A Novel Application of Strain Energy to Estimate Failure Pattern of Gneiss Rock using Genetic Algorithm and Triaxial System

技術要約：遺伝的アルゴリズムと三軸圧縮試験を用いた片麻岩の破壊パターンの推定における歪みエネルギーの新応用

問題提起
変成岩、特にインドのチャモリ地域における片麻岩は、鉱物の面構造（フォリエーション）による顕著な構造的異方性を示す。この異方性は、従来の決定論的な手法による信頼性の高い強度予測を困難にしている。従来の決定論的手法は、多くの場合、応力－ひずみ関係のみに依存しており、岩石挙動の非線形性、スケール依存性、およびフォリエーションの配向、応力条件、エネルギー進化の間の複雑な結合を捉えきれないことが多い。したがって、災害が発生しやすい面構造を持つ岩塊の安定性を評価するために、エネルギーベースの破壊理論と進化型最適化を統合した予測フレームワークが必要とされている。

研究手法
本研究では、実験的アプローチと計算論的アプローチを統合した手法を採用した：

• 試料の採取と調製： インド、チャモリのパガル・ナラ・ランドスライド地点から片麻岩の塊を採取した。円筒形のコア試料を、長さと直径の比が2となるように抽出し、7つの特定のフォリエーション角（0°, 15°, 30°, 45°, 60°, 75°, および 90°）に対して配向させた。
• 物理的および岩石学的特性評価： 物理的特性（単位重量、空隙率、吸水率）を測定した。鉱物組成はX線回折（XRD）を用いて分析され、方解石、石英、長石が主要な鉱物であることが特定された。地熱バロメトリーを用いて、岩石形成時のピーク変成条件を推定した。
• 機械的試験：
  • 超音波パルス速度（UPV）： P波およびS波の速度を測定し、動的弾性係数（ヤング率、剛性率、体積弾性率）を決定し、方向による剛性を評価した。
  • 一軸圧縮試験： 標準的な一軸圧縮強度（UCS）試験を実施した。
  • 単一サイクル荷重－除荷（SC-UCS）： 供試体をピーク強度の95%まで荷重した後、除荷を行った。これにより、全歪みエネルギー（$U$）、弾性歪みエネルギー（$U_e$）、および散逸歪みエネルギー（$U_d$）の定量化が可能となった。エネルギー蓄積指数（$W_{et} = U_e / U_d$）を算出した。
  • 三軸圧縮試験： 拘束圧1, 2, および3 MPaの下で試験を行い、せん断強度パラメータ（粘着力 $c$ および内部摩擦角 $\phi$）を決定し、破壊モードを観察した。
• 遺伝的アルゴリズム（GA）モデリング： MATLABを用いて、岩石強度とせん断パラメータを最適化および予測するためのGAベースのモデルを開発した。モデルには、指標特性、動的弾性係数、および様々なフォリエーション角における歪みエネルギー定数を含む入力パラメータを用いた。モデルは、予測誤差を最小化し、支配的な破壊パターンを特定するために実験データを用いて学習された。

主な結果

• 異方性と弾性特性： チャモリ片麻岩は顕著な弾性異方性を示した。P波速度は、90°と比較して30°のフォリエーション角において27.83%低下したが、これは弱い鉱物境界に沿った波の散乱に起因する。動的ヤング率は、配向に応じて約39 GPaから66 GPaの間で変化した。
• せん断強度と破壊モード： せん断強度はフォリエーションの配向に強く依存した。30°の配向は最も低いせん断強度と、90°に対する最も大きな強度低下を示し、これがマイカに富むフォリエーション面に沿った滑りが支配的となる臨界弱面であることを特定した。破壊モードは、90°における軸方向の割裂およびY字型破壊から、中間角における単一平面に沿ったせん断または二重せん断へと変化した。
• エネルギー進化： フォリエーションに対して垂直に荷重された供試体（90°）は、最大の全歪みエネルギーおよび弾性歪みエネルギーを蓄積したが、30°のものは最小であった。90°の配向は、強固な石英・長石バンドを通じた引張亀裂の進展を通じてエネルギー蓄積を促進したのに対し、中間角では、より高いエネルギー散逸を伴うせん断支配型の破壊が促進された。$W_{et}$ 比は、主に脆性破壊の応答（$W_{et} > 1.3$）を示したが、激しい岩石破砕（ロックバースト）の閾値（$W_{et} < 2$）は下回っていた。
• モデルの性能： GAベースのモデルは、応力に対して75.29%、せん断パラメータに対して66.89%の予測一致度を達成した。モデルは、一般的な異方性の傾向（30°での強度最小、90°での強度最大）を再現することには成功したが、30°の配向については一致度が低かった。これは、この臨界角における複雑な不連続面制御の滑りメカニズムに起因すると考えられる。

意義および主張
著者らは、本研究が、災害が発生しやすい地形における岩盤安定性評価のための、新規かつ迅速で予測可能な意思決定支援ツールを提供すると主張している。岩石学的特性評価、エネルギーベースの破壊解析、および遺伝的アルゴリズムによる最適化を統合することにより、本フレームワークは、従来の応力－ひずみ解析を超えて、異方的な強度とエネルギー進化を定量化する手法を提供する。

本研究は、データ駆動型の地盤設計の基礎となるものと位置づけられており、フォリエーション角、強度異方性、およびエネルギー散逸を関連付けることで、破壊パターンを予測するものである。著者らは、本モデルは予備的なスクリーニングツールとして機能するものであり、実験データセット（特に臨界フォリエーション角付近）の拡充や、ハイブリッド機械学習手法または配向依存の重み付けの導入によって、その精度を向上させることができると控えめに述べている。本研究は、トンネル工事や斜面安定性などの工学的応用における変成岩塊の評価に向けた、従来の岩石試験とインテリジェント・モデリングの間の溝を埋めることを目的としている。