原 位 置 岩 盤 三 軸 試 験 法 バックエンド 研 究 センター 岡 田 哲 実 Central Research Institute of Electric Power Industry 1
目 次 1. 試 験 方 法 の 概 要 開 発 の 歴 史, 背 景 試 験 の 手 順 装 置 の 仕 様 装 置 の 特 徴 2. 試 験 結 果 の 一 例 3. 本 試 験 法 の 成 果 4. 写 真 集 5. 新 しい 掘 削 装 置 (2006) Central Research Institute of Electric Power Industry 2
開 発 の 歴 史 1997: 試 験 方 法 考 案 1998: 試 験 装 置 の 製 作 1999: 均 質 な 軟 岩 ( 大 谷 石 )を 対 象 に 実 証 試 験 成 功! 2003: 計 測 システムの 改 良 等 2004: 不 均 質 な 岩 盤 ( 礫 岩 )を 対 象 に 実 証 試 験 成 功! 2005: 試 験 体 掘 削 装 置 の 開 発 2005-2007: 不 連 続 な 岩 盤 を 対 象 に 実 証 試 験 成 功? 実 用 化 関 連 特 許 : 特 許 第 33503927 ( 三 軸 セルの 構 造 ) 特 開 平 11-152983 ( 試 験 法 ) 特 開 2000-108943 ( 変 位 計 測 法 ) 特 願 2005-342029 ( 試 験 体 成 形 方 法 ) Central Research Institute of Electric Power Industry 3
背 景 ( 従 来 の 岩 盤 試 験 法 ) 岩 盤 の 力 学 特 性 調 査 では, 変 形 特 性 : 平 板 載 荷 試 験,フ レッシャーメーター 試 験 強 度 特 性 : 岩 盤 せん 断 試 験 平 板 載 荷 試 験 フ レッシャーメーター 試 験 岩 盤 せん 断 試 験 荷 重 拘 束 荷 重 荷 重 せん 断 荷 重 Central Research Institute of Electric Power Industry 4
背 景 ( 従 来 法 の 問 題 点 ) 1. 変 形 特 性 と 強 度 特 性 を 別 々の 試 験 法 により, 評 価 しなければならない. 2. 試 験 面 の 整 形 によるゆるみの 影 響 を 受 けやす い. 3. 基 本 的 に 要 素 試 験 でない( 応 力 とひずみが 一 様 でない)ために, 試 験 結 果 の 解 釈 は 必 ずしも 容 易 ではない. 4. 引 張 り 強 さや 動 的 な 力 学 特 性 などを 評 価 できな い 原 位 置 岩 盤 三 軸 で 解 決 Central Research Institute of Electric Power Industry 5
試 験 の 手 順 ( 掘 削 ) 1 2 3 ボーリング 孔 の 底 面 を 平 滑 に 仕 上 げる 中 央 の 小 孔 を 掘 削 する 採 取 したコア を 観 察 する 外 周 溝 (スリット)を 掘 削 する この 状 態 で 試 験 体 の 成 形 が 終 了 する 1 2 3 ビット コ ア バ ー レ ル ビット コ ア バ ー レ ル 中 央 の 小 孔 外 周 溝 Central Research Institute of Electric Power Industry 6
試 験 体, 三 軸 セル 中 空 円 筒 試 験 体 内 セル& 外 セル 外 セル 中 央 小 孔 内 セル 外 周 溝 (スリット) Central Research Institute of Electric Power Industry 7
試 験 の 手 順 ( 試 験 ) 4 5 内 セル, 外 セル,お よび 載 荷 システムを 設 置 する. 三 軸 試 験 の 実 施 試 験 終 了 後 に 試 験 体 を 回 収,その 破 壊 状 況 を 観 察 する. ジ ャ ッ キ 荷 重 計 キ ャ ッ プ 4 反 力 体 圧 力 計 5 試 験 体 の 回 収 用 治 具 Central Research Institute of Electric Power Industry 8
装 置 の 仕 様 試 験 体 寸 法 : 内 径 86 mm, 外 径 400 mm, 高 さ1150 mm (せん 断 面 :50~60cm 角 の 岩 盤 せん 断 試 験 に 相 当 ) 側 圧 :5.0 MPa 軸 圧 :8000kN/ 最 大 軸 応 力 65.5MPa (C M 級 相 当 の 岩 盤 まで 対 応 可 能 ) 変 位 (ひずみ) 計 測 : 精 度 10-5 ~10-4 Central Research Institute of Electric Power Industry 9
装 置 の 特 徴 ( 計 測 システム) ゴム 膜 磁 力 センサー 磁 石 ターゲット ( 鉄 板 ) 非 接 触 型 変 位 計 試 験 体 スキャン ロッド 560mm 試 験 体 スキャン スキャン 差 動 トランス 式 変 位 計 ステンレスバンド 磁 力 センサー 差 動 トランス 式 変 位 計 スキャン 非 接 触 型 変 位 計 中 央 小 孔 ( 内 セル)と 外 周 溝 ( 外 セル)の 両 方 (2 箇 所 )で 軸 ひずみと 周 ひずみの 計 測 が 可 能! Central Research Institute of Electric Power Industry 10
三 軸 圧 縮 試 験 結 果 ( 大 谷 石 ) 応 力 とひずみの 関 係 試 験 後 回 収 した 試 験 体 40cm せん 断 破 壊 面 周 ひずみ 軸 ひずみ 110cm 拘 束 圧 1MPa Central Research Institute of Electric Power Industry 11
三 軸 圧 縮 試 験 結 果 ( 礫 石 ) 応 力 とひずみの 関 係 試 験 後 回 収 した 試 験 体 6 40cm 5 q (MPa) 4 3 2 1 周 ひずみ 拘 束 圧 0.1MPa 軸 ひずみ 外 セル: 差 動 トランス 内 セル: 磁 力 センサー 周 ひずみ 外 セル: 非 接 触 型 変 位 計 内 セル: 磁 力 センサー 0-1.0-0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 ε a, ε θ (%) 軸 ひずみ 110cm せん 断 破 壊 面 Central Research Institute of Electric Power Industry 12
三 軸 引 張 り 試 験 結 果 ( 礫 石 ) 応 力 とひずみの 関 係 試 験 後 回 収 した 試 験 体 2.5 拘 束 圧 2MPa 周 ひずみ 40cm 2.0 引 張 破 壊 面 q (MPa) 1.5 1.0 0.5 軸 ひずみ 軸 ひずみ 外 セル: 差 動 トランス 内 セル: 磁 力 センサー 周 ひずみ 外 セル: 非 接 触 型 変 位 計 内 セル: 磁 力 センサー 0.0-0.16-0.12-0.08-0.04 0.00 0.04 ε a, ε θ (%) 110cm Central Research Institute of Electric Power Industry 13
試 験 結 果 の 評 価 岩 盤 せん 断 試 験 との 強 度 比 較 室 内 三 軸 試 験 との 強 度 比 較 7 6 τ(mpa) 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 (σ 1 '-σ 3 ')/2 (MPa) 5 4 3 2 1 原 位 置 三 軸 引 張 0-2 0 2 4 6 8 10 (σ 1 '+σ 3 ')/2 (MPa) 室 内 三 軸 圧 縮 (CU-) 室 内 三 軸 圧 縮 (CD) 室 内 三 軸 引 張 (CU-) 室 内 三 軸 引 張 (CD) 原 位 置 三 軸 圧 縮 1.0 0.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 σ(mpa) 原 位 置 三 軸 試 験 岩 盤 せん 断 試 験 繰 返 し( 動 的 ) 変 形 特 性 等 価 ヤング 率 E eq (MPa) 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 E eq 5 波 目 10 波 目 h(%) 5 波 目 10 波 目 0 1E-4 1E-3 0.01 0.1 1 片 振 幅 軸 ひずみ (ε a ) SA (%) Central Research Institute of Electric Power Industry 14 35 30 25 20 15 10 5 0 履 歴 減 衰 率 h (%)
本 試 験 法 の 成 果 様 々な 三 軸 応 力 状 態 で, 原 位 置 の 岩 盤 の 応 力 とひずみ 関 係 が, 世 界 で 初 めて 正 確 に 計 測 できるようになった 本 試 験 法 により, 岩 盤 の 力 学 特 性 評 価 の 高 度 化, 合 理 化 が 期 待 できる Central Research Institute of Electric Power Industry 15
コスト 比 較 ( 礫 岩 の 例 ) 項 目 費 用 備 考 既 往 の 岩 盤 試 験 試 掘 坑 掘 削 岩 盤 せん 断 4800 万 円 2800 万 円 24m(せん 断 :4 個, 平 板 :3 個 ) 4 個 平 板 載 荷 ( 変 形 ) 1000 万 円 3 個 平 板 載 荷 ( 支 持 力 ) 600 万 円 3 個 合 計 9000 万 円 原 位 置 三 軸 試 験 試 掘 坑 掘 削 原 位 置 三 軸 1200 万 円 3000 万 円 6m( 三 軸 供 試 体 :4 個 ) 4 個 ( 掘 削 3 週 間 / 個 ) 合 計 4200 万 円 掘 削 の 短 縮 でさらにコスト 低 下 Central Research Institute of Electric Power Industry 16
底盤整形 底盤荒掘削 試験位置選定 H19年度 自然災害軽減 メ ンテナンス技術研究連絡会 底盤整形作業 代表的な試験面(礫混じり凝灰岩) 敷モルタル打設 Central Research Institute of Electric Power Industry 17
試験体の作製 ビットぶれ防止セントライザー Φ86 ボーリング Φ400 ボーリング 外周溝に半割鋼管挿入 テコ棒にて縁切り H19年度 自然災害軽減 メ ンテナンス技術研究連絡会 Φ560 ボーリング リングコアにワイヤーを掛け引上げ 掘削完了 リングコア回収完了 Central Research Institute of Electric Power Industry 18
三軸セルの設置 反力用鋼管挿入 H19年度 自然災害軽減 メ ンテナンス技術研究連絡会 外セル挿入 内セル挿入 Central Research Institute of Electric Power Industry 19
軸力載荷装置組立 ① ロードセル ② 球座(雌) ③ ジャッキ ④ 台 座 ⑤ 支 柱 ⑥ 支圧板 H19年度 自然災害軽減 メ ンテナンス技術研究連絡会 Central Research Institute of Electric Power Industry 20
試験体の回収 くさび ①外セル回収後 回収 用治具をセットし 水圧 をかけて くさびにて縁 切りする H19年度 自然災害軽減 メ ンテナンス技術研究連絡会 ②くさびを出したまま 試験体を引き上げる 三軸圧縮 σc 1.0MPa Central Research Institute of Electric Power Industry 21
従 来 の 掘 削 法 の 課 題 1 ボーリング 終 了 2 リング 部 分 回 収 3 試 験 体 作 製 完 了 φ400 φ560 三 軸 セル 設 置 の 外 周 リング 部 分 を 掘 削 するため φ400mmとφ560mmの2 回 のホ ーリンク を 実 施 不 連 続 性 岩 盤 では 掘 削 自 体 が 困 難 リング 部 分 の 自 立, 回 収 も 困 難 掘 削 に 長 時 間 を 要 する ( 礫 岩 で 約 2 週 間 ) 従 来 の 簡 易 ボーリング 機 械 による 試 験 体 作 製 の 様 子 掘 削 時 間 短 縮 のため,リング 部 分 を 一 度 に 掘 削 従 来 のボーリングによる 方 法 では 大 型 のボーリン グ 機 械 が 必 要 ( 大 掛 りな 準 備 が 必 要 ) Central Research Institute of Electric Power Industry 22
新 しい 試 験 体 掘 削 装 置 ゴム 車 輪 がケーシングのブレ 止 めの 役 割 も 果 たす 大 型 のボーリングマシンを 必 要 としない ケーシングのぶれによるダメージを 受 けにくい 岩 盤 の 欠 片 がコア 詰 まりしにくい 上 面 が 空 いているため, 掘 削 中 の 観 察, 試 験 体 保 護 機 構 の 設 置 可 Central Research Institute of Electric Power Industry 23
開 発 した 掘 削 装 置 スリップリング (センターホール 型 ) アクリルパイプ 回 転 止 めシャフト チェーン ズリ 溜 めタンク (6 個 ) 掘 削 モーター (6 個 ) ウォータースイベル ケーシング 鋼 製 枠 ロッド 排 水 管 掘 削 用 ビット 掘 削 中 に 交 換 な 可 能 な 形 状 になっている 掘 削 中 の 計 測 項 目 ウエイトバランス 用 エアーシリンダ 3921 計 測 項 目 型 式 個 数 アクリル 製 コアパック (φ400 φ382) 回 転 用 サーボ モーター 2700 掘 削 荷 重 ( 給 圧 ) 掘 削 トルク 掘 削 水 の 水 位 ひずみゲージ 式 ローセル 4 ひずみゲージ 式 トルク 計 6 超 音 波 センサ 1 ゴム 車 輪 掘 削 水 の 流 量 電 磁 式 液 体 用 流 量 センサ 1 傾 斜 用 サーボ モーター ( 上 下 駆 動 用 ) 変 位 掘 進 量 ロータリーエンコーダ 1 ケーシングのブレ ひずみゲージ 式 変 位 計 4 ロードセル 固 定 フレーム ( 架 台 ) 掘 削 用 ビット (6 個 ) シュー 掘 削 面 ガード 用 ソリ 装 置 の 全 体 写 真 架 台 のブレ ひずみゲージ 式 変 位 計 3 ケーシングの 回 転 角 度 ロータリーエンコーダ 1 Central Research Institute of Electric Power Industry 24