(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直な回転軸と、回転軸を中心として水平回転する回転体と、回転体に支持された試料容器とを備え、回転体の回転により試料容器に収納した試験材料に所定の遠心加速度を付与する遠心載荷装置において、上記試料容器に冷凍システムを設け、該容器内の試験材料を遠心加速度の付与状態で凍結可能とすると共に、前記回転体は、回転軸を中心として水平回転する円盤型に形成されており、試験材料を収納する試料容器は、円盤型をなす回転体の内部に設置されると共に、該回転体を構成する水平ビームに支持され、水平方向に可動するスライドベースを介して横置きに設置されることを特徴とする遠心力載荷装置。
【請求項２】
試料容器に設ける冷凍システムは、回転系外部に設置した冷凍機にて所定温度に冷却した不凍液を、該冷凍機と回転系内部の試料容器に設置した熱交換機との間に循環させるとともに、熱交換された冷気をファンにて試料容器内に送給することにより試験材料を冷凍するものである請求項１に記載の遠心力載荷装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、地盤や岩体等の試験材料に所要の遠心加速度を付与して各種の強度実験を行なう遠心力載荷装置に係り、特に岩体の凍結圧による亀裂の進展機構を究明可能な機能を備えた遠心力載荷装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
北海道等の積雪寒冷地域で生じる大規模な岩盤崩落事故については、これらに共通する事故原因の一つが、岩体の自重と地下水圧、凍結圧などによる亀裂の進展にあると考えられている。
【０００３】
すなわち、北海道等の日本海沿岸に位置する急崖斜面は、溶岩が水中で急激に冷やされてできた水冷破砕岩で構成された斜面が多い。水冷破砕岩は、均質ながらも脆さを有した亀裂の少ない岩盤といわれている。このような急崖斜面においてなんらかの要因で亀裂が進展すると、斜面背面の少ない亀裂が連結して比較的大規模な崩落が生じる可能性がある。このことから、亀裂の進展機構を岩盤力学的観点から究明することが重要となっている。
【０００４】
しかしながら、従来は、このような岩盤の亀裂の進展をシミュレーションできる実験装置が存在しなかったため、その亀裂の進展機構はほとんど究明されていない。
【０００５】
本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、積雪寒冷地における大規模岩盤崩落の原因の一つである、亀裂進展の機構解明に関するシミュレーション実験を室内規模で実施するのに適した装置の提供を目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の装置は、鉛直な回転軸と、回転軸を中心として水平回転する回転体と、該回転体に支持された試料容器とを備え、回転体の回転により試料容器に収納した試験材料に所定の遠心加速度を付与する遠心載荷装置において、上記試料容器に冷凍システムを設け、該容器内の試験材料を遠心加速度の付与状態で凍結可能とすると共に、前記回転体は、回転軸を中心として水平回転する円盤型に形成されており、試験材料を収納する試料容器は、円盤型をなす回転体の内部に設置されると共に、該回転体を構成する水平ビームに支持され、水平方向に可動するスライドベースを介して横置きに設置された遠心力載荷装置を要旨とする。
【０００７】
ここで遠心力載荷装置とは、実験対象物に遠心加速度を付与できる装置のことである。衆知のように地球上の重力加速度場にある物質の重さは、質量に重力加速度を乗じて求められる。これはＳＩ単位系でみると自明で、質量１ｋｇの物質の重さは、重力加速度Ｇ＝９．８１ｍ／ｓｅｃ2 を乗じて９．８１ｋｇｍ／ｓｅｃ2 ＝９．８１Ｎとなる。これを遠心力載荷装置に搭載して、例えば重力加速度の１００培の遠心加速度を付与すると、遠心加速度場では重さが１００培の９８１Ｎになる。
【０００８】
本発明は、遠心力載荷装置の上記原理を利用したものであって、岩体等の固体試験材料の自重を自在に増し、その自重による引張り応力やせん断応力を発生させ、その状態に水圧や凍結圧などが作用する実験を可能となし、これらの要因が亀裂進展や岩体破壊に与える影響を究明しようとするものである。
【０００９】
本発明の遠心力載荷装置において、試料容器に冷凍システムを設けたのは、その内部に収納する試験材料を凍結させ、自重を増した状態で凍結圧を作用させる実験を可能とするためである。
【００１０】
また、回転体を円盤形に形成したのは、回転時の空気抵抗が少なく、遠心加速度が安定するとともに、回転駆動装置の消費電力の節約につながるからである。
【００１１】
試験材料を収納する試料容器は、回転体に吊り下げる方式ではなく、回転体を構成する水平ビームにスライドベースを介して横置きに固定する設置方式を採用する。本装置にて扱う試験材料が、破壊を目的とした岩体等の大型の固体物に限られるからであり、該試験材料の装置への設置が、通常の吊り下げ方式に比べて容易だからである。また、試料容器を円盤型に形成した回転体の内部に設置することにより、岩体等の試験材料の破壊時の衝撃を緩和し、周囲への飛散を防止することができる。また、試料容器を設置するスライドベースは、回転体を構成するビームに支持され、該ビームに沿って水平方向に可動する構造とすることにより、遠心加速度が作用した試料容器全体の荷重が、バックプレートを介して４本のビームにより確実に支持される。
【００１２】
さらに、試料容器に設ける冷凍システムは、回転系外部に設置した冷凍機にて所定温度に冷却した不凍液を、該冷凍機と回転系内部の試料容器に設置した熱交換機との間に循環させるとともに、熱交換された冷気をファンにて試料容器内に送給することにより試験材料を冷凍するものが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１および図２は、本発明に係る遠心力載荷装置を円筒状をなす地下ピットＰ内に据え付けた一例であり、１は鉛直な回転軸、９は回転軸１に取り付けられた円盤型の回転体、１５は回転体９内部に設置された試料容器を示している。
【００１４】
すなわち、回転軸１は、その軸上部を地下ピットＰの上部デッキＤ１に組み込まれた軸受２に、軸下部を内部デッキＤ２に組み込まれた軸受３に、それぞれ可回転に軸着させて、地下ピットＰのほぼ中央部に鉛直に据え付けてある。この回転軸１の下端部は、地下ピットＰの下部デッキＤ３上に設置された駆動装置４に減速機５を介して接続してある。また、回転軸１の下端部には、回転側（装置内部）と装置外部との間で情報をやり取りするためのスリップリング６が取り付けてある。
【００１５】
回転軸１には、４本の長尺ビーム７1 ，７2 ，７3 ，７4 を角柱状に組み合わせるとともに、その両端面にバックプレート８，８を当着してなる回転体９が、回転軸１を中心として水平に固定してある。この回転体９は、図示例では、図３に示すように、その両側面を半円状に湾曲成形した鋼板１１ａ，１１ａで被覆するとともに、上下両面を円形の鋼板１１ｂ，１１ｂで被覆することにより、空気抵抗の小さい円盤型に形成してある。
【００１６】
円盤型をなす回転体９の上面１１ｂには、回転軸１を挟む対称な位置に、それぞれ開口１２ａ，１２ｂが設けてある。一方の開口１２ａは、回転体９内部に形成されたウエイト取付け器具１３に取り付けるカウンターウエイト１４を挿入するためのものであり、他方の開口１２ｂは、回転体９内部に試料容器１５及びその中に岩体等の試験材料１６を挿入するためのものである。なお、図示していないが、回転体９の側面部を被覆する半円状の湾曲鋼板１１ａ，１１ａには、試験材料１６の見える位置にビデオ撮影用の切り欠き窓が設けてある。
【００１７】
試料容器１５は、図４および図５に示すように、回転体９を構成する下部ビーム７3 ，７4 に支持され、水平方向に可動するスライドベース１７上に組み立てる複数のプレートに分解可能な箱型の密閉容器であり、その内部には、引張り荷重フレーム１８及びそれに多数のボルト１９で水平に固定される岩体等の試験材料１６と、引張り荷重フレーム１８の背面に設置する熱交換機２０が収納されるようになっている。
【００１８】
なお、試験材料１６はブロック状に形成され、その一端面には上記各ボルト１９と螺合するタップ孔２１を多数設けたプレート２２が接着してある。また、試料容器１５内には、引張り荷重フレーム１８に固定する試験材料１６を下方から支持するレベル調節可能なローラ２３およびスラストボルト２４が設けてある。
【００１９】
試料容器１５内の引張り荷重フレーム１８背面に設置された熱交換機２０は、その内部の管路２５に、装置外部に設置した冷凍機（図示せず）にて所定温度（マイナス３０°程度）に冷却される不凍液（ブライン）を回転軸１上部のロータリージョイント２６を介して循環導入するとともに、熱交換された冷気をファン２７にて密閉された試料容器１５内に矢印で示すように送給し、引張り荷重フレーム１８に固定された試験材料１６を冷凍するものである。
【００２０】
上記構成よりなる遠心力載荷装置を使用して岩体の凍結圧による亀裂の進展をシミュレーションするには、試験材料である岩体１６を所要の大きさのブロック状に形成し、その表面に切り込みを入れる。また、岩体１６の一端面にタップ孔２１を備えたプレート２２を接着する。この岩体１６を、円盤型回転体９上面の一方の開口１２ｂより回転体９内部のスライドベース１７上に置かれた試料容器１５内のローラ２３およびスラストボルト２４上に載置して、引張り荷重フレーム１８にボルト１９で固定する。固定が完了するとスラストボルト２４を縮退させて、該ボルト２４による岩体１６の支持を解除する。
【００２１】
次いで、スライドベース１７上に熱交換機２０を設置し、その内部管路２５に、装置外部の冷凍機により冷却された不凍液を循環導入する管路をロータリージョイント２６を介して接続する。次いで、固定された岩体１６の切れ目に堆水処理を施した後、分解してある試料容器１５をスライドベース１７上に組み立てることにより、引張り荷重フレーム１８に固定された岩体１６および熱交換機２０を試料容器１５の内部に密閉する。
【００２２】
そうして、熱交換機２０を作動し、冷却された不凍液の内部管路２５への循環導入により熱交換された冷気をファン２７により試料容器１５内に送給する。試料容器１５内の試験材料である岩体１６の表面温度が低下し、所要の凍結温度となると、回転軸１の駆動装置４を駆動して、円盤型回転体９を水平回転させる。これにより回転体９内で引張り荷重フレーム１８に固定された岩体１６には、遠心加速度による引張り荷重が付与される。そこで回転体９の回転数を高めてゆくと、岩体１６に加わる引張り荷重も暫時増大し、切り込みがさらに進展して、やがて岩体１６の破壊に到る。
【００２３】
このようにしてシミュレーションされた凍結した岩体１６の亀裂の進展状況は、その一部始終をビデオ撮影により観察することができる。また、岩体１６等に取り付けた各種センサからの情報を分析して岩盤力学的な観点から亀裂進展の機構を究明することも可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の遠心力載荷装置は、試験材料を収納する試料容器に設けた冷凍システムにより試験材料を凍結させることができる。したがって、従来は不可能であった岩盤の凍結圧による亀裂の進展のメカニズムを実験的に観察することが可能である。なお、このような凍結圧の負荷試験以外にも、水圧負荷試験や油圧供給による加振試験等に適用することが可能である。
【００２５】
また、試料容器は従来のように回転体に吊り下げる方式ではなく、回転体を構成する水平なビームにスライドベースを介して横置きに設置する方式であるから、岩体等の大型化した試験材料の設置が容易であり、かつ試験材料の破砕時等の耐衝撃性にも優れている。回転ビームが空気抵抗の少ない円盤型であるから、安定した遠心加速度が得られ、しかも回転軸駆動装置の消費電力を大きく減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の遠心力載荷装置の縦断側面図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線矢視図である。
【図４】本発明に係る試料容器を説明す縦断側面図である。
【図５】図４の平面図である。
【符号の説明】
１  回転軸
７1 ，７2 ，７3 ，７4   ビーム
９  回転体
１５  試料容器
１６  試験材料（岩体）
１７  スライドベース
１８  引張り荷重フレーム
２０  熱交換機
【図１】
0004704607.tif 000002
【図２】
0004704607.tif 000003
【図３】
0004704607.tif 000004
【図４】
0004704607.tif 000005
【図５】
0004704607.tif 000006