Collaborative research: Validation of centrifuge and numerical modeling for dynamic behavior of civil infrastructure under earthquakes

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H00846
• Research Institution: Kansai University
• Principal Investigator: 飛田 哲男 関西大学, 環境都市工学部, 准教授 (00346058)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹村 次朗 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 准教授 (40179669) ; 渦岡 良介 京都大学, 防災研究所, 教授 (40333306) ; 岡村 未対 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (50251624) ; 上田 恭平 京都大学, 防災研究所, 助教 (60649490) ; 一井 康二 関西大学, 社会安全学部, 教授 (70371771)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 遠心模型実験 / 一斉試験 / 液状化 / 飽和砂地盤 / 地震 / 模型実験 / 地盤災害

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，遠心実験と数値解析手法について，国内外の複数の研究機関が一斉に実験と解析を行うことで，両手法による災害予測精度を評価し，更なる精度向上を図ることを目的とする．2019年度は，UC Davis, RPI（以上，米国）,Cambridge（英国）, IFSTTAR（フランス）, 浙江大学（中国），KAIST（韓国），国立中央大学（台湾），愛媛大学，京都大学，関西大学，東京工業大学の研究者が参加し，一斉実験・解析を行い，2019年3月に関西大学において開催された国際ワークショップにおいて成果報告を行った．また，特に2019年度は拡張型相似則の検証を行ったため，本研究担当者がリーダーシップを取り，ほぼひと月に一度インターネットを介した国際遠隔会議を行い，進捗状況と注意事項などを確認した．
実験対象としたのは前年度と同様の傾斜角5度の飽和砂地盤である．加振による応答加速度，過剰間隙水圧，地盤変形等について，地盤の相対密度と入力加速度レベルとの相関を調べた．相対密度と入力加速度レベルは，実験機関ごとに指定した値で実験を行ったが，この時与えた相対密度と入力加速度レベルは，前年度の実験では対象としなかった極端に大きな，または小さな値とした．このことにより，前年度の実験結果と合わせ，より広い範囲の相対密度と入力加速度レベルにおいて，各機関の変形量等の実験結果が全体の傾向と調和的であることを確認した．同様の手法により拡張型相似則を検証したところ，相対密度が60%より小さい，または地盤の変形が300mmを超えたあたりに適用限界があることが示唆された．
本年度実施した国際的かつ大規模な一斉模型実験，数値解析については，国際共著の査読論文として取りまとめている．出版されればこの研究分野のマイルストーン的な研究成果となるものと期待される．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究の進捗状況としては，おおむね順調に進行しているものと思われる．以下，本年度に実施した研究について特筆すべき点についてまとめて示す．まず，各機関に対して指定した相対密度と入力加速度レベルは，前年度の実験では対象としなかった極端に大きな，または小さな値とした．このことにより，前年度の実験結果と合わせ，より広い範囲の相対密度と入力加速度レベルにおいて，各機関の変形量等の実験結果が全体の傾向と調和的であることが確認できた．このことは，各機関の実験担当者の実験技術が向上したことも可能性としては大いにあるが，一般的な遠心模型実験の結果の妥当性を示す好例となる．
また，本研究担当者らが提唱する拡張型相似則の妥当性と適用限界が，国際的な実験グループにより検証された．このことは本研究課題の目標でもあり最大の成果であるといえる．
本研究では，複数の国際機関で実験条件をできる限りそろえることが重要であるため，今年度は本研究担当者が国際グループの責任者となり，前年度同様インターネットを利用した遠隔会議を一年間，ほぼひと月に一回の頻度で開催し，実験の進捗や問題点を共有しながら研究計画を遂行することにした．参加機関の研究者の協力により当初の計画が確実に実行され，2019年3月には，関西大学において参加者が一堂に会する3日間のワークショップも開催され，機関ごとの実験結果のばらつきの程度が全体的な傾向と調和的であることが確認された．このことは，模型実験の信頼性の向上につながる大きな成果であるといえる．また，各機関の大学院生の研究成果としても有益な成果が得られたとともに，次代を担う研究者の養成と実験方法の標準化への方向性が得られた．

Strategy for Future Research Activity

2019年度は，これまでと同じ研究機関の国際的な協力により一斉実験，一斉解析を行う．次年度の国際グループのリーダシップは，RPIの研究者である．対象とする地盤模型はこれまでとは異なる2次元の自立式矢板模型である．また，拡張型相似則を適用した実験も行われる予定である．これまでの共同研究により参加研究機関の研究者の間に良好なコミュニティーが形成され，お互いの顔が見える状態になっており，今年度の計画も順調に遂行できるものと思われる．
実験装置の故障など，予期できない事態が生じた場合には，実験結果の報告期限を延長するなどして柔軟に対応したい．2020年3月には，成果報告会を兼ねた国際ワークショップが米国ニューヨーク州で開催予定である．現在それに向けての実験計画，数値解析の準備を進めている段階であり，今夏から秋にかけて実験および解析を実施する予定である．実験については，各機関のボランティアで実施していただくこと，また装置の使用可能期間が機関ごとに異なるため，できるだけ早い段階で実験の実施計画の詳細を提示し，実験を実施することが重要である．また，ひと月に一度程度の頻度で国際遠隔会議を実施し，状況報告と問題点の共有を図るものとする．

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California, Davis/Rensselaer Polytechnic Institute (RPI)(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: University of California, Davis/Rensselaer Polytechnic Institute (RPI)
• [Int'l Joint Research] Cambridge University(英国)
  • Country Name: UNITED KINGDOM
  • Counterpart Institution: Cambridge University
• [Int'l Joint Research] IFSTTAR(フランス)
  • Country Name: FRANCE
  • Counterpart Institution: IFSTTAR
• [Int'l Joint Research] Ziejiang University(中国)
  • Country Name: CHINA
  • Counterpart Institution: Ziejiang University
• [Int'l Joint Research] KAIST(韓国)
  • Country Name: KOREA (REP. OF KOREA)
  • Counterpart Institution: KAIST
• [Int'l Joint Research]
  • # of Other Countries: 1
• [Journal Article] LEAP-GWU-2015 experiment specifications, results, and comparisons (2018)
  • Author(s): Kutter, B. L., Carey, T. J., Hashimoto, T., Zeghal, M., Abdoun, T., Kokkali, P., Madabhushi, G., Haigh, S. K., d'Arezzo, F. B., Madabhushi, S., Hung, W.-Y., Lee, C.J., Cheng, H.-C., Iai, S., Tobita, T., Ashino, T., Ren J., Zhou, Y.G., Chen, Y.-M., Sun, Z.-B., Manzari, M., T.
  • Journal Title: Soil Dynamics and Earthquake Engineering Volume: 113 Pages: 616-628
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2017.05.018.
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Liquefaction experiment and analysis projects (LEAP): Summary of observations from the planning phase (2018)
  • Author(s): Manzari, M.T., Ghoraiby, M. Kutter, B.L., Zeghal, M., Abdoun, T., Arduino, P., Armstrong, R.J., Beaty, M., Carey, T., Chen, Y.M., Ghofrani, A. Gutierrez, D., Goswami, N., Haigh, S. K., Hung, W.-Y., Iai, S., Kokkali, P., Lee, C.-J., Madabhushi, G., Mejia, L., Sharp, M., Tobita, T., Ueda, K., Zhou, Y.-G., Ziotopoulou, K.
  • Journal Title: Soil Dynamics and Earthquake Engineering Volume: 113 Pages: 714-743
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2017.05.015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Stress-strain response of the LEAP-2015 centrifuge tests and numerical predictions (2018)
  • Author(s): Zeghal, M., Goswamia, N., Kutter, B. L., Manzari, M. T., Abdoun, T., Arduino, P., Armstrong, R., Beaty, M., Cheng, Y.-M., Ghofrani, A., Haigh, S. K., Hung, W.-Y., Iai, S., Kokkali, P., Lee, C.-J., Madabhushi, G., Tobita, T., Ueda, K., Zhou, Y.-G., Ziotopoulou, K.
  • Journal Title: Soil Dynamics and Earthquake Engineering Volume: 113 Pages: 804-818
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2017.10.014
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Kyoto University LEAP-GWU-2015 tests and the importance of curving the ground surface in centrifuge modelling (2018)
  • Author(s): Tobita, T., Ashino, T., Ren, J. and Iai, S.
  • Journal Title: Soil Dynamics and Earthquake Engineering Volume: 113 Pages: 650-662
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2017.10.012
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] An Investigation about Seismic Behavior of Piled Raft Foundation for Oil Storage Tanks using Centrifuge Modelling (2018)
  • Author(s): Sahraeian, S. M. S., Takemura, J., Seki, S.
  • Journal Title: Soil Dynamics and Earthquake Engineering Volume: 104 Pages: 210-227
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2017.10.010
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Numerical Predictions for Centrifuge Model Tests of a Liquefiable Sloping Ground Using a Strain Space Multiple Mechanism Model Based on the Finite Strain Theory (2018)
  • Author(s): Ueda K. and Iai S.
  • Journal Title: Soil Dynamics and Earthquake Engineering Volume: 113 Pages: 771-792
  • DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.soildyn.2016.11.015
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pre-shaking effects on volumetric strain and cyclic strength of sand and comparison to unsaturated soils (2018)
  • Author(s): Okamura, M., Nelson, F. and Watanabe, S.
  • Journal Title: Soil Dynamics and Earthquake Engineering Volume: 印刷中 Pages: 印刷中
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2018.04.046
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Cyclic threshold shear strain in pore water pressure generation in clay in situ samples (2018)
  • Author(s): Koji Ichii and Takeko Mikami
  • Journal Title: Soils and Foundations Volume: 58(3) Pages: 756-765
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.sandf.2018.01.005
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 地盤改良によるK値増大を考慮した岸壁構造物の動的遠心模型実験 (2018)
  • Author(s): 森鼻 章治, 高橋 英紀, 森川 嘉之, 高野 大樹, 斎藤 智志, 鈴木 亮彦, 竹内 秀克, 一井 康二
  • Journal Title: 土木学会論文集B3（海洋開発） Volume: 74(2) Pages: I_844-I_849
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Centrifuge Tests at Kyoto University for LEAP Project (2018)
  • Author(s): Vargas, R., Tobita, T., Ueda, K., and Yatsugi, H.
  • Organizer: 第53回地盤工学研究発表会
• [Presentation] Centrifuge Tests at Kyoto University for LEAP Project, and a Probabilistic Approach to the Sensitivity of Lateral Spreading to Dr and PGA (2018)
  • Author(s): Vargas, R., Tobita, T., and Ueda, K.
  • Organizer: 第15回日本地震工学シンポジウム
• [Remarks] LEAP
  • URL: http://wps.itc.kansai-u.ac.jp/tobita/2018/11/27/leap/
• [Funded Workshop] LEAP-ASIA 2019 Workshop (2019)