改良モデルを用いた石炭岩のクリープ挙動と損傷進化における欠陥形状の影響

科学分野:

• 地盤工学
• 岩盤力学
• 計算モデリング

背景:

• 複雑な地質環境における深部石炭岩盤は欠陥を起こしやすいです。
• これらの欠陥は、工学的構造物の長期的な安定性を損なう可能性があります。

研究 の 目的:

• 石炭岩のクリープ挙動と破壊メカニズムにおける欠陥形状の影響を調査すること。
• 様々な空洞形状が機械的特性に与える影響を定量化すること。

主な方法:

• PFC（Particle Flow Code）において、ケルビン・フォイクト接触モデルと並列結合モデルを組み合わせて、改良クリープモデルを開発しました。
• 段階的な荷重負荷の下で、異なる空洞形状（長方形、台形、逆U字型、正方形、円形）を持つ、無傷および欠陥のある石炭岩標本に対してシミュレーションを実施しました。

主要な成果:

• 空洞の欠陥はクリープ強度、ひずみ、弾性率を著しく低下させ、その弱化の程度は空洞の形状に依存します。
• 長方形の空洞は破壊応力の最大の低下を引き起こし、逆U字型の空洞は弾性率を最も低下させ、正方形の空洞はひずみの減少を最大にしました。
• 同じ面積でも、より広い空洞はより大きな圧縮変形を促進しました。
• 円形の空洞は対称的な応力場とより良い安定性を示しましたが、他の形状は亀裂の発生と伝播につながる横応力場を発達させました。

結論:

• 空洞の形状は、石炭岩における応力分布と破壊モードを制御する主要な要因です。
• 長方形および逆U字型の空洞は局所的なせん断破壊を助長する傾向がありますが、円形の空洞は全体的なせん断破壊に向かう傾向があります。
• 欠陥形状の影響を理解することは、地下工学構造物の安定性を評価し、確保するために不可欠です。