Cam-clayモデル — CAE用語解説

確かに土木・地盤系の分野だ。Cam-clayモデルは1960年代にケンブリッジ大学（Cam=Cambridge）でSchofield、Wrothらが開発した粘土の弾塑性構成モデルで、臨界状態土質力学という考え方に基づいている。金属の降伏モデルと違う点は平均有効応力p'が大きいほど降伏応力が高くなる、つまり圧力依存の降伏面を持つところだ。

金属（von Mises基準）は偏差応力だけで降伏するけど、粘土や砂は圧力が高いほど「締まって強くなる」という特性がある。Cam-clayの降伏面はp-qダイアグラム上で楕円形になっていて、この楕円の大きさが塑性体積ひずみ（圧密）によって変化する。ざっくり言うと「粘土を押し固めるほど次の降伏に必要な応力が上がる」という現象を数式で表したモデルだ。

一番典型的なのは盛土や基礎の沈下解析だ。軟弱地盤に構造物を載せると粘土層が時間をかけて圧密沈下する。Cam-clayモデルをFEM（AbaqusやCode_Asterなど）に組み込むと、この長期沈下量を定量的に予測できる。空港の滑走路、高速道路の盛土、超高層ビルの基礎設計——これらで粘土地盤があれば出番がある。

そう、圧密解析は「浸透流＋変形」の連成問題になる。間隙水圧が拡散しながら有効応力が増加していくBiot固結理論を解くことになる。AbaqusならCoupled pore fluid diffusion and stressステップで解ける。粘土パラメータとして圧縮指数λ、膨潤指数κ、限界応力比Mの3つが基本入力で、圧密試験や三軸圧縮試験から取得する。

Drucker-Pragerは降伏面が円錐形（線形圧力依存）で、砂や岩盤の強度評価に使いやすい。Cam-clayは楕円形（等方硬化する）で、粘土の圧密と膨潤の非対称性を表現できる。実務では「圧密挙動が重要ならCam-clay、破壊強度が重要ならDrucker-Prager」という使い分けが多い。Modified Cam-clay（降伏面が真円的楕円）の方が高精度になるケースも多い。