JP5442546B2

JP5442546B2 - 岩盤試料透水試験方法

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Publication number: JP5442546B2
Application number: JP2010154330A
Authority: JP
Inventors: 壮志西本; 哲実岡田
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2030-07-06
Also published as: JP2012018015A

Description

本発明は、岩盤試料透水試験方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、立方体岩盤試料を使った三主応力条件下での透水試験に適用して好適な岩盤試料透水試験方法に関する。

なお、本発明においては、水平直交二方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向）及び垂直方向（Ｚ軸方向）の三主応力を独立させて付加する条件下で行われる試験のことを真三軸試験といい、当該真三軸試験を行うことができる装置のことを真三軸試験装置という。また、これまでの三軸試験では一般的に立方体形状の岩盤試料が用いられているので本発明の説明においても岩盤試料の形状は立方体であることを前提とするが、本発明の適用範囲として直方体形状の岩盤試料を用いる場合を除外するものではない。

例えば大深度地下トンネルや放射性廃棄物処分施設などの地下岩盤中の構造物の設計においては、熱や地下水の移動、応力が作用する環境下での熱特性や透水特性や力学特性などの岩盤の物性の把握は重要である。

岩盤試料の従来の透水試験法としては、例えば、図４に示すように、台座１０１上に設置された立方体形状の岩盤試料Ｓの上下及び側面二方向を加圧機構を介して加圧する大型岩盤試験装置において、台座１０１上に設置される岩盤試料Ｓの透水面を除いた面をゴムジャケット１０２で覆い、底面，側面及び上面に通水面１０８を形成した加圧プレート１０３，１０４，１０５で水密に囲うものがある（特許文献１）。なお、図４は岩盤試料Ｓの上下方向の透水性を試験する際の止水構造体の部品構成を示している。また、図中符号１０６は濾紙を，符号１０７はゴムジャケット１０２の上部周囲及び下部周囲を固定するフランジ押さえをそれぞれ表し、図中符号(１)〜(９)は各部品の組み立て手順を示している。

特開２００１−３４９８１３号

しかしながら、特許文献１の透水試験法では、透水方向の二面（図４に示す例では上面と下面）はゴムジャケット１０２で覆っていないため、透水方向に加圧して当該透水方向の寸法が縮むとゴムジャケット１０２が撓んで当該ゴムジャケット１０２の特に端部において止水効果がなくなってしまう。加えて、下面加圧プレート１０３と上面加圧プレート１０５とから圧がかかると、フランジ押さえ１０７と側面加圧プレート１０４のエッジとがぶつかるので実際には透水方向には圧をかけることが殆どできず、実質は押さえているだけであり、三主応力条件下での透水試験とは言い難い。少なくとも、透水方向の圧力を所望の程度に自由に設定することはできない。したがって、完全な三主応力条件下での透水試験を行うことができるとは言い難い。

また、特許文献１の透水試験法では、岩盤試料Ｓの温度を制御することができないので、岩盤の熱特性を把握することができない。したがって、岩盤の物性の把握において十分なデータを提供することができないという問題がある。

すなわち、岩盤の物性を把握するためには岩盤の透水特性と力学特性とを把握することが必要であり、これら特性の把握のためには立方体岩盤試料を使い真三軸試験装置を用いた完全な三主応力条件下で透水試験を行って各種の計測を行う必要があるところ、これらの試験要件を満たす試験方法・装置はない。また、岩盤の物性を十分に把握するためには岩盤の熱特性と透水特性と力学特性とを把握することが必要であり、これら特性の把握のためには立方体岩盤試料を使い真三軸試験装置を用いた完全な三主応力条件下で岩盤試料の温度を制御しつつ透水試験を行って各種の計測を行う必要があるところ、これらの試験要件を全て満たす試験方法・装置はない。

そこで、本発明は、立方体岩盤試料を使って完全な三主応力条件下で透水試験を行って各種の計測を行うことができる岩盤試料透水試験方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、立方体岩盤試料を使って完全な三主応力条件下で岩盤試料の温度を制御しつつ透水試験を行って各種の計測を行うことができる岩盤試料透水試験方法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、請求項１記載の岩盤試料透水試験方法は、岩盤試料の表面に当接する側に溝が形成された導水板を複数の面に貼り付けた状態の立方体形状の岩盤試料の全体を防水性と弾性とを有する被覆部材によって被覆し、該被覆部材によって被覆された岩盤試料に、立方体形状の各面の被覆部材に当接する加圧板によって三主応力を付加しながら、被覆部材を貫通して備えられる注水用配管を介して透水方向の注水側の導水板の溝に水を供給すると共に透水方向の排水側の導水板に到達した水を溝によって収集して被覆部材を貫通して備えられる排水用配管を介して排水して透水試験を行うようにしている。

したがって、この岩盤試料透水試験方法によると、複数の面に導水板を貼り付けた状態の岩盤試料の全体を防水性と弾性とを有する被覆部材によって被覆して三軸試験を行うようにしているので、いずれの方向についても止水効果が確保され、透水方向についても所望の圧力(荷重)を付加させることができる。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の岩盤試料透水試験方法において、被覆部材がシリコンラバーであるようにしている。この場合には、本発明における被覆部材として要求される防水性と弾性とが確実に確保される。

また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の岩盤試料透水試験方法において、三主応力を付加する加圧板内に加熱部を設け、該加熱部によって岩盤試料の温度制御を行うようにしている。この場合には、岩盤試料の温度を制御しつつ透水試験を行うことができる。

また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の岩盤試料透水試験方法において、加熱部がラバーヒーターであるようにしている。この場合には、加圧板内に収容し易い加熱部とすることができる。

請求項１記載の岩盤試料透水試験方法によれば、いずれの方向についても止水効果が確保され、透水方向についても所望の圧力(荷重)を付加させて完全な三主応力条件下での透水試験を行うことができるので、岩盤の真の物性の把握に有用なデータを提供することができ、岩盤試料透水試験の有用性・信頼性の向上を図ることが可能になる。

請求項２記載の岩盤試料透水試験方法によれば、さらに、岩盤試料の温度を制御しつつ透水試験を行うことができるので、岩盤の真の物性の十分な把握に有用なデータを提供することができ、岩盤試料透水試験の有用性・信頼性の向上を図ることが可能になる。

本発明の岩盤試料透水試験方法を説明する図である。（Ａ）は本発明を実施する実施形態の三軸試験装置の垂直断面図である。（Ｂ）は本発明で用いられる試験体の垂直断面図である。本発明の岩盤試料透水試験方法を実施する実施形態の三軸試験装置の水平断面図である。本発明の岩盤試料透水試験方法で用いられる導水板の構造を示す図である。従来の透水試験装置の部品構成と組み立て手順とを示す分解斜視図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１から図３に、本発明の岩盤試料透水試験方法の実施形態の一例を示す。本発明の岩盤試料透水試験方法は、岩盤試料１の表面に当接する側に溝２ａが形成された導水板２を複数の面に貼り付けた状態の立方体形状の岩盤試料１の全体を少なくとも防水性と弾性とを有する被覆部材３によって被覆し、該被覆部材３によって被覆された岩盤試料１に、立方体形状の各面の被覆部材３に当接する加圧板１１Ａ，１１Ｂによって三主応力を付加しながら、被覆部材３を貫通して備えられる注水用配管を介して透水方向の注水側の導水板２の溝２ａに水を供給すると共に透水方向の排水側の導水板２に到達した水を溝２ａによって収集して被覆部材３を貫通して備えられる排水用配管を介して排水して透水試験を行うものである。

岩盤試料１は、通常の三軸試験の場合と同様に立方体に成形される。そして、立方体形状の岩盤試料１の各面（即ち、六面）には、図１(Ｂ)に示すように、導水板２が貼り付けられる。なお、図１及び図２においては、部品構成を分かり易くすることを考慮し、導水板２及び被覆部材３の断面厚さを他の部材・部品との現実の相対的な関係よりも厚めに表示している。

本実施形態では、岩盤試料１の各面と導水板２との間に、導水板２から供給される水を岩盤試料１の面全体に行き渡らせるためにステンレスメッシュ５が介在させられる。ただし、ステンレスメッシュ５は本発明の必須の構成要素ではなく、ステンレスメッシュ５を介在させないようにしても良い。

導水板２の、本実施形態ではステンレスメッシュ５を介在させて岩盤試料１と当接する側の面には、図３に示すように、溝２ａが形成される。溝２ａは、本実施形態では網の目状に形成されているが、これに限られず、例えば複数本の平行線状でも良い。また、溝２ａは導水板２の面全体に亘って形成されることが望ましい。

導水板２は、岩盤試料１に対するものとしての応力が加えられても溝２ａが潰れない程度の剛性を有する素材によって形成される。具体的には例えば、アルミニウムやステンレス鋼などによって形成される。

なお、導水板２は例えば１〔mm〕程度の厚さに形成される。また、溝２ａは例えば幅１〔mm〕程度，深さ０．５〔mm〕程度に形成される。また、溝２ａ相互の間隔は、岩盤試料１の大きさや透水性なども勘案して適宜設定される。

導水板２には、さらに、岩盤試料１を透水させるための水を溝２ａに供給するための、或いは、岩盤試料１を透水させた水を溝２ａを経由させて回収して排水するためのものであり、端部に開口して注水・排水用配管（図示省略）が挿入されると共に溝２ａのいずれかの部分と連通する配管差込部２ｂが設けられる。配管差込部２ｂには注水・排水用配管の先端部分が挿入され例えば接着剤などによって固定される。

そして、各面に導水板２を貼り付けた状態の岩盤試料１の全体を、言い換えると、岩盤試料１全体を導水板２も含めて一緒に、少なくとも防水性と弾性とを有する被覆部材３によって隙間なく被覆する。また、岩盤試料１を加熱して岩盤試料１の温度を制御する場合には、被覆部材３は、防水性と弾性に加え、想定される温度に対する耐熱性を更に有することが必要である。

なお、被覆部材３の弾性率(硬度)は、付加する主応力の大きさや想定される厚さなどを勘案して適当なものが適宜選択される。また、被覆部材３で全体を覆う際に、先端部分が導水板２の配管差込部２ｂに挿入されている注水・排水用配管や岩盤試料１の表面に貼り付けられたセンサ類のケーブルが被覆部材３内に余分に埋没しないようにしておく。

本実施形態では、防水性と適度の弾性とに加えて一定の耐熱性を有する点で適当であるのでシリコンラバー３で隙間なく被覆する。シリコンラバー３による被覆は、例えば、岩盤試料１の各面に導水板２を貼り付けた状態で液状のシリコンラバー３を全体に塗布して固めることによって行う。なお、シリコンラバー３の厚さは例えば３〜４〔mm〕程度の厚さにされる。また、シリコンラバー３の厚さは、導水板２が存在する範囲では場所によって大きな差がないことが望ましい。

そして、立方体形状の各面に導水板２を貼り付けた状態で被覆部材３によって全体を隙間なく被覆した岩盤試料１に対して三主応力を付加する。このとき、全面（言い換えると三方向）の止水条件が確保されているので、三方向の載荷を所望の程度に自由に設定して透水試験を行うことができる。すなわち、完全な三主応力条件下での岩盤試料１の透水試験を行うことができる。なお、以下の説明では、岩盤試料１と当該岩盤試料１に貼り付けられた導水板２とを被覆部材３によって全体を隙間なく被覆して成形されるものを試験体４ともいう。

本実施形態では、上述のように成形された試験体４の透水試験を行う装置として図１及び図２に示す三軸試験装置１０を用いる。なお、図１及び図２においては、部品構成を分かり易くすることを考慮し、各部品を結合するボルト・螺子の図示を省略している。また、図１(Ａ)では、図中の一点鎖線（符号Ｉ）の左側（符号ＩＡ）と右側（符号ＩＢ）とで、装置１０の異なる位置の縦断面を示している（符号ＩＡ側：中央位置よりも側面寄りの位置の縦断面，符号ＩＢ側：中央位置の縦断面）。

三軸試験装置１０は、試験体４の側面のそれぞれに当接して独立に応力を付加する合計四つの水平方向加圧板１１Ａと、試験体４の下面に当接して応力を付加する垂直方向加圧板１１Ｂと、水平方向加圧板１１Ａをピストンと見立てて当該加圧板１１Ａの水平方向往復運動のガイドとして働く合計四つの水平方向シリンダ１２とを有する。すなわち、各水平方向加圧板１１Ａは各水平方向シリンダ１２に摺動可能に収容されガイドされて水平方向に往復運動可能に構成される。

また、試験体４の上面に対しては、当該上面に当接する上面固定板１４が設けられる。

本実施形態では、各水平方向加圧板１１Ａには試験体４と反対側の面（即ち、外側の面）から突出するようにガイドピン１３Ａが取り付けられる。本実施形態では、矩形の水平方向加圧板１１Ａの各角部寄りの位置に合計四本のガイドピン１３Ａが取り付けられる。また、各水平方向シリンダ１２内側には水平方向加圧板１１Ａと対向する面にガイドピン１３Ａの突出部分を摺動可能に収容しガイドするガイドホール１３Ｂが設けられる。これにより、水平方向加圧板１１Ａが往復運動する際に傾斜してしまうことが防止されて試験体４の側面全体に均等に応力が付加されるようになる。

そして、三軸試験装置１０は、水平断面矩形であって当該装置１０の四面の側壁を構成して四つの水平方向シリンダ１２を固定保持する枠体１５と、当該枠体１５の上端に取り付けられて装置１０の天板を構成して上面固定板１４を固定保持する矩形の上板１６と、枠体１５の下端に取り付けられて装置１０の底板を構成する矩形の下板１７とを更に有する。なお、水平方向シリンダ１２は螺子によって枠体１５に取り付けられると共に上面固定板１４は螺子によって上板１６に取り付けられる。

そして、これら枠体１５と上板１６と下板１７とが組み合わせられて試験体４，水平方向加圧板１１Ａ及び水平方向シリンダ１２，垂直方向加圧板１１Ｂ，上面固定板１４を囲って三軸試験装置１０全体として直方体形状に形成される。なお本実施形態の三軸試験装置１０は下板１７の下面に取り付けられる設置用脚２１を有する。

ここで、本発明では、透水試験方法の目的などに合わせて、岩盤試料１の表面に例えばひずみゲージ等のセンサ類を適宜貼り付けるようにしても良い。そして、センサ類を貼り付ける場合には、当該センサ類のケーブルは被覆部材３を貫通させ、また、当該ケーブルを三軸試験装置１０から取り出すための通路（貫通孔）を例えば枠体１５に設けるようにしても良い。具体的には例えば、枠体１５の上端面に溝を設けて上板１６の下面との間にケーブル取出し用通路を形成するようにしても良い。

下板１７の上面（即ち、垂直方向加圧板１１Ｂと対向する面）には垂直方向加圧板１１Ｂをピストンと見立てて当該加圧板１１Ｂの垂直方向往復運動のガイド（言い換えると、シリンダ）として働く凹部１７ａが形成される。すなわち、垂直方向加圧板１１Ｂは下板の凹部１７ａに摺動可能に収容されガイドされて垂直方向に往復運動可能に構成される。

なお、枠体１５と上板１６と下板１７とは試験体４に応力を付加する際の反力に抗する支持筐体としての機能を発揮するものであり、枠体１５と下板１７とがボルト・螺子によって強固に連結され固定されると共に、その状態で試験体４を収容した後に枠体１５と上板１６とがボルト・螺子によって強固に連結され固定される。

各水平方向加圧板１１Ａの水平方向の往復運動は、枠体１５の各面（言い換えると、各側壁）を水平方向に貫通する貫通孔１５ａ及び水平方向シリンダ１２の試験体４の側面と対向する面を水平方向に貫通する貫通孔１２ａを介しての増圧機（図示省略）による水などの流体の注入と排出とによって制御される。そして、増圧機の前記流体の注入圧力を調整することによって水平方向加圧板１１Ａによって試験体４に付加される応力の大きさが制御される。なお、貫通孔１５ａは枠体１５の四面の側壁の各々に設けられ（本実施形態では一面に二つずつ）、四つの水平方向加圧板１１Ａは各々が独立に制御され、試験体４の各側面に付加される応力の大きさは独立に制御される。

また、垂直方向加圧板１１Ｂの垂直方向の往復運動は、下板１７を垂直方向に貫通する貫通孔１７ｂを介しての増圧機（図示省略）による水などの流体の注入と排出とによって制御される。そして、増圧機の前記流体の注入圧力を調整することによって垂直方向加圧板１１Ｂによって試験体４に付加される圧力の大きさが制御される。

本発明の三軸試験装置１０は、枠体１５及び水平方向シリンダ１２を水平方向に貫通すると共に水平方向加圧板１１Ａに差し込まれて当該水平方向加圧板１１Ａに固定され且つ枠体１５及び水平方向シリンダ１２に対して摺動可能に備えられる管２０ａと、下板１７を垂直方向に貫通すると共に垂直方向加圧板１１Ｂに差し込まれて当該垂直方向加圧板１１Ｂに固定され且つ下板１７に対して摺動可能に備えられる管２０ｂと、三軸試験装置１０の外側に取り付けられて各管２０ａ，２０ｂの変位量を計測するギャップセンサ（図示省略）とを有する。そして、当該ギャップセンサによって各管２０ａ，２０ｂの変位量として各水平方向加圧板１１Ａ，垂直方向加圧板１１Ｂの変位量が計測される。これにより、試験体４に付加される圧力は増圧機によって制御されると共に各加圧板１１Ａ，１１Ｂの変位量が計測されるので、岩盤試料１にかかる正確な応力が把握可能になる。

また、三軸試験装置１０は、上板１６に対して固定されると共に先端面が試験体４の上面に当接する圧力センサ１８とギャップセンサ１９とを備える。そして、これら圧力センサ１８とギャップセンサ１９とによって試験体４の上面における（言い換えると、上面にかけられている）圧力と試験体４上面の変位とが直接計測される。

上述の構成により、本実施形態の三軸試験装置１０によれば、各水平方向加圧板１１Ａ及び垂直方向加圧板１１Ｂによって試験体４中の岩盤試料１に水平直交二方向（Ｘ軸方向，Ｙ軸方向）及び垂直方向（Ｚ軸方向）の三主応力を独立させて付加することができ、真三軸試験を行うことができる。

本実施形態の三軸試験装置１０は、さらに、試験中の岩盤試料１の温度を制御するための加熱部２０を有する。本実施形態では、加熱部２０として、具体的には、各水平方向加圧板１１Ａの内部及び垂直方向加圧板１１Ｂの内部及び上面固定板１４と上板１６との間のそれぞれにラバーヒーターを有する。

本実施形態では、水平方向加圧板１１Ａ及び垂直方向加圧板１１Ｂは板面の方向に二分割されていると共に一方に凹部が形成され、当該凹部にラバーヒーター２０が格納される。また、上面固定板１４の上板１６との当接側に凹部が形成され、当該凹部にラバーヒーター２０が格納される。

なお、前述の管２０ａは水平方向加圧板１１Ａに差し込まれてラバーヒーター２０の格納空間に達しており、また、前述の管２０ｂは垂直方向加圧板１１Ｂに差し込まれてラバーヒーター２０の格納空間に達している。そして、各ラバーヒーター２０の電源線は、これら管２０ａ，２０ｂ、或いは、上板１６を垂直方向に貫通する貫通孔１６ａのいずれかを経由して三軸試験装置１０の外部に引き出されて外部の電源装置（図示省略）に接続される。そして、当該外部の電源装置の操作によってラバーヒーター２０の温度が制御される。

加熱部２０を備えることにより、本実施形態の三軸試験装置１０によれば、岩盤試料１の温度を制御しながら透水試験を行うことができる。

また、岩盤試料１の温度分布を把握する場合には、岩盤試料１の表面の複数箇所に熱電対等の温度計測センサを貼り付ける。そして、当該温度計測センサのケーブルは、前述のひずみゲージ等のセンサ類のケーブルを三軸試験装置１０から取り出すためのケーブル取出し用通路を介して装置１０の外側に取り出すようにする。

以上のように構成された本発明の岩盤試料透水試験方法によれば、いずれの方向についても止水効果が確保され、透水方向についても所望の圧力(荷重)を付加させて完全な三主応力条件下での透水試験を行うことができるので、岩盤の真の物性の把握に有用なデータを提供することができ、岩盤試料透水試験の有用性・信頼性の向上を図ることが可能になる。また、岩盤試料の温度を制御しつつ透水試験を行うことができるので、岩盤の真の物性の十分な把握に有用なデータを提供することができ、岩盤試料透水試験の有用性・信頼性の向上を図ることが可能になる。

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、本実施形態では、三軸試験装置１０が加熱部２０を備えるようにしているが、本発明においては加熱部２０は必須の構成ではない。例えば、岩盤の透水特性と力学特性とを把握するために完全な三主応力条件下で透水試験を行う場合、言い換えると、岩盤の熱特性の把握は不要であって岩盤試料１の温度の制御は不要である場合には加熱部２０を有しない三軸試験装置１０を用いるようにしても良い。

また、本実施形態では、加熱部２０としてラバーヒーターを用いるようにしているが、本発明の加熱部２０としては各加圧板１１Ａ，１１Ｂや上面固定板１４に熱を供給可能なものであればどのようなものでも良い。すなわち、ヒーターであればラバーヒーターには限られないし、或いは、各加圧板１１Ａ，１１Ｂや上面固定板１４内に流路を形成して当該流路に温度調整された流体を流動させるようにしても良い。

また、本実施形態では、岩盤試料１の各面（即ち、六面）に導水板２を貼り付けるようにしているが、導水板２は試験対象の透水方向に基づいて岩盤試料１の注水側の面と排水側の面との二面のみに貼り付けるようにしても良い。

１岩盤試料
２導水板
２ａ溝
３被覆部材
１１Ａ水平方向加圧板
１１Ｂ垂直方向加圧板

Claims

岩盤試料の表面に当接する側に溝が形成された導水板を複数の面に貼り付けた状態の立方体形状の前記岩盤試料の全体を防水性と弾性とを有する被覆部材によって被覆し、該被覆部材によって被覆された前記岩盤試料に、立方体形状の各面の前記被覆部材に当接する加圧板によって三主応力を付加しながら、前記被覆部材を貫通して備えられる注水用配管を介して透水方向の注水側の前記導水板の溝に水を供給すると共に前記透水方向の排水側の前記導水板に到達した水を前記溝によって収集して前記被覆部材を貫通して備えられる排水用配管を介して排水して透水試験を行うことを特徴とする岩盤試料透水試験方法。
前記被覆部材がシリコンラバーであることを特徴とする請求項１記載の岩盤試料透水試験方法。
前記三主応力を付加する前記加圧板内に加熱部を設け、該加熱部によって前記岩盤試料の温度制御を行うことを特徴とする請求項１記載の岩盤試料透水試験方法。
前記加熱部がラバーヒーターであることを特徴とする請求項３記載の岩盤試料透水試験方法。