JP5175855B2 - 低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、岩盤内の初期応力を測定する方法及び装置に係り、特に、極低温の冷媒で岩盤に熱を加えて亀裂を発生させることによって、岩盤内の初期応力を測定する方法及び装置に関する。

岩盤内の初期応力（Ｉｎ−Ｓｉｔｕ Ｓｔｒｅｓｓ）とは、重力応力、地体応力（ｔｅｃｔｏｎｉｃ ｓｔｒｅｓｓ）及び残留応力（ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ）を含んで岩盤内に作用している応力をいう。ここで、重力応力とは、岩盤の自重によって発生する応力をいい、地体応力とは、地殻の運動によって発生した応力であり、残留応力とは、岩盤の膨脹または熱により発生した応力が、これらの応力を惹起する原因がなくなった後にも依然として残っている応力または指標侵食後にも過去の上載荷重により発生したが残っている応力をいう。

岩盤内にトンネルや、油類コンテナなどの大規模構造物を設計するか、安全性を解析するに当たって、岩盤内の初期応力算定はかなり重要な先決課題になっている。構造物が施工される岩盤に作用する応力の方向及び大きさを正確に測定して初めて、安全性のあって経済的な地下構造物を設計及び施工できるためである。例えば、トンネルを施工するに当たって、その対象になる岩盤に圧力が四方から均一に作用していれば、トンネルの断面形状を円形で設計することが一般的であるが、岩盤に横方向圧力が強く作用している条件ならば、上載荷重に対して横方向圧力が補償をして、トンネルの断面形状を横方向の楕円状に設計しても安全性に支障を招かない。

トンネルなどを施工するに当たって、初期応力状態を正確に測定せずに掘削する場合、掘削面で応力集中により岩盤が過応力状態にあって破壊されるか、既存の亀裂が拡張されることによって岩盤が不安定な状態に置かれうる。すなわち、岩盤内の構造物を設置するためには初期応力に対する正確な測定が要求されるといえる。

このような岩盤内の初期応力を測定するための従来の方法としては、水圧破砕法（Ｆａｉｒｈｕｒｓｔ，１９６４）とオーバーコアリング（Ｌｅｅｍａｎ ａｎｄ Ｈａｙｅｓ，１９６６；Ｍｅｒｒｉｌｌ，１９６７；ＵＳＰＴＯ，４４９１０２２）のような応力開方法、微少破裂音の測定のような間接的方法などがある。

これらの初期応力測定方法のうち水圧破砕法とオーバーコアリング方法が特に多く利用されており、水圧破砕法を行うための従来の水圧破砕システムが図１に図示されている。図１を参照するに、地下構造物が施工される岩盤に試錐孔ｈを形成した後、試験区間ａの上端及び下端にパッカー１を設置して試験区間を密閉させる。以後、高圧のポンプ（図示せず）から水圧を印加して試験区間ａに、パイプｐを通じて流体を注入する。水圧が継続的に増大していて一定圧力（初期破砕圧力）に至れば、試錐孔壁ｗに亀裂ｃが発生し、流体が注入され続ければ、亀裂が順次発展しつつ圧力が低下（亀裂拡張圧力）し、加圧を中断すれば、亀裂が閉鎖されつつ一定の圧力（亀裂閉鎖圧力）に至る。ここで、亀裂閉鎖圧力が亀裂を維持させるのに必要な圧力と同一または若干大きいため、亀裂閉鎖圧力は亀裂面に垂直に作用する最小主応力を表す。また、前記過程を再び反復（二回目のサイクル）しつつ亀裂が再び開かれる圧力（亀裂開口圧、ｒｅｏｐｅｎｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を測定した後、これを利用して最大水平主応力を算定できる。

前記水圧破砕法の場合、試錐孔を掘削できるいろいろな方法のうち唯一に地下深部まで適用可能であるという長所があるが、例えば、層状構造で形成された堆積岩などの特定岩種には適用し難いという問題点がある。またパッカー１を利用して加圧する時、試錐孔の崩壊やパッカー噛み現象を誘発できるが、このような現象が発生すれば、特に大深度では装備の撤収時に大きい障害要因になる。また、高い水圧を印加するためには、装備が大型化されねばならないので、従来の水圧破砕システムは使用し難いという問題点がある。

一方、前記のように、水圧破砕法を利用すれば、単に二つの主応力のみを決定できるという限界点がある。すなわち、水圧破砕法では、垂直方向の応力を上載荷重（密度＊質量＊高さ）に設定するので、水平方向での最大主応力と最小主応力のみが測定できて、初期応力を正確に測定できないという限界点がある。さらに、水圧破砕法で亀裂開口圧の正確度及び亀裂内での孔隙水圧の変動について、多くの研究者が疑問を提起（Ｉｔｏ ｅｔ ａｌ．，２００１）している実情である。

水圧破砕法に対してオーバーコアリング法は、３次元上に存在する６個の応力成分をいずれも提供できるという長所を持つが、この方法は、変形率測定に基づいた方法であって、精巧な二重コアリング作業を要求するため、適用時に非常に高い精巧性が要求されるという問題点があるだけではなく、試錐孔深さの制約を受けるという限界がある。

本発明は前記問題点を解決するためのものであり、大深度にも適用でき、熱によって岩盤に直接亀裂を発生させて測定を行うことによって非常に精密な測定ができるだけではなく、簡単な構成の装備を使用することによって測定の容易な低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法を提供するところにその目的がある。

また、本発明の他の目的は、大深度にも適用でき、熱によって直接亀裂を発生させて初期応力測定を行うことによって非常に精密な測定ができるだけではなく、使用の容易な初期応力測定装置を提供するところにある。

前記目的を達成するための本発明による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法は、初期応力測定の対象になる岩盤に試錐孔を形成する試錐孔形成ステップと、前記試錐孔の試錐孔壁を冷却して引っ張り応力を加えることによって、前記試錐孔壁に亀裂を発生及び発展させ、亀裂が発生した時点の前記試錐孔壁の第１亀裂温度と前記亀裂が発生した亀裂発生地点とを測定する第１冷却ステップと、前記第１冷却ステップで冷却された試錐孔壁を解氷させて前記発展した亀裂を閉鎖させる解氷ステップと、前記試錐孔壁を再び冷却して引っ張り応力を加えることによって、前記解氷ステップで閉鎖された亀裂を再び開口させ、亀裂が再び開口された時点の前記試錐孔壁の第２亀裂温度を測定する第２冷却ステップと、前記第１冷却ステップで測定した前記試錐孔壁の第１亀裂温度と亀裂発生地点、及び前記第２冷却ステップで測定した前記試錐孔壁の第２亀裂温度を利用して前記岩盤の初期応力を算出する演算ステップと、を含む。

前記他の目的を達成するための本発明による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置は、地盤を穿孔して形成した試錐孔の試錐孔壁に熱による亀裂を発生させることによって、岩盤内の初期応力値を測定するためのものであり、冷媒が収容されうる環状の収容空間部が形成され、前記収容空間部に／から冷媒を流入及び流出させるための流入口を備える冷媒収容体と、前記冷媒収容体の外側面を前記試錐孔壁に密着させるための密着手段と、前記試錐孔壁の温度を測定するように前記冷媒収容体の外側面に設置される温度センサーと、前記冷媒収容体に収容された冷媒と前記試錐孔壁との間に熱伝逹が行われることによって、前記試錐孔壁に発生する亀裂を感知するための亀裂感知手段と、を備える。

前記目的を達成するための本発明による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法は、初期応力測定の対象になる岩盤に試錐孔を形成する試錐孔形成ステップ、前記試錐孔の試錐孔壁を冷却して引っ張り応力を加えることによって、前記試錐孔壁に亀裂を発生及び発展させ、亀裂が発生した時点の前記試錐孔壁の第１亀裂温度と前記亀裂が発生した亀裂発生地点とを測定する第１冷却ステップ、前記第１冷却ステップで冷却された試錐孔壁を解氷させて前記発展した亀裂を閉鎖させる解氷ステップ、前記試錐孔壁を再び冷却して引っ張り応力を加えることによって、前記解氷ステップで閉鎖された亀裂を再び開口させ、亀裂が再び開口された時点の前記試錐孔壁の第２亀裂温度を測定する第２冷却ステップ、前記第１冷却ステップで測定した前記試錐孔壁の第１亀裂温度と亀裂発生地点、及び前記第２冷却ステップで測定した前記試錐孔壁の第２亀裂温度を利用して前記岩盤の初期応力を算出する演算ステップを含むことに特徴がある。

本発明によれば、前記初期応力は、試錐孔軸に対して垂直の平面上で互いに直交する方向に作用する最大水平主応力と最小水平主応力とを含み、前記最大水平主応力（σ_１）と最小水平主応力（σ_２）とは、下記の第１演算式を利用して求められることが望ましい。
＜第１演算式＞

ここで、σ_１は、最大水平主応力であり、σ_２は、最小水平主応力であり、θは、前記試錐孔軸に対して垂直の平面上で前記試錐孔の中心点を回転中心として、前記最大水平主応力が作用する地点から前記亀裂発生地点までの逆時計回り方向の回転角度であり、σ_ｔは岩石の引っ張り強度であり、ｔ_αは、冷却前の岩盤の温度、ｔは、前記第１亀裂温度及び第２亀裂温度のうちいずれか一つであり、
Ｃは、前記試錐孔壁をなす二軸状態の岩盤の熱弾性定数であってＣ＝Ｅα／（１−ν）であり、ここでＥは、岩盤の弾性係数（ヤング率）であり、αは、岩盤の線形熱膨張係数であり、νは、岩盤のポアソン比である。

また本発明によれば、前記初期応力は、前記最大水平主応力方向及び最小水平主応力方向とそれぞれ直交する方向に作用する垂直応力を含み、前記垂直応力は、下記の第２演算式によって求められることが望ましい。
＜第２演算式＞

ここで、σ_３は垂直応力であり、ｔ_３は、前記試錐孔軸方向に対して垂直の横方向亀裂が発生した時の岩盤の温度である。

また本発明によれば、前記第２冷却ステップで、亀裂を再び開口させて測定した第２亀裂温度を利用して前記第１演算式を生成する時には、前記岩石の引っ張り強度（σ_ｔ）は０に設定することが望ましい。

また本発明によれば、前記横方向亀裂は前記試錐孔壁に沿って円形に形成され、亀裂開始時点と亀裂完了時点とで前記試錐孔壁の温度が相異なる場合、前記ｔ_３は、亀裂開始時点と亀裂完了時点との温度を平均して設定することが望ましい。

また本発明によれば、前記試錐孔壁の相異なる地点に複数の亀裂を発生させて前記第１演算式で複数生成して、前記最大水平主応力に対する解と最小水平主応力に対する解とをそれぞれ複数算出した後、前記複数の最大水平主応力解と最小水平主応力解とを利用して最小自乗法を行うことによって、前記最大水平主応力と最小水平主応力とを決定することが望ましい。

また本発明によれば、前記解氷ステップでは、前記試錐孔の内側に外部の空気を導入して前記試錐孔壁を解氷させることが望ましい。

前記他の目的を達成するための本発明による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置は、地盤を穿孔して形成した試錐孔の試錐孔壁に熱による亀裂を発生させることによって、岩盤内の初期応力値を測定するためのものであり、冷媒が収容されうる環状の収容空間部が形成され、前記収容空間部に冷媒を流入及び流出させるための流入口を備える冷媒収容体、前記試錐孔壁の温度を測定するように前記冷媒収容体の外側面に設置される温度センサー、前記冷媒収容体に収容された冷媒と前記試錐孔壁との間に熱伝逹が行われることによって、前記試錐孔壁に発生する亀裂を感知するための亀裂感知手段を備えることに特徴がある。

本発明によれば、前記冷媒収容体の内側には、前記冷媒収容体の内壁と上部蓋及び下部蓋に取り囲まれて流体が充填及び排出される充填空間部が形成され、前記密着手段は、前記充填空間部に流体を充填及び排出させるように前記充填空間部と連結されたポンプであり、前記冷媒収容体の外壁部及び内壁部は弾性素材からなり、前記充填空間部に流体が充填及び排出されるにつれて、前記冷媒収容体の外壁部及び内壁部は膨脹及び収縮することが望ましい。

また本発明によれば、前記収容空間部に冷媒を注入するための冷媒注入手段をさらに備え、前記冷媒注入手段は、前記冷媒収容体との間に冷媒が収容される冷媒チャンバを形成するように前記冷媒収容体に結合されるシリンダーと、前記シリンダーに挟み込まれるピストンヘッドと、前記ピストンヘッドに固定される棒状のピストンロッドとを備えて前記シリンダーに往復動自在に設置されて、前記冷媒を前記冷媒収容体側に加圧するピストンと、前記ピストンを往復動させるための駆動装置と、前記冷媒チャンバと収容空間部とを相互連通及び閉鎖させるように前記冷媒収容体に設置される弁と、を備えることが望ましい。

また本発明によれば、前記試錐孔壁を含む岩盤に亀裂が生じる時に発生する破裂音を感知するためのものであり、前記冷媒収容体の外周面に付着される複数の音波放射感知センサーを亀裂感知手段として採用することが望ましい。

本発明による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法は、従来の水圧破砕法に比べて岩盤内の初期応力、すなわち、水平方向の最大応力と最小応力はもとより、垂直方向の応力を非常に精密に測定できるという長所がある。

また、本発明による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法は、測定が非常に容易であるという長所がある。

本発明による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置を使用して、大深度でも初期応力の測定ができ、かつその構成が簡単で使用が容易であるという長所がある。

以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置について説明した後、本装置を利用した測定方法についてさらに詳細に説明する。

図４は、本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置の概略的な構成図であって、図４Ａは、冷媒収容体が膨脹した状態の図であり、図４Ｂは、冷媒収容体が収縮した状態の図であり、図５は、図４ＡのV−V線の概略的な断面図であり、図６は、図４に示した初期応力測定装置の主要部分である冷媒収容体の概略的分離斜視図である。

図４ないし図６を参照するに、本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置は、トンネルなど地下構造物が設置される地盤を穿孔して試錐孔ｈを形成した後、試錐孔壁ｗに極低温の熱を加えて亀裂を発生させることによってこの岩盤の初期応力を測定するためのものであり、冷媒収容体１０、密着手段、温度センサー４０、冷媒注入手段及び亀裂感知手段を備える。

冷媒収容体１０は、試錐孔壁ｗに極低温の熱を加えるための冷媒ｒを収容するためのケースであり、本実施形態での冷媒収容体１０は、二重壁構造で形成されて環状の収容空間部１５を形成する。すなわち、冷媒収容体１０は、内壁部１１、外壁部１２、上部蓋１３及び下部蓋１４を備える。

内壁部１１は、概略円形に形成されて一定の高さに配される。外壁部１２は、試錐孔ｈの形状に対応するように円形に形成されて、内壁部１１の周り方向に沿って内壁部１１の外側に配される。外壁部１２の高さは、内壁部１１と同一に形成される。内壁部１１及び外壁部１２の材質は、収縮及び膨脹が可能な弾性素材からなる。また、内壁部１１及び外壁部１２の材質は、低温の冷媒との接触にも耐えられるように耐熱性の強い材質からなる。

上部蓋１３と下部蓋１４とは、それぞれ内壁部１１及び外壁部１２の上側と下側とに結合される。上部蓋１３と下部蓋１４とが、それぞれ内壁部１１及び外壁部１２の上側と下側とに結合されれば、内壁部１１及び外壁部１２の上部蓋１３及び下部蓋１４によって取り囲まれた環状の空間、すなわち、収容空間部１５が形成される。この収容空間部１５は、冷媒ｒが注入及び収容される空間である。本実施形態で冷媒としては液化窒素（ＬＮ_２）が使われる。

この収容空間部１５に／から冷媒ｒを流入／流出させうるように、下部蓋１４には流入口１８ａが貫通形成されている。流入口１８ａは、収容空間部１５と後述する冷媒チャンバｃとを相互連通させる。また、この流入口１８ａを開閉するための流入弁１８ｂが流入口１８ａに設置される。また、上部蓋１３には、収容空間部１５の冷媒を流出させるための排出口１９ａが貫通形成されており、この排出口１９ａを開閉するための減圧弁１９ｂが設置される。

一方、前記のように、上部蓋１３と下部蓋１４とがそれぞれ内壁部１１及び外壁部１２の上側と下側とに結合されれば、冷媒収容体１０の内側、すなわち、内壁部１１と上部蓋１３及び下部蓋１４によって取り囲まれた充填空間部１６が形成される。

前記密着手段は、冷媒ｒが冷媒収容体１０に収容された状態で冷媒収容体１０の外壁部１２を試錐孔壁ｗに密着させることによって、冷媒ｒと試錐孔壁ｗとの間に円滑な熱伝逹がなされるようにするためのものである。本実施形態で、密着手段としては、充填空間部１６に流体を充填させることによって、弾性素材からなる冷媒収容体１０の内壁部１１及び外壁部１２を試錐孔壁ｗ側に密着させうるポンプが使われる。ポンプは、充填空間部１６に充填される流体によってその種類が変わり、本実施形態では、ガスを充填空間部１６に充填させるところ、空圧ポンプ（図示せず）が使われる。より具体的には、上部蓋１３の中央部に充填空間部１６と連結されるガス注入孔１７ａが形成され、このガス注入孔１７ａには空圧ポンプ（図示せず）と連結されたパイプ１７ｂが設置されることによって、空圧ポンプと充填空間部１６とが相互連結される。空圧ポンプの作動によって充填空間部１６に／からガスを充填／排出させることができる。すなわち、充填空間部１６にガスを充填すれば、冷媒収容体１０の外壁部１２は膨脹して試錐孔壁ｗ側に密着され、ガスを排出させれば、冷媒収容体１０の外壁部１２は収縮して試錐孔壁ｗから離れる。

前記冷媒注入手段は、冷媒収容体１０の収容空間部１５に冷媒ｒを注入するためのものであり、シリンダー２１、ピストン２４、駆動装置及び前記した流入弁１８ｂが採用される。

シリンダー２１は、円筒形に冷媒収容体１０の下部、さらに詳細には下部蓋１４に固定される。シリンダー２１が冷媒収容体１０に結合されれば、冷媒収容体１０の下部蓋１４とシリンダー２１との間に冷媒チャンバｃが形成される。この冷媒チャンバｃには、冷媒収容体１０に注入される前に冷媒ｒが一時的に収容される。シリンダー２１には、ピストンヘッド２２及びピストンロッド２３で形成されたピストン２４が設置される。すなわち、シリンダー２１の内径とほぼ同じ直径を持つ円板状のピストンヘッド２２がシリンダー２１の内側に挟み込まれ、棒状のピストンロッド２３の上端部はピストンヘッド２２の下端部に固定され、下端部は後述する駆動装置のモーター３０に連結される。このピストンロッド２３の外周面にはボルト山２３ａが形成されている。

モーター３０は、ピストン２４を往復動させるためのものであり、正逆転の可能な公知のモーターとして固定子（図示せず）と回転子３１とを備える。回転子３１は、公知のモーターと同一に電源の印加時に回転する部材であり、中空型に形成され、その内周面にはナット山３２が形成される。ピストンロッド２３は、モーター３０の回転子３１の内側に挟み込まれ、前記のように、ピストンロッド２３の外周面にボルト山２３ａが形成されているところ、ピストンロッド２３のボルト山２３ａは、回転子３１のナット山３２と相互螺合される。これにより、モーター３０の回転子３１が正逆転すれば、ピストンロッド２３は上方及び下方に直進移動する。

前記構成で形成された冷媒注入手段でモーター３０の回転子３１が正回転すれば、ピストンロッド２３が上方に移動して、ピストンヘッド２２は、冷媒チャンバｃ内の冷媒ｒを冷媒収容体１０側に加圧し、冷媒ｒは、流入弁１８ｂを通じて収容空間部１５に注入される。逆にモーター３０の回転子３１が逆回転すれば、ピストンロッド２３は下方に移動して、収容空間部１５の冷媒ｒは、流入弁１８ｂを通じて冷媒チャンバｃに流入される。

また、ピストンロッド２３は、ピストンヘッド２２を貫通して長く延設される。すなわち、ピストンロッド２３は、冷媒チャンバｃと冷媒収容体１０の充填空間部１６及び上部蓋１３を貫通して長く延びることによって、その上端部は冷媒収容体１０に対して上方に突設され、下端部はモーター３０回転子３１に対して下方に突設される。また、ピストンロッド２３には、その内側に長手方向（試錐孔の軸方向）に沿って複数の孔２６、２７、２８が形成されている。この孔２６、２７、２８のうち少なくとも一つの孔２６は、モーター３０の下方に空気を流入させるための空気注入孔２６であり、ピストンロッド２３の上端と下端との間を貫通して形成される。前記孔のうち空気注入孔２６を除外した残りの孔は、モーター３０または後述する各種センサーとの電気的連結のための電線（図示せず）が設置される連結孔２７、２８である。空気注入孔２６の上端部を通じて注入されて、下端部を通じてモーター３０の下方に排出された空気は、試錐孔ｈに沿って上昇しつつ冷媒ｒによって冷却された試錐孔壁ｗを解凍させる作用を行うことができる。後述するが、本発明では岩盤内の初期応力を測定するために、冷媒を利用して岩盤に亀裂を形成させる過程を反復的に行うところ、冷媒ｒによって冷却された試錐孔壁ｗを室温の状態に回復させねばならないが、空気注入孔２６を通じて解氷を加速化できる。

温度センサー４０は、試錐孔壁ｗの温度を測定するためのものである。後述するが、岩盤の初期応力を測定するためには、冷媒ｒによる冷却によって試錐孔壁ｗに亀裂が発生した時点での試錐孔壁ｗの温度を正確に分かっていなければならない。このために、温度センサー４０は、冷媒収容体１０の外周面、すなわち、外壁部１２に複数設置されて各地点での試錐孔壁ｗの温度を継続的に測定する。

この温度センサー４０は、冷媒収容体１０の内壁部１１と外壁部１２との間に設置された連結線（図示せず）と電気的に連結されており、連結線は、ピストンロッド２３の内側連結孔２７、２８に設置された電線（図示せず）と連結されている。すなわち、温度センサー４０によって測定された試錐孔壁ｗの温度は、連結線及び電線によって試錐孔ｈの外部の演算装置に伝送される。

前記亀裂感知手段は、冷媒ｒの冷却が行われる時、試錐孔壁ｗでの亀裂発生如何、発生位置及び亀裂の拡張方向を感知するためのものである。本実施形態で亀裂感知手段として、複数の音波放射感知センサー５１、５２、５３が採用される。音波放射感知センサー５１、５２、５３は、概略２０ｋＨｚ〜２ＭＨｚで発生する音波放射を感知する検出器であって、公知のセンサーであり、構造物の外部衝撃や摩擦によって微細な内部亀裂が発生する時に生じる音波を検出して電気的信号に変換及び伝送する。

図７には、冷媒収容体１０に付着されている３個の音波放射感知センサー５１、５２、５３が表示されている。冷媒による極低温の熱が試錐孔壁に加えられることによって、図５に示したように参照番号ｓで表示された地点からｆで表示された地点まで亀裂が発生すれば、３個の音波放射感知センサー５１、５２、５３はそれぞれ亀裂が発生する時の微細破裂音を感知する。すなわち、亀裂が開始点ｓで発生して破裂音が生じれば、開始点ｓに最も隣接した距離ｂ１にある音波放射感知センサー５３が最初に破裂音を感知し、二番目に隣接した距離ｅ１にある音波放射感知センサー５２と最も遠い距離ｄ１に配された音波放射感知センサー５１とが時間間隔をおいて順に破裂音を感知する。また、亀裂の終点ｆと音波放射感知センサー５１、５２、５３との距離ｂ２、ｅ２、ｄ２によって、終点ｆでの破裂音を各音波放射感知センサーが感知する。試錐孔壁ｗで音波の伝達速度は同一であるので、各音波放射感知センサーが音波を感知した時間の差を利用して音波の発生位置が分かる。また、亀裂が拡張される時の拡張方向も同じ方式で分かる。すなわち、３個の音波放射感知センサー５１、５２、５３は、それぞれ微細破裂音を感知することによって、試錐孔壁ｗで亀裂が発生したかどうか、亀裂が発生した位置及び亀裂が拡張する方向（縦方向、横方向など）を測定できる。

以下、添付した図面を参照して、本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法をさらに詳細に説明する。

図２は、本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した初期応力を測定方法の概略的フローチャートである。図２を参照するに、本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法（Ｍ１００）は、試錐孔形成ステップ（Ｍ１０）、装置設置ステップ（Ｍ２０）、第１冷却ステップ（Ｍ３０）、解氷ステップ（Ｍ４０）、第２冷却ステップ（Ｍ５０）及び演算ステップ（Ｍ６０）を含む。

試錐孔形成ステップ（Ｍ１０）では、油類コンテナなどの構造物築造が予定されていて、初期応力測定の対象になる岩盤にスクリュー（図示せず）などを利用して一定の深さに試錐孔ｈを形成する。この試錐孔ｈは、傾いて形成してもよいが、垂直に形成するのが一般的である。

試錐孔ｈが形成されれば、図４ないし図６に示した本発明による初期応力測定装置１００を試錐孔ｈ内に挿入する装置設置ステップ（Ｍ２０）を行う。初期応力測定装置１００を試錐孔ｈ内の測定区間ｉまで挿入して設置する（Ｍ２０）。初期応力測定装置１００を挿入する時には充填空間部１６には空圧を加えないので、図４Ｂに示したように、冷媒収容体１０の外周面１２（外壁部）が試錐孔壁ｗに密着されていない状態を維持する。また、冷媒ｒは、シリンダー２１の冷媒チャンバｃに収容されている状態である。

前記の状態で、モーター３０に電源を印加すれば、モーター３０の回転子３１がその場で一方向に回転し、この回転子３１に螺合されているピストンロッド２３は、上側に直線移動して冷媒チャンバｃの冷媒ｒを上方に加圧する。冷媒収容体１０の電気的に制御される流入弁１８ｂが開けば、冷媒ｒは、冷媒収容体１０の収容空間部１５に流入されつつ気化して収容空間部１５に充填される。一定量の冷媒ｒが収容空間部１５に充填されれば、流入弁１８ｂを閉鎖させて冷媒ｒの充填を中断する。この時、冷媒チャンバｃには後述する２次冷却のために液化窒素が残っている状態である。

このような状態で、空圧ポンプ（図示せず）を作動させてパイプ１７ｂを通じて充填空間部１６に空気を注入させれば、充填空間部１６に空圧が加えられるので、弾性材質からなる冷媒収容体１０の内壁部１１及び外壁部１２は、図４Ａに示したように、外側に膨らんで膨脹される。結局冷媒収容体１０の外壁部１２は試錐孔壁ｗに密着される。

前記のように冷媒収容体１０が試錐孔壁ｗに密着されれば、第１冷却ステップ（Ｍ３０）が始まる。このように密着された状態を維持すれば、概略−１９６℃の冷媒（ｒ、液化窒素）は試錐孔壁ｗを１次的に冷却させる。試験区間ｉに置かれた試錐孔壁ｗは冷却によって、図３に示したように、引っ張り応力を受けるので、試錐孔壁ｗのうち接線方向の圧縮応力が最も弱い部分で亀裂が発生する。冷却時間を長く持続するほどこの亀裂は発展し、他の部分でも亀裂が発生する。すなわち、亀裂が発生した後、この亀裂が岩盤の内側に段々進みつつ発展し、亀裂のサイズ、すなわち、亀裂による隙間も順次拡張される。また、引っ張り応力を発生させ続ければ、最初に亀裂が発生した地点以外の他の地点でも亀裂が発生する。岩盤が継続的に冷却されれば、熱による引っ張り応力も大きくなるが、この引っ張り応力が試錐孔壁の一定地点での圧縮応力より大きくなれば、その地点で亀裂が発生する。

温度センサー４０は、試錐孔壁ｗの温度を継続的に測定して、温度信号を、ピストンロッド２３内の連結孔２７に配線された電線を通じて外部の演算装置（図示せず）伝送しているので、亀裂が発生した時点の温度（第１亀裂温度）が正確に分かる。音波放射感知センサー５１、５２、５３も、微細破裂音を感知した信号を、連結孔２７内に設置された電線を通じて外部の演算装置（図示せず）に伝送し、演算装置では、この信号に基づいて亀裂が発生した位置（亀裂発生地点）と拡張方向とを算出することによって、第１冷却ステップ（Ｍ３０）が完了する。

第１冷却ステップ（Ｍ３０）が完了すれば、冷却された試錐孔壁ｗを解氷させる解氷ステップ（Ｍ４０）を行う。減圧弁１９ｂを開けて冷媒収容体１０に収容されている冷媒ｒを外部に排出させ、充填空間部１６の空圧を解除して図４Ｂのような状態に冷媒収容体１０を収縮させる。また、ピストンロッド２３の軸方向に沿って貫通形成されている空気注入孔２６の上端部を通じて、常温の空気（または加熱された空気）を試錐孔ｈに流入させる。試錐孔ｈに流入された常温の空気は、試錐孔ｈに沿って上方に移動しつつ冷却された試錐孔壁ｗを解氷させる。空気の流入によって試錐孔壁ｗが解氷されて室温に戻れば、試錐孔壁ｗに加えられた引っ張り応力も解除されて亀裂も閉じられる。すなわち、亀裂によって拡張された隙間が再び狭くなって超微細な隙間のみ残るが、岩盤で一度発生した亀裂自体がなかった状態に復元されることではなく、亀裂はそのまま維持される。従来の水圧破砕法でも１次的に水圧を印加して亀裂を発生させた後、水圧を解除して亀裂を閉鎖させるが、本発明で解氷を通じて亀裂を閉鎖させることと同じ概念である。

前記解氷ステップ（Ｍ４０）で試錐孔壁ｗと試錐孔ｈとが完全に室温に復元されたことが温度センサー４０によって確認されれば、第２冷却ステップ（Ｍ５０）を行う。すなわち、冷媒チャンバｃに残っている冷媒ｒを、第１冷却ステップ（Ｍ３０）と同じ過程を通じて冷媒収容体１０の収容空間部１５に再充填させ、充填空間部１６には再び空圧を印加して冷媒収容体１０の外壁部１２を試錐孔壁ｗに密着させる。試錐孔壁ｗは、再冷却されて引っ張り応力を受ける。第１冷却ステップ（Ｍ３０）によって発生及び拡張された後、解氷ステップ（Ｍ４０）で閉鎖された亀裂は再び開口される。開口されるということは、解氷ステップ（Ｍ４０）で微細に狭くなった亀裂が再び広くなることを意味する。これは、従来の水圧破砕法で再び水圧を印加して亀裂を開口させることと同じ概念である。ただし、前記のように、解氷ステップ（Ｍ４０）で亀裂自体はそのまま維持されていたので、第１冷却ステップ（Ｍ３０）より相対的に高温で亀裂が再び開口される。すなわち、第１冷却ステップ（Ｍ３０）で亀裂が発生するためには、亀裂発生地点での熱による引っ張り応力が、その地点での圧縮応力と岩盤の引っ張り強度とが加えられた値以上にならねばならない。しかし、既に第１冷却ステップ（Ｍ３０）で既に亀裂が発生したので、第２冷却ステップ（Ｍ５０）では、この亀裂を再び広げるために必要な引っ張り応力（冷媒により発生する引っ張り応力）は、その地点での圧縮応力値以上ならばよい。すなわち、亀裂はそのまま維持されているので、第２冷却ステップ（Ｍ５０）では、第１冷却ステップ（Ｍ４０）と比較して岩石の引っ張り強度に該当するほどの力は除外される。整理すれば、第２冷却ステップ（Ｍ５０）で亀裂を再び広げるために必要な引っ張り応力は、第１冷却ステップ（Ｍ３０）で亀裂を発生させるために必要な引っ張り応力から岩盤の引っ張り強度を引けばよい。

第２冷却ステップ（Ｍ５０）が進めば、第１冷却ステップ（Ｍ３０）で発生した亀裂が再び開口される。より詳細に説明すれば、最初には試錐孔ｈの軸方向と平行な方向（縦方向）に亀裂が開口される。この縦方向亀裂は、試錐孔壁の内周面に沿って複数の地点に配される。また、冷却が続けば、試錐孔ｈと垂直の方向（横方向）への亀裂も開口される。この横方向亀裂は、試錐孔ｈの軸方向に沿って複数の地点に配される。このように冷却による亀裂が開口される過程で、温度センサー４０は、亀裂が開口される時の温度（第２亀裂温度）を継続的に測定し、音波放射感知センサー５１、５２、５３らも亀裂の開口位置、拡張方向を継続的に測定してこの信号を外部の演算装置に伝送する。

前記第１冷却ステップ（Ｍ３０）及び第２冷却ステップ（Ｍ５０）で得られたデータ、すなわち、第１亀裂温度、２亀裂温度及び亀裂発生地点を利用して岩盤の初期応力を算出する演算ステップ（Ｍ６０）が行われる。演算装置では、温度センサー４０によって伝送された信号及び音波放射感知センサー５１、５２、５３によって伝送された信号を利用して、試験区間での初期応力を演算する。

演算装置によって演算される初期応力とは、２つの応力、すなわち、試錐孔軸に対して垂直の平面（図３のＸＹ平面）上で互いに直交する方向に作用する最大水平主応力及び最小水平主応力をいう。また、本発明の望ましい実施形態では、初期応力として垂直応力も含む。垂直応力は、最大水平主応力及び最小水平主応力とそれぞれ直交する方向（図３のＺ軸方向）に作用する垂直応力である。

まず、試錐孔壁の最大水平主応力、最小水平主応力及び垂直応力について調べた後、本発明による初期応力測定方法の演算ステップ（Ｍ６０）について説明する。

試錐孔ｈの周辺（試錐孔壁、ｗ）応力は、これまで多くの研究者により研究され、参考文献（Ｊａｅｇａｒ Ｊ．Ｃ．，Ｃｏｏｋ Ｎ．Ｇ．Ｗ．（１９７６）Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２ｎｄ Ｅｄｎ．，Ｃｈａｐｍａｎ ａｎｄ Ｈａｌｌ，Ｌｏｎｄｏｎ）に記載された下記の（１）ないし（３）の公式を利用できる。試錐孔ｈの軸方向（ｚ）に垂直する面（ｘｙ平面）に存在する異方性初期応力を持つ均質な媒質で試錐孔周辺の接線、半径方向、せん断応力は次の通りである。

ここでαは、試錐孔の半径であり、σ_１とσ_２とは、試錐孔軸方向に垂直する無限平面での最大、最小主応力である（最大、最小主応力は互いに直交する方向である）。θは、最大主応力（σ_１）で逆時計回り方向に測定された角である。前記式は、平面変形率条件での結果式であり、３次元応力分析時に円形空洞が一つの主応力方向に位置するという仮定下で妥当である。

試錐孔壁でθ＝０とθ＝９０での接線応力（σ_θ＝０）とは、次の通りである。

σ_θ＝０＝３σ_２−σ_１．．．．．．．（４）
σ_θ＝９０＝３σ_１−σ_２．．．．．．．（５）
試錐孔壁ｒ＝αでは、σ_ｒ＝０、τ_ｒθ＝０である。主応力方向の圧縮力を正の値に取る。大部分の場合、接線応力は圧縮力であるため、試錐孔の応力除去のために（亀裂発生のために）は、温度低下を通じて熱応力形態に引っ張り応力、すなわち、圧縮応力と逆方向の応力を発生させる。参考文献（Ｂｒｕｎｏ Ａ．Ｂ．，Ｊｅｒｏｍｅ Ｈ．Ｗ．（１９８５）Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ，Ｄｏｖｅｒ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｍｉｎｎｅｏｌａ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）に記載されたように、熱応力分析を通じて熱応力が媒質のせん断応力を誘発しないということを示せば、これは、応力分析を非常に単純化させることができる。

一方、試錐孔壁ｗでの接線熱応力

は、前記の参考文献（Ｂｒｕｎｏ Ａ．Ｂ．，Ｊｅｒｏｍｅ Ｈ．Ｗ．（１９８５）Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｅｓｓｅｓ，Ｄｏｖｅｒ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｍｉｎｎｅｏｌａ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ）に記載されたように、次の式（６）によって与えられる。

ここで、Ｅは、岩盤の弾性係数（ヤング率）であり、νは、岩盤のポアソン比、αは、岩盤の線形熱膨張係数であり、Δｔは、冷却前の温度ｔ_αから試錐孔壁の亀裂発生温度ｔ（第１亀裂発生温度または第２亀裂発生温度）までの温度変化であり、Ｃは、二軸状態の岩盤の熱弾性定数であり、

である。

試錐孔ｈに対して垂直の平面（図３のＸＹ平面）上の試錐孔壁ｗで亀裂が発生する最初の地点は、最大主応力（σ_１、θ＝０である方向が主応力方向と仮定）が作用する地点（Ｘ軸と試錐孔壁との交点）であると予測できる。すなわち、水平方向最大主応力が作用する地点での接線応力（主応力方向と直交する方向に作用）が試錐孔壁上で最も小さく現れるため、この地点での接線応力が、冷媒による引っ張り応力と最も先に同じくなるためである。したがって、次の条件を満たす時、試錐孔軸に対して垂直の平面上の試錐孔壁で亀裂が発生する。下記の式（７）は、式（４）に岩盤の引っ張り強度（σ_ｔ）を加えた値（θが０である地点の接線応力と岩盤の引っ張り強度との和）と式（６）（熱による引っ張り応力）とが互いに同一であるという概念である。さらに厳密に言えば、等号の右側が左側に比べてわずかでも大きい場合に亀裂が発生する。

ここで、σ_ｔは、岩石の引っ張り強度であり、ｔ_１は、亀裂形成温度である。

試錐孔壁の追加的冷却は、最大主応力方向を基準に逆時計回り方向に沿って多様な角度で２次亀裂を発生させるだけではなく、既存亀裂を拡大させることができる。次の条件を満たせば、亀裂は直角方向（最小主応力が作用する地点、Ｙ軸上の地点）にも発生する。下記の式（８）は、式（５）に岩盤の引っ張り強度（σ_ｔ）を加えた値（θが９０°である地点の接線応力と岩盤の引っ張り強度との和）と式（６）（熱による引っ張り応力）とが互いに同一であるという概念である。さらに厳密に言えば、等号の右側が左側に比べてわずかでも大きい場合に亀裂が発生する。

ここで、ｔ_２は、最小主応力方向に沿って亀裂が発生する間の試錐孔壁温度である。しかし、最小主応力が作用する地点では亀裂発生が容易ではないことを予測できる。これは、最小主応力が作用する地点での接線応力（最小主応力と直交する方向に作用）が試錐孔壁上で最も大きく現れるためである。実際冷却時にも最小水平主応力が作用する地点で亀裂が発生しない場合が多い。

一方、試錐孔軸方向に垂直の亀裂（横方向亀裂）は、次の条件である時に発生する。

ここで、ｔ_３は、試錐孔軸方向に垂直の亀裂形成温度であり、σ_３は、垂直応力であって、試錐孔軸方向に作用する。

式（７）ないし（９）を解けば、主応力を次のように決定できる。

物質定数（Ｅ、ν、α、σ_ｔ）が与えられた時、最大水平主応力（σ_１）と最小水平主応力（σ_２）及び垂直応力（σ_３）を決定できる。これら岩石物性は、試験位置で得られたコアサンプルを試験して評価する。

一方、亀裂開口実験（第２冷却ステップ）で得られたデータを利用して式を作る時には、前記式（１０）〜（１２）でそれぞれ引っ張り強度（σ_ｔ）を除去できる。第２冷却ステップでは、既に発生した亀裂が再び開口されることであるので、岩盤の引っ張り強度は除去されるためである。

そして、熱弾性定数（ｃ）は、物質定数（Ｅ、ν、α）をそれぞれ決定する代わり、別途の実験を通じて得ることができる。

前記式で冷却前の温度（または周辺温度）ｔ_αは測定可能であり、各種亀裂が発生する温度（ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３）は、初期応力測定装置１００を利用して測定される値である。未知数になっている岩石の引っ張り強度（σ_ｔ）と熱弾性定数（ｃ）のみ分かれば、３個の主応力（σ_１、σ_２、σ_３）を決定できる。岩石の引っ張り強度（σ_ｔ）と熱弾性定数（ｃ）とは岩石の物性値であり、実験室で測定できる値であるため、前記式（１０）ないし（１２）によって３個の主応力を理論的に算出できる。

しかし、式（１０）ないし（１２）によって初期応力を求めるためには、最小水平主応力が作用する地点で亀裂が発生せねばならないが、前記のように最小水平主応力が作用する地点では亀裂がまれに発生するため、この地点で亀裂が発生しなければ、前記式（１０）ないし（１２）を利用して初期応力を求められなくなる。また、第１冷却ステップ（Ｍ３０）や第２冷却ステップ（５０）で、最大水平主応力が作用する地点で最も先に亀裂が発生し、最後に最小水平主応力が作用する地点で最も遅く亀裂が発生すると予想するが、実際状況ではその様相が異なって現れることもある。これにより、本発明ではさらに一般化された式を使用して初期応力を求めるが、これについては後述する。

一方、垂直試錐孔について理論的に接近する。

世界各地で行われた初期指圧測定資料は、下記の式のような結果を示す（ＢｒｏｗｎＥ．Ｔ．，Ｈｏｅｋ Ｅ．（１９７８）Ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｉｎ ｓｉｔｕ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｄｅｐｔｈ．Ｉｎｔ．Ｊ．Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈ．Ｍｉｎ．Ｓｃｉ．＆Ｇｅｏｍｅｃｈ．Ａｂｓｔ．１５，２１１−２１５；Ａｍａｄｅｉ Ｂ，Ｓｔｅｐｈａｎｓｓｏｎ Ｏ，（１９９７）Ｒｏｃｋ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｉｔｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．１ｓｔ Ｅｄｎ．Ｃｈａｐｍａｎ ａｎｄ Ｈａｌｌ，Ｌｏｎｄｏｎ）。

ここで、γ＝単位重量であり、Ｈは深度である。したがって、垂直試錐孔の場合、試錐孔軸が垂直応力（σ_３）と平行するという仮定をすることができるので、σ_３は、既知の値に見なすことができる。式（９）で、σ_３に前記の式を代入して整理すれば、熱弾性定数（ｃ）は下記の式（１３）の通りである。

式（１３）を、式（７）及び式（８）に代入すれば、次の結果を得る。

式（１４）及び式（１５）から、水平方向の主応力成分Ｓ_Ｈ（σ_１）とＳ_ｈ（σ_２）とは、次のように求めることができる。

したがって、垂直試錐孔での第１冷却ステップでは、実験室実験から得られる引っ張り強度値のみを必要とする。

したがって、垂直試錐孔で初期応力は、岩盤の引っ張り強度だけ分かれば得られるようになる。さらに、先に言及したように垂直試錐孔に対する亀裂開口（第２冷却ステップ）を行う時、定数σ_ｔは０になるため、実験室試験を省略できる。すなわち、第２冷却ステップでは、式（１６）及び（１７）は、次のように単純化させることができる。

垂直試錐孔に対しては、前記のような方式で初期応力値を決定してもよい。

しかし、式（１８）及び式（１９）も式（１０）ないし式（１２）を利用して作ったものであるので、前述したように、最小水平主応力が作用する地点で亀裂が発生することを前提としている。これにより、最小水平主応力が作用する地点で亀裂が発生しなくても、初期応力を求めることができる一般化された式を利用する必要がある。また、式（１０）ないし式（１２）または式（１８）、式（１９）を利用して初期応力を求めるためには、岩盤の引っ張り強度と熱弾性定数が分からなければならないが、引っ張り強度（σ_ｔ）及び熱弾性定数（ｃ）は岩石の物性値であって、現場で採取した試料を試験して求めることができるが、実験室で求められた値と実際環境との間には若干の偏差が存在できる。これにより、可能な多量のデータを得てこのような偏差による誤差を減らす必要がある。

以下、本発明での演算ステップ（Ｍ６０）で行われる演算過程を詳細に説明する。

本発明によって測定及び演算される初期応力の誤差範囲を最小化させるために、最大及び最小主応力（σ_１、σ_２）と、亀裂位置（θ）、温度（ｔ）、熱弾性定数（ｃ）、引っ張り強度（σ_ｔ）などが変数として含まれた一般式として、下記の式（２０）、すなわち、第１演算式を利用する。第１演算式の等号の右側の項は、式（６）に記載された熱応力（引っ張り応力）であり、等号の左側の項は任意の角度（θ）地点での接線応力（圧縮応力）である。

第１演算式での各変数は、前記式で説明した通りである。下記の第１演算式によって、試錐孔軸に対して垂直の平面上の試錐孔壁での最大水平主応力（σ_１）と最小水平主応力（σ_２）とを求めることができる。

前記式（２０）で測定しようとする最大水平主応力（σ_１）と最小水平主応力（σ_２）とは未知数であり、岩盤の引っ張り強度（σ_ｔ）と熱弾性定数（ｃ）とは、岩石の物性値であって、実験室で試験によって求めてもよいが、未知数に取扱ってもよい。亀裂位置（θ）、温度（ｔ、ｔ_α）は、初期応力測定装置１００によって測定される値である。引っ張り強度と熱弾性定数とを未知数とする場合、第１演算式には総４個の未知数が含まれているところ、冷却を通じて試錐孔壁の少なくとも４箇所で亀裂を発生させて、少なくとも４つの第１演算式を作ってこの式を並べれば、最大水平主応力と最小水平主応力とを求めることができる。

ただし、岩盤試料を採取して実験室で岩盤の引っ張り強度（σ_ｔ）と熱弾性定数（ｃ）とを別途に測定する場合には、第１演算式に２個の未知数のみあるので、少なくとも２箇所で亀裂を発生させて、少なくとも２個の第１演算式を形成して並べることによって、最大水平主応力と最小水平主応力とを求めることができる。

同様に、岩盤の引っ張り強度（σ_ｔ）と熱弾性定数（ｃ）のうちいずれか一つのみ実験室で求めれば、第１演算式に３個の未知数が残っているところ、少なくとも３箇所で亀裂を発生させ、３個の第１演算式を作って並べることによって最大水平主応力と最小水平主応力とを算出できる。

しかし、前記の諸演算式によって算出される最大水平主応力値と最小水平主応力値との誤差を低減するためには、試錐孔壁のなるべく多くの地点で発生した亀裂に対してそれぞれ上の第１演算式を適用して多量のデータを確保せねばならない。いろいろな亀裂発生地点に対して確保された複数の第１演算式によって求められた複数の最大水平主応力解及び最小水平主応力解を利用して最小自乗法を行うことによって、最大水平主応力及び最小水平主応力に対して最小自乗解を算出すれば、誤差範囲を最小化させることができる。

前記第１演算式は、第１冷却ステップ（Ｍ３０）で発生した亀裂を利用して作るか、第２冷却ステップ（Ｍ５０）で開口された亀裂を利用して作ってもよい。第１冷却ステップで演算式を立てれば、θは亀裂発生地点であり、ｔは亀裂発生時の温度になる。第２冷却ステップで演算式を立てれば、θは亀裂開口地点であり、ｔは亀裂が再び開口される時の温度になる。しかし、第２冷却ステップで開口される亀裂は、第１冷却ステップで既に発生した亀裂であるため、θは第１冷却ステップと同一になる。また、第２冷却ステップで開口された亀裂を利用して第１演算式を立てる場合、第２演算式で岩盤の引っ張り強度（σ_ｔ）は０に設定する。第１冷却ステップ（Ｍ３０）で既に亀裂が発生したので、第２冷却ステップ（Ｍ５０）では亀裂が開口される時に岩盤の引っ張り強度がないためである。前述したように、第１演算式は第１冷却ステップ（Ｍ３０）及び第２冷却ステップ（Ｍ５０）ですべて立てることができるが、第１冷却ステップでは亀裂のみを発生させ、第２冷却ステップで亀裂を再び開口させ、この時のデータ、すなわち、開口される地点及び開口時の温度を利用して複数の第１演算式を形成することが望ましい。第１冷却ステップ（Ｍ３０）では、初期に発生した亀裂周辺で応力解放が起きて、後続で発生する亀裂の亀裂発生に必要な応力集中に影響を及ぼすことができるためである。このような影響を及ぼす場合、正確な値を算出できなくなって誤差が発生する恐れがあるためである。

一方、鉛直方向に作用する垂直応力（σ_３）は、σ_１とσ_２とに対して独立的であるため、前記第１演算式（式（２０））による方程式によって熱弾性定数（ｃ）と引っ張り強度（σ_ｔ）とを決定した後、亀裂が試錐孔軸に垂直の平面に沿って発生する横亀裂を感知して、第２演算式である前記式（１２）を使用して求めねばならない。
＜第２演算式＞

一般的に横方向亀裂は、最大主応力方向に対して０゜と１８０゜方向で試錐孔軸に垂直の平面で亀裂開始が起き、この亀裂は、試錐孔壁の周り方向に沿って完全な円形亀裂を形成しつつ順次伝播される。このような場合、縦方向亀裂が発生する時とは異なって、亀裂開始時点の温度（ｔ_３ｉ）と亀裂完了時点の温度（ｔ_３ｅ）とが多くの差がありうる。これにより、横方向亀裂発生温度（ｔ_３）は、下記の式のように亀裂開始時点の温度（ｔ_３ｉ）と亀裂完了時点の温度（ｔ_３ｅ）との単純平均で計算すればよい。ただし、σ_１とσ_２、すなわち、水平方向の２個の主応力大きさの差が大きくなければ、短時間及び温度差で亀裂が発生しうる。

一方、前記の式（１３）による方程式を得る時、第１冷却ステップで初期亀裂が発生する時、すなわち、亀裂位置がθ＝０である地点でのみ方程式を獲得し、後続亀裂は、第２冷却ステップ（Ｍ５０）で獲得することが望ましい。第１冷却ステップで後続亀裂に対する方程式を獲得しない理由は、第１冷却ステップで初期亀裂の周辺で応力解放がおきることによって、後続亀裂の発生に必要な応力集中に大きい影響を及ぼすため、正確な値を算出できないからである。

以上で説明したように、本発明による装置を利用して試錐孔壁ｗを１次冷却及び２次冷却させて多くの亀裂を発生させ、それぞれの亀裂に対して式（１３）を利用して方程式を立てて多くの解（水平方向最大主応力及び最小主応力と熱弾性定数）を求めることができ、この解に最小自乗法を適用して最小自乗解を算出することによって、誤差範囲を最小化させた解を求めることができる。垂直方向応力も、前記の方式で誤差範囲を最小化させて求めることができる。

前記方法の有効性検証のために、熱オプションを持つ数値解析プログラムである、いわゆる“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して数値モデリングを行う。引っ張り応力が岩石の引っ張り強度を超過する時、ヌル領域に設定することによって亀裂発展をモデリングする。脆性材料での亀裂発生及び伝播をモデリングするために過去多くの研究者が提案した多様な方法があるが、この方法は簡単であるという長所がある。

この技法は発破による破砕岩形成を予測するための有限要素法により利用されてきた（Ｓａｈａｒａｎ Ｍ．Ｒ．（２００４）Ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ ｏｆ ｒｏｃｋ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ ｂｙ ｄｅｓｔｒｅｓｓ ｂｌａｓｔｉｎｇ．Ｐｈ．Ｄ．Ｔｈｅｓｉｓ，Ｕｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ＭｃＧｉｌｌ，Ｃａｎａｄａ）。亀裂の発生及び伝播方向をモデリング前に分からない場合、これは、十分な有限要素かつ差分格子が稠密ならば、亀裂摸写のための有用な方法である。試錐孔近くで要素のサイズが大きければ、亀裂発生時に応力不平型が発生しうるため、なるべく避けるべきである。

いわゆるＮＸ試錐孔のサイズを摸写するために、７４ｍｍ直径の試錐孔を単一ストリップモデルを利用して平面変形率状態を作る。回転対称条件を利用して一つの四分面のみを生成する。垂直試錐孔条件を摸写するために試錐孔方向をｚ−軸方向に設定する。最大水平主応力（Ｓ_Ｈ）及び最小水平主応力（Ｓ_ｈ）がそれぞれｘ−軸及びｙ−軸と平行すると見なす。

試錐孔の内部に前記冷媒が収容された冷媒収容体（非常に低い剛性を持つ物体）をモデリングし、この冷媒収容体は−１９６℃の温度で液化窒素を含んでいる。冷媒収容体を通じて試錐孔壁から岩盤に熱伝逹される間に非正常熱流動解析を行う。引っ張り応力が岩盤の引っ張り強度を超過するまで熱力学相互作用解析を行う。いわゆる“ＦＩＳＨ”プログラムは、各計算ステップで節点で各要素の応力レベルを検討する。

任意の要素に対して引っ張り応力が引っ張り強度を超過する時、その要素を“ｎｕｌｌ ｅｌｍｅｎｔ”と指定する。これは、深刻な不平衡力を招く。したがって、熱行程を止め、モデルは力学的行程のみを行うことによって力学的平衡状態に到達する。このように一つの過程が終われば、再び熱−力学相互作用過程についての解析を始める。この過程は、亀裂が試錐孔壁の境界そとに発展するまで続く。最初の亀裂（大慨、最大水平主応力（Ｓ_Ｈ）方向に沿って発生する）が発生する時点の試錐孔壁温度をｔ_１といい、最大水平主応力（Ｓ_Ｈ）方向に対してθ_２、θ_３、θ_４角度で現れる後続亀裂の発生温度をそれぞれｔ_２、ｔ_３、ｔ_４という。

行われた例（例１）は次の入力資料を持つ。周辺岩盤の熱／力学的物性は次の通りである。

線形熱膨張係数α＝６．６４ｅ^−６／℃、熱伝導率ｋ＝２．６３Ｗ／ｍ／℃、媒質の比熱Ｃ_ｐ＝７１０Ｊ／ｋｇ／℃、密度ρ＝２５００ｋｇ／ｍ^３、引っ張り強度（σ_ｔ）＝５ＭＰａ、弾性係数Ｅ＝２０ＧＰａ、ポアソン比ν＝０．２５である。

前記冷媒収容体の熱／力学的物性は次の通りである。

線形熱膨張係数α＝２．０ｅ^−７／℃、熱伝導率ｋ＝３．０Ｗ／ｍ／℃、媒質の比熱Ｃｐ＝５００Ｊ／ｋｇ／℃、密度ρ＝１０００ｋｇ／ｍ^３、弾性係数Ｅ＝０．０２ＧＰａ、ポアソン比ν＝０．２５である。

平面変形率条件は、孔径７４ｍｍの単一平板モデルを利用して構成できる。試錐孔軸とｘ、ｙ軸とに沿って対称する平面を使用して、試錐孔の１つの四分面と周辺岩盤を構成した。試錐孔は、垂直試錐孔条件を摸写するためにｚ軸方向と同じく設定した。最大水平主応力（Ｓ_Ｈ）はｘ軸と平行と見なし、平面最小主応力（Ｓ_ｈ）はｙ軸と平行と仮定する。

初期応力条件は次の通りである。

σ_ｘｘ＝１０ＭＰａ、σ_ｙｙ＝７ＭＰａ、σ_ｚｚ＝２０ＭＰａ、σ_ｘｙ＝０ＭＰａ、σ_ｙｚ＝０ＭＰａ、σ_ｚｘ＝０ＭＰａである。

図８は、冷却と熱亀裂発生の熱力学モデリングの多様なステップを示す。図８Ａ〜図８Ｊで、１次冷却行程（第１冷却ステップ）中の一連の破壊過程を示す。試錐孔径でｘ−軸方向に亀裂ｃ１が発生するが、ｘ−軸方向は最大主応力（Ｓ_Ｈ）方向である。次いで発生する後続亀裂ｃ２は、最大主応力（Ｓ_Ｈ）方向に対して９．５゜と１７．５゜とでそれぞれ発生した（図８Ｂ、図８Ｃ）。あらゆる亀裂ｃ１、ｃ２は、試錐孔軸と平行した垂直亀裂（縦方向亀裂）として見なすことができる。一般的に亀裂が７〜１０゜の間隔で発生することは、数値解析から分かる。新たな亀裂が発生した時、初期亀裂は２〜３要素に該当するほど岩盤内に発展することが観察できる（図８Ｄ〜図８Ｉ）。７個の亀裂を０゜、９．５゜、１７．５゜、２５．５゜、３２．５゜、４１．５゜、５３．５゜でそれぞれ観察できる。数値モデリングする間、試錐孔壁の温度は亀裂発生如何の観察と併行した。７個の亀裂は試錐孔壁温度−５６．８５℃、−６６．１２℃、−７３．６℃、−８９．７６℃、−１０２．９℃、−１１３．６℃で見つけられた。

この研究で臨界平面応力は２０ＭＰａであり、これは、ｙ−軸方向の接線応力（２３ＭＰａ）より小さい。したがって、最大主応力（Ｓ_Ｈ）に垂直の亀裂は把握できず、ｙ−軸方向の亀裂前に試錐孔壁に垂直の水平亀裂（横方向亀裂）が発生した。３方向の岩盤破砕についての研究のためにさらに精巧な３次元モデリングが必要である。

初期応力測定のための新たな方法の潜在性及び検証のための数値モデリング結果を分析するために、多様な角度での亀裂発生過程中に試錐孔壁での理論的応力値と熱応力の数値解析推定値とを比較した。

図９は、ｘ−軸に対して試錐孔径の多様な角度で理論的接線応力を示す。これら理論解は、式（１）を利用して計算された値である。式（６）を利用して亀裂発生時点で７個の亀裂角に対する数値解を孔壁温度から計算し、引っ張り強度値を差し引きした結果は、図９に示した。

図９で、θ＝０での最初の亀裂発生のために必要な数値解析から得た引っ張り応力値（−σ_ｔｈ）は理論接線応力値とよく一致する。しかし、残りの後続亀裂ｃ２の場合、理論応力レベルを超過して示された。これは、初期亀裂ｃ１の周辺で応力解放による結果であって、これは、初期亀裂が後続亀裂の発生に必要な応力集中に大きい影響を及ぼすためである。したがって、第１冷却過程に対して式（７）による単一方程式で正確に得ることができる。応力解放は、引っ張り応力集中だけではなく圧縮力に対しても応力除去効果を持つため、岩盤の引っ張り強度が周辺応力レベルと比較して低い場合、このような不一致は減少できる。

以後、２次冷却行程（第２冷却ステップ）と亀裂開口を摸写するために、試錐孔を再び溶かして元来温度状態に取り戻す。これは、冷媒収容体から冷媒を回収して数分間常温の空気で試錐孔周辺に吹き込むことによって可能である。同時に安定化するまで温度をモニタリングする。これはまず生成された亀裂を閉鎖させ、亀裂に圧縮力を作用させる。試錐孔を再冷却することによって引っ張り応力を発生させる。これは、初期亀裂を特定試錐孔壁温度で初期角度で開口させる。亀裂は引っ張り強度がないため、引っ張り強度因子は自動的に応力方程式である式（２０）から除去される。これは、任意の二つの方程式から未知の二つの主応力（最大水平主応力及び最小水平主応力）に対する解を求めることができる。

次の過程を通じて２次冷却過程、すなわち、亀裂開口試験を摸写できる。

ａ）１次冷却行程（第１冷却ステップ）により形成された亀裂をマッピングする
ｂ）亀裂要素を弾性要素に再変換及び引っ張り強度のない物体で表示する
ｃ）温度を大気温度に安定化させ、媒質のあらゆる熱応力を０に初期化する
ｄ）ジャケット表面での温度−１９６℃に再適用させて２次冷却行程を始める
ｅ）ＦＩＳＨプログラムを利用して亀裂開口現象だけではなく試錐孔壁の温度をモニタリングする
亀裂要素を引っ張り強度のない物体と宣言したので、存在していた圧縮応力が引っ張り応力により相殺される時、これら要素で亀裂が発展すると予想できる。２次冷却行程（第２冷却ステップ）中に間亀裂開口は図１０の通りである。初期亀裂ｃ１の開口現象はｘ−軸に沿って観察できる（図１０Ｂ）。亀裂開口時に試錐孔壁の温度は−３０．５℃であり、これは、１次冷却行程での温度に比べて非常に低い温度である。以後連続する亀裂拡張及び亀裂生成は９．５゜、１７．５゜、２５．５゜、３２．５゜、４１．５゜、５３．５゜で観察できる（図１０Ｃ〜図１０Ｈ）。このような方向に沿って亀裂開口現象中の試錐孔壁温度は、それぞれ−３２．９７℃、−３７．６℃、−４１．１℃、−５０．１℃、−６２．１７℃、−７５．３℃である。

亀裂開口時に熱応力の数値解析による推定値を既に存在する理論接線応力値について図示した結果は、図１１の通りである。周知すべき点は、亀裂開口において引っ張り強度をゼロに設定するという点である。図１１で、数値解析による推定値は理論値に非常に近似に現れた。

したがって、二つの角度での亀裂開口温度は、二つの主応力Ｓ_ＨとＳ_ｈとを計算するのに利用できる。しかし、この解は、主応力を熱弾性定数Ｃにより表現できる。前述したように、垂直試錐孔に対して熱弾性定数Ｃは次のように推定できる。

ここで、ｔ_３ｒは、試錐孔軸に垂直の水平亀裂の開口時試錐孔壁の温度である。しかし、他のあらゆる条件は実験室試験から推定できる。２次元分析で試錐孔軸に垂直の水平亀裂発生は把握できず、これは３次元解析を必要とする。もし、熱弾性定数が０．１７７１ＭＰａ／℃ということが分かれば、主応力を推定できる。

７個の亀裂角などを考慮して主応力に対する最小自乗解を求めた結果、Ｒ^２＝０．９９としてσ_１＝１０．１７ＭＰａとσ_２＝７。０６ＭＰａを得ることができた。これら値らは数値モデルから適用したσｘｘとσｙｙ値と非常に類似の値である。

前記２次元平面変形率条件での解析は、試錐孔に垂直する平面での熱亀裂モデリングを行えない。したがって、低温熱応力が加えれる区間に該当する十分の長さを持つ試錐孔断面を考慮したモデルを、３次元有限解析プログラムであるＦＬＡＣ３Ｄで構成する。３次元モデリング過程は、前記２次元例（例１）と同じである。初期応力レベルは、次の通りである。

σ_ｘｘ＝５ＭＰａ、σ_ｙｙ＝２ＭＰａ、σ_ｚｚ＝３ＭＰａ、σ_ｘｙ＝０ＭＰａ、σ_ｙｚ＝０ＭＰａ、σ_ｚｘ＝０ＭＰａである。

直交平面でのせん断応力は作用しない。すなわち、主応力は軸方向に沿って作用すると仮定し、試錐孔はｚ軸を一つの主応力方向に位置させる。

初期冷却試験の間、引っ張り亀裂は主応力方向であるｘ軸方向で試錐孔軸に平行した平面上にモデリングした試錐孔の断面に沿って開始する。この初期亀裂形成は図１２の通りである。試錐孔に平行した平面上の同じ亀裂を、ｘ軸の多様な角度で観察できる。

これと同時にｘ軸方向から始まる試錐孔に垂直の亀裂も観察でき、ｙ軸方向に到達するまで試錐孔壁に沿って伝播発展して完全な円板の垂直亀裂を形成する。この亀裂形成は、図１２Ｂ〜図１２Ｈで確認することができる。垂直亀裂は、試錐孔長手方向に沿って５〜８ｍｍの間隔で発生することが分かる。亀裂形成の開始と完全な亀裂形成の平均温度は次のように計算する。

σ_１とσ_２、すなわち、異なる方向の主応力大きさの差があまり大きくなければ、短時間と温度差で亀裂が発生できる。本例の場合、垂直亀裂形成の平均温度は１５．３℃である。垂直亀裂形成のための応力は、式（１２）を利用して計算した結果、２．１４ＭＰａである。

多重亀裂開口試験から式（１２）及び式（２０）のσ_ｔを除去させることができる。これは、熱弾性定数Ｃだけで主応力を決定可能にする。図１２で、６個の亀裂をｘ軸を基準に０゜と５９．２５゜との間で観察できる。０゜、１１．２５゜、２３．２５゜、３５．２５゜、４７．２５゜、５９．２５゜で初期亀裂開始に対応する試錐孔壁温度は、それぞれ−１０．７．、−１６．０７．、−２７．８．、−４５．９６．、−６９．６３．、−８５．０３℃である。

図１３は、接線応力の理論値と数値解析結果との比較を示したものである。初期亀裂形成時に、前記の場合のようによく一致することが分かる。しかし、以後に発生する亀裂角に対して多少過推定結果を示す。多重回帰分析結果σ_１＝６．８ＭＰａ、σ_２＝２．３ＭＰａ、σ_ｔ＝６．４７ＭＰａである。この値は１５〜３５％誤差範囲に属する。

２次冷却行程（第２冷却ステップ）と亀裂開口モデルでの２次冷却行程（第２冷却ステップ）は前記の例１（２次元モデリング）の場合と同じ過程を行う。１次冷却行程（第１冷却ステップ）中に記録された亀裂を概略的に図示する。図１４Ａないし図１４Ｆは、亀裂開口の他のステップを示す。図１４で０゜、１１．２５゜、２３．２５゜、３５．２５゜、４７．２５゜、５９２５゜で半径方向亀裂開口に対応する温度は、それぞれ２２．５７℃、１７．１℃、８．７５℃、−５．５℃、−２３．０℃、−３９．５℃である。垂直亀裂開口現象は１７℃の孔壁温度で発生して（図１４Ｂ）、２．４℃で完全な円板亀裂を形成するが、全体平均温度は９．７℃である。この平均温度でのσ_ｚｚレベルは２．７ＭＰａであり、これは１５％誤差内に該当する。

図１５は、亀裂開口熱応力に対する数値解析的推定値と試錐孔径外に存在する理論的接線応力レベルとの比較である。数値解析的推定値は、亀裂開口試験で理論値とかなり符合する結果を示した。最小自乗法を利用した多重線形回帰は、σ_ｘｘ、σ_ｙｙに対する最適の適合値として５．７８ＭＰａと２．１３ＭＰａとをそれぞれ示した。これは、主応力の１５％誤差範囲内の値である。

従来の水圧破砕法による初期応力測定方法及び装置を説明するための概略的な図である。 本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法の概略的フローチャートである。 図２に示した初期応力測定方法を説明するための試錐孔を示した概略的な図である。 本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置の概略的な構成図であり、冷媒収容体が膨脹した状態の図である。 本発明の望ましい実施形態による低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置の概略的な構成図であり、冷媒収容体が収縮した状態の図である。 図４ＡのV−V線の概略的な断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示した初期応力測定装置の主要部分である冷媒収容体の概略的分な離斜視図である。 音波放射感知センサーによる亀裂感知を説明するための概略的な構成図である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第１冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図８Aの状態から図８Ｊの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 図８Ａ〜図８Ｊに示したモデリングの結果を理論値と比較して示した図表である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図１０Ａの状態から図１０Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図１０Ａの状態から図１０Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図１０Ａの状態から図１０Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図１０Ａの状態から図１０Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図１０Ａの状態から図１０Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図１０Ａの状態から図１０Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図１０Ａの状態から図１０Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して２次元（平面）モデリングした結果画面であり、経時的に図１０Ａの状態から図１０Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 図１０Ａ〜図１０Ｈに示したモデリングの結果を理論値と比較して示した図表である。 １次冷却過程で試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果画面であり、経時的に図１２Ａの状態から図１２Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 １次冷却過程で試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果画面であり、経時的に図１２Ａの状態から図１２Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 １次冷却過程で試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果画面であり、経時的に図１２Ａの状態から図１２Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 １次冷却過程で試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果画面であり、経時的に図１２Ａの状態から図１２Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 １次冷却過程で試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果画面であり、経時的に図１２Ａの状態から図１２Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 １次冷却過程で試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果画面であり、経時的に図１２Ａの状態から図１２Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 １次冷却過程で試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果画面であり、経時的に図１２Ａの状態から図１２Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 １次冷却過程で試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果画面であり、経時的に図１２Ａの状態から図１２Ｈの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 図１２Ａ〜図１２Ｈに示したモデリングの結果を理論値と比較して示した図表である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果であり、経時的に図１４Ａの状態から図１４Ｆの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果であり、経時的に図１４Ａの状態から図１４Ｆの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果であり、経時的に図１４Ａの状態から図１４Ｆの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果であり、経時的に図１４Ａの状態から図１４Ｆの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果であり、経時的に図１４Ａの状態から図１４Ｆの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 第２冷却ステップで試錐孔壁で熱亀裂が発生することを、数値解析プログラムである“ＦＬＡＣ３Ｄ”を利用して３次元モデリングした結果であり、経時的に図１４Ａの状態から図１４Ｆの状態まで熱亀裂が発展することを示す結果画面である。 図１４Ａ〜図１４Ｆに示したモデリングの結果を理論値と比較して示した図表である。

Claims (21)

1. 初期応力測定の対象になる岩盤に試錐孔を形成する試錐孔形成ステップと、
   前記試錐孔の試錐孔壁を冷却して引っ張り応力を加えることによって、前記試錐孔壁に亀裂を発生及び発展させ、亀裂が発生した時点の前記試錐孔壁の第１亀裂温度と前記亀裂が発生した亀裂発生地点とを測定する第１冷却ステップと、
   前記第１冷却ステップで冷却された試錐孔壁を解氷させて前記発展した亀裂を閉鎖させる解氷ステップと、
   前記試錐孔壁を再び冷却して引っ張り応力を加えることによって、前記解氷ステップで閉鎖された亀裂を再び開口させ、亀裂が再び開口された時点の前記試錐孔壁の第２亀裂温度を測定する第２冷却ステップと、
   前記第１冷却ステップで測定した前記試錐孔壁の第１亀裂温度と亀裂発生地点、及び前記第２冷却ステップで測定した前記試錐孔壁の第２亀裂温度を利用して前記岩盤の初期応力を算出する演算ステップと、を含むことを特徴とする低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法。
2. 前記初期応力は、試錐孔軸に対して垂直の平面上で互いに直交する方向に作用する最大水平主応力と最小水平主応力とを含み、
   前記最大水平主応力（σ_１）と最小水平主応力（σ_２）とは、下記の第１演算式を利用して求められることを特徴とする請求項１に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法；
   ＜第１演算式＞
   

   

   ここで、σ_１は、最大水平主応力であり、σ_２は、最小水平主応力であり、θは、前記試錐孔軸に対して垂直の平面上で前記試錐孔の中心点を回転中心として、前記最大水平主応力が作用する地点から前記亀裂発生地点までの逆時計回り方向の回転角度であり、σ_ｔは岩石の引っ張り強度であり、ｔ_αは、冷却前の岩盤の温度、ｔは、前記第１亀裂温度及び第２亀裂温度のうちいずれか一つであり、
   Ｃは、前記試錐孔壁をなす二軸状態の岩盤の熱弾性定数であってＣ＝Ｅα／（１−ν）であり、ここでＥは、岩盤の弾性係数（ヤング率）であり、αは、岩盤の線形熱膨張係数であり、νは、岩盤のポアソン比である。
3. 前記初期応力は、前記最大水平主応力方向及び最小水平主応力方向とそれぞれ直交する方向に作用する垂直応力を含み、
   前記垂直応力は、下記の第２演算式によって求められることを特徴とする請求項２に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法；
   ＜第２演算式＞
   

   

   ここで、σ_３は垂直応力であり、ｔ_３は、前記試錐孔軸方向に対して垂直の横方向亀裂が発生した時の岩盤の温度である。
4. 前記第２冷却ステップで、亀裂を再び開口させて測定した第２亀裂温度を利用して前記第１演算式を生成する時には、前記岩石の引っ張り強度（σ_ｔ）は０に設定することを特徴とする請求項２または３に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法。
5. 前記横方向亀裂は前記試錐孔壁に沿って円形に形成され、亀裂開始時点と亀裂完了時点とで前記試錐孔壁の温度が相異なる場合、前記ｔ_３は、亀裂開始時点と亀裂完了時点との温度を平均して設定することを特徴とする請求項３に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法。
6. 前記試錐孔壁の少なくとも４個の地点で亀裂を発生させて、前記第１演算式を複数生成及び並べることによって、前記最大水平主応力及び最小水平主応力を算出することを特徴とする請求項２に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法。
7. 前記岩盤の熱弾性定数及び引っ張り強度は岩盤の物性値であり、定数と取扱い、
   前記試錐孔壁の少なくとも２個の地点で亀裂を発生させて前記第１演算式を複数生成して並べることによって、前記最大水平主応力及び最小水平主応力を算出することを特徴とする請求項２に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法。
8. 前記岩盤の熱弾性定数と引っ張り強度のうちいずれか一つは定数と取扱い、
   前記試錐孔壁の少なくとも３個の地点で亀裂を発生させて前記第１演算式を複数生成及び並べることによって、前記最大水平主応力及び最小水平主応力を算出することを特徴とする請求項２に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法。
9. 前記試錐孔壁の相異なる地点に複数の亀裂を発生させて前記第１演算式で複数生成して、前記最大水平主応力に対する解と最小水平主応力に対する解とをそれぞれ複数算出した後、
   前記複数の最大水平主応力解と最小水平主応力解とを利用して最小自乗法を行うことによって、前記最大水平主応力と最小水平主応力とを決定することを特徴とする請求項２に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法。
10. 前記解氷ステップでは、前記試錐孔の内側に外部の空気を導入して前記試錐孔壁を解氷させることを特徴とする請求項１に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定方法。
11. 地盤を穿孔して形成した試錐孔の試錐孔壁に熱による亀裂を発生させることによって、岩盤内の初期応力値を測定するためのものであり、
    冷媒が収容されうる環状の収容空間部が形成され、前記収容空間部に冷媒を流入及び流出させるための流入口を備える冷媒収容体と、
    前記試錐孔壁の温度を測定するように前記冷媒収容体の外側面に設置される温度センサーと、
    前記冷媒収容体に収容された冷媒と前記試錐孔壁との間に熱伝逹が行われることによって、前記試錐孔壁に発生する亀裂を感知するための亀裂感知手段と、を備えることを特徴とする低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
12. 前記冷媒収容体の外側面を前記試錐孔壁に密着させるための密着手段をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
13. 前記冷媒収容体は、
    内壁部と、前記内壁部の外側にこの内壁部の周り方向に沿って配される外壁部と、前記内壁部及び外壁部の上側に結合される上部蓋及び前記内壁部及び外壁部の下側に結合される下部蓋を備え、
    前記環状の収容空間部は、内壁部と外壁部と上部蓋及び下部蓋に取り囲まれて形成されることを特徴とする請求項１２に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
14. 前記冷媒収容体の内側には、前記冷媒収容体の内壁と上部蓋及び下部蓋に取り囲まれて流体が充填及び排出される充填空間部が形成され、
    前記密着手段は、前記充填空間部に流体を充填及び排出させるように前記充填空間部と連結されたポンプであり、
    前記冷媒収容体の外壁部及び内壁部は弾性素材からなり、前記充填空間部に流体が充填及び排出されるにつれて、前記冷媒収容体の外壁部及び内壁部は膨脹及び収縮することを特徴とする請求項１３に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
15. 前記冷媒収容体に収容される冷媒は液化窒素であることを特徴とする請求項１１に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
16. 前記収容空間部に冷媒を注入するための冷媒注入手段をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の初期応力測定装置。
17. 前記冷媒注入手段は、
    前記冷媒収容体との間に冷媒が収容される冷媒チャンバを形成するように前記冷媒収容体に結合されるシリンダーと、前記シリンダーに挟み込まれるピストンヘッドと、前記ピストンヘッドに固定される棒状のピストンロッドとを備えて前記シリンダーに往復動自在に設置されて、前記冷媒を前記冷媒収容体側に加圧するピストンと、前記ピストンを往復動させるための駆動装置と、前記冷媒チャンバと収容空間部とを相互連通及び閉鎖させるように前記冷媒収容体に設置される弁と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
18. 前記駆動装置は、正逆転自在のモーターであり、前記モーターの回転子は中空型であってその内周面にナット山が形成されており、
    前記ピストンロッドは、その外周面にねじ山が形成されて前記回転子に挟み込まれて螺合されることによって、前記回転子の正逆転時に直線往復動することを特徴とする請求項１７に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
19. 前記ピストンロッドは、前記ピストンヘッドと前記シリンダーの冷媒チャンバと前記冷媒収容体とを貫通して長く延設されて、一側端部は、前記冷媒収容体に対して突設され、他側端部は、前記モーターに対して突設され、
    前記ピストンロッドの長手方向に沿って、このピストンロッドの一側端部と他側端部との間を貫通する空気注入孔が形成されていることを特徴とする請求項１８に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
20. 前記冷媒収容体の収容空間部を開閉して前記収容空間部の冷媒を排出させるために、前記冷媒収容体に設置される減圧弁をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。
21. 前記亀裂感知手段は、
    前記試錐孔壁を含む岩盤に亀裂が生じる時に発生する破裂音を感知するためのものであり、前記冷媒収容体の外周面に付着される複数の音波放射感知センサーであることを特徴とする請求項１１に記載の低温熱亀裂現象を利用した岩盤内の初期応力測定装置。

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