(57)【要約】【課題】有限要素解析プログラムを用いて、ＶＧモデルによって不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する際に、不飽和透水係数や飽和度を算定するための飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを、精度良く設定できる不飽和浸透特性解析方法を提供する。【解決手段】飽和透水係数ｋ0とＶＧモデルの不飽和パラメータα、ｍ、ｎが、原位置不飽和透水試験によって得られる、所定の圧力で浸透水を地中に浸透させた際の水分含水率の経時変化から、逆解析することにより設定される。設定された飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを用いて不飽和透水係数を算定して、不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する。且つ原位置不飽和透水試験において得られる飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを設定するための水分含水率の経時変化を、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、浸透水を地中に浸透させて得られた水分含水率の経時変化としている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有限要素解析プログラムを用いて不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する不飽和浸透特性解析方法であって、
不飽和透水係数を算定する式として、 VanGenuchten モデルによるモデル式が用いられ、
飽和透水係数と該VanGenuchtenによるモデル式の不飽和パラメータが、原位置不飽和透水試験によって得られる、所定の圧力で浸透水を地中に浸透させた際の所定の深さにおける水分含水率の経時変化から、逆解析することによって設定されるようになっており、設定された飽和透水係数と不飽和パラメータを用いて不飽和透水係数を算定することで、不飽和領域の地盤の浸透特性を解析するようになっており、
且つ前記原位置不飽和透水試験において得られる飽和透水係数と不飽和パラメータを設定するための水分含水率の経時変化を、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、浸透水を地中に浸透させて得られた水分含水率の経時変化としたＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法。
【請求項２】
前記原位置不飽和透水試験において所定の圧力で浸透水を地中に浸透させる前に測定又は推定された、初期含水率及び初期サクションから、前記不飽和パラメータの暫定値を設定すると共に、前記飽和透水係数を推定して、事前解析を行うことにより測定条件を仮設定し、仮設定された測定条件に基づいて、前記段階的に増加させた異なる複数の圧力で、前記原位置不飽和透水試験において浸透水を地中に浸透させて、前記水分含水率の経時変化を得るようにした請求項１記載のＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法に関し、特に、有限要素解析プログラムを用いて不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する、VanGenuchten （以下ＶＧモデルとする。）による不飽和浸透特性解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
東日本大震災では、自然由来の重金属類を含んだ津波堆積物による土壌汚染が報告されている。今後は、降雨などにより津波堆積物から流出する重金属物質が、地下水汚染を引き起こすことが予想される。また、震災地で発生したガレキの集積場から、人工物の重金属が拡散することも考えられる。このような地下水汚染への対策を考える場合には、地下水の流れの他に、地表面から地中の地下水位に至るまでの、間隙水によって土粒子間の空隙が満たされていない状態の、不飽和領域の地盤における浸透水の流れを把握する必要がある。
【０００３】
また、不飽和領域の地盤における浸透水の流れを把握するための装置や方法として、種々の原位置透水試験装置や、原位置透水試験方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。また、不飽和領域の地盤の浸透特性を把握するための試験として、地盤内に鉛直一次元の非定常浸透流を発生させ、浸透領域内の圧力水頭分布と水分量分布（含水率分布）の経時変化をそれぞれ測定した結果から、対象領域の不飽和透水係数と水分特性曲線とを計測するインスタンティニアスプロファイリング法（以下、ＩＰ法とする）や、さらに、好ましくは地盤の深さ方向に体積含水率プロファイリングを多点でリアルタイムに計測することが可能な、市販の挿入型の土壌水分計を使用して計測された、地中の水分含水率の経時変化の計測データから、例えば ＶＧモデルのモデル式に基づいて算定された不飽和透水係数によって、不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する方法も提案されている（例えば、非特許文献１参照））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３５２０４２号公報
【特許文献２】特開２００７−１９８０２７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】土と基礎、５４−５（５８０）、「不飽和地盤における原位置透水試験、水分分布計による不飽和透水係数の測定法」、２００６年５月、地盤工学会発行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＶＧモデルによって不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する方法では、下記の〔数１〕のモデル式に基づいて、不飽和透水係数ｋが算定されて、例えば図３示すように要素分割された有限要素モデルの各要素に、不飽和透水係数ｋや飽和度Ｓeの値が付与されるようになっている。また、不飽和透水係数ｋや飽和度Ｓeを得るための飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎは、仮設定された後に、原位置透水試験方法において得られた、例えば図６に示すような、所定の圧力（例えばｈ＝０．０１ＭＰａ）で浸透水を地中に浸透させた際の所定の深さ（例えばＧＬ−０．２ｍ）における水分含水率の経時変化に、フィットするよう逆解析されることで、再設定されるようになっている。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
一方、ＶＧモデルによる不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する方法では、設定される飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎの値に誤差があったり、設定値が適切でないと、ＶＧモデルによる数値シミュレーションの精度が劣ることになって、不飽和領域の地盤の浸透特性を正確に把握することが困難になる。このため、不飽和パラメータα、ｍ、ｎをより適切に精度良く設定できるようにする方法の開発が望まれている。
【０００９】
本発明は、有限要素解析プログラムを用いて、ＶＧモデルによって不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する際に、不飽和透水係数や飽和度を算定するための飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを、より適切に精度良く設定することのできるＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析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】
【００１０】
本発明は、有限要素解析プログラムを用いて不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する不飽和浸透特性解析方法であって、不飽和透水係数を算定する式として、ＶＧモデルによるモデル式が用いられ、飽和透水係数と該ＶＧモデルによるモデル式の不飽和パラメータが、原位置不飽和透水試験によって得られる、所定の圧力で浸透水を地中に浸透させた際の所定の深さにおける水分含水率の経時変化から、逆解析することによって設定されるようになっており、設定された飽和透水係数と不飽和パラメータを用いて不飽和透水係数を算定することで、不飽和領域の地盤の浸透特性を解析するようになっており、且つ前記原位置不飽和透水試験において得られる飽和透水係数と不飽和パラメータを設定するための水分含水率の経時変化を、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、浸透水を地中に浸透させて得られた水分含水率の経時変化としたＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法を提供することにより、上記目的を達成したものである。
【００１１】
そして、本発明のＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法は、前記原位置不飽和透水試験において所定の圧力で浸透水を地中に浸透させる前に測定又は推定された、初期含水率及び初期サクションから、前記不飽和パラメータの暫定値を設定すると共に、前記飽和透水係数を推定して、事前解析を行うことにより測定条件を仮設定し、仮設定された測定条件に基づいて、前記段階的に増加させた異なる複数の圧力で、前記原位置不飽和透水試験において浸透水を地中に浸透させて、前記水分含水率の経時変化を得るようにしていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法によれば、有限要素解析プログラムを用いて、ＶＧモデルによって不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する際に、不飽和透水係数や飽和度を算定するための飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを、より適切に精度良く設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の好ましい一実施形態に係るＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法を説明するフローチャートである。
【図２】原位置不飽和透水試験に用いる試験装置の構成を説明する断面図である。
【図３】要素分割された不飽和領域の地盤の有限要素モデルの説明図である。
【図４】圧力を段階的に増加させて浸透水を浸透させた際に得られる水分含水率の経時変化を例示するチャートである。
【図５】圧力を変化させることなく所定の圧力で浸透水を浸透させた際に得られた水分含水率の経時変化を例示するチャートである。
【図６】ＶＧモデルの不飽和特性曲線を例示するチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の好ましい一実施形態に係るＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法は、コンピュータに組み込まれた、ＶＧモデルによるモデル式を有限要素モデル（図３参照）の各節点と各要素において解くことが可能な、公知の有限要素解析プログラムを用いて、不飽和領域の地盤における浸透水による水分含水率（体積含水率）の経時変化を、コンピュータにより精度良くシミュレートできるようにするための解析方法として採用されたものである。また、本実施形態の不飽和浸透特性解析方法は、不飽和透水係数や飽和度を算定するために仮設定された、飽和透水係数ｋ0とＶＧモデルの不飽和パラメータα、ｍ、ｎを、原位置不飽和透水試験において実際に得られた水分含水率の経時変化にフィットするよう逆解析することで再設定する際に、飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎがより適切に精度良く再設定されるようにする機能を備えている。
【００１５】
ここで、ＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法は、上述のように、〔数１〕に示すモデル式に基づいて、不飽和透水係数ｋが算定されて、図３示すような要素分割された有限要素モデルの各要素に、不飽和透水係数ｋや飽和度Ｓeの値が付与されるようになっている。また、〔数１〕の式（１）から、〔図２〕の式（４）のように、αを逆算できるようになっていると共に、〔数１〕の式（１）のカッコ内のｍ、ｎの関係から、ｍ、ｎのうちの一方を設定すれば、自動的に他方を設定できるようになっている。したがって、飽和透水係数ｋ0と、不飽和パラメータのαと、不飽和パラメータのｍ又はｎの何れか一方を適切に設定することで、コンピュータによって、不飽和領域の地盤における、浸透水による水分含水率の経時変化を精度良くシミュレートすることが可能になる。
【００１６】
【数２】
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【００１７】
そして、本実施形態では、原位置不飽和透水試験を行うための装置として、図２に示すような、原位置不飽和透水装置１０を用いることができる。すなわち、図２に示す原位置不飽和透水装置１０は、測定対象となる不飽和領域の地盤３０の浸透特性を把握するための土壌の水分含水率（体積含水率）に関するデータを取得する試験装置である。原位置不飽和透水装置１０は、敷設密着材１７を介在させて地表面３０ａに外周部分を水密に密着させた状態で設置される、下面が開口面となった凸形状の密閉注水蓋１１と、この密閉注水蓋１１の中央部分から下方に延設して地中に挿入配置される、複数の水分センサー１２ａを備える土壌水分計１２と、密閉注水蓋１１の内部と送り管１３及び戻り管１４を介して連通して、密閉注水蓋１１の内部に圧力水を満たした状態で、給水タンク１６との間で圧力水を循環させながら圧力水を密閉注水蓋１１の内部に供給する、給水ポンプ１５とを含んで構成される。
【００１８】
また、原位置不飽和透水試験装置１０は、密閉注水蓋１１が、下面の開口面の開口縁部から外側に張り出して設けられた、複数のアンカー孔１１ｂが形成されたフランジプレート１１ａを一体として備えており、敷設された敷設密着材１７の上面にフランジプレート１１ａを載置して、敷設密着材１７及び地盤３０に向けてアンカー部材１９を打ち込むことにより、密閉注水蓋１１が、外周部分のフランジプレート１１ａを地表面３０ａに水密に密着させた状態で設置されている。
【００１９】
原位置不飽和透水試験装置１０を構成する密閉注水蓋１１は、例えば５ｍｍ程度の厚さの金属プレートに、折曲げ加工や溶接加工等を施すことによって容易に形成することができる。密閉注水蓋１１は、例えば縦横３００ｍｍ程度の大きさの略正方形の上面プレート１１ｃの周縁に沿って、例えば３０ｍｍ程度の高さの帯板形状の周壁プレート１１ｄを接合することによりで形成された、下面が開口面となった扁平な凸形状の蓋本体１１ｅと、蓋本体１１ｅの周壁プレート１１ｄの下端縁部から全周に亘って外側に張り出して一体として接合された、例えば１００ｍｍ程度の幅のフランジプレート１１ａとからなる。これらによって、密閉注水蓋１１は、全体として、例えば縦横５００ｍｍ程度の大きさの略正方形の平面形状を備えると共に、例えば３０ｍｍ程度の高さを有するように形成される。
【００２０】
また、密閉注水蓋１１のフランジプレート１１ａに、例えばφ７ｍｍ程度の大きさの複数のアンカー孔１１ｂが貫通形成されている。アンカー孔１１ｂは、好ましくはフランジプレート１１ａの全面に、略均等に分散配置された状態で、多数形成されている。これらのアンカー孔１１ｂの数や配置位置等は、密閉注水蓋１１に充填される圧力水の圧力や、アンカー部材１９の長さや、地盤３０の土質等を鑑みて、適宜設計することができる。
【００２１】
さらに、密閉注水蓋１１の上面プレート１１ｃに、土中水分計１２を水密な状態で貫通させるためのシール機能を有する、公知の貫通金具２１が取り付けられている。また、送り管１３及び戻り管１４や、後述する水抜き管２４を密閉注水蓋１１の内部と接続させるための、公知のジョイント金具２２ａ，２２ｂ，２２ｃが、公知の方法によって取り付けられている。例えば送り管１３を密閉注水蓋１１の内部と接続させるジョイント金具２２ａに、公知の小型圧力計２３が取り付けられている。小型圧力計２３によって、密閉注水蓋１１の内部に満たされた圧力水の圧力を計測して、圧力水の圧力を容易に管理できるようになっている。
【００２２】
貫通金具２１は、例えば土中水分計１２のガイドチューブ１２ｃの外径と同様の内径を有し、内部にシール機構を備える円筒スリーブ部２１ａと、円筒スリーブ部２１ａの下端部から円環状に外側に張り出して設けられた、接合フランジ部２１ｂとからなる。貫通金具２１は、接合フランジ部２１ｂを、上面プレート１１ｃの中央部分に貫通形成された、内径が例えば２７ｍｍ程度の円形のロッド挿通孔１１ｆの開口周縁部に一体として接合して、円筒スリーブ部２１ａを上面プレート１１ｂから立設させた状態で、密閉注水蓋１１に取り付けられている。測定対象となる地盤３０の地表面３０ａに密閉注水蓋１１を設置する際に、これに先立って地中に土壌水分計１２のガイドチューブ１２ｃを埋設することで、地表面３０ａから立設するガイドチューブ１２ｃの上端部分が、円筒スリーブ部２１ａに下方から挿通される。土壌水分計１２は、ガイドチューブ１２ｃに挿入されることで、密閉注水蓋１１の中央部分を水密な状態で貫通して地中に挿入されると共に、その上端部分を、上面プレート１１ｃから上方に突出させて設置されることになる。
【００２３】
また、本実施形態では、好ましくは戻り管１４を密閉注水蓋１１の内部と接続させるジョイント金具２２ｂに、流量調整バルブ２０が取り付けられている。流量調整バルブ２０は、圧力水の流路の断面積を調整して、当該流量調整バルブ２０を通過する圧力水の流量を制御することが可能な、公知の機構を備えるバルブ部材を用いることができる。流量調整バルブ２０によって、密閉注水蓋１１の内部から戻り管１４を介して給水タンク１６に戻される圧力水の流量を制御することで、給水ポンプ１５から送り管１３を介して圧送されて、密閉注水蓋１１の内部に満たされる圧力水の圧力を、例えば０．００１ＭＰａ〜０．１ＭＰａ程度の範囲で容易に調整できるようになっている。
【００２４】
さらに、本実施形態では、密閉注水蓋１１の上面プレート１１ｃに取り付けられたジョイント金具２２ｃを介して、密閉注水蓋１１の内部と接続させて、水抜き管２４が設けられている。水抜き管２４は、補助スタンド２５に支持させて、その先端を、地表面３０ａよりも相当程度高い位置に配置して設けられている。水抜き管２４は、バルブ２２ｃを開放することによって、密閉注水蓋１１の内部の圧力水を大気に開放することで、安全弁として機能して、想定外に圧力水の圧力が高くなった場合に、密閉注水蓋１１の内部を緊急的に減圧することができる。
【００２５】
密閉注水蓋１１の内部を給水タンク１６や給水ポンプ１５と連通させて、これらの間で圧力水を循環させる送り管１３及び戻り管１４や、水抜き管２４は、例えばφ１０ｍｍ程度の太さの、可撓性を有する公知の各種の耐圧ホースを用いることができる。給水ポンプ１５は、例えば最大０．２ＭＰａ程度の圧力の圧力水を供給することが可能な、公知の各種の給水ポンプを用いることができる。給水タンク１６は、例えばポリエチレン製のタンク等の、例えば２０Ｌ程度の容量を備える、公知の簡易な給水タンクを用いることができる。給水タンク１６には、水を適宜補給することができるので、水分センサー１２ａの深さまで水を浸透させるのに必要な水量を、容易に給水することができる。戻り管１４の給水タンク１６との接続部分には、密閉注水蓋１１から戻される圧力水に含まれる土粒子等を除去するための、フィルター２６が設けられている。
【００２６】
原位置不飽和透水試験装置１０を構成する土壌水分計１２は、地盤の深さ方向に体積含水率プロファイリングを多点でリアルタイムに計測することが可能な、市販されている公知の各種の挿入型の土壌水分計を使用することができる。より具体的には、例えば Delta-T社製の、「プロファイルプロープＰR2/6」を好ましく用いることができる。「プロファイルプロープＰR2/6」を用いることで、地表面から１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ、４０ｃｍ、６０ｃｍ、１００ｃｍの深度の体積含水率を測定することが可能になる。
【００２７】
土壌水分計１２は、例えば１３５０ｍｍ程度の長さを有する、φ２５ｍｍ程度の太さのポリカーボネート製のロッド部１２ｂの下部に、複数の水分センサー１２ａを、所定の間隔をおいて取り付けることによって形成されている。土壌水分計１２は、測定対象となる地盤３０の地表面３０ａに、密閉注水蓋１１を設置するのに先立って、専用のオーガーを用いて、例えばφ２５ｍｍ程度の内径の測定孔を地盤３０の所定の深さまで鉛直方向に形成した後に、複数の水分センサー１２ａが取り付けられたロッド部１２ｂの下部を、ガイドチューブ１２ｃによって保護した状態で、形成した測定孔に挿入することで、ロッド部１２ｂの上端部分を地表面３０ａから立設させた状態で、地盤３０に設置することができる。しかる後に、密閉注水蓋１１の設置作業が行われる。
【００２８】
測定対象となる地盤３０の地表面３０ａに、密閉注水蓋１１を設置するには、まず、設置された土壌水分計１２の、地表面３０ａから立設するロッド部１２ｂやガイドチューブ１２ｃの上端部分を中心として、これの周囲の地表面３０ａを整地すると共に、ロッド部１２ｂやガイドチューブ１２ｃと離間した、これの周囲の密閉注水蓋１１のフランジプレート１１ａが配設される位置に、フランジプレート１１ａと同様の幅で、敷設密着材１７を、略正方形の環状に連続させて敷設する。ここで、敷設密着材１７としては、ベントナイト、水膨張性材等の、軟らかい状態から固化することで、地表面３０ａの凹凸やフランジプレート１１ａの下面の凹凸を吸収して、当該敷設密着材１７を介してこれらを互いに密着させることが可能な、公知の種々の敷設密着材１７を用いることができる。また、敷設密着材１７は、地表面３０ａやフランジプレート１１ａの下面との間に遮水シートを介在させた状態で敷設されることにより、設置された密閉注水蓋１１の周囲の水密性を、強固に保持することが可能になる。さらに、敷設密着材１７の直下の地表部分の地盤３０に、好ましくは公知の地表面固化剤を浸透させることで固化層３０ｂを形成することにより、密閉注水蓋１１の内部の圧力水の圧力を上げた際に、地表面３０ｂに水みちが形成されるのを、より効果的防止することが可能になる。地表面固化剤として、例えば不二サッシ社製の、「フライネットＲ」を好ましく用いることができる。
【００２９】
ロッド部１２ｂの周囲の密閉注水蓋１１のフランジプレート１１ａが配設される位置に、敷設密着材１７を敷設したら、敷設密着材１７がまだ固まらないうちに、上述のように、密閉注水蓋１１のロッド挿通孔１１ｆや、貫通金具２１の円筒スリーブ部２１ａに、地表面３０ａから立設するロッド部１２ｂの上端部分を挿通しながら、フランジプレート１１ａを敷設された敷設密着材１７の上面に載置して、密閉注水蓋１１を、測定対象となる地盤３０の地表面３０ａに設置する。しかる後に、フランジプレート１１ａに形成された複数のアンカー孔１１ｂを介して、敷設密着材１７及び地盤３０に向けて複数のアンカー部材１９を打ち込む。そして、密閉注水蓋１１の内部に水を満たした段階で、水が敷設された敷設密着材１７に滲み出るので、敷設密着材１７が固化することで、密閉注水蓋１１を、外周部分を地表面３０ａに水密に密着させた状態で設置することが可能になる。
【００３０】
測定対象となる地盤３０の地表面３０ａに密閉注水蓋１１を設置したら、設置された密閉注水蓋１１に、送り管１３及び戻り管１４や水抜き管２４を接続する共に、密閉注水蓋１１の内部と、給水ポンプ１５や給水タンク１６との間で圧力水を循環させて、密閉注水蓋１１の内部に圧力水を満たすことで、満たされた圧力水を、測定対象となる地盤３０の地中に、浸透水として浸透させることが可能な状態となる。また、土壌水分計１２、小型圧力計２３、給水ポンプ１５等を、配線類を介して、データロガーやパーソナルコンピュータを備えるデータ処理部（図示せず）に接続することで、計測された各種の測定データを処理することが可能な状態となる。さらに、パーソナルコンピュータには、ＶＧモデルによって不飽和領域の地盤の浸透特性を解析することが可能な、公知の有限要素解析プログラムが組み込まれており、この有限要素解析プログラムによって、土壌水分計１２、小型圧力計２３、給水ポンプ１５等から送られる計測データに基づいて、飽和透水係数ｋ0とＶＧモデルの不飽和パラメータα、ｍ、ｎをより適切に精度良く設定して、不飽和領域の地盤の浸透特性を解析できるようになっている。
【００３１】
そして、本実施形態のＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法は、有限要素解析プログラムを用いて不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する解析方法であって、不飽和透水係数を算定する式として、〔数１〕に示すＶＧモデルによるモデル式が用いられ、飽和透水係数ｋ0とＶＧモデルによるモデル式の不飽和パラメータα、ｍ、ｎが、原位置不飽和透水試験によって得られる、所定の圧力で浸透水を地中に浸透させた際の所定の深さにおける水分含水率の経時変化から、逆解析することによって設定されるようになっており、設定された飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを用いて不飽和透水係数を算定することで、不飽和領域の地盤の浸透特性を解析するようになっており、且つ原位置不飽和透水試験において得られる飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを設定するための水分含水率の経時変化を、図４に示すように、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、浸透水を地中に浸透させて得られた水分含水率の経時変化としている。
【００３２】
また、本実施形態のＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法は、原位置不飽和透水試験において所定の圧力で浸透水を地中に浸透させる前に測定又は推定された、初期含水率及び初期サクションから、不飽和パラメータα、ｍ、ｎの暫定値を設定すると共に、前記飽和透水係数を推定して、事前解析を行うことにより測定条件を仮設定し、仮設定された測定条件に基づいて、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、原位置不飽和透水試験において浸透水を地中に浸透させて、水分含水率の経時変化を得るようにしている。
【００３３】
本実施形態のＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法は、公知の有限要素解析プログラムが組み込まれたコンピュータ（パーソナルコンピュータ）を用いて、好ましくは図１に示すフローチャートに従って実施することができる。すなわち、本実施形態では、まず、原位置不飽和透水試験において、土中水分計１２を設置するための測定孔を専用のオーガーを用いて削孔して、測定装置である土壌水分計１２を設置したら、浸透水を地中に浸透させるのに先立って、設置した土壌水分計１２によって、測定対象となる地盤３０の初期体積含水率を測定する。
【００３４】
次に、測定対象となる地盤３０の地下水の有無を判定して、地盤３０の初期サクション（初期の負の圧力水頭）を推定するか、或いは測定する。すなわち、例えば付近のボーリングデータや、原位置不飽和透水試験の際に得られたボーリングデータから、地盤３０の地下水の有無を判定して、地下水位が明らかで浅い場合には、静水圧を仮定して、公知の推定式によって初期サクションを推定する。また地下水位が不明の場合や、深い場合には、初期サクションを推定できないので、例えば公知のテンシオメータを用いて初期サクションを測定する。初期サクションを推定するか、或いは測定したら、初期サクションと、土壌水分計１２によって計測された初期体積含水率に基づく初期飽和度から、例えば不飽和パラメータｎの暫定値を設定し、さらに式（４）から、不飽和パラメータαの暫定値を設定する。
【００３５】
不飽和パラメータαの暫定値を設定したら、土中水分計１２が設置される測定孔を削孔する際に得られた削孔ずりの土質や粒度分布等から、例えば公知のＣｒｅａｇｅｒ（クレーガー）の式を用いて、測定対象となる地盤３０の飽和透水係数ｋ0を推定すると共に、有限要素解析プログラムによる事前解析を行って、浸透水を地中に浸透させる際の水圧等の測定条件を仮設定する。
【００３６】
有限要素解析プログラムによる事前解析を行って測定条件を仮設定したら、原位置不飽和透水試験において、仮設定された測定条件に基づいて、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、浸透水を地中に浸透させて、水分含水率の経時変化が得られるようにする。すなわち、上述の原位置不飽和透水試験装置１０を使用して、小型圧力計２３により圧力を管理しつつ、戻り管１４に設けられた流量調整バルブ２０や給水ポンプ１５によって密閉注水蓋１１の内部に満たされた圧力水の圧力を調整すると共に、所定の水圧Ｐを試験装置１０の密閉注水蓋１１の内部に負荷させる。また、密閉注水蓋１１の内部と、給水ポンプ１５や給水タンク１６との間で圧力水を循環させながら、浸透水として地中に浸透させる圧力水の水圧Ｐを、所定の時間が経過する毎に、段階的に増加させて、土壌水分計１２により地中の各計測点における含水率の変化を計測する。
【００３７】
ここで、密閉注水蓋１１の内部に満たされた圧力水の圧力（水圧Ｐ）を、所定の時間が経過する毎に、段階的に増加させて、土壌水分計１２により地中の各計測点における含水率の変化を計測する際に、含水率の上昇速度が適正か否かを判定する。計測中の含水率の上昇速度が過度に速かったり、遅かったりする場合には、水圧Ｐを修正して、適度な測定時間を確保する。含水率の上昇速度が適正である場合には、地中の各計測点における含水率の変化を計測した後に、水圧Ｐをステップアップして、ステップアップした所定の水圧Ｐを試験装置１０の密閉注水蓋１１の内部に負荷させる。そして、同じようにして水圧Ｐをステップアップしながら、土壌水分計１２により地中の各計測点における含水率の変化を計測する工程を、地中の各計測点の土壌が飽和するまで、所定の段階数繰り返した後に、測定を終了する。これによって、浸透水として地中に浸透させる圧力水の水圧Ｐを、段階的に増加させて、土壌水分計１２により地中の各計測点における含水率の変化を計測する際の測定時間の短縮と、測定精度の向上を、効果的に図ることが可能になる。
【００３８】
また、本実施形態では、原位置不飽和透水試験において得られる、水圧Ｐをステップアップしながら段階的に増加させた際の不飽和パラメータを設定するための水分含水率の経時変化を、例えば図４に示すような経時変化として得ることができる。図４に示す水分含水率の経時変化は、例えばＧＬ−０．２ｍの深さにおいて、試験の開始から８５分後に浸透水の圧力を０．０１ＭＰａ〜０．０２ＭＰａに増加させ、さらに９０分後に浸透水の圧力を０．０２ＭＰａ〜０．０３ＭＰａに増加させ、さらに６０分後に浸透水の圧力を０．０３ＭＰａ〜０．０４ＭＰａに増加させた際の、水分含水率（体積含水率）の経時変化を示している。
【００３９】
本実施形態では、例えば図４に示すような、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、浸透水を地中に浸透させて得られた水分含水率の経時変化から、飽和透水係数ｋ0とＶＧモデルによるモデル式の不飽和パラメータを、逆解析することによって設定することができるようになっており、設定された飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータを用いて不飽和透水係数を算定して、不飽和領域の地盤の浸透特性を解析するようになっている。
【００４０】
そして、上述の構成を備える本実施形態のＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法によれば、有限要素解析プログラムを用いて、ＶＧモデルによって不飽和領域の地盤の浸透特性を解析する際に、不飽和透水係数や飽和度を算定するための飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを、より適切に精度良く設定することが可能になる。
【００４１】
すなわち、本実施形態のＶＧモデルによる不飽和浸透特性解析方法によれば、原位置不飽和透水試験において得られる飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを設定するための水分含水率の経時変化は、図４に示すように、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、浸透水を地中に浸透させて得られた水分含水率の経時変化となっていて、体積含水率の変化を描く曲線もまた、段階的に増加する浸透水の水圧Ｐに応じて、段階的に変化することで、Ｓ字曲線の形状が変化する部分を含む複数のＳ字曲線が組み合わさった曲線となっている。
【００４２】
したがって、本実施形態によれば、ＶＧモデルによるモデル式において、不飽和透水係数ｋや飽和度Ｓeを得るための飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを、仮設定した後に、原位置透水試験方法において得られた、所定の圧力で浸透水を地中に浸透させた際の所定の深さにおける水分含水率の経時変化に、フィットするよう逆解析することで、再設定する際に、図４に示すような複数のＳ字曲線とフィットするよう逆解析することにより、図５に示すような１つのＳ字曲線にフィットするよう逆解析する場合と比較して、より緻密で精度の良い逆解析が行われることになるので、誤差があったり不適切な値の飽和透水係数ｋ0や不飽和パラメータα、ｍ、ｎが再設定され難くなって、飽和透水係数ｋ0と不飽和パラメータα、ｍ、ｎを、より適切に精度良く設定することが可能になる。またこれによって、ＶＧモデルによるモデル式が組み込まれた有限要素解析プログラムを用いて、不飽和領域の地盤における浸透水による水分含水率（体積含水率）の経時変化を、コンピュータによって精度良くシミュレートすることが可能になる。
【００４３】
また、本実施形態では、ＩＰ法において実施される、含水率分布の測定に伴って行うサクションの測定を省略しているが、複数の水圧Ｐを測定条件とすることで、結果としてサクションの急激な変動に基づく含水率分布を測定することが可能になって、サクションの測定を行わないことによる測定条件を補うことで、より簡易に不飽和透水係数を設定することが可能になる。
【００４４】
また、本実施形態では、初期含水率及び初期サクションから、不飽和パラメータα、ｍ、ｎの暫定値を設定して、事前解析を行うことにより測定条件を仮設定し、仮設定された測定条件に基づいて、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、原位置不飽和透水試験において浸透水を地中に浸透させて、水分含水率の経時変化を得るようにしているので、ＩＰ法のように含水率分布の測定中はサクションの変化を測定する必要がなくなると共に、初期サクションを計測して不飽和パラメータα、ｍ、ｎの暫定値を設定していることから、図６に示す体積含水率θ―サクションφの曲線に対して、初期値と最終値（飽和時のサクションは０）の両端を確定することが可能になる。これによって、サクションを測定条件として考慮した不飽和浸透特性を解析することが可能になる。またこれによって、非特許文献１のような、サクションを全く考慮することなく、水分含水率の経時変化の計測データのみから、ＶＧモデルに基づく不飽和浸透特性を解析する方法と比較して、より精度よく不飽和浸透特性を解析することが可能になる。
【００４５】
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく種々の変更が可能である。例えば、段階的に増加させた異なる複数の圧力で、浸透水を地中に浸透させて得られた水分含水率の経時変化は、上記の原位置不飽和透水試験装置を用いた原位置不飽和透水試験に限定されることなく、その他の試験装置を用いた原位置不飽和透水試験によって得ることもできる。
【符号の説明】
【００４６】
１０  原位置不飽和透水試験装置
１１  密閉注水蓋
１１ａ  フランジプレート
１１ｂ  アンカー孔
１１ｃ  上面プレート
１１ｄ  周壁プレート
１１ｅ  蓋本体
１１ｆ  ロッド挿通孔
１２  土中水分計
１２ａ  水分センサー
１２ｂ  ロッド部
１２ｃ  ガイドチューブ
１３  送り管
１４  戻り管
１５  給水ポンプ
１６  給水タンク
１７  敷設密着材
１９  アンカー部材
２０  流量調整バルブ
２１  貫通金具
２１ａ  円筒スリーブ部
２１ｂ  接合フランジ部
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ  ジョイント金具
２３  小型圧力計
２４  水抜き管
２５  補助スタンド
２６  フィルター
３０  測定対象となる不飽和領域の地盤
３０ａ  地表面
３０ｂ  固化層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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