水中衝撃波を用いた岩石の動的引張強度の評価

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750861
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 久保田 士郎 九州大学, 大学院・工学研究院, 助手 (00294893)
• キーワード: 岩石の動的引張強度 / 水中衝撃波 / 爆薬 / 高速度カメラ

研究概要

本研究では、動的荷重源として爆薬の水中爆轟により発生する水中衝撃波を用いることにより、従来の動的強度評価法よりも大きな衝撃エネルギーを岩石試料に作用させることが可能でかつ動的荷重の制御が容易である実験装置を提案・試作した。岩石試料は棒状で一端に衝撃荷重を与えた場合に、他端で引き起こされるホプキンソン効果を応用する実験であり、水パイプの長さを変化させるだけで衝撃荷重の大きさを制御できる。本実験結果を基に岩石の動的引張強度の評価法について検討し、その妥当性について議論した。同時に、岩石破壊挙動のデータ収集を行った。
水パイプ長さをLw=70mm以上にした場合、爆源近傍では顕著な破壊は確認されなかった。70mm以上の場合、岩石試料中を伝播する波は、爆源側の破壊の影響を受けないと考えられる。爆源近傍にて圧縮破壊や引張破壊を考慮しない簡単な仮定を用いて、自由面側の破壊状況を検討できる。Lwが70mm以上では自由端から引張応力に原因する破断面までの距離はLwの増加とともに増加する傾向を示したが、Lwが50mm、30mmの場合はその反対の傾向を示した。Lwが70mm以上では水中衝撃波が平面的に岩石試料に入射していることが予想された。この結果は試作された有限差分法に基づく流体コードにより妥当な評価であることが示された。
弾性波の一次元応力伝播理論に基づく動的引張強度の評価法について検討した。実験結果から得られる情報(自由面速度履歴)は亀裂の成長過程を含んでいるために従来の動的引張強度の評価方法を簡単に適用できないことを指摘した。亀裂の情報から破断が始まる瞬間を推定することにより動的引張強度を見積もる方法を提案し、来待砂岩について適用した。この方法に従い得られる強度は静的な方法により得られるそれより若干大きい程度であった。さらに、異なる水パイプ長さの破壊実験結果を用いて、応力波形状を推定し、それをもとに動的引張強度を評価する方法を提案した。

研究成果

• [文献書誌] Shiro KUBOTA, et al.: "Shock loading test of rock and numerical simulation on underwater shock wave"Proc. International workshop on Intelligent mining systems, Japan. 123-128 (2002)
• [文献書誌] Shiro KUBOTA, et al.: "Shock loading test of rock using underwater explosion"Proc. 2002 ISRM regional symposium on rock engineering problems and approaches in underground construction. 763-768 (2002)
• [文献書誌] Shiro KUBOTA, et al.: "Rock fragmentation under the dynamic loading of underwater shock waves"Proc. 7th international symposium on Rock fragmentation by blasting. 133-138 (2002)
• [文献書誌] W.JUNG, Y.OGATA, S.KUBOTA, H.SHIMADA, K.MATSUI: "Relationship of the fragmentation of cylindrical rock specimen and incident underwater shock wave"JOURNAL OF THE JAPAN EXPLOSIVES SOCIETY. 63・6. 404-409 (2002)