Developing health monitoring and prediction techniques of soil behaviours based on dynamic wave signals

开发基于动态波信号的土壤行为健康监测和预测技术

基本信息

批准号：
22K14322
负责人：
大坪正英
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Public Works Research Institute
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

地盤材料の力学挙動は応力状態及びせん断履歴の影響を受けることは知られているが、せん断の進展に伴う骨格構造の弱体化メカニズムについては未だ解明されていない。本研究では、骨格構造が弱体化していく過程を弾性波伝播特性の変化と関連付けることで、地盤挙動予測の高精度化を図り、さらには地盤の健全度モニタリング技術を考案することを目的とする。当該研究課題の一年目では下記のような研究成果を得た。砂の粒子形状の違いがもたらす応力ひずみ関係の評価、並びに、せん断過程における弾性波速度（圧縮波速度：Vp、せん断波速度：Vs）の変化について室内試験により検討した。排水繰返し載荷試験を実施した結果、弾性域内で繰返し載荷を行う場合は載荷・除荷・再載荷の過程でVp及びVsは可逆的であることを確認した。一方、弾性域を超えた状態で除荷すると、同じ応力状態であっても除荷過程のVpとVsの値は低減し、除荷時の軸差応力が大きくなるほどその低減率は大きくなった。VpとVsはどちらも応力状態の変化に応じて増減するが、Vsの方がせん断ひずみの累積に伴う逓減が顕著であるため、せん断の進展に伴いVp/Vsの比は大きくなった。個別要素法（DEM）を用いて球形粒子の供試体に対する弾性波伝播解析を実施した結果、上述の実験結果と同様の傾向を再現することができた。DEMで粒子間の接触点の向きの偏り（偏差ファブリック）を評価した結果、Vp/Vsの変動と偏差ファブリックの変動は概ね線形の関係であった。つまり、Vp/Vsの値をモニタリングすることで、地盤材料の骨格構造の変化を評価できるという可能性が示された。今後は非球形粒子を用いた場合でも同結論に至るかどうか検討を進めたい。

尽管众所周知，岩土材料的力学行为受到应力状态和剪切历史的影响，但骨骼结构随着剪切的进行而减弱的机制尚未阐明。本研究的目的是通过将骨骼结构的弱化过程与弹性波传播特性的变化联系起来，提高地面行为预测的准确性，并设计一种土壤健康监测技术。在这个研究项目的第一年，我们获得了以下研究成果。进行了实验室测试，以评估砂粒形状差异引起的应力-应变关系，并检查剪切过程中弹性波速（压缩波速：Vp，剪切波速：Vs）的变化。进行排水重复加载试验的结果证实，当在弹性区域内进行重复加载时，Vp和Vs在加载、卸载和重新加载过程中是可逆的。另一方面，当卸载超过弹性范围时，即使在相同的应力状态下，卸载过程中的Vp和Vs值也会减小，并且随着卸载时轴向差应力的增大，减小率增大。虽然Vp和Vs都会随着应力状态的变化而增加和减少，但Vs随着剪切应变的积累而减少更为明显，因此Vp/Vs的比率随着剪切的进行而增加。使用离散元法（DEM）对球形颗粒样本进行弹性波传播分析的结果是，我们能够重现与上述实验结果相同的趋势。使用DEM评价粒子间的接触点的朝向(偏差组织)的偏差的结果，可知Vp/Vs的变化量与偏差组织的变化量大致呈线性关系。换句话说，已经表明可以通过监测Vp/Vs值来评估研磨材料的骨架结构的变化。未来，我们想研究即使使用非球形粒子是否也能得出相同的结论。