多段三軸試験における最大割線弾性率基準を用いた脆性岩のHoek–Brown miパラメータの信頼ある決定法

日常生活に関わる岩石試験の重要性

地下鉄トンネルや山岳道路からダムや地下発電所まで、私たちが頼る多くの構造物は堅い岩盤に切り開かれている。設計者は、地下深部であらゆる方向から圧縮を受ける岩盤がどのように振る舞うかを把握しなければならない。本稿は、特定の石灰岩やドロマイトのような脆性の炭酸塩岩をより賢く試験する方法を示し、一般的な試験室の制約内で、亀裂や崩壊のリスクをより正確に予測できるようにすることを目的としている。

予兆なく破壊する岩石

脆性岩はゆっくりと曲がるのではなく突然破壊するため、地下構造物の設計において特に扱いが難しい。エンジニアがこの挙動を記述する際に用いる重要な数値の一つが、広く使われるHoek–Brown破壊モデルの「mi」パラメータである。簡単に言えば、miはトンネル周辺のように等方的に締め付けられたときに岩石がどれだけ強度を増すかを示す。miをわずかに誤るだけでも、不安全な設計や過度に保守的でコストのかかる設計につながる可能性がある。しかし従来の試験法は、ほぼ同一の多くの試料と高度な装置を必要とし、特に深所や複雑な地層から採取されるコアでは常に利用可能とは限らない。

より効率的な岩石加圧法

この問題に対処するため、著者らは多段式三軸圧縮試験の最適化版を開発した。多数の別個の試料をそれぞれ一回ずつ破壊まで荷重する代わりに、単一の円筒試料を複数段階で周圧を段階的に上げながら荷重する。革新点は各段階の停止点として「最大割線弾性率」を用いることにある。すなわち、岩石が硬くなり、軟化して大きな永久損傷が蓄積し始める直前の点で試験を停止し、リセットするのである。この基準は簡素なコンピュータ・インタフェースでリアルタイムに追跡でき、特殊な計測器や完全自動の制御システムを必要としない。方法は連続加荷のバージョンと、損傷を抑えるために各段間で試料をアンロードするバージョンの二通りが試された。

法の実験適用

研究者らはこの手法をイラン西部産のドロマイト質石灰岩に適用した。この岩種は多くの土木工事で一般的である。まず圧縮強度、引張強度、弾性率、いくつかの脆性指標などの基礎特性を測定し、材料が脆性的に破壊する傾向であることを確認した。その後、従来の単段三軸試験を9試験、連続および荷重–除荷の両方式による多段試験を7試験実施した。多段試験はデータ密度が著しく高く、わずか7試料から49の異なる応力条件が得られたのに対し、従来法では9試料から9条件しか得られなかった。この高密度データにより、同じ岩石についてHoek–Brownモデルのフィッティングがより信頼性を持ち、miの推定が鋭くなった。

繰り返し荷重で岩は何を示したか

結果は二つの手法間で系統的な差を示した。多段試験は平均で約9.7という高いmi値を示し、類似岩石に推奨される範囲に近いかそれを上回る値であったのに対し、単段試験は6.8という低めの値を示した。多段試験は単一試料内で発展する一つの亀裂ネットワークを追うため、試料間の自然なばらつきを多く取り除き、閉塞効果に伴う強度増加をより正確に捉える。一方で、繰り返し荷重は微小亀裂を蓄積させるため、多段法で測定される見かけの基礎圧縮強さは単段法より若干低く出た。統計解析により、両手法間のmiの差が単なるランダムな揺らぎではなく実際の効果であることが確認された。

ラボの数値がトンネル安全に与える影響

これらの差が実務で何を意味するかを見るために、著者らは健全なドロマイト質石灰岩中の円形トンネルの数値モデルを構築し、各試験法由来のパラメータを用いてシミュレーションを行った。多段試験由来の値を用いると、トンネル周りの非弾性変形域が大きく、覆工の下方変位も大きくなると予測された。工学的には、これはより保守的で議論の余地はあるが安全側に立った予測であり、単段データだけを使うよりも設計者に対して岩盤の緩みや変形が大きくなることを警告するものである。著者らは、予告なく破壊し得る脆性岩を扱う際にはこのような保守性が望ましいと主張している。

実プロジェクトへの示唆

非専門家にとっての主要メッセージは、試験室で岩をどう試験するかがトンネルや洞室、基礎の安全性に対する見解に強く影響するという点である。本研究は、剛性に基づく単純な停止ルールを用いて慎重に制御された多段試験が、限られた試料からより多くの情報を引き出し、安全方向に偏った岩石パラメータを提供し得ることを示している。方法は依然として熟練した操作が必要であり一岩種での実証にとどまるが、貴重なコア試料が少数しかない場合でも、多くの試験室が低コストで岩石強度推定を改善する現実的な道筋を提供する。

引用: Kordloo, V., Talkhablou, M. & Sheikhani, F.A. Reliable determination of the Hoek brown Mi parameter in brittle rocks using the maximum secant modulus criterion in multistage triaxial test. Sci Rep 16, 7575 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38702-5

キーワード: 脆性岩, 三軸試験, Hoek–Brownパラメータ, トンネル安定性, ドロマイト質石灰岩