2016 Fiscal Year Research-status Report
高精度三次元CFD-DEMによるグラウト粒子-流体連成挙動の解明
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15K18299
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
清水 浩之 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (60610178)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 三次元CFD-DEM / グラウト浸透 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
わが国のように岩盤の割れ目や地下水が多い地質環境を考慮すると、地下空間を利用する際には土質地盤や岩盤の流体浸透挙動を制御するグラウト技術は必要不可欠である。しかし、グラウト浸透メカニズムについては論理的な裏付けがなく、実際の設計、施工に際しては現場技術者の経験に基づき決定されているのが現状である。また、従来の二次元解析では奥行き方向への粒子や流体の流動が表現できないため、き裂入り口付近で粒子がアーチ構造を形成すると、瞬時に流動が停止するという問題点が明らかになっている。
そこで、本研究計画では、グラウト粒子-流体間相互作用を厳密に考慮し、粒子の三次元的な流動挙動をも再現可能な三次元CFD-DEMコードの開発を行い、岩盤中のグラウト流動挙動の解析を行う。これにより、不明瞭であったグラウト流動挙動を詳細に把握、制御することが可能となり、合理的な設計・評価に資することができる。
平成28年度の研究においては、昨年度までに開発を行った三次元CFD-DEMコードを用いて単純な条件のもとでシミュレーションを行い、実験データや理論解と比較することでCFD-DEMコードの妥当性および適用性を検討するとともに、最適な境界条件を決定するために必要な基礎的な解析データの蓄積を行った。特に、グラウト浸透挙動に影響を与える要因の一つとして，セメント粒子の粒度分布の影響を検討した。解析の結果，グラウト注入試験で観察されたように，出口より流出するグラウトの濃度が徐々に薄くなり最後に目詰まりを起こす現象を再現することができた。また，流出側のグラウトの濃度の変化を比較したところ，モデル内セメント粒子濃度の増加による流出グラウト濃度の増加と，大粒子が密集することによる流動阻害が流出するグラウト濃度に大きく影響していることがわかった。
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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
当初の計画では、平成28年度は研究協力者であるDraganivic 、 Stille (Royal Institute of Technology (KTH)、 Sweden)が行った岩盤き裂を模擬した平行平板定圧注入試験装置“short slot”を用いた室内試験を対象としたシミュレーションを実施する。き裂表面への吸脱着、セメント粒子同士の電気的反発、凝集・結合や、加圧脱水、き裂表面のラフネスなど種々の物理・化学的現象についてパラメータスタディを行うことで、グラウト流動挙動に影響を及ぼす要因の抽出およびそのメカニズムについて詳細な検討を行うことを目標としていた。上述したように、予定通りにグラウト流動挙動に影響を及ぼす要因の抽出およびそのメカニズムについての検討を行いその報告に至っている。そのため，研究目標は順調に達成されていると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成29年度は、ここまでの成果を発展させ、現場でのグラウト適用を考慮した解析を行う。しかし、三次元計算は膨大な数のセメント粒子と流体計算における計算格子を取り扱う必要があるため、解析コードの高速化は必須である。本研究では、近年注目を集めているGPGPU (General-purpose computing on graphics processing units）のような最新の高速並列計算技術を積極的に取り入れることで、高速かつ安定した計算を行うことができるように解析コードの高度化を行う。最後に、本研究全体を通して得られた結果を総括し、目詰まり発生メカニズムについての合理的な解釈を行うとともに、効率的なグラウトの注入条件（短時間にいかに多くのセメントを注入できるか）についての評価に資する詳細な知見を得ることを目指す。
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Research Products
(1 results)
