2019 Fiscal Year Annual Research Report
Simulation of the life of embankments from the construction process through the long-term in-service period to deformation and failure
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19H00780
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
菊本 統 横浜国立大学, 大学院都市イノベーション研究院, 准教授 (90508342)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
海野 寿康 宇都宮大学, 地域デザイン科学部, 准教授 (50570412)
京川 裕之 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (60799865)
松村 聡 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 港湾空港技術研究所, 研究官 (20748305)
橋本 涼太 広島大学, 工学研究科, 助教 (60805349)
肥後 陽介 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10444449)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 不飽和土 / 締固め / 不均質性 / 脆弱岩 / 風化 / X線CT / 引張破壊 / 膨潤 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で開発を目指す土構造物の統合的な安定性評価技術は、土構造物（盛土や河川堤防、アースフィルダム）の築造過程から長期供用による風化・劣化過程を考慮するとともに、降雨や地震による変形・破壊挙動まで一貫して再現することを目的としている。初年度は、（１）盛土の築造過程を考慮した統合的な解析技術の開発と、（２）供用後の地盤材料の長期的な風化現象のメカニズムの解明を目的として研究を進めた。
（１）については、不飽和土のモデルに基づいて地盤材料の締固め現象のシミュレーションを試みた。このモデルは不飽和土の力学特性と水理学特性を連成したもので、Schreflerの有効応力テンソルと不飽和土の状態境界面に基づく不飽和土の弾塑性モデルと、ヒステリシス現象と密度変化の影響を考慮した水分特性曲線からなる。提案モデルを用いた静的締固めのシミュレーションでは、最適含水比と最大乾燥密度を持つ締固め曲線を再現することに成功した。また、土水空気連成解析コードを開発し、盛土材料の不均質性に着目した数値シミュレーションを実施し、地盤材料の初期の不均質性は締固めエネルギーの増加にともなって徐々に均質化していくことを明らかにした。また、締固め土の透水係数や強度の違いについて、解析的に説明を行うことができた。
（２）については、脆弱岩由来の材料を用いて築造された土構造物でスレーキング現象（乾湿繰返しに伴う風化現象）により細粒化が進行し、圧縮沈下や強度低下を生じた事例が幾つか報告されていることに鑑み、脆弱岩破砕土の乾湿繰返しによる破砕・崩壊機構の検討を行なった。具体的には、泥岩破砕土の一つの粒子に対して一軸載荷条件下で吸水試験を行い，吸水・変形・崩壊挙動を観察した。試験中は岩石試料のX線画像撮影を行い、吸水・膨潤挙動を観察するとともに，崩壊時の破壊モードを特定した。
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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
本研究で開発を目指す土構造物の統合的な安定性評価技術のうち、土構造物の築造過程のシミュレーション技術については概ね確立した。特に、代表者が開発した不飽和土のモデルを用いた静的締固めのシミュレーションでは、最適含水比と最大乾燥密度を持つ締固め曲線を再現することに成功し、締固めに及ぼす不均質性の影響についても検討を進めることができた。これにより今後、提案モデルを用いた数値シミュレーションにより築造過程から変形・破壊まで一貫してシミュレートする技術の開発が進んだ。ただし、今年度に開発した解析コードは締固めを想定して排気条件を仮定しているため、次年度は築造後の地震時応答のシミュレーションも想定して、間隙空気圧変化を考慮した解析コードに拡張する必要がある。
また、地盤材料の長期的な風化・劣化現象については、これまでマクロな応力ひずみ特性の観察しか行われてこなかったのに対して、粒子内部の乾湿風化メカニズムに関するミクロな検討を実施し、スレーキング現象を考慮した構成則の開発のベースとなる有意義で新規性の高い知見を得ることができた。ただし、風化現象の影響を考慮した土構造物の応答評価を行うためには、初年度に調査した風化メカニズムを適切に考慮したメゾスケールの構成則の開発を進める必要がある。
以上のように、初年度の検討は順調に進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
不飽和土の構成則を搭載した連成解析コードにより締固め現象の再現に成功したが、開発したコードは排気（空気圧一定）条件を仮定してコーディングを行なった。今後は締固めた土の変形・破壊挙動に関する解析的検討が必要になるため、非排気条件や間隙空気圧の変化を考慮できるように解析コードの水土空気三相の完全連成解析への拡張を進めるとともに、静的問題だけでなく動的解析にも対応できるように解析コードを拡張・改良する。開発の各段階では、解析コードの妥当性を適宜、確認するとともに、パラメトリックスタディを行なって、各種条件下での土構造物の応答について考察を行なっていく予定である。また、大規模な数値計算への展開も想定しながら、プリポスト処理コードの充実化や計算の大容量化、高速化を進める予定である。
泥岩をはじめとする脆弱岩に由来する地盤材料の風化については、今後も引き続き微視的な風化メカニズムの観察を行い、メカニズムや種々の要因の影響程度を把握する。2年目の検討では、より多くの脆弱岩試料について試験を実施するとともに、載荷条件を変えた試験や岩石内部にフォーカスした湿潤・膨潤・スレーキングの連成解析を実施し、スレーキング機構を明らかにする予定である。さらに一連の検討を踏まえて、メゾスケールの構成則の枠組みの中で風化現象を記述する方法を探索する。
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[Journal Article] Morphological transitions for pare water and pore air during drying and wetting processes in partially saturated sand2020
Author(s)
Kido, R., Higo, Y., Takamura, F., Morishita, R., Khaddour, G. and Salager, S.
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Journal Title
Acta Geotechnica
Volume: －
Pages: －
DOI
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