JP4098218B2

JP4098218B2 - 岩盤せん断試験法および岩盤せん断試験装置

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Publication number: JP4098218B2
Application number: JP2003380712A
Authority: JP
Inventors: 孝一新; 洋伊藤
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2023-11-11
Also published as: JP2005147676A

Description

本発明は、岩盤せん断試験法および岩盤せん断試験装置に関する。更に詳しくは、本発明は、原位置で岩盤を切り出して整形した試験体にせん断荷重を与えてせん断強度を試験する岩盤せん断試験法および岩盤せん断試験装置に関するものである。

岩盤などの強度特性や変形特性を把握するために原位置試験が行われる。原位置試験は、実地に即したデータを得るため、原位置で掘削された地盤を試験体として用い、当該原位置で行なわれる。

原位置試験として、原位置岩盤せん断試験がある。この試験法を図９に示す。この試験法では、調査を行う試掘横坑１０１内の床面などの一部を直方体のブロック状に切り出し、その切り出し部分１０２の外面をカバーコンクリート１０４で整形して試験体１０３としている。試験体１０３の上面１０３ａは水平面となっており、また、４つの側面のうちの１つは傾斜面１０３ｂとなっている。

載荷装置として、鉛直荷重用ジャッキ１０５とせん断荷重用ジャッキ１０６を備えている。鉛直荷重用ジャッキ１０５は鋼製支柱１０７によって支持されており、試験体１０３の上面１０３ａにその垂直方向（上面は水平であり、この水平面に対して垂直方向であるから、鉛直方向）から鉛直荷重Ｎを載荷するものである。また、せん断荷重用ジャッキ１０６は反力ブロック１０８によって支持されており、試験体１０３の傾斜面１０３ｂにその垂直方向からせん断荷重Ｔを載荷するものである。せん断荷重用ジャッキ１０６がせん断荷重Ｔを載荷する面が傾斜面１０３ｂとなっているので、せん断面の中心１０９に向けてせん断荷重Ｔを載荷することができ、せん断荷重Ｔの載荷によってせん断面に回転モーメントが発生するのを防止している。なお、図９中符号１１０は鉛直変位計、符号１１１はせん断変位計である。

試験では、まず鉛直荷重用ジャッキ１０５を使用して所定の鉛直荷重Ｎを与えてこれを一定に保ち、次にせん断荷重用ジャッキ１０６を使用してせん断荷重Ｔを与えてこれを徐々に増加させ、試験体１０３にせん断破壊を生じさせる。このときの鉛直荷重Ｎとせん断荷重Ｔに基づいて岩盤のせん断強度特性が把握される。

特開平４−３８４４１号土木学会岩盤力学委員会「原位置岩盤試験法の指針」土木学会平成１２年１２月１０日第１版・第１刷発行

ところで、基礎構造物の耐震設計等においては、せん断面に作用する鉛直応力として０に近い値の圧縮応力（正の値）や引張応力（負の値）を作用させている状態のせん断強度を知ることが必要である。

しかしながら、上述の岩盤せん断試験法では、このような状態のせん断強度を直接測定することができなかった。つまり、せん断荷重Ｔを傾斜面１０３ｂに載荷しており、せん断荷重Ｔをせん断面に対して斜めに作用させているので、せん断荷重Ｔを増加させてせん断面に作用するせん断応力を増加させると、せん断面に作用する鉛直応力も一緒に増加してしまう。この様子を図１０に点線矢印で示す。このため、大きな値の鉛直応力が作用している状態（図１０の範囲Ｂ）でのせん断強度を直接試験することは可能であったが、小さな値の鉛直応力が作用している状態でのせん断強度を直接試験することがきなかった。また、せん断荷重用ジャッキ１０６は単動式のものであり、圧縮荷重を付与することはできても、引張荷重を付与することはできなかった。このため、鉛直応力として引張り応力がせん断面に作用している状態でせん断強度を試験することができなかった。つまり、図１０の範囲Ａにおけるせん断強度を直接試験することができなかった。

このため、従来は、図１０の範囲Ａにおけるせん断強度を求めるために、鉛直荷重用ジャッキ１０５によって付与する鉛直荷重Ｎの大きさを変えながら試験を何度か繰り返し行っていた。即ち、図１０に示すように、せん断面に作用させる初期の鉛直応力を異なる値に設定して試験を何度か繰り返し行っていた。図１０の例では点線矢印で示すように４回の試験を行った。そして、各試験について試験体１０３にせん断破断が生じた破壊点１１２をプロットし、各破壊点１１２の関係から直線Ｌを求め、この直線Ｌに基づいて範囲Ａにおけるせん断強度を推定していた。また、この推定では、直線Ｌに基づいて単純に推定するだけではなく、種々の補正を行って精度を上げるように工夫することもあった。

即ち、基礎構造物の耐震設計等では図１０の範囲Ａにおけるせん断強度を正確に知ることが必要であるが、この範囲Ａのせん断強度を範囲Ｂにおける試験結果から推定することはできても、範囲Ａのせん断強度を試験によって直接測定することができなかった。

本発明は、比較的小さい鉛直応力の下でのせん断強度を求めることができる岩盤せん断試験法および岩盤せん断試験装置を提供することを目的とする。また、本発明は、鉛直応力として圧縮応力のみならず引張応力をも与えた状態でせん断強度を求めることができる岩盤せん断試験法および岩盤せん断試験装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の岩盤せん断試験法は、試験する岩盤の一部をブロック状に切り出して、反対向きの２枚の鉛直側面と水平な上面とを有する試験体に整形する試験体準備工程と、試験体の第１の鉛直側面にその垂直方向から主せん断荷重を、試験体の第２の鉛直側面にその垂直方向からカウンターせん断荷重をそれぞれ付与して試験体にせん断破断を生じさせる荷重付与工程を備え、荷重付与工程は、試験体の上面に引張方向の鉛直荷重を付与しながら、主せん断荷重とカウンターせん断荷重とを付与するものであり、主せん断荷重とカウンターせん断荷重は同一鉛直平面内の逆向きで高さが異なる荷重であり、主せん断荷重が試験体のせん断面に生じさせる回転モーメントを、カウンターせん断荷重がせん断面に生じさせる回転モーメントで打ち消すように、主せん断荷重とカウンターせん断荷重を付与するものである。

したがって、岩盤を切り出して整形した試験体に、せん断荷重を与えて原位置岩盤せん断試験を行うことができる。即ち、試験体準備工程を行って試験体を準備し、荷重付与工程を行って試験体にせん断破断を生じさせて試験を行うことができる。

荷重付与工程では、試験体の鉛直側面にその垂直方向からせん断荷重を付与しているので、せん断荷重をせん断面に対して平行に作用させることになる。ここで、仮に、せん断荷重として、一方向のみのせん断荷重をせん断面に対して平行に作用させると、試験体のせん断面よりもある程度高い位置にせん断荷重を付与せざるをえないことから、せん断面に回転モーメントが発生してせん断面に鉛直応力が発生し、しかもその鉛直応力はせん断面において一様ではない。本発明では、せん断荷重として、主せん断荷重とカウンターせん断荷重という反対向きの２つのせん断荷重を試験体に付与し、主せん断荷重によって発生する回転モーメントを、カウンターせん断荷重によって発生する回転モーメントで打ち消すようにしている。このため、せん断荷重をせん断面に対して平行な方向から付与しても、鉛直応力の発生を防止することができる。即ち、せん断面に対して平行なせん断荷重の付与が可能になり、鉛直応力が作用しない状態でのせん断強度を試験することができる。

また、荷重付与工程では、試験体に対して圧縮方向の鉛直荷重と引張方向の鉛直荷重を選択して付与するものであり、鉛直荷重として圧縮荷重を付与しながらの岩盤せん断試験と、引張荷重を付与しながらの岩盤せん断試験を行うことができる。

また、請求項２記載の岩盤せん断試験法は、主せん断荷重の大きさをＴ_１、第１の鉛直側面の主せん断荷重を付与する位置の高さをＨ_１、カウンターせん断荷重の大きさをＴ_２、第２の鉛直側面の前記カウンターせん断荷重を付与する位置の高さをＨ_２とした場合、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２としている。したがって、主せん断荷重によってせん断面に発生する回転モーメントと、カウンターせん断荷重によってせん断面に発生する回転モーメントとが等しくなり、これらの回転モーメントを相殺することができる。

また、請求項３記載の岩盤せん断試験法は、試験体準備工程で、第１及び第２の鉛直側面と上面を有する箱体を岩盤のブロック状の切り出し部分に被せると共に、切り出し部分と箱体とを接着手段を使用して一体化させるものである。

したがって、岩盤の一部をブロック状に切り出した後、この切り出し部分に箱体を正確に被せて接着手段によって一体化させることで、試験体に水平な上面と２つの鉛直側面を正確に整形することができる。また、岩盤の切り出し部分と箱体とを一体化させているので、箱体を押したり引いたりすることで、鉛直荷重として圧縮荷重を付与したり、又は引張荷重を付与することができる。

さらに、請求項４記載の岩盤せん断試験装置は、試験する岩盤の一部をブロック状に切り出して整形され且つ反対向きの２枚の鉛直側面と水平な上面とを有する試験体を、せん断破断させる岩盤せん断試験装置において、試験体の第１の鉛直側面にその垂直方向から主せん断荷重を付与する主せん断荷重付与手段と、試験体の第２の鉛直側面にその垂直方向からカウンターせん断荷重を付与するカウンターせん断荷重付与手段とを備え、主せん断荷重とカウンターせん断荷重は同一鉛直平面内の逆向きで高さが異なる荷重であり、主せん断荷重が試験体のせん断面に生じさせる回転モーメントを、カウンターせん断荷重がせん断面に生じさせる回転モーメントで打ち消すように、主せん断荷重付与手段とカウンターせん断荷重付与手段は、主せん断荷重とカウンターせん断荷重を付与するものである。

したがって、予め岩盤を切り出して整形しておいた試験体に、主せん断荷重付与手段とカウンターせん断荷重付与手段とによってせん断荷重を与えて原位置岩盤せん断試験を行うことができる。

主せん断荷重付与手段は、試験体の第１の鉛直側面にその垂直方向からせん断荷重を付与するので、せん断面に対してせん断荷重を平行に作用させることができる。また、カウンターせん断荷重付与手段は、試験体の第２の鉛直側面にその垂直方向からせん断荷重を付与するので、せん断面に対してせん断荷重を平行に作用させることができる。ここで、仮に、せん断荷重として、一方向のみのせん断荷重をせん断面に対して平行に作用させると、試験体のせん断面よりもある程度高い位置にせん断荷重を付与せざるをえないことから、せん断面に回転モーメントが作用し、せん断面に鉛直応力が発生し、しかもその鉛直応力はせん断面において一様ではない。本発明では、せん断荷重として、主せん断荷重とカウンターせん断荷重という反対向きの２つのせん断荷重を試験体に付与し、主せん断荷重によって発生する回転モーメントを、カウンターせん断荷重によって発生する回転モーメントで打ち消すようにしている。このため、せん断荷重をせん断面に対して平行な方向から付与しても、鉛直応力の発生を防止することができる。即ち、せん断面に対して平行なせん断荷重の付与が可能になり、鉛直応力が作用しない状態でせん断強度を試験することができる。

また、鉛直荷重付与手段は、試験体に対して圧縮方向の鉛直荷重と引張方向の鉛直荷重を選択して付与するものであり、鉛直荷重として圧縮荷重を付与しながらの岩盤せん断試験と、引張荷重を付与しながらの岩盤せん断試験を行うことができる。

また、請求項５記載の岩盤せん断試験装置は、主せん断荷重の大きさをＴ_１、第１の鉛直側面の主せん断荷重が付与される位置の高さをＨ_１、カウンターせん断荷重の大きさをＴ_２、第２の鉛直側面のカウンターせん断荷重が付与される位置の高さをＨ_２とした場合、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２になるようにしている。したがって、主せん断荷重によって発生する回転モーメントと、カウンターせん断荷重によって発生する回転モーメントとが等しくなり、これらの回転モーメントを相殺することができる。

また、請求項６記載の岩盤せん断試験装置は、岩盤のブロック状の切り出し部分を覆う箱体と、切り出し部分と箱体とを一体化させる接着手段とを備え、箱体は第１及び第２の鉛直側面と上面とを有するものである。

したがって、岩盤の一部をブロック状に切り出した後、この切り出し部分に箱体を正確に被せて接着手段によって一体化することで、水平な上面と２つの鉛直側面が高精度に整形されている試験体を準備することができる。また、岩盤の切り出し部分と箱体とを一体化しているので、箱体を押したり引いたりすることで、鉛直荷重として圧縮荷重を付与したり、又は引張荷重を付与することができる。

また、請求項７記載の岩盤せん断試験装置は、岩盤に固定されると共に、鉛直荷重付与手段と主せん断荷重付与手段とカウンターせん断荷重付与手段を支持するフレームを備えるものである。したがって、試験体に付与する鉛直荷重、主せん断荷重、カウンターせん断荷重の反力をフレームで受けることができる。そして、フレームを例えばアンカーなどを使用して岩盤に固定し、このフレームに鉛直荷重付与手段、主せん断荷重付与手段、カウンターせん断荷重付与手段を取り付けることで、装置を設置できる。

しかして、請求項１記載の岩盤せん断試験法では、上述のようにして岩盤せん断試験を行うので、せん断面に鉛直応力を発生させることなく、試験体にせん断荷重を付与することができる。

また、荷重付与工程で、試験体に対して引張方向の鉛直荷重を付与するようにしているので、鉛直荷重として引張荷重を付与しながら岩盤せん断試験を行うことができる。したがって、鉛直応力として引張応力を生じさせた状態のせん断強度を求めることができる。

また、請求項２記載の岩盤せん断試験法では、主せん断荷重の大きさをＴ_１、第１の鉛直側面の主せん断荷重を付与する位置の高さをＨ_１、カウンターせん断荷重の大きさをＴ_２、第２の鉛直側面の前記カウンターせん断荷重を付与する位置の高さをＨ_２とした場合、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２になるようにしているので、主せん断荷重によって発生する回転モーメントをカウンターせん断荷重によって発生する回転モーメントで相殺することができ、せん断荷重の付与による鉛直応力の発生を防止することができる。

また、請求項３記載の岩盤せん断試験法では、試験体準備工程では、第１及び第２の鉛直側面と上面を有する箱体を岩盤のブロック状の切り出し部分に被せると共に、切り出し部分と前記箱体とを接着手段を使用して一体化させるようにしているので、現場で簡単に試験体を準備することができる。特に、箱体を工場等で予め製造しておくことができるので、現場での作業が容易である。また、岩盤の切り出し部分を箱体を介して引っ張ることが可能になるので、鉛直荷重として圧縮荷重だけでなく、引張荷重の付与にも適したものにできる。

さらに、請求項４記載の岩盤せん断試験装置では、上述のように構成されているので、せん断面に鉛直応力を発生させることなく、試験体にせん断荷重を付与することができる。このため、鉛直応力が０の状態のせん断強度を求めることができる。

また、鉛直荷重付与手段は、試験体に対して圧縮方向の鉛直荷重と引張方向の鉛直荷重を選択して付与するようにしているので、鉛直荷重として圧縮荷重又は引張荷重を付与しながら岩盤せん断試験を行うことができる。これらの場合にも、せん断荷重の付与やその増加によっては鉛直応力を発生させることがないので、鉛直応力としての圧縮応力が小さい値の状態のせん断強度を求めることができると共に、鉛直応力として引張応力を生じさせた状態のせん断強度も求めることができる。

また、請求項５記載の岩盤せん断試験装置では、主せん断荷重の大きさをＴ_１、第１の鉛直側面の主せん断荷重が付与される位置の高さをＨ_１、カウンターせん断荷重の大きさをＴ_２、第２の鉛直側面のカウンターせん断荷重が付与される位置の高さをＨ_２とした場合、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２になるようにしているので、主せん断荷重によって発生する回転モーメントをカウンターせん断荷重によって発生する回転モーメントで相殺することができ、せん断荷重の付与による鉛直応力の発生を防止することができる。

また、請求項６記載の岩盤せん断試験装置では、岩盤のブロック状の切り出し部分を覆う箱体と、切り出し部分と箱体とを一体化させる接着手段とを備え、箱体は第１及び第２の鉛直側面と上面とを有しているので、現場で簡単に試験体を準備することができる。特に、箱体を工場等で予め製造しておくことができるので、現場での作業が容易である。また、箱体を介して岩盤の切り出し部分を引っ張ることも可能になるので、鉛直荷重として圧縮荷重だけでなく、引張荷重の付与にも適したものにすることができる。

また、請求項７記載の岩盤せん断試験装置では、岩盤に固定されると共に、鉛直荷重付与手段と主せん断荷重付与手段とカウンターせん断荷重付与手段を支持するフレームを備えているので、フレームを例えばアンカーなどを使用して岩盤に固定し、このフレームに鉛直荷重付与手段、主せん断荷重付与手段、カウンターせん断荷重付与手段を取り付けることで、装置を設置できる。このため、装置の設置が容易であり、また、その分解や運搬も容易である。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に、本発明の岩盤せん断試験装置の実施形態の一例を示す。この岩盤せん断試験装置は、試験する岩盤１の一部をブロック状に切り出して整形され且つ反対向きの２枚の鉛直側面２ａ，２ｂと水平な上面２ｃとを有する試験体（供試体）２をせん断破断して原位置岩盤せん断試験を行うもので、試験体２の第１の鉛直側面２ａにその垂直方向から主せん断荷重を付与する主せん断荷重付与手段３と、試験体２の第２の鉛直側面２ｂにその垂直方向からカウンターせん断荷重を付与するカウンターせん断荷重付与手段４と、試験体２の上面２ｃに鉛直方向から鉛直荷重を付与する鉛直荷重付与手段５と、岩盤１に固定されると共に、鉛直荷重付与手段５と主せん断荷重付与手段３とカウンターせん断荷重付与手段４を支持するフレーム６を備えている。

試験体２は、図３〜図６に示すように、試験を行う岩盤１の一部をブロック状に切り出し、この切り出し部分１ａに箱体７を被せたもので、切り出し部分１ａと箱体７とは接着手段８によって一体化されている。試験体２の大きさは、例えばおよそ縦２００ｍｍ×横２００ｍｍ×高さ２００ｍｍである。

箱体７は、例えば金属製のものであり、例えば工場等において製造される。例えば、１枚の天板と４枚の側板を組み合わせて固定することで、箱体７を製造する。箱体７には、水平な上面２ｃと鉛直な第１及び第２の鉛直側面２ａ，２ｂが正確に形成されている。なお、本実施形態では、第１の鉛直側面２ａと第２の鉛直側面２ｂとの間の２枚の側面も鉛直な側面（以下、鉛直側面２ｄ，２ｅ）となっている。また、図２に示すように、箱体７の第１の鉛直側面２ａには比較的低い位置に主せん断荷重付与手段３を連結するための載荷板９が、第２の鉛直側面２ｂには比較的高い位置にカウンターせん断荷重付与手段４を連結するための載荷板１０が、それぞれ固着されている。

接着手段８は例えば接着剤である。接着剤としては、例えば岩盤１の切り出し部分１ａと箱体７との間の隙間を埋めることができ且つこれらを強固に接着できるものを使用する。例えば２液を所定割合で混合することで切り出し部分１ａと箱体７の間の隙間を埋めながらこれらを強固に接着する樹脂性の２液混合形の接着剤の使用が可能である。切り出し部分１ａと箱体７の間の隙間を埋めることで、試験体２に装荷するせん断荷重や鉛直荷重を切り出し部分１ａに均等に伝えることができる。また、切り出し部分１ａと箱体７を接着して一体化することで、箱体７を引っ張ることで試験体２のせん断面１９に引張応力を与えることができる。ただし、接着手段８としては接着剤に限るものではなく、岩盤１の切り出し部分１ａと箱体７とを一体化させることできるものであれば、その他のものでもよい。また、切り出し部分１ａがある程度の強度を有する場合等には、切り出し部分１ａにピン等を打ち込むことによって箱体７を切り出し部分１ａに固定することも可能である。

鉛直荷重付与手段５は、例えば複動式の油圧シリンダであり、試験体２に対して圧縮方向の鉛直荷重と引張方向の鉛直荷重を選択して付与することができる。鉛直荷重付与手段５は、試験体２の上面２ｃの中心位置に鉛直荷重Ｎを付与する。鉛直荷重付与手段５と試験体２の間には、たとえ鉛直荷重付与手段５が傾いていたとしてもこの傾きを吸収して上面２ｃに対して垂直な方向から鉛直荷重Ｎを付与できるようにするユニバーサルジョイント１１と、鉛直荷重Ｎを計測する荷重計測手段１２が直列的に設けられており、鉛直荷重付与手段５はユニバーサルジョイント１１と荷重計測手段１２とを介して試験体２の上面２ｃに鉛直荷重Ｎを付与する。鉛直荷重付与手段５は、荷重計測手段１２で検出した鉛直荷重Ｎを基に制御される。荷重計測手段１２としては、例えばロードセルの使用が可能である。本実施形態では、例えば容量が９８．１ｋＮのセンターホール型ロードセルを使用している。

主せん断荷重付与手段３およびカウンターせん断荷重付与手段４は、例えば単動式の油圧シリンダであり、水平方向から試験体２を押圧する。主せん断荷重付与手段３は、カウンターせん断荷重付与手段４よりも大型であり、より大きな荷重を付与することができる。主せん断荷重付与手段３と載荷板９との間には主せん断荷重Ｔ_１を計測する荷重計測手段１３が、カウンターせん断荷重付与手段４と載荷板１０との間には、カウンターせん断荷重を計測する荷重計測手段１４がそれぞれ設けられている。即ち、各せん断荷重付与手段３，４は荷重計測手段１３，１４を介して載荷板９，１０に連結されている。各せん断荷重付与手段３，４は、各荷重計測手段１３，１４で検出したせん断荷重Ｔ_１，Ｔ_２を基に制御される。各荷重計測手段１３，１４としては、例えばロードセルの使用が可能である。本実施形態では、主せん断荷重用の荷重計測手段１３として、例えば容量が１９６．１ｋＮのロードセルを、カウンターせん断荷重用の荷重計測手段１４として、例えば容量が９８．１ｋＮのロードセルをそれぞれ使用している。

試験体２の第１の鉛直側面２ａと第２の鉛直側面２ｂとは反対側の面であり、図６に示すように、主せん断荷重付与手段３は第１の鉛直側面２ａの幅方向の中心位置を、カウンターせん断荷重付与手段４は第２の鉛直側面２ｂの幅方向の中心位置をそれぞれ押圧する。また、主せん断荷重付与手段３が第１の鉛直側面２ａを押圧する位置の高さＨ_１は、カウンターせん断荷重付与手段４が第２の鉛直側面２ｂを押圧する位置の高さＨ_２よりも低くなっている。このようにして、主せん断荷重とカウンターせん断荷重とを、図６に示す同一鉛直平面２０内の荷重であって逆向きで高さが異なる荷重とし、主せん断荷重が試験体２のせん断面１９に生じさせる回転モーメントを、カウンターせん断荷重がせん断面１９に生じさせる回転モーメントで打ち消すようにしている。即ち、主せん断荷重の大きさをＴ_１、第１の鉛直側面２ａの主せん断荷重が付与される位置の高さをＨ_１、カウンターせん断荷重の大きさをＴ_２、第２の鉛直側面２ｂのカウンターせん断荷重が付与される位置の高さをＨ_２とした場合、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２になるようにしている。本実施形態では、例えば、Ｈ_１は試験体２のせん断面１９から６５ｍｍの高さであり、Ｈ_２は試験体２のせん断面１９から１８０ｍｍの高さである。

フレーム６は、例えばアンカー１５によって岩盤１にしっかりと固定されている。フレーム６には、主せん断荷重付与手段３とカウンターせん断荷重付与手段４とが水平に、鉛直荷重付与手段５が鉛直に取り付けられている。フレーム６は、主せん断荷重Ｔ_１、カウンターせん断荷重Ｔ_２、鉛直荷重Ｎの反力を受ける。

フレーム６と試験体２の上面２ｃとの間には、例えば４本の鉛直変位計１６（図２では２本のみ図示）が設けられている。各鉛直変位計１６はステー１８を介して上面２ｃの四隅に設けられている。また、フレーム６と試験体２鉛直側面２ａ，２ｂとの間には、例えば第１の鉛直側面２ａ側と第２の鉛直側面２ｂ側とにそれぞれ４本のせん断変位計１７（図２では２本ずつ図示）が設けられている。第１の鉛直側面２ａ側のせん断変位計１７は、鉛直側面２ｄ，２ｅの、第１の鉛直側面２ａの四隅近傍位置に連結されている。第２の鉛直側面２ｂ側のせん断変位計１７は、鉛直側面２ｄ，２ｅの、第２の鉛直側面２ｂの四隅近傍位置に連結されている。

各変位計１６，１７の容量は、例えば１０ｍｍである。各変位計１６，１７は、図示しないデータ記録装置に接続されている。試験中は各変位計１６，１７によって試験体２の変形をモニターし、特に回転などの異常な変形がないか等を確認する。

本実施形態では、試験体２は例えば縦２００ｍｍ×横２００ｍｍ×高さ２００ｍｍであり、比較的小型のものである。このため、各荷重付与手段３〜５も比較的小型のもので足りる。このように、本実施形態の岩盤せん断試験装置は小型の試験体２を対象としており、簡易に岩盤せん断試験を行う。本実施形態の岩盤せん断試験装置は小型であり、その設置や分解、運搬等が容易である。ただし、必ずしも小型の試験体２を対象として簡易に岩盤せん断試験を行う岩盤せん断試験装置に限るものではないことは勿論である。

次に、図７に基づいて、本発明の岩盤せん断試験法について説明する。

この岩盤せん断試験法は、原位置岩盤せん断試験を行うもので、試験する岩盤１の一部を切り出して試験体２を準備する試験体準備工程Ｓ３１と、試験体２に主せん断荷重Ｔ_１とカウンターせん断荷重を与えてせん断破断を生じさせる荷重付与工程Ｓ３３を備えている。

試験体準備工程Ｓ３１では、第１及び第２の鉛直側面２ａ，２ｂと上面２ｃを有する箱体７を岩盤１のブロック状の切り出し部分１ａに被せると共に、切り出し部分１ａと箱体７とを接着手段８を使用して一体化させることで、試験体２を整形している。箱体７は予め工場で製造されており、箱体７を切り出し部分１ａに正確に被せた後、接着手段８を使用して接着するだけで、試験体２に水平な上面２ｃと鉛直な第１及び第２の鉛直側面２ａ，２ｂを形成することができる。また、接着手段８として、岩盤１の切り出し部分１ａと箱体７の間の隙間を埋めることができる接着剤を使用することで、切り出し部分１ａの表面に凹凸が多少残っていても、その凹凸による隙間を埋めながら切り出し部分１ａと箱体７を接着することができる。これらのため、試験体２の準備が容易である。なお、工場において、箱体７に各載荷板９，１０が固着されている。

次に、岩盤せん断試験装置を設置する（ステップＳ３２）。岩盤せん断試験装置の設置は、フレーム６をアンカー１５等を使用して岩盤１に固定し、固定したフレーム６に主せん断荷重付与手段３、カウンターせん断荷重付与手段４、鉛直荷重付与手段５、各変位計１６，１７等を取り付け、さらに、これらを試験体２に連結することで行われる。

なお、岩盤せん断試験装置の設置を試験体２の準備と平行して行っても良く、あるいは、岩盤せん断試験装置を先に設置し、その設置場所に試験体２を切り出して準備しても良い。

このようにして試験体２の準備と、岩盤せん断試験装置の設置が完了した後、荷重付与工程Ｓ３３を行う。荷重付与工程Ｓ３３では、まず最初に鉛直荷重付与手段５を作動させて、試験体２の上面２ｃに予備載荷として所定の鉛直荷重Ｎを付与する（ステップＳ３４）。ここでは、鉛直荷重Ｎとして圧縮荷重を付与する。ただし、鉛直荷重Ｎとして引張荷重を付与しても良い。鉛直荷重付与手段５は試験体２の上面２ｃに対してその垂直方向から鉛直荷重Ｎを付与するが、仮に、付与する方向が鉛直方向からずれていたとしても、鉛直荷重付与手段５と試験体２との間にはユニバーサルジョイント１１が設けられているので、鉛直荷重Ｎが試験体２に対して偏芯したりモーメントを与えたりすることはない。

次に、主せん断荷重付与手段３とカウンターせん断荷重付与手段４を作動させて、主せん断荷重Ｔ_１とカウンターせん断荷重Ｔ_２の付与を開始し、さらに各荷重Ｔ_１，Ｔ_２を徐々に増加させる（ステップＳ３５）。このとき、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２の関係を維持する。そして、各荷重Ｔ_１，Ｔ_２と試験体２の変位を記録しながら、試験体２にせん断破断が生じるまで荷重Ｔ_１，Ｔ_２を増加させて試験を続ける。せん断破断は、箱体７と岩盤１との間の部分に生じる。即ち、岩盤１を切り出した部分１ａの付け根部分がせん断面１９となる。

本発明では、せん断荷重として主せん断荷重Ｔ_１の他にカウンターせん断荷重Ｔ_２を付与しているので、せん断荷重によるせん断面１９の鉛直応力の発生を防止することができる。図８に基づいて鉛直荷重Ｎが圧縮荷重の場合を例に説明する。図８（Ａ）は、試験体２への鉛直荷重Ｎ、主せん断荷重Ｔ_１、カウンターせん断荷重Ｔ_２の付与を示している。鉛直荷重Ｎによるせん断面１９の鉛直応力σｎは、図８（Ｂ）のように分布する。

図８（Ｃ）は、主せん断荷重Ｔ_１によるせん断面１９の鉛直応力σｎの分布を示している。主せん断荷重付与手段３によって主せん断荷重Ｔ_１を付与するため、付与位置がせん断面１９よりも高くなってしまう。このため、主せん断荷重Ｔ_１を図８の左側から試験体２に与えたとすると、せん断面１９には回転モーメントが発生し、せん断面１９の中心より左側には鉛直応力として引張応力が、右側には圧縮応力が発生する。

図８（Ｄ）は、カウンターせん断荷重Ｔ_２によるせん断面１９の鉛直応力σｎの分布を示している。カウンターせん断荷重Ｔ_２の付与位置はせん断面１９よりも高くなるので、カウンターせん断荷重Ｔ_２を図８の右側から試験体２に与えたとすると、せん断面１９には回転モーメントが発生し、せん断面１９の中心より左側には鉛直応力として圧縮応力が、右側には引張応力が発生する。

このとき、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２とし、主せん断荷重Ｔ_１が生じさせる回転モーメントを、カウンターせん断荷重Ｔ_２が生じさせる回転モーメントで打ち消すようにしているので、図８（Ｃ）と（Ｄ）の鉛直応力が相殺され、結局、せん断面１９に作用する合計の鉛直応力σｎは、図８（Ｅ）に示すように図８（Ｂ）の鉛直応力σｎになる。つまり、せん断荷重の付与による鉛直応力の発生を防止し、せん断面１９における鉛直応力の分布を一様にすることができると共に、予備載荷として付与した鉛直荷重Ｎに対応した鉛直応力σｎの下でのせん断強度を測定することができる。

岩盤せん断試験は、複数の試験体２に対して行うのが一般的である。つまり、１つの試験体２について試験を終えた後、別の位置に準備した試験体２について試験を行う。別の試験体２については、鉛直荷重Ｎの値を変えて試験を行うのが好ましい。試験終了後、鉛直荷重付与手段５、主せん断荷重付与手段３、カウンターせん断荷重付与手段４、各変位計１６，１７等を試験体２とフレーム６から外し、フレーム６を岩盤１から外して岩盤せん断試験装置を分解する（ステップＳ３６）。そして、次の場所まで運搬し（ステップＳ３６，Ｓ３７）、試験体２を準備（ステップＳ３１）した後、組み立てて設置する（ステップＳ３２）。本発明の岩盤せん断試験装置は、分解、組み立てが容易であり、また、運搬も容易である。ただし、必ずしも複数の試験体２について試験を行う必要はなく、場合によっては１つの試験体２についての試験でも良い。そして、全ての試験体２について試験を行った後、岩盤せん断試験を終了する。

このように、本発明では、せん断荷重Ｔ_１，Ｔ_２の付与による鉛直応力の発生を防止することができるので、せん断荷重Ｔ_１，Ｔ_２を付与してもせん断面１９に鉛直応力を発生させることがない。このため、鉛直応力が小さな値の場合のせん断強度を測定することができる。

また、せん断荷重の付与による回転モーメントの発生を防止することができるので、試験中に発生するせん断面１９の鉛直応力の分布を一様にすることができる。

また、試験体２の整形に箱体７を使用しているので、試験体の外面をカバーコンクリートで整形する場合に比べて、試験体２の準備が容易である。ただし、箱体７を使用せずにカバーコンクリートによる整形の使用も可能である。

岩盤せん断試験装置は、主せん断荷重付与手段３、カウンターせん断荷重付与手段４、鉛直荷重付与手段５等を、すべて１つのフレーム６に固定している。また、フレーム６をアンカー１５などの固定手段を使用して地盤にしっかりと固定し、各荷重を受ける構造である。これらのため、各荷重に耐えることができるアンカー定着が可能な岩盤１であれば、反力を受けるための試掘坑を必要とせず、地表面でも試験が可能である。

また、岩盤せん断試験装置は、従来の岩盤せん断試験と比較して、分解・組立・運搬が容易であり、なおかつ試験準備も比較的簡便で時間を要しないので、比較的短時間で数多くの試験が可能である。このため、効率が良く試験を行うことができ、また、装置の使い勝手も向上する。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。

例えば、上述の説明では、鉛直荷重として圧縮荷重を与えながら試験を行う場合について説明したが、鉛直荷重として引張荷重を与えながら試験を行っても良い。即ち、鉛直荷重付与手段５を引張方向に作動させながら試験を行っても良い。この場合には、試験体２のせん断面１９に引張応力が作用している状態でのせん断強度を測定することができる。なお、この場合にも、せん断荷重の付与による鉛直応力の発生を防止できる点は圧縮応力を付与する場合と同様である。

このように、本発明では図１０の範囲Ａについての試験を直接行うことができる。

また、本発明の岩盤せん断試験装置を使用して、せん断試験以外に、引張試験や圧縮試験を行うこともできる。つまり、主せん断荷重付与手段３とカウンターせん断荷重付与手段４を作動させずに、鉛直荷重付与手段５を作動させて試験を行っても良い。鉛直荷重付与手段５のみの作動で、試験体２のせん断面１９にせん断応力を作用させずに、鉛直応力のみを発生させることができるので、引張試験や圧縮試験を行うこともできる。このように、本発明の岩盤せん断試験装置を使用して引張試験や圧縮試験を行っても良い。即ち、本発明の岩盤せん断試験装置を使用してせん断強度だけでなく、引張強度や圧縮強度を求めることができる。このように、本発明の岩盤せん断試験装置は、汎用性に優れている。

また、上述の説明では、鉛直荷重付与手段５を複動式の油圧シリンダとし、圧縮荷重と引張荷重の付与を可能にしていたが、単動式の油圧シリンダとして圧縮荷重と引張荷重のいずれか一方のみの付与を可能にしても良い。

また、上述の説明では、主せん断荷重付与手段３及びカウンターせん断荷重付与手段４を単動式の油圧シリンダとし、圧縮荷重のみの付与を可能にしていたが、複動式の油圧シリンダとして圧縮荷重と引張荷重の選択的な付与を可能にしても良い。

また、上述の説明では、各荷重付与手段３〜５として油圧シリンダを使用していたが、油圧シリンダに限るものではないことは勿論である。

また、上述の岩盤せん断試験装置では、フレーム６を備えており、このフレーム６に主せん断荷重付与手段３、カウンターせん断荷重付与手段４、鉛直荷重付与手段５等を取り付けるようにしていたが、この構成に限るものではない。例えば、試掘坑内で試験を行うようにし、試掘坑の壁面に主せん断荷重付与手段３、カウンターせん断荷重付与手段４、鉛直荷重付与手段５等を取り付けるようにしても良い。この場合には、フレーム６を省略することができる。

また、上述の説明では、岩盤１の切り出し部分１ａと箱体７とを接着手段８を使用して接着し、切り出し部分１ａから箱体７が外れないようにしていたが、鉛直荷重Ｎとして圧縮荷重を付与する場合等にはこのようにする必要はない。つまり、箱体７を引っ張る必要がない場合等には、切り出し部分１ａから箱体７が外れないように接着する必要はない。ただし、切り出し部分１ａと箱体７との間の隙間を充填材等によって埋め、試験体２に与えた荷重が均一に切り出し部分１ａに伝わるようにすることが好ましい。

また、上述の説明では、岩盤１の切り出し部分１ａに被せる部材として箱体７を使用していたが、第１の鉛直側面２ａ、第２の鉛直側面２ｂ、上面２ｃを有する部材であれば使用可能であり、必ずしも箱体７の使用に限るものではない。例えば、第１の鉛直側面２ａ、第２の鉛直側面２ｂ、上面２ｃを有し、各鉛直側面２ａ，２ｂとの間をステー等で連結した部材、即ち試験体２の鉛直側面２ｄ，２ｅの代わりにステーを使用した部材等を使用しても良い。

また、上述の説明では、例えばおよそ縦２００ｍｍ×横２００ｍｍ×高さ２００ｍｍの大きさの試験体２を対象にして岩盤せん断試験を行っていたが、対象にする試験体２の大きさはこれに限るものではないことは勿論である。

本発明の岩盤せん断試験装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。本発明の岩盤せん断試験装置の実施形態の一例を示す断面図である。岩盤の切り出し部分に箱体を被せて試験体を整形するようすを示し、箱体を被せる前の状態の斜視図である岩盤の切り出し部分に箱体を被せて試験体を整形するようすを示し、箱体を被せた後の状態の斜視図である試験体の断面図である。試験体の平面図である。本発明の岩盤せん断試験法の実施形態の一例を示すフローチャートである。試験体のせん断面に作用する応力の分布を示し（Ａ）は試験体に載荷する荷重を示す概略構成図、（Ｂ）は鉛直荷重Ｎによる鉛直応力の分布を示す図、（Ｃ）は主せん断荷重Ｔ_１による鉛直応力の分布を示す図、（Ｄ）はカウンターせん断荷重Ｔ_２による鉛直応力の分布を示す図、（Ｅ）は（Ｂ）〜（Ｄ）の応力の合計を示す図である。従来の岩盤せん断試験法を示す図である。従来の岩盤せん断試験法でせん断強度を求める概念を示す図である。

符号の説明

１岩盤
１ａ岩盤の切り出し部分
２試験体
２ａ第１の鉛直側面
２ｂ第２の鉛直側面
２ｃ上面
３主せん断荷重付与手段
４カウンターせん断荷重付与手段
５鉛直荷重付与手段
６フレーム
７箱体
８接着手段
１９せん断面
Ｎ鉛直荷重
Ｔ１主せん断荷重
Ｔ２カウンターせん断荷重
Ｓ３１試験体準備工程
Ｓ３３荷重付与工程

Claims

試験する岩盤の一部をブロック状に切り出して、反対向きの２枚の鉛直側面と水平な上面とを有する試験体に整形する試験体準備工程と、前記試験体の第１の鉛直側面にその垂直方向から主せん断荷重を、前記試験体の第２の鉛直側面にその垂直方向からカウンターせん断荷重をそれぞれ付与して前記試験体にせん断破断を生じさせる荷重付与工程を備え、前記荷重付与工程は、前記試験体の上面に引張方向の鉛直荷重を付与しながら、前記主せん断荷重と前記カウンターせん断荷重とを付与するものであり、前記主せん断荷重と前記カウンターせん断荷重は同一鉛直平面内の逆向きで高さが異なる荷重であり、前記主せん断荷重が前記試験体のせん断面に生じさせる回転モーメントを、前記カウンターせん断荷重が前記せん断面に生じさせる回転モーメントで打ち消すように、前記主せん断荷重と前記カウンターせん断荷重を付与することを特徴とする岩盤せん断試験法。
前記主せん断荷重の大きさをＴ_１、前記第１の鉛直側面の前記主せん断荷重を付与する位置の高さをＨ_１、前記カウンターせん断荷重の大きさをＴ_２、前記第２の鉛直側面の前記カウンターせん断荷重を付与する位置の高さをＨ_２とした場合、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２であることを特徴とする請求項１記載の岩盤せん断試験法。
前記試験体準備工程では、前記第１及び第２の鉛直側面と前記上面を有する箱体を前記岩盤のブロック状の切り出し部分に被せると共に、前記切り出し部分と前記箱体とを接着手段を使用して一体化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の岩盤せん断試験法。
試験する岩盤の一部をブロック状に切り出して整形され且つ反対向きの２枚の鉛直側面と水平な上面とを有する試験体を、せん断破断させる岩盤せん断試験装置において、前記試験体の第１の鉛直側面にその垂直方向から主せん断荷重を付与する主せん断荷重付与手段と、前記試験体の第２の鉛直側面にその垂直方向からカウンターせん断荷重を付与するカウンターせん断荷重付与手段と、前記試験体の上面に圧縮方向の鉛直荷重と引張方向の鉛直荷重を選択して付与する鉛直荷重付与手段とを備え、前記主せん断荷重と前記カウンターせん断荷重は同一鉛直平面内の逆向きで高さが異なる荷重であり、前記主せん断荷重が前記試験体のせん断面に生じさせる回転モーメントを、前記カウンターせん断荷重が前記せん断面に生じさせる回転モーメントで打ち消すように、前記主せん断荷重付与手段と前記カウンターせん断荷重付与手段は、前記主せん断荷重と前記カウンターせん断荷重を付与することを特徴とする岩盤せん断試験装置。
前記主せん断荷重の大きさをＴ_１、前記第１の鉛直側面の前記主せん断荷重が付与される位置の高さをＨ_１、前記カウンターせん断荷重の大きさをＴ_２、前記第２の鉛直側面の前記カウンターせん断荷重が付与される位置の高さをＨ_２とした場合、Ｔ_１Ｈ_１＝Ｔ_２Ｈ_２であることを特徴とする請求項４記載の岩盤せん断試験装置。
前記岩盤のブロック状の切り出し部分を覆う箱体と、前記切り出し部分と前記箱体とを一体化させる接着手段とを備え、前記箱体は前記第１及び第２の鉛直側面と前記上面とを有することを特徴とする請求項４又は５に記載の岩盤せん断試験装置。
前記岩盤に固定されると共に、前記鉛直荷重付与手段と前記主せん断荷重付与手段と前記カウンターせん断荷重付与手段を支持するフレームを備えることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の岩盤せん断試験装置。