第 4 章 掘削損傷領域の水理・力学特性の経時変化に関する検討
4.4 EDZ 発生に関する数値解析的検討
4.4.2 破壊規準の設定
本 研 究 で は ， 岩 盤 が 破 壊 に 至 る ま で の 微 小 割 れ 目 の 発 生 お よ び 進 展 ・ 連 結 時 に 対 応 す る 応 力 状 態 に 着 目 し て ， 破 壊 規 準 を 設 定 し た ． 室 内 力 学 試 験 で は ， 横 ひ ず み お よ び 体 積 ひ ず み 増 分 が 線 形 か ら 逸 脱 し 始 め る 応 力 状 態 を Cra ck in itia tion stre ss（ 以 下 C I と 記 載 ） と よ ぶ ． こ の 応 力 状 態 は ， 供 試 体 中 に wing -c rack が 発 生 し 始 め る 応 力 状 態 に 対 応 す る と 言 わ れ て い る 2 0 ) - 2 2 )．ま た ，軸 ひ ず み 増 分 が 線 形 か ら 逸 脱 し は じ め ， な お か つ 体 積 ひ ず み 増 分 が 逆 転 ， す な わ ち 膨 張 し 始 め る 応 力 状 態 を Crack in te ra c tion stre ss （ 以 下 CD と 記 載 ）と よ ぶ ．こ の 応 力 状 態 は ，供 試 体 中 に 発 生 し た wing -crack の 進 展 ・ 連 結 が 不 安 定 と な り ， せ ん 断 面 を 形 成 し は じ め る 応 力 状 態 に 対 応 す る と 言 わ れ て い る 2 0 ) , 2 2 ) - 2 4 )．既 往 研 究 に よ る と ，多 く の 場 合 ， 一 軸 圧 縮 条 件 に お い て ，C I は ピ ー ク 強 度 の 約 0. 3 -0.5 倍 ，CD は ピ ー ク 強 度 の 約
71 m
100 m
123 m y
z
x
σ
z: 5.63 MPaσ
y: 7.31 MPaσ
x: 5.06 MPa 試験坑道3試験坑道3
材料 ヤング率 (GPa) ポアソン比
岩盤 1.82 0.17
吹付コンクリート 28.2 0.167
鋼製支保工 210 0.30
77 0.8 倍 の 応 力 状 態 に 相 当 す る ．
硬 岩 で は ，坑 道 周 辺 岩 盤 の 最 大 主 応 力 が C I に 達 し た 時 点 で 引 張 割 れ 目 の 不 安 定 な 発 達 が 支 配 的 な 破 壊 （spa lling 破 壊 ） が 発 生 す る と 言 わ れ て い る 2 5 ) , 2 6 )． ま た ， 硬 岩 の み な ら ず ， 堆 積 岩 の よ う な 軟 岩 に 対 し て も ， 例 え ば 硬 質 な 粘 土 質 岩 に 分 類 さ れ る ス イ ス の Mo nt Terri 岩 盤 研 究 所 の Op alin us C la y で は ，上 記 と 同 様 の 破 壊 様 式 を 示 す こ と が 報 告 さ れ て い る 1 )． ま た ， 軟 質 か つ 低 強 度 な 粘 土 質 岩 石 に 分 類 さ れ る ベ ル ギ ー ，Mol の HADES-UR F の Boo m C la yで は ， 坑 道 周 辺 岩 盤 の 最 大 主 応 力 が C I を 越 え た と き に 割 れ 目 が 安 定 し た 状 態 で 発 達 ・ 連 結 し て い き ，CD に 達 し た 時 点 で ， せ ん 断 割 れ 目 が 発 生 す る こ と が 報 告 さ れ て い る 1 )．
さ ら に ， 引 張 割 れ 目 の 不 安 定 な 発 達 が 支 配 的 な 破 壊 様 式 を 示 す 応 力 状 態 と ， せ ん 断 割 れ 目 が 発 生 す る 破 壊 様 式 を 示 す 応 力 状 態 の 境 界 を 与 え る 規 準 と し て ， Spa lling limit（ 以 下 S L と 記 述 ） の 規 準 を 設 定 し て C I お よ び CD の 破 壊 規 準 と 統 合 す る こ と に よ り ， 両 者 の 破 壊 様 式 を 考 慮 す る こ と が で き る 規 準 が 提 案 さ れ て い る 2 5 ) , 2 6 )．
こ れ ら の 破 壊 規 準 を 設 定 す る た め に ，EDZ の 評 価 対 象 と す る 3 50 m 調 査 坑 道 が 分 布 す る 深 度 付 近 の 稚 内 層 珪 質 泥 岩 を 対 象 と し て ， 調 査 坑 道 お よ び 深 地 層 研 究 セ ン タ ー の 周 辺 ボ ー リ ン グ 孔 か ら 得 ら れ た 岩 石 コ ア を 用 い て 一 軸 圧 縮 試 験 1 9 )お よ び 三 軸 圧 縮 試 験 2 7 )を 実 施 し た ．供 試 体 寸 法 は ，直 径 30 mm~5 0 mm，高 さ 60~ 100mm と し た ． 検 討 対 象 と し た 供 試 体 数 は ， 一 軸 圧 縮 試 験 が 2 2 個 ， 三 軸 圧 縮 試 験 が 10 個 で あ る ． 供 試 体 表 面 に は ， 二 軸 の ひ ず み ゲ ー ジ を 貼 り 付 け た ． 一 軸 お よ び 三 軸 圧 縮 試 験 の ひ ず み 測 定 結 果 か ら ， 以 下 の 式 に 則 っ て 体 積 ひ ず みεv を 求 め ， 載 荷 圧 増 大 に 伴 う 体 積 ひ ず み の 変 化 を 検 討 し た ．
l a
v
ε ε
ε = + 2
(4.2 )こ こ で ，εaは 軸 ひ ず み ，εlは 横 ひ ず み を 示 す ．
三 軸 圧 縮 試 験 に よ り 得 ら れ た 応 力 ひ ず み 線 図 お よ び ，C I と C D を 決 定 し た 例 と し て ，封 圧 を 1 .23 MP a に 設 定 し て 実 施 し た 試 験 結 果 を 図 4 .11 に 示 す ．一 軸 圧 縮 試 験 お よ び 三 軸 圧 縮 試 験 結 果 に 対 し て そ れ ぞ れ の 応 力 を 求 め た ． そ の 結 果 ， 図 4 .12 お よ び 図 4 .13に 示 す よ う な そ れ ぞ れ の 応 力 状 態 に 対 応 す る Mo hr 円 群 を 得 た ．
CI，CD そ れ ぞ れ の 応 力 状 態 に 対 応 す る 破 壊 規 準 線 の 設 定 に お い て ， 見 掛 け の 粘 着 力 c’お よ び 内 部 摩 擦 角φ’を ，ISRM の Sugge ste d me thod に 記 載 さ れ て い る 数
式 2 8 )に 則 っ て 算 出 し た ． 具 体 的 に は ， 拘 束 圧 を 横 軸 に ，軸 圧 を 縦 軸 に 取 り ， 両 者
の 関 係 を プ ロ ッ ト し ，最 小 二 乗 法 に よ り 決 定 さ れ る 直 線 の 傾 き m と 切 片 b の 値 を 用 い て ， 以 下 の 式 に よ り 算 出 さ れ る ．
78
1 sin 1
'
1+
=
−− m
φ m
(4. 3)' cos 2
' sin ' 1
φ φ
=b −
c (4 .4 )
こ れ ら の 式 に 基 づ き C I に 対 し て は ，c’が 2.3 7MP a，φ’が 17. 5°，CD に 対 し て は ，Moh r 円 の バ ラ つ き は 大 き か っ た も の の ，c’が 3 .30 MP a，φ’が 24 .5°と い う 値 が 得 ら れ た ．(4 .3 )お よ び(4 .4)式 に よ り 算 出 さ れ た 粘 着 力 と 内 部 摩 擦 角 か ら 求 め た そ れ ぞ れ の 破 壊 規 準 は ， 図 4.12 お よ び 図 4.13の 赤 色 の 直 線 で 示 し た ．
次 に ，S Lの 規 準 に 関 し て は ，引 張 お よ び せ ん 断 の 破 壊 様 式 の 境 界 を 与 え る 応 力 状 態 を 決 定 す る 根 拠 と な る 室 内 試 験 デ ー タ は 取 得 で き な か っ た の で ， 過 去 に 報 告 さ れ て い る ，立 方 体 の ガ ラ ス 供 試 体 内 部 に 既 存 き 裂 を 発 生 さ せ て 二 軸 載 荷 を 行 い ， 進 展 し た wing -c rack の 長 さ と そ の と き の 応 力 状 態 の 関 係 を 示 す 曲 線 2 9 )を 参 考 に ， 以 下 の 式(5 )で 表 さ れ る 範 囲 を S L の 規 準 と し て 設 定 し た 2 5 )．
20 10
3 1
≤
≤ σ
σ
(4 .5 )以 上 か ら ，C I，CD，S L の 3 つ の 破 壊 規 準 を 統 合 す る こ と に よ り ， 破 壊 様 式 を 推 定 で き る 規 準 を 設 定 し た ．
79
図 4.11 Crack in itia tio n stre ss と C ra ck intera ctio n stress の 決 定 例（ 三 軸 圧 縮 試 験 ， 拘 束 圧 1.2 3MP a）．点 線 で 示 す 直 線 は ，そ れ ぞ れ 軸 ひ ず み ，横 ひ ず み お よ び 体 積 ひ ず み の 線 形 変 化 を 示 す ． 体 積 ひ ず み 上 に あ る 垂 直 な 点 線 は ， 体 積 ひ ず み 増 分 が 負 と な る 点 を 示 す ． ま た ， そ れ ぞ れ の 丸 印 は ， 決 定 さ れ た CI お よ び CD を 示 す ．
図 4.12 一 軸 圧 縮 試 験 お よ び 三 軸 圧 縮 試 験 に よ り 求 め た C I に 対 応 す る モ ー ル 円
お よ び 決 定 さ れ た 破 壊 包 絡 線 （ 赤 色 直 線 ）
-0.6 -0.4 -0.2 0 0 0.2 0.4 1.0 3
9 12 15 18
ひずみ (%)
体積ひずみ 軸ひずみ 横ひずみ
6 CI
0.6 0.8
CD
80
図 4. 13 一 軸 圧 縮 試 験 お よ び 三 軸 圧 縮 試 験 に よ り 求 め た CD に 対 応 す る モ ー ル 円
お よ び 決 定 さ れ た 破 壊 包 絡 線 （ 赤 色 直 線 ）