博 士 （ 工 学 ） 菊 地 慎 二
学 位 論 文 題 名
地 山 応 力 測 定 に 用 い る 応 力 解 放 法 の 高 精 度 化 に 関 す る 基 礎 的 研 究
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
大 規模 なエ ネル ギー イン フラ スト ラクチャーや都市部の交通システム を構築するため、
地下 空間 の活 用が 必要 不可 欠と なっ ている。地下構造物の建設には、そ の合理的な設計と 施工 技術 が必 要で ある が、 その ため には立地点付近の詳細な地質や物性 ・応力状況を把握 することが合理的ナょ設計・施工の実施の前提となる 。
地 山応 カを 測定 する 方法 とし て、 今までに種々の方法が開発され実践 されている。しか し、 大プ 口ジ ェク ト以 外は 測定 実績 は多くはなく、十分普及していると はいえない現状で ある 。そ の理 由と して は、 開発 され た応力測定法の多くが高価であるこ と、適用できる地 質 が 限 ら れ て い る こ と 、 ま た 測 定 精 度 が や や 信 頼 度 に 欠 け る 点 な ど が あ げ ら れ る 。 本 研究 は、 応力 測定 法の うち 、現 在最も多く採用されている応力解放 法の中の埋設型測 定法 をと りあ げ、 その 測定 精度 を高 度化することにより信頼性を高め、 かっより経済的な 方法 とす るこ とを 目的 とし てい る。 この目的の達成のために、まず埋設 型計測装置の様々 な設置状況において残されていた問題点に対する厳密 な適用理論を等方性岩盤ばかりでナょ く異 方性 岩盤 や粘 弾性 岩盤 にま で拡 張して構築している。また測定の低 廉化を図るため小 型の測定装置を試作するとともにその性能実証のため の室内実験を実施している。さらに、
高価 なオ ーバ ―コ アリ ング 作業 を必 要としない地山応力測定法としてダ プルボァホール法 に 着 目 し 、 そ の 基 礎 理 論 お よ び 実 用 化 に 必 要 な 応 力 算 定 手 法 を 確 立 し て い る 。 各章毎に取り上げる内容と構成を以下に示す。
第1章 では 、現 在の 日 本に おけ る地 下空 間開 発の 位置 づけ を明確にし 、地下構造物を構 築す る中 で地 山応 力測 定の 重要 性お よび応力測定が今まで普及しなかっ た理由にっいて論 述し てい る。 次に 、現 在ま での 地山 応力測定に関する研究成果を測定法 毎に概括し、各測 定法 の持 つ特 徴と 問題 点に っい て言 及している。また、応力解放法に焦 点を絞り、実際の ユー ザ一 側か ら要 求さ れて いる 項目 にっいてまとめるとともに、現時点 における課題を抽 出している。
第2章 では 、ま ず、 円 柱状 埋設 型計 測装 置に よっ て地 山応 カを測定す る際に、従来必ず しも 明確 にさ れて いな かっ た測 定値 に及ばすいくっかの問題点に対し、 等方性弾性体の仮 定の もと に総 合的 に厳 密 で定 量的 な取 扱い が可 能で ある こと を理 論的 に提 示し て いる 。 具体的には三っの問題設定、すなわち、
［A］ 地山と計測装 置問の接着層厚および弾性特性の影響
［ B］ 地 山 と 計 測 装 置 間 に は く 離 や す べ り が 発 生 す る 場 合 の 影 響
‑ 327−
［C］ オーバーコアリング径が応力測定値に及ぼす影響
を行い、全ての場合にっいて理論解析過程を示すとともに、多くの計算事例をとおして原 位置測定に利用できるように系統的に結果を整理している。
また、円柱状埋設型計測装置を円筒状埋設型計測装置に替え、三次元地山応力測定につ いて現在までに多くの研究者らによって検討されてきた問題点に対し、完全な理論解を提 示している。すなわち、Worotnicki and Walton．Pender，Amadeiらの検討した形状を用い て、応力解放法によるオーバーコアリング径の影響をWorotnIicki and Waltonの提唱した K−factorという係数を導入して解析し、オーバーコアリング径、地山の弾性係数およびポ アソン比が与えられれぱ、本論文で得られた解析過程を通じて高精度の地山応カが求めら れることを示している。さらに、三次元地山応カを面内・面外荷重に区分し、円筒・円柱 状双方の埋設型計測装置を用て異方性弾性体地山を対象とする理論式と代表的な数値計算 例を示している。
次に、上記の検討を踏まえ、高精度で経済的な応力解放法を確立するため、小型の埋設 型計測装置を試作するとともに、その性能に関する室内実験を実施した。室内実験として は、まず、直径20mm，長さ10 0mmの円柱状埋設型計測装置「SIセル」をエポキシ樹脂で試作 し、3種類（エポキシ樹脂、アルミニウム、モルタル）の立方体（一部は円柱体）の供試 体の中央に埋設し、側面から圧縮試験機で載荷し、SIセルの載荷によるひずみの変化に対 応する測定性能にっいて検証した。また、側面を拘束載荷したモルタルの供試体（縦90cm， 横90cm，高さ30cm)の中央にSIセルを埋設し、オーバーコアリングを行ってSIセル周辺の 応力解放時のひずみ測定を実施し、原位置のオーバーコアリングと同様な測定が可能であ る こ と を 実 証 す る と と も に 、 実 測 定 に お け る 問 題 点 を 明 ら か に し て い る 。 第3章では、埋設型計測装置を用いて軟岩盤の地山応カを測定する場合、より精度の高 い測定値を得るため、対応原理を利用して地山を線形粘弾性体と仮定した地山応力測定の 解析理論の提示を行っている。すなわち、まず、ポァホール内に埋設される弾性体の円柱 状計測装置が同心円状に掘削され応力解放されたコアを用いて、時間経過に伴う応力、変 位の変動量から三次元地山応カを測定するための理論的側面にっいて、粘弾性モデル（
Burgers ModelおよびStandard Modelの2種類）を採用して検討している。次に、いくつ かの仮定の下ではあるが、ボァホール径に比較して十分速方から作用する面内荷重および 面外荷重を測定するための解析理論の基本式ならびにそれらを用いたいくっかの数値計算 例を提示している。ここで示した理論は、とりあえず面内荷重と面外荷重を分離して解析 するものとなっているが、これによりいわゆる三次元地山を線形粘弾性体と仮定する場合 の 地 山 応 力 測 定 実 施 の た め の 理 論 を 基 本 的 な 意 味 で 完 成 さ せ て い る 。 また、上述のようにボァホール径に比較して十分遠方から作用する三次元地山応カを解 析上分離可能な面内および面外荷重問題に区分し、その中の面外荷重問題に限定し、その 範囲でより一般的にオーバーコアリング径の大きさや測定装置と岩石コアの接合境界での すべりなどを考慮した解析理論ナょらびにいくっかの数値計算例を提示している。さらに、
Rampタイプの作用荷重を導入することによって、接着硬化時間を考慮した場合の解析の基 本式も示している。
第4章では、近接するダプルポァホールの応力干渉を利用した地山応カの測定理言侖を確 立することを目的として、複索関数諭を用いてダブルボァホールの感度係数に関する高精 ほの弾性解を提示している。この解は、三次元地山応力下での等方性および異方性弾性地 I！J0場合にも適用できるように拡張して示している。この手法では、一般的な三次元地山
‑ 328ー
l己/Jの6成分のうち、ボァホール軸に直交した面内の3成分および面外の2成分を1回の 測定で決定することが可能となっている。
第5章 で は 、 本 論 文 の 各 章 で 得 ら れ た 主 な 結 諭 を 要 約 し て ま と め て い る 。
学位論文審査の要旨
学 位 論 文 題 名
地山応力測定に用いる応力解放法の高精度化に 関する基礎的研究
地 下 構 造 物 の 建 設 で は 、 立 地 点 付 近 の 詳 細 な 地 質 や物 性と 地山 応 力状 態を 把握 する こと が 合 理 的 な 設 計 ・ 施 工 の 前 提 と な る 。 地 山 応 カ を 測 定す るた めに 、 従来 、種 々の 方法 が開 発 さ れ て い る が 、 適 用 で き る 地 質 が 限 ら れ て い た り 、多 額の 経費 を 要す るた めに 、広 く普 及 す る に は 至 っ て い な い 。 応 力 解 放 法 は 使 用 実 績 の 高い 方法 であ る が、 本研 究は 、こ の方 法 の 中 の 埋 設 型 測 定 法 を と り あ げ 、 測 定 精 度 の 向 上 と低 廉化 およ び 測定 の適 用条 件の 拡大 を 目的 とし たも ので 、そ の成 果は 以下 の4点 に要 約で きる 。
第 一 の 成 果 は 、 埋 設 型 測 定 法 の 観 測 方 程 式 の 基 礎 を与 える 円柱 状 およ び円 筒状 の介 在物 を 持つ 、等 方・ 等質 な弾 性体 につ いて の三 次 元解 の導 出に 成功 して いる こと であ る。 特に、
円 筒 状 の 介 在 物 に 関 す る 完 全 な 形 の 解 は 、 著 者 に よ って 初め て導 か れた もの であ る。 この 解 析 結 果 を 応 用 し て 、 オ ー バ ー コ ア リ ン グ 径 が 測 定 値に 及ば す影 響 を明 らか にし 、そ の上 で 、 地 山 の 所 与 の 弾 性 係 数 と ポ ア ソ ン 比 に 対 し て オ ーバ ーコ アリ ン グ径 と測 定値 から 三次 元 地 山 応 カ を 高 い 精 度 で 求 め る た め の 具 体 的 な 手 段 を提 示し てい る 。ま た、 観測 孔壁 とセ ン サ 岡 の 接 着 層 厚 や 部 分 的 な 剥 離 に つ い て 解 析 し 、 多く の計 算事 例 を系 統的 に整 理す るこ と に よ り 、 こ れ ら の 影 響 に 闃 し て 具 体 的 な 評 価 を 与 えて いる 。さ ら に、 円柱 状お よび 円筒 状 の 介 在 物 を 持 つ 直 交 異 方 性 弾 性 体 に つ い て の 三 次 元解 を面 内・ 而 外荷 重に 区分 して 導出 し 、異 方性 が測 定結 果に 及ぼ す影 響を 評価 し てい る。
第 二 の 成 果 は 、 計 測 装 皿 の 小 型 化 に 関 す る も の で ある 。上 記の 成 果を 踏ま え小 型の エポ キ シ 樹 脂 製 の 埋 設 型 セ ン サ （ 直 径20mm． 長 さ100mm)を試 作す ると と もに 、そ の性 能に 関す る 室 内 実 験 を 実 施 し て い る 。 室 内 実 験 で は 、 ま ず 、3種 類 の 材 料 を 用 い て 小 型 セ ンサ を試 作 し 、 応 カ に 対 す る 感 度 に つ い て 検 証 し て い る 。 次 に、 側面 を拘 束 載荷 した モル タル 供試 体 に 対 し 、 原 位 置 と 同 様 な オ ー バ ー コ ア リ ン グ を 実 施し 、試 作し た セン サの 実用 性を 実証 す る と と も に 、 原 位 置 測 定 に 適 用 す る 場 合 の 問 題 点 を 明 ら か に し て い る 。 第 三 の 成 果 は 、 軟 岩 で の 測 定 を 想 定 し 、 適 用 範 囲 を線 形粘 弾性 岩 盤に 対し て拡 大し てい る こ と で あ る 。 ま ず 、 線 形 粘 弾 性 地 山 に 対 す る 三 次 元解 を対 応原 理 を利 用し て導 出し てい る 。 次 に 、 解 析 結 果 を 基 に 、 地 山 岩 盤 に 対 し て2種 類 の 粘 弾 性 モ デ ル を 仮 定 し 、 円柱 状の 弾 性 的 な セ ン サ を 用 い た 場 合 に 測 定 作 業 に 伴 う 時 間 経過 が測 定結 果 に与 える 影響 を綿 密に 検 討 し て い る 。 さ ら に 、 面 外 荷 重 に 限 定 し て は い る が、 オー バー コ アリ ング 径の 大き さ、
●
介 之
隆 二
祥 利
洋
岐 地
上 島
田
土 三
三 石
授 授
授 授
教 教
教 教
査 査
査 査
主 副
副 副
センサと観測孔壁間での部分的なすべり、センサ挿入以後の接着剤の硬化時間の影響など に 関 し て 、 解 析 の 基 本 解 を 示 す と と も に 定 量 的 な 評 価 を 行 っ て い る 。
第四の成果は、観測孔に近接して別の孔を掘削したときの応力擾乱を利用した応力測定 法であるダブルボアホール法に関するものである。まず、本方法の理論となる近接2 孔の 感度係数に関する弾性解を複素関数論に立脚して導出するのに成功している。このとき、
弾性岩盤として、最初は等方性を、次いで異方性を仮定し、適用岩盤の範囲の拡張に努め ている。解析過程で、本方法を用いると1 回の測定で三次元地山応カの6 成分のうち孔軸 に垂直な面内の3 成分および面外の2 成分が決定できることを見いだしたことは特筆に値 する。次に、本方法の原位置での使用を念頭において、数値計算を行い、2 孔の孔径比や 離隔距離に関する最適の幾何学的条件を検討している。
これを要するに、著者は、円柱形および円筒形の埋設型センサを対象に応力解放法およ びダプルボアホ―ル法に対する観測方程式の基礎となる三次元解を導くとともに、これを 地山応カの計測に応用するための室内試験を行い、多くの有益な知見を得ており、地盤工 学の発展に貢献すること大である。
