粘土鉱物の形態変化を考慮できる粒子計算モデルの構築とスレーキング現象の微視的理解

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K15085
• 研究機関: 長岡技術科学大学
• 研究代表者: 福元 豊 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (60757350)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 風化 / スレーキング / 個別要素法 / 粒状体 / 粒子シミュレーション / 亀裂 / Peridynamics

研究実績の概要

本研究計画の目的は，地盤材料のスレーキング現象を従来とは異なる微視的な視点で捉えることで，その発生・進行要因の定量的な分類と整理を可能とすることである．これらを達成するための方法として，粘土鉱物が占める領域の形状や大きさの変化を考慮できる粒子計算モデルの開発（研究A）と，土質試験/模型実験の結果との比較にもとづく粒子計算モデルの高度化（研究B）を計画した．最終年度は以下のような成果が得られた．
研究Aでは，昨年度に開発したPeridynamicsと個別要素法を組み合わせた数値計算モデル（PD-DEM）を3次元に拡張した．また，締固めた粘土で見られるような非線形の応力－ひずみ関係を得るために，バイリニア型のボンド軟化モデルを導入した．一方，研究Bでは，既存の三軸圧縮装置を改良した装置を用いて，締固めた粘土供試体の圧裂引張試験を実施した．得られた実験結果を3次元 PD-DEMによる再現解析の結果と比較することで，提案する粒子計算モデルの妥当性を確認した．この検討を踏まえて，破砕性を持つ複数の物体に対する圧縮破壊の計算を実施することで，締固めた粘土を想定した材料がスレーキング現象で見られるような変形，亀裂，破砕を繰り返す過程を連続的に表現できることがわかった．

研究成果

• [雑誌論文] Effect of water contents and initial crack lengths on mechanical properties and failure modes of pre-cracked compacted clay under uniaxial compression (2022)
  • 著者名/発表者名: Shimbo Taiki、Shinzo Chisato、Uchii Ukyo、Itto Ryota、Fukumoto Yutaka
  • 雑誌名: Engineering Geology 巻: 301 ページ: 106593～106593
  • DOI: 10.1016/j.enggeo.2022.106593
  • 査読あり
• [雑誌論文] 2-D coupled fluid-particle numerical analysis of seepage failure of saturated granular soils around an embedded sheet pile with no macroscopic assumptions (2021)
  • 著者名/発表者名: Fukumoto Yutaka、Yang Hongxuan、Hosoyamada Tokuzo、Ohtsuka Satoru
  • 雑誌名: Computers and Geotechnics 巻: 136 ページ: 104234～104234
  • DOI: 10.1016/j.compgeo.2021.104234
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Validation of LBM simulation of saturated seepage flow through 3D-printed homogeneous porous medium for fluid-particle coupled analysis (2021)
  • 著者名/発表者名: Kitao Tomohiro、Fukumoto Yutaka、Fujisawa Kazunori、Jewel Arif、Murakami Akira
  • 雑誌名: Acta Geotechnica 巻: 16 ページ: 2643～2656
  • DOI: 10.1007/s11440-021-01210-z
  • 査読あり
• [学会発表] A Numerical Model Based on Combined Peridynamics and Discrete Element Method for Fracture Behavior of Geomaterials (2021)
  • 著者名/発表者名: Yutaka Fukumoto, Taiki Shimbo
  • 学会等名: COUPLED 2021
  • 国際学会
• [学会発表] Implementation of the Drucker-Prager model for Ordinary State-Based Peridynamics using a Local plastic multiplier (2021)
  • 著者名/発表者名: Taiki Shimbo, Tomoki Kawamura, Yutaka Fukumoto
  • 学会等名: USNCCM16
  • 国際学会
• [学会発表] PeridynamicsとDEMの連成による地盤材料の破砕挙動の数値計算モデル (2021)
  • 著者名/発表者名: 福元 豊，新保泰輝
  • 学会等名: 第26回計算工学講演会
• [学会発表] 初期亀裂を含む土の一軸圧縮シミュレーション：DEM及びPeridynamicsによる検討 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小室昂生，澤 知行，福元 豊，新保泰輝
  • 学会等名: 第39回土木学会関東支部新潟会研究調査発表会
• [備考] 個人webページ
  • URL: https://whs.nagaokaut.ac.jp/edpl/yutakafukumoto/main_japanese.html