低温熱源による岩盤の熱・応力・浸透連成挙動とその解析に関する研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650477
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 山辺 正 埼玉大学, 工学部, 助教授 (40125894)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 長田 昌彦 埼玉大学, 工学部, 助手 (00214114)
• Keywords: 凍結・融解 / 相変化 / 連成解析

Research Abstract

室内凍結融解試験および原位置試験から,低温環境におかれた飽水状態の岩質材料は0℃以下で凍結膨張し,変形挙動は間隙内の水分の凍結が大きく影響していることが従来の研究からわかっている。また地盤内の熱現象は,熱移動・間隙水の変化・変形挙動が複雑に連成したものであることから,地盤内の熱現象を解明するためには,これら各現象が連成する場の数値解析が必要となる。そこで,本研究では運動量保存則・質量保存則・エネルギー保存則を連成して解く熱移動・応力・浸透連成解析を実施するため,各保存則について支配方程式を誘導したのち有限要素法により定式化し,それに基づいた弾塑性解析コードを作成した。用いた構成則は各場に対して,全て見かけ上は線形であるが,水の物性が0℃を境に著しく変化することを熱膨張率の変化として導入するとともに,解析では間隙内の水が凍結して氷へと相変化する際に放出される潜熱が温度場に与える影響についても考慮し,室内凍結融解試験を模擬した。さらに,凍結下室内三軸圧縮試験結果から接線変形係数の応力依存性を取り込み,諸物性値の裏なる岩質材料を用いて室内凍結融解試験を実施したところ,熱源付近に凍上現象による破壊が確認された。この弾塑性解析コードにより,室内凍結融解試験で確認された凍結膨張による破壊挙動を残留ひずみも含めて定性的・定量的に表現することができた。また,この解析コードを斜面の不安定化現象へ適用すると共に地下空洞内に低温物質を貯蔵することを想定した解析を実施することによりその適用性を確認した。

Research Products

• [Publications] Krishna, K. M., YAMABE, T & Yoshinaka, R.: "Simulation of a fully coupled thermo-hydro-mechanical system in freezing and thawing rock"Int. Jour. Rock Mech. Min. Sci.. 36・5. 563-580 (1999)
• [Publications] 山辺 正: "熱・応力・浸透連成順解析および熱境界特性値の逆解析"第16回岩盤システム工学セミナ. 23-40 (1999)
• [Publications] Krishna, K. M., Yamabe, T. & Yoshinaka, R.: "Finite element analysis of slope in stability resulting from natural process of ground freezing and thawing"9th Int. Congress on Rock Mechanics. 123-126 (1999)
• [Publications] 長田昌彦,山辺正,吉中龍之進: "稲田花崗岩の初期マイクロクラック分布"応用地質. 39・6. 500-510 (1999)
• [Publications] 長田昌彦 他: "レプリカフィルムからのクラック抽出方法とその画像解析方法の検討"応用地質. 40・1. 36-46 (1999)
• [Publications] 長田昌彦,山辺正 他: "熱収縮チューブを利用した岩石のひずみ計測方法の検討"土木学会論文集. No.63g III-49. 217-226 (1999)