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気候変動に伴い豪雨が頻発し高い河川水位が長く継続する作用下において、河川堤防下の透水性基盤からの漏水、パイピングを切欠とする進行性破堤メカニズムの解明は、学術的観点だけでなく、堤防の強化・維持管理の観点からも重要な研究課題である。本研究では、パイピングを透水による粒子スケールの侵食・目詰まり、土要素や土層スケールの局所的なゆるみ・空洞化、流動化による土砂流や閉塞、構造スケールのすべりを伴う破壊というマルチスケールでの相互作用問題として捉えた。複数の粒子が鎖状に連なり力を伝える応力鎖に新たに着目し、数値解析や模型実験でパイピング内部の構造や流速の可視化にチャレンジする。応力鎖の発生・消滅による粒子群のダイナミクスを考慮し、パイピングの発生から発達までの新たな統一的説明に挑戦した。
本研究では、パイピングやそれに伴う破壊をマルチスケールで捉えるために、土粒子や間隙流体の挙動に加え、応力鎖の発生・消滅というダイナミクスに着目して、模型実験、数値解析、事例分析を実施した。それぞれの結果の比較や相互補完によって検討を進める。粒度分布形状、密度、土層構成、水位の高さ・波形の影響について体系的に調べた。実験では、画像解析による変状計測、超小型の微流速計や熱式流速計による間隙水の流速測定、電磁波による密度不連続面計測、音の減衰率も考慮した音響トモグラフィによる密度計測や応力鎖の可視化を行した。解析では、三次元DEMと流体計算を連成した計算を行う。漏水、土粒子侵食、目詰まり、ゆるみ、空洞化、塑性変形、流動、閉塞、堤体のすべりまで、固体・流体的な挙動とそれらの連鎖現象を考慮しながら、パイピングの発生・発達条件を絞り込んだ。
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