JP5877484B2 - 吸水膨張性粘土の挙動予測方法 - Google Patents
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Description
湿潤粘性体の粘度は、湿潤粘性体の密度との関係、または、湿潤粘性体の密度およびひずみ速度との関係から設定する。
湿潤粘性体の密度との関係から粘度を設定する方法は、実験により、湿潤粘性体の乾燥密度と粘度との関係を求め、この実験により求めた関係から湿潤粘性体の粘度を設定するものである。
湿潤粘性体の密度およびひずみ速度から粘度を設定する方法は、実験により、湿潤粘性体(ベントナイト系土質材料)のひずみ速度と粘度との関係を求め、この実験により求めた関係から湿潤粘性体の粘度を設定するものである。
湿潤粘性体は、温度が高くなると粘度が小さくなる傾向にある。これにより、湿潤粘性体の温度で湿潤粘性体の粘度を補正する場合には、下記の数式17に示すように、補正係数αBTを用いて補正する。
ベントナイトなどのように、吸水膨張性を有する吸水膨張性粘土の透水性は、「核燃料開発機構、”わが国における高レベル放射性廃棄物地層処分の技術的信頼性−地層処分研究開発第2次取りまとめ−分冊2 地層処分の工学技術”pIV−87〜IV−88」に示されている。
たとえば、図5は、吸水膨張性を有するベントナイト系土質材料に上載荷重を作用させた状態で吸水させた場合に、密度がどの値になるまで吸水を続けるのかを観測した例であるから、この観測値(上載荷重の値と吸水が終息したときの密度)は終息密度に相当する材料の吸水膨張ポテンシャルPsが拘束圧(上載圧)と釣り合った状態である。すなわち、吸水膨張挙動が終息した時点での乾燥密度条件の粘土の吸水膨張ポテンシャルを測定することができる。吸水膨張ポテンシャルPsは、吸水膨張性の湿潤粘性体に粘性流れを起こさせる駆動力になるとともに、吸水膨張に伴って発生する浸透水の浸透流れの駆動力になる。
湿潤粘性体の吸水膨張ポテンシャルPsは、湿潤粘性体の密度との関係(相関関係)から実験式を求め、この実験式を用いて湿潤粘性体の吸水膨張ポテンシャルPsの値を決める。
図13は、さまざまな種類のベントナイトの膨潤圧の測定結果から、吸水膨張性の原因物質である粘土鉱物モンモリロナイトに注目して、有効モンモリロナイト密度と膨潤圧との関係に関する多数の計測例を示した図であり、さらに、上載荷重を作用させた状態で吸水させた場合の膨張後の密度から当該密度における吸水膨張ポテンシャルPsの値を別途測定した2点を追加した図である。
温度分布変化は、熱伝導率と比熱を決めるためのモデル計算式、密度と温度との相関から透水係数を決めるための計算式、および密度と温度から吸水膨張ポテンシャルPSを決める計算式により、状態量(特性値)を計算する。これらは実験から相関性を調べて回帰式から求めることができる。
前述した吸水膨張ポテンシャルは、吸水膨張挙動が終息した時点における釣り合いから把握できるが、吸水膨張しつつある途中段階での吸水膨張速度は、非定常挙動であって、速度を規制する因子として二つの因子が存在する。第1の吸水膨張速度を抑制する(ブレーキとなる)因子は、粘土の粘度(粘性係数)であり、第2の吸水膨張速度を抑制する(ブレーキとなる)因子は、間隙水の浸透速度を抑制する透水係数(浸透率)である。
上記における湿潤粘性体の計算方法では、単位体積あたりの材料の存在量を変数として採用していた。材料が吸水膨潤性を有する粒子(例えばベントナイト粒子)と水だけで構成されている場合にはこのような変数で各種の特性値(粘度、透水係数等)を決めることができるが、吸水膨張性の材料(例えばベントナイト)と膨張性のない材料(例えば砂等の粒子状の骨材)とを混合した材料の特性値は、膨張性のない材料(例えば砂)の体積を除外した空間における単位体積あたりの吸水膨張性の材料の存在量(例えば、これを有効粘土密度と称している)で決まるので、この変数ρdBを使って各種の特性値の決定に使うことができる。その場合の各種特性値との相関についても前述のような各種特性試験を実施することで状態方程式や構成式を設定して計算することができる。
pf 圧力
v 流速ベクトル
t 時間
g 重力加速度
Cp 定圧比熱
T 温度
λ 熱伝導率
Q 発熱
ηwT T°Cにおける水の粘度
ηw20 20°Cにおける水の粘度
ηBT T°Cにおける湿潤粘性体の粘度
ηB20 20°Cにおける湿潤粘性体の粘度
ε 湿潤粘性体のひずみ速度
α,β,γ 粘度算定式の係数
Qw 断面積A(m2)を浸透する浸透水量(m3/s)
vw 浸透水の流速(m/s)
Ps 吸水膨張ポテンシャル(Pa)
pw 浸透流れの駆動力(Pa)
ρd 湿潤粘性体の乾燥密度(Mg/m3)
ρw 水の密度(Mg/m3)
kT T°Cにおけるダルシー透水係数(m/s)
κ 湿潤粘性体の浸透率(固有透過度)(m2)
λT 土壌のみかけの熱伝導率
λ0 真の熱伝導率
μ 温度依存項の係数
L 蒸発潜熱
D 拡散係数
Claims (14)
- 吸水膨張性粘土の挙動予測方法において、
吸水膨張性粘土を密度の変化を伴う高粘性流体とする運動量保存則および質量保存則を用いることを特徴とする吸水膨張性粘土の挙動予測方法。 - さらに、吸水膨張性粘土を密度の変化を伴う高粘性流体とするエネルギー保存則を用いることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の吸水膨張性粘土の挙動予測方法。
- 前記吸水膨張性粘土の粘度を前記吸水膨張性粘土の密度との関係から求めることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の吸水膨張性粘土の挙動予測方法。
- 前記吸水膨張性粘土の粘度を前記吸水膨張性粘土の密度およびひずみ速度との関係から求めることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の吸水膨張性粘土の挙動予測方法。
- 吸水膨張性粘土の粘度を温度との関係で補正することを特徴とする請求項8または9に記載の吸水膨張性粘土の挙動予測方法。
- 高粘性流体としての粘性流れを生じさせる駆動力として、重力および粘土の境界面において作用する外力のほかに、粘土の吸水膨張ポテンシャルを考慮することを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の吸水膨張性粘土の挙動予測方法。
- 高粘性流体としての粘性流れを生じさせる駆動力となる吸水膨張ポテンシャルを密度との関係から求めることを特徴とする請求項11に記載の吸水膨張性粘土の挙動予測方法。
- 粘性流れ速度に伴う密度変化量を求め、その密度変化量に相当する間隙水の浸透流れ速度を計算し、かつ、二点間に存在する粘土の透水係数を使って、その浸透流れ速度に必要な任意の二点間の水圧差を求め、水圧差が当該二点間の吸水膨張ポテンシャル差を上まわる場合には、粘性流れ速度を小さく仮定してから同様の計算を行って、水圧差が当該二点間の吸水膨張ポテンシャル差に近似するまでこの計算を繰り返すことにより、粘性流れ速度を求めることを特徴とする吸水膨張性粘土の挙動予測方法。
- 粘土の透水係数を吸水膨張性粘土の密度および温度との関係から求めることを特徴とする請求項13に記載の吸水膨張性粘土の挙動予測方法。
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