膨潤性岩盤を対象としたマルチスケール・マルチフィジックス岩盤力学の展開

2016 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H02361
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 京谷 孝史 東北大学, 工学研究科, 教授 (00186347)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 加藤 準治 東北大学, 工学研究科, 准教授 (00594087) ; 高瀬 慎介 東北大学, 工学研究科, 助教 (00748808) ; 森口 周二 東北大学, 災害科学国際研究所, 准教授 (20447527) ; 寺田 賢二郎 東北大学, 災害科学国際研究所, 教授 (40282678)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: スメクタイト鉱物 / 膨潤挙動 / 膨潤試験装置

Outline of Annual Research Achievements

平成28年度は，ミクロスケール素過程の解明と適切な理論モデル化を行うために， スメクタイトの化学的吸水膨潤過程の定量的把握を目的としてモンモリロナイト鉱物試薬を用いた吸水膨潤試験と透水試験を実施し，スメクタイトの膨潤挙動を定量的に把握することを行った．
また，一方で，スメクタイトの代表であるモンモリロナイト鉱物試薬を用いて，締め固めの程度を変えた試料を作成し，水温，拘束圧力の条件を変えながら吸水膨潤試験を実施して，膨潤速度・膨潤量と水温・拘束圧の関係についての定量的把握を試みた．そして，それらの結果を整理・分析して，スメクタイトの化学反応としての吸水膨潤に対する数理モデルを定式化に取りかかった．また，スメクタイトの膨潤による岩石の内部構造破壊の理論モデル構築にも合わせて取り組んだ．具体的には，岩石の内部構造の有限要素モデルを用いた透水/応力変形/損傷連成解析を通して，岩石試料に対する膨潤実験での観測事実を説明できるようなスメクタイトの膨潤過程における力学特性を記述する構成則の同定解析に取り組んだ．
さらに，正確な膨潤量測定法の確立のために新しい膨潤試験装置の試作を行った．従来の膨潤試験では，金属製の円筒に入れた供試体の吸水膨潤に伴う上方変位を測定するため，剛な容器による拘束と摩擦の影響があり，正しい膨潤挙動を捉えているとは言い難い．そこで，供試体を丈夫なゴム膜などで覆って圧力容器に入れて吸水膨潤による体積変化そのものを測定するという新しい原理に基づく試験機を設計・試作して膨潤試験を実施し，従来法との比較を通して従来法の問題点を定量的に検討すると共に，提案装置の有効性と課題を明らかにすることに取り組んでいる．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新しい試験装置の試作に予定以上の時間がかかったため，提案装置の有効性と課題を明確にするにための実験を実施している最中である．また，膨潤挙動を説明する理論モデルについては，参考となる既存研究のレビューの最中であり，モデルの提案にはもう少し時間が必要である．

Strategy for Future Research Activity

提案装置の有効性と課題を明確にするにための実験を引き続き実施し，必要に応じて試験機の改良を行う予定である．また，膨潤挙動を説明するマルチスケール・マルチフィジックス理論モデルについては，参考となる既存研究のレビューを進めつつ，理論モデルが具備すべき条件を再考・整理してプロトタイプモデルの構築と数値計算コードを作成する予定である．