| Project/Area Number |
23K13401
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 22030:Geotechnical engineering-related
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
志賀 正崇 長岡技術科学大学, 工学研究科, 助教 (60907814)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
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| Keywords | 液状化 / 砂質土 / せん断 / 個別要素法 / 土粒子構造 |
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| Outline of Research at the Start |
1960年代以降、液状化が地盤災害として認識され、多くの研究が実施されてきた。特に、土粒子構造を反映するせん断波速度や微小せん断剛性率と液状化強度の相関が議論されてきたた一方で、そのメカニズムは明らかになっていない。本研究では、独自開発・改良された室内土質試験と粒子単体でモデル化可能な個別要素法を組み合わせ、土粒子構造が液状化強度に与える影響とそのメカニズムを定量的に調査する。この研究は、土粒子構造と液状化特性の関係に統合的な裏付けを提供し、微小せん断剛性率による高度で合理的な原位置液状化強度の予測に対して理論的枠組みを与えることを目標とする。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、土粒子構造の液状化特性に与える影響を、室内要素試験と個別要素法による粒状体解析を組み合わせて調査することを目的としている。既往研究においても、せん断開始前の土粒子構造を弾性波速度で定量化し、それらと液状化特性との相関を議論した研究は多く存在する一方で、微小ひずみレベルの動的特性とせん断ひずみ数%程度の中ひずみ領域における液状化現象が、なぜ対応しているかについて合理的な説明はなされていない状況である。こうした対応関係をよりクリアに論じることは、簡易・詳細両法の高度化に繋がり、より高精度な発生予測、被害予測につながる。
2023年度は当初計画から変更を行い、個別要素法による解析を主軸に据えて研究を遂行した。当初計画では、2022年に入手した旧式の中空ねじり試験装置を用いて非排水繰返しせん断試験を実施する予定であったが、当該試験装置は想定以上に不良箇所が多く、本研究費の一部とその他の研究予算を流用する形で修理を行った。現状では載荷フレームの修理が完了し、通水・通気経路、及び制御部の再構築を実施している。個別要素法の解析においては、事前検討として、個別要素法のオープンソースフレームワークであるYadeとLammpsの比較検討を実施した。結果として、GPU等の高速化についてはLammpsに劣るものの、地盤材料に特化した接触モデルや非球形粒子の扱い、境界制御の柔軟性においてYadeが有利であることが確認されたため、今後の解析においてはYadeを用いることとした。このYade上で、球形粒子かつ回転抵抗を考慮しない接触モデルを用いて、等体積繰返しせん断をCSRと初期密度を変えて実施した。結果として、既往研究で示されている液状化発生時の供試体に作用した累積せん断仕事が持つ同様の傾向が観察された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初計画では2022年度において他大学より移管した旧式の中空ねじり試験装置を利用して、砂質土の非排水繰返しせん断試験を実施する予定であった。しかし、当該試験装置は、経年劣化により多数の不良箇所があり、とりわけ圧力・通水・電気制御については、想定以上に修理が困難であることが判明した。そのため、2023年度は、本研究費の一部とその他の研究予算を流用する形で修理を行った。現状では載荷フレームの修理が完了し、通水・通気経路、及び制御部の再構築を実施している。
また、2023年度は当初2024年度に実施する予定であった個別要素法を用いた研究を先行して進めることとした。個別要素法の解析においては、事前検討として、個別要素法のオープンソースフレームワークであるYadeとLammpsの比較検討を実施した。結果として、GPU等の高速化についてはLammpsに劣るものの、地盤材料に特化した接触モデルや非球形粒子の扱い、境界制御の柔軟性においてYadeが有利であることが確認されたため、今後の解析においてはYadeを用いることとした。個別要素法のパラメータ設定においては、既存の研究で用いられている値と、所属機関の他研究室の実験結果を参考に決定した。結果として、直方体の周期境界を有する解析領域に対して、1方向の等体積繰返しせん断を実施した。なお、間隙水はモデル化していないため、厳密な定義での液状化現象は再現されていないものの、水の非圧縮性を仮定した場合の非排水せん断挙動は再現できていると考えられる。
解析結果では、球形粒子かつ回転抵抗を考慮しない接触モデルにおいて、CSRと初期間隙比を変化させた場合の、応力ひずみ関係とファブリックテンソルの変化を可視化した。結果として、既往研究で示されている累積せん断仕事のCSRや密度への非依存性が、限定的な条件下であるものの示すことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は、当初計画から変更を行い、個別要素法による解析を主軸に据えて研究を遂行した。2024年度は、個別要素法による解析を進めるとともに、中空ねじり試験装置の修理・改良を完遂させ、一連の非排水繰返しせん断試験を実施する予定である。個別要素法の解析では、2023年度に取得した解析結果を基に、様々な土粒子構造のシミュレーションを実施する。具体的には、複数の小型PCをクラスタ化した仮想解析サーバーを作成し、MPIを用いた数十万粒子スケールのYadeをベースとする解析手法改良と、複数の粒子間接触モデルによる液状化中のかみ合わせ効果とセメンテーション効果の再現を行う。更に改良手法と提案モデルによって、等体積条件下における繰り返しせん断とせん断波伝播をシミュレーションし、せん断波速度や粒状体全体の変形量や摩擦による損失エネルギーを実験結果と比較する。また非排水繰返しせん断試験では、複数の供試体に対して非排水繰返しせん断試験を実施し、せん断載荷中のせん断波速度の計測も実施し、同一間隙比における有効平均主応力-G_d関係と計測値の差異から初期構造の劣化を議論し、個別要素法における微小要素での摩擦損失や接触力の異方性を含めた検討を実施する。最終的に異なる土粒子構造について、初期構造が液状化過程中どのように変化するかとそのメカニズムについて考察を実施し、数理モデルを提案する。
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