 のま く らぎ上面で の弾塑 性変位 がそれ ぞれ 収束計算9回. 量upは,そ の大 き さもまた繰返 し載荷 に伴 う増加傾 向 も. 目でほぼ収束 してい るこ とがわ. ほぼ等 しい こ とがわか る.従 って,累 積損傷度 理論 を応. か る.ま た,収 束計算9回 目のupは 試験 結果0.58mmに. 用 したFEMの. 対 して0.40mmで あ り,妥 当な解 析 結果 を得 る こ とが で. 性 解析 で も模 型道床 バ ラス トの弾塑 性挙動 を ある程度 推. きた.. 定で き ると考 え られ る.ま た,こ の よ うな解析 結果 が得 られ た ことは,模 型試験 にお ける道床 部 の損 傷傾 向を道. (2)繰 返 し載荷2回 目 繰返 し載 荷2回. 床 バ ラス トの室 内要素試 験結果 を通 して推 定す る手 法の. 目以降 の解 析 を行 う場合,道 床バ ラス. 妥 当性 を示す もの であ ると考 え られ る.. トを損傷 してい ない状 態(載 荷 荷重載荷 前 の状 態)に 再 度設 定 して繰 返 し載荷 回数N回 方 法 と,N‑1回. なお,本 研究 では,主 応 力方 向が繰返 し載 荷 中に変化. 目の計 算過 程 を実行す る. しない拘 束圧一 定 ・応 力振幅一定 の片振 り繰 返 し三軸圧. の計 算で収 束 した軟化 変形係数 の分布 を. 初期状態 と して 引 き続 き繰 返 し載荷N回. 縮 試験 結果及 び1/5模 型 による定点での繰返 し載 荷試験. 目の計算過程 を. 結果 を用 いて累積 損傷度理論 に よるFEM解. 実行 す る方 法が考 え られ るが,こ こでは,実 際の繰返 し. 累積損傷度 理論 に よるFEM解. 載荷 を受 け る道床バ ラス トの損 傷過程 を考慮 し,後 者 の. ラス トの弾塑性 変位量 は定点載荷 と移 動載 荷 とでは必ず. 繰返 し載荷2回 目に対 して行 った解 析結果 を図‑15〜図. しも一 致 しないた め,繰 返 し移動 荷重 作用時 の粒 状構造. ら,鉛 直荷重 の載荷 に よる道床部 要. 物が受 け る応力 状態 あ るい は応 力履歴 を模 擬 した要素試. 素 の損傷 は図‑12と ほぼ同 じ傾 向 にあ るこ とが確 認 で き る.さ らに,図‑16,図‑17か. 験方法 の確 立が今後 の課 題 とな る.. ら,道 床 部の平均損傷度,. 弾塑性変位 量upと もに,収 束計算6回 目で ほぼ収 束 して お り,繰 返 し載荷1回. 析 の有効性 を証 明す るこ. 荷 中に変化す る車輪走行 に よる移 動載荷 で あ り,道 床バ. 繰返 し載 荷1回 目と同様 に9回 まで行 った. 17に 示す.図‑15か. 析 を実施 し,. とが で きたが,実 際 の載 荷形態 は主応 力方 向が繰 返 し載. 方法 を適 用す るこ ととした.な お,収 束 計算その ものは,. 5.ま. 目よ り収束計算 回数 が少 ない段 階. で ほ とん ど収 束 してい るこ とがわ か る.こ れ は,繰 返 し 載荷 回数1回. 永久変形解析 を用い た場 合,簡易 な線 形弾. とめ. 本研 究で は,道 床バ ラス トの材 料特性 を考慮 したバ ラ ス ト軌道 の変形 挙動解析 法につい て検 討 した.そ の結果,. 目の計算 で収 束 した軟化 変形係 数の分布 を. 初期状 態 として引 き続 き解析 を行 った こ とが理 由で あ る. 道 床バ ラス トの累積ひず み特 性を考慮 したFEM解 59. 析に.

(8) よ る道 床 バ ラ ス トの 繰 返 し塑 性 変 形 量 の簡 易 推 定 方 法 を 提 案 す る こ と が で き た.ま. ‑37, pp.73‑74,. た,模 型 試 験 結果 との 比 較 検. 4). 討 か ら,提 案 した推 定 方 法 の 妥 当性 を 検 証 し,累 積 損 傷. 三 浦 重: 軌 道 構 造 の 動 特 性モ デ ル の 構 築, 鉄道 総 研 報告, Vol.9, No12,. 度 理 論 を応 用 した場 合,簡 易 な線 形 弾性 解 析 で も道 床 バ. 1985.. 5). pp.7‑12,. 1995.. 関 根 悦 夫, 石 川 達 也, 竹 内 康, 清 水 裕 太: 移 動 荷 重 方 式 に. ラ ス トの 弾 塑 性 挙 動 を あ る程 度 推 定 で き る こ とを 示 した.. よ るバ ラ ス ト軌 道 の模 型 載 荷 試 験, 土 木 学 会 第57回. しか し,実 務 レベ ル に 提 案 した 解 析 手 法 を適 用 す る た. 術 講 演 概要 集, V‑461,. め に は,現 象 の モ デ ル 化 の 方 法 や 要 素 試 験 の 方 法 等 検 討. 6). pp.921‑922,. 年次学. 2002.. 関 根 悦 夫, 石 川 達 也, 木 幡 行 宏: 道 床 バ ラ ス トの 繰 返 し塑. す べ き課 題 が あ る.今 後,提 案 した 解 析 手 法 の 適 用 性 や. 性 変 形 に及 ぼ す 移 動 荷 重 の影 響, 鉄 道 総 研 報 告, Vol.18,. 精 度 の 向 上 を 図 るた め,実 測 値 を 用 い た ケ ー ス ス タ デ ィ. No.3,. を積 み 重 ね本 研 究 の深 度 化 を 図 りた い.. 7). pp.17‑22, 2004.. 西 澤 辰 男, 竹 内 康, 小 梁 川雅:. コ ン ク リー ト舗 装 の 粒 状 路. 盤 に お け る 塑 性変 形 の 解 析 法, 土 木 学 会 舗 装 工 学 論 文集,. 謝 辞:本 研 究 に お い て,三. 軸 圧 縮 試 験 お よ び 結 果 の整 理. に つ い て,室 蘭 工 業 大 学 工 学 部. Vol.7, pp.17‑1―17‑7,. 木幡 行宏助教授 に多大. 8). な ご協 力 を頂 い た.こ こに,深 甚 な る感 謝 の 意 を表 す る.. 2002.. 竹 内 康: 舗 装 用 材 料 の 弾 塑 性 解析 モ デ ル に 関 す る基 礎 的 研 究, 土 木 学 会 舗 装 工 学 論 文 集, Vol.7,. 9). pp.24‑1―24‑9,. 参 考文献. 材 の 変 形 特 性 ・累 積 ひ ず み 特 性, 土 木 学 会 第52回. 1). 術 講 演 会, III‑73, pp.146‑147, 1997.. 石川達 也, 名村 明: 実物 大試 験に よる道 床バ ラス ト部繰返 し変形 特 性の検討, 土木学会論文集, No.512/IV‑27,pp47‑59,. 2). す 密 度 お よび粒 度 分 布 の影 響, 平 成15年. 関根悦 夫, 木幡行宏, 蒋 関魯, 矢崎澄雄, 長戸博: 道床バ. 支 部 論 文 報 告 集, 第60号,. pp.494‑497,. 度 土木学会北海道 2004.. 11) 鉄 道 総 合 技 術 研 究 所 編: 鉄道 構 造 物 等 設 計 標 準 ・同解 説 「 軌 道 構 造[有. pp.13‑18, 2000.. 道 床 軌 道](案)」,. 鉄 道 総 合 技 術 研 究 所,. GRANULAR. MATERIAL. 尾高達男, 佐藤吉彦: 軌道破壊理 論 (III)の提案 と車両条 件 の影響 の検討, 土木学 会第40回 年次学術 講演 概要集, IV. PLASTIC. DEFORMATION. UNDER. CYCLIC. ANALYSIS. LOADING. Etsuo. SEKINE. 年次 学. 10) 木 幡 行 宏, 三 浦 宏 介: 単 粒 度 砕 石 の 強 度 ・変 形 特 性 に及 ぼ. 1995.. ラス トの強度 ・変 形特 性, 鉄道 総研 報告, Vol.14, No4,. 3). 2002.. 平 野 圭 一, 蒋 関魯, 館 山勝, 筑 摩 栄, 龍 岡 文 夫: 砂 質盛 土. OF COARSE. BY CUMULATIVE and Tatsuya. DAMAGE. MODEL. ISHIKAWA. This paper presents a simple method to estimate cyclic plastic deformation of ballasted track subjected to repeated train passages in terms of the strength and deformation characteristics of coarse granular materials. A new analytical procedure with linear elastic FEM analysis considering the cumulative strain derived from element test results of ballast was proposed, and it was revealed that the analytical procedure could roughly estimate the residual settlement of railroad ballast, which is an assemblage of poorly-graded crushed stone, by simulating small scale model tests of ballasted track.. 60. 1997..

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