低温環境にある岩盤の熱・応力・浸透連成挙動と岩盤斜面の劣化に関する研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13650536
• 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, 地圏科学研究センター, 助教授 (00214114)
• Keywords: 低温環境 / 連成問題 / 岩盤斜面 / 時間依存性

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億解析が必要となる。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,諸物性値の異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。これらの成果は,International Journal of Rock Mechanics and Min.Sci.とComputers and Geotechnicsに掲載された。また,室内試験においては低温熱源付近の熱伝達係数を逆解析によって定量的に評価する手法を開発したことも成果の一つである。

Research Products

• [Publications] YAMABE T.: "Determination of some thermo-mechanical properties of Sirahama sandstone under subzero temperature condition"International Journal of Rock Mechanics and Min.Sci.. Vol.38No.7. 1029-1034 (2001)
• [Publications] KRISHNA K.M.: "A fully coupled thermo-hydro-mechanical nonlinear model for a frozen medium"Computers and Geotechnics. Vol.28,No.8. 613-637 (2001)
• [Publications] 小出祐毅: "熱・応力・浸透連成場における凍結融解現象の数値解析とその岩盤構造物への適用"土木学会第56回年次学術講演会. III-A283. 566-567 (2001)
• [Publications] 山辺 正: "温度場を考慮した軟岩の時間依存性挙動とその変形予測に関する実験的研究"土木学会第56回年次学術講演会. CS1-031. 62-63 (2001)