【研究領域課題番号】21H01866 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

除荷過程 / 多孔質材料 / 連成解析 / 室内実験 / 数値シミュレーション / 逆解析 / 透明模擬地盤

【研究成果の概要】

本研究では、粘性土の除荷過程における一時的収縮において、①粘性土内に発生したサクションの影響、②粘性土の不均質性の影響、③不十分な圧密排水の影響を考える。
今年度、数値解析のパートでは、有限要素解析コードを塑性変形も計算可能なように改良した。さらに、本研究では未知の変形現象も含まれる可能性を考慮して、数値シミュレータで考慮していない変形現象が実験データに含まれる場合に対応した逆解析手法の理論的検討と仮想問題での検証を行った。その結果、未知の現象と数値シミュレーションで再現されるべき現象を分離しつつ、逆解析を行う手法の実現可能性が示された。
室内実験のパートでは、透明な模擬粘性土地盤を用いた可視化手法を用いて実験的に検討する場合に必要な物品を選定した。①一気に除荷することで不飽和化してサクションが発生し、有効応力や降伏曲面が変化し、収縮する様子を可視化するためには透明性が長期的に維持することが可能な模擬地盤が必要であるが、当初のシリカゲルやシリカパウダーについても吟味したが、最終的に高分子ポリマーを選定して調達した。②弾性率の不均質性とポアソン効果により、一部の膨張が他の部分の収縮を発生させているかどうかを画像解析することが可能な２次元PIV解析プログラムを選定して調達した。③一部で圧密排水が完了しておらず、除荷過程においても収縮が継続していることを画像撮影できる高速度カメラを選定して調達した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2026-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】構造工学・地震工学・維持管理工学

【研究領域課題番号】17656145 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

RFIDタグ / 地盤構造 / 逆解析 / 地盤水分量 / 電磁波伝播特性 / 材料特性 / 3次元位置計測 / 数値シミュレーション / 三次元計測 / 誘導電磁波

【研究成果の概要】

地震工学の古典的な重要問題である地盤-構造物相互作用を解決する新しい視点を設けることを念頭に,本研究は,地下構造物周辺地盤の変形を計測する手法の考案に取り組んだ.計測ディバイスとしてRFIDタグを利用することがポイントである.計測原理は,適当数のRFIDタグを地盤に埋め,地震動による地盤の変形に追随して位置を変えるRFIDタグの位置を同定することで,地盤の動的3次元計測を行うことである.主要な研究内容は,1)地盤中でRFIDタグが送受信する電磁波の特性と水分を含む地盤の電磁波伝播特性を検討すること,2)RFIDタグの3次元位置同定を行う逆問題を解く解析手法を考案し,その妥当性を検証すること,である.RFIDタグが受動的に送受信する電磁波の出力は小さいため,測定誤差は大きいものの,地盤レーダのような強い出力の器具を使い,大きな振幅の電磁波を使う必要が確認された.一方,地盤の電磁波特性は,RFIDタグの長さのスケールでみると,閉め固め度等に依存した強い非一様性を持つことが示唆された.特に水分を含む場合,この局所的な非一様性は増大するようである.したがって,逆問題としては,電磁波のソースとなるRFIDタグと一緒に,それを取り巻く地盤の局所的非一様性も同定しなければならないことが明らかになった.この逆問題は極めて難解である.地表面からの測定データしか利用できない場合には位置同定の精度に限界がある.上記を考慮した上で,等価介在物法を利用した逆解析手法を考案し,位置同定のシミュレーションを行った.高出力の地盤レーダを使い,比較的一様な地盤を対象とする条件の元で,RFIDタグの3次元位置同定が可能であることを示唆する結果を得た.

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】3,400千円 (直接経費: 3,400千円)

【研究分野】自然災害科学

【研究領域課題番号】13308020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

GPS / 逆解析 / 地域応力場 / 地域歪場 / 地域弾性係数 / 非線形最適問題 / モニタリング / 大規模数値解析 / 解析解 / 数値シミュレーション / 地域ひずみ場 / 数値解析 / 応力関数 / バックスリップ / 特異摂動

【研究成果の概要】

本研究の目的は地殻変動モニタの開発である.このモニタは,PSネットワーク電子基準点を含む地域に対し,計測されたデータから歪場の増分を計算し,釣り合い式を満たすよう,地域弾性係数とそれに伴う応力場の増分を推定するものである.応力場の推定を行う逆解析理論は全く新しい理論であり,それに基づく大規模数値解析手法を構築し,地殻変動モニタをコード化している.地殻変動モニタの妥当性は数値実験によって検証されている.離散的に計測されるデータに含まれる誤差を陽に取り扱っているため,安定した数値解析が可能であり,誤差の大きさに応じて,推定される弾性係数や応力場の確からしさが変化する.また,誤差が含まれるにもかかわらず,データ数が増えるほど推定される弾性係数の信頼度が向上する.実際のGPSデータを利用して地殻変動モニタの有効性を検証した.データの質と量を勘案し,地域のポアソン比の推定を行った.他に比べ計測データの変動が大きい地域ではポアソン比を推定することはできなかったが,それ以外の地域では0.2から0.3の間でポアソン比の推定が可能であった.この値はS波とP波の速度比から推定されるポアソン比と調和的である.なお,推定できない地域を除けば,列島の多くの部分では,ポアソン比はほぼ一様の値をとるか滑らかに変化するかのどちらかであるが,空間的に急変する地域もある.データの誤差に起因するモニタが推定する値の確からしさを定量的に評価するため,確率モデルとその解析理論を別途構築しモニタに適用している.

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】31,460千円 (直接経費: 24,200千円、間接経費: 7,260千円)

【研究分野】土木材料・力学一般

【研究領域課題番号】12555125 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

活断層 / 数値シミュレーション / 破壊現象のモデル実験 / 逆解析 / 3次元光弾性 / 断層変位 / 亀裂進展 / 断層破壊確率 / ラドン変換 / 応力分布推定

【研究成果の概要】

本研究は,地表地震断層発生のメカニズムをモデル実験によって解明し,そのメカニズムに基づく断層挙動のシミュレーション手法を開発することを目的とする.CTスキャナや光弾性を用いた実験によって,断層のモデルである亀裂が進展する様子を観察する新しい実験方法を考案・開発した.特に光弾性実験は,実験装置・手法・データ解析を全て新規に行った.モデル実験によって,地表地盤の不均一性とともに分岐現象が断層発生の支配メカニズムであることを明らかにした.これに基づき非線形スペクトル確率有限要素法という新しい数値解析手法を開発した.これは,地盤の複雑さを確率的に表現し,分岐現象に対応する分岐解を数値計算の上で効率的に見つける手法である.
シミュレーション手法を地盤材料用にチューンアップした後,その基本的な妥当性を検証するため他の研究者によって行われた複数の断層モデル実験の再現を試みた.二次元問題である正・逆断層のモデル実験,三次元問題である横ずれ断層のモデル実験に対し,若干のずれがあるものの,断層の形状や断層発生に至る過程のパラメータを定量的に再現することに成功した.パラメータの期待値や分散,確率密度関数が計算されることは特筆に値する.この検証を踏まえ,実際の地表地震断層二例の再現を試みた.斜め横ずれの野島断層と逆断層のシャーロンポー断層を対象とし,断層の形状を実測データと比較し,シミュレーションの有効性を検証した.有用性として,断層発生を引き起こす基盤変位を確率的に計算できることを実証した.計算された基盤変位は地質学・地震学的知見及び間接的な実測データからみて妥当と思われる.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2002

【配分額】13,000千円 (直接経費: 13,000千円)