(57)【要約】【課題】応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、簡素な機構を有し安価であり、更には、精度よく測定できるボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置を提供することを目的とする。【解決手段】載荷方向で最大となる三角関数的分布の直応力と、載荷方向に垂直な孔径方向で最大となる指数関数的分布のせん断応力とを同時に発生させる載荷手段、好ましくは、鋼製円柱を半割り状にした二つの蒲鉾型プレートと、そのプレートの外表面にプレートの半割平面に垂直な方向に構成した鋼板と補強部材層との互層を有する載荷手段を設け、人工亀裂の再開口を検出するために、人工亀裂を跨ぐコンタクトゲージを用いる。【選択図】　図４
2004020432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボアホールジャッキを用いた一直径方向への孔内載荷により岩盤内に人工亀裂を造成するボアホールジャッキ式応力測定プローブであって、孔壁円周上に、所定の載荷方向で最大となり該載荷方向に垂直な孔径方向で最小となる三角関数的分布の直応力と、該載荷方向に垂直な孔径方向で最大となり該載荷方向で最小となる指数関数的分布のせん断応力とを同時に発生させる載荷手段を有することを特徴とするボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ。
【請求項２】
前記載荷手段は、一直径方向への荷重を加えるボアホールジャッキと、該ボアホールジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートと、該支持プレートの外表面に板状に突設し孔軸方向に設けられた複数の載荷板とを有し、該複数の載荷板の外周側は前記孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外形を形成していることを特徴とする請求項１記載のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ。
【請求項３】
前記一対の支持プレートは、鋼製円柱を半割り状にした二つの蒲鉾型プレートであり、前記載荷板は、該蒲鉾型プレートの外表面に板状に突設し該蒲鉾型プレートの半割平面に垂直な方向に埋め込まれた鋼板であることを特徴とする請求項２記載のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ。
【請求項４】
前記複数の載荷板の間に、該載荷板の曲がりを抑制するための該載荷板より柔軟な材料からなる補強部材層を設け、該載荷板と該補強部材層との互層を構成したことを特徴とする請求項２又は請求項３記載のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ。
【請求項５】
前記補強部材は、ウレタン樹脂であることを特徴とする請求項４記載のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ。
【請求項６】
前記載荷手段は、一直径方向への荷重を加えるジャッキと、該ジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートとを有し、該支持プレートは、その外周側が前記孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外周面を形成している板ばね状の支持プレートであることを特徴とする請求項１記載のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ。
【請求項７】
前記支持プレートは、その外周面に突設した摩擦効果を発生させる機構を有する支持プレートであることを特徴とする請求項６記載のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ。
【請求項８】
孔壁上に造成した人工亀裂が再開口する瞬間の載荷圧を測定するために、人工亀裂の再開口を検出する手段として、該人工亀裂を跨ぐコンタクトゲージ、特には、ＴＳＳ（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　Ｓｔｒａｉｎ　Ｓｅｎｓｏｒ）を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れかに記載のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れかに記載のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブと、該プローブをテスト孔に挿入するための機構と、これらを制御しテストデータを計測・記録するための計測・制御系とを含み構成されていることを特徴とするボアホールジャッキ式一面破砕応力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩盤中に掘削した孔井を利用して原位置で岩盤の応力測定を行うためのプローブに係わり、特に、孔内載荷により岩盤内に人工亀裂を造成し岩盤の応力測定を行うボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
岩盤の応力測定は、坑内採掘鉱山や露天採掘鉱山に対する信頼性の高い開発設計、或いはトンネルや、大深度地下空洞、岩盤斜面やダム等の大規模な土木構造物の合理的設計を可能とするデータを得るために重要であり、また、地震予知に関連しては大深度岩盤の応力測定が必要である。これらの応力測定を原位置で行うものとして、応力解放法（例えば、特開平１１−３０４６０１号公報）と、孔内載荷によって岩盤内に人工亀裂を造成する方法とが広く用いられているが、本発明は後者に属する技術である。
【０００３】
かかる孔内載荷によって岩盤内に人工亀裂を造成して行う応力測定法の従来技術として、代表的には、水圧破砕法、乾式二面破砕法、乾式一面破砕法、プレートフラクチャリング法などが知られており、図１は、これらの従来技術における人工亀裂や、最大主応力σ１、最小主応力σ２の方向と載荷手段の配置との関係、及び得られるデータを概念的に示したものである。
【０００４】
水圧破砕法は、例えば、特開平１０−２２０１６０号公報、特開平０９−２５６７７２号公報などに開示されているように、孔壁面に密接する上下一対のパッカーにより水圧破砕室を形成し、水圧破砕室に送った高圧流体（通常、高圧水）により直接的に、水圧破砕室の全孔壁面に一様な載荷を行う方法であり、人工亀裂が再開口する瞬間の載荷圧（再開口圧）Ｐｒと人口亀裂の閉口圧Ｐｓ、及び亀裂の方向から応力場を特定することができる。
【０００５】
図２は、本発明者らが開発し、多くの測定に用いられてきたワイヤライン方式による水圧破砕応力測定システムの概略構成図であり、このシステムを用いれば、深さ１，０００ｍでの応力測定を３人で実施することができる。このシステムは、図２に示したように、上下一対のパッカー、流路切替バルブ、圧力計などからなるプローブ、プローブをテスト孔に挿入するためのスチールケーブル、滑車、ウインチなどからなるワイヤライン機構、プローブに高圧水を供給するための高圧ホース、流量計、ポンプ、水タンク（図示省略）等からなる高圧水供給系、これらを計測・制御するための増幅器、Ａ／Ｄコンバーター、コンピュータ（図中、ＰＣ）等からなる計測・制御系、などから構成されている。計測データは、コンピュータによって記録、解析され、コンピュータの画面に人工破砕の挙動をリアルタイムで表示できると共に、解析された測定結果を図表化し同様に画面表示することができる。
【０００６】
このような水圧破砕法は、最もよく用いられている方法であるが、人工亀裂は応力場に依存して（最小主応力方向に垂直な方向に）発生するので、主応力比σ１／σ２＞３の応力場を有する岩盤では、原理的に再開口圧を検出できないという問題がある。即ち、σ１／σ２＞３の応力場では、人口亀裂が造成されるσ１方向の孔壁における接線応力σθは、σθ＝３σ２−σ１＜０（引張応力）となり、これは、内圧載荷によって亀裂を再開口させる前に既に再開口していることを意味し、圧力〜時間曲線からの再開口圧の検出は不可能となる。また、全孔壁面に一様な載荷を行うため、人口亀裂を任意の方向に造成できないという問題があり、更にまた、再開口される前に人工亀裂内には注入圧と同程度の水圧が作用しており、正確な再開口圧の測定が困難になることがあるという問題もある。また、流体（水）は岩盤内に浸透するため大容量のタンクとポンプを地表に設ける必要があり、プローブに至る配管内には多量の流体が存在し、配管の低剛性と水の圧縮性に起因して、地表部において検出される見かけの再開口圧は、真の再開口圧より大きくなるという問題がある。
【０００７】
乾式二面破砕法は、柔らかく弾性変形可能なウレタン樹脂等の載荷スリーブ内に高圧流体を送り、載荷スリーブを介して全孔壁面に一様な載荷を行う方法であり、流体を垂れ流さず、流体はタンクと孔内に密閉区間を作るパッカー内とを往復する方法であるが、水圧破砕法と同様、主応力比σ１／σ２＞３の岩盤では再開口圧を検出できない、人口亀裂を任意の方向に造成できないという問題の他、大深度（高）応力場の計測では、プローブ等の耐圧性を、水が人口亀裂内に浸入し亀裂が伸展し易い水圧破砕法に比べて、極めて高くしなければならないという問題がある。また、従来技術では、亀裂の再開口の検出を孔径変化の計測（通常、４方向の孔径変化の計測）で行っているが、載荷スリーブを介した全孔壁面への一様載荷を行う方法のため、圧力〜孔径変化曲線における屈曲点が共に明瞭でなく、１次亀裂の再開口圧Ｐｎ１の検出、及び１次亀裂の方向に垂直な方向に生ずるとされる２次亀裂の再開口圧Ｐｎ２の検出が難しいという問題がある。
【０００８】
乾式一面破砕法は、例えば、特開平０９−０２６３８６号公報などに開示されているように、柔らかく弾性変形可能なウレタン樹脂製スリーブと、その外殻をなし、２つの半円筒に分割された弾性内層（ケブラ等）とその外面を包む摩擦外皮（鋼製ワイヤメッシュ等）より成る摩擦シェルを有し、ウレタン樹脂製スリーブ内に高圧流体を送り弾性摩擦シェルを介して載荷を行う方法であり、特定破砕一面以外の孔壁周辺を摩擦シェルによって力学的に固結させることにより、人工亀裂を応力場に依存しない方向、即ち、任意に設定した方向に造成するものである。この乾式一面破砕法は、乾式二面破砕法と同様、水圧破砕法に比べてプローブ等の耐圧性を高くしなければならない、再開口圧Ｐｎの検出が難しいという問題の他、摩擦効果を発生させる機構や、ウレタン樹脂製スリーブの油圧密封機構、ウレタン樹脂製スリーブの破裂防止機構など複雑な機構を要し、その装置は高価にならざるを得ず、故障が多く信頼性に欠けるという問題がある。
【０００９】
プレートフラクチャリング法は、孔壁の曲率半径と同じ曲率半径の外周面を有する一対の蒲鉾型プレートをボアホールジャッキで加圧し、特定の一面破砕を行おうとするものであり、非常に簡素な機構で構成することが可能である。然しながら、孔壁の曲率半径と同じ曲率半径の外周面を有する蒲鉾型プレートを用いることは困難であり、人工亀裂が必ずしも意図した方向に造成されないという問題があり、未だ実用化に至っていない。即ち、蒲鉾型プレート外周面の曲率半径が孔壁の曲率半径より小さい場合には、孔壁上の直応力は載荷方向で最大となりプレート両端部には大きな直応力もせん断応力も生じ得ず、プレートが接触していない孔壁の広い区間内のどこで亀裂が発生するのか特定できない。逆に、蒲鉾型プレー外周面の曲率半径の方が大きい場合には、プレート両端部において大きな直応力とせん断応力が生じるが、プレートの剛性が大きいので、プレートと孔壁との接触部（プレート両端部）でせん断破壊が生じてしまい、意図した載荷方向に垂直な孔径方向の孔壁に引張亀裂が造成することはできないという問題がある。
【００１０】
なお、ジャッキを利用した従来技術として、例えば、特開平０８−２８５７４７号公報には、ボーリング孔内に挿入するプローブの両側部にせん断プレートを配設し、垂直圧用ジャッキによって外向きの荷重を加えて、せん断プレートの外表面に突設した歯が孔壁に食い込むようにせん断プレートを孔壁に圧着し、プローブに連結した引抜き用ロッドにせん断圧用ジャッキによって引抜き荷重を加え、プローブ軸方向の応力をロードセルで計測することにより、せん断応力を求める孔内せん断試験方法が開示されている。この従来技術は、本発明の意図する応力測定に係わるものではないが、ジャッキ本体の構成、機構は、本発明でも使用できるものである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、原位置で岩盤の応力測定を行う技術に係わる上述した状況に鑑み、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、簡素な機構を有し安価であり、更には、精度よく測定できるボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するため、請求項１の発明は、ボアホールジャッキを用いた一直径方向への孔内載荷により岩盤内に人工亀裂を造成するボアホールジャッキ式応力測定プローブであって、孔壁円周上に、所定の載荷方向で最大となり該載荷方向に垂直な孔径方向で最小となる三角関数的分布の直応力と、該載荷方向に垂直な孔径方向で最大となり該載荷方向で最小となる指数関数的分布のせん断応力とを同時に発生させる載荷手段を有することを特徴とするボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブである。
【００１３】
請求項２から請求項５の発明は、前記載荷手段の好ましい第一の形態に係わる発明であり、請求項２の発明は、前記載荷手段を、一直径方向への荷重を加えるボアホールジャッキと、該ボアホールジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートと、該支持プレートの外表面に板状に突設し孔軸方向に設けられた複数の載荷板とを有する構成とし、該複数の載荷板の外周側を、前記孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外形を形成するようにしたボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブである。
【００１４】
請求項３の発明は、前記一対の支持プレートを、鋼製円柱を半割り状にした二つの蒲鉾型プレートとし、前記載荷板を、該蒲鉾型プレートの外表面に板状に突設し該蒲鉾型プレートの半割平面に垂直な方向に埋め込まれた鋼板としたボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブであり、請求項４の発明は、前記複数の載荷板の間に、該載荷板の曲がりを抑制するための該載荷板より柔軟な材料からなる補強部材層を設け、該載荷板と該補強部材層との互層を構成したことを特徴とするプローブであり、請求項５の発明は、更に、前記補強部材を、ウレタン樹脂としたボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブである。
【００１５】
請求項６と請求項７の発明は、前記載荷手段の好ましい第二の形態に係わる発明であり、請求項６の発明は、前記載荷手段を、一直径方向への荷重を加えるジャッキと、該ジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートとを有する構成とし、該支持プレートを、その外周側が前記孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外周面を形成している板ばね状の支持プレートとしたボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブであり、請求項７の発明は、更に、この支持プレートを、その外周面に突設した摩擦効果を発生させる機構を有する支持プレートとしたプローブである。
【００１６】
請求項８の発明は、前記本発明のプローブにおいて、孔壁上に造成した人工亀裂が再開口する瞬間の載荷圧を測定するために、人工亀裂の再開口を検出する手段として、該人工亀裂を跨ぐコンタクトゲージ、特には、ＴＳＳ（Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　Ｓｔｒａｉｎ　Ｓｅｎｓｏｒ）を用いたことを特徴とするボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブである。
【００１７】
請求項９の発明は、本発明の装置であって、本発明のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブと、該プローブをテスト孔に挿入するための機構と、これらを制御しテストデータを計測・記録するための計測・制御系とを含み構成されていることを特徴とするボアホールジャッキ式一面破砕応力測定装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明は先ず、基本的なプローブの構成として、前述のプレートフラクチャリング法と同様、ボアホールジャッキ式を採用した。これにより、水圧破砕法において必要な水圧破砕室を形成するためのパッカーや、大容量のタンク、ポンプ等を要さず、また、前述の乾式一面破砕法における、ウレタン樹脂製スリーブの油圧密封機構や、ウレタン樹脂製スリーブの破裂防止機構など複雑な機構を必要とせず、非常に簡素な機構を有し安価な測定装置として構成することができる。
【００１９】
次に、本発明は、前述のプレートフラクチャリング法では不可能であって、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成できるようにするため、本発明の最大の特徴である、孔壁円周上に所定の載荷方向で最大となり載荷方向に垂直な孔径方向で最小となる三角関数的分布の直応力と共に、載荷方向に垂直な孔径方向で最大となり載荷方向で最小となる指数関数的分布のせん断応力とを同時に発生させる載荷手段を設ける。なお、本発明で言う三角関数的分布とは、載荷方向の孔壁に生ずる最大直応力をＰ０とし、載荷方向からの角度をθとした場合、概ねＰ０ｃｏｓ２θ＝Ｐ０（１＋ｃｏｓ２θ）／２の如く分布を意味し、指数関数的分布とは、載荷方向に垂直な孔径方向からの角度をβとし、αを正の定数として、概ねＰ０ｅ−αβの如く分布を意味する。
【００２０】
かかる載荷手段は、一直径方向への荷重を加えるボアホールジャッキと、ボアホールジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートと、支持プレートの外表面に板状に突設し孔軸方向に設けられた複数の載荷板とを有する構成とし、その複数の載荷板の外周側を、孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外形を形成するようにした形態が好ましく、更には、その一対の支持プレートを、鋼製円柱を半割り状にした二つの蒲鉾型プレートとし、その載荷板を、蒲鉾型プレートの外表面に板状に突設し蒲鉾型プレートの半割平面に垂直な方向に埋め込まれた鋼板とし、鋼板の間に、鋼板の曲がりを抑制するための鋼板より柔軟な材料（例えば、ウレタン樹脂）からなる補強部材層を設け、鋼板と補強部材層との互層を構成する形態が好ましい。
【００２１】
この形態における鋼板の役割は、プローブ外周の曲率半径が孔壁の曲率半径と一致しなくても、孔壁にほぼ均等な表面力を生じさせることにあり、ウレタン樹脂の機能は、鋼板の曲がりを抑制すると共にある程度の横変位を許容することにある。そして、蒲鉾型プレート（以下、単に「プレート」と略称することがある。）中央部を穿ってできた空間に油圧ジャッキを装着し、これを用いてプレート間を拡げると、孔壁と斜交する鋼板の作用効果によって岩盤孔壁に、プレート端で最大となり載荷方向で最小となる指数関数的分布のせん断応力が発生する。即ち、鋼板は孔壁接線方向と傾斜しており、その傾斜はプレート両端部に近づくほど大きいので、両端部に近いほどせん断応力は大きくなり、直応力は小さくなる。このせん断応力分布に起因して、両プレート間の狭い区間の孔壁に大きな引張応力が発生し、そこから人工亀裂が伸展する。
【００２２】
図３は、この実施の形態における人工亀裂や、最大主応力σ１、最小主応力σ２の方向と、プレートの形状、配置との関係、及び得られるデータを概念的に示したものである。図３に示したように、このプレートの断面形状は、櫛に似ており（奥行は長い）、以下、このプローブを用いる応力測定法をコウムフラクチャリング法と称することがある。なお、支持プレートや、載荷板、補強部材の材質、詳細な形状などは、目的とする孔井の形状、大きさ、想定される最大主応力、最小主応力などによって、適宜、選定、設計すべきものであり、特に本発明を限定するものではない。また、本発明を限定するものではないが、プローブと孔壁との親和性を良くするため、例えば、リーマーを使い孔壁の仕上がりを良くするのが望ましい。
【００２３】
以上のような実施の形態により、本発明は、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、更には、前述の乾式一面破砕法の従来技術などと同様にして、例えば、プローブを回転させ載荷方向を任意の方向に変えることにより、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向などを算定することができる。
【００２４】
次に、載荷手段の好ましい第二の実施の形態について説明する。
【００２５】
この形態は、載荷手段を、一直径方向への荷重を加えるジャッキと、ジャッキの荷重を受ける一対の支持プレートとを有する構成とし、支持プレートを、その外周側が孔壁の曲率半径と概ね同じ／又は大きい曲率半径の外周面を形成している板ばね状の支持プレートとしたものであり、更には、この支持プレートを、その外周面に突設した摩擦効果を発生させる機構を有する支持プレートとしたものである。
【００２６】
即ち、この形態における支持プレートの機能は、プローブ外周の曲率半径が孔壁の曲率半径と一致しなくても、孔壁にほぼ均等な表面力を生じさせる剛性と可撓性を有し、載荷方向で最大となる三角関数的分布の直応力を発生させると共に、載荷方向に垂直な孔径方向で最大となる指数関数的分布のせん断応力を同時に発生させることにあり、更には、その外周面に突設した摩擦効果を発生させる機構、例えば、外表面に突設した複数の歯により孔壁周辺を力学的に固結させることにある。この実施の形態によっても、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、更には、例えば、プローブを回転させ載荷方向を任意の方向に変えることにより、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向などを算定することができる。なお、この支持プレートは、複数の板材を接合し、その外周側を所定の曲率半径の面に加工して、或いは、一つのブロック体を、例えば、外周側及び内周側をそれぞれ所定の曲率半径を有する三日月状に加工して製作することもできる。
【００２７】
次に、精度よく測定するために好適な、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
岩盤の応力測定は、一般的に、孔壁上に人工亀裂を造成した後いったん除荷し、次に、この人工亀裂を再開口させるために再び載荷を行い、人工亀裂が再開口する瞬間の載荷圧を計測することよって行う。従って、精度よく測定するためには、人工亀裂が再開口する瞬間を正確に検出する必要があるが、孔径変化から検出する従来の方法ではそれが困難であった。なお、従来、孔径変化から検出する方法を採用していたのは、載荷スリーブ内に流体載荷する方法など、孔内の計測空間の制約があり、それ以外に有効な手段がなかったためである。
【００２９】
ボアホールジャッキ式載荷方法によれば、一対の支持プレートの開口部において、プローブと孔内との間に空間を作成することができ、本発明の実施の形態では、そこに人工亀裂を跨ぐコンタクトゲージ、特には、ＴＳＳを装着することが好ましい。コンタクトゲージは、広くは、地表或いはトンネルの側壁面に打設された２標点間の距離の変化を、標点に触針を当てて計る物差しを意味するが、本発明に用いるに際しては、地表等からの遠隔操作による計測、更には電気信号による計測が可能なことが望ましく、特には、ＴＳＳを装着することが好ましい。ＴＳＳは、１９８７年にオーストラリアで提案されたものであり、ボアホールジャッキを用いた岩盤の変形係数測定の高精度化を目的とし、孔壁上の弾性ひずみの計測に用いられてきた（例えば、Ｒ．　Ａｚｚａｍ　＆　Ｈ　．Ｂｏｃｋ：Ｒｅｃｏｖｅｒａｂｌｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｆｏｒ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ　ｓｔｒａｉｎ　ａｔ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｗａｌｌｓ　−Ａ　ｋｅｙ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｉｎ　ｓｏｍｅ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｂｏｒｅｈｏｌｅ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，　Ｆｉｅｌｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　Ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ，　Ｖｏｌｕｍｅ　１，　Ｋｏｂｅ　１９８７）。本発明ではそれを、応力測定に適用するもので、ＴＳＳを用いることにより、人口亀裂の再開口の瞬間を明確に検出することができる。なお、再開口圧を明瞭に検出するためには、人口亀裂を孔壁上で造成させて直ぐに除荷するのではなく、孔壁からある程度奥まで亀裂を伸展させた後に除荷する必要がある。
【００３０】
本発明のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブは、前述のボアホールジャッキと一対の支持プレートとを含む載荷部と、例えば、オイルタンクやオイルポンプ等の載荷駆動系と載荷部を任意の方向に角度制御するための回転駆動系などを含む駆動部、これらのローカル計測・制御系などを含む電子制御部とから構成することができ、本発明のボアホールジャッキ式一面破砕応力測定装置は、本発明のプローブの他、更に、例えば、プローブをテスト孔に挿入するためのスチールケーブル、滑車、ウインチなどからなるワイヤライン機構、これらを地表から計測・制御するためのコンピュータ等からなる計測・制御系などから構成して実施することができる。
【００３１】
かかる構成において、載荷部を除き、従来技術が使用し得るものであり、例えば、コンピュータによって計測データを記録、解析し、コンピュータの画面に人工破砕の挙動をリアルタイムで表示し、解析された測定結果を図表化し同様に画面表示することができる。また、載荷制御もプローブ開口部の方向設定も、地表からの遠隔操作により、自動的に且つ正確に行うことができる。
【００３２】
以上のような実施の形態により、本発明は、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、簡素な機構を有し安価であり、更には、精度よく測定できるボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置を提供することができる。また、プローブを回転させ載荷方向を任意の方向に変えることにより、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を高精度に検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向などを精度よく算定することができる。
【００３３】
【実施例】
次に、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
【００３４】
先ず、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向を算定する方法について説明する。
【００３５】
ボアホール軸に垂直な面内において、任意に設定されたｘ軸から反時計回りにθｉの角度をなす方向にプローブ開口部を設置して、その方向に人工亀裂を造成するものとし、ｘ軸からαの角度をなす方向に最大主応力σ１が作用しているものとする。いま、ボアホールジャッキの油圧をＰｉとし、Ｐｉによって開口部孔壁に発生する引張応力とＰｉとの比をｋとすると、開口部孔壁に生ずる接線応力σθは次式で与えられる。
【００３６】
「数１」
σθ＝３σ２−σ１＋４（σ１−σ２）ｓｉｎ２（θｉ−α）−ｋＰｉ　　　（１）
人工亀裂を造成するためにＰｉを増大させていくと、σθは圧縮応力（正）から引張応力（負）に変わり、ついにはσθ＝−Ｓｔに達したときに孔壁に亀裂が発生する。ここにＳｔは、開口部孔壁における岩盤の引張強度である。更にＰｉを増大して亀裂長を増大させた後に、いったん除荷（Ｐｉ＝０）し、次に再び載荷する過程で、孔壁上の亀裂が再開口する瞬間のＰｉ＝（Ｐｎ）ｉを検出することができ、その時のσθはゼロである。即ち、再開口との関係は下式となり、異なる三つの方向θｉ（ｉ＝１〜３）に対しての（Ｐｎ）ｉを計測することにより、三つの連立方程式からσ１、σ２及びαを求めることができる。
【００３７】
「数２」
３σ２−σ１＋４（σ１−σ２）ｓｉｎ２（θｉ−α）−ｋＰｉ　＝０　　　（２）
次に、第二の実施例として、ＴＳＳの構成例及びそれを装着したプローブの構成例について説明する。図４は、その状況を示した概念図であって、ＴＳＳは、それぞれ一対の触針Ａ、板バネＢ、レバーＤ、ヒンジ（支点）Ｅ、ピストンＦを有し、巻バネＣなどを含み構成されている。板バネＢで連結されたクリップの二つの先端には、触針Ａが付いており、板バネＢには歪ゲージ（図示省略）が貼り付けられている。これらはレバーＤに取り付けられ、レバーＤは、ヒンジＥを支点として動けるようになっており、二つのレバーは、巻バネＣによって連結され、ピストンＦにより移動させられるようになっている。
【００３８】
かかる構成において、圧縮空気をシリンダー内に送ると二つのピストンＦが左右に移動し、レバーＤも左右に傾斜して、触針Ａが孔壁に当たる。その状態で人口亀裂が再開口すると、二つの触針Ａ間の距離が大きくなり、板バネＢ　がより大きく撓み、板バネＢ上の歪が変化する。この歪の変化を、板バネＢに貼り付けた歪ゲージで計測することにより、人口亀裂の再開口の瞬間を明確に検出することができる。
【００３９】
なお、図４の紙面に垂直な方向にボアホールジャッキが並ぶので、ジャッキが設置される位置には、剛体プレート部にジャッキを収容するための空間が穿たれている。また、ボアホールジャッキ間には、厚い剛体プレート部にボアホール軸と垂直な（紙面に平行な）スリットを設け、そこにＴＳＳ及びそれを駆動・制御する装置を収容している。
【００４０】
次に、第三の実施例として、本発明のプローブの構成例について説明する。
【００４１】
図５は、本発明のプローブの構成例を示す概略図であって、図示するように、本実施例のプローブは、載荷部、電子制御部、駆動部とから構成され、ワイヤラインに接続されている。載荷部は、ボアホールジャッキと一対の支持プレートとを含み構成されており、ボアホール軸上で回転可能になっている。駆動部は、オイルタンク、ポンプ等からなる載荷制御に係わる載荷駆動系と、載荷部の角度制御に係わる回転駆動系から構成され、電子制御部には、これらのローカル計測・制御系の電子機器等が内蔵されている。なお、載荷制御やプローブ開口部の方向設定などは、地表等に設置したコンピュータを含む計測・制御から遠隔操作により、自動的、且つ正確に行うことができると共に、データ計測も自動的に行うことができるようになっている。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は、応力場に依存しない任意の意図する方向に人工亀裂を造成することができ、簡素な機構を有し安価であり、更には、精度よく測定できるボアホールジャッキ式一面破砕応力測定プローブ及びそれを用いた装置を提供することができる効果がある。また、プローブを回転させ載荷方向を任意の方向に変えることにより、三つの異なる方向に人工亀裂を造成し、それぞれに対する亀裂再開口圧を高精度に検出して、三つの面に垂直な応力成分を決定することにより、それらから最大主応力、最小主応力とそれらの方向などを精度よく算定することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術である水圧破砕法、乾式二面破砕法、乾式一面破砕法、プレートフラクチャリング法の原理を説明するための概念図である。
【図２】本発明者らが開発し、多くの測定に用いられてきたワイヤライン方式による水圧破砕応力測定システムの概略構成図である。
【図３】本発明のプローブを用いたコウムフラクチャリング法の原理を説明するための概念図である。
【図４】本発明の実施例であって、ＴＳＳの構成例及びそれを装着したプローブの構成例の概念図である。
【図５】本発明のプローブの構成例を示す概略図である。
【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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