社会基盤工学プログラム[新潟大学工学部 力学分野]

研究プロジェクト
Research Project

応用力学分野Applied Mechanics

応用力学分野では、土木工学に関連するさまざまな力学挙動を数理モデルで表現し、対象とする力学現象やそのメカニズムの解明に関する研究に取り組んでいます。
構造物の最適形状創成では、所定の荷重や音源の下で所定位置での発生変位や観測音圧を最小化させる構造物の形状をコンピュータシミュレーションで自動的に生成する方法を提案しています。また、応用力学の知見を活かした鉄道力学の諸現象の研究では、レールや軌道の座屈解析やレール軸力測定、車輪・軌道系の連成振動解析やバラスト道床沈下シミュレーションなど、鉄道の軌道設計・管理の実務において重視される諸現象を応用力学や計算力学的なアプローチから考察し、鉄道工学における最先端の知見を発信し続けています。
これ以外にも、積雪沈降現象に伴う構造物への作用力評価や構造物の変形解析、構造物と地盤との連成系の波動応答解析や鋼製組立網の変形解析、岩盤の発破シミュレーションや境界要素解析の効率化など、最先端の研究課題に取り組んでいます。

近年の研究テーマ

(1) レール軸力など鉄道軌道における力学状態の推定手法の開発
(2) 工事や列車走行に伴う振動の予測と低減策に関する研究
(3) バラスト道床沈下量の高精度・高効率定量予測手法の実用化に関する研究 ほか多数

研究室HP:http://applmech.eng.niigata-u.ac.jp/index.html
教員:教授:阿部和久、教授:紅露一寛
居室:工学部C2棟C2-206(阿部)、C2-205(紅露)、C2-201(学生研究室)、C3棟(実験室)

数理モデルを用いて様々な力学現象の解明に取り組む

研究のキーワードが「力学」であることもあって、力学の知見を活用した研究テーマが多岐にわたっていることは、私たちの研究室の特色の一つです。例えば、鉄道の力学諸現象の研究や、周期構造物内の波動伝播、岩盤の発破シミュレーション、積雪沈降と構造物変形の連成問題などに取り組んでいます。

レール軸力など鉄道軌道における力学状態の推定手法の開発

レールに太陽光が当ると、レールは温度上昇を受け、熱膨張しようとします。しかし、継ぎ目の無いロングレールはまくらぎに締結されているので、伸縮が拘束されます。その結果、レール内には長手方向に押す力(圧縮軸力)が発生します。この力が大きくなると、図(上)の様に軌道が蛇行するように変形してしまいます。「座屈」(張り出し)と呼ばれるこの現象を未然に防ぐためには、レール軸力や張り出しに対する抵抗力を測り、軌道を適切な状態に保つ必要がありますが、未だに効率的な測定方法がありません。
近年は営業車の走行時に、車両側から軌道形状を測定可能となってきています。レール軸力が変化すると軌道形状がわずかに変化しますので、この関係を利用すれば、測定で得た変化から逆に軸力が求められそうです。例えば「ばねばかり」は、荷重が作用した結果ばねが伸びるという関係を利用して、ばねの伸び(結果)から逆に荷重(原因)を求めています。そのためには、荷重とばねの伸びとの関係(ばね定数)が必要ですが、軌道の場合も、このばね定数に相当する値を理論的に導出できれば、軌道形状の変化から軸力を求めることが可能となります。図(下)は、数値シミュレーションで求めた軌道形状の変化から、レール軸力を求めた結果です。設定軸力(正解)と推定値とは良い一致を示していて、軌道形状の測定データからの軸力推定が原理的に可能であることが確認できます。現在、鉄道事業者と共同で研究を進めています。

バラスト道床沈下量の高精度・高効率予測手法の実用化に関する研究

国内外の鉄道の多くには、列車荷重の分散・衝撃力の作用の緩和・振動低減を目的として、レールとまくらぎの下にバラスト道床として25cm程度の層厚で砕石を敷設します。バラスト道床には、非常に多数回の列車通過の結果「道床沈下」と呼ばれる残留変位が発生します。本研究室では、弾塑性有限要素法を用いた道床沈下量の高精度・高効率予測手法の開発に取り組んでいます。
近年では、軌道振動解析をうまく組み合わせることで、列車通過時に衝撃応答が発生するレール継目部でのバラスト道床沈下量の定量予測を実現することができました。




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セメント・コンクリート分野Cement Concrete

本研究室は、コンクリートを生成水和物の集合体として捉え、個々の生成物の性質からコンクリートの各種性能を評価する一連の手法の構築に取り組んでいます。これらの研究により、要求される性能を満足するコンクリートを造るための適切な材料・配合設計が可能となり、産業副産物のコンクリートへの利用や構造物の維持管理など、コンクリートに関連する多くの問題解決につながります。また、放射性廃棄物処理施設に代表されるような、何千年後であっても性能を保持することができる超高耐久コンクリートの設計や、産業副産物を利用した“付加価値の高い”セメント・コンクリート材料の設計手法の構築にも取り組んでおり、様々な分析機器・分析手法を用いて“物理化学的知見”から現象の解明を行っています。

研究室HP:http://concrete.eng.niigata-u.ac.jp/
教員:教授 佐伯竜彦(コンクリート工学)
准教授:斎藤豪(材料化学、セメント・コンクリート化学、分析化学)
居室:工学部C2棟 3階 C2-305、306

薄板供試体を用いたコンクリート構造物の劣化調査および維持管理手法の提案

北陸地方において問題となっているコンクリート構造物の劣化原因の一つに塩害があります。構造物の劣化要因には、コンクリート自体の性能と環境条件があります。性能に関しては多くの研究がなされていますが、環境条件についてはあまり研究がなされていません。そこで本研究室では、薄板供試体というものを用いて研究を行っております。薄板供試体を用いた環境条件の評価方法は、現在用いられている測定方法と異なり、短期間で部材ごとに評価が可能である等の利点があります。この測定方法が確立されれば、LCCの削減が可能になり、社会的意義が大きな研究です。

セメント水和物の結晶構造に着目した新材料の設計および劣化機構の解明

セメントは水と反応することで様々な化合物を生成し、硬化します。本研究室ではセメントの反応物である、カルシウムシリケート水和物やカルシウムアルミネート水和物の結晶構造や、それらが集合した凝集体構造に着目し、生成する水和物を“制御”することで、再生可能な新しいセメントの設計、セメント系新材料の開発、超高耐久コンクリートの設計およびコンクリートの劣化現象の解明を行っています。

長期供用された歴史的コンクリート構造物の化学分析

コンクリート構造物の長期供用のための基礎資料を得ることでコンクリート構造物の維持管理や設計に役立てることを第一の研究目的としています。具体的には、大正、昭和初期に建設され、長期間供用されたコンクリートの分析をセメント水和物に着目して実施しています。また、コンクリートの分析を行う際に骨材の影響を排除するために、重液を加えて骨材とセメントペーストを遠心分離器によって分離する重液分離の手法を立案しました。この手法により水和物に及ぼす影響を定量化する研究を行っています。




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水工学分野Hydraulic, Coastal and River Engineering

地球は水の惑星と呼ばれるほどに豊かな水をたたえ、水は誰にとっても身近な物質の一つです。人類は、日本のような湿潤気候の国ではありあまる水との折り合いに悩み、乾燥気候の国ではわずかな水を如何に逃さないかに苦慮してきました。水工学では、台風や線状降水帯などのさまざまな降水現象、河川の普段と洪水の流れ、風波や津波による沿岸部での波動現象、地下水の流れなどを学問対象にします。水は人をはじめとする生物にとって不可欠な物質であるうえ、その運動を日常生活でしばしば目にしますが、現在においてもなお科学的に説明できない現象がたくさん残っています。
近年のICT技術の目覚ましい発展は、地球上の様々な水の運動を克明に描き出すための計測技術とコンピュータシミュレーションの両方の技術水準の引き上げに大きく寄与し、未解明の現象の理解が急速に深まってきています。水工学の命題は、あらゆる形態の水の運動の理解に基づいた快適かつ安全な人々の暮らしの創出への貢献です。例えば、発生が間近とされる南海トラフ大地震に伴う津波の減災を考えたり、茨城県常総市を襲った鬼怒川の大水害の原因究明や再発防止策を提案したり、治水ばかりを優先したために劣化が著しくなった河川の自然環境の復元技術を開発したりします。また、水の運動は地形形成の主要因の一つとなるため、河川や海岸の地形ばかりか火星などの他の惑星における地形の形成過程の解明にも水工学の貢献が期待されています。
今、水工学は先端科学技術がもたす質的転換の時期を迎え、人類の永続のために解決が不可欠となる、自然災害の予防と減災、自然環境の持続的維持を実現する基盤学問として強い脚光を浴びています。







河川工学分野 River Engineering

研究室HP:http://rde.nhdr.niigata-u.ac.jp/lab/
教員:准教授 安田 浩保(水理学・河川工学・コンピュータサイエンス・自然災害科学)
研究室・実験室:環境エネルギー研究系 213、204、205

安心・安全な河川技術の確立

水は、全ての生命の維持に不可欠なものです。一方で、極端な気象現象が生じやすい近年では日本のような多雨地域では、水は、河川の周辺では猛威を振るい、生命の存続さえも脅かします。水工学の社会的使命の一つは、自然災害の緩和技術の提供です。しかし、河川の物理機構の多くは依然として未解明のため、現状では予測と予防という能動的な対策が講じられない大きな課題が残っています。水工学研究室では、安心・安全な河川技術の確立に向け、従来からの物理学と様々な技術分野に革新をもたらしている情報科学を融合した最先端の研究方法を用い、不明なことが多い河川物理を解明する基礎研究と、それを応用して工学課題を解決する実用研究を並行して実施しています。

(1)蛇行などの周期形状の形成機構の解明(自己組織化現象、データ駆動科学)

河川には人を魅了する蛇行や水底の河床波等の周期形状が形成されます。これらの形成機構には20世紀初頭から科学的関心が集まってきました。しかし、未だにそれらの詳しい物理機構は謎のままです。その主因として、流水中の水底面の物理の測定手法の未確立が続いてきたことが挙げられます。水工学研究室では、流水を駆動源とした水底面の土砂輸送がこのような周期形状の形状要因と推測されることに注目し、流水中かつ従来法より10万倍も高分解能な河川物理の計測法(ST:Stream Tomography)の開発を行い、不明な物理の解明に挑戦しています。STにより取得された高分解能データは、河川物理の解明における初めてのデータ駆動科学による研究を可能とし、不明な河川物理を解明する画期的な研究成果が相次いで得られています。

(2)壊れにくい柔靱な河道および河川構造物の設計法の開発(自然模倣型工法)

気候変動によって想定を上回る洪水が頻発しています。このような洪水が発生すると、右図の2011年の音更川(北海道)での被災事例のように直線的な流路から突如蛇行が発生し、堤防の浸食、橋梁や河川と併走する道路の流失に至ります。このような顕著な流路変動は、国内の人口居住地近傍の約10万キロの流路の半数近くで発生する可能性があります。しかし、現在の河川工学では流路変動の予測と予防はできません。そこで、蛇行の形成機構など普遍的な力学法則に基づくことで、洪水時にも壊れにくい柔靱な河道と河川構造物の設計法の開発に取り組んでいます。開発した技術は、国土交通省の協力を得て、実河川に適用して、その性能実証も行っています。

(3)安全な避難を実現する洪水予測法と監視法の高度化(ビッグデータ、IoT、人工知能)

日本の河川監視は質・量ともに世界最高水準です。しかし、国が定める重要箇所でさえ数km間隔の水位監視のみかつ河川堤防は0.1km程度毎の凹凸があるため、氾濫箇所とその開始時刻の把握は非常に困難です。安全な避難の実現に向け、データ同化を導入した新しい洪水予測法と、IoTと人工知能を融合した革新的な監視システムを開発しています。この研究は、信号処理と素粒子実験物理の研究グループと異分野融合の研究体制を構築して実施していることも大きな特徴です。






海岸工学分野 Costal Engineering

研究室HP:https://www.eng.niigata-u.ac.jp/~stormsurge/index.html
教員:准教授 中村亮太(海岸工学)
居室:工学部C2棟 2階 C2-204

沿岸域における持続可能な発展に貢献する海岸工学の研究

海岸工学は,海岸線から沖合数キロメートルまでの波浪の特性やそれにともなう海岸過程を対象とした学問です.近年では世界各地で沿岸域災害が多発しており(近年の事例:2018年インドネシア・クラカタウ火山島の噴火による津波被害や大阪湾における高潮被害など),その物理メカニズムや被害機構の解明が海岸工学の主要な課題となっています.さらに,気象学における地球温暖化後の極端な気象・海象,降雨の変化やUAV(ドローン)を用いた海岸の地形変化の高精度計測に関する研究が活発に行われています.新潟大学海岸工学研究室では,津波・高潮・高波の機構の解明や温暖化影響評価,海浜変形の現地調査と数値計算,人工知能の海岸工学への応用,海岸工学に関する水理実験を基本として,沿岸域における未来の持続可能な発展に貢献する海岸工学の研究を行っています.それらの研究では,現地調査,数値計算,水理実験などの研究テーマに適した手法を用います.

ここで,海岸工学研究室では優秀な学生とともに世界各地のトップレベルの研究者(アメリカ,カナダ,イギリス,エストニアなど)や国内の特定の技術を有する研究者と共同して,海岸工学と大気科学に関する基礎・応用研究を行っています.また,国際的に共同するだけではなく,最先端・独創的な研究で世界的に競争している研究内容もあります(地球温暖化後を想定した研究やAIを用いた研究等).以下に紹介するのは,学生が提案して,立ち上げた当研究室の研究項目の学生による紹介です.このように,学生が主体的に海岸工学研究室を運営しており,教員は助言を行うアドバイザーとなって研究活動が行われています.

(1)沿岸域における地形変化機構の解明

将来的な沿岸域の地形変化を捉えるためには、モニタリング技術の高度化と、気候変動を踏まえた影響評価を両立して行うことが重要です。海岸工学研究室では、新潟県の海岸や河口で頻繁に発生する海浜変形を対象として、UAV等(DJI社やPowerVision社製)の最新機器を用いた現地調査と、土砂輸送の高度な数値シミュレーションを実施しています。その結果、従来では解析に困難を極めた複雑な物理場が起因となる地形変化を、定量的に評価した研究成果が得られています。このように、既存の枠にとらわれない挑戦的な研究手法から、水工学において難解な土砂輸送の問題に取り組んでいます。

(2)人工知能の海岸工学への応用

マリンレジャーから海上工事の可否判断までと幅広く波浪予測が必要とされています.しかし,現在用いられている波浪予測には計算コストが大きい数値計算モデルが用いられており,企業や自治体が利用するには限度があります.そこで,人工知能を用いて波浪を予測させることによって,誰もが低コストで利用することができます.学習済みのデータを用いれば個人pcでも波浪予測が可能になります.海岸工学研究室では波浪予測の他に地形変化や転移学習による予測などの研究も行っています.センシング技術の向上により高頻度,高精度での観測が可能となった現在,人工知能を用いた予測は従来の予測手法のありかたを変えていくでしょう.

(3)実験スケールにおける津波にともなうコンテナ漂流の数値解析

島国である日本において津波の防災は重要な課題となっています.津波被害は津波の流体力だけでなく津波漂流物によるものも大きいとされています.しかしながら,津波による漂流物の物理的なプロセスは詳しくわかっていません.そこで数値流体解析ツールを用いることで既存の水理実験では解析することの難しい現象の再現とその力学的運動の解明に取り組んでいます.今後はローカルな視点でも得られた結果を用いて有効な防災の提案いたします.




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地盤工学分野Geotechnical engineering

土構造物は,「水」との付き合いが問題となります。近年では,全国的に集中豪雨が多発しており,それによる盛土や河川堤防の決壊により住宅被害や水害が起こっており,自然環境との共生が求められます。また,冬季では,地域によって降雪がある一方で,その降雪による浸透・蒸発の繰り返しにおける,地盤変状などの問題も今後の課題となってくると考えられます。その自然環境下の中,河川堤防や自然斜面,さらには盛土構造物といった,「土構造物と水」に関する問題に取り組んでいかなければならないと考えています。そこで,防災・環境問題の観点からも,従来の地盤工学の守備範囲にこだわることなく,他分野との連携・協働し,防災・環境問題を包括するような形としてアプローチしていき,土構造物の健全性や環境・防災のカルテを開発しています。これらの研究は,今後の設計・施工管理に役立つだけでなく,自然斜面など不飽和状態で安定を保っている地盤構造物の防災・減災に役立てることが出来ると考えています。

近年の研究テーマ

(1)不飽和土構造物の崩壊・破堤要因に対する形態と機構の検討
(2)降雨による外水位変動の違いによる堤防崩壊機構に関する研究
(3)地層処分施設におけるベントナイト緩衝材の力学挙動に関する研究
(4)データサイエンスに基づいた土構造物の保全・防災技術の発展
(5)平野地盤の表層構造解明と地震時挙動の評価

研究室HP:保坂研究室  http://geotech.eng.niigata-u.ac.jp/
教員:准教授:金澤伸一(地盤工学・地盤環境工学)
助教:保坂吉則(地盤工学)
居室:大学院自然科学研究科 総合研究棟(生命環境系)203-2(金澤)、203-1(保坂)

長寿命化を見据えた盛土構造物の長期安定性に関する研究

近年多発している突発的豪雨の影響で,盛土や河川堤防をはじめとする土構造物への被害が増加しており,土砂災害に対する危険性が高まっています。今後は長寿命化を見据えた土構造物の維持管理が重要視されます。地盤工学の分野でも,数値解析を用いた土構造物の長期的な力学挙動の予測が近年重要視されており,数値解析によって盛土や河川堤防の破壊形態や超長期にわたる力学挙動の把握を目指しています。また,盛土や河川堤防の各種条件(初期,材料特性,勾配,層厚など)を考慮した築造を行い,降雨条件などの外的要因による崩壊機構の検討を行うとともにその要因分析を行っています。

高レベル放射性廃棄物地層処分におけるベントナイト緩衝材の力学挙動

原子力発電からの使用済み核燃料の再処理過程で発生する高レベル放射性廃棄物の処分方法として,地下300m以深への地層処分が選定されています。地層処分において、ガラス固化した廃棄物と岩盤(天然バリア)との間を充填する緩衝材として、著しい吸水膨潤性と難透水性を有するベントナイト(人工バリア)が使用されます(多重バリアシステム)。緩衝材は詳細な仕様決定に向けて、これまで様々な力学試験が実施されていますが、まだ十分な設定条件であるとは言えないのが現状です。そこで,各種強度試験や膨潤試験を行い,ベントナイトの基本的な力学・膨潤特性の把握を行っています。また,施設の建設から閉鎖以降に着目し、岩盤とベントナイト緩衝材の力学特性を考慮できるモデルを組み込んだ、熱/土/水/空気連成有限要素解析を実施し、建設から供用までの力学挙動を連続して解くことで、岩盤とベントナイト緩衝材の超長期的(数万年オーダー)な力学的相互作用を把握する。さらに、解析条件の選定や解析結果の評価方法までの一連の流れを整備し、処分施設の超長期的力学挙動の予測システムの開発に向けた研究を実施しています。

平野地盤の表層構造解明と地震時挙動の評価

当研究室は、越後平野を対象に、表層地盤の構成と工学的性質を明らかにし、また、工学的な情報として重要な地震時の液状化危険度や揺れの強さの分布についてより精度良く予測・評価するための研究を行っています。洪水関連のハザードマップに比べて、地盤災害の予測地図はまだ曖昧な部分が多い現状で、作成方法も確立されていません。見えない地盤内部の情報を引き出すためには、費用のかかる地盤調査が必要なことがその一因ですが、北陸地域ではこれまでの公共事業で蓄積された膨大な地盤調査データがデータベース化され、利用可能となってきたことから、そのデータに統計的な分析を加え、平野全域の工学的な地盤情報分布の予測推定を試みています。




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過去の研究プロジェクト

国土交通省「道路政策の質の向上に資する技術研究開発」採択課題

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