New developments in fluid and mixed grain size granular mechanics based on Available Porosity theory

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河川の地形は異なる粒径の土砂で構成させており，地形変化解析においては混合粒径の土砂輸送解析が必須である，しかし，広域，長期解析に適する領域平均可能なオイラー型の有効な解析手法が確立されておらず，半世紀近く未解決のままであり，河川，海岸や地形に関する多くの学術，技術の発展を妨げていた．具体的には混合粒径土砂輸送解析に用いられてきた交換層厚と空隙率は計算結果を支配する重要なパラメータであるが，これまで決定的な評価手法は無い問題がある．著者らは個別の粒子を解析する個別要素法では，交換層の問題が表れないことに着目し，積分可能なオイラー型モデルでも空隙率や交換層の問題を解決することができると考え，細粒子の利用可能空間として定義されたAvailable Porosity (AP) という新しい理論を提案し，検討した．AP理論では，水流の作用（分級・混合）による土砂体積の増加・減少を考慮できるが，静的な状態を表すために，すべての粒子は瞬時に利用可能空間に侵入できると仮定している．本研究では，これを空隙間の粒子運動の解析にさらに展開し，これまでマクロモデルによる検討が出来なかった混合粒径粒状体と流体の混相流動など問題解決に繋げるものである．本年度では幅広い粒度分布をもつ土石流堆積土の空隙率調査，空気中と静水状態における土砂堆積実験を行い，これまでのAP理論に基づく数値解析結果と比較し検証した．さらに，流れによる細粒土砂が流出する過程の二粒径実験を行い，既往の方法と比較することでAP理論に基づく連続式の妥当性と有効性を明らかにした．そして，それを用いて各時間，各場所の細粒土砂量を算出し，従来の流砂量式の課題を明確にするとともに，AP理論を生かした各粒径の高さを考慮した新しい流砂量式を検討した．