地盤力学

社会基盤構造物を縁の下で支えているのは地盤です.そのため,安全な社会基盤を構築するためには,地震や降雨など,様々な外的作用に対する地盤材料の応答を正確に把握する必要があります.さらに,様々な構造物に対して,地盤と構造物間の複雑な相互作用を解明し,その力学挙動を明らかにすることが重要です.本研究室では,「材料」としての地盤の力学特性をはじめ,地盤と構造物の相互作用について実験と数値解析を用いて研究を行っています.

教員

木村 亮 ( Makoto KIMURA )

木村 亮教授(工学研究科)

研究テーマ

群杭基礎の力学挙動に関する研究、かぶりの小さい土砂山トンネルの力学挙動に関する研究、新しい建設材料の開発と有効性・適用性の検討および施工法の提案、貧困削減に対する地盤工学分野からのアプローチ法の開発

連絡先

桂キャンパス C1棟2階292号室
TEL: 075-383-3151
FAX: 075-383-3136
E-mail: kimura.makoto.8r@kyoto-u.ac.jp
http://geomechanics.kuciv.kyoto-u.ac.jp/member.html

木元 小百合 ( Sayuri KIMOTO )

木元 小百合准教授(工学研究科)

研究テーマ

地盤の挙動を数値解析によって予測する際、構成している材料の力学特性を十分に把握し、モデル化する必要があります。自然堆積地盤の性質のうち、特にその構造骨格に起因する異方性や強度劣化などの構成式における表現、またその変形の局所化への影響について研究をおこなっています。

連絡先

桂キャンパス C1棟 5階581号室
TEL: 075-383-3192
FAX: 075-383-3193
E-mail: kimoto.sayuri.6u@kyoto-u.ac.jp
http://geomechanics.kuciv.kyoto-u.ac.jp/member.html

澤村 康生 ( Yasuo SAWAMURA )

澤村 康生助教(工学研究科)

研究テーマ

様々な構造物を対象として,地盤と構造物間の複雑な相互作用を解明し,その力学挙動を明らかにすることを目的に研究を行っています.1) ヒンジ式プレキャストアーチカルバートの耐震性評価,2) 施工性・耐震性に優れた補強土壁工法の開発,3) 杭基礎一体型鋼管集成橋脚の地震応答特性,などについて検討を行っています.

連絡先

桂キャンパス C1棟 5階583号室
TEL: 075-383-3193
FAX: 075-383-3193
E-mail: sawamura.yasuo.6c@kyoto-u.ac.jp
http://geomechanics.kuciv.kyoto-u.ac.jp/sawamura.html

研究テーマ・開発紹介

群杭基礎の力学挙動に関する研究

群杭基礎の力学挙動の難しさは,杭が地盤を介して周辺の杭に及ぼす杭-地盤-杭の相互作用,すなわち群杭効果の発生によって,群杭基礎が単杭×杭本数として挙動しないところにあります.その群杭効果の解明は,多くの研究者によって古くから取り組まれてきた課題ですが,その知見の蓄積によって,静的荷重を受ける小規模な行列配置の群杭の弾性域の群杭効果については代数式による算定も可能となっています.しかし,増し杭工法に代表されるような,群杭内部で杭種,杭径,杭配置等の杭緒元が異なる場合,タンク基礎のように数百本もの杭で構成される大規模な群杭である場合,動的荷重を受ける群杭の場合などでは,群杭効果をはじめとした力学挙動が充分に明らかとなっているとは言えません.

そこで本研究では,遠心模型実験,原位置載荷試験,3次元弾塑性有限要素解析などの手法を用いて,群杭基礎の力学挙動の解明を目指しています.

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7×9本群杭の水平載荷試験(原位置載荷試験に対するシミュレーション

ヒンジ式プレキャストアーチカルバートの耐震性に関する研究

従来型のカルバートは,基本的に中小規模の剛な構造であり,過去の地震において目立った損傷が無かったことから,現行の設計においては原則として耐震設計を必要としない慣用設計法が適用可能であるとされています.一方,近年施工例が増加しているヒンジ式プレキャストアーチカルバートは,本体にヒンジ機能を有する柔な構造であり,従来型のカルバートとは異なる設計思想に基づくカルバートです.同構造は,部材のたわみをある程度許容することで地盤反力を積極的に引き出し,力学的に安定な構造となります.そのため,部材の剛性により外力を支持する他の形式に比べ,部材厚を薄くして大断面・高土被りでの施工が可能です.しかし,従来型カルバートに対する慣用設計法が適用できず,盛土との動的相互作用に関する検討が必要です.

本研究室では,遠心力載荷装置や強震応答実験装置を用いた振動実験,弾塑性有限要素法による数値解析を通じて,同構造の耐震性について検討を行っています.

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カルバート縦断方向の耐震性に対する検討(遠心模型実験)

チェーンを用いた新しい補強土壁工法の開発

補強土とは,土中に地盤と異なる材料を敷設し,土構造物の強度を高める工法です.これまでにも種々の補強土壁工法が開発されていますが,本研究室では新たにチェーンを補強材として用いた補強土壁工法を提案しています.

チェーンは従来の補強材に比べ,地盤の変形追従性に優れているだけでなく,大きい引抜き抵抗力を有しており,さらに軽量かつ運搬しやすいという特徴から施工性および経済性にも優れています.

本研究室では,チェーンの室内引抜き実験,遠心力載荷装置を用いた振動実験,弾塑性有限要素法による数値解析,現場計測,等の手法を組み合わせて多角的な視点から検討を進め,本工法における補強メカニズムを解明し,より経済的な設計手法を確立すること目指しています.

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チェーン補強材の引抜き試験

ジオマテリアルの力学特性の把握と構成モデルの開発

本研究室では,予測が難しい非線形性に富んだジオマテリアルの構成モデルを,力学的あるいは熱的にも合理的に構築することを目的に研究をしています.具体的には,様々な荷重条件下で行う要素試験を通して,時間依存性挙動,内部の微視的構造の変化,異方性等の自然堆積地盤の特性を把握してモデル化を試みるとともに,上記の変形の局所化を含む破壊予測解析にも十分適用できる,材料不安定性,熱依存性挙動も考慮した弾粘塑性構成式の開発を行っています.さらに,サクションの影響を考慮した不飽和土の構成モデルの開発にも取り組んでいます.

また,液状化のシミュレーションにあたっては,地震を模擬する繰返し載荷条件での砂や粘土の挙動を精密に表現する必要があります。そのため、各種ジオマテリアルの繰返し挙動を説明する構成モデルの開発にも取りくんでいます.

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様々な荷重条件での載荷が可能な中空ねじりせん断試験機

大変形・破壊現象の高精度予測手法の開発

近年,台風・豪雨,地震による山地斜面崩壊や河川堤防の破提など激甚災害が多発し,我が国土の地盤災害に対する脆弱性が改めて認識されています.このような地すべり,斜面崩壊等の地盤の破壊現象は,すべり面やせん断帯と呼ばれるひずみの集中帯(局所化)や変位の不連続面の発生を伴います.また,局所化した圧縮変形(圧縮帯)が原因で地盤が大沈下する問題も生じています.現在,水と地盤材料の相互作用に関わる力学現象については十分解明されておらず,メカニズムに基づく変形予測手法の開発が緊急の課題となっています.

本研究室では,多相混合体理論に基づいた浸透-変形連成解析による,土と水および空気の相互作用を考慮した変形予測手法の確立を目指しています.具体的には,河川堤防や盛土斜面の降雨時,水位上昇時の変形・浸透のシミュレーションなどに取り組んでいます.また,実地盤の大規模破壊現象のシミュレーションを目指して,高精度な浸透-変形連成解析手法の開発に取り組んでいます.

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動的解析による河川堤防の変位ベクトルとせん断ひずみ分布

高性能液状化解析法の開発と液状化ハザードマップの作成

近土骨格と間隙水の二相系の運動方程式を解く有効応力ベースの動的有限要素法による液状化解析法を用い,液状化時の地盤-構造物系の相互作用,液状化した地盤の大変形や土と水の相対速度等を高精度に考慮できる高性能液状化シミュレーション手法の開発に取り組んでいます.

また,実験やシミュレーションを通して,薬液浸透注入改良等の合理的な液状化対策工法の検討もおこなっております.さらに,広域地盤情報データベースを活用し,液状化危険度を評価するハザードマップの作成にも取り組んでいます.

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大阪市域の液状化危険度指数マップ

メタンハイドレートを内包する地盤の強度変形特性の把握

次世代新エネルギーとして,メタンハイドレートが注目されています.メタンハイドレートは日本近海にも眠っていることが確認されており,安定供給できるようになれば純国産エネルギー資源となることも大いに期待できます.しかしながら,発掘作業は未知の部分が多く,メタンハイドレートを取り出すことにより,その地層の圧縮大沈下,深海部での海底地すべり,メタンガスの大放出などの心配もされています.

本研究室では,メタンハイドレートを合理的に取り出し,かつその地盤を将来に渡り安全に維持するための技術開発を目指して,ハイドレートの物性評価および力学特性の評価をおこなうことにより,ハイドレートを内包する地盤系の力学的,水理学的かつ熱的安定性の予測手法を確立するための研究をおこなっています.

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バイカル湖で採取された資料(白い部分がハイドレート)

ジオマテリアル内部の微視構造および密度変化の可視化

医療の分野で広く用いられてきたX線CT装置が,近年地盤工学の分野にも適用されてきています.X線CT装置は,材料内部の密度分布を得る装置で,通常の計測では把握するのが困難な変形,破壊,浸透の過程で材料内部の挙動を可視化する事ができます.特に本研究室ではマイクロフォーカスX線CT装置を導入しており,微小な焦点サイズによりミクロン単位の高分解能での可視化が可能です.材料の持つ不均質性,せん断帯・圧縮帯の発達,不飽和地盤への浸透過程,粒子同士が形成する微視構造の変化,などを可視化すると共に,マクロな力学モデルへの反映を目指しています.

また,走査電子顕微鏡(SEM)による供試体表面の微視構造の可視化を行っています.SEMは,ナノ単位の高分解能を持ち,粘土鉱物など非常に細かい粒子の微視構造変化を研究しています.

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マイクロフォーカスX線CT装置を用いた試験結果

地盤力学分野からの貧困削減に向けたアプローチ手法の開発

多くの開発途上国が農業国でありながら,農村インフラ(農道,ため池など)の整備が進んでいないために貧困に苦しんでいます.農村部の未舗装の道では,雨季になると地盤が泥濘化し車が走行できなくなります.そこで,「開発途上国の問題は,現地に適した単純な方法で,そこに住む人々自身で解決していく」という方針のもと,「土のう」を用いた道路整備手法を開発しました.現在は,ケニア,ブルキナファッソ,ミャンマーなど世界18ヶ国に活動範囲を広げ,貧困削減に寄与し,若者の雇用促進にも活用されています.

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【土のう工法】を用いた住民による道直し

研究室ウェブサイト

http://geomechanics.kuciv.kyoto-u.ac.jp/index.html