2020 Fiscal Year Research-status Report
土のミクロスケール多相系組織形態変化のモデル化－地盤変形予測技術の再構築へ
| Project/Area Number |
20K20434
|
|---|
| Allocation Type | Multi-year Fund |
|---|
| Research Institution | Kyoto University |
|---|
Principal Investigator |
肥後 陽介 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10444449)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松島 亘志 筑波大学, システム情報系, 教授 (60251625)
大竹 雄 東北大学, 工学研究科, 准教授 (90598822)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 土の形態変化 / ミクロスケール / 多相系 / マイクロメカニクスベースモデル / データサイエンス |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
不飽和土の力学試験を実施し，X線マイクロCTとその画像解析を用いてミクロスケールでの土粒子，間隙中の水・空気の多相系「組織形態」変化を解明する．前年度に取得したCT画像に対する以下の画像解析を実施し，組織形態をミクロスケールで定量評価する：(a) 土，水，空気三相の分離，(b) 土粒子接触点の取得，(c) 個々の間隙の分割，(d) 間隙水・間隙空気の形状変化の抽出，(e) 液架橋構造の曲率の算出とサクションの推定．浸透・変形過程の結果から，多相系組織形態の変化を解明した．
ミクロスケールの多相系組織形態変化に基づき，メソ～マクロの土の挙動を基本的な土質力学の物理量を用いて記述するマイクロメカニクスベースモデル（以下，MMモデル）を構築し，これを実装した地盤の変形解析法を確立する．前年度に引き続き，土相のみの粒状体MMモデルを定式化した．特に，飽和度の高い領域についての定式化を行う．入力パラメータは，マクロな間隙比，ミクロな土粒子間のすべり剛性と摩擦角，粒度のみである．これに，実験で明らかにした間隙流体の存在形態，液架橋構造のサクションから，有効応力と土粒子間接触力への寄与を考慮した不飽和土のモデルへ拡張した．
X線マイクロCT画像にデータサイエンスを適用し，土が粒状体として潜在的に有するミクロな不均質性とメソ・マクロの物性値の空間変動の関係をモデル化し，不均質性のミクロ～メソ～マクロへのスケールアップを実現する．前年度に引き続き，データサイエンスの超解像技術を応用し，ミクロスケール(土粒子・間隙)の高解像度CT画像とメソスケール(供試体)の中解像度CT画像の関係を「学習」させることにより，ミクロスケールの高解像度を維持した状態でメソスケールの空間規模の画像を取得する．これにより，数cmスケールの供試体全体にミクロスケールの不均質性をアップスケーリングを試みた．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
不飽和土のミクロスケール形態変化をX線マイクロCTによって明らかにし，これに基づきMMモデルを不飽和土のモデルに拡張することに成功した．幅広い飽和度領域に対する適用性の検証と水分特性曲線のモデル化には課題を残した．ミクロからメソへのアップスケーリングについては，理論構築を実施した．上記のMMモデルの定式化に重点を置いたため，DEMによる検証が未実施である．上記の通り，いくつかの課題を残しているものの，根幹となるMMモデルの構築を達成しており，研究はおおむね順調に進展している．
|
| Strategy for Future Research Activity |
■粒状体マイクロメカニクスベースモデルの不飽和土への拡張：ミクロスケールの多相系組織形態変化に基づき，メソ～マクロの土の挙動を基本的な土質力学の物理量を用いて記述するマイクロメカニクスベースモデルを構築し，これを実装した地盤の変形解析法を確立する．前年度に引き続き，土相のみの粒状体マイクロメカニクスベース構成式を定式化する．特に，飽和度の高い領域についての定式化を行う．入力パラメータは，マクロな間隙比，ミクロな土粒子間のすべり剛性と摩擦角，粒度のみである．これに，実験で明らかにした間隙流体の存在形態，液架橋構造のサクションから，水分保持特性曲線を記述するとともに，有効応力と土粒子間接触力への寄与を考慮した不飽和土のモデルへ拡張する．
この時，入力パラメータはマクロな飽和度のみであり，水分の分布は土粒子接触点，個々の間隙体積の分布からモデル化する．
■DEMによる実験結果の解釈とモデル検証：DEMシミュレーションを実施し，解析的に多相系組織形態変化を解釈する．また，DEM解析の結果の比較からマイクロメカニクスベースモデルの検証を行う．
■超解像技術によるミクロ～メソへのアップスケーリング：X線マイクロCT画像にデータサイエンスを適用し，土が粒状体として潜在的に有するミクロな不均質性とメソ・マクロの物性値の空間変動の関係をモデル化し，不均質性のミクロ～メソ～マクロへのスケールアップを実現する．前年度に引き続き，データサイエンスの超解像技術を応用し，ミクロスケール(土粒子・間隙)の高解像度CT画像とメソスケール(供試体)の中解像度CT画像の関係を「学習」させることにより，ミクロスケールの高解像度を維持した状態でメソスケールの空間規模の画像を取得する．これにより，数cmスケールの供試体全体にミクロスケールの不均質性をアップスケーリングする．
|
| Causes of Carryover |
X線マイクロCTを用いた砂の保水性試験を計画していたが，新型コロナウィルス感染防止の観点から先送りにした．また，DEMによる砂の三軸圧縮試験のシミュレーションを計画していたが研究計画に遅れが出た．これらの理由により，次年度使用額が生じた．翌年度，これらの先送りした研究を実施するとともに，当初予定の翌年度研究計画も実施する．これらの研究に，次年度使用額と翌年度分として請求した助成金額を合わせた金額を使用する計画である．
|
