第 53 回地盤工学研究発表会
2018 年 7 月0669

E - 04 （高松）

拡径比の異なる杭の引抜き特性 その 3：再現解析による抵抗メカニズムの検討
拡底杭

引抜き抵抗有限要素法

京都大学大学院学生会員○Christian SAWADOGO

京都大学大学院学生会員

Ben M. LEWIS

京都大学大学院国際会員

澤村 康生

ジャパンパイル

正会員

藤江 雄大

ジャパンパイル

正会員

橋立 健司
5.0

1. はじめに

Unit: m.5

過去に筆者らは，直杭と拡径比 2.00 のケースについ12て，3 次元弾塑性有限要素法を用いた遠心載荷試験の再現解析を実施し，両者の引抜き挙動について検討を行った 1) ．本報告では，拡径比の異なる全ての模型に対12.5して再現解析を実施し，拡径比と引抜き抵抗メカニズムの関係について考察する．
2. 解析の概要 1)
本研究では，3 次元弾塑性有限要素解析プログラム
DBLEAVES2) を用いて遠心模型実験の再現解析を実施(a) Case-1: 直杭した．図-1 に解析メッシュを示す．解析領域は対称性(b) Case-3: 拡底杭

図-1 解析メッシュを考慮して 1/4 断面とした．境界条件の設定においては，引抜き荷重を載荷した際に杭が傾くことを防ぐた

表-1 数値解析に用いた地盤のパラメータ

め，杭は水平方向に変位が発生しない条件とした．地盤の構成式には，subloading tij model3)を用いた．表-1 にPrincipal stress ratio at critical state

本構成式のおける豊浦砂の材料定数を示す．杭は弾性Rcs = (σ1 / σ3) CS(comp.)

3.2

Solid 要素でモデル化し，弾性係数は E = 2.0×108 kN/m2

Compression index λ0.07とした．杭と地盤の境界部分には，地盤の滑りと剥離

Swelling index κ0.0045を考慮するために Joint 要素を用いた．同名報告 (そのN = eNC at p = 98 kPa & q = 0 kPa

1.102)より，杭模型表面の摩擦抵抗の大小により，引抜きPoisson’s ratio νe0.333

荷重が大きく異なることが確認されている．しかし本

Influence of density and confining pressure a60

研究では，Joint 要素の剛性と Mohr-Coulomb の破壊規

Shape of yield surface β2.0

準に関するパラメータは，モルタルと豊浦砂の一面せん断試験 4)を参考に決定し (表-2)，拡径比の違いによ

表-2 Joint要素入力パラメータ

る引抜き抵抗メカニズムを解明することに主眼をおい

Shear stiffness Ks [kN/m2/m]

1.0×105

Normal stiffness Kn [kN/m2/m]

1.0×105

た．引抜き荷重は，杭頭に強制変位として与え，0.01mm/step で引き抜いた．

2Cohesion c [kN/m ]0.0

解析対象は，拡径比 (角度)が 1.00 (0 degree), 1.25 (3Internal friction angle φ [deg]28.0degree), 1.5 (6 degree), 1.75 (9 degree), 2.00 (12 degree),Tension strength of axial direction σt [kN/m2]-0.5

Separation displacement criterion vmc [m]5.0×10-62.25 (15 degree) の全模型とし，地盤の相対密度は Dr =90%の条件とした．のパラメータであると考えられることから，要素試験

3. 解析結果
図-2 に遠心模型実験と数値解析における杭頭部の荷等を実施して，パラメータを決定する必要性を示唆し重変位関係を示す．ここで実験値については，杭模型ている．しかしながら，解析においても拡径比が大き表面の摩擦抵抗が大きいケースと小さいケースの両方なケースで大きな引抜き荷重が発生しており，杭の引を示している．また，横軸の変位については鉛直変位抜き挙動を定性的に表現できていると考えられる．

そのものを用いており，拡径部の径によって正規化は

図-3 に 0.1 m 変位時における X-Z 面のせん断応力分行っていない．図-2 より，解析値は実験と比較して拡布を示す．直杭の場合に着目すると，拘束圧の大きい底比による影響が小さい傾向を示している．この要因

杭先端部の周面において，せん断応力が大きくなってのひとつは，杭模型と地盤の境界部に配した Joint 要素いる箇所が発生した．一方拡径比が 1.25 以上になると，Pull up resistance of various belled piles, Part 3: Investigation of

Sawadogo C., Lewis B., Sawamura Y. Kyoto University

resistance mechanism through numerical analyses

Fujie Y., Hashidate K.

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JAPAN PILE Co10000Enlargement ratio of 1.00 (0 degree)
Enlargement ratio of 1.25 (3 degree)
0 Enlargement ratio of 1.50 (6 degree)

Enlargement ratio of 1.75 (9 degree)
Enlargement ratio of 2.00 (12 degree)
Enlargement ratio of 2.25 (15 degree)

8000

0060000040000020000000

100 200 300 400 500 600 700 800 0
Displacement [mm](a) Experiment (with friction)

100 200 300 400 500 600 700 800 0
Displacement [mm](b) Experiment (Without friction)

0Load [kN]

12000

図-2

実験および数値解析による荷重-変位関係

In-plane Shear Stress [kPa]τzx(a) R = 1.00 (0 deg)

τzx

150

τzx

200τzx(e) R = 2.00 (12 deg) (f) R = 2.25 (15 deg)

0.1 m変位時におけるX-Z面のせん断応力分布0(c) R = 1.50 (6 deg) (d) R = 1.75 (9 deg)

図-4100τzx∆σz [kPa](b) R = 1.25 (3 deg)50(c) R = 1.50 (6 deg) (d) R = 1.75 (9 deg)

図-3(a) R = 1.00 (0 deg)0τzx(b) R = 1.25 (3 deg)

100 200 300 400 500 600 700 800
Displacement [mm](c) Numerical analysis

255075100(e) R = 2.00 (12 deg) (f) R = 2.25 (15 deg)

0.1 m変位時におけるX-Z面の鉛直応力増加分布

拡径部分を中心に大きなせん断ひずみが発生している．

その結果，拡径比が大きくなると，地盤中に斜め上方拡径比が小さい場合には，杭の近傍のみで大きなせんにせん断ひずみの分布すること，拡径部上部の鉛直土断ひずみが発生するが，拡径比が大きくなると，右斜圧が増加していることから，広範囲で引抜きに抵抗しめ上方にせん断ひずみの分布が拡大する．ていることがあきらかとなった．
【参考文献】
Ben M LEWIS, Bonngab KIM, 澤村康生，藤江雄大，
橋立健司：拡底杭の引抜特性に関する遠心載荷試
験―その 3：FEM による再現解析，第 52 回地盤工学研究発表会，pp.1181-1182, 2017.
2)
Ye, B., Ye, G. L., Zhang, F. and Yashima, A. :Experiment and numerical simulation of repeatedliquefaction-consolidation of sand, Soils andFoundations, Vol.47, No.3, pp.547-558, 2007.
3)
Nakai, T. and Hinokio, M. : A simple elastoplastic
model for normally and over consolidated soils withunified material parameters, Soils and Foundations,Vol.44, No.2, pp.53-70, 2004.
4)
澤村康生：盛土内に設置されたカルバートの耐震性に関する基礎的研究，京都大学学位論文，2014.

図-4 には，0.1 m 変位時における鉛直応力の増分を示

1)

す．ここで，鉛直応力の増分とは，地盤の初期応力からの増分量を示している．直杭の場合には，引抜抵抗は周面摩擦力のみに起因しているため，図-4 に示すせん断応力と同様，応力変化は杭近傍のみで発生しており，地盤内の鉛直応力の増加量は小さい．一方，拡底杭の場合は，拡径部における支圧抵抗が大きいため，拡径部上部の鉛直応力が増加している．またこの傾向は拡径比が大きいケースで顕著である．これにより，大きな引抜き抵抗力を示したのだと考えられる．
5. まとめ本研究では，3 次元弾塑性有限要素解析により，遠心力 50G 場における引抜き試験の再現解析を実施した．

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