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阪神大震災以降,直下地震の際の活断層のすベりが引き起こす局所的大被害に関心が高まっている.さらに,超長期にわたって供用される土木構造物には,伏在活断層がすべる可能性も想定しなければならない.基盤内の断層が地表に達し地震断層が形成される場合,引き起こされる強震動は極めて大きい.このような地震断層の被害評価には,断層に伴う地表変形を数値解析する手法が必要である.
上記を背景として,本研究は,地表地震断層の新しいモデル実験を行い,断層破壊挙動予測の数値解析手法を開発した.これは,断層発生メカニズムを解明し,それに基づく解析理論を構築することを念頭においている.
モデル実験は,ゼラチン供試体のねじりせん断によるリーデル線発生実験である.リーデル線は底部のせん断によって供試体表面に発生する亀裂であり,ねじりせん断をかけることで再現性を向上した.リーデル線の形成過程は高速ビデオカメラによって撮影した.さらに,ビデオ画像の画像解析から変位分布を非接触で測定し,新たに提案した逆解析手法を用いて対応する応力分布を推定した.この結果,分岐が雁行状亀裂形成の支配的メカニズムであることを解明した,これは,1)一様な横ずれせん断が与えられているにもかかわらず周期的な亀裂が発生すること,2)周期的な亀裂は一様に進展せず選択的に進展すること,という観察結果に基づいている.
このような分岐現象を巧妙に解析するため,新しい連続体モデルと数値解析手法を構築した.数理的な分岐解析は滑らかな関数を対象とすると有効である.したがって,亀裂の発生・進展が数値的に滑らかに計算されるよう,材料や構造のばらつきを考慮した連続体モデルを作り,このモデルを解析する有限要素法を開発した.この結果,モデル実験で観察された雁行亀裂を再現することに成功した.また,地表地震断層が形成される過程の数値シミュレーションも行った.