ダイラタンシー（粒状物質）

土質力学において、ダイラタンシーまたは剪断ダイラタンシー^[1]は、粒状材料が剪断変形を受けたときに観察される体積変化である。^{[2] [3]}この効果は、1885年または1886年にオズボーン・レイノルズによって初めて科学的に説明され^{[4] [5] 、}レイノルズダイラタンシーとしても知られている。これはピーター・ウォルター・ロウ ^{[de]によって}土質工学の分野に持ち込まれた。^[6]

他のほとんどの固体材料とは異なり、圧縮された高密度粒状材料はせん断されると膨張する（体積が膨張する）傾向があります。これは、圧縮状態の粒子が絡み合っているので、互いに自由に動き回ることができないためです。応力がかかると、隣接する粒子間でてこ運動が発生し、材料の体積が膨張します。一方、粒状材料が非常に緩い状態から始まる場合、せん断下で膨張するのではなく、継続的に圧縮される可能性があります。材料のサンプルは、せん断の増加とともに体積が増加する場合は膨張性と呼ばれ、せん断の増加とともに体積が減少する場合は収縮性と呼ばれます。 ^{[7] [8]}

ダイラタンシーは、土や砂に共通する特徴です。その効果は、浜辺を歩く人の足の周りの湿った砂が乾いたように見えるときに見ることができます。足による変形により、その下の砂が膨張し、砂の中の水が移動して粒子間の新しい空間を埋めます。

ダイラタンシー現象は、密な砂のサンプルの排水単純せん断試験で観察できます。変形の初期段階では、せん断ひずみが増加するにつれて体積ひずみが減少します。しかし、応力がピーク値に近づくと、体積ひずみが増加し始めます。さらにせん断すると、土壌サンプルの体積は試験開始時よりも大きくなります。

膨張量は土壌の初期密度に大きく依存します。一般的に、土壌の密度が高いほど、せん断による体積膨張量が大きくなります。また、有効垂直応力が減少すると内部摩擦角が減少することも観察されています。^[9]

膨張と内部摩擦の関係は、膨張角が歯と水平面のなす角度に類似する、鋸歯状ダイラタンシー モデルによって典型的に説明されます。このようなモデルを使用すると、観察される摩擦角は、膨張角と膨張ゼロの摩擦角の合計に等しいと推測できます。^{[引用が必要]}

ダイラタンシーのため、摩擦角は拘束が増加するにつれて増加し、ピーク値に達します。土壌のピーク強度が強化されると、摩擦角は急激に減少します。その結果、このような土壌の斜面、基礎、トンネル、杭の土質工学では、土壌強度がこのピーク値に達した後の強度の潜在的な低下を考慮する必要があります。

微量の砂から砂質を含む、非塑性で分級が不十分/均一なシルトは、硬い場合でも建設中に問題を引き起こす可能性があります。これらの材料は、シルトが非常に粗いため、密から非常に密であると言われるため、粒状に見えることがよくあります。これらの土壌タイプで地下水面より下の垂直掘削は、部分的にはマトリック吸引により、多くの密な砂質土堆積物と同様に短期的な安定性を示します。しかし、重力によりアクティブウェッジ内で土壌のせん断が発生すると、強度が失われ、破損速度が加速します。これは、アクティブウェッジの背面内または背面付近の張力亀裂に水が溜まる場所で静水圧が発生することで悪化する可能性があります。一般的に後退性剥離が現れ、パイピング/内部侵食を伴うことがよくあります。適切なフィルターの使用は、これらの材料を管理するために不可欠です。好ましいフィルターとしては、一般的に容易に入手できる市販の骨材である #4 サイズの透明な砂利/粗粒の砂が考えられます。不織布フィルターも適しています。すべてのフィルターと同様に、D15 および D50 の適合基準を確認する必要があります。

広範囲のせん断を受けた後、膨張性材料は、ダイラタンシーが限界に達した臨界密度の状態に到達します。この土壌挙動の現象は、ダイラタンシーカットオフによって硬化土壌モデルに含めることができます。この挙動を指定するには、材料の初期空隙率、および最大空隙率、を一般パラメータとして入力する必要があります。体積変化によって最大空隙状態になるとすぐに、可動ダイラタンシー角、は自動的にゼロに戻ります。^[10]${\displaystyle e_{init}}$${\displaystyle e_{max}}$${\displaystyle \psi _{m}}$

• 三軸せん断試験
• μ(I)レオロジー：粒状流のレオロジーの1つのモデル。

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