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Development of fluid analysis method considering connection to the elasto-plastic analysis of soil and its application to the soil-water coupling analysis

Research Project

Project/Area Number 22K14324
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 22030:Geotechnical engineering-related
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

豊田 智大  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80899964)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
KeywordsFull formulation / u-w-p formulation / u-p formulation / Darcy-Brinkman方程式 / 流体粘性 / 海底液状化 / 数値安定性 / 高透水性土 / 水~土連成 / 相対移流 / 流体解析 / 弾塑性
Outline of Research at the Start

本研究の目的は,「流体~地盤連成解析」への展開を見据え,流体力学と無理なく接続可能な水~土骨格連成解析手法を開発するとともに,その適用性を検証することである.具体的には,以下のように研究を進める.
1) 地盤の弾塑性変形解析との連成を念頭に置いた流体解析スキームの構築と,適切な時空間離散化手法に関する検討および同手法のVerification,2) 間隙流体のモデルの精緻化(流体粘性,乱項の考慮),3) 1)~2)により高度化した連成解析の実践:解析手法の妥当性およびモデルの表現能力の検証と,境界面に平行な流速成分による地盤の弾塑性変形の評価

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は,間隙水の動的浸透を考慮した,Full formulationに基づく地盤の水~土骨格連成解析手法を,洗堀や海底液状化といった流体と地盤の動的相互作用問題を扱えるツールへと拡張するための足掛かりとして,流体力学と無理なく接続可能な解析手法を開発することであった.具体的には,1) 土骨格の増分型変形解析とcompatibleな土中の浸透流解析手法の検討,2) 間隙流体のモデルの精緻化,3) 改良した解析手法・モデルを搭載した水~土連成解析の実践であった.
本年度は,項目1)および2)の一環として,間隙水の粘性を考慮したDarcy-Brinkman方程式に基づく流体解析手法の開発を行った.具体的には,陰的時間積分を搭載した直接型解法(w-p formulation)において,液相分応力項に液相速度勾配に比例する流体粘性を考慮した流体解析手法を開発した.また,典型的な流れの初期値・境界値問題(平面Poiseuille流,Couette流,Cavity流)に対して本手法を適用し,解のVerificationを行った.また,解の空間分布および時間発展の安定性について考察を行った.
また,項目3)に関する検討として,波浪継続作用下にある海底地盤の変位場および水圧場の理論解をu-p formulationの支配方程式より導出し,透水係数に応じた理論解の特徴について考察した.また,境界圧を陽に未知数にとる解析手法(u-p-pb formulation)を実装し,半無限水平堆積地盤のモデル化における水理周期境界条件の重要性を指摘した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

前項のように,流体粘性を考慮した解析手法を実装し,典型的な流れ場が適切に解かれることが確認された.また,流体粘性に起因する非ダルシ―性のほか,領域境界に接線流速を与える状況の下でも安定して流速場が解かれることなど,流体粘性を考慮した本手法の特徴と有効性を把握することができた.以上より,研究は順調に進展しているといえる.ただし,流体圧縮性や間隙率勾配の影響,高レイノルズ数条件下での解の安定性などについては,既往研究も参照しつつ,引き続き検討したい.

Strategy for Future Research Activity

今後は,項目1),2)の検討として,引き続き流体解析手法の高度化にあたるとともに,項目3)において,特に高透水性領域を含む多孔質流れ問題,水~土連成問題への適用性を中心に提案手法の検証を進める.

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2024 2023 2022

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Unconditional convergence of theoretical solutions to u-p formulation2024

    • Author(s)
      Tomohiro Toyoda , Toshihiro Noda
    • Journal Title

      Soils and Foundations

      Volume: 64 Issue: 1 Pages: 101421-101421

    • DOI

      10.1016/j.sandf.2023.101421

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 波浪作用下にある海底地盤の変形解析における土の弾塑性特性の重要性2023

    • Author(s)
      飯島琢臣,豊田智大,野田利弘
    • Organizer
      第28回計算工学講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 波浪の継続作用下での海底地盤のくり返し塑性を考慮した有効応力解析2023

    • Author(s)
      飯島琢臣,野田利弘,豊田智大
    • Organizer
      第58回地盤工学研究発表会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 水~土連成解析におけるu-p formulationの理論解の無条件収束性2023

    • Author(s)
      豊田智大,野田利弘
    • Organizer
      第58回地盤工学研究発表会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 波浪作用による海底地盤の液状化挙動に及ぼす間隙水圧縮性と多次元性の影響2023

    • Author(s)
      飯島琢臣,豊田智大,野田利弘
    • Organizer
      第35回中部地盤工学シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 波浪海底液状化の有限要素解析と理論解の比較による解析領域の打ち切りの影響の検討2023

    • Author(s)
      飯島琢臣,野田利弘,豊田智大
    • Organizer
      土木学会第78回年次学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Versatility of u-w-p formulation to instability phenomena of saturated soil2023

    • Author(s)
      Tomohiro Toyoda
    • Organizer
      17th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 液状化により不安定化する砂地盤~盛土系の弾塑性地震応答解析における u-w-p formulation の優位性2022

    • Author(s)
      豊田智大
    • Organizer
      第57回地盤工学研究発表会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] スペクトル半径を用いた水~土連成計算の数値安定性の評価 ~ u-p 計算不能域の抽出とu-w-p 計算の有効性検証 ~2022

    • Author(s)
      豊田智大
    • Organizer
      第66回理論応用力学講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 間隙水のダイナミクスを考慮可能なu-w-p 弾塑性解析手法による飽和地盤の鉛直浸透力によるボイリング解析2022

    • Author(s)
      豊田智大
    • Organizer
      第77回土木学会年次学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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