(57)【要約】【課題】挙動を高精度に解析可能な海洋構造物の解析方法を提供する。【解決手段】海洋構造物１の解析方法では、例えば、遮水シート材１０と被覆層１１との接触部１２ｂの接触定義が接触判定ステップと相対変位ステップとを含むので、従来の有限要素法による解析方法に比べて海洋構造物１の細部挙動や遮水シート材１０へ作用する引張力を高精度で把握することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
土質材料からなる土質層と、該土質層に接触されたシート材とを備えた海洋構造物へ自重を含む外力が作用した際その挙動を解析する海洋構造物の解析方法であって、
前記土質層と前記シート材との接触部の接触定義が、
前記接触部における両者の接触を判定する接触判定ステップと、
該接触判定ステップにて両者が接触していると判定された際、両者を両者間の滑動抵抗力に抗して相対的に変位させる相対変位ステップと、
を含むことを特徴とする海洋構造物の解析方法。
【請求項２】
前記シート材は前記土質層の法面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の海洋構造物の解析方法。
【請求項３】
前記海洋構造物は、土質材料からなる基礎マウンドの法面に前記シート材である遮水シート材を敷設して、該遮水シート材上に土質材料からなる被覆層を配置して構成されることを特徴する請求項１または２に記載の海洋構造物の解析方法。
【請求項４】
土質材料からなる基礎マウンドの法面にシート材を敷設して、該シート材上に土質材料からなる被覆層を配置して構成される海洋構造物の設計方法であって、
該海洋構造物は、請求項１に記載の解析方法を採用して設計されることを特徴とする海洋構造物の設計方法。
【請求項５】
前記海洋構造物は、前記被覆層の法尻部に、前記海洋構造物の安定化のためのカウンタ材が配置されることを特徴とする請求項４に記載の海洋構造物の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土質材料からなる土質層と、該土質層に接触されたシート材とを備えた海洋構造物へ外力が作用した際、その挙動を解析する海洋構造物の解析方法、及びその解析方法による解析結果に基づく海洋構造物の設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば、土質材料からなる基礎マウンド（土質層）上にシート材、例えば遮水シート材を敷設して、該遮水シート材の表面に土質材料にて被覆層（土質層）を形成した海洋構造物の設計方法としては、被覆層の上層部及び下層部をそれぞれ一つの剛体と考え、上層部が遮水シート材上を滑り落ちる滑動荷重と、下層部の支持抵抗荷重とを比較することで静的な安定状態を得るように被覆層の構造形態を設計評価していた。
しかしながら、この設計方法では、海洋構造物へ外力が作用した際、海洋構造物、特に、被覆層の一部が崩落する等の被覆層の細部挙動まで把握することができず、その細部挙動を把握できる設計方法として、非特許文献１に開示されているような有限要素法を用いた数値解析（ＦＥＭ解析）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】小竹  望  他５名，「管理型海面処分場の表面遮水工における斜面滑りに関するＦＥＭ解析」，ジオシンセティックス論文集，国際ジオシンセティックス学会日本支部，２００２年１２月，第１７巻  ｐ．８７−９４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１に開示されている解析方法では、遮水シート材に作用する応力等、実際の挙動とほぼ同等の挙動を解析することは困難であった。その主な要因としては、例えば、解析モデルとしてメッシュを設定する際の遮水シート材と土質層との間の接触条件に、主に、両者のメッシュ要素を複数箇所の節点を共有する条件と、土質層と遮水シート材との間の滑動抵抗力を、要素に設定する材料の内部摩擦角とを与えることにより再現しているため実際の挙動と異なる解析結果となっていた。そのため、その接触条件を検討する必要があった。
【０００５】
すなわち、従来の有限要素法による解析方法の接触部の接触条件では、図４（ａ）の状態から土質層１１に荷重Ｆが作用すると、土質層１１と遮水シート材１０とが複数箇所の節点を共有する条件であるために、土質層１１及び遮水シート材１０全体が図４（ｂ）の状態へ変形するように解析され、土質層１１が遮水シート材１０上を滑動する挙動や遮水シート材１０への引張力などが正確に考慮されず、その解析結果が実際とは異なり、その接触条件を検討する必要があった。
【０００６】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、挙動を高精度に解析可能な海洋構造物の解析方法及びその解析方法を採用した海洋構造物の設計方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、請求項１に記載した海洋構造物の解析方法の発明は、土質材料からなる土質層と、該土質層に接触されたシート材とを備えた海洋構造物へ自重を含む外力が作用した際その挙動を解析する海洋構造物の解析方法であって、前記土質層と前記シート材との接触部の接触定義が、前記接触部における両者の接触を判定する接触判定ステップと、該接触判定ステップにて両者が接触していると判定された際、両者を両者間の滑動抵抗力に抗して相対的に変位させる相対変位ステップと、を含むことを特徴とするものである。
請求項１の発明では、土質層とシート材との接触部の接触定義が、接触判定ステップと、相対変位ステップとを含むので、従来の有限要素法による解析方法に比べて海洋構造物の細部挙動やシート材へ作用する変位挙動や引張力を高精度で把握することができる。
【０００８】
ここで、接触判定ステップについて補足する。土質層（接触面の上側とする）とシート材（接触面の下側とする）の両者間の距離が離れている場合（接触していない場合）は、土質層に作用する自重や外力による荷重をシート材へ伝達しないように解析される。一方、両者の距離がゼロの場合（接触している場合）は、土質層に作用する自重や外力による荷重をシート材へ伝達するように解析される。なお、土質層がシート材にめり込むように接触されていると判定される場合は、現実的に起こり得るめり込み距離を解析者が任意に設定することで、過度なめり込み状態を解析することがないよう設定することができる。これらの判定はプログラム内に組み込まれており、実際の現象を高精度に再現できるために大きく寄与できる。
【０００９】
次に、相対変位ステップについて補足する。従来の方法では両者間の滑動抵抗力（摩擦抵抗力）は、両者間に設定した架空メッシュの要素に設定する材料の内部摩擦角φとして再現していた。例えば、土質層とシート材との摩擦係数μ＝０．４の場合は、両者間に設定した架空メッシュの要素を内部摩擦角φ＝２１．８°の土質材料とみなして設定する。一方、本発明の請求項１の発明における相対変位ステップでの両者間の滑動抵抗力は摩擦係数μに基づいて設定する。すなわち、土質層に作用する自重や外力による荷重に摩擦係数μを乗じた力が両者間の滑動抵抗力として解析される。これにより、両者間の変位挙動やシート材に作用する引張力を高精度に再現することが可能となる。
【００１０】
請求項２に記載した海洋構造物の解析方法の発明は、請求項１に記載した発明において、前記シート材は前記土質層の法面に配置されることを特徴とするものである。
請求項３に記載した海洋構造物の解析方法の発明は、請求項１または２に記載した発明において、前記海洋構造物は、土質材料からなる基礎マウンドの法面に前記シート材である遮水シート材を敷設して、該遮水シート材上に土質材料からなる被覆層を配置して構成されることを特徴とするものである。
請求項２及び３の発明では、海洋構造物の土質層、例えば、基礎マウンドの法面と被覆層との間に配置される遮水シート材の挙動を把握する際に特に有効である。
【００１１】
請求項４に記載した海洋構造物の設計方法の発明は、土質材料からなる基礎マウンドの法面にシート材を敷設して、該シート材上に土質材料からなる被覆層を配置して構成される海洋構造物の設計方法であって、該海洋構造物は、請求項１に記載の解析方法を採用して設計されることを特徴とするものである。
請求項５に記載した海洋構造物の設計方法の発明は、請求項４の発明において、前記海洋構造物は、前記被覆層の法尻部に、前記海洋構造物の安定化のためのカウンタ材が配置されることを特徴とするものである。
請求項４及び５の発明では、海洋構造物の構成である基礎マウンドの法勾配を適切に設計することができ、しかも、被覆層の法尻部に滑動荷重を分担して受け持つカウンタ材の大きさや、該カウンタ材を構成する材料等を適切に選択設定することができ、さらに、基礎マウンド及び被覆層との摩擦係数を考慮した上で最適なシート材を設計採用することができ、海洋構造物全体の設計に対して特に有効である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の海洋構造物の解析方法によれば、従来の有限要素法による解析方法に比べて海洋構造物の細部挙動や材料間の変位挙動やシート材へ作用する引張力を高精度に把握することができる。
また、本発明の海洋構造物の設計方法によれば、従来の設計方法に比べて海洋構造物の過剰設計を抑制して最適設計を行うことができ、ひいては、海洋構造物全体のコスト削減に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る解析方法及び設計方法が採用された海洋構造物の概略図である。
【図２】図２は、本解析方法にて採用された、被覆層と遮水シート材との接触部の接触定義を説明するための模式図である。
【図３】図３は、本解析方法によって解析された遮水シート材に作用する引張力を示したものである。
【図４】図４は、従来の解析方法のおける課題を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための形態を図１〜図３に基づいて詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る解析方法が適用される海洋構造物１を図１に基づいて説明する。
該海洋構造物１は、波浪方向と直交する方向に延びる基礎マウンド２（土質層）と、該基礎マウンド２上に間隔を置いて複数配列される堤体３とから構成される。基礎マウンド２は土質材料である捨石を多数積層して断面台形状に形成されている。各堤体３は、方塊ブロック４を波浪方向と直交する方向に沿って複数配列して構成される。各方塊ブロック４は、基礎マウンド２の上面の堤外側に配置されている。各方塊ブロック４の上面の堤外側に上部工５が配置されている。基礎マウンド２の上面で、各方塊ブロック４から堤内側に土質材料である割石を多数積層した裏込層６が形成されている。裏込層６の堤内側の面は、基礎マウンド２の法面と連続する法面に形成されている。また、基礎マウンド２の堤外側の上部法面に沿って、砕石を多数積層した被覆層７が形成されている。
【００１５】
裏込層６の上面から、該裏込層６の堤内側の法面及び基礎マウンド２の堤内側の法面に連続するように遮水シート材１０が配置されている。遮水シート材１０上には土質材料である砕石を多数積層した被覆層１１（土質層）が形成される。該被覆層１１の基礎マウンド２と反対側の面は法面であり、該被覆層１１の法尻部には、海洋構造物１全体の安定化のためのカウンタ材１３が配置されている。該カウンタ材１３は、石材や砂材等の土質材料で構成される。遮水シート材１０は、例えば、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ，高比重タイプ，ｔ＝３ｍｍ）の両面に保護マット（長繊維不織布，目付量８５０ｇ／ｍ２，ｔ＝８ｍｍ）をラミネート加工して一体化した３層構造が採用されている。
【００１６】
そして、上述した海洋構造物１において、被覆層１１の自重および上方から外力が作用した際の細部挙動を把握するために有限要素法（ＦＥＭ解析）を採用している。
この解析方法では、まず、本海洋構造物１の基礎マウンド２、被覆層１１及び遮水シート材１０などの構成部材を、所定数の要素に分割設定してメッシュモデルを作成する。続いて、各構成部材２、６、１０、１１の物性値（単位体積重量、内部摩擦角、粘着力、ヤング率、ポアソン比等）を設定する。
【００１７】
次に、基礎マウンド２及び裏込層６と遮水シート材１０との間の接触部１２ａ、また、被覆層１１と遮水シート材１０との間の接触部１２ｂに本実施形態に係る解析方法に係る特徴事項である接触定義を設定する。
次に、接触定義の条件として、接触部１２ａ、１２ｂにおける両者間の摩擦係数μや、両者間の相対的な許容めり込み量を設定する。さらに、境界条件として、端部を固定または自由とするか等の設定を行う。
最後に、外力として作用させる荷重Ｆについての範囲とその大きさを設定する。
なお、要素数は、設計担当者が所望の解析時間や解析精度に基づいて適宜設定するものである。
【００１８】
次に、本実施形態に係る解析方法に採用した接触定義について詳しく説明する。例えば、土質層である被覆層１１と遮水シート材１０との接触部１２ｂにおける接触定義を説明する。
この接触定義では、被覆層１１と遮水シート材１０との両者が接触しているか否かを判定する接触判定ステップと、該接触判定ステップにて両者が接触していると判定された際、両者を両者間の滑動抵抗力に抗して相対的に変位させる相対変位ステップとを含むものである。
【００１９】
詳しくは、接触判定ステップでは、図２（ａ）に示すように、接触部１２ｂにおける両者、つまり、被覆層１１に設定した各要素の任意の辺と、遮水シート材１０に設定した各要素の辺との間の垂直成分の距離Ｌを算出する。その結果、被覆層１１側の各要素の辺と、遮水シート材１０側の各要素の辺との間の距離Ｌが距離Ｌ＞０であれば、遮水シート材１０と被覆層１１とは接触していないと判定されて、被覆層１１の自重及び被覆層１１に作用する荷重Ｆは遮水シート１０には伝達されず、被覆層１１はその自重及び荷重Ｆに基づいて独立して変位する。続いて、再び接触判定ステップに戻って両者１０、１１が接触しているか否かが判定される。
【００２０】
一方、被覆層１１側の各要素の辺と、遮水シート材１０側の各要素の辺との間の距離Ｌが距離Ｌ＝０と算出された場合には、遮水シート材１０と被覆層１１とが接触されていると判定されて、次の相対変位ステップへ進む。
次に、相対変位ステップでは、図２（ｂ）に示すように、被覆層１１の自重及び被覆層１１に作用する荷重Ｆが被覆層１１から遮水シート１０に伝達されて、被覆層１１の自重及び荷重Ｆにより、被覆層１１と遮水シート材１０とを、その両者間の滑動抵抗力（摩擦抵抗力）に抗して相対変位させる。なお、被覆層１１と遮水シート材１０との間の滑動抵抗力は、遮水シート材１０に作用する被覆層１１の自重や外力による荷重Ｆに摩擦係数μを乗じた力として解析される。
【００２１】
ところで、上述した接触判定ステップにて、被覆層１１側の各要素の辺と、遮水シート材１０側の各要素の辺との間の距離Ｌが距離Ｌ＜０と算出された場合には、遮水シート材１０及び被覆層１１が相対的にめり込むように接触されていると判定されて相対変位ステップに進むが、解析者が、解析結果に影響を及ぼさない範囲で、許容めり込み量を任意に設定することで、過度なめり込み状態を解析することがないように設定するようにしている。
そして、遮水シート材１０と被覆層１１との接触部１２ｂの接触定義として、接触判定ステップと相対変位ステップが繰り返されて解析される。
【００２２】
この結果、海洋構造物１の細部挙動、例えば、被覆層１１が遮水シート材１０上を滑動する挙動や遮水シート材１０へ作用する引張力を高精度で把握することができるようになる。例えば、図３に遮水シート材１０に作用する引張力を示している。これを簡単に考察すると、基礎マウンド２に接触した遮水シート材１０（法勾配１：１．５）へ作用する引張力は、法肩近傍で一旦増加した後、法尻に向けて一定割合で増大し、法尻近傍で急増し比較的短い区間で滑動荷重を受け持っている。この解析された引張力が、遮水シート材１０の弾性域の範囲内であるか否かを確認することで、本海洋構造物１に採用された遮水シート材１０の健全性について適切に判断することができる。
【００２３】
以上説明したように、本発明の実施形態に係る海洋構造物１の解析方法では、例えば、基礎マウンド２及び裏込層６と遮水シート材１０との間の接触部１２ａ、また、被覆層１１と遮水シート材１０との間の接触部１２ｂに本実施形態に係る接触定義として、上述した、接触判定ステップと相対変位ステップとを含むように設定している。この結果、従来の有限要素法による解析方法に比べて海洋構造物１の細部挙動や遮水シート材１０の変位挙動や作用する引張力を高精度で把握することができ、この高精度な解析結果をもって、海洋構造物１の全体設計に反映することができる。これにより、海洋構造物１の過剰設計及び施工コスト等を抑制することが可能になる。
【００２４】
また、本発明の実施形態に係る海洋構造物１の解析結果では、遮水シート材１０の両面における摩擦係数μが０．５から０．４に変化した場合（その他の詳細な解析データは割愛する）、海洋構造物１の堤内側法尻部へ伝達する荷重はおよそ１．３倍となり、さらに摩擦係数μを０．０３とした場合、遮水シート材１０で滑動し、護岸が不安定化する結果となる。したがって、本発明の実施形態に係る解析方法を用いて護岸安定のための有効な断面の設計や対策方法の検討が可能となる。
【００２５】
このように、本実施形態に係る解析方法は、図１に示す基礎マウンド２の法面に遮水シート材１０を敷設して、該遮水シート材１０上に被覆層１１を配置し、さらに、被覆層１１の法尻部に配置されるカウンタ材１３を備えてなる海洋構造物１を最適設計する際に最も有効となる。すなわち、本解析方法による解析結果に基づいて基礎マウンド２の法勾配を適切に設計することができ、しかも、被覆層１１の法尻部に滑動荷重を分担して受け持つカウンタ材１３の断面の大きさや、カウンタ材１３を構成する材料、つまり、石材、砂材またはコンクリート材等を適切に選択して設計することができる。さらに、上述したように、本解析方法を採用することにより遮水シート材１０の両面における摩擦係数μの変動が海洋構造物全体の設計に大きく影響することが即座に把握することができる。要するに、本解析方法を採用することにより海洋構造物１全体の過剰設計を抑え、護岸安定のための安全面（安全率）を考慮した上での最適設計を行うことができ、ひいては、海洋構造物１の全体コストを削減することが可能になる。
【００２６】
さらに、従来の有限要素法において安定した解析解を得る（解析が発散し途中で止まらない）ためには、隣り合うメッシュの大きさ比（アスペクト比）を極端に変えることができず、そのため要素数が多くなり解析時間が比較的長くなることとなる。本解析方法の接触定義を薄層となるシート材の両面に採用することで、シート近傍のメッシュの大きさを任意に設定することが可能となるため、従来の解析方法と比較して解析時間を短縮することもできる。
【００２７】
なお、本実施形態では、基礎マウンド２の法面に遮水シート材１０を配置した海洋構造物１の解析方法及び設計方法を説明したが、遮水を目的としないシート材にて被覆される他の海洋構造物にも本解析方法及び設計方法を採用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１  海洋構造物，２  基礎マウンド（土質層），７  被覆層（土質層），１０  遮水シート材（シート材），１２ａ、１２ｂ  接触部，１３  カウンタ材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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