JP2023014741A - 岩盤評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＬ級岩盤を削孔して採取したコアを用いて、岩盤の粘着力及びせん断抵抗角を評価する。【解決手段】岩盤評価方法は、岩盤を削孔して孔内載荷試験を実施し、岩盤の上載圧及び降伏圧を導出する工程と、孔内載荷試験を実施した位置からコア抜きした供試体に圧裂引張試験を実施し、岩盤の圧裂引張強度を求める工程と、岩盤に生じる垂直応力を横軸とし、せん断応力を縦軸とする座標系に、上載圧及び前記降伏圧から導出される円Ｎ１及び圧裂引張強度を示す点Ａ３を描画する工程と、点Ａ３から円Ｎ１に接線Ｎ２を描画する工程と、接線Ｎ２と縦軸との交点から岩盤の粘着力ｃを導出し、接線Ｎ２の傾きから岩盤のせん断抵抗角φを導出する工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、岩盤評価方法に関する。

下記特許文献１には、岩盤から採取したボーリングコアの一軸圧縮強度を測定し、ボーリングコアに含まれる亀裂本数をパラメーターとして岩盤の変形係数を評価する岩盤物性評価方法が記載されている。

特開２００９－２９４０２６号公報

上記特許文献１に記載された岩盤物性評価方法では、ボーリングコアのうち亀裂が生じていない実質部における一軸圧縮強度を測定する。また、岩盤の変形係数だけでなく、粘着力やせん断抵抗角を評価する場合も、一般的には、ボーリングコアの亀裂が生じていない部分から供試体を取り出し、一軸圧縮試験や三軸圧縮試験を実施する。

しかしながら、亀裂が多いＣＬ級岩盤等においては、一軸圧縮試験や三軸圧縮試験に適した大きさの供試体を採取できない場合が多い。

本発明は、上記事実を考慮して、ＣＬ級岩盤を削孔して採取したコアを用いて、岩盤の粘着力及びせん断抵抗角を評価する方法を提供する。

請求項１の岩盤評価方法は、岩盤を削孔して孔内載荷試験を実施し、前記岩盤の上載圧及び降伏圧を導出する工程と、前記孔内載荷試験を実施した位置からコア抜きした供試体に圧裂引張試験を実施し、前記岩盤の圧裂引張強度を求める工程と、前記岩盤に生じる垂直応力を横軸とし、せん断応力を縦軸とする座標系に、前記上載圧及び前記降伏圧から導出される応力円及び圧裂引張強度を示す点を描画する工程と、前記点から前記応力円に接線を描画する工程と、前記接線と縦軸との交点から前記岩盤の粘着力を導出し、前記接線の傾きから前記岩盤のせん断抵抗角を導出する工程と、を備える。

請求項１の岩盤評価方法では、孔内載荷試験の結果を用いて、岩盤に生じる垂直応力を横軸とし、せん断応力を縦軸とする座標系に応力円を描画する。

さらに、孔内載荷試験を実施した位置からコア抜きした供試体に、圧裂引張試験を実施する。圧裂引張試験は、一軸圧縮試験や三軸圧縮試験には適さない小さな供試体にも実施することができる。このため、ＣＬ級岩盤などの軟弱な岩盤でも適切に圧裂引張強度を評価できる。

そして、圧裂引張試験の試験結果を用いて上記の座標系に圧裂引張強度を示す点を描画し、当該点から前記応力円に接線を描画する。この接線と縦軸との交点は、岩盤の粘着力を示す。また、接線の傾きは、岩盤のせん断抵抗角を示す。

このように、ＣＬ級岩盤を削孔して採取したコアを用いて、岩盤の粘着力及びせん断抵抗角を評価することができる。

請求項２の岩盤評価方法は、請求項１に記載の岩盤評価方法において、前記粘着力及び前記せん断抵抗角を、亀裂係数を用いて補正する工程をさらに備える。

圧裂引張試験を実施する供試体には、供試体の大きさを超えるような大きな亀裂は含まれない。このため、単位体積当たりに含まれる亀裂は、原位置の岩盤と比較して少ない場合がある。したがって、岩盤が大きな亀裂を含んでいる場合には、原位置の岩盤より強度が高く評価値が算出される場合がある。

しかしながら、岩盤の粘着力及びせん断抵抗角は、トンネル等の構造物の設計に用いられるため、安全側に評価することが好ましい。

そこで、請求項２の岩盤評価方法では、粘着力及び前記せん断抵抗角を、亀裂係数を用いて補正する。これにより、岩盤が大きな亀裂を含んでいる場合でも、適切な評価値を算出できる。

請求項３の岩盤評価方法は、請求項２に記載の岩盤評価方法において、前記孔内載荷試験を実施した位置の前記岩盤内を伝播する弾性波速度Ｖｐを測定すると共に、前記供試体内を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０を測定して、前記弾性波速度Ｖｐ及び前記弾性波速度Ｖｐ_０を用いて前記亀裂係数を算出する工程を備え、前記弾性波速度Ｖｐ_０が前記弾性波速度Ｖｐより大きい場合に、前記粘着力及び前記せん断抵抗角を、前記亀裂係数を用いて補正する。

岩盤内を伝播する弾性波は、岩盤に亀裂が少ない場合、亀裂が多い場合より速度が大きくなる傾向がある。このため、供試体内を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０が、岩盤内を伝播する弾性波速度Ｖｐより大きい場合は、供試体に含まれる亀裂が、試験位置（孔内載荷試験を実施した位置）の岩盤に含まれる亀裂より少ないと類推できる。

この場合、請求項３の岩盤評価方法のように、供試体内を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０及び岩盤内を伝播する弾性波速度Ｖｐを用いて亀裂係数を算出し、算出された亀裂係数を用いて粘着力及びせん断抵抗角を補正することで、試験位置の岩盤を安全側に評価できる。

一方、供試体を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０が、岩盤内を伝播する弾性波速度Ｖｐより小さい場合は、供試体に含まれる亀裂が、試験位置の岩盤に含まれる亀裂より多いと類推できる。この場合、粘着力及びせん断抵抗角は、亀裂係数を用いて補正しなくても、試験位置の岩盤を安全側に評価できる。

本発明によると、ＣＬ級岩盤を削孔して採取したコアを用いて、岩盤の粘着力及びせん断抵抗角を評価することができる。

（Ａ）は本発明の実施形態に係る岩盤評価方法において、評価対象の岩盤を削孔してボーリングコアを採取している状態を示す断面図であり、（Ｂ）は孔内載荷試験を実施している状態を示す断面図である。 （Ａ）は孔内載荷試験及び圧裂引張試験の結果を図示したグラフであり（Ｂ）は圧裂引張試験の結果を示す点から孔内載荷試験の結果を示す円に接線を引いた状態を示すグラフである。 （Ａ）はボーリングコアから圧裂引張試験に用いる供試体を採取している状態を示す立面図であり、（Ｂ）は供試体に圧裂引張試験を実施している状態を示す立面図である。 （Ａ）は亀裂係数と粘着力の補正値である低減係数との関係を示したグラフであり、（Ｂ）は亀裂係数とせん断抵抗角の補正値である低減係数との関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態に係る岩盤評価方法について、図面を参照しながら説明する。各図面において同一の符号を用いて示される構成要素は、同一の構成要素であることを意味する。但し、明細書中に特段の断りが無い限り、各構成要素は一つに限定されず、複数存在してもよい。

また、各図面において重複する構成及び符号については、説明を省略する場合がある。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において構成を省略する又は異なる構成と入れ替える等、適宜変更を加えて実施することができる。

＜岩盤評価方法＞
本発明の実施形態に係る岩盤評価方法は、一軸圧縮試験や三軸圧縮試験に適した大きさの供試体を採取することが難しいＣＬ級岩盤を削孔して採取したコアを用いて、岩盤の粘着力及びせん断抵抗角を評価する方法である。

この岩盤評価方法では、評価対象の岩盤に孔内載荷試験を実施し、当該岩盤から採取した供試体に圧裂引張試験を実施し、これらの試験結果から、岩盤の粘着力及びせん断抵抗角を評価する。

（孔内載荷試験）
孔内載荷試験では、まず図１(Ａ)に示すように、評価対象の岩盤Ｇを削孔し、試験孔Ｈを形成する。試験孔Ｈを形成する際には、試験孔Ｈが形成される部分の内側の岩盤Ｇをコア抜きする。コア抜きされた岩盤すなわちボーリングコアＣ１は、後述する圧裂引張試験に使用する。

次に、図１（Ｂ）に示すように、試験孔Ｈへプローブ２０を挿入する。プローブ２０は、ゴムチューブで形成された加圧部２２を備えている。加圧部２２は、装置２４と、連結管２６で連結されている。装置２４は、圧力の制御及び測定と孔径の変位の測定とを実行する装置である。

孔内載荷試験では、装置２４から加圧部２２へ、連結管２６を介してガスや液体を送出することにより、加圧部２２の内部にガスや液体が充填され、試験孔Ｈの孔壁が押圧される。この試験によって、岩盤Ｇの上載圧（土かぶり圧）Ｐ１[kN/m²]及び降伏圧Ｐ２[kN/m²]が測定される。

ここで、孔内載荷試験によって測定された岩盤Ｇの上載圧Ｐ１[kN/m²]は、三軸応力状態における拘束圧に相当する。また、孔内載荷試験によって測定された岩盤Ｇの降伏圧Ｐ２[kN/m²]は、三軸応力状態における最大主応力に相当する。

このため、図２（Ａ）に示す、岩盤Ｇに生じる垂直応力σ[kN/m²]を横軸とし、せん断応力τ[kN/m2]を縦軸とする座標系において、上載圧Ｐ１[kN/m²]及び降伏圧Ｐ２[kN/m²]を示す点Ａ１、Ａ２をそれぞれ横軸上に描画すると、これらの点Ａ１、Ａ２を結ぶ直線を直径とする円（半円）Ｎ１を、岩盤Ｇの応力状態を示す応力円として描画できる。

なお、岩盤Ｇの上載圧Ｐ１[kN/m²]及び降伏圧Ｐ２[kN/m²]が、それぞれ三軸応力状態における拘束圧及び最大主応力に相当することは、例えば「孔内載荷試験によって求められるｃ，φについての考察：応用地質調査事務所年報 Ｎｏ．２ １９８０」等に示されている。

（圧裂引張試験）
圧裂引張試験では、まず図３(Ａ)に示すように、ボーリングコアＣ１から、供試体Ｃ２を採取する。供試体Ｃ２は、例えば長さＬが５[cm]、図３（Ｂ）に示す直径Ｄが５[cm]の円柱形状とされている。なお、以下の説明において、供試体Ｃ２を、供試体岩石Ｃ２と称す場合がある。

圧裂引張試験に用いる供試体Ｃ２の長さＬは特に限定されるものではないが、直径Ｄの１倍（本例においては５[cm]）より少ない寸法とすることができる。一方、本発明において実施しない一軸圧縮試験又は三軸圧縮試験に用いる供試体では、その長さを直径の２倍程度とする必要がある。

圧裂引張試験においては、加圧盤１００を用いて、供試体Ｃ２の外周面に荷重（図３（Ｂ）に矢印で示す供試体Ｃ２の径方向に沿う荷重）を掛けて押圧する。また、圧裂引張試験においては、加圧盤１００と供試体Ｃ２とが線接触した状態で加圧することで、供試体Ｃ２の内部に、加圧方向と交わる方向の引張力を作用させる。

圧裂引張試験によって測定された圧裂引張強度Ｓｔ[kN/m²]は、図２（Ａ）に示すように、上述した座標系の横軸上に点Ａ３として描画することができる。

（粘着力及びせん断抵抗角の導出）
岩盤Ｇの粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φは、円Ｎ１及び点Ａ３を用いて導出することができる。具体的には、図２（Ｂ）に示すように、点Ａ３から円Ｎ１へ接線Ｎ２を描画する。

接線Ｎ２と縦軸との交点である点Ａ４における縦軸の値は、岩盤Ｇの粘着力ｃ[kN/m2]を示す。また、接線Ｎ２の傾きは、岩盤Ｇのせん断抵抗角φを示す。このように、本実施形態に係る岩盤評価方法では、岩盤Ｇの粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φを、グラフを用いて評価することができる。

＜評価値の補正＞
本発明においては、上記の方法で導出された岩盤Ｇの粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φを、必要に応じて補正してもよい。粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φを補正するか否かは、孔内載荷試験を実施した位置の岩盤Ｇ（図１参照）内を伝播する弾性波速度Ｖｐ[m/s]及び供試体Ｃ２（図３参照）内を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０[m/s]を測定することを通じて判断される。

（弾性波速度測定）
孔内載荷試験を実施した位置の岩盤Ｇ内を伝播する弾性波速度Ｖｐ[km/s]は、図１に示す試験孔Ｈを利用した弾性波速度検層（ＰＳ検層）を実施して測定する。一方、供試体Ｃ２内を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０[km/s]は、超音波パルス法等の公知の方法により測定する。

（亀裂係数）
測定された原位置岩盤弾性波速度Ｖｐ及び供試体岩石Ｃ２の弾性波速度Ｖｐ_０[km/s]を用いて、亀裂係数Ｃｒを算出する。亀裂係数Ｃｒとは、次の（１）式によって定義される量である。

Ｃｒ＝１－（Ｖｐ／Ｖｐ_０）^２ ・・・（１）

本実施形態においては、弾性波速度Ｖｐ_０が弾性波速度Ｖｐより大きい場合に、亀裂係数Ｃｒを用いて、岩盤Ｇの粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φを補正する。

ここで、岩盤Ｇ内を伝播する弾性波は、岩盤Ｇに亀裂が少ない場合、亀裂が多い場合より速度が大きくなる傾向がある。このため、供試体Ｃ２内を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０が、岩盤Ｇ内を伝播する弾性波速度Ｖｐより大きい場合は、供試体Ｃ２に含まれる亀裂が、試験位置（孔内載荷試験を実施した位置）の岩盤Ｇに含まれる亀裂より少ないと類推できる。

このような状態においては、上記の方法で導出された粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φは、実際の岩盤Ｇより亀裂が少ない岩盤の粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φとして評価することとなる。

したがって、岩盤Ｇの強度を安全側に評価するためには、岩盤Ｇの粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φを適切に補正することが好ましい。

（粘着力の補正）
亀裂係数Ｃｒを用いて岩盤Ｇの粘着力ｃ[kN/m²]を補正するためには、亀裂係数Ｃｒから、図４（Ａ）に示す低減係数Ｋｃを導出する。低減係数Ｋｃは、粘着力ｃ[kN/m²]の補正値である。

具体的には、図４（Ａ）に示す曲線Ｎ３を用いる。この曲線Ｎ３は、亀裂係数Ｃｒに１対１に対応する低減係数Ｋｃを示す曲線である。曲線Ｎ３を用いることにより、（１）式から算出された亀裂係数Ｃｒに対して、低減係数Ｋｃが一意的に定められる。

低減係数Ｋｃ及び粘着力ｃ[kN/m²]を用いた補正値ｃ’は、以下の（２）式によって求められる。

ｃ’＝Ｋｃ×ｃ ・・・（２）

なお、曲線Ｎ３で示される亀裂係数Ｃｒと低減係数Ｋｃとの関係は、例えば「設計要領第二集：財団法人道路厚生会 平成１２年１月部分改訂版」から導出することができる。

（せん断抵抗角の補正）
亀裂係数Ｃｒを用いて岩盤Ｇのせん断抵抗角φを補正するためには、亀裂係数Ｃｒから、図４（Ｂ）に示す低減係数Ｋφを導出する。低減係数Ｋφは、せん断抵抗角φの補正値である。

具体的には、図４（Ｂ）に示す曲線Ｎ４を用いる。この曲線Ｎ４は、亀裂係数Ｃｒに１対１に対応する低減係数Ｋφを示す曲線である。曲線Ｎ４を用いることにより、（１）式から算出された亀裂係数Ｃｒに対して、低減係数Ｋｃが一意的に定められる。

低減係数Ｋφ及びせん断抵抗角φを用いた補正値φ’は、以下の（３）式によって求められる。

φ’＝Ｋφ×φ ・・・（３）

なお、曲線Ｎ４で示される亀裂係数Ｃｒと低減係数Ｋφとの関係は、例えば上述した「設計要領第二集：財団法人道路厚生会 平成１２年１月部分改訂版」から導出することができる。

＜作用及び効果＞
以上説明したように、本発明の実施形態に係る岩盤評価方法では、図１に示した孔内載荷試験の結果を用いて、図２（Ａ）に示すように、岩盤Ｇに生じる垂直応力を横軸とし、せん断応力を縦軸とする座標系に応力円である円Ｎ１を描画する。

さらに、図３に示すように、孔内載荷試験を実施した位置からコア抜きしたボーリングコアＣ１から採取した供試体Ｃ２に、圧裂引張試験を実施する。圧裂引張試験は、一軸圧縮試験や三軸圧縮試験には適さない小さな供試体にも実施することができる。このため、ＣＬ級岩盤などの軟弱な岩盤でも適切に圧裂引張強度Ｓｔ[kN/m²]を評価できる。

そして、圧裂引張試験の試験結果を用いて、図２に示すように、上記の座標系に圧裂引張強度Ｓｔ[kN/m²]を示す点Ａ３を描画し、当該点Ａ３から円Ｎ１に接線Ｎ２を描画する。この接線Ｎ２と縦軸との交点は、岩盤の粘着力ｃ[kN/m²]を示す。また、接線Ｎ２の傾きは、岩盤Ｇのせん断抵抗角φを示す。

このように、本実施形態では、ＣＬ級岩盤を削孔して採取したボーリングコアＣ１及び供試体Ｃ２を用いて、岩盤Ｇの粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φを評価することができる。

また、本発明の実施形態に係る岩盤評価方法では、粘着力ｃ[kN/m²]及びせん断抵抗角φを、亀裂係数Ｃｒを用いて補正する。これにより、岩盤Ｇが大きな亀裂を含んでいる場合でも、適切な評価値を算出できる。

具体的には、供試体Ｃ２内を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０及び岩盤Ｇ内を伝播する弾性波速度Ｖｐを用いて、（１）式で示したように亀裂係数Ｃｒを算出する。また、算出された亀裂係数Ｃｒを用いて低減係数Ｋｃ、Ｋφを導出する。さらに、（２）式及び（３）式で示したように、低減係数Ｋｃ、Ｋφを用いて粘着力ｃ及びせん断抵抗角φを補正することで、試験位置の岩盤Ｇを安全側に評価できる。

一方、供試体を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０が、岩盤内を伝播する弾性波速度Ｖｐより小さい場合は、供試体に含まれる亀裂が、試験位置の岩盤に含まれる亀裂より多いと類推できる。この場合、粘着力及びせん断抵抗角は、亀裂係数Ｃｒを用いて補正しなくても、試験位置の岩盤を安全側に評価できる。

ｃ 粘着力
Ｃ２ 供試体
Ｃｒ 亀裂係数
Ｇ 岩盤
Ｎ１ 円（応力円）
Ｎ２ 接線
Ｓｔ 圧裂引張強度
Ｖｐ 原位置岩盤の弾性波速度
Ｖｐ_０ 供試体岩石の弾性波速度
φ せん断抵抗角

Claims (3)

1. 岩盤を削孔して孔内載荷試験を実施し、前記岩盤の上載圧及び降伏圧を導出する工程と、
   前記孔内載荷試験を実施した位置からコア抜きした供試体に圧裂引張試験を実施し、前記岩盤の圧裂引張強度を求める工程と、
   前記岩盤に生じる垂直応力を横軸とし、せん断応力を縦軸とする座標系に、前記上載圧及び前記降伏圧から導出される応力円及び圧裂引張強度を示す点を描画する工程と、
   前記点から前記応力円に接線を描画する工程と、
   前記接線と縦軸との交点から前記岩盤の粘着力を導出し、前記接線の傾きから前記岩盤のせん断抵抗角を導出する工程と、
   を備えた岩盤評価方法。
2. 前記粘着力及び前記せん断抵抗角を、亀裂係数を用いて補正する工程をさらに備える、請求項１に記載の岩盤評価方法。
3. 前記孔内載荷試験を実施した位置の前記岩盤内を伝播する弾性波速度Ｖｐを測定すると共に、前記供試体内を伝播する弾性波速度Ｖｐ_０を測定して、前記弾性波速度Ｖｐ及び前記弾性波速度Ｖｐ_０を用いて前記亀裂係数を算出する工程を備え、
   前記弾性波速度Ｖｐ_０が前記弾性波速度Ｖｐより大きい場合に、前記粘着力及び前記せん断抵抗角を、前記亀裂係数を用いて補正する、
   請求項２に記載の岩盤評価方法。
   
   
   

Images