Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

地震 / 破壊 / 断層 / 有限要素法 / 予測 / 境界積分方程式法 / 亀烈 / 弾性動力学 / 分岐 / 亀裂 / 破壊伝播 / 地震波 / 分岐現象

地震の破壊経路の理論的予測を行う数値シミュレーションには、従来、境界積分方程式法が用いられてきた。この手法は、「断層面形状」の自由度が高いという特性から広く利用されるようになってきたが、反面、「不均質媒質」中の破壊現象の取り扱いは不得手である。
地殻には不均質構造が普遍的にある(例:地下浅部堆積層と深部基盤岩の境界)。不均質境界に向かう破壊成長は、媒質の弾性定数の不連続分布の力学的効果により破壊経路が変化する可能性が考えられる。そこで本年度、「不均質媒質中」の「破壊経路が自己選択しうる計算法」を新たに開発した。
定式化には有限要素法を用い、2次元せん断(モードII)破壊問題を考える。有限要素法は、不均質性の導入は容易であるが、要素内の変位補間関数の連続性により隣接節点間の変位の不連続(=破壊)の表現は不得手であり、「破壊経路自己選択法」の実現の障害となる。この解決のため、欠損を含む工学材料の引張破壊(モードI)解析に対して最近新しく提唱された「粒子的変位場による離散化法(FEM-β, Hori et al., 2005)」を適用した。引張破壊と異なり、地震のせん断破壊では法線ひずみを保ちつつせん断ひずみ成分が解放される。この特有の境界条件をFEM-βにおいて満足さすことによりモードIIのせん断破壊による生じる静的応力場・ひずみ場解析を行った。
層構造媒質内に、層境界と直行する向きに断層破壊面が存在する状況を考える。この場合、応力に関しては不連続をまたぎ連続的な分布になるのに対し、ひずみに関しては構造境界に沿って不連続を含む分布になることがわかった。また破壊先端が境界に近い程、境界付近でのひずみ不連続性は大きくなる。この解析より、もし破壊基準が応力だけでなくひずみ依存性をも含む場合には、断層面延長方向と異なる方向の境界に沿う破壊経路が新たに選択される可能性が示唆される。

地震断層 / 破壊 / 非接触変位分布測定 / 破壊過程シミュレーション / 逆解析 / 分岐 / 破壊現象 / 画像解析 / 非接触計測

阪神大震災以降,直下地震の際の活断層のすベりが引き起こす局所的大被害に関心が高まっている.さらに,超長期にわたって供用される土木構造物には,伏在活断層がすべる可能性も想定しなければならない.基盤内の断層が地表に達し地震断層が形成される場合,引き起こされる強震動は極めて大きい.このような地震断層の被害評価には,断層に伴う地表変形を数値解析する手法が必要である.
上記を背景として,本研究は,地表地震断層の新しいモデル実験を行い,断層破壊挙動予測の数値解析手法を開発した.これは,断層発生メカニズムを解明し,それに基づく解析理論を構築することを念頭においている.
モデル実験は,ゼラチン供試体のねじりせん断によるリーデル線発生実験である.リーデル線は底部のせん断によって供試体表面に発生する亀裂であり,ねじりせん断をかけることで再現性を向上した.リーデル線の形成過程は高速ビデオカメラによって撮影した.さらに,ビデオ画像の画像解析から変位分布を非接触で測定し,新たに提案した逆解析手法を用いて対応する応力分布を推定した.この結果,分岐が雁行状亀裂形成の支配的メカニズムであることを解明した,これは,1)一様な横ずれせん断が与えられているにもかかわらず周期的な亀裂が発生すること,2)周期的な亀裂は一様に進展せず選択的に進展すること,という観察結果に基づいている.
このような分岐現象を巧妙に解析するため,新しい連続体モデルと数値解析手法を構築した.数理的な分岐解析は滑らかな関数を対象とすると有効である.したがって,亀裂の発生・進展が数値的に滑らかに計算されるよう,材料や構造のばらつきを考慮した連続体モデルを作り,このモデルを解析する有限要素法を開発した.この結果,モデル実験で観察された雁行亀裂を再現することに成功した.また,地表地震断層が形成される過程の数値シミュレーションも行った.