九州大学学術情報リポジトリ

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Kyushu University Institutional Repository

厳しい地圏環境下における岩盤不連続面のせん断 : 透水同時実験方法の開発に関する研究

三谷, 泰浩

https://doi.org/10.11501/3151003

出版情報：Kyushu University, 1998, 博士（工学）, 論文博士 バージョン：

権利関係：

第5章 先行履歴を与えた人工不連続面のせん断-透水同時特性

5. 1 はじめに

岩盤内に存在する自然の不連続面は， 地殻変動など何らかの外力の作用により生じ たものである. そして， この不連続面は， 構造的な弱部であるためインタクトな部分 に比べて， 様々な応力状態の下で， 様々な履歴をたどる. その結果， 前章で検討した 人工的な不連続面の状態とは異なり， 複雑な履歴を受け， その履歴が， 不連続面の特 性に大きな影響を及ぼしていると考えられる. そこで， 自然の不連続面の特性を評価 するために， 履歴を与えた条件下で， そのせん断特性や透水特性を明らかにすること が重要となる. 自然の不連続面は， 壁面強度， 凹凸の形状など様々であること， 受け た履歴が複雑で， それを特定することが困難であること， また， 実際にサンプルを採 取するにも， その数は限られていることなどから履歴による影響の基礎的な定量的評 価は， 困難である.

本章では， 履歴を受けた不連続面のせん断-透水同時特性が， 履歴を受けなかった 場合と比較してどのように変化するかを明らかにするために， 人工的に作成した不連 続面に， 垂直応力とせん断変位量をパラメータとした所定のせん断履歴を先行履歴と して与え， せん断履歴の違いによる不連続面のせん断-透水同時特性の変化に関する 基礎的な検討を行う.

5. 2 実験方法および実験ケース

実験では， 先行履歴として2種類のせん断履歴を与える. 1 つは， 垂直応力が異な るせん断履歴であり(ケース名の後ろにPSをつける)， この試験ケースをCaselPS，

Case2PSとし， もう1つは， せん断変位量が異なるせん断履歴であり(ケース名の後 ろにPDをつける)， この試験ケースをCase3PD， Case4PDとする.

各実験ケースの条件及び実験の名称についてTable.5.2-1に示す. 実験の名称につい ては， [(先行履歴時の垂直応力)/ (先行履歴時の最大せん断変位)一(履歴を与 えた後の実験時の垂直応力)]の規則に従うものとする.

試験体は， 第4章で使用した韓国南原産花筒岩を用いて， 先に述べた方法で不連続 面を人工的に発生させたものを使用する. 具体的な実験方法について， 以下に示す.

また， 特記されていない項目については4.3節に示した実験方法と同じである.

5. 2. 1 垂直応力が異なる先行履歴

① ^{人工不連続面の作成}

② 不連続面の湿潤

③ ^{せん断による先行履歴}

不連続面に所定の垂直応力(Case1PSで、は九1Pa， Case2PSで‘は1， 5， 10， 20MPa) を与えた状態で， せん断変位12mmまで変位制御(せん断速度は約O.lmm/sec)に

ー140-

Test case

Case1 PS

Case2PS

Case3PD

Case4PD

Table.5.2-1 Experimental cases and conditions.

Preceding history Shear Normal

Shear Normal

Normal Test name stress

disp. stress

(Fo附ard) stress

(Reverse)

1MPa 5MPaパ2mm-1MPa 5MPa 5MPal12mm-5MPa 5MPa 12mm 5MPa

10MPa 5MPal12mm-10MPa 20MPa 5MPal12mm-20MPa

1MPa 1MPa 1 MPal12mm-5MPa

5MPa 5MPa 5MPaパ2mm-5MPa

12mm 5MPa

10MPa 10MPa 10MPaパ2mm-5MPa

20MPa 20MPa 20MPaパ2mm-5MPa

2mm 5MPaJ2mm-5MPa

4mη1 5MPal4mm-5MPa

5MPa OMPa 5MPa

6mm 5MPal6mm-5MPa

10mm 5MPal10mm-5MPa

2mm 10MPaJ2mm・.5MPa

4mm 10MPa/4mm-5MPa

10MPa OMPa 5MPa

6mm 10MPaJ6mm-5MPa

10mm 1 OMPal1 Omm-5MPa

ー141-

Normal stress: 5MPa Shear disp.: 12mm

。

の

2・10

20

10

(caE)

ωωω』一←ω

よりせん断を行う. そして， 垂直応力を維持した状態で， 逆方向(せん断下箱を 後方に引き戻す方向)にせん断し， せん断変位Ommの状態まで戻し， 垂直応力を 解放する.

④ _{せん断一透水同時実験}

設定した垂直応力(Case1PSで、は1，5，10，20MPa， Case2PSで、は5MPa)を与え，

変位制御(せん断速度約0.1mm/sec)で、最大20mmまでせん断一透水同時実験を行 う. 透水は， せん断変位lmmごとにせん断変位を保持した状態で， 不連続面に一 定の水頭差を与え， 不連続面を通過した透水量を計測し， 透水係数を算出する.

⑤ 逆方向のせん断

最大せん断変位が20mmに達した後， 逆方向(せん断下箱を後方に引き戻す方 向)のせん断を行う.

⑥ せん断-透水同時実験の終了

逆方向のせん断終了後(せん断変位臼nm)， 垂直荷重を除荷し実験を終了する.

-20

0 20

『 ・4三!?

日 _..._...-..---..- 一 ( ^ム...r.�.^/

ブ

ー10 i

ノ/\\Jr/

(a) Preceding history for each specimen (Normal stress: 5MPa，

Shear disp.: 12mm)

5MPa/12mm-5MPa 5MPa/12mm・1MPa

15 (mm) 10

Shear disp.

5M Pa/12mm-20M Pa

5

20

10

。

(ω丘三)ωωO』一←ω

』cozω

5. 2. 2 せん断変位量が異なる先行履歴

① 人工不連続面の作成

② 不連続面の湿潤

③ _{せん断による先行履歴}

不連続面に所定の垂直応力(Case3PDで、は5MPa，Case4PDで、は10MPa)を与えた 状態で， 所定のせん断変位(2，4， 6， 10mm)までせん断を行う. そして， 垂直応 力を除荷し， せん断変位Ommの状態まで戻す.

④ _{せん断-透水同時実験}

設定した垂直応力(Case3PD， Case4PDともに5MPa)を与え， 変位制御(せん 断速度約O.lmm/sec)で， 最大20mmまでせん断-透水同時実験を行う. 透水はせ ん断変位lmmごとにせん断変位を保持した状態で， 不連続面に一定の水頭差を与 え， 不連続面を通過した透水量を計測し， 透水係数を算出する.

⑤ _{逆方向のせん断}

⑥ せん断-透水同時実験の終了

垂直応力の異なる先行履歴による影響 3

5.

20

(b) After the preceding history (Normal s佐ess: 1， 5，10， 20MPa， respectively，

Shear disp.: 20mm)

15 (mm) 10

Shear disp.

5 -20

0

Shear stress vs. shear disp. curves of CaselPS.

Fig.5.3・1 5. 3. 1 せん断応力特性

Fig.5.3-HこCaselPSの先行履歴時のせん断応力一せん断変位曲線と先行履歴を与え た後のせん断応力一せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， せん断応力は， せん断変位約0.6mmで， 約7MPaのピークを示し た後， 一定の残留せん断応力となるのに対して， 先行履歴を与えた後では， せん断応 力は， すべての垂直応力下で， ピークを示さず， 残留せん断応力に達する. せん断応 力が一定となるせん断変位は， 約1.5 mm '""" 2. 5mmで， 与えた垂直応力が大きくなるほ

-142- -143-

5MPa/12mm 1MPaJ12mm 10MPaパ2mm 20MPa/12mm

20

10

。

(同仏一ミ)ωωω』一←ω」60工ω

20

(a) Preceding history (NOlmal stress: 1， 5， 10， 20MPa， respectively，

Shear disp.: 12mm)

(ca三)ωωω」日ω

15 20 (mm)

15 (mm)

2OMPaJ12mm・5MPa 1OMPa/12mm-5MPa

10

Shear disp.

10

Shear disp.

1MPa/12mm・5MPa

5 5

-20 0

。

20

10

。

6

3 40 -10

ど大きくなる. また， 残留せん断応力の値は， ほぽ一定のせん断応力を示すが，

応力が10Þ.在Pa以上の場合には， せん断応力の変動が生じる.

このように先行履歴を与えると， 急激なせん断応力のピークは発生せず， せん断初 期に， せん断強度は， 先行履歴を与えない場合と比べて小さくなる. しかし， 残留せ ん断応力の値は， 第4章における垂直応力一定実験の結果とほぼ同じで， 先行履歴に よる低下は生じない.

Fig.S.3-2にCase2PSの先行履歴時のせん断応力一せん断変位曲線と先行履歴を与え た後のせん断応力一せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， せん断応力は， せん断変位約O.Smm""'1.Smmで， ピークを示した 後， 一定の残留せん断応力を示す. せん断応力がピークを示す時のせん断変位及びせ ん断応力は垂直応力が増加するにつれて大きくなる.

一方， 先行履歴を与えた後では， せん断応力は， すべての垂直応力下においてピー クを示さず， 残留せん断応力に至る. その時のせん断変位は， 約1.2mm""'3.5mmで，

先行履歴として作用させた垂直応力に応じて大きくなる. そのため， Case1PSの場合 と同様に， せん断初期のせん断強度は小さくなる. また， 残留せん断応力は， すべて のケースで約4MPaとほぼ同じ一定値を示す.

さらに， 先行履歴によるせん断剛性の変化についてFig.S.3-3に示す. 第4章で示し たように， 垂直応力一定実験では， せん断初期のせん断剛性は， せん断時に与えた垂 直応力にほぼ比例して増加する. 同じ垂直応力のせん断による先行履歴を与えた CaselPSの場合のせん断剛性は， 先行履歴を与えない場合と同様に， 垂直応力に比例 して増加するが， その値は小さく， 先行履歴を与えない場合の1/5""'1/3程度の値を示 す. これは， Fig.4.8-2に示したように先行履歴(垂直応力5:MPaで、のせん断)により不 連続面の凸部の先端が破壊され， 不連続面上下のかみ合わせの状況が変化したことに よりせん断岡IJ性が低下したと考えられる. しかし， その後のせん断では先行履歴以上 の垂直応力を作用させるため， 垂直応力の増加により， さらなる不連続面凹凸の破壊 が生じるため， 垂直応力の増加とともにせん断岡IJ性が増加すると考えられる.

一方， 異なる垂直応力のせん断を先行履歴として与えたCase2PSの場合には， 先行 履歴として与えた垂直応力が大きくなるほど， せん断剛性は小さくなり， 最も大きな 垂直応力を与えた20MPa/12mm-5MPaの場合には， 先行履歴を与えない場合の1/10程度 のせん断岡IJ性を示す. 先行履歴時に垂直応力が10MPa以上の大きな垂直応力を与えせ ん断を行った場合には， Fig.4.8-2に示したように， 先行履歴のせん断後， 凹凸の破壊 が著しく生じ， 凹凸がなめらかになっているため， せん断剛性が小さくなると考えら れる.

垂直

(b) After the preceding history for each specimen (Norma1 s位ess: 5MPa，

Shear disp.: 20mm) Shear stress vs. shear disp. curves of Case2PS.

Fig.5.3四2 5. 3. 2 垂直変位特性

Fig.S.3・4にCase1PSの先行履歴時の垂直変位-せん断変位曲線と先行履歴を与えた 後の垂直変位一せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， 垂直変位は， せん断変位0.62mmまで一旦減少し， その後， ダイ -144-

-145-

Normal stress:

5MPa

Shear disp.:

12mm 3

ε ε 2

。

丘 ω 一刀

一ωε』OZ

。 10 15 20

Shear disp.

5

(a)Preceding history for each specimen(Pdonnal s住ess: 5MPa，

Shear disp.: 12mm)

3

5MPa/12mm-1 MPa 5MPa/12mm-5MPa 5MPa/12mm圃10MPa

J・/・ 5MPa/12mm:20MPa

。 10 15 20

Shear disp.

5

(b)

Shear disp.: 12mm)

Normal disp. vs. shear disp. curves of Case lPS.

Fig.5.3・4 -poH∞五∞口付方ω8ω弘吉ωhhlz-v』ω℃ロロ∞∞ω-H封切【司自』

。ロ

℃ロ伺∞∞ω己記号見

ω点的ロωω注芯門戸内凶何回目的口OZ22

ω戸HLn，n・mu・凶日

何止一之のEENF\何止20N

回RL2

のBEENFbtE

OF何止

一主的'EENF\何丘三ω 伺主主的，EENF\何tE

F

何丘三ONBEENF\何丘三ω 何仏20でEENFB丘三ω 何円比三回，EENF\何仏三

的

何丘一ミマEENF\何止三ω

kA」OVω一工tcoZ

0口0<][>・・‘砂

CコN

ε 2 ε

丘 一ω 一℃

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。

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(ωωred V'J)ssauUqs

O .-- ばヲ

守ーー

o N

-146-

レーシヨンの発生により， 垂直変位は増加する. 垂直変位は， 最初大きく増加するが，

徐々にその変化率(垂直変位とせん断変位との勾配)は減少し， せん断変位2.57mm 以降， 一定の変化率で増加する.

一方， 先行履歴を与えた後では， 垂直変位は， -_ê_減少し， 最小値を示した後， い ずれもほぼ一定の割合で増加し， 先行履歴を与えない場合に生じるような， 垂直変位 の変化率の変化は生じない. また， 垂直変位が最小となるせん断変位は， せん断時に 与えた垂直応力に応じて大きくなる. ただし， 5MPa/12mm-20乱1Paの場合には， せん断 変位が約12mmを超えると垂直変位量が次第に減少する. 第4章で行った垂直応力一 定実験の結果と比較すると， 先行履歴を与えずに， 垂直応力lMPaで、せん断を行った 場合には， せん断変位20mmで約2.9mmの垂直変位が増加しているのに対して， 先行 履歴を与えた5MPa/12mm-1MPaの場合には， せん断変位20mmで、約1.7mmの垂直変位し か増加しない. しかし， 5MPa/12mm-5MPa， 5MPa/12mm-10MPaの場合には， 先行履歴 の有無に拘わらず， せん断変位20mmで， ほぼ同じ垂直変位の増加量を示す. このよ うに先行履歴時に与えた垂直応力が， せん断時よりも大きい場合には， 垂直変位の 増 加量は小さくなる.

Fig.5.3-5�こCase2PSの先行履歴時の垂直変位一せん断変位曲線と先行履歴を与えた 後の垂直変位一せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， 垂直変位は， -_ê_減少し， その後ダイレーション の発生により増 加する. 垂直応力が増加するにつれて最小となるせん断変位は大きくなり， 発生する 垂直変位量は， 小さくなるものの， いずれもほぼ同じ様な挙動を示す.

一方， 先行履歴を与えた後では， 先行履歴時の垂直応力が， せん断時の垂直応力よ り小さし'\1MPa/12mm-5MPaの場合には， その垂直変位は， 一旦減少した後， ダイレタ ンシーの発生により増加する. その時， 垂直変位の変化率は， 最初大きく増加するが，

徐々にその変化率は減少し， その後， 一定となり， 先行履歴を与えない場合の垂直変 位の変化とほぼ同様の挙動を示す. しかし， 先行履歴として与えた垂直応力が5MPa 以上の場合には， 垂直変位は減少した後， ほぽ一定の割合で増加し， 先行履歴を与え ない場合に生じるような垂直変位の変化率の変化は生じない.

Case1PSとCase2PSの結果から， 先行履歴時の垂直応力レベル(不連続面の壁面強度 に対する垂直応力の比)が， せん断時の垂直応力より小さい場合には， 先行履歴の有 無によらず， せん断に伴う垂直変位の変化は， ほぽ同じ挙動を示すが， 大きい場合に は， 垂直変位はせん断により一定の割合で増加し， 垂直変位の変化率 の変化は示さな し\

5. 3. 3 透水特性

Fig.5.3-6に先行履歴を与えた場合のCaselPSの透水係数一せん断変位曲線と先行履 歴を与えない場合の垂直応力一定条件下での同様の結果を示す.

先行履歴を与えない場合は， 透水係数はせん断初期に一旦減少した後， 急激に 増加 し， せん断変位5""10mmを超えると， 多少のばらつきはあるものの， ほぼ一定の値 を示す. 透水係数は， いずれのケースも初期値から約50倍ほど増加する. そして垂直

ー148-

3

'2

2�

ε� �1 .包� 1J

て3

/

。

。

1MPa/12mm

/ーづアF 10MPa/12mm バ5./' �戸�二'\.SMPa/12mm

ld=5・.�グ ""'-20MPa/12mm

5 10 15

Shear disp. (mm)

20

(a) Preceding history (Normal s町ess: 1， 5， 10， 20MPa， respectively，

Shear disp.: 12mm)

3

EE 2

号 E 的

1 I 1 MPa/12mm-5MPa EE

。U

〆�ニ/ �云ヲデ・�. '5MPa/12mm-5MPa

Z

。

1旦MPaパ2mm-SMPa

ドて2 _{0M附2mm・5MF}

。 5 10 15 20

Shear disp. (mm)

(b)After the preceding history for each specimen (Normal s佐ess: 5MPa，

Shear disp.: 2伽nm) Fig.5.3・5 Normal disp. vs. shear disp. curves of Case2PS.

ー149-

応力が大きくなると， 透水係数が減少するせん断変位および透水係数が一定となるせ ん断変位の値は大きくなる.

一方， 先行履歴を与えた後， せん断前(せん断変位Ûmm)の透水係数は， いずれ の場合も， 1 cm/sec以上の透水係数を示し， 先行履歴を与える前の透水係数よりも1 オーダー近く大きくなる. これは， 先行履歴によるせん断により不連続面上下が完全 に合致しなくなり， 間隙幅が増加したためであると考えられる. せん断時の透水係数 は， 一旦減少した後， いずれのケースも， 先行履歴を与えない場合よりも緩やかに増

O

E

マ o n マ マ

8

マ

25

口

マ マ

。

口

マ ロ

マ

nE

AO

A

加し， せん断とともにほぼ一定の値を示す. そして， せん断時に与える垂直応力が大 きくなると， 透水係数が減少するせん断変位および透水係数が一定となるせん断変位 の値は大きくなる傾向を示す. 透水係数は最小値から約8 "-' 12倍程度増加し， 先行履 歴を与えない場合と比べてその増加量は小さい. さらに， 最終的には， 先行履歴の有 無によらず， 透水係数は， ほぼ同じ値を示す.

Fig.5.3-7に先行履歴を与えた後のCase2PSの透水係数一せん断変位曲線を示す.

先行履歴を与えた後， せん断前(せん断変位Ûmm)の透水係数は， Case1PSと同様 に， いずれの場合も1 cm/sec以上の透水係数を示し， 先行履歴を与える前の透水係数 よりも1オーダー近く大きくなる. せん断時の透水係数は， 一旦減少した後， いずれー のケースも徐々に増加し， せん断とともにほぼ一定の値を示す. 先行履歴時の垂直応 力が小さいlMPa/12mm-5MPaの場合には， 透水係数は， 一旦減少した後， 他のケース よりも急に透水係数は増加し， 一定の値を示す. 特にせん断変位3mm以降は， 先行 履歴を与えない垂直応力5MPaにおけるせん断時の透水係数の変化とほぼ同じ挙動を 示す. その他の場合には， 透水係数は， わずかに減少した後， せん断とともに緩やか に増加する. また， 先行履歴時に与えた垂直応力が大きいほど， 透水係数が減少する せん断変位および透水係数が一定となるせん断変位の値は大きくなる. 透水係数は，

せん断とともに最小値から約8 '"'-'12倍程度増加し， 先行履歴を与えない場合と比べて，

その増加量は小さい. さらに， 透水係数は， Case1PSと同様， 先行履歴の有無によら ず， 最終的には， ほぼ同じ値を示す.

このように， 先行履歴を与えると， せん断前の透水係数は， 先行履歴を与えない場 合よりも大きな値を示す. そして， 透水係数は， せん断初期に一旦減少した後， 緩や かに増加し， 一定の透水係数を示し， 最終的にその透水係数は履歴を与えない場合の 透水係数とほぼ同じ値を示す. またF 透水係数の変化は， 先行履歴時に作用させる垂 直応力レベル(不連続面の壁面強度に対する垂直応力の比)が小さい場合には， せん 断初期を除いては先行履歴の有無によらず透水係数の変化はほぼ同じ挙動を示す. し かし， 先行履歴時に作.用させる垂直応力レベルが， 大きい場合には， 透水係数は最小 値を示した後， 一定の割合で緩やかに増加し， 最終的には履歴を与えない場合の透水 係数に等しくなる.

1MPa 5MPa 10MPa 20MPa

20

20

ロ マ O ロ

ODA

5

ロロロ

5MPa/12mm・20MPa 5M Pa/12mm-1 OM Pa 5MPa/12mm・5MPa 5MPa/12mm・1MPa

22E

10 15

Shear

disp. (mm)

。

色 ロ マ

10 15

Shear

disp. (mm)

(a) Non-historical joint

qA 9Au Q QVA A O口A QHγa Q}A

OBAU OR]h ov口A ovnE O V 口

&

02uA

。

A ロ v

nu 5 仰山

町

叩叩

(00ω\ε0)vてと一〉一ぢコ刀C000=コC』刀〉工

nu

mu

mu

0

0 (00ω\EO)vてと一〉一ちコ万戸』000=コ伺」hvh工

(b) Historical joint

Hydraulic conductivity vs.shear disp.plots of non-historical and historical joint (CaselPS).

Fig.5.3-6

自151- -150-

せん断変位の異なる先行履歴による影響

5. 4. 1 せん断応力特性

Fig.5.4・lkこCase3PDの先行履歴時のせん断応力一せん断変位曲線と先行履歴を与え た後のせん断応力一せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， 与えたせん断変位の大きさが異なるものの， Case1PSと同様のせ ん断応力一せん断変位曲線を示す.

先行履歴を与えた後では， せん断応力は， すべての場合で， 鋭いピークを示さず，

せん断変位約1.5mm付近で， 約5MPaまで増加し， そのまま一定の残留せん断応力を 示す. このように先行履歴により， せん断応力の鋭いピークが見られなくなり， 最大 せん断応力を示すせん断変イ立が， 履歴を与えない場合よりも大きくなる. また， 残留 せん断応力の値は， 垂直応力5MPa一定条件下で、の値とほぼ一致する. さらに， 第4 章で示した垂直応力5MPa一定条件下で、の初期せん断岡IJ性は， 約lO.5MPajmmで、あるの に対して先行履歴を与えた後では， 初期せん断剛性は約4.7 ""'6.6MPa/mmとなり， 先行 履歴を与えることにより， 初期せん断剛性は小さくなる. しかし， 先行履歴として与 えたせん断変位の大きさの違いによる影響は， 明確には確認されない.

Figふ4-2にCぉe4PDの先行履歴時のせん断応力一せん断変位曲線と先行履歴を与え た後のせん断時のせん断応力一せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， 与えたせん断変位の大きさが異なるものの， Case2PSの垂直応力 が10MPaの場合と同様のせん断応力一せん断変位曲線を示す.

先行履歴を与えた後では， せん断応力は， すべての場合で鋭いピークを示さず， せ ん断変位約2.0mm付近で， 約4.5MPaまで増加し， そのまま一定の残留せん断応力を示 す. このように先行履歴により， せん断応力の鋭いピークが見られなくなり， 最大せ ん断応力を示すせん断変位が大きくなる. また， 残留せん断応力の値は， 垂直応力5 MPa一定条件下で、の値とほぼ一致する. 先行履歴を与えた後の初期せん断剛性は約2.8

"-'4.5MPa加mとなり， 垂直応力5島1Pa一定条件下で、の初期せん断剛性， Case3PDの初 期せん断剛性よりも小さな値を示す. しかし， Case3PDと同様に， 先行履歴として与 えたせん断変位の大きさの違いによる影響は， 明確には確認されない.

これらの結果から， 先行履歴として与えた垂直応力レベル(不連続面の壁面強度に 対する垂直応力の比)によらず， せん断時の垂直応力が同じであれば， せん断変位が 大きくなるにつれて， 一定となる残留せん断応力は， ほぼ同じ値を示す. さらに， 先 行履歴を与えることで， せん断初期のせん断岡IJ性は減少し， その時の垂直応力レベル が大きいほどせん断剛性は減少する. これは， 5.3.1節で述べたように垂直応力レベル が大きくなることで， 不連続面の凹凸の破壊が著しくなるためであると考えられる.

しかし， 先行履歴として与えたせん断変位の大きさの違いによる影響は， 明確には確 認されない.

5. 4

Q

20

Hydraulic conductivity vs. shear disp. plots of historical joint (Case2PS).

O B O O RU 0

8口 。

Fig.5.3・7

20MPa/12mm-5MPa 10MPa/12mm-5MPa

nM ハM

ハMMv ハ門り nMV nMMV O目。 OBO

1 MPa/12mm-5MPa 5MPa/12mm-5MPa

m m

0

8

10 Shear Disp.

。

思

。

。

ロ マ

。

回

。

円ロ ハ白 。白 A白 円MV

5

。 。

。 。

nu

mu

v

o o 4EE 4EE (00ω\ε0)vてと一〉一ぢコ刀C000=コ何』刀〉工

5. 4. 2 垂直変位特性

Fig.5.4-3にCase3PDの先行履歴時の垂直変位-せん断変位曲線と先行履歴を与えた

ー152- -153-

一m m一nu一42E-M一DL m一一川一m一行{6一/，，r-・:・E・g・-ν'・3内d一p・一M一nu一4EEE

10MPa/2mm 10MPa/4mm

20 10

。

圃10

(6丘三)ωωω』窃」dwozω 5MPa/2mm

5MPa/4mm

5MPa/6mm

5MPa/10mm

y 20

10

。 ω c..

E ω cn O

� 4・dcn

�

cö 0

お-10

10 15 20

Shear

disp. (mm)

5 -20

20 0

10 15

Shear

disp. (mm)

-20 5 0

(a) Preceding History (Normal s町ess: 10MPa，

Shear disp.: 2， 4， 6，10mm， respectively) (a) Preceding History (Normal stress: 5MPa，

Shear disp.: 2，4， 6，10mm， respectively)

20 20

1OMPa/2mm・5MPa

10MPa/6mm-5MPa 10MPa/4mm-5MPa

c a E ω ω Q)

'- 4圃dω

'-

cö Q)

5.10 10

。

5MPa/2mm-5MPa

10

旬

。園 三 ω ω O

L圃 4・dω

�

ω Q)

お圃10

1 OMPa/1 Omm-5MPa

-20 0 -20

0 10 15 20

Shear

disp. (mm)

20 5 15

5 10

(b)After出e preceding history for each specimen (Normal stress: 5MPa，

Shear disp.: 20mm)

Shear

disp. (mm)

(b)After the preceding history for each specimen (Normal s住ess: 5MPa，

Shear disp.: 20mm)

Shear stress vs. shear disp. curves of Case4PD.

Fig.5.4-2 Shear stress vs. shear disp. curves of Case3PD.

Fig.5.4・1

-154-

ー155-

3

5 10 15

Shear

disp. (mm)

(a) Preceding History (Normal s町ess: 5MPa，

Shear disp.: 2，4， 6，10mm， respectively)

20

後の垂直変位-せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， 与えたせん断変位の大きさが異なるものの， Case1PSと同様の垂 直変位-せん断変位曲線を示す.

先行履歴を与えた後では， 垂直変位は， 最初， せん断とともにわずかに減少する.

その垂直変位が最小となるせん断変位は， 先行履歴のせん断時よりもわずかながら大 きくなる. そして， 垂直変位は， ダイレーションにより増加し， 先行履歴を与えない 場合と同様に， 垂直変位の変化率(垂直変位とせん断変位との勾配)は， 最初， 大き く増加するが， 徐々に減少し， その後， 一定の変化率で， 垂直変位は増加する. この ような挙動は， 垂直応力5MPa一定条件下で、の垂直変位の挙動とほぼ同じ挙動を示す.

このように， 先行履歴として与えたせん断変位の大きさ違いによる影響は， ほとんど 見られない.

Fig.5.4-4にCase4PDの先行履歴時の垂直変位一せん断変位曲線と先行履歴を与えた 後の垂直変位-せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， 与えたせん断変位の大きさが異なるものの， Case2PSの垂直応力 が10MPaの場合と同様の垂直変位一せん断変位曲線を示す.

先行履歴を与えた後では， 垂直変位は， すべての場合において， せん断とともに一 旦， わずかに減少する. 垂直変位が最小となるせん断変位は， 先行履歴のせん断時よ りも大きくなる. そして， 垂直変位は， せん断とともに増加し， 10MPaj10mm-5MPa以 外は， 先行履歴を与えない場合と同様に， 最初大きく増加した後， 徐々に垂直変位の 変化率は減少し， 一定の変化率で増加する. 一方， 10MPajl仇nm-5MPaの場合， 垂直変 位はほぼ一定の割合で増加し， 垂直変位の変化率の変化は生じない. この挙動は，

Case2PSにおける10MPaj12mm-5MPaのせん断による垂直変位の変化と同じ挙動を示す.

これは先行履歴として作用させた垂直応力レベル(不連続面の壁面強度に対する垂 直応力の比)が大きいこと， 先行履歴として与えたせん断変位が大きいことが， その 原因として考えられる. せん断による不連続面の凹凸の変化については， 第4章 (Fig.4.8-2)で示したように， 垂直応力が5MPaの場合には， 不連続面の凸部がわず かに破壊される程度であり， せん断は， 基本的に凹凸の乗り上げが中心となって進行 する. しかし， 垂直応力が10MPaの場合には， 凹凸の破壊が， 垂直応力が5MPaより も著しく， せん断は， 凹凸の破壊と乗り上げを伴い生じると考えられる. 第4章で示 した凹凸の破壊状況は， せん断変位が2伽mの時点で、の状況を示したが， せん断変位 の大きさにより， 凹凸の破壊状況が異なり， 10MPaj10mm-5MPaの垂直変位の変化が，

他の場合と異なる挙動を示したと考えられる.

内/』(εε)

己ω一万一応にとOZ

5MPa/4mm 5MPa/2mm

。

3

ε

E 2

I

CUL 〉

I

て3

z ₆

E

I _， _.".，. � --"_ ... ・・・屯:;...

py

MPa/4mm・5MPa

。 5 10 15 20

Shear

disp. (mm)

(b)After出e preceding history for each specimen(Nonnal s町ess: 5MPa，

Shear disp.: 20mm)

5. 4. ₃ 透水特性

Fig.5.4-5にCase3PDの先行履歴時の透水係数-せん断変位曲線と先行履歴を与えた 後の透水係数-せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， 透水係数は， せん断とともに一旦減少した後， 急激に増加し， 最 終せん断変位に応じて， 約30"""130倍程度増加する.

先行履歴を与えた後， せん断前(せん断変位Ümm)の透水係数は， Case1PSの場合 Fig.5.4・3 Normal disp. vs. shear disp. curves of Case3PD.

ー156- ー157-

5MPa/2mm 5MPal4mm

色

。 ロ 口

ロ ロ

ロ

8 。

a A OQ

5MPa/6mm 5MPaパOmm

。 口

10 15 20 Shear

disp. (mm)

nu

噌，

内d m

叩 怜

。

(Oωω\ευ)vてと一〉一ぢコ刀C000=コ何」吉弘工 3

2

〆

AA

(EE)・aω一℃一6E」OZ

m一m一

AH1一

川町一m

一， W4JDE hN一ηζo

M

nU 4E'

15 20 10

Shear

disp. (mm)

5

。

(a) Preceding History (Normal stress: 5MPa，

Shear disp.: 2，4， 6，10mm， respectively) (a)Preceding History(Pdonnals町ess: 10MPa，

Shear disp.: 2，4， 6，10mm， respectively)

。自白合8 a a a a e e a a a e ß a

5MPal2mm・5MPa 5MPa/4mm・5MPa

a

。

A OOAU 0肉V A0 AUQ

5MPa/6mm-5MPa

。

5MPa/10mm-5MPa

口

nu nu

dEE 4EE

.(.) 10・1 コ

<<1

℃

〉、

工10・2

。

10MPa/2mm-5MPa

3

ε 2 ε 己ω一

刀一ω ε』OZ

。 ²⁰

Shear

disp. (mm)

(b)After白e preceding history for each specimen (Normal stress: 5MPa，

Shear disp.: 20mm) 10 15

20 5 Shear

disp. (mm)

(b)After the preceding history for each specimen(Noロnal stress: 5MPa，

Shear disp.: 20mm) 10 15

5

Hydraulic conductivity vs. shear disp. curves of Case3PD.

Fig.5.4・5 Normal disp. vs. shear disp. curves of Case4PD.

Fig.5.4-4

-159-

ー158-

10MPa/2mm 10MPa/4mm 10MPa/6mm 10MPa/10mm

色

。

。

口 ロ ロ

口 ロ

。

ロ

。

ロ

00口 OQU OロA

nu

mu

v

o

o

4EE4EE4.，4EE

(0 0ω\ε0

)》てと一〉一ちコ匂C000一一コghuh工

20

《凶 《凶口 《凶H Q臼 〈川口 QAU Qω口 nEロ QU口

8 ロ aw ロ Quv 口 Q8 ロ QUV 口 QO 口

QO auo

Shear disp. (mm)

(a) Preceding History (Normal s住ess: 10MPa，

Shear disp.: 2，4， 6，10mm， respectively)

ぢ102 Q) _ω

に3 ε 二:101

15 10

5

と同様に， いずれの場合も1cm/sec以上の透水係数を示し， 先行履歴を与える前の透 水係数よりも， 約1オーダー近く大きくなる. せん断時の透水係数は， せん断ととも に減少した後， 徐々に増加し， いずれの場合も， せん断変位10mm以降は， ほぼ一定 の値(約1.0X 101州問)を示し， 先行履歴を与えない同じ垂直応力での値とほぼ同 じ値を示す. また， 透水係数が最小となるせん断変位は， 先行履歴を与えない場合よ りも大きくなっており， せん断変位3mm以降の透水係数の変化は， 垂直応力5:MJ>a 一定条件下での変化とほぼ同じ挙動を示す. このように， 先行履歴を与えた場合には，

せん断初期を除いては， 先行履歴の有無によらず， 透水係数は， ほぼ同じ挙動を示す.

Fig.5.4-6にCase4PDの先行履歴時の透水係数-せん断変位曲線と先行履歴を与えた 後の透水係数-せん断変位曲線を示す.

先行履歴時には， 透水係数は， せん断とともに一旦減少した後， 急激に増加し， 最 終せん断変位に応じて， 約20'"'"'190倍程度増加する.

先行履歴を与えた後， せん断前(せん断変位ümm)の透水係数は， Case3PDの場合 と同様に， 先行履歴を与える前の透水係数よりも約1オーダー以上大きくなる. せん 断時の透水係数は， せん断とともに-_ê_減少する. 透水係数が最小となる時のせん断 変位は， 先行履歴を与えない場合よりも大きくなっている. その後， せん断とともに 透水係数は， 徐々に増加するが， 10:MJ>a/l白血昨日rfPaを除いて， せん断変位10mrn以降 は， ほぼ一定の透水係数(約1.0X 101cm!sec)を示す. 10MPa/l0mm-5MPaの場合には，

透水係数はほぼ一定の割合で、緩やかに増加し， せん断変位16mm以降， 他の場合と同 じ透水係数を示し， Case2PSにおける10MPa/12mm・5MPaのせん断による透水係数の変 化と同じような挙動を示す. これは垂直変位の変化と同様に， 先行履歴として作用さ せた垂直応力レベル(不連続面の壁面強度に対する垂直応力の比)が大きいこと， 先 行履歴として与えたせん断変位が大きいことがその原因として考えられる.

10MPa/2mm-5MPa 10MPaJ4mm-5MPa 10MPa/6mm-5MPa 10M Pa/1 Omm-5MPa

色

。

。 ロ 口 ロ

8

合。。。

ロ ロ自白 OOð ð ð

nu

nu nu b一〉一ぢコ刀C000=コ何』刀、戸工

20 Shear disp. (mm)

(b)After the preceding history for each specimen (Normal stress:5MPa，

Shear disp.: 20mm) Hydraulic conductivity vs. shear disp. curves of Case4PD.

Fig.5.4-6 5.

5

先行履歴による影響が生じた場合のせん断初期におけるせん断特性， 透水特性， そ の他せん断に起因する諸特性との相関性について検討を行う.

Fig.5.5-1にCase1PDの5:MJ>a/12mm-5:MJ>aの実験結果として， せん断変位に伴うせん断 応力， 垂直変位， 透水係数， AEイベント数の変化を示す.

せん断開始(A点)から垂直変位量が最小値を示す(B点)の区間において， せん 断応力は， せん断とともに増加し， 垂直変位は， 徐々に減少し最小値を示す. 透水係 数は， 初期値から徐々に減少し， AEイベント数は， せん断応力の増加とともに徐々に 増加する. そして， B点からAEイベント数が最大値を示すC点の区間においてせん断 応力の増加は緩やかになり， c点以降一定の残留せん断応力を示す. 垂直変位は， ダ イレーションにより徐々に増加し， c点以降， 一定の割合で増加しつづける. 先行履 歴を与えない場合には， 垂直変位の変化率が大きくなる挙動が生じたが， 先行履歴を 与えた場合には， 垂直変位の変化率の変化は示さない. 透水係数は， 測定間隔が大き いため正確にはわからないが， BC区間内， 特にAEイベントが最大値を示すC点付近

15 5 10

ー161- ー160-

で， 最小値を示す. これは， 先行履歴を与えない場合と同じ挙動を示す. そしてC点 以降， 透水係数は， 緩やかに増加し， せん断変位の増加とともに一定値を示す.

このように， 先行履歴を与えた不連続面では， 先行履歴によりピークせん断強度を 示さず， ダイレーションによる垂直変位の変化も一定で， 先行履歴を与えない場合と は異なる挙動を示す. しかしながら， せん断に伴う透水係数の変化は， 垂直変位が最 小値を示すせん断変位よりも大きいせん断変位， すなわちAEイベント数が最大となる せん断変位付近で、最小値を示し， せん断とともに緩やかに増加し一定値を示し， 先行 履歴を与えない場合と同じ関係を示す.

(Eε)・ago-cE』OZ

2

。

せん断過程での不連続面の表面形状の変化

せん断による先行履歴による影響を明らかにするために， せん断途中での不連続面 の表面形状の計 測を行い， 先行履歴による凹凸破壊のメカニズムを調べる.

実験は， 1つの花闘岩の試験体に対して， 不連続面凹凸の破壊が生じるような垂直 応力レベルとして垂直応力10MPa一定下で， 所定のせん断変位までせん断を行い， 試 験体をせん断箱から取り出し， 不連続面の表面形状を計測後， 再びせん断を行う. 表 面形状の計測を行ったせん断変位は， せん断応力一せん断変位関係の特徴的なせん断 変位を想定し， せん断応力がピーク値を示した直後としてせん断変位O.7mmを， せん 断応力が軟化過程を示すせん断変位として5.0mmを， さらに， 一定の残留せん断応力 に至るせん断変位として20mmを設定し， これらのせん断変位における表面形状の計 測を行う. また， 表面形状の計測方法は4.8節で実施したのと同様に， 不連続面の中 央から等間隔(測線同士の間隔は20mm)に， 長さが100mmのせん断方向に平行な4 5. 6

つの測線を設定し， これをせん断方向に測定間隔O.05mmで、計測する.

Fig.5.6・1， Fig5.6-2に実験時のせん断変位とせん断応力， 垂直変位量との関係を示 す. 図に示すように， 目的としたせん断応力の位置でせん断を停止し， 不連続面の表 面形状を計測していることがわかる.

Fig.5.6-3に代表的な測線における表面形状の変化のプロファイルとしてせん断前の プロファイノレと各せん断変位までのせん断後のプロファイルを重ねて示す. なお， 図 中のドット部は， せん断によって破壊した部分を示し， 各図とも， 下面が図中左側に 移動する方向にせん断を行っている.

せん断変位O.7mmまでのせん断では， 第4章で示したように， 不連続面の凹凸の破 壊が生じるような垂直応力レベルであるにも拘わらず， 不連続面表面が， わずかに破 壊しているだけで， 不連続面凹凸の破壊には至っていない. せん断変位5mmまでの せん断では， 不連続面の大きな凸部に破壊が生じる. また， 破壊は， せん断の方向に 対して接触する部分， つまり上面， 下面ともに傾斜が右上がりの部分に多くの破壊が 生じる. しかし， 凹凸の著しい破壊にまで、は至っていない. そして， せん断変位が 20mmまでのせん断では， 不連続面凹凸の著しい破壊が生じている.

さらに， せん断による不連続面の表面形状の変化を定量的に評価するために， 4.8 節と同様の方法で， 不連続面の間隙幅分布の変化について検討する. 不連続面の間隙

300

200

100

。

Relation of shear s住ess， normal disp， hydranlic conductivity and the AE event count with shear disp.during initial stage

Ofωaring under constant normal s佐ess of 5MPa (5MPaJ12mm・5MPa).

(εEF.()\)言。〉凶凶〈

500

400

10 i

10

8

6

4

(何色芝)ωωω」一戸ω』何ωZω ハUW叩叩

(00ω\ε0)》てkAV一

〉一ぢコ刀coos-コ巴℃KA工

。 o o

o Hydraulic conductivity

。 。

ABC 2

。

。

2 4 6 8

Shear Disp. (mm) Fig.5.5・1

-163-

-162-

Before Shear O.7mm Sheared Shear direction

Uppersurface

〈コ

20

15

10

5

(ω丘三)ωωω』Hω」伺05ω

Before Shear 5mm Sheared Upper surface

10

Shear

Disp. (mm)

Shear stress vs. shear disp. curves for different given shear displacement of a granite joint under constant normal s町ess of 10MPa.

15 20 5

。

。

Fig.5.6・1

Before Shear 20mm Sheared

L

Shear direction

〈コ

くとコ

Upper surface

2

。

(εε)・ago-cε」OZ

-2 0

Roughness profiles obtained企om出e meωurement of granite joint surfaces after shearing for different given shear displacement under constant normal s佐ess of 10MPa.

Fig.5.6-3

20

Normal disp. vs. shear disp. curves for different given shear displacement of a granite joint under constant normal stress of lOMPa.

10 15

Shear

Disp. (mm)

5

Fig.5.6・2

ー165- -164-

幅は， 計測時に不連続面を一旦開くため， その間隙幅の絶対値を求めるのは困難であ る. そこで便宜上， せん断前の計測結果をもとに間隙幅が最小となる点を接触点とみ なし， この点を基準として不連続面の間隙幅を決定した. そして， せん断後の間隙幅 にも， このせん断前の基準を採用し， 両者の比較を行う. そのため， この間隙幅はあ る意味で凹凸の破壊の程度を示す.

せん断による間隙幅のヒストグラムの変化をFig.5.6-4�こ示す. また， 図中には， 間 隙幅分布の平均値と標準偏差を示す. せん断前を基準とすると， せん断変位0.7mrnま でのせん断では， 間隙幅分布の平均値は約1 0/0程度， 標準偏差は約7%増加する. せ ん断変位5mrnまでのせん断では， 不連続面の大きな凸部に破壊が生じるため， 間隙 幅分布の平均値がわずかに増加するが， この程度のせん断では， 頻度の最大値がわず かに滅少する程度で， 間隙幅分布の形状は， 大きく変化せず， 凹凸の著しい破壊は生 じない. しかし， せん断変位2仇nmまでのせん断では， 間隙幅分布の平均値が約44%，

標準偏差が約80%も増加し， 間隙幅分布の形状も大きく異なり， 不連続面の凹凸が著 しく破壊されていることがわかる.

このように， 与えるせん断変位の大きさが大きくなるほど， 不連続面表面の凹凸の 破壊が著しくなることがわかる. 垂直応力が10MPa一定条件下でのせん断は， せん断 応力が， ピークイ直を示す直後までは， 凹凸の破壊はほとんど生じず， せん断応力がピー ク値を示し， 一定の残留せん断応力に至る過程， いわゆる軟化過程において， 不連続 面凹凸の破壊が進行し， 残留せん断応力に至ると不連続面表面の凹凸の著しい破壊が 生じることがわかる. さらにこの結果は， 第4章で述べたAEイベント数が最大となる せん断変位がピークせん断応力を示すせん断変位よりも大きいことを裏付けている.

この結果を基に， 先行履歴として異なるせん断変位を与えた場合のせん断による垂 直変位量の変化， 透水係数の変化について改めて検討すると， 垂直応力が10乱1Pa一定 条件下で， 先行履歴として残留せん断応力に至るほど大きなせん断変位(せん断変位 として10mrn以上)を与えた場合には， 不連続面凹凸の著しい破壊が生じるため，

1 OMPa/lOrnm・5MPaの場合には， 垂直変位量， 透水係数は， せん断とともに一旦， 減少 した後， いずれもほぼ一定の割合で、増加したと考えられ， このような挙動の違いは，

与えたせん断変位が大きいため， 不連続面の表面形状が変化するために生じたと考え られる.

5. ₇ まとめ

人工的に作成した岩の不連続面に先行履歴として垂直応力， せん断変位を変化させ た様々なせん断履歴与え， せん断-透水同時実験を行い， せん断による先行履歴の違 いによる不連続面のせん断特性， 透水特性の変化を明らかにするために基礎的な検討 を行った. その結果， 以下のことが明らかとなった.

1) せん断による先行履歴により， せん断初期に発現するせん断応力の鋭いピーク は発生せず， せん断初期のせん断強度は， 履歴を与えない場合と比べて小さくな る. また， 先行履歴により， 初期せん断剛性の値は小さくなる. そして， その値

一166-

30

25 乏 、 、 .:. 。

20

〉O C

、

。

15

コ

2U 10 5

。

。 Fig.5.6・4

Before 0.7mm 5mm

同/ヘ

:精一三、ャ�-�

1 2 3

Aperture (mm)

Before shearing O.7mm sheared 5mm sheared 20mm sheared Mean sdetavniadt aiord n 0.595 0.196 0.603 0.211 0.630 0.208 0.853 0.356

4 5

The change of histogram of aperture obtained from出e measurement of joint surfaces of granite under different given displacement.

-167-

は， 先行履歴時の垂直応力レベルが大きいほど小さくなる. そして， 先行履歴を 与えたとしても， せん断時の垂直応力が同じであれば， 残留せん断応力は， ほほ 同じ値を示す.

2) 先行履歴により， せん断時に垂直変位が最小となる時のせん断変位は， 大きく

なる. 垂直変位は， 先行履歴として与える垂直応力レベル， せん断変位が大きい 場合には， 一旦， 最小となった後， ほぼ一定の割合で増加し， 先行履歴を与えな い場合に生じるような垂直変位の変化率(垂直変位とせん断変位の勾配)の変化 は生じない. これは， せん断による先行履歴として， 大きな垂直応力と残留せん 断応力に至るほどの大きなせん断変位を与えると， 不連続面の凹凸が著しく破壊 されるためである. このことから， 先行履歴による垂直変位は， 先行履歴として 与える垂直応力レベル， せん断変位の大きさに依存していると考えられる.

3)先行履歴により， せん断前の初期の透水係数は， 1オーダー近くも大きくなる.

先行履歴として与える垂直応力レベル， せん断変位が大きい場合には， 透水係数 は， せん断初期に一旦減少した後， せん断とともにゆっくりと増加するため， せ ん断変位lmm以降は先行履歴を与えない場合よりも， 小さな値を示すが， 先行 履歴の有無によらず， せん断変位が大きくなると， ほぼ同じ値を示す. このこと から， 先行履歴を与えた後のせん断における透水係数の変化は， 垂直変位と同様 に， 先行履歴として与える垂直応力レベル， せん断変位の大きさに依存している と考えられる.

4) 先行履歴による影響がある場合には， 不連続面のせん断によるせん断応力， 垂 直変位， 透水係数及びAE特性の変化は， 先行履歴によりピークせん断強度を示さ ず， ダイレーションによる垂直変位の変化も一定で， 先行履歴を与えない場合と は異なるものの， せん断に伴う透水係数の変化は， 垂直変位が最小値を示すせん 断変位よりも大きいせん断変位， すなわちAEイベント数が最大となるせん断変位 付近で、最小値を示し， せん断とともに緩やかに増加し一定値を示し， 先行履歴を 与えない場合と同じ関係を示す.

5) 不連続面にせん断による先行履歴を与えることで， 不連続面の表面形状がどの

ように変化するかを明らかにするため， せん断途中で、の不連続面の表面形状の計 調陀行った その結果， 不連続面の凹凸の破壊が生じる垂直応力10悶a一定条件 下でのせん断では， せん断応力が， ピーク値を示す直後までは， 凹凸の破壊は，

ほとんど生じず， せん断応力がピーク値を示し， 一定の残留せん断応力に至る軟 化過程で不連続面凹凸の破壊が発生し始め， 残留せん断応力に至ると不連続面表 面の凹凸の著しい破壊が生じる. この結果から， 与えるせん断変位の大きさが大 きくなるほど不連続面表面の凹凸の破壊が著しくなることがわかる. さらに， こ の結果は， AEイベント数が最大となるせん断変位がピークせん断応力を示すせん 断変位よりも大きいことも裏付けている.

以上のように， 本章では， 先行履歴によるせん断一透水同時特性への影響について 検討を行った. 今回の実験では， 垂直応力が， 5MPaよりも小さい垂直応力一定の条

-168-

件下でせん断による先行履歴を与えたとしても， 先行履歴による影響としては， 初期 のせん断強度の低下， 初期透水係数の増加が生じるのみで， せん断により垂直変位や 透水係数の変化にはほとんど影響がみられない. しかし， 先行履歴として垂直応力が 10MPa以上で， 残留せん断領域に至るまでの大きなせん断変位を与えた場合には， 初 期 のせん断強度の低下， 垂直変位の変化率の減少， 初期透水係数の増加とせん断に伴 う透水係数の低下などが生Iニる. これは， 先行履歴により不連続面の凹凸が著しく破 壊されるか否かに原因がある. この不連続面の著しい凹凸の破壊は， 不連続面に作用 する垂直応力レベルが大きく， かつ残留領域に至るまでの大きなせん断変位までせん 断させた時に生じることが明らかとなった. その結果， 先行履歴を受けた不連続面の せん断-透水同時特性を明らかにするためには， 先行履歴時に作用する垂直応力レベ ル， 与えたせん断変位の大きさを適切に評価することが重要となる.

-1 69-

第6章 自然の不連続面のせん断一透水同時特'性

6. 1 はじめに

原位置に存在する不連続面の諸特性を明らかにするために， 多くの現位置試験が実 施されている. これらは， 岩盤全体の概略的な特性を調べるためには， 非常に有効で あり， かつめんどうな境界条件も設定することなく試験ができるなど， 多くの利点を 持つ. しかし， 複雑な影響因子が， 岩盤不連続面の特性にどのような影響を与えてい るかを明らかにするには， 適当であるとは考えられない.

第2章で述べたように， 現位置試験と比較して， 室内試験では， 要求される応力や 変位を， 正確にかつ容易に載荷・計測できる特徴がある. 特にせん断-透水同時実験 のような複数の特性を同時に評価できる実験を現場から採取した試験体に対して行う ことで， 現場の状況をより幅広く捉える可能性を有する.

本章では， 岩手県釜石鉱山で採取した自然の不連続面を用いて， その不連続面のせ ん断一透水同時特性を明らかにすることを目的として実験を行う. まず， 現場採取の 任意形状の試験体に対応できるせん断容器を開発し， 現場より採取した自然の不連続 面を用いて， 効果的に実験を行う方法を考案する. そ して， 採取位置の異なる試験体 に対して， せん断一透水同時実験， およびAE計測， 不連続面の表面形状計測を行い，

自然の不連続面のせん断-透水同時特性およびそのメカニズムについて明らかにする.

6. 2 試験体

試験体は， 釜石鉱山550mレベル・NW坑道および250mレベル・試験坑道より採取さ れたものである. 釜石鉱山周辺の地形図をFig.6.2-1に示す. 坑道周辺は， 両者とも花

関閃緑岩(栗橋花尚閃緑岩)で覆われており， 対象となる不連続面は， 坑道軸とほぼ 直角に交差しており， 坑道壁面に， ほぽ鉛直方向に現れている. サンプリングの際に は， Photo.6.2-1に示すように， 不連続面が直径100mmのボーリングコアのほぼ中央に 入るように採取した.

各レベノレにおける岩石の諸特性について， 別途行われた室内試験から得られた結果 を， Table.6.2-1およびTable.6.2-2に示す. 各値については， 全試験データの平均値を 示す. このように， 供試体レベルの新鮮な栗橋花闘閃緑岩の力学的特性は， 一軸圧縮 強度， 静弾性係数も大きく非常に堅固な岩石といえる.

6. 3 不連続面表面の性状

ボーリングにより採取した2種類の花闘閃緑岩(550mレベルと250mレベル)の不 連続面表面を観察することで， 次のようなことが明らかとなった.

550mレベルにおける岩盤不連続面表面には， 幅2""'5mmの細脈が発達している. こ の細脈部は， 鏡肌(スリッケンサイト)になっており， サンプノレの採取時以前に不連

550ml坑道 。

250ml坑道

Fig.6.2-1 A topographical map and the layout of Kamaishi minning.

-171-

ー170-

AAli--

NIl--司

2km

Photo 6.2-1 Sampling location on the tunnel wall at E.L.250m.

Photo 6.3-1 Joint surface ofthe specimen (Case2N).

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Table6.2・1 Mechanical properties of Kurihashi granite at E.L. 550m.

Unit weight (g!cm3) ^2.74 Uniaxial strength (MPa) ^173.5 Modulus of elasticity (GPa) 64.6

Poisson's ratio (-) ^0.24 Tensile strength (MPa) 11.5

Table6.2-2 Mechanical properties of Kurihashi gr出lÎte at E.L. 250m.

Unit weight (g/cm3) ^2.77

Velocity of primary wave (km/s) ^5.00 Velocity of secondary wave (km/s) 2.51 Uniaxial strength (Mpa) ^144.4 Modulus of elasticity (GPa) ^58.2

Poisson's ratio (一) 0.25

Cohesion (MPa) . 23.3 Internal angle of friction C ) _52.6

Tensile strength (MPa) ^11.6

ー175-

Fig.6.3-1

α。 =250 at E.L.550m α。 =200 at E.L.250m

Sampling of natura1 joint.

lickenside Boring

EEOOF 続面は， すでにせん断履歴を受けており， 上下面のかみ合いが最もよい状態から， ス

リツケンサイトの方向(コア軸に対して約250 傾斜した方向)に約12mmほど変位し ていることが分かつた(Pig.6.3-1). さらに， 細脈部は， 暗緑灰色鉱物が， 盤際側に 発達し， 中央部に白色鉱物を伴っている. 白色鉱物は， 乳白色不透明で， 針で容易に 傷がつく軟らかい鉱物と， 傷がつきにくいやや硬い鉱物の2種類が識別された.

さらに， 不連続面表面を充填する鉱物の定性分析のために， 粉末X線回折法による 物質の同定を行った 実験では， 不連続面表面の充填物を針で取り出し， 乳鉢内で軽 く粉砕した後， それをガラス試料板につめ， 分析を行う. 実験により得られたX線回 折チャートを， JCPDS(1981)をもとに作成した既知物質の回折チャート(Pig.6.3-2) と比較する. その結果， 細脈を構成する鉱物のうち， 暗緑色鉱物は， venniculite �こ，

白色鉱物は， c品cite， stilbite， quartz'こよく一致することが分かつた. vermiculiteは， 花 岡閃緑岩の構成物質である角閃石が変質したものと考えられる 一方，叫民および stilbiteは， 軟らかい鉱物であり， 後者は， 沸石鉱物の一種である. これらの細脈は，

岩体の不連続面に沿って， 熱水が循環した時代に形成されたものと考えられる.

一方 250mレベルにおける岩盤不連続面表面には， 550mレベノレよりも細脈が発達 している. また， 550mレベルのサンプルと同様に， 細脈部は鏡肌(スリッケンサイト) になっており， 明らかにサンプル採取以前に， スリッ ケンサイトの方向(コア軸に対 して約200 傾斜した方向)にせん断履歴を受けた傾向がわかる(Pig.6.3・1). また，

不連続面全面に， 白色鉱物が充填物として介在しており(Photo6.3-1)， その厚さは 550mレベノレよりもかなり厚いものとなっている. そして， この白色鉱物は， 不連続面 に沿ってはがれやすく， 非常に軟らかな鉱物であった.

6. 4 試験体の作成

人工不連続面のせん断一透水試験に用いられるせん断箱は， 縦120mmX横100mmX 高さ80mmの直方体に整形した試験体用に， 設計されている. 今回， 試験体は， 直径 100mmのコアとしてサンプリングされ， そのコア軸方向に平行に不連続面を有してい る. 実験ではこの不連続面がせん断面と一致するような位置に安定した状態で固定す る必要があるが， サンプリングした試験体を直接用いることはできない. そのため，

3.4節で述べたような鋼製のガイド(外寸法が縦148mmX横130mmX高さ61.5mmのみ ぞ型鋼)を用い， せん断箱内に収まるような試験体を作成する. なお， せん断箱も，

この銅製のガイドと一体化した試験体が収まるように改良を加えた.

採取した2種類のサンプノレ内の不連続面は， Pig.6.3-1に示すように， コア軸に対し てやや傾斜した方向(550mレベルの試験体で、はコア軸に対して約250 ， 250mレベノレ の試験体ではコア軸に対して約200 )にせん断履歴を受けている. また， 550mレベル の試験体では， この方向にせん断履歴によるせん断変位が， 約12mm発生しているの が明らかであるが， 250mレベルの試験体で、は， 不連続面聞に充填物が多く含まれてお り せん断履歴によるせん断変位量を特定することができない. そこで， 550mレベル の試験体については， 不連続面がせん断履歴を受ける前の状態(現状から スリッケン

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6. 5 実験方法および実験ケース

実験は， 550mレベルで、採取した試験体(以降， CaselN)と， 250mレベルで、採取し た試験体(以降， Case2N)に対して， 異なる垂直応力一定条件下で実験を行う. 実験 方法について， 以下に示す. なお， ケース名については， 第4章， 第5章での人工不 連続面の実験ケースと比較するためにケース名の後ろにN (NaωralのN)をつける.

① 試験体の作成

6.4節に示す方法により， 試験体を作成する.

不連続面の表面形状の計測(実験前)

せん断前の不連続面の表面形状を明らかにするために， 不連続面表面形状の計 測システムを用いて， せん断方向の測線に沿って表面形状の計測を行う.

③ 不連続面の湿潤 不連続面部に注水し，

これをせん断箱にセッ サイトの方向に12mm移動させた状態)を初期状態とし， 250mレベルの試験体につい てはせん断履歴を受けた後の状態(現状の状態)を初期状態として実験を行う.

試験体の作成手順の概念図についてFig.6.4-1に示すとともに， 以下に具体的な手順 を示す.

① 初期状態におけるサンプル内の不連続面がずれないよう， 粘着テープでしっか り固定し， 鋼製のガイドの内寸法に収まるように， コアの両端を岩石カッターで 切り落とす.

② 銅製のガイドの両側側面に， テフロンシートを貼付した型枠を取り付け， そこ に固結材料を流し込んで， 不連続面より下半分の部分の試験体を固定する. その 際， 不連続面への固結材料の浸入を防ぐために， 事前に幅10mmのパンテージを 不連続面に沿って巻いておく. この型枠は， 固結材料の流出を防止し， 銅製のガ イドの上下のズレを解消する役割を果たす. 固結材料には， エポキシ樹脂と珪砂 を1 : 2で混合したSBモルタノレ(ショーボンド建設製， 硬化時の圧縮強度約 50MPa)を用いる. なお， サンプルを埋め込む際， 不連続面表面のスリッケンサ イトの方向が， 銅製のガイドの長手方向， つまり， せん断方向に一致するように

留意する. この状態で約24時開放置し， 固結材料を硬化させる.

③ 試験体下半分部分が硬化していることを確認し， 試験体上下を逆に向け， 同様 の方法で， 不連続面より上半分の部分を固定する. その際， 上下の銅製のガイド が接触しないように， 一定の隙間を確保するために幅1臼nmのスベイサーを挟む.

そして， 約24時間放置し， 固結材料を硬化させる.

④ 固結材料が硬化した後， スベイサーおよび型枠を取り外し， バンテージ， 粘着 テープをカットする. その後， 透水試験のための給水孔(直径8mm)を試験体下 部から不連続面まで貫通させる.

このようにして， 銅製のガイドと一体化した誤験体を作成し，

トし実験を行う.

完全に湿潤するまでしばらく放置する.

②

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