一定法線荷重下における岩盤継ぎ目の局所せん断挙動

岩石の小さな亀裂が重要な理由

地下トンネル、ダム、貯水池はいずれも周囲の岩盤の強さに依存しています。しかし実際の岩盤には自然に生じた亀裂（継ぎ目）が張り巡らされており、これらは応力下で滑動や破壊を起こし、時に突然の崩壊を引き起こします。本研究では、粗い単一の亀裂面が一定の法線圧で押し付けられた後に横方向にせん断される際に、亀裂に沿って何が起きるかを詳しく調べます。亀裂表面の微小な凸凹に力が集中する様子を拡大して観察することで、どの時点でどこが破壊し始めるかをより正確に評価できるようにすることが目的です。

岩面間に隠れた地形

一見単純に見える亀裂は、実際には峰、谷、隙間からなる小さな地形です。二つの粗い岩面が押し付けられると、いくつかの峰だけが実際に接触し、それ以外は小さな開口として残ります。上側の面が横方向に押されると、接触パターンは変化します。運動方向に傾く部分はより荷重を負い、逆に離れる方向に傾く部分は分離してほとんど力を負わなくなります。著者らはこの傾きを小さな長方形パッチごとの単純な角度で表現し、その角度を用いてどのパッチが滑りに対して能動的に抵抗しているかを判定しています。

走査データをデジタル試験へ

この過程を詳細に調べるために、研究チームはまず実際の岩盤継ぎ目表面を非常に細かい間隔で走査し、その粗さの三次元デジタルモデルを作成しました。次に境界要素法と呼ばれる数値手法を用いて、一定の垂直荷重が印加されたときに継ぎ目の両側がどのように押し付け合うかを計算しました。この方法は岩盤全体ではなく表面だけに注目するため効率的でありつつ、粗い地形上で接触圧がどのように広がるかを捉えます。こうして得た接触圧と局所的な面の角度に基づき、古典的な摩擦則を用いて各小パッチに働く横方向（せん断）力を、滑りの進行に従って段階的に推定しました。

滑りが応力のかかる部分をどう変えるか

シミュレーションは、継ぎ目全体の面積の多くが非常に小さなせん断力しか負っておらず、比較的少数のパッチだけが荷重の大部分を担っていることを示します。継ぎ目がさらに押されても、せん断が作用する領域が突然別の場所へ飛躍するのではなく、主に元の領域の周りで拡大・収縮を繰り返します。ただしその領域内では、接触点が現れたり消えたり変形したりすることで局所的なせん断力が強く変動します。周囲の法線圧が低く比較的均一な場所ではせん断力が規則的で予測しやすく変化する一方、近傍の接触圧が高く不均一で表面高低差が急な場所では、せん断力が不規則かつ時に急激に変化することが見られます。

より強く押さえると接触は増える

垂直荷重を上げると、接触箇所の数とそれらが担う平均的なせん断力の両方が増加します。接触面積が広がり、より多くのパッチが滑りに抵抗し始めますが、大半は依然として中程度のせん断しか負いません。同時に、凸部は圧力で徐々に潰れて表面全体が滑らかになります。この平滑化は長い滑動距離にわたるせん断抵抗力を低下させる傾向があり、即時的には荷重増加でせん断強さが上がるものの、粗さの減少と接触面積の増大という相反する効果の間で総合的なせん断力（全接触パッチで平均したもの）は滑りの進行とともに波打ちつつ増加後にゆっくり低下する挙動を示します。

実際の岩盤安定性への示唆

本研究は、岩盤の破壊が一度に全体で始まるのではなく、粗い亀裂に沿ったごく小さな高応力点で始まり、そこから広がっていくことを示しています。詳細な表面走査と表面に基づく計算法を組み合わせることで、荷重や滑りの変化に応じて継ぎ目の各パッチで局所的なせん断力がどのように変化するかを追跡できます。エンジニアにとっては、実際の荷重条件下でどこに亀裂の発生や成長が起きやすいかをより正確に把握できるようになり、トンネルや斜面、地下ダムの評価が改善されます。簡潔に言えば、隠れた亀裂の形状とそれがどのように押し付けられるかが、いつ亀裂が滑り始め周囲の岩盤の安全性を損なうかを決めるということを説明しています。

引用: Wang, W., Ma, H., Dai, C. et al. Local shear mechanical behavior of rock joint under constant normal load. Sci Rep 16, 11669 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47635-y

キーワード: 岩盤継ぎ目, せん断応力, 破面粗さ, 数値シミュレーション, 地盤工学的安定性