2020 Fiscal Year Research-status Report
Enhanced analysis of elastic wave propagation and development of soil health monitoring system
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19K15084
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大坪 正英 東京大学, 生産技術研究所, 助教 (80804103)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 地盤工学 / 波動伝播 / 地盤剛性 / 室内試験 / 個別要素法 / 模型実験 / 地盤陥没 / 内部侵食 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、地盤性能設計の普及に伴い需要が高まる速度検層における弾性波計測結果の新たな活用手法を提案することである。二年目の研究では以下の具体的な課題に対する室内試験および個別要素法(DEM)数値解析を実施した。
①地盤降伏過程の評価：初年度から継続して様々な粒子形状あるいは大きさの異なる砂質土を用いた三軸圧縮試験を実施した。また同様な試験条件におけるDEM解析も行った。せん断を受ける供試体に対する波動伝播特性の変化をモニタリングした結果、材料の降伏過程とせん断波速度には密接な関係がある事が理解され、さらに圧縮波速度との比を測定することで地盤内部の骨格構造の変化を推定し得る可能性を見出した。そのメカニズムを追求するために現実的な地盤材料の粒子形状を再現したDEM解析を実施中である。
②道路陥没危険度評価：初年度に開発した土粒子間の表面張力を考慮したDEM解析手法を用いて、地盤内空洞周辺の波動伝播特性を研究した。鉛直方向・水平方向のPS検層に加え、表面波探査における波動伝播機構の解明に取り組んでおり、今後は弾性波トモグラフィーに基づく陥没危険度評価手法の開発を行う予定である。またスーパーコンピューターを用いた大規模並列解析にも取り組むことで広域地盤に対するDEM解析も実施中である。
③浸透による細粒分流出の検知：初年度に引き続き、細粒分含有率を変化させたギャップグレード材料を用いた基礎的な実験を行った。細粒分含有率が25%～35%の間で弾性波速度および周波数特性が大きく変化し、徐々に細粒分が骨格構造に寄与することを実験および数値解析で明らかにした。また骨材と細粒分の粒径比が増加するほど、より明確な遷移挙動となることが明らかとなった。現在は細粒分流出を受けた供試体に対する弾性波モニタリング試験の準備を進めている。
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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
本研究課題における二年目の進捗状況はおおむね順調であった。COVID-19感染症の感染拡大の影響で実験に多少の遅れが生じたが、数値解析の進捗ならびに論文執筆は予定通り、あるいは当初の予定以上に進んでいると判断される。
①地盤降伏過程の評価：材料の粒子形状と表面粗度の影響を別々に考慮することを目的とし、非球形ガラスビーズを用いた実験、その表面に粗度を持たせたガラスビーズを用いた実験を実施した。初年度の実験結果と統合することで、粒子特性と地盤全体の降伏挙動に密接な関係があることを明らかとなった。個別要素法（DEM）解析においても同様な結果を得ることができた。また、圧縮波速度とせん断波速度の変化の違いに着目することで地盤の降伏過程を評価することができることを示した。
②道路陥没危険度評価：初年度に計測した実験結果の解釈を深化させるために、二年目は主にDEM解析を実施した。初年度に開発した土粒子間の表面張力を考慮したモデルを使用し、地中空洞周りのアーチ効果と地盤のゆるみによる波動伝播への影響を調べた。また、スーパーコンピューターを用いた大規模並列解析にも取り組むことで、現実的なスケールでの解析を実施している。
③浸透による細粒分流出の検知技術の確立：材料の粒度分布ならびに細粒分含有率を変化させた地盤材料に対する弾性波伝播特性について研究を進めた。実験及びDEM解析の結果、細粒分が骨格構造に寄与するか否かによって伝播する周波数帯域に大きな変化が生じることを示した。
初年度ならびに二年目の研究成果に基づき、３編の査読付き国際ジャーナル論文を発表した。一方、COVID-19感染症の感染拡大の影響を受け、国内・国際学会における研究成果の発表は限定的であった。しかしながら上記のように国際学術誌への積極的な投稿を通じて、学研究成果の国際的な波及効果を生み出すという目的も順調に達成し得ると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
二年目の研究は予定通りに進めることができ、その成果として国際学術誌への論文投稿ならびに掲載に至った。最終年度である三年目も引き続き室内実験および個別要素法(DEM)解析を実施し、それらの結果を積極的に発信する予定である。
①地盤降伏過程の評価に関して：予定していた要素試験ケースの大部分が無事に終了しており、粒子形状と表面摩擦の各々の影響に着目したデータ分析を行っている。実際の砂形状を再現したDＥＭ解析も進めており、地盤内部で起こる複雑現象の理解を粒子レベルの挙動を基に深める予定である。
②道路陥没危険度評価に関して：DEM解析を用いて空洞周辺の弾性波伝播特性の研究を進めている。スーパーコンピューターを用いた大規模並列解析を実施することで、広域地盤のモデル化に取り組んでいる。引き続き、弾性波トモグラフィーに基づく陥没危険度評価手法の構築を目指す。
③細粒分流出の検知について：二年目の研究において、浸透の影響を受けた供試体に対する動的計測手法の開発に取り組んだ。最終年度では実際に浸透過程ならびに浸透後の弾性波シグナルの変化を計測し、地盤内部構造の変化について整理する予定である。細粒分流出のプロセスを数値解析で再現することは本研究内では難しいと判断されるが、細粒分流出を模擬した供試体に対するDEM解析は実施する予定である。
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| Causes of Carryover |
COVID-19感染症の感染拡大に伴う国際学会の延期、出張の中止あるいは延期が主な理由である。また実験室へのアクセス制限の影響もあり、予算の一部は次年度での使用を計画している。
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| Remarks |
その他の研究成果発表：
①大坪 正英, デュッタ トロイー タヌ, ガエム アリアン, リ ヤン, 桑野 玲子(2020)ギャップグレード硅砂の動的応答に関する室内要素試験、生産研究 72(6)、401-404
②中田 祐輔, アリ ウマイル, 桑野 玲子, 大坪 正英(2020)地中空洞まわりの応力伝達経路の影響を考慮したDEM弾性波伝播解析,生産研究 72(6)、397-400
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