資源・素材学会 平成１９年度春季大会講演集（Ⅰ）資源編 講演番号３３０８ pp111-112 より引用 破壊した来待砂岩の透水性変化に関する研究 幌延 RISE 熊倉聡・木山保・西本壮志・石島洋二 北大工 藤井義明 1. 試験は，図 1 に示すような Case1 と Case2 の 2 種類の はじめに 地下構造物を構築する場合，その周辺には破壊域が形成 載荷径路で実施した。以下に試験手順をまとめる。 され，透水性が増加すると考えられる。しかし，堆積岩は， ①軸差応力 0.5MPa，封圧 7MPa および間隙水圧 5MPa で 破壊しても荷重を受けることによって透水係数が破壊前 24 時間以上静置する(圧密 1)。本試験における圧密載荷 1) の値以下に減少する場合があると報告されている 。 そこで本研究では，破壊した岩石がどのような要因で透 水性を回復するかを明らかにするために，岩石試験片に次 は，破壊後の軸ひずみを測定するためにすべて軸差応力 0.5MPa となっている。 ②軸載荷は，残留強度を確認する，もしくは周変位計の のような載荷を行い，透水性の変化を調査した。まず三軸 最大変位量 4mm に到達するまで行った(軸載荷 1)。透水 試験においてせん断破壊させ，残留強度状態まで載荷を行 試験を軸載荷前および軸載荷過程で実施した。軸載荷は， う。そして所定の圧密応力を一定時間負荷し，その後圧密 周ひずみが-1.9×10-6/s で増加するように制御した。 応力を除荷する。これらの過程で，軸載荷前，破壊の前後， 軸載荷時における透水試験は，試験中のクリープ破壊 圧密中，圧密応力除荷後などの見掛けの透水係数を求めた。 の進行を防止するために周ひずみを一定に制御した。 ③表 1 に示した圧密応力を一定時間負荷し(圧密 2)，その 2. 試料岩石と被覆方法 試料岩石は，島根産の来待砂岩を用いた。一辺 30cm の 過程で透水試験を実施した。圧密 2 における載荷応力は， 基本的に残留強度相当分としたが，Case1-3 のみ残留強 立方体型岩石試料の互いに直交する 3 組の面に垂直な方 度の 50%とした。 向の P 波速度を測定した。そして，P 波速度のもっとも速 ④再び圧密 1 の応力状態に戻し透水試験を実施する。 い方向をボーリングの掘削方向と一致させ，直径 50mm， ⑤Case2 の場合は，再度上記②∼④の手順を繰り返した。 高さ 100mm の円柱形に整形したものを試験に供した。 整形した試料は，デシケータ内で真空ポンプにより 3 日 透水試験は，トランジェントパルス法(近似解)により 間脱気後，その状態で蒸留水を投入し，さらに 3 日間脱気 行った。試験時には，約 0.5MPa のパルス圧を与え，上 した。その後大気圧下で，30 日以上水中養生した供試体 下の水圧ラインの差圧を計測した。本試験で得られた透 を試験に供した。 水係数はすべて見掛けの透水係数と呼ぶことにする。な 本試験で採用した供試体の被覆方法を以下に示す。被覆 材としてテフロン熱収縮チューブを使用した。供試体とエ お，試験中の圧力容器内の温度は 24∼26℃とし，求めた 見掛けの透水係数は 16℃の値に校正していない。 Case1の載荷経路 ンドピースの間は，ステンレスメッシュ(SUS316，#200) Case2の載荷経路 を挟み，シールテープと自己融着テープを巻き，固定した。 σ P (ピーク 強度) 供試体と被覆材間には，間隙水の側方流動防止のために， σ c (圧密 応力) 軸載荷1 軸載荷2 圧密3 圧密1 シリコン樹脂(東芝シリコーン TSE3455)を塗布した。ただ 7 し，周変位計が接触する供試体中央部は，塗布していない。 σ3 エンドピースと被覆材はクランプ式バンドで締結した。 t1 図1 3. 圧密2 σ1 試験装置と試験方法 表1 載荷装置は MTS 社製 815 を用いた(最大軸荷重が 透水試験時箇所(概略) t2 Time t3 実験で採用した載荷径路 透水試験実施箇所は概略とする 圧密 2 おける載荷時間と載荷応力 ケース 圧密 2 の 載荷時間 t2 圧密 2 の 載荷封圧 ルサーボシステムで制御されている。軸ひずみ，周ひず Case1-1 85h み，軸アクチュエータ変位，軸荷重，封圧，間隙水圧， Case1-2 24h 間隙水圧の差圧および封圧流体の温度を同時に測定した。 Case1-3 85h 11.6MPa − Case2 85h 19.3MPa 85h 4600kN，最大封圧および最大間隙水圧が 80MPa)。軸載 荷，封圧および間隙水圧の発生装置は，独立したデジタ 供試体の両端は間隙水圧のラインに接続される。 圧密 3 の 載荷応力 σc2 圧密 3 の 載荷時間 t3 19.2MPa − − 21.3MPa − − σc3 − 17.3MPa 4. 試験結果 まとめと今後の課題 6. 図 2 に軸載荷過程(軸載荷 1)における見掛けの透水係数 本試験において来待砂岩は，破壊しても再び荷重を受 の変化の例として Case1-1 の結果を示す。軸載荷前の見掛 けることによって透水性が破壊前の値以下に減少する場 -11 けの透水係数は，k =3.35×10 m/s であった。軸圧の増加に 合が多かった。今後，同様な試験を結晶質岩にも適用し， 伴い見掛けの透水係数は一度減少し，その後，残留強度状 透水性の変化について明らかにしていきたい。 態に向かうに従って増加していく。周ひずみが-1%に達す なお，本試験における軸載荷で形成された破壊面はすべ て端面を通過せず，側面に到達していた。 引用文献 1)藤井ら(2006)：資源・素材学会春季大会講演集資源 編,pp.103-104 表2 表 2 に本試験で得られた見掛けの透水係数の変化をま とめる。また，図 2 には時間経過に伴う軸応力，封圧，軸 ひずみ，周ひずみおよび見掛けの透水係数の変化の例とし ケース k1 (10-11m/s) 透水試験結果 k 2/ k 1 k 3/ k 1 k 4/ k 1 k 5/ k 1 k 6/ k 1 k 7/ k 1 Case1-1 3.35 2.0 0.4 0.7 − − − て Case1-1 の結果を示す。 すべてのケースでピーク強度後， Case1-2 4.73 1.7 0.3 0.6 − − − 残留強度に移行する過程でもっとも透水性が大きくなる Case1-3 3.33 2.4 0.8 1.1 − − − が，軸載荷前の見掛けの透水係数(k 1)と比較すると 1.7∼ Case2 14.5 1.8 0.5 0.8 1.0 0.5 0.8 る。再び圧密 1 の応力状態に戻すと見掛けの透水係数(k 4) は，Case1-3 を除き k 1 の 0.6∼0.8 倍と軸載荷前の見掛けの 透水係数より小さくなり，また破壊に伴う見掛けの透水係 -11 40 数の増加の影響もなくなった。 -11 Differential stress(MPa) 7.0x10 Case1-3 の k 4 は k 1 の 1.1 倍となり，軸載荷前の見掛けの 透水係数よりもやや大きいものの，ピーク強度後に確認し た見掛けの最大透水係数の 45%程度まで低下を確認した。 Case2 は，軸載荷 2 で残留強度に移行しても見掛けの透 -11 30 6.0x10 -11 5.0x10 -11 20 4.0x10 -11 3.0x10 -11 10 2.0x10 0 時の見掛けの透水係数(k 7)は，圧密 2 終了後に圧密 1 の応 5. 図2 図 4 に実験終了後，回収した試験試料にブルーレジンを 50 圧入してき裂周辺の状況を観察した。図 4(a)は軸載荷 1 で 40 も図 4(a)と比較すると少ない。開口量の減少は，周ひずみ の大きさが透水性の回復に寄与している可能性がある。 1 2 圧密 1 軸載荷 1 -11 3 圧密 2 8.0x10 Stress(MPa) Axal strain 7.0x10 2 -11 Axial stress 6.0x10 Hydraulic conductivity 1 0 20 -1 -11 5.0x10 -3 0 50 100 150 -11 3.0x10 -11 -2 Confining pressure 0 -11 4.0x10 2.0x10 Circumferential strain 10 しないことと一致する(図 3)。 回復に与える影響をみると，Case1-3 の結果から圧密応力 0 応力-ひずみ線図と見掛けの透水係数の変化(Case1-1) ひずみは供試体をセットした時の値を 0 とし，見掛け の透水係数は測定時の周ひずみの値を X 軸とした。 30 が，圧密 2 終了後に除荷しても圧密 2 載荷前の値まで回復 また，圧密 2 における載荷応力と載荷時間が透水係数の -1 0.0 -11 残留強度を確認後，試料を回収したもので，き裂面は直線 が，細片化した岩片によりき裂は網目状に発達し，開口量 -2 -11 1.0x10 Strain(%) 考察 的で，開口も明瞭である。図 4(b)は Case1-2 のものである Axial strain Hydraulic conductivity 水係数は k 1 とほぼ同様な値となり，圧密 3 終了後の除荷 力状態に戻した時の k 4 とほぼ同様の値となった。 8.0x10 Circumferential strain Hydraulic conductivity(m/s) って見掛けの透水係数(k 2)は，k 1 の 0.3∼0.8 倍に小さくな k 1:圧密 1 終了時の見掛けの透水係数 k 2:軸載荷 1 における見掛けの最大透水係数 k 3:圧密 2 終了時の見掛けの透水係数 k 4:圧密 2 終了後，圧密 1 の応力状態に戻した時の見掛けの透水係数 k 5:軸載荷 2 のおける見掛けの最大透水係数 k 6:圧密 3 における見掛けの透水係数 k 7:圧密 3 終了後，圧密 1 の応力状態に戻した時の見掛けの透水係数 Strain(%) 2.4 倍しか大きくならない。その後の圧密応力の負荷によ -11 1.0x10 Hydraulic conductivity(m/s) ると k =6.5×10-11m/s とほぼ一定値となる。 0.0 200 Time(hour) 図3 時間経過に伴う応力，ひずみおよび見掛けの透水係数 の変化(Case1-1) ひずみは供試体をセットした時の値を 0 とした。 き裂 以上より，破壊した岩石が再び荷重を受けると，破壊に 伴い発生したき裂が閉塞し，き裂面に生じた岩片が細片化 することにより，荷重を除荷してもき裂の閉塞は完全に回 復せず，破壊した岩石が遮蔽性を回復したと思われる。 き裂 (a)残留強度確認後に回収した供試体 図4 (b)Case1-2 き裂の薄片写真(ブルーレジン注入)
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