2016 Fiscal Year Annual Research Report
New development and validation of three-phase thermomechanics of soils explaining frozen-unfrozen transition behaviour
| Project/Area Number |
15K14025
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
西村 聡 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70470127)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
所 哲也 苫小牧工業高等専門学校, 創造工学科, 准教授 (40610457)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2017-03-31
|
| Keywords | 地盤凍結 / 凍土 / 地盤強度 / 地盤工学 / 土質力学 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、飽和・不飽和常温土力学において成功を収めた有効応力原理や多元応力記述を拡張し、各種の熱力学的要件と連成調和させる形で、凍結土および非凍結土の挙動をシームレスに扱う合理的な力学記述の提案を試みたものである。その根拠となる実験データを得るために、対象を2物質3相系（土・液相水・固相水）に限定したうえで、一連の熱－圧力連成力学試験および凍結土の物理試験を行った。
まず、核磁気共鳴（NMR）試験を実施し、異なる氷点下温度における凍結粘土中の不凍水分量の同定を行いった。その結果、粘土の密度（先行圧密圧力）に関わらず不凍水分量曲線が一義的に定義できることがわかり、凍結温度における粘土の凍結時膨張量および密度を計算する基礎データが得られた。これと並行し、新しく開発したひずみ制御・温度制御型の等方凍結三軸圧縮試験装置を用いて、温度・ひずみ速度・拘束圧を変数として凍結粘土試料および非凍結粘土試料を用いた体系的な三軸圧縮試験を行った。この装置は拘束圧を付加した状態において、アイスレンズ形成などを防ぐために比較的急速に土試料を凍結できるものであり、原位置で想定される「要素」としての凍結土の生成を再現できるものである。非凍結粘土試料から求めた正規圧縮曲線・限界状態曲線や限界状態強度と、上記の不凍水分曲線から計算される凍結後密度に基づき、凍結粘土試料の限界状態における粒子骨格応力としての有効応力の推定を行い、限界状態線を異なる凍結温度・ひずみ速度に対して実験的に定義した。これに基づき、粘土・砂など異なる地盤材料に対して限界状態強度を計算すると、高圧下での融解による強度減少、低圧下での拘束圧依存性など、凍結土について報告されている多くの特徴を合理的に説明できることを示した。本研究で示した枠組みは、連成シミュレータの開発を通して人工凍結工法の高度化や寒冷地自然災害評価の土台になるものである。
|
