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地盤材料へ適用する格子・粒子ハイブリッド法の数値解析
清水建設(株)技術研究所建設基盤技術センター
桐山 貴俊
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地盤材料とは・粒状体の集合体である
・摩擦性材料で非線形性が強い
せん断ひずみ γ
せん断応力 τ
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歪レベルと地盤解析法の関係
状態 線型 非線形
変形 微小変形 大変形
Shake、FEM、FDM FEM、FDM解析 DEM
γ10‐6 10 ‐ 5 10 ‐ 4 10 ‐ 3 10 ‐ 2 10010 ‐ 1
ひずみ
1% 10% 100%
・格子法(FEM、FDM、etc)連続体と見なせる変形領域では実積が豊富。大変形時はリメッシュにより計算負荷が増大。
・個別要素法(DEM)離散体の挙動解析で実積が豊富。物性値に客観性がない点が課題とされる。
リメッシュを回避し、客観性のある物性値で大変形領域の解析ができないか?
SPH
MPSMPM
連続体ベースの粒子法
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目次
・格子・粒子ハイブリッド法Material Point Method
・地盤材料への適用1.浅い基礎の支持力問題2.要素試験再現シミュレーション3.土水連成解析
・AVS 使用環境
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格子・粒子ハイブリッド法Material Point Method
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・粒状体との衝突構成則 :弾塑性モールクーロン落下物密度:15(g/cm2)粒状体の10倍粒状体密度:1.5(g/cm2)
MPM解析例:衝突、貫入
数値計算アルゴリズムにより平均化処理されてしまっている。
剛体未処理 剛体処理
弾塑性体
弾性体
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・粒状体との衝突構成則 :弾塑性モールクーロン(φ=30°)地盤密度:15(g/cm3)基礎密度:200(g/cm2)→20000(g/cm3)まで漸増
MPM解析例:杭基礎の貫入
20
20
単位:m
5 15
20
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Shimizu Corporation
3次元解析:斜面の崩壊
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地盤材料への適用浅い基礎の支持力問題
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地盤の大変形
載荷体
2m(10 セル) 10m(50 セル)
2m(10 セル)
4m(20 セル) 基礎地盤
鉛直自由水平固定
鉛直自由水平固定
鉛直固定水平固定
支配領域
マテリアルポイント
格子点
1格子当りマテリアルポイントを4つ配置
0.1m
0.1m
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浅い基礎の支持力:微小~大変形
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
0 100 200 300 400 0 150 300 450 6000
0.5
1
1.5
2
2.5
沈下
量(m
)
[4][1]
[2]
[i]
[ii]
[iii]
[iv][3]
MPM(微小変形)
FDM(微小変形)
cpGIMP法(大変形)
Prandtl解
uGIMP法(大変形)
APDI法(大変形)
載荷圧(kPa) 載荷圧(kPa)
(a) 沈下量 0~0.1(m) (b) 沈下量 0~2.5(m)
[3]
[4]
0 0.165q=257(kPa)
s1s2
q=260(kPa) 0 1.425
極限状態では、極限支持力、剛塑性破壊モード、は共にPrandtl解と一致。
剛塑性破壊モード
Prandtl解0 15.2q=600
(kPa)
[iv]
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地盤材料への適用要素試験再現シミュレーション
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地盤材料を用いた室内要素試験
X型 たすき型
Shear Band
圧縮 圧縮
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せん断帯の形成過程
水平固定 → X型
水平自由 →たすき型
1%‐ 100%‐10%‐せん断ひずみ
最大せん断ひずみ
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応力ひずみ関係
水平固定
水平自由
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応力の伝播状況圧縮力
圧縮力解放
鉛直応力
固定
自由
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地盤材料への適用土水連成解析
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土水連成解析(1)
肥後陽介准教授(京都大学)提供
・2010Higo, Y., Oka, F., Kimoto, S., Morinaka, Y., Goto, Y. and Zhen, C.A coupled mpm‐fdm analysis method for multi‐phase elasto‐plastic soils,Soils and Foundations, Vol.50, No.4, pp.515‐532, 2010.
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・2010Higo, Y., Oka, F., Kimoto, S., Morinaka, Y., Goto, Y. and Zhen, C.A coupled mpm‐fdm analysis method for multi‐phase elasto‐plastic soils,Soils and Foundations, Vol.50, No.4, pp.515‐532, 2010.
土水連成解析(2)
肥後陽介准教授(京都大学)提供
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ご清聴ありがとうございました。
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