水の流れがある土中の凍結過程の観察
Observation of ground freezing with and without ground water flow
渡辺晋生
三重大学大学院生物資源学研究科
要旨
砂試料両側端の水位を等しくした水の流れのない条件と、一定の水位差を設けた水の流れのある条件で、試料に鉛直に挿入した冷却管に–20℃の冷媒を循環した。この際、凍土の発達と地下水位の変化を壁面より観察した。流れのない条件では冷媒循環後 90 分で凍土が不透水性の壁状の層をなしたが、流れのある条件では凍土の成長により流れが遮られるまで 330 分を要した。熱の移流や流れによる間隙氷の形や分布の変化が、凍土の成長と透水性の低下を遅くしたと考えられる。
テーマ：土壌物理研究の最前線

Trend in Soil Physics

キーワード：凍土, 透水性, 地下水位, その場観察
Key words: Frozen ground, Permeability, Ground water level, in-situ observation
まで鉛直に設置した。また給水槽から 360 mm

1.はじめに土が凍結すると、その強度が増加し透水性が（冷却管から 180 mm）に水位計を配置した低下する。このため、凍土を地盤の補強や遮水（図–1）。給水槽の水位をマリオット管により、に利用することがある。人工的に土を凍結する排水槽の水位を排水孔の開閉により、それぞれ場合、凍土の造成に地下水の流速が及ぼす影響制御した。実験は 2℃の低温室で行い、試料やや地中における凍土の造成が地下の水文環境

給水の初期温度を 2℃とした。冷却管に送液すに及ぼす影響を評価することが重要である。

る冷媒にはエチレングリコール水溶液を用い、1 次元の土の凍結・融解浸潤過程の水分・熱移

冷媒の温度は外部循環式の恒温槽で制御した。

動については、これまでにも実験や数値解析にここで二つの条件で試料を凍結した。

より理解が進んでいる

1, 2)。一方、2 次元的な

＜水の流れのない条件＞

給水槽に水道水を水の流れをともなう土の凍結現象の理解やモ注ぎ、水位を試料表面に保った。排水槽の排水デル化は遅れている。そこで本研究では、数値孔は閉鎖した。給水槽から排水槽に水が到達し、モデルの解析に資する基礎的知見を得るため、排水槽の水位が給水槽と等しくなった時点で、地下水流れのある土中の凍結実験を行った。

冷却管に–20℃の冷媒を循環した。冷媒を 180

２．試料と方法min 循環した後、排水孔を開放し、排水槽の水三重県津市の町屋海岸から砂を採取し、水洗位を槽底まで下げた。さらに 180 min 後、冷媒後、2 mm 篩通過分を試料とした。試料の飽和の循環を止め凍土を室温で融解した。

透水係数は 30 mm min だった。幅 590 mm、＜水の流れのある条件＞

奥行 135 mm のガラス容器の左右 60 mm を、190 mm に保ち、排水槽の排水孔を開放した。

それぞれ給水槽および排水槽として通水壁で排水槽の水位が 90 mm で一定となり、乾湿境分画した（図–1）。炉乾燥した試料を、通水壁界の形状が安定した時点（給水後 50 min）で、間（470 mm）に 300 mm 高まで、乾燥密度が冷却管に–20℃の冷媒を循環した。

–1

給水槽の水位を1.5 Mg m–3 になるように均一に詰めた。給水槽

実験過程を試料側面からビデオ撮影し、乾湿から、180 mm に U 字型のステンレス管を槽底境界と給水槽、排水槽、水位計、マリオット管の水位を観察した。この際、試料の断熱は行わと流れがない場合の 7 割程度であった。また、なかった。実験中、冷却管から成長した凍土の特に凍結初期には、試料上部の不飽和領域の凍厚さを指先により硬度の違いで判別した。また、土の成長が、下層の湿潤領域より遅れた。冷媒

マリオット管と給水槽の水位から土中への水循環後、流入フラックスは徐々に減少し、150の流入フラックスを算出した。

min（凍結開始後 100 min）で 3 mm min–1、３．結果と考察

330 min（凍結開始後 280 min）で概ね 0 mm

給水槽に水を注ぐと、6 min 程度で浸潤前線min–1 となった。流入フラックスの減少とともが試料中を排水槽端まで到達し、9 min 後からに、水位計や排水槽の水位も低下し、水の流入排水槽へ水が流出した。流れのない条件では、がなくなった 330 min で、排水槽の水位も概

冷媒を循環すると、冷却管の周囲から試料が凍ね槽底に達した（図-2）。流水がある場合は、り始め、最初同心円状に、その後それぞれがつ熱の移流にともなう凍土の成長や透水性低下ながり、壁状に凍土が発達した。この際、若干の遅延や、間隙氷の形や分布の変化にともなうの凍土の隆起と給水槽側の水位の増加がみら凍結後期までの凍土中の水みちの残存が考えれた。凍土の厚さは 60 min で 24 mm、120 minられる。

で 38 mm と時間の累乗関数的に増加した。180

４．おわりにmin 後には凍土の厚さは 50 mm 近くに達した。

水の流れのある条件とない条件について、砂ここで、排水槽の水位を槽底まで下げたが、給中の凍土層の発達の違いや地下水位の変化を水槽から土中への水の流入はなかった。また、視覚的に示した。今後は、断熱や境界条件を考

冷媒の循環を止めても、720 min は排水孔から慮し、実験により凍結にともなう地温や水分量の水の流出を確認できなかった。の変化を定量化する。そして、2 次元の凍結モ

図-2 に流れのある条件で観察した給水槽とデルの数値解析を進める予定である。

排水槽、水位計の水位の経時変化を示す。給水参考文献

開始後 50 min で、排水槽の水位が 90 mm ま1) Watanabe, K., T. Kito, S. Dun, J.Q. Wu, R.C. Greer and M.

で上昇し、その後、水位は概ね一定になった。
給水槽からの流入フラックスは約 6 mm min–1だった。ここで、冷却管に冷媒を循環すると冷却管周囲に凍土が発達した。凍土の厚さは冷媒
循環後 60 min で 17 mm、120 min で 27 mm

12, doi:10.2136/vzj2011.0188.
2) Kurylyk B. and K. Watanabe, 2013, The mathematicalrepresentation

図–1 装置の概要（凍結開始後 280 分の例）

offreezing

andthawing

processesinvariably-saturated, non-deformable soils, Advances in Water
Resources, doi:10.1016/j.advwatres.2013.07.016

Water level (cm)Drain tank

Water gauge

Frozen soil

simultaneous melting of the frozen layer, Vadose Zone Journal,

20

Chilledpipe

Water reservoir

Flury, 2013, Water infiltration into a frozen soil with

Water reservoir

15

Water gauge

1050

Drain tank
0100200
Elapsed time (min)300

図–2 給水槽、排水槽、水位計の水位