凍結・融解過程における不飽和土壌の熱・水分移動および変形モデルの構築

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 22K04343
• Research Institution: Kindai University
• Principal Investigator: 高野 保英 近畿大学, 理工学部, 准教授 (80330231)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Keywords: 土壌凍結 / 凍上 / 不凍水曲線

Outline of Annual Research Achievements

自然状態における凍上による土壌内部の変形過程を追跡するため，飽和および不飽和硅砂を上方より冷却して土壌全層を凍結させ，X線CTを用いて連続的に土壌内部の画像を撮影し，それらの画像にDVC解析を適用して，土壌内部の移動量および体積ひずみの三次元分布の経時変化を得た．また撮影と同時に土壌内部の温度の鉛直分布の経時変化を測定した．
これらの実験により，土壌の凍結過程における内部の変形のプロセスのデータが得られ，上方から凍結する場合，表層付近の土壌で凍結による膨張が見られ，それより下方では収縮することが確認された．収縮の原因ははっきりしないため，DVC解析以外の方法での土壌の移動量の測定を行い，土壌の変形過程の詳細な追跡が必要となると判断された．
また珪砂およびチャオソイルを詰めたカラムを低温槽に入れて凍結させ，所定の温度で放置し，土壌の不凍水量と温度の関係をTDRセンサーとサーミスタを用いて連続的に計測を行った．設定温度は0.3℃間隔で実施し，96時間測定して定常時の不凍水量と温度を求め，不凍水曲線を作成した．
その結果，設定温度が低い場合は不凍水量と温度は安定して定常状態に至るが，ある程度上昇すると非常に遅い速度で不凍水量と温度が上昇を続け，定常状態に至らない場合があった．従って，不凍水曲線を描くに十分なデータを得ることができず，設定温度間隔を狭めて，より多くのデータを取得する必要があると判断された．
さらに凍結土壌の吸引圧測定方法を検討するために，土壌内に従来型のテンシオメータを挿入し，上方から凍結させて土壌の温度と吸引圧を測定した．その結果．凍結に伴う吸引圧の低下が生じることが確認された．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

初年度に実施を計画していたX線CTを「用いた土壌内部変形計測については，実験は順調に進んでおり，内部変形過程を検討するための基本的なデータを得ることができた．
不凍水曲線の同定については，「研究実績の概要」で述べたようにデータの取得が不十分であり，「今後さらに継続して実験を進める必要がある．

Strategy for Future Research Activity

「現在までの進捗状況」で述べたように令和4年度に計画していた不凍水曲線の同定に関しては，新たな恒温槽を用いて実験を継続して行い，データの収集に努める．
令和5年度で計画している凍結土壌の吸引圧の測定については，既に予備的な実験を行い，吸引圧の計測が可能であると判断されたため，より合理的な吸引圧の測定方法・装置の検討に入っており，計測実験を進める．
また凍結土壌の熱伝導率の測定も，これまでの研究成果を基に計測方法を検討し，計測に取り組む．

Causes of Carryover

当初，不飽和透水係数測定装置とデータロガーの購入を検討していたが，不凍水曲線の同定　実験に当たって低温槽を用いた方法が適切であると考えたため，それを購入した.実験を進めた結果，より多数のデータの取得のために，温度測定間隔を密にする必要が生じたため，新たに恒温槽（80万円程度）の購入を計画した．そのため使用計画に変更が生じた．なお納品が年度内に間に合わなかったため，支払いは次年度へ繰り越しとなった．
次年度使用額については，現在，凍結土壌の吸引圧測定装置を設計しており，その施策に使用する予定である．