[論文レビュー] Effect of Particle Size on the Shear Strength Behavior of Sands

Nazmul Islam, Ayesha Siddika+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 25, 2019

Granular flow and fluidized beds被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、均一および級配料の砂試料を用いた直接せん断試験を通じて、粒子径が砂のせん断強度に与える影響を調査した。全8種の粒子径（0.075–2.76 mm）を対象とした結果、粒子径が増加するにつれて内部摩擦角および最大せん断応力が一貫して上昇することが明らかになった。特に、粒子の相互ロック機構と荷重分散効率の向上により、級配料の砂が均一な砂よりも高い強度を示した。理論的モデルにより、微視的粒子挙動と巨視的強度応答の相関関係が裏付けられた。

ABSTRACT

During plastic deformation of granular materials due to loading, the stress-strain and strength characteristics of sand grains are influenced with grain size, their distribution and packing. Also the macroscopic behaviour of granular materials changes with the variation of microscopic behaviour. Particle size is one of the important properties which plays a dominant role on the stress, strain and strength responses of granular materials. Alteration of grain size results in the change of void ratio as well as particle effective contact area revolutionized and the load distribution mechanism of particle to particle contact. To evaluate the effect of particle size, a series of direct shear tests were performed considering uniform particles of eight samples (0.075, 0.15, 0.212, 0.300, 0.600, 1.18, 1.72 and 2.76 mm) and graded particles of two samples (0.075-1.18 mm and 0.075-2.36 mm). Three types of normal loads (0.05, 0.10 and 0.15 kN) were selected for each test. For uniform particles, particles retained on individual sieve size were considered and in graded particles combination of each uniform particle pondered. A theoretical approach was also proposed to correlate the particle size and macroscopic response. From the experimental results, it was observed that for each set of normal load with the increase of particle size ,angle of internal friction as well as maximum horizontal shear stress increases for uniform sands and a similar response was noticed in graded sands but the larger the gradation the higher the shear strength. Maximum horizontal shear and angle of internal friction with respect to particle size is also influenced by normal stress. Experimental results have good agreement with the theoretical approach.

研究の動機と目的

• 粒子径が粒状材料、特に砂のせん断強度挙動に与える影響を分析すること。
• 粒子サイズの変化が、応力-歪み応答、空隙比、および粒子接触面積に与える影響を評価すること。
• 粒子の粒度分布が、粒子間の相互ロックおよび荷重分散の改善を通じてせん断強度を向上させる役割を調査すること。
• 粒子スケールの特性（サイズおよび接触面積など）に基づいて巨視的せん断強度応答を予測できる理論的モデルを構築・検証すること。

提案手法

• 8種の均一粒子径（0.075–2.76 mm）および2種の級配料（0.075–1.18 mmおよび0.075–2.36 mm）を含む全10種の砂試料に対して、直接せん断試験を実施した。
• 各試料に3種の法線応力（0.05、0.10、0.15 kN）を印加し、応力依存性の挙動を評価した。
• 各粒子径および粒度分布条件におけるピーク水平せん断応力および内部摩擦角の実験データを収集した。
• 粒子サイズと巨視的せん断強度の相関関係を理論的枠組みで提示した。このモデルは、有効接触面積の変化および荷重伝達メカニズムの変化に基づく。
• 全粒子径および全法線応力条件下で、理論的モデルの予測値と実験結果を比較し、モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 均一な砂において、粒子径が増加すると内部摩擦角にどのように影響するか？
• RQ2 粒子径は、粒状アセンブリの最大水平せん断応力にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 粒子の粒度分布が、均一な粒子径と比較してせん断強度挙動にどのように影響するか？
• RQ4 法線応力が、粒子径とせん断強度の関係にどの程度影響を及えるか？
• RQ5 粒子スケールの特性（サイズおよび接触面積など）に基づいて、巨視的せん断強度を効果的に予測できる理論的モデルは存在するか？

主な発見

• 均一な砂では、内部摩擦角および最大水平せん断応力が粒子径の増加に伴い上昇し、全法線応力レベルで一貫した傾向が観察された。
• 試験で測定された最大粒子径（2.76 mm）は、全法線応力条件下で最高の内部摩擦角およびピークせん断応力を示した。
• 級配料（0.075–1.18 mmおよび0.075–2.36 mm）は、同程度の最大粒子径を有する均一な砂よりも高いせん断強度を示した。これは、粒子間の相互ロックおよび荷重分散の向上によるものである。
• 粒度分布の広がりが、せん断強度に正の相関関係を示し、広い粒子径分布が巨視的せん断抵抗を向上させることを示した。
• 理論的モデルは実験データと強く一致しており、粒子径に伴う有効接触面積および荷重伝達効率の変化が、強度変動の主な要因であることが裏付けられた。