(57)【要約】【課題】地下構造物の建設などにおける地下岩盤構造の挙動、安定性等を評価するための岩盤の原位置応力の計測方法に関する。【解決手段】岩盤２に削孔したポーリング孔３から単一の岩盤割れ目４を含む供試体８を作成し、供試体８の前記岩盤割れ目４の透水係数と応力との関係を室内試験により求め、供試体８を採取した原位置３１又はその近傍の単一の岩盤割れ目４の透水係数を計測し、原位置３１の単一の岩盤割れ目４の透水係数を供試体８の岩盤割れ目４の透水係数と応力との前記室内試験の透水係数に当てはめて、原位置３１の応力を求めるようにしたものである。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩盤に削孔したポーリングコアから単一の岩盤割れ目を含む供試体を作成し、該供試体の前記岩盤割れ目の透水係数と応力との関係を室内試験により求め、前記供試体を採取した原位置又はその近傍の単一の岩盤割れ目の透水係数を計測し、該原位置の単一の岩盤割れ目の透水係数を前記供試体の岩盤割れ目の透水係数と応力との前記室内試験の透水係数に当てはめて、前記原位置の応力を求めるようにした岩盤の原位置応力の計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤中に建設された地下空洞やトンネル、また、ダム，道路，宅地などに近接する斜面、更に、重要な構造物の基礎など、岩盤構造物の安定性評価において必要となる原位置応力の測定方法に関するものである。また、地震の予知に関しては、地殻の応力計測に利用されるものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の岩盤内の応力測定法には、原位置で行う応力解放法，応力補償法，水圧破砕法などがあり、実績を上げている。また、室内では採取した岩石コアを用いて行うＡＥ法などがある。
一方、岩盤の強度・変形性の分類に、地質学的な要素を用いる岩級分類と言われる方法が一般的に利用されている。この岩級では、割れ目の頻度，岩石の風化度（堅さ），割れ目の介在物（粘土類）の状態を細分指標として、健全な岩盤から風化の進行度が大きい岩盤を、Ｂ，ＣＨ　，ＣＭ　，ＣＬ　，Ｄ級などに分けている。従来の原位置応力の計測法は、岩級ではＢ級或いはＢ級に近いＣＨ　級の岩盤を対象とする計測手法で、風化度が進み平行な割れ目間隔が１０ｃｍ程度となるＣＨ　級以下の岩盤には適さない。
【０００３】
ここで、応力開放法は、岩盤中に計測器を設置した後、計測器を取り囲む周囲の岩盤をスリット状に切るなどし、外部から計測器の設置箇所に作用していた地圧を開放することにより得られる計測器の出力変化から地圧を求める方法である。
応力補償法は、先ず、岩盤表面から垂直に面状に切り込みを入れて応力開放させ、生じたスリット間の変位を計測する。次に、スリットにフラットジャッキを挿入して岩盤に作用していた応力を模擬させ、元の変位位置に戻し、応力を求める方法である。
【０００４】
水圧破砕法は、自噴力の衰えた油井を刺激し、石油生産量の増加を狙う方法として始められ、地圧測定に利用されたものである。原理はボアホール内に内圧を加えて発生させた孔壁の亀裂（割れ目）の開口，閉合の条件から応力を求める方法である。
ＡＥ法は、一度、応力を受けた材料は、除荷後に再載荷しても受けた応力レベルまではＡＥの発生が少ないカイザー効果と呼ばれる現象を利用するものである。ここで、ＡＥ（ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　）とは、材料が非可逆的な変形や破壊によって発生する弾性波を言うものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
岩盤は、工学的に割れ目の無い「岩石」と「割れ目」とで構成されると考えられる。従来の方法は、割れ目のない岩石部分を計測対象として、原位置や室内試験により求めるものである。従って、割れ目がある場合は割れ目を避けて測定を行うことになるため、割れ目が多く分布する岩盤では、割れ目の無い箇所を選択することが困難となり、計測が不可能となる。特に、原位置計測法である応力開放法，応力補償法などでは、割れ目の無い十分に広がる岩石部分を必要とする。このため、崩壊の危険があるような、風化が進み割れ目の分布が密になった斜面などでは計測が困難である。
【０００６】
本発明による岩盤の原位置応力の計測方法は、従来の方法では計測対象とすることができなかった岩盤内の割れ目を対象とするものである。従って、従来の方法では不可能であった、風化が進み割れ目の頻度が大きい岩盤での応力計測が可能となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による岩盤の原位置応力の計測方法は、岩盤に削孔したポーリングコアから単一の岩盤割れ目を含む供試体を作成し、該供試体の前記岩盤割れ目の透水係数と応力との関係を室内試験により求め、前記供試体を採取した原位置又はその近傍の単一の岩盤割れ目の透水係数を計測し、該原位置の単一の岩盤割れ目の透水係数を前記供試体の岩盤割れ目の透水係数と応力との前記室内試験の透水係数に当てはめて、前記原位置の応力を求めるようにしたものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例における第１の工程を示すもので、図１（ａ）に示すようにトンネル１内から岩盤２に対し横方向にボーリング孔３を設けて、応力計測の対象となる原位置から単一の割れ目（開口）４を有するボーリングコア５を採取する。このボーリングコア５は、図１（ｂ）に示すように所要の大きさに整形すると共に、底部６の中心から割れ目４に向けて垂直に透水孔７が設けられた供試体８として作成する。なお、供試体８の大きさは特に限定されるものではないが、通常の寸法としては直径は５０ｍｍ程度、高さは１００ｍｍ程度の円柱状のものが扱い易い。
【０００９】
この供試体８を試験室内に持ち込み、上下方から垂直応力を加えた状態で透水性を測定し、垂直応力に対する透水係数を求める。
この垂直応力に対する透水係数を求める際の室内試験装置の模式図を図２に示す。図２（ａ）は室内試験装置１１の斜視図であり、強固な枠体１２の中空下面部１３に下部台座１４が設けられ、その上に供試体８が載置され、供試体８の上面には上部台座１５を介して載荷手段１６により加重するようになっている。また、下部台座１４には送水管１８を介してビュレット１７が接続され、このビュレット１７には図示していないエアコンプレッサーによる空気圧力が加えられるようになっている。なお、１９は空気圧力の調整弁であり、２０は供試体８の透水孔７へ送水される水圧を測定する圧力計である。
【００１０】
図２（ｂ）は図２（ａ）に示した供試体８とその上下部分の縦断面図であり、載荷手段１６の載荷部２１と上部台座１５との間には球座２２がもうけられ、供試体８への加重が均一になるようにしてある。また、下部台座１４には送水管１８から供試体８の透水孔７に送水をする送水孔２３が設けられており、送水孔２３の一方は下部台座１４の中心部に位置するように設けられている。また、下部台座１４の上面にはＯリング２４が設けられ、水密性が維持されるようになっている。
なお、ビュレット１７からの供試体８への送水は、透水孔７を通して割れ目４内に放射状に透水することになる。
【００１１】
この工程の室内試験装置１１により測定した供試体８の応力に対する透水係数の関係の一例は、図３のグラフに示すように表される。供試体８は原位置の測定対象となる部分から採取したボーリングコア５を整形して作成し、この１つの供試体８を応力に対する透水係数の関係を表す基準値としてもよいし、測定対象となる原位置の近傍の複数箇所から供試体８となるボーリングコア５の採取を行い、その複数の供試体８の応力に対する透水係数の平均値を求めて基準値とするようにしてもよい。
【００１２】
なお、供試体８の割れ目の透水の流れは、円の中心の透水孔７から外向きの放射流れとすると、理論的に次式（１）〜（６）からで透水係数ｋが求められる。各式の記号の一部については、図４に示した平行平板間の放射流を対象とした変水位透水試験の模式図を参照されたい。
【００１３】
変水位透水試験として考えると連続式は、
【数１】
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となる。ここでＡはビュレットの断面積、Ｑは流量、ｈは全出頭、ｔは時間、また、開口割れ目内の放射流が、平行平板間の電流と仮定すると、流量は（２）式で表される。
【数２】
2004117319.tif 000004
ここで、ｈは変数。次に、式（１）と（２）より、Ｑを消去すると、
【００１４】
【数３】
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が得られる。積分すると次式（４）で表される。
【数４】
2004117319.tif 000006
水理学的開口幅ａ３　について解くと、
【００１５】
【数５】
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が得られる。
さらに、透水係数は、平行平板間の層流の理論解である次式（６）で表される。
【数６】
2004117319.tif 000008
【００１６】
上記において、πは円周率、ａは開口割れ目の開口幅、ρは水の密度、ｇは重力加速度、νは水の動粘性係数、ｒは放射流れの中心からの距離、サフィックス（下付の数字）は図４に示す表示箇所を示す。時間ｔ１　，ｔ２　はそれぞれ全出頭がｈ１　，ｈ２　のときの時間、また、３乗則は平行平板間の層流の理論解において、流量が開口幅の３乗に比例することにもとづく。
【００１７】
次の第２の工程は、供試体８が採取された原位置の応力計測を行うものであり、図５にこの応力計測の状況を模式図として示す。図５は図１の一部を拡大して計測機器等を記載したものであり、同一部分は同一記号で表示してある。
図５において３１は供試体８を採取したボーリング孔３の原位置であり、その周囲には割れ目４が形成されている。原位置３１はその左右にパッカー３２，３３が設けられると共に、その両者間には間隔保持用のロッド３４が設けられ、原位置３１としての計測部分が確保されている。パッカー３２，３３とボーリング孔３との間の水密性を高めるために、両パッカー３２，３３にはトンネル１内に設置された水槽部３５から、パッカー用ポンプ３６により配管３７を通して送水するようになっている。
【００１８】
トンネル１側のパッカー３３には、押出し用のロッド３８が設けられ、パッカー３２，３３の押込み又は引出しが容易に行い得るようになっている。原位置３１には３つのビュレット３９，４０，４１が送水用の配管４２を通して接続されており、測定対象の原位置３１への送水の流量によりビュレット３９，４０，４１を選択する。また、原位置３１への送水は、図示していないエアコンプレッサーからの圧縮空気を圧力調整弁４３で調整して行うものである。この送水圧力は圧力計４４（小型の圧力センサー）により計測され、そのデータは図示していないパソコン等に通信ケーブルを介して入力し保存する。また、ビュレット３９，４０，４１への空気圧力とその出力側の水圧との関係を示す差圧計４５により水面位置を計測する。この差圧計４５のデータも前記パソコンに保存する。４６〜５３はビュレット３９，４０，４１及び差圧計４５の入出力側に設けられた開閉バルブである。
【００１９】
原位置３１での応力の計測は、原位置３１に圧力を掛けて送水して、その割れ目４部分の透水性を測定するものである。即ち、図６に示すグラフのように透水圧（ρ−ｕ）と流量（Ｑ）の関係から透水係数を求める。
例えば、図６に示すように、４段階の圧力（透水）で得られた流量を求めて４点の計測値をプロットし、原点を通る近似線として直線を引いた図になる。このグラフから、透水圧が変化しても透水係数は一定であることが分かる。
この図６に示された原位置３１での透水圧（ρ−ｕ）と流量（Ｑ）とにより求められた透水係数を、図２に示した原位置３１又はその近傍から採取した供試体８の応力と透水係数との関係グラフから、供試体８としてのボーリングコア５を採取した原位置３１の応力を求めることができる。
【００２０】
本発明の計測方法による原位置の応力の計測精度は、供試体８の単一の割れ目４における流量が、割れ目４の開口幅の３乗に比例するすることから、応力の変化に伴う微小な開口幅の変化を流量の変化に鋭敏に反映させることができるため、精度の高い原位置の応力の計測が可能である。
また、従来方法における岩盤の原位置応力の計測は、ひずみ，水圧，ＡＥイベントなどの計測によるものであるため、原位置の間隙水圧と透水係数などの水理学的な物性の計測はできなかったが、本発明による計測方法は、前述したように原位置応力を透水係数から求める計測方法であるため、応力の計測と共に間隙水圧や透水係数などの水理学的な物性の計測も同時にできるという効果も奏するものである。
【００２１】
前述した実施例は、トンネル１内から横（水平）方向にボーリングして、岩盤２の横方向のボーリングコア５を採取した後、整形等を行い供試体８を作成し、この供試体８の割れ目４の透水係数と応力との関係を測定すると共に、ボーリング孔３の原位置３１における割れ目４の流量Ｑと透水圧（ρ−ｕ）との関係から透水係数を求めて、この両者の関係から原位置３１の応力を求める実施例で説明した。
【００２２】
しかし、本発明は、図７に示すように垂直（縦）方向のボーリング孔３’　から図示していない供試体を採取して、応力と透水係数の関係を計測すると共に、原位置３１’　の割れ目４’　に基づき縦方向の応力を計測したり、図８に示すように斜方向のボーリング孔３’’から図示していない供試体を採取して、同様の計測を行うと共に、原位置３１’’の割れ目４’’に基づき斜方向の応力を計測することもできる。この場合でも供試体としてのボーリングコアの単一の割れ目は、当該ボーリングコアに加える垂直応力面に対してほぼ平行に形成されているものであることが望ましい。
【００２３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明による地中岩盤の原位置応力の計測方法は、計測対象の原位置から供試体としてのボーリングコアを採取して、応力と透水係数との関係を計測して基準データとするものであるため、原位置を当初の状態に保存しておき、定期的に原位置の透水係数を計測することにより、原位置の応力の経時的変化も容易に計測することができるものである。従って、従来方法のように原位置の応力を計測する度毎に当該原位置を削孔する必要がない。また、高圧湧水下となる深部トンネル周辺の長期の透水性と応力の両方をモニタリングすることが可能である。更に、透水性と応力計測を個別に計測する従来方法に比較して、コスト的なメリットにおいても優れているなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示すもので供試体としてのボーリングコアの採取の状態と、整形された供試体の模式図である。
【図２】本発明における供試体の室内試験装置の一実施例を示す模式図である。
【図３】本発明における供試体の垂直応力と透水係数との計測データの一例を示すグラフである。
【図４】本発明における平行平板間の放射流を対象とした変水位透水試験の模式図である。
【図５】本発明における供試体を採取したボーリング孔の原位置の透水係数を計測する工程の一例を示す模式図である。
【図６】本発明における原位置の透水係数を計測するための透水圧と流量との計測データの一例を示すグラフである。
【図７】本発明における垂直方向の供試体を採取したボーリング孔の原位置の透水係数を計測する工程の一例を示す模式図である。
【図８】本発明における斜め方向の供試体を採取したボーリング孔の原位置の透水係数を計測する工程の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１　トンネル
２　岩盤
３，３’　，３’’　ボーリング孔
４，４’　，４’’　岩盤の割れ目
５，５’　，５’’　ボーリングコア
６　底部
７　透水孔
８　供試体
１１　供試体の室内試験装置
１２　枠体
１３　中空下面部
１４　下部台座
１５　上部台座
１６　載荷手段
１７　ビュレット
１８　送水管
１９　空気圧の調整弁
２０　圧力計
２１　載荷部
２２　球座
２３　送水孔
２４　Ｏリング
３１　原位置
３２，３３　パツカー
３４　間隔保持用のロッド
３５　水槽部
３６　パッカー用ポンプ
３７　配管
３８　押出し用のロッド
３９，４０，４１　ビュレット
４２　送水用の配管
４３　圧力調整弁
４４　圧力計
４５　差圧計
４６〜５３　開閉バルブ
【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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