AI要約
背景
未開口の自然岩盤亀裂に対し、法線荷重を変化させたときの流量を「ブラインド予測」する課題。
亀裂を有する岩試料で水理‐力学試験を実施後、亀裂を開口し両面を高精度スキャン、その後再装着して再試験。
目的：単一亀裂での荷重‐変形‐流れの関係と流路のチャンネリング、ならびに実務的な検証手法の検討。手法
使用コード：COMSOL Multiphysics。
流れ：低レイノルズ数の定常流とし、Navier–Stokes式から慣性項を除いたStokes流として 3D 解析。
岩盤変形：線形弾性・等方・連続体とし、亀裂面の接触を「拡張ラグランジュ法」による接触条件で表現。モデル群：
Analytical Model：平行平板間流れ（立方則）でスキャン精度が流量に与える影響を評価。
Parallel Plate Model：3D平行平板の数値解で解析解との整合とメッシュ条件を確認。
Small Surface Model：小さな実測亀裂面（Task 10.2.1）を用い、上面のx,y,z変位とz軸回転の影響をDSDによる感度解析。
Nearing Contact Model：上下岩体を初期ギャップから押し付ける接触モデル（1 MPa荷重）。
Departing Contact Model：初期的に重なりを与えた状態から上盤を押し上げる接触モデル（0,1,2,4,6,8 MPa）。
接触オフセット：数値的な「めり込み」を避けるため、上下面の最小間隔を強制（0.05–0.1 mm）。この仮定が開口と流量を増大。結果
Analytical / Parallel Plate：開口 = スキャン精度0.035 mmに対応する流量は約0.1 ml/sで、実測流量と同程度。実測から逆算した等価平行平板開口はいずれもスキャン精度以下。
Small Surface Model：x,y,z変位はいずれも統計的に有意で、とくにz方向変位が流量に最も強く影響。z軸回転はほぼ無影響。
Nearing / Departing Contact：接触解析から得た変形後空隙でStokes流解析を実施。いずれの荷重・接触アプローチでも、予測流量は実測より数桁大きい。接触オフセットやスキャン精度、初期位置誤差、補間誤差、弾性仮定を考慮しても、この差を説明できない。
von Mises応力は局所的に一軸圧縮強度を超え、現実には局所破壊や塑性変形が起こる可能性が高いことを示唆。考察
スキャン精度0.035 mmでは、実測レベルの微小流量を信頼性高く再現するには不足。逆算開口が常に精度以下であるため、幾何データに根本的な限界。
上下亀裂面の水平方向移動（x,y）とより精密なインターロッキング、ならびに岩の塑性変形・破壊を無視しているため、実際より開口が大きく評価され、流量を過大評価している可能性が高い。
接触オフセットは数値上必要だが、同時にモデルに系統的バイアス（過大開口）を導入する。
既知の不確実性を考慮しても、モデルと実験の乖離は説明できず、「未知の支配的要因」が欠落していると結論。
接触モデル＋詳細幾何に基づく手法は、本課題のような極めて小さい流量の予測には実務的でなく、より小さい試料や高精度スキャン、あるいは別の概念モデルが必要と提言。
併せて、複数現象・複数検証を通じたモデルの「妥当性ランクR」を定義する検証評価指標を提案し、今後のモデル群の統合的評価に用いることを示唆。
0.035mmで精度が不足とは、驚きです。いえ、このような制度が出せるのも驚きなのですが。地層処分ですので細かい。
使われた 3 つの接触法（ペナルティ、拡張ラグランジュ、Nitsche）、どれも知りませんでした。拡張ラグランジュが最もオーバーラップ（食い込み）が小さいものの計算コストが高いそうです。オーバーラップを完全にはゼロにするには非常に細かいメッシュが必要で、現実的なメッシュでは 0.01–0.1 mm 程度の食い込みが残ると報告されていますが、それでも完全には抑えきれなかったとのこと。扱うスケールが全く異なります。
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