弾粘塑性構成モデルを用いた軟弱地盤の挙動解析
Numerical simulations of soft ground using elasto-viscoplastic constitutive model

都市が展開する沿岸・沖合域は軟弱粘土と砂が互層に堆積した構造であるため,沈下や液状化といった問題を起こしやすい地盤となっています。社会インフラの安定的な供用と地盤防災の観点から,地下構造を適切にモデル化し,土-水連成解析により,軟弱地盤の応力~変形挙動を評価することが求められています。
本研究では,都市地盤の諸問題に対し,弾粘塑性構成モデルを用いた有限要素解析によって評価するアルゴリズムの確立を目指しています。関西国際空港の基礎地盤の長期圧密沈下の評価等の実問題へ適用し,人工島と連絡橋の取付部のような三次元での評価が必要な問題にも取り組んでいます。

Coastal urban areas are at high risk for settlement and liquefaction because the ground consists of alternate layers of sand and soft clay layers. Modelling and evaluation of stress-deformation in the soft ground using soil-water coupled analyses are necessary for maintenance of infrastructures and disaster prevention.
We aim to develop a procedure through finite element analyses that implements an elasto-viscoplastic constitutive model to study the problems in the coastal urban areas. This analysis was applied to the evaluation of long-term consolidation settlement in the Kansai international airport. We also deal with 3-dimentional problems such as the uneven settlement between the reclaimed island and the connection bridge.

地盤情報データベースを用いたサイスミックゾーニング
Seismic zoning using geo-informatic database

地盤の災害を正確に予測するためには,地盤構造の適切なモデル化が不可欠です。そこで,物理探査手法と既存のボーリングデータを用いて,地盤の広域な三次元モデルの構築と,これを用いた災害評価に関する研究を行っています。
具体的な事例では,大阪平野において,250 mメッシュの地盤モデルを作成し,数値解析により,動的応答と液状化の予測に取り組んでいます。予測結果は,防災対策に活用できるよう,地図上で視覚的に表示しています。

Appropriate modelling of underground structures is necessary for accurate disaster assessment. We study 3-dimensional wide-area modelling of underground structures using geophysical exploration methods and borehole data, and implement disaster assessment with the developed underground model.
For the Osaka Plain, the dynamic response and liquefaction were numerically predicted for the 250 m square mesh model of the Osaka Plain, and the calculated results were displayed as a distribution map so that they could be used for disaster prevention policies.

河川堤内地の地盤構造のモデル化と浸透に伴う災害評価
Modelling of underground structures in the protected inland by levees and its application to assessment of seepage induced disaster

豪雨や水害が発生している近年,特に河川堤防や堤内地の浸透に対する地盤の災害評価が重要な課題になっています。本研究では,地盤情報データベースを利用して,堤内地の広域な三次元地盤モデルを構築し,浸透挙動の評価に取り組んでいます。
京都府の木津川流域を対象に,ボーリングから推定される地盤構造と室内試験で得られる各層の透水性をもとに,浸透問題のためのモデルの作成方法を研究しています。さらに,このモデルを用いて,三次元浸透流解析に取り組んでいます。

Assessment of disasters due to heavy rain and floods nowadays is becoming an important issue particularly for levees and the floodplain. We aim to develop 3-dimensional wide-area underground model using geo-informatic database to evaluate the seepage in the protected inland by levees.
The 3-dimennsional model of the protected inland of the Kizu River levees in Kyoto was created based on the geo-informatic database and laboratory-obtained permeability of each layer. We numerically predicted 3-dimensional seepage in the area using this model.

不飽和地盤の水分移動のメカニズムの解明と制御
Mechanism of water transfers and control systems in the unsaturated ground

地盤内の水分移動は,力学的安定性の低下や汚染物質の拡散の原因となるため,適切に制御する必要があります。間隙が水で満たされていない不飽和土の浸透特性は,一定ではなく,含水状態によって大きく変化します。浸透特性を室内試験で評価し,数値解析で地盤内の水分移動を予測することにより,排水・遮水を促す方法が研究されています。
砂と礫の層境界で生じる遮水現象である,キャピラリーバリアは,不飽和浸透特性を利用した排水・遮水方法です。降雨実験と再現解析を行い,砂礫の不飽和透水係数の差異は,遮水を定量的に説明する方法のひとつであることがわかりました。遮水性の評価と,バリアの設計法の構築に貢献することが目標です。また,地盤の浅い部分では,浸透だけでなく,蒸発も水分移動に大きく寄与しており,乾燥亀裂や粘着力の喪失といった不安定化の原因になっています。不飽和地盤の水分移動に伴う変形評価に基づき,浸透・蒸発をコントロールする方法を研究しています。

Seepage must be appropriately controlled because it reduces the stability of earth structures and promotes diffusion of contaminants in the ground. The hydraulic properties of soils greatly changes depending on water content. Water drainage and shielding systems have been studied based on laboratory tests on the hydraulic properties of unsaturated soils and numerical prediction of seepage in the ground.
A capillary barrier that occurs at the interface between the sand and gravel layers is a water shielding system using the hydraulic properties of unsaturated soils. We conducted rainfall tests and numerical analyses to observe capillary barriers. The results show that the difference between unsaturated hydraulic conductivity of the sand and gravel can be an important factor of the water shielding. We aim to develop methods for evaluating the water shielding capacity and designing capillary barriers. Evaporation as well as seepage contributes to hydraulic transfers in ground surface, which causes desiccation cracking and decrease in cohesion. We study methods for controlling seepage and evaporation based on the evaluation of deformation induced by water transfers in the unsaturated ground.

不飽和土構造物の降雨時不安定化挙動に関する研究
Rainfall induced instability of unsaturated earth structures

不飽和地盤は,間隙水の表面張力に起因した土粒子間力を有していますが,雨水の浸透により,土粒子間力が弱まると変形が生じます。この過程を詳細に分析することにより,変形のメカニズムを明らかにし,適切な対策を提案することが可能になります。具体的には,土の保水性と,変形特性の飽和度に対する依存性を室内試験で評価・モデル化し,数値解析上で降雨を与えて,変形を予測します。
この手法を用いて,奈良県明日香村の酒船石遺跡の修復に取り組みました。飛鳥時代の遺構で,土砂に埋まっていましたが,1999年の発掘後は,埋め戻さずに露出展示されています。しかし,屋外環境に暴露された遺構はしばしば降雨で被災します。酒船石遺跡の降雨の浸透と変形をシミュレーションした結果,不飽和状態の土が浸潤に伴って土粒子間力を失い,強度や剛性が低下することが崩壊の原因であることがわかりました。また,遺構表層が非常に軟弱であることが崩壊の主な要因であるため,より締固めやすく,透水性の高い材料に置き換えて修復する方法を提案しました。

Unsaturated soils have bonding due to surface tension exerted on pore water, but the bonding reduces and deformation develops when rainfall infiltrates into the ground. Detail analyses on this process enables understanding the deformation mechanism and proposing appropriate countermeasures. Laboratory tests are conducted to obtain water retention and relationships between deformation characteristics. Then, deformation is numerically predicted by applying rainfall to the model created based on experimental results.
This method was used to restore the Sakafuneishi site in Asuka Village, Nara Prefecture, which is a historic site of the Asuka period (592 to 710 A.D.). The site was buried until it was excavated in 1999, and it has been openly exhibited. However, open exhibited geo-relics often damaged by precipitation. The seepage and deformation of the slope were numerically simulated. The results show that the slope failure occurred due to the reduction of the bonding between soil particles in the saturation process. The main factor of the slope failure is the very soft surface layer, and therefore we proposed replacing the surface layer with a well-compacted and highly permeable layer.

不飽和盛土の地震による損傷メカニズムの解明と墳丘保全への応用
Mechanism of seismic damage of unsaturated earth mounds and its application to the protection of tumulus mounds

地震は降雨と共に不飽和盛土に重大な損傷を与える要因です。古墳群は過去の南海トラフ地震などにより繰返し被害を受けてきました。最近では,2016年の熊本地震で大きな被害が出ました。次世代に古墳群を保存するためには,どのようなメカニズムで破壊するかを理解し,耐震性を向上させる方法を研究する必要があります。
本研究は,動的遠心模型実験と再現解析により,この問題に取り組みました。その結果,地震によって墳丘に生じる亀裂は主に引張力に起因すること,また地山が傾斜している場合は,応力集中により致命的な損傷に至ることがわかりました。さらに,石室を構成する石材同士の摩擦が石室の耐震性に大きく寄与することがわかりました。これらの知見に基づき,古墳の耐震補強方法を構築することを目標にしています。

Earthquakes as well as precipitation give serious damage to unsaturated earth mounds. Tumulus mounds have been repeatedly damaged by earthquakes such as the past Nankai Trough Earthquake. Recently, serious damage due to the Kumamoto Earthquake in 2016 was reported. Understanding of the damage mechanism and developing the protection methods are required for the preservation of tumulus mounds.
We conducted dynamic centrifuge model tests and numerical analyses to study the damage mechanism. The results show that tensile cracks evolve in the tumulus mound, and the damage is significant due to stress concentration when the tumulus mound is constructed on a slope. We also found that the friction between the stones of the burial chamber greatly contributes to the seismic resistance of the burial chamber. Based on this knowledge, we aim to develop protection methods for tumulus mounds.