土粒子の配位構造およびメニスカス水の構造に着目した不飽和土の強度推定手法の開発

Research Project

Project/Area Number	23K04027
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 22030:Geotechnical engineering-related
Research Institution	Maebashi Institute of Technology
Principal Investigator	森友宏前橋工科大学, 工学部, 准教授 (40552394)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	土倉泰前橋工科大学, 工学部, 教授 (40236899)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2027-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help	¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000) Fiscal Year 2026: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000) Fiscal Year 2025: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000) Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
Keywords	不飽和土 / メニスカス水 / 液架橋付着力 / 水分特性曲線 / ボロノイ分割 / 粒状体 / 三次元配列
Outline of Research at the Start	盛土斜面のような地下水面以浅にある地盤は，降雨の浸透・排水によって水分量が変わり，強度も数倍の範囲で変化します。しかし，どのくらいの降雨が浸透すると，強度がどのくらい低下するかを設計する手法は確立されていません。本研究では，地盤を土粒子の粒の集合体として考え，土粒子間に跨っているメニスカス水によって生じる，粒子同士を引き付けあう力を精密に求めようとしています。本研究の成果によって，豪雨が降った時の地盤の強度変化や，地盤の崩壊までの余裕度などを，設計に組み込めるようになることが期待されています。
Outline of Annual Research Achievements	2023年度は，大小2種類の球の異粒径粒子集合体における，飽和度に応じた液架橋付着力の算出方法を開発して，実際のガラスビーズ集合体で計測された水分特性曲線（液架橋付着力と飽和度との関係性を示したグラフ）との比較を行った。2022年度までに，等粒径粒子集合体における計算方法を大枠では確立していたが，異粒径粒子集合体は等粒径粒子集合体の場合とは全く異なった計算アプローチが必要であり，ほぼ新設計の計算手法となった。本計算手法を用いた場合，，一般的な土の水分特性（SWCC曲線）の傾向を表現することができた。一方，単一径の球集合体の間隙に挿入する、空気球の半径・中心座標をもとめるプログラムを開発し、単一粒径の球集合体データを対象に適用した。そして、間隙に存在する水がすべてメニスカス水となった状態をCADソフトで描画し、液架橋形成箇所を特定した。また、粒状体のボロノイ分割との対応を明確にした。飽和度とサクションとの関係を求めたが、限られた飽和度の条件下のものであったため、全飽和度帯において従来知られている水分特性曲線と対応する飽和度～サクション関係が得られるかは確認できていない。本研究で提案した提案手法により，次のような知見が得られた。 (1) 異粒径粒子群における，液架橋付着力と飽和度との関係性を算出するための基本的な手法を提案出来た。本手法は，一般的な土の水分特性（SWCC曲線）の傾向を表現することができた。 (2) 本手法は，粒径の異なる粒子群における液架橋付着力と飽和度との関係の違いも表現できた。今後，より多くの粒子群による検証を行い，実地盤における適用性について検討を行っていく。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 研究初年度である2023年度に，異粒径の粒子集合体における液架橋付着力を算出できるようになり，また，その算出結果と実測による水分特性曲線の傾向が一致したことは大きな成果である。本研究の基礎骨格部分が確立されたので，今後は，数値計算および要素試験による実測の両面から様々の条件下での検証を行い，本手法が十分な普遍性があるものであるかを検証していく。
Strategy for Future Research Activity	2024年度は，提案手法で算出された液架橋付着力が定量的な妥当性があるかどうかの検証を行うために，飽和度を制御した実在粒子群で強度試験を行い，計算値と実験値とで整合性があるかどうかを検証する予定である。また，数値計算による自動計算化も進めたい。