| Project/Area Number |
22K14323
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 22030:Geotechnical engineering-related
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| Research Institution | Kanazawa University |
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Principal Investigator |
熊 曦 金沢大学, 地球社会基盤学系, 助教 (10897680)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | 不飽和土 / 杭 / 模型実験 / 数値解析 / 摩擦杭 / 支持力特性 |
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| Outline of Research at the Start |
近年不飽和地盤における杭の載荷実験により、地盤の不飽和特性が杭の支持力に影響を与えることが明らかになってきた。しかし、現行の杭基礎設計法では、不飽和土の力学特性を考慮しておらず、杭基礎の支持力が適切に評価されていない可能性が示唆される。本研究の目的は、静的載荷条件下で不飽和地盤における摩擦杭と土の相互作用メカニズムをモデル実験と数値解析により解明し、その相互作用を定量的に評価する解析手法の確立を目指すものである。そのために、本研究では、地盤の飽和度変化が杭の支持力特性に与える影響をモデル実験で捉える。また、有限要素法数値実験を行い、杭と不飽和地盤の相互作用を定量的に評価する解析手法を確立する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，静的載荷条件下で不飽和地盤における杭と土の相互作用に焦点を当て，実験的及び解析的手法を用いて杭と不飽和地盤の挙動を把握することが目的とする。そのため，今年度は提案した模型実験装置を用いて，地下水位上昇速度が摩擦杭の挙動に及ぼす影響について模型実験による検討を行った。具体的には，同様の初期サクション分布を持つ模型地盤を吸引法で作成し，模型パイルド・ラフト基礎の貫入試験，鉛直載荷試験を実施し，地下水位を異なる速度で上昇させて模型杭基礎の挙動を調査した。また，比較のために，模型ラフト基礎の鉛直載荷試験および緩速水位変動試験も実施した。
模型ラフト基礎の場合，死荷重下で地下水位変動により，地盤下部の有効応力が低下し，地表面が飽和する前に地盤破壊に至る可能性があり，大きな基礎沈下量が観察された。また，模型パイルド・ラフト基礎の場合，杭周辺のサクションが空気侵入値以下になると，杭頭荷重，杭先端抵抗ともに低下し，死荷重下でラフトが負担する荷重が増加し，模型基礎の沈下が大きくなった。それでも，ラフト基礎と比較すると，パイルド・ラフト基礎の杭は，緩速地下水位変動と急速地下水位変動の両方に対して，基礎全体の沈下量を効果的に低減することができる。
さらに，本研究で使用する解析手法の妥当性を検証するために，不飽和土の三軸試験を境界値問題として捉え，有限要素法解析を行った。有限変形をベースにした解析手法が，不飽和土の異なる排水条件下での力学挙動を精度良く統一的に表現することが確認できた。すなわち，提案した解析手法は，土の力学特性と保水性との相互作用を表現することができ，杭載荷時に常に発生する杭と不飽和地盤の相互作用も同じ手法で検討することが可能となる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，地下水位上昇速度が摩擦杭の挙動に及ぼす影響について模型実験による検討および，不飽和土の三軸試験およびその有限要素法解析を行った。当初は，模型実験で摩擦杭の静的水平載荷試験を実施し，その水平支持力特性を把握することを目標に掲げていたが，準備状況から水位変動試験を先に実施した。模型実験においては，杭周辺の地盤が飽和状態に近づくことで，地盤の有効応力が大幅に低下し，杭は急激に支持力を失い，パイルド・ラフト基礎は直接基礎の状態に近づくことが分かった。また，ラフト基礎と比較すると，パイルド・ラフト基礎の杭は，緩速地下水位変動と急速地下水位変動の両方に対して，基礎全体の沈下量を効果的に低減することが確認できた。本研究の目的の一つである，摩擦杭と不飽和地盤の相互作用メカニズムの解明に一歩近づいた。
数値解析においては，変形の影響を考慮に入れた水分特性曲線モデル導入することで，異なる排水条件（セラミックフィルター・多孔質膜フィルター）下での不飽和土供試体の力学挙動を精度良く表現でき，用いた解析手法の有効性を検証した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，異なるサクションの不飽和地盤を作成し，模型杭基礎の水平載荷試験を行い，その水平支持力特性を明らかにする。昨年度は主に，地下水位上昇速度が摩擦杭の挙動に及ぼす影響を調べるために，鉛直死荷重が作用する条件下で，模型基礎の水位変動試験を実施した。しかし，地震や風などの水平外力に抵抗するために，不飽和地盤における基礎の水平支持力も求められる。また，杭基礎モデル実験を対象に数値解析を行い，モデル実験結果により同じ条件下で実施する数値解析の結果を検証する。昨年度は用いた解析手法の有効性を検証したが，有限要素法解析によるモデル実験の再現解析を行い，数値解析の整合性を検証する必要がある。さらに，模型実験では完全に網羅できない条件（載荷経路・水理・飽和条件）での杭・不飽和地盤の相互作用のメカニズムを数値実験により探求する。
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