2019 Fiscal Year Research-status Report
道路除雪作業で形成される雪堤の崩れ現象に関係する力学的特性の評価
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19K04973
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| Research Institution | Nagaoka National College of Technology |
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Principal Investigator |
河田 剛毅 長岡工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (50177705)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上村 靖司 長岡技術科学大学, 工学研究科, 教授 (70224673)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 雪堤の力学的強度評価 / 雪層境界面の識別手法 / 雪の結合度合いの定量評価 / 雪の薄片作成装置 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
降雪地域では自然積雪に加え道路除雪により路肩に雪が積み上げられ、雪堤と呼ばれる高い雪の壁が形成される。これが崩れると歩行者や車両に危害が及ぶ場合があるが、崩れの発生メカニズム自体が未解明なため、雪堤崩れを防止する効果的な対策はなされていない。雪堤はその形成過程および気象変化により各種特性・性質が日々刻々と変化する複雑な構造体であるため、その崩れ防止対策を考えるためには、まず雪堤の力学的特性を把握する必要がある。そこで本研究は、雪堤崩れに関わる力学的特性量と各種影響因子の関係を詳しく調べ、崩れに大きく影響する主要因子を明らかにする。
実際の雪堤を使って実験を行うことは現実的に不可能である。一般に雪堤は複数回の雪の積み上げによる多層構造になっており、「雪層内部」と「2つの層の境界」では、雪の結合状態が異なり、力学的特性の振る舞いも異なると考えられる。したがって調査対象部位として、「雪層内部」と「2つの層の境界」の２か所に着目し、それぞれの部位を単純化して模した実験室規模の雪層モデルを使って力学的特性量と影響因子の関係を調べた。
評価する力学的特性量は主として力学的強度と密度である。力学的強度は荷重と変位を同時に測定できる強度試験装置で測定した。
影響因子については、一般に雪の力学的特性量は雪質、時間経過、加圧力、含水率に依存することが知られていることから、まず第1段階として、①初期の雪質・雪性状、②雪堤に積み上げられてからの経過時間、③加圧力（積み上げ高さ分の自重に相当）、④含水状況、の4つを取り上げて調べることにした。
また、雪の力学的特性量の変化を粒子構造変化の観点から検討するため、調査対象の試料から薄片試料を作成し、マイクロスコープによる観察画像を粒子解析して、粒径や粒子の結合度合いを定量化することも試みた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初期の雪質条件：2019年度は記録的少雪で実験用の天然雪を採取することが困難であった。そのため準備できたのは氷を削って作成したざらめ雪に近い性状の人工雪のみであった。
調べた力学的強度：準備できる試料が限られたこともあり、せん断強度を主とした。
「雪層内部」の調査：雪試料は内径270mm, 高さ1mの発泡パイプの中に充填し、そこから60mm×100mm×長さ200mmの直方体の試験片を切り出した。せん断強度は日数経過とともに増加し、充填直後と比べて30日後には40～50%程度上昇することが分かった。含水状況の影響は水に浸した状態で保管した雪試料を用意して調べた。これまでのところ、含水状況による強度の違いは明確でないが、保管方法に改善の余地があるとみられる。
「2つの層の境界」の調査：内側断面寸法400mm×300mmとなるように囲った発泡板の中に高さ300mmの雪を積み、1週間後、その上に高さ300mmの雪を積み上げた雪層モデルから、2つの層の境界を含む直方体形状の試験片を切り出した。層の境界のせん断強度を測定するためには、層の境界を明確に識別できるようにする必要がある。そこで、まずはその手法を検討し「2層目を積み上げる前に、試験片として切り出す輪郭の四隅に細かいアルミ砥粒を薄く撒く」方法が適用できることが分かった。強度についてはこれまでのところは2層目積み上げ後15日までのデータを得ており、日数経過とともに強度が増加する明確な傾向が得られている。
粒子解析：調査対象の試料から薄片試料を作成し、その観察画像から粒径や粒子の結合度合いを定量化する手法・手順はある程度確立した。薄片試料を効率よく得るための薄片作成装置を自作し、うまく働くことを確かめた。まだデータ数が少なくばらつきが大きいが、粒子の結合度合いは日数経過とともに増大するらしき傾向は得られた。
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| Strategy for Future Research Activity |
天然雪については今後も実験に必要な量の確保は不透明であるため、初期の雪質については人工雪で作成できるざらめ雪を中心として行うことにする。
したがって、粒子解析用のソフトも新雪やしまり雪のような天然雪にも対応できる（こちらが必要としている解析ができる）ものを候補としていたため、その動作検証ができるまで購入を控えていたが、ざらめ雪で解析動作が検証できたものを購入することとする。これに付随して、強度試験についてはデータの信頼性を上げるため、試験映像（動画）と計測信号の同期計測可能な装置の導入を計画しているが、仕様により金額が数十万異なるため、粒子解析用ソフトの金額が決まらないと購入できない状態であった。粒子解析用ソフト、試験映像と計測信号の同期計測可能な装置ともに、ほぼ選定は済んでおり見積り金額の調整中である。これらソフトと装置の導入で今後の研究の進捗状況が改善されることが期待される。
さらに2019年度の進捗状況が悪かったのは次のような悪い事項が重なったことにもよる。
①「記録的少雪のため測定試料が十分確保できなかった」、②「新型コロナウィルス感染防止のため、3月以降、学生が登校禁止になり研究活動が滞った」、③「在宅勤務が増えたため業者との連絡が思うように取れなくなり物品の選定・購入に関わる活動（仕様の調査・相談、不明点の問い合わせ、見積もりなど）も滞った」、④「私の健康トラブル（2019年12月頃に両眼の白内障、および左目の網膜異常が判明し、手術を実施したため、一時期仕事が困難であった）」
④は解決済みであり、①については試料は人工雪をメインとし、そのため人工雪の作成能力を上げる（削氷機の追加など）などして対処する。コロナウィルスによる②と③は今後の状況次第だが、初期の雪の条件をざらめ雪に絞ることと合わせて研究の効率化を図っていく。
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| Causes of Carryover |
粒子解析の効率をあげるため、新雪やしまり雪のような天然雪にも対応できる（こちらが必要としている解析ができる）粒子解析用ソフトの導入を予定していたため、その動作検証ができるまで購入を控えていたが、2019年度が記録的少雪であったため、天然雪での動作検証ができず、これまで購入が持ち越しとなっていた。付随して、強度試験におけるデータの信頼性を上げるため、試験映像（動画）と計測信号の同期計測可能な装置の導入も予定しているが、装置の仕様により金額が数十万ほど異なるため、粒子解析用ソフトの金額が決まらないと購入できない状態であった。
これらに関しては研究実施状況報告書にも記載したとおり、試料として用いる初期の雪質としては、ざらめ雪に絞ることとして、ざらめ雪で解析動作が検証できた粒子解析用ソフトを購入予定である。現在、試験映像と計測信号の同期計測可能な装置ともに、ほぼ選定は済んでおり、見積り金額の調整中である。
もう一つ、冬場の降雪を実験試料として保管するため、野外に設置された20フィートコンテナへの雪入れ作業を業者から行ってもらうための費用を計上していたが、これも少雪のため実施できなかった。今年度の降雪状況も未知数なので、とりあえず人工雪の作成能力を上げるための対策費用（削氷機を購入するなど）に回すつもりである。
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Research Products
(1 results)
