Basic study of permeability evaluation for multi-phase geomaterial using 3D printed sediment

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K13830
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 米田 純 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 主任研究員 (40760187)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 3Dプリンター / 透水係数 / 骨格構造 / 多孔質体 / メタンハイドレート

Outline of Annual Research Achievements

本研究ではデスクトップ3Dプリンターを活用し、多相系地盤の浸透特性を解明することを目指している。地盤材料の浸透特性は土木構造物の建設や地盤災害予測・対策などのために必要不可欠な情報である。これらの材料パラメータは主に既往の基準や経験式で決定されるか、不攪乱試料の採取を行い、各種試験を実施することで得られる。不攪乱試料を用いた試験の場合、基本的に一つのサンプルに対して一つの試験しか適用できない。しかしながら複数の試験を実施したいとするニーズは多い。また、近年新たなエネルギー資源として注目されているメタンハイドレート(MH)など土・水・ガスに加えて新たな固相が入った場合の浸透特性の評価は、その物理化学的な特性から困難を極める。初年度は、地盤材料の骨格及び間隙構造を再現するため、X線CTを用いた内部構造のデジタルデータを用いて3Dプリントデータを作製し、地盤サンプルの複製を試みた。得らえた多孔質体に透水試験を行い、透水係数を計測した結果、MHが間隙構造に胚胎することによる透水性の低下が模擬的に確認された。次年度は、精度の高い造形を実施するために光硬化レジンを利用して、スケールの異なる内部構造を作成し、力学的な強度及び透水特性の基礎的データの拡充を行った。最終年度は、間隙内に異なる飽和率で存在するMH胚胎土のデジタルモデルからスケールアップした地盤の複製を行い、土・MH・水の三相を模した透水試験を実施した。その結果、MHの胚胎に伴う透水性低下の程度は、複製地盤サンプルを用いた実験結果と、流体シミュレーションによる予測結果で良い相関関係にあることが示された。この結果から、対象とする地盤材料のデジタル情報を活用することで様々な実験に利用できることが明らかとなった。数値解析では計算コストの関係で難しい実験も、複製地盤サンプルと組み合わせることで新たな実験アプローチが生まれると期待される。