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温度変化を考慮した不飽和土弾塑性モデルの構築

メンバー: 向後雄二、斎藤広隆、五味高志

分野: 農業工学

所属: 農学研究院 国際環境農学専攻

キーワード: 温度効果、不飽和土、弾塑性モデル、せん断挙動、体積変化挙動

ウェブサイト:

研究概要

地中熱を熱源としたヒートポンプを用いた場合、地中の熱環境に変化が生じる。地中熱は地盤の強度や変形特性などに影響を及ぼす恐れがあると考えられる。この地盤は地中50mまでの層で、考えられる最大温度は50℃程度であり、不飽和土層を含む。本研究では、不飽和土を含む土の温度変化による力学的挙動への影響について検証するとともに、そのモデル化を試みる。人工シルトであるDLクレーを対象として、温度調節型三軸試験機を用いて、サクションおよび温度を変化させた一連の試験を行った。その結果、ピーク強度は温度依存性を示し、温度の低いものほど大きな強度を示した。しかし、Critical stateでの強度は温度の影響をほとんど受けなかった。弾性域では、温度の上昇と下降にともなって、それぞれ膨張と収縮が生じた。また、温度の影響を考慮した不飽和土も対象とした弾塑性モデルを定式化した。そのモデルでは、温度に対する二つの影響を考慮した。そのモデルを用いて本試験結果を考察した。その結果、本モデルは定性的にその力学的挙動を説明できた。

主要論文・参考事項

1)向後雄二,斉藤広隆,PYONE, Win Win,不飽和土の力学的挙動への温度の影響とそのモデル化,農業農村工学論文集 No.287, 45-53, 2013.

2)斉藤広隆,斎藤健志,向後雄二,濱本昌一郎,Per MOLDRUP,小松登志子,熱応答試験実施時間の短縮がみかけの熱伝導率推定に与える影響:数値的研究,土壌の物理性, 128, 11-20,2014.

3)斉藤広隆,武藤啓,向後雄二,地盤熱応答の数値解析,第10回環境地盤工学シンポジウム論文集, 27-32,地盤工学会,東京, 2013.

4)向後雄二,四津徹,斉藤広隆,温度変化による不飽和土の力学的挙動,第10回環境地盤工学シンポジウム論文集, 33-38,地盤工学会,東京, 2013.

お問い合わせ先

東京農工大学・先端産学連携研究推進センター
urac[at]ml.tuat.ac.jp([at]を@に変換してください)

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Development of an Elastoplastic model considering Temperature Effects on Mechanical Behavior of Unsaturated Soils

Research members: Dr. Yuji Kohgo, Hirotaka Saito PhD., Takashi Gomi PhD.

Research fields: Agro-engineering

Departments: International environmental and agricultural science, Institute of Agriculture

Keywords: Temperature effects, Unsaturated soils, Elasto-plastic model, Shear behavior, Volume change behavior

Web site:

Summary

Application of Ground Source Heat Pumps (GSHP), which extract ground thermal energy, may change ground thermal conditions. These changes raise concerns for possible deformations and reductions of shear strengths in the ground. The typical GSHP range of thermal influence is until 50 m of depth and the maximum temperature applied is around 50 ℃. The range of thermal influence will include unsaturated soil layers. In this study we therefore investigated the mechanical behavior of both unsaturated and saturated soils due to temperature changes and also proposed a model for this. Two series of tests for a silt named DL clay: suction and temperature controlled tests and heating and cooling tests, were conducted with a thermal control triaxial compression apparatus for unsaturated soils. It was found from the tests that the peak strengths were affected by temperatures and the specimens with lower temperatures had higher strengths. However, the strengths at critical state were almost independent of temperatures. In the elastic region the specimens expanded and shrank due to heating and cooling, respectively. From the data obtained in this study and previous works, we formulated a thermal elasto-plastic model for unsaturated soils taking into account two thermal effects and two suction effects. We investigated the typical test results by using the elasto-plastic model. It was found from the results that the elasto-plastic model could qualitatively express the behavior.

Reference articles and patents

1)向後雄二,斉藤広隆,PYONE, Win Win,不飽和土の力学的挙動への温度の影響とそのモデル化,農業農村工学論文集 No.287, 45-53, 2013.

2)斉藤広隆,斎藤健志,向後雄二,濱本昌一郎,Per MOLDRUP,小松登志子,熱応答試験実施時間の短縮がみかけの熱伝導率推定に与える影響:数値的研究,土壌の物理性, 128, 11-20,2014.

3)斉藤広隆,武藤啓,向後雄二,地盤熱応答の数値解析,第10回環境地盤工学シンポジウム論文集, 27-32,地盤工学会,東京, 2013.

4)向後雄二,四津徹,斉藤広隆,温度変化による不飽和土の力学的挙動,第10回環境地盤工学シンポジウム論文集, 33-38,地盤工学会,東京, 2013.

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