フラクタル分布するジョイントを有する岩盤の水圧破砕における破壊靭性の評価

1993 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05232204
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 堀井 秀之 東京大学, 工学部, 助教授 (10181520)
• 研究分担者: 宋 河原 東京大学, 工学部, 講師 (10226722) ; 堀 宗朗 東京大学, 工学部, 助教授 (00219205) ; 山口 栄輝 東京大学, 工学部, 助教授 (90200609)
• キーワード: 水圧破砕 / 高温岩体発電 / 亀裂性岩盤 / マイクロメカニクス / 岩盤浸透流 / フラクチャーネットワーク

研究概要

本年度は、1)水圧破砕される亀裂性岩盤の構成式のモデル化、2)水圧破砕された亀裂性岩盤における浸透流解析手法の開発に関する研究を行った。亀裂性岩盤を水圧破砕する場合、水圧により開口するジョイント(クラック)群を有する破砕域は3次元的広がりを持ち、水圧の増加に伴って拡大することが予想される。その形状、寸法、ジョイント開口量の分布は不連続面の密度、方向分布、連結性、さらには初期応力に依存する。ここでは、ジョイントを多数有する岩盤の代表要素における平均ひずみと平均応力・間隙水圧の関係を導いた。この関係を構成式とすることにより、亀裂性岩盤における水圧破砕の連続体解析が可能となる。
解析例として、一つのジョイント系を含む岩盤において、初期圧縮応力を与え、間隙水圧を徐々に増加する場合の、ジョイントの変位と間隙水圧の関係を求めた。水圧によりジョイントの有効直応力が減少し、せん断すべりが生ずるというメカニズムが実際に起こるとすれば、初期地圧以上の水圧により不連続面が開口する以前に破砕が進行するものと考えられる。本研究の成果である、岩盤の構成式を用いれば、そのような破砕領域の進行の連続体解析が可能となる。
また、水圧破砕された亀裂性岩盤における浸透流解析手法の開発を行った。クラックの密度・寸法分布・方向分布をあたえ、フラクチャーネットワークを発生させ、その浸透流解析を行った。個々のクラック内の流れの問題を解いて浸透マトリクスを計算し、それを組み合わせて全体の浸透流解析を行うという新しい解析手法を開発した。ルジオン試験の解析を行い、解析手法の妥当性を検証した。

研究成果

• [文献書誌] M.Hori and S.Nemat-Nasser: "Dobule-Inclusion model and overall moduli of multi-phase composites" Mechanics of Materials. 189-206 (1993)
• [文献書誌] S.Nemat-Nasser,N.Yu,and M.Hori: "Bounds and estimates of overall moduli of composites with periodic microstructure" Mechanics of Materials. 163-181 (1993)
• [文献書誌] S.Nemat-Nasser,N.Yu,and M.Hori: "Solids with periodically distributed cracks" International Journal of Solds and Structures. 2071-2095 (1993)
• [文献書誌] Y.Okui.H.Horii,and N.Akiyama: "“A continuum theory for solids containing microstructures"" International Journal of Engineering Science. 31. 735-749 (1993)
• [文献書誌] M.Cai and H.Horii: "“Constitutive model and FEM analysis of jointed rock masses"" Int.J.Rock Mech.Min.Sci.& Geomech.Abstr.30. 351-359 (1993)
• [文献書誌] H.Horii and Y.Okui: "“Thermomechanics and micromechanics-based continuum theory for localization phenomena"" Proceedings of IUTAM Symposium on Fracture of Brittle Disordered Materials. (1993)