JP2009294026A - 岩盤物性評価方法、及び岩盤物性評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト且つ正確に岩盤の変形係数を評価する方法を提供する。
【解決手段】ボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎ、及びボーリングコアの実質部における一軸圧縮強度σ_Ｃをパラメータとする評価式で、変形係数Ｄを評価する。岩盤構造物の調査時にはボーリングは一般に行われているため、このボーリングにより得られるデータを有効活用することで、原位置試験を要することなく低コストに変形係数Ｄを評価することができる。また、前記評価式を、実構造物の建築時における岩盤の変位量δから導くことにより、実構造物の建築時の応力状態に対応した正確な変形係数Ｄを得ることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、岩盤の物性を評価するための方法及び装置に関する。

岩盤を掘削してトンネルを構築したり、岩盤上にダム等を構築する場合、岩盤の物性（例えば変形係数）を正確に把握することが重要となる。例えば特許文献１には、原位置試験による岩盤の物性評価方法が示されている。

特開２００２−１６２３２６号公報

しかし、原位置試験を行うには大型の設備が必要であるため、多大な費用を要することとなる。また、原位置試験は、ジャッキ等で岩盤に応力を加えて行われるものであるため、実際に構造物が建築されるときの岩盤の変形過程における応力状態と対応しておらず、変形係数の正確な評価を行うことができない恐れがある。

本発明の課題は、正確且つ低コストに岩盤の物性を評価することにある。

本発明者の解析により、ボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎ及びボーリングコアの実質部の一軸圧縮強度σ_Ｃと変形係数Ｄとが相関関係を有し、これらの間に評価式が成り立つことが明らかとなった。すなわち前記課題は、岩盤から採取したボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎ、及び前記ボーリングコアの実質部における一軸圧縮強度σ_Ｃをパラメータとする評価式で、岩盤の変形係数Ｄを評価する岩盤物性評価方法により解決することができる。ボーリングは岩盤構造物の建築時に一般に行われているため、ボーリングにより得られるボーリングコアのデータを上記のように有効活用することで、原位置試験を一切行うことなく低コストに変形係数Ｄを評価することができる。尚、「亀裂」とはボーリングコアを分断するようなもののことを指し、ボーリングコアの表面に生じているヒビは含まない。また、「実質部」とは、ボーリングコアのうち亀裂の生じていない領域を指す。

前記評価式は、例えば以下の解析により得ることができる。まず、実構造物を建築する際の複数地点における岩盤の変位量δを取得し、この変位量δから岩盤の変形係数Ｄを抽出する。実構造物建築時の岩盤の変位量δは、岩盤の変形係数Ｄの他、地圧や構築される構造物の形状等の様々な要因の影響を受けているため、変位量δから変形係数Ｄ以外の要素を排除する逆解析を行うことにより、その地点における変形係数Ｄを抽出することができる。こうして得られた複数地点における変形係数Ｄと、各地点のボーリングによるボーリングコアの亀裂本数Ｎと、該ボーリングコアの実質部の一軸圧縮強度σ_Ｃとを解析することにより、これらの間に成り立つ評価式を得ることができる。このように、実構造物を建築する際の変位量δに基づいて評価式を導くことにより、実構造物の建築時の応力状態に対応した正確な変形係数Ｄを得ることができる。本発明者の解析によれば、Ｄ＝３００・σ_Ｃ・Ｎ^−１．３なる評価式を得ることができた。

また、亀裂本数Ｎ，一軸圧縮強度σ_Ｃ，及び変形係数Ｄの間に相関関係があることが明らかとなったことにより、岩盤から採取したボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎ、及び前記ボーリングコアの実質部における一軸圧縮強度σ_Ｃを入力する入力部と、入力部に入力されたデータに基づいて岩盤の変形係数Ｄを演算する演算部と、演算部による変形係数Ｄの値を出力する出力部とを有する岩盤物性評価装置を得ることができる。この岩盤強度評価装置を用いれば、ボーリングコアの亀裂本数Ｎ及び実質部の一軸圧縮強度σ_Ｃを入力するだけで変形係数Ｄを得ることができるため、原位置試験を行うことなく低コストに変形係数Ｄが得られる。

また、本発明者の解析により、ボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎと岩盤の粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φとの間に一定の相関関係があることが明らかとなった。これにより、岩盤から採取したボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎを入力する入力部と、入力部に入力されたＮ値に基づいて岩盤の粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φを演算する演算部と、演算部による粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φの値を出力する出力部とを備えた岩盤強度評価装置が得られる。この岩盤強度評価装置によれば、岩盤の強度と密接に関連する粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φをボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎに基づいて得ることができるため、原位置試験を行うことなく低コストに岩盤の粘着力Ｃや内部摩擦角φを評価することができる。

本発明者の解析によれば、ボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎと岩盤の粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φとの間に、それぞれＤ＝３００・σ_Ｃ・Ｎ^−１．３，Ｃ＝５−０．３×Ｎなる評価式が成り立つことが明らかとなった。これらの評価式に基づいて演算を行うことにより、岩盤の粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φを得ることができる。

以上のように、本発明の方法及び装置によれば、正確且つ低コストに岩盤の物性を評価することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すボーリング装置１００は、原動機１と、伝達装置２と、変速装置及び操縦装置３と、回転ロッド４と、巻上機５と、ポンプ６とを主に備え、原動機１の動力を、伝達装置２、変速装置及び操縦装置３を介して回転ロッド４に伝えてこれを回転させるものである。巻上機５は回転ロッド４を昇降させるものである。

図２に示すように、回転ロッド４の先端部には、回転ロッド４と共に回転するアウターチューブ７と、アウターチューブ７の内側に配され、回転ロッド４の回転とは無関係に静止したインナーチューブ８とが設けられる。アウターチューブ７の先端部には環状に配された複数のビット９が固定され、このビット９で岩盤を削って円筒状の孔を形成し、この孔の内周に残った円柱部がボーリングコア１０となる。ビット９で岩盤を削る際には、ポンプ６によりビット９周辺に水が供給される。具体的には、ポンプ６で回転ロッド４内に送られた水が、アウターチューブ７とインナーチューブ８との間を通ってビット９周辺に送られる。この水でビット９を冷却すると共に、ビット９による岩盤の削りカスを水に混合し、この混合水がアウターチューブ７と岩盤の孔壁Ｗとの間を通って上方に押し上げられて地上の沈殿池Ｐに排出される。

ボーリングにより得られたボーリングコア１０に生じている亀裂Ｘの単位長さ当たり（例えば１ｍ当たり）の本数を計測する。図３の左端のボーリングコア１０ではＸ_１〜Ｘ_６の計６本の亀裂が生じており、他のボーリングコア１０には左から順に４本、５本、３本の亀裂が生じている。各ボーリングコア１０に生じた亀裂本数をボーリングコア１０の長さで割った値がＮとなる。

次に、ボーリングコア１０の実質部の一軸圧縮強度σ_Ｃを測定する。測定方法はＪＩＳ Ｍ０３０２：２０００に準拠する。ボーリングコアの一軸圧縮強度は、亀裂の生じていない実質部（例えば図３にＹで示す領域）における値を測定する。

その後、岩盤に構造物が建築される際、ボーリングを行った複数地点における岩盤の変位量δを測定する。こうして得られた岩盤の変位δのデータを逆解析し、各地点における変形係数Ｄを抽出する。

以上により得られた複数の地点の岩盤の変形係数Ｄ、ボーリングコア１０の単位長さ当たりの亀裂本数Ｎ、及びボーリングコア１０の実質部の一軸圧縮強度σ_Ｃをプロットした グラフを図４に示す。このグラフにおいて、縦軸は変形係数Ｄを一軸圧縮強度σ_Ｃで割った値（Ｄ／σ_Ｃ）、横軸は亀裂本数Ｎである。このプロットから、グラフ中に示すような回帰線が得られた。すなわち、変形係数Ｄ，亀裂本数Ｎ，及び一軸圧縮強度σ_Ｃとの間に、図４の回帰線で表される相関関係が成り立つことが明らかとなった。この回帰線から、Ｄ＝３００・σ_Ｃ・Ｎ^−１．３なる評価式を得ることができた。

上記の評価式により、ボーリングコア１０の単位長さ当たりの亀裂本数Ｎと実質部の一軸圧縮強度σ_Ｃがわかれば、その地点における岩盤の変形係数Ｄを推定することができる。ボーリングは岩盤構造物の調査時に一般に行われるものであるため、ボーリングコアから得られる情報（亀裂本数Ｎ及び一軸圧縮強度σ_Ｃ）に基づいて岩盤の変形係数を評価することにより、原位置試験を要することなく低コストに評価を行うことができる。また、評価式を試験片の変位量から求めるのではなく、上記のように実構築物が岩盤に建築される際に生じた岩盤の変位量δに基づいて求めているため、実際の岩盤の応力状態に対応した評価式を得ることができる。

こうして得られた評価式を用いて岩盤の変形係数Ｄを評価する岩盤強度評価装置３０を図５に示す。この岩盤強度評価装置３０は、ボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎ及びボーリングコアの実質部の一軸圧縮強度σ_Ｃを入力する入力部３１と、入力部に入力された亀裂本数Ｎ及び一軸圧縮強度σ_Ｃに基づいて変形係数Ｄを算出する演算部３２と、演算部３２で求められた変形係数Ｄを表示装置（図示省略）等に出力する出力部３３とを有する。演算部３２にはメモリ３４が接続され、メモリ３４には、亀裂本数Ｎ及び一軸圧縮強度σ_Ｃから変形係数Ｄを算出するための演算プログラムが格納されている。この演算プログラムは、例えば上記の評価式Ｄ＝３００・σ_Ｃ・Ｎ^−１．３に、入力部３１に入力されたＮ及びσ_Ｃを代入することにより変形係数Ｄを求めるものである。

次に、ボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎと、岩盤の粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φとの関係を解析した。まず、複数地点における岩盤のせん断応力τと垂直応力σとを測定し、この測定結果を図６に示すようにグラフ上にプロットする。このグラフは、縦軸せん断応力τ、横軸を垂直応力σとするものであり、このプロットの回帰直線の切片が粘着力Ｃ（ＭＰａ）、直線の傾きが内部摩擦角φ（°）となる。

図６のグラフより得られた粘着力Ｃ及び内部摩擦各φと、各地点のボーリングによるボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎとの相関関係を検討した。図７は、各地点における粘着力Ｃとボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎとの関係を表すグラフであり、図８は、各地点における内部摩擦角φとボーリングコア単位長さ当たりの亀裂本数Ｎとの関係を表すグラフである。これらのグラフから、岩盤の粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φは、ボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎとの間に一定の相関関係を有することが明らかとなった。具体的には、グラフの回帰線より亀裂本数Ｎと粘着力Ｃとの間にはＣ＝５−０．３×Ｎの評価式が成り立ち、亀裂本数Ｎと内部摩擦角φとの間にはφ＝６８−２×Ｎの評価式が成り立つことが判明した。この評価式を用いることにより、原位置試験を要することなく岩盤の粘着力Ｃや内部摩擦角φを評価することができる。

ボーリングコアの亀裂本数Ｎと岩盤の粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φとの間の相関関係を利用した岩盤物性評価装置４０を、図９に示す。この岩盤強度評価装置４０は、ボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎを入力する入力部４１と、入力部に入力された亀裂本数Ｎに基づいて粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φを算出する演算部４２と、演算部４２で求められた粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φの値を表示装置（図示省略）等に出力する出力部４３とを有する。演算部４２にはメモリ４４が接続され、メモリ４４には、亀裂本数Ｎから粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φを算出するための演算プログラムが格納されている。この演算プログラムは、例えば上記の関係式Ｃ＝５−０．３Ｎ、あるいはφ＝６８−２Ｎに、入力部４１に入力されたＮを代入することにより粘着力Ｃあるいは内部摩擦角φを求めるものである。

ボーリング装置の側面図である。 回転ロッドの先端部の拡大断面図である。 ボーリングコアの側面図である。 変形係数Ｄ，ボーリングコアの一軸圧縮強度σ_Ｃ，及びボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎとの関係を示すグラフである。 岩盤物性評価装置を示すブロック図である。 岩盤のせん断応力τと垂直応力σとの関係を示すグラフである。 岩盤の粘着力Ｃとボーリングコアの亀裂本数Ｎとの関係を示すグラフである。 岩盤の内部摩擦角φとボーリングコアの亀裂本数Ｎとの関係を示すグラフである。 岩盤物性評価装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ 原動機
２ 伝達装置
３ 操縦装置
４ 回転ロッド
５ 巻上機
６ ポンプ
７ アウターチューブ
８ インナーチューブ
９ ビット
１０ ボーリングコア
２０ 変位計
３０ 岩盤物性評価装置
１００ ボーリング装置
Ｐ 沈殿池
Ｗ 孔壁
Ｘ 亀裂
δ 変位量

Claims (9)

1. 岩盤から採取したボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎ、及び前記ボーリングコアの実質部における一軸圧縮強度σ_Ｃをパラメータとする評価式で、岩盤の変形係数Ｄを評価する岩盤物性評価方法。
2. 実構造物建設時の複数地点における岩盤の変位量δから岩盤の変形係数Ｄを抽出し、各地点におけるボーリングで得られたボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎと、該ボーリングコアの実質部の一軸圧縮強度σ_Ｃとを取得し、これらの変形係数Ｄ、亀裂本数Ｎ、及び一軸圧縮強度σ_Ｃのデータから前記評価式を導く請求項１記載の岩盤物性評価方法。
3. 前記評価式が、Ｄ＝３００・σ_Ｃ・Ｎ^−１．３である請求項１又は２記載の岩盤物性評価方法。
4. 岩盤から採取したボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎ、及び前記ボーリングコアの実質部における一軸圧縮強度σ_Ｃを入力する入力部と、入力部に入力されたデータに基づいて岩盤の変形係数Ｄを演算する演算部と、演算部による変形係数Ｄの値を出力する出力部とを有する岩盤物性評価装置。
5. 演算部が、Ｄ＝３００・σ_Ｃ・Ｎ^−１．３の評価式に基づいて演算を行う請求項４記載の岩盤物性評価装置。
6. 岩盤から採取したボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎを入力する入力部と、入力部に入力されたＮ値に基づいて岩盤の粘着力Ｃを演算する演算部と、演算部による粘着力Ｃの値を出力する出力部とを備えた岩盤物性評価装置。
7. 演算部が、Ｃ＝５−０．３×Ｎの評価式に基づいて演算を行う請求項６記載の岩盤物性評価装置。
8. 岩盤から採取したボーリングコアの単位長さ当たりの亀裂本数Ｎを入力する入力部と、入力部に入力されたＮ値に基づいて岩盤の内部摩擦角φを演算する演算部と、演算部による内部摩擦角φの値を出力する出力部とを備えた岩盤物性評価装置。
9. 演算部が、φ＝６８−２×Ｎの評価式に基づいて演算を行う請求項８記載の岩盤物性評価装置。

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