土木防災コース

地盤工学研究室

小林 俊一
准教授 Kobayashi Shun-ichi

地盤や交通の脆弱性を数値計算であぶりだす
研究テーマ地盤災害に対するレジリエンス強化
研究分野応用力学、地盤工学、ネットワーク科学

 

研究紹介

大地震による液状化災害や豪雨による土砂災害など、地盤災害は世界中で起こっています。しかし天気予報のような精度で地震の規模、範囲や時期を予測することは今のところ困難です。また地盤調査には限界があるので斜面の地質や地層は表面のごく一部しか分かりません。もし詳細な情報が得られれば精緻な予測ができるようになるかもしれませんが、そのような情報は現実的には得られません。そのため、限定的な情報を活用して地盤や交通インフラの脆弱性を「そこそこの精度」で評価するためには、方法論そのものが研究の対象となります。私たちは力学や数理科学的手法に活用して数値解析手法そのものの開発を行っています。最近は計算機の中に仮想の都市空間や地域を構築し、都市の脆弱性や強靭化を検討するデジタルツインが注目されています。地盤災害のレジリエンス強化を目指して、地域の脆弱性を丸ごと解析する手法にも取り組んでいます。

研究対象

  • ゼミの板書
  • 道路ネットワーク接続性を力学アナロジーで解く
  • 基礎構造物の支持力3次元シミュレーション

メッセージ

ドローンや人工衛星などを使えば、地盤表面の様子はずいぶんと正確にわかりますが、たった1メートルでも地下になると、その実態は土を剥いでみないとよく分かりません。地盤工学が対象とする地質や地層は分からないことだらけです。このように利用できる情報が限られている場合には、過度に正確性を求めるモデル化を行うよりも、多少のデータの不足によっても結果が大きく外れない手堅い予測手法が役に立つこともあります。方法論の開発も立派なモノづくりですし、プログラムのバグを1つ1つ潰していくのは、パズルを解くような面白さがあります。楽しみながら頭を鍛えましょう。

阪田 義隆
准教授 Sakata Yoshitaka

足元に眠る資源エネルギーを使う/守る
研究テーマ地球資源エネルギーの利用と保全
研究分野地盤環境工学、地下熱エネルギー利用、地球情報処理、地下水水文学

 

研究紹介

皆さんの足元，すなわち地下には資源・エネルギーが眠っています。例えば，生きるために欠かせない水は地下水として汲むことができます。地下水は地層のフィルターを通るため，通常良質ですが，都市域では人為的に汚染されていたり，過剰な揚水を続けると地盤沈下などの問題が発生します。また地下は温度が年間を通じて一定に保たれており，地上に比べ相対的に夏は冷たく冬は暖かい温度差を建物の暖冷房や道路の融雪などに使うことができます。こうした地中熱は再生可能エネルギーの一つとして積極的に利用することによって化石燃料の消費抑制や低炭素社会の実現，SDGs達成に貢献できると期待されています。こうした足元の地下にある身近な資源やエネルギーを積極的に活用することが求められる一方，過剰な利用によって枯渇や環境影響が生じないよう管理することが求められます。こうした利用と保全の両立には，日本各地の地下にある地質の分布や構造，地下水や熱の賦存や形態がどうなっているか，更にそれらが今後気候変動や都市化が進む中どのように変遷するかを明らかにすることが議論の土台となります。わたしたちは現場を担う地域の企業や国内外の大学等の研究機関と連携しながら，身近な地下にある地球の資源エネルギーの利用ポテンシャルの現在および将来についてローカルとグローバル，地球科学と地盤工学の双方の視点に基づき評価分析する研究に取り組んでいます。

研究対象

  • 熱応答試験の開発
  • 有効熱伝導率の分布
  • 地質分布の全国推定
  • 地中熱ヒートポンプ
  • ヒートパイプ現場実験
  • クリギング推定
  • 帯水層の流域モデル
  • 複雑な地下の数値再現
  • 礫質土の水みち

メッセージ

皆さんは地面の下にどのように土が積み重なり，水が流れ熱が蓄えられるか想像できますか？それらは何万年に渡る地球のヒストリーの結果であり見る場所や深さによって異なります。資源やエネルギーは適度であれば永続的に使えますが，過剰に使うと短い間にバランスを壊してしまいます。わたしたちの研究は自ら現場に赴き地域毎に複雑な地下を解明するフィールドスタディが基本です。このローカルな研究の積み重ねを普遍化しビックデータや機械学習など最先端の情報技術と組み合わせた新たな地盤工学を創出し，わが国ひいては世界の資源エネルギー評価を行うことが目標です。この大きな目標に向かって，ぜひ一緒に学び課題解決にとりくみましょう。

熊 曦
助教 Xi Xiong

社会基盤施設を支える地盤のことを知る
研究テーマ地盤安定性評価手法の高度化
研究分野地盤工学、土質力学、基礎工学

 

研究紹介

なぜ土砂災害が発生するのでしょう？土砂災害の多くは、長雨や台風などによる集中豪雨がきっかけで発生しています。その理由は、土の持つ特殊な性質にあります。自然界に存在する土の多くは、土粒子や有機物などの固体と水分および空気を含んでおり、均質な材料に比べて複雑な挙動を示します。土に含まれる水分量が変わると、土の強度も変化します。土砂災害による被害を軽減するためには、土中の水分量変化による土の強度特性の変化を理解し、土の材料特性を適切にモデル化する必要があります。この材料モデルを組み込むことによって地盤安定性評価手法の高度化を図り、さまざまな地質の斜面に対して降雨による土砂災害の発生原因解明や災害予測を目指します。

研究対象

  • 降雨による斜面崩壊

メッセージ

近年は地球温暖化に伴う気候変動によって、集中豪雨などの極端気象の頻発が懸念されています。災害に強く快適な生活環境を実現・保全していくためには、社会基盤の整備や維持が不可欠です。この点で、地盤工学が果たす役割はますます重要になってきます。私たちの研究室はマクロ（地盤材料の室内実験）からマクロ（原位置試験、現場試験）の幅広い視点に立ち、最先端のコンピュータ技術を応用して、地盤の特性を調査しています。地盤工学分野の国際性を理解し、世界の研究者と交流し、連携を深めていく研究スタイルを重視しています。

  • ゼミの板書

    地震、風、波浪など繰返し荷重を受ける構造物や地盤を想定し、その安定性評価ための理論について説明したゼミの板書です。安心・安全な社会を支える社会インフラを建設・維持管理ためには、数学の力を借りて力学現象を記述し、その挙動を計算機でシミュレーションする必要があります。

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  • 道路ネットワーク接続性を力学アナロジーで解く

    道路ネットワークの問題とバネ・質点系の問題は、意外な共通点があります。金沢と武生を結ぶ独立経路の本数をバネに蓄えられるエネルギーで近似的に評価してみると、意外に相関があります。

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  • 基礎構造物の支持力3次元シミュレーション

    土木・建築物は基礎構造を介して地盤と接しています。どのくらいの荷重が作用すれば地盤が破壊するのか、3次元シミュレーションによって評価しています。

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  • 熱応答試験の開発

    熱応答試験とは地中熱交換器に一定加熱量で熱媒を循環した時の温度上昇から有効熱伝導率を推定する手法です。私たちは光ファイバー温度計による多点深度データと理論解の収束判定から地盤を構成する各地層の有効熱伝導率と層厚を同時的に推定する手法を編み出しました。参考文献DOI: 10.1016/j.geothermics.2020.10188110.1016/j.geothermics.2017.09.004

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  • 有効熱伝導率の分布

    有効熱伝導率は地中の熱エネルギー利用評価の上で基本となる物性値です。私たちはクリギング推定で得た存在しうる全ての地質の分布確率をそれぞれの最尤層厚とみなし、確率加重平均により有効熱伝導率を推定する「確率加重平均法」を提案しました。これにより日本の堆積地盤に多い漸移的に地質が変換する地盤の有効熱伝導率の空間変化をより実際に近い分布として推定することが可能になりました。参考文献：特許番号6854011

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  • 地質分布の全国推定

    本図は国土交通省が所管する約6万本の井戸情報からインディケータクリギングにより想定した全ての地質の分布確率を求め、その内最大分布確率となる地質の分布を表した全国地質図になります。実際は500 mグリッド、深度5 m毎に推定していますが見やすいよう10 kmグリッドにコンバートした深度50 mの分布を示しています。参考文献 DOI: 10.1016/j.geothermics.2020.101881

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  • 地中熱ヒートポンプ

    日本に豊富にある地下水を環境に配慮しながら水資源としてだけでなくエネルギー資源としても活用することが今後、求められます。本実験では井戸から汲み上げた地下水を熱源としてヒートポンプで採放熱した後、再び同一の井戸の別深度に戻すシステムの性能評価を行っています。また井戸の目詰まりの発生プロセスを地下温度と同じ環境とした大型水槽内に流した場合の進行を測定する地下水環境模擬実験も併せて行っています。

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  • ヒートパイプ現場実験

    ヒートパイプではパイプに封入された熱媒が地中（下端）で気化（蒸発）し上端（地上）で液化（凝縮）することで熱移動を行います。このサイクルにより無電源で自律的かつ持続的な熱エネルギーの利用が可能です。これは地下水が流れるサイトの地下にヒートパイプを挿入し採熱性能向上を評価した実験風景です。参考文献 DOI: 10.1111/gwat.12236 DOI:10.3390/hydrology8030135

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  • クリギング推定

    クリギングは、空間データからデータの無い位置の値を推定する手法です。その特徴として、クリギングではデータは現象の空間特性を反映した確率現象の結果であると考え、データの統計的分析に基づき確率論的に最良な推定値を得ることができます。様々な現象に対応する汎用性とともに地下の構造などデータが不足し不確実性のある空間分布に対するマルチ推定にも活用可能です。参考文献：クリギング入門（コロナ社）

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  • 帯水層の流域モデル

    地下水の持続的な利用を行うには流域全体の地下水収支を定量的に評価することが重要です。流域全体の水理地質構造の解釈を踏まえた数値モデルから地下水の収支を見積もります。特に本モデルは河川から地下水への涵養現象の再現に注目しています。こうした数値モデルは水資源・環境の影響や汚染の予測など様々な検討に用いられます。参考文献 DOI:10.1080/02626667.2015.1125481

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  • 複雑な地下の数値再現

    地下水の流れやすさを示す透水係数は土の粒子の大きさや間隙の分布など様々な条件で複雑に分布します。この分布を地球統計学の手法である逐次ガウスシミュレーションを用いて計算機上で多数再現し、それらを条件とした地下水・熱輸送シミュレーションにて地下温度の計算が観測と一致する分布を特定します。参考文献 DOI: 10.1111/gwat.12236 DOI:10.1007/s10040-013-0961-8

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  • 礫質土の水みち

    礫質な地盤は透水性が高く地下水を蓄える良好な帯水層ですが、実際にはその透水性は一様でなく、特定の高透水な水みちが存在します。礫質地盤にて特殊なサンプリング技術を用いて不攪乱試料を採取すると細粒分の充填程度に分類することができ、それらの厚さの分布と透水性から水みちを特定することができます。参考文献 DOI:10.1007/s10040-013-0961-8

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  • 降雨による斜面崩壊

    降雨による斜面崩壊のモデル実験です。斜面崩壊が発生しやすい箇所は、降雨パターン（降雨強度、継続時間など）によって異なります。被害を少しでも防ぐために、水分量の変化による土の特性の変化を理解し、その特性を定式化する必要があります。わたしたちは、降雨による斜面崩壊の原因の判明、及び様々な地質条件下で地盤安定性評価手法の高度化を目指しています。

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