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

基于混合理论和临界状态理论的边坡破坏与泥沙流模拟器的开发与应用

基本信息

批准号：
22H01734
负责人：
山田正太郎
金额：
$ 10.9万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2027-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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．

这项研究旨在根据基于连续近似的最新计算岩土理论开发用于斜率灾难的数值模拟器。在研究的第一年中，我们试图根据乘法梯度的乘法分解理论有限地变形在极限状态土壤力学中开发的CAM-clay模型。它指出，先前的乘法分解凸轮 - 粘合模型无法描绘状态边界表面，这是一个实验事实，构成了极限状态理论的基础，并且通过热力学考虑，可以在塑性体积变化发生时应用新的应力。基于此考虑，通过重建乘法分解型凸轮 - 粘土模型，完成了真正遵循极限状态土壤力学的弹性塑料本质定律的基本形式。目前的不饱和土壤分析方法基于三相混合物的理论。但是，由于需要在饱和状态下确定间隙气压，因此该方法会产生数值不稳定。因此，我们试图开发一种基于两相混合物理论的孔隙水和孔隙空气行为的方法。该方法使用相位场方法近似孔隙水和孔隙空气之间的界面运动。目前，界面成为一个不饱和区域。今年，我们进行了不饱和渗透流量分析，忽略了土壤骨骼的运动，并表明该技术通常可以再现以前不饱和渗透实验的结果。但是，在此阶段，尚未完全考虑水分特征曲线表达的土壤的水分保留特性。因此，在这项研究中，我们使用相位场方法开发了一种单独的宏观不饱和渗透方法，并通过模拟土壤的水位保留测试，可视化水分特性曲线中的滞后。将来，我们将考虑如何基于这种方法表达宏观不饱和渗透流量分析中的水分保留特性。