hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
接着系あと施工アンカーの破壊進行メカニズムの解明と引抜き耐力算定式の提案

本年度は、接着材と穿孔深さの異なる接着系あと施工アンカーの引抜き試験を行い、引抜き試験後の試験体のひび割れ状態を詳細に検討した。その結果、コンクリートのコーン状破壊の引抜き耐力算定時には、コーンの角度θを45度一定とするのではなく、押し抜きせん断破壊のアナロジーからコーン状破壊表面のせん断破壊基準をベースに、穿孔深さと反力用鋼板との位置関係で決まる角度θを考慮することが有効であることを明らかにした。さらに、超高性能繊維補強コンクリート(UHPFRC)を接着材に用いた接着系あと施工アンカーの破壊進行メカニズムを調べるために、有限要素解析を行った。その結果、実験ではアンカーの埋込み上部(コンクリート表面近傍)で生じていたと思われていた初期破壊が、アンカーの底部での剥離によって引き起こされたことが明らかになった。さらに、接着材(UHPFRC)とコンクリート間の界面のせん断方向の付着強度を改善することで、コンクリートの破壊領域を拡大することが可能になり、UHPFRCを接着材に用いた接着系あと施工アンカーの引抜き耐力を大幅に向上できることが示唆された。以上より、本研究の目的である接着系あと施工アンカーの破壊進行メカニズムを解明と、接着系あと施工アンカーの引抜き耐力算定式の提案に資する有意義な結果が得られたものと思われる。本年度は、穿孔深さの異なる接着系あと施工アンカーの引抜き試験をもとに、コンクリートのコーン状破壊に関して、破壊表面のせん断破壊基準をベースにした新しい引抜き耐力算定式を提案した。さらに、有限要素解析を行い、接着系あと施工アンカーの破壊進行メカニズムの一部を解明した。以上より、次年度以降の研究計画に支障をきたすような研究進捗状況の遅れはないものと考えている。また、本年度の研究成果の一部については査読付き論文に掲載(1編)、国際学会プロシーディングスに採用決定(1編)であり、研究成果の達成度も概ね満足できるものと考えている。本研究は、引張力を受ける接着系あと施工アンカーの破壊進行メカニズムを解明し、それに基づいた力学的合理性を有する接着系あと施工アンカーの引抜き耐力算定式を提案することを目的にしている。本年度は、昨年度行ったセメント系接着材を用いた接着系あと施工アンカーの引抜き試験結果について有限要素解析を実施し、実験結果との比較から接着系あと施工アンカーの破壊進行メカニズムについて解析的検討を行った。解析パラメータは埋込深さ、アンカーボルトと接着材間および接着材と母材コンクリート間のインターフェイス要素の付着構成則とした。その結果として、アンカーボルトと接着材間の最大せん断応力は埋込底部で生じており、引抜き時の最大荷重に達する前に埋込み底部でアンカーボルトの剥離が発生し、その後、コンクリート母材の上部でコーン状破壊が発生することが分かった。また、アンカーボルトと接着材間のインターフェイスを完全付着としてモデル化した場合、本解析の母材コンクリート強度(圧縮強度37.1 N/mm^2)であれば、実験結果に対して1.5倍の引抜き耐力を生じる可能性があると予測された。
アルゴリズムモデルに基づくダイナミカルシステムの解析・設計法の開発

本研究の目的は、シミュレータを対象システムのモデル、すなわちアルゴリズムで表されたモデルとして捉え、これを対象としてダイナミカルシステムを解析、設計する方法を開発することである。まず問題を具体化するため対象のシステムを、筆者がこれまで取り組んできている非線形システムあるいはハイブリッドシステムとしている。いくつかの解析の問題と設計の問題に対し、これらを解くためのアルゴリズムを、シミュレータ、すなわちアルゴリズムモデルを基にして導く方法を開発している。また他のアプローチとして、強化学習を導入し、シミュレータを用いてモデルを学習によって獲得することによりシステムを設計する方法を開発している。最近のシミュレーション技術の著しい発展により、ありとあらゆるシステムの計算機シミュレーションが可能となってきている。本研究の目的は、この事実に着目し、シミュレータを対象システムのモデル、すなわちアルゴリズムで表されたモデルとして捉え、これを対象としてダイナミカルシステムを解析、設計する方法を開発することである。従来の解析、設計におけるモデリングは二つの段階がある。第1段階は出来るだけ現実のシステムに忠実な比較的複雑なモデルで,これはシミュレータの開発に用いられる。また、第2段階は解析・設計に用いることができるようさらに理想化、簡単化されたモデルである。本研究において、最初から第1段階のモデルを対象とするのは非常に困難であると予想されるので、今年度も昨年度に引き続き、まず簡単なモデルである第2段階を対象とし研究をすすめた。すなわち、これまでダイナミカルシステムの第2段階の数学モデルに対して開発されてきた解析・設計法に対し、シミュレータをアルゴリズムモデルとみなした場合に、それらの方法を、直接、計算機アルゴリズムとして解析・設計法を実現する方法の基礎的な検討を行うとともに、この方法論の第1段階のモデルへ展開を検討した。具体的には、ハイブリッドシステムとしてモデル化できるパワーエレクトロニクスシステムと遺伝子ネットワーク、およびカオスシステムなどを対象とし、その解析・設計法を検討した。特にカオスシステムに対しては、カオス状態を安定化するための制御器の設計アルゴリズムを導出する方法を検討し、このアルゴリズムが第1段階のモデルにも適用できる方法であることを確認した。一方、モデルを用いずにシステムを設計する方法の検討も行った。具体的には強化学習の考え方を導入した制御系の設計法の開発である。実際にこの方法を用いてシミュレータを対象としてロボットの制御系が設計できることを確認した。システムの解析、設計における通常のアプローチは、対象に対してまず適切な数学モデルを構築し、それをもとにして解析、設計法を導くというものである。ところが、近年、取り扱うべきシステムが大規模、複雑化し、そのようなシステムに対しては、解析、設計に用いることができる数学モデルを導くことが非常に困難となっている。一方、最近の計算科学の発展により、システムをシミュレーションする技術が著しく発展しており、様々なシステムのシミュレータが開発されるようになってきた。まず問題を具体化するため対象のシステムを、筆者がこれまで取り組んできている、ハイブリッドシステムとしてモデル化できるパワーエレクトロニクスシステムと遺伝子ネットワーク、およびカオスシステムなどとした。これらに対し解析においては特に安定解析、動作モード解析の問題をとりあげ、また設計においては、種々の問題を最適化問題として定式化し、それを解くためのアルゴリズムを対象のシミュレータを用いて直接導く方法として実現する方法を開発した。また他のアプローチとして、強化学習を導入し、モデルを学習によって獲得することによりシステムを設計する方法を開発した。この方法は対象の数学モデルを必要とせず、シミュレータすなわちアルゴリズムモデルだけをもとにして設計できる方法となっている。また、以上で得られた方法を、広く一般のシステムの解析、設計の方法論として展開するための基礎的な検討を行い、一般的な方法論としての道筋を探った。その結果、これら二つのアプローチを融合させることにより、より一般的な方法論となりうるとの知見が得られ、今後この方向での検討が必要であることが明らかになった。初年度の今年度は、次のように研究をすすめた。本研究において、最初から第1段階のモデルを対象とするのは非常に困難であると予想されるので、まず簡単なモデルである第2段階を対象とし、次のようにすすめた。これまでダイナミカルシステムの第2段階の数学モデルに対して開発されてきた解析・設計法に対し、シミュレータをアルゴリズムモデルとみなした場合に、それらの解析・設計法を、直接、計算機アルゴリズムとして実現する方法の基礎的な検討を行った。具体的には次の3つの問題を扱った。

1.ハイブリッドシステムとしてモデル化できる遺伝子ネットワークを対象とし、その解析・設計法を検討しそのためのアルゴリズムを導出する方法を検討した。2.カオスシステムを対象とし、カオス状態を安定周期状態に遷移させる安定化制御器に設計のためのアルゴリズムを導出する方法を検討した。3.ニューラルネットワークを対象とし、モデル内包学習の学習アルゴリズムを系統的に導く方法を検討した。以上で導いた解析、設計アルゴリズムは、それぞれのシミュレータを用いて容易にかつ系統的に実現する方法となっていること、また第1段階のモデルにも適用できる方法を含んでいることを確認した。本年度は昨年度に引き続き、まず従来解析、設計に用いられてきた数学モデルである第2段階の簡単な数学モデルを対象として、その解析と設計法を直接導く方法を検討した。またいくつかのシステムのいくつかの解析、設計問題に対して、それらの方法をアルゴリズムとして導いた。導いた方法は、従来の第2段階の数学モデルに基づいて導く方法では導けない解析、設計法も含んでおり、より拡張性、汎用性の高い方法になっていることが確認できている。またモデルを用いないシステムの設計法として、強化学習の考え方を導入したシステムの設計法の検討も行った。このアプローチは当初の研究計画にはなかったものであるが、これまでの本研究のアプローチの相補的なアプローチとして位置づけられる。これらの二つのアプローチにより研究を進めることにより、本来の目的である第1段階の数学モデル、およびシミュレータすなわちアルゴリズムモデルを対象とした解析、設計法の開発に進んでいけるものと考えられる。以上のことより、本研究はおおむね予定通り進んでいると考えられる。初年度の今年度においては、まず従来の数学モデルである第2段階の簡単な数学デルを対象として、これらよりシミュレータをアルゴリズムモデルとみなした場合に、その解析と設計法を直接導く方法を検討し、3つのシステムの解析、設計問題に対して、具体的な方法をアルゴリズムとして導いた。導いた方法は、従来の数学モデルを基づいて導く方法では導けない解析、設計法も含んでおり、より拡張性、汎用性の高い方法になっていることが確認できている。また、今年度に得られた知見を活かすことにより、本来の目的である第1段階の数学モデル、あるいはシミュレータすなわちアルゴリズムモデルを対象とした解析、設計法の開発に十分取り組めるものと考えられる。
グラフの因子理論

グラフの因子問題は、与えられたグラフに対して、ある特定の性質をみたす全域部分グラフを見つけるという問題である。全域部分グラフとは、与えられたグラフのすべての点と一部の辺からなるグラフのことである。本年度は、主に次の2点に関する研究を行った。1.先の研究で導入した新たな因子の有用性、特にこの因子が存在するための簡明な十分条件に関する研究先の研究において既存の因子を多く含む新たな因子を定義し、グラフがその因子をもつための必要十分条件を得ることができた。しかし、これはかなり複雑な評価式であるため、グラフが所望の因子をもつための簡明な十分条件を求めた。本研究課題での主な結果の概略は、以下の通りである:グラフGにおいて、辺で結ばれていない2点の組すべてに対し、これらt点が隣接する点の個数がa|G|/(a+b)以上ならば、Gは[a,b]-因子をもつ。2.ハミルトン閉路を含む因子をもつための次数条件に関する研究ハミルトン閉路とは、グラフのすべての点を一度ずつ通る経路をいい、連結2-因子ともいえる。これは、工学的にも広く応用される概念のひとつであるが、因子理論的手法を取り入れた結果は、これまであまり知られていなかった。こうした中、本研究では、与えられたハミルトン閉路を含む[k,k+1]-因子をもつための次数条件を求めた。本研究課題での主な結果の概略は、以下の通りである:グラフGにおいて、互いに辺で結ばれていない2点の組すべてに対し、これら2点が隣接する点の個数が|G|/2以上ならば、Gは与えられたハミルトン閉路を含む[k,k+1]因子をもつ。本年度は、主に次の3点に関する研究を行った。2.グラフが道因子をもっための十分条件に関する研究既存の次数因子に対する十分条件については、これまで私も含め、十数年の間に国内外の多くの研究者が多くの結果を出している。しかしながら、成分因子に関しては、特定のグラフに絞ってもその因子が存在するか否かを判定するのは困難であり、これまで、あまり多くの結果は知られていないようである。本研究では、成分因子のひとつである道因子という、各成分が道である成分因子をもつグラフについての研究を行った。その結果、3次グラフには各道の長さが6以上である道因子が存在すること、および、クローフリーグラフには、各道の長さが最小次数+1以上である道因子が存在することを証明した。3.ハミルトン閉路を含む因子をもっための次数条件に関する研究ハミルトン閉路とは、グラフのすべての点を一度ずつ通る経路をいい、連結2-因子ともいえる。これは、工学的にも広く応用される概念のひとつである。本研究では、与えられたハミルトン閉路を含む[k, k+1]-因子をもつための次数条件を求めた。
高分子の相分離構造を利用したセラミックス粒子およびナノカーボンの分散制御

1.高分子ブレンド中におけるジルコニアの分散制御ジルコニアは球状で平均直径は0.27μmのものを用いた。ポリスチレン(PS)/ポリメタクリル酸ブチル(PBMA)ブレンド溶融物中においては、低いガラス転移温度Tgをもち比較的柔軟なPBMA鎖の吸着により、ジルコニアはPBMA相に偏在する。PBMAの体積分率を変えて相分離構造を海・共連続・島とすることによって、その相の中でジルコニア粒子を局在させることができる。一方、PS/ポリメタクリル酸メチル(PMMA)ブレンド溶融物中のように、同程度のTgをもち、屈曲性のやや劣る高分子同士のブレンドの場合、ジルコニアはいずれにもなじまず、両相にわたって分岐やネットワーク構造を形成する。2.高分子ブレンド中におけるナノカーボンファイバーの分散制御気相成長カーボンファイバー(VGCF、直径150nm、アスペクト比67-130)の分散状態を検討した。ナノカーボンは、高分子との界面エネルギーよりも高分子鎖の吸着によるエントロピー損の影響が大きい。Tgが低く屈曲性の高い高分子は、エントロピー損が小さく吸着しやすい。共連続構造をもつポリプロピレン(PP)/高密度ポリエチレン(HDPE)ブレンド中でVGCFはHDPE相に完全に偏在する。このときのパーコレーションしきい値はVGCF 0.95vlo%で、フラクタル次元Dは1.7となることを、動的粘弾性および導電性の測定から見出した。ゴム中のカーボンブラックのしきい値におけるD=2.2と比較してVGCFのDが小さい原因は、VGCFの形状が繊維状であること、界面に沿うVGCFの配向などが考えられる。同一の熱・流動履歴を経た試料で比較して、HDPEやPP単体に比べPP/HDPEブレンド中ではVGCFのパーコレーションしきい値を約1/2.5にできる。本研究は、高分子ブレンドやブロックコポリマーの相分離構造を利用したセラミックス粒子およびナノカーボンの分散制御を目的としている。本年度は高分子ブレンド溶融物中のジルコニア(球状、平均直径270nm)および気相成長炭素繊維(VGCF、直径150nm、アスペクト比67-130)の分散状態と動的粘弾性挙動の相関を検討した。分散状態は急速冷却試料について、主として購入したリアルサーフェスビュー顕微鏡(SEM)を用いて調べた。共連続構造をもつポリスチレン(PS)/ポリメタクリル酸ブチル(PBMA)ブレンド中でジルコニアはPBMA相に偏在し、11vol%までは分散し数個以内の2次粒子にとどまるが、2lvol%以上では分岐構造が出現する。一方、共連続構造をもつPS/ポリメタクリル酸メチル(PMMA)ブレンド中ではいずれの相中でもジルコニアが凝集し、4.4vol%でも分岐構造が出現する。分岐構造が出現すると、低周波数側の貯蔵弾性率G'に顕著な第二平坦部が出現する。共連続構造をもつポリプロピレン(PP)/高密度ポリエチレン(HDPE)中でVGCFはHDPE相に偏在する。VGCFはネットワーク状に凝集するが、200°C,57minの試料調製および180°C,1h後の条件では1.4vlo%がパーコレーションしきい値となることを、動的粘弾性および導電性の測定から見出した。PMMA/HDPEの97/3ブレンド中では、VGCFの末端部がHDPE相になじみ、VGCFが連結してパーコレートする。上述と同条件の試料調製および180°C,1h後の条件では1.7vlo%がしきい値となった。しきい値でのフラクタル次元はそれぞれ2.23と2.04であり、PS中の低分子ゲル化剤のしきい値におけるフラクタル次元2.4-2.6よりずっと小さくなった。

本研究は、高分子の相分離構造を利用した微粒子の分散制御を目的としている。本年度はジルコニア(球状、平均半径r=135nm)、銀(球状、r=1.33μm)、気相成長カーボンファイバー(VGCF、r=75nm、アスペクト比67-130)に加えてアセチレンブラック(AB、r=10nm)の分散状態と粘弾性挙動の相関を検討した。さらにVGCFとABについては分散状態と導電性の相関を調べた。全て共連続構造をとる3種のブレンド、ポリスチレン(PS)/ポリメタクリル酸ブチル(PBMA)、PS/ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリプロピレン(PP)/高密度ポリエチレン(HDPE)を作成し、各ブレンドにおける微粒子の分散と粘弾性挙動を調べた。低いガラス転移温度Tgをもつ柔軟なPBMA鎖の吸着により、ジルコニアはPBMA相に偏在して分散するが、PS、PMMA相にはなじまずその相の中で凝集する。銀粒子は電気陰性度の高い酸素原子を含むPMMAやPBMAになじむという予想と正反対にPS相に偏在したが、PS相中で凝集も起こり数個から10個程度の2次粒子を形成した。貯蔵弾性率G'は、粒子の数珠状連結や分岐により顕著に増大した。VGCFやABなどのナノカーボンは高分子との界面エネルギーよりも吸着によるエントロピー損の影響が大きく、Tgが低く屈曲性の高いHDPE相に最もなじんだ。PP/HDPEブレンドではVGCFはHDPE相に完全に偏在し、界面付近のVGCFは界面と平行になって軸方向に連結しやすくなる。その結果、HDPEやPP単体に比べ、PP/HDPEブレンド中では同じVGCFの添加量で、G'がずっと高い第2平坦部を示し導電性も高くなった。一次粒子が球状のABでは繊維状のVGCFと比較して、導電性から判断されるパーコレーションしきい値が、3-6倍程度大きくなった。
人為的中枢神経活動制御による脳活動・神経伝達変化のインビボイメージング

人工神経受容体DREADDを用いた脳研究には、無麻酔・非拘束条件での脳活動や神経伝達系のイメージング技術が有用である。この研究ではその基盤となるげっ歯類での覚醒・非拘束条件下での脳血流SPECT撮像技術を確立した。さらに腹腔内投与FDGによるグルコース代謝PETでは、抑制系DREADDであるhM4Diトランスジェニック(Tg)マウスでの覚醒下脳活動抑制イメージングを可能にした。更にSPECTとPET放射薬剤同時投与による覚醒・非拘束条件下でのSPECT-PET撮像技術開発を試みた。本研究では、ドーパミン(DA)神経活動と脳活動のメカニズムを解明する新たな方法として、DA神経に人工受容体を発現させたマウスを作製し、脳血流量SPECTによる脳活動マッピングとPETによるDA神経伝達機能イメージングを融合し、活動制御による脳全体の活動変化と神経伝達機能変化をPET、SPECTリガンドの同時投与、PET、SPECT連続撮像を行うことにより、同一固体の同一時間軸上で非侵襲に捉えることを目的とした。まず今年度は使用する小動物専用SPECT装置(VECT/or, MILab社製)で初めてのげっ歯類での[99mTc]HMPAOによるCBF測定であることを踏まえ、装置の性能確認から脳血流(CBF)撮像の基盤技術の確立を目的に以下の検討を行った。(1)装置の定量性と使用するコリメータ、(2)小動物に適した[99mTc]HMPAO標識法、(3)99mTcガンマ線のPET画像への、ポジトロン核種由来のガンマ線の99mTc-SPECT画像への影響(3)ラット、マウスでの[99mTc]HMPAO-SPECT撮像プロトコルの確立。[99mTc]HMPAOの標識に関して、純度検定法の確立に時間を要した。そのため動物での脳血流SPECT撮像の着手がやや遅れ、今年度は野生型動物を用いた[99mTc]HMPAO-SPECT撮像プロトコルの確立までとなった。今年度は昨年度実施した小動物専用SPECT装置の性能評価に基づき、以下の検討を進めた。(1)ラットで[99mTc]HMPAOによるCBF-SPECT画像撮像法の確立、(2)マウスでPETリガンドとの同時投与も可能な少量・高放射能な[99mTc]HMPAO標識法の開発、(3)より半減期が短くSPECTより効率的に実験が進められる[18F]FDG-PET画像での脳活動マッピング法をhM4Di Tgマウスを対象に実施、(4)PET・SPECTリガンド同時投与・撮像法を、[18F]FDGと[99mTc]HMPAOを用い抑制性DRAEDDを導入したhM4 Tgマウスを対象に実施。今年度は特に、マウスでも統計精度が十分で、PETリガンドと同時投与することが可能な少量・高放射能の[99mTc]HMPAO標識法を確立し、DREADDを導入したhM4Di TgマウスでアゴニストCNO投与による神経抑制を、PET、SPECT撮像を行った。さらに、予備検討では麻酔下では変化が少なかったhM4 Tgマウスでの神経抑制によるFDG取り込み低下が、覚醒下腹腔内投与を試みたところ抑制によるFDG取り込み低下領域が見られた。無麻酔腹腔内投与FDG-PETの脳画像も脳活動マッピングに有用なことが判明した。18Fは99mTcより半減期が短いため、脳活動マッピング撮像をより効率的に行える方法と考えられた。今年度は、昨年度抑制性DRAEDDを導入したhM4 Tgマウスの腹腔内投与FDG-PETによる覚醒下での脳活動イメージングの解析を更に進め、SPMを用いて統計検定を行ないDREADD発現領域へのアゴニストCNOによる神経抑制に伴う脳活動変化領域を解析した。その結果FDG取り込みが有意に低下した領域は、DREADD発現部位の大脳皮質や海馬より線条体であることが示された。これは同Tgマウスを麻酔下で同様の評価をMRI-ASL法(CBF)で行った際と(Ji B et al., JNS2016)と若干異なる結果であった。糖代謝とCBFではそのため覚醒下でFDG-PET、[99mTc]HMPAO-SPECTと同時投与・連続撮像を行うすることをまず目指した。研究協力者である武田薬品工業研究者は慢性静脈カテーテル留置による無麻酔かつ非拘束条件で静脈内へ放射性薬剤を投与する技術を開発している。

人為的神経活動操作を用いた脳機能研究では、覚醒下の行動実験とも併用可能な本技術は将来的にも特に有用であると判断し、この基盤技術の確立を優先した。その結果、FDG-PETでは腹腔内投与とほぼ同様の結果が得られたが、良好な[99mTc]HMPAO-SPECT画像が得られなかった。FDGとの同時投与が[99mTc]HMPAO標識に影響を及ぼしたと思われ、[99mTc]HMPAOとPET薬剤の同時投与には更に改善の必要があると考えられた。人工神経受容体DREADDを用いた脳研究には、無麻酔・非拘束条件での脳活動や神経伝達系のイメージング技術が有用である。この研究ではその基盤となるげっ歯類での覚醒・非拘束条件下での脳血流SPECT撮像技術を確立した。さらに腹腔内投与FDGによるグルコース代謝PETでは、抑制系DREADDであるhM4Diトランスジェニック(Tg)マウスでの覚醒下脳活動抑制イメージングを可能にした。更にSPECTとPET放射薬剤同時投与による覚醒・非拘束条件下でのSPECT-PET撮像技術開発を試みた。平成28年度は、抑制性hM4D-Tgマウスを用いて[11C]CNO-PETによるDREADD発現確認を行い、[99mTc]HMPAO脳血流SPECTでのCNO投与による神経抑制の脳機能マッピングを試みる。また、野生型動物を用いてウイルスベクターでDREADDを脳内局所に発現させる実験を開始する。平成29年度は、野生型動物脳内へウイルスベクターでDREADDを脳内局所に発現させる実験を開始し、ドーパミン神経の活動制御を目指す。DREADDを脳内導入したラット(マウス)にCNO投与し、ドーパミン放出の変化を[11C]racloprideで検出する。それと並行して腹腔内投与FDG-PETまたはSPECTを用いて神経制御による脳活動の領域変化を検出する。最初は探索的にモデル動物作製とともに、[11C]raclopride-PET、FDG-PETは別々に行いより効率的に実験を進め、安定なモデル動物の作製を確認する。安定なモデル動物を対象に、[11C]raclopride, [99mTc]HMPAO同時投与によるドーパミン放出・脳活動マッピングの同時評価を目指す。さらにDA神経伝達機能の評価として、ドーパミントランスポーター(DAT)機能も神経活動で変化することが示唆されており、当研究所で使用しているDATのPETリガンドを用いてインビボでの脳活動・DAT機能評価も試みる。今年度は撮像法の検討に注力したため、購入予定だった画像解析用ワークステーションを見送った。当初実験には、99mTc-HMPAOを製品記載の標識法に従い99mTcO4(パーテクネ)をジェネレータで溶出して標識することを計画していたが、検討の結果市販医薬品のパーテクネ注射剤で標識することが可能なことが判明した。注射剤は実験遂行上使用しやすく、より安価でもあることからジェネレータの購入から注射剤購入に切り替えたため。画像解析用ワークステーションの導入を行う。実験消耗品に充当する。
機能性polymer brushを利用した生体高分子の高速三次元集積化

まず,多孔性膜の界面からpolymer brushがはえている構造を作成するために,以下のような手順で膜材料を合成した.中空糸状の多孔性膜(ポリエチレン製)に電子線を照射した後,エポキシ基をもつモノマー(グリシジルメタクリレート)を前駆体としてグラフト重合させた。その後,エポキシ基の一部をイオン交換基(ジエチルアミノ基)に,残りをアルコール性水酸基(エタノールアミノ基)へ変換した.この多孔性膜の膜間に圧力をかけて溶液を透過させ,牛血清アルブミン(BSA)を対流に乗せてpolymer brushまで運び,きわめて短時間で生体高分子集合体を創製できることを確認した。この膜材料に一定流量でBSA溶液を透過させたときの圧力損失は,BSAの吸着が進むにつれて増大する。楕円球の形をしたBSA分子がpolymer brushに最密充填的に吸着していると仮定し,BSAの吸着によって液の透過できる細孔径が減少したとすると、BSA吸着後の膜の透過圧力をHagen-Poiseuille式によって推算できる。この理論式より推算された透過圧力と圧力センサーにより実測した透過圧力を比較した.その結果,実験値と推算値はよく一致することがわかり,吸着容量から推測した多層吸着構造モデルの妥当性が,流体力学的側面からも裏付けられた。また,polymer brush中のイオン交換基密度の増加とともに,電荷が互いに反発してpolymer brushが表面法線方向に伸長し,タンパク質をより多く抱き込む形態をとることが推察された。さらに,生理活性を有する酵素であるウレアーゼをpolymer brushにいったん集積させ,つづいてイオン強度を上げることによって脱離させた。尿素の分解特性をもとに生理活性を評価した結果,polymer brushへの集積前後においてウレアーゼの生理活性は変化しないことが示された。よって、polymer brushは生理活性を維持したまま高密度に生体高分子を集積できる場であることが示唆された。
Schwann細胞の神経誘導能を応用したハイブリッド型人工神経に関する研究

初年度は、Schwann細胞を人工素材に播種してから培養系に移行し、in vitroで神経組織に匹敵するものを作製した.次年度は、ハイブリッド型人工神経を作製し、それをラットの坐骨神経に移植して、再生神経の誘導能を観察した.使用した人工神経は、外径2mm、内径1mmのスポンジ構造をした生体吸収性ポリマーtubeで、材質は、ε-カプロラクトン(CL)とL-乳酸(LA)の共重合体〔P(CL/LA)〕(モノマー比1:1)である.スポンジの孔径は、Schwann細胞(直径約30μm)が生着しやすいように、平均50μmに調節している.Wistar系ラットの坐骨神経からcollagenase/dispaseを用いて細胞を分離し、これを培養して増加させscaffoldへの播種を行った.播種操作を終了したtubeは、培養系に移行して48時間培養した.組織培養したハイブリッド型人工神経はglutaraldehydeで固定し、電子顕微鏡を用いて培養の様態を観察したところ、大量のSchwann細胞がネットワークを築きながら生着していた.初年度は、Schwann細胞を人工素材に播種してから培養系に移行し、in vitroで神経組織に匹敵するものを作製した.次年度は、ハイブリッド型人工神経を作製し、それをラットの坐骨神経に移植して、再生神経の誘導能を観察した.使用した人工神経は、外径2mm、内径1mmのスポンジ構造をした生体吸収性ポリマーtubeで、材質は、ε-カプロラクトン(CL)とL-乳酸(LA)の共重合体〔P(CL/LA)〕(モノマー比1:1)である.スポンジの孔径は、Schwann細胞(直径約30μm)が生着しやすいように、平均50μmに調節している.Wistar系ラットの坐骨神経からcollagenase/dispaseを用いて細胞を分離し、これを培養して増加させscaffoldへの播種を行った.播種操作を終了したtubeは、培養系に移行して48時間培養した.組織培養したハイブリッド型人工神経はglutaraldehydeで固定し、電子顕微鏡を用いて培養の様態を観察したところ、大量のSchwann細胞がネットワークを築きながら生着していた.本年度は、運動神経より神経誘導に優れる知覚神経のSchwann細胞の特徴を検索した.実験には10週齢のマウスを使用し、運動神経束と知覚神経束を含む大腿神経より横断組織標本を作成した.最初に、蛍光抗体法による免疫染色によって、運動神経と知覚神経束断端の接着分子(L1、P0、MAG)の発現、糖鎖抗原(HNK-1)の発現の違いを調査した.結果は、接着分子の発現には差がなく、一方HNK-1糖鎖抗原は、運動神経束に含まれるSchwann細胞に著しく発現し、知覚神経束では見られなかった.HNK-1は、in vitroの研究では接着を阻害する働きが指摘されており、そのためin vitroでも、これを発現しない知覚神経片が神経誘導能に優れるものと思われた.次に、大腿神経を鼠径部で切断し、その1週、2週、3週後に切断遠位部の横断組織標本を作成して、HNK-1の発現を追跡調査した.結果は、切断直後の運動神経束で大量に発現していたHNK-1が、切断後時間を経てWaller変性が進行するに従って、その発現量を低下させていることが判明した.すなわち、運動神経束のSchwann細胞は、軸索と接して髄鞘を巻いている場合にHNK-1を発現しており、周囲の環境によって糖鎖抗原の発現を変え、その担う機能を調節している可能性が示唆された.本年は、運動および知覚神経のSchwann細胞膜上に発現する糖鎖の違いや局在の特徴について検索した.生後10週のICRマウスより採取した大腿神経を、運動神経束と知覚神経束に分離してホモジネートし、たんばく質を可溶化してから膜分画抽出した.蛋白量が等量となるように調節したサンプルを用いて、Western blot analysisを行うべく、電気泳動を施行した.これをPVDF膜上へブロットして、抗HNK-1抗体,M6749抗体、抗MAG抗体を用いた免疫染色を行い、ブロットされた膜蛋白を発色させた.また、膜上の蛋白質内糖鎖の違いを検出するために、9種類のbiotin標識lectinを用いて解析した.Western blot analysisの抗HNK-1、M6749、抗MAG抗体染色では、知覚神経束に比べて明らかに運動神経束の膜分画が濃く染色されており,HNK-1糖鎖抗原が運動神経束のSchwann細胞膜上に多く発現していることが明らかとなった.また、バンドは細胞接着分子のMAGの分子量に一致するレベル(100kD)に観察された.Lectin blot analysisでも、8種類のlectindeで、100kDのレベルにバンドが観察され、明らかに運動神経束のバンドの発色が知覚枝より強かった.今回の実験で、HNK-1糖鎖抗原は、運動Schwann細胞の膜蛋白内に特異的に存在することが判明した.また、100kDの分子量でSchwann細胞の膜上で明らかにされている接着分子はMAGのみであることから、HNK-1糖鎖抗原はMAG上に存在するものと思われた.
分散して蓄積された音声データを用いて多様な音響モデルを作成する方法の研究

音声対話システムを実環境下(公共情報案内、バス運行案内、自動車運転中)で運用する実験を通じて多様な音声コーパスを収集した。収集した音声コーパスは、3箇所の大学に分散して蓄積した。蓄積されたコーパスの一部を利用した音響モデルの学習を、大学毎の計算サーバで部分的に実行し、その途中結果(十分統計量)を、インターネットを介して逐次的に通信することで、分散して音響モデルを学習可能な環境(分散蓄積サーバ、分散計算サーバ、統合再推定サーバ)を構築した。次にコーパス群の中から目的に合った学習データを選択し、学習に利用する機能を付与した。学習用音声を特徴づける指標として、収録音声の雑音対音声比(SNR)、発声者の年齢・性別、学習データに含まれる音素の種類、を想定し、これらの値を指定することで分散音声コーパスから目的に合った学習データを選択し、多様な音響モデルの構築が実現することを示した。さらに、音声を特徴づけるSNRを自動的に推定する方法を研究し、混合ガウス分布により対数パワーをモデル化することで、広い範囲で精度よくSNRを推定することに成功した。SNR毎に異なる音響モデルを作成し、それらを選択利用することで高い音声認識性能が達成できることを確認した。さらに、少量の音声データ毎に予め推定・蓄積されたHMM音響モデルの十分統計量を用いて、高速に音響モデルを再学習する話者適応法の有効性を確認した。多様な雑音環境下で収録された音声のための雑音抑圧方法についても、検討を行った。(分散モデル学習環境の構築)音響モデルの分散学習を実行するための,遠隔分散学習サーバプログラム,データ格納サーバプログラムを作成した。データ格納サーバプログラムには(1)データ検索機能(性別,年齢,SN比などで,利用データを検索指定する機能)(2)データ解析機能(発話毎の音素出現率,SN比自動計算する機能)が付与されており,遠隔分散学習プログラムと通信を行うことで,HMMの基本学習プルグラムであるEMアルゴリズムを実行する。サーバ間はSOAP通信方式を利用することで,様々な通信インフラ上での分散学習が可能となっている。さらに,データの秘匿性を向上させるために,分散学習システムのユーザ登録,認証機能も実現されている。当該システムを名古屋大学、京都大学、奈良先端大学院大学の計算機に設置し、分散学習機能の正常動作を確認した。さらに,車内対話音声(名古屋大学),情報案内端末音声(奈良先端大),バス運行間い合わせ対話(京都大),などの学習用音声を,データ格納サーバに格納し遠隔学習の予備実験を開始した。(モデル混合アルゴリズムの検討)モデル混合,構築アルゴリズムについては,事前分布を仮定するEMアルゴリズムを,単一ガウス分布から混合ガウス分布に拡張し,その性能をシュミレーション実験により確認した。多数話者(500名)の話者依存HMMを作成し話者間性能の分布を分析した。分析結果から,話者別認識率の分散を最小化するためのデータセット構築法に関する検討を開始した。最尤基準により、分散して格納された音声波形(音声パラメータ)を利用して、音響モデルを学習するシステムを作成した.

分散学習拠点毎に収録された音声に,共通の処理(音素ラベル付与など)を行い,共通のフォーマットで話者・環境情報を記述するとともに,定めたディレクトリ構造に従って関連ファイルを格納することで,分散データベースを構築する.分散学習拠点には,HMM音響モデルの学習(具体的には,前向き確率の計算を実行し,状態毎の統計量を算出する.)に利用可能な計算サーバも用意した.ユーザは,1)利用を希望する音声データの属性を指定することで,学習に利用可能な音声データのリストを得ることができ,2)学習するHMMの属性(初期モデル)をアップロードすることで,選択したデータを用いてHMMの学習を実行することができる.すなわち,本システムを利用することで,直接音声データを授受することなく分散した音声データを用いて多様な音響モデルの構築を行うことができる.センターは,分散学習拠点でローカルに計算された統計量を統合してHMMパラメータの最尤推定を行い,その結果を保持するとともに,推定されたパラメータを,更新された初期HMMとして分散学習拠点に送り返す.現在までに,名古屋大学,奈良先端大,ASTEMの3つの分散学習拠点が,名古屋大学に設置されたセンターシステムの管理下で動作しており,(車内音声対話、子供の声、公共施設案内対話音声、新聞読み上げ音声、など,延べ17万発話を学習に利用することが可能となった.音声対話システムを実環境下(公共情報案内、バス運行案内、自動車運転中)で運用する実験を通じて多様な音声コーパスを収集した。収集した音声コーパスは、3箇所の大学に分散して蓄積した。蓄積されたコーパスの一部を利用した音響モデルの学習を、大学毎の計算サーバで部分的に実行し、その途中結果(十分統計量)を、インターネットを介して逐次的に通信することで、分散して音響モデルを学習可能な環境(分散蓄積サーバ、分散計算サーバ、統合再推定サーバ)を構築した。次にコーパス群の中から目的に合った学習データを選択し、学習に利用する機能を付与した。学習用音声を特徴づける指標として、収録音声の雑音対音声比(SNR)、発声者の年齢・性別、学習データに含まれる音素の種類、を想定し、これらの値を指定することで分散音声コーパスから目的に合った学習データを選択し、多様な音響モデルの構築が実現することを示した。さらに、音声を特徴づけるSNRを自動的に推定する方法を研究し、混合ガウス分布により対数パワーをモデル化することで、広い範囲で精度よくSNRを推定することに成功した。SNR毎に異なる音響モデルを作成し、それらを選択利用することで高い音声認識性能が達成できることを確認した。さらに、少量の音声データ毎に予め推定・蓄積されたHMM音響モデルの十分統計量を用いて、高速に音響モデルを再学習する話者適応法の有効性を確認した。多様な雑音環境下で収録された音声のための雑音抑圧方法についても、検討を行った。
同変玉河数予想と高階岩澤理論の研究

高階オイラー・コリヴァギン系の理論の構築を、King's College LondonのDavid Burns氏、東京大学の坂本龍太郎氏との共同研究で、引き続き行った。前年度までの研究で一般論の構築はほぼ完成していたが、一般論を適用するための標準的な仮定がどのような場合に満たされるかについては十分に考察を行っていなかった。今年度はその点について研究を行い、すでに作り上げた一般論の応用を中心に研究を進めた。特にRubin-Stark元のオイラー系に関する応用としては、過去のBuyukboduk氏の結果の一般化・改良を得ることができた。楕円曲線の加藤のオイラー系に関する応用として、BSD元という新しい概念を導入することでPerrin-Riouの予想の自然な一般化を定式化し、また加藤のゼータ元とセルマー群のFittingイデアルの関係に関する新しい結果を得ることができた。また、もう一つの応用として、Mazur-Rubinと私により定式化された予想(MRS予想)に関する統一的な新しい結果を得ることができた。ここで用いた手法は、Mazur-Rubinが数年前にDarmon予想の大部分を解決した際に用いた手法の高階版である。MRS予想は高階の場合はこれまで散発的な場合にしか証明されていなかったが、我々は高階オイラー・コリヴァギン系の理論の一つの応用として多くの場合に統一的に証明した。もう一つの研究として、Burns氏とKing's College LondonのKwok-Wing Tsoi氏との共同研究で、Rubin-Stark元の一般化・抽象化である「高階特殊元」に関する研究を行った。これは基本的には過去にBurns氏と慶應義塾大学の栗原将人氏との共同研究で構築した理論の一般化・抽象化である。研究実績の概要で述べた研究については、当初から計画していたもので、全て達成できたため。また、それ以外に、加藤のオイラー系に対するMRS予想の類似の研究が進み、Perrin-Riou予想、p進BSD予想、Mazur-Tate予想などとの関係について多くの新しいことがわかったため。高階オイラー・コリヴァギン系の理論の構築は一段落としたと言える。今後は加藤のオイラー系に対するMRS予想の類似、それとPerrin-Riou予想、p進BSD予想、Mazur-Tate予想との関係、また肥田理論やHeegner点との関係など、これまでとは違う新しい領域で研究を進めることができると期待している。Burns氏と栗原氏との共同研究で行った「一般Stark元」の研究はより一般のモチーフに対する設定に一般化できることがわかり、explicit reciprocity lawやColeman理論を新しい視点で解釈できることも期待される。このように研究を進めることができると思われる対象はまだ多くあり、それらを一つずつ着実に完成させていきたいと考えている。岩澤理論の研究において重要であるオイラー系の研究を行った。より具体的には、高階岩澤主予想の解決を目的として、高階の場合におけるオイラー系の理論を、King's College LondonのDavid Burns氏と東京大学の坂本龍太郎氏との共同研究で、かなり満足のいく形で作り上げることができた。この研究は、以前にBurns氏と行った高階オイラー系と同変玉河数予想の関係に関する研究が基礎となっている。我々が作り上げた高階オイラー系の理論は、次の点で新しい。まず、我々は、高階オイラー系から高階コリヴァギン系が自然に構成できることを示した。これは、高階コリヴァギン系の理論を創始したMazurとRubinが、そのような構成の存在を予想していたものであり、その意味で、我々はMazurとRubinの予想を完全に解決したと言える。また、我々は係数環がより一般の場合に高階コリヴァギン系の理論を拡張し、それに応じて、コリヴァギン系と関係のあるスターク系の理論も発展させた。このことの一部は、坂本氏単独の研究と、Burns氏と私の共同研究とで、それぞれ独立に得られたものである。我々の理論の応用として、高階オイラー系の典型的な具体例であるルービン・スターク元とイデアル類群に関する新しい結果を得た。これは、数年前にBuyukbodukが得ていた結果の一般化・精密化となっている。特に、我々はレオポルト予想を仮定せずに結果を得たという点で、Buyukbodukの結果の改善にもなっている。現時点では我々の理論は岩澤主予想に対する応用が得られない形になっているが、係数環を岩澤代数に自然に拡張することで、我々の理論の「岩澤理論版」も近いうちに作り上げることができると考えている。MazurとRubinが期待していた、高階オイラー系による高階コリヴァギン系の構成について、完全な解決を与えることができ、そのことの帰結として、高階オイラー系の理論を満足のいく形で作り上げることができた。これは当初期待した以上の結果であった。

楕円曲線の加藤のオイラー系に関する応用として、BSD元という新しい概念を導入することでPerrin-Riouの予想の自然な一般化を定式化し、また加藤のゼータ元とセルマー群のFittingイデアルの関係に関する新しい結果を得ることができた。また、もう一つの応用として、Mazur-Rubinと私により定式化された予想(MRS予想)に関する統一的な新しい結果を得ることができた。ここで用いた手法は、Mazur-Rubinが数年前にDarmon予想の大部分を解決した際に用いた手法の高階版である。MRS予想は高階の場合はこれまで散発的な場合にしか証明されていなかったが、我々は高階オイラー・コリヴァギン系の理論の一つの応用として多くの場合に統一的に証明した。もう一つの研究として、Burns氏とKing's College LondonのKwok-Wing Tsoi氏との共同研究で、Rubin-Stark元の一般化・抽象化である「高階特殊元」に関する研究を行った。これは基本的には過去にBurns氏と慶應義塾大学の栗原将人氏との共同研究で構築した理論の一般化・抽象化である。研究実績の概要で述べた研究については、当初から計画していたもので、全て達成できたため。また、それ以外に、加藤のオイラー系に対するMRS予想の類似の研究が進み、Perrin-Riou予想、p進BSD予想、Mazur-Tate予想などとの関係について多くの新しいことがわかったため。まず、高階オイラー系の理論を、岩澤理論に応用できるように自然に拡張することが目的の一つである。それを達成することで、高階岩澤主予想を(完全にではなくても、かなりの部分について)解決する。さらに、以前にKing's College LondonのDavid Burns氏と慶應義塾大学の栗原将人氏との共同研究で得ていた、同変玉河数予想を高階岩澤主予想によって解く一般的な戦略を適用することで、同変玉河数予想の(部分的な)解決も目指す。また、これもBurns氏と栗原氏との共同研究により、ルービン・スターク元の自然な一般化である一般スターク元についての研究も進め、これと明示相互法則との関係、関数等式との関係、Coleman写像との関係、一般のモチーフに対するさらなる一般化など、多角的に研究を進めていきたい。高階オイラー・コリヴァギン系の理論の構築は一段落としたと言える。今後は加藤のオイラー系に対するMRS予想の類似、それとPerrin-Riou予想、p進BSD予想、Mazur-Tate予想との関係、また肥田理論やHeegner点との関係など、これまでとは違う新しい領域で研究を進めることができると期待している。Burns氏と栗原氏との共同研究で行った「一般Stark元」の研究はより一般のモチーフに対する設定に一般化できることがわかり、explicit reciprocity lawやColeman理論を新しい視点で解釈できることも期待される。このように研究を進めることができると思われる対象はまだ多くあり、それらを一つずつ着実に完成させていきたいと考えている。科研費により2017年8月にロンドンに研究滞在する計画だったが、数学科に予算があり、それを資金源としたため。
土を用いた落石対策インフラの長寿命化へ向けての土の緩衝メカニズム解明とその対策

【1.堆積層による落石運動エネルギー減衰効果の適正評価に向けた検討】については,落石防護土堤背面のポケット部に存在する堆積層の効果を検討するため,落石をポケット部に入射させる解析を実施した結果,ポケット衝突時に落石エネルギーの6割,土堤衝突時に残りの4割を吸収した.ポケット部の堆積層によるエネルギー減衰効果を適正に評価することで落石対策工の合理的な設計・維持管理が可能となることを示した.また,堆積層の簡易的(低計算コスト)なモデル化を試みた結果,粒子を一列に配置固定したモデルは反発係数を0.01とすることで,多数の粒子群でモデル化する堆積層モデルに比べて若干設計が安全側になる結果を示すものの,落石の異なる入射角度に対するエネルギー減衰率を概ね再現可能であることが分かった.【2.砂以外の土を用いた緩衝材の緩衝メカニズム解明とDEM解析の三次元化】については,実験と解析の応力伝播速度がおおよそ一致するようにモデル化することで,砕石緩衝材の大型衝撃実験結果を概ね再現することに成功した.また,三次元DEM解析の実施により,大型衝撃実験で観測された落体衝撃力の第1波と第2波の間に衝撃力がゼロになる現象を再現することに成功した.これより,落体衝撃力波形が2波存在する原因の解明が期待される.当初の研究計画に加えて検討した【3.ロックシェッド頂版の衝撃応答変位が敷砂緩衝材の耐衝撃挙動に及ぼす影響】については,緩衝材下部の構造物を弾性梁として簡易的にモデル化して検討した結果,弾性梁条件では,緩衝材下部が剛基礎の条件に比べて,落石の自由落下衝突によって緩衝材底面境界が下向きに変位する分,底面境界付近の粒子群が低密度化するため,反射応力波の平均主応力が小さくなり,落体衝撃力及び伝達衝撃力が小さくなることが分かった.これは構造物が損傷するような外力条件における衝撃力波形の解釈に貢献できる.28年度が最終年度であるため、記入しない。28年度が最終年度であるため、記入しない。1.衝撃模型実験衝撃模型実験では,着色砂を用いて敷砂緩衝材をメッシュ状にし,緩衝材内部の変形を可視化することで,その密度変化の測定に成功した.その結果,落石衝突後の敷砂緩衝材は,落石衝突前に比べて緩む衝突条件があることが分かった.これは,埋立地等の液状化対策工法の一つである重錘落下締固め工法のように,重錘落下衝撃荷重を受けた砂は密実になると考えられていた従来の知見とは異なる新たな結果である.また,緩衝材中の礫分の含有率の影響を検討するため,小粒径の砂と大粒径の礫の混合率を変えて実験したところ,間隙比が最小となる混合率において最大落体衝撃力が最も大きくなることが分かった.当初の計画に加えて,現行の落石荷重推定式において緩衝材の硬さを評価するラーメの定数に関して,産学官共同のプロジェクトに参画し実施された大型重錘落下衝撃実験結果を用いて整理を行い,相対密度が高いほどラーメの定数が高い材料となることを明らかにした.2.個別要素法解析二次元DEM解析結果から,応力とひずみ速度を算出した.その結果,平均主応力波形の深度分布を観察することで,底面からの反射波が落体に伝播して落体衝撃力波形の第2ピークが生じている可能性を示した.また,落体から敷砂に伝播する応力波を調べると,高密化する波の後に低密化する波が伝播する明瞭な疎密波が観察された.さらに,敷砂に動員される内部摩擦角は破壊時の内部摩擦角に比べ小さいことが分かり,敷砂に生じる応力はせん断より等方的な圧縮応力の発生が支配的であり,衝突速度が遅く落体が重い方がその傾向が顕著となることを明らかにした.当初の計画に加えて,衝撃力比(最大落体衝撃力に対する最大伝達衝撃力の比)に影響を及ぼす要因の抽出を試みた結果,落体衝撃力の最大値は変化しなくても,落体衝撃力の継続時間が長いほど最大伝達衝撃力は大きくなり衝撃力比が増加することが明らかとなった.1.【異なる含水状態の敷砂緩衝材の衝撃実験】:異なる含水比の敷砂緩衝材に対する衝撃実験を実施し,乾燥砂に比べて湿潤砂の方が緩衝材底面に伝達する最大応力は小さく,応力分布は広域化することを明らかにした.その際,新たな試みとして衝撃実験に感圧シートを導入し,緩衝材底面に伝達する衝撃応力を簡易的に測定することに成功した.2.【DEM解析における土の粘着力のモデル化と衝撃問題への適用】:DEM解析における土の粘着力のモデル化では,地盤の掘削解析を実施し,任意のボンド強度における限界自立高さから粘着力を求めることで,ミクロ物性のボンド強度とマクロ物性の粘着力の関係式を作成した.さらに,衝撃問題への適用として,実際の落石防護土堤(粘着力の効果で土だけで自立する構造物)への落石衝突事例と同条件で解析を実施した.現地調査で土堤の天板付近へ落石が衝突した影響で,天板と土堤背面上部に盛り上がり部分を確認しており,DEM解析においても実際の被災事例と同様の変形挙動を再現できた.3.【一次元波動方程式に基づく衝撃応力σ=ρcvによる落体衝撃力波形の算定の試み】:昨年度の結果を踏まえて,当初の研究計画に加えて,衝撃応力により落体衝撃力波形を簡易的に算定することを試みた.

その結果,実験で得られた落体衝撃力波形の主波動である第1波目を精度良く推定できる可能性を示した.4.【斜面表土や崖錐による落石エネルギー減衰効果の適正評価に向けた模型実験とDEM解析】:最終年度の計画を一部前倒し,堆積層による落石の運動エネルギー減衰効果を適切に評価できるようにすることを目的に,水平な堆積層に対して角速度を有する落体を斜方入射させる模型実験と同条件で実施したDEM解析結果と比較した.その結果,DEM解析は,運動エネルギー比や回転エネルギー比,速度の法線成分と接線成分の内訳を精度良く再現可能であることが分かった.当初の計画に加えて,一次元波動方程式に基づく衝撃応力により落体衝撃力波形を簡易的に算定できる可能性を示した.さらに,これまで得られた知見を踏まえて,最終年度の計画を一部前倒しで実施した.堆積層による落石の運動エネルギー減衰効果を適切に評価できるようにすることを目的に,水平な堆積層に対して角速度を有する落体を斜方入射させる模型実験とDEM解析を実施し,DEM解析は実験結果を精度良く再現できることを示し,堆積層上の落石挙動を適切に評価な手法であることを示した.本年度の研究成果はジャーナル論文に2件掲載されており,当初の計画以上に進展していると言える.【1.堆積層による落石運動エネルギー減衰効果の適正評価に向けた検討】については,落石防護土堤背面のポケット部に存在する堆積層の効果を検討するため,落石をポケット部に入射させる解析を実施した結果,ポケット衝突時に落石エネルギーの6割,土堤衝突時に残りの4割を吸収した.ポケット部の堆積層によるエネルギー減衰効果を適正に評価することで落石対策工の合理的な設計・維持管理が可能となることを示した.また,堆積層の簡易的(低計算コスト)なモデル化を試みた結果,粒子を一列に配置固定したモデルは反発係数を0.01とすることで,多数の粒子群でモデル化する堆積層モデルに比べて若干設計が安全側になる結果を示すものの,落石の異なる入射角度に対するエネルギー減衰率を概ね再現可能であることが分かった.【2.砂以外の土を用いた緩衝材の緩衝メカニズム解明とDEM解析の三次元化】については,実験と解析の応力伝播速度がおおよそ一致するようにモデル化することで,砕石緩衝材の大型衝撃実験結果を概ね再現することに成功した.また,三次元DEM解析の実施により,大型衝撃実験で観測された落体衝撃力の第1波と第2波の間に衝撃力がゼロになる現象を再現することに成功した.これより,落体衝撃力波形が2波存在する原因の解明が期待される.当初の研究計画に加えて検討した【3.ロックシェッド頂版の衝撃応答変位が敷砂緩衝材の耐衝撃挙動に及ぼす影響】については,緩衝材下部の構造物を弾性梁として簡易的にモデル化して検討した結果,弾性梁条件では,緩衝材下部が剛基礎の条件に比べて,落石の自由落下衝突によって緩衝材底面境界が下向きに変位する分,底面境界付近の粒子群が低密度化するため,反射応力波の平均主応力が小さくなり,落体衝撃力及び伝達衝撃力が小さくなることが分かった.これは構造物が損傷するような外力条件における衝撃力波形の解釈に貢献できる.当初の計画に加えて,現行の落石荷重推定式において緩衝材の硬さを評価するラーメの定数は緩衝材の初期相対密度が高いほど大きくなることを明らかにしている.これは,ラーメの定数の適切な算出方法の構築に寄与する重要な結果である.また,従来,衝撃力比(最大落体衝撃力に対する最大伝達衝撃力の比)は12程度の値となることは衝撃実験結果から知られていたが,衝撃力比が変化するメカニズムは明らかにされていなかった.そこで,敷砂層厚,落体質量,落下高さなどのパラメータを系統的に変化させた解析を実施することで衝撃力比に影響を及ぼす要因を整理し,各パラメータの相互関係を示唆している.