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本研究では、断面の大きさの違い、また支保工の剛性・構造などの違いによりトンネル天端および切羽周辺の変形メカニズム、また地山内及び支保工への土圧の分布にどのような差異が生じるかに注目してモデル実験・および数値解析により検討した。まず、2次元問題において断面の大きさがトンネル天端付近の変形メカニズム・支保工への土圧分布などにどのような影響を及ぼすかを検討した。その結果、トンネルは空洞径が大きくなるにともなって相対的に安定性が低下することがわかった。
また、地山材料の限界ひずみについても現場で遭遇する不均一な材料を想定してその限界ひずみについても検討した。ここでは、不均質性岩盤の限界ひずみについて、人工的な作成した不均質岩質材料を用いて実験を行い、その特性について検討した。
さらに、崩壊にいたる過程で計測される変位を逆解析することにより空洞の安定性を推測するための手法について検討した。ここでは、トンネル周辺地山に生じる非弾性ひずみを初期応力および弾性係数に並ぶ未知パラメータとし、これらをノルム最小化法を用いて数少ない変位計測から決定する方法を開発した。この方法によれば地山に関する予備情報を必要とせず、ポアソン比のみを仮定することによって、地山の非弾性挙動を逆解析することが可能である。また、本方法で得られる解が確率論的にも十分安定したものであることを確かめた。さらに、その方法を実トンネルの変形挙動の評価に適用した結果、十分実用に供し得ることが分かった。
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