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研究の概要

農業水利施設は，農業における水の供給・管理を行うための施設であり，農業生産の安定だけでなく，自然災害の防止や環境保全の観点から，持続可能な農業生産を支える必要不可欠なインフラストラクチャーとなっています。国土強靭化が求められる中で，農業水利施設の保全管理（サステナブルマネジメント）は社会的に重要な課題であり，そのためには複合的な力学を必要とする施設の挙動予測と構造物内部の様子を推定する高度な逆解析の発展が求められています。


ため池越流　

豪雨時に発生する堤防やため池の越水による破堤

土質力学（Soil Mechanics）は，変形や破壊といった土の力学的性質を記述する学問であり，土で造られる堤防等の構造物や建設物直下の地盤の設計などに応用されます。土質力学の基本的な原理として，土の三相（固相，液相，気相）があり，土質力学の教科書はこれを説明することから始まります。固相は土粒子から成り，土に作用する力を土粒子のネットワークによって支えます。液相は空隙（間隙）に存在する水（間隙水）であり，土中を移動することで土の変形に影響を及ぼすとともに，間隙水の圧力は土の強さ（せん断強度）を変化させます。気相は間隙に存在する空気（間隙空気）であり，土の圧縮性や透水性に関係します。


三相　
　
混合体として三相（固相：土粒子，液相：間隙水，気相：間隙空気）を有する土


豪雨・地震時の施設の挙動予測

マルチフィジックス，混合体力学，計算科学の発展に貢献

  • 侵食（表面侵食及び内部侵食）に関する研究

    • 侵食には地表面を流れる水流によって生じる表面侵食と土中を流れる浸透流による内部侵食の2つがあります。表面侵食については流砂力学，河川工学の分野において古くから研究が進んでいます。しかし，内部侵食については外から見えない土の内部で発生することから，実験観察が難しく，予測手法の確立も遅れています。


    四相　
    　
    内部侵食の記述に必要となる土の四相

    内部侵食の現象を力学的な観点から記述するには，上記の土の三相から考え直さなければなりません。 土質力学の基本となる土の三相（固相，液相，気相）では，すべての土粒子は固相に属しており，力（外から加えられた力や重力など）を伝達するネットワークとして機能し，構造体としての骨格を成します。 しかし，侵食によって流亡する土粒子は力を伝える骨格として機能しません。そのため，侵食された土粒子は，間隙水や間隙空気と同様に間隙（空隙）に含まれる固体として捉えなければなりません。 つまり，内部侵食を考えるには，土質力学の基本とされた三相を四相に拡張する必要がありました。 このような考察を通して，当研究グループは内部侵食を土の間隙と固相との間の質量交換として定式化し，連続体近似の下で 世界で初めて内部侵食の予測に成功しました（Fujisawa et al., 2010）。 これにより，従来は不可能であった内部侵食現象のシミュレーションが可能になり，土質力学は新たな展開を迎えています。 また，内部侵食は近年多発する道路陥没の原因と考えれており，内部侵食に関する研究は，地中に発生する空洞の問題も解決することが期待されています。 上述の研究成果により，科学技術分野の文部科学大臣表彰・若手科学者賞および日本農学進歩賞を受賞しています。


    内部侵食　
    堤体の内部で発達する内部侵食（パイピングと噴砂）

    ため池越流　
    堤体内部で発達する内部侵食の経路（Fujisawa et al., 2010）

    発表論文：

    A. Jewel, K. Fujisawa and A. Murakami: Effect of injection on bed shear stress and turbulence characteristics in a closed conduit flow, Paddy and Water Environment, Vol. 20, pp.467-482, 2022. DOI: 10.1007/s10333-022-00905-7

    A. Jewel, K. Fujisawa and A. Murakami: Effect of seepage flow on incipient motion of sand particles in a bed subjected to surface flow, Journal of Hydrology, Vol.579, 124178, 2019. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2019.124178

    K. Fujisawa and A. Murakami: Numerical analysis of coupled flows in porous and fluid domains by the Darcy-Brinkman equations, Soils and Foundations, Vol.58, No.5, pp.1240-1259, 2018. DOI: 10.1016/j.sandf.2018.07.003

    K. Fujisawa, A. Murakami and S. Nishimura: Numerical analysis of the erosion and the transport of fine particles within soils leading to the piping phenomenon, Soils and Foundations, Vol.50, No. 4, pp.471-482, 2010. DOI: 10.3208/sandf.50.471
    （世界に先駆けて堤体内部で発達する内部侵食の予測計算に成功．地盤工学会論文賞受賞．）

    K. Fujisawa, A. Kobayashi and S. Aoyama: Theoretical description of embankment erosion owing to overflow, Geotechnique, Vol.59, No. 8, pp.661-671, 2009. DOI: 10.1680/geot.7.00035


  • 地震応答に関する研究

    • 農業水利施設の耐震に関する研究は，地震による被害を最小限に抑えるため，大規模地震のリスクが高まる中で，学術研究の深化が求められています。特に，大地震を受ける構造物は大きな変形を生じるため，（幾何学的な非線形性を伴う）大変形問題のダイナミクスを解析する必要があります。この問題に対し，Space-Time有限要素法によって時空間（4次元）領域を連続的に解像することで，精度と安定性の両者をすることを可能にする研究を行っています。


    表面波探査

    Space-Time有限要素法を用いたダムの地震応答計算の結果（変位を拡大して表示）
    発表論文：

    V. Sharma, S. Shimizu, K. Fujisawa: Space-time FEM with domain reduction techniques for dynamic soil-structure interaction problems, International Journal of Mechanical System Dynamics, Vol.4, pp.117-130, 2024. DOI: 10.1002/msd2.12106

    坂井孝太郎，藤澤和謙，村上　章：フィルダムに対する現行の耐震性能照査手法の課題と弾完全塑性地震応答解析，農業農村工学会論文集，第92巻，第2号，p. I_243-I_250，2024. DOI: 10.11408/jsidre.92.I_243.

    V. Sharma, K. Fujisawa and Y. Kuroda: Velocity-based space-time FEMs for solid dynamics problem: Generalized framework for linear in time basis, Computational Mechanics, 2024. DOI: 10.1007/s00466-024-02461-9

    S. Shimizu, V. Sharma and K. Fujisawa: Arbitrary mesh-moving velocity-based space-time finite element method for large deformation analysis of solids, International Journal for Numerical Methods in Engineering, 2023. DOI: 10.1002/nme.7352
    （速度型Space-Time有限要素法を大変形問題へと拡張）

    清水紫媛，藤澤和謙，Sharma Vikas：任意移動メッシュと亜弾性構成式を導入した速度型 Space-time 有限要素法による固体の大変形解析，日本計算工学会論文集，Vol.2023，p. 20230004，2023. DOI: 10.11421/jsces.2023.20230004
    （日本計算工学会賞論文賞受賞）

    V. Sharma, K. Fujisawa, A. Murakami and S. Sasakawa: A methodology to control numerical dissipation characteristics of velocity based time discontinuous Galerkin space-time finite element method, International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 123, pp.5517-5545, 2022. DOI: 10.1002/nme.7078

    V. Sharma, K. Fujisawa and A. Murakami: Velocity based time-discontinuous Galerkin space-time finite element method for elastodynamics, Soils and Foundations, Vol.58, No.2, pp.491-510, 2018. DOI: 10.1016/j.sandf.2018.02.015
    （地盤工学会賞論文賞受賞）


施設の内部診断/可視化

最適化，逆解析，物理探査の発展に貢献

  • 非破壊での内部推定

    • ため池等の構造物の内部状態を把握することは，豪雨や地震といった自然災害が発生した際の耐久性や安全性を予測する上で非常に重要となります。特に，非破壊での内部状態の把握は，実用において非常に有用であり，潜在的な弱点やリスクを早期に発見することができます。このような内部診断技術は物理探査も含めて，構造工学，地盤工学，材料科学，地球科学などの分野で広く研究されており，その適用範囲や精度が日々進化しています。ため池のような特殊な環境における内部診断研究は，高度な計測と数理解析を必要とする学術的な挑戦でもあります。


    表面波探査

    地面を起振して波の伝播を計測する物理探査（例：表面波探査）

    表面波探査

    非線形カルマンフィルタによる複数の空洞推定（Takamatsu et al., 2020）
    発表論文：

    M.C. Koch, K. Fujisawa and A. Ray: Bayesian trans-dimensional soil behaviour type inference using conditional posterior proposals, Geophysical Prospecting, 2025. DOI:10.1111/1365-2478.70021

    A. Murakami, K. Fujisawa and T. Shuku: Developments of inverse analysis by Kalman filters and Bayesian methods applied to geotechnical engineering, Proceedings of the Japan Academy, Series B, Vol.99, No.9, pp. 352-388, 2023. DOI: 10.2183/pjab.99.023
    （日本学士院賞受賞業績）

    E. Tanenaga, K. Fujisawa and A. Murakami: Identification of material parameters by particle filter using observation data obtained during construction of rock-fill dam, International Journal of Geoengineering Case Histories, ISSMGE, Vol.7, No.1, pp.76-94, 2021. DOI:10.4417/IJGCH-07-01-04

    M. Koch, M. Osugi, K. Fujisawa and A. Murakami: Hamiltonian Monte Carlo for Simultaneous Interface and Spatial Field Detection (HMCSISFD) and its application to a piping zone interface detection problem, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol.45, pp.2602-2626, 2021. DOI:10.1002/nag.3279

    M. Koch, K. Fujisawa and A. Murakami: Novel parameter update for a gradient based MCMC method for solid-void interface detection through elastodynamic inversion, Probabilistic Engineering Mechanics, Vol.62, 103097, 2020. DOI: 10.1016/j.probengmech.2020.103097

    R. Takamatsu, K. Fujisawa, K. Nakahata and A. Murakami: Shape detection of multiple subsurface cavities by particle filtering with elastic wave propagation, International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol.44, pp.2025-2041, 2020. DOI: 10.1002/nag.3117

    T. Shuku, A. Murakami, S. Nishimura, K. Fujisawa and K. Nakamura: Parameter identification for Cam-clay model in partial loading model tests using the particle filter, Soils and Foundations, Vol.52, No.2, pp.279-298, 2012. DOI: 10.1016/j.sandf.2012.02.006
    （地盤工学会賞論文賞受賞）