JP3153385B2 - 土の挙動を捉える地盤分析方法 - Google Patents

土の挙動を捉える地盤分析方法

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JP3153385B2 JP12021693A JP12021693A JP3153385B2 JP 3153385 B2 JP3153385 B2 JP 3153385B2 JP 12021693 A JP12021693 A JP 12021693A JP 12021693 A JP12021693 A JP 12021693A JP 3153385 B2 JP3153385 B2 JP 3153385B2
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  • Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、土の挙動を捉える地盤
分析方法に関する。
【0002】
【従来の技術】土は、固相、液相、及び気相の三相から
構成されており、地盤の液状化、クイックサンド(浸透
水などにより、地盤土砂が浮遊状態になること)、及び
土石流等は、粒状体(固相)と流体(液相)との二相系
によって起こる現象である。
【0003】このような2相解析方法としては、個別要
素法(個々の粒状体相互に作用する力を計算し、時間毎
の粒状体の挙動を追う方法)を粒状体と流体の2相系に
適用し、2次元での粒状体の間隙面積の変化から粒状体
に作用する間隙水圧を計算して行うものや、パイピング
(土中に生じた管状の水路から水が吹き出す現象)試験
等をシュミレーションするもの等がある。そして、この
結果より、土の挙動を捉えて、上述したような地盤の液
状化、クイックサンド、及び土石流を分析するのであ
る。
【0004】これらの解析方法では、隣合う粒状体の間
隙同士の圧力差を平衡させるように流体が流動すると仮
定して、流体と粒状体との相互作用を評価している。
【0005】しかしながら、実際の粒状体の間隙は、2
次元方向だけでなく3次元方向にも間隙が生じているの
で、間隙中を流動する流体の挙動を2次元方向の間隙間
に圧力平衡だけでは、土の挙動を正確に分析できない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記事実を考
慮して、間隙中の流体の挙動を正確に表現し、流体から
粒状体が受ける力を正しく評価して、土の挙動を捉える
地盤分析方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、水の流体と土
粒子の粒状体が共に存在する領域に外力が作用したとき
に、流体と粒状体が相互に干渉しながら挙動する状態を
時間毎に捉えることで地盤の液状化、クイックサンド、
又は土石流を分析する地盤分析方法において各々粒状
体の初期配列と各々粒状体を囲む境界線を初期条件とし
て設定した後、粒状体同士の接触判定を行ない、粒状体
が相互に受ける作用力と、前記境界線で粒状体が受ける
作用力を求める第1ステップと、粒状体に作用する2つ
の作用力によって粒状体が並進或は回転する運動を表す
運動方程式を前進的に数値解析して、時間毎の粒状体の
移動量や回転角を求める第2ステップと、時間毎の粒状
体の移動量や回転角から各々粒状体の次の配列及び粒状
体同士の接触判定を行う第3ステップと、境界線で囲ま
れた領域を所定サイズのメッシュで区分けして、各メッ
シュ内での流体の初期流量、抵抗係数、密度を設定した
後、各メッシュ内に流入する流体の全流量を求める第4
ステップと、前記メッシュ内の粒状体部分の間隙の面積
を計算し、各メッシュの中心を結ぶ線を管路として管路
網を設定したときの、管路面積とする第5ステップと、
管路網の各節点の流量の連続性と流体の運動方程式より
各管路の流体の流速を決定する第6ステップと、各管路
の流速から管路内の粒状体位置での流速を求め、粒状体
が流体から受ける作用力を求める第7ステップと、前記
第1ステップから前記第7ステップにより、流体から粒
状体が受ける作用力により粒状体の配列状態を時間毎に
求めて粒状体の挙動を時間毎に捉えることで地盤の液状
化、クイックサンド、又は土石流を分析することを特徴
としている。
【0008】
【作用】本発明は、水の流体と土粒子の粒状体が共に存
在する領域に外力が作用したときに、流体と粒状体が相
互に干渉しながら挙動する状態を時間毎に捉えることで
地盤の液状化等を分析する。 先ず、境界線で囲まれた粒
状体が相互に受ける作用力、境界線で粒状体が受ける作
用力を求め、粒状体に作用する2つの作用力によって、
粒状体が並進或は回転する運動を表す運動方程式から、
時間毎の粒状体の移動量や回転角を求め、各々粒状体の
次の配列及び粒状体同士の接触判定を行う。一方、境界
線で囲まれた領域を所定サイズのメッシュで区分けし、
各メッシュ内での流体の初期流量、抵抗係数、密度を設
定した後、各メッシュ内に流入する流体の全流量を求
め、メッシュ内の粒状体部分の間隙の面積を計算する。
そして、この面積を、各メッシュの中心を結ぶ線を管路
として管路網を設定したときの、管路面積とする。ま
た、管路網の各節点の流量の連続性と流体の運動方程式
より各管路の流体の流速を決定し、各管路の流速から管
路内の粒状体位置での流速を求め、粒状体が流体から受
ける作用力を求める。このような構成により、流体から
粒状体が受ける作用力により粒状体の配列状態を時間毎
に求めることができる。また、粒状体部分の間隙を管路
面積とすることで、2次元方向だけでなく3次元方向に
も流動する流体及び粒状体の挙動を正確につかむことが
できる。これにより、水と土粒子が共に存在する土の挙
動が正確に把握でき、地盤の液状化、クイックサンド、
又は土石流の地盤の動きを分析することができる。
【0009】
【実施例】図1に示すフローチャートに基づいて、本実
施例に係る流体と粒状体の2相系解析法を説明する。
【0010】この2相系解析方法は、個別要素法(DE
M)によって粒状体の挙動を計算する第1のプログラム
と、流体の挙動を計算する第2のプログラムとに分かれ
ている。
【0011】すなわち、第1のプログラムでは、2相系
解析を行なうかどうかを選択し、2相系解析を行なう場
合は、各時間毎の第2のプログラムの流体解析から、流
体によって粒状体が受ける力で粒状体の次のステップで
の配列位置を決定し、第2プログラムでは、第1のプロ
グラムによって得られる粒状体の配列情報を受け取っ
て、粒状体部分での流速分布及び粒状体に及ぼす力を計
算するものである。
【0012】以下詳細に説明すると、ステップ10で、
図2に示すような個別要素法の要素である各粒状体42
の初期配列及び粒状体42の境界条件を決定する。ここ
で、境界条件を決定するとは、粒状体42で満たされた
領域(境界線Bで囲まれた範囲)を設定することをい
い、粒状体42がない範囲でも流体が満たされていれ
ば、その範囲まで行うこととする。
【0013】次に、ステップ12で、境界線Bで囲まれ
た領域を接触判定用のメッシュ(Δx×Δy)で分割す
る。なお、このメッシュの分割線は、粒状体42が移動
しても固定されたものとする。
【0014】次に、ステップ14でメッシュに囲まれた
粒状体42同士、及び境界線Bにおける粒状体42の接
触判定を行い、接触力の計算を行う。ここで、接触力の
計算は、粒状体42の形状を2次元的に円と考え、メッ
シュ内にある粒状体42と接触する粒状体42の間に作
用する力は、図4及び図5に示すように、接触点の法線
方向と接線方向にばね(定数K)とダッシュポット(定
数n)があると仮定すると、2要素中心間の距離の変化
によって求められる。すなわち、隣接する粒状体の半径
をRi 、RJ とすると、2要素中心間の距離Lが、L<
i +RJ の場合は接触状態にあり、また、L>Ri
J の場合は非接触状態にある。
【0015】次に、ステップ16で2相系の解析を行う
が否かを判断する。2相系の解析を行なわない場合、ス
テップ18で、各粒状体42及び境界線Bにおける粒状
体への作用力の決定を行う。この作用力は、並進と回転
とによって生じる次の運動方程式によって求められる。
【0016】
【数1】
【0017】なお、図5のτ≦c+σtanΦは、粒状
体の接触とは関係ない塑性平衡条件式であり、τはせん
断強さ、cは粒状体間に働く粘性力、σは作用面の垂直
応力、Φは内部摩擦力である。
【0018】次に、ステップ20で各粒状体42の加速
度を求め、ステップ22で粒状体の位置を決定する。こ
の計算は、上記の運動方程式を前進的に数値解析するこ
とで、各粒状体42の加速度を求め、次に、時間毎の粒
状体の移動量や回転角を求めことができる。次に、ステ
ップ24で解析を継続するか否か判断し、解析を継続す
るなら、ステップ14に移行する。
【0019】また、ステップ16で2相系の解析を行う
場合、ステップ26で流体の諸定数を決定する。この流
体の諸定数とは、初期流量、流体の抵抗係数、流体の密
度等である。
【0020】次いで、ステップ28で境界線Bで囲まれ
た領域に流入する流体の全流量Qを設定する(図3参
照)。ステップ30では、各メッシュで囲まれた粒状体
部分の間隙の面積を計算し、仮想管路の管径とする。こ
の仮想管路の管径は、以下のように求められる。
【0021】図6(A)に示すようにメッシュ(Δx×
Δy)で分割された一領域において、奥行きをΔzと考
えると、一メッシュでの体積は、V=Δx・Δy・Δz
となる。
【0022】また、粒状体部分の円柱体全部の体積Vs
は、粒状体の半径をri とすれば、
【0023】
【数2】
【0024】従って、間隙の体積Ve は、
【0025】
【数3】
【0026】一方、飽和状態において粒状体が流体に接
する全面積Sv は、
【0027】
【数4】
【0028】この時、隙間をx軸、y軸方向へ移動する
流体の径深Rは、
【0029】
【数5】
【0030】今、図6(B)に示すような円柱体をx
軸、y軸方向へ延びる等価な管路と考えれば、この管路
の等価な管径Dijは、
【0031】
【数6】
【0032】次に、ステップ32で、仮想管路網の組み
立てを以下のような方法で行なう。図7に示すように、
メッシュの中心を結ぶ線を1つの管路と考えて管路網を
設定し、管路へ流入、流出する流体の流量をqとし、ま
た、各管路を流れる流体の流量をQijとする。ここで、
i は回路番号、j は管路番号を示す。
【0033】隣接する2節点間の管路のエネルギー損失
をhijとすれば、2節点間は等流と考えることができる
ので、
【0034】
【数7】
【0035】ここで、rij、nはマニング及びヘーズン
ウイリアムスの公式による定数であり、マニングの公式
に従うものと考えると、rij、nは次の式で表される。
【0036】
【数8】
【0037】だだし、Lijは各管路の管路長さ、Dij
各管路の径であり、粗度係数fij
【0038】
【数9】
【0039】各閉回路毎に管路内の流れ方向が時計回り
を正、反時計回りを負とすると、回路一回りの損失水頭
の和は0となり、以下の式で表される。
【0040】
【数10】
【0041】次に、ステップ34で、ハンデイクロス法
によって管路計算を行なう。
【0042】
【数11】
【0043】
【数12】
【0044】次に、ステップ36で各管路の流速を決定
する。この流速Vijは、Vij=Qij/Aijで求められ
る。
【0045】次に、ステップ38で流速分布を求める。
すなわち、各管路の流速から、この管路に囲まれる粒状
体位置での流速を平均化して求める。
【0046】次に、ステップ40で各粒状体が流体から
受ける作用力を求める。この作用力は、流体の粘性によ
る力Fvと、流体の空間的な圧力変化によるFpとがあ
り、次の式で求められる。
【0047】
【数13】
【0048】ここで、CD は抵抗係数、ρは流体の密
度、Vは流速である。 Fp =Fpx+Fpy=πr2 (∂P/∂x+∂P/∂y) ここで、rは粒状体の半径、Pは流体の圧力である。
【0049】この流体が粒状体に及ぼす作用力は、各時
間ステップ毎に加えられステップ18に移行する。この
ようにして、次のステップでの粒状体の配列が決定され
る。
【0050】
【発明の効果】本発明は上記構成としたので、間隙中の
流体の挙動を正確に分析でき、流体から粒状体が受ける
力を正しく評価し、粒状体の挙動を正確に把握して、
盤の動きを分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例に係る流体と粒状体の2相系解析方法
の手順を示したフローチャートである。
【図2】モデルをメッシュ分割した状態を示した平面図
である。
【図3】モデルに仮想管路網を設定した状態を示した平
面図である。
【図4】粒状体の接触状態を示した力学モデルの概念図
である。
【図5】粒状体の接触状態を示した力学モデルの概念図
である。
【図6】(A)はメッシュ分割の1要素の3次元的な概
念図、(B)はメッシュ分割で3次元的に管路径を示し
た概念図である。
【図7】仮想管路網の計算模式図である。
【符号の説明】
42 粒状体
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) E02D 1/00 - 1/08 G06F 19/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水の流体と土粒子の粒状体が共に存在す
    る領域に外力が作用したときに、流体と粒状体が相互に
    干渉しながら挙動する状態を時間毎に捉えることで地盤
    の液状化、クイックサンド、又は土石流を分析する地盤
    分析方法において各々粒状体の初期配列と各々粒状体を囲む境界線 を初期
    条件として設定した後、粒状体同士の接触判定を行な
    い、粒状体が相互に受ける作用力と、前記境界線で粒状
    体が受ける作用力を求める第1ステップと、粒状体に作用する2つの作用力によって粒状体が並進或
    は回転する運動を表す 運動方程式を前進的に数値解析し
    て、時間毎の粒状体の移動量や回転角を求める第2ステ
    ップと、 時間毎の粒状体の移動量や回転角から各々粒状体の次の
    配列及び粒状体同士の接触判定を行う第3ステップと、境界線で囲まれた領域を所定サイズのメッシュで区分け
    して 、各メッシュ内での流体の初期流量、抵抗係数、密
    度を設定した後、各メッシュ内に流入する流体の全流量
    を求める第4ステップと、 前記メッシュ内の粒状体部分の間隙の面積を計算し、各
    メッシュの中心を結ぶ線を管路として管路網を設定した
    ときの、管路面積とする第5ステップと、 管路網の各節点の流量の連続性と流体の運動方程式より
    各管路の流体の流速を決定する第6ステップと、 各管路の流速から管路内の粒状体位置での流速を求め、
    粒状体が流体から受ける作用力を求める第7ステップ
    と、 前記第1ステップから前記第7ステップにより、流体か
    ら粒状体が受ける作用力により粒状体の配列状態を時間
    毎に求めて粒状体の挙動を時間毎に捉えることで地盤の
    液状化、クイックサンド、又は土石流を分析することを
    特徴とする土の挙動を捉える地盤分析方法。
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JP4692074B2 (ja) * 2005-05-24 2011-06-01 富士ゼロックス株式会社 粉体挙動解析装置及び粉体挙動解析方法、並びにコンピュータ・プログラム
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