ベントナイト変遷挙動のモデル化のデータ取得及び調査

Studies on mechanical behavior of bentonite for development of the constitutive model

笹倉 剛*; 畔柳 幹雄*; 岡本 道孝*

Sasakura, Takeshi*; Kuroyanagi, Mikio*; not registered

本研究では、TRU廃棄物処分システムのニアフィールド水理場の長期的変遷評価システム構築に資するため、ベントナイトの変質(Ca型化)および体積変化(膨潤)が、その力学的・水理的性能に及ぼす影響を把握することを目的として、同一ロットのベントナイトによる一連の室内試験を実施し、ベントナイトの力学的・水理的性質の変遷に関するデータを体系的に取得した。また、これらの挙動を解析的に考慮するためのモデルを試作した。以下に本年度の研究成果を示す。1)Na型ベントナイトおよびCa型化ベントナイトについて、成分分析、土粒子密度、粒度分布、含水比、締固め特性などの基本的性質に関するデータ取得した。また、膨潤履歴を受けたベントナイトの膨潤性能、水理性能、力学的挙動に関するデータを取得するために、あらかじめ所定の膨潤率を付与した供試体を用いて、供試体の膨潤率をパラメータとした試験を実施し、膨潤圧試験、膨潤量試験、透水試験からは、各々のベントナイトの一次元的な膨潤性能と水理性能に関するデータを、高圧三軸CU試験、高圧圧密試験からは、各々のベントナイトの圧縮・膨潤・せん断特性に関するデータを取得した。2)膨潤・水理性能に関しては、既往の研究に報告されているようにベントナイトは著しい膨潤挙動を示すこと、ならびに陽イオン交換によるベントナイトのCa型化によって、透水係数が増加することが確認された。また、既往の研究結果と併せて検討した結果、1.ベントナイトの膨潤限界を表す上限間隙比は膨潤開始直後の間隙比に依存しない、2.ベントナイトの膨潤圧間隙比関係、および透水係数間隙比関係は、おおむね一つの曲線として表現できること、などが確認された。3)土質材料の数値解析において、カムクレイモデルなど多くの既存の構成方程式では、体積変化に関する状態量として間隙比が用いられることから、ベントナイトの水理性能、膨潤性能、力学特性と間隙比との関係を、今回の試験および既往の研究で得られている範囲で定式化した。4)今後構築していくベントナイトの力学特性変遷評価モデルの妥当性を検証するための試験装置を設計・製作し、予備実験を実施してその適用性を実証した。

To integrate the system for evaluation of long-term hydraulic condition in near field of TRU waste disposal, series of laboratory tests were conducted to investigate the effect of (a)cation exchange of Na-bentonite for Ca ion, and (b)the swelling behavior of bentonite, on its mechanical and hydraulic properties. For the purpose of this study, same lot of bentonite was used in a series of tests to obtain consistent data. A constitutive model of clayey materials, called Cam-clay model, was expanded conceptually to express the effects mentioned above. The research results of this year are summarized below; (1)Some basic properties such as cation exchange capacity, particle density, grain size distribution, compaction-characteristics and water content were obtained. To examine the effect of previous swelling history of bentonite on its swelling characteristics and hydraulic and mechanical properties, specimens, which generated swelling deformation to various volumetric strain levels, were specially prepared and used in the following tests. Swelling pressure tests, swelling deformation tests, permeability tests were conducted to observe one dimensional swelling characteristics and hydraulic properties of Na-bentonite and Ca-bentonite. High-pressured triaxial consolidated-undrained (CU) compression tests and high-pressured consolidation tests were also carried out to investigate the compression, swelling, and shearing behavior of each type of bentonite. (2)As indicated in previous studies, two important phenomena (a)bentonite possesses remarkable swelling capacity, (b)cation exchange of Na-bentonite for Ca-ion lead increasing of hydraulic conductivity, were confirmed in the test results. From the swelling deformation test results and published data, it was found that swelling capacity of bentonite has no dependency on previous swelling history and it could be easily expressed as a function of void ratio e. It was also confirmed that swelling pressure and water ...