超音波による三軸圧縮試験用供試体の端部摩擦の低減法の開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650549
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 塚本 良道 東京理科大学, 理工学部, 講師 (50253505)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 黄 永男 基礎地盤コンサルタンツ(株), 研究員 ; 石原 研而 中央大学, 理工学部, 教授 (10010662) ; 中澤 博志 東京理科大学, 理工学部, 助手 (20328561)
• Keywords: 超音波振動 / 室内三軸試験 / 粒状砂 / 圧密 / せん断 / 体積収縮

Research Abstract

室内土質力学試験で最もよく用いられる三軸圧縮試験では、圧縮荷重下において土円筒供試体内部で一様な変形が生じることが求められるが、供試体の上下端面はキャップとペデスタルに接しており、実際には上下端面で発生する摩擦の影響を受ける。この上下端面の摩擦の影響を最小限に抑えることを目的として、本研究ではさまざまな工学分野で摩擦低減方法として利用されてきている超音波振動により、供試体の上下端面の摩擦低減を行なうことが可能か検討した。
昨年度には、超音波振動素子を内蔵したキャップとペデスタルを有する特殊三軸試験装置の開発を行ない、飽和豊浦砂と藤ノ森粘土に対して、供試体の相対密度と高さ/直径比を変えた、等方圧密排水および非排水三軸圧縮試験を行なった。豊浦砂の排水試験では、超音波振動によりせん断載荷中数回にわたり、軸差応力がピークに達する付近で、急激な供試体の体積変化によると思われる応力の低下という異常な挙動が観測された。豊浦砂の非排水試験では、このような挙動は観測されなかった。また、高さ/直径比の減少によりせん断抵抗角は増加し、端面摩擦の除去に十分至っているとは言えない。次に、藤ノ森粘土の等方圧密非排水三軸圧縮試験では、超音波加振によりせん断抵抗角は低くなり、高さ/直径比が小さいほどその傾向は如実に現れた。しかし、完全な摩擦の除去に至っているとは言えない結果であった。
昨年度の結果より、超音波振動は土供試体の端面ばかりでなく、内部粒子構造にも影響を与え、思いもよらない形で、圧密またはせん断後の体積収縮に影響を与えることが伺えた。そこで本年度は、超音波振動が粒状砂の圧密およびせん断後の体積収縮にどのような影響を及ぼすのか、基本的な性質を調べることとした。まず、粒状砂の圧密時の体積収縮に及ぼす超音波の影響について以下の知見を得た。豊浦砂の飽和供試体を、等方圧密を保持しながら排水条件で超音波加振を行なったところ、体積ひずみで4%に至り、液状化時をはるかに上回る体積収縮が発生した。また同様に、等方圧密後非排水条件で超音波加振を行いその後排水を行なったところ、液状化時とほぼ同等の体積収縮が発生した。次に、粒状砂のせん断後の体積収縮に及ぼす超音波の影響について以下の知見を得た。豊浦砂を等方圧密後非排水せん断を行ない、軸差応力がある一定値に至ったとき、非排水条件を保持したまま超音波加振を行なった。すると、供試体内に生じた負の間隙水圧は徐々に減少し、それにともない軸差応力は減少し、有効応力経路は破壊包絡線に沿うように原点に落ちてくる現象が起きた。つまり、非排水せん断により正のダイレイタンシーに至った粒子構造が、超音波振動により崩壊し、逆に負のダイレイタンシー(体積収縮)をともなう粒子構造に変化したことを物語っている。超音波振動の粒状砂の圧密・せん断挙動に及ぼす影響は複雑であり、今後さらに基本的な性質を調べていく必要がある。

Research Products

• [Publications] 塚本良道, 石原研而, 中澤博志, 黄永男, 酒井運雄: "超音波振動を用いた三軸圧縮試験における端面摩擦の低減の試み"土木学会第57回年次学術講演会講演集. III. III-688 (2002)