異なる応力状態下における岩石エネルギーと微視的破壊に関する研究

安全なトンネルにとって深部の岩が重要な理由

都市が地下鉄、貯水槽、エネルギー貯蔵のためにますます深く掘り下げられるにつれ、これら地下空間を取り囲む岩盤は巨大な力に耐えなければなりません。岩盤が予期せず破壊すると、岩爆、崩落、そして大きな工期遅延やコスト増を招くことがあります。本研究は、一般的な岩石の一つである大理石に着目し、やさしい圧力から地下数キロメートルで生じるような強い三次元応力まで、異なる締め付け条件下でどのようにエネルギーを蓄え、変換し、急速に放出するかを調べます。

実際に大理石はどのように締め付けられるか

深部では、岩は上からだけでなく四方から押されます。これを再現するために、研究者たちは慎重に作成した大理石ブロックで二種類の実験を行いました。従来型の三軸試験では、一方向により大きく圧縮しつつ側面の圧力を等しく保ちます。真の三軸試験では三方向の圧力を独立に制御し、トンネルや空洞周辺に実際に存在する不均一な応力分布をより忠実に再現します。これらの実験に加え、研究チームは多数の微小粒子を結合して大理石を表現する詳細な数値モデルを構築し、微視的な割れがどのように発生・進展するかを観察しました。

微小な空隙から急激な破壊まで

試験の結果、大理石は圧縮下で明確な段階を経ることが示されました。初期には小さな空隙や欠陥が閉じ、岩は弾性的に変形し—荷重を取り除けば元に戻ります。荷重が増すと永久変形が始まり、最終的に極限強度に達して破壊します。周囲圧力が低い場合、破壊は急激で脆性的であり、引張により亀裂が開いて試料が縦に割れることが支配的です。拘束圧が増すと、強度と延性の両方が向上します：より大きな荷重を負担でき、破壊前により大きく変形し、ピーク後の強度低下も緩やかになります。数値シミュレーションはこれらの振る舞いを再現し、設定した微視的パラメータが実際の大理石の応答を捉えていることを確認しました。

投入エネルギー、蓄積エネルギー、放出エネルギー

破壊様式が変わる理由を理解するため、著者らは岩に対する力学的仕事がどのように異なる形のエネルギーに変換されるかを追跡しました。初期荷重時には、投入エネルギーの大部分が弾性的ひずみや粒子間の微小な結合に蓄えられます。破壊に近づくと、蓄えられたエネルギーは急速に新しい亀裂面の生成、摩擦による発熱、粒子の滑りや分離に伴う減衰へと変換されます。低拘束ではこの放出が鋭く突然であり、脆性的分離に対応します。拘束が高いほど大理石が蓄えうるエネルギー量は大きくなり、せん断帯が形成されると摩擦や減衰に流れる割合が増えます。その結果、引張支配の亀裂から混合モードへ、さらにエネルギーをより長時間にわたって吸収するせん断駆動の塑性的な破壊へと遷移します。

側方の締め付けが果たす見えない役割

本研究の重要な焦点は「中間」応力、すなわち最大でも最小でもない側方の締め付けです。真の三軸試験とシミュレーションは、この応力が非線形で両義的な影響を持つことを明らかにしました。中程度の増加は大理石をより強靭にします：岩の強度を高め、エネルギー散逸がピークに達する時点を遅らせ、全面的な脆性破砕よりも局所的なせん断帯の形成を促します。しかし、この中間応力が最低応力に対して過度に高くなると系は再び不安定になります。エネルギー放出がより急激になり、新たな引張領域が出現し、全体の挙動は脆性からせん断支配へ、そして再びより脆性的な破壊様式へと循環します。

地下の安全性にとっての意味

エネルギーの観点から見ると、本研究は大理石の破壊が単にどれだけ強く締め付けられているかだけでなく、三方向の応力のバランスとエネルギーを蓄え・散逸する経路によって支配されることを示します。深部の大理石地層では周囲圧が高いことが安定化に寄与し、破壊前により多くのエネルギーを吸収できる場合があります—しかしそれも限度があります。その限度を超えると、特定の応力組合せが突然で激しい亀裂を誘発し得ます。これらの知見は、土木・トンネル技術者に対して大理石中の深いトンネルや空洞が危険な状態に近づいているかを評価するためのより物理に基づく基準を提供し、応力だけでなくエネルギーの変化を追跡する将来の監視手法の方向性を示します。

引用: Xie, L., Li, B., Sun, J. et al. Study on rock energy and microscopic failure under different stress states. Sci Rep 16, 12286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41844-1

キーワード: 岩盤力学, 地下掘削, 大理石, エネルギー散逸, 三軸応力