2023 Fiscal Year Research-status Report
耐越水堤防の総合的な性能評価を実現する地盤－構造－流体連成解析技術の開発
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21KK0254
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
橋本 涼太 京都大学, 工学研究科, 准教授 (60805349)
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| Project Period (FY) |
2022 – 2024
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| Keywords | 河川堤防 / 耐越水構造 / MPM-DDA / 地盤－構造－流体連成解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，越水に河川堤防の決壊への対策工として近年導入が進められているコンクリートブロック等の被覆による耐越水堤防の地震・越水の複合外力下での安定性評価のための数値解析技術を確立することを目的としている．
2023年度は，被覆型の耐越水堤防の安定性評価のための要素技術として，非圧縮粘性流体の自由表面流れ解析のための安定化MPMの性能評価を昨年度につづき行った．昨年度時点では運動量保存則と連続式を連成する変位－圧力一体型定式化時に発生する圧力振動への対策として，Prssure Stabilizing Petrov-Galerkin（PSPG）法を採用していたが，運動量保存則へも安定化項を付加する変分マルチスケール（Variational Multiscale: VMS）法を新たに導入することで，さらなる安定化が図れることが明らかとなった．また，MPMにおける粒子の空間分布の偏りを抑制するため，粒子シフティング手法の一つであるδ-correctionを導入することで，見かけの体積の保存性が改善されることが示された．本成果は，共同研究先である海外研究者との国際共著論文を発表した．また，VMS法とδ-correctionを導入した安定化MPMを，自由表面流れと多孔質体内部の流れの同時解析へと拡張し，三次元解析も可能にした．その他，河川堤防の越流侵食解析に必要となる，境界からの粒子の流入・流出条件についても定式化および実装した．
2024年度には，これまでに開発している地盤と被覆構造体間の相互作用解析が可能なMPM-DDA連成解析と，非圧縮性流体のための安定化MPMを連成することで，地盤－構造－流体連成解析を実現し，模型実験の再現解析等を通じた妥当性検証を行う．
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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
堤防の越流侵食解析を行う上では，堤体内と堤体表面を流れる水の圧力および流速分布を精度よく，かつ安定して得られることが必須である．本研究課題では現在までに，非圧縮性流体の自由表面流れと浸透流を同時かつ安定的に解析する技術が確立された．今後残された課題は，この流体用の安定化MPMを，地盤および構造物との相互作用を考慮できるよう拡張することであるが，構造物をモデル化するDDAとの相互作用を考慮するための接触処理は，期開発の固体MPMとDDAの連成解析と同様の計算アルゴリズムを使用することができ，実質的には固体（地盤）MPMと流体MPMの連成技術のみである．こちらも定式化は完了しており，プログラム実装を進めている段階であることから，概ね順調に進捗している．
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| Strategy for Future Research Activity |
上でも述べたように，今後残された課題は，この流体用の安定化MPMを，地盤および構造物との相互作用を考慮できるよう拡張することである．構造物をモデル化するDDAとの相互作用を考慮するための接触処理は，期開発の固体MPMとDDAの連成解析と同様の計算アルゴリズムを使用することができ，実質的には固体（地盤）MPMと流体MPMの連成技術のみである．こちらも定式化は完了しており，プログラム実装を進めている段階であることから，着実に進めていく．なお，解析プログラムの各段階で妥当性検証と数値解析手法としての収束特性の検証を行っているが，最終的には堤体模型の越流実験の再現解析が必要であると考えている．研究計画当初は堤体模型に地震と越流を一連の流れで与える実験を予定していたが，必要とする仕様を満たす装置が本研究課題の予算を超過することが判明したため，外部の研究機関の実験装置を借用する，あるいは海岸堤防を対象とした同様の実験を参照することで対応する可能性がある．
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