3Dプリントされた合成岩盤を用いた非貫通ジョイントの破壊メカニズムの説明

3Dプリントされた合成岩盤を用いた非貫通ジョイントの破壊メカニズムの説明
出典: 計算地質力学

1. はじめに

岩盤は無傷の岩石と異形の節理で構成されているため、段差斜面の崩壊は断層面の滑りと断層間の岩橋の引張破壊の複合作用の結果である[段差斜面の岩橋]。現在、このタイプの岩盤の機械的挙動を理解するために、主に数値シミュレーション技術が使用されています。使用される主なツールは次のとおりです。

(1)DFNとブロック理論に基づくFracmanとRocSlope

(2)DFNとFEM技術に基づくRS2とRS3

(3)特別に開発されたSRM技術であるBBMおよびBPMを含むDFNおよびDEM技術に基づくUDEC、3DEC、PFC

(4)DFNとFDEM技術をベースにしたIrazu

明らかに、通常の方法では合成岩盤(SRM)サンプルを作成することは非常に困難であり、これが数値シミュレーション技術が開発される主な理由の 1 つです。現在、3D プリント技術を使用して合成岩盤を作成するための新しい方法が開発されました。

2. 3Dプリントされた合成岩石 実際には、エンジニアは通常、類推または経験的方法を使用して岩盤強度を推定します。最も一般的に使用される経験的方法は、工学的な岩盤分類、特にフックブラウン基準を使用して等方性岩盤強度を推定することです。その後、Itasca によって開発された SRM テクノロジにより、理論的には岩盤強度をより正確に推定できるようになりました。ただし、このテクノロジには、非常に熟練した Itasca ソフトウェア操作スキルが必要であり、時間のかかる多数の数値実験が必要です。そのため、この方法も実際には使用が困難です。



人工 3D プリント技術を使用して、構造 (岩石の節理の強度と空間分布など) が既知の合成岩石試料を構築し、実験室でテストしました。このアプローチの主な利点は、同様の物理的条件を持つサンプルに対して再現可能な実験室テストを実行できるため、不確実性のレベルが低下し、結果の信頼性が向上することです。 3D プリントされたサンプルの実験室試験の結果は、一方では岩盤の強度を推定するために使用でき、他方では数値シミュレーションの結果を調整および検証するために使用でき、岩盤の機械的特性と破壊メカニズムをより正確に理解して説明することができます。


3. SRM数値モデル

2007 年 5 月、バンクーバーで開催された第 1 回カナダ - 米国岩石力学会議で、Itasca は「節理岩の合成岩盤モデル」と題する論文を発表し、このアイデアを FLAC3D、3DEC、および PFC3D に実装しました。 SRM は、PFC3D によって確立された BPM モデルを使用して元の岩石を表現し、DFN を使用して節理を表現し、岩盤の強度と変形特性を推定し、岩盤の脆性破壊挙動を予測します。



シミュレーション方法は、DFN の亀裂情報 (亀裂の形状と特性) を BPM モデルに重ね合わせることです。BPM は、亀裂接触点で接触モデルを変更することで、無傷の岩石をシミュレートし、亀裂の機械的挙動を導入するために使用されます。 PFC モデルは離散的な性質を持つため、破損は BPM 領域全体だけでなく、破断面に沿っても発生する可能性があります。

SRM は、以前の研究で存在したモデルのサイズと節理の表現の制限を克服し、数千の非貫通節理を含む直径 10 ~ 100 m の中程度から深刻な節理のある岩石サンプルの迅速な構築とテストを可能にします。 SRM シミュレーションは、岩盤のピーク前 (弾性係数、損傷閾値、ピーク強度) とピーク後 (脆性、残留強度、破砕) の特性を推定し、大規模な岩盤斜面の安定性の問題を分析するために使用されます。 SRM シミュレーションでは、非貫通ジョイントが岩石ブロックの強度に与える影響を含め、大規模で複雑な 3 次元の非貫通ジョイント ネットワークとブロックの破壊を考慮することができます。



一般的な SRM 数値シミュレーションの手順は次のとおりです。

(1)現場データに基づいて個別断層ネットワークDFNを確立する。

(2)構築されたDFNモデルをランダムにサンプリングし、一定のアスペクト比に従ってN個の立方体サンプルを分離してシミュレーションを行った。

(3)各立方体試験片に対して強度試験を実施し、各試験片の完全な応力-ひずみ挙動を記録する。

4. 結論

SRM 数値シミュレーションは、従来の研究室では通常困難または不可能である、大規模な岩石試料の複雑な構成挙動を決定するための新しい技術を提供します。ただし、新興の 3D 印刷技術では人工の SRM 試料を生成できるため、数値シミュレーションの結果をある程度調整および検証でき、岩盤の機械的特性と破壊メカニズムをより正確に理解して説明できます。

岩、コンクリート

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