水の軟化を考慮した片麻岩の内部損傷進展の研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12672 (2023) この記事を引用

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軟岩トンネルでは、建設中に大きな変形が発生することが多く、特に地下水が浸透して周囲の岩石が軟化する際に起こります。 周囲の岩石の強度と安定性に及ぼす水浸漬の軟化効果を研究するという目的を達成するために、15 個の岩石サンプルが 5 つの条件下で物理的および機械的試験のために選択されました。自然状態および 1、3、6、9 か月間の自由浸漬、また、核磁気共鳴技術（NMR）を採用して、異なる浸漬時間で試料の内部細孔構造を検査し、NMR緩和時間T2スペクトル分布、気孔率、細孔容積比などの片麻岩の微細構造特徴を明らかにしました。次に、水軟化下での異なる細孔サイズが得られました。 NMR の結果は、岩石サンプルの自由浸漬時間が長くなるほど、空隙率が大きくなることを示しています。 同時に、岩石中の微細孔の数は水と岩石の相互作用により徐々に減少し、メソ孔は最初はわずかに増加し、その後常に減少します。 マクロ細孔の数は徐々に増加しています。 浸漬時間が 6 か月になると、マクロ細孔の数が大幅に増加し始め、試験片の機械的特性が大幅に低下し始めます。 9 か月までに、岩石中のマクロ孔の割合は 57.6% に達しました。 その結果、マクロ孔の数の増加が岩石サンプルの巨視的破損の根本原因であることが示されました。 この研究結果は、水の豊富な地域での現場建設にとって重要な意味を持つ。

水の豊富な地域の特殊な自然条件の下では、地盤工学建設は必然的に地下水の影響を受けます。 他の岩石と比較して、軟岩は構造が破壊され、膨張性が高いという特徴があり、長時間水に浸漬すると、自己耐力の低下と機械的特性の面での明らかな強度の低下を引き起こし1、内部損傷が現れます。水軟化過程で岩石中に存在する複雑な細孔構造の連続的な変化が、岩石の巨視的な機械的性質と破壊特性を決定します2。 したがって、軟岩の浸漬軟化時の内部損傷特性を正確に把握できれば、軟岩の変形や破壊を解析する上で大きな意義があると考えられる。

現在、国内外の多くの学者が、水浸漬による軟化効果が岩石の性質や内部損傷に及ぼす影響について、多くの実験や理論研究を行っている。 機械的特性への影響については、Hashiba et al. 彼らは、山岳安山岩の変形と破壊が水分飽和の影響を受けるかどうかを調査するために、圧縮試験と引張試験を実施しました。 結果は、岩石の圧縮強度と引張強度が水飽和の対数に比例して減少することを示しています3。 ハサンら。 は、飽和キャリパー法を使用して水と岩石の相互作用実験を実施し、さまざまな程度の風化下で水が花崗岩の強度メカニズムにどのような影響を与えるかを調査しました。 結果は、岩石の微細構造中に水が存在すると、湿潤と乾燥のプロセスが発生することを示しています。 この過程で多数の微細孔が生成され、岩石の構造や強度が弱くなる4。 砂岩の物理的および機械的特性が水の影響下でどのように変化するかを研究するために、Zhou らは、 は、一軸圧縮試験を使用して、さまざまな含水量の砂岩を研究しました。 これは、砂岩の一軸圧縮強度と弾性率が含水量に反比例することを示しています。これは、水の存在により岩石が柔らかくなり、機械的特性が弱くなることを意味します5。 シャオらは、水環境の変化による龍游石窟の風化と破壊の全過程とメカニズムを解明するために、研究を行った。 さまざまな含水条件下で砂岩の機械的特性と弾性波試験を実施しました。 研究結果では、含水量が増加するとひずみ軟化特性が弱まり、ピーク強度と弾性率が指数関数的に減少することが示されています6。 水の存在により岩石の内部温度に勾配変化が生じ、それが岩石の機械的特性にさらに影響を与えることを考慮して、Yu et al. 花崗岩上で複数の冷却と加熱のサイクルを実行し、静的機械実験を行ったところ、試験は低温および高温の条件下で複数サイクルで実行されると、花崗岩の強度が大幅に低下することを示しました7。 ラバトら。 三軸圧縮試験により、さまざまな拘束圧力における材料のピークおよび残留圧縮強度、接線引張弾性率に及ぼす水の影響を評価し、さまざまな拘束圧力条件下では、水により試験した岩石サンプルの強度と引張弾性率が低下することがわかりました。大幅に減少8. フェルストリンゲら。 鉄砂岩の損傷形態に対する水分の影響を微視的および巨視的側面の両方から研究し、さまざまなレベルで実験分析を実施しました。 低品質の砂鉄砂岩では、強度と剛性がより顕著に低下することがわかりました9。 音響放射制御クリープ試験では、砂岩による水分の吸着により、試験片の挙動が準安定クリープ破壊から加速破壊に変化しました。 カンラン石の強度と内部構造変化に対する水の作用メカニズムを調査します。 ティエルケら。 らは、カンラン石に対して無水条件と水和条件下で 2 回の変形試験を行ったところ、結晶が加水分解されて脆くなり、強度が大幅に低下することがわかりました 10。