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土質力学の一面せん断試験でせん断変位と垂直変位の関係からどのようなことがわか...

okaratyotyoさん

土質力学の一面せん断試験でせん断変位と垂直変位の関係からどのようなことがわかるのですか?

  • 質問日時:
    2010/7/25 15:29:34
  • 解決日時:
    2010/8/9 07:38:17
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sorakuro555さん

ご質問の一面せん断の試験条件ですが、排水条件を前提に以下、説明いたします。

土はせん断されると、体積変化を生じます。
これをダイレイタンシー(dilatancy)と呼びます。
緩い状態の土では、せん断にともない体積が収縮しますので、垂直変位は圧縮側を示します。一方、密な状態の土では体積が膨張しますので、垂直変位は膨張側を示すことになります。
土のせん断変位と垂直変位との関係から、例えばνd=arctan(垂直変位/せん断変位)=arctan(せん断変位にともなう垂直変位の増加割合)等が得られます。
νdはダイレイタンシー角と呼ばれるものです。厳密にはダイレイタンシー角=体積歪増分/せん断歪増分と定義されますが、一面せん断であれば体積歪増分≒垂直変位増分、せん断歪増分≒せん断変位増分と近似でき、概ねダイレイタンシー角νdに近い値が得られると思われます。
ダイレイタンシー角は、FEM解析等の弾塑性解析等で、せん断に伴う体積変化を考慮した高度な解析等に用いられる地盤特性の一つです。
その他、土はせん断に伴い次第にせん断抵抗応力τを増しますが、破壊規準に達するとピーク値τfを発揮して破壊に至ります。このせん断開始からピーク値までの過程を歪硬化過程と呼びます。つまり、歪が増しながら土のせん断抵抗が増加する過程です。ピークを過ぎると、土のせん断抵抗は減少していきます。最終的には一定値を示すようになります。
ピークから一定値までのせん断抵抗減少過程を歪軟化過程と呼びます。また、歪の増加によらずせん断抵抗が一定になった状態を残留状態と呼び、このときのせん断強度を残留強度といいます。
せん断中の垂直変位は、ゆるい土であればピークまでは減少してきます。垂直変位が減少(収縮)を示すのは、せん断に伴い土粒子が間隙内に移動することで体積が収縮するためです。
一方、密な土ではせん断初期は一旦、収縮を示しますが、それ以降は膨張側が顕著に表れます。
十分な残留状態に達すると、せん断面上の抵抗のみ発揮されるようになります。このときの強度を残留強度と呼びますが、ちょうどせん断面を境として上下面で滑るように抵抗する状態ですので、せん断に伴う体積変化(ダイレイタンシー)は生じません。したがって、残留状態ではせん断変位に伴う垂直変位増分はゼロとなり、一定値を示すことになります。
以上のように、垂直変位は土のせん断変位とせん断抵抗応力の関係および土の体積変化との関係を調べる際には重要な情報となるものです。

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