名古屋工業大学 地盤工学研究室 張・シャヒン研究室 
研究テーマ概要

主な研究テーマの概要です。

張先生の研究室のテーマ紹介

堆積軟岩の力学特性、特に温度・クリープ特性に関する室内試験と構成式の提案
核廃棄物地層処分に関するTHM(水・土・温度連成)有限要素解析
法面表層破壊をターゲットにした空気・水・土三相系の境界値問題の有限要素解析
上部工・基礎・地盤一体系構造物耐震性能評価手法の確立に関する研究
軟弱地盤材料の力学特性の統一的な表現手法に関する研究

シャヒン准教授・中井特命教授の研究室のテーマ紹介

地盤材料の構成モデル
模型試験と数値解析による掘削・支持力機構の解明
都市トンネル掘削時の周辺構造物への影響
近接施工を考慮した山留め掘削時の地盤挙動
ジオシンセティクスを用いた地盤補強効果の検証およびメカニズムの解明
種々の載荷条件を考慮した杭の支持力特性の解明


堆積軟岩の力学特性、特に温度・クリープ特性に関する室内試験と構成式の提案


核廃棄物地層処分に関するTHM(水・土・温度連成)有限要素解析


法面表層破壊をターゲットにした空気・水・土三相系の境界値問題の有限要素解析


上部工・基礎・地盤一体系構造物耐震性能評価手法の確立に関する研究


軟弱地盤材料の力学特性の統一的な表現手法に関する研究


地盤材料の構成モデル - Constitutive model of soil -

研究の目的・背景

 近年では,土の多様な力学現象を要素レベルでモデル化し, 初期値・境界値問題として解く数値解析手法(たとえば有限要素解析)が広く用いられるようになってきた。ここで,地盤要素の力学現象をモデル化するとは,すなわち土の応力-ひずみ関係を記述する構成則を定式化することである。土質力学および地盤工学が対象とする問題は,圧密沈下・基礎支持力・斜面安定・地盤掘削・耐震安定など多岐にわたるが,これらの力学的挙動の多くは土の応力とひずみ関係と密接に関係づけられる。
 これらの数値解析で用いられる構成則が土の多様な力学特性を適切に記述することが,解析の精度ならびに信頼性を向上させる。言い換えると,たとえ解析条件を実問題に即して精緻に設定したとしても,解析に用いる構成モデルが不十分ならば得られる解も同様に精度が損なわれたものになるであろう。また,構成パラメータを調整して,便宜的に解析値を実測値に近づけようとも,そこには何の価値もないことも事実である。
 以上のことから,数値解析を用いた地盤挙動の予測とその背景にある現象メカニズムの解明には,土の力学応答を適切に表現する構成モデルの定式化が必須となる。構成モデルにおいて,そのパフォーマンスは最も重要なことであるが,それに至る定式化において,力学的意味が単純かつ明快でなければならないと考える。

以下に本研究が目指す構成モデルの要綱を示す。
a) 明瞭かつ明確な理論背景(多くの研究者や技術者が納得できる有意味な仮定に基づく)
b) 客観性(土質パラメータの物理意味が明確であり,その値も一般的な試験により決定できる)
c) 再現性ならびに汎用性(様々な実現象を再現し,メカニズムの解明に有益な解を与える)

以上のことを満たす構成モデルが開発されれば,それを用いた数値解析は精度ならびに信頼性のある解を常に提供することができる。本研究では,連続体力学および弾性・塑性力学を基礎として,土の変形・破壊に関する力学応答を統一的に説明する構成モデルの開発を目的としている。

主な研究テーマ

一般的な土の構成モデルであるCam-clay modelは,簡単な理論背景で構築されており,さらには,用いるパラメータも少なく,その値も一般的な室内試験から求めることができる。しかしながら,簡単なモデルであるが故に土が持つ多様な力学挙動を全て表現できるわけではない。以下に,Cam-clay modelが説明できない主な特性を示す。
i) 変形強度特性に及ぼす中間主応力の影響
ii) ひずみ増分方向の応力経路依存性
iii) ひずみ硬化中の正・負のダイレイタンシー
iv) 密度および拘束応力の影響
v) 年代効果による土の構造
vi) 異方性
vii) 非共軸性
viii) 時間効果
ix) 繰り返し載荷挙動
x) 不飽和土の力学挙動

これらの挙動を構成モデルに導入することがその後の構成モデル研究の課題となり,今日までに実験的には現象およびメカニズムの解明,解析的にはそのメカニズムに沿った理論の展開が盛んに行われてきている。


模型試験と数値解析による掘削・支持力機構の解明

研究の目的

・地盤の変形・破壊挙動を統一的に評価・予測

従来の慣用法では、沈下・土圧・支持力・破壊などの地盤に関する個々の問題をそれぞれ異なる手法で扱ってきた。しかし、これらの問題は一つの地盤材料の力学挙動として統一して扱う必要がある。
当研究室では、地盤の変形・破壊挙動を統一的に評価・予測できる有限要素解析プログラム「FEM-tij-2D (-3D)を開発し、地盤の挙動の解明と高精度な予測手法の確立を目指す。

・模型実験と数値解析による地盤の挙動の解明

山留め掘削やトンネル掘削時の周辺地盤・構造物への影響、またジオテキスタイルやパイルドラフト基礎などの支持力機構の解明を目的とした模型実験および数値解析の結果を紹介する。

研究のながれ

現場・模型実験・数値解析の比較による地盤挙動の考察

▼地盤の挙動を模型で考察

アルミ棒積層体等で、単純化された小規模な模型地盤を作成し、実験を行っている。比較的容易に取り扱うことができるので、様々なパターンで地盤挙動を検証できる。

▼FEM解析で挙動を再現

土の特性を適切に記述できる弾塑性構成式(subloading tij modelを導入した「FEM-tij -2D (-3D)」を開発し、解析を行っている。土の構成式の精度については、要素試験によって十分に確認している。

▼解析の信頼性を検証

実験結果とそれに対応した解析結果を比較・検討することで、解析の精度を明確な初期条件・境界条件の下で検証している。これまでの実験結果で、解析は模型地盤の挙動を適切に捉えることができている。


都市トンネル掘削時の周辺構造物への影響

現場・模型実験・数値解析の比較による地盤挙動の考察

 都市部におけるトンネル掘削工事はしばしば周辺構造物に近接して行われるため、設計・施工に際してはトンネル掘削と既設構造物の力学的相互作用を適切に評価しておく必要がある。しかし、現在の設計では周辺構造物の影響を十分に考慮しているとは言い難い。そこで本研究では2次元モデル実験と数値解析を実施し、トンネル掘削と周辺構造物の相互作用について検討する。

実験および解析の概要

近接施工を想定したシンプルな発想の模型実験と解析

結果紹介

地表面沈下形状,偏差ひずみ


近接施工を考慮した山留め掘削時の地盤挙動

都市部における山留め掘削工事はしばしば周辺構造物に近接して行われるため、設計・施工に際しては山留め掘削と既設構造物の力学的相互作用を適切に評価しておく必要がある。しかし、現在の設計では周辺構造物の影響を十分に考慮しているとは言い難い。そこで本研究では2次元モデル実験と数値解析を実施し、山留め掘削と周辺構造物の相互作用について検討する。

実験および解析の概要

近接施工を想定したシンプルな発想の模型実験と解析

結果紹介

壁体変位分布,地表面沈下形状,偏差ひずみ


ジオシンセティクスを用いた地盤補強効果の検証およびメカニズムの解明

地盤変位の抑制、土圧の減少、支持力の増加のため、Geosyntheticsを用いた補強土工法が採用される。しかし、合理的な補強土地盤の設計法の確立には、その補強メカニズムの解明は欠かせない。補強土地盤の補強メカニズムについてモデル実験と数値解析の両面から検討を行った。着眼点は補強材の設置深さ、補強材の長さ、補強材の表面摩擦である。

実験および解析の概要

近接施工を想定したシンプルな発想の模型実験と解析

結果紹介

変位-支持力関係


種々の載荷条件を考慮した基礎の支持力特性の解明

杭基礎に作用する荷重条件の違いにより、支持力特性や変形形態は異なるものと考えられる。しかし従来の設計法ではこの点について適切に考慮されていない。そこで、本研究では異なる荷重形式(中心鉛直荷重、偏心鉛直荷重、中心傾斜荷重)のもとで杭本数の異なる2次元モデル試験を行い、荷重形式および杭本数が基礎の変形や支持力特性に与える影響を検証する。同時に、これらの影響に関連して変化すると考えられる周辺地盤の変形にも着目する。それに対応した数値解析を行い、群杭基礎の支持力・変形メカニズムをモデル実験と数値解析により検討する。

実験および解析の概要

載荷条件を適切に考慮した二次元・三次元模型実験

結果紹介

変位分布・支持力特性

変位分布から載荷方式の違いによりひずみの生じ方が異なる事がわかる!!

載荷方式の違いにより支持力特性も異なることが分かる!!