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岩盤斜面の進行性破壊に関する研究

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Academic year: 2021

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(1)

土質力学

対象:軟弱地盤 (粘土、砂、中間土、礫)

理論体系:連続体力学(主流)、粒状体理論

特徴(

確実性

):弾性・塑性、過圧密、応力誘導異

方性、構造(粘着力)、水土連成、不飽和

岩盤力学

(地質学の原点となる一つ要因)

対象:岩石、岩盤

理論体系:弾性体理論のみ(軟岩以外)

特徴(

不確実性

):節理(不連続性)・異方性(方向

)、

挟在性、粗面性(せん断に伴うダイレー

タンシー)、その他

(2)

第1回 鉱物に関する基礎知識

鉱物の種類

鉱物の構造

鉱物の特性

(3)

鉱物の種類

物理的にも化学的にも均質な性状を示す固体

粒子を

鉱物

といい,現在2,000以上の種類が確

認されている.岩石はいくつかの鉱物によって構

成されており,このように岩石をつくっている鉱

物を造岩鉱物という.このうち,岩石中に10%以

上含まれ,岩石の分類において判定要素となる

造岩鉱物を

主要造岩鉱物

といい,そうでないも

のを副成分鉱物という.現在,造岩鉱物の種類

300

程度と考えられる.

(4)

① 石英(quartz):大部分の酸性の火成岩,多くの堆積岩・変成岩の主要造 岩鉱物である.化学組成はSiO2であり,無色透明を呈する. ② 斜長石(plagioclase):大部分の火成岩・堆積岩・変成岩中に多量に含ま れている主要造岩鉱物であり,アノーサイト成分とアルバイト成分の間を 連続的に変化する化学組成を示し,無色ないし白色を呈する. ③ アルカリ長石(alkali feldspar):多くの火成岩・堆積岩・変成岩中に含ま れており,カリ長石成分とアルバイト成分の間を連続的に変化する化学組 成を示す.一般に,無色ないし白色を呈すが,カリ長石の場合は淡桃色を 呈する. ④ 白雲母(muscovite):多くの酸性火成岩および泥質岩起源の変成岩中に含 まれる.一般に,無色透明を呈する. ⑤ 黒雲母(biotite):花崗岩を主とする大部分の酸性火成岩および多くの変 成岩中に多量に含まれる,一般に黒色を呈する. ⑥ 角閃石(hornblende):中性~塩基性の火成岩および塩基成岩起源の変成 岩中に含まれる有色鉱物である.一般に黒色~濃緑色を呈する. ⑦ 輝石(pyroxene):多くの塩基性~中性の火成岩および接触変成岩などに 多く含まれる有色鉱物であり,斜方輝石および単斜輝石に大別される.黒 色,緑色,青色など,種々の色を呈する. ⑧ カンラン石(olivine):多くの塩基性~超塩基性の火成岩中に含まれる. 無色ないし淡黄色を呈する.

(5)

結晶系による分類

① 等軸晶系:ホタル石,黄鉄鉱 ② 正方晶系:ジルコン,ベスブ石 ③ 六方晶系:石英,方解石 ④ 斜方晶系:カンラン石,黄玉 ⑤ 単斜晶系:正長石,輝石 ⑥ 三斜晶系:斜長石

化学組成による鉱物の分類

① 元素鉱物:ダイヤモンド(C),イォゥ(S) ② 硫化鉱物:黄鉄鉱(FeS2),方鉛鉱(PbS) ③ ハロゲン鉱物:岩塩(NaCl),蛍石(CaF2) ④ 酸化鉱物:石英(SiO2),磁鉄鉱(Fe3O4) ⑤ 炭酸塩鉱物:方解石(CaCO3),マグネサイト(MgCO3)

⑥ 珪酸塩鉱物:斜長石((Na, Ca) Al (Al, Si)Si2O8),カ

ンラン石((Mg, Fe)2SiO4)

(6)
(7)

結晶を通過する間に起こる二つ

の偏光波の振動数ズレ

結晶面を持つかどうかに関わ らず、原子の配列が規則正しく、 方向によって一定した性質を示 す固体を結晶と呼ぶ

(8)
(9)

モースの硬度計

硬度 標準鉱物 代用できる物 1 滑石 2 石膏 爪(2.5) 3 方解石 銅貨(3) 4 蛍石 鉄くぎ(4.5) 5 燐灰石 ガラス〔5.5) 6 カリ長石 ナイフ(6.5) 7 石英 ハンマー(7) 8 黄玉 9 鋼玉 10 ダイヤモンド

鉱物の特性

硬度、色、条痕色、光沢、壁開、比重

(10)

モースの硬度計

硬度 標準鉱物 代用できる物 1 滑石 2 石膏 爪(2.5) 3 方解石 銅貨(3) 4 蛍石 鉄くぎ(4.5) 5 燐灰石 ガラス〔5.5) 6 カリ長石 ナイフ(6.5) 7 石英 ハンマー(7) 8 黄玉 9 鋼玉 10 ダイヤモンド

(11)
(12)
(13)

地殻を構成する主な造岩鉱物の結晶構造

(14)

第2回 岩石に関する基礎知識

岩石はその成因によって次の3種に大別される

火成岩

:マグマが固まって生成された岩石

堆積岩

:岩片や粘土が固結して生成された岩

変成岩

:火成岩・堆積岩が熱や圧力によって

変化して生成された岩石

(15)
(16)

① 深成岩:マグマが地下の比較的深所において徐々に冷却固化して できた岩石であり,一般に巨大な岩体をなして産出される.マ グマの冷却固結が非常に緩慢であるために,鉱物は大きな結晶 となり,等粒状組織(図2)を呈している. ② 半深成岩:半深成岩は深成岩と噴出岩との中間的なものであり, 地下深所で急冷却したり,地下浅所でゆっくり冷却したりする ことによって産出された岩石である.産出の形態としては,岩 脈,岩床,岩株など貫入岩体を形成するほか,深成岩体辺縁部 をなしていることもある.一般に斑状組織(図2)を呈するが,石 基は完晶質であり,ガラスが含まれないのが普通である. ③ 火山岩(噴出岩):火山岩はマグマが地表,または地表近くまで上 昇して,そこで比較的短い期間に冷却,固結してできた岩石で ある.この岩石は非常に急冷却した場合にはガラス質,あるい は細粒となるが,一般には比較的大きな斑晶とガラス質あるい は微細な結晶部分からなる斑状組織(図2)を呈している.マグマ が地表に流出すると溶岩と呼ばれ,台地やドーム型の山を形成 する.

火成岩

の産出状態による分類

(17)

図2 鉱物粒子の集合状態

(18)

火成岩はその岩石中に含まれる珪酸の量によって次のよ うに分類される. ① 酸性岩(66%以上) ② 中性岩(66%~52%) ③ 塩基性岩(52%~45%) ④ 超塩基性岩(45%以下) また,珪酸の量は,岩石中の有色鉱物含有量でも表せる. これを体積百分率で表したときの数字を色指数と言 い,次のように分類される. ① 優白色(0~30) ② 中色(30~60) ③ 優黒色(60~100)

火成岩

の化学成分による分類

(19)
(20)
(21)

堆積岩

堆積岩は既存の岩石の砕屑物,生物の遺体などの堆 積や特定物質の沈殿によって形成される岩石であり, 構成物質および生成過程などにより砕屑岩,火山砕 屑岩,化学的堆積岩および生物岩の4つに大別され る.

(22)

地表に露出した岩石の風化破砕によってできた砕屑物質が水, 風,氷河などによって運搬され,海底湖底および川底などや陸 上に堆積・固化して生成されたものである.砕屑物質は粒子の 大きさによって粘土,シルト,砂および礫に区別される.

(1) 泥岩(mudstone),頁岩(shale),粘板岩(slate):いずれも粘土お

よびシルトからなる細粒の岩石であるが,続成作用の進行程度 や剥離性の程度によって,低いものから泥岩,頁岩,粘板岩に 分類される.このうち,粘板岩は再結晶がなされているのが特 徴である. (2) 砂岩(sandstone):石英粒および長石粒などの細粒からなる岩 石であり, 続成作用の程度や砂粒の種類および組成によって 種々の細分類がなされている. (3) 礫岩(conglomerate,レキ岩):礫を多量に含む岩石で,礫の形 状,大きさによっていろいろに分類される.一般に,礫岩と呼 ばれているものは円礫を主体としており,角礫を主とするもの は角礫岩(breccia)と呼ぶ.

砕屑岩

(23)

火山の噴火とともに噴出する火山噴出物はその状態により① 火 山ガス、② 溶岩、③ 火山砕屑物に分類される. 火山砕屑物はその粒径によって① 火山灰(<4mm)、② 火山礫(32 ~4mm)、③ 火山岩塊(>32mm)に分類される. 火山砕屑岩は,火山砕屑物からなるもので,陸成層および浅海成 層が多い.典型的な火山砕屑岩は下記のものがある. (1) 凝灰岩(tuff):火山灰が固結したもので,一般に無層理である. (2) 火山礫凝灰岩 (lapilli tuff):火山灰および小豆から卵大の火山礫 が固結した岩石である.

(3) 凝灰角礫岩 (tuff breccia)および火山角礫岩 (volcanic breccia):卵

大以上の火山岩塊とその間を充填する火山灰質の部分から成り,火 山灰質が多いものを凝灰角礫岩,火山岩塊が多いものを火山角礫岩 という. (4) 溶結凝灰岩(welded tuff):ガラス質火山灰や軽石片に富む火山噴 出物が高温を保ったままで堆積し,上からの荷重で圧縮され,再溶 融し固結したものである.

火山砕屑岩

(24)

海水,湖水および温泉や鉱泉などの地下水に溶けてい る物質が化学的に沈殿してできた岩石であり,チャー ト,岩塩,石膏,シンター(珪華,鉄華)などがある. チャ-ト(chert):赤色,青色および灰色を示す半透明 の岩石で,微細な石英粒からなり,塊状,あるいは層 状を呈している.チャートの成因については,多くは 無機化学的に沈殿したと考えられているが,一部には 放散虫の殻の密集したものもあり,これは放散虫 チャートと呼ばれる.

化学的堆積岩

(25)

生物の遺体が堆積してできた岩石であるが,カルシウム,炭 素などの有用成分が濃集し,鉱床を形成していることが多く, 地下資源として重要なものが多い.石灰岩,石炭のほかに泥灰 岩,珪藻土などがある. (1) 石灰岩 (limestone):一般に灰白色,灰色,暗灰色を呈し,主 として方解石からできている.石灰岩の成因としては,古い地 質時代に繁殖した貝類,サンゴ類,有孔虫などの石灰質の遺体 や石灰藻などが堆積してできた岩石であるが,最近では,この ほかに海水や湖水に溶けていた炭酸カルシウムの無機化学的な 沈殿,また,海底火山に関係ある炭酸カルシウムを含んだ鉱泉 からの沈殿によっても生成される. (2) 石炭 (coal):湖沼や潟などに植物の遺体が堆積してできたも ので,炭化の程度によって泥炭,亜炭,褐炭,歴青炭および無 煙炭などに分類される.

生物岩

(26)

変成作用には, 既存の岩石がマグマとの接触によって,マグ マから熱および成分供給を受けて変成する場合と, 地下の深部 に埋もれた岩石が構造運動を履歴し,高温・高圧のもとで広範 囲にわたって変成する場合との2つに大別できる. 前者を接触変成作用(または熱変成作用)といい,貫入してき たマグマの性質(岩質,種類,温度)およびその規模,また,変 成を受けた原岩の岩質および種類によって種々の接触変成岩(熱 変成岩)が生成される. 接触変成岩は堆積岩のみでなく,火成岩 がマグマの貫入を受けた場合にも生ずるが,火成岩は元来高温 のもとで生成され,高温において安定な鉱物より構成されてい るため熱による影響が少ない. 後者は広域変成作用(または動力変成作用)といい,この変成 作用によって生成される岩石を広域変成岩(あるいは動力変成 岩)と呼んでいる. 接触変成岩、広域変成岩、圧砕岩(断層運動に伴い原岩が圧 砕されてできた岩石 )などはある.

変成岩

(27)

第3回 岩石・岩盤の工学的特性

岩石の工学的特性

1. 岩石の変形性 2. 岩石の強度 3. その他の基本物性値 ●密度・単位体積重量 ●間隙率

岩盤の工学的特性

1. 岩盤の変形性 2. 岩盤の強度 3. 岩盤の透水性 4. 岩盤の工学的特性にお ける連成問題

(28)
(29)
(30)

岩盤の場合は岩石の変形性の他に不連続面の変形性を考慮す る必要がある.不連続面の特性要素が岩盤の変形性に及ぼす 影響としては主として次のものが挙げられる. ①方向性……変形の方向を支配する. ②連続性……変形の範囲を支配する. ③稠密性……変形量に影響を与える. ④開口性……閉合する際に初期の開口幅が変位量を支配する. ⑤挟在性……挟在物の変形性が閉合の際に変位量を支配する. ⑥粗面性……せん断に伴ってダイレイタンシーを生じさせる. ⑦連結性……不連続面で囲まれたブロックの変位の自由度を 支配する.

岩盤の変形性

(31)

岩盤の強度は岩石の強度および不連続面の性状によって支 配される.岩盤の変形性の場合と同様に,不連続面の特性要 素が岩盤の強度に与える影響は次のとおりである. ①方向性……破壊の方向を支配する. ②連続性……不連続面先端部分の応力分布に影響を与える. ③稠密性……密に分布することで不連続面の併合を容易にす る. ④開口性……不連続面先端部分の応力分布に影響を与える. ⑤挟在性……不連続面のせん断強度に影響を与える. ⑥粗面性……不連続面の内部摩擦角に影響を与える. ⑦連結性……岩盤内部の応力伝播に影響を与えると同時に, 部摩擦角に影響を与える.

岩盤の強度

(32)

岩盤内の浸透経路は,岩質部分の空隙および節理に代表され る不連続面である.第四紀の火砕岩などの間隙率の大きい岩 は,岩質材料内部での透水性が比較的高く,岩盤の透水性は 不連続面の透水性と合わせて岩石の透水性も考慮する必要が ある.一方,新鮮な花崗岩のような硬質岩盤は,岩石の構成 粒子間の結合が密であるために間隙率が小さく,岩石の透水 係数は節理に代表される不連続面の透水係数に比べて極めて 小さい.不連続面の特性が岩盤の透水性に与える影響は次の ようである. ①方向性……浸透方向を支配する. ②連続性……不連続面内の浸透範囲を支配する. ③稠密性……浸透経路数を支配する. ④開口性……不連続面の透水係数に影響を与える. ⑤挟在性……不連続面の浸透経路を塞ぐ. ⑥粗面性……不連続面内に選択的な浸透経路を生じさせる. ⑦連結性……各不連続面の浸透経路を連結させる.

岩盤の透水性

(33)

①岩盤内地下水の分布により間隙水圧が増減する. ②岩盤内応力の増減に伴い,間隙率が変化して浸透流を支配する. ③温度変化に伴い,熱応力が増減する. ④カエネルギーが熱エネルギーに変わる. ⑤熱により水の粘性が変化する. ⑥水の流れが熱を運搬する. ⑦化学変化により物性が変化する. ⑧応力の増減により構成鉱物に相転移が起こる. ⑨化学変化により粘性および間隙率が変化する. ⑩水が反応し化学変化が起こる. ⑪化学変化に伴い,発熱ないし吸熱反応が生じる. ⑫温度変化に伴い化学変化が起こる.

岩盤の工学的特性における連成問題

(34)

軟岩はその成因により堆積性軟岩、風化性軟岩および火山性 軟岩に大別できる. (1) 堆積性軟岩 堆積性軟岩(主に新第三紀堆積岩類)は,土砂の圧密領域か らセメンテーションの領域に至る途中の過程であり,層理面 による異方性を有するが,節理などの割れ目も少なく,比較 的等方均質な性状を示すものが多い. (2) 風化性軟岩 風化岩質軟岩は硬岩から土へ移行する劣化過程で生成される. (3) 火山性軟岩 火山性軟岩は,火山活動に伴う熱水変質に起因するものであり, 第四紀の火山地域に見られる.熱水の起源としては,マグマ 水,変成水,天水がある.このような続成,熱水変質作用を 受けると,一般にモンモリロナイト,緑泥石,沸石などの鉱 物が生成され,脆弱化する.

軟岩

(35)

泥質堆積岩の埋没

深さに伴う物性変化

(36)

軟岩特有の工学的特性としては,次のようなものが挙げられる. ①含水による強度低下 集中豪雨後の軟岩地域でしばしば斜面崩壊・地すべりなどの 災害が生じる要因となっている. ②スレーキング特性 乾湿の繰り返しによって岩石粒子間の結合が破壊され,強度 が低下し,はなはだしいときには粒子が分離し土壌化する現 象である. ③スウェリング特性 土粒子を構成する結晶の層格子間が水の浸入によって拡大さ れる内部膨潤と,土粒子一水系の反発力に依存する土粒子間 膨潤(外部膨潤)に大別され ,さまざまな工学的問題 を引き起 こしている. ④クリープ特性 長期安定性問題をもたらす.

軟岩の工学的特性

(37)

第4回 地質調査法

予備調査

文献調査 地形図 空中写真判読

地表地質踏査

岩相 岩質 地質の構造 流水および湧水の状態 地形の特徴 植生

物理探査

弾性波探査 電気探査 重力探査 音波探査 磁気探査 放射能探査 地温探査 物理検層

ボーリング調査

調査坑における調査

(38)
(39)

弾性波探査の模式図

弾性波探査を効果的に 実施するための要点は, 測線の配置および長さで ある.測線の長さは,経 験的に解明が必要となる 深さまでの5倍としてお り,測線端付近が解析の 盲点とならないよう遠隔 発破をかけなければなら ない.なお,弾性波探査 は,高速度層が低速度層 の上部にあるような地質 構造の解析には原理的に 適さない

(40)

ボーリング調査

ボーリング調査は,地下の地質状況を把握するために普遍的に行 われる調査法である.採取されたコアの観察によって地下の地質状 況を把握することが主体となるが,削孔を利用して透水試験・各種 の検層・弾性波探査,孔内変形試験などを実施する場合もある. ボーリングコア観察における記載事項は次のとおりである. ① 岩石名および地層名 ② 岩石の硬さ ③ 岩石の風化,ならびに変質状況 ④ 不連続面の分布状況(方向,密度) ⑤ 不連続面の風化状況 ⑥ コアの長さ(最大コア長,平均コア長) ⑦ コア採取率 ⑧ RQD ⑨ 岩盤等級区分 ⑩ ルジオン値,または透水係数 ⑪ 削孔条件(掘進率,給排水,セメンテーション孔径,ビット, ケーシング,地下水位)

(41)

ボーリング結果

標高:EL632.39m

(42)

ボーリング結果

標高:EL676.25m 深度:35.00m

(43)

調査横坑 展開方法 (a) (b) 展開方法(a) 展開方法(b) 調査横坑の展開方法と展開図

調査坑にお

ける調査

(44)

参照

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