2014 Fiscal Year Annual Research Report
二重性とマルチスケール相互作用に着目した粒状体の流れのメカニズム解明
Project/Area Number |
25630201
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Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
Principal Investigator |
前田 健一 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50271648)
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Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2015-03-31
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Keywords | 地盤防災 / 土砂災害 / 粒状体 / 応力鎖 / 個別要素法 / 土石流 / 応力波 / 安息角 |
Outline of Annual Research Achievements |
大きな運動エネルギーを持つ石礫型土石流(粒状体が主体の流れ)の挙動把握は,減災の観点だけでなく,環境・生態系保全の観点からも重要な研究課題である.本研究では,粒子間の滑り・回転といったミクロな現象と流れ速度,応力,間隙比といったマクロ挙動とのマルチスケールの相互作用を明らかにするために,複数の粒子が鎖状に連なり力を伝える応力鎖に着目した.流れの内部を可視化するために,数値解析手法や高密度高周波数音響トモグラフィを用いた模型実験手法を開発する.また,応力鎖の発生・消滅といった粒子群のダイナミクスと流れの中に発生する波動との二重性を考慮して粒状体流れのメカニズムの解明にチャレンジした.さらに,未解明とされる,流れ中の大きな粒子の浮き上がり現象に新たな統一的説明の成功に挑戦した. 流れ断面は深さ方向に,S層(速くて緩く,衝突が卓越する表層),M層(比較的密で他の層よりも安定した構造を持つ中間層),B層(流れは遅いものの大きなせん断ひずみが発生し構造は不安定な底面層)の三層に分けられ,層境界は限界状態に達している遷移領域があることを発見した.粒子流れでは深さ方向に統一した構成モデルを考えるというよりも,粒状体のせん断挙動と粒子間の衝突挙動が,流れの境界条件に応じて発生すると捉える方が妥当であることが分かった. 流れ中の大きな粒子の浮き上がりは,河床付近で安定してせん断変形が生じ発達した応力鎖が河床から表層方向に伸びるとともに,占有する空間の剛性が周辺に比べて高い大径粒子に応力鎖が集まる(応力集中する)ことによる押し上げ作用であることが分かった.適切な流速が生じ,表層が十分に緩い状態になり大径粒子の浮き上がりを妨げないことが必要条件と判明した.上記条件を満足するには,河床勾配が安息角程度であること,十分な河床粗度,大径粒子と周りの粒子径との比が必要であることが分かった.
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