hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
高機能分離膜による農産物・食品廃液の資源再利用に関する研究

本研究は,イオン交換膜電気透析法を用いて農産物加工工場および植物工場の排水からのイオン性物質の回収の可能性を求めるとともに,回収される物質の物質収支や物質濃縮の効率について検討したものである。はじめに電気透析法を用いて馬鈴薯加工工場排水からの有機酸および電解質の濃縮/分離を試み,併せて電気透析前後の水質について考察を行うとともに,還元型アスコルビン酸の電気透析濃縮/分離を行った。次に,計測したBOD, COD, TS, VS,およびイオン性物質に物質収支を検討した結果,物質収支がある程度成立し,電気透析法を環境浄化に用いる際のインデックスの予測に有用であることが示された。また,電気透析による溶質濃度変化を膜理論により解析したところデータと一致する結果が得られた。続いて植物工場培養液排水に含まれる電解質の分離特性を検討した。即ち,植物工場培養液排水に含まれるNO_3,PO_4,SO_4,NH_4,K, Ca, Mgイオン等の電気透析分離/濃縮特性について排水のpHを変化させながら検討した。また,植物工場培養液排水に含まれる硝酸性窒素の希釈が十分に可能であることが示された。更に,ここでは膜種の異なるイオン交換膜を用いてイオン分離特性を評価し,分離に適した膜について検討した。本研究はイオン交換膜を用いて,排水中のイオン性物質の回収や,回収される物質について,物質収支,電流効率,エネルギー,膜種の観点から検討したものであり,今後,農産物・食品加工工場から生じる排水の資源再利用や水環境浄化に関し,有益な情報を与えると考える。高機能膜処理の利点として,透過の選択性が高いこと,加熱しない分離法であること,成分の変質が生じにくいプロセス等があげられ,このことは生体膜や生体模擬膜の機能や特性と類似していることから,膜を使った技術は,資源の永続的利用や水環境浄化の観点から必要性が極めて高い.平成12年度は,未利用資源有効利用の観点から,馬鈴薯加工工場の浸漬工程後の排水に焦点をあて,電気透析法により排水からの有機酸(ここでは還元型アスコルビン酸,ビタミンC)の濃縮を試みた.この還元型アスコルビン酸は,馬鈴薯の抗酸化・褐変防止のため浸漬工程の際に水道水に添加されるが,工程終了後は排水処理され,再利用はされていないのが現状である.はじめに,電気透析により馬鈴薯加工工場浸漬工程後の排水に溶解している還元型アスコルビン酸の濃縮を試みた.その結果,電気透析法は排水中の還元型アスコルビン酸を濃縮できることが示された.併せて,原排水と電気透析後の処理溶液の水質特性について定量化を試みた.

電気透析後の希釈溶液は,原排水と比較して生物化学酸素消費量(BOD)で71.0%,化学的酸素消費量(COD)で73.7%,蒸発全残留物(TS)で81.0%,強熱減量(VS)で75.2%の減少が見られた.さらに本実験では,種々の電流密度条件下,還元型アスコルビン酸の濃度変化の測定値をモデルにより解析した.結果として,モデルによる計算値は実測値を精度良く表現した.本実験の結果より,電気透析法は,未利用資源として有効な有機酸(将来的には現在生分解プラスチックの原料となっている乳酸も回収可能であろう)や無機イオンの選択的回収にすぐれ,また,排水中の非イオン性有機物質(排水処理法と密接な関係を有する)を分離できることが示された.農産物や畜産物の生産に伴う農薬や化学肥料,生産過程で生じる農業用水や畜産廃棄物,生産後加工場や家庭で生じる農産物廃棄物や食品廃棄物や,家庭に於ける生活排水等は,近年水環境を加速度的に悪化させている.このなかでも硝酸塩,リン酸塩等の無機物は,自然浄化能力を越える量が河川,湖沼に流れ込むと,栄養塩類が増加し富栄養化するし,地下水に入ると,井水としての利用が困難となる.しかしながら,窒素,リン,カリウムは肥料の三要素として必須の無機物であり,これらを排水から回収し,農地へ再利用を検討することは,資源循環型農業を目指す観点から極めて実用性が高いし,化学肥料や農薬使用量の削減につながる.そしで本研究では,無機イオン(硝酸,リン酸,カリウムイオン)を成分とするモデル排水を作成し,電気透析膜を用いて,各イオンの濃縮特性について検討した.結果として,リン酸イオンは硝酸イオン・カリウムイオンの濃縮特性(濃縮速度)と異なる結果を得たが,これについては,電離定数,化学平衡式やイオンバランスの概念を用いて,解釈出来うることが示された.以上今年度は,電気透析において,硝酸イオン,リン酸イオン,カリウムイオンが混在している溶夜中の各イオンの泳動に関する基礎的知見を得た.最終年度は今年度の知見を基に,野菜工場(植物工場)で生じる培養液の排水に着目し,培養夜中に含まれる各イオンの電気透析濃縮・電気透析分離について検討を行うとともに,排水中に含まれる各イオンの資源再利用に関して効率の観点からも研究を進める予定である.本年度は,電気透析法を用いて植物工場培養液の排水に含まれる電解質の分離特性について検討した。今年度の概要,および,結果と意義は,以下の三点に要約される。はじめに.実際の植物工場培養液排水を用いて,そのなかに含まれるNO_3,PO_4,SO_4,NH_4,K,Ca,Mgイオン等の無機塩濃縮特性を求めたことである。現在,植物工場培養液排水の再利用はある程度実用化の域に達しているが,その再利用の手法は電気伝導度やpHのコントロール,および各イオン濃度の変化予測をもとに液肥の追加や水道水・地下水供給量がプログラムされたもの(リアクター的制御法)である。ここで取り扱った電気透析工程を用いた植物工場培養液排水の無機塩濃縮は,電気伝導度やpHのコントロールは極めて容易であり,また水道水・地下水の供給を少なく取り扱うことが出来るため,植物工場培養液排水の再利用に物質循環の観点から効率良く補助できると考える。次に,植物工場培養液排水に含まれる無機塩(ここではNO_3-NやKイオン)の希釈が十分に可能であったことである。このことは,電気透析の原理から考えると当然であるが,NO_3-NやKイオン等の廃液からの希釈は,土壌環境や水環境での塩の蓄積の減少に貢献するし,今後施行される水質関連の法規に無機イオンの観点から即対応できるものと考える。最後に,本研究では膜種の異なるイオン交換膜を用いて無機イオン分離特性を実際の植物工場培養液排水を用いて評価したことである。実際の植物工場培養液を用いた無機イオンの電気透析分離は,今回初めて行われたことであり,無機イオンの循環再利用に向け,今後資する知見を与えると考える。以上は,排水中のイオン性物質の回収や,回収される物質について,物質収支,電流効率,エネルギー,膜種の観点から検討したものであり,今後,排水の資源再利用や水環境浄化に関しても,有益な情報を与えると考える。
食品のミクロからマクロ構造の３次元計測に基づく職人の調理加工技の定量化

本研究の目的は,食品の調理・加工における職人の匠技を解明するため,食品成分,水・氷結晶,気泡のミクロからマクロ構造の3次元計測を行い,職人の調理・加工技を定量化する.本年度は,アイスクリームの新たな品質評価法を提案するために,気泡,氷結晶,乳製品の混合バランスを定量化した.冷凍米飯の長期保存における氷結晶を計測した.アイスクリームの構成要素は,気泡,氷結晶,乳製品に大別され,アイスクリームの最終品質に大きな影響を与える.従来アイスクリームの品質評価は,気泡,氷結晶,乳製品などの構成成分各々の物理・化学的な要因を個別に官能検査と1対1で比較評価することが多く,これらの構成要素を同じ試料から同時に計測することが困難であった為、試料個体差の影響が各構成要素と品質との相関を比較検討することを阻害していた.また,気泡,氷結晶などの物理的な要因の計測には,計測装置の計測体積の制限により,同じ試料でも得られた測定値間のばらつきが多く,信頼性や再現性に疑問が残されている.具体的には,重量オーバーラン(OR)を測定,極低温ミクロトームスペクトルイメージングシステム(CMtSIS)によりミクロからマクロの気泡,氷結晶,乳製品を計測し,その体積割合による体積ORVを求め,アイスクリーム構成要素の混合バランスを定量化した.冷凍食品内の氷結晶は,光学顕微鏡,電子顕微鏡,SEM,X線CTおよびMRIにより計測されてきた.しかし,これらの装置では,空間分解能の制約とともに,ある一定の計測範囲内における単一画像の計測にとどまっているという限界があった.具体的には,冷凍米飯の長期保存における氷結晶サイズを計測するために,一定の計測範囲内における氷結晶の単一分光画像による計測,炊飯前の米粒の浸漬時における胴割れと水分浸透の計測,および胴割れ箇所における氷結晶の連続分光画像による計測を行った.アイスクリーム内の気泡,氷結晶,乳製品の混合バランス定量化として,重量ORと体積ORVを求めた.アイスクリームは,6段階ORのコントロールが可能なソフトクリームフリーザーを用い,低,中,高の重量ORを製造した.CMtSISのXYステージによる自動位置決めは,計測範囲194×154&micro;mに相当する50倍の対物レンズを用い,同一断面から36枚の画像を取得・結合し,気泡,氷結晶,乳製品を計測した.体積ORVは,気泡の面積と切削厚さにより算出した.低重量ORの平均が13.5%,体積ORVの平均が10.5%であった.中重量ORの平均が44.1%,体積ORVの平均が42.8%であった.高重量ORの平均が73.8%で,体積ORVの平均が77.7%であった.これにより,CMtSISにより算出される体積の割合から体積ORVの算出が再確認された.また,X線CTによりアイスクリーム内部構造を計測した.冷凍米飯の長期保存における氷結晶は,一定の計測範囲内(540 μm×432 μm)における氷結晶の単一分光画像による計測,炊飯前の米粒の浸漬時における胴割れと水分浸透の計測,および胴割れ箇所における氷結晶の連続分光画像による計測を行った.氷結晶の相当円直径の平均値は,凍結直後が22.7 &micro;m,12ヶ月間保存後が36.6 &micro;m(凍結直後の約1.6倍)であった.保存期間が長くなるにつれて,小さな氷結晶が減少し,大きな氷結晶が増加した.米粒の吸水開始から4分後に胴割れ箇所に水が浸透し,26分後に全体に浸透した.氷結晶の連続分光画像計測では,統合画像の大きさが3850 &micro;m×420 &micro;mで,氷結晶短軸の最小1.4 &micro;m,長軸の最大692.6 &micro;mで,相当円直径の最小4.0 &micro;mから最大440.7 &micro;mであった.また,単一分光画像の計測範囲より大きな氷結晶および胴割れ箇所の氷結晶が計測された.本年度は,重量ORとCMtSISによる36枚の結合画像から体積ORVを計測した.36枚の結合画像の実寸法は1164×924 &micro;mで,この広範囲で,気泡の短軸最小0.9 &micro;mから長軸最大561.1&micro;mまで計測された.また,気泡,氷結晶,乳製品の3次元像を対物レンズ50倍の計測範囲(260×206×400μm)で構築した.食品のミクロからマクロ構造の3次元計測に基づく職人の調理加工技の定量化は,上述した気泡計測のように,氷結晶,乳製品についても,広範囲計測を行った上,これらの相互関係に基づき解析される.一方,高輝度光科学研究センター(SPring-8) X線CTで凍結保存中のうどんの乾燥層と未乾燥層を計測した.SPring-8により得られる3次元画像の実寸法は,9.5×9.5×1.5mmである.来年度は,本年度購入した赤外線カメラとSPring-8のBL14B2ラインを用い,アイスクリーム内の気泡,氷結晶,乳製品の混合バランスの3次元計測を行うことにある.アイスクリームは,本年度と同様に,供試試料のアイスクリームは,6段階オーバーラン(OR)のコントロールが可能なソフトクリームフリーザーを用い,低,中,高の重量ORを製造する.重量ORを算出した後,SPring-8により気泡,氷結晶,乳製品3次元計測を行う.X線CT観察においては使用するX線のエネルギーは12.4keVに設定する.

上記試料ホルダーを設置する回転試料ステージ下流側にはX線CCDカメラを設置する.一方,X線透過画像を取得する際,アイスクリーム周辺部を冷却することで,試料の融解を防止する.試料ステージを回転させながら試料のX線透過画像をX線CCDカメラで測定するX線CT測定を繰り返し行う.得られた一連の2次元画像から3次元画像を再構成し,気泡,氷結晶,乳製品の体積を算出する.本研究の目的は,食品の調理・加工における職人の匠技を解明するため,「食品成分」,「水・氷結晶」,「気泡」のミクロからマクロ構造の3次元計測を行い,職人の調理・加工技を定量化する.本年度は,1現有の極低温マイクロスライサスペクトルイメージングシステム(CMSIS)にオートフォーカスおよび高倍率計測の機能追加,2CMSISにより食品のミクロからマクロ内部構造の3次元計測を計測した.現有のCMSISにオートフォーカスおよび高倍率計測の機能追加するために,購入予定であった装置をデモし,機能テストを行った. CMSISにより食品のミクロからマクロ内部構造を計測するために,供試試料として市販のアイスクリームを用いた.気泡の含有率をオーバーラン(Overrun: OR)値は,同一体積におけるアイスクリームミックスとアイスクリームの重量の比で精度よく算出されるが,同じORの値であっても,気泡の大きさとその分布は最終品質に影響を与える.気泡は光学顕微鏡,SEM,X線CT,MRIなどにより計測されるが,これらは,装置毎に計測範囲および空間分解能が異なり,試料のミクロからマクロ構造の計測が困難である.今年度は,CMtSISにより,同じサンプルからアイスクリーム中のミクロからマクロ気泡,氷結晶,乳製品の混合バランスの計測を行った.従来は,同じサンプルから気泡,氷結晶,乳製品を同時に計測することが困難であった.アイスクリームのおいしさは,従来のような気泡と官能検査,氷結晶と官能検査,たんぱく質,脂肪などの構成成分一つと官能検査による品質評価ではなく,アイスクリームの気泡,氷結晶,乳製品の混合バランスに基づく新たな品質評価法として応用されると考えられる.また,X線CTによる冷凍食品内の氷結晶・気泡を計測した.現有のCMSISにオートフォーカスおよび高倍率計測の機能追加するために,購入予定であった装置を用い,機能テストを行った.オートフォーカス顕微鏡は,切断面を基準として,Z軸を制御し,フォーカスを合わせる仕組みで,Z軸の最小分解能0.0782 μm/1パルスである.これによるテストでは,気泡を含まない試料および計測範囲に対し気泡の割合が少ない試料(低倍率)計測試料を用いた場合,オートフォーカス機能が再現された.しかし,計測範囲に対し気泡の割合が多い試料(高倍率)を用いた場合,オートフォーカスが困難であった.気泡は,切断面より凹み,オートフォーカスのための基準面の設定に困難を伴った.CMSISにより食品のミクロからマクロ内部構造を計測するために,供試試料として市販のアイスクリームを用いた.XYステージの自動位置決めは,計測範囲194×154 &micro;mに相当する50倍の対物レンズを用い,横軸移動量194 &micro;mで6回,縦軸移動量154 &micro;mで5回ずつ行い,同一断面から25枚の画像を取得・結合した.気泡形状は,面積,長軸,短軸を計測し,気泡の面積に相当する円直径を算出した.統合した画像の大きさは970×770 &micro;mで,アイスクリーム内の最大気泡(長軸277.5&micro;m)が3個ほど計測可能な範囲である.また,氷結晶,乳製品の計測を行った.この計測範囲において,最小0.8&micro;m(ミクロ)から最大277.8 &micro;m (マクロ)までの気泡計測が可能になった.X線CTにより冷凍食品の氷結晶・気泡を計測した.
光化学反応の新展開

本研究では、21世紀は光の時代と言われている現時点において、これからの光化学反応の研究を如何なる方向に展開すべきかを探求することを目的とした。全体研究会、班会議および数回の世話人会を聞いて得られた結論を以下に要約する。これまで凝縮相における化学反応の研究は現象論的には興味ある成果を得ているものの、物理的・化学的に堀り下げた基礎研究は、凝縮相反応が極めて複雑なため手詰まり状態にあったが、新しい実験研究手法の導入が可能となってきた現在、凝縮相光反応の基礎研究を推進すべきである。光励起された分子は、解離、異性化、イオン化、電子移動、プロトン移動、エネルギ-移動などさまざまの型の化学反応を引き起す。どのような反応を起すかは、光励起分子自身のもつ性質と、それを取り囲む環境との複雑な関わりあいにより規定される。このような複雑な要因を含む光反応を解明するためには、“ミクロ分子環境"下において、反応を支配する物理的・化学的因子を究明する必要がある。さらに、ミクロ分子環境を構築して、全く新しい反応中間体や新反応を創造することが期待される。そのためには、(1)光反応を支配するミクロ分子環境因子は何か?(2)如何にしてミクロ分子環境を構築するか?(3)ミクロ分子環境場を用いて如何にして新しい光反応を発現させるか?という問題について本質的な研究を進めるべきである。そのための研究課題としては、分子小集団におけるラジカル対およびイオン対、分子配向界面における光反応が提案された。
複雑熱化学流動解析のための革新的数値シミュレーション技術の開発

ライフサイエンス分野,及びエネルギー・環境分野における幅広い熱化学流動現象を取上げ,それらをほぼ統一的に解析するシミュレーション手法を開発した.各サブテーマのシミュレーションにおける成果は以下の通りである.1.マイクロセルソータ用混合器:ラミネーションの原理を用いたマイクロ混合器のシミュレーションを行い,混合性能を劣化させる機構を定量的に解明し,その機構に基づく改良型混合器を提案した(Chaktranond, Fukagata & Kasagi,投稿準備中).2.熱交換器内気液二相流:変形する界面の捕捉および蒸発による質量・体積変化に対する高精度・高効率計算手法を開発し,マイクロチューブ内二相流挙動のシミュレーションを行った.その結果を解析することにより,マイクロ二相流における流動・伝熱機構の一部を解明した(Fukagata, Kasagi, Ua-arayaporn & Himeno,投稿中).3.燃料電池内熱化学流動:低マッハ数条件下での変物性非等温圧縮流に対する高効率数値計算手法を開発し,固体酸化物型燃料電池の三次元熱流動場・電場連成解析を行った.また三次元解析の結果を用いて計算負荷が低くかつ精度の高い一次元モデルを開発・検証した(Suzuki, Shikazono, Fukagata & Kasagi,投稿中).4.乱流制御:超撥水面による乱流摩擦抵抗低減の直接数値シミュレーションを行い,抵抗低減効果を予測する理論式を構築した(Fukagata, Kasagi & Koumoutsakos,投稿中).5.噴流制御:インテリジェントノズルによる噴流混合制御の三次元シミュレーションを行い,詳細混合促進機構を解明した(Mitsuishi, Fukagata & Kasagi,投稿中).ライフサイエンス分野,及びエネルギー・環境分野における複雑熱化学流動として特に細胞内外の流動,熱交換器内気液二相流,燃料電池内流動,乱流,燃焼という性格の異なる熱化学流動現象を取上げ,それぞれの数値シミュレーション及び理論的・現象論的考察を行っている.各サブテーマの具体的な研究進捗状況は以下の通りである.(A)細胞内外の熱化学流動のシミュレーション:マイクロセルソータにおける磁性粒子混合プロセスのシミュレーションを行い,混合を促進するためのパラメータおよび機構を解明した.(B)熱交換器内気液二相流のシミュレーション:変形する界面の捕捉および蒸発による質量・体積変化に対する高精度・高効率計算手法を開発し,マイクロチューブ内二相流挙動のシミュレーションを行った.解析結果は国際会議(Heat Transfer and Fluid Flow in Microscale,2005年9月,イタリア)にて発表予定である.(C)燃料電池内流動のシミュレーション:低マッハ数条件下での変物性非等温圧縮流に対する高効率数値計算手法を開発し,固体酸化物型燃料電池の解析を行った.(D)乱流:研究発表欄参照ライフサイエンス分野,及びエネルギー・環境分野における幅広い熱化学流動現象を取上げ,それらをほぼ統一的に解析するシミュレーション手法を開発した.各サブテーマのシミュレーションにおける成果は以下の通りである.1.マイクロセルソータ用混合器:ラミネーションの原理を用いたマイクロ混合器のシミュレーションを行い,混合性能を劣化させる機構を定量的に解明し,その機構に基づく改良型混合器を提案した(Chaktranond, Fukagata & Kasagi,投稿準備中).2.熱交換器内気液二相流:変形する界面の捕捉および蒸発による質量・体積変化に対する高精度・高効率計算手法を開発し,マイクロチューブ内二相流挙動のシミュレーションを行った.その結果を解析することにより,マイクロ二相流における流動・伝熱機構の一部を解明した(Fukagata, Kasagi, Ua-arayaporn & Himeno,投稿中).3.燃料電池内熱化学流動:低マッハ数条件下での変物性非等温圧縮流に対する高効率数値計算手法を開発し,固体酸化物型燃料電池の三次元熱流動場・電場連成解析を行った.また三次元解析の結果を用いて計算負荷が低くかつ精度の高い一次元モデルを開発・検証した(Suzuki, Shikazono, Fukagata & Kasagi,投稿中).4.乱流制御:超撥水面による乱流摩擦抵抗低減の直接数値シミュレーションを行い,抵抗低減効果を予測する理論式を構築した(Fukagata, Kasagi & Koumoutsakos,投稿中).5.噴流制御:インテリジェントノズルによる噴流混合制御の三次元シミュレーションを行い,詳細混合促進機構を解明した(Mitsuishi, Fukagata & Kasagi,投稿中).
複合プラズマの生成と反応の制御

本研究はプラズマ内の複雑な反応を単純な反応に分離して観測、制御するために、また今後の発展が予想される多元系物質の作成とその物性の制御を可能にするために、必要となるプラズマの時定数並びにプラズマの有効長の概念を確立すること、および、それらを活用するための新しいプロセス即ち、パルスプロセス、複合プラズマプロセス等の基礎を確立することを目的としており、従来にない精密にプラズマを制御する方式の確立を目指している。本年度の成果は以下の通りである。1.マイクロ波プラズマにおいても直流放電の場合と同様に、電子温度が制御出来ることを実証する目的で、マイクロ波電流の商用周波入力を双方向サイリスタを用いて、マイクロ波出力をパルス変調することにより、NeーHg放電管の発光色の変化から電子エネルギー分布が制御されていることを確認した(板谷、八坂、久保)。2.水素、Arなどをキャリアガスとするプラズマに、原料ガスをパルス的に導入して解離や生成の時間的変化を観測することにより、プラズマによる反応の時定数即ち反応速度係数の測定が可能であることを示し、解離特性について、実験値をガスの解離断面積と比較して、この方法の有効性を示すと共に、解離係数の未知のガスに対して実際のプラズマで直接に測定できる道を開いた(板谷、八坂、久保)。3.原料ガスの電子による解離特性の違いを克服するために、シラン系のガスは高周波により、メタン系のガスはマイクロ波により別々に解離して、Si_xC_<1ーx>をxの広い範囲にわたり自由に作成する方法について実験を行い、その可能性を実証した(松波、冬木、吉本)。4.小形ホロー陰極プラズマ源を束ねて、大直径または多元系物質作成に敵したプラズマリアクターとする開発を目的とし、とくに補助陽極を追加した場合の特性を調べた(真瀬、池畑)。
磁性金属錯体-C_<60>-電荷移動錯体の合成・磁性及び電子構造

磁性を担うd電子と伝導を担うπ電子とが、共存かつ相互作用する、いわゆるd-π相互作用は、これまでに報告されていない全く新しい複合電子系を構築し、様々な興味深い物性が発現されるものと期待されている。本特定領域研究に於いて我々は、これまで様々な磁性と伝導のトピックスを発現してきたC_<60>を新たなるπ電子系ソースとして着目し、新規d-π相互作用を発現させる系の構築を試みた。特に遷移金属を中心金属に含むoep(オクタエチルポルフィリン)及びtpp(テトラフェニルポルフィリン)とC_<60>との化合物を合成し、それらの構造を詳細に解析したところ、Pd,CU,Ag,Niを有するoepとC_<60>とからなる共晶化合物では、ポルフィリン平面に対してエチル基がanti配位した構造をとることが分かった。これまでそのようなanti配置をしている共晶化合物は報告されておらず、今回の研究が初めての例である。また、ポルフィリンとC_<60>との間には強い相互作用が見られ、磁化率の温度依存性がenhanceされていることから、C_<60>との間で電荷移動が生じている可能性があることが示唆された。また我々は、フェニル基の3,5位の位置に^tBu基をつけ、中心金属にCoを有するtppとC_<60>との共晶化合物Co(tpp)・C_<60>の合成に成功した。これは、フリーベースH_2(tpp)以外のtpp錯体では、C_<60>と共晶化合物を形成した初めての例である。この化合物の特徴として、1.室温でC_<60>分子の回転が凍結すること、2.C_<60>とポルフィリン平面との距離が2.59Åであること、の2点が挙げられる。これは、^tBu基をつけることにより、立体的にかさ高い効果が得られ、C_<60>分子の回転を止め、非常に大きな相互作用が得られたものと考えられる。磁性を担うd電子と伝導を担うπ電子とが、共存かつ相互作用する、いわゆるd-π相互作用は、これまでに見られなかった全く新しい複合電子系を構築し、様々な興味深い物性が発現されるものと期待されている。本特定領域研究に於いて我々は、新たなるπ系ソースとしてのC_<60>に着目し、これまでTTFなどの有機伝導πドナー系では見られなかった、新しいd-π相互作用を発現させる系の構築を試みた。具体的には、ポルフィンリンやフタロシアニン、各種アヌレン類、ベンゾキノンジオキシム、ジフェニルグリオキシムなど、一連のテトラアザ(N_4)マクロサイクル金属錯体を用いたが、その理由として、これらがこれまでに様々な物質と電荷移動錯体を形成しており、中心金属の異常原子価を安定させ、同時に低次元性を安定させる働きも備え持つためである。我々は、C_<60>の酸化還元電位とほぼ同程度の値を有するクロムマクロサイクル系に着目し、C_<60>との間で(部分)電荷移動錯体の構築を試みた。また、中心金属がFe,Co,Ni,Cu,Ru,Pd...などの遷移金属を含むOEP(オクタエチルポルフィリン)及びTPP(テトラフェニルポルフィリン)とC_<60>との化合物を合成し、それらの構造を詳細に解析したところ、PdOEP・C_<60>化合物およびCuOEP・C_<60>化合物では、ポルフィリン平面に対してエチル基がtrans配位した構造を有していることが分かった。これまでのそのような配置をしている化合物は報告されておらず、今回の研究が初めての例である。

これは、フリーベースH_2(tpp)以外のtpp錯体では、C_<60>と共晶化合物を形成した初めての例である。この化合物の特徴として、1.室温でC_<60>分子の回転が凍結すること、2.C_<60>とポルフィリン平面との距離が2.59Åであること、の2点が挙げられる。これは、^tBu基をつけることにより、立体的にかさ高い効果が得られ、C_<60>分子の回転を止め、非常に大きな相互作用が得られたものと考えられる。
さまざまな振動数依存性を考慮した超伝導集団励起運動の包括的な理論研究

1.前年度までに引き続き、振幅モードの、外場との結合の可能性を探求した。特に、前年度に引き続き。強結合超伝導体における集団励起モードを扱う手法を開発し、振幅モードの観測可能性を検討した。弱結合の場合には結合がない場合でも、ギャップに振動数依存がある場合には、振幅モードは通常の外場プローブと結合はすることを見出した。しかしながら、たとえば電荷密度のスペクトルに対しては振幅モードは結局は有意な影響をもたらさないことが明らかとなった。さらに、粒子ーホール対称性が大きく崩れた場合の検討も行った。この場合にも、振幅モードと外場の結合の可能性は生じるが、最終的には観測量に有意な効果をもたらさない。これまでに多くの研究者によってさまざまな可能性が研究されてきているが、通常の実験手段による振幅モードの直接観測の可能性は依然として明らかではない。観測が困難な理由を考察した結果、少なくとも保存量の動的スペクトルに対しては振幅モードの寄与はありえない(臨界温度直下を除いて)ことがわかった。また、シングレット超伝導体においては、スピン自由度と結合させることも困難であることがわかる。今年度に明らかにしたように、ギャップの振動数依存や粒子ーホール対称性の破れを通して、原理的には振幅モードは外場と結合しうるので、これを保存しない物理量(たとえば軌道自由度)を通して観測することによって、振幅モードを直接観測する可能性があると考えられる。今年度は、まず、奇数振動数対超伝導状態について研究を行った。純粋な奇数振動数状態に関してはその安定性について様々な困難があるので、手始めに、通常の偶振動数対に奇振動数対が混ざる可能性について研究した。その結果、これまでに研究されてきたのは、いわゆる非ユニタリー的な場合であり、それ以外に、スピン対称性を破らない(ユニタリー的な)共存状態がありうることを見出した。現在、現実的なモデルを用いて、偶奇振動数状態の共存可能性を研究している。準1次元的な超流動状態における集団的な超流動散逸のメカニズムについて研究を進めた。これまで主として古典的なモデルにマップしたうえで位相スリップの効果を調べてきたが、量子系において直接位相スリップの効果を調べる研究に着手し、予備的な結果を得た。さらに、連続系においても同様な計算を行うための手法に関して新たな着想を得た。今後、さらに計算機コードの実装に向けて研究を進める。また、15年度は、デラウェア大学に出張し、Glyde教授と準1次元超流動系の集団的な超流動散逸に関して踏み込んだ意見交換を行うことができた。超伝導集団励起に関しては予定通りか、やや遅れ気味であるが、奇振動数超伝導状態に関してある程度の目算を立てることができた。一方、準1次元系に関しては、研究立案時には想定していなかった進展を得ることができ、本研究の目標を一段と広げることができた。総じていえば、ほぼ予定通りの進展を得ている。15年度に引き続き、奇振動数対超伝導に関する研究を行った。バルクにおける奇振動数対の安定性については未確定の部分がある。16年度は、通常の偶振動数対超伝導状態との共存に関する研究を続けた。これまで知られていない形の共存解が形式的には存在することは昨年度見出したが、今年度は現実的なモデルを用いて、実際に共存解が存在するか否か検討した。しかし、共存解が実現するモデルは未だ見いだせていない。バルクにおける安定な奇振動数対の存在を議論した論文の検討も行い、問題点を見出すことはできたが、理論の正否について、当該の著者とも議論を重ねたが、十分な理解に至らなかった。また、ヒッグスモード(振幅モード)と外場との結合に関して、通常調べられることの少ない粒子ー孔非対称性や強結合効果も含めて検討した。しかしながら、現状では、無衝突領域にとどまる限り、振幅モードが外場と結合するという結果は得られていない。流体力学的な領域あるいは無衝突領域と流体力学的領域との遷移領域における研究が必要である。準1次元系における超流動応答に関して、位相スリップの効果が抑制される高振動数領域における超流動密度の研究を進展させることができた。格子上のハードコアボース系を用いて、位相スリップを抑制するようにモデルを修正し、大規模数値計算によって超流動密度を計算し、位相スリップが抑制されれば準1次元系においてもバルク転移温度程度の高温まで超流動密度が有限にとどまることを確認した。現在、投稿論文の執筆を進めている。カーボンナノチューブ中のヘリウム3系の基底状態に関する研究も進行中である。計画通りに研究を進めてきたが、今までのところ肯定的な結果が得られておらず、論文出版に至っていない研究課題が多い。外部磁場の下で、シングレットおよび非ユニタリー状態を含むトリプレット超伝導状態における振幅モードと外部摂動の間の結合を研究した。振幅モードと外部摂動の間の結合は、系の時間反転に対する対称性に依存する。したがって、外部磁場の下では振幅モードと外部摂動が結合することが期待される。実際の計算の結果、結合は磁場の4次に比例することが確かめられた。これは実際の超伝導体では、大きな効果をもたらさないが、一方、中性フェルミ原子における超流動状態において有意な結果をもたらす可能性がある。強結合超伝導状態における振幅モードに関する研究を進めた。引力相互作用の振動数依存を考慮しつつ、超伝導集団励起の理論形式を発展させることに成功した。

適当な強結合超伝導モデルを用いて集団励起モードを研究し、強い散乱効果に関わらず、振動モードは十分に残ることを見出した。また、興味深い発見として、外部摂動と振幅モードの間に、有効相互作用の振動数依存性を通して、ダイナミカルな結合が生じることが分かった。現在調べているモデルにおいては、この結合を通して、十分観測にかかるような大きな効果がもたらされることは確認されていないが、さらなる研究の価値ある課題である。流体力学的な領域における振幅モードの振る舞いについても研究を進めた。超伝導転移温度より離れた低温度領域では超伝導振幅は保存量でなくなるので、その流体力学的モードは存在しない。超伝導転移温度直下における流体力学的振幅モードの観測可能性についてはさらなる研究が必要である。準1次元系における、位相スリップの効果が抑制された状況における超流動密度に関して、主要な数値計算は終え、現在は、スケーリング解析を進めている。たとえば、フィルム状の系では、位相スリップを抑制した場合、超流動密度は1次元極限でもKT転移する。当初計画に従い研究を進めてきたが、十分に肯定的な結果が得られておらず、まだ、成果の出版に至っていない。一方、振幅モードの問題をもう少し広い視点から考える必要が明らかになってきており、既存の計画に収まらない問題も生じてきている。1.前年度までに引き続き、振幅モードの、外場との結合の可能性を探求した。特に、前年度に引き続き。強結合超伝導体における集団励起モードを扱う手法を開発し、振幅モードの観測可能性を検討した。弱結合の場合には結合がない場合でも、ギャップに振動数依存がある場合には、振幅モードは通常の外場プローブと結合はすることを見出した。しかしながら、たとえば電荷密度のスペクトルに対しては振幅モードは結局は有意な影響をもたらさないことが明らかとなった。さらに、粒子ーホール対称性が大きく崩れた場合の検討も行った。この場合にも、振幅モードと外場の結合の可能性は生じるが、最終的には観測量に有意な効果をもたらさない。これまでに多くの研究者によってさまざまな可能性が研究されてきているが、通常の実験手段による振幅モードの直接観測の可能性は依然として明らかではない。観測が困難な理由を考察した結果、少なくとも保存量の動的スペクトルに対しては振幅モードの寄与はありえない(臨界温度直下を除いて)ことがわかった。また、シングレット超伝導体においては、スピン自由度と結合させることも困難であることがわかる。今年度に明らかにしたように、ギャップの振動数依存や粒子ーホール対称性の破れを通して、原理的には振幅モードは外場と結合しうるので、これを保存しない物理量(たとえば軌道自由度)を通して観測することによって、振幅モードを直接観測する可能性があると考えられる。まず、奇振動数超伝導状態に関する成果をまとめる。今年度中のなるべく早い時期に論文にまとめたい。さらに、強結合超伝導状態における集団励起研究のためのフォーマリズムを開発する。また、流体力学的領域における集団励起の役割を明らかにする研究に関しては、共同研究の体制を整えることを目指している。準1次元超流動系に関しては、共同研究の体制を強化し、さらなる成果を挙げるべく努力する。
運動誘発性喘息に及ぼす持久的トレーニングの効果

運動誘発性喘息(EIB)は、喘息児の身体活動を制限する大きな障害である。このため、喘息児のEIBを軽減してやることは、発育発達途上にある児の身体的・社会的な成熟を促すと思われる。この一連の研究では、喘息児を対象にし、いくつかの有酸素性運動の強度に対する生理的反応に基づいてEIBの重症度に関係する、危険因子と運動条件とを明確にし運動療法の至適運動強度を決定した。そして、持久的トレーニングがEIBに及ぼす影響を検討した。初年度には、EIBに及ぼす運動強度の影響について観察し、喘息児の運動療法における至適運動強度の検討を行った。その結果EIBの程度は運動強度に依存して増加することが確認され、乳酸闘値の125%に相当する強度は、有酸素性作業能の向上が期待でき、尚かつ、重症なEIBを起こすことなく安全に行える運動強度として上限であると考えられた。そこで次年度には、自転車エルゴメーターを用い、125%LT強度で1回30分、週6回、4週間のトレーニングを施行したところ、有酸素性作業能の向上、トレーニング前と同一強度でのEIBの改善が認められ、EIBの改善は有酸素性作業能の向上によるものであることが示唆された。また、トレーニング期間を延長し、2ケ月間行ったところ、同一強度だけでなく、相対強度においてもEIBが改善され、何らかの病理的変化が起こったと思われた。最終年度には、3週間の脱トレーニングが、有酸素性作業能とEIBや気道過敏性などの6週間のトレーニング効果に及ぼす影響を検討した。その結果、脱トレーニングによるトレーニング効果の消失は、EIBや気道過敏性における力が有酸素性作業能におけるより遅く、トレーニングは、EIBに及ぼす何等かの病理的改善にも関与することが示唆された。以上の結果から、持久的トレーニングは、喘息児の体力を向上させるだけでなく、EIB、気道過敏性を改善させ、臨床症状の改善にも十分期待できる治療法の一つであると考えられた。運動強度とEIBの程度について検討を行った。対象は、国立療養所南福岡病院に入院中の気管支喘息児24名とした。最初に、被検者は、血中乳酸閾値(LT)を知るために、自転車エルゴメ-タ-による漸増負荷試験を行った。各負荷段階において耳朶より採血を行い、各負荷強度と血中乳酸値の関係から各人の乳酸閾値を決定した。そして、これを基準として5種類の運動強度(75,100,125,150,175%LT)を設定し、投薬を中止した条件で、それぞれの運動強度について6分間の自転車エルゴメ-タ-運動を日を変えてランダムに行った。換気機能については、オ-トスパイロメ-タ-を用い、運動前、運動直後、5分後、15分後に測定し、運動前値に対する運動後の最大低下率を算出した。血中乳酸値は、運動前、運動直後、3分後、5分後に測定し、心拍数は、運動前から連続的に記録した。その結果、血中乳酸値及び心拍数は、運動強度の上昇に伴い増加した。1秒量の最大低下率は、運動強度に依存して増加した。1秒量の最大低下率が、10%以上であったEIB陽性者の出現率は、100%LTから125%LT強度にかけて急増した。125%LT強度以下の運動では、半数以上がEIB陽性となったが、治療を要するほどではなかった。

150%LT及び175%LT強度では、大部分の喘息児が、強度のEIB起こし、気管支拡張剤などの吸入が必要であった。1秒量の最大低下率が10%以上を示す最小の運動強度を定義したEIB閾値は、個人差が非常に大きいが125%LT強度での発現率が最も高かった。以上のことから、EIBの程度は、運動強度依存であることが明かとなった。さらに、125%LT強度は、強度のEIBを起こすことなく安全に行える運動強度として上限であると考えられた。125%LT強度の持久的運動トレ-ニングが、有酸素的作業能の向上及びEIBの改善に効果的であるかどうかを検討した。対象は、国立療養所南福岡病院荷入院中の気管支喘息児14名(男子8名,女子6名)とした。被検者は、自転車エルゴメ-タ-による多段階漸増負荷試験(初期負荷20watt,4分間毎に4wattずつ漸増)を行い、exhaustionに至らせた。各負荷の3ー4分目に耳朶より毛細管を用いて採血を行い、乳酸を測定した。仕事率と血中乳酸値との関係により各個人の乳酸閾値(LT)を決定し、これを基準として100%,150%及び175%LT強度について6分間の固定負荷試験を行った(EIBテスト)。EIBテストは、日を変えてランダムに行い、運動前、運動終了直後、5分後、15分後にオ-トスパイロメ-タ-を用いて肺換気能の測定を行った。トレ-ニングは、自転車エルゴメ-タ-を用いて125%LT強度で週6回、1カ月間行った。トレ-ニングの前半の2週間は、10分間の休憩をはさんで10分間のトレ-ニングを2回行い、後半の2週間は同様に15分間のトレ-ニングを2回行った。その結果、1カ月のトレ-ニングによりLTに相当する仕事率は平均8.3(watt)の有意な増加を示し、有酸素能の向上が認められた。トレ-ニング後、トレ-ニング前と同一負荷に対する肺換気能(FEVl)は、100%,150%および175%いずれの強度においても改善が認められた。同一負荷のEIBテスト中の心拍数および血中乳酸値は、トレ-ニング後、100%および150%強度において有意に低下した。以上のことから、持久的トレ-ニングは、有酸素能を向上をもたらすとともに運動誘発性気管支収縮の軽減に効果的であることが示唆された。本研究では、有酸素性作業能と運動誘発性喘息(以下EIB)及び気道過敏性を改善させたトレーニングの中止(脱トレーニング)がそれぞれに変数の及ぼす影響を検討した。対象は入院中の喘息児15名(平均11.3±1.4歳)である。有酸素性作業能の指標は自転車エルゴメーターによる漸増負荷試験によって求められた血中乳酸閾値(以下LT)が用いられ、それを固定負荷試験の基準値100%LTとし、150%.175%LTの3強度が設定された。先に設定された3強度について6分間の固定運動負荷試験を行い、その前後にオートスパイロメーターを用いて肺換気機能を測定し、前値に対する後値の低下率が算出され、EIBが評価された。気道過敏性はヒスタミン吸入試験によって評価された。全員が自転車エルゴメーター(以下CE)を用いて連日、前半3週間(以下W)は20分間、後半は3Wは30分間計6W、125%LT強度でトレーニングを施行した。その後3W、トレーニングを中止をする群7名(以下TC群)、トレーニングを継続する群8名(以下TT群)とに分けた。その結果、TC群において、6週間のトレーニングにより有意に改善した有酸素性作業能は、脱トレーニング3週間目には有意な低下を示し脱トレーニング17週間後も同様であった。150%
大腸菌と枯草菌で見つかった新規2成K+/H+アンチポーターの作用機序の解明

大腸菌と枯草菌で新規に発見された膜タンパク質と親水性タンパク質の2成分で機能するK^+/H^+アンチポーターの作用機序を解明するため、タンパク質間の相互作用の検出系の確立と相互作用に関与するアミノ酸の同定を試みた。各タンパク質にペプチドタグを付与し、プルダウンアッセイ法とブルーネイティブゲル電気泳動法を行ったところ、枯草菌の親水性タンパク質YhaTと膜タンパク質YhaUとの間の相互作用を検出することに成功した。カリウムイオン(K^+)などの無機イオンはDNAやタンパク質の構造に影響を与える重要な要素であり、それらのイオンを細胞内外に輸送し、細胞内のイオン濃度を調節することは生命活動の維持に重要である。生物は1次能動輸送体、2次能動輸送体、受動輸送体という3種類の輸送体を駆使して、細胞内のイオン濃度を調節している。2次能動輸送体は、機能や構造がより単純な受動輸送体から進化したものであると考えられているが、それらの中間的な性質を示すイオン輸送体は見つかってこなかった。しかし、2007年に申請者らは大腸菌と枯草菌で2次能動輸送体であるK^+/H^+アンチポーターと受動輸送体であるK^+チャネルの中間的な性質を示すタンパク質を世界で初めて発見した。これらの酵素は、膜タンパク質成分と親水性タンパク質成分からなり、膜タンパク質成分のみでK^+チャネル(受動輸送体)として機能し、膜タンパク質成分と親水性タンパク質成分の両方でK^+/H^+アンチポーター(2次能動輸送体)として機能することが推定されている。本研究では、これらの酵素の分子レベルでの作用機序の解明を目指し、2つのタンパク質成分の相互作用の検出系の確立と、その検出系を用いた相互作用に関わるアミノ酸残基の同定を目的とした。平成21年度は大腸菌および枯草菌の2成分K^+/H^+アンチポーターのそれぞれにおいて、2つのタンパク質成分の一方、もしくは両方にペプチドタグを付与した遺伝子のクローニングに成功した。平成22年度には、膜タンパク質成分に付与したヒスチジンタグを利用してプルダウンアッセイを行い、親水性タンパク質との相互作用の検出系を確立する。その後、相互作用に関与するアミノ酸残基を部位特異的変異の導入によって同定する。カリウムイオン(K+)などの無機イオンは核酸やタンパク質の構造に影響を与える重要な要素であり、それらのイオンを細胞内外に輸送し、細胞内のイオン濃度を調節することは生命活動の維持に重要である。しかし、2007年に申請者らは大腸菌と枯草菌で2次能動輸送体であるK+/H+アンチポーターと受動輸送体であるK+チャネルの中間的な性質を示すタンパク質を世界で初めて発見した。これらの酵素は、膜タンパク質成分と親水性タンパク質成分からなり、膜タンパク質成分のみでK+チャネル(受動輸送体)として機能し、膜タンパク質成分と親水性タンパク質成分の両方でK+/H+アンチポーター(2次能動輸送体)として機能することが推定されている。平成21年度は大腸菌および枯草菌の2成分K+/H+アンチポーターのそれぞれにおいて、2つのタンパク質成分の一方、もしくは両方にペプチドタグを付与した遺伝子のクローニングを行った。そして、平成22年度には、膜タンパク質成分に付与したヒスチジンタグを利用してプルダウンアッセイを行い、親水性タンパク質との相互作用の検出系を確立した。これに加えて、ブルーネイティブゲル電気泳動法による相互作用の検出系も確立した。また、相互作用に関わるアミノ酸の同定のために、部位特異的変異を導入したプラスミドを構築した。
ホルムアルデヒドによって誘発されるDNA付加体の定量法の開発

ホルムアルデヒドの環境汚染が問題となる一方、内因性のホルムアルデヒドの影響も解明する必要がある状況で、N^2-Methly-2'-deoxyguanosine(N^2-Me-dG)をホルムアルデヒド人体曝露のバイオマーカーに利用することを目的とした。本研究の結果、N^2-Me-dGの定量法を確立し、N^2-Me-dG損傷によって引き起こされる誤塩基対形成パターンと頻度を明らかにした。得られた研究成果は以下のように要約される。(2)ホルムアルデヒド未処理の培養細胞DNAからN^2-Me-dGを10^7塩基あたり1.1個検出することに成功した。このことからN^2-Me-dGは内因性のDNA損傷であることが、本研究によって初めて判明した。(3)ホルムアルデヒド曝露した培養細胞DNAから検出されたN^2-Me-dGは、その曝露濃度に依存して増加した。よってN^2-Me-dGがホルムアルデヒド曝露のバイオマーカーとして使用できることを明らかにした。以上のように、本研究はホルムアルデヒドに起因する発癌リスク算定の根拠となる基礎資料を提供し、また分子疫学のバイオマーカーとして利用するための実践的な方法を確立した。また本研究は、内因性DNA損傷の突然変異寄与率を解明するという大きな目標を達成させるためにスタートさせた。そこでN^2-Me-dGに加えて、他の内因性DNA損傷(Nitric Oxideおよび女性ホルモンのDNA損傷)についても突然変異誘発能を解析している。ホルムアルデヒドの環境汚染が問題となる一方、内因性のホルムデヒドの影響も解明する必要がある状況で、N^2-Me-dGをホルムアルデヒド人体暴露のバイオマーカーに利用することを目的に、本研究はN^2-Me-dGの定量法を確立し、N^2-Me-dG損傷によって引き起こされる誤塩基対形成パターンと頻度を明らかにした。2.ホルムアルデヒド未処理の培養細胞DNAからN^2-Me-dGを10^7塩基あたり1.1個検中することに成功した。3.ホルムアルデヒド暴露した培養細胞DNAから検出したN^2-Me-dGは、暴露濃度に依存して増加した。よってN^2-Me-dGがホルムアルデヒド暴露のバイオマーカーとして使用できることを明らかにした。5.ヌクレオチドプール中のN^2-Me-dGTPが、極めて高い頻度でDNA生成の材料として利用されることを明らかにした。以上のように、本論文はホルムアルデヒドに起因する発癌リスク算定の根拠となる基礎資料を提供し、また分子疫学のバイオマーカーとして利用するための実践的な方法を確立した。
密度変化を考慮した砂の異方性構成モデルの開発と地盤のせん断帯解析への適用

今までに、一般応力条件下の地盤材料の弾塑性構成モデルを修正応力t_<ij>用いて開発し、盛土基礎地盤等の支持力問題、山留めやトンネルの掘削問題等に適用している。しかし、ここでも密度や拘束応力の変化の影響は直接的には考慮していない。さて、Cambridge学派による鋼球の集合体を用いたせん断試験、DesruesらのCTスキャン法による供試体内の間隙比分布の計測、石原・Verdugoによる密度および拘束応力を変えた三軸試験等から、初期の密度が違っていてもせん断ひずみが非常に大きい限界状態では応力状態と密度が一義的に決まることが実験的に確かめられている。この事実に着目して、砂の場合も粘土と同様限界状態線(CSL)の概念と硬化パラメーターとして密度(間隙比)を採用し、同一パラメーターでもモデルの中で密度の影響を自動的に考慮できるようにした。次に、従来のt_<ij>-modelは応力比の変化による異方性(誘導異方性)を考慮するため修正応力t_<ij>を導入しているが、直接的にはflow ruleの中でしかt_<ij>は使われていないので、増分形の構成モデルとしては通常のモデル同様dσ=D・dεなる形で与えられていた。ここでは、修正応力t_<ij>の特徴を生かすため、せn断中の構造変化を増分形の応力・ひずみ式に取り込みdt=D・dεなる形で定式化した。さて、従来のt_<ij>-modelによる平面ひずみ試験の有限変形有限要素解析でも今までに報告されている解析結果同様、供試体をマスとしてみたときの最大主応力面に対し45°方向にしかせん断帯発生しないが、異方性を考慮した解析では実験で観測されるような45°より大きな角度でせん断帯が発生した。そして、ここで開発した構成モデルを浅い基礎の支持力問題を含む種々の地盤の有限要素解析に適用した。砂にも粘土と同様、せん断ひずみが無限大となる時には応力状態と間隙比が一義的に決まる限界状態線(Critical state line)が存在するという実験事実に着目し、さらに橋口による下負荷曲面の考え方を参考にして、従来のモデル(tij-sand model)を応力ひすみダイレイタンシー特性におよぼす密度・拘束応力の影響を妥当に考慮できるモデルに拡張した。拡張に当たっては、従来のモデルの持つ特徴を生かしつつ、その土質パラメーターもできるだけ共通になるようにした。つまり、変形・強度におよぼす中間主応力の影響、ひずみ増分方向の応力経路依存性、正負の両ダイレイタンシー特性、応力誘導異方性も表現可能とした。初期間隙比や拘束応力を変化させた砂の排水せん断試験(三軸圧縮・伸張試験)を行い要素レベルで拡張したモデルの適用性を検証した。さらに、既報の間隙比や初期拘束応力を変えた非排水せん断試験の解析も行い、非排水条件下でも提案モデルは妥当に砂の応力・変形挙動を評価できることを示した。提案モデルは通常の応力oではなく修正応力tを用いて応力ひずみ式を誘導している。地盤の応力・変形解析に適用するため、修正応力tを用いた仮想仕事式を速度形で定式化するとともに、既住の有限要素プログラムを変更した。そして、提案モデルを組み込むとともに、要素レベルでプログラムをチェックした。次年度はこのプログラムを用いて種々の地盤工学の諸問題を解析する予定である。本年度は現有の2次元掘削モデル試験機を改造し、プレロードを含む施行過程を自由に設定でき、かつ作用上圧、切ばり軸力、地表面沈下プロファイル等が計測可能とした。

また、山留め壁の厚さを変えることにより壁体剛性の違いを、その表面の粗度を変えることにより壁面摩擦の違いを、切ばりのスプリング剛性を変えることにより切ばり剛性の違いを考慮できるようにしている。一方、現有の有限要素解析プログラムに、掘削過程を適切にシミュレイション出来るルーチンを付け加えモデル試験に対応した有限要素解析が精度良く行えるようにした。実験・解析ではまず壁体の剛性や摩擦が土圧および地盤の変形におよぼす影響について検討したが、実験結果と解析結果は非常に良い対応を示した。特に、壁面摩擦が壁体や背面地盤の変形の抑制に大きく貢献することが示されたが、現在の設計法では壁面摩擦の影響は考慮に入れられていない。次に、切ばりの影響についての実験・解析を行ったが、ここでも解析結果は実測値の傾向をよく説明した。これらの実績を元に、3次元土・水連成解析が可能な有限要素解析プログラムを開発し、その精度等について検討を加えた。