JP4167912B2

JP4167912B2 - 岩盤応力測定装置

Info

Publication number: JP4167912B2
Application number: JP2003043672A
Authority: JP
Inventors: 孝成田; 藤吉郎谷; 行雄松沢
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Showa Kiki Kogyo Co Ltd
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Showa Kiki Kogyo Co Ltd
Priority date: 2003-02-21
Filing date: 2003-02-21
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-02-21
Also published as: JP2004251806A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下空間を廃棄物処理やエネルギー貯蔵等に有効利用するべく地下深部岩盤の応力を長期に渡って測定することのできる岩盤応力測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に岩盤内の応力を測定することは、地下深部空間の配置、形状、支保形態の評価する上で重要な要件の一つである。その応力を測定する手段として、水圧法、応力開放法、コア法、及びその他の方法に大別することができる。これらのうちで、原位置で試験を行うものについては、試験を行った時点での応力を測定するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した応力測定法の中で、比較的よく使用される応力開放法では、測定地点に何らかの電気的な変位変換装置を固定する必要がある。このため計測は、地下水が存在する場所では測定装置部の固定不良、計測系統の電気的障害等が生じ測定が非常に困難となってくるか、或いは殆ど測定不可能であった。
また、水圧法、応力開放法ともに応力の測定は、測定を行った時点の値のみであり、その後の長期の応力変化を測定する方法ではなく、原位置での応力測定作業には特殊な装置や技術及び熟練した作業者を必要としていた。
更に、従来の応力測定装置、測定方法では温度変化に伴う測定誤差を補正する機構、方法を何れも備えておらず、正確な測定結果を得ることができなかった。
本発明は、前記実情に鑑み提案されたもので、地下水等の存在する場合であっても、長期に渡り正確に岩盤応力の測定ができる岩盤応力測定装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ボアホール孔を用いて、岩盤内の応力変化を連続して測定するための岩盤応力測定装置であって、シリンダーブロックとこのシリンダーブロックに形成されたシリンダーボア内に両端から挿通された一対のシリンダーと該シリンダーの外側端に固着されたピストンブロックとから成る圧力測定部と、該圧力測定部のシリンダーボアと連通した油圧パイプと、該油圧パイプを介して油圧を供給する油圧機構と、前記油圧パイプ内の圧力を検出する前記圧力測定部以外の場所に設置された圧力センサーとから構成され、前記圧力測定部を測定すべきボアホール孔内の任意の位置に固定する際に、前記油圧パイプを介してシリンダーボア内に油圧を供給することによって、伸長した一対のシリンダー及びシリンダーブロックによって行うとともに、前記圧力測定部は、温度変化による測定値の変動を補償する温度補償センサーを備え、前記温度補償センサーは、圧力のかかることのない油圧チャンバと該油圧チャンバと連通した油圧パイプと、該油圧パイプと連通した圧力センサーとを備え、前記油圧チャンバ内へ油圧パイプから供給した油圧を前記圧力センサーを介して測定すると共に、前記温度補償センサーにより圧力測定部の温度補償を行うことを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明において、前記圧力測定部は、複数個をボアホール孔の軸線方向に連続させると共に前記シリンダーの伸長方向をボアホール孔の半径方向に４５度または６０度ずつ回転配設し、ボアホール軸線に垂直な平面内の最大最小主応力の変化量と方向を算出可能であることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面にしたがって詳細に説明する。本発明に係る岩盤応力測定装置は、ボアホール孔を用いて、岩盤内の応力変化を連続して測定するものであって、シリンダーブロック１０とこのシリンダーブロック１０に形成されたシリンダーボア１１内に両端から挿通された一対のシリンダー１２、１２と前記シリンダー１２の外側端に固着されたピストンブロック１３、１３とから成る圧力測定部１４と、前記圧力測定部１４のシリンダーボア１１と連通した油圧パイプ１５と、該油圧パイプ１５を介して油圧を供給する図外の油圧機構と、前記油圧パイプ１５内の圧力を検出する前記圧力測定部以外の場所に設置された図外の圧力センサーとから構成されている。
【００１０】
本実施の形態において、シリンダー１２の外周にはピストンリング１２ａが嵌合されており、シール性を向上している。また、シリンダー１２及びピストンブロック１３は、上下方向にほぼ対称に配設されている。更に、ピストンブロック１３は、シリンダーブロック１０に対してボルト１６よってシリンダー１２の軸線方向に移動可能に遊嵌されると共に、ボルト１６の拡大した頭部１６ａによって抜け止めされている。
【００１１】
油圧パイプ１５は、圧力測定部１４のシリンダーボア１１の略中央（軸線方向の中央）に開口している。したがって、シリンダー１２が両端側から押圧されても、常に空間が確保される位置に開口している。また、油圧機構は、油圧を供給するための油圧ポンプ等を備えている。
【００１２】
図５は、本発明の岩盤応力測定装置の温度補償シリンダーを示す一部を切欠いた斜視図、図６は同温度補償シリンダーを示す一部を切欠いた正面図、図７は、同温度補償シリンダーを示す一部を切欠いた平面図、図８は、同温度補償シリンダーを示す一部を切欠いた側面図である。ここで、温度補償シリンダー１７は、ケーシング１８と、このケーシング内に形成された油圧チャンバ１９と、油圧チャンバ１９に連通した油圧パイプ２０とを備えており、図９に示すようにシリンダーブロック１０に隣接して取付けられる。また、本実施の形態において油圧チャンバ１９には、蓋体２１が嵌合されており、油圧チャンバ内の気密性を保持している。また、油圧パイプ２０は、この蓋体２１に取付けられている。
【００１３】
図１１は、本発明の岩盤応力測定装置を実験室内で角柱岩石試料内へ固定して載荷試験を行った結果を示す説明図である。ここでは、孔径５６ｍｍボアホール孔を掘削した１辺が２０ｍｍの立方体岩石試料内に本発明の岩盤応力測定装置を挿入し、その後、油圧パイプ１５から油圧でシリンダー１２を加圧することで、測定装置をボアホール内の所定位置に固定する。この状態で材料試験器により、岩石資料へ加圧試験を行った。載荷圧力を０から７００ｋＮまで１００ｋＮ単位で変化させ、載荷圧力と応力変化測定装置部分であるところのピストンの圧力変化を測定した。この結果、載荷圧力の変化（応力の変化）と、岩石試料体のボアホール内部に固定された応力測定装置のピストン内圧の変化とは、図１１に示すようにほぼ１対１の良好な線形関係を示すと云う結果が得られた。
【００１４】
次に、このように構成された岩盤応力測定装置の使用手順について説明する。先ず、岩盤応力を測定するべきボアホール孔内へ岩盤応力測定装置を挿入してゆく。測定位置に到達した後、地上に配置された油圧機構を操作して油圧パイプ１５に所定圧力の油圧を供給する。油圧パイプ１５からシリンダーブロック１０内のシリンダーボア１１に油圧が供給されると、シリンダー１２が外方に突出しシリンダーの外側に固定されたピストンブロック１３がボアホール孔の内壁を押圧する。ピストンブロック１３は、ボアホール孔の径方向で且つ左右対称に突出するので、岩盤応力測定装置を安定して固定することができる。また、油圧パイプ１５から供給する油圧を一定にした後の、油圧変動を測定すれば測定位置における岩盤の応力を測定することができる。しかも、油圧変動を測定する圧力センサーを圧力測定部以外の場所に設置するので、測定位置に地下水等が存在しても、これらの影響を受けることなく圧力測定が可能である。
【００１５】
このように、圧力測定部１４を測定すべきボアホール孔内の任意の位置に固定する際に、前記油圧パイプを介してシリンダーボア内に油圧を供給することによって、伸長した一対のシリンダー及びシリンダーブロックによって行うので、地下水等の存在にも拘わらず岩盤応力測定装置を確実に固定することができる。
【００１６】
また、圧力測定部１４に隣接して設けられた温度補償シリンダーには、図外の油圧機構から油圧パイプ２０を介して一定の油圧が供給されている。このため、この油圧パイプ２０内の油圧を圧力センサーによって測定することにより、測定位置における温度変化による油圧への影響を検出することができる。図１２は、本発明の岩盤応力測定装置における温度変化補正の結果を示す説明図である。同図において、応力測定用シリンダー（圧力測定部）の圧力２２からダミーシリンダー（温度補償シリンダー）の圧力変化２３を除去することにより、ほぼ一定の補正後圧力２４を得ることができる。したがって、圧力測定部１４と温度補償シリンダー１７の双方の圧力変化を計測することにより、温度変動値を取り除いた応力測定値を得ることができる。
【００１７】
なお、以上の実施例では、圧力測定部を単独で、或いは温度補償シリンダー１７と一対で使用する例について説明したが、これに限ることなく、圧力測定部１４を、複数個（３個以上）をボアホール孔の軸線方向に連続させると共に前記シリンダー１２の伸長方向をボアホール孔の半径方向に４５度または６０度ずつ回転配設して使用してもよい。
【００１８】
このように構成した場合、ボアホール孔を穿設した岩盤の設置箇所における岩盤のポアソン比、ヤング率を予め測定しておくことで、ボアホール孔軸線に垂直な平面内の最大最小主応力の変化量と方向を算出できる。
【００１９】
また、本発明はこれらの実施の形態に限定されることなく、本発明の技術範囲にしたがって種々の設計変更をすることができる。
【００２０】
【発明の効果】
この発明は前記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００２１】
請求項１に記載の発明では、ボアホール孔を用いて、岩盤内の応力変化を連続して測定するための岩盤応力測定装置であって、シリンダーブロックとこのシリンダーブロックに形成されたシリンダーボア内に両端から挿通された一対のシリンダーと該シリンダーの外側端に固着されたピストンブロックとから成る圧力測定部と、該圧力測定部のシリンダーボアと連通した油圧パイプと、該油圧パイプを介して油圧を供給する油圧機構と、前記油圧パイプ内の圧力を検出する前記圧力測定部以外の場所に設置された圧力センサーとから構成され、前記圧力測定部を測定すべきボアホール孔内の任意の位置に固定する際に、前記油圧パイプを介してシリンダーボア内に油圧を供給することによって、伸長した一対のシリンダー及びシリンダーブロックによって行うとともに、前記圧力測定部は、温度変化による測定値の変動を補償する温度補償センサーを備え、前記温度補償センサーは、圧力のかかることのない油圧チャンバと該油圧チャンバと連通した油圧パイプと、該油圧パイプと連通した圧力センサーとを備え、前記油圧チャンバ内へ油圧パイプから供給した油圧を前記圧力センサーを介して測定すると共に、前記温度補償センサーにより圧力測定部の温度補償を行うので、水分の多い場所であっても確実に圧力測定部を測定位置に固定することができる。また、圧力測定部と圧力センサーの位置が異なる場所に設置されるので、測定雰囲気条件の良好な場所を選んで計測できる。したがって、長期に渡って良好な測定条件下で安定した応力データを得ることができる。また、測定作業に特殊な装置、技術及び熟練した作業者を必要としない。また、温度変動による測定誤差を取り除き、正確な岩盤の応力のデータを得ることができる。更に、測定部で使用する油圧と同一の圧力条件下でより正確に温度補償を行い、正確な応力値を得ることができる。
【００２５】
また、請求項２に記載の発明では、前記圧力測定部は、複数個をボアホール孔の軸線方向に連続させると共に前記シリンダーの伸長方向をボアホール孔の半径方向に４５度または６０度ずつ回転配設し、ボアホール軸線に垂直な平面内の最大最小主応力の変化量と方向を算出可能であるので、ボアホール孔を穿設した岩盤の設置箇所における岩盤のポアソン比、ヤング率を予め測定しておくことで、ボアホール孔軸線に垂直な平面内の最大最小主応力の変化量と方向を算出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に係る岩盤応力測定装置の応力測定部を示す一部を切欠いた斜視図である。
【図２】図２は、同岩盤応力測定装置の応力測定部を示す正面図である。
【図３】図３は、同岩盤応力測定装置の応力測定部を示す平面図である。
【図４】図４は、同岩盤応力測定装置の応力測定部を示す側面図である。
【図５】図５は、同岩盤応力測定装置の温度補償シリンダーを示す一部を切欠いた斜視図である。
【図６】図６は、同岩盤応力測定装置の温度補償シリンダーを示す一部を切欠いた正面図である。
【図７】図７は、同岩盤応力測定装置の温度補償シリンダーを示す一部を切欠いた平面図である。
【図８】図８は、同岩盤応力測定装置の温度補償シリンダーを示す一部を切欠いた側面図である。
【図９】図９は、本願発明の岩盤応力測定装置を示す全体斜視図である。
【図１０】図１０は、本願発明の岩盤応力測定装置の別の実施の形態を示す全体斜視図である。
【図１１】図１１は、同岩盤応力測定装置における載荷試験結果を示す説明図である。
【図１２】図１２は、同岩盤応力測定装置における温度変化補正の結果を示す説明図である。
【符号の説明】
１０シリンダーブロック
１１シリンダーボア
１２シリンダー
１３ピストンブロック
１４圧力測定部
１５油圧パイプ
１６ボルト
１７温度補償シリンダー
１８ケーシング
１９油圧チャンバ
２０油圧パイプ
２１蓋体
２２応力測定用シリンダー圧力
２３ダミーシリンダー圧力変化
２４補正後圧力

Claims

ボアホール孔を用いて、岩盤内の応力変化を連続して測定するための岩盤応力測定装置であって、
シリンダーブロックとこのシリンダーブロックに形成されたシリンダーボア内に両端から挿通された一対のシリンダーと該シリンダーの外側端に固着されたピストンブロックとから成る圧力測定部と、
該圧力測定部のシリンダーボアと連通した油圧パイプと、
該油圧パイプを介して油圧を供給する油圧機構と、
前記油圧パイプ内の圧力を検出する前記圧力測定部以外の場所に設置された圧力センサーとから構成され、
前記圧力測定部を測定すべきボアホール孔内の任意の位置に固定する際に、前記油圧パイプを介してシリンダーボア内に油圧を供給することによって、伸長した一対のシリンダー及びシリンダーブロックによって行うとともに、
前記圧力測定部は、温度変化による測定値の変動を補償する温度補償センサーを備え、
前記温度補償センサーは、圧力のかかることのない油圧チャンバと該油圧チャンバと連通した油圧パイプと、該油圧パイプと連通した圧力センサーとを備え、前記油圧チャンバ内へ油圧パイプから供給した油圧を前記圧力センサーを介して測定すると共に、前記温度補償センサーにより圧力測定部の温度補償を行うことを特徴とする岩盤応力測定装。
前記圧力測定部は、複数個をボアホール孔の軸線方向に連続させると共に前記シリンダーの伸長方向をボアホール孔の半径方向に４５度または６０度ずつ回転配設し、ボアホール軸線に垂直な平面内の最大最小主応力の変化量と方向を算出可能であることを特徴とする請求項１に記載の岩盤応力測定装置。