レイクアイス（湖氷）の圧縮強度特性
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(2) . 平成 ６年１０月. 北海道教育大学紀要 （第２部Ａ） 第４５巻 第１号. ｏｃ ｔｏｂｅｒ ，１９９４. ｉ Ｉ Ａ） Ｖｏｌ ｔ ｉｏｎ（Ｓｅｃ ｉ ｉ ｏｎｌ ｔｙ ｏｆＥｄｕｃａｔ ｉｄｏ Ｕｎ ‐ｌ ｓ ｌｏｆ Ｈａｋｋａ ．４５ ｖｅｒ Ｊｏｕｒｎａ ，Ｎｏ. レイ クアイ ス （湖 氷） の 圧縮強度特性 長. 竪＊・ 芳. 徹 ・ 佐々 木. 運 吉. 田. 圭. 吾＊・ 佐. 藤. 貴. 賀. 重. 紀＊＊. 行＊. 北海道教育大学釧路分校機械工学研究室 ＊北海道教育大学釧路分校地理学研究室 ＊ ＊網走市立網走第一中学校. ｉｅｓ ｏｆ Ｌａｋｅ ｌｃｅ ｉｖｅ Ｐｒｏｐｅｒｔ Ｃｏｍｐｒｅｓｓ ｉ Ｈ ＡＧＡ＊＊ Ｔｏｈｒｕ ＮＡＧＡＳＡＷＡ， Ｔａｔ ｓｕｍｉＳＡＳＡＫＩ＊ ｇｅｎｏｒ ，Ｓｈｉ ｉｇｏ ＹＯＳＨＩＤＡ＊ ａｎｄ Ｔａｋａ肌ｌｋｉ ＳＡＴＯＨ＊ Ｋｅ ｉ ｉ ｉｖｅｒ ｔｙ ｏｆＥｄｕｃａｔ ｉ ｄｏ Ｕｎ ｏｎ ｓ ｉ ｉｎｅｅ ｉ ＩＥｎｇ 【 ｉ ｒｏ Ｃａｍｐｕｓ Ｌａｂｏｒａｔｏ ｎｇ ｃａ ， ｅｃｈａｎ ｒ ｌ ｙ ｏｆ Ｍ ， Ｈｏｋｋａ ，Ｋｕｓｈ Ｋｕｓｈ ｉ ｒｏ ０８５ ． ｉ ｉ ＊Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｙ Ｋｕｓｈ ｉ ｉｄｏ Ｕｎ ｔｙ ｏｆＥｄｕｃａｔ ｏｒ ｌ ｉ ｖｅｒ ｓ ｒｏ Ｃａｍｐｕｓ ， ， Ｈｏｋｋａ ， Ｋｕｓｈ ｉ ｒｏ０８５ ． ＊＊Ａｂａｓｈ ｉ ｉｏ９３ ｌ ｉｏｒ Ｈｉｇｈ Ｓｃｈｏｏ ｉ ｉ ｉ ‐Ｊｕｎ ｉ ｉＤａ ｒ ｒ ｃｈ ． ，Ａｂａｓｈ. Ａｂｓ ｔｒａｃｔ ｌ ｌ ｌ ｉ ｉｎｇ ａ ｃｏｒｅ‐ｄｒ ｒｏｍ Ｌａｋｅ Ｋｕｓｓｈａｒｏ ａｎｄ Ｌａｋｅ Ｔｏｈｒｏｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓ‐ Ｕｓ ｅｃｔｅｄｉｃｅｓａｍｐｌｅｓｆ ，ｗｅｃｏｌ ｉｅｓｏ ｆｌａｋｅｉｃｅ． Ｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｓｔ ｗａｓｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔｉｎ ａｒｏｏｍ． ｌｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ ｗｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔ ｓ. ｃｅｉｎｔｈｅｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ． Ｆｒｏｍｔｈｅｓｔｒｅｓｓ ｃｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅｏｆｌａｋｅｉ ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄａｎｄｔｈｅｐｒｏｄｕｃｅｏｆｉ ｄ ｉ ｈｅ ｍｏｄｕｌｕｓｏｆｅｌａｓｔｉｃｉｔｙ ａｎｄｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎ啓ｈ，ａｎｄｓｏｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｃｏｍＰｒｅｓ‐ ‐ｓｔｒａｉｎ ｃｕｌｖｅ ，ｗｅ ｅｔｅｒｍ ｎｅｔ. ｉ ｔｅｂｅａｍｓｗｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｔｈｅ ｉ ｉａｌｉｃｅ． Ａ１ ｆ ｉ ｉ ｉｅｓｏ ｆｌａｋｅｉ ｔ ｉｖｅ ｐｒｏｐｅｒｔ ｔｈｔｈｏｓｅｏｆａｒ ｓｏ ｎｇａｔｈｅｏｒｙｏｆｃｏｍｐｏｓ ｃ ｃｅ ｗｉ ｓ ，ｕｓ ｔ ｌａｙｅｒｏｆｌａｋｅｉｃｅｃｏｖｅｒ ｍａｄｅ ｏｆｓｎｏｗ ｉｃｅａｎｄｃｏｌｕｍｎａｒｉｃｅ． Ａｓａｒｅｓｕｌ Ｙｏｕｎｇｓ ｍｏｄｕｌｕｓｏｆａ ｄｏｕｂｌ ｅ－ ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅ ’ ｏ ４８ ３４ ＭＰａ ｓ７ ｆｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓ ｓ５ ｔ ｖａｌｕｅ ｏ ｒｅｎｇｔｈｏｆ Ｌａｋｅ Ｋｕｓｓｈａｒｏｓｃｏｌｕｍｎａｒｉｃｅ ａｔ －ｌｏ Ｃｉ ． ． ，ｔｈａｔｏｆＬａｋｅ Ｔｏｈｒｏｉ ｆｔｈｅｔｗｏｌａｋｅｓ ｉ ｉ ｄ ｆ ｌ ｆ ｉａ ｌｉ ５７ ＭＰａ ｉ ｉ ＭＰａａｎｄｏｆａｉ ｔ ｒ ｃ ｃｅｉ ｓ８ ． ． Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏ ｃｏ ｕｍｎａｒ ｃｅ ａｎ ｓｎｏｗ ｃｅ ｏ. ｄｅｐｅｎｄ ｏｎｔｈｅｔｅｓｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．. １． 緒. 言. 冬季における氷の収縮およ び膨張の繰返しによ り湖氷が湖岸に乗り上げる 現象は， 道東の湖で良く見られる光景であ る． 特に屈斜路湖や塘路湖での乗り上げ現象は目を見張るものがある‐ 屈斜路湖はカルデラ湖であり， 塘路湖は海跡湖 である． 地形， 水量， 気象条件および緯度などの違いにより， 冬季における両湖氷の 生成に差が生じて来る． 著者の一人は， 屈斜路湖および塘路湖において湖氷が陸上に乗り上げつつ ある時の湖氷の縦断面に関する調査を行い １ ２ （ ） ） 調査結果を検討する際， 弾性理論に基づいた湖氷の曲げに関する取扱いで， 湖氷の ・ その結果について報告している（ ． ３ ４ ）によればヤン グ率は氷の 組成 温度およびひずみ速度などに大き ） （ ’ ヤン グ率を考慮せ ざるを得 なくなっ た．従来の研究（ ， く依存する事が知られている． それで， 上記調査結果を解析するためには， 両湖における湖氷のヤン グ率を測定する必 ９） （３.
(3) . 長樫. 徹・佐々木 巽・芳賀 重紀・吉田 圭吾・佐藤 貴行. 著者らは１９９１年・１９９ ２年の１月～３月におけ る屈斜路湖と塘路湖の湖氷を採取 して持ち帰り室内実験を行い 湖氷の ， （特に圧縮強さおよ びヤング率） について検討した．. ２． 実. 験. 方. 法. ．１ 試験片の製作 それぞれの湖 で採取地点を特定し， コア ドリル （ドリル径８０ｍｍ） を用いて湖氷および人工氷とも氷の結晶の発達し いく方向 （ｃ軸） に一致させて供試体を採取した． 両湖の真氷の厚さはほぼ１ ２０ｍｍ から１５０ｍｍ であっ た． 屈斜路 および唐路湖の採取位置を図１， ２に， 採取状況を図版１の （ａ） に示す コア ドリルで採取したばかりの供試体は ． 面がでこぼこであり実験結果におおいに影響を与える （図版１の （ｂ） を参照） 低温室内 で旋盤にて加工 できるのが ． ましいが， 設備がないので常温室で氷の性質を利用して次の手段により滑らかな試験片を製作した コア ドリルで採 ． した供試体を， まず長さ１ １ｏｍｍ に切り出した後， 加熱した内径７５ｍｍ， 長さ１ ２０ｍｍ の鋼製のスリーブに通す． 次 実験直前に直径７ ０ｍｍ， 長さ１０５ｍｍ のスリー プに通し， スリー ブの両端面に厚さ１ ｏｍｍ の鉄板を置き， 円筒面と垂 になるように氷の試験片の端面を仕上げた． この方法を採用することで簡易に常温中 でも精度の高い試験片の製作が 能である． 試験片の最終形状は， 直径７０ｍｍ， 長さ ｌｏｏ ｍｍ とした 実験に用いたスリーブの外観を図版１の（ｃ） ．. Ｌｑｋｅ Ｋｕｓｓｈｑｒ。. ４一Ｓｔｕｄｙ ｓｉ ｔｅ. Ｌｑｋｅ Ｔｏｈｒｏ. 図１ 採取地点－屈斜路湖－. 図２ 採取地点－塘路湖－. ２ ー軸圧縮 試験 ． 一次成形した試験片を一軸圧縮試験開始ま で冷凍庫または ドライアイスの入っ たクーラーボッ クスで保管し 試験直 ， に最終寸法 （直径７０ｍｍ，長さ ｌｏｏｎ ｒ ｕｎ） に仕上げた． 最終成形直後の真氷と雪氷の外観を図版１の （ｄ） （ ， ｅ） に示 室温で圧縮試験を行う ので， 試験部分を冷却するように断熱材 で覆われた恒温ボッ クスを製作し， 自作の圧縮用治具 用い－軸圧縮試験 （容量３０ｔｏｎ ） を行っ た． 圧縮においては試験の両 端面に垂直に荷重がかかるように配慮し， さら 土縮中に氷と治具の接触により氷の端面がが融けないように厚さ２０ｍｍ の円板状のＡＢＳ樹脂板を挿入した （図版 の（ｃ）を参照） ． 試験直前に治具とＡＢＳ 樹脂板を液体窒素で充分に冷却し， 試験を行っ た． 樹脂板の強度や剛性は り， 圧縮試験結果に影響を及ぼさない事を確認した． 温度制御は恒温ボッ クス内に ドライアイスを入れ， ボッ クス内の前後２箇所に熱電対を挿入し温度を監視しながら ， ニアル操作により行っ た． 試験温度は， ０℃と－１０℃に設定した． 図版１の （ｆ） に圧縮試験状況を示す ．. ０） （４.
(4) . . . ４１. レイクアイス （湖氷） の圧縮強度特性. ー. . ’ ’ ’ ； ” ， ′′ ′ ・ ｊ －′ ． ， ト ‘ ，. . ．＼. . . 、. 二 ． ． ・ ， ‐ 、 三． ， ． ：↑ ． ′． 〕 ． ・ 、. . －. ． ′. ミ. ・ し. . . ′－ ”．. . . . 「 「ｒ－－ｒ ノ ーＬ，ノ. . 〒一挙謡急ご. ｛ 二 ＼ ｒ “ ｝ －． ′ ‐ “ － ゞ′ ； ‐ゞｔ ．す ご. ゞ イ． ； ▲ー、 ｒ‘ 、 ， ｗ ｒ ， － 〔 ” ， ． ｒ ”－ ・ ′ こ 一 ・ ‘. . . . . ～ゞ ａた ”贈 ，ムーｉ， 乱，. ． 三 二準慧 － ｒ ・ ‐ － － － ～ ．－ － － － ・ －. ・ ー ト， ・ 「 「 －デ」 ′ キ 三 一 デ キ こ， －. 、 ｒ ｇ～むご ｝ ， 一 ． － . ’， ．・，．. . － ，. ハ．＼． ・. ，. ’： －. . ′. ｉ ， ！ ゞ 、・ ．. . . ↓ ふ 、 ・・ ，. . . . . . －“ ー．＼ ふゼミ欲さｒ ロ きシ さぞ き ＊ 二 ； と 電磁 キ ：；′ － し ， ！ Ｌ ‘ ｈ ± ノ． ・ －「 ， ドル， Ｔ 【 ， 一 －－ ． ‐，＝‐ノ. . . ｒ－ ・. ・. ． １ ヤＬ. ．. ●. . ， ｒ. ▲. ー ．. . 図版１ （ａ） （ｂ）. 湖氷の採取状況 （塘路湖において） コアドリルで採取した直後の湖氷（塘路湖）. （ｃ）. ＡＢＳ樹脂と鋼 製のスリー ブ. （ｄ） （ｅ） （ｆ）. 成形直後の真氷 （内部に気泡が見られる） 成形直後の雪氷 湖氷の圧縮試験状況 （試験片の両サイ ドに ドライ アイ ス が見える）. （４１）. . Ｔ － ・ － － ｝－ ゞ ｒ ～ － － ▼” ≧ キ‐ 遍 ￥ ’ ｝ サー： 小－ － も ’ ；ｉ かご亭 壕だ－ 浄 ヒ 錨 ｉ拳 ． ー ． 、 、 ． ′ ． “－－Ｅｒ …－ ・－ － 一 ． ． ‐ 、. ′ ▼ ′ ．′ ▼ . 宝. 〆Ｌ. － － －ゞ 』】～」 」．± ４き一浄Ｌ 一心 ， － ー一Ｌ－ な一ノ ニ 一Ｌ ・ ～－． ムー」－. 剣 ヒ. 「. ｖ－ 「ご 夢 ー”ー÷〆「「＊“ ÷ ÷ ：÷ 一 Ｈ一ｒ『・ ・ ニ 一 子ｔ. . 上ｔ ｉｌばほ ぼ碧 ご慧 ＃ き キーきれ 間≦ ・ ▲洋 、ぞｒ. －－－－. .
(5) ４２. 長 淫. 徹 ・ 佐 々 木. ３． ３．１. 巽 ・ 芳 賀. 重 紀 ・ 吉 田. 圭 吾 ・ 佐 藤. 貴 行. 実 験 結 果 お よ び 考 察. 屈 斜 路 湖 お よ び 塘 路 湖 の 湖 氷 の 圧 縮 強 さ. 図 ３ に １ ９ ９ １ 年 の 代 表 的 な 塘 路 湖 の 真 氷 （ ｃ ｏ ｌ ｕ ｎ ｎ ｎ ａ ｒ ｉ ｃ ｅ ） の 応 力 － ひ ず み 曲 線 を 示 す （５） 試 験 温 度 は ０ ℃ で あ る ． ‐ 得 ら （６） れ た 曲 線 は 東 ら が 行 っ た 単 結 晶 氷 の 引 張 り 試 験 結 果 と 同 様 の 傾 向 を 示 し て い る． 初 期 に 表 れ て い る 部 分 は， 治 具 と の 接 触 で 氷 が 融 け る こ と に よ る 過 渡 的 な 現 象 で あ る ． １９９２ 年 の 試 験 で は ， 湖 氷 と 治 具 と の 間 に Ａ Ｂ Ｓ 樹 脂 を 挿 入 し た の で ，. こ の 部 分 が 減 少 し， か つ ヤ ン グ 率 の 値 が 改 善 さ れ Ａ Ｂ Ｓ 樹 脂 の 採 用 の 有 効 性 が 認 め ら れ た ． そ の 後 急 激 に 立 ち 上 が り， 亀 裂 が 入 っ て い る に も 拘 ら ず 最 大 値 を 示 し た の ち 徐 々 に 低 下 し 破 壊 す る． ヤ ン グ 率 の 値 は 図 ３ 内 の Ｅ で 表 示 さ れ て い る 傾 き を 採 用 し た． そ の 他 の 試 験 片 に お い て も ほ ぼ 同 様 の 傾 向 が 見 ら れ た ． Ｔ ｅ ｍ ｐ． ＝ ｏ ｏＣ. Ｃ ｏ ーｕ ｍ ｎ ｑ ｒ ｌ ｃ ｅ . . 塾５ の. ‐雲. . Ｕ Ｅ ５. Ｓ ｔｒ Ｑ ｉ ｎ. １０ （ ；うん ）. １ ５. 代 表 的 な 塘 路 湖 の 真 氷 の 応 力 一 ひ ず み 曲 線. 図 ３ １１. Ｔｅ ｍ ｐ． ： － ｌ ｏ ・Ｃ （１９ ９１ ）. Ｃ ｏ ーｕ ｍ ｎ ｑ ｒ ｌ ｃ ｅ. . ；. ． 星. . . ７ （ Ｏ ｄＡ 生工 ） ５ ≧ 上る ５ 巴﹇ 】 の. ５. 屋. Ｔ. . ▲. ； 研 の. Ｕ. Ｏ. 図 ４. ＬＱｋｅ Ｋ ｕ ｓ ｓ ｈ ｑｒｏ. Ｌ ｑ ｋｅ Ｔｏｈｒｏ. Ａ ｎ ｉｆｉ ｃ ｉ ｑ ー ｌｃ ｅ. 湖 氷 お よ び 人 工 氷 の 真 氷 の 圧 縮 強 さ. も. （１９ ９ ２ ）. 」. Ｑ Ｅ Ｏ Ｕ. Ｌ ｑ ｋｅ Ｋ ｕｓ ｓ ｈ ｏｒｏ. ｏ. （１ ９ ９ １ 年 ）. 下ｅ ｍ Ｐ‐ ニ ー １ ０ ．Ｃ. ５ ｎ ｏ ｗ ｌｃｅ. 図 ５. ｌ‐ Ｑ ｋ ｅ Ｔｏｈｒｏ. 雪 氷 の 圧 縮 強 さ の 比 較. （１ ９ ９ ２ 年 ）. 図 ４ に １ ９ ９ １ 年 に 採 取 し た 各 湖 氷 お よ び 人 工 氷 の 真 氷 の 圧 縮 強 さ の 比 較 を 示 す （７）． 試 験 温 度 は ， 一 １ ０ ℃ で あ る ． 破 壊 後 の 状 態 を 見 る と ２ つ の 破 壊 型 式 が 観 察 さ れ た． 一 つ は ｃ 軸 に 平 行 に 破 壊 し た も の， も う 一 つ は ｃ 軸 と 約 ４ ５ 度 す な わ ち せ ん 断 方 向 で 破 壊 し た も の で あ る． こ こ で は ｃ 軸 に 平 行 に 破 壊 し た も の を 垂 直 型 破 壊， せ ん 断 方 向 で 破 壊 し た も の を せ ん 断 型 破 壊 と 定 義 し た ‐ 屈 斜 路 湖 の 垂 直 型 破 壊 で の 平 均 圧 縮 強 さ を ○ 印 で， 塘 路 湖 は □ で， 人 工 氷 は △ で 示 す ． 図 内 の 実 （ ４２ ）.
(6) . . ４３. レイクアイス （湖氷） の圧縮強度特性. ） の平均圧縮強さは， 屈斜 Ｐ 線はぱらつきの幅を示す． 垂直型破壊 （○， □， △印） およびせん断型破壊 （●， ■， ▲Ｅ ３４ Ｍｐａ， ２．６７ Ｍｐａ， 塘 路 湖 で は ７‐４８ Ｍｐａ， ２．２９ ＭＰａ お よ び 人 工 氷 で は ８．５７ ＭＰａ 路湖 ではそれぞれ５． ， ２‐９Ｏ ＭＰａ である． 図より垂直型破壊に関しては， 人工氷の圧縮強さが一番大きく次いで塘路湖， 屈斜路湖の順となっ ている． ま たせん断型破壊に関しては， それぞれの値には顕著な差は認められない． 実験結果を見るとそれぞれ強さにか なりのば らつきが見られるが， これは湖氷内の気泡の形態や湖氷の組成などが原因と思われる． ０℃ である． 屈斜路湖での平 ） の圧縮強さの比較を示す． 試験温度は－１ 図 ５ に １９９２ 年 に お け る 両 湖 の 雪 氷 （ ｓｎｏｗｉ ｃｅ ＯＭＰａ である． 若干塘路湖のほうが大きな値を示して いるが， 顕著な差は見られ 均圧縮強さは２‐８１Ｍｐａ ． ， 塘路湖 では３ メ ！し、 ．. ２年における各湖氷および人工氷の真氷の圧縮強さの試験温度による変化を示す． 試験温度は０，一 ９１ 図６に１９ ， １９９ １０℃ である． 図よりそれぞれの真氷において試験温度が低くなるに従い， 圧縮強さが直線的に増加する傾向が見られ，. 温度依存 生が認められる． また， 採取年による圧縮強さを比較すると， 塘路湖の場合１９９２年の方がＩ ＭＰａ ほど低い値 を示すが， 屈斜路湖では採取年による強さに顕著な差は認められない． 図７に１９９１ ，１９９２年における各湖氷の雪氷の圧縮強さの試験温度による変化を示す． 両湖とも真氷と同様温度依存性 が見られるが，１９９２年に採取した塘路湖の湖氷の圧縮強さはほとんど変化が見られない． 採取年による雪氷の圧縮強さ の違いは， 当然の事ながら湖氷の生成に起因するものである． ９ △. ｃ。１ ｕｍｎｏｒ ｌｃｅ. 、、、 □、、、 、、、 、、、 、、｛」 、、、 ト＼ 、、 、. ７. 、、、 、、、 △ 、ム、 、. ｇ. ５ 喜 ぎ 心. ‐. Ｑ １ １ Ｕ. ０. 曇. □ １９９１ ・ １９９２. １ － Ｌｑｋｅ Ｋｕｓｓｈｄｒｏ. ｏ ｌ９９Ｉ ・ １９９２. － ‐５ ｌｏ Ｔｅｍｐｅｒｑ ｔｕｒｅ. . △ １９９１. －－‐ Ｌｏｋｅ Ｔ。ｈｒｏ. ０ ５ （ ・Ｃ ）. －－－. 三５ ゆ . 一. Ａｒ ｉ ｆ ｉ ｉｏ ｔ ｌ １ｃｅ ｃ. の. Ｓｎｏｗ ｌｃｅ. ｏ ーー－ Ｌｑｋｅ ＫｕＳＳｈＱｒ. . 。 ，鱒， ・ １９９２ ０ １９９２. . －（ に ‐十一 － － － －. 壷. Ｕ. ０. １０. ‘ ０ ‐５ ５ ‐ ｌｏ ＴｅｍｐｅｒＱｔｕｒｅ （ ・ｃ ）. １０. 図７ 雪氷の圧縮強さに及ぼす温度効果. 図６ 真氷の圧縮強さに及ぼす温度効果. ○こ Ａド 一 ヒｏ む 」 －）‘－ ＾ＯＡ－】 ｕ －深 切 も＞ーののむ. ｏ. 岨 肋。. Ｌｑｋｅ Ｋ ｓｈｑ ｒ ｕｓ ｏ Ｃｏ ｌ ’０・ Ｃ ｃｅ Ｔ ｅｍｐ ｒｌ ；－１ ｕｍｎＱ ． （１９９２）. ｏ Ｄ篤獅 Ｊ （ ｍ ）. ｌ. １ｏｏ. 図８ 湖岸から中心部に至る湖氷の圧縮強さの変化 （屈斜路湖）. 図９. ３） （４. モル ｓ. Ｒ。 ，” 選 →）. ２ １６. 真 氷の圧縮強さ に及 ぼすひずみ速度効 果 （ １９９１年）.
(7) ４４. 長 揮. 徴 ・ 佐 々 木. 巽 ・ 芳 賀. 重 紀 ・ 吉 田. 圭 吾 ・ 佐 藤. 貴 行. 図 ８ に 屈 斜 路 湖 の 湖 岸 の 起 点 指 標 か ら 湖 の 中 央 に 向 か っ て １ｏ ｍ お き に 採 取 し た 真 氷 の 圧 縮 強 さ の 距 離 に よ る 変 化 を 示 す ． 採 取 日 は １９９２ 年 ２ 月 で あ り ， 湖 岸 か ら ９ｏ ｍ の 距 離 ま で 採 取 し た ． 試 験 温 度 は ， 一 １０ ℃ で あ る ． 図 よ り ３０ ｍ 以 降 に お け る 強 さ は ５ ‐ ３ Ｍ ｐ ａ と ほ ぼ 一 定 の 値 を 示 す が ， １ ０， ２ ０ ｍ の 地 点 の 強 さ は 他 と 比 較 し て 低 い 値 を 示 し て い る ． 特 に ２ ０ ｍ の 値 の 低 さ が 目 だ っ て い る が， 湖 で の 観 察 の 結 果， こ の 場 所 は 大 き な 亀 裂 が 生 じ て い る 部 分 で あ る． 湖 岸 に 乗 り 上 げ て い る 場 所 お よ び 亀 裂 が 生 じ て い る 場 所 の 氷 の 強 度 低 下 が 見 ら れ る が， 距 離 に よ る 湖 氷 の 強 さ の 変 化 は な い も の と 判 断 で き る ． 今 後 は ２０ ｍ 近 傍 の 湖 氷 の 圧 縮 強 さ を も う 少 し 詳 細 に 調 べ る 必 要 が あ る も の と 思 わ れ る ．. 図 ９ に １ ９ ９ １ 年 に お け る 両 湖 と 人 工 氷 の 真 氷 の 圧 縮 強 さ と 既 に 得 ら れ て い る 結 果 （３） と の 比 較 を 示 す ． 試 験 温 度 は ， － １０ ℃ で あ る ． 図 内 で 屈 斜 路 湖 の 氷 の 圧 縮 強 さ を ○ ， ● 印 で， 塘 路 湖 を □ ， ■ で ， 人 工 氷 を △ ， ▲ で 示 す ． 白 抜 き は 垂 直 型 破 壊 ， 黒 ぬ り は せ ん 断 型 破 壊 結 果 を 表 す ． Ｇ ｏ ｌ ｄ や Ｃ ａ ｒ ｔ ｅ ｒ ら の 結 果 （３） と 比 較 す る と １ ９ ９ １ ， １ ９ ９ ２ 年 に お け る 両 湖 の 圧 縮. 強 さ は か な り 低 い 値 と な っ て い る ． 彼 ら の 結 果 と 同 様 ， ひ ず み 速 度 ３ × １ ０ ‐３／ ｓ ｅ ｃ －１ に お け る 圧 縮 強 さ は １ ０ ‐３／ｓ ｅ ｃ ‐１ に 比 較 し て 低 下 し て い る． 今 回 の 実 験 で は， 広 範 囲 に ひ ず み 速 度 を 変 化 さ せ て は い な い が， 両 湖 氷 の 圧 縮 強 さ も， ひ ず み 速 度 に 影 響 を 受 け る こ と が わ か る．. ３‐２. 真 氷 お よ び 雪 氷 の ヤ ン グ 率 の 測 定. 湖 氷 の 応 力 ‐ ひ ず み 曲 線 よ り ヤ ン グ 率 を 求 め た ． １９９１ 年 で は 試 験 片 と 治 具 が 直 接 接 触 に よ り 氷 が 融 け る こ と に よ り ， 求 め た ヤ ン グ 率 は か な り 低 い 値 と な っ た （７）． し か し １ ９ ９ ２ 年 の 試 験 で は ， 治 具 と 試 験 片 と の 間 に Ａ Ｂ Ｓ 樹 脂 を 挿 入 し て 試 験 を 行 っ た 結 果， 信 頼 性 の あ る 値 が 得 ら れ た． 図 １０ に １９９２ 年 に お け る 屈 斜 路 湖 の 真 氷 お よ び 雪 氷 の 採 取 時 期 と 試 験 温 度 に よ る ヤ ン グ 率 の 変 化 を 示 す ． 真 氷 に 関 し て ， ２ 月 １１ 日 ， 試 験 温 度 － １０ ℃ に お け る ヤ ン グ 率 の 平 均 値 は ， 約 ４８．７ × １０ ） ｍ ｅ／ｃ ｍ ２ で あ り ， そ の 後 ３ 月 １１ 日 と 時 間 が 経 過 す る に 従 い 低 下 し て い く の が 見 ら れ る． こ れ は， 外 気 温 の 上 昇 に よ る 湖 氷 の 性 質 の 変 化 が 原 因 で あ る も の と 思 わ れ る． ま た 試 験 温 度 の 違 い に よ る ヤ ン グ 率 は 両 者 に 顕 著 な 差 は 見 ら れ な い． 真 氷 と 比 較 し て， 雪 氷 の ヤ ン グ 率 は か な り 低 い 値 に な っ て お り ， 真 氷 と 同 様 時 間 の 経 過 と 共 に 低 下 し て い く， ． さ ら に 温 度 依 存 性 は 真 氷 に 比 較 し て 大 き い こ と が わ か る ． 一 般 に 知 ら れ て い る ヤ ン グ 率 は ， ９ ０ ～ ９ ３ × １ ０ ９ ｄ ｍ ｅ ／ ｃ ｍ ２ で あ る が （６）， 今 回 得 ら れ た 屈 斜 路 湖 の ヤ ン グ 率 は 上 記 値 の 半 分 で あ る ．. 参 考 に 塩 分 を 含 ん だ 海 氷 の ヤ ン グ 率 は ２ ‐ ５ ～ ２ ‐ ８ × １ ０ ９ ｄ ） ｍ ｅ ／ ｃ ｍ ２ で あ る （８）．. 試 験 温 度 ０ ℃ に お け る １ ９ ９ １ 年 の 結 果 （７） で は ， 人 工 氷 の ヤ ン グ 率 が 一 番 高 く 次 い で 屈 斜 路 湖 ， 塘 路 湖 の 順 と な っ て い た が， 各 試 料 間 に 極 端 な 差 は 認 め ら れ な か っ た． ま た い ず れ の 試 験 片 に お い て も ヤ ン グ 率 の 温 度 依 存 性 が 認 め ら れ た． 今 後 は， 今 回 採 用 し た 新 試 験 方 法 で 塘 路 湖 お よ び 人 工 氷 の ヤ ン グ 率 を 求 め， 屈 斜 路 湖 の ヤ ン グ 率 と の 比 較 を 行 う 必 要 が あ る ． 希 Ｅ Ｕ. Ｃ ｏ ーｕ ｍ ｎ ｑ ｒ. ＼ ハ ミ. 芯 ﹇ 〉 ▽ Ｏ. Ｓ ｎｏ ｗ ｌｃｅ. Ｏ － × ） の コ ラ Ｕ Ｏ Ｘ. 、、 ｛１. の ーき. . コ ０ ｝. 図 １０ ３‐３. 、 、 . . . ｌｃｅ. ｏ Ｔ ｅ ｍ ｐ． ＝ － ｌ ｏ ・ ０ 口 Ｔ ｅ ｍ ｐ． ： － ｌ ｏ ． ０. ミ. リ. ／. ．Ｃ ・Ｃ ・Ｃ ・ｃ. ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／. ／ ／ ク Ｅ ２： ｈ ２ 夕 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／. ／. ‘ ク ／. メＯ Ｎ ｝ １ 、 －、 ．－ メ. . . Ｅ，： ｈ，. . 採 取 時 期 に よ る ヤ ン グ 率 の 変 化. 、′. ／ ／ ／ ／ ／ ／ 〆 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／. 乙 萱 」. 図 １１. （屈 斜 路 湖）. ．. Ｉ. メ Ｕ. 組 合 わ せ は り の 座 標 系. ２ 重 構 造 を も つ 氷 板 の ヤ ン グ 率 の 算 定. 試 験 温 度 － １ ０ ℃ に お け る 屈 斜 路 湖 の 真 氷 の ヤ ン グ 率 は β ． ＝ ４ ０ ～ ６ １ × １ ０ ９ ｄ ）ｎ ｌ ｅ ／ ｃ ｍ ２ の 範 囲 に あ り ， 平 均 値 は 平 均 値 は ， ３ ０ ‐ ７ × １ ０９ ｄ） ｍ ｅ ／ ｃ ｍ ２ で ４ ８ ‐ ７ × １ ０９ ｄ ）ｎｌｅ ／ ｃ ｍ ２ で あ る ． 雪 氷 の そ れ は Ｅ ２ ＝ ２ ８ ～ ３ ３ ‐ ５ × １ ０ ９ ｄ～ｎ・ ｃ ｍ ２ の 範 囲 に あ １９９２ 年 ，. あ る ． し か し な が ら 実 際 の 湖 の 氷 板 は 真 氷 と 雪 氷 の ２ 重 構 造 を し て い る の で， 氷 板 の ヤ ン グ 率 を 求 め な け れ ば な ら な い ． （ ４４ ）.
(8) . ４５. レイ クアイ ス （湖 氷） の 圧縮 強 度 特性. ９ ） そこで２重構造をもつ湖の氷板のヤン グ率を見積る場合， 組合わせはりの概念を用いる（ ． 雪氷のそれをあ 雪氷のそれをβ 真氷の厚さを後 とする． とし 図１１において真氷のヤン グ率をβ・ ２ ， ， ， ｒ 図において中立軸Ｎ－Ｎまでの距離をｙ ｏとすると， 力の釣合い条件よりｙ ｏは次式により求められる． ‐ ．‐ ‐ ‐－－‐ ‐ ‐ ‐（１） ． 貯 忍（Ｅ 熱 ぬ）／ｚ（Ｅ Ａ） ！ ；Ｉ. また， 曲げモーメントの釣合条件により 肌；１ ） ／ ｐＺ（＆ヱ ｆ ， １加 ＝ 肌／刀（Ｅふ） ｉ ＝Ｉ. ・…・… … …・ （２）. と な る．. ２重構造での氷板のヤン グ率を ＆。とすると， 矩形断面では１ ＝肌／ （＆〆）となり， . ／＝又（Ｅふ）＝Ｅ．五十Ｅ２あ が得られる． ＆。 したがっ て， ２種類の異なるヤング率をもつ氷板のヤン グ率：Ｅゅ は， Ｅｐ＝Ｅ，五″十Ｅ２ム〃で評価できる． 一例として，１９９ ２年２月１０日の真氷， 雪氷のヤング率は上記の値をもちい， また氷の厚さをそれぞれた ・＝１ｏｃｍ， 船＝ ７ ｃｍ として２重構造の氷板のヤン グ率：Ｅ ｑ を求めると ２ ９ Ｅｇ ｏ＝３８‐２×１０ｄｙｎｅ／ｃｍ と な っ た．. この手法により， 任意のヤング率および厚さをもつ２重構造の氷板のヤン グ率：β ｑ を見積もることができる．. ４． 結. 論. 本研究では， レイ クアイス （湖氷） の圧縮強度特性を調べるため， 道東に位置する屈斜路湖および塘路湖の氷を採取 して， 室内で一軸圧縮試験を行っ た． それぞれの湖氷の圧縮強さやヤング率を求め， 人工氷のそれと比較検討し， さら に室内における氷の実験方法を提案した． 実験結果を要約すると， １） 試験温度－１ ０℃ における屈斜路湖の真氷の平均圧縮強さは５ ．３４ Ｍｐａ， 塘 路 湖 は， ７‐４８ Ｍｐａ， 人 工 氷 の そ れ は ８．５７ Ｍｐａ である． また雪氷の平均圧縮強さは， 屈斜路湖では２ ‐７５Ｍｐａ ， 塘路湖では３ ．ＯＭｐａ であるが， 両者に顕著な差は 認められない． ２） 屈斜路湖およ び塘路湖における真氷および雪氷の圧縮強さはともに温度依 存性が認められた． ３） 屈斜路湖の真氷およ び雪氷のヤン グ率は日時の経過に従い低下した． さらに雪氷のヤング率は真氷に比較して温度 依存性が大きいことが明かになっ た． ４） 屈斜路湖の湖氷の圧縮強さは， 湖岸近傍を除き５‐３Ｍｐａとほぼ一定値をとり， 採取場所による湖氷の強さに変化は 認められなかっ た． ５） 組合わせはりの概念を用い， 真氷と雪氷の２重構造を持つ湖氷板のヤン グ率を算定した． 今後， 結晶粒の大きさや結晶粒の方向など氷の組成を考慮し， 詳細な湖氷の圧縮強度特性を求める必要がある．. 参考 文献 １） 佐々木巽， 湖氷の湖岸への乗り上げに伴う変形について， （ ９９０ １ ） ， 日本雪氷学会全国大会講演予稿集， ｐ ．１８ ． ２） 佐々木・長揮・芳賀， 塘路湖における湖氷縦断形の変化， 北海道教育大学紀要 （第２部Ｂ） 第４ ２巻第２号 （ １９ ９２ ） ３－４ ９ ， ，ｐ ．４ ． ｉｎｇ Ｗ ３） Ｇｅｏｒｇｅ Ｄ．Ａｓｈｔｏｎ，Ｒｉｖｅｒａｎｄ Ｌａｋｅｌｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒ １ ９ ８ ６ Ｒ Ｐ ｂ ｌ ｉ ｉ （ ） ｔ ５ ０一８ ５ ｔ ｒ ｒ ａ ｅ ｅ ｓ ｏ ｕ ｃ ｅ ｓ ｕ ｃ ａ ｏ ｎ ｓ ． ， ． ， ，ｐ ｉｎｈａ ｌ ４） Ｓｈ ｄ Ｒｅｇｉ ｌ １９８９一１２ ） ｒｎ ・ａ （ ｏｎｓａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏ ｏｇｙ ．Ｋ． ．１７ ．２ ， Ｎｉ ，Ｃｏｌ ．１２７－１３５ ． ，ｖｏｌ ，ｎｏ ，ｐ. ５） 長浬・佐々木， レイクアイス （湖氷） の圧縮強度特性， 日本機械学会北海道支部第３ ２回総会講演会講演概要集， （ ） １９ ９ １ ３一１８ ４ ．１８ ，ｐ ． ６） 前野紀－， 氷の科学， （ ９８ ８ 北海道大学図書刊行会 １ ） 一 ５ ６ ７ ５ ， ． ，ｐ ． ７） 佐々木・長揮， 湖氷の圧縮特性－屈斜路湖と塘路湖の湖氷－， 日本氷雪学会全国大会講演予稿集 （ ９ １９ １ ） ，ｐ ．３８ ． ８） 滝沢， 低温科学 物理編， 第３ ７号 （ １９７ ８ ） 一 ６ ９ ７ ８ ． ，ｐ ． ９） 平修二， 現代材料力学， （ １９ ４８ ） １ ．９ ， オーム社， ｐ ．. ５） （４.
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