齋藤　雅史

水中での砂柱崩壊実験に基づく土粒子と間隙水の連成計算手法の高度化

福元　豊，大塚　悟

　地盤中の内部侵食は土粒子が水の間隙水と浸透流によって土と水の境界面に位置する土粒子が流れ出し，次第に範囲が広がることによって引き起こされる破壊現象である．この現象によって貯水池堤体や河川堤防などの崩壊といった地盤災害の発生に繋がる．また，内部浸食の発生や進行に関して不明な点が多く，詳しく解明されていない．Bonelliの定義によると内部侵食はその発生機構により，粗粒分の間隔から細粒分が吸い込まれるcontact erosion，粗粒分の間隔から細粒分が流出するsuffusion，浸透流の向きと逆方向に水みちが伸長するbackward piping erosion，水みちの幅が拡大するconcentrated leak erosionというように複数のタイプに分けられる．現状，それぞれのタイプでの理論が提案されているが，細かい部分での解釈まで達していない．
　内部侵食の解明が困難な理由には，直接観察できない土中で発生する点にあり，これらを可視化させる必要がある．これを解決するためには透明な実験装置を用いて実験する必要がある．しかしながら実験となると状況に応じて様々なパターンで用意していかなければならないため，非常に効率が悪い．そのため模型実験に合わせて，土粒子1粒に作用する流体力や移動にかかる時間など，情報を自在に取得することができるような数値計算手法を開発する必要がある．現象の再現を行うにあたって状況に合わせた物質の配置を行い，実験の手間を省けるよう効率化を目指した． 
　内部侵食の発生や進行に関する観察方法の研究が進むことによって現象の理解を深められ土質力学の発展に繋がる．また，内部侵食は粒状体である土に対して流体である浸透流が微視的なスケールで複雑に作用することによって引き起こされる現象であるため，連続体力学に基づいた理論構築に加えて，土粒子レベルで微視的な検討も必要である．
　本研究は内部侵食のような直接観察することのできない地盤の破壊現象を微視的に調べるために，粒子の運動を解析できる DEM（Discrete Element Method， 個別要素法）と流体計算できるLBM（Lattice Boltzmann Method，格子ボルツマン法）を連成させて直接解くことが出来る数値計算について検討した．計算モデルの妥当性を検証するために水中で砂柱崩壊実験を行い，2次元シミュレーションによって得られた結果と比較した．特に本研究では，高レイノルズ数の条件に対応するためのLES(Large Eddy Simulation)モデルを導入した．筆者が行ってきた従来の研究では，実験装置よりも縮小した大きさで計算を行ってきたが，LESモデルの導入によって計算モデルの拡大化に成功し，実験で使用する装置と同一の寸法での計算が可能となった．