JP3749397B2 - 材料試験装置における制御方法および材料試験装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、剪断面を有する岩石などの材料試験片を試験する材料試験装置における制御方法および材料試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、材料試験片に三次元の応力を加える材料試験装置では、チャンバーに材料試験片を収納し、このチャンバー内の圧力を増大するとともに、圧縮用アクチュエータで材料試験片を押圧している。この押圧の際には、チャンバー内の圧力は、略一定に制御されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、地中では、岩盤プレートの剪断面に垂直に加わる垂直応力が略一定な状態で、剪断面に加わる剪断力が増大して、岩盤プレートが破壊している。そのため、材料試験においても、材料試験片の状態を、地中と略同じ環境に保って再現することが要求されている。
【０００４】
本発明は、以上のような課題を解決するためのもので、材料試験片の剪断面に垂直に加わる垂直応力を略一定な状態に保つことができる材料試験装置における制御方法および材料試験装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の材料試験装置における制御方法は、材料試験片（１）をチャンバー（２）内に収納するとともに、チャンバー内の圧力を大気圧よりも高くし、かつ、前記材料試験片に圧縮用アクチュエータ（９）で圧縮荷重を加えている。そして、圧縮用アクチュエータで前記材料試験片に加わる圧縮荷重（Ｆ）を増大させるとともに、この圧縮荷重の増大にともなって、チャンバー内の圧力を低下させている。
【０００６】
また、材料試験片の剪断面（ｂ）に垂直に加わる垂直応力（σｎ）が略一定に維持されている場合がある。
【０００７】
さらに、チャンバー内の圧力を、圧縮用アクチュエータによる圧縮荷重の増大に比例して、減少させている場合がある。
【０００８】
本発明の材料試験装置は、剪断力が加わると剪断される剪断面を有する材料試験片をチャンバー内に収納するとともに、チャンバー内の圧力を大気圧よりも高くし、かつ、前記材料試験片に圧縮用アクチュエータで圧縮荷重を加えている。そして、この材料試験装置は、圧縮用アクチュエータによる圧縮荷重を検出する荷重センサ（１２）と、チャンバー内の圧力を検出する周囲圧検出センサ（２６）と、チャンバー内の圧力を増減する周囲圧用アクチュエータ（２３）と、荷重センサからの信号が入力されているとともに、周囲圧（Ｐｃ）の目標値を生成する周囲圧目標値発生部（４１）とが設けられ、前記周囲圧目標値発生部、周囲圧用アクチュエータおよび周囲圧検出センサでフィードバック制御ループが構成され、前記周囲圧目標値発生部は、荷重センサが検出した圧縮荷重に比例定数を掛けた値を、実験開始時のチャンバー内の圧力である初期周囲圧から引き算して周囲圧目標値を生成し、前記フィードバック制御ループは、周囲圧検出センサの検出値が、前記周囲圧目標値となるように、周囲圧用アクチュエータを制御している。
【０００９】
また、前記比例定数が、圧縮用アクチュエータの押圧方向と剪断面とのなす角度（θ）の正弦値の二乗の値を、圧縮用アクチュエータの押圧方向に垂直な面における材料試験片の断面積で割った値である場合がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明における材料試験装置の実施の一形態を説明する。図１は本発明の材料試験装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。図２は材料試験片に加わる応力および剪断力を説明する概略図である。図３は材料試験のフローチャートである。図４は材料試験のタイムチャートで、（ａ）が周囲圧のタイムチャート、（ｂ）が周囲圧用アクチュエータの変位のタイムチャート、（ｃ）が圧縮用変位センサの出力のタイムチャートである。図５は材料試験のタイムチャートで、（ａ）が荷重センサの検出値のタイムチャート、（ｂ）が剪断面に垂直な応力σｎのタイムチャートである。
【００１１】
図１において、材料試験片１は、気密なチャンバー２内に収納されている。また、材料試験片１を間に挟む状態で、固定支持部３および可動支持部４が対向して配置されている。この固定支持部３の先端部、可動支持部４の先端部および材料試験片１の周囲を筒状のシール材５が覆っている。そして、固定支持部３には、材料試験片１に向かって水を流す通水路６が、一方、可動支持部４には排水路７が形成されている。可動支持部４は油圧式の圧縮用アクチュエータ９により駆動されて移動する。この可動支持部４の移動量すなわち圧縮用アクチュエータ９の駆動部の変位量を、圧縮用変位センサ１１が検出している。また、圧縮用アクチュエータ９が材料試験片１に加えている荷重Ｆを荷重センサ１２が検出している。さらに、チャンバー２の内部は、高圧ガスボンベやコンプレッサーなどで構成されている増圧器１７に、配管１６を介して接続されている。また、配管１６にはシリンダ装置２１が接続され、このシリンダ装置２１のピストン２２は、周囲圧用の油圧アクチュエータ２３で駆動されている。ピストン２２の移動量すなわち周囲圧用アクチュエータ２３の駆動部の変位量を、周囲圧用変位センサ２４が検出している。さらに、配管１６には、チャンバー２内の圧力である周囲圧Ｐｃを検出する周囲圧検出センサ２６が取り付けられている。
【００１２】
圧縮目標値発生部としての圧縮目標値発生器３１は、圧縮用制御目標入力信号Ｅｉを加算部３２に出力している。また、圧縮用変位センサ１１の検出信号Ｄａは、センサ用アンプ３０で増幅されて加算部３２に出力されている。加算部３２は、圧縮用制御目標入力信号Ｅｉから、圧縮用変位検出信号Ｄａを減算して差信号Ｅｒを算出し、この差信号Ｅｒを、アンプ３３を介して、圧縮用アクチュエータ９のサーボバルブ３４に出力している。
【００１３】
周囲圧目標値発生部としての周囲圧目標値発生器４１は、周囲圧用制御目標入力信号Ｅｓを周囲圧用加算部４２に出力している。また、周囲圧用変位センサ２４の出力信号Ｄｓは、センサ用アンプ４３で増幅され、変位制御用スイッチ４５ａを介して周囲圧用加算部４２に出力されている。さらに、周囲圧検出センサ２６の検出信号Ｄｐは、センサ用アンプ４４で増幅され、圧力制御用スイッチ４５ｂを介して周囲圧用加算部４２に出力されている。この両スイッチ４５ａ，４５ｂは、一方がＯＮの時には、他方はＯＦＦである。そして、周囲圧目標値発生器４１には、荷重センサ１２の検出信号Ｅｆがセンサ用アンプ４６を介して入力されているとともに、周囲圧検出センサ２６の検出信号Ｄｐが入力されている。また、周囲圧用加算部４２の出力は、アンプ４７を介して、周囲圧用アクチュエータ２３のサーボバルブ４８に入力されている。
【００１４】
この様に構成されている材料試験装置において、圧縮用アクチュエータ９を稼働させると、材料試験片１に圧縮荷重Ｆが加わる。また、増圧器１７でチャンバー２内にアルゴンガスなどの不活性ガスを充填し、チャンバー２内の圧力を大気圧よりも加圧して高圧とし、材料試験片１に周囲から周囲圧Ｐｃを加えることができる。この周囲圧Ｐｃは、周囲圧用アクチュエータ２３を稼働することにより調整することができる。この様にして、図２に図示する様に、材料試験片１には、荷重Ｆおよび周囲圧Ｐｃが加わっている。そして、荷重Ｆの荷重方向に垂直な面における材料試験片１の横断面積がＡとすると、応力σｆはＦ／Ａとなる。
【００１５】
また、材料試験片１には、剪断に対する強度が比較的低く大きな荷重Ｆが加わると剪断する断層面などの剪断面ｂが形成されており、この剪断面ｂは、荷重Ｆの荷重方向に対して角度θで傾斜している。なお、図２において、符号σｎは剪断面ｂに垂直に加わる応力で、符号τは剪断面ｂに加わる剪断力である。
そして、力学的バランスは、下記１）式に示す通りである。
１）Ｐｃ＝σｎ−(sinθ× sinθ) ×σｆ
そして、地中では、応力σｎは略一定で応力σｆが増大する（すなわち、剪断力τが増大する）ことにより、断層面としての剪断面ｂが滑る現象が発生している。
【００１６】
したがって、材料試験装置において、この現象を再現するには、荷重Ｆ（すなわちＡ×σｆ）の増大に伴って、周囲圧Ｐｃを低下させて、応力σｎを略一定に維持する（すなわち、初期応力σn0を維持する）ことが必要となる。なお、荷重Ｆが０の場合には、応力σｎは周囲圧Ｐｃと等しくなっている。そして、(sinθ× sinθ) ／Ａは、材料試験の前に確定しており、材料試験中は一定であるので、前もって計算させておく。この値は、材料試験中の制御においては定数として処理される。
【００１７】
この様に、この材料試験装置においては、剪断面ｂに垂直な応力σｎを、略一定に維持しており、その材料試験のフローを図３のフローチャーに基づいて説明する。
まず始めに、ステップ１において、増圧器１７でチャンバー２内を大気圧よりも高圧に加圧する。また、変位制御用スイッチ４５ａがＯＮであり、周囲圧目標値発生器４１、周囲圧用加算部４２、サーボバルブ４８、周囲圧用アクチュエータ２３および周囲圧用変位センサ２４などで変位用フィードバック制御ループが構成されており、周囲圧用加算部４２は周囲圧用制御目標入力信号Ｅｓから周囲圧用変位センサ２４の出力信号Ｄｓを引いてサーボバルブ４８に出力している。そして、周囲圧目標値発生器４１は、周囲圧用制御目標入力信号Ｅｓとして目標位置信号を出力して、ピストン２２を中央位置にする。ステップ２において、増圧器１７によりチャンバー２内の圧力が目標圧に達すると、周囲圧検出センサ２６は、初期応力σn0である周囲圧Ｐｃを初期値として検出し検出信号を周囲圧目標値発生器４１に入力する。周囲圧目標値発生器４１には記憶部が設けられており、この周囲圧Ｐｃの初期値を記憶する。また、変位制御用スイッチ４５ａをＯＦＦするとともに、圧力制御用スイッチ４５ｂをＯＮして、周囲圧目標値発生器４１、周囲圧用加算部４２、サーボバルブ４８、周囲圧用アクチュエータ２３および周囲圧検出センサ２６などで圧力用フィードバック制御ループを構成しており、周囲圧用加算部４２は周囲圧用制御目標入力信号Ｅｓから周囲圧検出センサ２６の検出信号Ｄｐを引いてサーボバルブ４８に出力している。そして、周囲圧目標値発生器４１は、周囲圧用制御目標入力信号Ｅｓとして目標圧力信号である周囲圧Ｐｃの初期値を出力して、周囲圧Ｐｃを初期値すなわち初期応力σn0に維持する。
【００１８】
ついで、ステップ３において、圧縮用アクチュエータ９を手動で稼働し、可動支持部４を材料試験片１に向かって移動させる。そして、ステップ４において、可動支持部４が材料試験片１を押圧し、荷重センサ１２がその荷重を検出した時に、圧縮用アクチュエータ９を停止させる。ついで、ステップ５において、圧縮用変位センサ１１をリセットし、その現在位置を０にセットする。これで、材料試験の準備が完了する。そして、ステップ６において、材料試験が開始され、圧縮目標値発生器３１が一定速度で増大する目標変位信号を出力し、圧縮用アクチュエータ９が図４（ｃ）に図示する様に稼働して、可動支持部４を材料試験片１に向かって一定速度で移動させ、材料試験片１に圧縮荷重Ｆを負荷する。この荷重Ｆは図５（ａ）に図示する様に漸次増大する。なお、透水試験をする際には、通水路６から材料試験片１に向かって注水するとともに、材料試験片１を通り抜けた水は排水路７から排水される。
【００１９】
ステップ７において、この材料試験片１に加わる荷重Ｆを荷重センサ１２が検出し、周囲圧目標値発生器４１に出力し、ステップ８に行く。ステップ８において、周囲圧目標値発生器４１は、前記１）式により、目標値である周囲圧Ｐｃを求めている。すなわち、定数である(sinθ× sinθ) ／Ａに荷重Ｆを掛けた値を、記憶している周囲圧Ｐｃの初期値である初期応力σn0から引いて、周囲圧Ｐｃの目標値を決定し、ステップ９に行く。ステップ９において、周囲圧目標値発生器４１は、この周囲圧Ｐｃの目標値を周囲圧用加算部４２に出力し、周囲圧用アクチュエータ２３を図４（ｂ）に図示する様に稼働して、チャンバー２内の圧力をこの周囲圧Ｐｃの目標値にしている。ついで、ステップ６に戻り、ステップ６からステップ９までを、たとえば０．２秒間隔で繰り返している。そして、チャンバー２内の圧力は荷重Ｆの増大に比例して、図４（ａ）に図示する様に段々と低下している。また、図５（ｂ）に図示する様に、剪断面ｂに垂直な応力σｎは略一定に維持されている。この様にして、材料試験は行われており、材料試験片１が剪断面ｂに沿って剪断して破断し、荷重センサ１２の出力が略０になるまで行うことも可能であるし、材料試験片１を破断させないで途中で停止することも可能である。
【００２０】
前述の様に、この実施の形態では、剪断面ｂに垂直な応力σｎを略一定に維持して、荷重Ｆを増大することができるので、実際の地中の状態を略再現することができる。
なお、チャンバー２内の温度を制御して高温とすることも可能である。また、透水試験は必ずしも行う必要はない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、圧縮用アクチュエータで前記材料試験片に加わる圧縮荷重を増大させるとともに、この圧縮荷重の増大にともなって、チャンバー内の圧力を低下させているので、材料試験片の剪断面に垂直に加わる垂直応力が変化することが少なくなる。したがって、材料試験において、材料試験片の状態を、極力地中と略同じ環境に保って再現することができる。特に、前記垂直応力を略一定に維持すると、より一層、地中と略同じ環境にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の材料試験装置の実施の一形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は材料試験片に加わる応力および剪断力を説明する概略図である。
【図３】図３は材料試験のフローチャートである。
【図４】図４は材料試験のタイムチャートで、（ａ）が周囲圧のタイムチャート、（ｂ）が周囲圧用アクチュエータの変位のタイムチャート、（ｃ）が圧縮用変位センサの出力のタイムチャートである。
【図５】図５は材料試験のタイムチャートで、（ａ）が荷重センサの検出値のタイムチャート、（ｂ）が剪断面に垂直な応力σｎのタイムチャートである。
【符号の説明】
θ 圧縮用アクチュエータの押圧方向と剪断面とのなす角度
σｎ 剪断面ｂに垂直な応力
ｂ 剪断面
Ｆ 圧縮荷重
Ｐｃ 周囲圧
１ 材料試験片
２ チャンバー
９ 圧縮用アクチュエータ
１２ 荷重センサ
２３ 周囲圧用アクチュエータ
２６ 周囲圧検出センサ
４１ 周囲圧目標値発生器（周囲圧目標値発生部）

Claims (5)

1. 材料試験片をチャンバー内に収納するとともに、チャンバー内の圧力を大気圧よりも高くし、かつ、前記材料試験片に圧縮用アクチュエータで圧縮荷重を加えている材料試験装置における制御方法において、
   前記圧縮用アクチュエータで前記材料試験片に加わる圧縮荷重を増大させるとともに、この圧縮荷重の増大にともなって、チャンバー内の圧力を低下させていることを特徴とする材料試験装置における制御方法。
2. 剪断力が加わると剪断される剪断面を有する材料試験片をチャンバー内に収納するとともに、チャンバー内の圧力を大気圧よりも高くし、かつ、前記材料試験片に圧縮用アクチュエータで圧縮荷重を加えている材料試験装置における制御方法において、
   前記圧縮用アクチュエータで前記材料試験片に加わる圧縮荷重を増大させるとともに、この圧縮荷重の増大にともなって、チャンバー内の圧力を低下させて、前記剪断面に垂直に加わる垂直応力を略一定に維持していることを特徴とする材料試験装置における制御方法。
3. 前記チャンバー内の圧力を、圧縮用アクチュエータによる圧縮荷重の増大に比例して、減少させていることを特徴とする請求項１または２記載の材料試験装置における制御方法。
4. 剪断力が加わると剪断される剪断面を有する材料試験片をチャンバー内に収納するとともに、チャンバー内の圧力を大気圧よりも高くし、かつ、前記材料試験片に圧縮用アクチュエータで圧縮荷重を加えている材料試験装置において、
   圧縮用アクチュエータによる圧縮荷重を検出する荷重センサと、
   チャンバー内の圧力を検出する周囲圧検出センサと、
   チャンバー内の圧力を増減する周囲圧用アクチュエータと、
   荷重センサからの信号が入力されているとともに、周囲圧の目標値を生成する周囲圧目標値発生部とが設けられ、
   前記周囲圧目標値発生部、周囲圧用アクチュエータおよび周囲圧検出センサでフィードバック制御ループが構成され、
   前記周囲圧目標値発生部は、荷重センサが検出した圧縮荷重に比例定数を掛けた値を、実験開始時のチャンバー内の圧力である初期周囲圧から引き算して周囲圧目標値を生成し、
   前記フィードバック制御ループは、周囲圧検出センサの検出値が、前記周囲圧目標値となるように、周囲圧用アクチュエータを制御していることを特徴とする材料試験装置。
5. 前記比例定数が、圧縮用アクチュエータの押圧方向と剪断面とのなす角度の正弦値の二乗の値を、圧縮用アクチュエータの押圧方向に垂直な面における材料試験片の断面積で割った値であることを特徴とする請求項４記載の材料試験装置。

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