ALE有限要素法を用いた大変形問題解析手法の開発

本研究は、通常の解析方法では解くことが出来ないコーン貫入や杭の打設といったいわゆる大変形押し拡げ問題を、有限変形理論に基づいた構成式の定式化に基づいてコーティングされたArbitrary Lagrangean Eulerean法(ALE法)という新しい解析手法を構築し、その地盤工学問題への適用を目指すものである。ALE法は土をあたかも流体のように考え、杭やコーンといった剛性の高いものが地盤に貫入される問題を解くものであり、その最大の特長は地盤材料の変位(貫入に相当)を有限要素メッシュの座標の変位と切り離し、要素の過剰なゆがみを取り除くことによって数値計算の発散を抑え、安定した解が得られることである。本年度は土の応力ひずみ関係を支配する構成式としてDrucker-Pragerモデルを用い、岡山県・錦海湾粘土、神奈川県・東扇島砂という両方の材料へのコーン貫入過程を解析した。両ケースともに実際に原位置でコーン貫入試験を行っており、解析結果の妥当性を原位置試験のパフォーマンスによって検証した。非排水条件を仮定した粘土についても完全排水条件を仮定した砂についても、解析によるコーン先端抵抗値は原位置試験結果を精度よく評価でき、本解析手法の有為性を確認することができた。またコーン周辺の応力集中現象が数値的に評価され、特に水平応力の増大が顕著であることが確かめられた。また塑性せん断ひずみの発生はコーン先端近傍で100%を超えているものの、塑性領域はコーン径の10倍程度にとどまっており、大変形問題ではあるが局所的な変形問題でもあることが明らかとなった。今後の課題としては、解析プログラムを連成問題への拡張、より現実的な構成モデルの導入等が残されている。こうした問題をクリアできれば、トンネル掘進過程、掘削工事、杭の支持力の時間依存性といった現実問題の解明に大きく寄与できるものと考えられる。

本研究は、通常の解析方法では解くことが出来ないコーン貫入や杭の打設といったいわゆる大変形押し拡げ問題を、有限変形理論に基づいた構成式の定式化に基づいてコーティングされたArbitrary Lagrangean Eulerean法(ALE法)という新しい解析手法を構築し、その地盤工学問題への適用を目指すものである。ALE法は土をあたかも流体のように考え、杭やコーンといった剛性の高いものが地盤に貫入される問題を解くものであり、その最大の特長は地盤材料の変位(貫入に相当)を有限要素メッシュの座標の変位と切り離し、要素の過剰なゆがみを取り除くことによって数値計算の発散を抑え、安定した解が得られることである。本年度は土の応力ひずみ関係を支配する構成式としてDrucker-Pragerモデルを用い、岡山県・錦海湾粘土、神奈川県・東扇島砂という両方の材料へのコーン貫入過程を解析した。両ケースともに実際に原位置でコーン貫入試験を行っており、解析結果の妥当性を原位置試験のパフォーマンスによって検証した。非排水条件を仮定した粘土についても完全排水条件を仮定した砂についても、解析によるコーン先端抵抗値は原位置試験結果を精度よく評価でき、本解析手法の有為性を確認することができた。またコーン周辺の応力集中現象が数値的に評価され、特に水平応力の増大が顕著であることが確かめられた。また塑性せん断ひずみの発生はコーン先端近傍で100%を超えているものの、塑性領域はコーン径の10倍程度にとどまっており、大変形問題ではあるが局所的な変形問題でもあることが明らかとなった。今後の課題としては、解析プログラムを連成問題への拡張、より現実的な構成モデルの導入等が残されている。こうした問題をクリアできれば、トンネル掘進過程、掘削工事、杭の支持力の時間依存性といった現実問題の解明に大きく寄与できるものと考えられる。