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逐次伝達法の弱形式理論化とそのマイクロ波への適用およびテンソル場への拡張の検討

散乱現象を逐次伝達法を用いてコンピュータで解析するために弱形式離散化法を新たに開発した.その特筆できる特徴は,さまざまな運動方程式への適用が可能であること,および,これまで以上に高い精度で解析が可能なことである.この研究で可能となった局在波の解析手法は,応用面でもマイクロ波による加熱装置の効率化や弾性波の共鳴現象の解明に寄与できた.さらに,発展が期待できる成果として,平板の運動方程式を20世紀に発展した数理物的な成果をもとに整備したことがあげられる.本研究の目的は,新しい数値計算法である逐次伝達法を,弱形式理論により再定式化するとともに,これをマイクロ波(ベクトル波)および弾性波(テンソル波)へ適用することにある.平成24年度は,平成23年度に導入した計算環境の整備と実験を行う計画であった.計算機環境については,ネットワーク化と数値解析ソフトウェアの整備を完成した.これにより新技術である逐次伝達法での解析結果を有限要素法のものと比較して検討できるようになった.さらに,実験試料の設計および実験結果の解析にも利用している.マイクロ波の研究を発展させ,局在波の効果を化学反応容器の設計に利用できた.研究結果の一部は,電子情報通信学会のマイクロ波研究会で発表した.また,局在波が関与して生じるFano共鳴がマイクロ波実験で観測されており,その解析も準備している.弾性波に関しては,2種類の実験を実施した.ひとつは積層構造物でのP波とS波のモード変換に関するもの,もうひとつは円柱構造物での弾性波共鳴散乱に関するものである.前者は実験結果を解析している段階である.後者の実験結果の一部は理論的にも解明できたが,弾性波共鳴散乱は実験結果から抽出できず,新たな実験と理論の確立を検討している.非等質な弾性平板の屈曲波についてはKichhoff理論を拡張し,テンソル基底を用いて座標変換の共変性を表現した.結果は日本応用数理学会誌に発表した.また,これに関連する論文2編を投稿した.本研究の目的は,新しい数値計算法である逐次伝達法の開発,および,これをマイクロ波(ベクトル波)および弾性波(テンソル波)に適用し有効性を確認することである.平成25年度の主な目的は,これまでの2年間の成果を論文などで公表することである.また,理論および数値解析で得られた結果を実験的に確認することも目指した.平板の理論的定式化は19世紀にKirchhoffが行い,Mindlinにより厚さ方向を考慮しつつ20世紀に拡張されている.本研究で提案した新しい定式化は重調和解析を拡張するという立場であり,数値計算における応用は勿論のこと数学的にも新たな研究が開ける可能性がある.これらの研究結果を電子情報通信学会欧文論文誌に2編投稿し,うち1編は掲載が決定されている.また,数学的な観点を強調した論文を応用数理学会の研究集会にて発表するとともに欧文レター誌にも投稿中である.いずれも,論文に関して多くの質問が寄せられ,重調和解析の世紀をまたぐ議論に関心が集まった.昨年度に行った円柱構造における弾性散乱の研究は,液体への透過現象に関する議論に発展した.等価インピーダンスの新しい表現を提案でき,その実験的な確認も行うことができた.これらの結果は日本物理学会欧文論文誌で出版した.さらに,弾性平板における屈曲波の実験も実施し,共鳴反射と呼ばれる特徴的な現象を伴った共鳴現象乱を確認した.これに関連する論文が,先に述べた電子情報通信学会欧文論文誌に投稿したもののうち査読中の1編である.この論文は査読者から「内容は掲載するに申し分ない」と評価されている.昨年度に実施した化学反応容器におけるマイクロ波吸収の研究を発展させるものとして,Fano共鳴の新しい解析方法を提案した.この結果は電子情報通信学会欧文論文誌に受理され現在印刷中である.散乱現象を逐次伝達法を用いてコンピュータで解析するために弱形式離散化法を新たに開発した.その特筆できる特徴は,さまざまな運動方程式への適用が可能であること,および,これまで以上に高い精度で解析が可能なことである.この研究で可能となった局在波の解析手法は,応用面でもマイクロ波による加熱装置の効率化や弾性波の共鳴現象の解明に寄与できた.さらに,発展が期待できる成果として,平板の運動方程式を20世紀に発展した数理物的な成果をもとに整備したことがあげられる.本研究の目的は,新しい数値計算法である逐次伝達法を,弱形式理論により再定式化するとともに,これをマイクロ波(ベクトル波)および弾性波(テンソル波)へ適用することにある.平成23年度は,理論的な定式化と計算環境の整備に並行して,実験の準備を行う計画であった.数値計算のための環境整備は計画どうりであり,ワークステーションと数値計算のためのアプリケーションソフトの導入が完了している.また,これを用いた数値計算もプログラム化が進んでいる.当初の計画では,ベクトル波について検討を始める計画であったが,実験の準備が予定していた以上に整ったので,次年度の実験の一部を前倒しで実施した.計画に一部変更はあるが,この実験を含む結果を応用物理学会欧文誌へ投稿した.

また,この結果の一部を電子情報通信学会の平成24年春の総合大会にて発表した.弾性波動に関する研究は,層状構造物において界面での局在波動が関与する現象の解明とこれを実験的に確認するための試料の作成を計画していた.円柱状の導波路に関する理論的解析が予想以上に複雑になったため実証実験の計画を遅らす必要が生じた.しかし,2次元近似でのモードP波・SV波の解析が完成し,数値計算を用いてモード変換を伴った散乱が存在する新しい可能性を発見できた.現在,この現象の実証実験に的をしぼり準備を進めている.弾性波に関して,上述の他に次のような新たな進展もあった.非等質な弾性平板に注目すると,古典的なKichhoff理論を拡張できることを発見し,屈曲波の散乱現象に対して理論的にも美しい定式化を完成させた.この結果は,日本応用数理学会誌に投稿されており現在査読中である.逐次伝達法を用いた数値計算についても屈曲波散乱の解析を実施でき,この結果をもとに論文2編を作成中である.主な研究目的であった,マイクロ波および弾性波の支配方程式を2階差分方程式に変換し散乱問題を解析する手法の開発は,当初の計画通り弱形式理論を用いた離散化を利用することで達成できた.弱形式スキーム逐次伝達法と名付けたこの手法は,弱形式表現が可能なさまざまなシステムに適用できる拡張性がある.さらには,従来より高い解析精度を実現できることを明らかにした.応用面でもマイクロ波による加熱装置の効率化や弾性波の共鳴現象の解明に寄与できた.これらの応用に際して,散乱体の周辺に発生する局在波や擬似局在波を抽出する手法を開発した.特に,擬似局在波を複素数の周波数を有する固有モードとして捉える発想は,ファーノ効果に関連して理論的には知られていたものの数値解析ではこれまでには議論されることがなかったものであり,今後の発展が期待できる.当初予定していた3次元スステムの定式化が未完ではあるが,弾性平板の運動方程式を20世紀に発展した共変性の概念をもとに整備したことは大きな成果であった.これにより,2階のテンソル場に対する簡潔な弱形式表現が可能となった.この表現の特徴を生かすこで,理論と応用にわたる発展が期待できる.研究業績の公開のために要する経費を確保するために研究期間を1年延長して本年度までとした.年度をまたいで出版が決定していた論文は無事出版された.これに加えて,さらに論文1編の出版および国際会会議での発表を1件行った.デバイスのモデル化および数値解析理論的な定式化については,ほぼ計画とおり進でいる.さらに化学反応容器への応用の可能性も明らかにした.具体的成果としては, (i)非等質な弾性平板でテンソル基底を用いた共変的運動方程式を提案し論文で発表した.(ii)弱形式理論を用いた離散化手法を応用したマイクロ波および弾性波の導波路中での散乱問題を3編の論文にまとめ投稿した.(iii)化学反応容器の逐次伝達法を用いた解析を実施し,電子情報通信学会のマイクロ波研究会でこれを発表した.数値計算環境の整備計画は,予定通りに実施できた.これを用いた数値解析も,上記の論文作成に利用できた.とくに,手計算では数週間で行っていた数式処理作業を1日余りで実施でき,研究効率が大きく向上した.弾性波のモード変換実験では,寄生効果のため予想した現象が観測できなかった.そこで資料を変更し,単純な応答が期待できる2種類の円柱試料に対して実験を行った.
明治期の西洋建築の移入に関する書誌学的研究

幕末の開国以来,西洋建築の学習は多角的に進められたが,西洋から取り入れられた書物や文献などの書誌も重要な役割を果たしていた。本研究は,当時,西洋からどのような建築に関連する書物や文献が採り入れられたのか,またをれらの扱われ方や日本に及ぼした影響を調べ,明治期の西洋建築の移入の様子を明らかにしていくことを目的とし,今年度は次のような研究を行った。当時の西洋建築の重要な概念の一つにstyle(様式)の概念があるが,その概念の日本での受容の様子を,当時の書物や文献でstyleに当てられた訳語に注目し,明らかにした。明治末には今日とほぼ同様に「様式」という訳語に定まっているが,明治中期には様々な訳語が当てられており,当時の人々が西洋の新しい概念を精確に捉えようとしていた様子がうかがえた。次に,明治期のどのような書物や文献がわが国へもたらされていたのかについてできる限り全体的な目録を作成するため,今年度は明治期に官庁等の政府機関が所蔵していた書誌が多く所蔵されている国立国会図書館と国立公文書館を訪ね,明治期の建築や芸術に関連する書物をできる限り閲覧し,目録の作成を進めた。また,明治期を通じて学術雑誌や専門誌には,西洋の建築や芸術の動向に関して多くの西洋の書物や文献が紹介,翻訳されていた。このことに注目し,今年度は建築学会の学会誌『建築雑誌』(明治20年創刊)の誌上に掲載された翻訳記事を収集し,現在その分析を行っている。雑誌上に紹介される翻訳記事は,雑誌の編集者や訳者らによって意識的に選択されたものであり,その当時の日本の建築界が抱えていた課題や建築家達の関心の所在が記事の内容に表れると考えられる。これによって明治期の西洋建築移入期における西洋建築への関心事の特徴とその変遷を明らかにしていく予定である。
食品と花粉飛散量の組み合わせによるアレルギー症状の増強因子に関する研究

3年分の健康調査と3万種の食品購入情報を食品群として抽出し、発疹と掛け合わせた花粉症の有無別データを作成した。分析対象者は8,107名、延べ総数は635,486名・日となった。食品群はアレルギー表示の必要な16種とし、分析は相関係数、時系列分析、反復測定の二項ロジスティック回帰分析(一般化推定方程式GEE)を実施した。結果、分析方法によって異なる食品が抽出された。GEEの解析結果で夏季の花粉症なしで関連のある食品がないことから、春季は花粉症に関係なく発疹が起こることが推察された。食品購入データと症状とをつなげたデータを用い、様々な統計手法を用いたアレルギーの原因検索方法を導くことができた。本研究は、過去の研究「インターネットを利用した日々の健康調査」によって取得されていた4年間(各年約4か月間)の関西、関東地区(各地域、各年、約4000世帯、約12,000名)の健康調査データを用い、データクレンジングから、別のデータとの統合作業を行い、本研究の目的を達成するための分析データを新たに作成し、検討を行っていく研究となっている。新たな分析データとして、花粉飛散量・黄砂量・気象・定点インフルエンザ・定点ノロウイルスデータを取得し、健康調査データと年度別に統合作業を行った。平行して健康調査に協力を得た日本生協連と各地域の協力生協に依頼し、各年の調査対象者である組合員の食品購入情報(各地域、各年約1万種の食品)のデータの取得を行った。分析では関西地区のデータを用いるが、万が一、分析に問題が生じた場合に備えて関東地区のデータについても同様の作業を行い、予備データとして準備を行っている。現在は、花粉飛散量、黄砂量等を統合した健康調査データと食品購入情報データの統合作業を実施している。統合作業とは各地域の組合員が購入した全食品を組合員とその家族に統合し、更にその食品の賞味期限(最長30日間)分の食品購入データを家族全員に追加し、そこにその日の症状も追加させる作業である。その際、健康調査データの調査項目が各年度で追加、削除されていることが分かり、各年度における突合作業を行い、4年間のデータの統合作業が出来るようにデータクレンジングも行った。更に、食品群と花粉飛散量とのアレルギー症状についての分析を実施するため、Excelでマクロを組む作業方法についての検討を行っている。現在、マクロの作成段階に入っており、この手法によって食品群を検討し食品群に分類後、速やかに分析に取り掛かることができると考えている。本年度は、調査対象者の中から、特定の食品を購入した者を抽出できるシステムの開発を行った。このシステムの開発により、これまで準備してきた調査対象者の日々の健康状態と食品購入情報、花粉飛散量、黄砂量等の環境因子を統合したデータから、市販された食品によって、引き起こされた可能性のある健康被害を受けた者を抽出でき、さらに様々な環境要因と関連した可能性のある食品による健康被害を検出するための分析データを完成することが出来た。我々が先に行っている市販後の食品から健康被害を発見するための研究手法では、調査対象者の日々の健康調査データより、症状のあった者を抽出し、その者が購入した食品を選定、症状と食品の掛け合わせ分析を行って、健康被害を引き起こしたと考えられる食品を特定する段階的なシステムとなっていた。今回、開発したシステムにより、特定の食品を購入した者が抽出でき、その食品を購入した日、症状出現日、症状の発症期間、その時の環境要因等が、購入食品を元にして、直接絞り込めるようになった。現在は、システムの開発と並行して準備してきた約3万の食品を食品群に分類し、分析対象としている食品群の分析データを作成、分析を開始している。例えばA社牛乳、B社牛乳を牛乳購入群とし、発疹が発症している者の牛乳購入群と非購入群に分け、時系列グラフを作成し、購入群と非購入群、春と夏データとの比較を行った。その結果、春季での牛乳群と発疹との関係性が認められた。また、アレルギーを引き起こす他の食品群も同様のグラフを作成し、食品と発疹の関係性と、他の症状でも同様の傾向が認められるかどうかの確認を行っている段階である。今後は、これらの基礎分析を参考にし、多変量解析等の詳細な分析を実施し、特定の食品群と花粉飛散、その他の環境因子との関連について考察する予定となっている。平成27年度中に完成予定としていた分析データの統合は完成できたが、約3万種の食品を食品群にする方針の決定が遅れ食品群にする作業と、食品群の食品を購入した者を抽出するシステムの開発に時間を要し、分析作業の開始が予定より少し遅れてしまった。しかし、本研究に沿った分析データが完成出来たことにより、分析は順調に進んでおり、現在はアレルギーに関連する代表的な食品群の基礎分析を終えた段階である。予定していた計画からはやや遅れている状況であるが、分析作業の効率を上げることで対応は可能と考えている。我が国では、国民の約半数がアレルギー疾患に罹患していると推定されている。また、近年では様々な食品によるアレルギー疾患についても増えてきており、食品とアレルギーの関連を調査できる手法が必要と考えている。本研究者は、奈良県立医科大学公衆衛生学講座が実施した日本生活協同組合連合会との協力によるインターネットを利用した日々の健康調査と食品との健康被害に関する広域調査に参加していた。

そこで得られた3万個の販売食品を食品群とするための抽出方法を考案し、食品群と発疹とを掛け合わせたデータを作成し、花粉飛散時期に花粉症を有すると特定の食品の影響を受けてアレルギー疾患、本研究では発疹が起こりやすくなることを疫学的に検証した。分析方法としては、アレルギー表示対象品目の内、16食品が含まれている食品を抽出し、春季2年と夏季1年のデータで花粉症の有無別の発疹との関連性を分析した。分析には、相関係数の算出と交差相関による発疹発症日の確認、エキスパートモデルを使用した時系列分析、反復測定の二項ロジスティック回帰分析(一般化推定方程式Generalized estimating equations; GEE)を実施した。結果としては、春季、夏季で花粉症有り無し共に発疹との関連性のある食品が抽出され、分析方法によって異なった食品が抽出された。花粉飛散量との関連性は認められなかった。しかしながらGEEでの解析結果では、夏季の花粉症なしでは発疹と食品との関連性がなかったことから、春季には、アレルギー疾患の有無にかかわらず発疹が発症する可能性があると考えられた。今回の分析では、花粉飛散時期に発疹と強い関連性のある食品を抽出することはできなかったが、膨大な食品購入データと症状とをつなげたデータを用い、様々な統計手法を用いたアレルギーの原因検索方法が導かれたことは意義深いと考えている。3年分の健康調査と3万種の食品購入情報を食品群として抽出し、発疹と掛け合わせた花粉症の有無別データを作成した。分析対象者は8,107名、延べ総数は635,486名・日となった。食品群はアレルギー表示の必要な16種とし、分析は相関係数、時系列分析、反復測定の二項ロジスティック回帰分析(一般化推定方程式GEE)を実施した。結果、分析方法によって異なる食品が抽出された。GEEの解析結果で夏季の花粉症なしで関連のある食品がないことから、春季は花粉症に関係なく発疹が起こることが推察された。食品購入データと症状とをつなげたデータを用い、様々な統計手法を用いたアレルギーの原因検索方法を導くことができた。本研究は分析データはすでに過去4年間で収集できているものの、花粉飛散量等の他のデータの取得、また、こられを統合させるためのデータクレンジングや、突合作業など、非常に時間と労力をかけなねればならない。データ作成は昨年から現在まで継続して実施している。現在は年度別のデータを統合させる作業まで進んでおり、研究目的における立案計画の通り、おおむね順調に進展していると考えている。現在は、各年度(4年分)のアレルギーに関連する代表的な食品群の基礎分析を終えている。今後は基礎分析を参考にした多変量解析等の詳細な分析を実施する。更に、アレルギーと関連性の低い食品での分析、発疹を起こしてない者での分析も行う予定にしている。その結果を元に特定の食品群と花粉飛散、その他の環境因子との関連について考察し、学会発表、研究論文の執筆作業を行う予定である。公衆衛生看護学データの作成状況については、おおむね順調に進んでいると考えているが、本研究のもう一つ労力のかかる作業である食品購入情報を食品群にする作業が立案していた計画よりも少し遅れぎみである。しかし、多くの食品購入情報を食品群にするための方針を検討しており、この方針を決めることが出来れば、計画予定の時期から分析を開始することが可能であると考えている。
緑色食品中のクロロフィルの光による退色と活性酸素生成の抑制・防止に関する研究

緑茶や野菜の緑色色素であるクロロフィルは、光により分解して退色することが知られている。本研究では、クロロフィルの光による退色防止を目的として、抗酸化物質の添加等について検討を行った。その結果、α-トコフェロール等の脂溶性の抗酸化物質にクロロフィルの光退色を防止する効果が認められたが、根本的な解決には至らなかった。一方、クロロフィルは、溶媒や共存物質により凝集体を形成することがわかった。クロロフィルは、類似の構造である銅クロロフィリンナトリウムと相互作用を行い、水-メタノール混合溶媒の水が多い状態では、混合凝集体の形成が考えられ、クロロフィルの光照射によるダメージを軽減することが示唆された。緑色色素であるクロロフィルは、光(特に、紫外線)により分解を受けやすい。本研究では、緑茶や野菜に含まれるクロロフィルの光退色を防ぎ、緑色を長期間保持することを目的としている。今年度は、クロロフィルの光退色を防止するメカニズムの解明を目的とし、以下のような成果を得た。1.クロロフィルの光による退色の防止:クロロフィルは、光により低分子に分解されて最終的には無色になる。これは、クロロフィルの酸化によるものであることから、この現象を防止するため、様々な抗酸化物質を添加し、クロロフィルの安定性を調べた。水溶性の抗酸化物質であるアスコルビン酸、カテキンについてはほとんど効果が認められなかったが、脂溶性の抗酸化物質であるα-トコフェロールやβ-カロテンには退色抑制作用が認められた。2.一重項酸素の発生の抑制:SOSG(Singlet Oxygen Sensor Green)というプローブを用いて、クロロフィルが光分解する際に一重項酸素を放出することを確認した。一重項酸素は、光照射時間に依存して増加した。α-トコフェロールは、一重項酸素の発生を抑えたことから、光退色の抑制と共に光増感作用を防止することが示唆された。特に、光増感反応は、食品の劣化に影響を及ぼすものであるので、α-トコフェロールは、色の保持と食品の劣化防止に寄与する物質であると言える。3.クロロフィルと金属イオンによる錯体形成反応:クロロフィルは、ポリフィリン環の中心にMg2+が配位した構造を示し、光照射によってMg2+が外れやすい。そこで、別の金属イオンを添加し、Mg2+との置換反応により安定な金属クロロフィルを形成するかについて調べた結果、Cu2+、Fe2+、Fe3+、Zn2+が錯形成を示し、そのうち、Fe2+に光退色抑制効果が認められた。今年度は、クロロフィルの凝集状態の違いがクロロフィルの光退色に与える影響について調べた。1.溶媒の影響:異なる割合の水とメタノールの混合溶媒でのクロロフィルの光による影響を調べたところ、メタノールの割合が高いほどクロロフィルの光による退色が起こりやすいことが明らかとなった。この要因を調べるため、動的光散乱法にて凝集体の粒径を測定したところ、水の割合が高いほど粒径が大きくなっていることがわかった。つまり、水溶液中では弱い凝集状態で存在していると考えられ、光に対する保護効果があると思われる。一方、メタノール中ではクロロフィルは分散し、光に直接さらされるため、著しく退色作用を示したと考えられる。2.銅クロロフィリンの添加:水溶性の食品添加物である銅クロロフィリンを添加した場合、クロロフィルの光による分解がさらに抑制された。動的光散乱法にて粒径を測定したところ、クロロフィルのみの場合よりも銅クロロフィリンを添加した場合の方が粒子径が大きくなっていた。これは、銅クロロフィリンがクロロフィルと疎水性相互作用を行い、安定な凝集体を生成したため、クロロフィルの光照射によるダメージを軽減したと考えられる。このように、クロロフィルの光退色には溶液中の凝集状況が大きく関与していることが示唆された。緑茶や野菜の緑色色素であるクロロフィルは、光に対して不安定であり、食品の色調を悪くするためでなく、活性酸素の発生に関与しているともいわれている。クロロフィルの光退色防止を最終目的として、本年度は、様々な保存条件におけるクロロフィルの光退色作用について調べた。また、クロロフィルによって抗酸化物質の抗酸化性がどのような影響を受けるのかについても検討した。主な成果を以下にまとめる。1.クロロフィルの退色作用様々な保存条件におけるクロロフィルの退色作用について調べた。光の影響について調べた結果、紫外線(UV)または可視光線(Vis)を照射したものは、数日後にクロロフィルが消失したが、遮光により2か月間退色を防ぐことが可能であった。

温度の影響については、4°C保存では、2か月後までほとんど変化がなかったが、25、40°Cと温度が高くなるに従い、クロロフィル残存率は低下した。さらに、酸素濃度の影響については、光や温度による影響ほどは強くなかったが、酸素濃度が高いものが他に比べてより退色しやすくなった。つまり、クロロフィルは、酸素<温度<光の順に影響を受けやすいことが明らかとなった。2.抗酸化物質の抗酸化性に及ぼすクロロフィルの影響クロロフィルの光による退色作用により、活性酸素が生じることが知られている。これにより、抗酸化物質の抗酸化性は低下することが予想される。そこで、緑茶に含まれる抗酸化物質である(-)-エピガロカテキンガレート(EGCG)の抗酸化性に与えるクロロフィルの影響について調べた。抗酸化性の評価は、ORAC法にて行なった。UVの照射時間に伴い、クロロフィルの濃度は減少したが、EGCGの抗酸化性は増大することが明らかになった。これは、EGCGよりも先にクロロフィルがラジカルを補足していることを示し、より不安定になっているクロロフィルの方がよく補足していることを示唆している。2年目の目標を概ねクリアしている。クロロフィルの光退色を防止するのは、二重結合を多く有する脂溶性の抗酸化物質(α-トコフェロール、β-カロテン)であり、これらは一重項酸素の消去にも役立っている。また、クロロフィルの中心のマグネシウムイオンを別の金属イオン(特に、Fe2+)と入れ換えることで、光退色を抑えることも明らかになった。今後、これらの基礎実験を実用化の段階に移すために、詳細な研究を行う予定である。初年度において、クロロフィルの退色に及ぼす条件について明らかにすることができ、これを基本として、今後の実験に対する条件設定ができるようになった。本年度の予算にてマイクロプレートリーダーを購入し、抗酸化性の評価を行うことができ、これにより、計画通り抗酸化物質の抗酸化性に及ぼすクロロフィルの影響について調べることができた。しかし、予想に反する結果が得られたことで、さらに詳細な実験が必要であることがわかり、来年度以降継続して検討する予定である。最終年度となるため、これまでの基礎実験を受けて、実用化に向けたクロロフィルの光退色防止法の開発を行うことを目標とする。緑茶のペットボトルを想定して、クロロフィルの光退色を最も抑えた条件にて、保存試験を行い、それに伴うクロロフィルの濃度はもちろんのこと、緑茶の成分(カテキン、アミノ酸等)や添加物質(抗酸化物質、金属イオン等)の変化を調べる。さらに、一重項酸素についても調べ、本法が食品の品質劣化の防止につながることを確認する。平成24年度1.クロロフィルの光による退色とその抑制のメカニズムの解明:本年度得られた結果に対するメカニズムの解明を目指した研究を行う。すなわち、クロロフィルが光に伴って退色する際に、活性酸素を発生するのか、また、クロロフィルが光退色する際に抗酸化物質の抗酸化性を増大させたが、この要因について調べることとする。活性酸素の測定には、ESRを用いることとし、クロロフィルの分析は、蛍光光度法またはHPLC法にて行う。2.クロロフィルと金属イオンの錯体形成反応:クロロフィルは、ポルフィリンを骨格とし、中心にマグネシウムが配位した構造である。
全身麻酔下でのニトログリセリン投与時のPaO_2の経時的変化について

等者らは、全身麻酔下でのニトログリセリン(NTG)を持続静注した場合、麻酔深度や肺の換気条件が一定であるにも関わらず、PaO_2が経時的に変動する症例に遭遇した。そこで、肥満患者を対象にNTGの投与による低血圧麻酔下でのPaO_2の経時適変化を観察した。方法:対象は中・高年の鼓室形成術の手術患者で、ASAのリスク分類に12の肥満患者(N=11、BMI=28±7)であった。観察は、全例、全身麻酔(G-0-E,F_IO_2=0.4)・調節呼吸(V_T=8ml/kg、f=10回/min)下で行った。尚、橈骨動脈にカテーテルを留置し、血圧のモニターと採血に用いた。まず、手術開始後、麻酔深度と循環状態が安定した時点で、バイタルの測定と採血(動脈血液ガス分析・血算等の測定用)を行った。次に、NTG(1mg/kg/min)の投与を開始し、30分、60分、90分後にそれぞれ、採血を行った。結果:平均血圧はNTG投与後開始30分ごには対照時の85±6から66±6mmHgへと有意に降下し、それ以後も同程度の低血圧が維持された。PaO_2はNTG投与開始30分後には対照時の131±22から88±14mmHgへと有意に低下し、60,90,120分後には、それぞれ、91±13、95±18、99±16mmHgへと経時的に上昇した。この場合、NTG投与後のPaCO_2の値は、対照時に比し、有意に低かったが、投与30分後のPaO_2は他のいずれのPaO_2値よりも有意に低かった。尚、PaO_2、pH、体温についてはNTG投与も有為な変化を示さなかった。結語:本研究では、肥満患者でのNTG投与のよる低血圧麻酔のさい、初期には、PaO_2が著明に低下したが、その後低下の程度経時的に軽減した。NTGの抑制による〓A/〓mismatchingの増強によると考えられているが、本研究でのNTG投与後のPaO_2低下の経時的軽減はHPVのTNGによる抑制の経時的軽減を示唆している。
「仮想化学教育」-インターネットを利用した新しい教育

発表論文など*日本工業新聞連載記事平成12年4月から8月にかけて計26回の連載記事を寄稿。*竹内敬人「立体化学」(講談社)の英語・マルティメディア化学会活動特別講演、一般発表、シンポジウムの組織などで数多くの発表を行った。*第20回化学ソフトウエア学会(平成11年10月・国立)竹内(記念講演)、伊藤、吉田が講演。*第22回情報化学討論会(平成11年11月・山形)共同研究者R.Sandersonを招聘、特別講演*第8回アジア化学会議(平成11年11月・台北)竹内は化学教育特別シンポジウムの共同責任者,伊藤は化学教育フォーラムを主宰した.竹内,細矢,伊藤,吉田が講演.*日本化学会第78春季年会(平成12年3月・習志野)外人共同研究者j.Lagowskiを招聘.伊藤は特別企画「インターネットと化学教育」を主宰。伊藤,吉田が講演.*日本化学会*第79春季年会(平成13年3月・神戸)竹内は、三菱総研・滝沢真之と共同して特別企が「インターネットを利用した総合的な学習用教材開発の組織化」を主宰。本年度の「仮想化学教育」プロジェクトの活動を項目別に示す.(1)学会活動第回化学ソフトウエア学会(平成11年10月・国立)竹内が仮想化学教育(VCE)を中心とした記念講演を行った.伊藤,吉田も講演した.第回情報化学討論会(平成11年11月・山形)外人共同研究者R.Sandersonを招聘し,インターネット教育に関する特別講演を依頼した.伊藤もVCE関連の講演をした.第8回アジア化学会議(平成11年11月・台北)竹内は化学教育特別シンポジウムの共同責任者,伊藤はこの中のインターネットを利用した化学教育フォーラムを主宰した.また,竹内,細矢,伊藤,吉田が講演を行った.日本化学会第春季年会(平成12年3月・習志野)外人共同研究者j.Lagowskiを招聘し,化学教育に関する特別講演を依頼した.伊藤は特別企画「インターネットと化学教育」を主宰し,伊藤,吉田がVCE関連の講演を行う.このように,内外の学会において,VCEの存在感を示すことができた.(2)国際的な立場の強化平成11年8月,吉田は外人共同研究者Rzepaを訪ね,共同研究を開始した.平成11年8月,ベルリンで開催された国際純正応用化学連合(IUPAC)・化学教育委員会(CTC)の会議に竹内,伊藤,Lagowski,Sandersonが出席し,VCEの世界規模での展開を報告し,高く評価された.また,CTCの機関雑誌International Newsletter on Chemical Educationの電子雑誌化と,編集発行をVCEの枠の中で進めることを依頼された.(3)マルティメデイア教材の創作竹内著「立体化学」(講談社)の英語・マルティメディア版の製作はほぼ半分終了した.VCEの多面的な活動は教育工学界にも評価され,新聞に紹介されるようになった.日本化学会第79春季年会(平成13年3月・神戸)竹内は、三菱総研・滝沢真之と共同して、特別企画「インターネットを利用した総合的な学習用教材開発の組織化」を主宰する。ここで伊藤がVCE関連の講演を行う。(2)発表論文などCHEMICALEDUCATION JOURANAL (電子雑誌)第6巻第1号「アジアにおける化学教育」特集号は、平成11年11月に台北で行われた第8回アジア化学会議。化学教育シンポジウム特集号で、伊藤が共同編集者となり、吉田、竹内が論文を発表した。日本工業新聞連載記事我々の活動に興味を持った日本工業新聞は連載コラムのスペースを4月から8月にかけて提供してくれた。計26回の記事を寄稿できた。(3)マルティメディア教材の創作竹内著「立体化学」(講談社)の英語・マルティメディア版の製作はほぼ終了した.
カベオリン遺伝子導入によるメサンギウム細胞増殖の制御および分子機構解明

メサンギウム増殖性腎炎におけるカベオリンの役割コントロールおよびメサンギウム増殖性腎炎モデル(Thy-1腎炎ラット)に対して、腎動脈よりHVJ-リポソームをベクターとしてカベオリン遺伝子、及びそのアンチセンス遺伝子を糸球体へ導入した。FITCのラベリングにより蛍光抗体法により両遺伝子が糸球体へ導入されていることを確認し、単離糸球体のホモジネートを用いたウエスタンブロット、ノーザンブロットにより有意にカベオリン蛋白、カベオリン遺伝子に発現の変化が現れていることも確認した。光顕にて糸球体の硬化病変をスコア化したところ、コントロール動物ではモック遺伝子導入群に対して、カベオリン遺伝子、カベオリンのアンチセンス遺伝子導入の両群とも有意な変化を認めなかったが、Thy-1腎炎ラットではモック遺伝子導入群に対して、カベオリン遺伝子群で硬化病変のスコアが少ない傾向を示した。カベオリンのアンチセンス遺伝子導入群では変化を認めなかった。PCNAやファイブロネクチンなどの免疫染色により細胞増殖やマトリックス産生を検討したところ、カベオリン遺伝子群でいずれも少ない傾向が認められた。また、単離糸球体を用いて糸球体内遺伝子の発現を検討したところ、カベオリン遺伝子導入群では糸球体の細胞増殖、糸球体硬化に強く関連する情報伝達物質であるプロテインキナーゼC、Ras-Raf1の発現が減少していたが、同様に糸球体硬化に関係するTGF-betaの情報伝達物質であるSmadには変化をもたらさなかった。サイクリン依存性キナーゼなどの細胞周期促進物質の発現はカベオリン遺伝子群で減少する傾向があった。以上より、カベオリン遺伝子の糸球体への導入により細胞増殖、糸球体硬化に関する遺伝子を選択的に制御し、正常な糸球体へ悪影響なく糸球体増殖、糸球体硬化病変を抑制しうる可能性が考えられた。1.カベオリン遺伝子導入による培養メサンギウム細胞への細胞増殖や形質転換に及ぼす効果培養メサンギウム細胞ヘリポフェクション法によりカベオリン-1遺伝子を導入した。ノーザンブロット法によりmRNAの発現増加を、ウェスタンブロット法により蛋白の発現増加を確認した。また同様の方法によりカベオリン-1遺伝子に対するアンチセンス遺伝子を遺伝子導入し、mRNAの発現抑制、蛋白の発現低下を確認した。これらの条件下PDGF-BBによる刺激による細胞増殖の影響をMTS法にて検討した。カベオリン-1遺伝子を導入した細胞では細胞増殖が抑制される傾向がみられ、アンチセンス遺伝子を導入した細胞ではむしろ細胞増殖が増強される傾向が見られた。また、TGF-betaによる形質転換を平滑筋αアクチン、カルデスモンの発現により、細胞外マトリックス産生能を^<35>Sメチオニンのラベリングによりそれぞれ検討したが、カベオリン-1遺伝子、アンチセンス遺伝子のいずれを導入した細胞でもコントロールに対して有意な差は認められなかった。2.カベオリン遺伝子導入による細胞膜レセプターの局在、変移培養メサンギウム細胞においてカベオリン遺伝子導入の前後で、PDGF-BB刺激におけるレセプターの局在をイムノゴールドを用いた免疫電顕にて検討した。コントロールの状態でPDGF-BB刺激によりPDGFレセプターのカベオラへの集積は増加傾向を示し、さらにカベオリン遺伝子導入により細胞膜のカベオラは有意ではないが増加傾向にあり、PDGF-BB刺激によるレセプターのカベオラへの集積はより増強される傾向を示した。ショ糖密度勾配を用いた超遠心により精製されたカベオラ膜蛋白を用いた検討でも同様の結果が見られた。
高速振動粉砕法を利用したフラーレンC_<60>の骨格変換反応

平成13年度の研究計画に従って研究を行い、以下に示す結果を得た。当研究室で新しく開発した高速振動粉砕法を用いる固体反応および、比較実験としての溶液反応により、フラーレン類の骨格変換反応を検討した。すなわち、フラーレンC_<60>。と4-aminopyridineとの固体反応によって既に報告しているC_<60>二量体に加えて、鎖状のC_<60>三量体ならびに、トライアングル型のC_<60>三量体を合成した。この三量体は極めて有機溶媒に難溶であったため、STMによる直接観測を行い、その構造が鎖状ならびにトライアングル型であることを明らかにした。また、これらの構造はHF/3-21Gによるab initio計算によって支持されることを示した。一方、3,6-di(2-pyridyl)-1,2,4,5-tetrazineとの固体反応では、ほぼ定量的に[4+2]付加環化反応が進行することが明らかとなった。また、この付加体をC_<60>共存下固体状態で加熱すると2,3-diaza-bicyclo[2,2,2]oct-2-ene骨格に2個のC_<60>が導入された新規フラーレン二量体が得られることがわかった。この分子内にはお互いに近傍に固定された二個のC_<60>骨格が存在するが、これらのC_<60>骨格間には還元の際に電子的な相互作用があることを電気化学的測定によって示した。また、比較実験としての溶液反応では上記の二量体は全く生成せず、C_<60>の6員環の1,2,3,4-位での付加体が加水分解によって生成することを見出した。さらに、1,2,3-triazine誘導体とC_<60>の溶液中での熱反応では、付加の後に他段階の転移反応を経由してC_<60>骨格に8員環開口部をもつ誘導体が得られることがわかった。この誘導体と一重項酸素との反応を検討したところ、8員環開口部の二重結合が選択的に酸化的に開列されて、12員環の開口部をもつC_<60>誘導体が得られることがわかった。平成12年度の研究計画に従って研究を行い、以下に示す結果を得た。当研究室で新しく開発した高速振動粉砕法を用いる固体反応により、フラーレン類の骨格変換反応を検討した。すなわち、フラーレンC_<60>と4,6-ジピリジル-1,2,4,5-テトラジンとの固体反応によって、[4+2]付加環化反応とそれに引き続く脱窒素反応が起こり、付加体がほぼ定量的に得られることが明らかとなった。この付加体は、溶液中でシリカゲルとの接触によって、炭素-炭素結合の開裂と転移を伴った炭素-窒素結合の生成を含む変換反応がほぼ定量的に進行し、これまでにほとんど例の無いC_<60>の1,2,3,4-テトラ付加体を与えることが明らかとなった。その構造はスペクトルデータならびに、単結晶のX線結晶構造解析によって明らかにした。一方、先の付加体を固体中でC_<60>と加熱することによって、今度は、付加体に対して第二のC_<60>が[4+2]付加環化した、ダイマー構造を有する誘導体が新たに得られた。これは、固体反応条件では、活性種が溶媒和されることなく存在するため、溶液反応では進行しなかった反応が起こったものと考えることができる。また、1,2,3-トリアジンとC_<60>との反応も検討した。まず、4-メチル-1,2,3-トリアジンとの反応では、[4+2]付加環化反応とそれに引き続く脱窒素反応によって、1:1付加体が得られた。次に4,6-ジメチル-1,2,3-トリアジンとの反応では、1:1付加体が得られたが、これは分子内の窒素の位置が先程のものとは異なっていることが明らかとなった。これは、4,6-ジメチル-1,2,3-トリアジンから熱的な窒素の脱離によって2,4-ジメチルアゼートが発生し、これがC_<60>と[4+2]付加環化したものと考えられる。現在、これらのC_<60>に縮環したアザシクロヘキサジエンの分子内[4+4]環化付加に対する検討を行っている。

この分子内にはお互いに近傍に固定された二個のC_<60>骨格が存在するが、これらのC_<60>骨格間には還元の際に電子的な相互作用があることを電気化学的測定によって示した。また、比較実験としての溶液反応では上記の二量体は全く生成せず、C_<60>の6員環の1,2,3,4-位での付加体が加水分解によって生成することを見出した。さらに、1,2,3-triazine誘導体とC_<60>の溶液中での熱反応では、付加の後に他段階の転移反応を経由してC_<60>骨格に8員環開口部をもつ誘導体が得られることがわかった。この誘導体と一重項酸素との反応を検討したところ、8員環開口部の二重結合が選択的に酸化的に開列されて、12員環の開口部をもつC_<60>誘導体が得られることがわかった。
新学習指導要領の『数学活用』に向けたカリキュラム開発

我が国の数学教育では、活用力の育成と数学に対する否定的態度の改善が大きな課題となっている。本研究では、こうした課題へのアプローチとして高等学校科目『数学活用』の新設を契機に、学校設定科目『楽しい数学』の内容として開発してきた教材群を、今日的な新しい課題(誤り訂正符号理論等)も含め『数学活用』の目標に合わせて再構成し、「2進数で遊ぼう」や「互除法とピタゴラス音階」など成功的な実践を資料集としてまとめた。近年の国際学力調査によると、我が国の児童生徒の学力は、国際的に見て上位にあるものの、活用力や表現力などが弱く、数学に対する態度が否定的であることが大きな課題となっている。本研究では、高等学校新学習指導要領に『数学活用』が新設されることを契機に、申請者が、こうした課題への一方策として取り組んできた《実験数学》にもとづく『楽しい数学』(学校設定科目)の教材群を、『数学活用』の実施に向け、今日的な課題も見据えて再構成することを目的とする。合わせて、「誤り訂正符号理論」等今日的な話題についての新しい教材開発にも取り組み、そのカリキュラム評価をもとに成功的な教育実践を資料集としてまとめていく。本年度は、学校設定科目『楽しい数学』をもとにして、店頭などで見かけるモビールを取り上げ、簡単な実験を通してモーメントの概念を定式化し、数学の手法によって重心を求め、その結果をもとにオリジナルなモビールに作品化する(1)モビールを作ろう、新学習指導要領『数学活用』に初めて位置づけられたパズル&ゲームの教材化である(2)ペグ・ソリティア、従来の2進数による数当てマジックや回転グリルの暗号に、新たに「誤り訂正符号理論」にもとづいたマジックをつけくわえた(3)2進数で遊ぼう、の3テーマについて『数学活用』に向けた教材の再編を行った。我が国の数学教育では、思考力・判断力・表現力などのいわゆる活用力の育成と、数学に対する否定的態度の改善が大きな課題となっている。本研究では、高等学校の新科目『数学活用』の新設を契機として、申請者が、取り組んできた開発教材群(学校設定科目『楽しい数学』)の内容を、『数学活用』の目標に合わせ、今日的な課題も見据えて再構成することを目的とする。また、今日的な話題についての新しい教材開発にも取り組み、成功的な実践(実験授業)を資料集としてまとめていく。本年度は、昨年度の「2進数で遊ぼう!」(誤り訂正符号理論を含む)の論文化と、『数学活用』の目標である「数学と人間とのかかわり(についての認識を深める)」ため数学史的な話題と、「数学の社会的有用性についての認識を深める」ための確率・統計分野の教材開発を行った。まず、[課題学習]を指向した整数分野の「互除法とピュタゴラス音階」「油分け算と一次不定方程式」では、最大公約数を求めるユークリッドの互除法とその起源であるピュタゴラス音階との関連を取り上げ、実際に、ピュタゴラス音階による紙笛を作成し合奏を楽しむ内容で構成し、後者では、和算の油分け算の試行錯誤的な解法を、一次不定方程式に拡張し、互除法による解法へと発展させる内容で構成し、数学と人間とのかかわりについての認識を深められるようにした。「互除法とピュタゴラス音階」は、福井県内の3高校で、「油分け算と一次不定方式」は1高校で実験授業を行い、いずれも、数学の有用性の実感や、数学に対する好意的な態度への変容が確認された。新しい開発教材として、さまざまな統計データの数値が「1から始まる数が多い」という「ベンフォードの法則」を取り上げ、会計監査への応用など数学の社会的有用性についての認識を深めるような構成とした。内容構成についての課題はあったが好意的な生徒の反応であった。こうした課題への対応は、高等学校新学習指導要領の教科目標に示されているように「数学的活動」の充実が重要な契機となると考えられるが、申請者は、数学の世界と現実の世界とを往還させる教材を準備し、数学の授業にも積極的に〈実験〉を導入し、学ぶことの意味が顕在化されるような文脈にのせた授業を構想・実践し、その授業に対する情意的反応を分析・検討しながら、具体的教授レベルでの授業開発を積み上げてきた。本研究は、高等学校の新科目『数学活用』の新設を契機として、申請者が、これまで取り組んできた『楽しい数学』等の開発教材群を、『数学活用』の目標に合わせ、今日的な課題も見据えて再構成することと、今日的な話題についての新しい教材開発にも取り組み、成功的な実践(実験授業)を資料集としてまとめていくことを目的とする。最終年度は、先行研究の成果を再構成し「2進数の発展教材としての3進数による数当てマジックカード」の教材化・論文化と、昨年度の実験授業「互除法とピタゴラス音階」の論文化を行った。

後者は、最大公約数を求めるユークリッドの互除法とその起源であるピタゴラス音階との数学史的な話題と関連させ、『数学活用』の目標の「数学と人間とのかかわり」についての認識を深めるとともに、ピタゴラス音階による紙笛を作成し「きらきら星」の演奏を楽しむという内容で構成し、「数学の社会的有用性」についての認識を深めるものでもあった。福井県や沖縄県の公立高校で実施したこれらの実験授業では、いずれも、数学の有用性の実感や、数学に対する好意的な態度への変容が確認された。3年間の成果として、成功的な実践は、具体的なワークシートを中心に資料集として研究成果報告書にまとめた。新学習指導要領による教育課程実施前のため、高校現場における新科目『数学活用』のための実験授業は、定期考査後に実施するなど、現場の学習進度及び教育課程の都合に左右されることが多い。実際、今年度の実験授業の実施は、12月に1回、1月に1回、3月に3回となった。このため、教材開発はおおむね順調に進展しているが、その授業分析や論文化が遅れ気味であり、全体としてやや遅れている状況である。24年度が最終年度であるため、記入しない。前年度の成功的な実践(実験授業)の成果を論文としてまとめるとともに、引き続き、学校設定科目「楽しい数学』の開発教材群を、新科目『数学活用』実施に向けての再編成を進めていく。その際、実験授業については、研究協力校との打ち合わせを綿密に行っていく。年度末には、教授過程の一様化を目指し具体的な教授レベルまで視野に入れ作成されたワークシートを含め、3年間の成果を資料集としてまとめる。
高温環境に曝される粘性土地盤の挙動究明に関する研究

高温環境に曝される粘性土地盤の挙動を明らかにすることを目的として,粘土要素の挙動を明らかにする高温三軸試験と,実地盤の応力レベルでの挙動を明らかにする高温遠心模型試験を実施した.試験には,広島港より採取した沖積粘土を用いた.高温遠心模型試験では,パネルヒーターを地盤内に3枚挿入し,地盤全体を最大で70°Cの高温にする試験とドレーンペーパーを巻いたパネルヒーター1枚を挿入し,地盤の一部を高温にする試験を行った.高温三軸試験と微視的構造の定量的評価結果より,高温履歴を受けた粘土では高位な構造が形成され,せん断初期にはこの構造が抵抗するが,せん断が進むと構造が破壊され,高温履歴の影響がなくなることが明らかになった.地盤全体を高温にする遠心模型試験では,地盤の含水比の低下,非排水強度の増加が見られ,70°Cの試験の非排水強度は20°Cの試験の約1.5倍になった.この結果は高温三軸試験の結果と整合した.高温履歴を受けた地盤の強度増加のメカニズムとしては,高温時に二次圧密が促進されることと,その後の温度低下によって骨格構造が固化するためであると考えられる.地盤の一部を集中的に加熱して高温状態にする遠心模型試験では,短時間のうちにヒーター近傍の地盤から排水し,明瞭な地盤沈下を生じた.ヒーターに近いほど非排水強度は増加し,含水比は低下していた.この結果より,高温状態では透水係数が増加することによりドレーンによる圧密時間の短縮効果をさらに高めるとともに,前述した高温による圧密後の強度増加率の向上などの効果が同時に働くことが期待できることが明らかとなった.このことは,ドレーン効果と高温効果を併用することによって,地盤内の特定箇所の沈下を促進させて強度増加を図る新しい地盤改良工法の有効性を示すものである.高温環境に曝される粘性土地盤の挙動を明らかにすることを目的として,粘土要素の挙動を明らかにする高温三軸試験と,実地盤の応力レベルでの挙動を明らかにする高温遠心模型試験を実施した.試験には,広島港より採取した沖積粘土を用いた.高温遠心模型試験では,パネルヒーターを地盤内に3枚挿入し,地盤全体を最大で70°Cの高温にする試験とドレーンペーパーを巻いたパネルヒーター1枚を挿入し,地盤の一部を高温にする試験を行った.高温三軸試験と微視的構造の定量的評価結果より,高温履歴を受けた粘土では高位な構造が形成され,せん断初期にはこの構造が抵抗するが,せん断が進むと構造が破壊され,高温履歴の影響がなくなることが明らかになった.地盤全体を高温にする遠心模型試験では,地盤の含水比の低下,非排水強度の増加が見られ,70°Cの試験の非排水強度は20°Cの試験の約1.5倍になった.この結果は高温三軸試験の結果と整合した.高温履歴を受けた地盤の強度増加のメカニズムとしては,高温時に二次圧密が促進されることと,その後の温度低下によって骨格構造が固化するためであると考えられる.地盤の一部を集中的に加熱して高温状態にする遠心模型試験では,短時間のうちにヒーター近傍の地盤から排水し,明瞭な地盤沈下を生じた.ヒーターに近いほど非排水強度は増加し,含水比は低下していた.この結果より,高温状態では透水係数が増加することによりドレーンによる圧密時間の短縮効果をさらに高めるとともに,前述した高温による圧密後の強度増加率の向上などの効果が同時に働くことが期待できることが明らかとなった.このことは,ドレーン効果と高温効果を併用することによって,地盤内の特定箇所の沈下を促進させて強度増加を図る新しい地盤改良工法の有効性を示すものである.本研究では,高温環境に曝された粘性土地盤がどのような挙動をするかを遠心模型実験によって明らかにするとともに,その挙動がどのようなメカニズムによって引き起こされるかを解明することを目的に,次の4つのステップで研究を行う。ステップ1:高温環境を再現する遠心模型実験技術の確立,ステップ2:遠心模型実験による高温履歴を受けた粘性土地盤の挙動究明,ステップ3:高温履歴を受けた粘性土の力学特性および微視的構造の解明,ステップ4:高温履歴を受ける粘性土地盤の挙動メカニズムの解明。このうち平成14年度は,ステップ1の研究で高温履歴を与えることのできる遠心模型実験装置を製作した後,ステップ2と3の研究を実施した。まず,模型地盤に20100°Cの高温履歴を与えることのできる遠心模型実験装置を製作した。遠心装置は現有のミニドラム型のものを利用し,地盤全体および地盤中の所定の位置に任意の高温履歴を与えることのできる加熱装置と,ミニドラム本体を高温環境から保護するための断熱模型地盤容器を新たに製作した。地盤に高温履歴を与えると遠心装置自体が温度変化によって伸縮したり,計測装置が温度変化の影響を受けたりすることになるので,装置と計測装置のキャリブレーションを実施した。次に模型実験で使用する粘性土が高温履歴を受けたときの力学特性を把握するために高温対応型三軸試験装置を用いて圧密・非排水せん断試験を行った。また,三軸試験に用いた粘土試料の水平断面と鉛直断面の電子顕微鏡写真において,直行する方向の写真の濃度分布を測定し,その波形のパワースペクトル解析を行うことによって粘性土の微視的構造を定量的に評価した。その結果,高温履歴を受けた粘土では高位な構造が形成され,せん断初期にはこの構造が抵抗するが,せん断が進むと構造が破壊され,高温履歴の影響がなくなることが明らかとなった。

高温環境に曝される粘性土地盤の挙動を明らかにすることを目的として,粘土要素の挙動を明らかにする高温三軸試験と,実地盤の応力レベルでの挙動を明らかにする高温遠心模型試験を実施した.試験には,広島港より採取した沖積粘土を用いた.高温遠心模型試験では,パネルヒーターを地盤内に3枚挿入し,地盤全体を最大で70°Cの高温にする試験とドレーンペーパーを巻いたパネルヒーター1枚を挿入し,地盤の一部を高温にする試験を行った.地盤全体を高温にする試験では,地盤の含水比の低下,非排水強度の増加が見られ,70°Cの試験の非排水強度は20°Cの試験の約1・5倍になった.この結果は高温三軸試験の結果と整合した.高温履歴を受けた地盤の強度増加のメカニズムとしては,高温時に二次圧密が促進されることと,その後の温度低下によって骨格構造が固化するためであると考えられる.地盤の一部を集中的に加熱して高温状態にする試験では,短時間のうちにヒーター近傍の地盤から排水し,明瞭な地盤沈下を生じた.ヒーターに近いほど非排水強度は増加し.含水比は低下していた.この結果より,高温状態では透水係数が増加することによりドレーンによる圧密時間の短縮効果をさらに高めるとともに,前述した高温による圧密後の強度増加率の向上などの効果が同時に働くことが期待できることが明らかとなった.このことは,ドレーン効果と高温効果を併用することによって,地盤内の特定箇所の沈下を促進させて強度増加を図る新しい地盤改良工法の有効性を示すものである.