砂と粘土の違いについての弾塑性力学に基づく解釈

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粘土は「圧密材」、砂は「締固め材」と呼ばれる。このことは、粘土に関して、その圧縮特性は、圧密試験により把握することができる。しかし砂については、圧密試験でその圧縮特性を把握することはできないことを意味する。粘土の一次元圧密試験と同様の試験を砂について行うと、粘土の数オーダー大きな荷重をかけなければならないし、そのような大荷重下では粒子破砕等が起こり、破砕特性を測ることとなってしまう。砂の場合、茶筒の中の砂を思い浮かべればわかるように、側面に振動を与えることで砂は圧縮する。すなわち締固めの程度、そして極値としての最大間隙比と最小間隙比が、砂の圧縮特性を表すものと考えてよい。したがって粘土の力学特性を把握するには、圧密特性とせん断特性を、砂は、締固め特性とせん断特性を調べればよい。本研究では、自然堆積粘土と飽和砂の力学特性を把握するために、粘土では圧密試験と三軸圧縮試験を、砂では締固め試験と三軸圧縮試験を実施した。粘土については、(1)一次元圧密試験において、圧縮曲線は練返し粘土のそれに比べ、同じ間隙比でもより大きな荷重を支えることができることを示した。また圧密挙動では、過剰水圧の消散、湧き出し、その後消散という繰返しで沈下が進行していた。(2)非排水せん断試験では、過圧密粘土は限界状態線の上側で硬化した後、軟化し、正規圧密粘土は限界状態線の下側で軟化していた。砂については、(1)締固めの程度に応じた初期相対密度の異なる3つの砂に対し、非排水三軸圧縮試験を実施したところ、ゆる詰めは限界状態線の下側で軟化し、中間詰めは軟化後、限界状態線の上側で硬化し、密詰めは軟化せず硬化のみを示した。これら砂と粘土の力学特性を考察するため、砂と粘土を連続体と仮定し、上負荷面カムクレイモデルによる数値シミュレーションを実施した。本モデルは、「構造」を有する土の弾塑性挙動を記述するモデルであり、砂と粘土の力学挙動を、構造の喪失、過圧密の解消の違いから表現することができた。すなわち砂は過圧密の解消に比べ構造の喪失が卓越すると仮定することで、「締固め材」としての力学特性を説明し、粘土は構造の喪失に比べ過圧密の解消が卓越すると仮定することで、「圧密材」としての力学特性を説明することができた。