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不飽和土/水連成有限要素解析 における空間離散化手法の検討

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Academic year: 2022

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(1)応 用 力 学 論 文 集Vol.11,. 土木学会. pp.331‑338(2008年8月). 不飽和土/水連成有限要素解析 における空間離散化手法の検討 Study of spatial. discretization. scheme. in unsaturated. soil/water. coupled. analysis. 金 澤 伸 一1・ 橘 伸 也2・ 河 井 克 之3・ 大 野 進 太 郎4・ 飯 塚 敦5 Shinichi. KANAZAWA, 1工 修. 2工 博. ,神. Shinya TACHIBANA,. Katsuyuki. KAWAI,. 戸 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科(〒657‑8501神. Shintaro. OHNO and Atsushi. IIZUKA. 戸 市 灘 区 六 甲 台 町1‑1). ,埼 玉 大 学 助 教,地 圏 科 学 研 究 セ ン タ ー(〒338‑8570さ い た ま 市 桜 区 下 大 久 保255) 3工 博 ,神 戸 大 学 助 教,工 学 研 究 科 市 民 工 学 専 攻(〒657‑8501神 戸 市 灘 区 六 甲 台 町1‑1) 4工 博 ,鹿 島 建 設(株),土 木 設 計 本 部(〒107‑0052東 京 都 港 区 赤 坂6‑5‑30) 5工 博 ,神 戸 大 学 教 授,都 市 安 全 研 究 セ ン タ ー(〒657‑8501神 戸 市 灘 区 六 甲 台 町1‑1). Many of earth structures on the ground keep stability in unsaturated state. Moreover, these structures are exposed to drying and wetting conditions and changes in soil moisture always occur. Therefore, the constitutive model with unsaturated soil mechanics is needed for predicting the elasto-plastic behavior of the earth structures for a long term. The objective of this study is developing soil/water coupled F. E. analysis with unsaturated soil mechanics. In this study, the constitutive model proposed by Ohno et al. is used. Their model can express typical behavior of unsaturated soil, such as shrinkage on drying process, collapse on wetting process, and the effects of hysteresis on soil-water retention characteristic curve, and have the flexibility for dependencies on soil properties. Moreover, isoparametric element is applied on spatial discretization to preventing the dependency on mesh, which can be seen in the Akai and Tamura's method. This simulation method allows us precise prediction of the behavior of unsaturated earth structures. Key Words: unsaturated soil, effective degree of saturation, discretization キーグー ド:不飽和土,有 効飽和度 空間離散化. 1は. じめ に. 化 させ て い る.乾. spatial. 燥 時 の収 縮. 湿 潤 時 の膨 潤 や コ ラ. 人 工 ・自然 問 わず,地 上 に存 在 す る土構 造 物 の 多 くは,不 飽 和 状 態 で 安 定 して い る.こ れ らの構 造 物. プ ス 圧 縮 の 定 量 的 評 価 に は,飽. は,乾 湿 の外 的影 響 を受 け,常 に含 水 状 態 を変 化 さ. の 研 究 は,こ. せ て お り,長 期 的 な安 定性,変 形 挙 動 を予 測 す る に. る こ と,ま. は,当 然,不 飽 和 土構 成 モ デル が 必 要 とな る.特 に. に 表 現 す る こ と を 目的 と し て き た.近. 盛 土 や ダ ム とい っ た 半永 久 的 不飽 和構 造 物 で な お か っ 長 期 安 定 性 が求 め られ る構 造 物 に お い て は,予 測. の 不 飽 和 土 構 成 モ デ ル が 提 案 され て お り(Alonsoら1),. モ デ ル の 精 緻 さが 問 わ れ る こ と とな る. 一 般 的 に不 飽 和 土 は飽 和 土 に比 べ 圧 縮 性 が低 く. 境 界 値 問 題 と し て 定 式 化 され,土/水. , せ ん 断 抵 抗 力 も高 い.特 に外 部 との水 収 支 が な け れ. 用 す る こ と は で き ず,不. 和 土構 成 モ デ ル を適. 飽 和 土 に お け る構 成 モ デ ル. れ ら含 水 状 態 変 化 に よ る 挙 動 を 表 現 す た含 水 状 態 に よ る圧 縮 性 や 強度 を定 量 的. 向 後 ら2)),Alonsoら3),向. くつ か. 後 ら4)に よ っ て 初 期 値 ・. して 確 立 さ れ つ つ あ る.特 て い る 構 成 モ デ ル は,保. 年,い. に,軽. 連 成 変 形 問題 と. 部 ら5),6)の 提 案 し. 水 性 を表 す 水 分 特 性 曲線 上. ば,飽 和 土 に比 べ 強 度 安 定性 もあ り,飽 和 土 の構 成 モ デ ル を援 用 して も何 ら問題 は な い.し か し,長 期. で 現 れ る ヒス テ リ シ ス の 影 響 を 考 慮 し た も の で あ り,. 施 工 や 数 十 年 に わ た る供 用 過 程 を 考 え る と,地 下水. 塚 ら7)は,赤. 位 変 動,降 雨,蒸 発 散 な ど,自 然 の影 響 を受 け,乾 湿 を繰 り返 しなが ら不 飽 和 地 盤 は,刻 々 と状 態 を変. ル を 初 期 値 境 界 値 問 題 と して 定 式 化 して い る.し. ―331―. 乾 湿 履 歴 の 影 響 を 忠 実 に 再 現 す る こ と が で き る.飯. し な が ら,軽. 井 ・田 村8)の 方 法 を 用 い て 軽 部 ら の モ デ か. 部 らの モ デ ル は 水 分 状 態 に よ って 応 力.

(2) 成 分 を規 定す るが,そ の 際 に 用 い る最 乾 燥 水 分線 を. こ こ で,σij:有 効 応 力 テ ン ソル,σij:全 応 力 テ ン ソル,. 室 内試 験 か ら演 繹 的 に 求 め る こ とは 困 難 で あ る.ま. σNij:基底 応 力 テ ン ソ ル,ρa:間. た,モ デ ル が 要 す る 土 質 定 数 は 比 較 的 少 な い が,そ の結 果,土 質 に合 わせ た 柔 軟 な パ ラ メー タ設 定 を行. 和 度,Sr:飽. うこ とは で き な い.大 野 ら9)は,こ れ らの 事 を鑑 み て,有 効 飽 和 度 を用 い て,軽 部 らの モ デ ル と同様 に. 弾 塑 性 モ デ ル で あ るCam‑Clayモ. 隙 空 気 圧,ρs:サ. ョ ン 応 力,Sr:サ ク シ ョ ン,ρw:間 和 度,Src:水. 隙 水 圧,Sre:有. を 用 い,次. 案 して い る.本 研 究 で は,大 野 らの モ デ ル を初 期 値. い る.. 効飽. 分 特 性 曲線 上 に現 れ る. → ∞ に お け る 残 留 飽 和 度 を 示 す.次. 水 分 特 性 曲線 ヒス テ リシ ス を 表 現 可 能 な モ デ ル を提. クシ. に,飽. 和 土の S. デ ル12)の 降 伏 関 数. 式 で 示 す 不 飽 和 土 構 成 モ デ ル を提 案 して. 境 界 値 問 題 と して 定式 化 す る こ とを 第 一 目的 とす る. ま た,土/水 連 成 問 題 の 空 間 離 散 化 手 法 と して 赤. (5). 井 ・田村 の方 法 を採 用 した 場 合,飽 和/不飽 和 に 関係 な く,隣 接 した要 素 か ら水 頭 を算 出 す るの で,有 限 要 素 メ ッシ ュ形 状 の設 定 に よっ て は,要 素 を構 成 す る辺 が 鉛 直 も し くは水 平 で な い場 合,メ. ッシ ュ軸 の. た だ し,M:p〜q平. 面 で 表 さ れ た 限 界 応 力 比q/p,. :平 均 有 効 主 応 力,q:せ. ん 断 応 力 で あ り次p 式 で 表. さ れ る.. 回 転 に よ り,動 水 勾 配 の差 分 化 に 問題 が 生 じ,近 似 解 が 理 論 解 と著 し く異 な る とい う問題 点 が,竹 山 ら l0)によっ て 指 摘 され て い る .そ こで 本 研 究 で は,有 限 要 素 内 の 状 態 量 で あ る 変位 ・水 頭 を 各節 点 で代 表 させ 形 状 関 数 に よっ て 内挿 す るアイ ソパ ラメ トリッ ク要 素11)を導 入 し,不 飽 和 土/水連 成 問 題 として 定 式 化 され た 有 限 要 素 解 析 コー ドを新 た に 作成 し,そ の. (6) D:ダ イ レ タ ン シ ー 係 数,Psat:飽. 和 状 態 にお け る降. 伏 時 の 平 均 有 効 主 応 力,εpv:塑 性 体 積 ひ ず み.で あ る. 式(5)に お い て,不 決 定 す れ ば,不 式(5)は ζ=1の. 飽 和 土 の剛 性 に寄 与 す る 関数 ζ. 飽 和 土 の 降 伏 関 数 が 導 き 出 され る. とき に. 適 用性 を検 証 す る.さ らに,将 来 的 に移 流拡 散 問題 や 完 全 な 三 相 系 に拡 張 す る こ とを念 頭 に 置 い て い る の で,ノ イ マ ン境 界 に特 殊 な 工 夫 を 要 しな い 有 限 要 素 解析 コー ドに した. 2有. (7) とな り,一 般 的 な飽 和 土 の弾 塑 性構 成 モ デ ル に 帰 着 す る.不 飽 和 土 の剛 性 に寄 与 す る状 態 量 を有 効 飽 和. 効 飽 和度 を用 い た 不飽 和 土構 成 モデ ル. 度Sre,とす る と,不 飽 和 土 の圧 密 降伏 応 力 を 与 え る関 数 ζ が満 たす べ き 条件 は,. 2.1降 伏 関 数 の 導 出 これ ま で に,い くつ か の 不飽 和 土構 成 モデ ル が提 案 され て い る.そ の 中で も代 表 的 な もの は,Alonso. (8). ら1),向 後 ら2),軽 部 ら5),6)の 提 案 す るモ デ ル で あ る. これ らの 七 デ ル に共 通 し てい るの は,含 水 状態 に よ る剛 性 変 化 を,降 伏 曲面 の 拡 大 ・縮 小(硬化 ・軟 化). と な る.式(8)の. 条 件 を 満 た す 関 数 ζ と し て,. で 表 現 し,そ の 誘 引パ ラ メー タ(状態 量)と して サ ク (9). シ ョンや 含 水 状 態 に 関 す る物 性 値 を与 えて い る こ と, ま た 向後 ら,軽 部 らの モ デ ル で は含 水 状 態 を考 慮 し た有 効 応 力 の定 義 が与 え られ てい る こ とで あ る.大. を 使 用 す る.た. だ し,α:実. 験 か ら得 られ る フ ィ ッ. 野 ら9)は,こ れ らの モデ ル を 一般 的 に表 現 し,さ らに 水 分 特 性 曲線 ヒステ リシ ス が表 現 で き る とい う有 利 性 を 考慮 し,軽 部 らのモ デ ル を参 考 に有 効 飽 和 度 を 剛 性 を表 す 状 態 量 と した モデ ル を提 案 して い る. 大 野 らは,ま ず有 効 応 力 を 次式 で与 えた. (1) た だ し,. (2) (3) (4) 図‑1不. ―332―. 飽和土の降伏曲面の概念 図.

(3) テ ィ ン グ パ ラ メ ー タ,n:e‑lnp面. 上 の等 飽 和度 線. の 間 隔 を 調 整 す る パ ラ メ ー タ で あ り,η=1の lnζ 関 係 は 線 形 と な る.式(9)を. (17). とき. 式(5)に 代 入 す る Sre‑. と,. ま た,弾 性構 成 関係 を次 式 で 与 え る. (18) た だ し,. (10). (19) と な る.図‑1は. 式(10)で 表 さ れ る 不 飽 和 土 の 降 伏 曲. 面 の 概 念 図 で あ る.こ. こ で,Sre=1.0で. (20). は,Cam‑Clay. モ デ ル と 同 じ 降 伏 曲 面 と な り,Sreの 減 少 と と も に 降 伏 局 面 が 拡 大 す る こ と と な る.図. 中A→Bは,不. 化 した 際 に現 れ る等 方 応 力 状 態 で の降 伏 応 力 の増 大 を 表 す.. 2.2応. (21). 飽和 で あ り,K:体. 積 弾 性係 数,G:せ. ん 断 弾 性 係 数,v:. 有 効 ボ ア ソ ン 比 で あ る.式(12),式(15)を. 式(18)に 代. 入 す る と,. 力 ―ひ ず み 関係. 現応 力 が 常 に降 伏 曲面 上 に あ る と仮 定 す る と,適 応 条件 は,. (22). (11). と な る.さ. ら に 式(22)を 式(13)に 代 入 し,塑 性 係 数 γ. に つ い て 解 く と,. で あ る.こ こで 塑性 ひ ず み 速度spvの 発 生 が,関 連 流 れ 則 に従 うとす る と, (23) (12) こ こ で,γ:塑. 性 係 数 で あ る.式(11)を. 適 応 条 件 式(12). に 代 入 し,塑. 性 係 数 γに つ い て 解 く と,. と な る.塑 る と,最. 性 係 数 γ を 表 す 式(23)を,式(22)に. 代入す. 終 的 に 応 力 速 度‑ひ ず み 速 度 関 係 は,. (13). と な る.こ. こ で,. (24) (14) で あ る.こ こで.ひ ず み 速度eijら が 弾 性成 分Eeijと 塑性. と 導 か れ る.こ. こ で,. 成 分Epijに分 解 され る とす る と, (25). (15) と な る.弾. 性 体 積 ひ ず み εevは,. (26) (16). (27). と表 され る. こ こ で,e0:降. 2.3負 伏 時 の 間 隙 比,λ:圧 縮 指 数,κ:膨. 数 で あ る.式(16)に. 式(9)を 代 入 し,全. 潤指. 微 分 す る と,. 荷基 準. 本 モ デ ル に お け る 負 荷 判 定 は,降 係 数 γに よ っ て な され る.. ―333―. 伏 関 数 小,塑. 性.

(4) 表‑1負. 荷判定. 剛 性 テ ン ソ ル,εij:ひ ず み テ ン ソ ル,Csij:有 効 飽 和 度 増 分 に 関 す る 剛 性 テ ン ソル,ui:変 流 速 ベ ク トル,η:間. 透 水 係 数 テ ン ソ ル,gi:動 頭,Ω:位. 3初. 期 値 境 界 値 問題 へ の 定 式化. 水 勾 配 ベ ク トル,h:全. 記 の支 配 方 程 式 を以. 下 の 初 期 ・境 界 条 件 の 下 で 解 く こ と に な る.. 飽 和 土/水連 成 問題 を初 期 値 ・境 界値 問題 と して有 限 要 素解 析 に組 み 込 ん だ.. 初期条件 ・ 初期応力. (36). ・ 初期水頭. 3.1有. 水. 置 水 頭 で あ る.. 不 飽 和 土/水 連 成 問 題 で は,上. 大 野 らの 不 飽 和 土 弾 塑 性 構 成 モ デ ル を用 い て,不. 位 ベ ク トル,υi:. 隙 率,εv:体 積 ひ ず み,κij:飽 和. 限要素法定式化. 不 飽 和 土/水 連 成 問題 の 増 分 形 支 配 方 程 式 を 以 下 に示 す.た だ し簡 単 の た めテ ン ソル はイ ンデ ック ス 表 記 で示 す.. (37). ・ 初期飽和度. (38). ・ 初 期 間隙 比. (39). 境界条件 ・ 変位境界. ・ 釣合式. (28). (40). ・ 応力境界. (41). ・ 水頭境界. ・ 有効応力速度. (42). ・ 流 量境 界. (43). (29). ま た,こ れ らの境 界 に お け る 関係 は次 式 で 示 され る.. ・ 構成式. (44). (30) 以 上 の式 を,初 期 値 境 界 値 問 題 に適 用 す る.. ・ ひ ず み 〜 変位 関係 式. 3.2弱. (31). 形 式化. 次 式 で 示 され る試 験 関数 を 式(27)に 乗 じ積 分 す る.. ・ 連続式. (32). (45) そ の結 果,次 式 で示 す 釣 合 式 の弱 形 式 が 得 られ る.. ・Darcy則. (33) (46) こ こ で,飽. 和 度 を サ ク シ ョ ン の み で 表 され る 関 数 と 次 に,式(47)で. 仮 定 す る と,. 示 さ れ る試 験 関 数 を 式(32)で 示 され る. 連 続 式 に 乗 じ,積. (34). 分 す る と式(48)が 得 ら れ る.. (47) (48). 式(29)中 の サ ク シ ョ ン 応 力 の 増 分 ρsは 次 の よ うに 求 め ら れ る.. 式(48),(34)よ り,連 続 式 の 弱 形 式(49)が 得 られ る.. (35) (49). た だ し,Srcは,吸 られ,材. 着 水 相 が示 す 飽 和 度 で あ る と考 え. 料 定 数 で あ る.こ. こ で,ρw:水. の 密 度,Dijkl:. ―334―. 3.3離. 散化. 支 配 方 程 式 を,有 限 要 素 法 を用 い て 離 散 化 す る..

(5) 図‑2ア. イ ソパ ラ メ トリ ック要 素. 図‑3解 析領域. 空 間 離 散 化 に 関 して は ア イ ソ パ ラ メ ト リ ッ ク 要 素 を 用 い,図‑2の る.ま. よ う に,変. た 以 後,表. 位 ・水 頭 を 節 点 に 代 表 させ. 記 の 便 の た め にδij,εij,Difklな どの. 表‑2材. 料定数. 表‑3初. 期状態. テ ン ソル 表 示 を{σ'},{ε},[D]の よ う に ベ ク トル ま た. は マ ト リッ クス で表 記 して い る.節 点 変 位 と全 水 頭, 濃 度 に 関す る内挿 関 数 マ トリ ック ス をそ れ ぞ れ [N],[Nn],[Nc]と. お く と,次. の 関 係 式 が 得 ら れ る.. (50) こ こで,{uN},hM:要 位,全. 素 の 代 表位 置 にお け る節 点 変. 水 頭.[N],[Nh],[Nc]:節. 点 変 位,全. に 関 す る 内 挿 関 数 マ ト リ ク ス.こ 用 い て,釣. 水 頭,濃. 度. れ らの 内挿 関数 を. 合 式 を 離 散 化 す る と 式(51)の よ う に な る.. (51) こ こ で,. (52) ま た,連. 図‑4設. 続 式 の 離 散 化 式 は 式(53)で 示 さ れ る.. 式(51),(53)を. 定水分特性 曲線 と初期状 態. 連 立 させ る と,次 式 の マ ト リ ッ ク ス が. 得 られ る.. (53) こ こ で,. (54). 式(54)を. {ΔuN}{. θ:オイ ラー の 差 分パ ラ メー タ. ―335―. 境 界 条 件 の も と で 解 く こ と で,未. }が 得 られ る.. 知数.

(6) (a)e‑1nρ'関. (b)Sre‑ρc関. 係. 図‑5Case(1)解. (a)e‑Inp関. 係. 析結果. 図‑7Case(3)解. 係. (a)e‑Inρ'関. 析結 果. 係. (b)Sre‑ρc関. 係. 析結 果. (b)Sre‑ρc関. 係. 図‑8(Case(4)解 析 結 果. 表‑4材. 4不. 係. 図‑Case(2)解. (b)Sre‑ρc関. 係. (a)e‑Inρ'関. 料定数. に な っ て い る.m:Mualemの. 飽 和 土/水連 成 解 析. 不飽和透水係数モデル. に お け る フ ィ ッテ ィ ン グ パ ラ メ ー タ13),k:飽. 前 章 で得 られ た 土/水連 成 問 題 の 定 式 化 を用 い,土 /水連 成 有 限 要 素解 析 プ ロ グ ラ ム を開 発 す る.得 られ た解 析 コー ドをDASAR‑UAと 呼ぶ.こ こで は,簡. 係 数 で あ り,簡. 単 な例 題 を解 き,そ の適 用 性 につ い て 検 討 す る.. る よ う な,脱. 4.1サ. 示 す4種. で は,水. 和透水. 単 の た め 等 方 性 で あ る と し た.こ. こ. 分 特 性 曲 線 ヒ ス テ リシ ス の 影 響 が 明 確 に で ・吸 水 を 表 す パ ラ メ ー タ を 選 択 し た.. 初 期 含 水 状 態 に よ る挙 動 の 違 い を見 るた め に,表‑3に ク シ ョン減 少 時 の 挙 動. 不飽 和 土 特 有 の 挙動 を示 す サ ク シ ョン減 少 時 の 挙 動 を,解. 析 に よ っ て 求 め る.解. 析 条 件 は 以 下 の とお. 析 領 域:水 平 方 向x=1.0m,鉛. 節 点 数9,要 (2)変. る.サ ク シ ョン減 少 は各 節 点 の全 水 頭 をサ ク シ ョン がゼ ロ. 辺 両 端 で 水 平 方 向,鉛. に な るま で,段 階 的 に減 少 させ る事 で 表 現 した.図‑5 〜8に ,解 析 結果 を 示す(a)にe‑lnpを 示 して お り,解. 直方 向共 に. 端 中 央 部 で 鉛 直 方 向 固 定.左. 右 端 で水. 析領 域 の 体 積変 化 が確 認 で き る.(b)は,Sre‑ρc関. 平 方 向 固 定. (3)解. 析 条 件:平. 面 ひ ず み 条 件.. 初 期 降伏 線 は,. 材 料 定 数 を示 す.こ こ で,AD,BD,AW,BW. は,水. 分 特 性 曲 線 の フ ィ ッテ ィ ン グ パ ラ メ ー タ を 示. し,添 え 字 のD,Wは. そ れ ぞ れ 脱 水 過 程,吸. 係 を示. す.図 中 に は初 期 降伏 線,拡 大 した 降伏 線 を記 して い る.. 表‑2に. 表 し,水. 性 曲線(主 脱 水 曲線,主 吸 水 曲線)と 初 期 状 態 を示 す.Case(1) (4)は,飽 和度 が等 しくサ ク シ ョン が異 な る状 態 の比 較 で あ. 直 方 向y=1.0m.. 素 数1.(図‑3). 位 境 界:下. 固 定.下. 設 定 した 水 分 特. と(2)は,同 一 サ クシ ョンで飽 和度 の異 な る状 態,Case(3)と. りで あ る. (1)解. 類 の初 期 状 態 を設 定 した.ま た,応 力 状 態 は等 方. で 弾塑 性 状 態 に あ る よ うに した.図‑4に. (55). 水過程 を. 分 特 性 曲線 ヒステ リシ ス を考 慮 で き る よ う で 与 え ら れ,図1のA‑B線. ―336―. を 示 し て い る..

(7) こ こ で,Pci:任. 意 の 有 効 飽 和度 にお け る初 期 降伏 応. 力,Psat,i:飽 和 状 態 に お け る 初 期 降 伏 応 力.こ. の初期. 降 伏 線 に 対 し て 右 下 側 が 塑 性 領 域 を 示 す こ と に な る. 一 般 的 な応 力 状 態 で は ,一 定 のSreに お け る ρ'〜q平 面 の 降 伏 関 数 のq=0に な り,ρc〜Sreの. お け る 値 が ρcを表 す こ と に. 描 く 経 路 に よ っ て,降. が 表 現 さ れ る こ と に な る.こ. 伏 線 の拡 大. の ρc〜Sreの 変 化 に よ. っ て 降 伏 線 が 拡 大 して い る の が 確 認 で き る.Case(1) と(4)で は,サ. ク シ ョ ン減 少 初 期 に 応 力 経 路 が 弾 性 領. 域 に 入 っ て お り,弾 性 膨 張 が 生 じて い る.そ. の 後,. Case(1)で は 弾 性 領 域 で,ρc〜Sre経 路 が 初 期 降伏 線 へ 近 づ き 結 果 と して 弾 性 圧 縮 を 呈 し ,Case(4)で は 初 期 降 伏 線 を 越 え て 塑 性 域 へ と 入 る た め,最. 終 的 に大. 図‑9解 析領域 メ ッシュ図. き な 塑 性 圧 縮 が 生 じて い る の が 確 認 で き る.Case(2), (3)は,と. も に サ ク シ ョ ン 減 少 初 期 よ り塑 性 圧 縮 が 生. じ て お り,不 飽 和 土 特 有 の コ ラ プ ス 圧 縮 が 顕 著 に 現 れ て い る.こ. れ ら 両 ケ ー ス は,お. シ ョ ン,飽. 和 度 は 異 な る が,湿. 曲 線 状 を 推 移 す る た め,サ は 同 一 と な る.し. ク シ ョン に よ る応 力 経 路. か しな が ら,初. 定 し た た め にPsatの Case(2)は,よ. 互 い に初 期 のサ ク 潤 過 程 で 同一 の吸 水. 期 を正 規 状 態 に設. 値 が 異 な る.Psatの. プ ス に よ る圧 縮 が 大 き く 現 れ て い る.図 が 困 難 で あ る が,Case(2)は,最. 領 域 に 入 る た め,わ. ラ. か らは判 断. 終 的 に,拡. 伏 線 の 左 側 へ ρc〜Sre経 路 が 向 か い,最. 4.2仮. 小 さい. り ゆ る 詰 め の 状 態 を 表 して お り,コ. 大 した 降. 終 的に弾性. 図‑10中 央部要素重心の飽和度時間変化. ず か な が ら膨 潤 傾 向 を 示 す.. 想 地盤 で の 検 証. 初 期 値 境 界 値 問 題 にお け るプ ロ グ ラ ムの パ フ ォー マ ン ス を 検 証 す る た め に,仮 想 地 盤 に お け る 降 雨 浸 透 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を 行 う.解. 析 条 件 は 以 下 の とお. りで あ る. (1)解. 析 領 域:水. (下)x=2.4m,鉛. 平 方 向(上)x=3.0m,水 直 方 向y=3.0m.節. 平方 向 点 数49,要. 素. 数9.(図‑9) (2)変. 図‑11中 央部要素重心のサク シ ョン時間変化. 位 境 界:解. 析 領 域 上 下 左 右 辺 で 水 平 方 向,鉛. 直 方 向 共 に 固 定. (3)水 理 境 界:左 右 下 辺 は 非 排 水. (4)解. 析 条 件:平. 表‑4に. 面 ひ ず み 条 件.. シ ミ ュ レー シ ョ ン で 用 い た 材 料 定 数 を 示 す.. ま た,各. 要 素 の 初 期 状 態 と し て, s =5 .0(kPa),Sr=0.40,Psat=1.86(kPa). を 与 え た.そ っ た.要. の 結 果,下. 部 要 素 で正 規 圧 密 状 態 とな. 素 の 初 期 サ ク シ ョ ン は5.0kPaで. あ る が,要. 素 発 生 時 に 位 置 水 頭 差 に よ る 水 収 支 が 生 じ る た め, 降 雨 開 始 前 に 十 分 な 時 間 ス テ ッ プ を 与 え,定. 常状態. に あ る こ と を 確 認 し て か ら 降 雨 の シ ミ ュ レー シ ョ ン を 行 っ た.降 0.01m/dayを. 雨 は,上. 全 要 素 が 飽 和 す る ま で 与 え た.. 図‑10,図‑11,図‑12に,中 中 間 要 素,下. 部 要 素 の各 節 点 に流 入 量 央 部 要 素 の 上 部 要 素,. 部 要 素 の 重 心 位 置 の,飽. 和 度,サ. クシ. ―337―. 図‑12中. 央部要素 重心 の変位時間 変化. ヨ ン,変 位 の 時 間 的 変 化 を示 す.図‑10よ. り,下 部. 層 か ら飽 和度 の 上 昇 が 始 ま って い るの が 確 認 で き る, 降 雨 に よ る上 部 か らの 浸 透 を表 して い る が,流 入 量 に 対 して 透水 係 数 が 高 い た め,下 部 か ら地 下 水 位 が.

(8) 結 果 とな っ た.上 部 要 素 ほ ど高 い サ ク シ ョ ン と な り,. Vol.40, No.3, pp405-430, 1990. 2) Kohgo, Y., M. Nakano and T. Miyazaki: Theoretical aspects of constitutive modeling for unsaturated soils, Soils and Foundations, Vol.33, No.4, pp.49-63, 1993. 3) Alonso, E.E., F. Batle, A. Gens and A. Lloret: Consolidation analysis of partially soils-application to earthdam construction, Proc. Int.l Conf. on Numerical Methods in Geomechanics, pp.1303-1308, 1988. 4) Kohgo, Y., M. Nakano and T. Miyazaki: Verification of the generalized elaso- plastic model for unsaturated soils, Soils and Foundations, Vol.33, No.4, pp.64-73, 1993.. 降 雨 浸 透 に 伴 っ て サ ク シ ョ ン が 減 少 し て い る の が,. 5) 軽 部 大 蔵, 加 藤 正 司, 浜 田 耕 一, 本 田 道 識: 不 飽. 図‑13地 表面変位の時間変化. 上 昇 し,約200日. 図‑11か. で解 析 領 域 全 体 の 飽 和 が 終 了 す る. ら読 み 取 れ る.先. 述 し た よ うに,下. 部層 は. 初 期 に 正 規 状 態 に あ る た め,飽 和 度 の 上 昇 に 伴 っ て コ ラ プ ス 沈 下 が 生 じ て い る の が 図‑12か ら分 か る. 中 間 層 も,下. 部 層 とほ ぼ 同 じだ け の圧 縮 量 が あ るの. が 読 み 取 れ る.し. か し な が ら,上. 部 層 は,土. 被 り圧. が 小 さ い た め,浸. 透 に 伴 っ て 圧 縮 す る も の の,最. 終. 的 に は 膨 張 傾 向 が 現 れ て い る. 図‑13は,50日,100日,200日. ら も分 か る よ うに,50. pp.83‑92,. 1996. 6) 軽 部 大 蔵, 本 田 道 識, 加 藤 正 司, 鶴 ヶ 崎 和 博: 不 飽 和 土 の せ ん 断 挙 動 と間 隙 水 の 状 態 の 関 係 に つ い て, 土 木 学 会 論 文 集,. No.575/III‑40,. pp.49‑58,. 後 の 約40cmで. あ っ た.. 本 シ ミ ュ レー シ ョ ン 結 果 は,穴. 埋 め盛 土 等 で 見 られ. る 不 等 沈 下 を 表 現 し て お り,よ. り詳 細 な 実 験 デ ー タ. か ら与 え られ た パ ラ メ ー タ の 設 定 と,現. 7) 飯 塚 敦, 本 田 道 識, 西 田 博 文, 河 井 克 之, 軽 部 大 蔵:. 日 を 過 ぎ て か ら,地 表 面 が 膨 張 して い る の が 分 か る. 中 央 部 の 最 大 沈 下 量 は,50日. つ い て, 土 木 学 会 論 文 集, No.535/III‑34,. 1997. 後 の 地 表 面 の 変位. 変 化 を 示 し て い る.図‑12か. 和 土 の間隙水 状態 と土塊 の力学 的挙動 の 関係 に. 場 計 測 との. 比 較 を 行 う こ と で 定 量 的 な 予 測 も視 野 に 入 っ て く る.. 間 隙 水 分 布 の 違 い を 考 慮 し た 不 飽 和 土 の 土/. 水 連 成 解 析,. 土 木 学 会 論 文 集,. No.659/III‑52,. pp.165‑178, 2000. 8) 赤 井 浩 一, 田 村 武: 弾 塑 性 構 成 式 に よ る 多 次 元 圧 密 の 数 値 解 析,. 土 木 学 会 論 文 報 告 集,. No.269,. pp.95‑104, 1978. 9) 大 野 進 太 郎, 河 井 克 之, 橘 伸 也: 有 効 飽 和 度 を 剛 性 に 関 す る状 態 量 と した 不 飽 和 土 の 弾 塑 性 構 成. 5ま. とめ. モ デ ル,. 大 野 らが 提 案 す る,有 効 飽 和 度 を剛 性 に 寄 与 す る パ ラ メー タ とす る不 飽 和 土構 成 モデ ル を,初 期 値 境 界 値 問 題 と して有 限要 素解 析 に組 み 込 ん だ.ま た, これ まで 用 い て き た赤 井 ・田村 の 方 法 で は,メ ッ シ ュ の形 状 に よ っ て理 論 解 か ら逸 脱 す る計 算 結 果 が 得 られ る とい う問題 点 が あ っ た た め,数 値解 析 手 法 の 将 来 的 な改 良 も考慮 に入 れ て,ア イ ソパ ラ メ トリ ッ ク要 素 を導 入 して 空 間離 散 化 を行 っ た.こ の よ うに 新 た に 作 成 され た 土/水 連 成 有 限 要 素 解 析 コー ドを 用 い て,仮 想 地盤 の シ ミュ レー シ ョン を行 うこ とが 可 能 とな った.. 参考文献 1) Alonso, E.E., A. Gens and A. Jose: A constitutive model. for partially. saturated. soils,. Geotechnique,. 土 木 学 会 論 文 集,. No.4,. pp.1132‑1141, 2007. 10)竹 山 智 英, 飯 塚 敦, 太 田 秀 樹: 一 次 関 数 近 似 を 用 い た 水 頭 の 空 間 離 散 化, 第41回. 地盤工学地盤 工. 学 研 究 発 表 会 講 演 集, pp.321‑322, 2006. 11)久 田 俊 明, 野 口裕 久: と応 用,. 丸 善,. 非線 形 有 限 要 素 法 の基 礎. pp.105‑116,. 1994.. 12)Roscoe, K.H., Schofield, A.N. and Thurairajah: A. Yielding of clays in states wetter than critical. Geotechnique, Vol.12, No.3, pp.250-255, 1963. 13)Mualem,Y.: A new model for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated porous media, Water Resources Research, Vol.12, No.3, pp. 514-522, 1976. (2008年4月14日. ―338―. Vol.63,. 受 付).

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参照

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