地すべり解析における 有限要素法の利用
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地すべり解析における 有限要素法の利用. 群馬大学建設工学科 教授 鵜飼恵三. 最終目的. 斜面安定解析法の土台(プラットフォ-ム)を極限平衡法から弾塑性FEMに変更する. Ⅰ 基礎的な話. 1.弾塑性とは何か?. 弾性と塑性の意味. 三軸圧縮試験のシミュレーション. 計算例. 2.FEM(有限要素法)とは何か?. 3.従来の斜面安定解析法. 4.FEMによる斜面安定解析法. 2種類の方法がある ①変形・破壊解析:実態に則した解析 ②全体安全率の計算:設計のための計算、 せん断強度低減有限要素法. 5.せん断強度低減有限要素法. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
地すべり解析における有限要素法の利用
群馬大学建設工学科教授 鵜飼恵三
最終目的
斜面安定解析法の土台(プラットフォ-ム)を極限平衡法から弾塑性FEMに変更する
Ⅰ 基礎的な話
1.弾塑性とは何か?
弾性と塑性の意味
三軸圧縮試験のシミュレーション
計算例
2.FEM(有限要素法)とは何か?
3.従来の斜面安定解析法
4.FEMによる斜面安定解析法
2種類の方法がある① 変形・破壊解析:実態に則した解析② 全体安全率の計算:設計のための計算、 せん断強度低減有限要素法
5.せん断強度低減有限要素法
Ⅱ 対策工の効果を安全率の増加で評価する
概要1.はじめに2.降雨時の斜面安定解析と水平排水孔の
効果3.杭による斜面崩壊の抑止効果の解析4.アンカーによる斜面の補強効果の解析5.降雨時の浅層崩壊を防ぐための排水パ
イ プの効果と設計法
土は弾完全塑性体と仮定 3次元解析
1.はじめに
従来の斜面安定解析法は極限平衡法に もとづいており、 ・3次元性 :地形、地質、水圧分布 ・土の変形特性 ・土と対策工の相互作用 を十分には評価できない。
極限平衡法:すべり面(不連続面)の扱いは得意
解析法
● 3次元飽和・不飽和浸透流解析 (水の流れを考える場合)● 3次元せん断強度低減弾塑性 FEM 安全率により斜面の安定性と 対策工の効果を評価する
3次元 FEM
2.降雨時の斜面安定解析と 水平排水孔の効果
• 降雨時の斜面崩壊メカニズムを 2次元 FEM で解析する• 水平排水孔の効果を3次元 FEM で
評価する
Fig. 2.1 斜面の解析モデルと FE メッシュ
土中の水の流れのモデル化 基本方程式:
質量保存式とダルシー則
(van Genuchten model, 1980)
不飽和土の水理特性
Table 2.1 土の水理特性
GCL
■ │Φ│
□ Kr
GCL: 粘土質ロームUSS: シルト質砂BLS: ローム質砂
Fig. 2.3 水圧ヘッドの時間変化
時間降雨量 10mm/h
.
Fig. 2.4 水圧ヘッドのコンター (m)
GCL 斜面
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Elapsed time (h)
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
Fs
Case 1
0 10 20 30 40 50 60 70 800.7
0.9
1.1
1.3
1.5
Case 2
0 10 20 30 40 50 60 70 800.7
0.9
1.1
1.3
1.5
SrSeNo
Case 3
Se=0.727
Se=0.617
Se=0.507
時間降雨量 10mm/h
GCL 斜面
Fig. 2.7 安全率の時間的変化
0 20 40 60 80
Time (h)
0
10
20
30
40
50
Ave
rage
rai
nfal
l int
ensi
ty (
mm
/h)
実線:数値解析点線:関東地域
破線:全国
‣
☒
Fig. 2.10 数値解析結果と観測結果の比較 (観測結果は風間ら( 1985 )から引用)
☓
解析領域 ( 水平排水孔が設置されたケース)
解析領域
解析領域
Fig. 2.11 水平排水孔を持つモデル斜面と有限要素メッシュ
Fig. 2.16 2つの断面での水圧ヘッドのコンター( m)
00
0
2
2
4
6
8
00
0
2
4
00
0
2
4
6
00
0
2
4
6
00
0
2
4
00
0
2
4
6
GCL USS BLS
GCL USS BLS
Point B Point C
Fig. 2.18 安全率の増分と水平排水孔の長さとの関係
.
0 10 20 30 40
Length (m)
0.0
0.2
0.4
0.6
F
GCLUSSBLS
3.杭による斜面崩壊の抑止効果の解析
● 杭の抑止効果をせん断強度低減FEM で評価する
● せん断強度低減 FEM の結果を簡易 Bishop 法による計算結果と比較する .
Lx
10.0m L=15.0m 10.0m
35.0m D1/2
10.0
m
20.0
m
D1
D1
D2
D2
D
x
yz
1:1.5
杭中心間隔 D1
Fig. 3.1 モデル斜面と FE メッシュ
簡易ビショップ法による解析
● 杭による抑止効果(土圧)を伊藤ー松井の 方法で評価する
● 最小安全率と対応するすべり面を計算す る
Fig. 3.3 安全率と杭間隔の関係
0 2 4 6 8
D1/D
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7Fs
BishopFEM(free)FEM(hinged)
杭頭自由の場合にFEM と簡易ビショップ法はよく一致しているが、これは偶然である。
Fig. 3.4 杭に作用する土圧
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6
Pressure (MPa)
0
5
10
15
Dep
th (
m) D1/D=2.0
D1/D=3.0D1/D=4.0D1/D=6.0
-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6
Pressure (MPa)
0
5
10
15D
epth
(m
)Free head Hinged head
Fig. 3.5 破壊メカニズム
00
Critical slip circle
D1/D=3
Critical slip circlethrough Critical Depth
赤円弧は簡易 ビショップ法により計算された臨界すべり円を示す
Fig. 3.8 安全率と杭位置の関係
4.アンカーによる斜面の補強
効果の解析 ● アンカーによる斜面の補強効果を FEM で評価する● FEM の結果を従来法と比較する
Fig. 4.1 アンカーで補強された斜面
b
SP
N
W
Lx
L
P
cosP
sinP
P
cosP
sinP
(a)
(b) (c)
PS
N
W
Vertical approach
Normalapproach
アンカーで補強された斜面の安全率 (簡易ビショップ法)
アンカーによる抑止力
Fig. 4.2 有限要素メッシュ
6m 8m
8m10
m
16m
SoilSoil-groutinterface
Groutedbody
Smoothsoil-tendoninterface
Tendon
(a)
(b)
6m 6m
D1/2
Rigid plate
D1
D1
Fig. 4.7 安全率とアンカー方向角の関係
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
(degree)
1.10
1.15
1.20
1.25
Fs
SSRFEMFs1Fs2
Lx=4.0m, D1=1.5m, Pi=0kN
Fig. 4.10 安全率とアンカー位置の関係
0 2 4 6 8
Lx (m)
1.05
1.10
1.15
1.20
1.25
1.30
Fs
SSRFEMFs1Fs2
D1=1.5m, θ=15°, Pi=0kN
Fig. 4.13 安全率とアンカー間隔の関係
1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
D1 (m)
1.10
1.15
1.20
1.25F
sSSRFEMFs1Fs2
Lx=4m, θ=15°, Pi=0kN
5.降雨時の浅層崩壊を防ぐため の排水パイプの効果と
設計法
● 有孔排水パイプの排水効果を FEM によ り評価する方法を提案する
● フェレニウス法、簡易ビショップ法と FEM から計算される安全率を比較する
.
排水パイプ
斜面にパイプを挿入するための簡単な道具
排水パイプが斜面に挿入される
Fig. 5.1 モデル斜面と FE メッシュ
Fig. 5.2 水圧ヘッドのコンター (m) :排水パイプなし
( 定常状態)
正規化された降雨強度が 0.566 以上になると斜面内の水圧は変化しない
ir=0.278
ir=0.566
Fig. 5.4 水圧ヘッドのコンター (m)排水パイプあり
ir=0.278
Fig 5.7 安全率と正規化された降雨強度 の関係
Pipes
PipeNo
Fig. 5.8(a ) すべり面の位置
排水パイプなし
max
排 水 パ イ プ あり
max
Fig. 5.8(b ) すべり面の位置
Fig. 5.14 とパイプ間隔の関係ss FF
40
kPa95.7
c
27
kPa83.8
c
Fig. 5.15 正規化された排水量とパイプ間隔の関係
ここまでの結論
● 水平排水孔、抑止杭、アンカー、 排水パイプが斜面を安定化する メカニズムは 3 次元的である。 ● FEM はこれらの 3 次元効果を そのまま考慮できるが、 LEM に
は 困難である。
今後の研究の方向
● 実際の地すべりを FEM で解析する すべり面(不連続面)の取り扱い?●現行設計法と弾塑性 FEM の比較 従来法による設計例を FEM で計算し比較する
● 斜面安定解析のプラットフォームを LEM から FEM に変える(時間がかかるだろう)
●FEM を用いた地震時、豪雨時における丘陵・山間地のハザードマップの作成
実際の地すべりと対策工(イメージ)
11.9
5m11
.95m
12.5mD1/2
x
yz
0.1m
u u
移動
層不動
層
すべり層
Pile, D=0.508mA
A'
図―2 解析モデルのメッシュ分割
D1
D
解析領域 D1/2
H
l1=12m
移動層 密度:17.66 kN/m3 変形係数 Es1:29430 kPa 粘着力 c:29.43 kPa 内部摩擦角φ :28o
不動層 密度:20.60 kN/m3 変形係数 Es2:147150 kPa 粘着力 c:98.10 kPa 内部摩擦角φ :40o
すべり面
図―1 解析モデル(文献1)より引用)
FEM を用いた地震時、豪雨時における丘陵・山間地のハザードマップの作成 (3次元局所安全率の等高線を描き危険箇所を抽出する) (下図は沖村孝教授の著書より引用)