岩石の適正比率に関する実験的研究 - 佛山鉱業研究所グループ有限公司

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9288 (2023) この記事を引用

11 アクセス

メトリクスの詳細

水による岩盤の強度低下は、岩石の斜面を不安定にする重要な要因です。岩石斜面の水と岩石の相互作用の劣化プロセスをよりよく示すために、水感受性調整剤としてベントナイトを使用し、セメント-石膏結合材料に基づいて水による強度劣化の特徴と一致する新しい岩石状材料を構築しました。 4つの因子と5つの変数レベルを考慮した直交計画法を用いて材料混合比率の25スキームを設計し、物理機械的パラメータを求めるために様々な実験を行った。さらに、岩石状物質の割合の 1 つのグループが選択され、大規模物理モデル試験に適用されました。実験結果により、(1) この岩石状物質の破壊モードは自然の岩塊の破壊モードと非常に類似しており、物理機械的パラメータは広範囲にわたって変化します。 (2) ベントナイト含有量は、岩石状物質の密度、弾性率、引張強さに大きな影響を与えます。 (3) 線形回帰分析に基づいて回帰式を取得し、岩石状物質の割合を決定することが可能です。 (4) 新しい岩石状材料は、適用を通じて、水による劣化下での岩石斜面の起動メカニズムと不安定特性を効果的にシミュレートまたは明らかにすることができます。これらの研究は、他のモデル試験で岩石状材料を製造するためのガイドとして役立ちます。

斜面の不安定性は多大な経済的損失や死傷者を引き起こすことが多いため、斜面の不安定性のメカニズムは工学地質学の国際研究において常に最前線の問題となってきました1,2。水と岩石の相互作用によって引き起こされる弱化効果は、岩石斜面の安定性に大きな影響を与えます3,4。多くの工学研究により、斜面の不安定性は通常、雨季に観察されることが示されています5、6、7。大規模な岩石崩壊は、その複雑な構造、強い突然性、および強力な隠蔽性のため、通常、調査するのが困難です8,9。物理モデル試験は、岩石工学における複雑な地質条件下での岩盤の変形と進化の法則を効果的に明らかにすることができ、操作性が高く、サイクルが短く、直感的な結果が得られるという利点があります10,11,12,13。材料と混合量は物理モデルの特性に大きな影響を与えるため、科学的かつ許容可能な同様の材料の選択がモデルテストの前提条件となります14、15。

物理モデル試験の開発以来、岩石状物質の割合について多くの研究が行われてきました。岩石状物質の選択と混合の基本原理を発見するために、数多くの予備研究が実施されました 16、17、18。その後、さまざまな種類の岩石を模倣するために使用される材料の数が増加しました。これらの材料は、硬岩、軟岩、および流体と固体の結合材料の 3 つのグループに分類できます。強度や脆性などの物理機械的特性は、硬い岩のような材料の類似性を示す主な指標です。セメント-石膏結合材料は硬岩をシミュレートするために最も一般的に使用され、その機械的挙動は自然の岩塊の挙動と一致します。ただし、硬化期間は長くなります19、20、21。ロジンとアルコールのような材料の生成により、岩石状材料の硬化時間が大幅に短縮され、これらの材料は高い体積重量、低い弾性率、安定した性能も誇ります。しかし、同時にその脆さも軽減される22,23,24。柔らかい岩のような材料の場合、モデル試験の妥当性を向上させるために、その軟化効果を考慮する必要があります25、26、27。前述の岩石状物質は、岩石状物質の研究を大幅に充実させ、将来のモデル試験研究の基礎を築きました。

明らかに、岩石状物質に関するこれまでの研究は主にそれらの物理機械的特性の類似性に焦点を当てていたが、水と岩石の相互作用下での脆い岩石塊の崩壊特性についてはほとんど注目されていない。実際の地質工学では、降雨時に発生する大規模な岩石崩壊など、その不安定性は主に水と岩石の相互作用下での重要な滑り止め構造の強度低下によって引き起こされました28。このような状況では、斜面崩壊を促進するためにジャッキに漸進的な荷重を加えて適用する方法では、岩盤上の水の劣化影響を考慮することができません 29,30 (図 1a)。さらに、人工降雨の使用は水理被害をシミュレートする効果的な方法ですが、一般に降雨による土壌地滑りに適しています 31,32。岩盤斜面の場合、従来の岩石状材料は人工降雨の作用による強度低下がほとんど見られず、降雨過程で精密な監視装置が破損しやすい（図1b）。したがって、水と岩石の相互作用による岩石の強度損失を効率的に再現できる岩石状材料を設計することが急務となっています。

物理モデルのテストで斜面崩壊を促進する主な方法。 (a) プログレッシブロードを備えたジャッキ。 (b) 人工降雨。

この研究は、大きな岩の斜面の水による劣化のモデル試験研究に使用するための、高い嵩重量と水感受性を備えた新しい岩石状材料を設計することを目的としています。伝統的なセメント-石膏結合材料に基づいて、材料の耐水性を調整するためにベントナイトが添加されました。直交実験法を用いて,異なる割合の岩石状材料の材料混合割合の25スキームを設計した。続いて、範囲分析と分散分析を実行して、岩石状物質の物理機械的パラメータに対するさまざまな要因の重要性を明らかにし、影響を与える要因と物理機械的パラメータ間の相関を定量化しました。最後に、岩石斜面の物理モデルを岩石状の材料で構築し、注水によって水による斜面の劣化を実現しました。水による劣化下での岩盤斜面の立ち上がり機構と不安定特性を調査した。今回の研究結果は、従来の硬岩材料の崩壊特性が見えにくいという欠点を克服したものであり、その後の大規模な岩盤地滑り模型試験において岩石状材料の割合を決定する際の参考となる。

直交計画は、複数の要素とレベルの問題を研究するのに効果的な方法です。バランスの取れた分散、比較可能性、均一性によって特徴付けられる直交性に基づいて、実験スキーム全体から代表的な実験を選択します33。

これまでの研究結果 34 については、骨材として重晶石粉（200 メッシュ）、粗砂（40 ～ 70 メッシュ）、細砂（20 ～ 40 メッシュ）、ベントナイト（400 メッシュ）を選定し、セメント（42.5 品位）と石膏（この研究ではセメンティング材料として 120 メッシュ）を選択しました。表１に示すように、骨材−結合剤比は骨材と結合剤の比であり、セメント−石膏比はセメントと石膏の比である。この実験では、4 つの因子と 5 つの水準を備えた直交計画スキーム L25 (56) を利用しました。表 2 に実験スキームの概要を示します。

岩石状物質の標準的な円筒形サンプルは、標準的な 3 枚の花びらを持つ鋼製の型を使用して製造されました (図 2a)。型を組み立てた後、計量（図2b）、撹拌（図2c）、圧縮（図2d）、脱型（図2e）、研磨（図2f）の手順に従ってサンプルを作成しました。

岩石状物質サンプルの作製工程。 (a) 3 枚花びら鋼製金型、(b) 計量、(c) 撹拌、(d) 圧縮、(e) 脱型、および (f) 研磨。

岩石状物質の物理機械的パラメーターを決定するために、サンプルに対して一軸圧縮試験、分割試験、および直接せん断試験が実行されました。合計 375 個のサンプルを作製し、そのうち 155 個（図 3a）を岩石力学試験機 MTS-815 による一軸圧縮試験（図 3b）に使用し、その他のサンプルを分割試験とせん断試験に使用しました。 YAW6206 コンピュータ制御電気油圧サーボ圧力試験機を使用します (図 3c)。図 3d と図 3e は、それぞれ直接せん断サンプルと分割サンプルの破壊モードを示しています。

サンプルの機械的パラメータのテスト。 (a) 実験サンプル。 (b) MTS-815 岩石力学試験機。 (c) YAW6206 コンピュータ制御電気油圧サーボ圧力試験機。 (d) 直接せん断試験。 (e) スプリットテスト。

図4に示すように、サンプルの応力-ひずみ曲線は、亀裂閉鎖段階(I)、弾性変形段階(II)、安定破断段階(III)、非定常破断段階(IV)の5つの異なる段階を示します。優れた弾性と可塑性を発揮するポストピーク段階（V）。さらに、破壊形態は主に引張破壊破壊と斜めせん断破壊であり、これらは実際の岩盤の典型的な破壊特性に非常に類似しており、その機械的特性をより正確に反映できます。

サンプルの一軸圧縮応力-ひずみ曲線。

測定データのばらつきを防ぐため、少なくとも 2 つの結果が一致するように各グループに 4 つの検体を用意しました。試験片の平面度と直角度の公差は ISRM 要件を満たしていました 35。異なる割合の材料サンプルの 25 グループの物理機械的特性がテストされました (表 3)。

岩石状物質の密度分布は 1.95 ～ 2.18 g/cm3 の範囲にあり、この物質のかさ密度が比較的高いことがわかります。 UCS は 7.24 ～ 25.55 MPa の範囲に分布し、弾性率は 1.63 ～ 5.75 GPa の範囲に分布し、ポアソン比は 0.14 ～ 0.18 の範囲に分布し、引張強さは 0.91 ～ 2.46 MPa の範囲に分布し、内部摩擦角は 32.74 ～ 60.25°の範囲に分布し、凝集力は 2.09 ～ 8.94 MPa の範囲に分布しており、岩石状材料の機械的パラメータには大きな調整範囲があり、ほとんどの岩石の要件を満たすことができることを示しています。質量モデルは岩石のような物質をテストします。

範囲分析と分散分析を使用して、岩石状物質のさまざまな物理機械的パラメーターに対する直交実験スキームの 4 つの因子の感度と重要性を決定しました。範囲分析は実験の一次要因と二次要因を直感的に区別できますが、分散分析は複数のグループのサンプル間の差異と有意性を分析する広く使用されている統計検定です33。

図 5 は、密度に関するさまざまな要因の感度分析を示しています。「R」は範囲を表し、添え字 AD は係数 AD にそれぞれ対応します。密度の極値差 (R 値) によると、ベントナイト含有量が密度に最も敏感な要因であり、他の要因も同程度の影響を及ぼし、ベントナイト含有量が岩石の密度の決定に重要な役割を果たしていることがわかります。材料のようなもの。図5に示すように、骨材と結合剤の比率と重晶石の含有量が増加すると、密度は劇的に減少します。その理由は、重晶石粉末が増加すると珪砂の含有量が減少し、密度に大きな影響を与えるためです。ベントナイト含有量が増加すると (つまり 0 から 40%)、サンプル密度は最初に最大値 (つまり約 2.13 g/cm3) に達し、その後 2 g/cm3 未満に低下します。これは、残留ベントナイトの含有量が少ない場合、より小さな直径のベントナイト粒子が粗い骨材間の隙間を埋めるため、サンプルの圧縮と密度が増加するという事実によるものです。ただし、ベントナイトは珪砂や重晶石粉末よりも見かけの密度が低くなります。

密度の感度分析。

表 4 に密度の分散分析を示します。一般に、p < 0.05 は、その係数が材料の物理機械的パラメーターに重大な影響を与えることを示し、さらに p < 0.01 は、その効果が非常に重要であることを示します。 F 値が大きく、p 値が小さいほど、結果の信頼性が高いことを示します。分散分析の結果は、ベントナイト含有量が岩石状物質の密度に大きな影響を与えることを証明しています。感度分析の結果と一致して、残りのパラメータは密度にほとんど影響を与えませんでした。

図 6 は、UCS に関するさまざまな要因の感度分析を示しています。 R 値によると、UCS に最も敏感な要素は骨材と結合剤の比率であり、4:1 から 8:1 に上昇し、岩石状物質の UCS は 46.9% 減少しました。他の要因も同様の影響を及ぼし、骨材と結合剤の比が岩石状物質の UCS を決定する最も重要な要因であることが示されています。図 6 に示すように、骨材と結合剤の比率が減少し、セメントと石膏の比率が増加すると、UCS は劇的に増加します。前者は、骨材・結合剤比が大きくなると結合材の含有量が低下し、試料の結合力が低下して強度が低下するためである。後者は、セメントが水硬性セメント材として材料の強度を高めることができるためです36。ベントナイトの含有量が 0% から 10% に増加すると、岩石状材料の UCS が大幅に向上します。これは主に、ベントナイトが珪砂粒子間の空間を埋めるためであり、サンプルの緻密性の増加に伴って UCS が増加します。岩石状物質の UCS は、ベントナイト含有量の継続的な増加に伴って減少する傾向があります。これは、サンプル中のベントナイト含有量が増加すると、サンプルのセメンテーション度が弱まり、サンプルの圧縮強度が低下するという事実によるものです。

UCS の感度分析。

UCS の分散分析を表 5 に示します。感度分析の結果と一致して、結果は、骨材と結合剤の比率が岩石状物質の UCS に大きな影響を与えるのに対し、パラメータが適切な場合には他の要因は重要ではないことを示しています。レベルが変わります。

図 7 は、弾性率に関するさまざまな要因の感度分析を示しています。 R 値によると、最も敏感な要素は骨材と結合剤の比率であり、これは 4:1 から 8:1 に増加しましたが、岩石状物質の弾性率は 45.02% 減少しました。他の要因も同様の影響を及ぼし、骨材と結合剤の比が岩石状物質の弾性率を決定する最も重要な要因であることが示されています。また、骨材と結合剤の比率とベントナイト含有量が増加すると、弾性率は劇的に減少します。

弾性率の感度解析。

表 6 に弾性率の分散分析を示します。感度分析の結果と一致して、分散分析は、骨材と結合剤の比とベントナイト含有量が岩石状材料の弾性係数に大きな影響を与えるのに対し、パラメーターレベルが変化する場合、他の要因は重要ではないことを示しています。

図 8 は、ポアソン比に関するさまざまな要因の感度分析を示しています。パラメーターレベルが変化すると、R 値はポアソン比が狭い範囲内で変動することを示します。図 8 は、セメント-石膏比の増加とベントナイト含有量の減少によりポアソン比が大幅に増加する一方、他の要因はほとんど影響を及ぼさないことを示しています。

ポアソン比の感度解析。

ポアソン比の分散分析を表 7 に示します。すべての p 値は 0.05 より大きく、どの要因も岩石状物質の属性に統計的に有意な影響を与えていないことを示しており、これは感度の結果と一致しています。分析。

図 9 は、引張強度に関するさまざまな要因の感度分析を示しています。 R 値によると、最も敏感な要因はベントナイト含有量であり、10% から 40% に増加し、その結果、岩石状材料の引張強度が 37.69% 減少します。他の要因も同様の影響を及ぼし、ベントナイト含有量が岩石状材料の引張強度の決定に重要な役割を果たしていることがわかります。図 9 は、骨材と結合剤の比率が増加し、セメントと石膏の比率が減少すると引張強さが劇的に減少する一方、引張強さは最初は増加し、その後ベントナイト含有量が増加すると減少することを示しています。これは、ベントナイトの主成分であるモンモリロナイトが多重亀裂構造を持っているためである37。硬化中にサンプル内に微小亀裂が形成され、その気孔率が増加し、岩石状物質と比較して強度が低下します。

引張強さの感度解析。

引張強さの分散分析を表 8 に示します。感度分析の結果と一致して、分散分析は、ベントナイト含有量が岩石状材料の引張強さに大きな影響を与えるのに対し、パラメーターレベルが適切な場合には他の要因は重要ではないことを示しています。変化します。

図 10 は、内部摩擦角に関するさまざまな要因の感度分析を示しています。 R 値によると、内部摩擦角に最も敏感な要素はベントナイト含有量です。 0%から40%まで変化すると、岩石状物質の内部摩擦角は21.91%減少しました。他の要因も同程度の影響を示しており、ベントナイト含有量が岩石状物質の内部摩擦角の決定に重要な役割を果たしていることを示しています。図 10 に示すように、ベントナイト含有量が増加すると内部摩擦角は劇的に減少しますが、他の変数はほとんど影響しません。

内部摩擦角の感度解析。

内部摩擦角の分散分析を表 9 に示します。すべての p 値は 0.05 より大きく、パラメーターレベルが変化してもすべての要因が無視できることを示しています。

図 11 は、さまざまな内部摩擦角係数の感度分析を示しています。 R 値によると、最も敏感な要素は骨材と結合剤の比率で、4:1 から 8:1 に上昇し、岩石状物質の凝集力が 43.49% 減少しました。他の要因も同様の影響を及ぼし、骨材と結合剤の比が岩石状物質の凝集性を決定する最も重要な要素であることが示されています。図 11 は、骨材と結合剤の比率が増加すると凝集力が劇的に低下するのに対し、他の要因の影響は最小限であることを示しています。主な説明は、骨材と結合剤の比率が増加すると、大きなサイズの珪砂の量が増加し、それによって接触表面粗さが上昇し、サンプルの凝集力が低下するということです。

凝集力の極値差分析。

表 10 は凝集分散分析を示しています。感度分析の結果と一致して、分散分析は、骨材と結合剤の比が岩石状材料の凝集に大きな影響を与えるのに対し、パラメーターレベルが変化するにつれて他の要因は重要ではないことを示しています。

崩壊は岩石の水理特性を反映する重要な特性です。岩石は、均一な砕片、粒状、泥状、砕けた破片など、さまざまな破片に崩壊します38。ここでの研究は、サンプルの崩壊がサンプルの鉱物組成、粒子サイズ組成、およびセメンテーション形態と密接に関連しているかどうかに焦点を当てています。岩石状物質の崩壊特性を調べるために、φ50×50mmの円柱状のサンプルを、水を満たした透明なガラス器具に浸漬して浸漬実験を行いました。実験計画における浸漬時間は、実験の総期間と残存体重の変化範囲を徹底的に評価した結果、4 時間に設定されました。図 12 は、各グループの最終的な崩壊所見を示しています。崩壊の程度は、残留物の乾燥質量と元の質量の比に基づいて、ゼロ (0.98、1.0]、弱い (0.8、0.98]、中程度 (0.5、0.8)、強い (0.1、0.1、 0.5]、および総崩壊 [0、0.1] 表 11 に各グループのグレードの概要を示します。

岩石状物質サンプルの崩壊実験。

崩壊度が 0 または弱い材料の場合、砂岩、石灰岩など、水に遭遇する前後では完全性は良好だが、浸漬時間の経過とともに明らかに強度が低下する岩石をシミュレートするために使用できます。中程度または強い程度の材料の場合粘土質砂岩や部分構造岩盤など、水にさらされると部分的に崩壊して強度が著しく低下する岩石のシミュレーションに使用できます。崩壊度が全崩壊である材料の場合、これを使用して、泥岩や泥灰土のような岩石は、水と接触する前は比較的完成していて、水に触れるとすぐに崩壊します。

4 時間の浸漬後、サンプルは無傷のままであり、ベントナイト含有量が 0 または 10% のグループでは識別できる崩壊はありませんでした。しかし、ベントナイト含有量が増加すると、崩壊の程度は劇的に強化されます。ベントナイトを 20% 含むグループでは、外側は剥がれましたが、内側はそのまま残っていました。サンプルは短時間で急速に崩壊し、ベントナイト含有量が 30% および 40% の場合に崩壊度が比較的高かった。これは主に、ベントナイトの主な鉱物成分がモンモリロナイトであるためです。モンモリロナイトは吸水能力が高く、水を吸収した後に体積が急速に膨張し、サンプルの崩壊を引き起こします。

ベントナイト含有量が一定のまま、セメントと石膏の比率が 7:3 から 3:7 に変化すると、岩石状物質の崩壊度が増加する傾向があります。この現象は、ベントナイト含有量が 40% の場合に最も顕著になります。一方で、セメント含有量の減少に伴ってセメント結合の度合いは弱まります。一方、石膏は耐水性が低く、そのゆるくて多孔質な特性により、さらなる崩壊のための浸透経路が形成されます。したがって、セメントと石膏の比率が低下すると、崩壊が促進されます。

岩石状物質の物理機械的特性は複数の要因によって同時に影響され、各要因の変化によりパラメーターに一定の変動が生じます。実験データに基づいて、重回帰分析を実行し、さまざまな要因とパラメータ間の関係を定量化しました（表 3）。 Y を従属変数、Xn (n = 1, 2, …, m) を独立変数とすると、回帰分析モデルは式 (1) のように表すことができます39:

ここで、b は定数項です。 a1、a2、…、am は偏回帰係数です。

岩石状物質の密度、UCS、弾性率、ポアソン比、引張強さ、内部摩擦角、凝集力を Yk(k = 1, 2, …, 7) とします。 X1、X2、X3、および X4 は、岩石状物質の物理機械的パラメータに影響を与える骨材と結合剤の比、セメントと石膏の比、重晶石粉末含有量およびベントナイト含有量を表すものとします。回帰式の取得方法は次のとおりです。

回帰式の結果の妥当性を検証するため。比較分析により、図13に示すように、各パラメータの回帰式の計算結果と実験結果との差が求められます。

各パラメータの実験結果と回帰結果の比較。

図 13 は、実験結果と各パラメータの回帰分析結果がよく一致していることを示しており、回帰分析手法を使用してさまざまな要因とパラメータの間の定量的関係を構築し、対応する岩石のパラメータを取得できることを示しています。みたいな素材。

岩石斜面の水による不安定メカニズムを調べるために、岩石状材料を用いた物理モデル試験を確立し、進行破壊過程における岩石斜面の変位とアコースティックエミッション（AE）を測定しました。

自然の岩石の強度劣化は、水と岩石の相互作用の比較的緩やかなプロセスであり、地滑りの進展が長時間にわたる物理的および機械的プロセスであることを示唆しています。物理モデル試験で岩盤斜面の実際の応力状態を再現するには、岩石状材料の脆性特性を調べることにより、水による強度低下の特性を考慮する必要があります。以前の研究では、ベントナイトを 10% 添加した新しい岩石状物質 (グループ 2、10、13、および 24) は、無傷の標本、特にグループ 24 で比較的高度な劣化を示し、ベントナイトの添加により水を再現できることが実証されました。著しく強度低下を引き起こします。したがって、モデルテストにはグループ 24 の比率が選択され、対応するパラメーターの詳細が表 3 に示されています。

1983 年 3 月 7 日にサレシャン岩盤崩落が発生し、3 つの村が破壊され、237 人が死亡しました40。地質学的プロファイルを図 14 に示します。この形態の地滑りの安定性は、中央のロックされたセグメントによって制御されており、水平に近いまたは緩やかな傾斜の斜面の先端には弱い中間層があります。長期にわたる自重応力と水の継続的な劣化の影響により、ロックされたセグメントの支持力は徐々に低下し、それが斜面の引張亀裂の下方への拡大につながり、最終的には地滑りが引き起こされました。

サレシャン岩滑り台の地質学的プロファイル (Huang et al.41 に従って修正)。

水と岩石の相互作用下でのこのタイプの地滑りの不安定メカニズムを調査するために、スケール化された岩石滑りモデルが確立されました。そのサイズと形状は図 15 に示されています。発生源後の引張亀裂の深さは 55 です。センチメートル、厚さは3センチメートル。弱い中間層は長さ 80 cm、厚さ 3 cm、傾斜角 20°で、雲母粉末が充填されています。測定システムはひずみゲージ、AE、変位監視センサーで構成されています。ロックされたセグメントには 3 つのひずみゲージが取り付けられました。スライド本体の前面には3つの変位監視センサーが装備されています。ロックされたセグメントの周囲に 5 つの AE センサーが設置されました。

スケーリングされた傾斜モデルの構成とモニタリングスキーム (単位: cm)。

最大モデル寸法1.6m×1.6m×0.4mのYDM-D地盤工学構造モデル実験プラットフォーム上で、大規模物理モデル試験を実施した（図16e）。モデルは圧縮によって作成され (図 16a)、48 時間の成形後に型から外されました (図 16b)。型から外した後、モデルの表面を研磨し (図 16c)、室温で 30 日間硬化させて、モデルの内部が完全に形成されていることを確認しました (図 16d)。ソース後引張亀裂は、3 cm の鋼板を挿入し、その後除去することによって発生させました。最後に防水材を塗布して亀裂の両面を防水しました。 AEシステム、ひずみゲージ、変位計などの監視装置を利用して、斜面の不安定プロセスを監視しました（この実験のプロセス中にどのようなパラメータまたは特性が監視されたかについての詳細を提供しました）（図16e）。

モデルの主な製造プロセスと監視システム。 (a) 圧縮する。 (b) 成形。 (c) 研磨。 (d) 硬化。 (e) モデル監視システム。

水による岩石強度の劣化は非常に遅い機械的プロセスであるため、たとえ新しい岩石状物質がこのプロセスを大幅に加速できたとしても、実験が完了するまでには必然的に長い時間がかかることになる。今回の実験では、期間を短縮するために、まず荷重を加えてから水を注入し、モデル法面の損傷を促進する方法を採用した。まず、上部荷重装置により材料の長期強度の約90％まで段階的に荷重を加え、その後その荷重を維持します。この段階で、発生源後の引張亀裂に水が注入され、この水により中央ロックセグメントの強度が低下しました。最終的に、傾斜モデルは自重により不安定になる方向に進化します。水注入の時間ノードは、ひずみと音響放射データに基づいて決定されました。ひずみデータが大幅に増加したとき (図 17a)、または AE データが複数の高レベルイベントを生成したとき (図 17b)、これは注水クリティカルノードとして決定できます。

注水時間ノードの識別インデックス。 (a) ロックされたセグメントの歪みと時間の関係。 (b) ロックされたセグメントの AE エネルギー対時間。

図 18 は、モデル斜面の破壊プロセス全体を示しています。最初に、上部荷重が安定すると、ロックされたセグメントとソース後の引張亀裂の交差点にいくつかの小さな亀裂が形成されました (図 18a)。これは、ロックされたセグメントの上部に大きな応力集中が存在し、引張亀裂が徐々に下方に発達したためです。その結果、中央のロックされたセグメントの支持力が低下しました。ロックされたセグメント内の岩盤が徐々に飽和するまで水を注入すると、滑り体は弱い中間層の方向に沿ってかなりの転位を生成し始めました（図18b）。これは、水の存在によって滑り力が増加し、さらに重要なことに、水と岩の効果によってロックされたセグメントの劣化が促進されるためです。 16 日間の継続的な注水の後、ロックされたセグメントは最終的に完全に剪断され、地滑りが引き起こされました (図 18c)。地滑りが起こる前に、ロックされたセグメントが完全に貫通することによって発生する、ものすごい騒音がはっきりと聞こえます。この現象は、多数の岩石崩壊で観察されています42,43。

モデルの傾きの破壊の進展。 (a) 元の状態。 (b) クリープ状態。 (c) 不安定な状態。

斜面中央部の変位計により得られた変位データの発展則を図19に示す。図19aに示すように、注水開始後、斜面の変位は大幅に増加した。これは、斜面途中のロック部分が水に触れることにより強度が低下し、滑り止め力が低下して斜面が進行するために起こります。水の注入を続けると、ロックされたセグメントが徐々に飽和し、変位の増加速度が減速し始めます。 16日間の連続注水後、ロックセグメントの累積損傷はピークに達し、その結果内部亀裂が急速に拡大し、その後斜面は加速変形段階に入りました（図19b）。大幅に増加しました。

摺動体の変位と時間の関係。 (a) クリープ状態の部分拡大。 (b) 加速変形状態の部分拡大。

前述の分析を通じて、この新しい岩石状材料は、水と岩石の相互作用による岩石斜面の破壊メカニズムと斜面の不安定性の進化則を正確に再現できると結論付けるのは難しくありません。同様に、このタイプの材料は、他の同様の岩石工学の研究にも適しています。

この研究では、異なる材料混合比率の下での硬岩状材料の物理機械的特性と崩壊特性が研究されました。実験の結果に基づいて、次の結論を導き出すことができます。

重晶石粉末、珪砂、ベントナイト、セメント、石膏で構成される新しい岩石状物質は、水と岩石の相互作用中に岩石の強度低下を促進します。この斬新な岩石状物質は、体積重量が大きく、水に敏感であり、調製プロセスが簡単であるという特徴を備えています。岩石状物質の物理機械的性質は広範囲に分布しているため、さまざまな種類の岩石のニーズに対応できます。

ベントナイト含有量は岩石状材料の密度、弾性率、引張強さに大きく影響し、骨材と結合剤の比率は岩石状材料の一軸圧縮強度、弾性率、凝集力に大きく影響します。

崩壊実験は、ベントナイト含有量とセメント-石膏比が岩石状材料の崩壊に影響を与える重要な要因であり、ベントナイト含有量の方がより関連性のある要因であることを示しています。したがって、水による強度低下の特性をシミュレートする岩石状材料を選択するプロセスでは、ベントナイト含有量とセメント-石膏比を重点的に考慮する必要があります。

直交試験結果に基づいて、影響因子と物理機械的特性の間の回帰式が導出され、これを物理機械パラメータの推定に使用して、物理モデル試験に適した材料を選択できます。

応用解析の結果、本研究で作製した岩石状材料は岩盤地すべりの大規模物理モデル試験に適用可能であること、破壊モードが実際の工学的整合性があることが確認された。また、応用価値が高く、トンネル掘削や炭鉱の研究にも活用できます。

この研究の結果を裏付けるすべてのデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、助成金番号 42090052 および 41977249 に基づく中国国家自然科学財団、および助成金番号 2019YFC1509701 に基づく中国国家重点研究開発プログラムによって財政的に支援されました。

中国科学院地質地球物理研究所、シェールガスおよび地球工学の主要研究所、北京、100029、中国

ユアン・キュイ、チャオ・シュー、レイ・シュエ

地球科学イノベーションアカデミー、中国科学院、北京、100029、中国

ユアン・キュイ、チャオ・シュー、レイ・シュエ

中国科学院大学地球惑星科学院、北京、100049、中国

ユアン・キュイ、チャオ・シュー、レイ・シュエ

中国華北水資源電力大学地球科学工学院、鄭州、450045、中国

ジンユー・ドン＆トン・ジャン

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YCとCXはモデル実験を実施した。 YC は、すべての著者からのフィードバックを受けて、主要な原稿テキストを書きました。 LX は実験結果を分析しました。 LX、JD、TJ がこのアイデアの開発に貢献しました。著者全員が原稿をレビューしました。

Lei Xue への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Cui、Y.、Xu、C.、Xue、L. 他。岩石斜面モデル試験における水による強度低下に対する岩石状材料の適切な割合に関する実験的研究。 Sci Rep 13、9288 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36511-8

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受信日: 2023 年 1 月 6 日

受理日: 2023 年 6 月 5 日

公開日: 2023 年 6 月 7 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36511-8

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