(57)【要約】【課題】異方性を有する岩盤の変形特性及び強度特性を単純剪断モードの原位置載荷試験により比較的容易且つ短時間に調べ又は特定する。【解決手段】直応力及び剪断応力を計測するための計測手段(LU)を有するキャップ(10)が試験体(SP)の頂部に配置される。軸荷重(Q)及びモーメント(T)がキャップを介して試験体に与えられる。キャップと試験体の上面との境界に作用する直応力及び剪断応力が計測手段によって検出され、直応力及び剪断応力の円周方向の分布が求められ、これにより、異方性を有する岩盤(M)の変形特性及び強度特性が評価される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩盤の露頭部又はボーリング孔の孔底部分を掘削又は削孔して中空円筒状の試験体を原位置に成形し、該試験体に荷重を載荷して試験体の変形特性及び強度特性を調べ又は特定する原位置岩盤試験方法において、
直応力及び剪断応力を計測する計測手段を有するキャップ又は蓋体を前記試験体の頂部又は上端部に配置し、
前記試験体の中心軸線方向の軸荷重と、前記試験体の中心軸線廻りのモーメントとを前記キャップ又は蓋体に同時に載荷することにより、該キャップを介して軸荷重及びモーメントを前記試験体に作用せしめ、
前記キャップ又は蓋体と前記試験体の頂面又は上面との境界に作用する直応力及び剪断応力を前記計測手段によって検出するとともに、直応力及び剪断応力の円周方向の分布を求めることにより、岩盤の変形特性及び強度特性を調べ又は特定することを特徴とする原位置岩盤試験方法。
【請求項２】
前記試験体の上面に接するキャップ又は蓋体の底面は、円周方向に複数の区画に分割され、前記計測部又は計測器は、各区画に作用する直応力又は軸荷重を検出するとともに、各区画に作用する捩じり方向の剪断応力又は剪断荷重を検出することを特徴とする請求項１に記載の原位置岩盤試験方法。
【請求項３】
キャップ又は蓋体の底面を６分割以上の区画に等分割することを特徴とする請求項１又は２に記載の原位置岩盤試験方法。
【請求項４】
前記試験体の内径・外径比（ｄin／ｄout）を１．０＞ｄin／ｄout≧０．６の範囲内の値に設定したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の原位置岩盤試験方法。
【請求項５】
前記試験体の高さ・外径比（ｈs／ｄout）を０．５以上の値に設定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の原位置岩盤試験方法。
【請求項６】
岩盤の露頭部又はボーリング孔の孔底部分を掘削又は削孔して原位置に成形した中空円筒状の試験体に荷重を載荷する載荷装置と、前記試験体の変形特性及び強度特性を調べ又は特定するために該試験体に作用する応力を検出する計測手段とを有する原位置岩盤試験装置において、
直応力及び剪断応力を計測する計測手段を有するキャップ又は蓋体が、前記試験体の頂部又は上端部に配設され、
前記載荷装置は、前記キャップ又は蓋体を介して軸荷重及びモーメントを前記試験体に同時に載荷するように構成され、
前記計測手段は、前記キャップ又は蓋体と前記試験体の頂面又は上面との境界に作用する直応力又は軸荷重と剪断応力又は剪断荷重とを検出する複数の計測部又は計測器を有し、
該計測部又は計測器は、前記試験体の頂面又は上面に周方向に配列されることを特徴とする原位置岩盤試験装置。
【請求項７】
前記試験体の上面に接するキャップ又は蓋体の底面は、円周方向に複数の区画に分割され、前記計測部又は計測器は、各区画に作用する直応力又は軸荷重を検出し且つ捩じり方向の剪断応力又は剪断荷重を検出するロードセルを有することを特徴とする請求項６に記載の原位置岩盤試験装置。
【請求項８】
キャップ又は蓋体の底面は、６区画以上の区画に等分割され、前記試験体の内径・外径比（ｄin／ｄout）は、１．０＞ｄin／ｄout≧０．６の範囲内の値に設定され、前記試験体の高さ・外径比（ｈs／ｄout）は、０．５以上の値に設定されることを特徴とする請求項６又は７に記載の原位置岩盤試験装置。
【請求項９】
前記載荷装置は、軸荷重を前記試験体に載荷するための軸荷重載荷装置と、モーメントを前記試験体に載荷するためのモーメント載荷装置とを有し、軸荷重載荷装置及びモーメント載荷装置は、軸荷重及びモーメントを前記キャップ又は蓋体に出力し、前記キャップ又は蓋体は、前記計測部又は計測器を介して軸荷重及びモーメントを前記試験体の上端部に伝達することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の原位置岩盤試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原位置岩盤試験方法及び試験装置に関するものであり、より詳細には、異方性を有する岩盤の変形特性及び強度特性を単純剪断モードの原位置載荷試験によって調べ又は特定することができる原位置岩盤試験方法及び試験装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
岩盤の力学特性を原位置試験により調べる試験方法として、試験体の露頭部分に剪断力等の外力又は荷重を与える岩盤剪断試験（ロック剪断試験及びブロック剪断試験（地盤工学会基準:JGS3511-2004））や、平板載荷試験（地盤工学会基準:JGS3521-2004）、原位置岩盤三軸試験（特許第4043568号公報（特許文献１）、岩盤捩じり剪断試験（ISRM、1974（非特許文献1））等が知られている。この他、この種の原位置試験として、ボーリング孔内で試験体に外力を与える孔底三軸試験（特許第4043568号（特許文献１））、或いは、プレッシャーメータ試験（地盤工学会基準:JGS 3531-2004）等が知られている。
【０００３】
また、試験体に引張り荷重を与えて引張り載荷時の変形特性及び強度特性（引張り強さ）等を調べる試験として、原位置岩盤三軸試験に類似した原位置引張り試験が、特開2011-107049号公報（特許文献２）において提案されている。
【０００４】
地震時の繰返し載荷を考慮した岩盤の力学特性（変形特性と強度特性）については、上述の原位置岩盤試験において繰返し載荷を行うことにより、その試験方法に相応して特定される剪断モードに関して調べることができるかもしれない。しかしながら、これは、単純剪断モードの原位置岩盤試験ではない。
【０００５】
他方、岩盤からサンプリングした岩石採取試料を供試体として使用する室内力学試験においては、単純剪断モードの試験が知られている。単純剪断モードの室内力学試験として、例えば、単純剪断試験（地盤工学会、2009）、中空捩じり剪断試験（地盤工学会基準:JGS 0543-2009、0551-2009（非特許文献２））、多段リング剪断試験（Ishikawa et al.、2011（非特許文献３）：田中 他、2001（非特許文献４））が挙げられる。また、一本の円筒形状の供試体に対する三軸試験によって、面内等方弾性体を仮定した変形特性の異方性を評価する異方性評価方法も知られている（Gonzaga et al.、2008（非特許文献５））。しかしながら、室内力学試験においては、採取試料の乱れ、寸法効果の影響等があるので、地盤を構成する岩盤の力学特性を室内力学試験によって適切に評価することは困難である。即ち、地盤を構成する岩盤に対して直に力学試験を行なう原位置岩盤試験と、採取後の岩石試料を用いた室内力学試験とは、異質の試験である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第4043568号公報
【特許文献２】特開2011-107049号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ISRM: Suggested method for in situ determination of shear strength using a torsional shear test、1974
【非特許文献２】地盤工学会：地盤材料の試験の方法と解説、pp.797-798、2009
【非特許文献３】Ishikawa、 T.、 Sekine、 E. and Miura、 S. : Cyclic deformation of granular material subjected to moving-wheel loads、 Can. Geotech. J.、 Vol.48、 No.5、 pp.691-703、 2011
【非特許文献４】田中健太、末政直晃、片田敏行：多段リング式試験機を用いた粘土混じり砂の液状化試験、第36回地盤工学研究発表会、pp.407-408、2001
【非特許文献５】Gonzaga、 G.G.、 Leite、 M.H. and Corthesy、 R.: Determination of anisotropic deformability parameters from a single standard rock specimen、 Int. J. of Rock Mech. and Min. Sci.、 Vol.45、 No.8、 pp. 1420-1438、 2008
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述のとおり、従来の原位置岩盤試験の試験方法では、単純剪断モードで岩盤の力学特性を調べことができず、異方性を有する岩盤の変形特性及び強度特性を特定することもできなかった。以下、この点について更に説明する。
【０００９】
（１）単純剪断モードについて
【００１０】
地盤材料の力学特性は、その変形（又は歪み）や、荷重（又は応力）の与え方、即ち、剪断モードに依存する。
【００１１】
直接剪断（direct shear）モードの１種である単純剪断（simple shear）モードは、要素を或る一定の方向に剪断変形させ、要素内に一様な剪断変形を生じさせるモードである。一面剪断（box shear）モードが、定まった１つの面で剪断させるのに対して、単純剪断モードは、要素の内部に一様な剪断変形を生じさせる剪断モードである。
【００１２】
繰返し載荷時の単純剪断モードは、地震時の地盤要素の状態、即ち、一定の上載圧の下で、鉛直上向きに伝播するＳ波により水平面上に繰返し剪断応力が作用する状態に最も近いと考えられる。このため、地盤の変形特性（剪断剛性率Ｇや、減衰定数ｈと剪断歪みγの関係等）は、地震時の地盤の変形や安定性の評価にとって非常に重要である。
【００１３】
しかしながら、従来の原位置岩盤試験には、単純剪断モードの試験が存在しない。即ち、岩盤剪断試験（ロック剪断試験とブロック剪断試験）及び岩盤捩じり剪断試験は一面剪断モードであり、原位置岩盤三軸試験、原位置引張り試験及び孔底三軸試験は、主応力軸を固定した軸対称の三軸モードである。また、平板載荷試験やプレッシャーメータ試験は、要素試験でなく、半無限水平地盤上且つ軸対象条件下の剛板載荷モード、或いは、軸対称平面歪み条件下の円孔拡大モードであるにすぎない。
【００１４】
なお、室内力学試験においては、単純剪断モードの試験（単純剪断試験、中空捩じり剪断試験、多段リング剪断試験）が実施されているが、サンプリングによる試料の乱れの問題があるばかりでなく、供試体サイズが比較的小寸法のものに限定されるので、寸法効果の問題があり、このため、不均質性や不連続性の影響を考慮する必要がある岩盤については、その力学特性を適切に評価することはできない。また、多段リング剪断試験では、リングの境界位置で不連続性が生じ、高さ方向において供試体変形の連続性が得られないことや、側面に剪断応力が作用するという問題も生じる。
【００１５】
（２）異方性を調べる簡易且つ安価な方法が過去に存在しないことについて
【００１６】
従来の原位置岩盤試験においては、単一の試験体に対する１回の試験によって、試験方法（試験体の形状及び載荷の方法）に相応して定まる主応力方向（又は主歪み方向）の力学特性を評価し得るにすぎない。このため、岩盤の力学特性に関する異方性を調べるには、方向を変えて同じ試験方法を複数回実施する必要が生じる。例えば、岩盤剪断試験（ロック剪断試験及びブロック剪断試験）、平板載荷試験、原位置岩盤三軸試験、原位置引張り試験および岩盤捩じり剪断試験では、方向が異なる試験体を複数個作製して同様の試験を反復実施する必要がある。
【００１７】
また、岩盤の力学特性に関する異方性を孔底三軸試験やプレッシャーメータ試験により調べるには、異なる方向に掘削した複数のボーリング孔において試験を反復実施する必要が生じる。他方、中空円筒の試験体を用いた静水圧試験では、歪みテンソルの６成分を算出するのに十分な測定点数の歪みを計測すれば、剛性の異方性を特定し得るかもしれないが、等方応力下の試験であることから、強度異方性を特定することはできない。
【００１８】
更には、従来の岩盤剪断試験（ロック剪断試験及びブロック剪断試験）、原位置岩盤三軸試験、原位置引張り試験、岩盤捩じり剪断試験では、自重の影響によって試験体に過度の曲げ応力や剪断応力が作用してしまうために、中心軸線が鉛直方向から大きく乖離する試験体（例えば、中心軸線が鉛直方向に対して２０度以上傾いた試験体）を用いて原位置試験を行なうことは、極めて困難である。
【００１９】
即ち、従来の原位置岩盤試験では、岩盤の力学特性に関する異方性を調べるために複数回又は多数回の試験を行う必要が生じるので、多大な時間及び労力を要するばかりでなく、試験に要する費用が高額化し、しかも、試験方法によっては、試験の実施自体が困難であるという問題があった。
【００２０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、異方性を有する岩盤の変形特性及び強度特性を単純剪断モードの原位置載荷試験により比較的容易且つ短時間に調べ又は特定することができる原位置岩盤試験方法及び試験装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的を達成すべく、本発明は、岩盤の露頭部又はボーリング孔の孔底部分を掘削又は削孔して中空円筒状の試験体を原位置に成形し、該試験体に荷重を載荷して試験体の変形特性及び強度特性を調べ又は特定する原位置岩盤試験方法において、
直応力及び剪断応力を計測する計測手段を有するキャップ又は蓋体を前記試験体の頂部又は上端部に配置し、
前記試験体の中心軸線方向の軸荷重と、前記試験体の中心軸線廻りのモーメントとを前記キャップ又は蓋体に同時に載荷することにより、該キャップを介して軸荷重及びモーメントを前記試験体に作用せしめ、
前記キャップ又は蓋体と前記試験体の頂面又は上面との境界に作用する直応力及び剪断応力を前記計測手段によって検出するとともに、直応力及び剪断応力の円周方向の分布を求めることにより、岩盤の変形特性及び強度特性を調べ又は特定することを特徴とする原位置岩盤試験方法を提供する。
【００２２】
本発明の上記構成によれば、キャップ又は蓋体の底面と試験体の頂面又は上面との境界に作用する直応力及び剪断応力が計測手段によって検出されるとともに、直応力及び剪断応力の円周方向分布が求められる。これにより、岩盤の異方性を求めるとともに、異方性を有する岩盤の変形特性及び強度特性を求めることができる。
【００２３】
本発明は又、岩盤の露頭部又はボーリング孔の孔底部分を掘削又は削孔して原位置に成形した中空円筒状の試験体に荷重を載荷する載荷装置と、前記試験体の変形特性及び強度特性を調べ又は特定するために該試験体に作用する応力を検出する計測手段とを有する原位置岩盤試験装置において、
直応力及び剪断応力を計測する計測手段を有するキャップ又は蓋体が、前記試験体の頂部又は上端部に配設され、
前記載荷装置は、前記キャップ又は蓋体を介して軸荷重及びモーメントを前記試験体に同時に載荷するように構成され、
前記計測手段は、前記キャップ又は蓋体と前記試験体の頂面又は上面との境界に作用する直応力又は軸荷重と剪断応力又は剪断荷重とを検出する複数の計測部又は計測器を有し、
該計測部又は計測器は、前記試験体の頂面又は上面に周方向に配列されることを特徴とする原位置岩盤試験装置を提供する。
【００２４】
本発明の上記構成によれば、キャップ又は蓋体の底面と試験体の頂面又は上面との境界に作用する直応力（又は軸荷重）と剪断応力（又は剪断荷重）とが、複数の計測部又は計測器によって検出される。計測部又は計測器の検出結果に基づき、直応力及び剪断応力の円周方向分布を求め、これにより、岩盤の異方性を求めるとともに、異方性を有する岩盤の変形特性及び強度特性を求めることができる。
【００２５】
好ましくは、試験体の上面に接するキャップ又は蓋体の底面は、円周方向に複数の区画に等分割される。計測部又は計測器は、各区画に作用する直応力又は軸荷重を検出するとともに、各区画に作用する捩じり方向の剪断応力又は剪断荷重を検出するためのロードセルからなる。ロードセルの出力は、記録手段を構成する制御ユニット又はＰＣ等の制御装置又は制御システムに入力され、試験体の上面に作用する直応力の円周方向分布と、捩じり方向の剪断応力の円周方向分布とが求められる。岩盤の異方的な力学特性は、かくして得られた応力分布に基づいて評価される。力学特性の評価においては、求められた応力の円周方向分布より、異方性を適切に考慮した構成モデルが仮定され、この構成モデルを記述する地盤パラメータが逆解析により求められる。構成モデルの例として、面内等方性（traverse isotropy）が挙げられるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
キャップ又は蓋体の底面の分割数ｎは、少なくとも６分割、好ましくは、８分割以上の分割数に好ましく設定し得る。これにより、応力分布の形状を精度良く特定し、岩盤の力学特性の異方性を正確に評価することができる。
【００２７】
所望により、試験体の径方向内側及び径方向外側に内セル及び外セルが形成される。各セルはゴム膜により画成され、流体圧が各セル内の領域に作用する。流体圧による直応力が試験体に作用した状態で軸荷重及びモーメントが試験体に作用し、軸変位と円周方向の捩じり変位とが試験体に作用する。好ましくは、試験体の内側面及び外側面に夫々作用する直応力は、等しい圧力値に設定される。載荷は、変位制御（又は歪み制御）の方式のものであっても、荷重制御（又は応力制御）の方式のものであっても良い。また、載荷は、単調載荷として行なうだけでなく、繰返し載荷として行なうことも可能である。
【００２８】
好適には、試験体の変形モードが単純剪断モードであると仮定するため、試験体の内径・外径比（ｄin／ｄout）は、１．０＞ｄin／ｄout≧０．６の範囲内に設定される。このような内径・外径比を採用した場合、上記区画内で試験体の上面に作用する剪断応力及び剪断歪みの径方向分布は一様であると仮定して試験結果を解析することができる。
【００２９】
更に好適には、試験体の高さ・外径比（ｈs／ｄout）は０．５以上の値に設定される。上記原位置試験においては、周辺岩盤が試験体の下端部に連続するが、このような高さ・外径比の採用により、試験結果に対する周辺岩盤の影響を軽減することができる。
【００３０】
試験体の寸法は、岩盤の不均質性や不連続性を代表できるサイズであること、そして、円筒断面の曲率を低減し得るサイズであることが望ましいが、経済合理性を考慮し、試験体の外径ｄoutは、少なくとも１００mmに設定され、好ましくは、２００〜６００mmの範囲内の寸法に設定される。
【００３１】
好ましくは、上記荷重載荷装置は、軸荷重を試験体に載荷するための軸荷重載荷装置と、モーメントを試験体に載荷するためのモーメント載荷装置とを有する。軸荷重載荷装置及びモーメント載荷装置は、軸荷重及びモーメントをキャップ又は蓋体に出力し、キャップ又は蓋体は、計測部又は計測器を介して軸荷重及びモーメントを試験体の上端部に伝達する。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の原位置岩盤試験方法及び試験装置によれば、異方性を有する岩盤の変形特性及び強度特性を単純剪断モードの原位置載荷試験により比較的容易且つ短時間に調べ又は特定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明に係る原位置岩盤捩じり剪断試験の概要を示す縦断面図及び横断面図である。
【図２】図２は、図１と同じく、本発明に係る原位置岩盤捩じり剪断試験の概要を示す縦断面図及び横断面図である。
【図３】図３（Ａ）は、原位置岩盤試験装置の構造を概略的に示す縦断面図であり、図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）は、ロードセルユニットの構造を概略的に示す平面図、底面図及び側面図である。
【図４】図４は、図３に示す方式の試験装置を用いて孔底で試験を実施する実施例を示す縦断面図である。
【図５】図５は、載荷試験時の等方圧密過程及び捩じり剪断過程における圧力及び荷重の変化を例示する線図である。
【図６】図６は、載荷試験の終了後に試験体を分離・回収する態様を概略的に示す縦断面図である。
【図７】図７（Ａ）は、ロードセルの配列を示す平面図であり、図７（Ｂ）は、ロードセルと試験体との位置関係を示す縦断面図であり、図７（Ｃ）及び図７（Ｄ）は、各ロードセルによって検出された軸荷重及びモーメントの分布を例示する線図である。
【図８】図８は、歪みゲージの配置を例示する平面図及び展開図である。
【図９】図９は、面内等方性を仮定した岩盤の変形異方性を求める手順を示すフロー図である。
【図１０】図１０は、ＥＷＳＮ方位系に対する異方性の方向（x'、y'、z'）を示す概念図である。
【図１１】図１１は、直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ)の設定の態様を示す線図である。
【図１２】図１２は、試験体と座標軸との関係を示す線図である。
【図１３】図１３は、異方性の方向の設定方法を例示する線図である。
【図１４】図１４は、計測された直応力の分布を例示する線図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
【００３５】
図１は、本発明に係る原位置岩盤捩じり剪断試験の概要を示す縦断面図及び横断面図であり、試験体の作製過程が図１に概略的に示されている。
【００３６】
図１（Ａ）には、原位置試験を実施すべき岩盤Ｍの露頭部が示されている。地表面Ｍａは、ディスク型ビット等の掘削・削孔手段を用いて平滑に整形される。整形後の地表面Ｍａは、図１（Ｄ）及び図１（Ｅ）に示す中空円筒状の試験体ＳＰの上面を構成する。岩盤Ｍの地表面Ｍａは、ボーリング作業により削孔された掘削孔の孔底面Ｍｄ（図４）であっても良い。
【００３７】
図１（Ａ）には、岩盤Ｍに削孔すべき円形断面の中心孔２が、破線示されている。中心孔２は、ディスク型ビット４を備えたコアバレル５等の削孔手段によって、図１（Ｂ）に示す如く地表面Ｍａに垂直に削孔される。中心孔２は、鉛直な中心軸線Ｃを中心とした所定直径の真円形断面を有する。
【００３８】
図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）には、岩盤Ｍに削孔すべき外周溝３が、破線で示されている。外周溝３は、ディスク型ビット６を備えたコアバレル７等の削孔手段によって、中心孔２と同心状に岩盤Ｍに削孔される。外周溝３も又、整形後の地表面Ｍａに対して垂直に削孔され、外周溝３の内周面及び外周面は、中心軸線Ｃを中心とした所定直径の真円形断面を有する。
【００３９】
共軸の中心孔２及び外周溝３を削孔することにより、底部が岩盤Ｍと連続した中空円筒状の試験体ＳＰが、図１（Ｄ）及び図１（Ｅ）に示す如く、岩盤Ｍの原位置に成形される。試験体ＳＰは、滑らかに仕上げられた上面Ｓａ、内側面Ｓｂ及び外側面Ｓｃを有する。上面Ｓａは、中心軸線Ｃと直交する水平面であり、内側面Ｓｂは、中心軸線Ｃを中心とした直径ｄinの真円形内周壁面であり、外側面Ｓｃは、中心軸線Ｃを中心とした直径ｄoutの真円形外周壁面である。なお、本実施形態においては、試験体ＳＰは、鉛直な中心軸線Ｃを中心とした円筒形輪郭を有するが、中心軸線Ｃを傾斜させることも可能である。中心軸線Ｃの傾斜は、望ましくは、自重の影響によって試験体に過度の曲げ応力又は剪断応力が作用しない範囲内の角度に設定される。中心軸線Ｃの傾斜は、鉛直方向に対する中心軸線Ｃの傾斜角が２０度未満の範囲内の角度に好ましく設定し得るが、所望により、中心軸線Ｃの傾斜角を２０度以上の角度に設定することも可能である。
【００４０】
後述する載荷試験において試験体ＳＰの変形モードを単純剪断モードと仮定するには、内側面Ｓｂ及び外側面Ｓｃの曲率差を低減して剪断応力の分布を一様にすることが望ましく、このため、本実施形態において、内径・外径比（ｄin／ｄout）は、０．６以上（１．０＞ｄin／ｄout≧０．６）の値に設定される。但し、このような仮定をしない解析方法を用いるのであれば、内径・外径比（ｄin／ｄout）を０．６以下の値に設定することも可能である。極端な条件として、内径ｄinがゼロの場合（ｄin／ｄout＝０）、試験体ＳＰは中実の円柱であり、従って、中心孔２及び内セル２０（図２）を省略し得るので、試験装置１の構造や、試験の手順（施工性）を簡素化することができる。しかしながら、試験体の上面Ｓａに作用する剪断応力や、捩じり方向の剪断歪みの値は、中心軸線Ｃにおいて実質的にゼロ値であり、従って、剪断応力及び剪断歪みの半径方向の分布が、一様ではなくなる。このため、このような場合には、剪断応力及び剪断歪みの非一様性の影響を適切に考慮した解析方法を採用する必要が生じると考えられる。
【００４１】
岩盤の力学特性の寸法効果を考慮すると、試験体ＳＰの外径ｄoutは、１００mm以上に設定することが望ましく、また、試験の経済的合理性等を重視すると、外径ｄoutは、２００mm〜６００mm程度の寸法に設定することが望ましい。但し、経済的合理性以外の他の観点より、外形ｄout＞６００mmに設定することも可能である。
【００４２】
試験体ＳＰの高さ方向及び半径方向の寸法バランスを考慮すると、試験体ＳＰがほぼ一様な単純剪断モードの変形をすると見做すには、試験体ＳＰは、円筒体上端部から円筒体下端部の区間の高さ寸法ｈsが外径ｄoutの０．４倍以上であることが望ましい。好ましくは、試験体ＳＰの高さ・外径比（ｈs／ｄout）は、試験体ＳＰの下端部が周辺の岩盤Ｍに連続することの影響を更に考慮し、０．５以上（１．０＞ｈs／ｄout≧０．５）の範囲内の寸法に設定される。
【００４３】
図２は、図１と同じく、本発明に係る原位置岩盤捩じり剪断試験の概要を示す縦断面図及び横断面図であり、原位置岩盤捩じりせん試験装置１（以下、「試験装置１」という。）を試験体ＳＰに設置した状態が図２に概略的に示されている。
【００４４】
図２に示す如く、本実施形態に係る試験装置１は、試験体ＳＰの上面に設置されたキャップ又は蓋体１０（以下、「キャップ１０」という。）と、中心孔２に設置された内セル２０と、外周溝３に設置された外セル３０とを有する。
【００４５】
内セル２０は、中心孔２内に挿入され且つ試験体ＳＰの内側面Ｓｂを被覆する環状ゴム膜２１によって形成される。外セル３０は、外周溝３に挿入され且つ試験体ＳＰの外側面Ｓｃを被覆する環状ゴム膜３１と、外周溝３に挿入され且つ岩盤Ｍの内周壁面Ｍｂを被覆する環状ゴム膜３２とによって形成される。ゴム膜２１、３１、３２の両端を固定する端部固定手段（図示せず）は、試験体ＳＰの軸方向変位（圧縮・伸張）及び捩じり変位を拘束せず、試験体ＳＰの変位に追従し得る構造を有する。なお、試験装置１は、内周壁面Ｍｂをゴム膜３２により被覆した構造を有するので、岩盤Ｍの反力を利用し、試験体ＳＰの剛性及び強度を低減し、試験体ＳＰを薄く軽い構造にすることができる。なお、キャップ１０は、内セル２０及び外セル３０の流体をセル内に封止する封止手段（図示せず）を有する。
【００４６】
内セル２０及び外セル３０は、流体管路８を介してセル圧供給装置の流体圧供給源（図示せず）に接続される。流体管路８には、圧力計９が介装される。圧力供給媒体としての流体は、油圧等の液圧を供給する作動液であっても、空圧を供給する圧縮空気であっても良いが、制御性及び安全性等を考慮し、作動液による圧力供給方式を好ましく採用し得る。流体圧供給源は、内セル２０及び外セル３０に流体圧を供給し、側圧（直応力）Ｐinを試験体ＳＰの内側面Ｓｂに作用せしめ且つ側圧（直応力）Ｐoutを試験体ＳＰの外側面Ｓｃに作用せしめる側圧載荷手段又は拘束圧載荷手段を構成する。本実施形態においては、液圧源及び液圧として水圧源及び水圧が用いられる。
【００４７】
単純剪断モードの試験の場合、内セル２０の圧力Ｐinと外セル３０の圧力Ｐoutとは、同一の値に設定されるので（Ｐin＝Ｐout）、単一のセル圧供給装置（図示せず）によって内セル２０及び外セル３０を加圧することができる。しかしながら、中間主応力の影響を検討する場合には、両者を独立に制御できるようにすることが望ましい（Ｐin≠Ｐout）。
【００４８】
図３（Ａ）は、試験装置１の構造を概略的に示す縦断面図であり、図４は、図３に示す試験装置１と同等の試験装置１'を用いて孔底で試験を実施する態様を示す縦断面図である。
【００４９】
図３（Ａ）には、岩盤Ｍの露頭部、或いは、調査坑の底面の浅部において試験を実施するのに適した構造を有する試験装置１が示されている。試験装置１を用いた試験は、一般に、深度２ｍ以浅の試験に限定される反面、中規模の試験（２００mm≦ｄout＜４００mm）のみならず、比較的大規模の試験（４００mm≦ｄout）を実施することも可能である。このような中規模又は大規模の試験によれば、岩盤Ｍの物性に関する試験結果の代表性又は信頼性等を向上することができる。また、このような浅い深度域における試験では、試験装置１の設計、計測システムの構築、試験の手順（試験体ＳＰの作製、試験装置１のセット等の各種作業）等は、ボーリング孔の孔底等で行う試験に比べ、迅速且つ容易に遂行することができる。
【００５０】
試験装置１は、軸荷重載荷装置１１とモーメント載荷装置１２とを有する。軸荷重載荷装置１１は、キャップ１０を介して試験体ＳＰの上面Ｓａに軸方向（圧縮・伸張方向）の荷重を載荷し、モーメント載荷装置１２は、中心軸線Ｃ廻りに捩じりモーメント（トルク）を載荷する。載荷装置１１、１２は、一定の荷重速度（又は応力速度）及び変位速度（又は歪み速度）で載荷重又はモーメントを制御可能な機能を備え、単調載荷のみならず、繰返し載荷等も実施する機能を有することが望ましい。載荷装置１１、１２の動力源として、油圧、空圧等の流体圧や、電動モーター等の機械的駆動源を好ましく使用し得るが、所定の捩じりモーメント（トルク）を確保し得るのであれば、手動形式の載荷機構を用いることも可能である。本実施形態においては、流体圧作動型シリンダ装置１３、１４の流体圧が載荷装置１１、１２の駆動源として採用される。なお、載荷装置１１、１２の最大流体圧は、試験条件によって定められるが、試験体ＳＰを構成する岩盤Ｍの一般的な強度を勘案すると、数MPa〜２０MPa程度の圧力に設定すれば良いものと考えられる。
【００５１】
軸荷重の反力は、岩盤Ｍの露頭部や、調査坑の天端又は側面によって確保することができる。図３（Ａ）に示す試験装置１においては、鉛直荷重（軸荷重）の反力を確保する軸荷重支持手段として、試験装置１の上方に位置する試掘杭天井、仮設架台等の仮設構造物、或いは、ボーリング機械又は車両の機体等からなる反力体Ｎを使用し得る。また、図３（Ａ）に示す試験装置１においては、モーメント（トルク）の反力を確保するモーメント支持手段として、支柱５１を挿入可能な係留孔Ｍｃが岩盤Ｍに穿孔される。支柱５１が係留孔Ｍｃに挿入され、グラウト材等の係留用硬化材５２が係留孔Ｍｃに充填される。これにより、支柱５１は、岩盤Ｍに堅固に支持される。支柱５１の上端部に載荷枠５０の端部が固定され、載荷枠５０が地表面Ｍａの上方域に架設される。なお、軸荷重支持手段及びモーメント支持手段として、同一の反力体を共用することも可能である。
【００５２】
軸荷重載荷装置１１は、流体圧制御回路（図示せず）を介して作動流体源（図示せず）に連結された流体圧作動型のシリンダ装置１３を有する。シリンダ装置１３のシリンダ筐体は、反力体Ｎに一体的に支持される。シリンダ装置１３は、中心軸線Ｃ上に合芯したピストンロッド１５を備える。モーメント載荷装置１２は、流体圧制御回路（図示せず）を介して作動流体源（図示せず）に連結された流体圧作動型シリンダ装置１４を有する。シリンダ装置１４のシリンダ筐体は、載荷枠５０に一体的に支持される。シリンダ装置１４は、回転体１７に連結された水平なピストンロッド１６を備える。ピストンロッド１６の中心軸線は、回転体１７の回転中心（中心軸線Ｃ）に対して偏心した位置において回転体１７に連結される。
【００５３】
シリンダ装置１３のピストンロッド１５は、回転体１７を貫通して鉛直下方に延び、ピストンロッド１５の下端部は、キャップ１０の中心部に連結される。ピストンロッド１５は、回転体１７にトルク伝達可能に固着、係合又は嵌合しており、ピストンロッド１５は、回転体１７の回転に相応して回転体１７と一体的に回転する。
【００５４】
軸荷重載荷装置１１のシリンダ装置１３は、ピストンロッド１５の伸縮により、軸荷重Ｑをキャップ１０に載荷し、軸荷重Ｑは、キャップ１０を介して試験体ＳＰに伝達する。軸荷重Ｑは、圧縮荷重及び伸張（引張り）荷重の双方を含む概念であり、シリンダ装置１３は、圧縮荷重及び伸張（引張り）荷重の双方をキャップ１０に出力することができる。図３には、圧縮荷重として試験体ＳＰに作用する軸荷重Ｑが矢印で示されている。
【００５５】
モーメント載荷装置１２のシリンダ装置１３は、ピストンロッド１６の伸縮により、中心軸線Ｃ廻りのモーメント（トルク）Ｔを回転体１７に出力し、回転体１７は、入力したモーメントＴをピストンロッド１５に伝達する。ピストンロッド１５は、モーメントＴをキャップ１０に伝達する。モーメントＴは、時計廻り方向及び反時計廻り方向の双方向に制御される。図３（Ａ）には、回転体１７に作用する反時計廻り方向のモーメントＴが矢印で示されている。
【００５６】
図３（Ｂ）〜図３（Ｄ）は、キャップ１０を構成するロードセルユニットＬＵの構造を概略的に示す平面図、底面図及び側面図である。荷重伝達に実質的に関与しないキャップ１０の部分は、図３（Ｄ）に破線で示されている。
【００５７】
キャップ１０は、全体的に剛な円盤又は円筒体からなるロードセルユニットＬＵを有する。ロードセルユニットＬＵは、直応力及び剪断応力を計測する計測手段を構成する。ロードセルユニットＬＵは、ピストンロッド１５の下端部に一体的に連結された上側の剛性円板ＬＡと、多数の剛性セクタＬｂに分割された下側の環状帯ＬＢと、円板Ｌａ及び各剛性セクタＬｂの間に介装された多数のロードセルＬＣとから構成される。隣り合う剛性セクタＬｂの間には、剛性セクタＬｂ同士の干渉を回避するための所定寸法の間隙Ｌｇが形成される。間隙Ｌｇの寸法は、約１mm程度に設定される。ロードセルＬＣは、直応力及び剪断応力を検出する計測部又は計測器を構成する。
【００５８】
各剛性セクタＬｂの底面は、試験体ＳＰの上面Ｓａに密接する。載荷装置１１、１２が出力した軸荷重及び剪断荷重は、剛性円板ＬＡ、ロードセルＬＣ及び剛性セクタＬｂを介して上面Ｓａに伝達する。各ロードセルＬＣは、上面Ｓａに作用する直応力及び剪断応力を検出する二方向ロードセルからなる。ロードセルＬＣ及び剛性セクタＬｂは、上面Ｓａに接触するキャップ１０の境界面を円周方向に複数の区画に分割し、各ロードセルＬＣは、各区画に作用する直応力及び剪断応力を検出する。従って、上面Ｓａに作用する直応力及び剪断応力の応力分布を一群のロードセルＬＣによって検出することができる。
【００５９】
好ましくは、軸荷重（又は直応力）及び剪断荷重（又は剪断応力）がキャップ１０の底面から上面Ｓａに確実に伝達し、しかも、試験体ＳＰと剛性セクタＬｂの境界面や、試験体ＳＰの上面Ｓａの近傍で破壊が生じないように、剛性セクタＬｂの底面に凹凸又は不陸を形成し、或いは、剛性セクタＬｂの底面の粗度を高める工夫がなされる。所望により、剛性セクタＬｂと試験体ＳＰとの境界面を接着し、試験体ＳＰの上面近傍を補強し、或いは、試験体ＳＰの上面Ｓａにアンカーボルト等を埋め込む等の対策又は改良を講じても良い。なお、軸荷重（又は直応力）が引張り荷重（引張り応力）である場合には、剛性セクタＬｂの底面と試験体ＳＰの上面Ｓａとの分離を阻止する手段を採用する必要がある。
【００６０】
試験装置１の制御系は、図３（Ａ）に二点鎖線で示す制御信号線を介して各ロードセルＬＣに接続された制御ユニットＣＵを有する。制御ユニットＣＵは、各ロードセルＬＣの検出結果を記憶又は記録する機能を有する。シリンダ装置１３、１４の作動を制御する流体圧制御回路（図示せず）の制御部又は駆動部１３ａ、１４ａが、制御信号線を介して制御ユニットＣＵに接続される。試験体ＳＰの上面Ｓａ全域に作用する全軸荷重及び全モーメントを計測するための荷重計ＬＤが、キャップ１０の上部に配設され、荷重計ＬＤも又、制御信号線を介して制御ユニットＣＵに接続される。荷重計ＬＤの計測結果は、各ロードセルＬＣによって計測された分布荷重の合力として、計測結果の確認に利用することができる。
【００６１】
試験体ＳＰの歪み（変位）を計測するための歪みゲージ４１、４２が、試験体ＳＰの内側面Ｓｂ及び外側面Ｓｃに取付けられる。歪みゲージ４１、４２の出力は、制御信号線（図示せず）を介して制御ユニットＣＵに入力される。また、流体管路８の圧力計９は、内セル２０及び外セル３０の圧力Ｐin、Ｐoutを計測する。圧力計９の出力も、制御ユニットＣＵに入力される。この他、試験装置１は、計測機器類として、回転角計等（図示せず）を備えており、それらの計測機器類の出力も又、制御ユニットＣＵに入力される。所望により、試験装置１の制御系は、試験体ＳＰの間隙水圧を計測する計測手段を備える。
【００６２】
図４には、図３（Ａ）に示す試験装置１と同等の試験装置１'を用いて孔底で試験を実施する実施例が示されている。試験装置１'は、ボーリング孔Ｂの孔底部において試験を実施するのに適した構造を有する。
【００６３】
試験体ＳＰをボーリング孔Ｂの底面（孔底）に作製して試験を行う場合には、２ｍ以深の深度域で試験を実施することが可能となる。このような深度域の試験においては、一般に、小規模な試験体ＳＰ（１００mm≦ｄout＜２００mm）を用いた試験が実施される。このような深い深度域の試験では、岩盤Ｍの露頭部において実施される試験（図３（Ａ））に比べ、試験装置１'の設計、計測システムの構築、試験の手順（試験体ＳＰの作製、試験装置１'のセット等の作業）等の遂行は、一般に困難である。また、上記のとおり、試験は、比較的小規模な試験体ＳＰを用いたものに限定されるので、寸法効果を考慮すると、岩盤Ｍの物性に関する試験結果の代表性又は信頼性等は、露頭部における試験（図３（Ａ））と比べ、若干劣るものとなり得る。
【００６４】
図４に示す如く、載荷装置１１、１２は、ボーリング孔Ｂの孔内に配置される。モーメント載荷装置１２を支持する載荷枠５０は、孔Ｂの孔壁Ｂａに摩擦支持、固定又は係留され、これにより、モーメント（トルク）Ｔの反力が得られる。軸荷重載荷装置１１のシリンダ装置１３は、孔壁Ｂａに摩擦支持、固定又は係留される複数の基板１８を有し、各基板１８から孔Ｂの径方向に一体的に延びる支持アーム１９の先端部がシリンダ装置１３のシリンダ筐体に一体的に連結され、これにより、軸荷重Ｑの反力が得られる。本実施形態において、支持アーム１９は基板１８を孔壁Ｂａに押圧する付勢手段を有し、基板１８は孔壁Ｂａに摩擦係合し、孔壁Ｂａによって摩擦支持される。図４に示す試験装置１'の他の構成は、図３（Ａ）に示す試験装置１と実質的に同一であるので、試験装置１'に関する更なる詳細な説明を省略する。
【００６５】
載荷試験は、試験体ＳＰを等方圧密又は異方圧密した状態において、試験体ＳＰの捩じり剪断を行うことにより実施される。単調載荷の他に繰返し載荷、クリープ載荷等を組み合わせた試験を実施することも可能である。なお、基本的には、試験体ＳＰの内側面Ｓｂに作用する側圧Ｐinと、試験体ＳＰの外側面Ｓｃに作用する側圧Ｐoutとが等しい条件（Ｐin＝Ｐout）で試験が実施されるが、中間主応力の影響を検討する場合には、両者を独立に制御し、側圧Ｐin及び側圧Ｐoutが異なる条件（Ｐin≠Ｐout）を採用することも可能である。載荷は、原則として、試験体ＳＰが剪断破壊、圧縮破壊又は引張り破壊するまで実行される。最大荷重は、試験の目的や試験体ＳＰの寸法、力学特性等によって定められるが、載荷装置１１、１２は、試験体ＳＰを破壊させるのに十分な能力を有する。
【００６６】
図５は、載荷試験時の等方圧密過程及び捩じり剪断過程におけるモーメントＴ及び軸荷重Ｑの変化を示す線図である。
【００６７】
等方圧密過程においては、試験体ＳＰの内側面Ｓｂ及び外側面Ｓｃに直応力Ｐin、Ｐoutが作用した状態で試験体ＳＰの上面Ｓａに軸荷重Ｑが載荷され、試験体ＳＰの変形が収束するまで放置される。最も一般的な応力状態は等方圧密状態（Ｐin=Ｐout=σZ）であるが、異方圧密状態（Ko圧密状態）（Ｐin=Ｐout≠σZ、静止土圧係数Ko=Ｐin／σZ=Ｐout／σZ）で載荷試験を実施することも可能である。また、内側面Ｓｂ及び外側面Ｓｃに作用する直応力Ｐin、Ｐoutが等しいことを原則とするが（Ｐin=Ｐout）、直応力Ｐin、Ｐoutが相違する条件を採用することも可能である（Ｐin≠Ｐout）。この場合には、中間主応力の影響（中間主応力係数bの影響）を検討することができる。更に、試験体ＳＰの上面ＳａにモーメントＴ（捩じり方向の剪断荷重によるトルク）を初期的に載荷し、試験体ＳＰに初期剪断が作用する状態を設定することも可能である。
【００６８】
捩じり剪断過程では、試験体ＳＰの上面Ｓａに中心軸線Ｃ廻りのモーメントＴ（捩じり方向の剪断荷重によるトルク）が、適当なパターンで載荷される。最も一般的なパターンは、一定の載荷速度でモーメントＴを載荷する単調載荷であるが、逆方向に捩って，剪断方向の依存性を検討することができる（これは、一種の異方性の検討である）。また、両振りとすることによって初期剪断の影響がない場合を調べ、更には、振動中心をずらす（初期剪断を与える）ことによって初期剪断の影響を調べることもできる。更には、試験の目的に応じて、繰返し載荷、微小な除荷・再載荷、クリープ載荷、応力緩和等を図５に示す如く組み合わせたパターンを採用し、或いは、単調載荷の途中で載荷速度を変化させるパターンを採用することも可能である。また、試験の目的に応じて、試験体ＳＰの内側面Ｓｂ及び外側面Ｓｃに作用する直応力Ｐin、Ｐoutを任意に変化させ、或いは、圧密過程と剪断過程を繰返す多段階載荷式の試験を実施することも可能である。
【００６９】
図６は、載荷試験を終了して試験装置１を分解・撤去した後、試験体ＳＰを回収する態様を概略的に示す縦断面図である。
【００７０】
図６に示すように、試験装置１を構成するキャップ１０、内セル２０、外セル３０、軸荷重載荷装置１１及びモーメント載荷装置１２等は、載荷試験の終了後、分解・撤去され、しかる後、試験体ＳＰは、試験体回収治具４０によって岩盤Ｍから分離され、変形の形態や破壊の性状等の観察のために回収される。
【００７１】
図７（Ａ）は、キャップ１０に内蔵された多数のロードセルＬＣの配列を示す平面図であり、図７（Ｂ）は、各ロードセルＬＣと試験体ＳＰとの位置関係を示す縦断面図である。また、図７（Ｃ）及び図７（Ｄ）は、各ロードセルＬＣによって検出された軸荷重Ｑ及びモーメントＴの分布を例示する線図である。
【００７２】
本発明に係る試験は、試験体ＳＰの上面Ｓａに作用する応力の分布を求め、応力の分布に基づいて、岩盤Ｍの異方的な力学特性を評価しようとするものである。このため、キャップ１０の底面（試験体ＳＰの上面Ｓａとの接触面）は、周方向に複数の区画に等分割され、各々の区画（区画ｉ＝１〜８（ｎ））に作用する軸荷重Ｑi及びモーメントＴi（捩じり方向の剪断荷重によるトルク）を計測するロードセルＬＣが各区画に配設される（ロードセル番号(1)〜(8)）。各ロードセルＬＣの検出結果は、試験装置１の検出結果を記録する制御ユニットＣＵ（図３（Ａ））に出力される。各ロードセルＬＣにより検出された軸荷重Ｑi及びモーメントＴiの分布が、図７（Ｃ）及び図７（Ｄ）に例示されている。
【００７３】
次に、試験結果の解析について説明する。
【００７４】
以下の説明において、変位又は歪みの計測は、試験体の軸方向の変位（圧縮量・伸張量）、中心軸線Ｃ廻りの捩じり変位（又は回転角度）、半径方向の変位（或いは、内径と外径の変化量又は内周長と外周長の変化量）、そして、試験体ＳＰの外側面Ｓｃの所定の位置及び方向の歪みについて行なわれる。試験体ＳＰの外側面Ｓｃにおける歪みは、歪みゲージ４２（図２）によって計測される。所望により、一定の計測範囲の圧縮量・伸張量を計測して計測範囲内の平均歪みを求めても良い。
【００７５】
図８は、歪みゲージ４２の配置を示す平面図及び展開図である。
【００７６】
歪みゲージ４２は、試験を実施する現場において、堆積面などの不連続面の走向α及び傾斜ξを東西南北の方位（ＥＷＳＮ方位系）で計測した後に，ＥＷＳＮ方位系に対して、試験体ＳＰの外側面Ｓｃに図８に示す如く配置される。各歪みゲージ４２は、接着剤等によって試験体ＳＰの外側面Ｓｃの任意の位置に接着される。パラフィン又はシリコンゴム等で各歪みゲージ４２のプレート表面を止水することが望ましい。図８に示す番号１〜６の歪みゲージ４２に関し、ｉ番目の歪みゲージ４２によって計測される歪みをｘiとすると、ＥＷＳＮ方位系の歪みテンソル成分は下記の数式１で計算することができる．
【数１】
2015021767.tif 000003
【００７７】
なお、γijは工学歪みであり、εijとの間にγij=εij  （i≠j)  (i、j=S、E、V)の関係がある。捩じり変位（回転角度）は、中心軸線Ｃ（Ｖ軸）廻りの回転量を計測しても良く、中心軸線Ｃ（Ｖ軸）から一定の距離における回転方向の変位を計測して求めることも可能である。
【００７８】
上記試験方法により、試験体ＳＰの上面Ｓａに或る一定の直応力σZを作用させた状態において、試験体ＳＰの上面Ｓａに作用する剪断応力σZΘと捩じり方向の剪断歪みγZΘとの関係が計測される。この計測結果から、変形特性である剪断剛性率Ｇ（=σZΘ／γZΘ）、減衰定数ｈと剪断歪みγZΘの関係、そして、強度特性である最大剪断応力（剪断強さ）σZΘ，max等が、室内力学試験である中空捩じり剪断試験と同様に求められる。
【００７９】
また、上記試験方法によれば、単一の試験体ＳＰを用いた１回の試験によって、岩盤の力学特性の異方性を調べることができる。即ち、等方性材料においては、捩じり剪断時に試験体ＳＰ内部の応力及び歪みが一様に分布して、要素として応答するのに対して、異方性岩盤においては、円周方向で捩じり剪断の向きが異なるので、試験体ＳＰ内部の応力及び歪みが円周方向に偏在して非一様に分布する。これを試験体ＳＰの上面Ｓａにおいて計測し且つ分析することにより、岩盤Ｍの剛性及び強度異方性を特定することができる。この試験方法では、試験体ＳＰの上面Ｓａに作用する直応力σZ及び剪断応力σZΘ（捩じり方向）の円周方向の分布を計測し、剛性及び強度の異方性を仮定した構成関係を用いて試験結果を評価することにより、試験体ＳＰの力学的異方性を特定することができる。例えば、層理を有する堆積岩やセットの節理を持つ火成岩や変成岩の異方的な剛性の記述に好適な面内等方弾性体（transversely isotropic elasticity）を仮定した場合、異方的な剛性は、以下の手法で特定される。
【００８０】
面内等方弾性体とは、剛性が等方な面の弾性定数と弾性主軸の方向（剛性が等方な面に直交する方向）の弾性定数が異なる弾性体であり、不連続面の弾性的な挙動と等価な等価連続体として用いられた例（Goodman R.E.:Introduction to Rock Mechanics. J. Wiley、 New York、 1989）や、堆積岩の構成関係として用いられた例（Oka F.、 Kimoto S.、 Kobayashi H.、 Adachi T.: Anisotropic behavior of soft sedimentary rock. Soils and Foundations、 Vol.42、 No.5、 pp.59-70、 2002）、或いは、片理をもつ片岩のモデル化に用いられた例（Akai K.、 Yamamoto K.、 Arioka M.:Experimental research on the structural anisotropy of crystalline schist. J. JSCE、 Vol.170、 pp.23-36、 1969）が知られている。
【００８１】
図９は、面内等方性を仮定した岩盤の変形異方性を求める手順を示すフロー図である。図１０は、ＥＷＳＮ方位系に対する剛性が等方と推定される面（即ち、不連続面）の傾斜（ξ、ζ）及び異方性の方向（x'、y'、z'）を示す概念図であり、図１１は、直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ)の設定の態様を示す線図である。また、図１２は、面内等方弾性体を仮定した岩盤から作製した試験体と座標軸との関係を示す線図であり、図１３は、異方性の方向の設定方法を例示する線図であり、図１４は、計測された剪断応力の応力分布を例示する線図である。
【００８２】
図９に示す如く、試験の準備として、岩盤Ｍに中空円筒形の試験体ＳＰが掘削・作製され(Step １)、試験体ＳＰの目視観察により、剛性が等方と推定される面の走向α及び傾斜ξの推定が行なわれる(Step ２)。このとき、東西南北（ＥＷＳＮ）の方位と試験体ＳＰの位置関係及び剛性が等方と推定される面の位置関係が確認され、しかる後、内セル２０、外セル３０及び載荷装置１１、１２等が試験体ＳＰに設置されるとともに、歪みゲージ４２等の計測機器類が設置される(Step ３)。前述のとおり、歪みゲージ４２は、ＥＷＳＮ方位に対して図８に示す如く配置される。
【００８３】
次いで、等方圧載荷(Step ４)、三軸載荷(Step ５)及び捩じり載荷(Step ６)が実施され、試験体ＳＰの応力及び歪みが計測される。好ましくは、載荷の順序は、剪断に伴う塑性変形を考慮し、はじめに等方圧載荷を行い、しかる後、三軸載荷を歪みレベル10-4以下の弾性域で行い、最後に捩じり載荷を行なうように設定される。各載荷で段階的に載荷する応力を上げ下げして塑性変形の有無の判定を行ったり、塑性変形に伴う剛性の変化を計測することも可能である。
【００８４】
次に、等方圧載荷時の歪みの計測値を用いて、図１０に示すＥＷＳＮ方位系からの異方性の方向（x'、y'、z'）の傾斜角度（ξ、ζ）が特定され、座標軸が設定される(Step ７)。ＥＷＳＮ方位における等方圧載荷時の歪み増分テンソルΔε'は、下記の数式２で表される。数式２により得られたΔε'に基づいて、下記の数式３により、主歪みが求められる。
【数２】
2015021767.tif 000004
【数３】
2015021767.tif 000005
【００８５】
数式３の歪みテンソルの対角化においては、Jacobi法等が用いられ、下記の数式４で表される主歪みの単位方向ベクトルｅが求められる．等方圧載荷時においては、異方性の方向(x'、 y'、z')と主歪み方向(1、 2、 3)が共軸となるので、ＥＷＳＮ方位からの傾斜角度（ξ、ζ）によってベクトルｅが構成され、例えば、下記の数式５に基づき、ξ及びζは特定されるが、ベクトルe12でζを求め、ベクトルe23でξを求めても良く、また、値のばらつきを評価するために、複数求めたξ、ζの値を平均値化しても良い。
【数４】
2015021767.tif 000006
【数５】
2015021767.tif 000007
【００８６】
ここで、ζの値を用いて、図１１に示す如く、Ｓ軸から角度ζの位置にＹ軸が位置するように、直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ)が設定される。この操作により、Ｘ軸とｘ'軸とは共軸になる。また、この座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ)座標系に適合するように円筒座標系（Ｒ、Θ、Ｚ）を設定し、角度ξの計測結果を併せると、図１２に示すような試験体ＳＰ及び座標軸の関係が得られる。前述の目視観察(図９のStep ２)で得られた剛性が等方と推定される面の走向α（=π／2＋ζ）及び傾斜ξと、ＥＷＳＮ方位系からの異方性の方向（x'、y'、z'）の傾斜（ξ、ζ）との整合をこの時点で確認することができる。このとき，面内等方弾性体を仮定したx'y'面とz'方向のヤング率とポアソン比と剪断剛性率は、（Ex', νx', Gx'=Ex'／2(1+νx')）と（Ez', νz',Gz'）で表現される。更に、後述する試験結果の整理のため、数式２のＥＷＳＮ方位系の歪みテンソルが、下記の数式６によって直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ)に座標変換される。
【数６】
2015021767.tif 000008
【００８７】
上記のように、理論的には、［x'y'面の剛性＜z'面の剛性］の場合には、1-2面＝x'y'面、3方向=z'方向、ε1＝ε2となり、［z'面の剛性＜x'y'面の剛性］の場合には、2-3面＝x'y'面、1方向=z'方向、ε2＝ε3となることが予測されるが、仮に、ε1≠ε2≠ε3となる場合には、図１３に示される如く、異方性の方向が設定される。
【００８８】
次に、計測された応力及び歪み（図９のStep ４、５、６）に基づいて、弾性定数が定められる（図９のStep ８）。弾性論に基づく捩じり載荷時の直応力及び剪断応力の理論解は、下記の数式７で表される。なお，Ｄijkl，（i,j,k,l =1, 2, 3）は剛性テンソルであり、面内等方弾性体の剛性テンソルの成分は、（Ｄ1111，Ｄ1133，Ｄ3333，Ｄ1212，Ｄ2323）の５つで表現される。剛性テンソルの成分と弾性定数との関係については、後述する。ΔσZとΔσZΘは、直応力増分と剪断応力増分であり、ΔεZΘは、剪断ひずみ増分である。
【数７】
2015021767.tif 000009
【００８９】
数式７より、捩じり載荷時のΘ＝０°、９０oの位置における理論解は、下記の数式８で表される。数式８は、Θ＝０oにおける直応力増分と剪断歪み増分の比をΔσZat0／ΔεZΘ、(＝k1)とし、Θ＝０o及びΘ=９０oにおける剪断応力増分と、剪断歪み増分の比をΔσZθat0／ΔεZΘ、(＝k2)とΔσZΘat90／ΔεZΘ、(＝k3)としたものである。なお、ここで用いる応力は、分割ロードセルで計測した応力分布を、最小二乗法などにより、図１４に示すようにフィッティングし、該当する円周上の位置の応力を用いたものである。剪断歪み増分ΔεZθは、任意の位置で計測した回転角ΔΘを用いて、下記の数式９から計算される。なお、ｄout及びｄinは、試験体の外径及び内径であり、hｓは、試験体ＳＰの高さ寸法である。
【数８】
2015021767.tif 000010
【数９】
2015021767.tif 000011
【００９０】
同様に、弾性論により求めた三軸載荷時の直応力及び剪断応力の理論解は、下記の数式１０によって表される。三軸載荷においては、分割ロードセルで計測される応力が一定になるので、円周上の任意の位置の計測された応力を計算に用いても良いし、或いは、複数のロードセルＬＣで計測された応力の平均値を計算に用いても良い。軸歪み増分Δεaは、数式６によって求められたＺ方向の直歪み増分ΔεZに等しい。なお、ΔσZ／Δεa、(=k4)、ΔσZθ／Δεa、(=k5)として記号が設定される。
【数１０】
2015021767.tif 000012
【００９１】
また、同様に、等方圧載荷時の理論解は、下記の数式１１で表される。等方圧載荷時においても、分割ロードセルで計測される応力が一定値になる。等方圧載荷時の直歪み増分Δεcは、任意の方向の直歪みに等しいので、数式６の（ΔεX、ΔεY、ΔεZ）のいずれか一つを用いるか、或いは、これら３つの直歪みの平均値を用いれば良い。なお、ΔσZ／Δεc、(=k6)、ΔσZΘ／Δεc、(=k7)として記号が設定される。
【数１１】
2015021767.tif 000013
【００９２】
次に、計測した応力のデータから、下記の数式１２で表す最小二乗法を用いて、弾性定数が特定される。
【数１２】
2015021767.tif 000014
【００９３】
なお、符号ｋ及びＡは数式８、１０、１１から算出される計測値行列と異方性の方向を表す係数行列であり、符号Ｄは、面内等方弾性体の剛性マトリックスの成分であり、下記の数式１３で表される。
【数１３】
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【００９４】
数式１２により求められたＤを用いて、下記の数式１４により、剛性テンソルの成分を用いて、以下のとおり面内等方弾性体を仮定した岩盤の弾性定数が決定される。
【数１４】
2015021767.tif 000016
【００９５】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能である。
【００９６】
例えば、上記実施形態においては、流体圧が作用する内セル及び外セルを用いた試験方法であるが、載荷時に構造的安定性を維持する岩盤強度が得られる場合、内セル及び外セルによる側圧の付加を省略することも可能である。
【００９７】
また、キャップ底面の分割数、試験体の内径・外径比、試験体の高さ・外径比等は、試験の目的に相応して適宜設定変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、力学的な異方性を有する岩盤の変形特性及び強度特性を調べ又は特定する原位置岩盤試験方法及び試験装置に好ましく適用される。具体的には、本発明の試験方法及び試験方法は、岩盤構造物の建設等のための地盤調査等に好ましく使用し得る。岩盤構造物として、岩盤上に立地するダム、長大な橋梁、原子力発電所等の大型構造物の基礎や、岩盤斜面又は岩盤中に立地する地下空洞等の周辺岩盤などが挙げられる。
【００９９】
本発明の試験方法及び試験装置によれば、室内力学試験における中空捩じり剪断試験（地盤工学会基準：JGS 10543-2009、0551-2009）と同様の単純剪断モードの試験を原位置において実施し、岩盤の力学特性を単純剪断モードの原位置試験により評価することができるので、その実用的価値は顕著である。
【符号の説明】
【０１００】
１、１'  原位置岩盤捩じりせん試験装置
２  中心孔 
３  外周溝
１０  キャップ又は蓋体 
１１  軸荷重載荷装置
１２  モーメント載荷装置
２０  内セル
３０  外セル
Ｍ  岩盤
Ｍａ  地表面
ＳＰ  試験体
ＬＣ  ロードセル（計測部又は計測器）
ＬＵ  ロードセルユニット（計測手段）
ＣＵ  制御ユニット
Ｑ  軸荷重
Ｔ  モーメント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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