JP7117712B2 - 軸力可視化ボルト - Google Patents

Description

本発明は、ボルトの軸力可視化技術、特にトンネルの内壁面や、盛土や切土などの斜面に対して、所定間隔毎で打ち込まれるロックボルトやグラウンドアンカーの軸力可視化技術に関するものである。

ボルトは、種々の構造物建設に使用される重要な建設資材である。構造物の経年劣化や地震などの自然災害直後に、その健全性を的確に、且つ正確に評価することは非常に重要である。
特に、ロックボルトやグラウンドアンカーなどは、地盤工学、岩盤工学、コンクリート工学において頻繁に用いられる補強材である。ロックボルトはトンネル壁面などに打ち込み、またグラウンドボルトは切土などの斜面に打ち込んで、崩落や地滑りなどの災害を防止するための補強がなされる。これらは施工後も長期にわたってその強度を保持し、構造物の安定を保持するために重要な役割を果たすものである。
しかし、ロックボルトやグラウンドアンカーなどの補強材を用いた場合でも、経時的な劣化や予期しない地盤変動のために、崩落や地滑りなどの災害を生じることがある。トンネル工事では、ロックボルトを打設して地山の変形を抑制するが、トンネル掘削に伴い地山の緩みが生じるために、地山によっては崩落する動きが生じる。ロックボルトではプレート面でその崩落する動きに伴う力を支えることになる。過大な力がロックボルトに作用していてもそれを外部に伝達する手段がないため、ロックボルトの破断やトンネル崩落の危険がある。このような危険が生じる前に、通常、予兆的な規模の小さい崩落又は地滑りが先行することが多いことから、ロックボルト軸力計など歪みゲージやロードセルを用いて、ロックボルトに作用する力を計測し、異常をモニタリングしている（例えば、特許文献１を参照）。

ボルトの長さは数ｃｍから数ｍまで様々なものがあるが、例えば、ボルトに過度の軸力が作用し、ボルトが引張力を受けてボルト全体に伸びて変形した場合に、その状態を読み取るためには、コンマ数ｍｍ～数ｍｍ程度の微小変位を計測することが必要である。微小変位の計測を可能とする電気を利用したセンシングシステムは多様なものがあるものの、１箇所あたりの設置コストが数万円以上かかるという問題がある。
また、トンネル周辺地山に発生するひび割れを広い範囲に亘り、短い間隔で測定してトンネル崩壊の判断の精度向上を図るために、地山に発生するアコースティックエミッションを測定する方法が知られているが（特許文献２を参照）、現場ではセンサおよび高価な測定装置を設置する必要があり実用的ではない。

また、ボルトは締め付けられると伸びることに鑑み、ボルトの中心の軸方向に貫通孔を設け、貫通孔にボルトと同一熱膨張係数を有するロッドを嵌挿し、ロッドの先端をボルトねじ部の先端に固着し、締結前後のボルト頭部表面とロッド端部との段差の寸法差により適正な締付量を検知するようにしたボルトの構造が知られている（特許文献３を参照）。特許文献３のボルトによれば、ボルト締結時、ボルトの伸びを目視するか手で触れ、直接検知することによりボルト締付量が適正か否かを確認でき、ボルト締付量を精度よく管理できる。しかしながら、特許文献３のボルトでは、長時間使用している中で、ボルトにかかるトルクが変化し、微小な変位が発生した場合には、現場で簡単な方法で予知できないという問題があった。

さらに、超音波を利用したボルトの長さを測定する方法も知られている（例えば、特許文献４を参照）。超音波探傷器で全長６ｍのロックボルトを、プレート、ナットで締結している状態で計測できるが、ボルトが締結されている周囲環境にも、超音波が大きな影響を与えるといった問題があり、また精度面でも不安定で信頼性が得られなかった。

従来から、トンネルの内壁面や斜面に所定間隔毎で打ち込まれるロックボルトやグラウンドアンカーの軸力を目視確認可能に表示するものとして、ロックボルトの突出部分に壁面側と当接する内側支圧プレートとその外側の外側支圧プレートとの間に挟み込まれるロードセルを用い、外側支圧板の外側からロックボルトにナットを螺合して締めつけた状態で、ロードセルに取り付けたブルドン管圧力計によって、ロックボルトの軸力を表示する技術が知られている（特許文献５を参照）。

また、荷重が設定された値以上の時に変色する変色部材を用いて、ロックボルトやアンカーボルトの荷重を検出して、危険度合の判定を安価にする荷重検出装置が知られている（特許文献６を参照）。特許文献６の荷重検出装置では、ロックボルト等に螺合されるナットと壁面側のプレートとの間に、変色部材を収納した保持部材を設ける。変色部材は、例えば、第一の液と第二の液とを別々に封入された小型容器で構成され、設定値以上の荷重が加わった際に、第一の液と第二の液とを隔てる境界壁が破壊され、これらの２液の混合により変色するタイプが例示されている。ロックボルト等に過度の荷重が加わった際には、その荷重が保持部材を介して変色部材に伝達されるため、変色部材の変色によりロックボルトの軸力を表示する。

しかしながら、特許文献６の荷重検出装置のように、変色部材が第一の液と第二の液とを隔てる境界壁が破壊されて２液の混合により変色するタイプである場合には、一旦変色した後に色が元に戻らないといった不都合がある。かかる不都合を解決するものとして、ロックボルトの軸力が伝達されるように設けられる軸力表示ボルトが設けられ、ロックボルトにかかる軸力に応じて軸力表示ボルトの後端の着色表示面の着色表示の濃淡が変化する技術が知られている（特許文献７を参照）。 特許文献７の軸力表示ボルトは、その本体にロックボルトの軸力に応じて軸方向に相対的に移動する可動部と、可動部の後端には着色表示面と、さらに着色表示面の後側に設けられる透明板と、着色流体封入体とを有し、着色表示面と異なる色の着色流体が視認可能に封入されており、ロックボルトに軸力がかかった際に、着色表示面と透明板との間の距離が変化し、その距離の変化に応じて着色表示面を覆う着色流体の量が変わることにより、表示色の濃淡が変化する。また、軸力表示ボルトの後端には、表示色の視認範囲を拡張するための球状レンズを備え視認性を向上している。

特開２００２－５４９２２号公報 特開２００１－３５５３８４号公報 特開２０００－７４０２８号公報 特開２００６－２９２４８２号公報 特開２００１－１３３３９２号公報 特開平９－２６９２６９号公報 特開２０１５－３１０８６号公報

上述のとおり、ボルトの健全性を的確に評価することは重要であり、ボルトに過度の軸力が作用し、ボルトが引張力を受けてボルト全体に伸びて変形した場合に、危険度合の判定を視認できるように、軸力に応じた微小変化を可視化することは必要である。また、軸力の可視化が必要とされている箇所は非常に多く、如何に安価に実現できるかが普及にとって重要なファクターとなる。
高価なロックボルト軸力計など歪みゲージやロードセルを用いるのではなく、また電気的センサによって微小な変形差を読み取るといったような電気回路を備える複雑な装置構造にするのではなく、軸力に応じた微小変化の可視化を低コストで実現する必要がある。
定期点検の担当者が確認できるだけでなく、工事中や工事後の建物等インフラ全体の監視体制のレベルを格段に向上すべく、インフラに生じている異常を誰かが発見できるようなボルトにかかる軸力の可視化を実現する必要がある。
かかる状況に鑑みて、本発明は、ボルトに異常な力がかかっていることが早期に現場で発見できる安価な軸力可視化ボルトを提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明の軸力可視化ボルトは、次の１）の溝、又は、２）の棒状体の何れかと、そして、３）の段差可視化手段を備える。
１）ボルトの先端部もしくは後端部（頭部）の少なくとも一方の端面に、端面の周端面と中央端面を分断する溝。
２）ボルトの先端部もしくは後端部（頭部）の少なくとも一方の端面に、端面の中央端面が刳り貫かれた内空間の内壁に非接触で内空間の底部に固着された棒状体であってボルトと同材質の棒状体。
３）ボルトが受ける軸力に応じて、中央端面もしくは棒状体の自由端と、周端面との間に生じる段差のサイズを拡大して可視化する段差可視化手段。

ボルトは通常、円形断面を有しているが、この断面内を一部、刳り貫いて、その中にボルトが受ける軸力が伝達されない自由部位を作製する。上記１）の溝で分断された中央端面のアイランド部位や上記２）の棒状体が、この自由部位に相当する。ボルトに軸力が作用すると、ボルトは全体として変形する（引張力を受ければ伸びる）が、この自由部位には軸力が伝達されないため、その部分だけは変形しない。このことによって変形する部分と自由部位の変形差が生じ、これをセンシングしてその大きさを可視化することが可能になる。
ここで、ボルトとは、部品と部品を締めつけ固定するための要素のみならず、地山や岩盤内の削孔に挿し込んで使用するロックボルトやグラウンドアンカーを含むものである。ねじが切られた軸部だけのものや、雄ねじが切られた軸部と頭部から成るものがある。ナットで締めたり、雌ねじが切られた穴（タップ）に締め付けて使用する。軸部全てにねじが切られた全ねじタイプ、先端部から特定の長さだけねじが切られた半ねじタイプなど様々なバリエーションがある。

上記２）の棒状体の材質は、ボルト本体と同じ材質が用いられることにより、段差の部分は温度の影響が自動的に相殺される。つまり、周辺で温度変化が生じた場合であっても、軸力を受けている部分と、軸力を受けない棒状体の部分が全く同じ温度変化に晒されるので、温度に対応して各々の部分がひずみを生じることになるが、段差の部分は温度の影響が自動的に相殺されることになる。この自動的に温度影響を相殺することは、真の軸力を正確に把握する上で重要である。

そして、上記３）の段差可視化手段によって、ボルト本体とその先端に作製された自由部位との変形差を可視化する。すなわち、ボルトが受ける軸力に応じて、中央端面もしくは棒状体の自由端と、周端面との間に生じる段差を可視化する。通常、微小な変形差は電気的センサによって読み取る必要があるが、本発明の軸力可視化ボルトでは、電気的手段を用いずに微小変位の可視化の実現を図るが、もちろん、段差可視化手段として、電気的手段を用いて微小な変形差を計測して可視化させることも可能である。ボルトが使用される対象物やインフラ環境に要求させる重要性とコストに応じて、適宜、可視化手段の構造を選択することができる。

本発明の軸力可視化ボルトにおいて、溝の内壁又は内空間の内壁は、ボルトの軸方向に沿って延びるのが好ましいが、ボルトの軸方向に向かって、拡大又は狭小するように形成されても構わない。
また、通常、ボルトは円形断面をしているので、この断面の中央部を一部、刳り貫いた場合には、溝の形状又は内空間の断面形状は、同じく円形断面が好ましいが、楕円形状、多角形状であっても構わない。
また、棒状体は、溶接して内空間の底部に固着してもよいし、底部に雌ネジを形成し棒状体の端部を雄ネジとして螺着させてもよい。その他、接着剤による接着でもよい。なお、棒状体の形状は、円柱、楕円柱、多角柱、円錐台、楕円錐台、多角錐台等の様々な形状が可能である。

本発明の軸力可視化ボルトにおける段差可視化手段は、中央端面又は棒状体を力点側とし、周端面の内壁周縁を支点とし、梃子により移動する作用点側で段差のサイズを拡大して可視化することが好ましい。これにより、電気的センサを用いることなく、微小な段差サイズを計測することが可能である。

本発明の軸力可視化ボルトにおける段差可視化手段は、具体的には、端面の周端面と当接し、中央端面又は棒状体に固着させたプレートを備える。そして、段差のサイズを拡大させた変位であるプレートの周縁の変位を検知する。ボルトに軸力がかかり、ボルトが引張力を受けて伸びると、端面の周端面と、中央端面又は棒状体の端面との間に段差が生じる（又は段差が大きくなる）。上記のプレートを備えることにより、このような段差が生じた場合には、中央端面又は棒状体に固着させたプレートで、周端面と当接している部分には応力がかかり、梃子の利用で、プレートが反り曲がることになる。

本発明の軸力可視化ボルトにおける段差可視化手段は、梃子により移動する作用点側の変位を計測するダイヤルゲージであって、変位の大きさに応じた色分けが表示盤に施されたダイヤルゲージを備えたことが好ましい。変位の大きさに応じた色分けが表示盤に施されることにより、当該インフラにおける危険度合の判別を、色で容易に判別できるようにしたものである。

上記の段差可視化手段におけるプレートがミラープレートであり、ミラープレートの変化を、光の反射光の変位から検知することでもよい。特に、ミラープレートとしてアルミ箔を用いることにより安価に容易に可視化を実現できる。

本発明の軸力可視化ボルトにおける段差可視化手段は、溝の中央端面側の側壁又は棒状体の側壁の全周もしくは一部に固着され、端面で外側に屈曲して端面の周端面と当接するプレートを備えることでもよい。Ｌ型プレートの一面を周端面と当接させ、他面を溝の中央端面側の側壁又は棒状体の側壁の全周もしくは一部に固着させる。ボルトに軸力がかかり、ボルトが引張力を受けて伸びると、端面の周端面と、中央端面又は棒状体の端面との間に段差が生じる。このような段差が生じた場合には、周端面と当接している部分には応力がかかり、梃子の利用で、Ｌ型プレートが反り曲がることになる。Ｌ型プレートの周縁側の変位が段差のサイズを拡大させた変位となる。

本発明の軸力可視化ボルトにおける段差可視化手段は、中央端面と周端面との間に設けられた溝、又は、棒状体と内空間との隙間に設けられる球体もしくは円柱体を備え、球体もしくは円柱体に指針が取り付けられることでもよい。段差の発生により球体もしくは円柱体が回転することにより、指針の変位が段差のサイズを拡大して可視化することができる。

本発明の軸力可視化ボルトにおける段差可視化手段は、ボルトの端面の外側に設けられた基準端面の内縁を力点側とし、周端面の外壁周縁を支点とし、梃子により移動する作用点側で段差のサイズを拡大して可視化することでもよい。

本発明の軸力可視化ボルトにおいて、自由部位の長さはボルトの全長や現場で計測されるであろう軸力を考慮して、可視化が効率よく行われるように適宜決めることができるが、上記１）の溝の深さ、又は、上記２）の内空間の深さは、ボルトの軸方向の長さの９／１０以下で、かつ、端面の周端面から１０ｃｍ以上の深さの範囲で、適宜設定することが好ましい。溝の深さや内空間の深さが、溝で分断された中央部位や棒状体の自由部位の長さになるので、自由部位の長さは、ボルトの軸方向の長さの９／１０以下で、かつ、端面の周端面から１０ｃｍ以上になる。ボルトの長さがあまり短いと変位量が小さく計測が困難になるため、そのような場合には、ボルトの軸方向の長さ９／１０以下で、できるだけ内空間の深さを大きく設定する。また、自由部位の長さを１０ｃｍ以上確保するためには、ボルト全長が少なくとも１１ｃｍ程度が必要になる。
ボルトの軸力が大きくなり、材料が降伏するレベルに達したときに、軸ひずみがおおよそ０．１％になることに鑑みて、自由部位の長さとしては１０ｃｍ程度設ける。自由部位の長さが１０ｃｍの場合には、自由部位の周囲を取り囲む周壁部に軸力が加わった際に生じる軸ひずみがその０．１％、すなわち１０ｃｍ×０．００１＝０．１ｍｍになる。この０．１ｍｍという段差変位を確実に表現できるようにする。更に、段差変位が０ｍｍから０．１ｍｍに増大していく過程が段階的に可視化できればより好ましい。
なお、ボルトに軸力（引張力）が加わり、軸ひずみによりボルトが伸びる場合、ナットが取付けられている箇所からボルトの軸方向に引っ張られることになる。すなわち、厳密にいうと、自由部位の長さは、溝の深さや内空間の深さから、ボルトの端からナットが取り付けられている箇所までの距離を差し引いたものになる。

本発明の軸力可視化ボルトにおけるボルトは、トンネル周辺地山に所定間隔毎で打ち込まれるロックボルト、又は、切土の斜面に所定間隔毎で打ち込まれるグラウンドアンカーである場合には、ナットと螺着するロックボルト又はグラウンドアンカーの後端部側に、溝又は棒状体が設けられる。
本発明の軸力可視化ボルトにおけるボルトは、ロックボルト又はグラウンドアンカーの後端部に接続される継手を介して、ロックボルトの後端部に接続されるものでもよい。あるいは、本発明の軸力可視化ボルトにおけるボルトは、ロックボルト又はグラウンドアンカーの後端部に螺合し得るものでもよい。

本発明の軸力可視化ボルトによれば、ボルトの断面の内部に、ボルト本体と縁が切れた自由部位を作製し、この自由部位を有するボルトに軸力が作用した際に生じる本体と自由部位の間の変形差を読み取って、それを可視化することによって軸力を把握し、危険度合を判別できるといった効果がある。

軸力可視化ボルトの構成模式図（１） 軸力可視化ボルトの構成模式図（２） 軸力可視化ボルトの構成模式図（３） 軸力可視化ボルトの機能説明図（１） 軸力可視化ボルトの機能説明図（２） 実施例１の段差可視化手段の説明図（１） 実施例１の段差可視化手段の説明図（２） 実施例２の段差可視化手段の説明図（１） 実施例２の段差可視化手段の説明図（２） 実施例３の段差可視化手段の説明図（１） 実施例３の段差可視化手段の説明図（２） 実施例４の段差可視化手段の説明図 実施例５の段差可視化手段の説明図 微小変位に対するたわみ角の変化のグラフ 各段差可視化手段における傾きとたわみ角の変化のグラフ 実施例７の軸力可視化ボルトの構成模式図（１） 実施例７の軸力可視化ボルトの構成模式図（２） ロックボルトの説明図（１） ロックボルトの説明図（２） カプラを介してロックボルトに連結される軸力可視化ボルトの説明図

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。

本発明の軸力可視化ボルトの一実施態様の構成について図１～３を参照して説明する。
本実施例の軸力可視化ボルトは、ボルトの先端部もしくは後端部（頭部）の少なくとも一方の端面に、端面の周端面と中央端面を分断する溝が形成されている。
すなわち、本実施例の軸力可視化ボルトは、ボルトの先端部の端面に、周端面と中央端面を分断する溝が形成されているパターンと、ボルトの後端部（頭部）の端面に、周端面と中央端面を分断する溝が形成されているパターンと、ボルトの先端部と後端部（頭部）の両方の端面に、それぞれの周端面と中央端面を分断する２つの溝が形成されているパターンの３態様がある。

まず、軸力可視化ボルトの先端部の端面に、周端面と中央端面を分断する溝が形成されているパターンを説明する。図１（１）に示すように、軸力可視化ボルト全体１は、軸力可視化ボルト２とナット３で構成され、軸力可視化ボルト２の先端部の端面にボルトの軸方向に沿って、円筒の溝２３が形成され、中央端面２１ａと周端面２２ａが分断されている。ボルト先端の中央端面２１ａから円筒の溝２３でボルト本体から一部分断されたボルト内部に至る部位は、ボルトが受ける軸力が伝達されない自由部位２１を形成する。ボルト先端の周端面２２ａからボルト本体に至る部位は、ボルトが受ける軸力が伝達される軸力作用部位２２のまま維持される。軸力可視化ボルト２の後端部（頭部）２５には溝は形成されていない。
図１（２）は、図１（１）における軸力可視化ボルト２のＡ－Ａ断面図を示している。溝２３の深さは、上述の如く、その変形差を読み取ることが困難でない程度に、また、ボルト本体の耐圧に影響が現れる懸念が無い程度に、ボルトの全長に応じて所定の深さに適宜設計されるものであるが、図示では、ボルトの全長の約１／２程度の深さの溝となっている。

次に、軸力可視化ボルトの後端部（頭部）の端面に、周端面と中央端面を分断する溝が形成されているパターンを説明する。図２（１）に示すように、軸力可視化ボルト全体１０は、軸力可視化ボルト２０とナット３で構成され、軸力可視化ボルト２０の後端部（頭部）２８の端面にボルトの軸方向に沿って、円筒の溝２３が形成され、中央端面２６ａと周端面２７ａが分断されている。ボルト後端部（頭部）の中央端面２６ａから円筒の溝２３でボルト本体から一部分断されたボルト内部に至る部位は、ボルトが受ける軸力が伝達されない自由部位２６を形成する。ボルト後端部（頭部）の周端面２７ａからボルト本体に至る部位は、ボルトが受ける軸力が伝達される軸力作用部位２７のまま維持される。軸力可視化ボルト２０の先端部には溝は形成されていない。
図２（２）は、図２（１）における軸力可視化ボルト２０のＢ－Ｂ断面図を示している。溝２３の深さは、上述の如く、その変形差を読み取ることが困難でない程度に、また、ボルト本体の耐圧に影響が現れる懸念が無い程度に、ボルトの全長に応じて所定の深さに適宜設計されるものであるが、図示では、ボルトの全長の約１／２程度の深さの溝となっている。

そして、軸力可視化ボルトの先端部と後端部（頭部）の両方の端面に、それぞれの周端面と中央端面を分断する２つの溝が形成されているパターンを説明する。図３（１）に示すように、軸力可視化ボルト全体１００は、軸力可視化ボルト２００とナット３で構成され、軸力可視化ボルト２００の先端部の端面にボルトの軸方向に沿って、円筒の溝２３が形成され、中央端面２１ａと周端面２２ａが分断されている。また、図３（２）に示すように、軸力可視化ボルト２００の後端部（頭部）２９の端面にボルトの軸方向に沿って、円筒の溝２３が形成され、中央端面２６ａと周端面２７ａが分断されている。
図３（３）は、図３（１）及び（２）における軸力可視化ボルト２００のＣ－Ｃ断面図を示している。溝２３の深さは、上述の如く、その変形差を読み取ることが困難でない程度に、また、ボルト本体の強度に影響が現れる懸念が無い程度に、ボルトの全長に応じて所定の深さに適宜設計されるものであるが、図示では、２つの溝を合せると、ボルトの全長の約２／３程度の深さの溝となっている。ボルト先端の中央端面２１ａから円筒の溝２３でボルト本体から一部分断されたボルト内部に至る部位は、ボルトが受ける軸力が伝達されない自由部位２１を形成する。また、ボルト後端部（頭部）の中央端面２６ａから円筒の溝２３でボルト本体から一部分断されたボルト内部に至る部位は、ボルトが受ける軸力が伝達されない自由部位２６を形成する。ボルト先端の周端面２２ａからボルト本体の部位は、ボルトが受ける軸力が伝達される軸力作用部位２２のまま維持される。また、ボルト後端部（頭部）の周端面２７ａからボルト本体に至る部位は、ボルトが受ける軸力が伝達される軸力作用部位２７のまま維持される。

次に、軸力可視化ボルトの軸力検知機能について説明する。ここでは、ボルトの先端部の端面に周端面と中央端面を分断する溝が形成されているパターンの軸力可視化ボルトで軸力を検知する仕組みについて説明する。図４（１）に示すように、軸力可視化ボルト２とナット３を用いて、ある構造物の一面側３０と他面側３１を締め付ける場合を想定する。なお、上述の如く、あまり短いボルトだと変形量も小さく計測が困難になることから、軸力可視化ボルト２とナット３の距離がある程度の距離に設けられることを前提とする。
ここで、構造物の一面側３０と他面側３１の距離がＤ１とする。例えば、捻じれや横ズレや横方向の圧縮など、構造物に応力が加わると、構造物の一面側３０と他面側３１の距離が離れることになり、距離Ｄ１がＤ２に変化する（ここで、Ｄ１＜Ｄ２）。その場合、ナット３とボルト後端部（頭部）２５によって、ボルト全体が引張力を受けることになり、ボルトが変形して軸方向に伸びることになる。このボルトが受ける軸力は、ボルトの周囲の軸力作用部位２２には伝達されるが、溝２３で分断されているボルト内部の自由部位２１には伝達されない。自由部位２１には軸力が伝達されないため、その部分だけは変形しないことになる。これによって、変形する部分と自由部位２１の変形差が生じることになり、中央端面２１ａと周端面２２ａの間には段差Ｌが生じることになる。

また別の態様として、後端部（頭部）の端面に、周端面と中央端面を分断する溝が形成されているパターンの軸力可視化ボルトで軸力を検知する仕組みについて説明する。図５（１）に示すように、軸力可視化ボルト２０の先端部を山土に埋入して、表面側３２で山土の表面を圧接する場合を想定する。ボルトが地山に定着されているため、地山が緩んで地山内部に引張力（図５（２）の矢印Ｅのような引張力）が生じた場合に、ボルト後端部（頭部）２８の圧接面で荷重を受けてボルトが変形して軸方向に伸びることになる。このボルトが受ける軸力は、ボルトの周囲の軸力作用部位２７には伝達されるが、溝２３で分断されているボルト内部の自由部位２６には伝達されない。自由部位２６には軸力が伝達されないため、その部分だけは変形しないことになる。これによって、変形する部分と自由部位２６の変形差が生じることになり、中央端面２６ａと周端面２７ａの間には段差Ｌが生じることになる。

次に、本実施例の軸力可視化ボルトの段差可視化手段について、図６，７を参照して説明する。図６，７に示すように、本実施例の段差可視化手段では、プレート４とダイヤルゲージ５を用いる。図６（１）に示すように、プレート４は、プレート留め具４ａによりプレート中央で中央端面２１ａに固着され、プレート周辺で周端面２２ａと当接している。図６（２）に示すように、中央端面２１ａが下に下がった場合、プレート４は、プレート中央が固着されているため、周端面２２ａによってプレート周辺が反り上がる。この時、周端面２２ａの内壁周縁が支点Ａとなり、中央端面２１ａで固着されている部位が力点Ｂとなり、プレート周辺が作用点Ｃとなり、プレート周辺側（作用点側）が梃子により大きく移動することにより、中央端面２１ａと周端面２２ａとの段差のサイズを拡大して可視化する。
ここで、プレート４が反り上がると、それまで見えなかったプレートの背面またはプレートが重なっていた部位の面が見えることになるので、プレートの背面やプレートが重なっていた部位の面に、光を効率よく反射する塗料、例えば、再帰性反射材を利用した塗料を、あらかじめ塗布しておくことにより、トンネルなど暗い現場において、懐中電灯で照らすと、プレートの反りがより明瞭に視認でき、危険度合を把握することができる。

図７に示すように、プレート周辺側（作用点側）が梃子により大きく移動した距離（変位）をダイヤルゲージ５の測定子５ａで計測する。ダイヤルゲージ５は、ゲージ固定治具５ｂによって中央端面２１ａに固定されている。中央端面２１ａに固定される場合には、梃子により大きく移動した距離（変位）に微小変位の段差サイズが加算されることになる。なお、ダイヤルゲージ５は、中央端面２１ａの表面のスペースが小さいことから、周端面２２ａに固定、あるいは、ナット３を締め付ける際にナットの下に入れておくワッシャ（図示せず）に固定されることでもよい。ダイヤルゲージ５の表示盤には、変位の大きさに応じた色分け（５１～５４）が施されている。これにより表示盤の指針（５ｃ，５ｄ）の指す領域の色により、危険度合を判断することができる。ダイヤルゲージ５の表示盤においても、光を効率よく反射する塗料、例えば、再帰性反射材を利用した塗料を表示盤に塗布することにより、色別の表示が視認できるだけでなく、光を当てると反射して目立つ部分の面積が増大するような仕組みを持たせることも有用である。

実施例２の軸力可視化ボルトの段差可視化手段について、図８，９を参照して説明する。図８，９は、実施例２の段差可視化手段の説明図である。図８，９に示すように、本実施例の段差可視化手段では、Ｌ型プレート６を用いる。図８（１）に示すように、Ｌ型プレート６は、プレートの一端が固着部６ａとされ、自由部位２１の側壁の一部に貼り付け固着されている。貼り付けは公知の接着剤が用いられているがこれには限られない。貼り付け面とは反対側の面は軸力作用部位２２と当接しているのみで、固着はされていない。またＬ型プレート６は端面で外側に向けてＬ型に屈曲され、非固着部６ｂを形成し、周端面２２ａに当接している。

図９（１）及び（２）に示すように、軸力可視化ボルト２に軸力がかかり、軸力可視化ボルト２が引張力を受けると、軸力可視化ボルト２が変形して軸方向に伸びることになる。このボルトが受ける軸力は、ボルトの周囲の軸力作用部位２２には伝達されるが、溝２３で分断されているボルト内部の自由部位２１には伝達されない。自由部位２１には軸力が伝達されないため、その部分だけは変形しないことになる。これによって、変形する部分と自由部位２１の変形差が生じることになり、図８（２）に示すように、自由部位２１は矢印Ｆの方向に下がることとなる。自由部位２１には、Ｌ型プレート６が固着部６ａにおいて固着されている一方、軸力作用部位２２とは固着されていないため、中央端面２１ａと周端面２２ａに段差が生じることにより、固着部６ａは、自由部位２１と共に下方へ移動することとなる。また、周端面２２ａと当接している非固着部６ｂには応力がかかり、梃子の利用で、図８（２）及び図９（２）に示すようにＬ型プレート６が反り曲がることになる。Ｌ型プレート６の周縁側の変位が段差のサイズを拡大させた変位となる。このとき、非固着部６ｂを大きく設けることで中央端面２１ａと周端面２２ａの段差を拡大して、拡大段差Ｈとして可視化する。

実施例３の軸力可視化ボルトの段差可視化手段について、図１０，１１を参照して説明する。図１０，１１は、実施例３の段差可視化手段の説明図である。図１０，１１に示すように、本実施例の段差可視化手段では、ミラープレート４０を用いる。図１０（１）に示すように、ミラープレート４０は、プレート留め具４ａによりプレート中央で中央端面２１ａに固着され、プレート周辺で周端面２２ａと当接している。図１０（２）に示すように、中央端面２１ａが下に下がった場合、ミラープレート４０は、プレート中央が固着されているため、周端面２２ａによってプレート周辺が反り上がる。この時、周端面２２ａの内壁周縁が支点となり、中央端面２１ａで固着されている部位が力点となり、プレート周辺が作用点となり、プレート周辺側（作用点側）が梃子により大きく移動する。

これにより、光路７ａと光路７ｂの角度は、図１０（１）～（３）に示すように、ミラープレート４０の移動前後によって変位することとなる。そこで、図１１に示すように、受光板８を用いて、光源部７から発せられる光を検知して、中央端面２１ａと周端面２２ａとの段差のサイズを計測して、危険度合を判断することができる。
ミラープレート４０の材質としては、比較的安価なアルミ箔を用いることが可能である。

実施例４の軸力可視化ボルトの段差可視化手段について、図１２を参照して説明する。図１２は、実施例４の段差可視化手段の説明図であり、図１２（３）及び（４）は、それぞれ図１２（１）及び（２）における指針付き回転体９の斜視図を示したものである。
図１２に示すように、本実施例の段差可視化手段では、中央端面２１ａの外縁部に設けられた支持部２１ｂ、周端面２２ａの内縁部に設けられた支持部２２ｂ及び指針付き回転体９を用いる。指針付き回転体９は、円柱形状を呈しており、一方の端面には指針９ａが設けられている。支持部（２１ｂ，２２ｂ）は、指針付き回転体９を支持し得る構造を有していればよく、例えば、棒状体でもよいし、直方体形状でもよい。
図１２（１）及び（２）に示すように、指針付き回転体９は、支持部（２１ｂ，２２ｂ）によって挟持されており、支持部（２１ｂ，２２ｂ）が上下に摺動することで、正面視上、指針付き回転体９が回転し、同時に指針９ａの角度も変位する構造となっている。

具体的には、まず、図１２（１）に示す状態においては、指針９ａはやや右下の方向を示している。かかる状態で、中央端面２１ａが下に下がった場合、支持部２１ｂは中央端面２１ａに固着して設けられているため、支持部２１ｂも下に下がることとなる。そうすると、支持部（２１ｂ，２２ｂ）に挟持された指針付き回転体９は、図１２（１）上において、左回りに回転する。その結果、図１２（２）に示すように、指針９ａも左回りに回転し、略右方向を示した状態となっている。指針９ａはそのサイズを長く設けることで、中央端面２１ａと周端面２２ａとの段差のサイズを拡大して可視化することができ、ボルトの危険度合の判断を容易にできる。

実施例５の軸力可視化ボルトの段差可視化手段について、図１３を参照して説明する。図１３は、実施例５の段差可視化手段の説明図である。図１３（１）及び（２）は斜視図を示し、図１３（３）及び（４）は、それぞれ図１３（１）及び（２）についての構造説明図を示している。
図１３に示すように、本実施例の段差可視化手段では、中央端面２１ａの中央に設けられた支持部２１ｃ、周端面２２ａの一部に設けられた直方体形状の支持部２２ｃ及びプレート４ｂを用いる。支持部２１ｃの上には支持プレート２１ｄが固着して設けられている。プレート４ｂは、支持プレート２１ｄ及び支持部２２ｃによって挟持されており、支持部２２ｃとは、接着力の低い接着剤（図示せず）で接着されているが、支持プレート２１ｄとは接着されていない。かかる構成とは異なり、プレート４ｂを支持プレート２１ｄと接着力の低い接着剤で接着し、支持部２２ｃとは接着されていない構成としてもよい。

図１３（１）及び（３）に示す状態で、中央端面２１ａが下に下がった場合、これと固着された支持部２１ｃ及び支持プレート２１ｄは、いずれも図１３（２）及び（４）に示すように、下に下がることとなる。そうすると、支持プレート２１ｄ及び支持部２２ｃによって挟持されたプレート４ｂは、支持プレート２１ｄと当接していた部位は下に下がり、支持部２２ｃと当接していた部位は上に上がることとなる。この時、支持部２２ｃの内壁周縁が支点となり、支持プレート２１ｄにおけるプレート４ｂとの当接部位の外縁部が力点となり、プレート４ｂにおける支持部２２ｃとの当接部位が作用点となって、梃子により大きく移動することにより、中央端面２１ａと周端面２２ａとの段差のサイズを拡大して、拡大段差Ｈとなり可視化する。

（プレートの素材の違いによるたわみ角の変化について）
図１４は、アルミニウム、銅、焼入鋼及びポリプロピレン（ファイル）についての、微小変位に対するたわみ角の変化のグラフを示している。横軸は変位（ｍｍ）を表し、縦軸はたわみ角（°）を表している。
実験に用いたプレートのサイズは、７２ｍｍ×１２ｍｍであり、厚さは０．１ｍｍである。また、下記表１は各素材のヤング率（ＧＰａ）を表している。なお、ヤング率とは、弾性範囲における応力とひずみの比例関係を表す比例係数のことである。

上記表１に示すように、アルミニウムのヤング率は６９ＧＰａ、銅のヤング率は１１７ＧＰａ、焼入鋼のヤング率は２０５ＧＰａ、ポリプロピレンのヤング率は１．４７ＧＰａとなっている。
図１４に示すように、ヤング率の低いポリプロピレンが最もたわみ角が大きくなっており、以下、アルミニウム、銅、焼入鋼の順となっている。以上より、ヤング率の低い柔らかい素材をプレートとして用いた場合の方が、たわみ角が大きくなっていることが確認できる。

図１５は、実施例１、２、４及び５の各段差可視化手段における傾きとたわみ角の変化のグラフを示している。横軸は変位（ｍｍ）を表し、縦軸は傾き（°）を表している。
図１５に示すように、０．１５ｍｍまでの微小変位であれば、実施例２、実施例４、実施例１、実施例５の順に変化が大きく有効的であるといえる。

本実施例では、実施例１とは異なり、端面の中央端面が刳り貫かれた内空間の内壁に非接触で内空間の底部に固着された棒状体の場合について説明する。
図１６及び図１７は実施例７の軸力可視化ボルトの構成模式図を示している。図１６は丸ワッシャを用いなかった場合、図１７は丸ワッシャを用いた場合を示している。

まず、丸ワッシャを用いなかった場合について説明する。図１６（１）に示すように、軸力可視化ボルト２における自由部位２１は、溶接部６４において溶接されている。軸力可視化ボルト２は、反力壁６０に挿し込まれ、角ワッシャ６３を挟んで、ナット６２で固定する構造である。軸力作用部位２２の先端部には鋼材プレート６１が設けられている。鋼材プレート６１は少なくとも中央端面が刳り貫かれた断面形状よりも大きな円形状の貫通孔が設けられている。自由部位２１の先端部には、プレート４がプレート留め具４ａを用いて固定されている。
図１６（２）に示すように、軸力可視化ボルト２に軸力６５がかかり、伸び変位６６が発生すると、軸力作用部位２２には、ボルトが受ける軸力が伝達されるが、自由部位２１には、ボルトが受ける軸力が伝達されないため、実施例１と同様に、ボルト先端の周端面と中央端面に段差が生じる。中央端面が下に下がった場合、プレート４は中央端面と固着されているため、周端面によってプレート周辺が反り上がる。

次に、丸ワッシャを用いた場合について説明する。図１７（１）に示すように、軸力可視化ボルト２における自由部位２１は、溶接部６４において溶接されている。軸力可視化ボルト２は、反力壁６０に挿し込まれ、角ワッシャ６３を挟んで、ナット６２で固定する構造である。軸力作用部位２２の先端部には鋼材プレート６１が設けられている。鋼材プレート６１は少なくとも丸ワッシャ６７の円形状よりも大きな円形状の貫通孔が設けられている。自由部位２１の先端部には、プレート４が、丸ワッシャ６７を挟み、プレート留め具４ａを用いて固定されている。図１７（２）に示すように、軸力可視化ボルト２に軸力６５がかかり、伸び変位６６が発生すると、軸力作用部位２２には、ボルトが受ける軸力が伝達されるが、自由部位２１には、ボルトが受ける軸力が伝達されないため、実施例１と同様に、ボルト先端の周端面と中央端面に段差が生じ、中央端面が下に下がった場合、プレート４は中央端面と固着されているため、周端面によってプレート周辺が反り上がる。プレート４とプレート留め具４ａの間には丸ワッシャ６７が設けられているため、丸ワッシャ６７の周縁部と鋼材プレート６１の内縁部の周辺でプレート４が反り上がることとなる。

本実施例では、トンネル周辺地山に所定間隔毎で打ち込まれるロックボルトに関する軸力可視化ボルトについて説明する。図１８は、トンネル内壁面から放射状に施工するロックボルトの模式図を示している。トンネルを掘削すると、掘削した空間の近くの地山は崩れやすい緩み領域７３ａになり、何も対策をしないとトンネル空間の方向（図の矢印の方向）に崩れてしまうことがある。そこで、トンネル内壁面７０から地山に対して、直径数ｃｍの穴を、緩みのない固い健全領域７３ｂまで削孔し、そして、ロックボルト７１を打設し、フェイスプレート（図示せず）でトンネル内壁面を圧接する。ロックボルト７１は、健全領域７３ｂで定着し、緩み領域７３ａが図の矢印の方向（トンネル内面）に崩れてくるのをフェイスプレート（図示せず）とナット（図示せず）で受け止める。
図１９に示すように、ロックボルト７１は、掘削された直径数ｃｍの穴に挿入され、この余空間にセメントグラウト７２が注入され、セメントグラウト７２が固化した後に、トンネル周辺地山に変形が生じると、ロックボルト７１がその変形を抑制する効果を発揮する。露出している端部にはフェイスプレート７４とナット７５が装着され、表面での変位抑制効果を確実なものにしている。図中の矢印に示すように、ロックボルト７１が打設された地山に変形が生じると、ロックボルト７１の奥の健全領域７３ｂで固定されているために、手前の緩み領域７３ａの地山が矢印方向に押し出されるのをフェイスプレート７４で受け止めることになる。

ロックボルト７１自体が、ボルトの端面の周端面と中央端面を分断する溝、又は、ボルトの端面の中央端面が刳り貫かれた内空間の内壁に非接触で内空間の底部に固着された棒状体であってボルトと同材質の棒状体の何れかと、ボルトが受ける軸力に応じて中央端面もしくは棒状体の自由端と周端面との間に生じる段差のサイズを拡大して可視化する段差可視化手段を有することも可能であるが、継手として機能するカプラ７６を介して、ロックボルト７１と連結されることも可能である。
図２０は、軸力可視化ボルト７７が、ロックボルト７１にカプラ７６を介して連結されるパターンを３つ示している。軸力可視化ボルト７７は、通常のロックボルトの一部として使用される。図２０（１）では、１０～３０ｃｍ程度の自由部位を有する軸力可視化ボルト７７がカプラ７６で全長数ｍのロックボルト７１と連結する様子を示している。この場合、軸力可視化ボルト７７の部分は、セメントグラウト７２との定着がない状態にするため、低い荷重でも軸力可視化ボルト７７は伸びることになる。
また、図２０（２）では、図２０（１）の場合よりも、変形量を大きくして可視化しやすくするために、軸力可視化ボルトの長さを１～４ｍにして、変形量を大きくする。ロックボルトとしての定着長は２ｍ程度必要なので、全長４ｍのロックボルトなら軸力可視化ボルトの長さは２ｍ、全長６ｍのロックボルトなら軸力可視化ボルトの長さは４ｍとすることが可能である。そして、軸力可視化ボルトの長さをロックボルトの全長の８０～９０％にする場合は、図２０（３）のように、アンカー部７８を設けることも可能である。

本発明は、トンネルの内壁面や切土などの斜面に所定間隔毎で打ち込まれるロックボルトやグラウンドアンカーなどの長尺鉄筋の軸力を計測する手段として有用である。

１，１０，１００ 軸力可視化ボルト全体
２，２０，７７，２００ 軸力可視化ボルト
３，６２，７５ ナット
４，４ｂ プレート
４ａ プレート留め具
５ ダイヤルゲージ
５ａ 測定子
５ｂ ゲージ固定治具
６ Ｌ型プレート
６ａ 固着部
６ｂ 非固着部
７ 光源部
７ａ～７ｃ 光路
８ 受光板
９ 指針付き回転体
９ａ 指針
２１，２６ 自由部位
２１ａ，２６ａ 中央端面
２１ｂ，２１ｃ，２２ｂ 支持部
２１ｄ 支持プレート
２２，２７ 軸力作用部位
２２ａ，２７ａ 周端面
２３ 溝
２５，２８，２９ 後端部（頭部）
４０ ミラープレート
６０ 反力壁
６１ 鋼材プレート
６３ 角プレート
６４ 溶接部
６５ 軸力
６６ 伸び変位
６７ 丸ワッシャ
７０ トンネル内壁面
７１ ロックボルト
７２ セメントグラウト
７４ フェイスプレート
７６ カプラ
７８ アンカー部
Ａ 支点
Ｂ 力点
Ｃ 作用点
Ｄ１，Ｄ２ 距離
Ｅ，Ｆ 矢印
Ｈ 拡大段差
Ｌ 段差
Ｒ 回転方向

Claims (13)

1. ボルトの先端部もしくは後端部（頭部）の少なくとも一方の端面に、
   前記端面の周端面と中央端面を分断する溝、又は、前記端面の中央端面が刳り貫かれた内空間の内壁に非接触で内空間の底部に固着された棒状体であってボルトと同材質の前記棒状体、の何れかと、
   ボルトが受ける軸力に応じて前記中央端面もしくは前記棒状体の自由端と前記周端面との間に生じる段差のサイズを拡大して可視化する段差可視化手段、
   を備えたことを特徴とする軸力可視化ボルト。
2. 前記段差可視化手段は、前記中央端面又は前記棒状体を力点側とし、前記周端面の内壁周縁を支点とし、梃子により移動する作用点側で前記段差のサイズを拡大して可視化することを特徴とする請求項１に記載の軸力可視化ボルト。
3. 前記段差可視化手段は、前記端面の周端面と当接し、前記中央端面又は前記棒状体に固着されたプレートを備え、前記段差のサイズを拡大させた変位である前記プレートの周縁の変位を検知することを特徴とする請求項２に記載の軸力可視化ボルト。
4. 前記段差可視化手段は、梃子により移動する作用点側の変位を計測するダイヤルゲージであって、変位の大きさに応じた色分けが表示盤に施された前記ダイヤルゲージを備えたことを特徴とする請求項２又は３に記載の軸力可視化ボルト。
5. 前記プレートがミラープレートであり、該ミラープレートの変化を、光の反射光の変位から検知することを特徴とする請求項３に記載の軸力可視化ボルト。
6. 前記プレートがアルミ箔であり、該アルミ箔の変化を、光の反射光の変位から検知することを特徴とする請求項３に記載の軸力可視化ボルト。
7. 前記段差可視化手段は、前記溝の中央端面側の側壁又は前記棒状体の側壁の全周もしくは一部に固着され、前記端面で外側に屈曲して前記端面の周端面と当接するプレートを備え、該プレートの周縁の変位が前記段差のサイズを拡大させた変位であることを特徴とする請求項２に記載の軸力可視化ボルト。
8. 前記段差可視化手段は、前記中央端面と前記周端面との間に設けられた前記溝、又は、前記棒状体と前記内空間との隙間に設けられる球体もしくは円柱体を備え、前記球体もしくは円柱体に指針が取り付けられ、前記段差の発生により前記球体もしくは円柱体が回転することにより、前記指針の変位が前記段差のサイズを拡大して可視化することを特徴とする請求項１に記載の軸力可視化ボルト。
9. 前記段差可視化手段は、前記ボルトの前記端面の外側に設けられた基準端面の内縁を力点側とし、前記周端面の外壁周縁を支点とし、梃子により移動する作用点側で前記段差のサイズを拡大して可視化することを特徴とする請求項１に記載の軸力可視化ボルト。
10. 前記溝の深さ又は内空間の深さは、前記ボルトの軸方向の長さの９／１０以下、かつ、前記端面の周端面から１０ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１～９の何れかに記載の軸力可視化ボルト。
11. 前記ボルトは、ロックボルト又はグラウンドアンカーであり、前記ロックボルト又はグラウンドアンカーの後端部側に、前記溝又は前記棒状体が設けられることを特徴とする請求項１～１０の何れかに記載の軸力可視化ボルト。
12. 前記ボルトは、ロックボルト又はグラウンドアンカーの後端部に接続される継手を介して、前記ロックボルト又はグラウンドアンカーの後端部に接続されることを特徴とする請求項１～１０の何れかに記載の軸力可視化ボルト。
13. 前記ボルトは、ロックボルト又はグラウンドアンカーの後端部に螺合し得ることを特徴とする請求項１～１０の何れかに記載の軸力可視化ボルト。

Images