2015 Fiscal Year Annual Research Report
地盤物性の統一的解釈基準の策定に向けた土ゲノム概念の創出とその工学的有用性
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15H04041
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| Research Institution | Port and Airport Research Institute |
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Principal Investigator |
田中 政典 国立研究開発法人港湾空港技術研究所, その他部局等, その他 (20371768)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡部 要一 国立研究開発法人港湾空港技術研究所, その他部局等, その他 (00371758)
川口 貴之 北見工業大学, 工学部, 准教授 (20310964)
亀井 健史 宮崎大学, 工学部, 教授 (30177597)
大河原 正文 岩手大学, 工学部, 准教授 (80223741)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 土ゲノム / 堆積環境 / 土の物理的特性 / 凍結融解 / 分子動力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
地盤は，堆積時の環境や堆積後の物理的あるいは化学的な作用を受け，様々な工学的特性を持つので，それらの特性を統一的に評価する試験方法が必要となる．本研究では世界的によく実施されているベーンせん断試験についてX線CT装置を用いてその発現機構について検討を行った．その結果，ベーンせん断強さは，現行基準によるベーブレード周面積に対するせん断力ではなく，ベーブレード回転方向前面に発生する支持力であることを指摘した．
土の液性限界と塑性限界との関係において，土が非塑性になるパターンは4種類あり，このパターンは土の保水能力によって支配されていることを示した．一方，土の物理的な性質は一般に不変である，とされているが，凍結融解によって液性限界が下がることが示された．また，一部の試料では凍結によって比表面積が減少することを示した．
X線小角散乱法による実験結果から，固体から塑性限界に至る過程では，単位粘土層の層間距離は水分子1層～3層であり，塑性限界付近では不連続な遷移領域が存在することを示した，また，塑性限界から液性限界までは連続的に層間距離が増加していくことがわかった．
原子間力顕微鏡(AFM)を用いて粘土粒子の摩擦力と粘性を測定し，ミクロ領域における粘性粒子表面の摩擦特性および表面物性を定量的に検討した．粘土単位層の摩擦力(ミクロ強度)は大変位せん断から求まるせん断力(マクロ強度)より大きいことを示した．また，ミクロ強度は速度依存性を示すことが明らかとなった．
火山灰が陸域から河川によって運搬され沿岸域に堆積し，粘土化する過程を再現する実験では，使用材料に粘土鉱物のないことを透過型電子顕微鏡で確認した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究分担と研究計画について，分担研究者および連携研究者にそれぞれ確認した．分担研究者および連携研究者から異論はなかったので，研究を計画通り進めることとした．
1)土生来の工学的特性の把握については，地盤物性の統一基準を作るための試験方法について，ベーンせん断試験に着目して実験を行った．北見工大のX線CT装置を用いて，ベーンせん断試験中の土の挙動について映像を解析し，ベーンせん断強さは支持力から求められることを指摘した．また，一軸圧縮試験，一面せん断試験および室内ベーン試験を行って，それぞれのせん断強さの比較を行った．
液性限界と塑性限界を支配する要因について，アロフェン，珪藻土，有機質土および豊浦砂を用いて検討を行った．それらを用いた実験から，液性限界や塑性限界の挙動は混合する物質によって大きく異なることがわかった．また，凍結融解によるコンシステンシー限界について，凍結融解によって液性限界が低下することを示した．
2)海成粘性土の生成に関する検討については，鹿沼土を用いて透過型電子顕微鏡による観察を行い，鹿沼土には粘土鉱物が含まれていないことを確認した．この試料を用いて，海水中で養生を行っており，半年後と一年後に粘土鉱物が生成されているのか同様の方法で観察を行う．
3)粘土への分子軌道法および分子動力学法の導入に関する検討については，SPring-8のX線小角散乱測定装置を用いて，単位粘土層の層間距離について測定および解析を行った．このデータを基に分子動力学法による層間陽イオンの挙動解析を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究分担と研究計画について再確認し，分担研究者および連携研究者との情報交換を緊密に行う．
1)土生来の工学的特性の把握：X線CTの映像解析から，ベーンせん断強さは支持力から発揮されていることを指摘したが，数値解析によっても事実確認が必要なため，強制的にひび割れの発生を許すモデルで解析を計算行う．また，ベーンせん断強さが支持力から発揮されているものとし，現在使われている各種支持力係数との比較を行う．
凍結融解によって液性限界が低下することについて，比表面積試験を行ったところ，一部の試料で5m2/g以上の低下が見られ何らかの堆積構造の変化があったものと推察される．また，含水比が低下する原因については吸着水と自由水の変化が考えられるため，土壌環境の概念を取り入れ，水分特性試験や間隙水のイオン濃度の変化等についても検討していく．
2)海成粘性土の生成に関する検討：透過型電子顕微鏡を用いて，シリカ物質の溶解と再結晶作用を検証していく．試料は現在海水中にて養生中であり，6ヶ月後および1年後のX線回折試験と透過型電子顕微鏡により粘土構造の生成を観察する．
3)粘土への分子軌道法および分子動力学法の導入に関する検討：X線小角散乱法によるNa型スメクタイトの層間距離を基に分子動力学を用いて層間陽イオンの解析を行っているが，固体から塑性体に移行する仮定で不連続な遷移領域があり，水分子が3層から12層へと増加している．層間陽イオンの位置に関係するものと考えられるがさらなる考察が必要である．
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| Remarks |
ベーンせん断強さの発現機構に関する研究およびコンシステンシー特性に関する研究
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Research Products
(8 results)
