Brown の破壊規準を用いた三次元弾塑性モデルの構築 大林組
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(2) 土木学会第71回年次学術講演会(平成28年9月). Ⅲ‑419. 3.弾塑性構成式 弾塑性構成式を構築するために必要となる,式(4)の降伏関数の応力による偏微分を求める.式(5)の𝐺2 (𝜃𝐿 ) をにより偏微分できれば,式(8)より容易に求められる.𝐺2 (𝜃𝐿 )をにより偏微分すると,式(9)が得られる. ∂𝜎M √3 −12 ∂𝐽2 = 𝐽 , ∂𝜎 2 2 ∂𝜎. ∂𝐽2 = (𝑠x , 𝑠y , 𝑠z , 2𝜏𝑥𝑦 , 2𝜏𝑦𝑧 , 2𝜏𝑧𝑥 ), ∂𝜎. ∂𝐺2 (𝜃𝐿 ) √6𝑤𝑟1 𝑞𝐺3 2𝑝(2𝑀 − 𝐾)𝑐𝑠 =− 2 [ + 8𝑞𝑐𝑠2 − 𝐾] , ∂𝜎 3𝐾 (4𝑐𝑠2 − 1) √𝑀. 𝐼1 𝐼1 𝐼1 , 𝜎y − , 𝜎z − ) 3 3 3. (8). 𝜎MP 𝑎 ∂𝐻 −2 𝐺3 = −𝜎MP ) ] [𝑃 + (𝛼 − 1) ( 𝜎c ∂𝜎. (9). (𝑠𝑥 , 𝑠𝑦 , 𝑠𝑧 ) = (𝜎x −. ここで,H=cos3L であり,H のによる偏微分は式(10)で表される.K,M などは式(7)参照.. ∂𝐻 3√3 −32 ∂𝐽3 3 −52 ∂𝐽2 = [𝐽 − 𝐽𝐽 ]、 ∂𝜎 2 2 ∂𝜎 2 3 2 ∂𝜎. 𝐽2 𝐽2 𝐽2 2 2 2 ∂𝐽3 + 𝑠𝑦 𝑠𝑧 − 𝜏𝑦𝑧 , + 𝑠𝑧 𝑠𝑥 − 𝜏𝑧𝑥 , + 𝑠𝑥 𝑠𝑦 − 𝜏𝑥𝑦 , = 3 3 3 ∂𝜎 2𝜏𝑦𝑧 𝜏𝑧𝑥 − 2𝑠𝑧 𝜏𝑥𝑦 , 2𝜏𝑧𝑥 𝜏𝑥𝑦 − 2𝑠𝑥 𝜏𝑦𝑧 , 2𝜏𝑥𝑦 𝜏𝑦𝑧 − 2𝑠𝑦 𝜏𝑧𝑥. (10). 式(8)~(10)を用いて式(4)の𝑓のによる偏微分を求めれば,式(11)に示す応力-ひずみ関係が得られる.. ∂𝑔 ∂𝑓 T ∂𝑓 T ∂𝑔 𝜎̇ = 𝐷 − 𝐷 [ ] [ ] 𝐷 [ ] 𝐷 [ ] 𝜀̇ , ∂𝜎 ∂𝜎 ∂𝜎 ∂𝜎. D : 弾性応力 – ひずみ行列, : 塑性ポテンシャル は式(4)の のP を修正した関数を用いる. T. (11). 4.妥当性確認計算およびトンネル掘削解析 弾塑性モデルが立脚する塑性ひずみの塑性ポテンシャルへの垂直性と,応力増分の降伏曲面への平行性,そ して,応力が降伏曲面内に収まることを確認する.ここでは関連流れ側を用いた.弾塑性構成式から得られた 塑性ひずみ増分(𝜀̇)の方向と,応力増分(𝜎̇ )の方向をベクトルで図-2 に示す.応力は降伏曲面上にランダムに発 生させ,それぞれにつき 10 通りのランダムなひずみ増分を与えた.図から,曲面外に伸びる𝜀̇ベクトルは, 各点で 10 本ずつ束となって 1 本に見え,塑性ポテンシャルに対して垂直となっている.また,図中水色で示 した𝜎̇ ベクトルは降伏曲面に沿っている.図-3 は有限差分法による素掘りのトンネル掘削解析の 0,50,100% 解放時の要素の応力を全て降伏曲面とともにプロットしたものであ る.0%解放時では,初期応力を当方圧としているため,全要素の応. 1. H-B破壊規準. 力が静水圧軸上に並んでいる.50%解放時では一部の要素が降伏曲 面に近づき,100%解放時では降伏曲面まで到達しているものの, 曲面の外には出ていない.以上から,三次元化した H-B 破壊規準に よる弾塑性モデルは妥当に構築されたと判断できる.ここで,パラ メータはc=30MPa,m=3,𝑎=2,s=0.01,土被りは 200m とした. 5.まとめ 本研究では,H-B 破壊規準に基づいて,滑らかな降伏関数を持つ 弾塑性モデルを構築し,有限差分法に組み込んだ.まず,弾塑性モ デルによって求められた𝜀̇と𝜎̇ の方向を描画し,妥当性を確かめた.. 3 新たな降伏曲面. 2. 図-2 降伏曲面とひずみ・応力ベクトル. また,トンネル掘削解析を行い,各要素の応力は掘削とともに静水圧軸から降伏. 降伏曲面. 曲面に近づき,降伏曲面に到達すれば,そこで留まることを確認した.以上から, 掘削 完了. H-B 破壊規準に基づく三次元弾塑性モデルは妥当に構築できたものと判断した. 参考文献 1) 土木学会: 山岳トンネルにおける模型実験と数値解析の実務, p.146, 2006.. 50% 解放. 2) 稲田善紀,木下尚樹,松嶋信行,篠原淳一: 高温下における岩石のせん断強度 特性, 土木学会四国支部技術研究発表会, 1997. 3) フック,ブラウン: 岩盤地下空洞の設計と施工, 1985. 4) 中岡健一,畑浩二,蒋宇静: 岩石のクリープとひずみ軟化を評価する数値モデ ルの提案, 土木学会論文集 F170(3), I_43-I_56, 2015. ‑838‑. 0%解放. 図-3 降伏曲面と全要素応力.
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