裸の微小ひずみレベルでの変形特性 Ⅰ

7
9
2
研
究
4
1巻 1
0号 (
1
9
8
9.
1
0
)
速
報
生
産
研
究
I
llllH = lH H lll
lll
H川 111日 l
日 日 H lH HHH lH L
IHll
lHIILH H IHHH 日 日ll
lHHl
H 日 日 H I
llHHl= 日日l
lH l
l
HHHlH H日 日 HL
UDC6
2
4.
1
3
1.
5:6
2
4.
1
3
8
裸 の微小ひずみレベルでの変形特性
Ⅰ
- 実験 システムの開発r r
De
f
o
r
ma
t
i
o
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r
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i
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龍
岡 文
佐
夫*･後 藤
藤 剛 司*･孔
聡 **･池 谷
憲 京***
啓*
Fumi
oTATSUOKA,Sat
os
hiGOTO,Sat
or
uSHI
BUYA,
Take
s
hiSATO andXi
anJ
i
ngKONG
1.は
じ め
ひず み レベルでのせ ん断剛性率 Gmaxと変形係 数 Emaxで
に
ロックフィルダムな どの大粒径材料か らなる人工盛土
ある.一方,根粒土試料の場合,原位置の状態 になるよ
や 自然の傑質地盤 の静的 ･動的荷重 に対す る変形 ･安定
うに締 固めた供試体 を用いた室内土質試験の結果か らあ
06(
0.
0
0
01
%)の微小ひ
解析 を合理的 に行 うためには,1
る程度信頼で きる排水せん断強度 T
f
あ争いは最大偏差応
ずみレベルか ら1
0
0(
1
0
0
%)の大 ひずみまでの1
0
6
倍の大
o
･
1- 0:
3)ma
xを求 め られ よう.しか し,この方法で得 ら
力(
きなひずみ範囲 における単調載荷 および繰返 し載荷 に対
れ る微小 ひずみのレベルでの変形係数 と応力 ･ひずみ関
する棟材料の一貫 した応力 ･ひずみ関係 と強度特性が必
係 は,原位置 とはかな り異なっている可能性が ある.
06
(
0.
0
0
01
%)
∼1
0
2
要である.すなわち,変形解析 には1
Dme
vi
c
handMas
s
ar
s
c
h(
1
9
7
9)は,ある種 の粘土質
(1%)のひずみでの変形特性が必要であ り,破壊時解析
砂質土 の単純 せ ん断変形 において,基準 ひず みy
r
-T
f
/
01(
1
0%オーダー)までの応力 ･ひずみ関係 と,ひ
には1
Gmaxを用 いた r/Tf∼
0
0(
1
0
0%オーダー)のひ
ずみが集中す るせん断層内での1
fとGmaxの値が減少 して もあ ま り変化 し
の影響 によってT
ずみレベルでの変形特性が必要である.
γ/
y
r
関係 は,試料採取時等での乱れ
ない, と述べている. この方法が疎 にも適用で きれば次
しか し,一般 に同一の試料で同一の応力状態での1
06
の方法が考 えられ る.まず室内実験で1
06
-1
0
0
での一貫
-1
0
0
での一貫 した変形特性の全体像 は不明である.すな
した変形特性 を測定 し, これの法則性 を弾性 変形係 数
わち,通常の土質試験機で測定で きるひずみの範囲は通
Emax,最大偏差応力 (
o
･
1
- 0:
3)maxをパ ラメーター として定
常 10
であ り,特殊 な試験機 を用いて も個々の試
3- 10 2
験法でのひずみの適用範囲が狭 いか らである.た とえば,
式化す る.実際の現場 に対 しては,上記の関係 に弾性波
探 査 によるEmax,お よび何 らかの方法 に よって求 めた
06
-l
o一
a
,従来の応力 とひずみ
弾性波測定 (
共振法)で1
(
o
･
1- 0:
3)maxを代入 して,原位置での1
0
6
-1
01
のひずみ
l
, リン
0
,
1
-0
:
3
)∼ 占
1
関係 を推定す る. しか し,砂質土
範 囲での (
を直接精度良 く測定 で きる土質試験 で10
4- lol
0
0
-1
0
2
以上である.
グ直接せん断試験 で はせ ん断層内で1
また, どの ような微小ひずみレベルになると繰返 し載
や横目こ対 して この研究 は皆無 に近 い.す なわ ち, I/I
f
∼ γ/yr関係が,供試体作製法
･応力履歴等 によらないで
荷時 と単調載荷試験時の変形係数が一致 し線形弾性状態
どの程度安定 な ものか, さらに双 曲線関係が成 り立つの
になるのか, この二つの載荷法での変形係数のひずみ依
かについての実測 データに基づいた実証的研究 は全 く不
存性 は一致す るのか, と言 う基本的な こともはっき りし
十分である.
ていない. したが って,解析 にあたって変形特性 を推定
す ることが多 く, また全体像が明 らかでないので解析 に
2.研
究
員 的
上記の最終的 目標 に対する基礎的研究 として, まず磯
用いる各種 の変形係数 は一貫性 に欠 けることが多い. こ
0
6
-1
01
のひずみの範囲での変形特性 お よび強度特
の1
の ような ことか ら,FEM等 による計算手法の進展 と変形
性 を求 めそれの定式化 を試みる.今回の実験 の特徴 は以
特性の測定精度の間のア ンバ ランスが 目立 って きている.
下の ようにまとめ られ る.
一方,原位置地盤での応力 ･ひずみ関係 を推定する方
(1)
単調載荷試験 と繰返 し載荷試験の両方 を行 い,変形
法 を研究す る必要性が高い.原位置で最 も信頼 をもって
特性のひずみ依存性の比較 を試 みる.特 に,単調載荷試
0
6程度 の
測定で きる値 は,弾性波速度か ら求 め られ る1
05以下の載荷初期での変形特性 が線形弾
験 でひずみが1
*
東京大 学生産技術研 究所
第 5部
=大成建設技術研究所 (
元東京大学大学院学生 )
書目中華人 民共和 国大連理工大学講 師 (
元博 士研究員 )
性 的であるか調べ る.
(2)
単調載荷試験の途 中で微小繰返 し載荷 を何 回 も行 い,
微小 ひずみ レベルでの変形係数 に対 す る応力比 o
･
1
/o
T
3
の
111日 lH lHlHl
日 日 lHIHH Hl
JlllllllH日 日 ll
日 日11日日 日 Hl
日 日 日 日 lH l= lH 川 H lJlH llllII
tH 川 IlH 1日 lHl= L
lHl= lH l
日日 l
IHHl
日 日ll
lIIHl日 日 IllH E
I
J川
4
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4 1 巻1 0 号 ( 1 9 8 9 . 1 0 )
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生
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1 1 1 1 1速
1 1 1 1報
1!ll lllllll
入カ チ ャ ンネル
* C H l 車 由力‖1 定用 イ ンナ ー
ロー ドセ ル ( I L C )
*CH2 軸 変位(供試体全体)計(PM)
*CH3有
効 応 力J l 定用高容 量
*CH 41麗
スピー ドコントロール
響 を, 庁
是謝 躍 』
輛軸 鳴 躙 C舗
PttP
諦
漫
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暫
トレインデージI L D T l )
軸力調整用
*CHプ
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.{!型
叩
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ス
*こ責t if変
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￨
キヤン' セ ンサーI G P 2 ,
*CH9
サーボコントロール用
軸
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層
ロードセル iS」
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*CH10
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サ ボコントロール用
軸変位言
I ISⅣDT,
￨ILDT)
ペデスタ
ル
① ∼⑥
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イ
￨
1=20
キ
ャップ
1内蔵フロン
ピ
￨
単位 :mm
V
図 1
ひずみゲニジ
ArD変
換
図 3 大 型供試体 用 ひず みゲ ー ジ式
ロー ドセル
ギ ア式静 的載荷 装 置 を用 い た小型 三
軸 試験機 の全 体 シス テム図
図
2 大 型 三 軸 試験 機 の全 体 システム 図
Local Displacement Transducer (LDT)
ー
デ
ひ
み
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ユ
ダ
尋
≦
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≦
2饉
メ
Ю
:i312:ニ
大鼎 試体用品
大型用
型用
Jヽ
L。(mm)
W(mm)
t
(mm)
5
取 り拓可ltジ
小型供試体用LDT取 り付けヒンジ
12
図 4 製 作 した局所軸変位測定装置 ( L D T )
良 く行 う ことは容易 で はな い。 もし小型供試体 で 妥当 な
結果 が 出 る ことがわかれば, 小 型供試体 で実験 をして も
良 い ことになる。
3.試
写真 1 大 型三軸試験機全体写真
験
方
法
使用 した小型 お よび大型三軸試験機 の部 品 は,生 産技
術研究所試作 工 場 で製作 した.小 型 三軸試験機 での単調
影響 を調 べ る。
載荷 は変位制御 で行 い,容 量2.5tonfのギア式静的載荷装
(3)軸 荷重 は三軸 セル 内 に設置 した ロー ドセルで,微 小
置 (図 1)を 使 用 した.繰 返 し載荷 は,空 圧式繰返 し載
軸変位 は後藤 (1986)が 開発 した局所 的涙1定法 で,高 精
荷装置 (龍岡,1988)を
度 に測定 す る。
三 軸試験機 (図 2,写 真 1)で の単調載荷 と繰返 し載 荷
には油圧 サ ー ボ式軸荷重載荷装置 (島津 サ ー ボパ ルサ ー
一
(4)一 つの供試体 と つの試験機 を用 いて106∼ 101で
一
の 貫 した変形特性 とせ ん断強度 を同時 に求 め る。
EHF」 B5020L形
用 いて荷重制御 で行 った。大型
)を 用 いた.
(5)供 試体直径 7.5cm,高 さ15cm小 型供試体 と供試体直
供試体 の等方圧 は負圧 によって与 え,ポ テ ンシ ョメ‐
径 30cm,高 さ60cmの 大型供試体 との上L較実験 を行 い,供
一
試体寸法 の影響 を研究す る。 般 に大型三軸試験 を精度
夕型 負圧計 で測定 した.し たが って,圧 カ セル は使用 し
ていな い.載 荷 ピス トンの軸受 け部 に作用す る摩擦力 に
研
794
4 1 巻1 0 号 ( 1 9 8 9 1 0 )
究
速
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報
=ッ ロ
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ト
1攣
+00054896(V―
V。
)2
LDTの 初期長 さL。二
LDTの 初期ひずみ出力
00022144(V―
LDT
ヒンシ
出力V O = 5 0 ( V )
zlL=-00863■
0 0 0 2 1 0 5 5 (V V。
)―
2
60
(v_vO)2
V i ∠L だ￨ す
釘
' 直変位させたと
す出力 ( V )
きのl l Nみ
20
80
製作 したLDTの 検定結果
(小型供試体用)
/>?v>
往復
４
０
LDT―A
日 ｅ 日ヽ
︵
６
０
︵Ｅｅ 口Ｎ
三
＼
l二
∫
憮￨litl)2
LDTの 初期長さ
L。=9 04cm
LDTの 初期ひすみ
図 5
可 動 ヒンジ
固定 腕
LDT-1
LDTの初期長さLO=500mm
LDT― B
40
産 研 究
生
図 6
30
40 50 60
( v _ v 。) 2
70
ンジ 固 定 1 宛
80
三 l l l lル
セ底 板
製 作 したL D T の 検 定 結 果
図 7 供 試体 へのLDTの 取 り付 け方法
( 大型供 試体 用 )
よる測定誤差 をな くすために,軸 荷重 は供 試体 のキャッ
プ直上 に設置 した平行平板形門型構造 (谷,1982)を 持
つひずみゲ ー ジ式 ロー ドセル (図 3)で 涸l定した.ロ ー
ドセルの容量 は小型 供試体用 で ±140kgfであ り,大 型供
試体用 で ±50tfである。
軸変位 は二種類 の方法 で演1定した,大 ひずみ用 として
載荷 ピス トンの動 きを電気式変位変換器 で預1定した。 こ
の源1定値 には供試体 上 下端 での緩 み層 の過 大 な変位 を含
んでお り精度 は高 くな い。 一 方,微 小 ひずみは以 下 に示
す局所変形測定装置 (LDT)で 測定 した.図 4に 製作 し
た小型 お よび大型 供試体用 のLDTの 詳細 を示す。材料 は
リン青鋼板 を用 いてい る。 これの軸方向 の圧縮 に伴 う曲
げ量 をひずみゲ ー ジで測定 す る。LDTは 各供試体佃1面の
写真 2 大 型供試体へのLDTの 取 り付け
対 角位置 に二 つセ ッ トして,そ れ らの測定値 を平均 した。
ほ とん どの試験 で二 つ のLDTの 測定値 の差 は非 常 に小
で近 似 で きる (後藤,1986),こ こで,Cは 検定常数,V。
さか った。
はLDTを 自由状態 で まっす ぐに した ときのひずみ出力,
大型供試体 用LDTに はまず厚 さ1.2mm,幅 10mmの も
の を製作 したが ,軸方向圧縮 に対 す るバ ネカ は約 600gfで
Vは LDTを ∠Lだ け軸圧縮 させた ときのひずみ出力 で あ
あ リメ ンブ レイ ン と供試体 の密着 を保証 で きない ことが
立 って い る。 (1)式 の関係 は非線形 で はあるが ,明 確 で
わか った。 そ こで 幅 を 5mm(バ
ネカ280gf)と した。小
る。図 5, 6を 見 てわか るように,(1)式 の関係 が成 り
安定 した関係 なので,実 際 の使用 に際 して非線形関係 に
型供試体 用 には まず厚 さ0.3mm,幅 3.5mmで 製作 した.
起 因す る問題点 は無 い。
しか し,バ ネカ は118gfとな り,メ ンブ レイ ン厚 さ (0.3
今 回使 用 したLDTの 最小読 み取 り値 は以 下 の とお り
で ある。大型供試体用LDTの 場合,V・=-5 Voltに なる
mm)に 対 して大 きす ぎた。そ こで,使 用 ゲー ジ貼 り付 け
面積 の制限 か ら幅 を狭 くで きな いため,0.2mmの 厚 さと
した結果,バ ネカ は30gfと小 さ くなった。ひずみゲー ジ
は,大 型供 試体用 と小型供 試体用 でそれぞれゲ ー ジ長 2
mm,0.5mmの もの を使 用 し,リ ン青鋼板 の 中央 の表 と裏
側 に 4枚 のゲ ー ジを貼 り付 けて 4ゲ ー ジ法 とした。 こう
す ることに よ り温度補償 がで きる とともに 4倍 の出力 を
得 られ る。 また,ひ ずみゲ ー ジはシ リコンで 防水 した。
製作 したLDTの 検定結果 を図 5,6に 示す。LDTの 軸
方向圧縮量 ∠Lと ひず み出力 Vの 関係 は,二 次関数 :
ZL=C×
(V― V。)2
(1)
ようにア ンプ 出力 を調整 し,JL≒
L DTを 供試
0.5113mで
体 に設 置 す る。 この時 の ア ンプ 出力 をV=O Voltと す
る。 lmVま
で 安 定 した 読 み と りが 可 能 な の で,C=
して,Zd=CX(50012_5.0002)≒
0.00548958と
5.5×
105(cm)≒ 0.55(μm)(供 試 体 軸 ひ ず み で55× 105
l X10 6)まで読 み取 れ る。 ア ンプ
(cm)/49.95(cIIl)≒
出力 を10倍にすれ ば読 み取 り精度 をさらに高 くで きる。
小型供試体用 LDTの 場合 も同様 に,ZL=0,75mm(V=
l Volt)で供 試体 に設 置 して慣1定開始 した 時,Zd=
2.088995×
103(5.0012_52)≒2/105(cm)≒ 0.2(μ
m)
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生
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1111 速
11111 111!￨￨￨￨￨!￨
/
θ
〃′
″′′″υ
Test S4-28 Triaxial CD
＾
一Ｅ ｏこ 枷〓︶げ ∽∽ｏお ∽ ﹄０一， ，０∩
。．
′ｏおの■ｏ一
ごＥりヽ∞〓︶
璃ン●∩
′
ご′″υ
′
(a)筋 ″マ
Test S4-28 Triaxial CD
H/D=60/30cm,∝ =0 5kgf/cmi eO]=0545
H/D-60/30cm,
a.=0.5kgf/cm1 eo.r=0.54
04
Axial strain (%)
Axial strain (%)
図 8 大 型供試体 で三軸 セル外部 で測定 した軸 ひずみ とL D T で 測定 した
軸 ひずみの比較 の例 : ( a ) εl = 1 % ま で, ( b ) εl = 0 1 % ま で
lirlicalvale:t'ilhottbnchetltrciloll-tt&telvildjs|ilandlrithkq(laljorHinegrattel
(供試体軸 ひず みで 2X10 5/8.925=2.3× 106)で ぁ る.
取り
LDTを 供試体 に取 り付 けるため に,図 7に 示す 「
Test Emax(kgf7rm2)
lB-31」
31100
32800
B5-21
3600
S4-28
3500
S5-15
付 け定規 」 の 「ヒンジ固定腕Jに ヒンジ をはさみ, これ
にLDTを セ ッ トした.次 に可動 ヒンジ固定腕 を移動 させ
ひずみ出力 をゼ ロVoltに調節 してか ら,
ヒンジ を接着剤 (パー マ ボ ン ド社#268)を 用 いて供試体
てか ら,LDTの
側面 に固定 した (写真 2).小 型供試体 の場合 も同様 の取
り付 け定規 を用 いた。 また,実 際 の三軸圧縮試験 は10%
程度 の軸 ひずみ まで行 ったので,LDTを 破損 させな いた
め,試 験 の途 中 で供試体側面 か ら取 りはず した。
す べ ての試験 で 測定 された アナ ロ グ量 を12ビッ トA/
grarel,C.T.S.S.;
sand)soil
Cement-irealed
H.G.:Hime
D変 換器 でデ ィジタル量 に変 えて16ビッ トマ イ ク ロ ョ ン
ピュー ター で記録 した。
定 した害」
線変形係数Esec=(G一a)/εl
図 9 LDTで 涸」
とlogε
lの関係の例
4 若 干 の測定例
め
5 ま
と
三軸圧縮試験 で微小 ひずみ レベルで の応力 ・ひずみ関
図 8に 大型供試体 で三軸 セル外部 で演1定した軸 ひずみ
とLDTで 測定 した軸 ひずみの比 較 の例 を示す。今 回 の礫
の実験 では供試体 上 下端面 はろ紙 一枚 でポー ラス ス トー
ンと接 して い るの に もか かわ らず,三 軸 セル外部 で沢1定
ロー ドセルのた わみ
した軸 ひずみ にはBedding errorと
のため,大 きな誤差 が含 まれて い る ことがわか る。こ の
違 い は,軸 ひ ず み ε
l=01%で の 割 線 変 形 係 数 Escc=
1定 と外 部
(G― 島)/ε
lを比 較 す る と,局 部 (local)沢
1定で 得 た 値 は,そ れ ぞれ 1180kgf/cm2と
(external)涸
930kgf/cm2でぁった。図 9に ,今 回の研究 で用 いた姫礫
と,最 近筆者 らが預1定した セ メン ト改良砂質上 の三軸圧
縮試験 にお けるLDTを 用 いて沢1定した割線変形係数Esec
一
とlogε
lの関係 を示す.① 同 条件 での試験 S428(直 径
30cm)と S415(直 径 715cm)の比較 か ら,姫 礫 の応力 ・
ひずみ関係 にお ける供試体寸法 の影響 は極 めて小 さい こ
と,② 初期線 形領域 は,姫 礫 とセメン ト改良砂質土 で,
それぞれεl<2× 105,εl<1× 104で ぁ り,本 試験法 で
初期剛性 が正 確 に求 まること,等 が明 らか となった。
係 を正確 に涸1定で きるとともに強度 も涙1定で きる試験 シ
ステム を開発 した。 この試験装置 を用 いて得 られた試験
結果 は引 き続 く論文 で紹介す る。
謝
辞
:
本研究 で用 いた試験機,試 験用具 の製作 に携わ って頂
いた本研究所試作 工 場 の方々 には,末 筆 なが ら深 い感謝
の意 を表 し ます 。
(1989年7月 10日受理)
参 考 文 献
1) Drnevich,PD.and Ⅳ lassarsch,KR.(1979):Sample
E
strain behavior,Journal(〕
disturbance and stress―
div.,Proc.ASCE,Vol.105,No GT9,September,pp
1001-1016.
2) 後 藤 聡 (1986)i Strength and deformation charac―
teristics of granular lllaterials in triaxial tests,Dr.
「okyo
of Engineering thesis,Univ.of′
3)龍 岡文夫 (1988):第 4回 三軸圧縮試験実技講習会報告,
土 と基礎 ,3611,135136頁 .
4)谷 泰 弘 (1982):切削加工の分野 で使用 され るロー ド
セルについて,生 産研究,34巻 , 6号 ,3542頁 .