平成14年度研究成果報告
・堆積層態様の解明
力学的安定性目的 １．海底地盤内において，土と様々な混合割合からなる
１．海底地盤内において，土と様々な混合割合からなるメタンハイドレートを想定し，それらの力学的特性ををメタンハイドレートを想定し，それらの力学的特性明らかにする。
２．メタンハイドレートの資源開発における地盤の変形お変形お２．メタンハイドレートの資源開発における地盤のよび安定性について調べる。
について調べる。
よび安定性
平成14年度の内容
平成14年度の内容
山口大学：メタンハイドレートの力学特性に及ぼす諸要因
産 総 研：メタンハイドレート堆積物の力学特性
三菱重工：遠心載荷試験によるハイドレート層分解時における堆積層の挙動

メタンハイドレートに働く応力
応力σ (全応力)σ’ (有効応力)
u (静水圧)γw (水の単位体積重量)γsoil (土の単位体積重量)H

Hsoil メタンハイ
ドレート堆積層

σ =σ’ +uu=γw ×H σ’ =γsoil ×Hsoil

1低温高圧三軸圧縮試験機（山口大学）
変位形
ロードセル

冷凍庫

小型三軸セル

供試体作製方法

注入

圧力晶析装置

分離,発汗

圧縮

取り出し

15mm

30mm

高圧下で余剰水分を脱離

加圧

メタンハイドレート

2強度に対する温度依存性
低温高圧三軸圧縮試験結果
ひずみ速度1.0%/min

最大軸差応力 qmax (MPa)2016

氷 (T1)
0MPa

128MPa84MPa
1.5MPa4

氷 (T1):4MPa
氷 (T1):8MPa020

100-10-20-30-40

温度 ( ℃ )強度に対するひずみ速度依存性
低温高圧三軸圧縮試験結果
ひずみ速度1.0%/min

最大軸差応力 q max (MPa)30-30 o C,8MPa

10

氷（ T1 ）
-35 o C,0MPa-30 o C,4MPa
0 o C,8MPa

10.01

0 o C,4MPa

0.1

110

ひずみ速度 (%/min)

3強度に対するＭＨ質量百分率依存性
低温高圧三軸圧縮試験結果
ひずみ速度1.0%/min
拘束圧8MPa
V(air)

Airm ( a i r)

V ( H2 O )H2 Om ( H2 O )V(MH)メタンハイドレートm (MH)m p ( MH ) =V(Methane)m( H 2O ) + m( MH )

ρg

× 100

V(Methane )m( H 2O ) + m(MH )=× 100V(Methane )m(MH )

mp(MH) ：メタンハイドレート質量百分率(%)
V(Methane)：供試体中に含まれるメタンガスの体積(cc)m(H2O) ：供試体中のH2Oの質量(g)m(MH)：供試体中のメタンハイドレートの質量(g)ρg：メタンガス密度【メタンハイドレート1gに含まれるメタンガスの体積(cc/g)，ここでは理想値である172cc/gを用いて計算する】

強度に対するＭＨ質量百分率依存性
低温高圧三軸圧縮試験結果
ひずみ速度1.0%/min
拘束圧8MPa
20

最大軸差応力 qmax (MPa)-30 ℃， 8MPa

16

氷 (T1)

128ＭＨ
40020406080100

メタンハイドレート質量百分率 (%)

4メタンハイドレートの力学特性
メタンハイドレートの三軸圧縮強度は・・・
温度・拘束圧・ひずみ速度・メタンハイドレート
質量百分率に依存することを確認
温度

低温になるほど強度が増加するが0℃以上では依存性が見られなかった

拘束圧

高圧になるほど強度が増加した

ひずみ速度
メタンハイドレート質量百分率

低温状態ではひずみ速度が速いほど強度が増加するが，0℃以上ではひずみ速度の依存性が見られなかった濃度が増加とともに強度は増加する

低温強度試験機と低温高圧三軸セル（産総研）

図1.2.3-1 低温強度試験機と低温高圧三軸セル

5低温高圧三軸セルの構造

圧力容器
油槽
圧力変換器
メタンガス

多孔質板

ゴムスリーブ
堆積物試料背圧弁

図1.2.3-2 低温高圧三軸セルの構造

低温高圧三軸セルの内部

図1.2.3-3 低温高圧三軸セルの内部

6

模擬メタンハイドレート堆積物

図1.2.3-5 模擬メタンハイドレート堆積物

模擬メタンハイドレートの応力ひずみ関係25

背圧6.0MPa
MPa

σe=3.5MPa20
σe=3.0MPa
σe=0.5MPa

DEVIATION STRESS

15105
Pore Pressure(σ p):6.0MPa

0Strain Rate:1x10 -3 s-1
Temperature:+5℃012STRAIN

345%

図1.2.3-6 応力ひずみ関係7間隙に水を含む豊浦珪砂の応力ひずみ関係
含水比13%

35
Toyoura Sand
Strain Rate:1x10 -3 s-1
Temperature:+5℃
Water Content:13%

DEVIATION STRESSMPa

302520151050051015STRAIN

20253035%

Confined Pressure:2.0MPa
5.0MPa7.6MPa9.5MPa

図1.2.3-8 応力ひずみ関係

有効応力と最大偏差応力の関係

MAXIMUM DEVIATION STRESS

MPa

30
Strain Rate:1x10 -3 s-1Temperature:+5℃

25Model MH Sediment
Pore Pressure: 6.0MPa

201510Wet Sand

5Model MH Sediment
Pore Pressure: 4.5MPa

00123EFFECTIVE STRESS

456MPa

図1.2.3-9 有効応力と最大偏差応力の関係

8

模擬メタンハイドレートの応力ひずみ関係
背圧6.0MPa

MPa

2510-3s-1

2010-4s-1

DEVIATION STRESS

1510-5s-1

105Temperature: +5℃
Pore Pressure: 6.0MPa
Effective Pressure: 2.8MPa

0012STRAIN

345%

図1.2.3-10 応力ひずみ関係

MAXIMUM DEVIATION STRESS

MPa

最大偏差応力とひずみ速度の関係
Pore Pressure 6.0MPa
2010987

Pore Pressure 4.5MPa

Temperature: +5℃
Effective Pressure: 2.8MPa

6510-7

10-610-510-4
STRAIN RATE

10-3
s -110-210-1

図1.2.3-12 最大偏差応力とひずみ速度の関係

9遠心載荷装置の概要（三菱重工）
遠心加速度

地盤

ハイドレート

供試体
カウンタウエイト

塔載

遠心加速度

バケット

回転アームモータ

図2.2.2-1 遠心載荷装置の概要

供試体の構成とセンサーの配置
Q注）Ps1～Ps3：土圧計、Pw1～Pw4：間隙水圧計
P：圧力計、S1～S5：変位計、T1～T5：熱電対
Q：流量計
P
S3S4S2S1 S5変位計用ロッド

100

水φ80mmPs1

Pw4T4T5T2T3φ76mm
S1Pw2T4T5Ps1

Ps2

Ps3S3S5S4（d） C-C 断面（変位計設置位置）

140

130

40 50

AS2Pw1（c） B-B 断面（熱電対設置位置）

ハイドレート層
T1

Ps3（b） A-A 断面（土圧計設置位置）

180

ヒーター

B

210

610

50 50 50 508010B

Ps2

140

Pw3

地盤

140CCA（a） 土槽断面図

図2.2.4-1 供試体の構成とセンサーの配置

10

供試体を遠心載荷装置に搭載した状況

図2.2.4-2 供試体を遠心載荷装置に搭載した状況

実験土槽内に作成したフロンハイドレート層

図2.2.4-4 実験土槽内に作成したフロンハイドレート層11発生ガスの瞬間流量における拘束圧の影響
8.0E-05
CaseB1(at 10G)

7.0E-05

CaseB2(at 15G)

瞬間流量 (m /s)

6.0E-05

CaseB3(at 20G)

3

5.0E-05
4.0E-05
3.0E-05
2.0E-05
1.0E-05
0.0E+00
020

406080100120140

160

時間 (min)

図2.2.4-39 発生ガスの瞬間流量における拘束圧の影響

発生ガスの積算流量における拘束圧の影響
0.050

3

積算流量 (m )0.045

CaseB1(at 10G)

0.040

CaseB2(at 15G)

0.035

CaseB3(at 20G)

0.030
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
020406080

100120140160時間 (min)図2.2.4-40 発生ガスの積算流量における拘束圧の影響

12地盤沈下量における拘束圧の影響
504540沈下量 (mm)3530252015

CaseB1(at 10G)

10CaseB2(at 15G)

5CaseB3(at 20G)

0020406080

100120140

160

時間 (min)

図2.2.4-41 地盤沈下量における拘束圧の影響

エタンハイドレートの生成状況

エタンハイドレート

図2.2.5-6 エタンハイドレートの生成状況

13発生ガスの瞬間流量における地盤材料の影響
2.5E-05
CaseC1(珪砂8号)

3

瞬間流量 (m /s)

2.0E-05

CaseC2(豊浦砂)1.5E-05

1.0E-05

5.0E-06

0.0E+00
0204060

80100120140

時間 (min)

図2.2.5-15 発生ガスの瞬間流量における地盤材料の影響

発生ガスの積算流量における地盤材料の影響0.050
0.045

CaseC1(珪砂8号)

0.040

CaseC2(豊浦砂)3

積算流量 (m )

0.035
0.030
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
020406080100120140

時間 (min)

図2.2.5-16 発生ガスの積算流量における地盤材料の影響

14地盤の沈下量における地盤材料の影響
60
50

沈下量 (mm)403020
CaseC1(珪砂8号)

10

CaseC2(豊浦砂)0020406080100120

140

時間 (min)

図2.2.5-17 地盤の沈下量における地盤材料の影響

今後の課題
１. 深海底地盤ＭＨ堆積層内の力学的条件の正確な再現と生産過程における安定性の評価
２. ＭＨの生産過程における地盤挙動評価のための構成則の確立
３. 遠心載荷実験によるＭＨ堆積地盤の二次元的挙動の評価

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