JP4272479B2

JP4272479B2 - 応力測定プローブ

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Publication number: JP4272479B2
Application number: JP2003276481A
Authority: JP
Inventors: 義明水田; 隆昌松永
Original assignee: 宇部テクノエンジ株式会社
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2023-07-18
Also published as: JP2005037313A

Description

本発明は、地下掘削されたボーリング孔に人工亀裂を造成して岩盤の応力測定を行うボアホールジャッキ式一面破砕法の応力測定プローブに関する。

一般に、坑内や露天の採掘をしたり、トンネル、大深度地下空洞、岩盤斜面やダム等の大規模な建設工事をしたりする場合には信頼性が高くかつ合理的な設計を行うために岩盤の応力測定が行われている。また、地震は通常静止している断層の両側の岩石が急激に滑って揺れを起こすことによって生じるものであり、断層面に働いている力、すなわち、断層面の両側の岩石を互いに押し付け合う成分である法線応力と両側の岩石を滑らせようとする成分であるせん断応力の時間的変化を調べることによって地震がいつ発生するのかを知ることができるため、地震の予知にも大深度岩盤の応力測定が利用されている。

岩盤の初期岩盤応力を測定する方法としては応力解放法とボーリング孔内への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利用されており、応力解放法では応力を受けている岩盤内部を堀削したボーリング孔の先端付近表面に歪ゲージを貼り付けてボーリング孔をオーバーコアリングすることによって周囲の拘束圧、すなわち、応力を解放し、このときに生じる歪や形状変形を測定することにより初期岩盤応力を計測することができるものである。しかしながら、応力解放法では岩盤を連続体と仮定して装置をボーリング孔内に設置するものであるため、岩盤内の亀裂等の不連続面の滑り変形や膨潤挙動を引き起こす応力を正確に検出することができない。そのため、特許文献１では前部構造体と後部構造体からなる細長い形状の装置の前部構造体及び後部構造体にそれぞれ互いに直交する３枚の平面及び３個の変位センサを設けることによって特定の不連続面やその近傍に作用する応力を３次元的に計測することを可能にしている。

一方、ボーリング孔内への載荷によって岩盤内に人工亀裂を造成する方法としては水圧破砕法、乾式二面破砕法、乾式一面破砕法及びプレートフラクチャリング法等が知られている。ここで、図９を用いて各応力測定方法について説明する。
図９（ａ）は従来技術に係る水圧破砕法の原理を説明するための概念図であり、図９（ｂ）は従来技術に係る乾式二面破砕法の原理を説明するための概念図である。また、図９（ｃ）は従来技術に係る乾式一面破砕法の原理を説明するための概念図であり、図９（ｄ）は従来技術に係る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。これらの図には、図９中破線で示されている人工亀裂が発生する方向、最大主応力σ_１の方向、最小主応力σ_２の方向及び載荷手段の配置関係とボーリング孔内の載荷による人工亀裂の圧力変化を表すグラフが示されている。

水圧破砕法では孔壁２６内にプローブを挿入し、このプローブ内部に高圧水を流してボーリング孔の孔壁２６全面に均一な水圧を加えて孔壁２６に亀裂を発生させた後に図９（ａ）に示すように再度水圧を加えて亀裂を再開口させ、このときの再開口圧、すなわち、載荷圧Ｐ_ｒと水圧をかけるのを止めた直後に検出される人工亀裂の閉口圧Ｐ_ｓを測定することで最大主応力σ_１及び最小主応力σ_２を算出する方法である。水圧破砕法を用いた応力測定システムについては後述する。符号Ｐ_ｓは人工亀裂の閉口圧である。

また、乾式二面破砕法では水圧破砕法と同様に孔壁２６全面に均一な載荷圧を加えて孔壁２６内に人工亀裂を発生させ、その後再び孔壁２６内に載荷圧を加えて再開口圧Ｐ_ｎを測定することで最大主応力σ_１及び最小主応力σ_２を算出するものであり、図９（ｂ）に示すようにプローブの外周面に形成された柔軟で弾性変形可能なウレタンスリーブ２７内に高圧流体を流すことによって孔壁２６に載荷圧を加えるものである。したがって、このような構造、すなわち、ウレタンスリーブ２７に流体を流す構造とすることで流体を貯留しているタンクと孔内との間に密閉空間が形成されるため、水圧破砕法のように流体を孔壁２６内に垂れ流さないでよいという効果がある。Ｐ_ｎ１及びＰ_ｎ２はそれぞれ１次亀裂の再開口圧及び２次亀裂の再開口圧である。

さらに、乾式一面破砕法では水圧破砕法や乾式二面破砕法と同様に孔壁２６全面に均一な載荷圧を加えて孔壁２６内に人工亀裂を発生させ、その後再び孔壁２６内に載荷圧を加えて再開口圧Ｐ_ｎを測定することで最大主応力σ_１及び最小主応力σ_２を算出するものであり、図９（ｃ）に示すように図９（ｂ）に示す乾式二面破砕法のプローブの外周面をさらにハーフパイプ状の鋼板からなる摩擦シェル２８で覆ったものである。このような構造の乾式一面破砕法においてはウレタンスリーブ２７内に送り込まれた高圧流体による流圧を摩擦シェル２８を介して孔壁２６に加えることによって特定破砕一面以外の孔壁２６周辺を摩擦シェル２８で力学的に固結させ、最大主応力σ_１及び最小主応力σ_２の発生しない方向、すなわち、応力場に依存しない方向に人工亀裂を造成することができる。したがって、任意に設定した方向に人工亀裂を造成することが可能となる。

プレートフラクチャリング法では高圧流体の流圧による載荷力ではなく孔壁２６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２９ａ，２９ｂを多連のボアホールジャッキで加圧することによって特定の一面に亀裂を発生させ、その人工亀裂の再開口圧Ｐ_ｎを測定することによって最大主応力σ_１及び最小主応力σ_２を算出するものである。符号Ｇは載荷力である。

ここで、最もよく用いられている水圧破砕法を用いた応力測定システムについて説明する。
図１０は従来技術に係る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念図である。
図１０に示すようにワイヤライン方式による水圧破砕応力測定システムはボーリング孔の孔壁に密接させる上下一対のパッカー３０，３０、パッカー３０，３０への高圧水の流入量を調節する流路切替バルブ３１及び圧力計３２から構成されるプローブと、このプローブをボーリング孔に挿入するためのスチールケーブル３４、滑車及びウインチ３７からなるワイヤライン機構と、プローブに高圧水を供給するための高圧ホース３３、ポンプ３６、（図示していないが）水タンク及び流量計３５からなる高圧水供給系と、２つのパッカー３０，３０の相対的な動きから水圧破砕による人工亀裂の開口変位量を計測・制御する増幅器３８、Ａ／Ｄコンバーター３９及びコンピュータ４０からなる計測・制御系とから構成されている。このような構造によりプローブをボーリング孔に挿入した後に高圧ホース３３を介してポンプ３６から高圧水をプローブ内に送り込んでパッカー３０，３０をボーリング孔内で膨張させることによってボーリング孔の孔壁を破砕する。すると、この破砕とともに破砕で発生した人工亀裂による応力で上下２つのパッカー３０，３０が押し返されてこれらが移動する。したがって、２つのパッカー３０，３０の相対的な動きを計測することによって水圧破砕による人工亀裂の開口変位量を算出し人工亀裂の応力を測定することができる。また、計測されたデータはコンピュータ４０によって記録・解析され、コンピュータ４０の画面上で人工破砕の挙動をリアルタイムで観測することができる。加えて、この水圧破砕応力測定システムでは深さ約１０００ｍでの応力測定を行うことが可能である。

しかしながら、図１０に示すようなワイヤライン方式による水圧破砕応力測定システムを用いた応力の測定方法では破砕区間に作用する圧力を間接的に測定することになるため、正確な測定を行うのが困難であるという課題があった。

このような課題に対処するため、いくつかの発明及び考案が開示されている。
例えば、特許文献２には、「水圧破砕式応力測定方法および装置」という名称で、困難な圧力密封加工を要するケーブルを用いることなしに高精度で応力を測定することのできる水圧破砕式応力測定方法および装置に関する発明が開示されている。
特許文献２に開示された水圧破砕式応力測定装置においては、図１０に示す２つのパッカー３０，３０の間に測定装置を設け、この測定装置の両端、つまり、パッカー３０，３０と測定装置との連結部分にセンサライザを突設させ、さらに、測定装置側にショック吸収用のダンパを設けることで測定装置をボーリング孔の中心位置に配置させ、より正確に測定を行うことができる。

また、特許文献３には、「水圧破砕用パッカー」という名称で人工亀裂の開口量を直接計測することのできる水圧破砕用パッカーに関する発明が開示されている。
特許文献３に開示された水圧破砕用パッカーは、図１０に示すパッカー３０，３０を複数のゴムシールと金属リングからなる層で形成し、かつ、パッカー３０，３０内部に圧ラインと注水ラインを設けたものであり、圧ラインを介してパッカー３０内に圧力を加えた際にパッカー３０を構成するゴムシールが圧縮されてパッカー３０，３が径方向に膨張してボーリング孔の孔壁に固定される構造となっている。そして、パッカー３０，３０がボーリング孔の孔壁に固定された際に２つのパッカー３０，３０間に注水空間が形成される構造としている。したがって、パッカー３０内に複数のゴムシール層を設けることによって人工亀裂の開口変位が拘束されないため、人工亀裂が形成される箇所で直接人工亀裂の開口変位量を計測することができる。
特開平１１−３０４６０１号公報特開平１０−２２０１６０号公報特開平９−２５６７７２号公報

しかしながら、上述の従来の技術においては、特許文献２及び特許文献３に開示されるような水圧破砕法では、ボーリング孔の孔壁全面に均一な水圧を加えるため、所望の方向に人工亀裂を造成することができないとともに、人工亀裂を再開口する前に人工亀裂内に注入圧と同程度の水圧が作用しているため再開口圧を正確に測定することができないという課題があった。さらに、主応力比σ_１／σ_２＞３の応力場（岩盤）ではσ_１方向の孔壁における接線応力σ_θ＝３σ_２−σ_１＜０（引張応力）となり内圧載荷で亀裂を再開口させる前に既に再開口されているため、再開口圧の検出ができないという課題があった。

また、乾式二面破砕法においては、高圧水がボーリング孔内に垂れ流されることがないものの、水圧破砕法と同様に所望の方向に人工亀裂を造成することができず、かつ、主応力比σ_１／σ_２＞３の応力場では再開口圧の検出ができないとともに、プローブの外周面、つまり、孔壁と接触する面がウレタンスリーブで形成されているため正確な変位量を計測することができず計測値から得られる圧力〜孔径変化曲線上の屈曲点、すなわち、１次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ１あるいは２次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ２に対応する点が明瞭ではないという課題があった。また、これにより計測値から１次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ１あるいは２次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ２を検出し、これらの値を用いて応力を算出することができないという課題があった。加えて、１次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ１あるいは２次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ２の検出精度を向上させようとする場合には水圧破砕法の水圧よりも大きい水圧を加えなければならないため、プローブの耐圧性を水圧破砕法よりもさらに高くしなければならないという課題があった。

乾式一面破砕法においては、プローブのスリーブ外側にさらに摩擦シェルを設けることによって特定破砕一面以外の孔壁周辺を摩擦シェルで力学的に固結させ、最大主応力σ_１及び最小主応力σ_２の発生しない方向、すなわち、応力場に依存しない方向に人工亀裂を造成することができるものの、乾式二面破砕法と同様に再開口圧Ｐ_ｎの検出が難しくプローブの耐圧性を高くしなければならないという課題があった。また、特定破砕一面以外の孔壁周辺を摩擦シェルで力学的に団結させるための摩擦効果を発生させる機構やプローブのスリーブの破裂防止機構等は複雑な機構であるとともに、装置の故障が多いため装置の製造コストを向上させるだけでなく装置の信頼性が欠如しているという課題があった。

また、プレートフラクチャリング法では載荷圧機構を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多連のボアホールジャッキで加圧する構造とすることで特定の一面に亀裂を発生させることができるものの、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作製するのには高度な技術が必要であるという課題があった。例えば、外周面の曲率半径が孔壁の曲率半径よりも小さい蒲鉾型プレートで孔壁を載荷した場合には、載荷方向で孔壁に加えられる直応力が最大となり蒲鉾型プレート両端部、つまり、一対の蒲鉾型プレートの当接部分に大きな直応力及びせん断応力が発生せず、しかも、孔壁載荷時の蒲鉾型プレートと孔壁内周面との接触範囲が孔壁内周面の半分程度であるため、蒲鉾型プレートが接触していない孔壁の部分で亀裂が生じるだけでなく亀裂が発生する場所を特定できないという課題があった。また逆に、外周面の曲率半径が孔壁の曲率半径よりも大きい蒲鉾型プレートで孔壁を載荷した場合には、蒲鉾型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ものの、蒲鉾型プレートの剛性が大きいため蒲鉾型プレートと孔壁との接触部、すなわち、蒲鉾型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亀裂を造成することができないという課題があった。

本発明はかかる従来の事情に対処してなされたものであり、簡単な機構で応力場に依存しない所望の方向に人工亀裂を造成して応力を高精度で測定することのできる安価な応力測定プローブを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明である応力測定プローブは、地下掘削されたボーリング孔内に挿入して亀裂を発生させ応力を測定する応力測定プローブであって、ボーリング孔の孔壁に当接して亀裂を発生させる一対の半円筒形状の加圧シェルと、この一対の加圧シェルの内側に当接して加圧シェルを押圧する一対の半楕円形状の加圧プレートと、この一対の加圧プレートの内側から加圧プレートを押圧する少なくとも１のピストンと、このピストンを収容するシリンダーボックスと、亀裂の変位を測定する変位測定部とを有し、半円筒形状の加圧シェルの肉厚は半円筒両端部よりも半円筒中央部の方が厚く形成されるものである。
上記構成の応力測定プローブにおいては、半円筒形状の加圧シェルの半円筒中央部の肉厚を半円筒両端部の肉厚よりも厚く形成することによって、載荷方向への短いピストン移動で加圧プレートと加圧シェルに載荷圧を加えるという作用を有するとともに、半円筒両端部を肉薄にすることで剛性を小さくし載荷圧を加えた際にほとんど隙間を生じることなく加圧シェルが孔壁に当接するという作用を有する。

また、請求項２記載の発明である応力測定プローブは、請求項１に記載の応力測定プローブにおいて、半円筒形状の加圧シェルの外周面表面に凹凸が形成されているものである。
上記構成の応力測定プローブにおいては、孔壁に載荷圧を加えた際に半円筒形状の加圧シェルの外周面表面に形成された凹凸が孔壁に食い込むという作用を有する。これにより、孔壁に載荷圧を伝達容易にしながら、しかも半円筒形状の加圧シェルが孔壁内で周方向にずれるのを防止するという作用を有する。

また、請求項３記載の発明である応力測定プローブは、請求項１又は請求項２に記載の応力測定プローブにおいて、加圧プレートと加圧シェルは互いに挿通される少なくとも１のシェアピンを備え、このシェアピンは予め定められた所望のせん断力で破断されるものである。
上記構成の応力測定プローブにおいては、加圧プレートと加圧シェルを破断可能なシェアピンで連結することにより容易に加圧プレートと加圧シェルを分離することができるという作用を有する。

請求項４記載の発明である応力測定プローブは、請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の応力測定プローブにおいて、ピストンが複数備えられ、シリンダーボックスにこの複数のピストンを収容するものである。
上記構成の応力測定プローブにおいては、複数のピストンをシリンダーボックスに収容することでピストンが１つの加圧プレートを押圧する際にピストンを収容しているシリンダーボックスが反力で対となるもう１つの加圧プレートを押圧するという作用を有する。また、複数のピストンをシリンダーボックスに収容する構造とすることで、ピストン毎にシリンダーボックスに収容して複数のシリンダーボックスを設置するよりも強度に優れるという作用を有する。

本発明の請求項１に記載の応力測定プローブにおいては、短い距離の載荷方向へのピストン移動で加圧シェルを孔壁の広範囲にフィットさせこの状態で孔壁の特定の場所を押圧することができるため、応力測定プローブをボーリング孔内で回転させて載荷方向を任意の方向に変えることによって孔壁の所望の場所に人工亀裂を生じさせることができる。これにより、高精度の応力測定を行うことが可能となる。

また、本発明の請求項２に記載の応力測定プローブにおいては、請求項１の効果に加えて、半円筒形状の加圧シェルが周方向にずれるのを防止することができ、応力測定プローブを孔壁に安定して固定することができるという効果がある。

本発明の請求項３に記載の応力測定プローブにおいては、請求項１及び請求項２の効果に加えて、孔内において応力測定プローブが何らかの原因で掛止してしまった場合に、予め設定された力以上で引き上げることでシェアピンを切断し、応力測定プローブの最外周の加圧シェルを置き去りにして加圧シェル以外の部品、すなわち加圧プレートやシリンダーボックスなどを回収することができる。

最後に、本発明の請求項４に記載の応力測定プローブにおいては、請求項１乃至請求項３の効果に加えて、一直径方向へ荷重を加えることができ、また、強度上余裕があることからコンパクトな形状とすることができるという効果がある。

孔壁の所望の場所に人工亀裂を発生させて精度の高い応力測定を行うという目的を、簡単な構造で生産コストを向上させることなく実現した。

以下に、本発明に係る応力測定プローブの実施の形態を図１乃至図８に基づき説明する。

図１は本発明の実施例に係る応力測定プローブの概念図である。
応力測定プローブ１は岩盤内部に堀削したボーリング孔内へ載荷圧を加えて岩盤内に人工亀裂を造成しその人工亀裂の変位量を測定するのに使用するものである。図１に示すように、応力測定プローブ１は、ボーリング孔の孔壁に載荷圧を加えるパッカー１ａ，１ｂと、これらの間に設けられボーリング孔内に造成された人工亀裂の開口変位量を計測する変位測定部１１及び２つのパッカー１ａ，１ｂのボーリング孔内での位置を測定する移動検出センサー１２から構成されている。符号７はカプラーであり、ここに応力測定プローブ１を吊り下げるためのワイヤー等を固定するための吊り下げ手段を挿入するものである。このカプラー７の形状はねじ込み式でもソケット式でもよく応力測定プローブ１に吊り下げ手段を連結できるものであればよい。

また、パッカー１ａはボーリング孔の孔壁を直接押圧する一対の半円筒形状の加圧シェル２ａ，２ｂと、この内側に両端が加圧シェル２ａ，２ｂの両端とそれぞれ当接するように設けられた一対の半楕円形状の加圧プレート４ａ，４ｂと、加圧プレート４ａ，４ｂの内部に収容されたシリンダーボックス６ａとから構成されており、シリンダーボックス６ａ内に収容された複数のピストン（図示せず）にオイル供給部８からオイルを送入することによって油圧でピストンをボーリング孔壁側へと駆動させて加圧プレート４ａ，４ｂを押圧することができる。
そして、さらにピストンで押圧された加圧プレート４ａ，４ｂが外側の加圧シェル２ａ，２ｂを押圧してこれらがボーリング孔の孔壁を押圧しボーリング孔内に人工亀裂を発生させることができる構造となっている。パッカー１ｂについても同様の機構でシリンダーボックス６ｂ内の複数のピストンが加圧プレート４ｃ，４ｄ及びその外側の加圧シェル２ｃ，２ｄを押圧してボーリング孔の孔壁を押圧し、ボーリング孔内に人工亀裂を発生させることができる。

さらに、図１に示すように加圧シェル２ａ〜２ｄの外周面には凹凸３ａ〜３ｄが形成されている。そのため、油圧によりシリンダーボックス６ａ，６ｂ内に収容されている複数のピストンで加圧プレート４ａ〜４ｄ及び加圧シェル２ａ〜２ｄに載荷圧を加えた場合に加圧シェル２ａ〜２ｄの外周面に形成された凹凸３ａ〜３ｄがボーリング孔の孔壁に食い込むため、載荷圧をより伝達しやすく、また加圧シェル２ａ〜２ｄが周方向へ回転するのを防止することができる。すなわち、ボーリング孔内に載荷圧を加えた際に加圧の衝撃等で応力測定プローブ１がボーリング孔内の設置位置からずれることがなく正確な変位量の測定を行うことができる。

加えて、加圧シェル２ａと加圧プレート４ａ、加圧シェル２ｂと加圧プレート４ｂ、加圧シェル２ｃと加圧プレート４ｃ、加圧シェル２ｄと加圧プレート４ｄはそれぞれ予め定められた所望のせん断力で破断することができるシェアピン５ａ〜５ｇと図示していないもう１つのシェアピンによって連結されているため、載荷時に加圧プレートと加圧シェルが破断されることなく一体となってボーリング孔の孔壁を押圧することができるとともに、ボーリング孔内で応力測定プローブ１が何らかの原因で固着などした場合には、シェアピン５ａ〜５ｇの切断により加圧プレート４ａ〜４ｄと加圧シェル２ａ〜２ｄを分離することが可能である。
その際には加圧シェル２ａ〜２ｄのみをボーリング孔内に放置して加圧プレート４ａ〜４ｄ及びシリンダーボックス６ａ，６ｂなどを回収することが可能である。これにより、最小限の放棄量で済むとともに加圧プレート４ａ〜４ｄ及びシリンダーボックス６ａ，６ｂを再利用することが可能となるため、万一の事故においてもコストを削減することができる。符号１３ａ〜１３ｇはシェアピン５ａ〜５ｇを挿入するための孔である。

加圧プレート４ａ，４ｂの中央部付近に設けられている孔９ａ，９ｂは変位測定部１１内あるいは移動検出センサー１２内の装置と計測データを記録・演算するコンピュータ（図示せず）を連結しているケーブル１０ａ〜１０ｄを応力測定プローブ１外部へ引き出すために設けられたものである。

また、図２は図１に示す本実施例に係る応力測定プローブの試作品の写真であり、応力測定プローブは外周面に凹凸が形成された２つのパッカーと、これらの間に設けられた変位測定部と、右側のパッカーの先端に取り付けられている移動検出センサーとから構成されており、左側のパッカーの端部には応力測定プローブを吊り上げるためのワイヤーが取り付けられている。図１では移動検出センサーにカバーがかけられた状態を図示したが、図２に示す応力測定プローブの試作品の写真ではカバーが取外された状態になっている。

図３は図１中符号Ａで示される方向への矢視図である。図３において、図１に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
図１でも説明したがボーリング孔の孔壁１４に直接接触する応力測定プローブ１の外周面、すなわち、加圧シェル２ａ，２ｂの外周面はボーリング孔の直径よりも小さい直径を有する同心円状の円形形状であり、加圧シェル２ａ，２ｂの直径をボーリング孔の直径よりも小さくすることで応力測定プローブ１をボーリング孔内に挿入する際に応力測定プローブ１が孔壁１４に接触しない構造としている。これによって、応力測定プローブ１をボーリング孔内にスムーズに挿入することが可能となる。一方、加圧シェル２ａ，２ｂの内周面は半楕円形状になっており、また、加圧シェル２ａ，２ｂの中央部は両端部よりも厚肉な形状となっている。この形状の効果については後述する。
また、加圧シェル２ａ，２ｂの内側に設けられている加圧プレート４ａ，４ｂの外周面は半楕円形状でその両端部が加圧シェル２ａ，２ｂの両端部と当接した構造となっているが、加圧シェル２ａ，２ｂと加圧プレート４ａ，４ｂの間には小さな隙間が形成された構造となっている。

ここで、応力測定プローブ１の載荷手段の駆動原理について説明する。

図４（ａ）は加圧プレート及び加圧シェルを押圧する前の概念図であり、図４（ｂ）は加圧プレート及び加圧シェルを押圧した後の概念図である。図４において、図１及び図３に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。

上述したようにパッカー１ａの外周面である加圧シェル２ａ，２ｂの外周面はボーリング孔の同心円形状に形成されており、加圧シェル２ａ，２ｂからなる円の直径、つまり、加圧プレート直径ｘ、加圧シェル中央部肉厚ｔの２倍の長さ及び隙間ａ_２の２倍の長さの和の長さはボーリング孔の孔直径ｄよりも隙間ａ_１の２倍の長さ分だけ短くなっている。これを式で表すと（１）式のようになる。

そのため、図４（ａ）に示すようにボーリング孔の孔壁１４に載荷圧を加えていない場合には加圧シェル２ａ，２ｂがボーリング孔の孔壁１４に接触していない状態となる。また、加圧シェル２ａ，２ｂの内周面は半楕円形状になっており、中央部が両端部よりも厚肉になっている。さらに、加圧シェル２ａ，２ｂの内側に設けられている加圧プレート４ａ，４ｂの外周面は加圧シェル２ａ，２ｂの内周面よりも短径の短い半楕円形状であり、加圧プレート４ａ，４ｂの外周面と加圧シェル２ａ，２ｂの内周面が両端部で当接しており、中央部では加圧シェル２ａ，２ｂの内周面と加圧プレート４ａ，４ｂの外周面の間には三日月形状の隙間が形成されている。

そして、このような形状の加圧プレート４ａ，４ｂ及び加圧シェル２ａ，２ｂをパッカー１ａ内側から矢印Ｄ及び矢印Ｅの方向へと押圧すると、図４（ｂ）に示すように加圧プレート４ａ，４ｂがそれぞれ矢印Ｄ及び矢印Ｅに移動して加圧シェル２ａ，２ｂを押圧する。これにより、加圧シェル２ａ，２ｂの両端部、すなわち、肉薄の部分が外側に湾曲されてボーリング孔の孔壁１４側へと開かれるため、加圧シェル２ａ，２ｂの外周面がボーリング孔の孔壁１４へと密着され加圧プレート４ａ，４ｂがそれぞれ加圧シェル２ａ，２ｂの内側に密着された状態となる。
加圧シェル２ａ，２ｂ外径は、孔壁１４内径よりも小さいため、孔壁１４内に密着した際には加圧シェル２ａ，２ｂの両端部が外側へ湾曲して孔壁１４に密着する必要がある。そのためには両端部の肉厚を減らして柔軟性を高めておく必要がある。また、加圧プレート４ａ，４ｂは加圧シェル２ａ，２ｂの内側に密着するように形成されているため、加圧プレート４ａ，４ｂの外周面の形状は、加圧シェル２ａ，２ｂが孔壁１４に密着した状態における加圧シェル２ａ，２ｂの内周面の形状と同一となる。そのような形状であるため、通常時、すなわち加圧プレート４ａ，４ｂが加圧シェル２ａ，２ｂに密着していない状態（図４（ａ）に示す状態）では、ａ_２という隙間を生じるのである。

その後、さらに加圧プレート４ａ，４ｂを押圧すると、加圧シェル２ａ，２ｂの外周面に形成された凹凸３ａ，３ｂが孔壁１４へと食い込み、加圧シェル２ａ，２ｂが孔壁１４に固定された状態となる。
したがって、周方向への加圧シェル２ａ，２ｂのずれが抑制され、応力測定プローブ１をボーリング孔内に固定することができる。
矢印Ｄ及び矢印Ｅの方向への加圧プレート４ａ，４ｂの移動により加圧プレート４ａと加圧プレート４ｂとの間には隙間ａ，ａが形成されるが、この隙間ａ，ａの内に亀裂１５ａ，１５ｂが造成される。なお、この隙間ａは図４（ａ）に示す隙間ａ_１と隙間ａ_２を足した長さに相当するものであり、式で表すとａ＝ａ_１＋ａ_２となる。言い換えると、ａとは加圧プレート４ａ，４ｂのストロークであり、このストロークを短くすることによって加圧プレート４ａ，４ｂを押圧するピストンのストロークを短くすることができ、これによってプローブをコンパクト化することができる。
このことを式（１）に照らして考察する。式（１）ではａ_１＋ａ_２となるが、一定の大きさの加圧プレート４ａ，４ｂにおいて、ストローク、つまり隙間ａをなるべく短くするためには、加圧シェル中央部肉厚ｔを大きくすることが必要となる。すなわち、加圧プレート４ａ，４ｂのストロークを短くとるために、加圧シェル２ａ，２ｃの中央部の肉厚を厚くとり、ストロークを稼いでいるのである。加えて、ストロークを短くすることによって加圧プレート４ａ，４ｂを押圧するシリンダーボックス６ａ，６ｂのストロークを短くすることができるため、シリンダーボックス６ａ，６ｂを小型化することが可能となる。

次に、図５を用いて加圧プレートを載荷する機構について説明する。

図５は図１におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。図５において、図１、図３及び図４に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。

ボーリング孔の孔壁１４を載荷する加圧シェル２ａ〜２ｄ及び加圧プレート４ａ〜４ｄはシリンダーボックス６ａ，６ｂとこのシリンダーボックス６ａ，６ｂ内に収容されている複数のピストン１７ａ〜１７ｈによって押圧される機構となっており、ピストン１７ａ〜１７ｈ内部にはボルト１８ａ〜１８ｈ、シリンダーボックス６ａ，６ｂに連結されたボルト１９ａ〜１９ｈ及びこれらを取り巻きボルト１８ａ〜１８ｈの上下方向への駆動を制御するコイルスプリング２０ａ〜２０ｈが収容されている。
また、加圧プレート４ａ〜４ｄを押圧するピストン１７ａ〜１７ｈはオイル供給部８から送入されるオイルの油圧によって駆動され、流路１６を介してオイルの流出方向Ｆに従ってシリンダーボックス６ａ，６ｂ内にオイルを送入すると油圧とコイルスプリング２０ａ〜２０ｈの弾性力によってボルト１８ａ〜１８ｈとピストン１７ａ〜１７ｈが矢印Ｄの方向へと押し出される。そして、これと同時にピストン１７ａ〜１７ｈが押し出される力の反力でシリンダーボックス６ａ，６ｂが、ピストン１７ａ〜１７ｈが押し出される矢印Ｄの方向とは逆の方向である矢印Ｅの方向へと押し出される。

これにより、ピストン１７ａ〜１７ｄ，１７ｅ〜１７ｈが加圧プレート４ａ，４ｃを矢印Ｄの方向へと押圧してさらに加圧プレート４ａ，４ｃが加圧シェル２ａ，２ｃを矢印Ｄの方向へと押圧する。それとともに、シリンダーボックス中央部６ｃで連結され一体に形成されているシリンダーボックス６ａ，６ｂが、均一の力で加圧プレート４ｂ，４ｄを矢印Ｅの方向へと押圧してさらに加圧プレート４ｂ，４ｄが加圧シェル２ｂ，２ｄを矢印Ｅの方向へと押圧する。
そして、応力測定プローブ１の最外周面である加圧シェル２ａ〜２ｄがボーリング孔の孔壁１４を載荷する仕組みとなっている。符号５ｈはシェアピンであり、符号２１は応力測定プローブ１を吊り下げるワイヤー等を固定するカプラー７を応力測定プローブ１に取り付けるための吊金具である。

図６は図５に示すシリンダーボックスの試作品の写真であり、シリンダーボックス６ａ，６ｂからピストン１７ａ〜１７ｄ，１７ｅ〜１７ｈが押し出された状態を示すものである。

続いて、パッカー１ａ，１ｂの載荷圧によりボーリング孔内に造成された亀裂１５ａ，１５ｂの変位量を計測するための変位測定部１１の実施例について説明する。

図７は図１におけるＣ−Ｃ線矢視断面図である。図７において、図１、図３乃至図５に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
図７はパッカー１ａ，１ｂ間、すなわち、シリンダーボックス中央部６ｃに周設された変位測定部１１を示す図であり、変位測定部１１は載荷による亀裂１５ａ，１５ｂの開口変位量を直接計測する上ツメ２２ａ，２２ｂ及び下ツメ２３ａ，２３ｂと、上ツメと下ツメとの距離を感知する距離センサー２５ａ〜２５ｄと、コイルスプリング２４ａ〜２４ｄとから構成されている。そして、載荷により亀裂１５ａ，１５ｂが開口すると、これに伴って上ツメ２２ａ，２２ｂが上方へと移動し距離センサー２５ａ，２５ｂ及び距離センサー２５ｃ，２５ｄによって上ツメ２２ａと下ツメ２３ａとの間の距離及び上ツメ２２ｂと下ツメ２３ｂとの間の距離が測定され、ケーブル（図示せず）等を介してこの情報がコンピュータ（図示せず）などの解析装置へと送られる構造となっている。なお、コイルスプリング２４ａ〜２４ｄは移動した上ツメ２２ａ，２２ｂを元の位置に戻すためのものである。
なお、図７においては上ツメ２２ａ，２２ｂ及び下ツメ２３ａ，２３ｂのように直接亀裂１５ａ，１５ｂに接触させて亀裂１５ａ，１５ｂの開口変位量を測定する接触式のセンサを用いたが、亀裂１５ａ，１５ｂの開口変位量、つまり、距離を測定してこれを電気信号に変換して出力することができるものであればよく、例えば、レーザー等を用いた非接触式のセンサで亀裂１５ａ，１５ｂの開口変位量を測定するようにしてもよい。

図８は本発明の実施の形態に係る応力測定プローブを用いた測定によって得られるデータを概念的に示した図である。図８において、図１、図３乃至図５、図７に記載されたものと同一部分については同一符号を付し、その構成についての説明は省略する。
図８に示すように、応力測定プローブ１を用いてボーリング孔の孔壁１４を矢印Ｄ及び矢印Ｅの方向へと載荷すると、加圧プレート４ａと加圧プレート４ｂとの開口部分、つまり、矢印Ｄ及び矢印Ｅで表される載荷圧方向と垂直な方向に亀裂を造成することができる。すなわち、孔壁１４の特定の場所に亀裂を造成することができる。したがって、孔壁１４の所望の場所において図８に示すような圧力と孔壁ひずみの関係を表すグラフを得ることができ、このグラフより再開口圧Ｐ_ｎ及び応力を求めることができる。
また、岩盤の応力測定は、一般に、孔壁上に人工亀裂を造成した後一旦除荷し、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によって行われるが、従来の乾式二面破砕法、乾式一面破砕法やプレートフラクチャリング法のように孔径変化から検出する方法では人工亀裂が再開口する瞬間を正確に検出することが困難であった。これに対して、本発明では孔径方向の変位を測定するのではなく、孔壁ひずみを測定することによって精度の高い測定を行うことが可能となる。計測データの演算方法等については説明を省略する。さらに、リーマ等を用いて孔壁１４の面取りをすることによって応力測定プローブ１と孔壁１４との親和性を向上させ、さらに測定精度を向上させることも可能である。

なお、図８に示す亀裂造成場所以外の孔壁１４の所望の場所に亀裂を造成したい場合には、ボーリング孔内で応力測定プローブ１を回転させて亀裂を造成したい場所に加圧プレート４ａ，４ｂとの当接部分が配置されるようにすると所望の場所に亀裂を発生させることができる。応力測定プローブ１の回転角度はジャイロセンサ等の回転位置を表示できる装置を取り付けることで計測することが可能となる。
以上のことより、本発明の実施の形態に係る応力測定プローブでは水圧破砕法のように亀裂内への高圧流体の流入によって亀裂の再開高圧の検出が阻害されるということがなく、しかも、乾式一面破砕法のような複雑な機構が必要とされないため、簡単な機構で高精度の応力測定を行うことができ、生産コストを削減することも可能となる。

ボーリング孔内の所望の場所に亀裂を造成することができ、採掘工事やトンネル、地下空洞やダム等の大規模な土木工事においてより詳細な地質データを採取する装置に適用できるとともに、感度の高い地震予知装置を作製するのにも適用できる。また、ボーリング孔の検査だけでなく硬化後のコンクリートの強度試験等にも適用できる。

本発明の実施例に係る応力測定プローブの概念図である。図１に示す応力測定プローブの試作品の写真である。図１中符号Ａで示される方向への矢視図である。（ａ）は加圧プレート及び加圧シェルを押圧する前の概念図であり、（ｂ）は加圧プレート及び加圧シェルを押圧した後の概念図である。図１におけるＢ−Ｂ線矢視断面図である。図５に示すシリンダーボックスの試作品の写真である。図１におけるＣ−Ｃ線矢視断面図である。本発明の実施例に係る応力測定プローブを用いた測定によって得られるデータを概念的に示した図である。（ａ）は従来技術に係る水圧破砕法の原理を説明するための概念図であり、（ｂ）は従来技術に係る乾式二面破砕法の原理を説明するための概念図であり、（ｃ）は従来技術に係る乾式一面破砕法の原理を説明するための概念図であり、（ｄ）は従来技術に係る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。従来技術に係る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念図である。

符号の説明

１…応力測定プローブ１ａ，１ｂ…パッカー２ａ〜２ｄ…加圧シェル３ａ〜３ｄ…凹凸４ａ〜４ｄ…加圧プレート５ａ〜５ｈ…シェアピン６ａ，６ｂ…シリンダーボックス６ｃ…シリンダーボックス中央部７…カプラー８…オイル供給部９ａ，９ｂ…孔１０ａ〜１０ｄ…ケーブル１１…変位測定部１２…移動検出センサー１３ａ〜１３ｈ…孔１４…孔壁１５ａ，１５ｂ…亀裂１６…流路１７ａ〜１７ｈ…ピストン１８ａ〜１８ｈ，１９ａ〜１９ｈ……ボルト２０ａ〜２０ｈ…コイルスプリング２１…吊金具２２ａ，２２ｂ…上ツメ２３ａ，２３ｂ…下ツメ２４ａ〜２４ｄ…コイルスプリング２５ａ〜２５ｄ…距離センサー２６…孔壁２７…ウレタンスリーブ２８…摩擦シェル２９ａ，２９ｂ…蒲鉾型プレート３０…パッカー３１…流路切替バルブ３２…圧力計３３…高圧ホース３４…スチールケーブル３５…流量計３６…ポンプ３７…ウインチ３８…増幅器３９…Ａ／Ｄコンバーター４０…コンピュータＦ…オイルの流出方向Ｇ…載荷力 σ_１…最大主応力 σ_２…最小主応力Ｐ_ｒ…載荷圧Ｐ_ｓ…人工亀裂の閉口圧Ｐ_ｎ…再開口圧Ｐ_ｎ１…１次亀裂の再開口圧Ｐ_ｎ２…２次亀裂の再開口圧ａ…隙間ａ_１…隙間ａ_２…隙間ｘ…加圧プレート直径ｔ…加圧シェル中央部肉厚ｄ…孔直径

Claims

地下掘削されたボーリング孔内に挿入して亀裂を発生させ応力を測定する応力測定プローブであって、前記ボーリング孔の孔壁に当接して亀裂を発生させる一対の半円筒形状の加圧シェルと、この一対の加圧シェルの内側に当接して前記加圧シェルを押圧する一対の半楕円形状の加圧プレートと、この一対の加圧プレートの内側から前記加圧プレートを押圧する少なくとも１のピストンと、このピストンを収容するシリンダーボックスと、前記亀裂の変位を測定する変位測定部とを有し、前記半円筒形状の加圧シェルの肉厚は半円筒両端部よりも半円筒中央部の方が厚く形成されることを特徴とする応力測定プローブ。
前記半円筒形状の加圧シェルの外周面表面には凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の応力測定プローブ。
前記加圧プレートと前記加圧シェルは互いに挿通される少なくとも１のシェアピンを備え、このシェアピンは予め定められた所望のせん断力で破断されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の応力測定プローブ。
前記ピストンは複数備えられ、前記シリンダーボックスは前記複数のピストンを収容することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１に記載の応力測定プローブ。