GSIシステムと電研式岩盤分類の関係について GRC (Mirarco, Laurentian Univ., Canada) Ming Cai , Peter Kaiser

GSI システムと電研式岩盤分類の関係について

GRC (Mirarco, Laurentian Univ., Canada) Ming Cai , Peter Kaiser

東京電力（株）  正会員  ○南  将行・日比野悦久 

      東電設計（株）  正会員    宇野晴彦・田坂嘉章・大森剛志

１．はじめに

  信頼性のある岩盤の力学特性を把握するには、原 位置試験を実施する必要があるが、時間やコストの 面から重要岩盤構造物に限定される場合が多い。地 質調査結果や簡易な岩石試験（一軸圧縮試験等）か ら岩盤の力学特性が評価できれば、線的・面的な広 がりを有する岩盤構造物の物性評価に大きく役立つ ものと考えられる。一般的に用いられている電研式 岩盤分類では、岩盤のゾーニングおよび工学的な力 学特性評価が可能であるが、原位置試験が実施され ていない場合には、定性的な物性評価となり、精度 の高い岩盤物性に絞込むのは難しいものと考えられ る。諸外国では、RMR 法、Q システムおよび

GSI

システムなどの経験法に基づく岩盤分類があり、こ のうち

GSI(Geological Strength Index)システムは、地

質強度指標から岩盤の強度・変形特性を直接評価で き、岩盤物性評価において、現状の岩盤分類を補う 手段として考えられる。本研究では、吉中らの電研 式岩盤分類の整理データ ¹⁾を用いて、電研式岩盤分 類と

GSI

システムの相関関係について検討を行った。

２．GSIシステム

 

Hoek, Kaiser and Bawden

²⁾は、不連続面の連結性と 不連続面表面の変質状況から岩盤を評価する地質強 度指標

GSI

を提案した。GSI値は、極めて悪い岩盤 から岩石までを

0〜100

の指標で区分するシステム である。この

GSI

システムにより岩石試験結果と地 質・節理状態から、式(1)に示す

Hoek-Brown

の破壊 基準 ²⁾におけるパラメータ

m _b , s , a

を求めることが できる。

a

c b

c

m s ÷ ÷

ø ö ç ç

è

æ +

+

= σ

σ σ σ

σ

3^{' 3'}

'

1

(1)

こ こで 、

σ ₁ ^' , σ ₃ ^'

は破壊 時の 最大 ・最小 有効 主応 力 、

m b

は岩盤の破壊基準定数、

s, a

は岩盤特性に依存す る材料定数および

σ _c

は岩石の一軸圧縮強度である。

GSI

システムによるパラメータ

m _b , s , a

は、次式に

より与えられる。

) 25 (

, 5 . 0

9 , exp 100 28 ,

exp 100

>

=

÷ ø ç ö

è

æ −

÷ = ø ç ö

è

æ −

=

GSI a

s GSI m GSI

m

_{b i}

₍₂₎

ここで、

m _i

は

Hoek-Brown

の岩石の破壊基準定数で あり、岩石の圧縮試験から得られる。

GSI < 25

^の場 合のパラメータ

s, a

は、

s = 0 , a = 0 . 65 − GSI 200

^で ある。

３．GSIシステムと電研式岩盤分類の相関関係    電研式岩盤分類は、各岩級に対応する地質・節理 条件に幅があるため、地質強度指標として定量的に 与えられる

GSI

システムとの相関性について調べた。

 

GSI

システムについては、電研式岩盤分類の岩石 硬度評点 ¹⁾に基づき、各岩級の岩石硬さの目安値か ら一軸圧縮強度σcと

Hoek-Brown

パラメータ

m

iの平 均値を推定した。ここでの

σ

c と

m

_iの変動係数(Cov) は、

Hoek

³⁾のデータを参考に、それぞれ

25%と 12.5%

と推定した。そして、各岩級の

GSI

は、図-1に示す 原位置岩盤せん断試験整理結果 ¹⁾の平均強度をシミ ュレートできる最適値として算出し、電研式岩盤分 類 で の 各 岩 級 の 節 理 間 隔 と 節 理 条 件 範 囲 に 見 合 う

GSI

の標準偏差として

3.33

を仮定した。

図 図図

図-1 岩盤等級と岩盤等級と岩盤等級と岩盤等級と

c、φの関係

、φの関係、φの関係、φの関係¹⁾

前述の推定した岩石強度特性(σc

,m

_i

)と GSI

および 変動係数に基づき、等価な

Mohr-Coulomb

強度パラ

メータ ⁴⁾

(C,φ)と変動係数を算定した。なお、変動

特性については、点推定法を用いた。図-2、図-3に キーワード：岩盤分類、岩盤物性、強度特性、GSIシステム、不連続面

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1-1-3

東京電力株式会社 建設部  土木・建築技術センター

土木学会第57回年次学術講演会（平成14年9月）

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先の図-1で示した各岩級毎の原位置試験結果と

GSI

システムで評価した強度(C，φ

)の確率密度分布の比

較を示す。図によれば、シミュレートした強度パラ メータは、試験データと同様の傾向を示す。

  図-4には、４カテゴリーのオリジナル

GSI

システ ム²⁾を定量化するため、縦軸にブロック体積

V

_b、横 軸に節理面状態係数

J

_C を付加した６カテゴリーの 新

GSI

システム表を示す。同図には、各岩級毎にシ ミュレートした強度特性と節理密度および節理表面 状態に基づいて得られた電研式岩盤分類の岩級を合 わせて示した。電研 式岩 盤分類では、

C

_H 級岩盤 の 節理間隔は、2 つの範囲(10 – 50 cm ,50 – 300 cm)で 与えられ、節理面の状態は、やや風化〜中程度風化 と記述されている。平均強度パラメータ(c 、

φ ^)を代

表する

GSI

の平均値は、先の図

-1

の平均強度をシミ ュレートできる最適値

60

であるが、通常の

C

_H 級岩 盤の節理間隔・節理面の状態から求めたブロックの 体積 は

0.7 – 10 × 10

⁴

cm

³、節理面の状態係数は

1.7 – 6

となり、

GSI

値は

53-67(60±7)の範囲にあるものと

考えられる。他岩級についても同様の設定ができる。

なお、岩級

B, C

_H

, C

_M

, C

_L間の

3

つの標準偏差の領域 が重複することは、電研式岩盤分類による岩盤評価 の非唯一性を示すものと考える。

４．おわりに 

本 研 究 で は 、 国 内 の 岩 盤 に お け る 地 質 情 報 と 岩 石・岩盤物性に基づき、GSI システムと電研式岩盤 分類について、強度特性の比較の形で検討を行い、

両者の対応を確認することができた。これにより、

国内の岩盤物性評価手法としての

GSI

システム適用 の可能性が示されたものと考えられる。

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

c (MPa)

Frequency

B (GSI) B (Denken) CH (GSI) CH (Denken) CM (GSI) CM (Denken) CL (GSI) CL (Denken)

図 図 図

図-2電研式電研式岩級電研式電研式岩級岩級分類岩級分類分類の試験データ分類の試験データの試験データとの試験データととと

GSI

による粘着による粘着による粘着による粘着 力分布

力分布 力分布

力分布の比較の比較の比較の比較

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

Frictional angle (degree)

Frequency

B (GSI) B (Denken) CH (GSI) CH (Denken) CM (GSI) CM (Denken) CL (GSI) CL (Denken)

図 図図

図-3電研式電研式電研式電研式岩級岩級岩級岩級分類分類分類分類の試験データの試験データの試験データの試験データとととと

GSI

による摩擦による摩擦による摩擦による摩擦 角分布

角分布 角分布

角分布の比較の比較の比較の比較

1.E-01 1.E+00 1.E+01 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07

Block Volume Vb (cm^3)

Blocky - very well interlocked undisturbed rock mass consisting of cubical blocks formed by three orthogonal discontinuity sets Joint spacing 30 - 100 cm

Very Blocky - interlocked, partially disturbed rock mass with multifaceted angular blocks formed by four or more discoutinuity sets

Joint spacing 10 - 30 cm

Blocky/disturbed - folded and/or faulted with angular blocks formed by many intersecting discontinuity sets Joint spacing 3 - 10 cm

Disintegrated - poorly interlocked, heavily broken rock mass with a mixture or angular and rounded rock pieces

Joint spacing < 3 cm

75

50

30 70

65

60 55

45

40 35

25

20 15

10 80

90 85 95 Massive - very well interlocked

undisturbed rock mass blocks formed by three or less discontinuity sets with very wide joint spacing Joint spacing > 100 cm

5

N/A N/A

Foliated/laminated/sheared - thinly laminated or foliated, tectonically sheared weak rock; closely spaced schistosity prevails over any other discontinuity set, resulting in complete lack of blockiness Joint spacing < 1 cm

Very good Very rough, fresh unweathered surfaces Good Rough, slightly weathered, iron stained surfaces Fair Smooth, moderately weathered or altered surfaces Poor Slickensided, highly weathered surfaces with compact coating or fillings of angular fragments Very poor Slickensided, highly weathered surfaces with soft clay coatings or fillings

12 4.5 1.7 0.67 0.25 0.09

Jc=JR/JA

GSI ^System

20 30 cm 60 100 cm

40 50

10 cm 70 80 90

5

2

1 cm 3 150

B A

C

H

C

M

C

L

D

1-Stdev 2-Stdev

3-Stdev

図図図

図-4 電研式岩盤分類システムと電研式岩盤分類システムと電研式岩盤分類システムと電研式岩盤分類システムと

GSI

システムの相システムの相システムの相システムの相 関関係の概要図

関関係の概要図関関係の概要図 関関係の概要図

参考文献 

1)吉中、櫻井、菊池：岩盤分類とその適用､土木工学社､1989.

2)Hoek, E., Kaiser, P.K. and Bawden, W.F. : Support of underground excavations in hard rock、A.A. Balkema、1995.

3)Hoek, E.:Rock Engineering,Course note by Evert Hoek、

1997.

4)田坂ら：GSI

システムによる地下深部の岩盤物性の推定､

土木学会第

57

回年次学術講演会、投稿中、2002.

土木学会第57回年次学術講演会（平成14年9月）

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