異分散ひずみ回復（ASR）法に基づく深部現地応力測定における応力依存コンプライアンス特性の調査と改良

なぜ深部地下の圧力が重要なのか

鉱山やトンネルが地中深くへ達するにつれて、周囲の岩石に内在する自然な応力は安全性に直結する主要課題となります。この隠れた応力を過小評価すると、岩盤の破裂や崩落、重大な故障を招くおそれがあります。数キロメートル地下でこうした応力を直接測ることは困難で高コストのため、技術者は信頼性が高く低コストの手法を求めています。本研究は、岩心に蓄えられた応力の“記憶”を読み取る有望な手法である異分散ひずみ回復（ASR）法を改良し、超深部竪坑での安全な施工に向けてそのチューニング方法を示します。

岩心から応力を読み取る

深部から採取された円筒状の岩心が高圧環境から突然常圧に移されると、まずバネが解放されるようにほぼ瞬間的に復元し、その後数時間から数日にわたってゆっくりとクリープし調整を続けます。この時間依存の遅延変形を異分散ひずみ回復と呼びます。複数方向に接着したひずみゲージでこれらの微小変化を追跡することで、かつて深部で岩石に作用していた三次元の応力を逆算することが可能になります。

より良い実験室試験の構築

著者らは中国の三山島金山から地表下1.7キロメートル以上で採取された花崗岩の岩心に着目しました。実験室では、岩心を標準的な円柱形に整形し、一軸圧縮強度の1/4および1/2に相当する荷重を慎重に制御して加えました（これは岩石が耐えうる圧力の一般的な指標です）。これらの荷重を24時間または48時間保持した後に荷重を解放し、その後の2日間にわたる岩石の回復を記録しました。これにより、岩石の緩和を記述する2つの主要な量、すなわち体積変化に関連するものとせん断（形状変化）に関連するものを算出できました。これらの“コンプライアンス”は、現地でのASR測定を実際の応力値に変換するための較正に必要な値です。

応力レベルが岩石の応答をどう変えるか

実験は、岩石の回復挙動が固定的ではなく、受けた応力量に強く依存することを示しました。両方の試験応力レベルにおいて、荷重除去後約48時間で体積およびせん断変化の回復曲線は安定値に近づきました。荷重を長く保持するとその後の回復は遅くなりましたが、最終的なプラトー値には大きな変化はありませんでした。重要なのは、従来は単純な定数2と仮定されていたせん断コンプライアンスと体積コンプライアンスの比が、これらの深部花崗岩では約1.85から2.48の範囲で変動し、より高い適用応力で比が大きくなることです。微視的観察と弾性波放出の監視により、この挙動は既存の微小亀裂の再開口や成長、そして石英・長石のような鉱物と、黒雲母や方解石のように弱い鉱物の異なる応答に起因することが明らかになりました。

実深竪坑での手法検証

較正の改善が現地測定に寄与するかを確かめるため、研究チームは同鉱山の深さ2,000メートル超の垂直竪坑から採取した岩心にASR法を適用しました。長尺の岩心にひずみゲージや弾性波センサーを配し、約72時間にわたりひずみ回復を監視した後、実験室で得た応力ごとのコンプライアンス値を用いて深部の現地応力を推定しました。これらの推定値は、近傍のボーリング孔で実施した水圧破砕試験という独立したベンチマークと比較されました。水圧破砕は岩盤工学で広く受け入れられていますが、深部では高コストで技術的に困難です。

地下の力学のより鮮明な像

比較の結果、ASR計算において一軸圧縮強度の1/4で較正したコンプライアンス値（当該竪坑での自然鉛直応力と岩石強度の典型的比に相当）を用いると、結果は水圧破砕のデータと良く一致しました。主要な水平方向応力の差異は数パーセントの範囲にとどまり、従来の「比＝2」という近道を使った場合よりもはるかに小さい誤差でした。要するに、本研究はASRが深部の岩石応力を正確かつ経済的に測定できる可能性を示しますが、そのためには実験室での較正が現地の応力条件を再現し、回復が安定するまで最低でも2日間は観測する必要があることを明らかにしました。この改良されたアプローチは、鉱山やトンネルの設計技術者に対して地中深部で働く力をより鮮明かつ信頼性高く示す窓を提供します。

引用: Li, T., Xiang, P., Ji, H. et al. Investigation and enhancement of stress-dependent compliance characteristics in deep in-situ stress measurements based on anelastic strain recovery (ASR) method. Sci Rep 16, 11859 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39935-0

キーワード: 深部現地応力, 異分散ひずみ回復, 花崗岩の岩盤力学, 地下採掘竪坑, 水圧破砕との比較