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[HCG21-P03] 高レベル放射性廃棄物処分地選定に向けたボーリング調査技術の実証研究 （4）岩盤の物理・力学・熱特性等の調査・評価技術
キーワード：放射性廃棄物、地層処分、ボーリング調査、葉山層群、室内岩石試験
1. はじめに
地層処分の概要調査では、物理特性、水理特性、力学特性、熱特性等に関するデータを得る必要があり、これらは処分場地下施設の建設深度や廃棄体の定置間隔といった施設設計の検討に資する。データは主にボーリング孔を利用した原位置試験での取得が考えられるが、そこで得られないデータはボーリングコアを用いた室内試験を実施することが考えられる。室内試験は、土木工学分野で既知の手法があるが、その手法とデータが処分場の地下施設設計の検討に適用可能かどうかの有効性確認が必要である。本研究では、原子力発電環境整備機構－電力中央研究所の「実証研究」における大深度ボーリング実証試験のコアを用いて各種室内試験を実施し、手法および結果の有効性、課題点等を検討した。
2. 取得する物性値および試験項目
本研究で実施した室内試験は、物理特性試験として、密度試験、超音波速度試験、陽イオン交換容量試験、有効間隙率試験である。水理特性試験は、室内透水試験、含水比試験、室内透気試験、保水性試験、室内不飽和透水試験である。力学特性試験は、一軸圧縮試験、圧裂引張試験、三軸圧縮試験（圧密非排水条件、圧密排水条件、ひずみ速度切替条件）、スレーキング試験、吸水膨張試験である。熱特性試験は、比熱試験、熱伝導率試験である。これらの試験は、原則、JISや学会等の定めた基準に従い実施した。また、基準等が定められていない試験は、既往文献の手法に従い実施した。
3. 検討結果
基準等で想定されている供試体は、硬質な岩石であることが多い。一方、本研究の試料は軟弱な葉山層群（泥質岩）である。このため、既往手法が軟弱な泥質岩にも適用可能か確認した。その結果、多くの試験では既往文献例えば，１）と類似したデータが基準に従った精度で得られた。経済産業省が公表している地層処分の科学的特性マップでは、「海岸からの距離が20km以内目安」が好ましい範囲の基準として示されており、軟弱な地層が想定される沿岸域での調査の可能性も考えられる。このため、地層処分における軟弱な岩石の調査においても既往の手法が適用可能であり、有効であると考えられる。
一方、ボーリング実証試験で得られた葉山層群のコアは、破砕質で割れ目が多かったり、吸水膨張性を呈していたりと、状態が悪いものが少なくない。コアの状態が悪い場合、試験の有効性や品質などを十分に評価できない可能性がある。そのため、特に施設設計検討での優先度が高いと考えられる力学特性や水理特性の調査については、物性値が既知の試料で代替して試験の品質を確認した。本研究では、海外の地層処分関連研究で力学・水理特性のデータが豊富なオパリナス粘土岩（スイス北部に分布するジュラ紀オパリナス粘土層の硬質粘土頁岩）を用いることで手法の適用性と品質確保が可能であることを確認した。
また、本共同研究で得られているコア直径は83mmであり、基準等で記載される供試体寸法は、一般的に広く用いられる直径50mmである。通常の手順では、ボーリングコアをコアリングし、基準や既往文献に記載される寸法に整形して試験を実施する。しかし、コアの状態が悪く成型が難しい場合には、基準外の寸法であるが、成型することなくそのまま試験に供することが合理的である。このような供試体寸法が基準等の範囲外の場合について、同様にオパリナス粘土岩を基準の寸法と基準外の寸法で予備試験を実施しデータの整合性を確認することで、手法の適用性、品質確保が可能であることがわかった。
加えて、吸水膨張試験のような計測値が時間と共に収束するような長期間にわたる試験では、膨潤性の粘土を多く含む葉山層群では14日以上の試験時間を要することもあった。長時間に亘り徐々に膨張する供試体では収束の判断が難しく、試験を打ち切るタイミングによって膨張率の評価に差が生じることが考えられるが、試験を終了する判断目安は基準等では明確に記載されていない。このため、吸水膨張試験の試験終了の判断方法について、既往の類似の長期試験結果に適用した近似式を参考に、収束判定法を考察した。近似式を7日間と48日間の試験結果に対し適用し比較検討した結果、7日間程度の試験結果に対し双曲線近似を用いることでほぼ収束値と同等の値が得られ、収束判定の目安が得られることがわかった。
文献
１）近藤ほか（2014）：地層処分地選定のための地質環境調査技術の実証研究：調査段階に応じた地質環境モデルの構築と調査手法の適用性検討，地質学雑誌.
地層処分の概要調査では、物理特性、水理特性、力学特性、熱特性等に関するデータを得る必要があり、これらは処分場地下施設の建設深度や廃棄体の定置間隔といった施設設計の検討に資する。データは主にボーリング孔を利用した原位置試験での取得が考えられるが、そこで得られないデータはボーリングコアを用いた室内試験を実施することが考えられる。室内試験は、土木工学分野で既知の手法があるが、その手法とデータが処分場の地下施設設計の検討に適用可能かどうかの有効性確認が必要である。本研究では、原子力発電環境整備機構－電力中央研究所の「実証研究」における大深度ボーリング実証試験のコアを用いて各種室内試験を実施し、手法および結果の有効性、課題点等を検討した。
2. 取得する物性値および試験項目
本研究で実施した室内試験は、物理特性試験として、密度試験、超音波速度試験、陽イオン交換容量試験、有効間隙率試験である。水理特性試験は、室内透水試験、含水比試験、室内透気試験、保水性試験、室内不飽和透水試験である。力学特性試験は、一軸圧縮試験、圧裂引張試験、三軸圧縮試験（圧密非排水条件、圧密排水条件、ひずみ速度切替条件）、スレーキング試験、吸水膨張試験である。熱特性試験は、比熱試験、熱伝導率試験である。これらの試験は、原則、JISや学会等の定めた基準に従い実施した。また、基準等が定められていない試験は、既往文献の手法に従い実施した。
3. 検討結果
基準等で想定されている供試体は、硬質な岩石であることが多い。一方、本研究の試料は軟弱な葉山層群（泥質岩）である。このため、既往手法が軟弱な泥質岩にも適用可能か確認した。その結果、多くの試験では既往文献例えば，１）と類似したデータが基準に従った精度で得られた。経済産業省が公表している地層処分の科学的特性マップでは、「海岸からの距離が20km以内目安」が好ましい範囲の基準として示されており、軟弱な地層が想定される沿岸域での調査の可能性も考えられる。このため、地層処分における軟弱な岩石の調査においても既往の手法が適用可能であり、有効であると考えられる。
一方、ボーリング実証試験で得られた葉山層群のコアは、破砕質で割れ目が多かったり、吸水膨張性を呈していたりと、状態が悪いものが少なくない。コアの状態が悪い場合、試験の有効性や品質などを十分に評価できない可能性がある。そのため、特に施設設計検討での優先度が高いと考えられる力学特性や水理特性の調査については、物性値が既知の試料で代替して試験の品質を確認した。本研究では、海外の地層処分関連研究で力学・水理特性のデータが豊富なオパリナス粘土岩（スイス北部に分布するジュラ紀オパリナス粘土層の硬質粘土頁岩）を用いることで手法の適用性と品質確保が可能であることを確認した。
また、本共同研究で得られているコア直径は83mmであり、基準等で記載される供試体寸法は、一般的に広く用いられる直径50mmである。通常の手順では、ボーリングコアをコアリングし、基準や既往文献に記載される寸法に整形して試験を実施する。しかし、コアの状態が悪く成型が難しい場合には、基準外の寸法であるが、成型することなくそのまま試験に供することが合理的である。このような供試体寸法が基準等の範囲外の場合について、同様にオパリナス粘土岩を基準の寸法と基準外の寸法で予備試験を実施しデータの整合性を確認することで、手法の適用性、品質確保が可能であることがわかった。
加えて、吸水膨張試験のような計測値が時間と共に収束するような長期間にわたる試験では、膨潤性の粘土を多く含む葉山層群では14日以上の試験時間を要することもあった。長時間に亘り徐々に膨張する供試体では収束の判断が難しく、試験を打ち切るタイミングによって膨張率の評価に差が生じることが考えられるが、試験を終了する判断目安は基準等では明確に記載されていない。このため、吸水膨張試験の試験終了の判断方法について、既往の類似の長期試験結果に適用した近似式を参考に、収束判定法を考察した。近似式を7日間と48日間の試験結果に対し適用し比較検討した結果、7日間程度の試験結果に対し双曲線近似を用いることでほぼ収束値と同等の値が得られ、収束判定の目安が得られることがわかった。
文献
１）近藤ほか（2014）：地層処分地選定のための地質環境調査技術の実証研究：調査段階に応じた地質環境モデルの構築と調査手法の適用性検討，地質学雑誌.