Development and application of a slope failure and sediment flow simulator based on mixture and critical state theories

本研究では連続体近似に基づく最新の計算地盤工学理論に則り，斜面災害の数値シミュレーターを開発することを目的とする．研究初年度は，限界状態土質力学において開発されたCam-clay modelを変形勾配の乗算分解理論に基づき有限変形化することを試みた．既往の乗算分解型Cam-clay modelは限界状態理論の根幹を成す実験事実である状態境界面を描くことをできないことを指摘するとともに，熱力学的考察を通して塑性体積変化を生じる場合に適用可能な応力を新たに見出した．この考察に基づき乗算分解型Cam-clay modelを再構築することで真に限界状態土質力学に従う土の弾塑性構成則の基本形が完成した．現在の不飽和土を対象とした解析手法のほとんどは三相混合体理論に基づいて構築されている．しかし，この手法では，飽和状態においても間隙空気圧を求めなければいけないことに起因して数値的な不安定性が生じる．そこで間隙水と間隙空気を同列な間隙流体として取り扱うことで二相混合体理論に基づいてその挙動を扱う手法を開発することを試みた．この手法では，間隙水と間隙空気の界面の移動をフェーズフィールド法により近似的に取り扱う．このとき，界面は不飽和領域となる．本年度は土骨格の動きを無視した不飽和浸透流解析を実施し，この手法により既往の不飽和浸透実験の結果を概ね再現できることを示した．ただし，現段階では，水分特性曲線によって表現されるような土の保水特性を十分に考慮できていない．そこで本研究では，フェーズフィールド法を用いたマクロ不飽和浸透流解析手法を別途開発し，土の保水性試験をシミュレートすることでインク瓶効果により水分特性曲線にヒステリシスが生まれる様子を可視化した．今後はこの方法を元に，マクロ不飽和浸透流解析において如何にして水分保持特性を表現すべきか検討する予定である．

本研究では連続体近似に基づく最新の計算地盤工学理論に則り，斜面災害の数値シミュレーターを開発することを目的とする．研究初年度は，限界状態土質力学において開発されたCam-clay modelを変形勾配の乗算分解理論に基づき有限変形化することを試みた．既往の乗算分解型Cam-clay modelは限界状態理論の根幹を成す実験事実である状態境界面を描くことをできないことを指摘するとともに，熱力学的考察を通して塑性体積変化を生じる場合に適用可能な応力を新たに見出した．この考察に基づき乗算分解型Cam-clay modelを再構築することで真に限界状態土質力学に従う土の弾塑性構成則の基本形が完成した．現在の不飽和土を対象とした解析手法のほとんどは三相混合体理論に基づいて構築されている．しかし，この手法では，飽和状態においても間隙空気圧を求めなければいけないことに起因して数値的な不安定性が生じる．そこで間隙水と間隙空気を同列な間隙流体として取り扱うことで二相混合体理論に基づいてその挙動を扱う手法を開発することを試みた．この手法では，間隙水と間隙空気の界面の移動をフェーズフィールド法により近似的に取り扱う．このとき，界面は不飽和領域となる．本年度は土骨格の動きを無視した不飽和浸透流解析を実施し，この手法により既往の不飽和浸透実験の結果を概ね再現できることを示した．ただし，現段階では，水分特性曲線によって表現されるような土の保水特性を十分に考慮できていない．そこで本研究では，フェーズフィールド法を用いたマクロ不飽和浸透流解析手法を別途開発し，土の保水性試験をシミュレートすることでインク瓶効果により水分特性曲線にヒステリシスが生まれる様子を可視化した．今後はこの方法を元に，マクロ不飽和浸透流解析において如何にして水分保持特性を表現すべきか検討する予定である．