Development of a Vessel for Triaxial Compression Test of Rock under Ultra-low Temperatures

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17K06551
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 鴨志田 直人 岩手大学, 理工学部, 准教授 (00400177)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 凍結岩石 / 三軸圧縮試験 / 極低温下 / 破壊包絡線 / 強度定数 / 液化天然ガス（LNG） / 岩盤内貯蔵

Outline of Annual Research Achievements

極低温液化燃料の岩盤内貯蔵方式の設計・施工で実施される空洞周辺岩盤の熱応力解析では、水や氷が内在する岩盤の破壊包絡線または強度定数（粘着力・内部摩擦角）を把握する必要がある。しかし、国内・国外を問わず極低温下（-196℃程度）までの温度範囲における破壊包絡線または強度定数を報告した例は見当たらない。そこで本研究課題では、極低温環境下でも実験可能な岩石用三軸圧縮試験装置の開発を行い、さらに、-170℃における飽和含水岩石の三軸圧縮試験を実施し、凍結岩石の破壊包絡線・強度定数の温度依存性を検討することを目的とした。本三軸圧力室の特徴は、極低温状態を保持したまま三軸圧縮試験を実施するための仕組みを簡潔にするため、側圧を載荷後に圧力発生装置と三軸圧力室とを切り離し、三軸圧力室を液体窒素の入った恒温槽に入れる方法を採用したことにある。
本研究課題では岩石用極低温三軸圧力室の設計・製作、三軸試験装置の実証試験、極低温環境下における飽和含水岩石の三軸圧縮試験からなる実施計画を立てた。
前年度、開発した三軸圧力室を用いて-190℃での三軸圧縮試験を試みた結果、圧力媒体の有無で破壊時の差応力、破壊形式の違いがみられた。そこで、最終年度では三軸圧力室に高低温用圧力センサを取り付け、冷却時のおける側圧の測定を行った。その結果、液体圧力媒体を11℃から-13℃まで冷却する間に側圧が10MPaから0.3MPaまで急減する現象を確認した。また、その原因は液体圧力媒体の体積収縮率に起因することを明らかにした。圧力発生装置を三軸圧力室から切り離す本三軸圧縮室では、軸圧載荷用ピストンを挿入することで側圧を再載荷することは可能であるが、破壊強度点での側圧を制御することは難しい。今後はセル圧発生装置の改良を実施し、引き続き凍結岩石の破壊包絡線・強度定数の測定を試みる計画である。