JP3666799B2 - 岩石不連続面の試験装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、比較的大型の岩石サンプルによって、せん断中の垂直荷重変位等の条件を変化させて岩石不連続面の強度、変形係数等の物性を求める試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大深度地下空洞や自然または掘削岩盤斜面の安定性の評価は、揚水発電所などの土木建造物の建設と維持管理においては不可欠である。
【０００３】
かかる評価は、岩盤内に存在する不連続面のせん断強度に強く支配される場合が多い。一方、自然界における岩盤不連続面の挙動特性は、その表面ラフネスや開口性、挟在物、せん断履歴、垂直応力など、多くの要素に影響されるため、これらをすべて含めた理論的検討や原位置試験は非常に困難であり、様々な条件が比較的自由に設定できる室内試験によって求められている。
【０００４】
従来、このための試験手段としては、図６に示すように、岩盤の不連続面に滑り力Ｓとして作用する垂直応力Ｎを一定とするいわゆる垂直応力一定条件（ＣＮＬ）として、図７に示すように、一定の垂直応力Ｎを作用させた状態で滑り方向に力Ｐを加えてせん断強度を測定している。この試験方法は、無補強の岩盤斜面のように、不連続面に作用する垂直応力がほぼ一定に保たれる場合に適している。
【０００５】
ところが、深部地下やロックボルトなどによって補強されている亀裂性岩盤の場合には、図８に示すように、不連続面の表面ラフネスの変形や損傷に伴うダイレーションの発生により周辺岩盤からの拘束が強くなるため、不連続面に作用する垂直応力が一定になることは有り得ない。
【０００６】
このような場合の岩盤不連続面の力学的特性を適切に求めるためには、不連続面の垂直変位の大きさに応じて垂直応力を変化させる垂直剛性一定（ＣＮＳ）での一面せん断試験を行なう必要がある。
【０００７】
この垂直剛性一定（ＣＮＳ）での一面せん断試験としては、土木学会論文集 No.645/III-50, pp.331- 335には、垂直載荷装置に弾性バネを挿入して地山の変形剛性を表現する方式を取り、不連続面のせん断強度に及ぼす垂直剛性の影響を実験的に行った例が示されている。しかしながら、この方式では地山の変形特性に応じて垂直剛性を容易に与えられないことや、バネの剛性をハード的に強くし過ぎると表面ラフネスに衝撃を与える恐れがあり正しい試験結果を得られない。
【０００８】
このように、単一不連続面の力学的特性に関する代表的な室内試験法には、垂直載荷における変形特性を求める垂直載荷試験と、せん断強度特性を求めるＣＮＬ一面せん断試験及びＣＮＳ一面せん断試験は知られているが、このような試験では、周辺地山や不連統面の表面ラフネスの変形・破壊に応じる垂直応力の変化に対応できない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本願発明が解決しようとする課題は、垂直応力一定（ＣＮＬ）、垂直変位一定（ＣＮＤ）のみならず深部に位置する地下空洞岩盤の変形特性を反映した岩盤不連続面の力学的特性を正しく求めることができる試験装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、不連続面を有するせん断供試体を挟み込む形で設置した上箱とこの上箱上を移動する下箱を有し、前記せん断供試体に垂直応力を付加しつつ、下箱をせん断供試体の不連続面に沿って水平にせん断力を作用せしめる岩石不連続面の試験装置において、せん断供試体の垂直変位に応じた垂直応力の変化をΔＮとし、垂直変位の変化をΔｕとし、Ｅを周辺岩盤の変形係数とし、νをポアソン比とし、ｒを影響を受ける範囲として、ΔＮ＝｛Ｅ／（１＋ν）ｒ｝Δｕとなるように、せん断供試体の垂直変位に応じて前記せん断供試体に付加される垂直応力を変化させてコンピュータにより垂直剛性を一定に制御するシステムを備えたことを特徴とする。
【００１１】
このせん断供試体の垂直変位に応じて垂直応力の制御をコンピュータを用いて、自動的に行うようにする。この制御のためには、周辺岩盤の変形特性を反映した垂直剛性（ｋｎ）を、Ｅ，υを周辺岩盤の変形係数とポアソン比、ｒを影響を受ける範囲として、
ｋｎ＝Ｅ／（ｌ＋υ）ｒ・・・（１）
の式より決定する。
【００１２】
そして、せん断中の垂直変位の変化Δｕに対する垂直応力の変化ΔＮが
ΔＮ＝ｋｎ・Δｕとなるように、すなわち、Ｅを周辺岩盤の変形係数とし、ｖをポアソン比とし、ｒを影響を受ける範囲として、ΔＮ＝｛Ｅ／（１＋ｖ）ｒ｝Δｕとなるように、垂直応力の変化をコンピュータにより自動的に制御できる垂直剛性一定（ＣＮＳ）一面せん断試験装置が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施例によって本願発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図１は、本願発明に係る不連続面せん断試験装置の概要をに示す。
【００１５】
試験機の基本的ハード構成は、第１０回岩の力学国内シンポジウム講演論文集、ｐｐ.231-248, 1998に開示された試験機を参考として製作したものである。
【００１６】
本願発明の実施例に係る試験機１０は、下箱１を水平に動かすことにより不連続面をせん断するもので、上箱２はせん断箱に収納されたせん断供試体３を挟み込む形で設置され、せん断荷重計測用のロードセル４と水平ジャッキ５を組み込んだ水平に配置された２本のロッド６により支持されている。
【００１７】
このロッド６は十分に長く、両端の取り付け部７はピン構造となっていることから、供試体３の垂直方向の移動あるいは回転は許されるが、せん断方向に対して横方向の動きは固定されている。せん断荷重（最大４００ｋＮ載荷）はその作用線方向が不連続面とほぼ同じ位置となるよう与えられる。
【００１８】
垂直荷重は１か所若しくは２か所に配置された垂直ジャッキ８によって、それぞれ、独立して制御され、１台当たり最大２００ｋＮ、計４００ｋＮまで載荷載荷可能な構造となっている。尚、９は水平変位計、１１は垂直変位計、１２は、垂直方向ロードセルを示す。
【００１９】
図２は、供試体３を収納するせん断箱１３の詳細を示す。供試体幅１０ｃｍを標準としているが、上部せん断箱１４と下部せん断箱１５からなり、スペーサー１６を介して供試体３を収納し、その上に加圧板１７が設けられている。このスペーサー１６を取り外すことにより最大幅１２．５ｃｍまでの供試体の設置が可能である。コアリング等により採取した試料については、ＪＩＳ規格の溝形鋼（Ｂ１２５×Ｈ６５）を型枠にして試料を埋め込み、これをせん断箱内にセットしてせん断を行なう。なお、供試体の長さが最大で５０ｃｍまで設置可能であり、図１に示す２本の垂直載荷ジャッキ８により、不連統面の表面に比較的均一に垂直応力を作用させることが可能である。
【００２０】
図３は、図１に示す試験機の変形・破壊に応じる垂直応力の変化をコンピュータにより自動的に制御するシステム構成を示す。このシステムは、垂直荷重及びせん断荷重ともに電気・油圧サーボによるクローズドループ制御によってマイクロコンピュータによりコントロールするシステムである。
【００２１】
なお、油圧サーボの動作制御上、フィードバックをかける時間間隔は出来るだけ短くすることが精度の高い制御に繋がることから、Ａ／Ｄ−Ｄ／Ａ変換ボードは１６ビットのものが使用される。
【００２２】
また、計測制御プログラムは、仮想計測器ソフトウェアＬａｂＶＩＥＷ５．１を採用することにより、試験中のデータを迅速に採取することができ、せん断過程において生じたダイレーションを式（１）より決定された垂直剛性に基づく垂直変位のフィードバックと照合させることにより、２本の垂直ジャッキ荷重の独立制御はパソコン上でほぼリアルタイムで実現することができる。
【００２３】
本発明の試験装置と制御システムを用いて、ＣＮＬとＣＮＳにおける人工模擬不連続面のせん断強度およびダイレーション挙動の比較実験を行ない、岩盤不連続面の力学的特性の境界条件依存性を明らかにできる。
【００２４】
上記図１〜図３に示す試験装置を用いて、供試体（Ｂ１０ｃｍ×Ｌ２０ｃｍ×Ｈ１３ｃｍ）を用いたせん断試験を実施した。不連続面の表面形状はＩＳＲＭ指針に示すＪＲＣ値８〜１０のプロファイルを用い、奥行き方向には同じ形状とした。このプロファイルの木製形枠を作成し、これに石膏系材料を流し込み不連続面供試体の片方を作成する。硬化後、この供試体を形枠とし他方の供試体を作成する。すなわち、表面ラフネスが噛合った不連統面供試体である。なお、供試体の材料配合は、重量比で速硬性石膏：水：遅延材＝１：０．２：０．００５で、２８日気中養生後の模擬供試体の物性は、一軸圧縮強度σ＝６８ＭＰａ、弾性係数Ｅ＝２５．４ＧＰａ（Ｅ／σ＝３７３）であり、中硬岩相当の模擬材料である。
【００２５】
垂直剛性がせん断強度に及ぼす影響を明らかにするために、ＣＮＬ制御とＣＮＳ制御の２種類境界拘束条件下での一面せん断試験を行なう。ＣＮＳ制御では、式（１）に基づき垂直剛性値（Ｋｎ）を２ＧＰａ／ｍと１５ＧＰａ／ｍの２ケースを設定する。また、初期垂直応力は０．５ＭＰａ、せん断速度は０．５ｍｍ／ｓである。
【００２６】
図４は、上記試験条件によるせん断変位とせん断応力、垂直変位、垂直応力との関係を示す。せん断応力−せん断変位の関係において、垂直応力一定（ＣＮＬ）制御では、ピークせん断応力はせん断変位１ｍｍ以下の小さなせん断変位で生じる。これは初期のかみ合った不連続面の強度が早期に発揮されたと考えられる。その後は、ひずみ軟化を生じてせん断変位５ｍｍ以降で残留状態となる。これに対してｋｎ＝２ＧＰｄｍのＣＮＳ制御では、せん断初期にＣＮＬ試験とほぼ間じ傾向を示すものの、その後はひずみ硬化を示しながらせん断変位１２ｍｍ程度で最大せん断応力１．３ＭＰａを生じる。次にＫｎ＝１５ＧＰａ／ｍのケースでは、せん断変位の増加とともにひずみ硬化を生じて、同じせん断変位１２ｍｍ付近で最大せん断応力２．５ＭＰａを示す。
【００２７】
垂直応力一定（ＣＮＬ）制御と垂直剛性一定（ＣＮＳ）制御のせん断挙動の違いは、せん断過程における垂直変位及び垂直応力の関係から理解できる。すなわち、ＣＮＬ制御では、不連続面の表面ラフネスの乗上げに伴い、せん断過程での垂直変位（ダイレーション）は周囲からの拘束を受けず顕著に増加するのに対し、ＣＮＳ制御では、垂直変形に伴って垂直荷重が増加し、周囲からの大きな拘束を受けることになるので、垂直変位がＣＮＬ制御よりも抑制される。その結果、せん断過程においては垂直応力がダイレーションに比例して増大する。ちなみにＫｎ＝１５ＧＰａ／ｍのＣＮＳ制御では、最大垂直変位は０．４ｍｍとＣＮＬ制御の１／７程度になり．垂直応力は８ＭＰａまで増加する。
【００２８】
図５は、せん断中の垂直応力とせん断応力の応力経路を示す。同図において、右図は、左図の原点付近の拡大図である。ＣＮＬ制御下での最大せん断応力時及びＣＮＳ制御下での応力経路が最初に折れ曲がる点は、原点を通り勾配４３．２°の直線上（ｃ＝０、φ＝４３．２°の直線上）に概ね位置している。
【００２９】
以上の試験結果から、本発明の試験機の性能と制御精度が検証でき、不連続面のせん断強度が境界拘束条件に大きく支配されることを明らかにすることができた。
【００３０】
【発明の効果】
本願発明の試験機により、以下の効果を奏することができる。
【００３１】
（１）垂直剛性一定制御が可能
従来の垂直荷重載荷装置にバネを挿入する垂直剛性一定試験に比べて、コンピュータに所定の垂直剛性値を入力するだけでよく、垂直剛性の設定、変更が格段に容易である、
（２）試験途中での制御切替えが可能
試験途中において試験を中断することなく（垂直荷重を除荷することなく）制御を切り替えること、たとえば、ＣＮＳ試験からＣＮＬ制御への切り替え、あるいはＣＮＳ制御において剛性値の切り替えが可能である。これは、表面ラフネスの損傷などによる垂直剛性の低下の影響効果を調べる多段階垂直剛性制御試験を可能にする。
【００３２】
（３）寸法効果のせん断試験が可能
２本の垂直載荷ジャッキを独立して制御できることから、これまでよりも大きなサイズの供試体（最大長さ５０ｃｍ）のせん断試験を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の試験機の実施例を示す。
【図２】 供試体３を収納するせん断箱の詳細を示す。
【図３】 本発明の試験装置の制御システムを示す。
【図４】 本発明の試験装置を用いた試験におけるせん断変位とせん断応力、垂直変位、垂直応力との関係を示す。
【図５】 せん断中の垂直応力とせん断応力の応力経路を示す。
【図６】 亀裂性岩盤が単一不連続面の場合の垂直応力の作用を示す。
【図７】 亀裂性岩盤が単一不連続面の場合の試験法の概要を示す。
【図８】 亀裂性岩盤の場合の不連続面に作用する垂直応力の作用を示す。
【符号の説明】
１０ 本願発明の実施例に係る試験機
１ 下箱
２ 上箱
３ せん断供試体
４ せん断荷重計測用のロードセル
５ 水平ジャッキ
６ ロッド
７ ロッド取り付け部
８ 垂直ジャッキ
９ 水平変位計
１１ 垂直変位計
１２ ロードセル
１３ せん断箱
１４ 上部せん断箱
１５ 下部せん断箱
１６ スペーサー
１７ 加圧板

Claims (1)

1. 不連続面を有するせん断供試体を挟み込む形で設置した上箱とこの上箱上を移動する下箱を有し、前記せん断供試体に垂直応力を付加しつつ、下箱をせん断供試体の不連続面に沿って水平にせん断力を作用せしめる岩石不連続面の試験装置において、せん断供試体の垂直変位に応じた垂直応力の変化をΔＮとし、垂直変位の変化をΔｕとし、Ｅを周辺岩盤の変形係数とし、νをポアソン比とし、ｒを影響を受ける範囲として、ΔＮ＝｛Ｅ／（１＋ν）ｒ｝Δｕとなるように、せん断供試体の垂直変位に応じて前記せん断供試体に付加される垂直応力を変化させてコンピュータにより垂直剛性を一定に制御するシステムを備えた岩石不連続面の試験装置。

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