藤 付
尚Ⅲ
・勝見
雅
*・岩成
敬介
・・ 田中
敏彦
*キ
土木 工学科
(1984年8月彦日受理)
Impact of Rock by Discrete Elohent Method(2)
by
Hisashi FuュMuRA*,Tadashi KATSUMI・ ,KeiSuke llvANARI・ and Toshihiko TANAKA率 * Departinent of Civil Engineering
(Received Augist 2,1984)
A gFaVity fIO、 v Of Fock―■ke granular rnaterial rnay produce a laFge f10w ioadiIIg on
―a containing stmcttlre ttch as a ―bin, Slo or bunker. We have nade sOme
modifications on the discrete elenaent method(DE r)by n A,Cundall(1971)and
appHcd it to thc gFaVly f10w― anaIアsis.
In the present paper, material constant used to DEM is discusttd. We have
propoま坦that the normal&iffness Kn shouid be determined by the eq,ation wllich is
derived ttOm the analytical sohtion Of ёlBtttic contact of two cylindeぃ . on the other hand,wc caFried out the inlpact tett in which a repuに おn of rOck materiais was
measured, Cbnsequently,the relationships between,(n and repultiOn coefficient are made clcar!
鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 15巻 ↓よ じ め に 不連続性岩盤 におけ る諸現象 を解析 す るための種 々の力学モデルは、各要素が互 いに何 らかの形 で結 合 され た固体 の梅限解新 モデルであ り、岩盤 を連続 体 と して解析 を行 って きた。 最近 になって岩 盤 を、 プロ ックの集合体 とみな じ、 個 々の プロ ックの運動 方程式 を解 くことによって動 力学的 な破壌状態 を解所 する方法がカ ン ドル
(P.
A∫Cundall)に
よって考案 され た。[1]
著者 らは、 この カ ン ドル の開発 した離散剛要素法(Distinct Elenent MethO
d,以下
DEMと
略 す。)を
応用 し岩質拉状体の重力 流動 の数値解析 [2]、 地下浅所 の トンネル沈下 モ デルの2次元解所[3]を
行 ない、多大 の成果 を得 ている。 この手法 をよ り実用的 な解析法 として確立 するためには、解 の収束性・安定性 を考慮 した材料 定数 の決定法 を確立 する必要がある。 粒状体 の場合 、材料定数の決定 に際 し、粒子一つ ずつ について検 討 す ることは不可能 であるために、 た とえば単純 せん断試験等 か ら、強度定数c,φ
を 算 出 し、 それ か ら材料定 数k,η
を検討す る方法 も 考 え られ る[4]。
一方 、岩石 のように粒径 の大 き い ものを取 り扱 う場合 、TH体の挙動 は 自由落下実験 を行 うこ とに よ り容易 に知 る ことが で きるので 、 こ の結 果 を踏 まえて材料定数が検討 できる。 以 上 の こ とか ら本報告 は、 まず前報[5]に
ひ き 続 き、DEM解
析 の収束性 ,安 定性 について記 述 す る。 つぎ に岩石 の 自由落下実験 を実施 し、得 られた 結果 とDEM解
析結果 を比較検討 して、DEM解
析 に用 い る材料 定数 の決定法 について述べ る。2.
―一 球 博葺 由 落 下達 ζ目的 弾性理 論 と運動 方程式 の減衰特性 に よる材料定数 と時間増分 の決定法 については、前報 に詳述 したの で、 ここでは省略 する。 差 分法 におけ る解 の収束性・安定性 を明確 にす る ため には、材料定数 の検討が必要である。 ここでは 砂試料 と岩石試料 の2種類 を想定 して要素半径R=
0. 5 cM, 1. O cm,密
度 ρ=2,65gf/
,Table F Values of
Кn,η. and
△t dependent O■
E
RCFr ツ
段路
E(kg1/cml750
6.5 X105
3.O Xlぴ 1.O x106
0.5
030
205
Kn/P鑑 宅h/Pac囃 か1(s)(3.84x101
1.1l Xlo 2,89 Xi042J7xIば
2.64 xlげ 1.21 XIσS 2.65XIご 2.91 xIげ 1.lo X105a27 xlば
3.24X102
9.90Xlσ6 1.0 Kn/解Qド 宅n/Patx おtri)( 3.64 Xlげ2.16X10
593 Xlσ421oXIば
5,19X102
247Xlσ
S2.56XIσ
5,72X102
224 XIば
3.16X107
6.37X102
2.01 xiば 2.09 KVァ′伍) 宅n/mt/s) ぉtts,(4.62XIば
2.45X10
5.27xlσ42.66XIば
584X102
'02xlσ
5 3.24XIげ 6.45X102 2.00xlσ5 4,ol X107 Z17 Xlo2 4.79X10‐5 0.24 2.65町η∝
ミ '響 、) ッat(s)く3.52X104
2封3X10
6.03 XIば 2.03xl o7 5ti 5 X1 02 2.51 XIσS247X107
5.63× 102 2.28XIσ5a06X107
6.26xlo2
2,05XlσS2.09gf/c
ゴ,ポ
アツン比 タ=0,3∼
0.2
4,繰
荷 重q=3
0gf/Cmを
用 い て 、種 々の ヤ ン グ率E(kgf/
Cr)に
対 する方 線方 向の定数Kn
/ρg,η
./ρ
g,お
よび ▲ tをTable Iに
示 す。 なお、線荷重q=30gf/cmは
密度p=
2,65gf/cr ,R=1,Ocmの
要素約36僧
分の4R荷重である。この結果からEが
増大する とKn/ρ
g,η
./ρ
gも増 大 して い るのが わか る。 それ と と もに時 間増 分 △tも小 さ くす る必 要 が あ るの が知 れ る。 また 半径 が大 き くな る とKnは
減 少 し、 η.は
増 大 す る。 密度 ρが 大 き くな る とKnノ/ρg,
η. /ρ
gは 小 さ くなる。 それ と と もに▲tは、 大 き くとれ る。 ポ ア ソ ン比 ν=0.3∼
0.24の
大 き きで は 、Kn/ρ
ど, η兌/ρg,△
tの値 にほ とん ど変 化 が見 られ ない。 要 素 をあ る一 定 の高 さH(cm)か
ら自由落 下 させ た場 合 につ い て 、種 々 の材 料 定 数 、特 に 、 ヤ ング率 の大 き さ に注 目 し、要 素 が離 止状 態 に到 る まで の挙 動 につ い て述 べ る。 要 素 の初 期 高 さは 、Fig.1の
よ うに設 定 す る。Hは
要 素 の最下 部 か ら下 盤 まで の距 離 吼 と要 素 の質 量 に相 当す る沈 下 量 δの 和 で あ る。 同様 に 乳 も ピー ク時 の下 盤からの高さ
Hととすると
H.=Hi+δ
であ
る。Fig,2は
、落 下高 さ吼 と反 発 係 数eの関係 を示 す 。要 素 の剛性 定 数K
Fig。l Element
position
(xlσ6)100
l σl 10
H。(cm)lationships betveen
tance and RepulusiOn
Kn/ρ g=4.22X10'(cm)
η./ρ g=7.35X10 (cm/s)
△t=1,O X10 ・
(s)Kn/ρ g=4,22X10'(Cn)
η./ρ
ビ=7.35 (cm/s)
▲t=1,o xュ
o `(s)
Fig. 2
fali
Re
dis
0 5 ︵E ど 正T(3)
Fig.3 Damped oscillation Of elenent
(xlσ6)
100
0 5て
u
工
▲
T(s)
Fig.4 DanPed oscillation of element
Кn/′多=422X107(cm) 囁′´3=7.3S判0(cm/s)
鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 15巻 は、鳥取産 の花 同岩のヤ ング率
E=6
50′000kg/cmか
ら算 出 したKェ/Pg=4,22X10(cm),粘
性定数4はTable
‖こ示 した値 η。 を0. 1倍
10101倍
した ものを用 いた。要素半径R=icn,△
tは 、 一部 を除いてΔt=10‐
ち(S)と
した。 同図 において直線 の左端 は要素の最下 端部が接触点(contact po
sition)ょ
り上 に出 な くな った 時 であ り、そ こで計算 を打 ち切 ってい る。 なお粘性定数比 η/■
は逓減率 を 表 わ している。 ここにηは油挫定数の 推奨値 である。 この繕異か らeは吼に 関係 な く一定 の値 をとること、 η/η。 の増加 とともに eは 小 さ くなることが わか る。Figs. 3,4は
これ らの数 値 を使用 した ときの要素の挙動 であ り、 横軸 に経遇時間T,農
軸 に要素 の高 さ Hを示 す。反発係数 はe=V■
1/Hに
よつて攻 める。粘性定数 ηをηく 1と 小 さ くとるこ とによって反発係数 eは 大 き くな り収 束時間が大 き くなること が わか る。 つ ぎに,これ まで粒状体 の解所 に用 いて きた極めて小 さいヤ ング率,E=
txlば) 10.0Fig.5 Damped
tXlσう
4 (XlめKn/ρ
g〓7.23X10牛
(cm)
ηA/ρ
g〓3.06 (cn/s)
▲t〓 ェ.o x104(s)
0 5 ︵E J 王T(s)
oscillat
K4/ρ g=7.
η4/ρ
g〓 3. ▲t=1.
lon of
28X104
06X10‐
′0
× 10‐4element
(Cm)
(cn/s)
(S) 7▼okgf/Crの
場合にっぃて検討する。Kn
=7.23X10Z(cm),η
=■
/1o,Δ
t〓loks),H=9.8Xlo そ
(cm),と した要
素挙動 をFigs. 5,6
に示 す。 なお両方 の図に おいてTの
増加 に伴 い下盤 に要素がめ り込 む量は , 小 さ くなるはずであるが3回 目の方が2回
目よ りめ り込 み量 は大 き くな り,△ tの大 きさに問題 が残 っ てい る。 ヤ ング率 の大 きさが種端 に異 なるFig.
4とFig,6に
おいてHが
同一 レベル ではないが、Eが
大 き くなる と多大の時間 スッテプ数が必要 にな るこ とが わか る。100
T(s)
Fig,6 Damped oscillation of elenent
Y(cm)
IIO 145 (X168)Start
`
\ 命ば
η/η,-0. 5
…… ‐0. 7 -・-0.9
︵E ど 工Fig.7 Element mOti
by rotatiOn and
on ocured
body fOrce
´
″
τ
ィ‐
二
:三二
`
ヽ
、
、
` \ 、`、重∼
__/・夕
)ミミ
=ノ
メ
これ まで 、要 素 は鉛 直 下 向 きの 自由落 下 に つ い て 述 べ て きた
(Fig.6)。
Fig.7で
はKn/
ρg=4.22Xly(cm),▲
t=10 b(s),
Hc=9.8X10‐
`(cm)(Fig,4と
同一 条 件 とす る)に
加 え て水 平 方 向 に初 速 度V=9。
8× 10‐'(cn/s)を
与 え た時 の要 素 の挙 動 を示 す 。 要 素 は 、 図 に示 す よ うな垂 直 ・水 平 方 向 に移 動 しつ つ静 止 状 態 に至 る。粘 性 定 数 の値 が小 さい ほ ど収 束 が 遅 い こ とは 、前 述 の鉛 直 挙 動 の みV〓 0の場 合 と 同一 の傾 向 で あ る。3.
自 由 朝蘇 下 妥 割 験 こ こでは 、 自由落 下 装置 を試作 し、岩 石 試 料 に対 す る実 験 を行 った。 この実 験 を通 して 、試 料 の種 類 大 き さ、落 下 高 さ、物 理 的 定 数 に よる反 発 係 数 の相FIビ
。3 1n,uct apparatus
違 につ い て調 べ る。
3, 1
実 験 装 置 お よび試 料 自由落 下 実 験 の試料 保 持 機 構 は 、 ソ レノ イ ドを使 用 し岩 石 試 料 を両側 か ら挟 ん で保 持 した(Fig・
8)。 実 験 方 法 は 、所 期 の 高 さ れ。(cm
)か
ら試 料 を下 盤 に 自由落 下 させ る。 この運 動 状 態 は 、写 真 解 析 を用 い て 試料 の軌跡 を求 め初期高 され,と反発 に続 く跳 ね反 り 最高 点 の高 さ れか ら反発係数e=Vh/比
が算 出で きる。実験 に供 した試料 は、円盤状 で、岩石 の物理 的性質 はTable
■に示 す。 また、下盤 の物理 的性質 はTable mに
示 す。岩石試料 のポア ソ ン比は、 どの試料 もほぼ同 じ値であるが 、講弾性係 数 は、石英 閃緑岩 、安 山質豪灰岩(2)が
大 き く圧 砕閃緑岩 は小 さい。一軸圧縮強度 につ い て も頁岩 、 圧砕 閃緑岩 、石英 ひん岩 は他 の試料 に比 べ て小 さい。 安 山質豪灰 岩(1),(2)、
花 路岩 は 、他 の同種 に比 べ静弾 性係数 、一軸圧縮強度 が大 きい値 を示 す[6]。
試料 の産地 な らびに肉眼鑑定 結 果 をTab
le
Ⅳ に示す。3.2
実験結果・考察Fig,9に
は、下盤 に硬鋼盤 を使用 し、花 目岩 と石英閃象 岩 を直径 φ=3cm,5cmと
した時 の 落下高 さhCmと
反発係数eの関係 を示 す。同 図か ら、花 臓岩 はhが高 くなる と、eが小 さ くなるが、Tabie
ⅡI Properties of base
plate materiais
Table I
General rock properties
アングルName
れrd st翻 SOll sleel Granite ヽndesitetHfffク1 Mortar♪や防押
: 7.84 7.67265
295
2.02 Es(猾々
'
210Xlざ 210X16弘
5Xlざ 9.77Xlざ「
92Xlざ Ed(に″濠
G83X10
1.1 8Xlげ 生40XlG硫
(鳴吃滞守巳み
206Xlσ 294Xlご 4.90X10Re
55。40
46.00
62.38 62.60 35.ZIOName
3ranite許母
:焔 ゝndesitelllff fl lauortz
臨rいvrit` Diorite
Shate
ヽndesite 0 ● △ ▲ □ ■ 0
ngぇ祠
2_fI S 2 AБ2.64
2.55
2.82
2,78
2.95
ツ0237
0.267
0.237 0.238
0.281
0.248 0,285
発避冨〕6.45
A.07
7.3∩6.46
4.92
65C3
9 77
規 州
)6.83 10.92
8,77
6.85
6.66
9,12 11.80
bcI緞
2.06
2.Fl氏1 87
1.311,12
1 35
2_94
Re
62.38 62.56
62,15 54.5652.33
5871
62.60
鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 15巻 石 英 閃緑岩 は、eの値 は等 しいか も しくは大 き くな る。 この ことに関連 して、両試料 の破砕量 Cを 調 べ るこ とに した
(Fig.10)。
ここに、Nは
、落 下回数、Cは元 の試料重量vg,N回
後 の重量 ギ gとすると
C〓
(v-7)/帯
xloo(%)で
与
えられる。落下高さを
45cmと
した花自岩のC値
は石 英 閃緑 岩 の もの に比 べ大 きい 。 この こ とか ら、 試料 の破 砕量 が 大 きい ほ どeは、小 さ くな る もの と① 思 われ る。 なお 、 両 者 の関係 につ い て は今 後 、詳細 に検 討 す る必 要 が あ る。 また 、石 英 閃緑 岩 にわず か の差 異 が 認 め られ る もの の直径 が変 化 して もeの値 には ほ とん ど影 響 を与 え ない こ とが わか った。 次 に 、種 々の試 料 につ い て落 下 実 験 を行 な い 、落 下物 また は下盤 の物 性 とeの関 係 につ い て調 べ る。
Fig, 11は
、下盤 の材 料 を落 下 させ た試 料 と同 種 の もの を用 い 、落 下 物 の静弾 性 係 数 百え とeの関 係 を示 め す 。 同 図 に よ る と、eは萬 に影 響 され な い もの と思 われ る。Fig,12は
、 シェ ミッ トハ ンマ ー に よる落 下Table
ⅣThe visual
pro,erties of rock
Q94
Q92
0.90
120 2婿
355
h。(cm)
Fig,9 RelationshiPs
betveen repulusiOn e
and initial heigit h
φ φ
△
.
ト
Q 名称 (産地) 特 性 1)角関石黒雲 母花 歯岩 (八顕郡用瀬) 内部 に敏妙 なcruckが 一定方 向 に 発達 2)石英閃緑岩 C/k頭郡用瀬) かん らん岩 が比較 的多 く合 まれ てい る 3)安山岩質異灰岩 (1) (鳥取高路) 線穂石のnet―work状
の細脈が 発達 している部分がある 4)石英ひん岩 (岩美郵福部村栗谷) 岩脈状の産状を示す岩石 5)圧砕関縁岩 (溝口町谷)ID 圧砕された後再結晶の作用が進み四繕 内部構造として微細な歪みが多い 6)フリン ト状黒色頁岩 (国府 町武庫) 花鶴岩が貫いていて着子の接触燕変形 作用をうけて再結品の作用あり 7)安山岩貫要灰岩(2) (日南町生山) 再港品 してガ ラスな しFIg,10 RelationshiPs
betveen faltting number
and fracture
︵ 。ヽ
o ︶
〇100
200
N (日
)Cranェ
te
QuartZ
試 料 の反 発 硬 度
(Re)と
eの関係 を示 す 。 また 、Fig, 13は
、下 盤 材 の反 発 硬 度(Re)と
9の 関係 を示 す 。eはReよ
りも下盤 材 に著 し く影 響 を 受 け る こ と、Reの
値 が大 き くなれ ば 、eも大 き く なる こ とが わ か る。 両 図 の結 果 か ら、反 発 係 数 と反 発 硬 度 の関 係 は 、e=a`Re+b・
Re+dと
表 す。a,bは Fig. 13, 12に
お け るRe―
e,Re―
eの傾 きで あ りdは、実 験 定 数 で あ る。 各 種 材料 の実 験 結 果 は 、Fig. 14に
示 す 。 同 図 か ら、eと R皇
,Reの
経 験 式 は次 式 とな る。 e〓2.0× 10(2Re+Re)+0,58
式 に よる と、eは
Reよ
りReに
大 き く依 存 して い る こ とが わ か る。 なお 、 この関 係 につ い て は今 後 多 くの資料 を集 め て検 討 す る必 要 が あ ろ う。 4DEMと
反 発 係 数 自由落下実 験結果 をも とに一球 の 自由落下運動 にhe=24.5cm
ガ
E3cm
Bclse: 6rtlnite 8osei Soft steet BoseiMortclr つ い てDEM解
析 を行 う。2,節
では 、要 素 の収 束 性 につ い て論 じて きた が 、 こ こでは 、実 験 で得 られ た反 発 係 数eとの対 応 に重 点 をお い て考 察 を進 め る。 自由落 下運 動 のDEM解
析 と して、要 素 半 径R=
1.Ocn,Kn/ρ
g=4。
22X107(cm)
he=245 cm″
=3 Cm
B° 機 罰te tur.2, BcSe:Gronite 80se:MOrtor 0-Cranit● ●―Quartz diorite △―Aコdesne tyft(1)A―QuartZ PoFphynte ローDIorite "―
S聴l●
0-Andos■●:uFFt2)
Fig.12 Relationships betFeen
e and Re
α9 ① he=24.5Cm/=3 cm
8oSe:Soft steel O―CraI1lte ●―Quari2 dれ五tB △―Andestte tuFf(1) ▲―Quartz por,L,rile ローD io‖te ローSLle C―Attes■ e tuffO) 0.8 8oseiCranite O―Craaite ●―Quartz dicrite △―A遭o9tte tuff(1)▲―Q4artZ porphy,It● B―Diorite H―Sha上 o O―Andesito tこff(2) ∪
m lα
O Es(kq猪ド) tXlば
)Fig.1l Relationships betweea
e and Es
Re
Fig。
13 RelationshiPs betveen
e and Re
鳥 取 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第