JP2004020432A

JP2004020432A - Borehole jack type one-plane crushing stress measuring probe and apparatus using the same

Info

Publication number: JP2004020432A
Application number: JP2002177250A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Mizuta; 水田　義明
Original assignee: Yamaguchi Technology Licensing Organization Ltd
Current assignee: Yamaguchi Technology Licensing Organization Ltd
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a borehole jack type one-plane crushing stress measuring probe, and an apparatus using it, which is capable of forming an artificial crack in an arbitrary intended direction which does not depend on a stress field, has a simple mechanism and is inexpensive, and can perform high-precision measurement. <P>SOLUTION: A loading means which simultaneously generates a normal stress which has a distribution like a trigonometric function and becomes maximum in the direction of loading, and a shearing stress which has a distribution like an exponential function and becomes maximum in the direction of the diameter of the hole vertical to the direction of loading, favorably a loading means which has two semicylindrical plates formed by splitting a steel column into halves approximately, and the alternation of layers of steel plates and reinforcing member layers formed on the external surfaces of the plates in directions vertical to the planes of the plates formed by splitting into halves, is provided. To detect reopening of the artificial crack, a contact gauge which strides the artificial crack is used. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤中に掘削した孔井を利用して原位置で岩盤の応力測定を行うためのプローブに係わり、特に、孔内載荷により岩盤内に人工亀裂を造成し岩盤の応力測定を行うボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
岩盤の応力測定は、坑内採掘鉱山や露天採掘鉱山に対する信頼性の高い開発設計、或いはトンネルや、大深度地下空洞、岩盤斜面やダム等の大規模な土木構造物の合理的設計を可能とするデータを得るために重要であり、また、地震予知に関連しては大深度岩盤の応力測定が必要である。これらの応力測定を原位置で行うものとして、応力解放法（例えば、特開平１１−３０４６０１号公報）と、孔内載荷によって岩盤内に人工亀裂を造成する方法とが広く用いられているが、本発明は後者に属する技術である。
【０００３】
かかる孔内載荷によって岩盤内に人工亀裂を造成して行う応力測定法の従来技術として、代表的には、水圧破砕法、乾式二面破砕法、乾式一面破砕法、プレートフラクチャリング法などが知られており、図１は、これらの従来技術における人工亀裂や、最大主応力σ_１、最小主応力σ_２の方向と載荷手段の配置との関係、及び得られるデータを概念的に示したものである。
【０００４】
水圧破砕法は、例えば、特開平１０−２２０１６０号公報、特開平０９−２５６７７２号公報などに開示されているように、孔壁面に密接する上下一対のパッカーにより水圧破砕室を形成し、水圧破砕室に送った高圧流体（通常、高圧水）により直接的に、水圧破砕室の全孔壁面に一様な載荷を行う方法であり、人工亀裂が再開口する瞬間の載荷圧（再開口圧）Ｐｒと人口亀裂の閉口圧Ｐｓ、及び亀裂の方向から応力場を特定することができる。
【０００５】
図２は、本発明者らが開発し、多くの測定に用いられてきたワイヤライン方式による水圧破砕応力測定システムの概略構成図であり、このシステムを用いれば、深さ１，０００ｍでの応力測定を３人で実施することができる。このシステムは、図２に示したように、上下一対のパッカー、流路切替バルブ、圧力計などからなるプローブ、プローブをテスト孔に挿入するためのスチールケーブル、滑車、ウインチなどからなるワイヤライン機構、プローブに高圧水を供給するための高圧ホース、流量計、ポンプ、水タンク（図示省略）等からなる高圧水供給系、これらを計測・制御するための増幅器、Ａ／Ｄコンバーター、コンピュータ（図中、ＰＣ）等からなる計測・制御系、などから構成されている。計測データは、コンピュータによって記録、解析され、コンピュータの画面に人工破砕の挙動をリアルタイムで表示できると共に、解析された測定結果を図表化し同様に画面表示することができる。
【０００６】
このような水圧破砕法は、最もよく用いられている方法であるが、人工亀裂は応力場に依存して（最小主応力方向に垂直な方向に）発生するので、主応力比σ_１／σ_２＞３の応力場を有する岩盤では、原理的に再開口圧を検出できないという問題がある。即ち、σ_１／σ_２＞３の応力場では、人口亀裂が造成されるσ_１方向の孔壁における接線応力σθは、σθ＝３σ_２−σ_１＜０（引張応力）となり、これは、内圧載荷によって亀裂を再開口させる前に既に再開口していることを意味し、圧力〜時間曲線からの再開口圧の検出は不可能となる。また、全孔壁面に一様な載荷を行うため、人口亀裂を任意の方向に造成できないという問題があり、更にまた、再開口される前に人工亀裂内には注入圧と同程度の水圧が作用しており、正確な再開口圧の測定が困難になることがあるという問題もある。また、流体（水）は岩盤内に浸透するため大容量のタンクとポンプを地表に設ける必要があり、プローブに至る配管内には多量の流体が存在し、配管の低剛性と水の圧縮性に起因して、地表部において検出される見かけの再開口圧は、真の再開口圧より大きくなるという問題がある。
【０００７】
乾式二面破砕法は、柔らかく弾性変形可能なウレタン樹脂等の載荷スリーブ内に高圧流体を送り、載荷スリーブを介して全孔壁面に一様な載荷を行う方法であり、流体を垂れ流さず、流体はタンクと孔内に密閉区間を作るパッカー内とを往復する方法であるが、水圧破砕法と同様、主応力比σ_１／σ_２＞３の岩盤では再開口圧を検出できない、人口亀裂を任意の方向に造成できないという問題の他、大深度（高）応力場の計測では、プローブ等の耐圧性を、水が人口亀裂内に浸入し亀裂が伸展し易い水圧破砕法に比べて、極めて高くしなければならないという問題がある。また、従来技術では、亀裂の再開口の検出を孔径変化の計測（通常、４方向の孔径変化の計測）で行っているが、載荷スリーブを介した全孔壁面への一様載荷を行う方法のため、圧力〜孔径変化曲線における屈曲点が共に明瞭でなく、１次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ１の検出、及び１次亀裂の方向に垂直な方向に生ずるとされる２次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ２の検出が難しいという問題がある。
【０００８】
乾式一面破砕法は、例えば、特開平０９−０２６３８６号公報などに開示されているように、柔らかく弾性変形可能なウレタン樹脂製スリーブと、その外殻をなし、２つの半円筒に分割された弾性内層（ケブラ等）とその外面を包む摩擦外皮（鋼製ワイヤメッシュ等）より成る摩擦シェルを有し、ウレタン樹脂製スリーブ内に高圧流体を送り弾性摩擦シェルを介して載荷を行う方法であり、特定破砕一面以外の孔壁周辺を摩擦シェルによって力学的に固結させることにより、人工亀裂を応力場に依存しない方向、即ち、任意に設定した方向に造成するものである。この乾式一面破砕法は、乾式二面破砕法と同様、水圧破砕法に比べてプローブ等の耐圧性を高くしなければならない、再開口圧Ｐ_ｎの検出が難しいという問題の他、摩擦効果を発生させる機構や、ウレタン樹脂製スリーブの油圧密封機構、ウレタン樹脂製スリーブの破裂防止機構など複雑な機構を要し、その装置は高価にならざるを得ず、故障が多く信頼性に欠けるという問題がある。
【０００９】
プレートフラクチャリング法は、孔壁の曲率半径と同じ曲率半径の外周面を有する一対の蒲鉾型プレートをボアホールジャッキで加圧し、特定の一面破砕を行おうとするものであり、非常に簡素な機構で構成することが可能である。然しながら、孔壁の曲率半径と同じ曲率半径の外周面を有する蒲鉾型プレートを用いることは困難であり、人工亀裂が必ずしも意図した方向に造成されないという問題があり、未だ実用化に至っていない。即ち、蒲鉾型プレート外周面の曲率半径が孔壁の曲率半径より小さい場合には、孔壁上の直応力は載荷方向で最大となりプレート両端部には大きな直応力もせん断応力も生じ得ず、プレートが接触していない孔壁の広い区間内のどこで亀裂が発生するのか特定できない。逆に、蒲鉾型プレー外周面の曲率半径の方が大きい場合には、プレート両端部において大きな直応力とせん断応力が生じるが、プレートの剛性が大きいので、プレートと孔壁との接触部（プレート両端部）でせん断破壊が生じてしまい、意図した載荷方向に垂直な孔径方向の孔壁に引張亀裂が造成することはできないという問題がある。
【００１０】
なお、ジャッキを利用した従来技術として、例えば、特開平０８−２８５７４７号公報には、ボーリング孔内に挿入するプローブの両側部にせん断プレートを配設し、垂直圧用ジャッキによって外向きの荷重を加えて、せん断プレートの外表面に突設した歯が孔壁に食い込むようにせん断プレートを孔壁に圧着し、プローブに連結した引抜き用ロッドにせん断圧用ジャッキによって引抜き荷重を加え、プローブ軸方向の応力をロードセルで計測することにより、せん断応力を求める孔内せん断試験方法が開示されている。この従来技術は、本発明の意図する応力測定に係わるものではないが、ジャッキ本体の構成、機構は、本発明でも使用できるものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、原位置で岩盤の応力測定を行う技術に係わる上述した状況に鑑み、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、簡素な機構を有し安価であり、更には、精度よく測定できるボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、請求項１の発明は、ボアホールジャッキを用いた一直径方向への孔内載荷により岩盤内に人工亀裂を造成するボアホールジャッキ式応力測定プローブであって、孔壁円周上に、所定の載荷方向で最大となり該載荷方向に垂直な孔径方向で最小となる三角関数的分布の直応力と、該載荷方向に垂直な孔径方向で最大となり該載荷方向で最小となる指数関数的分布のせん断応力とを同時に発生させる載荷手段を有することを特徴とするボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブである。
【００１３】
請求項２から請求項５の発明は、前記載荷手段の好ましい第一の形態に係わる発明であり、請求項２の発明は、前記載荷手段を、一直径方向への荷重を加えるボアホールジャッキと、該ボアホールジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートと、該支持プレートの外表面に板状に突設し孔軸方向に設けられた複数の載荷板とを有する構成とし、該複数の載荷板の外周側を、前記孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外形を形成するようにしたボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブである。
【００１４】
請求項３の発明は、前記一対の支持プレートを、鋼製円柱を半割り状にした二つの蒲鉾型プレートとし、前記載荷板を、該蒲鉾型プレートの外表面に板状に突設し該蒲鉾型プレートの半割平面に垂直な方向に埋め込まれた鋼板としたボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブであり、請求項４の発明は、前記複数の載荷板の間に、該載荷板の曲がりを抑制するための該載荷板より柔軟な材料からなる補強部材層を設け、該載荷板と該補強部材層との互層を構成したことを特徴とするプローブであり、請求項５の発明は、更に、前記補強部材を、ウレタン樹脂としたボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブである。
【００１５】
請求項６と請求項７の発明は、前記載荷手段の好ましい第二の形態に係わる発明であり、請求項６の発明は、前記載荷手段を、一直径方向への荷重を加えるジャッキと、該ジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートとを有する構成とし、該支持プレートを、その外周側が前記孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外周面を形成している板ばね状の支持プレートとしたボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブであり、請求項７の発明は、更に、この支持プレートを、その外周面に突設した摩擦効果を発生させる機構を有する支持プレートとしたプローブである。
【００１６】
請求項８の発明は、前記本発明のプローブにおいて、孔壁上に造成した人工亀裂が再開口する瞬間の載荷圧を測定するために、人工亀裂の再開口を検出する手段として、該人工亀裂を跨ぐコンタクトゲージ、特には、ＴＳＳ（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　Ｓｔｒａｉｎ　Ｓｅｎｓｏｒ）を用いたことを特徴とするボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブである。
【００１７】
請求項９の発明は、本発明の装置であって、本発明のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブと、該プローブをテスト孔に挿入するための機構と、これらを制御しテストデータを計測・記録するための計測・制御系とを含み構成されていることを特徴とするボアホールジャッキ式一面破砕応力測定装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は先ず、基本的なプローブの構成として、前述のプレートフラクチャリング法と同様、ボアホールジャッキ式を採用した。これにより、水圧破砕法において必要な水圧破砕室を形成するためのパッカーや、大容量のタンク、ポンプ等を要さず、また、前述の乾式一面破砕法における、ウレタン樹脂製スリーブの油圧密封機構や、ウレタン樹脂製スリーブの破裂防止機構など複雑な機構を必要とせず、非常に簡素な機構を有し安価な測定装置として構成することができる。
【００１９】
次に、本発明は、前述のプレートフラクチャリング法では不可能であって、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成できるようにするため、本発明の最大の特徴である、孔壁円周上に所定の載荷方向で最大となり載荷方向に垂直な孔径方向で最小となる三角関数的分布の直応力と共に、載荷方向に垂直な孔径方向で最大となり載荷方向で最小となる指数関数的分布のせん断応力とを同時に発生させる載荷手段を設ける。なお、本発明で言う三角関数的分布とは、載荷方向の孔壁に生ずる最大直応力をＰ_０とし、載荷方向からの角度をθとした場合、概ねＰ_０ｃｏｓ^２θ＝Ｐ_０（１＋ｃｏｓ２θ）／２の如く分布を意味し、指数関数的分布とは、載荷方向に垂直な孔径方向からの角度をβとし、αを正の定数として、概ねＰ_０ｅ⁻αβの如く分布を意味する。
【００２０】
かかる載荷手段は、一直径方向への荷重を加えるボアホールジャッキと、ボアホールジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートと、支持プレートの外表面に板状に突設し孔軸方向に設けられた複数の載荷板とを有する構成とし、その複数の載荷板の外周側を、孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外形を形成するようにした形態が好ましく、更には、その一対の支持プレートを、鋼製円柱を半割り状にした二つの蒲鉾型プレートとし、その載荷板を、蒲鉾型プレートの外表面に板状に突設し蒲鉾型プレートの半割平面に垂直な方向に埋め込まれた鋼板とし、鋼板の間に、鋼板の曲がりを抑制するための鋼板より柔軟な材料（例えば、ウレタン樹脂）からなる補強部材層を設け、鋼板と補強部材層との互層を構成する形態が好ましい。
【００２１】
この形態における鋼板の役割は、プローブ外周の曲率半径が孔壁の曲率半径と一致しなくても、孔壁にほぼ均等な表面力を生じさせることにあり、ウレタン樹脂の機能は、鋼板の曲がりを抑制すると共にある程度の横変位を許容することにある。そして、蒲鉾型プレート（以下、単に「プレート」と略称することがある。）中央部を穿ってできた空間に油圧ジャッキを装着し、これを用いてプレート間を拡げると、孔壁と斜交する鋼板の作用効果によって岩盤孔壁に、プレート端で最大となり載荷方向で最小となる指数関数的分布のせん断応力が発生する。即ち、鋼板は孔壁接線方向と傾斜しており、その傾斜はプレート両端部に近づくほど大きいので、両端部に近いほどせん断応力は大きくなり、直応力は小さくなる。このせん断応力分布に起因して、両プレート間の狭い区間の孔壁に大きな引張応力が発生し、そこから人工亀裂が伸展する。
【００２２】
図３は、この実施の形態における人工亀裂や、最大主応力σ_１、最小主応力σ_２の方向と、プレートの形状、配置との関係、及び得られるデータを概念的に示したものである。図３に示したように、このプレートの断面形状は、櫛に似ており（奥行は長い）、以下、このプローブを用いる応力測定法をコウムフラクチャリング法と称することがある。なお、支持プレートや、載荷板、補強部材の材質、詳細な形状などは、目的とする孔井の形状、大きさ、想定される最大主応力、最小主応力などによって、適宜、選定、設計すべきものであり、特に本発明を限定するものではない。また、本発明を限定するものではないが、プローブと孔壁との親和性を良くするため、例えば、リーマーを使い孔壁の仕上がりを良くするのが望ましい。
【００２３】
以上のような実施の形態により、本発明は、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、更には、前述の乾式一面破砕法の従来技術などと同様にして、例えば、プローブを回転させ載荷方向を任意の方向に変えることにより、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向などを算定することができる。
【００２４】
次に、載荷手段の好ましい第二の実施の形態について説明する。
【００２５】
この形態は、載荷手段を、一直径方向への荷重を加えるジャッキと、ジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートとを有する構成とし、支持プレートを、その外周側が孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外周面を形成している板ばね状の支持プレートとしたものであり、更には、この支持プレートを、その外周面に突設した摩擦効果を発生させる機構を有する支持プレートとしたものである。
【００２６】
即ち、この形態における支持プレートの機能は、プローブ外周の曲率半径が孔壁の曲率半径と一致しなくても、孔壁にほぼ均等な表面力を生じさせる剛性と可撓性を有し、載荷方向で最大となる三角関数的分布の直応力を発生させると共に、載荷方向に垂直な孔径方向で最大となる指数関数的分布のせん断応力を同時に発生させることにあり、更には、その外周面に突設した摩擦効果を発生させる機構、例えば、外表面に突設した複数の歯により孔壁周辺を力学的に固結させることにある。この実施の形態によっても、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、更には、例えば、プローブを回転させ載荷方向を任意の方向に変えることにより、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向などを算定することができる。なお、この支持プレートは、複数の板材を接合し、その外周側を所定の曲率半径の面に加工して、或いは、一つのブロック体を、例えば、外周側及び内周側をそれぞれ所定の曲率半径を有する三日月状に加工して製作することもできる。
【００２７】
次に、精度よく測定するために好適な、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
岩盤の応力測定は、一般的に、孔壁上に人工亀裂を造成した後いったん除荷し、次に、この人工亀裂を再開口させるために再び載荷を行い、人工亀裂が再開口する瞬間の載荷圧を計測することよって行う。従って、精度よく測定するためには、人工亀裂が再開口する瞬間を正確に検出する必要があるが、孔径変化から検出する従来の方法ではそれが困難であった。なお、従来、孔径変化から検出する方法を採用していたのは、載荷スリーブ内に流体載荷する方法など、孔内の計測空間の制約があり、それ以外に有効な手段がなかったためである。
【００２９】
ボアホールジャッキ式載荷方法によれば、一対の支持プレートの開口部において、プローブと孔内との間に空間を作成することができ、本発明の実施の形態では、そこに人工亀裂を跨ぐコンタクトゲージ、特には、ＴＳＳを装着することが好ましい。コンタクトゲージは、広くは、地表或いはトンネルの側壁面に打設された２標点間の距離の変化を、標点に触針を当てて計る物差しを意味するが、本発明に用いるに際しては、地表等からの遠隔操作による計測、更には電気信号による計測が可能なことが望ましく、特には、ＴＳＳを装着することが好ましい。ＴＳＳは、１９８７年にオーストラリアで提案されたものであり、ボアホールジャッキを用いた岩盤の変形係数測定の高精度化を目的とし、孔壁上の弾性ひずみの計測に用いられてきた（例えば、Ｒ．　Ａｚｚａｍ　＆　Ｈ　．Ｂｏｃｋ：Ｒｅｃｏｖｅｒａｂｌｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　ｓｔｒａｉｎ　ａｔ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｗａｌｌｓ　−Ａ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，　Ｆｉｅｌｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，　Ｖｏｌｕｍｅ　１，　Ｋｏｂｅ　１９８７）。本発明ではそれを、応力測定に適用するもので、ＴＳＳを用いることにより、人口亀裂の再開口の瞬間を明確に検出することができる。なお、再開口圧を明瞭に検出するためには、人口亀裂を孔壁上で造成させて直ぐに除荷するのではなく、孔壁からある程度奥まで亀裂を伸展させた後に除荷する必要がある。
【００３０】
本発明のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブは、前述のボアホールジャッキと一対の支持プレートとを含む載荷部と、例えば、オイルタンクやオイルポンプ等の載荷駆動系と載荷部を任意の方向に角度制御するための回転駆動系などを含む駆動部、これらのローカル計測・制御系などを含む電子制御部とから構成することができ、本発明のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定装置は、本発明のプローブの他、更に、例えば、プローブをテスト孔に挿入するためのスチールケーブル、滑車、ウインチなどからなるワイヤライン機構、これらを地表から計測・制御するためのコンピュータ等からなる計測・制御系などから構成して実施することができる。
【００３１】
かかる構成において、載荷部を除き、従来技術が使用し得るものであり、例えば、コンピュータによって計測データを記録、解析し、コンピュータの画面に人工破砕の挙動をリアルタイムで表示し、解析された測定結果を図表化し同様に画面表示することができる。また、載荷制御もプローブ開口部の方向設定も、地表からの遠隔操作により、自動的に且つ正確に行うことができる。
【００３２】
以上のような実施の形態により、本発明は、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、簡素な機構を有し安価であり、更には、精度よく測定できるボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置を提供することができる。また、プローブを回転させ載荷方向を任意の方向に変えることにより、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を高精度に検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向などを精度よく算定することができる。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００３４】
先ず、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向を算定する方法について説明する。
【００３５】
ボアホール軸に垂直な面内において、任意に設定されたｘ軸から反時計回りにθ_ｉの角度をなす方向にプローブ開口部を設置して、その方向に人工亀裂を造成するものとし、ｘ軸からαの角度をなす方向に最大主応力σ_１が作用しているものとする。いま、ボアホールジャッキの油圧をＰ_ｉとし、Ｐ_ｉによって開口部孔壁に発生する引張応力とＰ_ｉとの比をｋとすると、開口部孔壁に生ずる接線応力σθは次式で与えられる。
【００３６】
「数１」
σθ＝３σ_２−σ_１＋４（σ_１−σ_２）ｓｉｎ^２（θ_ｉ−α）−ｋＰ_ｉ　　　（１）
人工亀裂を造成するためにＰ_ｉを増大させていくと、σθは圧縮応力（正）から引張応力（負）に変わり、ついにはσθ＝−Ｓ_ｔに達したときに孔壁に亀裂が発生する。ここにＳ_ｔは、開口部孔壁における岩盤の引張強度である。更にＰ_ｉを増大して亀裂長を増大させた後に、いったん除荷（Ｐ_ｉ＝０）し、次に再び載荷する過程で、孔壁上の亀裂が再開口する瞬間のＰ_ｉ＝（Ｐ_ｎ）_ｉを検出することができ、その時のσθはゼロである。即ち、再開口との関係は下式となり、異なる三つの方向θ_ｉ（ｉ＝１〜３）に対しての（Ｐ_ｎ）_ｉを計測することにより、三つの連立方程式からσ_１、σ_２及びαを求めることができる。
【００３７】
「数２」
３σ_２−σ_１＋４（σ_１−σ_２）ｓｉｎ^２（θ_ｉ−α）−ｋＰ_ｉ＝０　　　（２）
次に、第二の実施例として、ＴＳＳの構成例及びそれを装着したプローブの構成例について説明する。図４は、その状況を示した概念図であって、ＴＳＳは、それぞれ一対の触針Ａ、板バネＢ、レバーＤ、ヒンジ（支点）Ｅ、ピストンＦを有し、巻バネＣなどを含み構成されている。板バネＢで連結されたクリップの二つの先端には、触針Ａが付いており、板バネＢには歪ゲージ（図示省略）が貼り付けられている。これらはレバーＤに取り付けられ、レバーＤは、ヒンジＥを支点として動けるようになっており、二つのレバーは、巻バネＣによって連結され、ピストンＦにより移動させられるようになっている。
【００３８】
かかる構成において、圧縮空気をシリンダー内に送ると二つのピストンＦが左右に移動し、レバーＤも左右に傾斜して、触針Ａが孔壁に当たる。その状態で人口亀裂が再開口すると、二つの触針Ａ間の距離が大きくなり、板バネＢ　がより大きく撓み、板バネＢ上の歪が変化する。この歪の変化を、板バネＢに貼り付けた歪ゲージで計測することにより、人口亀裂の再開口の瞬間を明確に検出することができる。
【００３９】
なお、図４の紙面に垂直な方向にボアホールジャッキが並ぶので、ジャッキが設置される位置には、剛体プレート部にジャッキを収容するための空間が穿たれている。また、ボアホールジャッキ間には、厚い剛体プレート部にボアホール軸と垂直な（紙面に平行な）スリットを設け、そこにＴＳＳ及びそれを駆動・制御する装置を収容している。
【００４０】
次に、第三の実施例として、本発明のプローブの構成例について説明する。
【００４１】
図５は、本発明のプローブの構成例を示す概略図であって、図示するように、本実施例のプローブは、載荷部、電子制御部、駆動部とから構成され、ワイヤラインに接続されている。載荷部は、ボアホールジャッキと一対の支持プレートとを含み構成されており、ボアホール軸上で回転可能になっている。駆動部は、オイルタンク、ポンプ等からなる載荷制御に係わる載荷駆動系と、載荷部の角度制御に係わる回転駆動系から構成され、電子制御部には、これらのローカル計測・制御系の電子機器等が内蔵されている。なお、載荷制御やプローブ開口部の方向設定などは、地表等に設置したコンピュータを含む計測・制御から遠隔操作により、自動的、且つ正確に行うことができると共に、データ計測も自動的に行うことができるようになっている。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、簡素な機構を有し安価であり、更には、精度よく測定できるボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置を提供することができる効果がある。また、プローブを回転させ載荷方向を任意の方向に変えることにより、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を高精度に検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向などを精度よく算定することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術である水圧破砕法、乾式二面破砕法、乾式一面破砕法、プレートフラクチャリング法の原理を説明するための概念図である。
【図２】本発明者らが開発し、多くの測定に用いられてきたワイヤライン方式による水圧破砕応力測定システムの概略構成図である。
【図３】本発明のプローブを用いたコウムフラクチャリング法の原理を説明するための概念図である。
【図４】本発明の実施例であって、ＴＳＳの構成例及びそれを装着したプローブの構成例の概念図である。
【図５】本発明のプローブの構成例を示す概略図である。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a probe for measuring stress in a rock at an in-situ position using a well bore excavated in the rock, and in particular, creates an artificial crack in the rock by loading in the hole to measure the stress of the rock. The present invention relates to a borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe and an apparatus using the same.
[0002]
[Prior art]
Rock stress measurement enables reliable design of underground and open-pit mines, or rational design of large-scale civil engineering structures such as tunnels, deep underground cavities, rock slopes and dams It is important to obtain data, and in relation to earthquake prediction, stress measurement of deep rock mass is necessary. As methods for performing these stress measurements in situ, a stress release method (for example, JP-A-11-304601) and a method of creating an artificial crack in rock by loading in a hole are widely used. The present invention is a technique belonging to the latter.
[0003]
As a conventional technique of the stress measurement method of forming an artificial crack in the rock by loading in the hole, typically, a hydraulic crushing method, a dry double crushing method, a dry single crushing method, a plate fracturing method, and the like are known. FIG. 1 shows an artificial crack and a maximum principal stress σ in these prior arts. ₁ , Minimum principal stress σ ₂ 1 schematically shows the relationship between the direction of the loading means and the arrangement of the loading means, and obtained data.
[0004]
In the hydraulic crushing method, for example, as disclosed in JP-A-10-220160 and JP-A-09-256772, a hydraulic crushing chamber is formed by a pair of upper and lower packers that are in close contact with the hole wall surface, and the hydraulic crushing is performed. In this method, the uniform pressure is applied directly to the entire wall surface of the hydraulic crushing chamber by the high-pressure fluid (usually, high-pressure water) sent to the chamber, and the loading pressure (reopening pressure) at the moment when the artificial crack reopens. The stress field can be specified from Pr, the closing pressure Ps of the artificial crack, and the direction of the crack.
[0005]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a wire-line type hydraulic fracturing stress measurement system developed by the present inventors and used for many measurements. With this system, stress at a depth of 1,000 m can be measured. The measurement can be performed by three people. As shown in Fig. 2, this system consists of a pair of upper and lower packers, a probe consisting of a flow path switching valve, a pressure gauge, etc., a steel cable for inserting the probe into a test hole, a pulley, a winch, etc. , A high-pressure water supply system consisting of a high-pressure hose for supplying high-pressure water to the probe, a flow meter, a pump, a water tank (not shown), an amplifier for measuring and controlling these, an A / D converter, and a computer (see FIG. , PC) etc. The measurement data is recorded and analyzed by a computer, and the behavior of the artificial crushing can be displayed on a computer screen in real time, and the analyzed measurement results can be displayed in a chart and similarly displayed on the screen.
[0006]
Such a hydraulic fracturing method is the most commonly used method, but since the artificial crack is generated depending on the stress field (in a direction perpendicular to the direction of the minimum principal stress), the principal stress ratio σ ₁ / Σ ₂ A rock mass having a stress field of> 3 has a problem that the reopening pressure cannot be detected in principle. That is, σ ₁ / Σ ₂ In a stress field of> 3, an artificial crack is formed σ ₁ Tangent stress σθ at the hole wall in the direction is σθ = 3σ ₂ −σ ₁ <0 (tensile stress), which means that the crack has already been reopened before the internal pressure is applied to reopen the crack, and it is impossible to detect the reopening pressure from the pressure-time curve. In addition, there is a problem that artificial cracks cannot be formed in any direction because uniform loading is performed on the wall surface of all holes.Furthermore, before re-opening, water pressure similar to the injection pressure in the artificial cracks There is also a problem that accurate measurement of the re-opening pressure may be difficult. In addition, since the fluid (water) permeates the rock, it is necessary to provide a large-capacity tank and pump on the ground surface, and a large amount of fluid exists in the piping leading to the probe. As a result, there is a problem that the apparent re-opening pressure detected at the ground surface becomes larger than the true re-opening pressure.
[0007]
The dry two-sided crushing method is a method of sending a high-pressure fluid into a loading sleeve made of a soft and elastically deformable urethane resin or the like, and uniformly loading the entire hole wall surface via the loading sleeve. Fluid reciprocates between the tank and the packer, which creates a closed section in the hole. As with the hydraulic crushing method, the main stress ratio σ ₁ / Σ ₂ In addition to the problems that reopening pressure cannot be detected and that artificial cracks cannot be formed in arbitrary directions in rock masses> 3, the pressure resistance of probes and the like must be measured in large-depth (high) stress fields. There is a problem that it has to be extremely high compared to the hydraulic fracturing method in which the cracks easily penetrate and extend. Further, in the related art, the detection of reopening of a crack is performed by measuring a change in hole diameter (normally, measurement of a change in hole diameter in four directions). However, a method of uniformly loading the entire hole wall surface via a loading sleeve is used. Therefore, the bending point in the pressure-pore diameter change curve is not clear, and the re-opening pressure P of the primary crack is _n1 And the re-opening pressure P of the secondary crack which is assumed to occur in the direction perpendicular to the direction of the primary crack _n2 Is difficult to detect.
[0008]
The dry single-sided crushing method is, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-026386, in which a soft and elastically deformable urethane resin sleeve and an outer shell thereof are formed and an elastic divided into two half cylinders. A method of having a friction shell composed of an inner layer (such as Kevlar) and a friction outer skin (such as a steel wire mesh) wrapping the outer surface thereof, sending high-pressure fluid into a urethane resin sleeve, and performing loading via an elastic friction shell. An artificial crack is formed in a direction that does not depend on the stress field, that is, in a direction that is arbitrarily set, by mechanically consolidating the periphery of the hole wall other than the specific crushed surface with a friction shell. In this dry single-sided crushing method, like the dry double-sided crushing method, the pressure resistance of the probe or the like must be increased as compared with the hydraulic crushing method. _n In addition to the problem that it is difficult to detect, a complicated mechanism such as a mechanism that generates a friction effect, a hydraulic sealing mechanism of a urethane resin sleeve, and a rupture prevention mechanism of a urethane resin sleeve is required, and the device becomes expensive. There is a problem that many failures occur and reliability is lacking.
[0009]
The plate fracturing method is a method in which a pair of semi-cylindrical plates having an outer peripheral surface having the same radius of curvature as the radius of the hole wall is pressed with a borehole jack to perform specific one-side crushing, and has a very simple mechanism. It is possible to configure. However, it is difficult to use a semicircular plate having an outer peripheral surface having the same radius of curvature as the radius of curvature of the hole wall, and there is a problem that an artificial crack is not necessarily formed in an intended direction, and it has not yet been put to practical use. That is, when the radius of curvature of the outer peripheral surface of the kamaboko type plate is smaller than the radius of curvature of the hole wall, the direct stress on the hole wall becomes maximum in the loading direction, and neither large direct stress nor shear stress can be generated at both ends of the plate. It is not possible to identify where in the wide section of the hole wall the plate is not in contact the cracks occur. Conversely, when the radius of curvature of the outer peripheral surface of the kamaboko type play is larger, large direct stress and shear stress are generated at both ends of the plate. However, since the plate has high rigidity, the contact portion between the plate and the hole wall (plate) At both ends), there is a problem that shear fracture occurs, and a tensile crack cannot be formed in the hole wall in the hole diameter direction perpendicular to the intended loading direction.
[0010]
As a conventional technique using a jack, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 08-285747, shearing plates are arranged on both sides of a probe inserted into a boring hole, and an outward load is applied by a jack for vertical pressure. Then, the shear plate is pressed against the hole wall so that the teeth projecting from the outer surface of the shear plate bite into the hole wall, and a pull-out load is applied to the pull-out rod connected to the probe with a shear pressure jack. Is measured by a load cell to determine a shear stress. Although this prior art does not relate to the stress measurement intended by the present invention, the configuration and mechanism of the jack body can be used in the present invention.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances related to the technique of performing stress measurement of rock in situ, and can create an artificial crack in any intended direction independent of a stress field, has a simple mechanism, and is inexpensive. It is still another object of the present invention to provide a borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe capable of measuring with high accuracy and an apparatus using the same.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is a borehole jack-type stress measurement probe for forming an artificial crack in rock by loading in a hole in one diameter direction using a borehole jack, wherein the hole wall circle is formed. On the circumference, the direct stress having a trigonometric distribution that is maximum in a predetermined loading direction and is minimum in the hole diameter direction perpendicular to the loading direction, and is maximum in the hole diameter direction perpendicular to the loading direction and minimum in the loading direction. A borehole jack-type one-sided crushing stress measurement probe having a loading means for simultaneously generating an exponential distribution of shear stress.
[0013]
The invention according to claims 2 to 5 is an invention according to a preferred first embodiment of the loading means, and the invention according to claim 2 includes a borehole jack for applying a load in one diameter direction; A support plate for receiving the load of the borehole jack, and a plurality of load plates protruding in a plate shape on the outer surface of the support plate and provided in a hole axis direction, and an outer periphery of the plurality of load plates A borehole jack-type one-sided crushing stress measurement probe having a side formed with an outer shape having a radius of curvature substantially the same as or larger than the radius of curvature of the hole wall.
[0014]
The invention according to claim 3 is characterized in that the pair of support plates are two semi-cylindrical plates in which a steel cylinder is halved, and the load plate is protruded in a plate shape on the outer surface of the semi-cylindrical plate. A borehole jack-type one-sided crushing stress measurement probe made of a steel plate embedded in a direction perpendicular to the half-plane of the kamaboko type plate. The invention of claim 4 suppresses bending of the loading plate between the plurality of loading plates. A reinforcing member layer made of a material that is more flexible than the loading plate for providing the same, and forming an alternating layer between the loading plate and the reinforcing member layer. The invention according to claim 5, further comprising: A borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe in which the reinforcing member is urethane resin.
[0015]
The inventions of claims 6 and 7 relate to a preferred second aspect of the loading means, and the invention of claim 6 comprises a jack for applying a load in one diameter direction to the jack, A leaf spring-like support having a pair of support plates receiving a load of a jack, wherein the support plate has an outer peripheral surface having an outer peripheral surface having a radius of curvature substantially equal to or larger than the radius of curvature of the hole wall. A borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe as a plate, and the invention according to claim 7 is further a probe as a support plate having a mechanism for generating a frictional effect protruding from an outer peripheral surface of the support plate. .
[0016]
The invention according to claim 8 is the probe according to the present invention, wherein the artificial crack formed on the hole wall is used as a means for detecting the reopening of the artificial crack in order to measure the loading pressure at the moment of reopening. This is a borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe using a contact gauge straddling, in particular, a TSS (Tangential Strain Sensor).
[0017]
A ninth aspect of the present invention is the apparatus of the present invention, wherein the borehole jack-type one-sided crushing stress measurement probe of the present invention, a mechanism for inserting the probe into a test hole, and control of these to measure test data. A borehole jack-type one-sided crushing stress measuring device comprising a measurement / control system for recording.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention first employs a borehole jack type as a basic probe configuration, as in the plate fracturing method described above. This eliminates the need for a packer, a large-capacity tank, a pump, etc. for forming a hydraulic crushing chamber necessary for the hydraulic crushing method, and also provides a hydraulic sealing mechanism for the urethane resin sleeve in the above-mentioned dry single-side crushing method. In addition, a complicated mechanism such as a mechanism for preventing a rupture of a urethane resin sleeve is not required, and a very simple mechanism can be provided to configure an inexpensive measuring device.
[0019]
Next, the present invention is not possible with the above-described plate fracturing method, and is the most important feature of the present invention, so that an artificial crack can be formed in any intended direction independent of the stress field. Along with the trigonometric distribution direct stress that is maximum on the hole wall circumference in the predetermined loading direction and minimum in the hole diameter direction perpendicular to the loading direction, the index is maximum in the hole diameter direction perpendicular to the loading direction and minimum in the loading direction. A loading means for simultaneously generating a shear stress having a functional distribution is provided. In the present invention, the trigonometric distribution refers to the maximum direct stress generated on the hole wall in the loading direction as P. ₀ And when the angle from the loading direction is θ, approximately P ₀ cos ² θ = P ₀ (1 + cos2θ) / 2 means a distribution, and an exponential distribution means that β is an angle from the hole diameter direction perpendicular to the loading direction, and α is a positive constant, ₀ e ⁻ It means distribution like αβ.
[0020]
Such loading means includes a borehole jack that applies a load in one diameter direction, a pair of support plates that receive the load of the borehole jack, and a plurality of plate-shaped projections provided on the outer surface of the support plate and provided in the hole axis direction. It is preferable that the outer peripheral sides of the plurality of loading plates form an outer shape having a radius of curvature substantially the same as or larger than the radius of curvature of the hole wall. The plate is made of two semi-cylindrical plates made of steel cylinders, and the loading plate protrudes in a plate shape on the outer surface of the semi-cylindrical plate and is embedded in a direction perpendicular to the half-plane of the semi-cylindrical plate. And a reinforcing member layer made of a material (for example, urethane resin) that is more flexible than the steel plate for suppressing bending of the steel plate, and forming an alternate layer between the steel plate and the reinforcing member layer. Like There.
[0021]
The role of the steel sheet in this mode is to generate a substantially uniform surface force on the hole wall even if the radius of curvature of the outer periphery of the probe does not match the radius of curvature of the hole wall, and the function of the urethane resin is to bend the steel sheet. And to some extent allow lateral displacement. Then, a hydraulic jack is attached to the space created by drilling the center part of the kamaboko type plate (hereinafter, may be simply referred to as “plate”). Due to the effect of the steel plate, an exponential distribution of shear stress is generated in the rock hole wall, which is maximum at the plate edge and minimum in the loading direction. That is, the steel plate is inclined with respect to the tangential direction of the hole wall, and the inclination is greater as approaching both ends of the plate. Therefore, the shear stress increases and the direct stress decreases as approaching both ends. Due to this shear stress distribution, a large tensile stress is generated in the hole wall in a narrow section between the two plates, from which an artificial crack extends.
[0022]
FIG. 3 shows an artificial crack and a maximum principal stress σ in this embodiment. ₁ , Minimum principal stress σ ₂ FIG. 3 conceptually shows the relationship between the direction and the shape and arrangement of the plate, and the obtained data. As shown in FIG. 3, the cross-sectional shape of this plate is similar to a comb (the depth is long), and hereinafter, a stress measurement method using this probe may be referred to as a comb fracturing method. The material and detailed shape of the support plate, loading plate, and reinforcing member should be selected and designed appropriately according to the shape and size of the target well, the assumed maximum principal stress and minimum principal stress, etc. It is not intended to limit the present invention. Further, the present invention is not limited to this, but in order to improve the affinity between the probe and the pore wall, it is desirable to improve the finish of the pore wall using, for example, a reamer.
[0023]
According to the embodiments described above, the present invention can create an artificial crack in any intended direction independent of the stress field, and furthermore, in the same manner as the above-described conventional technique of the dry single-sided crushing method and the like. For example, by turning the probe and changing the loading direction to any direction, artificial cracks are created in three different directions, the crack reopening pressure for each is detected, and the stress component perpendicular to the three planes is determined. By doing so, the maximum principal stress, the minimum principal stress and their directions can be calculated from them.
[0024]
Next, a second preferred embodiment of the loading means will be described.
[0025]
In this embodiment, the loading means includes a jack for applying a load in one diameter direction and a pair of support plates for receiving the load of the jack, and the support plate has an outer peripheral side having substantially the same radius of curvature as the hole wall. Or a leaf-spring-like support plate forming an outer peripheral surface having a large radius of curvature, and further, a support plate having a mechanism for generating a friction effect protruding from the outer peripheral surface of the support plate. It was done.
[0026]
That is, the function of the support plate in this embodiment is to have rigidity and flexibility to generate a substantially uniform surface force on the hole wall even if the radius of curvature of the probe outer periphery does not match the radius of curvature of the hole wall, and In addition to generating a direct stress having a trigonometric distribution that is the largest in the direction, a shear stress having an exponential distribution that is the largest in the hole diameter direction perpendicular to the loading direction is simultaneously generated. A mechanism for generating a protruding friction effect, for example, to mechanically consolidate the periphery of a hole wall with a plurality of teeth protruding from an outer surface. According to this embodiment, the artificial crack can be formed in any intended direction independent of the stress field, and further, for example, by rotating the probe and changing the loading direction to any direction, three different Create artificial cracks in the directions, detect the crack re-opening pressure for each, determine the stress component perpendicular to the three planes, and calculate the maximum principal stress, the minimum principal stress and their direction, etc. from them be able to. In addition, this support plate is formed by joining a plurality of plate members and processing the outer peripheral side thereof into a surface having a predetermined radius of curvature, or forming one block body into, for example, the outer peripheral side and the inner peripheral side each having a predetermined curvature. It can also be manufactured by processing into a crescent shape having a radius.
[0027]
Next, an embodiment of the present invention suitable for accurate measurement will be described.
[0028]
In general, the rock stress measurement is performed by creating an artificial crack on the hole wall and then unloading it, then reloading to reopen the artificial crack, and measuring the moment when the artificial crack reopens. This is done by measuring the loading pressure. Therefore, in order to measure accurately, it is necessary to accurately detect the moment when the artificial crack reopens, but it is difficult with the conventional method of detecting from the change in the pore diameter. Heretofore, the detection method based on the change in the hole diameter has been adopted because the measurement space in the hole is limited, such as a method of loading a fluid in the loading sleeve, and there is no other effective means.
[0029]
According to the borehole jack type loading method, a space can be created between the probe and the inside of the hole at the opening of the pair of support plates, and in the embodiment of the present invention, the contact gauge straddling the artificial crack there. It is particularly preferable to mount a TSS. A contact gauge broadly means a ruler for measuring a change in the distance between two gauge points cast on the ground surface or a side wall surface of a tunnel by applying a stylus to the gauge point. It is desirable that measurement by remote operation from the ground surface or the like, and furthermore, measurement by an electric signal can be performed. In particular, it is preferable to mount a TSS. TSS was proposed in Australia in 1987, and has been used for measuring elastic strain on a hole wall for the purpose of improving the accuracy of deformation coefficient measurement of rock using a borehole jack (for example, R . Azzam & H .Bock: Recoverable sensor for measurement of tangential strain at borehole walls -A key component in some innovative borehole instrumentation, Field Measurements in Geomechanics, Volume 1, Kobe 1987). In the present invention, this is applied to the stress measurement, and by using TSS, the moment of reopening of the artificial crack can be clearly detected. In order to clearly detect the re-opening pressure, it is necessary to unload the artificial crack from the hole wall to a certain extent, instead of forming the artificial crack on the hole wall and immediately unloading it. .
[0030]
The borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe of the present invention includes a loading section including the above-described borehole jack and a pair of support plates, and a loading drive system such as an oil tank or an oil pump and a loading section which are angled in an arbitrary direction. A drive unit including a rotary drive system for controlling and the like, and an electronic control unit including these local measurement / control systems and the like can be constituted. In addition to the probe, furthermore, for example, a steel cable for inserting the probe into the test hole, a wire line mechanism including a pulley, a winch, a measurement and control system including a computer for measuring and controlling these from the ground surface, etc. It can be configured and implemented.
[0031]
In such a configuration, except for the loading section, conventional techniques can be used, for example, recording and analyzing measurement data by a computer, displaying the behavior of artificial crushing on a computer screen in real time, and analyzing the analysis results. Can be charted and displayed on the screen in the same manner. Further, the loading control and the direction setting of the probe opening can be automatically and accurately performed by remote control from the ground surface.
[0032]
According to the above-described embodiment, the present invention can form an artificial crack in any intended direction that does not depend on the stress field, has a simple mechanism, is inexpensive, and can further accurately measure. It is possible to provide a borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe and an apparatus using the same. In addition, artificial cracks are created in three different directions by rotating the probe to change the loading direction to any direction, and the crack re-opening pressure for each is detected with high accuracy, and the stress component perpendicular to the three planes is detected. Is determined, the maximum principal stress, the minimum principal stress, their direction, and the like can be accurately calculated from them.
[0033]
【Example】
Next, the present invention will be described specifically with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.
[0034]
First, artificial cracks are created in three different directions, the crack reopening pressure for each is detected, and the stress components perpendicular to the three planes are determined, from which the maximum principal stress, the minimum principal stress and their A method for calculating the direction will be described.
[0035]
In a plane perpendicular to the borehole axis, counterclockwise θ from an arbitrarily set x-axis _i The probe opening shall be installed in the direction at an angle of, and an artificial crack shall be created in that direction, and the maximum principal stress σ in the direction at an angle of α from the x axis ₁ Is acting. Now, let the hydraulic pressure of the borehole jack be P _i And P _i Stress and P generated by the opening _i Is k, the tangential stress σθ generated at the opening hole wall is given by the following equation.
[0036]
"Number 1"
σθ = 3σ ₂ −σ ₁ +4 (σ ₁ −σ ₂ ) Sin ² (Θ _i -Α) -kP _i (1)
P to create an artificial crack _i Increases, σθ changes from compressive stress (positive) to tensile stress (negative), and finally σθ = −S _t The cracks occur in the hole walls when the pressure reaches. Here S _t Is the tensile strength of the rock at the opening hole wall. Further P _i After increasing the crack length by increasing the _i = 0), and in the process of reloading, P at the moment when the crack on the hole wall reopens _i = (P _n ) _i Can be detected, and σθ at that time is zero. That is, the relationship with the re-opening is given by the following equation, and three different directions θ _i (P) for (i = 1 to 3) _n ) _i By measuring σ from three simultaneous equations ₁ , Σ ₂ And α can be obtained.
[0037]
"Number 2"
3σ ₂ −σ ₁ +4 (σ ₁ −σ ₂ ) Sin ² (Θ _i -Α) -kP _i = 0 (2)
Next, as a second embodiment, a configuration example of a TSS and a configuration example of a probe equipped with the TSS will be described. FIG. 4 is a conceptual diagram showing the situation. Each TSS has a pair of stylus A, leaf spring B, lever D, hinge (fulcrum) E, piston F, and includes a winding spring C and the like. It is configured. A stylus A is attached to two ends of the clip connected by the leaf spring B, and a strain gauge (not shown) is attached to the leaf spring B. These are attached to a lever D, and the lever D can be moved about a hinge E as a fulcrum. The two levers are connected by a coil spring C and can be moved by a piston F.
[0038]
In this configuration, when compressed air is sent into the cylinder, the two pistons F move left and right, the lever D also tilts left and right, and the stylus A hits the hole wall. When the artificial crack reopens in this state, the distance between the two styluses A increases, the leaf spring B flexes more, and the strain on the leaf spring B changes. By measuring the change in the strain using a strain gauge attached to the leaf spring B, the moment of reopening of the artificial crack can be clearly detected.
[0039]
Since the borehole jacks are arranged in a direction perpendicular to the plane of the paper of FIG. 4, a space for accommodating the jacks is provided in the rigid plate portion at positions where the jacks are installed. A slit perpendicular to the borehole axis (parallel to the paper) is provided between the borehole jacks in the thick rigid plate portion, and the TSS and a device for driving and controlling the TSS are accommodated in the slit.
[0040]
Next, as a third embodiment, a configuration example of the probe of the present invention will be described.
[0041]
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration example of the probe of the present invention. As shown, the probe of the present embodiment includes a loading unit, an electronic control unit, and a driving unit, and is connected to a wire line. ing. The loading section includes a borehole jack and a pair of support plates, and is rotatable on the borehole axis. The drive unit includes a load drive system related to load control including an oil tank and a pump, and a rotary drive system related to angle control of the load unit. The electronic control unit includes electronic devices of these local measurement / control systems. And so on. In addition, loading control and direction setting of the probe opening can be performed automatically and accurately by remote control from measurement and control including a computer installed on the ground surface, etc., and data measurement should be performed automatically. Can be done.
[0042]
【The invention's effect】
The present invention is capable of forming an artificial crack in any intended direction independent of the stress field, has a simple mechanism, is inexpensive, and has a borehole jack-type one-sided crushing stress measurement probe capable of measuring accurately. There is an effect that a device using the same can be provided. In addition, artificial cracks are created in three different directions by rotating the probe to change the loading direction to any direction, and the crack re-opening pressure for each is detected with high accuracy, and the stress component perpendicular to the three planes is detected. Is determined, the maximum principal stress, the minimum principal stress and their directions can be accurately calculated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram for explaining the principles of a conventional hydraulic crushing method, dry two-sided crushing method, dry single-sided crushing method, and plate fracturing method.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a hydraulic fracturing stress measurement system by a wire line system developed by the present inventors and used for many measurements.
FIG. 3 is a conceptual diagram for explaining the principle of the comb fracturing method using the probe of the present invention.
FIG. 4 is a conceptual diagram of a configuration example of a TSS and a configuration example of a probe to which the TSS is mounted, according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a configuration example of a probe of the present invention.

Claims

A borehole jack-type stress measurement probe for creating an artificial crack in a rock by loading in a hole in one diameter direction using a borehole jack, on a hole wall circumference, the maximum in a predetermined loading direction, the maximum in the loading direction. A loading means for simultaneously generating a direct stress having a trigonometric distribution which is minimum in a vertical hole diameter direction and a shear stress having an exponential distribution which is maximum in a hole diameter direction perpendicular to the loading direction and is minimum in the loading direction. A borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe characterized by having:

The loading means is provided with a borehole jack for applying a load in one diameter direction, a pair of support plates for receiving the load of the borehole jack, and a plate-shaped projecting outer surface of the support plate provided in the hole axis direction. The borehole according to claim 1, further comprising a plurality of loading plates, wherein an outer peripheral side of the plurality of loading plates forms an outer shape having a radius of curvature substantially equal to or larger than a radius of curvature of the hole wall. Jack-type one-sided crushing stress measurement probe.

The pair of support plates are two semi-cylindrical plates in which a steel cylinder is halved. The borehole jack-type one-side crushing stress measurement probe according to claim 2, wherein the probe is a steel plate embedded in a direction perpendicular to a plane.

A reinforcing member layer made of a material more flexible than the loading plate for suppressing bending of the loading plate is provided between the plurality of loading plates, and an alternating layer of the loading plate and the reinforcing member layer is formed. The borehole jack-type one-sided crushing stress measurement probe according to claim 2 or 3.

5. The probe according to claim 4, wherein the reinforcing member is a urethane resin.

The loading means includes a jack for applying a load in one diameter direction, and a pair of support plates for receiving the load of the jack, and the support plate has an outer peripheral side substantially equal to a radius of curvature of the hole wall. 2. The one-sided crushing probe according to claim 1, wherein the probe is a leaf spring-shaped support plate forming an outer peripheral surface having a large radius of curvature.

The probe according to claim 6, wherein the support plate is a support plate projecting from an outer peripheral surface thereof and having a mechanism for generating a friction effect.

In order to measure the loading pressure at the moment when the artificial crack formed on the hole wall reopens, as a means for detecting the reopening of the artificial crack, a contact gauge straddling the artificial crack, in particular, a TSS (Tangential Strain Sensor) The borehole jack-type one-side crushing stress measurement probe according to any one of claims 1 to 7, wherein:

9. A borehole jack type one-sided crushing stress measurement probe according to claim 1, a mechanism for inserting the probe into a test hole, and a measurement for controlling these to measure and record test data. A borehole jack-type one-sided crushing stress measurement device characterized by comprising a control system.