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応力集中による破壊現象のモデル化に関する研究(その2)

Modeling of failure phenomena in rocks induced by stress concentration (Phase 2)

鳥井原 誠*; 丸山 誠*; 桑原 徹*; 鈴木 健一郎*

Toriihara, M.*; Maruyama, M.*; Kuwahara, T.*; Suzuki, Kenichiro*

結晶質岩の脆性破壊現象を解明し、そのメカニズムをモデル化することは掘削損傷領域の物性評価において重要となる。本研究では、花崗岩を対象として、脆性破壊過程における岩石中のクラックの進展を構造解析、一軸および三軸圧縮/伸長試験、弾性波速度、比抵抗値の計測および、空洞模型試験により調べた。その結果、以下の知見を得た。(1)3次元構造解析の結果、脆性破壊の進行に伴い発生・進展するクラックは、破壊応力の90%から100%に達するまでの間、そのクラック直径が増加するにも関わらず、クラック個数密度は変化しない。(2)多方向の弾性波速度計測から決まる2階のテンソルとクラックテンソルは強い相関がある。(3)短期と長期のクラック進展メカニズムを考慮し、クラックの進展条件においてはクラック間の相互干渉効果を考慮したマイクロメカニクスに基づく解析モデルの適用性を示した。(4)複雑な応力履歴を受ける岩盤内空洞への適用を目的に空洞模型試験を実施し、空洞の周辺岩盤の脆性破壊過程をAE監視等により、損傷の進展として捕らえることができた。(5)クラックの進展による透水性の変化を考慮していくため、クラックテンソルによる透水係数の評価式を提案し、その有効性を示した。

Elucidation of the physical process leading to brittle failure in crystalline rocks and modeling its mechanism is of fundamental importance in evaluating the mechanical and hydraulic properties of EDZ. In this study, Granitic rock columns and plates with circular opening were subjected to triaxial compression and tension tests and measured elastic wave velocity and resisitivity to analyze nucleation and growth of microcracks. The following conclusions were important to note that: (1)During 90% to 100% stress levels to failure stress, it appear that cracks grew on their size but no cracks were nucleated. (2)It was demonstrated that crack tensor F$$_{ij}$$ was closely related the second rank tensor V$$_{ij}$$ which was determined by measuring elastic wave velocity on at least six direction. (3)The applicability of numerical analysis model based on the micromechanics was introduced. This could be considered the mechanism of the damage growth (microcrack growth) and the interaction among microcracks. (4)On the experiment of Granitic rock plates with circular opening, the process leading to brittle failure and damage growth of the rock around the opening were observed with AE monitoring and so on. (5)In order to evaluate the variety of permeability with the damage growth, it was showed that permeability tensor in terms of crack tensor gave the permeability change in stress history.

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