DICを用いた直径圧縮試験による配向性ビムロックの力学挙動に関する実験的研究

ごちゃ混ぜの岩石が日常に与える影響

多くの斜面やトンネル、基礎は均質な堅い岩盤だけで造られているわけではありません。むしろ、硬い岩塊がより軟らかい「モルタル状」の基質に浮かぶような、入り混じった地盤を通ることが多いのです。これらの塊内基質岩（block‑in‑matrix rock、ビムロック）は予想外の壊れ方をすることがあり、安全なインフラを造る際に困難と高コストを招きます。本研究は工学上の重大な実務的疑問を扱います：混合物中の硬いブロックの量と配向は、引張に対する亀裂の入り方にどのように影響するのか、また一般的な室内試験がその強さを正しく測定できるのか、という点です。

「破片から成る岩」について

ビムロックは世界中の地すべり地、造山帯、古いデブリ流に見られます。強い石塊が多様な寸法で、はるかに弱い細粒の基質に埋まった“岩のプディング”のような外観です。技術者はしばしばこの複雑さを単純化して、ブロックを無視し基質のみを対象に設計します。それは慎重なアプローチに見えますが、ブロックは亀裂を迂回させたり逸らしたりして、配列によっては土の強さを増したり減らしたりするため誤解を招くことがあります。重要な特徴の一つはブロックの配向で、長軸が主に上下方向、横方向、あるいはその中間のどこにあるかという“構造”は、材料が自然に形成された過程を反映します。

円盤を押しつぶして隠れた強さを明らかにする

ブロックの含有量と配向が引張挙動にどう影響するかを調べるため、著者らは実験室で合成ビムロックを作製しました。楕円形の“岩塊”を強固な石膏セメント混合物から鋳造し、それをより弱い粉状基質中にランダムに埋め込み、ブロック体積比（0〜50％）を制御するとともに、全てのブロック長軸を荷重方向に対して指定角度に揃えました。これらの混合物から円盤状試料を切り出し、縁で圧縮して円盤内部に引張応力を生じさせる標準的な「ブラジリアン」試験で荷重をかけました。この方法は簡便であるため岩石の引張強さ推定に広く用いられています。

亀裂の発生をリアルタイムで観察する

力の計測や壊れた試料だけに頼る代わりに、研究チームはデジタル画像相関法（DIC）を用いました。これは数千の画素間の微小な表面変位を追跡する光学技術です。円盤表面にスピークルを付けて試験を撮影することで、全面のひずみマップ—各部位がどれだけ伸びたか—を再構成しました。これらのマップは局所的にひずみが蓄積する場所、亀裂が最初に現れる箇所、そして亀裂が埋め込まれたブロックを通過するか回避するかを示しました。研究者たちは87回の試験を統計的に解析し、応答曲面法と分散分析を用いてブロック割合と配向の影響を分離し、ピーク荷重に対するそれらの組合せ的かつ非線形な効果を捉えました。

ブロック量と方向が亀裂の軌跡をどう変えるか

実験は、ごく少量のブロックでも挙動を劇的に変えることを示しました。ブロックが全くない場合、円盤は教科書通りに振る舞い、ひずみは中心に集中し、一本の直線的な亀裂が荷重直径に沿って円盤を割りました。体積の12.5％がブロックで占められると、ピーク荷重は急激に低下し、亀裂は混合物中で最も弱いゾーンであるブロックと基質の界面を好むようになりました。ブロック含有率が高くなると強度低下のペースは緩やかになりますが、亀裂経路ははるかに複雑になります。中心から始まる代わりに、亀裂はしばしばブロックの端や荷重点付近で発生し、複数のブロックを回避しながらジグザグに進みます。ブロック配向も強さを左右しました：荷重方向と平行に揃ったブロックを持つ円盤が最も弱く、ブロックが水平に近い方向へ回転すると特に多くのブロックが存在する場合に高い荷重に耐えました。これは長いブロック‑基質境界が主要な引張応力とどう整列するか（あるいは整列しないか）を反映しています。

標準試験が答えを示さなくなるとき

DICによるひずみマップは技術者に対する警告を与えます。ブラジリアン試験の通常の解釈は、比較的均一な内部引張により中心で一本の亀裂が生じることを前提としています。実験では、その仮定が成立したのは純粋な基質材料の場合のみでした。ブロック含有率が増すにつれて亀裂は中心から離れて発生し、50％のブロックでは複数の亀裂が同時に形成・成長し、試験は単純な材料特性の測定から複雑な構造的破壊へと変わりました。このような条件下では「引張強さ」として報告される数値はもはやビムロックの基本物性を表すものではなく、各試料固有のブロック配列に依存する指標になってしまいます。

トンネルや斜面、設計に対する示唆

一般読者への結論は、硬い塊を多く含む混合岩は均質材料とは異なる壊れ方をし、広く用いられる室内試験が単純すぎる答えを示す可能性があるということです。本研究は、ブロックの量と、とりわけその向きが亀裂の発生と進展を支配することを示しています。ブロック含有率が高い場合、ブラジリアン試験は真の引張強さを測定する上で妥当性を失います。低い含有率でも、大きなブロックのサイズや配向に結果が強く左右されます。著者らは、こうした複雑な地盤で作業する設計者に対し、試験結果を慎重に解釈すること、現場でブロック配向をマッピングすること、そして条件が高度に不均質な場合は安全性が強度推定に依存するならば直接引張試験などの代替手法を検討することを推奨しています。

引用: Rostamlo-Jooshin, R., Bahaaddini, M. & Khosravi, M.H. Experimental study of the mechanical behavior of oriented bimrocks under diametral compression test using DIC. Sci Rep 16, 9544 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40334-8

キーワード: ビムロック, 引張強さ, ブラジリアン試験, デジタル画像相関法, 地盤工学