極低温環境下での非圧密非排水三軸圧縮試験による飽和含水岩石の強度特性の解明

低温环境下松散不排水三轴压缩试验阐明饱和水合岩石的强度特性

基本信息

批准号：
22K04302
负责人：
鴨志田直人
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Iwate University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

液化天然ガス（-162℃）の貯蔵に岩盤内貯蔵方式を用いる場合、貯蔵槽周辺岩盤内の間隙水は凍結することが想定されるため、その設計には水や氷が内在する岩盤の強度定数（粘着力・内部摩擦角）が必要となる。しかしながら、既存の三軸圧縮試験装置では、液体圧力媒体が温度の低下にともない固化するため供試体を冷却保持することが極めて難しく、極低温状態の岩石の強度定数は国内外問わず報告された例はない。本研究は、極低温状態にある岩石の強度定数の測定と間隙水が強度定数に与える影響を明らかにすることを目的としている。令和4年度は、研究代表者が開発した岩石用極低温三軸圧力室およびセル圧発生装置の改良による実験環境の改善を実施した。はじめに、液体圧力媒体に用いる非常に高価（約3,300円/ml)な超高圧力媒体油の使用削減を目的に、ピストンで２室に仕切られたシリンダー（圧力変換チャンバー)を冷却恒温槽の外側に取り付け、手動ポンプから押し出される安価な機械油を圧力変換チャンバー内で液体圧力媒体に置換することで三軸圧力室の側圧を載荷する方式にセル圧発生装置を改良した。次に、三軸圧力室全体を任意の温度条件まで冷却速度一定で冷却し、温度保持ができる冷却システムを開発した。この冷却システムは、寒剤（液体窒素）の吹き付けによる冷却と抵抗加熱式ヒーターによる加熱によって、温度を目標値に保つ方式を採用した。最後に、供試岩石に飽和含水状態の来待砂岩を用い、温度-50℃、側圧17MPaの条件下での非圧密非排水三軸圧縮試験を実施した。過去に温度-50℃で実施された一軸圧縮試験、圧裂引張試験および一面せん断試験の結果と比較した結果、本試験結果の妥当性を確認した。

当采用岩内储存方法储存液化天然气（-162℃）时，假设储罐周围岩石中的孔隙水会冻结，因此设计时必须考虑到岩石的强度，含有水和冰，需要常数（粘附力、内摩擦角）。然而，现有的三轴压缩试验设备，由于液体压力介质随着温度的降低而凝固，使试件保持冷却极为困难，而低温条件下岩石的强度常数国内外尚未见报道。例子。本研究的目的是测量低温下岩石的强度常数，并阐明孔隙水对强度常数的影响。 2020财年，我们通过改进首席研究员开发的岩石低温三轴压力室和细胞压力发生器来改善实验环境。首先，为了减少使用极其昂贵的（约3,300日元/ml）超高压介质油作为液体压力介质，将由活塞分成两个室的气缸（压力转换室）在外部进行冷却。恒温槽压力发生装置改进为通过压力转换室中的液体压力介质代替手动泵推出的廉价机油来加载三轴压力室侧压的方法。接下来，我们开发了一种冷却系统，可以将整个三轴压力室以恒定的冷却速率冷却到任何温度条件并保持温度。该冷却系统通过喷射制冷剂（液氮）并用电阻加热器加热来将温度保持在目标值。最后以饱和水合木町砂岩为试验岩石，在温度-50℃、侧压17 MPa的条件下进行松散不排水三轴压缩试验。通过与以往在-50℃温度下进行的单轴压缩试验、撕裂拉伸试验、单面剪切试验的结果进行比较，证实了该试验结果的有效性。