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粘土の残留強度発現機構に関する基礎的研究

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Academic year: 2022

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(1)III-A051. 粘土の残留強度発現機構に関する基礎的研究 －固体表面間の潤滑状態と摩擦の起因－ 岩手大学工学部. 正会員. 大河原正文. 北海道大学大学院 フ ェ ロー 三田地利之 北海道大学大学院 正会員. 金子勝比古. １．はじめに 残留強度と は， “排水せん断ある いは定圧せん断試験において，せん断抵抗がピーク 値（せん断強さ ）を 超 え ，漸次低下し て定常状態に達し たと き の値”と 定義さ れており. 1). ，移動距離の大きい地すべり 面でのせん. 断強さ に 相当する と 考え ら れている 。せん断面は大変位を 経験し ている ため，面を構成し ている 平板状ある いは鱗片状の粘土粒子はせん断面に 沿っ て配向し ，地すべり のすべり 面においても 粒子配向を 示す鏡肌が広 く 認めら れている 。ゆえ に残留状態における せん断と は，せん断面を境にし た粘土粒子表面間ある いは粘土 粒子－水と の摩擦現象と 理解さ れる が，その発現機構の解明に 取り 組んだ研究 2)は極めて少ない。そこ で本 研究では，摩擦・潤滑およ び摩耗の分野を 一括し ている ト ラ イ ボロジーから 粘土の残留強度の発現機構に関 わる 概念を整理し た。. 擦力 F の比を摩擦係数μ（=F／W）と し ている 。摩擦係数は，見 かけの接触面積に は関係し ないも のであり ，摩擦を 発現し ている. μ：摩擦係数 摩擦力（F）. ２．摩擦係数とせん断抵抗係数 ア モン ト ン ・ク ーロン の摩擦法則では，垂直荷重 W に 対する 摩. F = Wμ. μ １. 固体の表面状態と その種類に 関係する 。図１ に 摩擦係数μと せん 断抵抗係数 tanφと の関係を 示す。残留状態に おける せん断抵抗係. 荷重（W）. 破壊面上に 作用する 有効垂直応力σ´のみに 依存する せん断抵抗 を 表す材料定数であり ，Hvorslev の破壊基準に おける tanφe に 相 当する 3)。こ のよ う に残留状態に おける せん断抵抗係数 tanφr は， 排水条件に よ ら ない真の強度定数であり ，応力履歴に 依存し ない と 仮定さ れる こ と から ，せん断抵抗係数 tanφr と 摩擦係数μは等. せん断応力（τ）. 数 tanφr は，間隙比一定のも と（体積変化ΔV≒０ ）で，破壊時に tanφ r ：せ ん 断 抵 抗係 数 τr =σtanφr t anφr. １. 価と 考え る 。 垂直応力（σ）. 図１. 摩擦係数とせん断抵抗係数. ３．ストライベック曲線と各潤滑状態における摩擦の起因 ト ラ イ ボロジーでは，固体表面間の潤滑状態をス ト ラ イ ベッ ク 曲線と 呼ばれる 特性曲線に よ り 3 領域（「流 体潤滑」 ， 「混合潤滑」， 「境界潤滑」）に 区分し ている （図２ ）。粘土の残留状態を想定し た場合，せん断面で の潤滑状態は，水を 流体膜と し た「流体潤滑」 ， 「混合潤滑」 ， 「境界潤滑」のいずれかの状態に ある と 考え ら れる こ と から ，それぞれの潤滑状態に相応し た残留強度を 発現し ている も のと 考え る 。 「流体潤滑」では，せん断面は流体膜で完全に分離さ れ，こ こ での摩擦は流体膜の粘性ま たは粘弾性に よ っ て決ま る 。流体の粘性に は，ニュ ート ン 粘性（τ＝ηＶ ）と 非ニュ ート ン 粘性がある が，残留強度（τr）と せん断速度（V）と は対数比例を 示すこ と が知ら れており. 4). ，こ のこ と はせん断面間の流体膜が非ニュ ート ン. 粘性（ア イ リ ン グ粘性）である こ と を 示し ている 。 キーワード：残留強度，摩擦，ト ラ イ ボロジー 連 絡 先：〒020-8551 岩手県盛岡市上田 4-3-5 岩手大学工学部建設環境工学科 Tel/Fax 019-621-6445. -102-. 土木学会第56回年次学術講演会（平成13年10月）.

(2) III-A051. 境界潤滑 混合潤滑. 「混合潤滑」では，「流体潤滑」と 「境界潤滑」が混. 流体潤滑. 合潤滑に 特有の摩擦現象と し て 表面の凹凸のかみ合 いが生じ ている と 考え ら れる 。かみ合い機構には「凹 凸説」 ， 「凝着説」， 「掘り 起こ し 説」の３ 説がある（図. 摩擦係数(μ). 在し ている 状態で，互いの表面が接近し ている ため混. ３ ）。 「凹凸説」と は，１ つの突起が相手の突起や斜面 を 滑り 上がる 時に 要する 力の摩擦方向成分を 摩擦力. 粘度×速度. ゾンマーフェルト数. と する 説で，接触部の摩擦はないも のと する 。「凝着. 荷重. ストライベック曲線. 説」と は，接触し た突起間に作用する 凝着力に逆ら っ て突起を 摩擦方向に動かし て，接触部を せん断する の に 要する 力を 摩擦力と する 考え 方である 。「掘り 起こ. 荷重. 荷重. 荷重. し 説」と は，硬い突起が柔ら かい材料を 引っ 掻いて進 むのに要する 力を 摩擦力と する 考え である 。粘土の残. 固体１. 留状態を 想定し た場合，こ れら ３ 説は独立し たも ので はなく ，一連のすべり 摩擦プロセス の各段階における 摩擦の起因と し て考え る べきも のである 。. 固体２. 境界潤滑. 混合潤滑. h→０. h～R. 「境界潤滑」では，流体膜の厚さ が数分子層以下と 非 常に 薄く なり ，一部では凸部同士の固体接触も 起き て いる 。こ こ での摩擦は，粘土鉱物と 水と の界面電気化. 流体膜. h. 流体潤滑. h≫R. ｈ：流体膜の厚さ，R：表面粗さ. 各潤滑状態に対する摩擦形態. 図２．ストライベック曲線と潤滑状態. 学的作用が摩擦の主な原因と 考え る 。すなわち ，①静 電力，②粒子全体に作用する 分子間力，③水和力，に Ｗ. 起因し た相互作用である 。. Ｆ FTi. ４．まとめ 粘土の残留強度の発現機構を ，ト ラ イ ボロジーから. θ Fi. 面の潤滑状態に応じ て整理する と 次のよ う である 。 ①流体潤滑：流体膜の粘着作用（非ニュ ート ン 粘性） ②混合潤滑：①，②の混在，表面凹凸の「かみ合い 機構」が作用. Wi FTi ＝Wi･sinθ. F Ti ＝Fi･cos θ. Fi＝W i･tanθ. ③境界潤滑：粘土鉱物の界面電気化学的性質に よ る. F=ΣWi･tanθ=tanθΣWi=W･tanθ. 凹凸説. 固体－ 流体膜間の相互作用 一部，表面凸部同士の固体接触に よ る 凝着作用 ＜参考文献＞ 1)土質工学標準用語集，地盤工学会，1996．. 凝着説. 2)大河原･三田地･棚田：粘性土の残留強度発現機構に 関する 基礎 的研究，第 34 回地盤工学研究発表会発表講演集，pp.463464,1999. 3)三田地･九田･大河原：全自動繰り 返し 一面せん断試験装置の開. 掘り起こし説. 発と 安定解析用強度パラ メ ータ の決定，第 39 回日本地すべり 学会研究発表会講演集，pp.265-268,2000. 4)鈴木素之：リ ン グせん断試験に よ る 土の残留強度に 関する 研究，. 図３. 表面凹凸のかみ合い機構. 信州大学博士論文,1998.. -103-. 土木学会第56回年次学術講演会（平成13年10月）.

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