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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023022881
(43)【公開日】2023-02-16
(54)【発明の名称】計測装置及び、計測方法
(51)【国際特許分類】
G01L 5/00 20060101AFI20230209BHJP
G01L 5/1627 20200101ALI20230209BHJP
G01L 1/00 20060101ALI20230209BHJP
【ＦＩ】
G01L5/00 A
G01L5/1627
G01L1/00 D
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021127936
(22)【出願日】2021-08-04
(71)【出願人】
【識別番号】000000549
【氏名又は名称】株式会社大林組
(74)【代理人】
【識別番号】110000213
【氏名又は名称】弁理士法人プロスペック特許事務所
(74)【代理人】
【識別番号】100171619
【弁理士】
【氏名又は名称】池田 顕雄
(72)【発明者】
【氏名】畑 浩二
【テーマコード（参考）】
2F051
【Ｆターム（参考）】
2F051AA06
2F051AB09
2F051DA03
(57)【要約】
【課題】簡素な構成で、地盤や岩盤の応力を効率的に計測する。
【解決手段】複数のロードセル２０を含むセンサ部１１Ａと、センサ部１１Ａを挿入するための挿入ロッド１６と、複数のロードセル２０によって検出される応力値に基づいて主応力を演算する応力演算部３０とを備えており、複数のロードセル２０は、互いに異なる任意の６方向の応力値を検出するように配置されており、応力演算部３０は、複数のロードセル２０によって検出される６方向の応力値に基づいて、主応力を演算する。
【選択図】図４
【解決手段】複数のロードセル２０を含むセンサ部１１Ａと、センサ部１１Ａを挿入するための挿入ロッド１６と、複数のロードセル２０によって検出される応力値に基づいて主応力を演算する応力演算部３０とを備えており、複数のロードセル２０は、互いに異なる任意の６方向の応力値を検出するように配置されており、応力演算部３０は、複数のロードセル２０によって検出される６方向の応力値に基づいて、主応力を演算する。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
地盤又は岩盤に削孔した孔に挿入されるとともに、前記孔の表面に固定される複数のロードセルを含むセンサ部と、
前記センサ部を前記孔に挿入して前記複数のロードセルを前記孔の表面に固定するための挿入ロッドと、
前記複数のロードセルによって検出される応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤の内部の主応力を演算する応力演算部と、を備えており、
前記複数のロードセルは、互いに異なる任意の６方向の応力値を検出するように配置されており、前記応力演算部は、前記複数のロードセルによって検出される前記６方向の応力値に基づいて、前記主応力を演算する
ことを特徴とする計測装置。
前記センサ部を前記孔に挿入して前記複数のロードセルを前記孔の表面に固定するための挿入ロッドと、
前記複数のロードセルによって検出される応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤の内部の主応力を演算する応力演算部と、を備えており、
前記複数のロードセルは、互いに異なる任意の６方向の応力値を検出するように配置されており、前記応力演算部は、前記複数のロードセルによって検出される前記６方向の応力値に基づいて、前記主応力を演算する
ことを特徴とする計測装置。
【請求項2】
前記複数のロードセルは、
互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸及び、Ｚ軸と仮定し、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った正方向をそれぞれ＋Ｘ軸方向，＋Ｙ軸方向，＋Ｚ軸方向とし、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った負方向をそれぞれ－Ｘ軸方向，－Ｙ軸方向，－Ｚ軸方向としたとき、
ＹＺ面に垂直な＋Ｘ軸方向又は－Ｘ軸方向の応力値を検出する第１ロードセルと、
ＺＸ面に垂直な＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向の応力値を検出する第２ロードセルと、
ＸＹ面に垂直な＋Ｚ軸方向又は－Ｚ軸方向の応力値を検出する第３ロードセルと、
ＸＹ面を前記３軸の交点からＸ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第４ロードセルと、
ＺＸ面を前記３軸の交点からＺ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第５ロードセルと、
ＹＺ面を前記３軸の交点からＹ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第６ロードセルと、を有する
請求項１に記載の計測装置。
互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸及び、Ｚ軸と仮定し、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った正方向をそれぞれ＋Ｘ軸方向，＋Ｙ軸方向，＋Ｚ軸方向とし、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った負方向をそれぞれ－Ｘ軸方向，－Ｙ軸方向，－Ｚ軸方向としたとき、
ＹＺ面に垂直な＋Ｘ軸方向又は－Ｘ軸方向の応力値を検出する第１ロードセルと、
ＺＸ面に垂直な＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向の応力値を検出する第２ロードセルと、
ＸＹ面に垂直な＋Ｚ軸方向又は－Ｚ軸方向の応力値を検出する第３ロードセルと、
ＸＹ面を前記３軸の交点からＸ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第４ロードセルと、
ＺＸ面を前記３軸の交点からＺ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第５ロードセルと、
ＹＺ面を前記３軸の交点からＹ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第６ロードセルと、を有する
請求項１に記載の計測装置。
【請求項3】
前記孔の孔底に半球孔を削孔するための半球状ビットをさらに備えており、
前記センサ部は、
前記挿入ロッドの先端に取り付けられるとともに、前記半球状ビットよりも小径の半球状又は球状の球殻を有しており、
前記球殻の球中心が前記３軸の交点と一致するように、前記複数のロードセルを前記球殻の表面に配置しており、
前記挿入ロッドによって前記球殻を前記半球孔に挿入することにより、前記複数のロードセルが前記半球孔の表面にそれぞれ固定される
請求項２に記載の計測装置。
前記センサ部は、
前記挿入ロッドの先端に取り付けられるとともに、前記半球状ビットよりも小径の半球状又は球状の球殻を有しており、
前記球殻の球中心が前記３軸の交点と一致するように、前記複数のロードセルを前記球殻の表面に配置しており、
前記挿入ロッドによって前記球殻を前記半球孔に挿入することにより、前記複数のロードセルが前記半球孔の表面にそれぞれ固定される
請求項２に記載の計測装置。
【請求項4】
前記センサ部は、
前記挿入ロッドの先端に取り付けられる主ロッドと、
前記主ロッドの先端を前記３軸の交点とし、前記交点から＋Ｘ軸方向又は－Ｘ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第１ロードセルが取り付けられる第１支持ロッドと、
前記交点から＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第２ロードセルが取り付けられる第２支持ロッドと、
前記交点から＋Ｚ軸方向又は－Ｚ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第３ロードセルが取り付けられる第３支持ロッドと、
ＸＹ面を前記交点からＸ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第４ロードセルが取り付けられる第４支持ロッドと、
ＺＸ面を前記交点からＺ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第５ロードセルが取り付けられる第５支持ロッドと、
ＹＺ面を前記交点からＹ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第６ロードセルが取り付けられる第６支持ロッドと、を有する
請求項２に記載の計測装置。
前記挿入ロッドの先端に取り付けられる主ロッドと、
前記主ロッドの先端を前記３軸の交点とし、前記交点から＋Ｘ軸方向又は－Ｘ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第１ロードセルが取り付けられる第１支持ロッドと、
前記交点から＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第２ロードセルが取り付けられる第２支持ロッドと、
前記交点から＋Ｚ軸方向又は－Ｚ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第３ロードセルが取り付けられる第３支持ロッドと、
ＸＹ面を前記交点からＸ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第４ロードセルが取り付けられる第４支持ロッドと、
ＺＸ面を前記交点からＺ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第５ロードセルが取り付けられる第５支持ロッドと、
ＹＺ面を前記交点からＹ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第６ロードセルが取り付けられる第６支持ロッドと、を有する
請求項２に記載の計測装置。
【請求項5】
前記複数のロードセルが、圧縮引張型のロードセルである
請求項１から４の何れか一項に記載の計測装置。
請求項１から４の何れか一項に記載の計測装置。
【請求項6】
前記センサ部の周囲の地盤又は岩盤をオーバーコアリングするための円筒状ビットをさらに備えており、
前記演算部は、前記円筒状ビットによりオーバーコアリングを行った際に前記複数のロードセルが検出する応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤に発生する初期応力を演算する
請求項１から５の何れか一項に記載の計測装置。
前記演算部は、前記円筒状ビットによりオーバーコアリングを行った際に前記複数のロードセルが検出する応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤に発生する初期応力を演算する
請求項１から５の何れか一項に記載の計測装置。
【請求項7】
請求項６に記載の計測装置を用いた初期応力の計測方法であって、
削孔装置を用いて地盤又は岩盤に前記孔を削孔する工程と、
前記挿入ロッドを用いて前記センサ部を前記孔に挿入して前記複数のロードセルを前記孔の表面に固定する工程と、
前記センサ部を設置した前記孔の周囲の地盤又は岩盤を、前記円筒状ビットを用いてオーバーコアリングする工程と、
前記オーバーコアリングを行った際に前記複数のロードセルが検出する応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤に発生する初期応力を演算する工程と、を有する
ことを特徴とする計測方法。
削孔装置を用いて地盤又は岩盤に前記孔を削孔する工程と、
前記挿入ロッドを用いて前記センサ部を前記孔に挿入して前記複数のロードセルを前記孔の表面に固定する工程と、
前記センサ部を設置した前記孔の周囲の地盤又は岩盤を、前記円筒状ビットを用いてオーバーコアリングする工程と、
前記オーバーコアリングを行った際に前記複数のロードセルが検出する応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤に発生する初期応力を演算する工程と、を有する
ことを特徴とする計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、計測装置及び、計測方法に関し、特に、地盤や岩盤の初期地圧（初期応力）の計測に好適な技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
トンネル工事等において、岩盤に空洞を構築するにあたっては、空洞形成に伴う周辺岩盤への影響を評価する必要がある。空洞形成による影響の評価は、例えば、岩盤の変位や初期応力などを計測することにより行われる。初期応力を計測する従来技術としては、円錐孔底ひずみ法や水圧破砕法が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【0003】
円錐孔底ひずみ法は、まず、計測対象の地盤等に削孔装置を用いて挿入孔を削孔し、該挿入孔の孔底に円錐ビットを用いて円錐孔を加工する。円錐孔を加工したならば、ボアホールカメラを用いて孔底観察を行い、亀裂等が発見されなければ、円錐孔の孔底面を研磨して清掃する。円錐孔を清掃したならば、表面に複数のひずみゲージを備えるストレインセルを円錐孔の孔底面に接着剤等で固定する。接着剤が硬化したならば、ストレインセルの周囲の岩盤をオーバーコアリングして解放ひずみを測定する。解放ひずみを測定したならば、コアを回収し、室内試験（一軸繰返し載荷重試験）によりヤング率及びポアソン比を測定する。室内試験の測定値を用い、計測対象の地盤や岩盤が等方均質の線形弾性体であると仮定し、境界要素法や有限要素法などの数値解析に基づいてひずみ感度係数を求める。そして、求めたひずみ感度係数及び、解放ひずみの測定値から最小二乗法により初期応力を算出する。
【0004】
一方、水圧破砕法は、計測対象の地盤等に削孔装置を用いてボーリング孔を削孔する。ボーリング孔を削孔したならば、ボーリング孔の所定区間をパッカーで塞栓する。パッカーで塞栓した区間に高圧ポンプを用いて水圧を与えることにより亀裂を発生させるとともに、水圧と亀裂との関係に基づいて初期応力を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００５－０６９９３７号公報
【特許文献2】特開平１０－２２０１６０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
上記円錐孔底ひずみ法では、ひずみゲージを円錐孔の孔底面に固定して解放ひずみを測定することから、ひずみゲージを固定した範囲における地盤や岩盤の変形が測定対象となる。このため、微小な亀裂などの局所的な不均質性の影響を大きく受けやすく、ボアホールカメラを用いた孔底観察により亀裂の有無を入念に確認する必要がある。また、オーバーコアリング後は、コアを回収して室内試験を実施することにより、ポアソン比及びヤング率を測定する必要もある。このため、測定や室内試験に多くの工数が必要となり、初期応力を求めるまでに多大な労力や手間、時間が掛かるといった課題がある。
【0007】
また、上記円錐孔底ひずみ法では、計測対象の地盤や岩盤を等方均質の線形弾性体と仮定し、測定値の逆解析から初期応力を求めている。一方、地盤や岩盤には、これらを構成する鉱物の偏在や微小な亀裂など、多くの異方性や不均質性、さらには、非弾性的な変形挙動などの要素が含まれている。このため、等方均質の線形弾性体を前提とした逆解析に基づく算出手法では、解放ひずみなどの測定結果によっては初期応力の算出精度を十分に担保できない場合もある。
【0008】
一方、水圧破砕法は、ボーリング孔の直交面内での初期応力成分を評価することはできるが、ボーリング孔の孔軸方向の初期応力成分を評価することができない。このため、角度を変えて複数本のボーリング孔を削孔しなければならず、計測にコストや労力が掛かるといった課題がある。また、水圧破砕法では、パッカーや高圧ポンプ等が必要となり、装置全体が大掛かりなものになるといった課題もある。
【0009】
本開示の技術は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で、地盤や岩盤の応力を効率的に計測することができる計測装置及び計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本開示の計測装置は、
地盤又は岩盤に削孔した孔に挿入されるとともに、前記孔の表面に固定される複数のロードセルを含むセンサ部と、
前記センサ部を前記孔に挿入して前記複数のロードセルを前記孔の表面に固定するための挿入ロッドと、
前記複数のロードセルによって検出される応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤の内部の主応力を演算する応力演算部と、を備えており、
前記複数のロードセルは、互いに異なる任意の６方向の応力値を検出するように配置されており、前記応力演算部は、前記複数のロードセルによって検出される前記６方向の応力値に基づいて、前記主応力を演算することを特徴とする。
地盤又は岩盤に削孔した孔に挿入されるとともに、前記孔の表面に固定される複数のロードセルを含むセンサ部と、
前記センサ部を前記孔に挿入して前記複数のロードセルを前記孔の表面に固定するための挿入ロッドと、
前記複数のロードセルによって検出される応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤の内部の主応力を演算する応力演算部と、を備えており、
前記複数のロードセルは、互いに異なる任意の６方向の応力値を検出するように配置されており、前記応力演算部は、前記複数のロードセルによって検出される前記６方向の応力値に基づいて、前記主応力を演算することを特徴とする。
【0011】
本開示の計測装置の他の態様において、
前記複数のロードセルは、
互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸及び、Ｚ軸と仮定し、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った正方向をそれぞれ＋Ｘ軸方向，＋Ｙ軸方向，＋Ｚ軸方向とし、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った負方向をそれぞれ－Ｘ軸方向，－Ｙ軸方向，－Ｚ軸方向としたとき、
ＹＺ面に垂直な＋Ｘ軸方向又は－Ｘ軸方向の応力値を検出する第１ロードセルと、
ＺＸ面に垂直な＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向の応力値を検出する第２ロードセルと、
ＸＹ面に垂直な＋Ｚ軸方向又は－Ｚ軸方向の応力値を検出する第３ロードセルと、
ＸＹ面を前記３軸の交点からＸ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第４ロードセルと、
ＺＸ面を前記３軸の交点からＺ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第５ロードセルと、
ＹＺ面を前記３軸の交点からＹ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第６ロードセルと、を有することが好ましい。
前記複数のロードセルは、
互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸及び、Ｚ軸と仮定し、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った正方向をそれぞれ＋Ｘ軸方向，＋Ｙ軸方向，＋Ｚ軸方向とし、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った負方向をそれぞれ－Ｘ軸方向，－Ｙ軸方向，－Ｚ軸方向としたとき、
ＹＺ面に垂直な＋Ｘ軸方向又は－Ｘ軸方向の応力値を検出する第１ロードセルと、
ＺＸ面に垂直な＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向の応力値を検出する第２ロードセルと、
ＸＹ面に垂直な＋Ｚ軸方向又は－Ｚ軸方向の応力値を検出する第３ロードセルと、
ＸＹ面を前記３軸の交点からＸ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第４ロードセルと、
ＺＸ面を前記３軸の交点からＺ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第５ロードセルと、
ＹＺ面を前記３軸の交点からＹ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びる方向の応力値を検出する第６ロードセルと、を有することが好ましい。
【0012】
本開示の計測装置の他の態様は、
前記孔の孔底に半球孔を削孔するための半球状ビットをさらに備えており、
前記センサ部は、
前記挿入ロッドの先端に取り付けられるとともに、前記半球状ビットよりも小径の半球状又は球状の球殻を有しており、
前記球殻の球中心が前記３軸の交点と一致するように、前記複数のロードセルを前記球殻の表面に配置しており、
前記挿入ロッドによって前記球殻を前記半球孔に挿入することにより、前記複数のロードセルが前記半球孔の表面にそれぞれ固定されることが好ましい。
前記孔の孔底に半球孔を削孔するための半球状ビットをさらに備えており、
前記センサ部は、
前記挿入ロッドの先端に取り付けられるとともに、前記半球状ビットよりも小径の半球状又は球状の球殻を有しており、
前記球殻の球中心が前記３軸の交点と一致するように、前記複数のロードセルを前記球殻の表面に配置しており、
前記挿入ロッドによって前記球殻を前記半球孔に挿入することにより、前記複数のロードセルが前記半球孔の表面にそれぞれ固定されることが好ましい。
【0013】
本開示の計測装置の他の態様において、
前記センサ部は、
前記挿入ロッドの先端に取り付けられる主ロッドと、
前記主ロッドの先端を前記３軸の交点とし、前記交点から＋Ｘ軸方向又は－Ｘ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第１ロードセルが取り付けられる第１支持ロッドと、
前記交点から＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第２ロードセルが取り付けられる第２支持ロッドと、
前記交点から＋Ｚ軸方向又は－Ｚ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第３ロードセルが取り付けられる第３支持ロッドと、
ＸＹ面を前記交点からＸ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第４ロードセルが取り付けられる第４支持ロッドと、
ＺＸ面を前記交点からＺ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第５ロードセルが取り付けられる第５支持ロッドと、
ＹＺ面を前記交点からＹ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第６ロードセルが取り付けられる第６支持ロッドと、を有することが好ましい。
前記センサ部は、
前記挿入ロッドの先端に取り付けられる主ロッドと、
前記主ロッドの先端を前記３軸の交点とし、前記交点から＋Ｘ軸方向又は－Ｘ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第１ロードセルが取り付けられる第１支持ロッドと、
前記交点から＋Ｙ軸方向又は－Ｙ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第２ロードセルが取り付けられる第２支持ロッドと、
前記交点から＋Ｚ軸方向又は－Ｚ軸方向に延びるとともに、その先端部に前記第３ロードセルが取り付けられる第３支持ロッドと、
ＸＹ面を前記交点からＸ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第４ロードセルが取り付けられる第４支持ロッドと、
ＺＸ面を前記交点からＺ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第５ロードセルが取り付けられる第５支持ロッドと、
ＹＺ面を前記交点からＹ軸に対して＋４５度又は－１３５度の角度で延びるとともに、その先端部に前記第６ロードセルが取り付けられる第６支持ロッドと、を有することが好ましい。
【0014】
本開示の計測装置の他の態様において、
前記複数のロードセルが、圧縮引張型のロードセルであることが好ましい。
前記複数のロードセルが、圧縮引張型のロードセルであることが好ましい。
【0015】
本開示の計測装置の他の態様は、
前記センサ部の周囲の地盤又は岩盤をオーバーコアリングするための円筒状ビットをさらに備えており、
前記演算部は、前記円筒状ビットによりオーバーコアリングを行った際に前記複数のロードセルが検出する応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤に発生する初期応力を演算することが好ましい。
前記センサ部の周囲の地盤又は岩盤をオーバーコアリングするための円筒状ビットをさらに備えており、
前記演算部は、前記円筒状ビットによりオーバーコアリングを行った際に前記複数のロードセルが検出する応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤に発生する初期応力を演算することが好ましい。
【0016】
本開示の計測方法は、前記円筒状ビットを備える前記計測装置を用いた初期応力の計測方法であって、
削孔装置を用いて地盤又は岩盤に前記孔を削孔する工程と、
前記挿入ロッドを用いて前記センサ部を前記孔に挿入して前記複数のロードセルを前記孔の表面に固定する工程と、
前記センサ部を設置した前記孔の周囲の地盤又は岩盤を、前記円筒状ビットを用いてオーバーコアリングする工程と、
前記オーバーコアリングを行った際に前記複数のロードセルが検出する応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤に発生する初期応力を演算する工程と、を有することを特徴とする。
削孔装置を用いて地盤又は岩盤に前記孔を削孔する工程と、
前記挿入ロッドを用いて前記センサ部を前記孔に挿入して前記複数のロードセルを前記孔の表面に固定する工程と、
前記センサ部を設置した前記孔の周囲の地盤又は岩盤を、前記円筒状ビットを用いてオーバーコアリングする工程と、
前記オーバーコアリングを行った際に前記複数のロードセルが検出する応力値に基づいて、前記地盤又は前記岩盤に発生する初期応力を演算する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0017】
本開示の計測装置及び、計測方法によれば、簡素な構成で、地盤や岩盤の応力を効率的に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】第一実施形態に係る計測装置を示す模式的な全体構成図である。
【図2】第一実施形態に係る計測装置のセンサ部を示す模式的な斜視図である。
【図3】第一実施形態に係るセンサ部の一部を示す模式的な断面図である。
【図4】第一実施形態に係るセンサ部の設置例を説明する模式図である。
【図5】第一実施形態に係るセンサ部の他の設置例を説明する模式図である。
【図6】初期応力を計測する現場の例を模式的に示した図である。
【図7】第一実施形態の計測装置を用いた初期応力の計測方法を説明するフロー図である。
【図9】第一実施形態に係る計測方法の他の一例を説明する模式図である。
【図10】第二実施形態に係る計測装置を示す模式的な全体構成図である。
【図11】第二実施形態に係る計測装置のセンサ部を示す模式的な斜視図である。
【図12】第二実施形態の計測装置を用いた初期応力の計測方法を説明するフロー図である。
【図14】本実施形態に係る計測装置の挿入ロッドに設けられたガイド機構を示す模式的な斜視図である。
【図15】他の実施形態に係る計測装置の演算手順において、任意の面上の応力を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る計測装置及び計測方法について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【0020】
［第一実施形態］
図１は、第一実施形態に係る計測装置１０Ａを示す模式的な全体構成図である。
図１は、第一実施形態に係る計測装置１０Ａを示す模式的な全体構成図である。
【0021】
（全体構成）
図１に示すように、第一実施形態の計測装置１０Ａは、センサ部１１Ａと、地盤又は岩盤に削孔した挿入孔にセンサ部１１Ａを挿入するための挿入ロッド１６と、挿入孔の孔底にセンサ部１１Ａを設置する半球孔を削孔するための半球状ビット１７と、センサ部１１Ａの周囲の地盤又は岩盤をオーバーコアリングするための円筒状ビット１８と、センサ部１１Ａから入力される電気信号に基づいて３方向の主応力（σ１，σ２，σ３）を演算する演算処理装置３０とを備えている
図１に示すように、第一実施形態の計測装置１０Ａは、センサ部１１Ａと、地盤又は岩盤に削孔した挿入孔にセンサ部１１Ａを挿入するための挿入ロッド１６と、挿入孔の孔底にセンサ部１１Ａを設置する半球孔を削孔するための半球状ビット１７と、センサ部１１Ａの周囲の地盤又は岩盤をオーバーコアリングするための円筒状ビット１８と、センサ部１１Ａから入力される電気信号に基づいて３方向の主応力（σ１，σ２，σ３）を演算する演算処理装置３０とを備えている
【0022】
センサ部１１Ａは、複数個のロードセル、具体的には６個のロードセル２０Ｘ，２０Ｙ，２０Ｚ，２０ＸＹ４５，２０ＺＸ４５，２０ＹＺ４５を所定方向に配置して構成されている。これらロードセル２０Ｘ，２０Ｙ，２０Ｚ，２０ＸＹ４５，２０ＺＸ４５，２０ＹＺ４５の配置位置の詳細については図２に基づいて後述する。なお、以下の説明において、ロードセル２０Ｘ，２０Ｙ，２０Ｚ，２０ＸＹ４５，２０ＺＸ４５，２０ＹＺ４５は、これらを纏めて単に「ロードセル２０」と称する場合もある。
【0023】
ロードセル２０は、挿入孔の孔径（例えば、８６～１００ｍｍ）よりも小さい小型の引張圧縮型ロードセルである。ロードセル２０は、ケース２１内に、何れも不図示の起歪体及び、該起歪体に貼り付けられたひずみゲージを収容して構成されている。ケース２１の外側には、起歪体に連結されたロードボタン２２が配されており、このロードボタン２２に力が作用すると起歪体が変形するようになっている。ロードセル２０は、起歪体の変形量に比例してひずみゲージの電気抵抗が変化することにより、起歪体の変形量に比例した電気信号を演算処理装置３０に出力する。
【0024】
挿入ロッド１６は、長尺状の略円筒状に形成されており、その先端部にはセンサ部１１Ａが着脱自在に取り付けられる。この挿入ロッド１６は、後述する準備工程にて、センサ部１１Ａを挿入孔に挿入して半球孔の表面に固定する際に用いられる。挿入ロッド１６の軸方長さは特に制限されないが、センサ部１１Ａを半球孔に到達させることができる長さで形成することが好ましい。挿入ロッド１６を形成する材料も特に制限されないが、例えば、ステンレス鋼やアルミニウム合金等で形成することができる。
【0025】
本実施形態において、挿入ロッド１６には、挿入ロッド１６の軸心を挿入孔の孔軸心と略一致させることにより、センサ部１１Ａを半球孔に容易に設置できるようにするガイド機構１６Ａ（図１４参照）が設けられている。ガイド機構１６Ａは、好ましくは、挿入ロッド１６の軸方向に所定の間隔をおいて２個設けられている。ガイド機構１６Ａは、弾性変形可能な複数（図示例では３個）の板部材１６Ｂを備えており、各板部材１６Ｂは、挿入ロッド１６から径方向外側に向けて略円弧状に凸となるように湾曲して取り付けられている。各板部材１６Ｂは、挿入ロッド１６の軸方向視で、挿入ロッド１６の外周面に好ましくは周方向に等ピッチ（１２０度ピッチ）で配置されている。
【0026】
挿入ロッド１６を挿入孔に挿入すると、各板部材１６Ｂが挿入孔の壁面に接して弾性変形し、挿入ロッド１６に対して径方向内側に向けた反力を付与することにより、挿入ロッド１６を挿入孔の略中心に容易に保持できるようになっている。また、各板部材１６Ｂが挿入孔の壁面に摺接しながら挿入ロッド１６を支持することで、壁面の凹凸や挿入孔内に残存する小石等に阻害されることなく、挿入ロッド１６を挿入孔に容易に挿入できるようになっている。
【0027】
なお、各板部材１６Ｂの個数は、図示例の３個に限定されず、例えば、４個としてもよい。４個の場合は、各板部材１６Ｂを周方向に９０度ピッチで配置すればよい。また、ガイド機構１６Ａの個数も図示例の２個に限定されず、挿入ロッド１６の長さに応じて、３個以上としてもよい。
【0028】
半球状ビット１７は、削孔装置の削孔ロッドに取り付けられる。半球状ビット１７の外径は、円筒状ビット１８の内径よりも小径に形成されている。また、半球状ビット１７の内径は、センサ部１１Ａの外径よりも大径に形成されている。この半球状ビット１７は、後述する準備工程にて、挿入孔の孔底に半球孔を削孔する際に用いられる。
【0029】
円筒状ビット１８は、ドリルジャンボやボーリング装置などの削孔装置の削孔ロッドに取り付けられる。円筒状ビット１８の外径は、削孔装置によって削孔する挿入孔に容易に挿入できるよう、該挿入孔の内径よりも小径に形成されている。また、円筒状ビット１８の内径は、オーバーコアリングを実施する際にセンサ部１１Ａと干渉しないよう、該センサ部１１Ａの外径よりも大径に形成されている。この円筒状ビット１８は、後述する測定工程にて、センサ部１１Ａの周囲の岩盤や地盤をオーバーコアリングする際に用いられる。
【0030】
演算処理装置３０は、ＣＰＵなどの処理部、ＲＡＭやＲＯＭなどの記憶部、入出力用のインターフェイス、補助記憶装置などを備えており、パーソナルコンピュータやサーバ等の情報処理装置によって構成されている。演算処理装置３０は、ＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、６方向応力値取得部３１及び、主応力演算部３２を備える装置として機能する。また、演算処理装置３０には、ディスプレイなどの表示部４０、キーボードやマウスなどの入力部５０がそれぞれ接続されている。
【0031】
６方向応力値取得部３１は、６個のロードセル２０からそれぞれ入力される電気信号に基づいて、地盤や岩盤の内部に発生する６方向の応力値を取得する。ここで、６方向とは、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸及び、Ｚ軸と仮定した場合に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、ＸＹ面を中心Ｏから＋４５度の角度で延びる＋ＸＹ４５度方向、ＺＸ面を中心Ｏから＋４５度の角度で延びる＋ＺＸ４５度方向、ＹＺ面を中心Ｏから＋４５度の角度で延びる＋ＹＺ４５度方向、の計６方向である。以下、これら６方向の応力値をそれぞれσＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５と呼ぶ。６方向応力値取得部３１によって取得される６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５は、主応力演算部３２に送信される。
【0032】
主応力演算部３２は、６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいて、地盤や岩盤の内部に発生する主応力σ１，σ２，σ３を演算する。ここで、３次元応力状態において、独立な応力成分は、垂直応力σＸ，σＹ，σＺ及び、応力の不変量Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３となる。不変量Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３は、それぞれ不変量式（Ｊ１＝σＸ＋σＹ＋σＺ，Ｊ２＝－（σＹσＺ＋σＺσＸ＋σＸσＹ）＋τＹＺ
２＋τＺＸ
２＋τＸＹ
２，Ｊ３＝σＸσＹσＺ－σＸτＹＺ
２－σＹτＺＸ
２－σＺτＸＹ
２＋２τＹＺτＺＸτＸＹ）で表される。また、不変量式中のせん断応力τＸＹ，τＺＸ，τＹＺは、ＸＹ面、ＺＸ面及び、ＹＺ面におけるモールの応力円を用いることより、６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を用いた式（τＸＹ＝１／２・（２σＸＹ４５－（σＸ＋σＹ）），τＺＸ＝１／２・（２σＺＸ４５－（σＸ＋σＺ）），τＹＺ＝１／２・（２σＹＺ４５－（σＹ＋σＺ）））にそれぞれ置き換えることができる。
【0033】
主応力演算部３２は、まず、６方向応力値取得部３１から送信される６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいてせん断応力τＸＹ，τＺＸ，τＹＺを算出するとともに、算出したせん断応力τＸＹ，τＺＸ，τＹＺ及び、垂直応力値σＸ，σＹ，σＺを上述の不変量式に代入することにより、不変量Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３を算出する。そして、算出した不変量Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３に基づいて、主応力を求める方程式（σ３－Ｊ１σ２－Ｊ２σ－Ｊ３＝０）を解くことにより、３方向の主応力σ１，σ２，σ３を演算する。主応力演算部３２によって演算される主応力σ１，σ２，σ３は、入力部５０の操作に応じて表示部４０に表示、あるいは、不図示の印刷機などからレポートとして出力される。
【0034】
（センサ部）
図２は、第一実施形態に係る計測装置のセンサ部１１Ａを示す模式的な斜視図である。
図２は、第一実施形態に係る計測装置のセンサ部１１Ａを示す模式的な斜視図である。
【0035】
図２に示すように、第一実施形態のセンサ部１１Ａは、複数のロードセル２０を取り付ける略半球状の球殻１２を有する。球殻１２は、その球中心Ｏを挿入ロッド１６の先端部に接続されている。球殻１２の球径は、先述の半球状ビット１７（図１参照）の球径よりも小径に形成されている。なお、球殻１２の形状は、半球状に限定されず、球状に形成することもできる。
【0036】
球殻１２の球面には、複数のロードセル２０がロードボタン２２を球面よりも外側に突出させた状態で配置されており、半球状ビット１７（図１参照）により削孔した半球孔内に球殻１２を挿入すると、各ロードセル２０のロードボタン２２が半球孔の内面と接触するようになっている。
【0037】
本実施形態において、各ロードセル２０は、３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）の交点が球殻１２の球中心Ｏと一致し、且つ、Ｚ軸が挿入ロッド１６の軸線方向と一致するように、球殻１２に配置されている。
【0038】
具体的には、第３ロードセル２０Ｚは、球殻１２の球面のうち、挿入ロッド１６の軸線の延長線（Ｚ軸）が球殻１２と交差する部分に設けられている。第１ロードセル２０Ｘは、球殻１２の球面のうち、Ｘ軸が球殻１２と交差する部分に設けられている。第２ロードセル２０Ｙは、球殻１２の球面のうち、Ｙ軸が球殻１２と交差する部分に設けられている。
【0039】
第４ロードセルＸＹ４５は、球殻１２の球面のうち、第１ロードセル２０Ｘと第２ロードセル２０Ｙとの中間部分、すなわち、ＸＹ面をＸ軸に対して＋４５度の角度で延びる＋ＸＹ４５線が球殻１２と交差する部分に設けられている。第５ロードセル２０ＺＸ４５は、球殻１２の球面のうち、第１ロードセル２０Ｘと第３ロードセル２０Ｚとの中間部分、すなわち、ＺＸ面をＺ軸に対して＋４５度の角度で延びる＋ＺＸ４５線が球殻１２と交差する部分に設けられている。第６ロードセルＹＺ４５は、球殻１２の球面のうち、第２ロードセル２０Ｙと第３ロードセル２０Ｚとの中間部分、すなわち、ＹＺ面をＹ軸に対して＋４５度の角度で延びる＋ＹＺ４５線が球殻１２と交差する部分に設けられている。
【0040】
このように、計６個のロードセル２０のうち、３個のロードセル２０Ｘ，２０Ｙ，２０Ｚを互いに直交する３軸方向に配置し、残り３個のロードセル２０ＸＹ４５，２０ＺＸ４５，２０ＹＺ４５を各軸Ｘ，Ｙ，Ｚ間の４５度方向に配置することにより、地盤又は岩盤の内部に作用する６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を効果的に検出できるようになる。
【0041】
各ロードセル２０は、ロードボタン２２の受圧面に対して鉛直方向に作用する応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を、受圧面に作用する荷重として検出できるため、地盤や岩盤の微小な亀裂などの局所的な不均質性の影響を効果的に低減することが可能となる。すなわち、センサ部１１Ａを設置する半球孔の周囲の地盤や岩盤に微小な亀裂などが存在していても、これらの影響を受けることなく３方向の主応力σ１，σ２，σ３を演算することが可能となる。
【0042】
ここで、各ロードセル２０の球殻１２への取り付けは、例えば、図３に示すように、球殻１２に貫通孔１２Ｂを穿設すると共に、ロードセンサ２０のケース２１の側面に周方向に延びる円環状の凹溝２４を設け、貫通孔１２Ｂの周縁を凹溝２４と係合させることにより取り付けてもよい。或いは、各ロードセル２０を球殻１２にボルトナットなどで固定してもよい。
【0043】
また、図４に示すように、挿入孔ｈの底部に削孔した半球孔ｈ２の表面に各ロードセル２０のロードボタン２２を接着剤等で固定する際は、ロードボタン２２と半球孔ｈ２の表面との間に接触用の治具２５を介装してもよい。治具２５は地盤や岩盤からの応力がロードボタン２２に減衰することなく伝達するよう、高強度の材料で形成することが好ましい。なお、図４中の符号２７は、反力を得るためのスペーサを示している。
【0044】
また、センサ部１１Ａを設置する孔は、半球孔ｈ２に限定されず、図５に示すような、孔底が略平坦状の小径孔ｈ３に設置することもできる。この場合、３個のロードセル２０Ｘ，２０Ｙは、小径孔ｈ３の側壁面に容易に接触し、且つ、１個のロードセル２０Ｚは、小径孔ｈ３の孔底面に容易に接触するが、残り２個のロードセル２０ＺＸ４５，２０ＹＺ４５は、小径孔ｈ３の側壁面との間に隙間を隔てて対向した状態となる。これらの隙間を埋めるべく、治具２５に替えて、断面略台形状の治具２６を用いればよい。治具２６は、下底側の一対の内角θ１，θ２のうち、ロードセル２０ＺＸ４５，２０ＹＺ４５側の内角θ１を９０度、小径孔ｈ３側の内角θ２を４５度で形成すればよい。
【0045】
また、詳細な図示は省略するが、各ロードセル２０は、測定の目的等に応じて略球状の球殻を用いることで、－Ｚ軸方向を除き、反対方向に配置することも可能である。具体的には、第１ロードセル２０Ｘを－Ｘ軸方向に配置してもよく、或いは、第２ロードセル２０Ｙを－Ｙ軸方向に配置してもよい。また、第４ロードセルＸＹ４５は、ＸＹ面をＸ軸に対して－１３５度の角度で延びる方向に配置してもよく、第５ロードセルＺＸ４５は、ＺＸ面をＺ軸に対して－１３５度の角度で延びる方向に配置してもよく、第６ロードセルＹＺ４５は、ＹＺ面をＹ軸に対して－１３５度の角度で延びる方向に配置してもよい。
【0046】
（計測方法）
次に、第一実施形態の計測装置１０Ａを用いた初期応力の計測方法について説明する。
次に、第一実施形態の計測装置１０Ａを用いた初期応力の計測方法について説明する。
【0047】
図６は、初期応力を計測する現場を模式的に示した図である。図６（Ａ）は、山岳トンネル工事で周辺地山の初期応力を計測する一例である。山岳トンネル工事においては、不図示のドリルジャンボ等の削孔装置を用い、複数の挿入孔ｈを、切羽７０から前方に向けて削孔してもよく、或いは、トンネルの側壁７１から径方向外側に向けて複数の挿入孔ｈを放射状に削孔してもよい。半球状ビット１７や円筒状ビット１８（何れも図１参照）は、削孔装置の削孔ロッド（図示せず）に装着すればよい。
【0048】
図６（Ｂ）は、地盤に鉛直方向の挿入孔ｈを削孔して地盤の初期応力を計測する一例である。地表には、削孔装置としてのボーリング装置８０が設置されている。ボーリング装置８０は、先端にビット８１が設けられた削孔ロッド８２、削孔ロッド８２を昇降させるシリンダや削孔ロッド８２を回転させる動力源を含む駆動ユニット８３、削孔ロッド８２の上端に設けられたスイベル８４などを備えている。スイベル８４には、ホース８５が接続されており、ホース８５には削孔水を圧送するポンプＰや、削孔水を貯留するタンクＴが接続されている。半球状ビット１７や円筒状ビット１８（何れも図１参照）は、ボーリング装置８０の削孔ロッド８２に装着すればよい。
【0049】
図７は、第一実施形態の計測装置１０Ａを用いた初期応力の計測方法を説明するフロー図であり、図８は、図７の一部の工程を説明するための模式図である。なお、以下に説明する計測方法は、図６（Ａ）又は図６（Ｂ）の何れの現場でも同じ手順となる。
【0050】
ステップＳ１００では、削孔装置を用いて地盤又は岩盤に挿入孔ｈを削孔する（図８（Ａ）参照）。挿入孔ｈを削孔したならば、ステップＳ１１０では、削孔装置の削孔ロッドに半球状ビット１７を取り付けて、挿入孔ｈの孔底に半球孔ｈ２を削孔する（図８（Ｂ）参照）。半球孔ｈ２を削孔したならば、好ましくは、半球孔ｈ２の表面を研磨又は清掃する。なお、表面の研磨は、半球孔ｈ２の表面状態に応じて省略することも可能である。また、センサ部１１Ａにロードセル２０を用いる本実施形態では、地盤や岩盤の微小な亀裂などの局所的な不均質性の影響を受けにくいため、円錐孔底ひずみ法で必要とされる孔底観察は省略することができる。
【0051】
ステップＳ１２０では、挿入ロッド１６にセンサ部１１Ａを取り付けて挿入孔ｈ内に挿入し、センサ部１１Ａを半球孔ｈ２に設置する（図８（Ｃ）参照）。この際、各ロードセル２０のロードボタン２２は、好ましくは、治具２５を用い、半球孔ｈ２の表面に接着剤などで固定される。以上のステップＳ１００～Ｓ１２０が準備工程となる。
【0052】
接着剤が硬化したならば、計測工程へと移行する。ステップＳ１３０では、削孔装置の削孔ロッドに円筒状ビット１８を取り付けて、センサ部１１Ａ周囲の岩盤を削孔するオーバーコアリングを実施する（図８（Ｄ）参照）。
【0053】
オーバーコアリングを実施したならば、ステップＳ１４０では、オーバーコアリングを行った際に各ロードセル２０が検出した６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいて、初期応力としての主応力σ１，σ２，σ３を演算して計測を終了する。本実施形態において、主応力σ１，σ２，σ３は、６個のロードセル２０により検出される６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいて算出するため、ポアソン比やヤング率を求める必要はない。このため、円錐孔底ひずみ法で必要とされるコア回収による室内試験を省略することができる。
【0054】
なお、上述の計測方法では、ステップＳ１１０にて、挿入孔ｈの孔底に半球孔ｈ２を削孔する例を説明したが、ステップＳ１１０にて、図５に示したような、挿入孔ｈの孔底から、該挿入孔ｈよりも小径の小径孔ｈ３を削孔し、該小径孔ｈ３にセンサ部１１Ａを設置するようにしてもよい。この場合、オーバーコアリングは、図５中に破線で示すように、挿入孔ｈと小径孔ｈ３との間の段付き部Ｓで行うことにより、オーバーコアリングを効率よく実施することが可能となる。
【0055】
また、図９（Ａ）に示すように、挿入孔ｈの孔底に該挿入孔よりも小径の小径孔ｈ３を削孔したのち、図９（Ｂ）に示すように、小径孔ｈ３の孔底にセンサ部１１Ａを設置するための半球孔ｈ２を削孔してもよい。この場合も、オーバーコアリングは、図９（Ｂ）中に破線で示すように、挿入孔ｈと小径孔ｈ３との間の段付き部Ｓで行えばよい。
【0056】
以上詳述した第一実施形態によれば、センサ部１１Ａは半球状の球殻１２を備えており、球殻１２には６個のロードセル２０が６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を検出できるように配置されている。このようなセンサ部１１Ａを半球孔ｈ２に設置して、センサ部１１Ａの周囲をオーバーコアリングすることにより、各ロードセル２０で直接的に検出した６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいて初期応力σ１，σ２，σ３を高精度、且つ、容易に演算できるように構成されている。
【0057】
すなわち、地盤や岩盤を等方均質の線形弾性体と仮定して、測定値の逆解析から初期応力を算出する円錐孔底ひずみ法に比べ、初期応力σ１，σ２，σ３の算出精度を確実に担保することが可能になる。また、コア回収による室内試験も省力することができ、初期応力σ１，σ２，σ３を求めるまでの労力や時間を大幅に削減することも可能になる。
【0058】
また、センサ部１１Ａの各ロードセル２０は、ロードボタン２２の受圧面に対して鉛直方向に作用する応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を、受圧面に作用する荷重として検出できるため、地盤や岩盤の微小な亀裂などの局所的な不均質性の影響を大きく受けることなく、初期応力σ１，σ２，σ３を求めることができる。
【0059】
すなわち、円錐孔底ひずみ法で必要とされるボアホールカメラによる孔底観察を省略することができ、初期応力σ１，σ２，σ３を求めるまでの時間やコストを大幅に削減することも可能になる。
【0060】
また、６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を検出することで、孔軸方向に垂直な方向の応力成分のみならず、孔軸方向の応力成分も評価することができる。すなわち、水圧破砕法のように角度を変えて複数本のボーリング孔を削孔する必要がなくなり、水圧破砕法に比べ計測に掛かるコストや労力を大幅に削減することができる。また、パッカーや高圧ポンプ等も不要なため、水圧破砕法に比べ装置全体の簡素化を図ることも可能となる。
【0061】
【0062】
図１０に示すように、第二実施形態の計測装置１０Ｂは、センサ部１１Ｂと、センサ部１１Ｂを挿入孔の内部に挿入するための挿入ロッド１６と、センサ部１１Ｂの周囲の地盤又は岩盤をオーバーコアリングするための円筒状ビット１８と、小径孔を削孔するための小径ビット１９と、センサ部１１Ｂから入力される電気信号に基づいて３方向の主応力（σ１，σ２，σ３）を演算する演算処理装置３０とを備えている。
【0063】
なお、第一実施形態と同一の構成については同一の符号を付してあり、それらの機能も同一である。このため、挿入ロッド１６、円筒状ビット１８及び、演算処理装置３０についての詳細な説明は省略する。
【0064】
小径ビット１９は、削孔装置の削孔ビットで削孔される挿入孔の孔径よりも小径、且つ、センサ部１１Ｂの外径よりも僅かに大径の円筒状に形成されている。この小径ビット１９は、後述する準備工程にて、挿入孔の孔底から、該挿入孔よりも小径の小径孔を削孔する際に用いられる。
【0065】
（センサ部）
図１１は、第二実施形態に係る計測装置のセンサ部１１Ｂを示す模式的な斜視図である。
図１１は、第二実施形態に係る計測装置のセンサ部１１Ｂを示す模式的な斜視図である。
【0066】
図１１に示すように、第二実施形態のセンサ部１１Ｂは、挿入ロッド１６の先端部に取り付けられる主ロッド１３と、主ロッド１３から放射状に延びる複数本の支持ロッド１４Ａ～１４Ｆとを備えている。
【0067】
主ロッド１３は、挿入ロッド１６の先端部に取り付けられており、該挿入ロッド１６の軸方向に延びている。本実施形態において、複数本の支持ロッド１４Ａ～１４Ｆのうち、第３支持ロッド１４Ｃは、主ロッド１３の先端部Ｏから、該主ロッド１３の軸方向（Ｚ軸方向）に延びており、その先端部には第３ロードセル２０Ｚが取り付けられている。なお、主ロッド１３及び、第３支持ロッド１４Ｃは別体に形成されているが、これらを一本のロッドとして形成してもよい。
【0068】
第１支持ロッド１４Ａ、第２支持ロッド１４Ｂ及び、第３支持ロッド１４Ｃは、主ロッド１３の先端部Ｏを交点として互いに直交する。第１支持ロッド１４Ａは、主ロッド１３の先端部ＯからＸ軸方向に延びており、第２支持ロッド１４Ｂは、主ロッド１３の先端部ＯからＹ軸方向に延びている。第１支持ロッド１４Ａの先端部には、第１ロードセル２０Ｘが取り付けられ、第２支持ロッド１４Ｂの先端部には、第２ロードセル２０Ｙが取り付けられている。
【0069】
第４支持ロッド１４Ｄは、主ロッド１３の先端部ＯからＸＹ面をＸ軸に対して＋４５度の角度で延びる＋ＸＹ４５度方向に延設されている。第４支持ロッド１４Ｄの先端部には、第４ロードセルＸＹ４５が取り付けられている。なお、第４支持ロッド１４Ｄは、ＸＹ面をＸ軸に対して－１３５度の角度で延びる方向に設けることもできる。
【0070】
第５支持ロッド１４Ｅは、主ロッド１３の先端部ＯからＺＸ面をＺ軸に対して－１３５度の角度で延びる－ＺＸ４５度方向に延設されている。第５支持ロッド１４Ｅの先端部には、第５ロードセルＺＸ４５が取り付けられている。なお、第５支持ロッド１４Ｅは、ＺＸ面をＺ軸に対して＋４５度の角度で延びる方向に設けることもできる。
【0071】
第６支持ロッド１４Ｆは、主ロッド１３の先端部ＯからＹＺ面をＹ軸に対して－１３５度の角度で延びる－ＺＹ４５度方向に延設されている。第６支持ロッド１４Ｆの先端部には、第６ロードセルＹＺ４５が取り付けられている。なお、第６支持ロッド１４Ｆは、ＹＺ面をＹ軸に対して＋４５度の角度で延びる方向に設けることもできる。
【0072】
このように、計６個のロードセンサ２０のうち、３個のロードセル２０Ｘ，２０Ｙ，２０Ｚを互いに直交する３軸方向に配置し、残り３個のロードセル２０ＸＹ４５，２０ＺＸ４５，２０ＹＺ４５をＸＹＺ面において各軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対して＋４５／－１３５度方向に配置することにより、地盤又は岩盤の内部に作用する６方向の応力σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を効果的に検出できるようになる。各ロードセル２０は、第一実施形態と同様、ロードボタン２２の受圧面に対して鉛直方向に作用する応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を、受圧面に作用する荷重として検出できるため、地盤や岩盤の微小な亀裂などの局所的な不均質性の影響を効果的に低減することが可能となる。
【0073】
【0074】
ステップＳ２００では、削孔装置を用いて地盤又は岩盤に挿入孔ｈを削孔する（図１３（Ａ）参照）。挿入孔ｈを削孔したならば、ステップＳ１１０では、削孔装置の削孔ロッドに小径ビット１９を取り付けて、挿入孔ｈの孔底から、該挿入孔ｈよりも小径の小径孔ｈ３を削孔する（図１３（Ｂ）参照）。小径孔ｈ３を削孔したならば、好ましくは、小径孔ｈ３の側壁面及び底壁面を研磨又は清掃する。なお、壁面の研磨は、小径孔ｈ３の壁面状態に応じて省略することも可能である。また、センサ部１１Ｂにロードセル２０を用いる本実施形態では、地盤や岩盤の微小な亀裂などの局所的な不均質性の影響を受けにくいため、円錐孔底ひずみ法で必要とされる孔底観察は省略することができる。
【0075】
ステップＳ２２０では、挿入ロッド１６にセンサ部１１Ｂを取り付けて挿入孔ｈ内に挿入し、センサ部１１Ｂを小径孔ｈ３に設置する（図１３（Ｃ）参照）。この際、各ロードセル２０のロードボタン２２は、好ましくは、治具２５，２６を用い、小径孔ｈ３の壁面に接着剤などで固定される。以上のステップＳ２００～Ｓ２２０が準備工程となる。
【0076】
接着剤が硬化したならば、計測工程へと移行する。ステップＳ２３０では、削孔装置の削孔ロッドに円筒状ビット１８を取り付けて、挿入孔ｈと小径孔ｈ３との段付き部からセンサ部１１Ｂ周囲の岩盤を削孔するオーバーコアリングを実施する（図１３（Ｄ）参照）。
【0077】
オーバーコアリングを実施したならば、ステップＳ２４０では、オーバーコアリングを行った際に各ロードセル２０が検出した６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいて、初期応力としての主応力σ１，σ２，σ３を演算して計測を終了する。本実施形態においても、第一実施形態と同様、主応力σ１，σ２，σ３は、６個のロードセル２０により検出される６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいて算出するため、ポアソン比やヤング率を求める必要はない。このため、円錐孔底ひずみ法で必要とされるコア回収による室内試験を省略することができる。
【0078】
以上詳述した第二実施形態によれば、センサ部１１Ｂは、主ロッド１３の先端部Ｏから３軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に延びる３本の支持ロッド１４Ａ～Ｃと、先端部ＯからＸＹＺ面を各軸Ｘ，Ｙ，Ｚに対して＋４５／－１３５度方向に延びる３本の支持ロッド１４Ｄ～Ｆとを備えており、これら支持ロッド１４Ａ～Ｆの先端部に取り付けた６個のロードセル２０が６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を検出できるように配置されている。このようなセンサ部１１Ｂを小径孔ｈ３に設置して、センサ部１１Ｂの周囲をオーバーコアリングすることにより、各ロードセル２０で直接的に検出した６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいて初期応力σ１，σ２，σ３を高精度、且つ、容易に演算できるように構成されている。
【0079】
すなわち、地盤や岩盤を等方均質の線形弾性体と仮定して、測定値の逆解析から初期応力を算出する円錐孔底ひずみ法に比べ、初期応力σ１，σ２，σ３の算出精度を確実に担保することが可能になる。
【0080】
また、センサ部１１Ｂの各ロードセル２０は、ロードボタン２２の受圧面に対して鉛直方向に作用する応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を、受圧面に作用する荷重として検出できるため、地盤や岩盤の微小な亀裂などの局所的な不均質性の影響を大きく受けることなく、初期応力σ１，σ２，σ３を求めることができる。
【0081】
すなわち、円錐孔底ひずみ法で必要とされるボアホールカメラによる孔底観察を省略することができ、初期応力σ１，σ２，σ３を求めるまでの労力や手間、時間、コストを大幅に削減することも可能になる。
【0082】
また、６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５を検出することで、孔軸方向に垂直な方向の応力成分のみならず、孔軸方向の応力成分も評価することができる。すなわち、水圧破砕法のように角度を変えて複数本のボーリング孔を削孔する必要がなくなり、水圧破砕法に比べ計測に掛かるコストや労力を大幅に削減することができる。また、パッカーや高圧ポンプ等も不要なため、水圧破砕法に比べ装置全体の簡素化を図ることも可能となる。
【0083】
また、６個のロードセル２０を６本の支持ロッド１４Ａ～Ｆによって支持する構造としたことで、各ロードセル２０を半球状の球殻に配置するよりも、各ロードセル２０の配置方向の自由度を高めることが可能となる。
【0084】
［その他］
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
【0085】
例えば、上記第一及び、第二実施形態において、演算処理装置３０は、オーバーコアリングを実施した際の６方向の応力値σＸ，σＹ，σＺ，σＸＹ４５，σＺＸ４５，σＹＺ４５に基づいて初期応力σ１，σ２，σ３を算出するものとしたが、各センサ部１１Ａ，１１Ｂを残置することにより、応力の長期変動をモニタリングするように構成してもよい。この場合は、図７に示すステップＳ１２０及び、図１２に示すステップＳ２２０にて、グラウト材を注入することにより、センサ部１１Ａ，１１Ｂを埋設固定してもよい。
【0086】
また、上記第一及び、第二実施形態において、センサ部１１Ａ，１１Ｂは、電気式のロードセル２０を用いるものとしたが、光ファイバー式ひずみゲージを用いて応力を検出するように構成することもできる。光ファイバー式ひずみゲージを用いれば、応力の長期変動モニタリングにより好適に対応することが可能となる。
【0087】
また、上記第一及び、第二実施形態において、第３ロードセル２０Ｚが配置されるＺ軸方向は、挿入ロッド１６の軸方向と一致するものとして説明したが、Ｚ軸が挿入ロッド１６の軸方向に対して所定の角度で傾斜するように構成することもできる。
【0088】
また、上記第一及び、第二実施形態において、各ロードセル２０は、任意の異なる６方向に配置することも可能である。以下、各ロードセル２０を任意の６方向に配置した場合の具体的な演算手順を説明する。
【0089】
測定対象とする地盤や岩盤の３軸応力状態を垂直応力σＸ，σＹ，σＺ及び、せん断応力τＸＹ，τＺＸ，τＹＺとし、方向余弦（ｌｉ，ｍｉ，ｎｉ：ｉ＝１～６）で表される任意の平面πｉに対して垂直な軸をξ軸とする。また、平面πｉに対する垂直応力をσｉξとする（但し、ｌｉ
２＋ｍｉ
２＋ｎｉ
２＝１であり、垂直応力σｉξは引張方向を正、圧縮方向を負とする）。
【0090】
任意の６つの平面πｉは６個のロードセル２０のそれぞれの受圧面（ロードボタン２２）に相当するから、その圧縮引張応力測定値が垂直応力σｉξとなる。図１５に示すように、平面πｉに作用する合応力ｐｉを直角座標方向に分解したときの各応力成分をｐｉｘ，ｐｉｙ，ｐｉｚとする。平面πｉが、対象地盤・岩盤内の１点Ｏを頂点とする微小な直方体部分と交わってできた三角形ＡＢＣの面積をΔとして、微小三角錘ＯＡＢＣに作用する力のつり合いを考えると、Ｘ軸方向は、ｐｉｘΔ＝σＸ△ＯＢＣ＋τＸＹ△ＯＡＣ＋τＺＸ△ＯＡＢ（ただし、△ＯＢＣは三角形ＯＢＣの面積を表す。他も同様）、すなわち、ｐｉｘΔ＝σＸ（ｌｉΔ）＋τＸＹ（ｍｉΔ）＋τＺＸ（ｎｉΔ）となる。Ｙ軸及び、Ｚ軸方向も同様であり、これらを整理すると、ｐｉｘ，ｐｉｙ，ｐｉｚは、以下の数式（１．１～１．３）で表すことができる。
【0091】
ｐｉｘ＝ｌｉσＸ＋ｍｉτＸＹ＋ｎｉτＺＸ ・・・（１．１）
ｐｉｙ＝ｌｉτＸＹ＋ｍｉσＹ＋ｎｉτＹＺ ・・・（１．２）
ｐｉｚ＝ｌｉτＺＸ＋ｍｉτＹＺ＋ｎｉσＺ ・・・（１．３）
ｐｉｙ＝ｌｉτＸＹ＋ｍｉσＹ＋ｎｉτＹＺ ・・・（１．２）
ｐｉｚ＝ｌｉτＺＸ＋ｍｉτＹＺ＋ｎｉσＺ ・・・（１．３）
【0092】
平面πｉ上の応力ベクトルｐｉと、方向余弦（ｌｉ，ｍｉ，ｎｉ）の内積は、応力ベクトルｐｉの平面πｉに対する法線方向（ξ軸方向）の成分であるから、ξ軸方向の成分と、ＸＹＺ軸方向の応力成分の関係は以下の数式（２）で表すことができる。
【0093】
σｉξ＝ｌｉｐｉｘ＋ｍｉｐｉｙ＋ｎｉｐｉｚ ・・・（２）
【0094】
数式（２）に数式（１．１～１．３）を代入すると、応力の座標変換式に対応する以下の数式（３）を得ることができる。
【0095】
σｉξ＝ｌｉ
２σＸ＋ｍｉ
２σＹ＋ｎｉ
２σＺ
＋２（ｌｉｍｉτＸＹ＋ｍｉｎｉτＹＺ＋ｎｉｌｉτＺＸ） ・・・（３）
＋２（ｌｉｍｉτＸＹ＋ｍｉｎｉτＹＺ＋ｎｉｌｉτＺＸ） ・・・（３）
【0096】
６個のロードセル３０の受圧面の方向（ξ軸方向）が設定値として既知であり、且つ、これらロードセル２０で検出される圧縮引張応力測定値が既知、すなわち、平面πｉの方向余弦（ｌｉ，ｍｉ，ｎｉ）及び、垂直応力σｉξが何れも既知であることから、数式（３）は、６個の未知数（σＸ，σＹ，σＺ，τＸＹ，τＺＸ，τＹＺ）に関する連立一次方程式とみなすことができる。この数式（３）の解を求めることにより、測定対象とする地盤又は岩盤の３次元応力状態（σ１，σ２，σ３）を求めることができる。
【符号の説明】
【0097】
１０Ａ，１０Ｂ…計測装置，１１Ａ，１１Ｂ…センサ部，１２…球殻，１３…主ロッド，１４Ａ～１４Ｆ…支持ロッド，１６…挿入ロッド，１７…半球状ビット，１８…円筒状ビット，１９…小径ビット，２０…ロードセル，２１…ケース，２２…ロードボタン，２５，２６…治具，３０…演算処理装置，３１…６方向応力値取得部，３２…主応力演算部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】