⽬次

⼀般財団法⼈⼤成学術財団
第5回研究成果発表会

膨潤圧を指標としたベントナイト系緩衝材の飽和・密度状態のモニタリング
フレームワークの構築• 研究背景・⽬的• 研究⽅法・結果

王海⿓
2023.10.16• 研究成果• 結論

WASEDA University

2

WASEDA University

研究背景・⽬的研究背景・⽬的
圧力計

⽇本原燃 https://www.jnfl.co.jp/ja/business/about/hlw/summary/

地層処分︓HLWを地下数百mの深部に多重バリアにより数万年以上に隔離

⽇本原燃に貯蔵される⾼レベル放射性廃棄物（HLW）

緩衝材︓ベントナイトという粘⼟を締め固めた作製したバリアの⼀つ
再冠⽔過程︓地下⽔が緩衝材に浸⼊し，緩衝材を飽和させる過程．
飽和状態は，緩衝材の設計機能を発揮する前提

使⽤済み燃料から推定したHLW保有本数︓約2万本
将来の原⼦量発電の利⽤を考慮した処分場の処理能⼒︓約4万本
WASEDA University

膨潤圧︓緩衝材の飽和過程に発⽣する圧⼒

3WASEDA University

4研究⽅法・結果︓膨潤圧のデータベース

膨潤圧

研究背景・⽬的(a) hsp=2 mm specimens

1) 膨潤圧データベース（乾燥密度・初期含水比・供試体厚さの影響）
2) 水分拡散係数のデータベース（乾燥密度・初期含水比）

膨潤圧

3) 水分拡散⇔膨潤圧の関係

5谷圧

4
供試体厚さ hsp=2 mm
hsp=3 mm
hsp=4 mm
hsp=5 mm
hsp=10 mm

21.0

1.2

1.4

1.6

1.8

供試体の乾燥密度 df (Mg/m3)

ps2-5, 1.62

2

ps2-3, 1.58
ps2-5, 1.54

1ps2-5, 1.46
ps2-7, 1.33
ps2-6, 0.9951015202530612df = ~1.6 Mg/m3

32wi18%
wi20%wi0%
wi7%1

初期含水比 wi 0%
wi 7%
wi 18%
wi 22%
wi 33%

100204060864201.01.11.21.31.4

1.5

1.6

1.71.8

供試体の乾燥密度 df (Mg/m )3吸水時間 t (h)結論：膨潤圧に及ぼす試料の初期含水の影響は限定であるが，高密度・高初期含水比の領域で影響が顕著になる．

結論：膨潤圧は，供試体密度に依存し，供試体の厚さに依存しない
WASEDA University

300

吸水時間 tps2-5, 1.67

研究⽅法・結果︓膨潤圧のデータベース
膨潤圧 ps (MPa)

平衡膨潤圧 peq (MPa)平衡圧ps2-2, 1.68

4WASEDA University

84G-no. , final dry density df
ps2-1, df=1.72 Mg/m3

膨潤圧の経時変化2mm供試体

平衡膨潤圧 peq (MPa)

研究⽅法・結果︓膨潤圧のデータベース
65Time t (h)膨潤圧試験装置（2mm供試体用）*地盤工学会関東支部技術賞受賞

吸水時間

初期平衡圧

Data for hsp=2mm specimens werereported in Wang et al. (2021)

0WASEDA University

ピーク圧604) 間隙水密度
吸水時間

膨潤圧 psApparent swelling pressure ps (MPa)

研究目的：
平均飽和度t時間吸水後

平均飽和度

初期

77WASEDA University8d=1.62 Mg/m38

d=1.62 Mg/m34

初期t時間吸水後

スライス
含水比分布

不飽和土のダルシー法則
𝝏𝛉𝝏𝒕𝝏𝝏𝜽𝑫𝝏𝒛 𝒘 𝝏𝒛𝑫𝒘 𝜽𝒏105

吸水時間6t =2.45 h
t =18.2 h
t =22.6 h421020𝜽𝒏𝒏0𝝀𝒅𝜽

𝜽𝒊2040600080

含水比w（%）

20 40
60 80
体積含水比 (%)

時間係数による吸水分布の正規化
9WASEDA University

研究⽅法・結果︓平均飽和度96膨潤圧

01020304050

1.26070

初期含水比
wi=7%
wi=13%
wi=21%

32

100

102030

正規化した膨潤圧

2 mm
3 mm
4 mm
5 mm
10 mm

10010204050

吸水時間 t (h)40608010005010015010

本研究
本研究平均値
過去の研究データ

1.2

1.1

1.00.0

平均飽和度 Sr (%)

0.5

1.0

1.52.0

供試体の乾燥密度 d (Mg/m3)

結論：膨潤圧の正規化，時間スケールの正規化，平均飽和度VS膨潤圧の関係をおおむね構築した
WASEDA University0

吸水時間 t (h)1.32 mm
3 mm
4 mm
5 mm
10 mm
2020

研究⽅法・結果︓間隙⽔の密度0.60.0307040

WASEDA University

0.80.260

乾燥密度d: Mg/m3
1.04
1.14
1.23
1.33
1.42
1.48
1.62
1.7360

結論：水分拡散係数に及ぼす乾燥密度と初期含水比の影響が限定である．吸水時間に伴い，平均飽和度が収束する傾向が見られる．

d=1.60 Mg/m3

0.45080

体積含水率  (%)

1.0240間隙水の密度 wp (Mg/m3)

3 d=1.60 Mg/m3

膨潤圧ps (MPa)3体積含水率  (%)

水分拡散係数1 𝒅𝜽
2 𝒅𝝀 𝜽吸水時間t =2.45 ht =18.2 ht =22.6 h

15時間係数 mm/√h

0

吸水面からの距離z (mm)201004乾燥密度
d=1.04 Mg/m3
d=1.14 Mg/m3
d=1.23 Mg/m3
d=1.33 Mg/m3
d=1.42 Mg/m3
d=1.48 Mg/m3
d=1.62 Mg/m3
d=1.73 Mg/m3

水分拡散係数 Dw (mm2/h)

25

水分拡散係数 Dw (mm2/h)z

研究⽅法・結果︓⽔分拡散係数のデータベース
平均飽和度 Sr (%)

研究⽅法・結果︓⽔分拡散係数のデータベース

結論：間隙水の密度を正確に計測した．
11WASEDA University

12200

研究成果

結論

1. Wang, H. (2023) Pore water density in a saturated bentonite. Géotechnique, in press.
https://doi.org/10.1680/jgeot.22.00247
2. Wang, H., Ito, D., Shirakawabe, T., Ruan, K., and Komine, H. (2023) On swelling behaviors of a bentonite under
different water contents. Géotechnique, in press. https://doi.org/10.1680/jgeot.21.00312
3. Wang, H., Yamamoto, Y., Kyokawa, H., Ito, D., and Komine, H. (2023) Water and soil particle movements inunsaturated bentonite with constrained and free swelling boundaries. Soils and Foundations 63(4): 101350
4. Wang, H., Ruan, K., Harasaki, S., and Komine, H. (2022) Effects of specimen thickness on apparent swelling pressure
evolution of compacted bentonite. Soils and Foundations 62(1): 101099.
5. Cho, K., Wang, H., et al. (投稿中). The effect of initial water content and dry density on the water movement of thecompacted bentonite.
6. 王海龍「締固めたベントナイトの膨潤圧の経時変化に及ぼす供試体厚さの影響―その１」第57回地盤工学
研究発表会，22-7-2-01．新潟市,2022.07.20-22
7. 王海龍「締固めたベントナイトの膨潤圧の経時変化に及ぼす供試体厚さの影響―その2」土木学会全国大会
第77回年次学術講演会，III-275．京都,2022.09.12-16
8. 曺基安、王海龍、小峯秀雄、伊藤大知、阮坤林、後藤茂、関口高志「高レベル放射性廃棄物処分におけるベ ン ト ナ イ ト 系 緩 衝 材 の 飽 和 度 予 測 の 試 み 」 土 木 学 会 全 国 大 会 第 77 回 年 次 学 術 講 演 会 ， III-4 ． 京都,2022.09.12-16
9. 曺基安、阮坤林、王海龍、伊藤大知、小峯秀雄、後藤茂、関口高志「締固めたベントナイトの水分拡散特性に及ぼす初期含水比の影響」第57回地盤工学研究発表会，20-3-3-01．新潟市,2022.07.20-22
WASEDA University

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1.膨潤圧に及ぼす供試体厚さ，密度，初期含⽔⽐の影響が限定であり，⾼密度・⾼初期含⽔⽐の領域で影響が顕著になる．
2.⽔分拡散係数に及ぼす供試体密度と初期含⽔⽐の影響が⼩さきことが確認され，データベースを構築した．
3.膨潤圧と時間スケールの正規化⽅法を提案し，平均飽和度と膨潤圧の関係をおおむね構築した
4.厚さ2mmの供試体を⽤いる膨潤圧試験⽅法を開発し，データベースの構築時間を著しく短縮した．本技術で，間隙⽔の密度も正確に計測したThank you
WASEDA University

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