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京都大学大学院 工学研究科 社会基盤工学専攻 地盤・水工学講座 地盤力学分野
岡二三生 教授 様
地盤の力学特性の把握と数値シミュレーションで
安全な社会基盤の構築と維持を目指す

お話を伺った方

東京大学地震研究所 堀教授京都大学大学院
工学研究科 社会基盤工学専攻
地盤・水工学講座 地盤力学分野
岡研究室 教授 岡 二三生様

1948年生まれ。
1977年京都大学大学院工学研究科(土木工学)博士課程終了。
1977年京都大学助手
1979年岐阜大学講師
1980年岐阜大学教授
1997年京都大学教授、現在に至る。工学博士。

【研究分野】
地盤工学(地盤材料の構成式、弾粘塑性力学、計算力学、シミュレーション、エネルギー資源および開発、地盤災害・防災、基礎工学)

【受賞学術賞】

  • 土質工学論文奨励賞(1980年)
  • 土質工学論文賞(1986年)
  • 土木学会論文賞(1993年)
  • Award for Significant Paper, International Association for Computer Methods an Advances in Geomechanics(1997)
  • Award for Excellent contributions award: Regional 2005, International Association for Computer Methods an Advances in Geomechanics(2005)
  • 地盤工学会論文賞(2005年)
  • 地盤工学会関西支部学術賞(2006年)
【所属学会】
  • 土木学会
  • 地盤工学会
  • 日本材料学会
  • 日本機械学会
  • 応用数理学会
  • 形の科学会
  • 国際地盤工学会(国外)
  • アメリカ機械学会(国外)

京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻は、1897年(明治30年)に発足した京都理工科大学土木工学科の流れをくむ110年以上の歴史を有する学問分野です。2003年に土木工学専攻、環境地球工学専攻、資源工学専攻の一部に、防災研究所および学術情報センターからの協力講座が加わり、全7講座15分野の社会基礎工学専攻が発足、現在は全8講座16分野から構成されています。

社会基盤工学専攻は、「工学基礎(Engineering Science)」の立場から、「最先端技術による問題解決」「安全・安心で潤いのある社会基盤整備の実現」「地殻資源の持続的な利用の実現」の3つの理念の下、社会基盤を支える基礎的技術の継承・統合・展開を通して、社会基盤の整備、維持管理、防災に関する新たな解析技術・設計法や、資源エネルギーの探査・開発・利用に関連した技術を創生・開発し、人類の持続的発展と資源の安定供給、地球環境との調和に技術的側面から貢献するための教育・研究を行っています。

岡研究室は、岡二三生教授、木元小百合准教授、肥後洋介助教の3名の教官が、社会基礎工学専攻8講座のうちの地盤・水工学講座で地盤力学分野を担当、社会基盤構造物を縁の下で支える地盤の研究・教育を行っています。特に、最近は、不飽和地盤のモデル化、液状化対策としての改良地盤の動的挙動の解明、新エネルギーとして期待されるメタンハイドレート掘削時の海底地盤変動予測、粒子法による斜面崩壊などの大変形解析法の開発、マイクロフォーカスX線CT装置による内部微視構造の可視化などを行っています。

今回は岡二三生教授に、地盤の力学的特性とそのモデル化や数値シミュレーションによる予測・解析などについて伺いました。

実験と解析をバランスよく組み合わせて地盤材料の力学特性を把握

地震や台風・豪雨などによる、大規模な土砂崩れ、土石流などにより多くの道路の崩壊、建物の倒壊など多くの災害が発生しています。道路や建物などの社会基盤構造物を支えるのは地盤です。安全な社会基盤を構築するには、構造物の建設や地震、風化、温度変化などさまざまな外的作用に対する地盤材料の応答を高精度に表現することが必要になります。

当研究室は、工学基礎という立場から安全・安心な社会基盤を構築することを目的に、実験と解析の両面から力学特性を研究しています。

実験では、砂・粘土・岩あるいはガスハイドレート等の自然界で堆積・形成された地盤材料や、自然状態では強度・変形性能が劣る地盤材料にセメント、水ガラス等人工材料を混合して補強した材料による改良土等、ジオマテリアル全般の力学的挙動について、基礎的な力学特性を要素試験によって明らかにしています。一方解析では、構成方程式を開発しモデル化を行い、掘削・液状化挙動など実際の現象を数値シミュレーションし、挙動を予測するという流れで研究を進めています。このため実験は大きなテーマの一つで、地盤材料の力学的な強度や変形特性を測るための三軸試験機やそれを可視化するためのマイクロフォーカスX線CT、電子顕微鏡などを用いた実験を行っています。実験と数値解析をバランスよく組み合わせることで、個々の地盤材料の特性を理解し、精度よく挙動を予測するようにしています。

地盤材料の力学的な強度や変形特性を測る必要があるのは、地盤材料の物性自体がわかっていないからです。地盤材料は、基本的には粒状体で形成されていますが、粒状体と粒状体の間は水や空気あるいはそれ以外の物質で満たされている多相系の混合体であり、金属や樹脂等の完全な人工材料とは根本的に異なります。年代的にも、空間的にも、地域的にも千差万別多種多様で、ひとつとして同じものはないと言っても過言ではありません。時には、自然材料なので初めて目にするものもあります。したがって地盤の変形や破壊の予測、液状化のシミュレーションを高精度に行うには、ジオマテリアルの材料自身の力学特性を表現する構成モデルがより精密なものであることが要求されるのです。

このため当研究室では、さまざま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ています。それとともに変形の局所化を含む破壊予測解析にも十分適用できる、ひずみ勾配依存性、材料不安定性、熱依存挙動も考慮した弾粘塑性及び弾塑性構成式の開発を行っています。

ジオマテリアルの材料は、その地点ごとに実際に採取しないとわからないところがあり、それを誰かがやらなければなりません。それをやった上で、材料の物性を把握し、モデル化してシミュレーションをし、予測するという非常に手間がかかる研究なのです。そこが流体力学である程度挙動がわかっている水とは大きく異なるところです。

図1:要素試験の実験と解析の比較 図1:要素試験の実験と解析の比較

土・水・空気の相互作用を考慮した変形予測手法の確立を目指す

新潟県中越地震、福岡西方沖地震、新潟中越沖地震、岩手宮城内陸地震や福井豪雨など、近年、台風・豪雨、地震による山地斜面の崩壊や河川堤防の崩壊など激甚災害が多発し、わが国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、土石流等地盤の破壊現象は、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。しかしながら、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に解明されておらず、メカニズムに基づく変形予測手法の開発が緊急課題となっています。

当研究室では、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、さまざまな研究を行っています。具体的には、3次元条件下での変形の局所化を伴う複雑な破壊現象を精密に観察するため、砂・粘土・軟岩について三軸試験を行い、画像解析法により破壊に至るまでの様子を観察しています。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。

図2:実地盤の大規模破壊現象シミュレーションの例 図2:実地盤の大規模破壊現象シミュレーションの例

高精度予測で液状化の防止対策とハザードマップを作成

1964年の新潟地震で鉄筋コンクリートの県営アパートが基礎部分から倒壊して以来、地盤の液状化現象が注目されるようになりました。地震時における液状化は、主に緩く堆積した砂地盤が地震によって液状化し、噴砂になって地表に噴出すもので、地盤に大変形を引き起こします。特に、1995年の兵庫県南部地震では神戸のポートアイランド全域で液状化が発生するなど、地盤に関連する地震被害の中で、今日、液状化は最重要視されています。また、地盤構造物の耐震設計の潮流は、液状化時の変形量を正確に予測することを要求する性能設計に移行しつつあることから、液状化を防止する対策に関する研究が世界的に精力的に進められています。

当研究室では、近い将来に発生する確率が高いと言われている東南海地震や南海地震などの大規模な地震に備え、液状化を高精度に予測し、防止する対策に関する研究を精力的に進めています。

具体的には、土骨格と間隙水の二相系の運動方程式を解き、地盤―構造物間の相互作用を考慮して液状化した地盤の大変形を評価できるシミュレーション手法の開発に取り組んでいます。液状化のシミュレーションにあたっては、砂や粘土の挙動を精密に表現する必要があることから、中空ねじり三軸試験装置を用いて地震を再現した繰り返し載荷試験を行い、ジオマテリアルの力学特性を捉えることで力学特性を表現可能な構成式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法の検討も行っています。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。

図3:液状化危険度を評価するハザードマップ 図3:液状化危険度を評価するハザードマップ

メタンハイドレートの安全かつ合理的な取り出し法を研究

次世代の新エネルギーとして今、注目されているのがメタンハイドレート注)です。
注)メタンハイドレートは、日本近海の海底面下200~400mの砂やシルトと呼ばれる柔らかい堆積物の中に低温高圧下でシャーベット状の固体で存在している。最近に研究により、東部南海トラフ海域における原始資源量は1兆1415億m3(40Tcf)と算定された(2008/3/5経済産業省発表)。

その発掘には未知の部分が多く、メタンハイドレートを発掘することにより、その地層の圧縮大沈下、海底地滑り、ガスの放出、そして海洋生物への影響等が懸念されています。メタンハイドレート研究は非常に困難な問題の一つですが、サイエンスという立場だけではなく地盤環境という面からも行っていく必要があります。

このため当研究室では、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わたり安全に維持するための技術開発を目ざして、ハイドレートの物性および力学特性の評価を行うことにより、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行っています。

図4:メタンハイドレート研究 図4:メタンハイドレート研究

プログラム開発で中身が理解できる教育を

当研究室には、修士課程に8名、博士課程に4名の大学院生が在籍しています。そのうち修士は1名、博士は3名が留学生です。理論の説明は前期で行い、後期は自分でプログラムを開発させるようにしています。今、大きなプログラムを自分でつくることは大学でも減っており、パッケージを組み合わせて使うことが多くなってきました。しかし、当研究室では訓練の意味も含めて、簡単なプログラムを実際につくらせています。数式化しているものをコンピュータ言語に置き換えていく。アルゴリズムを当てはめて、それを言語でプログラミングしていくという方法です。それは、プログラムの中身をある程度理解し自分の中でホワイトボックスにしておかないと、問題が起こったときに何が原因か究明できないし、並列化をしようとしてもコーディングがわからないとできません。プログラムをつくるということは、院生の能力向上に必要と考えています。

私は、もともとは地盤の研究室出身で、その後耐震の研究室で助手をしていました。耐震の研究には地盤の研究成果がある程度使えたからです。そのころアメリカで計算で予測するというテーマが出てきて、液状化の研究者が少なく伸びそうだということで液状化の研究をはじめました。もう30年前のことです。当時は室内試験である条件下で液状化が起こるかということがメインで、細々とやっていました。もっと液状化を本格的にやる必要があるのではないかと思っていた矢先に兵庫県南部地震が発生、私の研究がすぐ使えるという状況でした。その後液状化の研究もだいぶ進み、日本は地震国ということもあって液状化を含めた地震分野の研究は世界でも突出しています。液状化のモデルをダイレクトに設計に取り入れているのは日本だけではないでしょうか。

一方、今注目のメタンハイドレートは、地盤だけでなく温度やガスの問題があるので非常に難しい面があります。しかし、日本は地盤力学で世界の最先端を行っており応用分野も広いので、今後さらに発展していく可能性を秘めています。

大学の研究成果を社会に活用する工夫を期待

地震や台風などの自然災害が多発する日本にあって、地盤力学に強ければビジネスチャンスはたくさんあるのではないかと思います。ただ日本のコンサルタントは、ほとんどが使い方のコンサルタントであって新しいことにチャレンジしようとする姿勢が欠けるように思います。CTCさんもメタンハイドレートの共同研究に加わっており期待しているけれども、もう少しオーソドックスに進めることを期待しています。当研究室の成果はいつでも使っていただけるように用意してあります。1つの解決法ではなくいろいろな意味で代替してみる。それをやっていかなければ難しい問題は解決しません。メタンハイドレートの研究もメタンハイドレートのみを目的にしているわけではなく、不飽和地盤、災害時の地盤の変形、化学反応、核廃棄物処理などさまざまな分野に応用可能です。モデルを他の分野にも使う工夫をして使っていくという方法もあります。大学が開発したプログラムをもっと有効利用していただければ、お互いにメリットもあるのではないでしょうか。

いずれにしても、安全で経済的な社会基盤を構築するためには、大学、企業、国内、国外という枠にとらわれず、世界中のどんな方法、どんな人がやってもいいと思います。防災も環境も世界的に見てこれ以上のものはないという最高のもので予測したのであれば、国民も納得するでしょう。我々の研究成果も、そういう風に活用されることを願っています。

インタビューを終えて │ 後 記 │Editor's notes
CTCは2002年度よりメタンハイドレート資源開発研究コンソーシアム(略称:MH21)に参画しており、環境影響評価分野の“地層変形予測プログラムの開発”を担当しています。海底地盤下のメタンハイドレートからメタンガスを生産する際の、周辺地盤の変形予測をするために、岡先生の研究室で数々の実績を挙げられた地盤の構成則を適用させていただいており、岡先生には多くの技術的支援を賜っております。先生からはいつも“熱い言葉”を頂き、先生の研究に対する真摯な姿勢に感銘を受けております。先生が述べられているCTCの課題・期待に対しまして応えるべく、社会に還元する成果を出していきたいと思っています。
長い時間のインタビューをありがとうございました。(聞き手:CTC亀岡)

大学・研究室概要 京都大学大学院 工学研究科 社会基盤工学専攻 地盤・水工学講座 地盤力学分野 岡研究室 
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