岩盤斜面の進行性破壊に関する研究

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まれあこうだ
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1 土質力学対象 : 軟弱地盤 ( 粘土砂中間土礫 ) 理論体系 : 連続体力学 ( 主流 ) 粒状体理論特徴 ( 確実性 ): 弾性塑性過圧密応力誘導異方性構造 ( 粘着力 ) 水土連成不飽和岩盤力学 ( 地質学の原点となる一つ要因 ) 対象 : 岩石岩盤理論体系 : 弾性体理論のみ ( 軟岩以外 ) 特徴 ( 不確実性 ): 節理 ( 不連続性 ) 異方性 ( 方向性 ) 挟在性粗面性 ( せん断に伴うダイレータンシー ) その他

2 第 1 回鉱物に関する基礎知識鉱物の種類鉱物の構造鉱物の特性

3 鉱物の種類物理的にも化学的にも均質な性状を示す固体粒子を鉱物といい, 現在 2,000 以上の種類が確認されている. 岩石はいくつかの鉱物によって構成されており, このように岩石をつくっている鉱物を造岩鉱物という. このうち, 岩石中に 10% 以上含まれ, 岩石の分類において判定要素となる造岩鉱物を主要造岩鉱物といい, そうでないものを副成分鉱物という. 現在, 造岩鉱物の種類は 300 程度と考えられる.

4 1 石英 (quartz): 大部分の酸性の火成岩, 多くの堆積岩変成岩の主要造岩鉱物である. 化学組成は SiO 2 であり, 無色透明を呈する. 2 斜長石 (plagioclase): 大部分の火成岩堆積岩変成岩中に多量に含まれている主要造岩鉱物であり, アノーサイト成分とアルバイト成分の間を連続的に変化する化学組成を示し, 無色ないし白色を呈する. 3 アルカリ長石 (alkali feldspar): 多くの火成岩堆積岩変成岩中に含まれており, カリ長石成分とアルバイト成分の間を連続的に変化する化学組成を示す. 一般に, 無色ないし白色を呈すが, カリ長石の場合は淡桃色を呈する. 4 白雲母 (muscovite): 多くの酸性火成岩および泥質岩起源の変成岩中に含まれる. 一般に, 無色透明を呈する. 5 黒雲母 (biotite): 花崗岩を主とする大部分の酸性火成岩および多くの変成岩中に多量に含まれる, 一般に黒色を呈する. 6 角閃石 (hornblende): 中性 ~ 塩基性の火成岩および塩基成岩起源の変成岩中に含まれる有色鉱物である. 一般に黒色 ~ 濃緑色を呈する. 7 輝石 (pyroxene): 多くの塩基性 ~ 中性の火成岩および接触変成岩などに多く含まれる有色鉱物であり, 斜方輝石および単斜輝石に大別される. 黒色, 緑色, 青色など, 種々の色を呈する. 8 カンラン石 (olivine): 多くの塩基性 ~ 超塩基性の火成岩中に含まれる. 無色ないし淡黄色を呈する.

5 鉱物の構造結晶系による分類 1 等軸晶系 : ホタル石, 黄鉄鉱 2 正方晶系 : ジルコン, ベスブ石 3 六方晶系 : 石英, 方解石 4 斜方晶系 : カンラン石, 黄玉 5 単斜晶系 : 正長石, 輝石 6 三斜晶系 : 斜長石化学組成による鉱物の分類 1 元素鉱物 : ダイヤモンド (C), イォゥ (S) 2 硫化鉱物 : 黄鉄鉱 (FeS 2 ), 方鉛鉱 (PbS) 3 ハロゲン鉱物 : 岩塩 (NaCl), 蛍石 (CaF 2 ) 4 酸化鉱物 : 石英 (SiO 2 ), 磁鉄鉱 (Fe 3 O 4 ) 5 炭酸塩鉱物 : 方解石 (CaCO 3 ), マグネサイト (MgCO 3 ) 6 珪酸塩鉱物 : 斜長石 ((Na, Ca) Al (Al, Si)Si 2 O 8 ), カンラン石 ((Mg, Fe) 2 SiO 4 )

6 六つの結晶系

7 結晶面を持つかどうかに関わらず原子の配列が規則正しく方向によって一定した性質を示す固体を結晶と呼ぶ結晶を通過する間に起こる二つの偏光波の振動数ズレ

8 屈折率曲面

9 鉱物の特性硬度色条痕色光沢壁開比重モースの硬度計硬度標準鉱物代用できる物 1 滑石 2 石膏爪 (2.5) 3 方解石銅貨 (3) 4 蛍石鉄くぎ (4.5) 5 燐灰石ガラス 5.5) 6 カリ長石ナイフ (6.5) 7 石英ハンマー (7) 8 黄玉 9 鋼玉 10 ダイヤモンド

10 硬度標準鉱物代用できる物 1 滑石 2 石膏爪 (2.5) 3 方解石銅貨 (3) 4 蛍石鉄くぎ (4.5) 5 燐灰石ガラス 5.5) 6 カリ長石ナイフ (6.5) 7 石英ハンマー (7) 8 黄玉 9 鋼玉 10 ダイヤモンドモースの硬度計

11 結晶の壁開

12 鉱物の光沢の種類と特徴

13 地殻を構成する主な造岩鉱物の結晶構造 (SiO 4 四面体の酸素原子の共有の仕方によって 6 つのグループにわけられる珪酸塩鉱物 )

14 第 2 回岩石に関する基礎知識岩石はその成因によって次の 3 種に大別される火成岩 : マグマが固まって生成された岩石堆積岩 : 岩片や粘土が固結して生成された岩石変成岩 : 火成岩堆積岩が熱や圧力によって変化して生成された岩石

15 岩石の輪廻

16 火成岩の産出状態による分類 1 深成岩 : マグマが地下の比較的深所において徐々に冷却固化してできた岩石であり, 一般に巨大な岩体をなして産出される. マグマの冷却固結が非常に緩慢であるために, 鉱物は大きな結晶となり, 等粒状組織 ( 図 2) を呈している. 2 半深成岩 : 半深成岩は深成岩と噴出岩との中間的なものであり, 地下深所で急冷却したり, 地下浅所でゆっくり冷却したりすることによって産出された岩石である. 産出の形態としては, 岩脈, 岩床, 岩株など貫入岩体を形成するほか, 深成岩体辺縁部をなしていることもある. 一般に斑状組織 ( 図 2) を呈するが, 石基は完晶質であり, ガラスが含まれないのが普通である. 3 火山岩 ( 噴出岩 ): 火山岩はマグマが地表, または地表近くまで上昇して, そこで比較的短い期間に冷却, 固結してできた岩石である. この岩石は非常に急冷却した場合にはガラス質, あるいは細粒となるが, 一般には比較的大きな斑晶とガラス質あるいは微細な結晶部分からなる斑状組織 ( 図 2) を呈している. マグマが地表に流出すると溶岩と呼ばれ, 台地やドーム型の山を形成する.

17 等粒状組織 ( 深成岩 ) 斑状組織 ( 半深成岩 ) 図 2 鉱物粒子の集合状態

18 火成岩の化学成分による分類火成岩はその岩石中に含まれる珪酸の量によって次のように分類される. 1 酸性岩 (66% 以上 ) 2 中性岩 (66%~52%) 3 塩基性岩 (52%~45%) 4 超塩基性岩 (45% 以下 ) また, 珪酸の量は, 岩石中の有色鉱物含有量でも表せる. これを体積百分率で表したときの数字を色指数と言い, 次のように分類される. 1 優白色 (0~30) 2 中色 (30~60) 3 優黒色 (60~100)

19 地殻を構成する主な岩石鉱物元素の量比

20 火成岩の分類

21 堆積岩堆積岩は既存の岩石の砕屑物, 生物の遺体などの堆積や特定物質の沈殿によって形成される岩石であり, 構成物質および生成過程などにより砕屑岩, 火山砕屑岩, 化学的堆積岩および生物岩の 4 つに大別される.

22 砕屑岩地表に露出した岩石の風化破砕によってできた砕屑物質が水, 風, 氷河などによって運搬され, 海底湖底および川底などや陸上に堆積固化して生成されたものである. 砕屑物質は粒子の大きさによって粘土, シルト, 砂および礫に区別される. (1) 泥岩 (mudstone), 頁岩 (shale), 粘板岩 (slate): いずれも粘土およびシルトからなる細粒の岩石であるが, 続成作用の進行程度や剥離性の程度によって, 低いものから泥岩, 頁岩, 粘板岩に分類される. このうち, 粘板岩は再結晶がなされているのが特徴である. (2) 砂岩 (sandstone): 石英粒および長石粒などの細粒からなる岩石であり, 続成作用の程度や砂粒の種類および組成によって種々の細分類がなされている. (3) 礫岩 (conglomerate, レキ岩 ): 礫を多量に含む岩石で, 礫の形状, 大きさによっていろいろに分類される. 一般に, 礫岩と呼ばれているものは円礫を主体としており, 角礫を主とするものは角礫岩 (breccia) と呼ぶ.

23 火山砕屑岩火山の噴火とともに噴出する火山噴出物はその状態により 1 火山ガス 2 溶岩 3 火山砕屑物に分類される. 火山砕屑物はその粒径によって 1 火山灰 (<4mm) 2 火山礫 (32 ~4mm) 3 火山岩塊 (>32mm) に分類される. 火山砕屑岩は, 火山砕屑物からなるもので, 陸成層および浅海成層が多い. 典型的な火山砕屑岩は下記のものがある. (1) 凝灰岩 (tuff): 火山灰が固結したもので, 一般に無層理である. (2) 火山礫凝灰岩 (lapilli tuff): 火山灰および小豆から卵大の火山礫が固結した岩石である. (3) 凝灰角礫岩 (tuff breccia) および火山角礫岩 (volcanic breccia): 卵大以上の火山岩塊とその間を充填する火山灰質の部分から成り, 火山灰質が多いものを凝灰角礫岩, 火山岩塊が多いものを火山角礫岩という. (4) 溶結凝灰岩 (welded tuff): ガラス質火山灰や軽石片に富む火山噴出物が高温を保ったままで堆積し, 上からの荷重で圧縮され, 再溶融し固結したものである.

24 化学的堆積岩海水, 湖水および温泉や鉱泉などの地下水に溶けている物質が化学的に沈殿してできた岩石であり, チャート, 岩塩, 石膏, シンター ( 珪華, 鉄華 ) などがある. チャ - ト (chert): 赤色, 青色および灰色を示す半透明の岩石で, 微細な石英粒からなり, 塊状, あるいは層状を呈している. チャートの成因については, 多くは無機化学的に沈殿したと考えられているが, 一部には放散虫の殻の密集したものもあり, これは放散虫チャートと呼ばれる.

25 生物岩生物の遺体が堆積してできた岩石であるが, カルシウム, 炭素などの有用成分が濃集し, 鉱床を形成していることが多く, 地下資源として重要なものが多い. 石灰岩, 石炭のほかに泥灰岩, 珪藻土などがある. (1) 石灰岩 (limestone): 一般に灰白色, 灰色, 暗灰色を呈し, 主として方解石からできている. 石灰岩の成因としては, 古い地質時代に繁殖した貝類, サンゴ類, 有孔虫などの石灰質の遺体や石灰藻などが堆積してできた岩石であるが, 最近では, このほかに海水や湖水に溶けていた炭酸カルシウムの無機化学的な沈殿, また, 海底火山に関係ある炭酸カルシウムを含んだ鉱泉からの沈殿によっても生成される. (2) 石炭 (coal): 湖沼や潟などに植物の遺体が堆積してできたもので, 炭化の程度によって泥炭, 亜炭, 褐炭, 歴青炭および無煙炭などに分類される.

26 変成岩変成作用には, 既存の岩石がマグマとの接触によって, マグマから熱および成分供給を受けて変成する場合と, 地下の深部に埋もれた岩石が構造運動を履歴し, 高温高圧のもとで広範囲にわたって変成する場合との 2 つに大別できる. 前者を接触変成作用 ( または熱変成作用 ) といい, 貫入してきたマグマの性質 ( 岩質, 種類, 温度 ) およびその規模, また, 変成を受けた原岩の岩質および種類によって種々の接触変成岩 ( 熱変成岩 ) が生成される. 接触変成岩は堆積岩のみでなく, 火成岩がマグマの貫入を受けた場合にも生ずるが, 火成岩は元来高温のもとで生成され, 高温において安定な鉱物より構成されているため熱による影響が少ない. 後者は広域変成作用 ( または動力変成作用 ) といい, この変成作用によって生成される岩石を広域変成岩 ( あるいは動力変成岩 ) と呼んでいる. 接触変成岩広域変成岩圧砕岩 ( 断層運動に伴い原岩が圧砕されてできた岩石 ) などはある.

27 第 3 回岩石岩盤の工学的特性岩石の工学的特性 1. 岩石の変形性 2. 岩石の強度 3. その他の基本物性値密度単位体積重量間隙率岩盤の工学的特性 1. 岩盤の変形性 2. 岩盤の強度 3. 岩盤の透水性 4. 岩盤の工学的特性における連成問題

28 岩石の種類と弾性係数岩石の種類と密度間隙率

29 岩石の吸水率と一軸圧縮強度の関係

30 岩盤の変形性岩盤の場合は岩石の変形性の他に不連続面の変形性を考慮する必要がある. 不連続面の特性要素が岩盤の変形性に及ぼす影響としては主として次のものが挙げられる. 1 方向性変形の方向を支配する. 2 連続性変形の範囲を支配する. 3 稠密性変形量に影響を与える. 4 開口性閉合する際に初期の開口幅が変位量を支配する. 5 挟在性挟在物の変形性が閉合の際に変位量を支配する. 6 粗面性せん断に伴ってダイレイタンシーを生じさせる. 7 連結性不連続面で囲まれたブロックの変位の自由度を支配する.

31 岩盤の強度岩盤の強度は岩石の強度および不連続面の性状によって支配される. 岩盤の変形性の場合と同様に, 不連続面の特性要素が岩盤の強度に与える影響は次のとおりである. 1 方向性破壊の方向を支配する. 2 連続性不連続面先端部分の応力分布に影響を与える. 3 稠密性密に分布することで不連続面の併合を容易にする. 4 開口性不連続面先端部分の応力分布に影響を与える. 5 挟在性不連続面のせん断強度に影響を与える. 6 粗面性不連続面の内部摩擦角に影響を与える. 7 連結性岩盤内部の応力伝播に影響を与えると同時に, 内部摩擦角に影響を与える.

32 岩盤の透水性岩盤内の浸透経路は, 岩質部分の空隙および節理に代表される不連続面である. 第四紀の火砕岩などの間隙率の大きい岩は, 岩質材料内部での透水性が比較的高く, 岩盤の透水性は不連続面の透水性と合わせて岩石の透水性も考慮する必要がある. 一方, 新鮮な花崗岩のような硬質岩盤は, 岩石の構成粒子間の結合が密であるために間隙率が小さく, 岩石の透水係数は節理に代表される不連続面の透水係数に比べて極めて小さい. 不連続面の特性が岩盤の透水性に与える影響は次のようである. 1 方向性浸透方向を支配する. 2 連続性不連続面内の浸透範囲を支配する. 3 稠密性浸透経路数を支配する. 4 開口性不連続面の透水係数に影響を与える. 5 挟在性不連続面の浸透経路を塞ぐ. 6 粗面性不連続面内に選択的な浸透経路を生じさせる. 7 連結性各不連続面の浸透経路を連結させる.

33 岩盤の工学的特性における連成問題 1 岩盤内地下水の分布により間隙水圧が増減する. 2 岩盤内応力の増減に伴い, 間隙率が変化して浸透流を支配する. 3 温度変化に伴い, 熱応力が増減する. 4 カエネルギーが熱エネルギーに変わる. 5 熱により水の粘性が変化する. 6 水の流れが熱を運搬する. 7 化学変化により物性が変化する. 8 応力の増減により構成鉱物に相転移が起こる. 9 化学変化により粘性および間隙率が変化する. 10 水が反応し化学変化が起こる. 11 化学変化に伴い, 発熱ないし吸熱反応が生じる. 12 温度変化に伴い化学変化が起こる.

34 軟岩軟岩はその成因により堆積性軟岩風化性軟岩および火山性軟岩に大別できる. (1) 堆積性軟岩堆積性軟岩 ( 主に新第三紀堆積岩類 ) は, 土砂の圧密領域からセメンテーションの領域に至る途中の過程であり, 層理面による異方性を有するが, 節理などの割れ目も少なく, 比較的等方均質な性状を示すものが多い. (2) 風化性軟岩風化岩質軟岩は硬岩から土へ移行する劣化過程で生成される. (3) 火山性軟岩火山性軟岩は, 火山活動に伴う熱水変質に起因するものであり, 第四紀の火山地域に見られる. 熱水の起源としては, マグマ水, 変成水, 天水がある. このような続成, 熱水変質作用を受けると, 一般にモンモリロナイト, 緑泥石, 沸石などの鉱物が生成され, 脆弱化する.

35 泥質堆積岩の埋没深さに伴う物性変化

36 軟岩の工学的特性軟岩特有の工学的特性としては, 次のようなものが挙げられる. 1 含水による強度低下集中豪雨後の軟岩地域でしばしば斜面崩壊地すべりなどの災害が生じる要因となっている. 2 スレーキング特性乾湿の繰り返しによって岩石粒子間の結合が破壊され, 強度が低下し, はなはだしいときには粒子が分離し土壌化する現象である. 3 スウェリング特性土粒子を構成する結晶の層格子間が水の浸入によって拡大される内部膨潤と, 土粒子一水系の反発力に依存する土粒子間膨潤 ( 外部膨潤 ) に大別され, さまざまな工学的問題を引き起こしている. 4 クリープ特性長期安定性問題をもたらす.

37 第 4 回地質調査法予備調査文献調査地形図空中写真判読地表地質踏査岩相岩質地質の構造流水および湧水の状態地形の特徴植生物理探査弾性波探査電気探査重力探査音波探査磁気探査放射能探査地温探査物理検層ボーリング調査調査坑における調査

38 水系の形態

39 弾性波探査の模式図弾性波探査を効果的に実施するための要点は, 測線の配置および長さである. 測線の長さは, 経験的に解明が必要となる深さまでの 5 倍としており, 測線端付近が解析の盲点とならないよう遠隔発破をかけなければならない. なお, 弾性波探査は, 高速度層が低速度層の上部にあるような地質構造の解析には原理的に適さない.

40 ボーリング調査ボーリング調査は, 地下の地質状況を把握するために普遍的に行われる調査法である. 採取されたコアの観察によって地下の地質状況を把握することが主体となるが, 削孔を利用して透水試験各種の検層弾性波探査, 孔内変形試験などを実施する場合もある. ボーリングコア観察における記載事項は次のとおりである. 1 岩石名および地層名 2 岩石の硬さ 3 岩石の風化, ならびに変質状況 4 不連続面の分布状況 ( 方向, 密度 ) 5 不連続面の風化状況 6 コアの長さ ( 最大コア長, 平均コア長 ) 7 コア採取率 8 RQD 9 岩盤等級区分 10 ルジオン値, または透水係数 11 削孔条件 ( 掘進率, 給排水, セメンテーション孔径, ビット, ケーシング, 地下水位 )

41 ボーリング結果標高 :EL632.39m 深度 :15.00m

42 標高 :EL676.25m 深度 :35.00m ボーリング結果

43 調査横坑の展開方法と展開図調査横坑展開方法 (a) (b) 調査坑における調査展開方法 (a) 展開方法 (b)

44 横坑展開図

色の付いた鉱物 ( 有色鉱物 ) では, マグマの温度が下がるにしたがい, 一般に次の順で晶出分解します. かんらん石斜方輝石, 単斜輝石普通角閃石黒雲母色の付いていない鉱物 ( 無色鉱物 ) では, 一般に次の順です. 斜長石石英カリ長石問 2:1 斜長石とはどういうものかを知ってい

岩石鉱物の問題 2012 年問 1:3 マントルの一部が溶けたマグマが固まった深成岩はハンレイ岩 ( 下図参照 ) 色の付いた鉱物 ( 有色鉱物 ) では, マグマの温度が下がるにしたがい, 一般に次の順で晶出分解します. かんらん石斜方輝石, 単斜輝石普通角閃石黒雲母色の付いていない鉱物 ( 無色鉱物 ) では, 一般に次の順です. 斜長石石英カリ長石問 2:1 斜長石とはどういうものかを知っていれば1とわかる