季節凍結地域における土壌の力学特性に影響する要因と盛土安定性の熱-水-力学連成シミュレーション

寒冷地の河川では、凍結融解過程および河氷による水位変動が土手の劣化と崩壊を加速しうるため、河川の河岸安定性は洪水防御にとって重要である。本研究では、黄河の内モンゴル区間に沿う典型的な盛土を対象とし、厳しい凍結融解条件下で調査した。乾燥密度、凍結融解サイクル、水分量が土壌の力学特性に及ぼす影響を定量化するため、室内試験を実施した。凍結融解に誘起される機械的劣化、水分移動、変形を組み込んだ熱-水-力学（THM）連成モデルを構築し、典型的な河岸の安定性の時間的変化をシミュレーションするために適用した。実験結果より、乾燥密度は土壌のせん断強度に対する支配的要因であり、凝集力に関する説明分散の60%以上を占めることが示された。土壌は最適水分量で最大のせん断強度を示し、凍結融解サイクルの増加は土壌の凝集力を大きく低下させた。とりわけ最初の3サイクルでは、構造の急速な劣化により低下が顕著であった。一方、凍結融解サイクルが内部摩擦角に与える影響は限定的であった。氷と非凍結水の体積含有量の比を主要な連成変数として導入することで、温度場と水分場を結びつける相平衡関係を確立した。提案したTHMモデルは、凍結融解過程における温度、水分、応力、変位の連成的な変化を再現し、河岸不安定性の臨界位置と、条件の違いによる安全率の変化を特定した。本研究の知見は、凍結融解に起因する河岸不安定化メカニズムの理解を深め、寒冷地河川におけるハザード評価と低減を支援する。

https://doi.org/10.20944/preprints202609.0210.v1