花 崎 紘

水 中で の ク レー タ試験 に よ り生ず る クレー タにふ よほす水圧の好評について

花 崎 紘

伊 藤 一 郎*

本 研究においては,水中における岩石爆破の効率に水圧がどのような彫轡を与えるかについ て検討を行なった｡すなわち,水中または高圧容器内において, 3 号屯気雷管を用いたモJ t , タ ルブロックのクレータ就故を行ない,｢方,爆

ガスに起因 してプt lツク内に発生する静的な 応力の解析を有限襲来法によって行な?た｡

その結果,クレータ解散の結果からクレータの形状はブF ,ツタの自由両上に加わる圧力の大 きさによって異なることがわかった｡さらに,有限要素法による応力解析の結果 とを比故 して みると,爆発ガスに起因してブ｡ツタ内に発生する引張応力の分布状態が,クレータの形状に 大きな好守 を与えていることが絡められた｡

t.

緒 官

海底の鉱物資源の開発や,海洋開発にともなう土木 工部を行なう場合などでは,海水に槙 している岩石の 爆破作薬が必要 となってくることが多いと思われる｡

しか しながら.この爆破作美は岩石が自由両で空気 と嬢 している場合の爆破条件とは異なるため. とくに 水砕が疎いところでの爆破作業を有利に行なうために は特別の考慮が必要となるl ) ｡

今回は'水深下において‑自由面燦殻を行なう場合 の破故機構を究明するための‑迎の基礎的研究のうち で,水圧の大きさが爆破炉斗孔 (クレータ)の大きさ や形状に与える好噂をとり上げ,これについて考察を 行なった｡すなわち,後述するように,水砕 1

の 井筒の中と.高圧容器内でモルタルブpックのクレー タ的浜を行ない' 生成 した クレータの形状を測定 し た｡一方, 爆 発生成ガスによる静的荷正によって生ず るモルタJ L , ブt zック内の応力状憩を有限襲来法によP 解析 し'その結果 と実数で求められたクレータの形状

とを比較 し検肘を行なった｡

2.

夷験方法および藩政

供 拭 体

本来軌 こ用いた供拭体は, セメント/ 砂比 が

の セメントモルタ) I , を内径

,内厚

,高さ

の 円何型の鍛鉄枠の中に 流 し込んで

ケ月以 上養生させたものであ り ,蹄鉄枠はそのままはずさず

昭和鵡年12月27日交忍

+東塔大字工事路官有工学哉虫 涙tB市左京区

J

曳雷管を装填 した 供拭体を所定の位匠まで 水平に沈 め,クレータを生成させる面から水面までの柵 を軸 定 して軸屠 したのち,磁気雷管を起爆させてクレータ を生成 させる｡

なお,井筒の中の水の比盃は浅い称分では約

, 深いところで約1

Ot であった｡したがって'怒気留管 の爆発時におけるクレータの生成面から水面までの薙 擬をE( m)とすれば,その掛 こ加わる水の圧力

cm

り は次の式で袈わすことが できるとみなしてさし つかえないものと思われる｡すなわち,

y=0.I 3

･

‑･ ･ ･ t ･( I )

高J Z専辞内での乗故

実牧童において,供就体を加圧 しながら髄気雷管に よ りクレータを生成させることができるよう,特別に 高圧容野を供作 した｡ その 放念園を

に示 す｡

爽故に際 しては,価気骨管を装填 した供就体を高圧 容世の中に入れて.そのまま南開するか,あるいは, 供耽体上面より市 さ

の位匠まで水を容野内に入れ てから密閉し.チェックバルブを通 じてコンプレッサ ーから圧鯨空気を容港内掛 こ送 り込んで,容臣の内部 を所定の圧力に昇圧する｡しかるのち電気雷管を起爆 してクレータを生成 させる｡

なお,高圧容帝に水を入れて加圧 した歩合と,水を 入れないで比輸空気のみで加圧 した場合との二つの条 件を放けたのは次の理由による｡すなわち,供就体の 自由面が空免で機われている掛合と,水で虐われてい る場合の雨着の典故結果を比故 して,その差異が籍巣 にどのように彫轡をおよぽすかを考癖するためである が,この掛合の彫轡 としては,主として次のようなも のが考えられる｡

↓

応;志望冨冨芸;慧器笠三品' ,:一 芸霊宝& ' 買芸忘言霊 の坂僻 と反射応力波の振樹 との比)の速いにより,皮 射後,供拭体内に伝わる反射波の大きさが異なること により,それが応力状他に与える彫響,および,

(2)供拭体にクレータが生 じた際に'このクレータ

部分のモルタルを爆発生成ガスが押しのける際にしな ければならない仕都の丑に与える好響｡

これ らの彫管は,(1

であっても,自由面が水で項われている埠合の方が, 空気で扱われている場合よりも,クレータの体横を小 さくする方向に働 くという形で現われてくるものと予 想 される｡

213

T ‑‑タ処理について

2‑2で述べた方汝によって行なった葵掛 こより得 ら

れたクレータの形状を機械的に求めうるように

voL3^{3.No.3ll†柁}

(a.) ^iu

Fig.2Sectiontracerandspecimenshowing thelinesfortrace

(a) Sectiontracer A:Specime n,

BandC:ShEtsoEvArhb]ere sistors,D:Terminals ､

‑

cimen E:Line占Erortznce Mor

tar.SpeciJnenS (

i

C

r v e t m c e

A‑DC

onvcrler T叩PPuncher Section

soEthecrater Datatapes

fortheco甲Puter ResultsoEthecalcuhtion Digital

computer AnAJysis払ndp)

oILing Fig.3 Blockdiagram fordAt

孔

2(a)

に示すような断面形状親政袋田を耽作 し

2(b)に示すよ

うに, 1供銑体につき. 4

l q 脚の四つ の断

面についての断面図を描いた｡中お'この断面形 状読取装置は二つの

F ･ l 変抵抗鞍 と屯源回路および,級 域機構部分からなってお り'そのうや の一つの可変抵 抗静 ま,ダイアルゲージによる上下方向の距離

( 探さ)

を,

50 1(

和

DEPTHOFWATER (H ) らつきが認められ る.その脚Ldはいろいろ竹x .られ る 那,供軟体作成錦において叔小紙抗税に±

10m1"ht 皮の訊並が生 じていることや.モルタル

の不均質 さ, あるいはまた 災牧神における水群.のかl艇の

書l頚など が主な脚凶と堵えら九.こLLらに.tる影事がiL(

牧耗巣 に現われたものと,ul.われる｡ しか し.L'哨

寸か ら馴 ら かなように.水狩が大きく/Jるlこつれてク

レータのfl 功が小さくなってゆ く併rL'.)uはっきり捉められる.

つざに,FIJiSlま2‑2‑2で述べたように.炎t k卦 こ おいて高EF.不

省

で5^(k を行なった谷合のクレータのO‑'仇 と高庄解答

hのD=ノJ との閑

梓

F

プロ･/トした ものであ り 英鞍で示 した曲投は

亦

こ

水

入

Lt,て行なった炎我 で得られた抵森の51

的牡

蔽枚で兼ねした曲奴は

祐D 三

ろ.

さて.(I)式から明らかなように.たとえIL5kは/印1: および

10kg/cTrLlのLXJJは.2‑2‑1で述べたjLtJIに州 Rcbll"nbcl"eCn I.,eVO)umt,of｡.

7. いた非何における水面下 50)nおよびl00･nでの水圧に lL･rdlldlhetlel)LhufWltllr(FLCIdlC5L) 相当す,3ことを竹威 して,EqlJ14と HH5に示 した三

本の曲線を比峨 してみると

.つざのようなことがわか 0

5 10 pRESSURE(KGm l) nJg 5 Rt:b

LIOnL氾NCCrLthctoLume('rCTZller .lltdlllCl】re5SureLn^theヽcsscl(LAL

JO‑

mlr､IC,[)

3 突抜総点おJ:tJ中蕪 二･ナなh. ら,全般lこ眺沢目.J紺にJAlbるJJ:力 が大きく /.L引こつれIrタレ‑クの化(11が/トLさく/Jつてゆ くyIE.'り が謎めらまた,ド1)I,g ,に和ら.

すように.Uも肘lLJZEIrlにJullJ)るL( JJの大きさがE■りじであってL.tlも釈HL‑R諦l

が水とは し ている船台と.並丸と按 している)h合とではクレータ U)ftL肘 こらがいがigめられ.後jtiのJJ}合のJJが

火 きい ことがわかる.このことか ら.lL# Iに7‑Lしたようp に,水771が大きくfJ:るにつれてク L,‑タの体

｢ 一 二 m A . ■ ● 2 ▲

LL

J

JーJ ^{r FREEFACE}

也

! エO

× ×lXl ×I＼

ン: / /

＼

… /

Flg.d MeshesforFiniteelementmetho d (a) ComplcLcmeshes

(I)) Dctai]ed meshesforthepartA inFi

g.6(a)

描,水中における岩石爆破の破壊機

構の究明や,他の 構造物‑与える好守などの解析に役

立つもの と必われ るが,これ らについては今後の研兜に

重ねたい｡

4.

有限要素法による静的応力解析

計算方法

一般に,爆破に起因する岩石内

の応力解析は劫的お よび静的の両面か らの解析を必要

とするが,ここでは

‑つの耗みとしで,有限要素法t

)による静的な応力解 析 を行なった｡すなわち,装集

札壁面および自由面に 租々の圧力を加えた場合に岩石

内に生ずる応力 を数値 肘掛 こよ9求めた｡ したがって

,今回は装薬札内にお いて爆発生成ガスの圧力が一定

の大 きさに保持 されて お り,か

つ岩石が破壊 しないと仮定 した場合の応力解 析 を行なったこ

とになる｡このような応力解析の結果 か ら水圧の大き

さの相速によ9岩石内に生ずる応力状 価が どのような

好轡 を受けるかについて定性的な供向 をつかみ うるも

のと患われる｡

さて,今回の応力解析は

6

に示すような穿索分

制 をしたモデルについて行なった｡一般に球状装薬に よる‑ 自由面爆破の解析では

,浜集札中心 よ り自由両 に下 した垂線 を軸 とする軸対

称問題 として取 り扱 うこ とができるので,その軸を通

る断面の片個だけについ て応力解析を行なえば充分である｡なお.

有限要素法 によ り数倍解析を行な うにあたって払 多元連

立方程 式の解 をガウスずイデル故によ り求める方式 を採用 し た

｡一つの条件についての応力状趣 を求めるのに要 し た計昇時

タイム)は

型確 子計算織 を使用 して

秒であった｡また,ぽう大 な畳の計井結果の一部は

0型電

子計 井機のブラウン管来示装置を用いて図形虫示 し,デ

ー タ整理の能率向上化 を計った｡

解析捨果および考察

応力解析は,装薬孔壁面にはすべて

という 大きさの一定圧力 る圧力

の俵 を

を加え, 自由面上に作用 させ

の間で 変化 させた 条件に ついて行なった｡その結果の一部 を

ig.10

に示す｡それぞれの

図において.( a )図は岩石内に生 ずる応力の専政 大主応力点 を示 し

た園であ り

図 は最大主応力が作用する甲の

接線を親分で紫わ したも あで,いいかえれば引掛 こよ

る触裂の生 じる可能性の ある方向を索わ したものであ

る｡

さて

Oの

図をそれぞれ比較する と. 自由面上に加わる圧力が大

きくなるにつれて長大 主応力が正 ( すなわち引弧応力

) となる領域が小 さく なってゆくことがわかる｡このことは

一般に岩石のよ うに庄締漁皮に比べて引弔強度の小 さい材料では引強 硬泉が生 じやすいことを考慮すれば, 自由而上に加わ る圧力が大きくなればなるほ ど攻城する領域が小 さく なることを示 してお り,夷験の結果 とよく合致 してい

る｡ つぎに

の

)

図について検討すれ ば,最大主応力の作用する両 を

順次滑 らかに結んでで きる多 くの曲線のうちのある

特定の曲鰍 2,突放で得 られたクレータの新市 を示す曲魚の

形 とよく似た形 を 示 していることがわかる｡また, 自

由面に加わる圧力 が大きくなるにつれて, 自由面近傍

の点において最大 主応力の 作用する市の 自由面 とな

す 角皮が 大きくな ってゆくことがわかる

.1

1は, 爽故によ り生 じ たクレータの断面 を横式的

に索わ したものであるが, 自由面上の圧力が小さい

ときは,クレータの断面は' 朝顔型の ように 自由市 と

小 さい角度で 交わっている が. 自由面上の圧力が大

きいとき払 クレータの断面

がおわん型のようにな り,その断面は自由面 とかな り

大き

＼

十

＼

gthestressanzL]ysisfor thecoI

ldition;

Pl(chargePreSStJrC)‑5

0.000and P2(prcs紺reOnthefre

ehue)≡ 1 (a)

Contours｡Lthem弧imum prin‑ cIP

Istress (I)) Phncsagainstwhi

chlhc

ma x i 一

ipalstresszICは

おいて.自由I bJ

上に加えた圧力の大きさにf i : じて政大 主応力の作用する術のE l 由' bJとな

す角度が変化 してく る傾向と一致 してお り,この両者

の現射 こ歯接な鵬係 があるように考えられる｡ 以

上のことから,静的に解析 した応力分棚状値が生 ず

るクレータの形状と少なからず関係があるように思 わ

れる｡ しかしながら, 一般に 政的な 応力分布状憩 ( 応

力汝の伝ぽんによる応力分布状憩)は静的なそれ と

は典な り,とくに,渦紋期における両者の応力分布 状

態の 楚興は いちじるしいと考えられる上に, さら に,岩石にいったん札

裂が生 じたのちの応力分布吠怨 は

Fig.10

に示 したものとは典なってくるこ と

を考慮すると,上に述べたクレータ断面の形が自由 面

上に 作用する圧力の 大きさに応 じて 変化する理由 を,

静的な応力解析結果のみと関係づけて脱明するだ けでは充分ではない｡

しかし,つぎのような考え方 を とれば

Oに示 した静的応力解析の結

果

と来故により得 られたクレータの断面の形との関係を ＼ ＼ ＼ I ＼ ＼ l l I l

I

I (b) t

Lalysis EortheconditiorL･,

PI‑50,000andP 2=10 (a) ContoursoEtheJmi mum pr

in‑

dp

(b) Planesagainstwhichthemaxi一 山um prilldpalslrcssact

ある松虚脱明することができるのではないかと

考えら れる｡ すなわち

l )発生する超高圧と 超高熱のために装薬孔壁が庄辞

され孔駿が拡げられる と同時に応力法が伝ぽんされる

｡この応力波は岩石の

庇 を越える応力を伝ぽん

すると考えられるが波 長が塩かいため,岩石

内には大きな凪裂を放射状に発 達させるまでには至 らず,

この段階では桝 こ亀裂の核 ともいうべき岩石内の欠陥

が増赦される

(2)一方,拡大 された装薬7

L .

内に億並生成ガスが充 満するが.その圧力の立ち上 り時間が非常に短

かいの で瞬問的に一定伍の瓜高圧に適 し, したがって

,一瞬 の問は岩石内軸での応力状漣は

Fig.10

に示 す静的な応力状趣と酷似 したものと

なるが.このよう な応力状感に逮すると,すでに応力波の伝ぽん

にとも なって増耕されて数多く分布 している蝕裂の按が

g.

7‑Fi

r FREEFACE

山HHhJ̲̲叫･‑‑̲相川け一̲ー

＼＼ ＼ I l

＼ l

I l l (b) ∫

‑11‑1

耶官.9Rcsultsshowingthestressanalysis for山econdition; Pl=50.000AndP2=25(a)ContotlrSOEtheJmWtlnprin‑

cipalstress

(b)Phnesapinslwhichthemaxト muJnPrincipalStressacts

(3)

時間的にはややおくれて.その後拡大された装 薬孔壁面から開亀裂が発達してゆくが,そのような札 表はすでに発生している閉私製を蝉に蘇んでゆくよう

) な状旗で発達するものと考える ｡ 以上のような考え方をすれば,亀裂の方向は

0の

図に示した線分を駒次なめらかに結 んでできる曲線で示される方向をとることになり,そ のようにして求められる色親のある特定のものがク レータの断面を決定すると考えることができる｡ また,高圧容等を用いた爽故の蘇集を‑a明したとこ ろで述べたように.自由面上に同じ圧力が加わってい ても,水を介して加圧した場合と.空気のみで加圧し た静合に得られたクレータの形状が異なるのは,上に 述べた亦柄のうちで(I)および(3)の段階での様相が 異なってくることがその理由の一つとして考えられる ように思われる ｡ すなわち , (I)の段階では自由面に おいて応力波が反射する醇の反射率が異なるために他 裂の按の分布状憩が異なるため,また(3)の段軒では

Vo1.33.No.3.1m

Ⅷ 皿 n uト‑ 山 1‑･l 日 日

=IIII 山 川 7‑11

■ 日 日 U n H け J 一‑

̲

̲

■川■ー■tL■lr日日‖iIIHl⁚了IIIIIJ

L.(b)IJFig.10Resu)tsshowingthestr essaldysislorthe conditiorL;Pl=50,000AndP2=50(8)Contoursolthe mimumprin‑cipalstress(b)PlanesngpirLStWhic hthem

BXi‑

sacts

i 扇

■l (bI

Fig.ll Proli]es oEcratersprod

uced inthe e

xperimcnts

(a) 1ndleCaseWherel

ow pressure

actsont

hetreehce (b) lndlCCaseWhereh

igh prcssurc

aCLsontJIC

freeFace

亀裂の弗連には岩石の移助を

伴なうから,自由面上に ある妹婿の貧血がその移動に

対 して大きな彫轡を与え ることにな I ),自由面の上に

ある媒質が水である敏合 と空気である場合とではその

好守の度合が興なるため の二点を考慮すれば,その結

果 として現われる亀裂の 発生状憩 も･ B Qなってくるものと考えることができる

｡

枯 す

今回は'水中における出石の‑ 自由面畑故にお

ri,水花が汚 くな引こつ11,でクレー^/の附 加'･小さく 漁に御協力 をqtいたr･.lf71のLIJl雌伏･おJ:び当時克 桁 なるml,小二あるということが火扱的に確かめられたこ 大学･大学院生であった亦JIl】l

二

･

とを秘仏 した｡また,炎際に封i成されたク L,一夕の

形

位

状の変化を有厨蛮淋U.に上る静的JLこ力Ai折でJt'lらLt,た 8号 文tE

釦

A

臥

5

故 を行なうにあた り.その火政秘 を姓tlもして 卜さった 2)urn, 作 々. 林木 :L!:火超.32.I).(1971) rl鉄鉱邦株式金祉イJUILiIBl.IM

児

t 占

consLdcrzL^tlLl118Ol一tht･ltt･机山E40rUMIcrwILtt･rCrLLttlrrllcSt

hylく日.tn口S

. l

lnLhlSSludyWecxLlm

l

E

n

h

l l

I

h e

r L d

ot : khl . L

I L n

S

C

T T

d

t

r . l L e

l n

氾

C S

､ ､

o3

l ･

l l d

du

d

t

O,

l l

l

l

V

! nl

. ll

I E

O

c r a

r I )

dut : e ( l c

a

e

C

e do･

A

JE l l e

E

P

t t

e

t

l a

do

.

ll

d

l

u1 1 0n

t

05

r

(

O

･

t

yo