[論文レビュー] EFFECT OF PARTICLE SIZE ON THE SHEAR STRENGTH BEHAVIOUR OF SANDS

Mohammad Nurul Islam, Ayesha Siddika+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Geotechnical Engineering and Soil Mechanics参考文献 8被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、8種の粒子径の均一および級配料の砂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。結果として、粒子径を増加させることで内部摩擦角および最大せん断応力が上昇することが判明し、粒子の相互ロック機構の増加に起因して級配料の砂は均一砂よりも高い強度を示した。理論的モデルにより実験的傾向が裏付けられた。

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

• 粒子径がきなり材料のせん断強度挙動に与える影響を定量的に評価すること。
• 粒子径が砂の内部摩擦角および最大水平せん断応力に与える影響を調査すること。
• 粒子径の分布がマクロなせん断強度応答に与える役割を評価すること。
• 粒子径とマクロな機械的挙動の相関を示す理論的モデルを構築し、検証すること。

提案手法

• 0.075 mm から 2.76 mm の粒子径を有する8種の均一砂試料に対して直接せん断試験を実施した。
• 級配料の影響を評価するため、2種の級配料試料（0.075–1.18 mm および 0.075–2.36 mm）に対しても追加試験を実施した。
• 各試料に3種の垂直荷重（0.05、0.10、0.15 kN）を印加し、応力依存性を検証した。
• 均一試料では個々の篩上に保持された粒子を用い、級配料試料では複数粒子径を組み合わせた。
• 粒子径とマクロなせん断強度応答の相関を示す理論的モデルを提案した。
• 実験結果と理論的予測を比較し、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 異なる垂直荷重下における均一砂の内部摩擦角に粒子径がどのように影響するか？
• RQ2 粒子径がきなり材料の最大水平せん断応力に与える影響は何か？
• RQ3 粒子径の分布が均一粒子と比較して砂のせん断強度に与える影響は何か？
• RQ4 垂直応力が粒子径とせん断強度の関係にどのように作用するか？
• RQ5 理論的モデルは粒子径に基づいてマクロなせん断強度応答を正確に予測できるか？

主な発見

• 均一砂では、粒子径を増加させることで、あらゆる垂直荷重下で内部摩擦角が上昇した。
• 均一砂では粒子径が大きくなるほど最大水平せん断応力が増加し、荷重耐性が向上した。
• 級配料の砂は、粒子間の相互ロックおよび有効接触面積の増加により、均一砂よりも高いせん断強度を示した。
• 高応力条件下では、粒子径がせん断強度に与える影響が顕著に増幅された。
• 提案された理論的モデルは実験データと良好な一致を示し、粒子径とマクロな機械的応答の相関関係が裏付けられた。
• 粒子径は空隙比および荷重分布メカニズムに影響を与え、これが全体のせん断強度挙動に寄与した。