粒状土壌における剪断前の履歴に関する新たな視点

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4576 (2023) この記事を引用

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露天掘り鉱山の深いダンプ斜面の設計には、通常、地震時の液状化に対する土壌の耐性に関する情報が必要です。 この抵抗は、初期応力、初期密度、繰返し荷重の振幅だけでなく、予せん断、つまり繰返し荷重の前に土壌に加えられる偏差応力経路にも依存します。 その後の土壌挙動に対する予せん断の影響を調査するために、2 つのサンプル前処理方法を使用した、非排水予せん断と排水応力サイクルを組み合わせた一連の三軸試験が提示されます。 予せん断および準備方法が、繰り返し荷重時のひずみの蓄積に大きな影響を与えることが示されています。 4 つの高度な構成モデルを使用した実験のシミュレーションでは、予剪断の長期持続効果も準備方法もすべてのモデルで適切に捉えることができないことが明らかになりました。 この構成モデルの欠陥により、液状化に対する周期的耐力が過大評価されたり、長期沈下が過小評価されたりするため、安全でない設計が生じる可能性があります。

斜面の安定性と長期沈下評価は、露天掘り褐炭鉱山のダンプ斜面の設計において最も困難な側面に属します。 これは特にハンバッハ (ドイツ) のような深層鉱山に当てはまります。そこでは、緩く投棄された粒状層が深さ 400 m に達する可能性があり、褐炭抽出後のその地域の再耕作が意図されています (図 1 を参照)。 、ダンプ斜面の設計には、起こり得る地震時の液状化に対する土壌の耐性に関する情報が必要です。 しかし、たとえ液状化が起こらなかったとしても、地下水氾濫中および氾濫後の周期的および/または準静的荷重による沈下物の過度の蓄積は、再耕作プロセスを危険にさらす可能性があります。 注目すべきことに、地震（非排水せん断）は、次の地震荷重の前せん断を引き起こす可能性があります。 したがって、密度や堆積方法が地盤の挙動に及ぼす影響を含め、液状化と周期的荷重による応力とひずみの蓄積を適切に予測することが不可欠です。

石炭掘削機と投棄場（右側）で作成された、表面 85 km\(^2\)、深さ 400 m の褐炭露天掘り鉱山ハンバッハの採掘側の眺め (左側)1。

液状化に関しては、密度、圧密応力、および周期荷重の振幅の影響が過去数十年にわたって広く研究されてきました。 一般に、等方性方向で圧密したサンプルの非排水三軸試験では、密度の高いサンプルの方が、緩いサンプルよりも液状化に至るまでに多くのサイクルの荷重を加える必要があることがわかります。 ただし、予圧と後荷重の方向が異なる場合はこの限りではありません。

石原と岡田2は非排水三軸試験を用いて、富士川砂の液状化耐性に対する荷重履歴（予荷重）の影響を研究した。 彼らは、予荷重を予圧縮または予剪断のいずれかとして解釈しました。 予圧縮の場合、土壌はその後のせん断の開始時よりも大きな等方性圧縮応力を受けました。 事前せん断の場合、土壌はその後の荷重がかかる前に所定の偏差応力を受けます。 予備せん断中に等方性応力軸からの応力比を増加させることにより、比較的小さなせん断ひずみが発生しながらサンプルが収縮する傾向が観察されました。 排水された条件下では、収縮により体積ひずみが増加しますが、排水されていないせん断状態では、過剰間隙水圧が増加します。 対照的に、応力比がさらに増加すると、膨張が生じ、せん断ひずみがはるかに大きくなります。 排水または非排水条件下での膨張は、それぞれ体積ひずみまたは過剰間隙水圧の減少（平均有効応力の増加）をもたらします。 In2 および地質工学の文献では広く、土壌の挙動が収縮から膨張に変化する応力比は相変態線 (PTL) として示されます。 したがって、PTL より小さい応力比に達する荷重履歴は小さな予せん断と呼ばれ、PTL を超えるものは大きな予せん断と呼ばれます。 図 2 (2 からデジタル化) は、大きな事前せん断とその後の周期的な非排水荷重を受けた富士川砂の挙動を示しています。 偏差応力振幅 \(q^{{\text{ ampl }}}=0.4\) kg/cm\(^2\) (最初の荷重) でいくつかのサイクルを行った後、サンプルは PTL (大きな事前せん断) を超えて荷重されました。 ) 偏差応力は \(q\約 1.1\) kg/cm\(^2\) です。 次に、初期の等方性有効応力 (p = 1.0 kg/cm\(^2\)) が回復するまで (再圧密)、排水口を開けることで結果として生じる過剰な間隙水圧が放散されました。 最後に、サンプルは、最初の荷重と同じ振幅の偏差応力 (2 番目の荷重) の非排水サイクルにさらされました。 実験では、大きな事前せん断を行った場合（2 回目の荷重）の方が、事前せん断を行わなかった場合（1 回目の荷重）よりも荷重サイクル数に応じて有効応力がより速く減少することがわかりました。 2 回目の荷重を加える前の空隙率 (\(e=0.825\)) は最初の荷重を加える前の空隙率 (\(e=0.840\)) よりも低いにもかかわらず、同じ荷重振幅を受けた密度の高い状態は液化しやすくなります。 したがって、荷重履歴 (予荷重) は材料の挙動において主要な役割 (場合によっては密度よりも重要) を果たし、液状化に対する抵抗を大幅に低下させる可能性があります。