JP4976534B2 - 応力および歪み検出装置 - Google Patents
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Description
ボアホール型の歪み計は、地面に掘削されたボアホール(ボーリング孔)内に歪み計をセットしてグラウトで固めることにより歪み計を地中の岩盤に埋設・設置し、岩盤の歪み(岩盤の伸び縮み)の変動を長期間に渡り連続して検出するものである。
しかし、従来技術は岩盤の歪みを検出するものであるため、岩盤の弾性定数を別途測定し、検出した岩盤の歪みに基づく複雑な計算処理の結果として岩盤から受ける応力を求めるしか方法が無い。つまり、従来技術では、岩盤から受ける応力を間接的にしか求め得なかった。
現在のところ、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを長期間に渡り連続して直接的に検出可能な装置は存在していない。
第1の局面は、岩盤に埋設・設置される柱状のケースと、
岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出するための2個の受圧面を有し、その2個の受圧面がケースの軸方向に直交する同一軸上に配置されてケースの外周壁から露出され、ケースに対して機械的に結合されていない受圧部材と、
2個の受圧面間の変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する変位検出センサとを備えた応力および歪み検出装置である。
また、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みによりケースが変形するが、受圧部材はケースに対して機械的に結合されていないため、受圧面間の変位量がケースの変形の影響を受けることはなく、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
尚、受圧部材がケースに対して機械的に結合されていないとは、ケースが変形したとしてもその変形が少なくとも受圧部材の軸方向への変位に何ら影響を与えないことをいう。
そして、2個の受圧面がケースの中心軸の方向に直交する同一の軸上に配置されているため、2個の受圧面が配置された軸の方向の岩盤から受ける応力およびその方向の岩盤の歪みを確実に検出できる。
その結果、岩盤から受ける応力の絶対値を長期間に渡り連続して直接的に検出可能な従来は存在していなかった装置を実現できる。
第2の局面は、第1の局面において、2個の受圧面に接続され、2個の受圧面が応力を受けると弾性変形する略リング状の接続部材を備える。
受圧面が受ける応力に対応して接続部材は元の形状に戻り、2個の受圧面間の変位量も岩盤から受ける応力に対応して変位するため、変位検出センサの検出結果を出力することができる。
また、接続部材は略リング状であるため、接続部材の弾性変形に伴う不要な応力が変位検出センサに印加されることがなく、接続部材の弾性変形が変位検出センサの検出結果に悪影響を与えるおそれがない。
第3の局面は、第1または第2の局面において、受圧部材がケースに複数個設けられ、個々の受圧部材における受圧面の軸方向が異なる。
そのため、個々の受圧部材は、受圧面の軸方向から受ける岩盤からの応力およびその方向の岩盤の歪みを独立して検出可能であり、複数方向の観測から応力および歪みのテンソル成分を求めることができる。これにより、地震予知研究に貢献する地震に関連した微小なレベルの応力および歪みのテンソル成分の観測に利用できる。
第4の局面は、第1〜第3の局面において、2個の受圧面が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する応力拡大機構を備え、その応力拡大機構で拡大されたテコの最終端の変位量を変位検出センサで検出する。
その結果、2個の受圧面間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大機構によって拡大されるため、受圧面が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、2個の受圧面間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大機構に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサの測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
円柱状のケース20の上端からは通信ケーブル50が延出されている。
ケース20には、応力水平成分検出ユニット30a〜30cおよび応力垂直成分検出ユニット40が取り付けられており、ケース20は液密状態になっている。
尚、ケース20の外径寸法は約10cm前後である
そして、応力および歪み検出装置10の通信ケーブル50は地上に引き出されている。
尚、応力および歪み検出装置10を岩盤に埋設・設置するには、まず、ボアホール60内にグラウト61を注入し、次に、グラウト61の中に応力および歪み検出装置10を沈下させればよい。
受圧面31,32は、ケース20の中心軸(垂直軸)Pの方向に直交する同一の軸(水平軸)α〜γ上に配置されてケース20の外周壁から露出されている。そして、受圧面31,32は軸α〜γに直交する平面である。
応力垂直成分検出ユニット40は1個の受圧面41を有し、受圧面41はケース20の中心軸P上に配置されてケース20の底部から露出されている。
そのため、各受圧面31,32,41は岩盤からの応力を受ける。
図3(A)〜(C)はそれぞれ、応力水平成分検出ユニット30a〜30cの上面図,正面図,右側面図(左側面図)である。
ケース20は一定肉厚の円筒状であり、ケース20の内部に応力水平成分検出ユニット30a〜30cが取り付けられている。
3個の応力水平成分検出ユニット30a〜30cは同一構成であり、基盤部33,34、Oリング35、フレーム部(接続部材)36、応力拡大装置(応力拡大機構)37、変位検出センサ38から構成されている。
円柱状の本体部33a,34aの頂面に当たる部分がそれぞれ受圧面31,32である。
受圧面31,32は略平坦に形成されているが、応力水平成分検出ユニット30a〜30cをケース20に取り付ける際に用いる工具を固定する穴(図示略)などが受圧面31,32に穿設されていてもよい。
本体部33a,34aの外径は取付孔20a,20bの内径と略同一に形成され、本体部33a,34aの長さはケース20の肉厚と略同一に形成されている。
本体部33a,34aの外周壁には、その周方向に複数個(図示例では2個)のOリング35が間隔を設けて巻回固定されている。
そのため、本体部33a,34aは、ケース20の取付孔20a,20bに対して液密状態で水平方向(軸α〜γの方向)に摺動可能である。
略リング状(略円筒状)のフレーム部36は取付部33b,34bに挟設されており、フレーム部36と基盤部33,34は一体化されている。
尚、ケース20、基盤部33,34、フレーム部36は、剛性が高く耐蝕性に優れた金属材料(例えば、ステンレス鋼など)によって形成されている。
基板37aの両端部には応力作用部37bおよび固定部37cが設けられ、基板37aには変位検出センサ38が取り付けられている。
応力作用部37bは、フレーム部36を介して基盤部33に接続固定されている。
固定部37cは、フレーム部36を介して基盤部34に接続固定されている。
また、基板37aには、特許文献1の「溝彫り部4」および「テコ5〜7」と同一部材が形成されているが、図示を省略する。
図5(A)〜(C)はそれぞれ、応力垂直成分検出ユニット40の正面図,側面図,下面図である。
応力垂直成分検出ユニット40において、応力水平成分検出ユニット30a〜30cと異なるのは、以下の点である。
[イ]本体部33aの外径はケース20の内径と略同一に形成されている。本体部33aは、ケース20の底部に挿通され、ケース20に対して液密状態で鉛直方向(中心軸Pの方向)に摺動可能である。
[ウ]基盤部34の本体部34aにはOリングが設けられておらず、本体部34aはケース20に取付固定されている。
本実施形態の応力および歪み検出装置10によれば、以下の作用・効果が得られる。
このとき、岩盤の歪みの検出レベルは岩盤の性質によって異なるが、岩盤から受ける応力は岩盤の性質にほぼ無関係であるため、応力および歪み検出装置10は岩盤の性質に関係なく岩盤から受ける応力を検出できる。
その結果、応力および歪み検出装置10によれば、岩盤から受ける応力の絶対値を長期間に渡り連続して直接的に検出可能な従来は存在していなかった装置を実現できる。
尚、変位検出センサ38の検出結果を、応力および歪み検出装置10に内蔵しておいた半導体メモリなどの記憶装置(図示略)に記憶保存させてもよい。
尚、岩盤から受ける応力が増大すると基盤部33,34はケース20の中心軸Pの方向へ移動し、岩盤から受ける応力が減少すると基盤部33,34はケース20の中心軸Pとは反対方向へ移動する。
応力拡大装置37の基板37aに取り付けられている変位検出センサ38は、応力作用部37bと固定部37cの間の変位量を検出することにより、受圧面31,32間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの水平成分を検出する。
尚、受圧面31,32間の変位量は数μm以内である
つまり、応力水平成分検出ユニット30a〜30cは、ケース20に対して機械的(力学的)に結合されていない。
換言すれば、応力水平成分検出ユニット30a〜30cがケース20に対して機械的に結合されていないとは、ケース20が変形したとしてもその変形が少なくとも応力水平成分検出ユニット30a〜30cの軸α〜γの方向への変位に何ら影響を与えないことをいう。
従って、応力水平成分検出ユニット30a〜30cによれば、受圧面31,32間の変位量に基づいて、受圧面31,32が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
そのため、フレーム部36が元の形状に戻ると、受圧面31,32間の変位量も、受圧面31,32が岩盤から更なる応力を受ける以前の状態の変位量に戻る。
ここで、応力および歪み検出装置10の周囲は膨張性のグラウト61で固められて岩盤と一体にされているため(図1(B)参照)、応力および歪み検出装置10の埋設・設置状態において、応力水平成分検出ユニット30a〜30cのフレーム部36には既に弾性変形が生じており、変位検出センサ38から出力される信号レベルはゼロではなく初期応力を反映している。
そして、フレーム部36と基盤部33,34が一体化されているため、応力水平成分検出ユニット30a〜30c全体の強度を高めることができる。
すなわち、図1および図6に示すように、方向の異なる軸(水平軸)α〜γはケース20の中心で交差し、軸α〜γはそれぞれ120゜ずつズラされている。
そのため、応力水平成分検出ユニット30a〜30cはそれぞれ、軸α〜γの方向から岩盤が受ける応力およびそれらの方向の岩盤の歪みを独立して検出可能であり、複数方向の観測から応力および歪みのテンソル成分を求めることができる。これにより、地震予知研究に貢献する地震に関連した微小なレベルの応力および歪みのテンソル成分観測に利用できる。
変位検出センサ38は、応力拡大装置37で拡大された前記テコの最終端の変位量を検出することにより、受圧面31,32間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する。
その結果、受圧面31,32間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大装置37によって拡大されるため、受圧面31,32が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、受圧面31,32間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大装置37に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサ38の測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
応力拡大装置37の基板37aに取り付けられている変位検出センサ38は、応力作用部37bと固定部37cの間の変位量を検出することにより、受圧面41と本体部34aの間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの垂直成分を検出する。
そのため、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みによりケース20が変形したとき、本体部34aの剛性が高いことにより、ケース20の変形は受圧面41と本体部34aの間の変位量にほとんど影響を与えない。
従って、垂直成分検出ユニット40によれば、受圧面41と本体部34aの間の変位量に基づいて、受圧面41が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
そのため、フレーム部36が元の形状に戻ると、受圧面41と本体部34aの間の変位量も、受圧面41が岩盤から更なる応力を受ける以前の状態の変位量に戻る。
ここで、応力および歪み検出装置10の周囲は膨張性のグラウト61で固められて岩盤と一体にされているため(図1(B)参照)、応力および歪み検出装置10の埋設・設置状態において、応力垂直成分検出ユニット40のフレーム部36には既に弾性変形が生じており、変位検出センサ38から出力される信号レベルはゼロではなく初期応力を反映している。
変位検出センサ38は、応力拡大装置37で拡大された前記テコの最終端の変位量を検出することにより、受圧面41と本体部34aの間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する。
その結果、受圧面41と本体部34aの間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大装置37によって拡大されるため、受圧面41が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、受圧面41と本体部34aの間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大装置37に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサ38の測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
図8は、応力および歪み検出装置10を用いて検出された歪みの計測記録を示す計測図である。
図9は、グアム島付近で発生した地震について、応力および歪み検出装置10を用いて検出した応力地震波形の計測記録を示す計測図である。
図7〜図9の「N220E」「N100E」「N340E」はそれぞれ、応力水平成分検出ユニット30a〜30cの方向を示し、北から時計回りに「220゜」「100゜」「340゜」の方向の水平成分を表す。
図7〜図9の「Vertical」は、応力垂直成分検出ユニット40の検出結果である。
図7,図8の「Temp」は、応力および歪み検出装置10に内蔵された温度計(図示略)の検出結果である。
図7,図8の「Atmo. Press.」は、大気圧の検出結果である。
図7,図8の「Water. Press.」は、応力および歪み検出装置10が埋設・設置されているのと同じボアホール60内に設置されている水圧計(図示略)の検出結果である。
また、図7では岩盤から受ける応力により、図8では岩盤の歪みにより、それぞれ東海道南方沖地震と駿河湾の地震とによる変化が見られる。
しかし、図7,図8では時間軸が圧縮されているため、地震波の波形は見えない。
それに対して、図9では時間軸を引き延ばしているため、応力地震波形だけではあるが明瞭に見られる。
このように、図7〜図9によれば、遠い地震により岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの変化についても検出可能なことがわかる。
そのため、以下の検定方法により、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの変化に対する変位検出センサ38の電気信号または光信号の信号レベルの変化特性を予め求めておくことにより、信号レベルと応力の正確な特性を得ると共に、信号レベルと歪みの正確な特性を得ることができる。
そして、以下の検定方法により、応力および歪み検出装置10が埋設・設置された地点の応力と歪みの絶対値を連続的に検知することができる。
[b]荷重検定:受圧面31,32,41に荷重検出器から荷重を付加し、その荷重の変化に対する変位検出センサ38の信号ベルの変化特性を計測する検定方法。
[c]歪み検定:受圧面31,32,41に作用させる変位を変化させ、その変位の変化に対する変位検出センサ38の信号ベルの変化特性を計測する検定方法。
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
また、応力水平成分検出ユニット30a〜30cと同様の構成のユニットを、中心軸Pの方向に対して斜め方向に設けることにより、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの斜め成分を検出することができる。
そして、水平、垂直および斜めの成分を検出することにより、応力および歪みの3次元テンソル成分を求めることができる。
しかし、地面に対して斜め方向に掘削されたボアホール60内に応力および歪み検出装置10をセットし、応力および歪み検出装置10のケース20を地中の岩盤に掘削されたボアホール60に沿って埋設・設置して岩盤と一体にしてもよい。
そこで、応力および歪み検出装置10は、地震予知研究に利用するだけでなく、前記の工事や作業における安全確認や異常変動の予測に利用することもできる。
20…ケース
31,32,41…受圧面
30a〜30c…応力水平成分検出ユニット(受圧部材)
40…応力垂直成分検出ユニット
38…変位検出センサ
36…フレーム部(接続部材)
37…応力拡大装置(応力拡大機構)
60…ボアホール
Claims (4)
- 岩盤に埋設・設置される柱状のケースと、
前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出するための2個の受圧面を有し、その2個の受圧面が前記ケースの軸方向に直交する同一軸上に配置されて前記ケースの外周壁から露出され、前記ケースに対して機械的に結合されていない受圧部材と、
前記2個の受圧面間の変位量に基づいて前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出する変位検出センサと
を備えた応力および歪み検出装置。 - 請求項1に記載の応力および歪み検出装置において、
前記2個の受圧面に接続され、前記2個の受圧面が応力を受けると弾性変形する略リング状の接続部材を備えた応力および歪み検出装置。 - 請求項1または請求項2に記載の応力および歪み検出装置において、
前記受圧部材が前記ケースに複数個設けられ、個々の受圧部材における受圧面の軸方向が異なる応力および歪み検出装置。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載の応力および歪み検出装置において、
前記2個の受圧面が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する応力拡大機構を備え、
その応力拡大機構で拡大された前記テコの最終端の変位量を前記変位検出センサで検出する応力および歪み検出装置。
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