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

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。

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。