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破壊靭性試験に用いる岩石の圧裂引張強度と
力学的な物性値を求めるための試験
資源エネルギー学研究室
6616002 京坂 知子
研究の背景と目的
高レベル放射性廃棄物の最終処分場において、地下坑道建設
に伴い坑道周辺には多数のき裂が発生する。埋設後、放射性
物質が溶け込む可能性のある地下水の通り道となるき裂の進
展の挙動を解析することは、放射性廃棄物の長期にわたる保
管の安全性を確保するうえで重要である。
そのため本研究では、研究所近辺より産出される真壁小目花
崗岩のSCB試験片を用いて破壊靭性試験を行い、結晶質岩の
き裂進展に対する抵抗力を解析することとした。
茨城県桜川町真壁町より産出される真壁小目花崗岩
破壊靭性試験とは
下に破壊靭性試験に用いるSCB試験片を示した。
SCB試験片とは、半円盤上に成形した供試体の円中心部から
人工き裂作成したものである。
矢印の方向から載荷することによって人工き裂がノッチからリガ
メントへ進展するが、このき裂進展の挙動を評価することで供試
体の力学的な特性を求めることができる。
破壊靭性試験を行う前に
破壊靭性試験を行うにあたり、材料とする岩
石の力学的な特性を把握しておく必要がある。
そこで前年度は、破壊靭性試験片の材料に
用いる岩石ブロックから圧裂引張試験片と一軸
圧縮試験片を作成しそれぞれ試験を行った。
今回の発表では圧裂引張試験と一軸圧縮試
験の結果について報告する。
圧裂引張試験とは
下の図のように円柱の側面の上下方向から材料試験機で荷重
をかける(黒矢印)。円の内部には直径から左右に向かって離
れようとする引張応力が発生する(赤矢印)。
d = 30mm, l = 30mm
の円柱形の試験片
P
圧裂引張強度(MPa) St=2P/πdl
山口梅太郎 ・西松裕一 『 岩石力学入門 第2版 』 ( 1977 ) 東京大学出版会のp,123より一部抜粋
MTS社製材料試験機
d
l
一軸圧縮試験とは
下の図のような直径30mm,高さ75mmの円柱形の試験片に縦
軸方向に荷重を加えて圧縮試験を行う。破壊が起こったときの
荷重を式にあてはめ一軸圧縮強度を算出する。
P
山口梅太郎 ・西松裕一 『 岩石力学入門 第2版 』 ( 1977 ) 東京大学出版会のp,114より一部抜粋
一軸圧縮強度(MPa) Sc = 8P/πd2
d
l d = 30mm, l = 75mm
の円柱形の試験片
メトラー・トレド社製材料試験機
使用した岩石は真壁小目花崗岩で、図は20cm角のブロック。
試験片作成の準備(1)
- 異方性の推測 -
R面
H面
G面
Hard way : 最も引き離すのが困難である軸方向
Rift way : 最も引き離すのが容易である軸方向
Grain way : Rift wayの次に引き離すのが容易である軸方向
R
G
H
矢印の方向と直行する面を左の図に表記
この二方向にき裂が進展するように破
壊靭性試験片を作成する
試験片作成の準備(2)
- 破壊靱性試験片の位置 -
色のついた点線で囲った部分を
破壊靭性用の試験片として使用
する
R面
H面
G面
R
G
H
※黒い線はノッチを示している
試験片作成の準備(3)
- 圧裂引張試験片と一軸圧縮試験片の位置 -
R
G
H
:直径30mmのコア(圧裂引張試験片用と一軸圧縮試験片用)
:直径76mmのコア(破壊靱性試験片用)
R-5R-3R-1 R-7
G-3
G-4
G-5
G-1
G-2
R-6R-4R-2
R-8
H-4
H-3
H-1
H-2
ノッチ方向
真空引き
真空乾燥器
アズワン株式会社製
温度設定範囲 :40~220℃
温度調節精度 :±1℃
使用真空度範囲 :0.1~101kPa
油回転式真空ポンプ
105℃72時間以上の条件に設定
試験片の設置
メトラー・トレド社製材料試験機
最大荷重:1000kN
圧裂引張試験片設置後の様子
一軸圧縮試験片設置後の様子
ひずみゲージ
東京測器研究所
Gauge factor 縦 : 2.13
横 : 2.13
1ゲージ法3線式結線法で
温度保障つき
0.0003mm/sec
の一定の荷重速度で
変位制御試験
0.1kN/30sec
の一定の荷重速度で
荷重制御試験
圧裂引張試験結果
G5-H1 9.88
G1-H3 10.30
H1-G3 8.22
H2-G3 6.65
H3-G2 8.12
H4-G1 9.89
H4-G2 8.81
R2-H3 10.56
R5-H1 11.89
R5-H2 9.18
R6-H1 8.96
R6-H2 7.40
R7-H1 11.50
G2-H3 10.62
R7-H2 10.21
G5-H2 8.63
9.43 1.44
圧裂引張強度
(MPa)
平均(MPa)
8.84 1.29
9.88 1.45
標準偏差
二方向に有意差が見られるか検定
圧裂引張試験結果
H方向の圧裂引張強度
R方向の圧裂引張強度
圧裂引張試験結果の考察
・t検定
二つの値の集団を、それぞれある二つの異なる母集団から抽出した標本と仮定
し、両者の間に見られる差異が有意であるかどうかを検定する。なお今回の検定
は二つの母集団の平均と分散が同じであるという前提の基行う。
検定統計量tと臨界値(tの表より求まる)を比べて検定を行う。
:標本平均 n : 標本数S : 標本変動
99%の区間推定 95%の区間推定
臨界値 tα
2.145
検定統計量 T
1.0575
臨界値 tα
2.977
検定統計量 T
1.0575
HRHR
HR
nnnn
SS
xx
t
HR
11
2
0)(




 x
いずれの区間推定でも
有意差は見られなかった
異方性の性質を顕著に示さな
かったと考察される
t検定の式 林 周二 『 統計学講義』 ( 1963 ) 丸善株式会社のp,190より引用
一軸圧縮試験結果
0
50
100
150
200
250
-4000 -2000 0 2000 4000 6000 8000
Stress(MPa)
R2- H2
G2- H2
Strain (10-6)
H2- G2
R2- H2
R2- H2
G2- H2
Strain (10-6)
R2- H2
H2- G2G2- H2
軸方向
ヤング率
(GPa)
ポアソン比
(-)
一軸圧縮強度
(MPa)
R 63.10 0.29 216.53
G 61.83 0.33 217.18
H 61.80 0.29 211.20
応力 – ひずみ線図
(Compression: +, Tensile: - )
一軸圧縮試験結果
・ヤング率
応力 - ひずみ線図の傾きを表している
値であり、岩石が変形し難いほどこの値
は大きくなる。
・ポアソン比
圧縮による縦ひずみと横ひずみの比で
あり、岩石の膨らみやすさを表している。
・一軸圧縮強度
縦軸方向の圧縮に対する強度。
最も変形し難い 最も膨らみやすい
一軸圧縮試験結果の考察
弾性波速度測定から推測した異方性に基づくと、H軸方向とG
軸方向のヤング率、ポアソン比および一軸圧縮強度は近い値
をとり、R軸方向は他の二つと異なる値をとると予測した。しかし
実際には異方性から推測した相対関係とは異なる結果となった。
このことから、本実験に用いた真壁小目花崗岩は異方性の性
質を顕著に示す岩石ではないと考察される。
均質な岩石である
岩石の特性を示すパラメーターの数が少なくて済むため数学的
なモデルが単純化しやすく、試験結果の比較検討が行いやす
いといえる。
今年度の研究計画
弾性波速度測定から異方性を把握できている岩石が、今回
使用した真壁小目花崗岩の他にも5種類あるので、そのうちの
どれかを選定し試験を行う。なお試験片は、異方性に基づき真
壁小目花崗岩と同様の方向からコアリングを行い作成する。
現時点で候補に挙がっている岩石
・同じ花崗岩で鉱物粒子が真壁に比べて粗い稲田花崗岩
→鉱物粒子の粗さの違いによる影響を考察
・新小松安山岩と戸室安山岩
→産地の違いによる試験結果への影響を考察
・稲井粘板岩
→前例があまり多くみられないため
大理石での破壊靭性試験は過去に多くの研究がなされてい
るため秋吉大理石を選ぶ可能性は低い

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