JPH0926386A - 地中の応力と物性を同時に測定するための一面破砕計測方法及びその計測機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 地中の応力と物性を同時に測定するための一
面破砕計測方法及びその計測機械を提案する。 【解決手段】 地下の応力状態と地山物性を同時に測定
する計測機により、非理想的な自然の複雑地山におい
て、応力と物性を同時に直ちに測定中に算定する。本方
法および装置は応力と物性の連続的な経時測定を可能と
し、地山の急速な安定条件の変化を事前に探知するため
に利用することも可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中の応力と物性
を同時に測定するための一面破砕計測方法及びその計測
機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の急速に進歩する数値解析技術によ
ってトンネル、地下鉱山、大深度地下空洞、ダム等の大
規模な土木構造物の非常に高度な設計と解析が可能とな
った。この精巧かつ強力な数値解析方法を有効に利用す
るためには、構造物を含む地下岩盤の応力と物性をコン
ピュータプログラムの入力データとして確保する必要が
ある。残念ながらその地下データを直接に計測する方法
並びに機械の開発は前述の数値解析の開発に比べて遥か
に遅れている。更に、たとえそのデータを確保する方法
が開発されたとしても、現状ではその数値解析の結果を
現地において実際に確認、実証する方法が存在しない。
現在の土木および鉱山における設計、施工並びにその他
の地下構造物の建設が基本的に非定量的に行われ、技術
的に非常に遅れているのはそのためである。

【０００３】地下応力測定の既存の方法としては次のも
のがある。即ち、オーバコアリング法、水圧破砕法、ボ
アホール・スロッティング法、コア変形特性法、並びに
これらの方法から派生した、多数の関連方法である。オ
ーバコアリング方法はその計測の対象となる地下物性が
（理論的に）理想的な状態にある場合にのみ適用するこ
とができる。

【０００４】しかし実際の自然の地山では、理想的な状
態が存在することは非常に稀である。これに対して水圧
破砕法も地盤に顕在、或いは潜在亀裂が存在しない均質
な地山物性においてのみ応用することができる。その他
の方法は現在まだ研究段階にあり、現場における実用は
難しい。実際に現場で広く使用されているプレシオメー
タ並びにGoodman Jackは地山物性の測定を目的とした計
測機であり、応力を直接測定するものではない。そのた
めに現在、地山の応力と物性を現場で正確にリアルタイ
ムで測定する計測機は存在しない。現在、物性と応力を
同時に測定する場合には１つのテスト孔に２つの異なっ
た計測機を交互に挿入してこれらを求めなければならな
い。このような操作は現場での計測の精度も悪く、又コ
ストの点から見ても不可能である。実際の土木や鉱山の
現場では、応力と物性の実態を同時に測定することによ
って初めてロック・バスティング、空洞崩壊、地盤変
動、山崩れ、地震発生等の危険度を探知し、その発生時
刻を予知することができる。特に連続測定並びに同一地
点における長期の繰り返し測定等は既存の如何なる方法
でも不可能である。

【０００５】これを可能とするための新しい応力並びに
物性の計測方法が、アメリカのShosei Serata によって
開発された（米国特許第 4,733,567号）。この方法は孔
内載荷のために油圧によって膨張するプラスチックのチ
ューブを利用している。このチューブには多数のLVDTセ
ンサがプローブの直径方向に配置され、これによってプ
ローブの載荷による任意の一破砕面の人工的な発生を測
定することができる。この孔内載荷プローブの油圧力が
孔壁の接線応力と引張強度の和を超えると特定の一破砕
面が発生する。この一面破砕を発生させた後で油圧力を
一度ゼロに戻し、再び載荷を行うと今度は前回よりも低
い油圧力の値でその既成破砕面を再開することができ
る。このようにして孔壁周辺に任意の方向に一面破砕を
発生させ、その載荷／除荷における、この油圧と破砕面
の変形を破砕面の角度の関数として観察することによっ
てその測定点における応力状態と地山物性を算出するこ
とができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この新しい方法で高い
精度の応力と物性を有効かつ迅速に測定することによっ
て地下工事を今までの非定量的な方法から定量的な方法
へと変えて行く画期的な改善を達成することができる。
これによって得られる土木構造物の安全確保と建設費の
節減による利益は画期的である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は地下の応力状態
と地山物性を測定する方法と計測機より構成されてい
る。本方法の特長は、今まで不可能と考えられてきた非
理想的な自然の複雑地山において応力と物性を同時に直
ちに測定中に算定することにある。更に、この方法で
は、従来不可能とされてきた応力と物性の連続的な経時
測定を可能とし、地山の急速な安定条件の変化を事前に
探知するために利用することもできる。

【０００８】本発明に係る装置は孔内載荷計測機とも称
されるもので、鋼製の有孔心棒に取り付けられた柔らか
く弾性変形可能なゴム製の膨張載荷チューブと、これを
安全に固定するエンドキャップより成っている。載荷油
圧機構と電線はこのエンドキャップを通して載荷チュー
ブに連結されている。エンドキャップはチューブの両端
にあり、載荷油圧によるチューブの変形に対しても安全
を保つことが出来る。

【０００９】本発明に係る装置の構成は、両端のエンド
キャップと膨張チューブの間に緩衝材として設けたコッ
プ状のエンドシールよりなる。エンドシールの中には鋼
製のアンカーが配置され、高い載荷油圧に対して油がチ
ューブから漏れないように工夫されている。即ち、エン
ドシールは鋼製エンドキャップとテスト孔壁の空間で環
状のＯリング効果を発揮し、柔らかい載荷チューブが高
圧によってその空間に押し出されることを防いでいる。

【００１０】エンドシールは固いウレタンゴムより成
り、その中には多数の鋼材より構成された変形可能な鉄
製の輪が円周方向に内蔵されている。この鉄製の輪は、
変形または破壊を避けるためコイルスプリングの中に鋼
球、或は短い鋼製ピンを多数詰め込んで作成した鋼製Ｏ
リングである。更に, そのシールの外面は、長軸方向に
配置された高強度の繊維によって保護されている。その
繊維の方向のために変形は孔壁方向の膨張は自由である
が、軸方向には拘束されている。

【００１１】このエンドシールによって保護されるゴム
製の載荷チューブの円筒形の外面は高強度繊維で被われ
ている。繊維の方向を軸に垂直の方向に設定しているた
めにチューブは円筒の接線方向の変形を制御される。そ
の載荷チューブの表面は、軸方向に鋼製ワイヤに覆わ
れ、これによって孔壁の円周方向に摩擦効果を発生させ
る機能を有している。

【００１２】多数のLVDTセンサが載荷チューブ内に軸方
向に一定間隔を置いて直径方向に配置されている。載荷
チューブの直径方向に作られた多数の挿入孔を利用し
て、LVDTセンサはチューブの外部から挿入交換が可能で
ある。これと同時にLVDTセンサのワイヤは心棒の中の孔
を通して、隣接した電気機器部に接続されている。ゴム
製載荷チューブはLVDTセンサと同様の孔を利用した固定
ピンによって鋼製心棒に固定されている。この直径方向
の固定ピンは、載荷チューブを直径方向のみ自由に変形
できるようにしている。

【００１３】プローブの操作においては、始めにプロー
ブをテスト孔に挿入し、そのゴムチューブを油圧によっ
て膨張載荷する。載荷チューブの変形は直径方向に多数
の位置で同時に測定される。載荷チューブの外面は接線
方向の変形に対して高い摩擦係数を持ち、載荷力によっ
てそのテスト孔壁周辺の岩体は圧縮（圧密）される。載
荷チューブの全面を覆う２個１組の摩擦シェルを用いて
載荷することによって、孔壁の全面を圧密すると同時に
そのシェルの接面によって定まる一平面に沿って接線引
張力を集中させ、任意の方向に人工の一面破砕を発生さ
せることができる。更に、プローブの回転方向を変えて
同様の一面破砕を繰り返し発生させて、破砕面の開閉変
形を載荷応力とプローブの回転角との関係として測定す
ることができる。

【００１４】そのデータを電気機器部に設置したコンピ
ュータによって解析することにより、テスト孔の外にあ
る測定用コンピュータの画面に一破砕面の挙動がリアル
タイムで表示される。測定用コンピュータに装備された
データ解析ソフトウェアによって測定値が直ちに図表化
され、その計測結果が直接コンピュータの画面に表示さ
れる。この測定によって応力の計測点における応力状態
と地山物性とが計測中にリアルタイムで解明されること
になる。尚、LVDTセンサは軸方向に一定の間隔をおいて
多数配置されているために物性の軸方向に対する変化も
同時に測定できる。

【００１５】本発明の重要な基本点は、物性の如何に係
わらず、テスト孔の孔壁面に実在する接線応力の方向分
布を直接に測定することである。この方法は地山の物性
に対する理想的仮定を全く必要とせず、逆にその実態を
数値解析によって解明する方法を初めて可能としたもの
である。更に、この計測機の使用においてプローブをテ
スト孔の中に長期にわたって固定し、同一測定点におい
て連続的に計測を行うことを初めて可能としたものであ
り、これによって従来不可能とされて来た応力並びに物
性の長期の径時変動を測定することができる。これによ
って地滑り、地下空洞の崩壊等の径時変化を事前に予知
することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明は、地中の応力とその岩盤
物性を孔内載荷テストによって同時に自動的に測定する
方法と装置を具える。本発明の特筆すべき点は、地中の
応力と物性の測定結果が、計測中に計測機に内蔵された
解析コンピュータによって、その場で直ちに画面に表示
されることである。又、この方法は従来の如何なる方法
によっても対処できない既存の亀裂をも含む複雑な岩盤
においても、高い精度の測定を可能とする画期的な方法
である。

【００１７】図１に示すように、本発明に係る装置は応
力と物性を測定するために作られたテスト孔22の測定点
に設置される。このプローブ20は載荷部21と電気機器部
24とからなり、両者はコネクタ23によって連結されてい
る。この図には示されない油圧制御、電力供給、コンピ
ュータ等の外部操作機能は、油圧管と電線によってプロ
ーブと連結している。

【００１８】図２は、載荷部21が空洞36を有する隔壁側
エンドキャップ28によって電気機器部に連結される機構
を示している。載荷部21はエンドキャップの先端にある
ネジ26によって電気機器部の隔壁27に結合されている。
これによって載荷部21と電気機器部24との交換が容易に
できる機能を有することとなる。プローブの載荷部は、
膨張チューブ41、心棒34及び緩衝材のエンドシール46の
三者をエンドキャップ28のネジ33によって一体化してい
る。エンドキャップと隔壁の間に作られた高圧チャンバ
ー36は、高い油圧状態における電線の接続部を収納する
スペースを提供している。以下に説明する通り、これに
よって高圧の油を載荷部でシールすることができる。心
棒34の軸心空間37に導入される高圧油は、載荷チューブ
の先端鋼管38に装填された一対のＯリングによって密封
されている。

【００１９】膨張チューブ41は心棒34に取り付けられて
いる。この心棒に導入される高圧油は、心棒から放射状
に作られた油の流通孔43を通して心棒と膨張載荷チュー
ブとの間の空間に導入される。このチューブ41は柔軟な
合成ゴムからなる。これに対してエンドシール46は固い
合成ゴムからなり、鋼製エンドキャップ28と柔らかい膨
張チューブ41との間の緩衝材として高圧油のシール機能
を果たしている。このエンドシール46が柔らかい膨張載
荷チューブ41の高油圧による破砕を防止している。

【００２０】図３は膨張載荷チューブ41の載荷機能を制
御する弾性摩擦円筒40を示している。この円筒は高強度
人工繊維（ケブラ、或いはこれと同等のもの）で作られ
た高い引張強度を持った弾性内層47とその外面を包む摩
擦外皮49より成り、内層の繊維は接線方向に配置されて
載荷チューブの周辺を覆っている。この弾性摩擦円筒は
軸心と直径によって規定される面によって２つの相対す
る半円筒に分割されている。その半円筒の外皮は軸方向
に配置された鋼製ワイヤメッシュによって作られてい
る。このワイヤメッシュによってチューブの直径方向の
膨張は自由にできるが、軸方向の変形は制御されてい
る。この鋼製メッシュの摩擦効果によって孔壁面の接線
方向の引張ひずみが制御される。その反動として孔壁の
接線方向の引張応力がすべて円筒の切断面48に沿って集
中する。

【００２１】図11および図12に示すように、油圧がかか
らない場合にはスロット48は閉じているが、油圧載荷に
よって摩擦円筒40は破砕面45を境界にして２つの方向に
分離する。これによって孔壁周辺の潜在、或いは顕在の
亀裂を含む地山物性の複雑さに関係なく、載荷によって
発生する亀裂面の方向は常に任意に設定される破砕面45
に一致する。この一面破砕制御の方法は、複雑地盤にお
ける実用的な応力と物性の測定を始めて可能とするもの
である。

【００２２】図２及び図７に示すように、載荷部には２
個１組のアンカーピン51が破砕面45に垂直に設けられて
いる。このピンは心棒34の中央部に作られた直径方向の
穴53に設置されている。このピンは載荷チューブの中に
挿入されたソケット52に固定され、チューブ41が心棒に
対して一定方向にのみ膨張変形をすることを可能として
いる。個々のアンカーピン51は載荷チューブのソケット
にネジ50で設置されるようになっているので、その必要
に応じて外から容易に取り外すことができる。このアン
カーピンによって載荷チューブが心棒に固定され、その
チューブの軸に対する回転や軸方向の変位を防止してい
る。

【００２３】載荷による孔壁22の直径方向の変位は、載
荷チューブ41の中に直径方向に配置した多数のLVDTセン
サ61によって測定される。図４及び図５に示すように、
個々のLVDTセンサは載荷チューブの中に設定された一対
のソケット62の中に２個一組（コイルとコア）の構成で
密封されている。LVDTセンサのコアとソレノイドはそれ
ぞれのソケットの中のネジ63に固定され、必要に応じて
外部からこれを交換することを可能としている。この機
構によってLVDTセンサは心棒34に垂直に作られた穴64の
中に入れて載荷チューブの膨張による孔壁の直径変形
を、その破砕面に垂直に測定することを可能としてい
る。図２はアンカーピン51を載荷部の中心に置き、その
両側に複数個のLVDTセンサ61を配置した構造を縦断面図
によって示している。しかしそのLVDTセンサの数と間隔
は各々の測定の目的によって自由に変えることができ
る。

【００２４】図６はLVDTセンサを装填するソケット52の
外側に作られた複数個の溝67を示している。この溝は外
側に向かって緩やかな形状をなすことによりソケットと
プラスチックの接続を強化している。この溝により載荷
チューブが膨張しても高圧油がソケット壁面を通して外
部に漏れることを防いでいる。

【００２５】図８は載荷部の両端における接続の構成
と、これによる高圧油の密封機能を示している。コップ
形状をなす鋼製のエンドキャップ72が、同様に鋼製の心
棒34に緩衝材のエンドシール78を隔てて接続する状態を
示している。膨張載荷チューブ41の先端部74はエンドキ
ャップ72と心棒34に挟まれた形で固定されている。膨張
チューブ41の先端に接着された鋼管38にＯリングを装填
している。これによって心棒のネジの両端から高圧油の
漏れを防いでいる。

【００２６】この油圧封入の重要な機能を果たしている
のが膨張チューブ41とエンドキャップ72の間に存在する
エンドシール46である。このエンドシールは固いウレタ
ンゴムで作られ、柔らかい膨張チューブと硬性のエンド
キャップとの間にあってその緩衝機能を果たしている。
図９に示すように、この緩衝効果により柔らかい膨張チ
ューブが鋼製エンドキャップと孔壁の間から押し出され
るのを阻止している。

【００２７】エンドシール46は楔状の断面を有し、一方
では膨張チューブ41と、他方ではエンドキャップ28と密
着している。そのエンドシールの内面並びに外面は高強
度人工繊維79によって強化されている。その強化繊維が
軸方向に配置されることによって軸方向の変形を防止し
ながら直径方向の変形を自由にしている。図９は更にエ
ンドシールの内部にある鋼製の螺旋スプリング81、82、
83によって自由に直径方向に変形のできる輪型構造を示
している。螺旋スプリングの中に挿入されている多数の
鋼材はコイルスプリングが油圧によって押しつぶされる
のを防ぐと同時に自由に直径方向の拡大を許している。
小さい直径のスプリング81はエンドキャップの開いた先
端73に接触している。

【００２８】図９に示すように、載荷チューブ41が拡大
した時に、リング81はエンドシール46の先端をエンドキ
ャップの先端73に確保することによって載荷部の安定を
確保している。スプリング82及び83は載荷チューブ41の
両端部の外面の安定を確保している。エンドシール78は
その表面を軸方向に配置された繊維79によって覆われ、
これによってエンドシールはその軸方向の変形を抑止さ
れ、直径方向にのみ変形する。このエンドシール46によ
って鋼製エンドキャップ28と壁面22とのなす空隙からの
ゴム製チューブのはみ出しを防止する。

【００２９】このスプリング82と83は膨張したエンドシ
ールを元に戻す復元力を有し、膨張後に油圧が除かれた
場合に図８に示す静止した状態に戻る。載荷膨張チュー
ブの先端にあるエンドシール78のこの機能は、その後端
にある隔壁側エンドシール46においても同様に果たされ
ている。

【００３０】上記の載荷部21は、その全体を接続された
電気機器部24からの簡単な取外しや交換を行うことがで
きる。載荷部を構成する諸要素、即ち、LVDTセンサ61、
アンカーピン51、膨張チューブ41、エンドシール46、心
棒34、両端のエンドキャップ28、72等は全てが簡単なネ
ジの連結によって組立てられている。この載荷部の最も
重要な特長は、載荷膨張チューブ41が摩擦シェル40で覆
われていることである。膨張チューブをテスト孔22の壁
面に押しつけた場合、シェルの摩擦外皮49の摩擦効果に
よって孔壁の顕在並びに潜在亀裂などを固定する。

【００３１】摩擦効果の理論的背景を図13および図14に
示す。この２つの図は摩擦面の範囲Ｂと非摩擦面の範囲
Ａとの割合が孔壁の接線応力

【数３】 に与える効果を示している。摩擦並びに非摩擦載荷範囲
角度をそれぞれβ、αとした場合、摩擦面における接線
応力

【数４】 と非摩擦面における接線応力

【数５】 との間には下記に示す関係が成立する。

【数６】

【数７】

【００３２】図17及び図18に示すように、摩擦範囲βが
π/2の値に近づくとα≒０となり、引張効果がプローブ
のスロット48の１点に集中する。その結果、孔壁周辺の
地山の強度や亀裂状態にかかわらず、そのスロットに沿
って一面破砕が発生する。この人工破砕面を再開するの
に必要な油圧力を

【数８】 とすると、その破砕面における接線応力

【数９】 の値は次の関係から直接に油圧力として観察される。

【数１０】 この新しい計測方法を一面破砕法と呼ぶ。この方法の現
場での実施は次のステップを具える。まず図１に示すよ
うに、プローブ21をテスト孔22の中に挿入する。次に載
荷面の２つのスロット48によって決定される破砕面45の
方向をプローブの回転基準方向とし、その基準方向と最
大主応力Ｐo とのなす角度をθo と規定する。次に孔壁
への載荷を行い、孔壁の油圧力に対する変形をLVDTセン
サ61によって観察する。図18は破砕面が最小応力方向に
合致する場合（θo ＝０、φ＝90°）の接線応力の分布
を示している。この例に示すように、接線応力

【数１１】 の値は孔壁の全面にわたって増大するが、その反動とし
て破砕面45に沿って引張応力が集中する。その結果とし
て一破砕面45が発生する。この一破砕面の変形挙動を載
荷並びに除荷のサイクルを繰り返すことによって観察す
る。

【００３３】図８に示すように、載荷プローブを除荷
し、自由になったプローブの測定角度φを60°回転して
上記の測定操作を繰り返し、新しい亀裂面の挙動を測定
する。この操作を３つの異なったφ方向(0°, 60°,120
°) において繰り返すことにより、次の３つの連立方程
式を成立させることができる。

【数１２】 ここで、Po 、Qo は計測面における最大、最小主応力
である。

【００３４】垂直のテスト孔で計測する場合にはプロー
ブの基準方向（φ＝０）を地磁気のＮ方向(Magnetic No
rth)に取り、水平面で計測する場合にはこれを重力方向
に取る。上記の連立方程式における未知数は２個（Po，
Qo）或いは３個（Po，Qo，θo ）である。ｎ＝２の場合
にはφ＝0 °及び90°とし、ｎ＝３の場合にはφ＝0
°、60°、 120°とする。その結果を上式に代入するこ
とによって応力状態Po、Qo、θo を算定することができ
る。尚、ｎの値を３以上にすることによって、計測精度
を統計的に向上させることができる。図17と図18はｎ＝
２、θ＝０、α＝90°の場合の孔壁接線応力

【数１３】 の角度分布を示している。

【００３５】この計測結果からそれぞれの測定方向
（φ）に対する地山物性の値を次の関係式によって自動
的に求めることができる。

【数１４】 ここで、

【数１５】

【００３６】この発明の有利な点は、孔壁周辺の接線応
力を直接に測定できることである。測定応力値は、地山
の物性値やその状態に関係なくその場で計測用コンピュ
ータの画面に現れる数値である。このようにして地中の
物性状態にかかわらず応力が測定できる方法は既存のオ
ーバコアリング、水圧破砕法、ダブルフラクチュア法な
どの方法に比べて画期的な改良である。これらの既存の
方法は地中の応力を直接測定するのではなく理想的な地
質状態を仮定し、これに基づく弾性理論解析から間接的
に応力を求める方法である。ところが、地中の物性は理
想的な均一の弾性体ではないために、このような仮定に
基づく計測方法は地中の実状に適用できない場合が多
い。

【００３７】図19及び20は、一定の応力状態にある地殻
に削孔することによって接線応力が孔壁周辺に集中する
状態を示す。図19は一定応力状態の地中の同一点におけ
る削孔前と掘削後の応力の方向分布を比較することによ
って、テスト掘削によるその変化を示している。図20は
理想的な弾性体における孔壁接線応力のサイン曲線分布
とその非弾性挙動への転位の可能性を示している。例え
ば接線応力が岩の降伏強度を超えて塑性挙動を起こす
と、応力分布曲線は部分的、或いは全体が塑性状態とな
る。その反面、孔壁に引張強度が集中した場合には潜在
亀裂地盤(Prefractured Ground) の曲線で示される状態
となる。このように正常のサイン曲線から著しく逸脱し
た場合でも、直接にテスト孔の壁面接線応力角度分布曲
線を求めることによって地山の応力状態と物性値の実態
を確認することができる。尚、この方法による計測の精
度はそれぞれの計測点において更に多くの計測を行うこ
とによって精度を上げることができる。

【００３８】孔壁全体が塑性状態になると接線応力は回
転方向に関係なく同一の値となるが、逆に直径変形はそ
の方向によって大きく変わってくる。この様な場合には
プローブの計測挙動をその為に特別に作られたFEM モデ
ルを利用して、このデータを逆解析することによって応
力と物性を算定することができる。実際の地中の物性は
長い間の内部からの地殻変動と表面からの風化によって
その深さにかかわらず無数の潜在並びに顕在亀裂が存在
している。そのため、地中応力の正確な測定は今まで不
可能と考えられて来た。この発明はこの問題を根本的に
解決して新しい可能性を開くものである。

【００３９】この計測方法によってまずテスト孔内にお
ける地質物性のテスト孔方向の分布を測定することが出
来る。この事前観察によって計測の目的に最も望ましい
テスト孔内の計測位置を決めることができる。この様に
非常に複雑な地質においても計測点を僅かに移動させる
ことによって多くの測定条件を改善し、高い精度の計測
を行うことができる。幸いにもこの事前地山物性調査は
各測定位置においてこの一面破砕プローブによって極め
て迅速に行うことができる。これに比べて従来方法では
別途供試体による室内テスト等で間接的にその物性を求
めているので、本方法による計測時間の節減は画期的で
ある。

【００４０】図21では測定点の地質物性の予備測定を行
なった結果を示す。ごく僅かな時間（20〜30分）の測定
において測定点の物性が判明する。ここに示す変更点

【数１６】 は破砕面の自由再開油圧力が計測中のコンピュータ画面
から直接測定出来ることを示す。図22に示すように、測
定点の地盤が悪い場合でもプローブ載荷の繰り返しによ
って孔壁周辺の岩質を疑似弾性にまで圧密して

【数１７】 点を測定することができる。

【００４１】図１に示すように、本発明の他の特長はプ
ローブの中に装填された多数のLVDTセンサ61によって破
砕面に対する開閉挙動の違いを直接に測定できることで
ある。一つのテスト孔におけるその挙動の軸方向の分布
から、孔軸方向の物性分布を直接測定することができ
る。この方法は地山物性の非連続性、既弱面の存在等の
地山の複雑性を測定することができるので、地下構造物
の安全評価やその掘削工事に有効に使用できる。尚、こ
の測定を繰り返すことによって地中の応力と物性の複雑
な経時変動を４次元的に測定することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明は孔内への載荷によって孔壁に一
面破砕を起こさせ、その結果から孔壁周辺の応力状態と
地山物性を測定するものである。このプローブが地山物
性やその複雑性に関係なく任意の一方向に破砕面を発生
させることができるのは、その特定破砕一面以外の孔壁
周辺をプローブ外被の摩擦シェルによって力学的に固結
させることによるものである。この方法が既存の方法よ
り遥かに優れている点は地質の複雑な自然の状態で理想
条件の有無に係わらず有効な測定を可能とすることであ
る。

【００４３】本発明による計測は総合的コンピュータ操
作によるもので、データの収集、解析並びに図表の表示
を計測中にリアルタイムで自動的に行われる。このコン
ピュータ化によって、応力と物性の経時変動の連続測定
を可能とした。これらの点は本発明を既存の方法と大き
く区別するものである。計測精度も既存の方法に比べて
一段と高く、自動的に応力と物性が同時に得られる長所
を持つ。従って本計測装置は地中応力の測定に関しては
他の既存方法の追従を許さないものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】テスト孔周辺の応力と物性を測定する計測機の
配置の概念図である。

【図２】プローブの載荷部の心棒に沿った縦断面図であ
る。

【図３】載荷チューブの外層を構成する摩擦円筒の鳥瞰
図である。

【図４】LVDTセンサが直径方向に配置されている機構を
示す載荷部の横断面図である。

【図５】LVDTセンサの配置を示すプローブの側断面図で
ある。

【図６】LVDTセンサを外部から装填する機構を示す拡大
側面図である。

【図７】プローブの載荷部におけるアンカーピンの構成
を示す横断面図である。

【図８】エンドキャップとエンドシールの構成を示すプ
ローブ先端部の拡大側面図である。

【図９】載荷チューブの両端部が載荷時に変形する状態
を示す側面拡大図である。

【図１０】エンドシールの骨格をなす螺旋スプリングと
鋼製骨材の配置を示すエンドシールの横断面図である。

【図１１】プローブの無載荷から載荷によって起こる半
円筒摩擦シェルの挙動を示す拡大横断面図である。

【図１２】プローブの無載荷から載荷によって起こる半
円筒摩擦シェルの挙動を示す拡大横断面図である。

【図１３】摩擦面Ｂと非摩擦面Ａとの一般的関係を示す
載荷チューブの横断面図である。

【図１４】摩擦面Ｂと非摩擦面Ａが孔壁面の接線応力分
布に及ぼす結果を示す理論解析の関係図である。

【図１５】地山の主応力方向（Po，Qo）とプローブの基
準方向（θo ）との関係を示すテスト孔断面図である。

【図１６】プローブの載荷角度と孔壁接線応力の分布と
の関係を示す理論解析図である。

【図１７】載荷チューブの全周辺を２つの摩擦面Ｂで完
全に覆った場合（Ａ≒０％，Ｂ≒100％）の主応力と載
荷プローブの方向との関係を示すテスト孔断面図であ
る。

【図１８】プローブの基準方向を最大主応力方向に設定
した場合（θ＝０o ）の孔壁周辺における接線応力の分
布を示す理論解析図である。

【図１９】テスト孔掘削前後に於ける応力状態を比較す
る接線応力の角度分布図である。

【図２０】計測された応力測定値から直接孔壁周辺の岩
盤の非弾性状態が検出できることを示す接線応力の角度
分布図である。

【図２１】載荷応力と直径変形との関係から塑性軟岩や
自然の亀裂等の複雑な非理想的地山物性を確認する方法
を示す載荷圧力−直径変形（破砕面変位）の関係を示す
図である。

【図２２】繰返し載荷によって自然の亀裂岩の物性と応
力状態を測定する方法を示す、載荷応力と直径変形との
関係を示す図である。

【符号の説明】

20 プローブ 21 載荷部 22 テスト孔 23 連結機構 24 電気機器部 26，33，50 ネジ 27 隔壁 28，72 エンドキャップ 34 心棒 36 高圧チャンバー 37 軸心空間 38 先端鋼管 40 弾性摩擦円筒 41 膨張チューブ 43 油の流通孔 45 破砕面 46，78 エンドシール 48 円筒の切断面 49 弾性摩擦円筒41の摩擦外皮 51 アンカーピン 52，62 ソケット 53，64 穴 61 LVDTセンサ 67 溝 73 エンドキャップ先端 74 膨張チューブ41の先端部 79 高強度人工繊維 81，82，83 スプリング

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地山の応力状態と岩盤物性を測定する孔
   内載荷試験機（プローブ）であって、 載荷プローブを一定の角度方向を持って孔内に設定し、 油圧によるプローブの直径方向の膨張により孔壁への載
   荷を行なって任意の方向に一つの人工亀裂を発生させ、
   載荷油圧と亀裂面に垂直な方向の直径変形と油圧力との
   関係を測定し、 油圧制御によってプローブによる載荷と除荷のサイクル
   を繰り返し、更に油圧と直径変形との関係を測定し、 その後プローブの測定角度を60°回転して第２の方向に
   再設定し、上記の第１の方向で行なった測定を第２の方
   向で同様に繰り返した後、更にプローブの角度を第３の
   方向(120°) に換えて同様の測定を行い、 一測定点における３方向の測定から得られた直径変形と
   載荷油圧のデータをプローブの測定角度の関数として解
   析し、テスト孔周辺の地山の応力状態と岩盤物性を算定
   し、 長い載荷チューブの異なった軸方向の位置に配置された
   多数の変形センサによって１測定点の測定からそのプロ
   ーブの長さの範囲における応力と物性の軸方向の分布も
   同時に測定する機能を有することを特徴とする試験機。
2. 【請求項２】 テスト孔周辺の応力状態と岩盤物性を測
   定する孔内載荷装置であって、 孔軸の方向に設定される円筒型の有孔心棒と、 その心棒を取り巻くゴム製チューブと、 その有孔心棒を通じて導入される油圧によってチューブ
   を膨張させ、孔壁への載荷を行う高圧装置と、 前期膨張チューブの孔壁接触面の直径変形、載荷油圧並
   びにプローブの回転角度を記録する３つのLVDTセンサお
   よび油圧センサ並びに重力センサと、 軸方向に間隔を置いて破砕面に垂直な方向に配置された
   多数のLVDTセンサと、 膨張チューブの軸方向への変形を阻止するために作られ
   たその心棒の両端に固定された鋼製エンドキャップと、 鋼製エンドキャップと膨張チューブとの間を接続し、70
   0kg/cm² 以上の油圧載荷に対してもエンドキャップと孔
   壁の間の空間を安全に密封することのできる硬質プラス
   チック製のエンドシールと、 載荷チューブによる壁面載荷を制御して一面破砕を発生
   させる摩擦円筒と、 載荷チューブの自由な膨張を許すと同時にその軸心に対
   する回転並びに軸方向の変化を防止するアンカーピンと
   を具えることを特徴とする載荷装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の載荷装置において、 弾性摩擦円筒がゴム製の膨張載荷チューブの外殻をな
   し、 前記弾性摩擦円筒は載荷チューブの接線方向の変形を拘
   束するために円周方向に配置された超強度人工繊維の内
   層と、その外側を覆う高い摩擦係数を持つ摩擦外被の２
   つから構成され、 円周方向に配置された人工繊維の内層は軸心を通る軸方
   向の一面によって２つの相対する半円筒に切断され、２
   つの半円筒がそれぞれに載荷圧力によって孔壁の接線方
   向の引張変形を拘束し、その結果として孔壁の接線応力
   を増大する機構と、 それぞれの半円筒は軸方向に配置された鋼製ワイヤメッ
   シュより成る摩擦外被に覆われ、その摩擦効果を発生さ
   せる機構と、 一対の半円筒による壁面拘束の反動として、半円筒接触
   面によって作られる軸方向の特定の１平面に引張力が集
   中的に作動して、テスト孔に人工の一面破砕を半円筒接
   触面の方向に発生する機構とを具えることを特徴とする
   載荷装置。
4. 【請求項４】 請求項２記載の載荷装置において、 膨張チューブの油圧密封機構が鋼製エンドキャップと硬
   質プラスチック製エンドシールの２つの部分からなり、 膨張チューブの両端を封鎖する機構と、 エンドシールがゴム製載荷チューブと鋼製エンドキャッ
   プの間に密着して両者の変形緩衝材の役を果たし、高圧
   油圧載荷に対して載荷チューブのゴムがエンドキャップ
   と孔壁の大きな隙間から圧出されてチューブが破裂する
   ことを防止する機構と、 エンドシールは硬質高強度のプラスチック製でその中に
   は螺旋スプリングによって輪形に配置された鋼製リング
   と軸方向の変形を抑制するために軸方向に配置された高
   強度人工繊維の補強材より作られた機構と、 前記輪型鋼製リングを鋼製エンドキャップとの接面に配
   置し、油圧載荷時に前記リングがエンドキャップと孔壁
   の間を塞ぐ楔の役目を果たす機構とを具えることを特徴
   とする装置。
5. 【請求項５】 請求項２記載の載荷装置において、 載荷チューブ内に配置された、孔壁面の直径変形値の記
   録装置が、 複数個の変位LVDTセンサが破砕面に垂直な方向の直径変
   形を軸方向に一定の間隔で測定するために配置され、 個々のLVDTセンサを破砕面に垂直な直径方向に挿入され
   た一対の円筒型プラグを用いて外部からネジで固定密封
   し、かつ必要に応じて前期センサの外部からの交換を可
   能とする機構を具えることを特徴とする装置。
6. 【請求項６】 理想的な弾性体とは著しく異なる場合の
   ある複雑な自然状態の地質に対してその異常性の如何に
   かかわらずこれを定量的に計測する方法であって、 孔内載荷による一面破砕を行う場合にその載荷／除荷の
   サイクルを繰り返すことによって孔壁面の実際の変形挙
   動を測定する方法と、 孔内の１つの任意の測定点に作られた一面破砕において
   初期破砕に必要な載荷圧と繰り返し載荷による既成破砕
   面の再開に必要な載荷圧との違いからその破砕面におけ
   る引張強度を求める方法と、 破砕面の引張強度を多数の異なった方向で測定すること
   によって地山の引張強度の軸方向の分布を測定する方法
   と、 同一測定点において一面破砕再開圧力 【数１】 の測定を行い、その測定値を２倍にすることによって破
   砕面に於ける接線応力の値を直接測定する方法と、 同一測定点において３つの異なった回転方向（例えば０
   °、60°、 120°）でそれぞれの破砕面再開圧力 【数２】 を求めることによってテスト孔に垂直な測定面における
   応力状態を算定する方法と、 一面破砕法による応力状態測定の最小必要条件である３
   つの異なった破砕面方向の測定回数を更に増大すること
   によって測定精度を統計的に増大する方法と、 測定点の物性が非常に複雑でその孔壁の接線応力の角度
   分布がサイン曲線に一致しない場合、その通常のサイン
   曲線からの逸脱の形態を直接測定することにより実際の
   地山の弾性的標準から逸脱している実態を定量的に測定
   する方法と、 弾性的標準から著しく逸脱した塑性状態並びに脆弱性の
   地質物性の場合プローブ載荷の特殊有限要素モデルを用
   いてデータの逆解析を行うことにより複雑な地山の物性
   の実態を有効に算定する方法とを具えることを特徴とす
   る計測方法。