JP5002827B2 - 岩盤不連続面のせん断試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、岩盤不連続面のせん断強度を測定するせん断試験装置に関する。

地下空洞の壁面の安定性や、斜面の安定性を検討することは、土木建築物の建設及びそれらの維持管理などの面において非常に重要である。

従来、斜面の安定性などを検討する際には、図６に示すように、斜面などを一様な岩盤として物性値を求め、その値を用いて円弧すべりなどの安定解析を行なってきたが、最近になって、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すような岩盤の不連続面（割れ目）部分から岩盤が破壊される場合の安定性について検討され始めている。

しかしながら、岩盤の不連続面の強度を測定する試験装置などが存在しないために、充分な検討が行なわれていないという問題があった。

このような問題に対して、垂直変位に応じて垂直応力を変化させることができる岩盤不連続面の試験装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１６２３２６号公報

しかしながら、提案されている試験装置では、上側せん断箱及び下側せん断箱の移動方向が試験装置に対して固定されていないので、垂直方向に荷重を付加する際や水平方向にせん断力を付加した際に、下側せん断箱に対してせん断力が作用する方向の上側せん断箱の一端が浮き上がったり、上側せん断箱が垂直方向の軸回りに回転してしまい、結果として、不連続面でせん断された際に、せん断供試体の上部と下部との相対的な位置がズレてしまうという問題があった。

具体的には、垂直方向に荷重を付加する前や水平方向にせん断力を付加する前は、上側せん断箱と下側せん断箱とは所定の位置に配置されているので、図８（ａ）及び図９（ａ）（図８（ａ）はせん断供試体の側面図であり、図９（ａ）はせん断供試体の上面図である。）に示すように、せん断供試体の上部５１１と下部５１２とは噛み合っているが、せん断供試体に垂直方向の下向きに荷重を付加した際や水平方向にせん断力を付加すると、下側せん断箱に対してせん断力が作用する方向の上側せん断箱の一端が浮き上がったり、上側せん断箱が垂直方向の軸回りに回転したりして、結果として、図８（ｂ）及び図９（ｂ）（図８（ｂ）はせん断供試体の側面図であり、図９（ｂ）はせん断供試体の上面図である。）に示すように、不連続面でせん断されたせん断供試体の下部５１２に対してせん断力が作用する方向の上部５１１の一端（せん断力が付加される側の一端、又は他端）が浮き上がってしまったり、せん断供試体の上部５１１が垂直方向の軸回りに回転してしまったりするという問題があった。

また、提案されている試験装置では、せん断供試体が不連続面で上部と下部とにせん断されると試験体の上部と下部との間にせん断力が作用する方向へのズレが発生することになるが、せん断試験が進行するにつれてそのズレが大きくなるので、せん断供試体の上部と下部とが接触する接触部分の断面積が小さくなり、せん断供試体への偏重荷重及び応力集中が生ずるという問題があった。

具体的には、ズレが発生する前のせん断供試体では、図１０（ａ)及び図１０（ｂ）（図１０（ａ）はせん断供試体の側面図であり、図１０（ｂ）はせん断供試体の上面図である。）に示すように、せん断供試体に付加される垂直方向に下向きの荷重は、せん断供試体の上部５１１と下部５１２とが接触する接触部分Ｘに付加されることになる。しかしながら、ズレが発生した後のせん断供試体では、図１１（ａ）及び図１１（ｂ）（図１１（ａ）はせん断供試体の側面図であり、図１１（ｂ）はせん断供試体の上面図である。）に示すように、せん断供試体に付加される垂直方向に下向きの荷重は、せん断供試体の上部５１１と下部５１２とが接触する接触部分Ｙに付加されることになる。すなわち、提案されている試験装置では、せん断供試体に付加される垂直方向に下向きの荷重がせん断試験中に一定であっても、せん断試験が進行するに連れてせん断供試体の上部と下部とが接触する接触部分の断面積が小さくなるので、接触部分の単位断面積当たりに付加される荷重は大きくなり、結果として、せん断供試体の上部と下部との接触面に付加される垂直方向に下向きの荷重は実質的に異なること（偏重荷重及び応力集中）になるという問題があった。

さらに、提案されている試験装置では、垂直ジャッキを２つ設ける必要があり、コスト高になるという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑み、上側せん断箱と下側せん断箱との相対的な位置のズレを防止すると共に、せん断供試体への偏重荷重及び応力集中を防止することができる岩盤不連続面のせん断試験装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、不連続面を有するせん断供試体を挟み込むように設置した上側せん断箱と下側せん断箱とを有し、前記上側せん断箱を介して前記せん断供試体に対して垂直方向に下向きの荷重を付加しつつ、前記下側せん断箱を水平方向に移動させて前記せん断供試体に水平方向のせん断力を作用せしめる岩盤不連続面のせん断試験装置において、前記せん断供試体に対して垂直方向に下向きの荷重を付加するように前記上側せん断箱に接続されたプレスフレームと、前記プレスフレームを挟んで相対向するように設けられ、前記上側せん断箱が垂直方向の軸回りに回転することを規制しつつ、垂直方向へ移動することを許容するように垂直な壁面を構成する１対の板状部材と、前記下側せん断箱を所定の水平方向に案内する水平案内手段と、前記上側せん断箱と前記下側せん断箱との間の水平方向の変位を検出するセンサー部と、前記センサー部により検出された変位に基づいて、前記不連続面でせん断されたせん断供試体の上部と下部とが接する接触部分の断面積を算出すると共に当該断面積に応じて前記せん断供試体に付加される垂直方向に下向きの荷重を制御する制御部と、を具備することを特徴とする岩盤不連続面のせん断試験装置にある。

かかる第１の態様では、不連続面でせん断されたせん断供試体の上部が垂直方向の軸回りに回転するのを防止することができる。また、正確な岩盤不連続面の強度を測定することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載の岩盤不連続面のせん断試験装置において、前記１対の板状部材は、壁面が前記下側せん断箱の移動方向に対して直角をなすように設けられることを特徴とする岩盤不連続面のせん断試験装置にある。

かかる第２の態様では、不連続面でせん断されたせん断供試体の下部に対してせん断力が作用する方向の上部の一端が浮き上がるのを防止することができる。

本発明の第３の態様は、第１又は２の態様に記載の岩盤不連続面のせん断試験装置において、前記上側せん断箱の垂直方向への移動は、前記プレスフレームと前記１対の板状部材との間に設けられたベアリングローラを介して行なわれることを特徴とする岩盤不連続面のせん断試験装置にある。

かかる第３の態様では、低廉かつ容易に岩盤不連続面のせん断試験装置を提供することができる。

本発明の第４の態様は、第１〜３の態様の何れかに記載の岩盤不連続面のせん断試験装置において、前記せん断力は、スクリュージャッキにより付加されることを特徴とする岩盤不連続面のせん断試験装置にある。

かかる第４の態様では、せん断供試体に付加される水平方向のせん断力を精度よく制御することができる。

本発明に係る岩盤不連続面のせん断試験装置によれば、上側せん断箱と下側せん断箱との相対的な位置のズレを防止すると共に、せん断供試体への偏重荷重及び応力集中を防止することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。なお、本実施形態の説明は例示であり、本発明は以下の説明に限定されない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る岩盤不連続面のせん断試験装置を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態のせん断試験装置１は、装置部１００と、装置部１００に接続された制御部２００と、制御部２００に接続されたセンサー部３００とを具備している。そして、詳細は後述するが、制御部２００は、センサー部３００により検出された変位に応じて、装置部１００において付加する垂直方向に下向きの荷重を制御することができるようになっている。以下に、各要素について具体的に説明する。

図２は、本実施形態に係るせん断試験装置の装置部の概略図である。そして、図３は、図２に示すＡ−Ａ’面における断面図であり、図４は、図２に示すＢ−Ｂ’面における断面図である。図２に示すように、本実施形態の装置部１００は、不連続面１５を有するせん断供試体１０と、せん断供試体１０を上下方向から挟むように配置された上側せん断箱１２０ａと下側せん断箱１２０ｂとを有する。そして、せん断供試体１０はセメント１３０ａ、１３０ｂを介して上側せん断箱１２０ａ及び下側せん断箱１２０ｂに固定されている。このように、せん断供試体１０は、セメント１３０ａ、１３０ｂを介して上側せん断箱１２０ａ及び下側せん断箱１２０ｂに固定されているので、せん断供試体１０が上側せん断箱１２０ａ及び下側せん断箱１２０ｂ内で回転したり、水平方向に移動することを防止することができると共に、所定の姿勢（例えば不連続面が水平）になるようにせん断供試体１０を固定することができる。

上側せん断箱１２０ａはプレスフレーム１５５を介して垂直ジャッキ１５０に接続されており、せん断供試体１０に垂直方向に下向き（Ｆ１）方向の荷重を付加することができるようになっている。また、プレスフレーム１５５の側面には、図２及び図３に示すように、プレスフレーム１５５を挟んで相対向するように１対の垂直リニアガイド１５７が設けられている。垂直リニアガイド１５７は、垂直な壁面を構成するように設けられており、プレスフレーム１５５との間に設けられたベアリングローラ１５８を介して、プレスフレーム１５５に接続された上側せん断箱１２０ａを垂直方向へ移動自在に支持することができるようになっている。このように垂直リニアガイド１５７を設けることにより、上側せん断箱１２０ａの垂直方向の軸回りの回転を規制することができるので、不連続面でせん断されたせん断供試体１０の上部が垂直方向の軸回りに回転するのを防止することができる。なお、本実施形態では、垂直リニアガイド１５７が板状部材に相当し、垂直リニアガイド１５７は図示しない部材を介して装置部１００に固定されている。

下側せん断箱１２０ｂは、図２に示すように、せん断ジャッキ１６０に接続されており、せん断供試体１０に水平方向（Ｆ２）方向のせん断力を付加することができるようになっている。また、下側せん断箱１２０ｂの下面には、ベアリングローラ１６８を介して下側せん断箱１２０ｂを案内する水平リニアガイド１６７が設けられている。水平リニアガイド１６７は、図２及び図４に示すように、せん断ジャッキ１６０が伸縮する方向と平行で、かつ垂直リニアガイド１５７の壁面に対して直角をなす方向に延設されており、せん断ジャッキ１６０が伸縮する方向に移動自在に下側せん断箱１２０ｂを案内することができるようになっている。このように水平リニアガイド１６７を設けることにより、下側せん断箱１２０ｂに対してせん断力が作用する方向の上側せん断箱１２０ａの一端の浮き上がりを規制することができるので、不連続面でせん断されたせん断供試体１０の下部に対してせん断力が作用する方向の上部の一端が浮き上がるのを防止することができる。なお、せん断ジャッキ１６０としては特に限定されないが、せん断力を精度よく制御することができるスクリュージャッキが好ましい。

次に、センサー部３００について説明する。センサー部３００は、図２及び図４に示すように、台１９０に固定されると共に下側せん断箱１２０ｂに接続されており、付加されたせん断力によって下側せん断箱１２０ｂが所定の位置から移動した変位を検出することができるようになっている。センサー部３００としては特に限定されず、市販されている変位計であってもよい。

さらに、制御部２００について説明する。制御部２００は、図１に示すように、装置部１００とセンサー部３００とに接続されており、センサー部３００により検出された変位に応じて装置部１００の垂直ジャッキ１５０及びせん断ジャッキ１６０を制御することができるようになっている。

具体的には、制御部２００は、センサー部３００により検出された変位に基づいて、不連続面でせん断されたせん断供試体１０の上部と下部とが接触する接触部分の断面積を算出し、その断面積に応じて、その断面積の単位面積当たりにかかる荷重が常に一定になるような荷重をせん断供試体１０に付加できるように、垂直ジャッキ１５０を制御することができるようになっている。すなわち、制御部２００は、不連続面でせん断されたせん断供試体１０の上部と下部とが接触する接触部分の断面積が変化しても、垂直ジャッキ１５０を制御して、せん断供試体１０への偏重荷重及び応力集中を防止することができるようになっている。そして、制御部２００は、そのように垂直ジャッキ１５０を制御しつつ、せん断ジャッキ１６０を制御して、せん断供試体１０にせん断力を付加することができるようになっている。

ここで、制御部２００としては、センサー部３００より検出された変位に応じて装置部１００の垂直ジャッキ１５０を制御することができるものであれば特に限定されない。制御部２００としては、例えば一般的なパーソナルコンピュータや専用計算機などが挙げられる。

また、制御部２００がセンサー部３００により検出された変位に基づいて、不連続面でせん断されたせん断供試体１０の上部と下部とが接触する接触部分の断面積を算出する際には、数式（例えば、せん断供試体が長辺の長さがＬＬで短辺の長さがＬＳの矩形状のものであり、長辺方向にせん断力が付加され、そのせん断力による変位をｄとした場合には、せん断供試体１０の上部と下部とが接触する接触部分の断面積は、Ｓ＝ＬＳ×（ＬＬ−ｄ）で表される。）を用いて、その断面積を算出するようにしてもよいし、変位と上述した断面積との関係からＬＵＴ（look-up table）を予め作成しておき、そのＬＵＴを用いて、断面積を算出するようにしてもよい。

以上説明したように、このように岩盤不連続面のせん断試験装置１を構成することにより、上側せん断箱１２０ａと下側せん断箱１２０ｂとの相対的な位置のズレを防止すると共に、せん断供試体１０への偏重荷重及び応力集中を防止することができる。

次に、本実施形態に係る岩盤不連続面のせん断試験装置１の動作について説明する。まず、せん断供試体１０にセメントを固着させる。具体的には、図５（ａ）〜図５（ｆ）に示すように、型枠４１０にせん断供試体１０を載置して、型枠４１０内にセメント１３０ａを充填して、１日養生させる（図５（ａ））。一方、型枠４２０内にも同様にセメント１３０ｂを充填する（図５（ｂ））。そして、型枠４１０を型枠４２０に対向するように配置し、型枠４２０内にせん断供試体１０を挿入して（図５（ｃ））、型枠４１０と型枠４２０とでせん断供試体１０を挟み込む（図５（ｄ））。次に、固定材４３０を用いて型枠４１０と型枠４２０とをネジ４４０でネジ止め固定して、１日養生させる（図５（ｅ））。それから、型枠４１０、型枠４２０、固定材４３０及びネジ４４０を取り外して、せん断供試体１０にセメント１３０ａ、１３０ｂを固着させる（図５（ｆ））。

そして、セメント１３０ａ、１３０ｂが固着されたせん断供試体１０を上側せん断箱１２０ａ及び下側せん断箱１２０ｂに格納し、その上側せん断箱１２０ａ及び下側せん断箱１２０ｂをせん断試験装置１に載置する。

次に、垂直ジャッキ１５０を用いてせん断供試体１０に垂直方向に下向きの荷重を付加しつつ、せん断ジャッキ１６０を用いてせん断供試体１０に水平方向のせん断力を付加する。すると、せん断供試体１０の不連続面１５を挟んで上部と下部とにズレが発生し（変位が生じ）、センサー部３００によりその変位が検出される。

そして、検出された変位は制御部に送信される。その変位が制御部２００に受信されると、制御部２００は、その変位に基づいて、せん断供試体１０の上部と下部とが接触する接触部分の断面積を算出すると共に、算出された断面積に応じて、垂直ジャッキ１５０から付加される荷重を制御する。そして、このような操作を繰り返すことにより、岩盤の不連続面の強度を測定する。

（実施形態２）
実施形態１では、下側せん断箱の移動方向に対して壁面が直角をなすように垂直リニアガイドを設けることによって、下側せん断箱に対してせん断力が作用する方向の上側せん断箱の一端の浮き上がりを規制すると共に、上側せん断箱１２０ａの垂直方向の軸回りの回転を規制し、さらにせん断供試体への偏重荷重及び応力集中を防止したが、本発明はこれに限定されない。例えば、下側せん断箱の移動方向に対して壁面が平行になるように垂直リニアガイドを設けてもよい。このように岩盤不連続面のせん断試験装置１を構成しても、上側せん断箱の垂直方向の軸回りの回転を規制することができる共に、せん断供試体への偏重荷重及び応力集中を防止することができる。

（他の実施形態）
実施形態１及び２では、セメントを用いて上側せん断箱及び下側せん断箱にせん断供試体を固定したが、例えばセメントに代えて万力などの治具を用いて上側せん断箱及び下側せん断箱にせん断供試体を固定してもよい。

また、実施形態１及び２では、垂直リニアガイドとプレスフレームとの間にベアリングローラを設けたが、例えばベアリングローラに代えてベアリング、潤滑油、レールなどを用いてもよい。

さらに、実施形態１及び２では、案内手段として水平リニアガイドを用いたが、例えばレールなどを用いてもよい。

また、本発明に係る岩盤不連続面のせん断装置は、最初から新規に製作されてもよいが、既存のせん断装置（例えば一面せん断試験装置など）の一部を改良して製作されてもよい。既存の試験装置の一部を改良してせん断装置を製作した場合は、新規に製作した場合よりも製作コストを低減することができる。

実施形態１に係る岩盤不連続面のせん断試験装置のブロック図である。 実施形態１に係るせん断試験装置の装置部の概略図である。 図２に示すＡ−Ａ’面における断面図である。 図２に示すＢ−Ｂ’面における断面図である。 実施形態１のせん断供試体にセメントを固着させる際の工程図である。 従来の試験方法による円弧すべりなどの安定解析を行なう際の模式図である。 岩盤の不連続面（割れ目）部分から岩盤が破壊される際の模式図である。 従来の試験装置において、垂直方向に荷重を付加する前や水平方向にせん断力を付加した際のせん断供試体の状態を示す図である。 従来の試験装置において、垂直方向に荷重を付加した際や水平方向にせん断力を付加した際のせん断供試体の状態を示す図である。 従来の試験装置において、ズレが発生する前のせん断供試体の状態を示す図である。 従来の試験装置において、ズレが発生した際のせん断供試体の状態を示す図である。

符号の説明

１ せん断試験装置
１０ せん断供試体
１５ 不連続面
１００ 装置部
１２０ａ 上側せん断箱
１２０ｂ 下側せん断箱
１３０ａ、１３０ｂ セメント
１５０ 垂直ジャッキ
１５５ プレスフレーム
１５７ 垂直リニアガイド
１５８、１６８ ベアリングローラ
１６０ せん断ジャッキ
１６７ 水平リニアガイド
１９０ 台
２００ 制御部
３００ センサー部

Claims (4)

1. 不連続面を有するせん断供試体を挟み込むように設置した上側せん断箱と下側せん断箱とを有し、
   前記上側せん断箱を介して前記せん断供試体に対して垂直方向に下向きの荷重を付加しつつ、前記下側せん断箱を水平方向に移動させて前記せん断供試体に水平方向のせん断力を作用せしめる岩盤不連続面のせん断試験装置において、
   前記せん断供試体に対して垂直方向に下向きの荷重を付加するように前記上側せん断箱に接続されたプレスフレームと、
   前記プレスフレームを挟んで相対向するように設けられ、前記上側せん断箱が垂直方向の軸回りに回転することを規制しつつ、垂直方向へ移動することを許容するように垂直な壁面を構成する１対の板状部材と、
   前記下側せん断箱を所定の水平方向に案内する水平案内手段と、
   前記上側せん断箱と前記下側せん断箱との間の水平方向の変位を検出するセンサー部と、前記センサー部により検出された変位に基づいて、前記不連続面でせん断されたせん断供試体の上部と下部とが接する接触部分の断面積を算出すると共に当該断面積に応じて前記せん断供試体に付加される垂直方向に下向きの荷重を制御する制御部と、
   を具備することを特徴とする岩盤不連続面のせん断試験装置。
2. 請求項１に記載の岩盤不連続面のせん断試験装置において、
   前記１対の板状部材は、壁面が前記下側せん断箱の移動方向に対して直角をなすように設けられることを特徴とする岩盤不連続面のせん断試験装置。
3. 請求項１又は２に記載の岩盤不連続面のせん断試験装置において、
   前記上側せん断箱の垂直方向への移動は、前記プレスフレームと前記１対の板状部材との間に設けられたベアリングローラを介して行なわれることを特徴とする岩盤不連続面のせん断試験装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の岩盤不連続面のせん断試験装置において、
   前記せん断力は、スクリュージャッキにより付加されることを特徴とする岩盤不連続面のせん断試験装置。