宇宙線ミュー粒子を用いた農業用水路トンネルの補強の評価手法の確立

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K06297
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 柴田 俊文 岡山大学, 環境生命科学研究科, 准教授 (30342546)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西村 伸一 岡山大学, 環境生命科学研究科, 教授 (30198501)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 農業用水路トンネル / 宇宙線ミュー粒子 / 多方向載荷試験

Outline of Annual Research Achievements

本申請課題では，宇宙線ミュー粒子を測定し，このデータを用いて地質不良区間の密度情報を得る．そして，数値解析と模型実験を併用して農業用水路トンネルと地山の相互挙動を明らかにし，耐震補強工法を再現することで，その効果を評価することを目的としている．
最初に，宇宙線ミュー粒子の測定手法とその精度を確認するため，大型の土槽を準備し，シンチレータと光電子増倍管で構成された検出装置とサーベイメータを用いた基礎実験を実施した．検出装置は2部用意し，土槽は高さ1.8m，面積0.495m2とし，天頂角と二つの検出器のシンチレータ間の距離を変化させ，ミュー粒子の検出数，土槽内の土の密度との関係や感度を確認した．特に，距離に対する感度が高く，正確な測量が必要であることが明らかとなった．
並行して，多方向載荷試験を実施するため，鉛直方向と水平方向の荷重を作用させる実験装置の改良と，実験に用いるトンネル覆工の作製と型枠の改良を行った．覆工にはモルタル，地山にはベントナイトを混入したモルタルを用いることとし，一軸圧縮試験と割裂引張試験を実施して，モルタルの強度と配合の関係を確認した．数値解析では，有限要素法を用いてモデルを作成した，解析モデルは地山とトンネル覆工を再現し，鉛直方向と水平方向から荷重を作用させている．また，構成式は線形弾性とし，二次元のモデルを数値解析の結果，載荷荷重と地山と覆工の応力，内空変位（トンネル覆工の内側の変位）などの関係を明らかにした．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

宇宙線ミュー粒子の測定実験では，土槽と供試体の作製，測定装置の作製を行った．また，研究実績の概要に記しているように，測定手法とその精度，天頂角と二つの検出器のシンチレータ間の距離，ミュー粒子の検出数，土槽内の土の密度との関係や感度を確認した．その際，高精度なデータを得るための実験時の問題点や注意点を明確にし，改善を重ねた．さらに，次年度以降の実験に備え，土槽の寸法や供試体の密度の変化に対応できるよう，実験機器の準備を行った．加えて，モルタル（コンクリート）に対するミュー粒子の関係を明らかにするため，同材料の実験装置の作製（（門型クレーンの設置や供試体作製のための型枠の準備，固定機器の作製など）を行った．
模型実験では，多方向載荷試験のための装置の改良と，実験に用いるトンネル覆工の作製と型枠の改良を行った．具体的には，内空変位測定装置の改良と荷重載荷部の改良を実施した．数値解析では，有限要素法（FEM）を用い，模型実験を模擬した解析モデルを作成した．その際，以前に実施した個別要素法（DEM）の解析結果と比較し，農業用水路トンネルにFEM・DEMを適用する際の問題点や特徴などを整理した．ここでFEMの解析は線形のモデルを用いているため，弾塑性挙動や破壊を再現することが困難であることから，弾塑性の構成式の導入を試みた．また，破壊現象を精度よく再現するため，RBSM（Rigid Bodies-Spring Model，剛体ばねモデル）の導入を検討した．具体的には，プログラムの実行と解析結果の検討を行った．

Strategy for Future Research Activity

宇宙線ミュー粒子の測定の基礎実験では，供試体の材料にモルタル（コンクリート）を用いて，天頂角とシンチレータの距離，ミュー粒子の測定数との関係を明らかにする．その際，配合（細骨材の種類）を変化させることで供試体の密度を変化させ，実地盤の状態を再現する．また供試体内に空隙（あるいは空隙を模擬したEPS材）を設けて，計測したミュー粒子との関係を明らかにする．これにより，実地盤内の空隙（背面空洞）の検出能力の検討を行う．
模型実験では，前年度に準備した試験装置を用い，多方向載荷試験を行う．鉛直方向の荷重と水平方向の荷重を変化させ，内空変位の変化やトンネル覆工・地山に生じたひび割れの状況との関係を明白にする．その際，背面空洞のあるトンネル覆工や，巻厚不足のトンネル覆工を作製し，その影響について検討を行う．これら背面空洞や巻厚は，位置や大きさを変化させて，変形や破壊形状を把握する．数値解析では主にRBSMを用い，実験結果と比較することで，農業用水路トンネルへの同解析手法の適用性を検討する．その際，内空変位や覆工のひずみを測定することで，地山とトンネルの覆工の相互作用を明確にする．
次に，模型実験と数値解析の結果を用い，トンネル覆工に作用する荷重の逆解析の適用を試みる．逆解析の手法には，逐次観測値を取り入れ情報を更新するベイズ推定に基づいた方法を用いる予定である．その際，地圧や覆工応力といった複数の情報を導入し，逆解析の精度を向上させることを検討する．

Causes of Carryover

新型コロナウィルスの影響で，宇宙線ミュー粒子の測定実験および農業用水路トンネルの大型模型実験の進捗に遅延が生じることとなり，測定機器の作製と改良が次年度に持ち越しになった．また，出張の大幅な減少に伴い旅費等が未使用になり，計画よりも使用額が大幅に少なくなることとなった．