Reliable deformation analysis based on verification and validation of numerical method

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04409
• Research Institution: The University of Tokushima
• Principal Investigator: 渦岡 良介 徳島大学, 大学院理工学研究部, 教授 (40333306)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 地盤と構造物 / 数値解析 / 変形予測 / 信頼性

Outline of Annual Research Achievements

数値解析による地盤の変形予測について、従来の決定論的な予測ではなく、各種モデル化の不確かさの定量化に基づく確率論的な予測を行い、予測結果の信頼性を向上させるを目的とする。数値解析による地盤の変形予測精度は、模型実験や現場計測事例との比較を通じて数多く検討されているが、変形予測の客観的な精度が保証されておらず、予測精度は実験者と計算者に強く依存している。本研究では、近年機械分野で導入が進んでいる数値解析のV&V（Verification & Validation）の考え方に基づき、模型実験と数値解析の比較において、各種モデル化の不確かさの定量化に基づいて数値解析の妥当性を確認し、信頼性を高めた精度保証付きの変形予測解析の方法論を提案する。
平成28年度には、砂質土地盤上の盛土の地震時挙動に対する遠心模型実験および室内試験を実施した。数値解析が実務で適用されることの多い、液状化地盤上の盛土の地震時挙動を対象とした。遠心加速度は30Gのもと、モータ駆動の振動台を用いて正弦波加振を行い、基礎地盤内の間隙水圧や盛土の沈下量を計測した。上記の実験条件のもと、実験手順を十分に確立し、同一の実験条件で5回程度実験を繰返し、応答値のばらつきを整理した。その結果、種々のパラメータのうち入力加速度が盛土の変形量に与える感度が大きいことを確認した。この入力加速度の影響をより詳細に検討するには、安定的な加振を行うための加振装置が必要であり、その改良について検討した。また、模型実験材料の力学特性を調べるため繰返し三軸試験装置の改良を実施した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成28年度には、砂質土地盤上の盛土の地震時挙動に対する遠心模型実験および室内試験を実施した。当初計画では粘性土地盤上の盛土の構築過程に対する遠心模型実験および室内試験を実施する予定であったが、実験材料等の準備の都合上、平成29年度に実施予定の砂質土地盤上の盛土の地震時挙動に対する遠心模型実験を前倒しして実施した。また、当初計画では同一の実験条件で10回程度実験を繰返し実施する予定であったが、加振装置の不具合もあり5回程度の実施となった。実施回数は少ないものの、実験条件等を確立する上で十分な結果であり、おおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

平成28年度に実施した砂質土地盤上の盛土の地震時挙動に対する遠心模型実験および室内試験を継続して実施する。また、粘性土地盤上の盛土の構築過程に対する遠心模型実験および室内試験についても準備を進める。実験手順を十分に確立した後、同一の実験条件で10回程度実験を繰返し、応答値のばらつきを整理する。さらに、盛土形状などの実験パラメータを変えて、同様の実験を行い、各種の実験条件が応答値のばらつきに与える影響を検討する。
並行して、実験材料の物理・力学特性を把握するため、各種物理試験および力学試験を実施する。構成モデルの材料パラメータに関する不確かさを把握するため、力学試験を複数回行い、結果のばらつきを整理する。
また、適用する数値解析手法の数値計算の正しさの検証についても着手する。解析には有限変形多孔質体理論に基づく動的有限要素解析手法を適用する。本手法は完全陰解法に基づく手法であり、数値計算の正しさの検証が陽解法と比較して容易である利点がある。上記の模型実験の初期値・境界値問題や支持力問題を対象として、主に以下の点について数値計算の正しさの検証（Verification）を行う。1) 有限要素形状や計算時間増分などの数値解析条件の感度解析。これらを十分に小さくして、数値解が収束することを確認する。2) 非線形解析の収束性の確認。弾塑性モデルのリターンマッピングおよび支配方程式を解くNewton法の両者の収束性を確認する。3) Manufactured solution との比較。仮想的な変位場を境界値問題に与えて境界条件を求め、この境界条件を与えた境界値問題の数値解析で得られた変位場と仮想的な変位場を比較することで数値計算の正確さを確認する。

Research Products

• [Presentation] Uncertainties in Geotechnical Centrifuge Modeling (2016)
  • Author(s): Yasuhiro Ikami and Ryosuke Uzuoka
  • Organizer: 12th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XII) and 6th Asia-Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM VI)
  • Place of Presentation: Coex Convention & Exhibition Center（韓国ソウル）
  • Year and Date: 2016-07-24 – 2016-07-29
  • Int'l Joint Research