凍結機構を有する侵食型三軸試験機を用いた内部侵食による土の脆弱化メカニズムの解明

• Project/Area Number: 23K19151
• Research Category: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: 0303:Civil engineering, social systems engineering, safety engineering, disaster prevention engineering, and related fields
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 石丸 太一 東京理科大学, 創域理工学部社会基盤工学科, 助教 (10984974)
• Project Period (FY): 2023-08-31 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000); Fiscal Year 2024: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 盛土構造物 / 内部侵食 / 細粒分流出 / 三軸試験 / 個別要素法

Outline of Research at the Start

近年、河川堤防やため池堤体などの貯水を目的とした盛土構造物において、内部を浸透する水の流れによって、細かい土粒子のみが侵食される「細粒分流出」の発生が懸念されている。近年の研究により、細粒分流出が強度特性に影響を及ぼすことは分かっているが、ミクロレベルでの骨格構造の変化とマクロレベルでの土の強度・変形特性との関係性は未だ解明されていない。本研究課題では、侵食履歴の付与および凍結による侵食状態の保存ができる三軸試験機を用いた強度試験とそれを再現した個別要素法による数値解析を実施し、侵食によって土の状態がどのように変化するのか、その状態変化が土の強度特性にどのように影響を与えるか、を解明する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目的は、細粒分流出による土の強度特性の変化とその主要因の探索を目的として、透水侵食履歴付与可能な三軸試験機に、供試体を凍結させる機構を追加した新システムによる室内三軸試験、および、個別要素法（DEM）による侵食を再現した土試料の三軸試験シミュレーションを実施することである。
令和5年度は、凍結機構を有する三軸試験機を新たに製作した。製作前に恒温水槽のデモ機で予備実験を行った結果、当初構想していた方法ではうまく供試体を凍結できなかった。そのため、新たな方法を考案し、試行錯誤の上、実験システムを完成させた。本システムは、供試体の形成、圧密、透水侵食履歴の付与、各種強度試験を実施でき、任意段階で供試体を凍結させることで、土の内部状態を保持したまま取り出すことが可能である。また、細粒分流出を受けていない供試体に対する非排水繰返し試験を実施し、細粒分流出を受けた供試体の強度特性と比較するための予備データを収集した。今後は、完成した実験システムを用いて本実験を実施し、侵食による土の状態変化と強度特性の関係を明らかにしていく。
個別要素法（DEM）解析では、PC等の環境整備が完了し、一般的な三軸圧縮試験をシミュレートできる状態になった。現在は、部分的に粒度が異なる供試体を作製する方法を検討している段階である。令和6年度は解析方法を確立し、実験結果が収集でき次第、再現解析を実施していく予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

凍結機構を有する三軸試験機を新たに製作する前に恒温水槽のデモ機で予備実験を行った結果、当初構想していた方法ではうまく供試体を凍結できなかった。そのため、円筒型の冷却水槽を供試体の側面に設置し、供試体の全面から冷却する構造に変更した。その他、円筒水槽を三軸試験機内に設置するため、各種配管部品や接続部品の見直し、実験手順の変更など試行錯誤の上、実験システムを完成させた。実験装置の整備に時間がかかってしまったため、進捗がやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

三軸試験では、完成した実験システムを用いて、細粒分流出の影響を受けた土の非排水繰返し試験を実施する。また、透水侵食履歴を受けた土の内部状況の変化を凍結・取り出し後の供試体の分析より明らかにしていく。最終的に、侵食による土の状態変化と強度特性の関係を明らかにしていく。
個別要素法解析では、部分的に密度や細粒分含有率が異なる供試体に対する三軸試験を実施し、力学挙動や粒子の動きを詳細に分析し、侵食によって土がどのように変化するのか、強度特性にどのように影響を与えるか、そして、その主要因は何なのかを明らかにする。