Constitutive modeling for compacted bentonite buffer materials as unsaturated and saturated porous media

不飽和・飽和ベントナイト緩衝材の構成モデル化

高山 裕介  ; 橘 伸也*; 飯塚 敦*; 河井 克之*; 小林 一三*

Takayama, Yusuke; Tachibana, Shinya*; Iizuka, Atsushi*; Kawai, Katsuyuki*; Kobayashi, Ichizo*

ベントナイトは著しい膨潤特性と難透水性を有する材料であり、放射性廃棄物の処分施設において緩衝材としての利用が想定されている。処分施設の長期にわたる力学挙動を評価するには、ベントナイトの力学挙動を表現できる構成モデルの開発が必要である。本研究では、ベントナイトを、「飽和の程度により力学特性が変化していく材料」と捉え、不飽和ベントナイトの弾塑性構成モデルを提案した。本提案モデルでは、膨潤指数および負のダイレイタンシーの表現式を飽和度の関数として表現し、さまざまなベントナイト材料に適用できるようにモンモリロナイト含有率を入力パラメータとして用いている。さらに、提案モデルにより膨潤圧試験と膨潤量試験のシミュレーションを実施した結果、ベントナイトの力学挙動を再現できることが確認された。

Bentonite has remarkable swelling characteristics and low permeability that makes it a suitable buffer material in a purpose built repository for the geological disposal of radioactive waste. It is necessary to use reliable numerical simulation techniques to demonstrate that the repository is safe and mechanically stable for tens of thousands of years. Constitutive model that describes the mechanical behavior of bentonite is a key technique in such numerical simulations. The current paper proposes a constitutive model for bentonite, which treats bentonite as an unsaturated elasto-plastic material that changes its mechanical properties as it becomes saturated. In the proposed model, the swelling index and an expression formula for negative dilatancy are treated as functions of degree-of-saturation. Montmorillonite content is used as an input parameter in the proposed model and so is applicable to a variety of bentonite based materials of varying montmorillonite content. Experimental results from swelling volume and swelling pressure tests taken from the literature are shown to be satisfactorily predicted by the proposed model.