JP7702862B2 - Principal stress calculation program and principal stress calculation method - Google Patents
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Description
本願発明は、変形特性の異方性を示す岩盤の主応力に関する技術であり、より具体的には、等変位載荷方式の孔内載荷試験で得られた結果に対して異方性弾性理論に基づく解析を行うことで岩盤の2次元初期主応力を求める技術に関するものである。 This invention relates to technology related to the principal stress of rock masses that exhibit anisotropic deformation characteristics, and more specifically, to technology for determining the two-dimensional initial principal stress of rock masses by performing analysis based on anisotropic elastic theory on the results obtained from borehole loading tests using a constant displacement loading method.
岩盤上、あるいは岩盤内に構築する構造物の設計計画を行うにあたっては、その岩盤の力学特性を把握することが極めて重要となる。岩盤の力学特性としては、例えば岩盤の応力状態や変形係数などが挙げられ、このうち岩盤の応力状態は、トンネルや大深度地下空洞を新設するための設計、あるいは想定以上の変状が見られる既設トンネルや経年劣化が顕著な老朽トンネルなどを補強するための設計にとって、不可欠な情報といえる。 When planning the design of a structure to be built on or within rock, it is extremely important to understand the mechanical properties of the rock. Examples of the mechanical properties of rock include the stress state and deformation coefficient of the rock. Of these, the stress state of the rock is essential information for the design of new tunnels or deep underground cavities, or for the design of reinforcing existing tunnels that are showing more deformation than expected or old tunnels that have deteriorated significantly over time.
岩盤の応力状態を把握するには原位置試験、すなわち実際に現地で応力測定を行うのが一般的であり、特に、特許文献1に示される「水圧破砕法」と、特許文献2、3に示される「応力解放法」に大別することができる。また、本願の出願人は、ボアホールジャッキ試験から得られる結果のみに基づいて岩盤初期応力を得ることができる好適な発明を特許文献4に開示している。
To grasp the stress state of rock, it is common to carry out in situ testing, i.e., to actually measure stress on-site. In particular, these methods can be broadly divided into the "hydraulic fracturing method" shown in
特許文献1に示されるような水圧破砕法は、ボーリング孔のうち所定区間をパッカーで塞栓するとともに、この部分に対して水圧を与えることで人工亀裂を発生させ、水圧と亀裂の関係から岩盤の応力を求める手法である。そのため、水圧破砕法を行うにはパッカーや高圧ポンプ、水タンク、ケーブルウィンチなど多様な機器を用意する必要があり、すなわち装置全体が大掛かりとなる。
The hydraulic fracturing method shown in
一方、特許文献2や特許文献3に示されるような応力解放法は、岩盤圧検出器(あるいは特殊加工したひずみ計)をセメントミルクや接着剤でボーリング孔内に固定したうえでオーバーコアリングを施し、このオーバーコアリング前後の解放ひずみを一定時間連続計測することで岩盤の応力を求める手法である。そのため、応力解放法を行うには、オーバーコアリングを構築する作業が必要となり、しかもグラウト等を用いて岩盤圧検出器や特殊ひずみ計をボーリング孔内に固定する作業も必要となる。
On the other hand, the stress relief method shown in
このうち特許文献2に示される手法は、応力解放法のうち特に「電中研式埋設ひずみ法」と呼ばれるもので、湧水が多いケースでは岩盤圧検出器のグラウト固定が難しいことから不向きとされる。また、大孔径(通常φ200mm程度)のオーバーコアリングを必要とするため、多大な労力と時間を要するうえに、使用する各ひずみ計の感度係数を求めるためにオーバーコアリングによって採取したコアによる室内試験を実施しなければならない。特許文献3に示される手法は、応力解放法のうち特に「円錐孔底ひずみ法」と呼ばれるもので、湧水が少しでもあるケース、あるいは多孔質軟岩を対象とするケースでは、ひずみ計の接着固定が難しいことから不向きとされる他、変形係数やポアソン比を求めるためにやはり室内試験を行う必要がある。
The method shown in
ところで、岩盤内の応力分布は一般的にそのばらつきが顕著であることから、1点(1のボーリング孔)のみの測定に留めず、多点で測定を行うことが望ましいとされている。しかしながら、特許文献1の手法では装置全体が大掛かりとなるため事前準備に時間を要し、特許文献2の方法では多大な労力と時間を要する。また、特許文献3の手法ではひずみ計設置に上記の制約条件が伴う。このように、オーバーコアリングの構築作業やグラウト固定作業が必要となるなど、従来手法によって数多くの点(ボーリング孔)で測定を行うことは決して現実的とはいえない。
Incidentally, since stress distribution within rock generally varies significantly, it is considered desirable to measure at multiple points rather than just one point (one borehole). However, the method of
この点、特許文献4に開示される発明は、通常のボアホールジャッキ試験を行うだけで足り、すなわち低コストでしかも容易に試験を行うことができることから、多点での測定を無理なく実現することができる。しかしながらこの発明は、等方性の岩盤を前提とした解析技術であって、異方性を示す岩盤に適用した場合は十分な結果が得られない。
In this regard, the invention disclosed in
本願発明の課題は、従来技術が抱える問題を解決することであり、すなわち原位置試験の結果から異方性岩盤の主応力を比較的容易に求めることができる主応力算出プログラムと、これを用いた主応力算出方法を提供することである。 The objective of the present invention is to solve the problems of the conventional technology, that is, to provide a principal stress calculation program that can relatively easily determine the principal stress of anisotropic rock mass from the results of in-situ tests, and a principal stress calculation method using the program.
本願発明は、原位置試験における載荷初期圧p0と、主応力(最大主応力σ1 ∞及び最小主応力σ2 ∞)とがそれぞれ線形関係あることから、載荷初期圧p0を算出する複雑な陰関数を比較的簡易な陽関数に変換することができる、という点に着目してなされたものであり、これまでにない発想に基づいて行われた発明である。 The present invention was made by focusing on the fact that since there is a linear relationship between the initial loading pressure p0 in an in-situ test and the principal stresses (maximum principal stress σ 1 ∞ and minimum principal stress σ 2 ∞ ), it is possible to convert the complex implicit function used to calculate the initial loading pressure p0 into a relatively simple explicit function, and is an invention based on an unprecedented idea.
異方性を示す岩盤に設けられたボーリング孔の壁面を等変位載荷方式で加圧する載荷試験を、載荷方向を変えながら行って得られたN(Nは3以上の自然数)回分の第1変形係数E1、第2変形係数E2、及び載荷初期圧p0に基づいて、岩盤の最大主応力σ1
∞、最小主応力σ2
∞、及び最大主応力σ1
∞の作用角αを求める機能を、コンピュータに実行させるプログラムであって、条件値取込処理と作用角設定処理、暫定主応力算出処理、感度係数算出処理、差分2乗和算出処理、作用角決定処理、主応力決定処理をコンピュータに実行させる機能を備えたものである。なお、第1変形係数E1は直交する3軸(第1軸、第2軸及び第3軸)のうち第1軸方向の変形係数であって、第2変形係数E2は第2軸方向の変形係数である。このうち条件値取込処理は、載荷試験における試験孔半径r及び載荷面曲率β、第1ポアソン比ν12(ただし、第1軸と第2軸を含む平面内)、第2ポアソン比ν13(ただし、第1軸と第3軸を含む平面内)、第1変形係数E1、第2変形係数E2、並びに載荷初期圧p0を取込む処理である。作用角設定処理は、作用角αの候補となる複数種類の候補作用角α(i)を設定する処理であり、感度係数算出処理は、候補作用角α(i)ごとに次式で与えられる第1感度係数Ω1と第2感度係数Ω2を算出する処理である。
p0=Ω1×σ1
∞(i)+Ω2×σ2
∞(i)
暫定主応力算出処理は、候補作用角α(i)ごとに暫定最大主応力σ1
∞(i)と暫定最小主応力σ2
∞(i)を算出する処理であり、差分2乗和算出処理は、候補作用角α(i)ごとに、N回の試験それぞれについて次式で与えられる2乗差sを算出するとともに、N回分の2乗差の総和である総和2乗差を算出する処理である。
s=[p0-Ω1×σ1
∞(i)+Ω2×σ2
∞(i)]2
作用角決定処理は、候補作用角α(i)ごとに得られる総和2乗差のうち、最小の総和2乗差を選出するとともに、最小の総和2乗差に係る候補作用角α(i)を作用角αとして決定する処理である。主応力決定処理は、作用角決定処理で決定された作用角αに係る暫定最大主応力σ1
∞(i)と暫定最小主応力σ2
∞(i)を、それぞれ最大主応力σ1
∞と最小主応力σ2
∞として決定する処理である。
The program causes a computer to execute a function of calculating the maximum
p 0 = Ω 1 ×σ 1 ∞ (i) + Ω 2 ×σ 2 ∞ (i)
The provisional principal stress calculation process is a process for calculating a provisional maximum principal stress σ 1 ∞ (i) and a provisional minimum principal stress σ 2 ∞ (i) for each candidate operating angle α(i). The difference squared sum calculation process is a process for calculating, for each candidate operating angle α(i), a squared difference s given by the following equation for each of N tests, and for calculating a sum of squared differences for the N tests.
s=[p 0 -Ω 1 ×σ 1 ∞ (i) + Ω 2 ×σ 2 ∞ (i)] 2
The duration angle determination process selects the smallest sum squared difference from the sum squared differences obtained for each candidate duration angle α(i), and determines the candidate duration angle α(i) associated with the smallest sum squared difference as the duration angle α. The principal stress determination process determines the provisional maximum principal stress σ 1 ∞ (i) and provisional minimum principal stress σ 2 ∞ (i) associated with the duration angle α determined in the duration angle determination process as the maximum principal stress σ 1 ∞ and minimum principal stress σ 2 ∞ , respectively.
本願発明の主応力算出プログラムは、暫定主応力算出処理が次式を用いた最小二乗法によって暫定最大主応力σ1
∞(i)と暫定最小主応力σ2
∞(i)を算出するものとすることもできる。
本願発明の主応力算出方法は、載荷試験(ボーリング孔壁面を等変位載荷方式で加圧する試験)を行うことによって、異方性を示す岩盤の最大主応力σ1 ∞と、最小主応力σ2 ∞、最大主応力σ1 ∞の作用角αを求める方法であって、載荷試験工程と解析工程を備えた方法である。このうち載荷試験工程では、載荷方向を変えながら岩盤に対してN(Nは3以上の自然数)回の載荷試験を行い、解析工程では、本願発明の主応力算出プログラムを使用し、N回分の試験結果に基づいて岩盤の前記最大主応力σ1 ∞と、最小主応力σ2 ∞、主応力の作用角αを求める。 The principal stress calculation method of the present invention is a method for determining the maximum principal stress σ 1 ∞ , minimum principal stress σ 2 ∞ , and action angle α of the maximum principal stress σ 1 ∞ of an anisotropic rock mass by performing a loading test (a test in which pressure is applied to the borehole wall surface using a constant displacement loading method), and is a method including a loading test process and an analysis process. In the loading test process, N (N is a natural number of 3 or more) load tests are performed on the rock mass while changing the loading direction, and in the analysis process, the principal stress calculation program of the present invention is used to determine the maximum principal stress σ 1 ∞ , minimum principal stress σ 2 ∞ , and action angle α of the principal stress of the rock mass based on the results of the N tests.
本願発明の主応力算出プログラム、及び主応力算出方法には、次のような効果がある。
(1)原位置試験の結果に基づいて、比較的容易に異方性岩盤の主応力を求めることができる。
(2)異方性を考慮することによって、主応力の測定結果のばらつきを低減することができる。
(3)岩盤内の空洞や構造物等の数値解析を行う場合、岩盤の主応力の異方性を考慮した入力値を採用することができ、従来に比してより的確に空洞や構造物等を評価することができる。
The principal stress calculation program and the principal stress calculation method of the present invention have the following effects.
(1) The principal stress of anisotropic rock mass can be determined relatively easily based on the results of in-situ tests.
(2) By taking anisotropy into account, the variation in the measurement results of the principal stress can be reduced.
(3) When conducting numerical analysis of cavities, structures, etc. within rock mass, it is possible to adopt input values that take into account the anisotropy of the principal stress of the rock mass, enabling more accurate evaluation of cavities, structures, etc. than was previously possible.
本願発明の主応力算出プログラム、及び主応力算出方法の実施形態の例を図に基づいて説明する。 An example of an embodiment of the principal stress calculation program and the principal stress calculation method of the present invention will be described with reference to the figures.
1.定義
本願発明の主応力算出プログラム、及び主応力算出方法の実施形態の例を説明するにあたって、はじめにここで用いる用語の定義を示しておく。
1. Definitions Before describing the embodiments of the principal stress calculation program and the principal stress calculation method of the present invention, the definitions of terms used herein will be given.
(ボアホールジャッキ試験)
本願発明は、原位置試験を行った結果を用いて、岩盤の力学特性である主応力を求めることを技術的特徴のひとつとしている。そしてこの原位置試験としては、ボーリング孔壁面を等変位載荷方式で加圧する載荷試験を採用するとよい。便宜上ここでは、この載荷試験方法のことを「ボアホールジャッキ試験」ということとする。以下、本願発明におけるボアホールジャッキ試験の手法について説明する。
(Borehole jack test)
One of the technical features of the present invention is to use the results of an in-situ test to determine the principal stress, which is a mechanical property of rock. For this in-situ test, a load test in which pressure is applied to the borehole wall using a constant displacement loading method may be adopted. For convenience, this load test method will be referred to as the "borehole jack test." The method of the borehole jack test in the present invention will be described below.
図1は、ボアホールジャッキ試験を説明する図であり、(a)は鉛直面で切断した断面図、(b)はボーリング孔BHを水平面で切断した断面図である。この図に示すようにボアホールジャッキ試験を実施するにあたっては、あらかじめ構築されたボーリング孔BH内の所定位置に載荷装置(以下、「ボアホールジャッキJB」という。)を配置する。このボアホールジャッキJBは、ピストンジャッキと載荷板LBを含んで構成され、また油圧によって動作するピストンジャッキが載荷板LBを孔壁方向に押し付ける構造とされ、ボアホールジャッキJB内部には圧力計及び変位計が内蔵されている。なおこの油圧は、地上に設置された圧力源CPからホースHSを通じて伝達される。そしてボアホールジャッキJBに接続された通信ケーブルSCを通じて、データロガーDLが圧力(油圧)及び変位の値を記録する。図1(b)に示すように、載荷板LBは所定の幅を有しており、すなわち載荷板LBの幅寸法だけ孔壁を加圧することができる。便宜上ここでは、ボアホールジャッキJBの中心から載荷板LBの両端に広がる中心角の1/2を「載荷面曲率β」ということとし、ボーリング孔BH(試験孔)の半径を「試験孔半径r」ということとする(図1(b))。 Figure 1 is a diagram explaining the borehole jack test, where (a) is a vertical cross-sectional view, and (b) is a horizontal cross-sectional view of the borehole BH. As shown in this figure, when performing the borehole jack test, a loading device (hereinafter referred to as the "borehole jack JB") is placed at a predetermined position in the borehole BH that has been constructed in advance. This borehole jack JB is composed of a piston jack and a loading plate LB, and the piston jack operated by hydraulic pressure presses the loading plate LB toward the borehole wall, and a pressure gauge and a displacement gauge are built into the borehole jack JB. The hydraulic pressure is transmitted from a pressure source CP installed on the ground through a hose HS. The data logger DL records the pressure (hydraulic pressure) and displacement values through a communication cable SC connected to the borehole jack JB. As shown in Figure 1(b), the loading plate LB has a predetermined width, that is, the borehole wall can be pressurized by the width dimension of the loading plate LB. For convenience, we refer to half the central angle extending from the center of the borehole jack JB to both ends of the loading plate LB as the "loading surface curvature β," and the radius of the borehole BH (test hole) as the "test hole radius r" (Figure 1 (b)).
本願発明におけるボアホールジャッキ試験は、載荷方向を変えながらN回(Nは3以上の自然数)行われ、そしてN回分の試験結果が解析に用いられる。図2は、図1(b)と同様、ボーリング孔BHを水平方向に切断した断面図であって、載荷方向θと最大主応力σ1 ∞(あるいは最小主応力σ2 ∞)が作用する方向(以下、「作用角α」という。)の関係を示す図であり、(a)は載荷方向θが0°で載荷されたときの最大主応力σ1 ∞と最小主応力σ2 ∞を示し、(b)は載荷方向θが-45°で載荷されたときの最大主応力σ1 ∞と最小主応力σ2 ∞を示している。ここで載荷方向θとは、載荷板LBが孔壁を加圧する方向であり、水平面上にX軸とY軸からなる直交2軸を設定したとき、X軸の正方向を0°とし、反時計回りを正とする回転角である。もちろんX軸-Y軸は任意に設定することができ、回転角0°方向も例えばY軸の正方向とするなど任意に設定でき、回転角の正方向も反時計回りに代えて時計回りで設定することもできる。なお、この図では、載荷方向を変えた2回分のボアホールジャッキ試験の例を示しているが、上記したとおり本願発明では、載荷方向θを変えながら最低でも3回(例えば4回など)のボアホールジャッキ試験を行う必要がある。 The borehole jack test in the present invention is performed N times (N is a natural number of 3 or more) while changing the loading direction, and the test results of N times are used for analysis. Like FIG. 1(b), FIG. 2 is a cross-sectional view of the borehole BH cut in the horizontal direction, and shows the relationship between the loading direction θ and the direction in which the maximum principal stress σ 1 ∞ (or the minimum principal stress σ 2 ∞ ) acts (hereinafter referred to as the "working angle α"). (a) shows the maximum principal stress σ 1 ∞ and the minimum principal stress σ 2 ∞ when the loading direction θ is 0°, and (b) shows the maximum principal stress σ 1 ∞ and the minimum principal stress σ 2 ∞ when the loading direction θ is -45°. Here, the loading direction θ is the direction in which the loading plate LB presses the hole wall, and is the rotation angle in which the positive direction of the X axis is 0° and the counterclockwise direction is positive when two orthogonal axes consisting of the X axis and the Y axis are set on a horizontal plane. Of course, the X-axis-Y-axis can be set arbitrarily, the 0° rotation angle direction can be set arbitrarily, for example, to the positive direction of the Y-axis, and the positive direction of the rotation angle can be set to clockwise instead of counterclockwise. Note that, although this figure shows an example of two borehole jack tests with different loading directions, as described above, in the present invention, it is necessary to perform at least three (e.g., four) borehole jack tests while changing the loading direction θ.
(第1変形係数と第2変形係数)
本願発明は、層理が発達した堆積岩や、片理の発達した変成岩、節理の発達した火成岩など変形特性に異方性を示す「異方性岩盤」の主応力を求めるものである。図3は、この異方性岩盤の3軸方向の変形係数を模式的に示す図であり、(a)は異方性岩盤の層方向(層理や片理、節理の方向)が水平面(この場合、x軸とz軸を含む面)であるケースを示し、(b)は異方性岩盤の層方向が水平面に対して傾斜しているケースを示している。
(First deformation coefficient and second deformation coefficient)
The present invention is to obtain the principal stress of "anisotropic rock mass" that shows anisotropy in deformation characteristics, such as sedimentary rock with well-developed bedding, metamorphic rock with well-developed schistosity, and igneous rock with well-developed joints. Figure 3 is a diagram showing the deformation coefficients in the three axial directions of this anisotropic rock mass, where (a) shows a case where the layer direction (direction of bedding, schistosity, and joints) of the anisotropic rock mass is a horizontal plane (in this case, a plane including the x-axis and z-axis), and (b) shows a case where the layer direction of the anisotropic rock mass is inclined to the horizontal plane.
図3に示すように異方性岩盤は、岩盤の走向と傾斜に沿って設定される直交の3軸方向にそれぞれ変形係数を有しており、便宜上ここでは、岩盤に設定される直交3軸方向をそれぞれ「第1軸」、「第2軸」、「第3軸」ということとし、さらに第1軸方向の変形係数を「第1変形係数E1」、第2軸方向の変形係数を「第2変形係数E2」、第3軸方向の変形係数を「第3変形係数E3」ということとする。例えば、図3(a)のケースでは異方性岩盤の層方向が水平面であることからx軸方向に第1変形係数E1、y軸方向に第2変形係数E2、z軸方向に第3変形係数E3を設定することができる。一方、図3(b)のケースでは異方性岩盤の層方向が水平面から所定の角度(以下、「傾斜角φ」という。)だけ傾斜していることから、x軸から傾斜角φだけ傾斜した方向に第1変形係数E1、y軸から傾斜角φだけ傾斜した方向に第2変形係数E2、z軸方向に第3変形係数E3を設定することができる。 As shown in Fig. 3, an anisotropic rock mass has a deformation coefficient in each of three orthogonal axial directions set along the strike and inclination of the rock mass, and for convenience, the three orthogonal axial directions set in the rock mass are referred to as the "first axis", the "second axis", and the "third axis", respectively, and the deformation coefficient in the first axis direction is referred to as the "first deformation coefficient E1 ", the deformation coefficient in the second axis direction is referred to as the "second deformation coefficient E2 ", and the deformation coefficient in the third axis direction is referred to as the "third deformation coefficient E3 ". For example, in the case of Fig. 3(a), since the layer direction of the anisotropic rock mass is a horizontal plane, the first deformation coefficient E1 can be set in the x-axis direction, the second deformation coefficient E2 in the y-axis direction, and the third deformation coefficient E3 in the z-axis direction. On the other hand, in the case of Figure 3 (b), since the layer direction of the anisotropic rock mass is inclined at a predetermined angle (hereinafter referred to as the "inclination angle φ") from the horizontal plane, the first deformation coefficient E1 can be set in a direction inclined at the inclination angle φ from the x-axis, the second deformation coefficient E2 can be set in a direction inclined at the inclination angle φ from the y-axis, and the third deformation coefficient E3 can be set in the z-axis direction.
通常、異方性岩盤は、各層の平面と平行な2つの変形係数(この場合、第1変形係数E1とz軸方向に第3変形係数E3)は、向きが異なるだけでその大きさは略同値として取り扱うことができる。一方、各層の平面と垂直な変形係数(この場合、第2変形係数E2)は、他の2方向の変形係数(この場合、第1変形係数E1とz軸方向に第3変形係数E3)とはその大きさが相当程度相違する。そのため、便宜上ここでは第1変形係数E1、第2変形係数E2、及び傾斜角φを用いた例で説明することとする。 Usually, in anisotropic rock mass, the two deformation coefficients parallel to the plane of each layer (in this case, the first deformation coefficient E1 and the third deformation coefficient E3 in the z-axis direction) can be treated as being approximately equal in magnitude, but differing in direction. On the other hand, the deformation coefficient perpendicular to the plane of each layer (in this case, the second deformation coefficient E2 ) is significantly different in magnitude from the deformation coefficients in the other two directions (in this case, the first deformation coefficient E1 and the third deformation coefficient E3 in the z-axis direction). Therefore, for convenience, an example using the first deformation coefficient E1 , the second deformation coefficient E2 , and the inclination angle φ will be described here.
(ポアソン比とせん断弾性係数)
異方性岩盤は、直交する3平面内それぞれでポアソン比を有することから、便宜上ここでは、第1軸(図3ではx軸)と第2軸(図3ではy軸)を含む平面内のポアソン比を「第1ポアソン比ν12」、第1軸(図3ではx軸)と第3軸(図3ではz軸)を含む平面内のポアソン比を「第2ポアソン比ν13」、第2軸(図3ではy軸)と第3軸(図3ではz軸)を含む平面内のポアソン比を「第3ポアソン比ν23」ということとする。また、第1軸と第2軸を含む平面内の岩盤のせん断弾性係数を「第1せん断弾性係数G12」、第1軸と第3軸を含む平面内の岩盤のせん断弾性係数を「第2せん断弾性係数G13」)ということとする。なお上記した理由から、第2軸と第3軸を含む平面内の岩盤のせん断弾性係数(第3せん断弾性係数G23)は、第1せん断弾性係数G12と略同値として取り扱うことができる。
(Poisson's ratio and shear modulus of elasticity)
Since anisotropic rock mass has a Poisson's ratio in each of three orthogonal planes, for convenience, the Poisson's ratio in the plane including the first axis (x-axis in FIG. 3) and the second axis (y-axis in FIG. 3) is referred to as the "first Poisson's ratio v 12 ", the Poisson's ratio in the plane including the first axis (x-axis in FIG. 3) and the third axis (z-axis in FIG. 3) is referred to as the "second Poisson's ratio v 13 ", and the Poisson's ratio in the plane including the second axis (y-axis in FIG. 3) and the third axis (z-axis in FIG. 3) is referred to as the "third Poisson's ratio v 23 ". In addition, the shear modulus of the rock mass in the plane including the first axis and the second axis is referred to as the "first shear modulus G 12 ", and the shear modulus of the rock mass in the plane including the first axis and the third axis is referred to as the "second shear modulus G 13 ". For the reasons mentioned above, the shear modulus of the rock mass in the plane including the second axis and the third axis (third shear modulus G 23 ) can be treated as being substantially equal to the first shear modulus G 12 .
(載荷初期圧と地盤反力係数)
ボアホールジャッキ試験を行うと、載荷圧力と孔壁面の変位量を直交2軸のグラフにプロットすることができ、図4に示すように、載荷初期圧p0を得ることができ、さらに載荷圧力と変位量との関係を示す直線部の勾配(つまり、載荷圧力増分と変位量増分の比)を「地盤反力係数K」として得ることができる。
(Initial loading pressure and subgrade reaction coefficient)
When a borehole jack test is performed, the loading pressure and the amount of displacement of the borehole wall can be plotted on a graph with two orthogonal axes, and the initial loading pressure p0 can be obtained as shown in Figure 4. Furthermore, the gradient of the straight line showing the relationship between the loading pressure and the amount of displacement (i.e., the ratio of the loading pressure increment to the displacement increment) can be obtained as the "subgrade reaction coefficient K".
2.主応力算出プログラム
本願発明の主応力算出プログラムついて、図を参照しながら詳しく説明する。なお、本願発明の主応力算出方法は、本願発明の主応力算出プログラムを利用して岩盤の主応力を求める方法であり、したがってまずは本願発明の主応力算出プログラムについて説明し、その後に本願発明の主応力算出方法について説明することとする。
2. Principal stress calculation program The principal stress calculation program of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the principal stress calculation method of the present invention is a method for calculating the principal stress of a rock mass using the principal stress calculation program of the present invention, so the principal stress calculation program of the present invention will be described first, and then the principal stress calculation method of the present invention will be described.
本願発明の主応力算出プログラムは、異方性岩盤を理論的に扱うため「Lekhnitskiiの異方性弾性理論(S.G.Lekhnitskii:Theory of Elasticity of an Anisotropic Body,Mir Publishers)」を用いるとともに、「鎌田論文(鎌田武司:だ円孔を有する異方性無限板の二次元混合境界値問題(日本機械学会論文集))の理論」を用いて種々の数値を導出している。そこで、「Lekhnitskiiの異方性弾性理論」と、「鎌田論文の理論」について簡単に説明する。 The principal stress calculation program of the present invention uses "Lekhnitskii's theory of anisotropic elasticity (S.G. Lekhnitskii: Theory of Elasticity of an Anisotropic Body, Mir Publishers)" to theoretically treat anisotropic rock masses, and also derives various numerical values using "theory in Kamada's paper (Takeshi Kamada: Two-dimensional mixed boundary value problem for an anisotropic infinite plate with an elliptical hole (Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers))". Therefore, we will briefly explain "Lekhnitskii's theory of anisotropic elasticity" and "theory in Kamada's paper".
(Lekhnitskiiの異方性弾性理論)
図5は、Lekhnitskiiの異方性弾性理論を説明するための数式図である。このうち数式(1)は、異方性弾性体におけるひずみと応力との関係を示す構成方程式である。なお、式中のσxはx軸方向の直応力であり、同様にσyはy軸方向の直応力、σzはz軸方向の直応力、τxyはx軸とy軸を含む平面内のせん断応力、εxはx軸方向の直ひずみ、εyはy軸方向の直ひずみ、γxyはx軸とy軸を含む平面内のせん断ひずみである。なお、この構成方程式のうち各応力成分の係数(b11~b66)のことを「弾性コンプライアンス」ということとする。
(Lekhnitskii's theory of anisotropic elasticity)
5 is a mathematical diagram for explaining Lekhnitskii's theory of anisotropic elasticity. Among these, mathematical formula (1) is a constitutive equation showing the relationship between strain and stress in an anisotropic elastic body. In the formula, σ x is the normal stress in the x-axis direction, σ y is the normal stress in the y-axis direction, σ z is the normal stress in the z-axis direction, τ xy is the shear stress in the plane including the x-axis and y-axis, ε x is the normal strain in the x-axis direction, ε y is the normal strain in the y-axis direction, and γ xy is the shear strain in the plane including the x-axis and y-axis. In the constitutive equation, the coefficients of each stress component (b 11 to b 66 ) are referred to as "elastic compliance".
弾性コンプライアンス(b11~b66)は、図5の数式(4)に示すように、弾性コンプライアンス(a11~a66)で表すことができる。そしてこの弾性コンプライアンス(a11~a66)は、図5の数式(2)に示すように、第1ポアソン比ν12と第2ポアソン比ν13、第3ポアソン比ν23、第1せん断弾性係数G12、さらに第1変形係数E1と第2変形係数E2、傾斜角φを用いて表すことができる。また図5の数式(3)に示すように、第1せん断弾性係数G12は第1ポアソン比ν12と第1変形係数E1、第2変形係数E2を用いて表すことができ、第2せん断弾性係数G13は第2ポアソン比ν13と第1変形係数E1を用いて表すことができる。なお、弾性コンプライアンスは対称性があることから、aij=ajiやbij=bjiが成立する。 The elastic compliance (b 11 to b 66 ) can be expressed by the elastic compliance (a 11 to a 66 ) as shown in the formula (4) of Fig. 5. The elastic compliance (a 11 to a 66 ) can be expressed by the first Poisson's ratio v 12 , the second Poisson's ratio v 13 , the third Poisson's ratio v 23 , the first shear modulus G 12 , the first deformation coefficient E 1 , the second deformation coefficient E 2 , and the inclination angle φ as shown in the formula (2) of Fig. 5. The first shear modulus G 12 can be expressed by the first Poisson's ratio v 12 , the first deformation coefficient E 1 , and the second deformation coefficient E 2 , and the second shear modulus G 13 can be expressed by the second Poisson's ratio v 13 and the first deformation coefficient E 1 . Since the elastic compliance is symmetric, a ij =a ji and b ij =b ji hold.
(鎌田論文の理論)
図6は、鎌田論文の理論を説明するための数式図である。このうち数式(5)は、異方性を定量的に扱うための特性値μj(j=1,2)を求める4次代数方程式である。鎌田論文の理論では、特性値μj(j=1,2)は数式(5)の4解のうち|μj|<1を満たす2解として定義する。なお、式中のA1~A4は図6の数式(6)で表される複素定数であり、文字に付されたバーは共役、iは虚数単位を示す。
(Theory of Kamata's paper)
Fig. 6 is a formula diagram for explaining the theory of Kamada's paper. Among them, formula (5) is a fourth-order algebraic equation for finding characteristic values μ j (j=1, 2) for quantitatively treating anisotropy. In the theory of Kamada's paper, characteristic values μ j (j=1, 2) are defined as two of the four solutions of formula (5) that satisfy |μ j |<1. Note that A 1 to A 4 in the formula are complex constants expressed by formula (6) in Fig. 6, the bar attached to the letters indicates the conjugate, and i indicates the imaginary unit.
複素定数δjとρj(j=1,2)を図6の数式(7)で定義したうえで、PとQ、Rを図6の数式(8)で定義すると、図6の数式(9)に示す2次方程式の解λjが得られる。そして、図6の数式(10)を満たすように実定数κj(j=1,2)と実数κを設定する。また、この実数κを用いると、γとγj、γj’は図6の数式(11)のように定義することができる。 When complex constants δ j and ρ j (j=1, 2) are defined by equation (7) in Fig. 6 and P, Q, and R are defined by equation (8) in Fig. 6, a solution λ j to the quadratic equation shown in equation (9) in Fig. 6 is obtained. Then, a real constant κ j (j=1, 2) and a real number κ are set so as to satisfy equation (10) in Fig. 6. Furthermore, when this real number κ is used, γ, γ j , and γ j ' can be defined as in equation (11) in Fig. 6.
(陰関数と陽関数)
最大主応力σ1
∞と最小主応力σ2
∞、作用角αは、ここまで説明した種々の数値(以下、便宜上ここでは「鎌田定数」という。)と複素定数B1、B2(バーは共役)を用いた図7の数式(12)によって求めることができる。換言すれば、最大主応力σ1
∞と最小主応力σ2
∞、作用角αが既知であれば鎌田定数と数式(12)によって複素定数B1、B2を求めることができる。そして、鎌田定数と複素定数B1、B2を用いた図7の数式(13)~数式(15)によって、図7の数式(16)を導くことができる。なお、数式(13)のr0は試験孔半径rであり、数式(14)~数式(16)のβは載荷面曲率β、数式(15)のθと数式(16)のσはそれぞれ積分定数、数式(16)のΛ’は図1(b)に示す載荷範囲(4βで、単位はラジアン)である。
(Implicit and Explicit Functions)
The maximum principal stress σ 1 ∞ , minimum principal stress σ 2 ∞ , and action angle α can be found from equation (12) in Fig. 7 using the various numerical values explained so far (hereinafter, for convenience, referred to as "Kamada constants") and complex constants B 1 and B 2 (the bars indicate conjugates). In other words, if the maximum principal stress σ 1 ∞ , minimum principal stress σ 2 ∞ , and action angle α are known, the complex constants B 1 and B 2 can be found from the Kamada constants and equation (12). Then, equation (16) in Fig. 7 can be derived from equations (13) to (15) in Fig. 7 using the Kamada constants and complex constants B 1 and B 2 . In addition, r0 in formula (13) is the test hole radius r, β in formulas (14) to (16) is the loading surface curvature β, θ in formula (15) and σ in formula (16) are integral constants, and Λ' in formula (16) is the loading range shown in Figure 1 (b) (4β, unit is radian).
数式(16)が得られると、載荷初期圧p0は図8の数式(17)によって表すことができる。なお、数式(16)のr0は試験孔半径r、βは載荷面曲率βであり、Re[]はカッコ内の実数部、Im[]はカッコ内の虚数部を示す。ここで、数式(17)の第2式の右辺(つまり、X)は、第1変形係数E1と第2変形係数E2、傾斜角φ、作用角α、そして最大主応力σ1 ∞と最小主応力σ2 ∞についての陰関数であり、載荷初期圧p0は初期主応力(最大主応力σ1 ∞、最小主応力σ2 ∞)と線形関係にあることから、数式(17)は図8の数式(18)に示す陽形式(以下、「陽関数」という。)で書き直すことができる。なお、数式(18)のΩ1とΩ2 は単位の 最大主応力σ1 ∞、最小主応力σ2 ∞が作用したときの載荷初期圧p0を意味し、便宜上ここではΩ1とΩ2を感度係数ということとする。これら感度係数Ω1とΩ2 は、数式(17)と数式(18)において図8の数式(19)で算定される。 When formula (16) is obtained, the initial loading pressure p 0 can be expressed by formula (17) in FIG. 8. In formula (16), r 0 is the test hole radius r, β is the loading surface curvature β, Re [ ] is the real part in the brackets, and Im [ ] is the imaginary part in the brackets. Here, the right side of the second formula of formula (17) (i.e., X) is an implicit function for the first deformation coefficient E 1 and the second deformation coefficient E 2 , the inclination angle φ, the action angle α, and the maximum principal stress σ 1 ∞ and the minimum principal stress σ 2 ∞ , and since the initial loading pressure p 0 is linearly related to the initial principal stress (maximum principal stress σ 1 ∞ , minimum principal stress σ 2 ∞ ), formula (17) can be rewritten in the explicit form (hereinafter referred to as "explicit function") shown in formula (18) in FIG. 8. In addition, Ω1 and Ω2 in formula (18) mean the initial loading pressure p0 when the unit maximum principal stress σ1∞ and the unit minimum principal stress σ2∞ act, and for convenience, Ω1 and Ω2 are referred to as sensitivity coefficients here. These sensitivity coefficients Ω1 and Ω2 are calculated using formula (19) in Figure 8 in formulas (17) and (18).
(載荷初期圧)
N回のボアホールジャッキ試験が行われた場合、初期主応力(最大主応力σ1
∞、最小主応力σ2
∞)は、感度係数Ω1、Ω2と載荷初期圧p0を用いた図8の数式(20)によって求めることができる。より詳しくは、最小二乗法を用いて数式(20)を解くことで、初期主応力(最大主応力σ1
∞、最小主応力σ2
∞)が求められる。なお、数式(18)では、ボアホールジャッキ試験ごとの感度係数Ω1、Ω2と載荷初期圧p0を示しており、便宜上ここでは上部のカッコ内に示すi(i=1~N)によって試験回数を表している。
(Initial loading pressure)
When N borehole jack tests are performed, the initial principal stresses (maximum principal stress σ 1 ∞ , minimum principal stress σ 2 ∞ ) can be calculated by equation (20) in Fig. 8 using sensitivity coefficients Ω 1 and Ω 2 and initial loading pressure p 0. More specifically, the initial principal stresses (maximum principal stress σ 1 ∞ , minimum principal stress σ 2 ∞ ) can be calculated by solving equation (20) using the least squares method. Note that equation (18) shows the sensitivity coefficients Ω 1 and Ω 2 and initial loading pressure p 0 for each borehole jack test, and for convenience, the number of tests is represented by i (i = 1 to N) shown in parentheses at the top.
数式(20)によって得られる初期主応力(最大主応力σ1 ∞、最小主応力σ2 ∞)は、ボアホールジャッキ試験ごとのいわば解析上の暫定値であり、最終的に決定される初期主応力ではない。そこで、この解析上の最大主応力σ1 ∞と最小主応力σ2 ∞を、それぞれ「暫定最大主応力」と「暫定最小主応力」ということとする。また、暫定最大主応力と暫定最小主応力が得られると、これら初期主応力によってボアホールジャッキ試験ごとの解析上の載荷初期圧p0(以下、「解析載荷初期圧p0c」という。)を、図8の数式(22)によって求めることができる。さらに、ボアホールジャッキ試験で実際に得られる試験ごとの載荷初期圧p0(以下、便宜上「実測載荷初期圧p0」という。)と、解析載荷初期圧p0cとの差分の2乗(以下、「2乗差S」という。)を求めることができるとともに、ボアホールジャッキ試験のN回分の2乗差Sの総和(以下、「総和2乗差ΣS」という。)を、図8の数式(21)によって求めることができる。 The initial principal stresses (maximum principal stress σ 1 ∞ , minimum principal stress σ 2 ∞ ) obtained by formula (20) are, so to speak, analytical provisional values for each borehole jack test, and are not the initial principal stresses that are finally determined. Therefore, these analytical maximum principal stress σ 1 ∞ and minimum principal stress σ 2 ∞ are referred to as the "provisional maximum principal stress" and the "provisional minimum principal stress", respectively. In addition, once the provisional maximum principal stress and the provisional minimum principal stress are obtained, the analytical initial loading pressure p 0 (hereinafter referred to as the "analytical initial loading pressure p 0c ") for each borehole jack test can be calculated using formula (22) in FIG. 8 . Furthermore, the square of the difference (hereinafter referred to as "square difference S ") between the initial loading pressure p0 actually obtained for each test in the borehole jack test (hereinafter referred to as "actual initial loading pressure p0" for convenience) and the analytical initial loading pressure p0c can be calculated, and the sum of the square differences S for N borehole jack tests (hereinafter referred to as "sum square difference ΣS") can be calculated using equation (21) in Figure 8.
(初期主応力の決定)
上記したとおり、図8の数式(18)は作用角αを変数とする陽関数であり、したがって作用角αによって感度係数Ω1、Ω2の値は変化するとともに、暫定最大主応力や暫定最小主応力、解析載荷初期圧p0c、総和2乗差ΣSの値もそれぞれ異なる。そこで、作用角αの値を変化させながら総和2乗差ΣSを求め、そのうち最小の値を示す総和2乗差ΣS(以下、特に「最小総和2乗差」という。)を選出することとした。なお便宜上ここでは、種々の値で設定される作用角αのことを、特に「候補作用角」ということとする。そして、最小総和2乗差が得られたときの候補作用角を最終的な「作用角α」として決定するとともに、その作用角αに係る暫定最大主応力と暫定最小主応力を最終的な最大主応力σ1
∞と最小主応力σ2
∞として決定するわけである。
(Determination of initial principal stress)
As described above, the formula (18) in FIG. 8 is an explicit function with the duration angle α as a variable. Therefore, the values of the sensitivity coefficients Ω 1 and Ω 2 change depending on the duration angle α, and the values of the provisional maximum principal stress, provisional minimum principal stress, analytical initial loading pressure p 0c , and sum square difference ΣS also change. Therefore, the sum square difference ΣS is calculated while changing the value of the duration angle α, and the sum square difference ΣS showing the smallest value is selected (hereinafter, specifically referred to as the "minimum sum square difference"). For convenience, the duration angle α set at various values is specifically referred to as the "candidate duration angle". The candidate duration angle when the minimum sum square difference is obtained is then determined as the final "duty angle α", and the provisional maximum principal stress and provisional minimum principal stress associated with that duration angle α are determined as the final maximum principal stress σ 1 ∞ and minimum principal stress σ 2 ∞ .
(処理の流れ)
続いて、本願発明の主応力算出プログラムの主な処理の流れについて図9を参照しながら説明する。図9は、本願発明の主応力算出プログラムの主な処理の流れを示すフロー図であり、中央の列に実施する処理を示し、左列にはその処理に必要な情報等を、右列にはその処理から生ずる情報等を示している。
(Processing flow)
Next, the flow of main processes of the principal stress calculation program of the present invention will be described with reference to Fig. 9. Fig. 9 is a flow diagram showing the flow of main processes of the principal stress calculation program of the present invention, in which the central column shows the processes to be performed, the left column shows information necessary for the processes, and the right column shows information resulting from the processes.
異方性岩盤に設けられたボーリング孔BH(図1)に対してN回のボアホールジャッキ試験を実施し、それぞれ試験結果が得られると、本願発明の主応力算出プログラムを用いて図9に示す一連の処理をコンピュータに実行させる。処理を開始するにあたっては、まず試験によって得られたN回分の試験結果を含む各種の条件値(試験孔半径r、載荷面曲率β、第1ポアソン比ν12、第2ポアソン比ν13、第1変形係数E1、第2変形係数E2、傾斜角φ、実測載荷初期圧p0)を取り込む(図9のStep101)。具体的には、記憶された条件値を読み出したり、オペレータが条件値を入力したりすることによって試験結果を取り込む。
N borehole jack tests are performed on a borehole BH (FIG. 1) in an anisotropic rock mass, and when each test result is obtained, a series of processes shown in FIG. 9 is executed by a computer using the principal stress calculation program of the present invention. When the process is started, various condition values including the N test results obtained by the tests (test hole radius r, loading surface curvature β, first Poisson's ratio v 12 , second Poisson's ratio v 13 , first deformation coefficient E 1 , second deformation coefficient E 2 , inclination angle φ, measured initial loading pressure p 0 ) are first imported (
条件値を取り込むと、その値を変化させながら候補作用角を設定する(図9のStep102)。なお便宜上ここでは、M(2以上の自然数)種類の候補作用角を設定することとし、j(j=1~M)種類目の候補作用角のことを「候補作用角α(j)」と表現することとする。候補作用角α(j)が設定されると、弾性コンプライアンス(b11~b66)を算出し(図9のStep103)、複素定数B1(j)、B2(j)を算出する(図9のStep104)。そして、解析載荷初期圧p0cを表す陰関数(図8の数式(17))を設定するとともに(図9のStep105)、この陰関数を書き直すことによって解析載荷初期圧p0cを表す陽関数(図8の数式(18))を設定し、2つの感度係数(以下、「第1感度係数Ω1(i,j)」と「第2感度係数Ω2(i,j)」という。)を得る(図9のStep106)。ここで、各値に付した(j)は候補作用角α(j)ごとにその値が変化することを、(i,j)は試験ごとであって候補作用角α(j)ごとにその値が変化することを意味している。
Once the condition values are input, the candidate operating angles are set while varying these values (
第1感度係数Ω1(i,j)と第2感度係数Ω2(i,j)が得られると、図8の数式(20)によって暫定最大主応力σ1
∞(i,j)と暫定最小主応力σ2
∞(i,j)を算出するとともに、図8の数式(22)によって解析載荷初期圧p0cを求め(図9のStep107)、さらに図8の数式(21)によって総和2乗差ΣS(j)を求める(図9のStep108)。
Once the first sensitivity coefficient Ω 1 (i, j) and the second sensitivity coefficient Ω 2 (i, j) are obtained, the provisional maximum principal stress σ 1 ∞ (i, j) and the provisional minimum principal stress σ 2 ∞ (i, j) are calculated using equation (20) in Figure 8, and the analytical initial loading pressure p 0c is obtained using equation (22) in Figure 8 (
総和2乗差ΣS(j)が得られると、異なる候補作用角α(j)を設定したうえで(図9のStep102)、一連の処理(図9のStep102~Step108)を繰り返し実行する。そして、M回の繰り返し処理が実行されると、最小の値を示す総和2乗差ΣS(j)を「最小総和2乗差」として選出するとともに(図9のStep109)、その最小総和2乗差が得られたときの候補作用角α(j)を「作用角α」として決定し、さらにその作用角αに係る暫定最大主応力σ1
∞(i,j)と暫定最小主応力σ2
∞(i,j)を最終的な最大主応力σ1
∞と最小主応力σ2
∞として決定する(図9のStep110)。
Once the sum squared difference ΣS(j) is obtained, a different candidate operating angle α(j) is set (
(妥当性の検証)
発明者は、本願発明の主応力算出プログラムによる解析の手法の妥当性について検証している。以下、その内容について説明する。
(Verification of validity)
The inventor has verified the validity of the analysis method using the principal stress calculation program of the present invention. The details of the verification are described below.
この検証では、図10(a)に示すように載荷方向を変えながら(θ=90°、45°、0°、-45°)4回のボアホールジャッキ試験を実施しており、また図11に示すように90種類(-88°~90°)の候補作用角α(j)を設定したうえで主応力算出プログラムによる解析を実行している。その結果、図10(c)や図11に示すように、候補作用角α(j)が90°となるときに総和2乗差ΣS(j)が最小の値を示した。なお、作用角α(j)=0°と作用角α(j)=90°は力学的には同じ状態であるためどちらを採用することもでき、また倍精度計算における-28乗は0であることを示すことから両者の総和2乗差ΣS(j)は同値として扱うことができる。そこで、ここでは作用角α(j)=90°を採用することとした。すなわちこのケースでは、最小総和2乗差が得られる作用角αが90°とされ、さらにこの作用角αが90°に係る最大主応力σ1 ∞=5.0MPaと最小主応力σ2 ∞=3.0MPaが決定されるわけである。そして発明者は、比較のためにこの検証において等方性としての解析を行っており、その結果を図10(b)に示している。これによれば、本願発明の主応力算出プログラムを用いた異方性としての解析は、実際の結果(設定値)と同値が得られているのに対して、一方の等方性としての解析結果は、実際の結果と異なる値(最大主応力σ1 ∞が5.0MPa≠5.5MPa、作用角αが90°≠106°)を算出している。すなわち、本願発明の主応力算出プログラムを用いた異方性解析は、妥当であるといえる。 In this verification, four borehole jack tests were conducted while changing the loading direction (θ = 90°, 45°, 0°, -45°) as shown in Figure 10 (a), and 90 types of candidate action angles α(j) (-88° to 90°) were set as shown in Figure 11, and then an analysis was performed using a principal stress calculation program. As a result, as shown in Figures 10 (c) and 11, when the candidate action angle α(j) was 90°, the sum square difference ΣS(j) showed the smallest value. Note that action angles α(j) = 0° and action angles α(j) = 90° are mechanically the same state, so either can be adopted, and since the power of -28 in double precision calculation indicates 0, the sum square difference ΣS(j) of both can be treated as the same value. Therefore, it was decided to adopt the action angle α(j) = 90° here. That is, in this case, the action angle α at which the minimum sum square difference is obtained is set to 90°, and further, the maximum principal stress σ 1 ∞ = 5.0 MPa and the minimum principal stress σ 2 ∞ = 3.0 MPa associated with this action angle α of 90° are determined. The inventors performed an isotropic analysis in this verification for comparison, and the results are shown in FIG. 10(b). According to this, the anisotropic analysis using the principal stress calculation program of the present invention obtains values equal to the actual results (set values), whereas the isotropic analysis results calculate values different from the actual results (maximum principal stress σ 1 ∞ is 5.0 MPa ≠ 5.5 MPa, and action angle α is 90° ≠ 106°). That is, it can be said that the anisotropic analysis using the principal stress calculation program of the present invention is appropriate.
3.変形係数算出方法
次に、本願発明の主応力算出方法ついて図を参照しながら説明する。なお、本願発明の主応力算出方法は、ここまで説明した本願発明の主応力算出プログラムを利用して岩盤の主応力を求める方法であり、したがって本願発明の主応力算出プログラムで説明した内容と重複する説明は避け、本願発明の主応力算出方法に特有の内容のみ説明することとする。すなわち、ここに記載されていない内容は、「2.主応力算出プログラム」や「1.定義」で説明したものと同様である。
3. Deformation Modulus Calculation Method Next, the principal stress calculation method of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the principal stress calculation method of the present invention is a method for calculating the principal stress of a rock mass using the principal stress calculation program of the present invention described so far, and therefore, we will avoid explanations that overlap with the contents explained in the principal stress calculation program of the present invention, and will only explain the contents unique to the principal stress calculation method of the present invention. In other words, the contents not described here are the same as those explained in "2. Principal Stress Calculation Program" and "1. Definition".
図12は、本願発明の主応力算出方法の主な工程を示すフロー図である。この図に示すように、まずボーリングマシン等を用いて異方性岩盤を削孔(掘削)してボーリング孔BHを構築する(Step201)。ボーリング孔BHを構築すると、図1に示すようなボアホールジャッキ試験を実施する(Step202)。このとき、既述したとおり載荷方向θ を変えながら、計画したN回(3以上の自然数)だけ繰り返しボアホールジャッキ試験を実施する。 Fig. 12 is a flow diagram showing the main steps of the principal stress calculation method of the present invention. As shown in this figure, first, a boring machine or the like is used to drill (excavate) an anisotropic rock mass to construct a borehole BH (Step 201). After the borehole BH is constructed, a borehole jack test as shown in Fig. 1 is carried out (Step 202). At this time, as described above, the loading direction θ The borehole jack test is carried out repeatedly N times (a natural number of 3 or more) while changing the
ボアホールジャッキ試験を実施し、N回分の試験結果が得られると、本願発明の主応力算出プログラムを用いて図9に示す一連の処理をコンピュータに実行させることによって、異方性岩盤の最大主応力σ1
∞と最小主応力σ2
∞、主応力の作用角αを求める(Step203)。
After conducting the borehole jack test and obtaining the test results for N times, the maximum
本願発明の主応力算出プログラム、及び主応力算出方法は、杭基礎、トンネルや地下空洞を新設するための設計、施工中の地下空洞の安定性検討、あるいは変状トンネル補強設計など、種々の構造物設計や安定性検討に利用することができる。本願発明によれば、その異方性を前提としたうえで適切に岩盤の主応力を評価することができ、これによって構造物等のより的確な設計が可能となり、その結果、我が国の建設インフラストラクチャーの高品質化につながることを考えれば、本願発明は産業上利用できるばかりでなく社会的にも大きな貢献を期待し得る発明といえる。 The principal stress calculation program and method of the present invention can be used in the design and stability study of various structures, such as the design of new pile foundations, tunnels and underground cavities, the stability study of underground cavities under construction, and the reinforcement design of deformed tunnels. According to the present invention, the principal stress of rock can be appropriately evaluated based on the premise of anisotropy, which enables more accurate design of structures, etc., and as a result, leads to higher quality of construction infrastructure in Japan. Considering this, the present invention can be said to be an invention that can be expected to not only be used industrially, but also to make a great contribution to society.
BH ボーリング孔
CP 圧力源
HS ホース
JB ボアホールジャッキ
LB 載荷板
DL データロガー
SC 通信ケーブル
BH Borehole CP Pressure source HS Hose JB Borehole jack LB Loading plate DL Data logger SC Communication cable
Claims (3)
前記第1変形係数E1は直交する第1軸、第2軸及び第3軸のうち該第1軸方向の変形係数であって、前記第2変形係数E2は該第2軸方向の変形係数であり、
前記載荷試験における試験孔半径r及び載荷面曲率β、前記第1軸と前記第2軸を含む平面内の第1ポアソン比ν12、該第1軸と前記第3軸を含む平面内の第2ポアソン比ν13、前記第1変形係数E1、前記第2変形係数E2、水平面と前記第1軸との傾斜角φ、並びに前記載荷初期圧p0を取込む条件値取込処理と、
前記作用角αの候補となる複数種類の候補作用角α(j)を設定する作用角設定処理と、
前記候補作用角α(j)ごとに、次式で与えられ、前記第1変形係数E1、前記第2変形係数E2、前記傾斜角φ、及び前記作用角αを変数とする第1感度係数Ω1(i,j)及び第2感度係数Ω2(i,j)を算出する感度係数算出処理と、
p0=Ω1(i,j)×σ1 ∞(i,j)+Ω2(i,j)×σ2 ∞(i,j)
前記候補作用角α(j)ごとに、暫定最大主応力σ1 ∞(i,j)及び暫定最小主応力σ2 ∞(i,j)を算出する暫定主応力算出処理と、
前記候補作用角α(j)ごとに、N回の試験それぞれについて次式で与えられる2乗差s(i,j)を算出するとともに、N回分の該2乗差の総和である総和2乗差を算出する差分2乗和算出処理と、
s(i,j)=[p0-Ω1(i,j)×σ1 ∞(i,j)+Ω2(i,j)×σ2 ∞(i,j)]2
前記候補作用角α(j)ごとに得られる前記総和2乗差のうち、最小の該総和2乗差を選出するとともに、最小の該総和2乗差に係る前記候補作用角α(j)を前記作用角αとして決定する作用角決定処理と、
前記作用角決定処理で決定された前記作用角αに係る前記暫定最大主応力σ1 ∞(i,j)及び前記暫定最小主応力σ2 ∞(i,j)を、前記暫定最大主応力σ1 ∞及び前記最小主応力σ2 ∞として決定する主応力決定処理と、を前記コンピュータに実行させる機能を備えた、
ことを特徴とする主応力算出プログラム。 A program for causing a computer to execute a function of calculating the maximum principal stress σ 1 ∞ , the minimum principal stress σ 2 ∞ , and the action angle α of the maximum principal stress σ 1 ∞ of a rock mass based on the first deformation coefficient E 1 , the second deformation coefficient E 2 , and the initial loading pressure p 0 obtained by performing N (N is a natural number of 3 or more) loading tests in which pressure is applied to the wall surface of a borehole in an anisotropic rock mass by a uniform displacement loading method while changing the loading direction,
The first deformation coefficient E1 is a deformation coefficient in a first axis direction among a first axis, a second axis, and a third axis which are perpendicular to each other, and the second deformation coefficient E2 is a deformation coefficient in a second axis direction,
a condition value input process for inputting the test hole radius r and the loading surface curvature β in the loading test, the first Poisson's ratio v 12 in the plane including the first axis and the second axis, the second Poisson's ratio v 13 in the plane including the first axis and the third axis, the first deformation coefficient E 1 , the second deformation coefficient E 2 , the inclination angle φ between the horizontal plane and the first axis, and the initial loading pressure p 0 described above;
a duration setting process for setting a plurality of candidate duration angles α(j) that are candidates for the duration angle α;
a sensitivity coefficient calculation process for calculating a first sensitivity coefficient Ω 1 (i, j) and a second sensitivity coefficient Ω 2 (i, j) given by the following formula, with the first deformation coefficient E 1 , the second deformation coefficient E 2 , the inclination angle φ, and the duration angle α as variables, for each of the candidate duration angles α (j);
p 0 = Ω 1 (i, j) × σ 1 ∞ (i, j) + Ω 2 (i, j) × σ 2 ∞ (i, j)
a provisional maximum principal stress σ 1 ∞ (i, j) and a provisional minimum principal stress σ 2 ∞ (i, j) are calculated for each of the candidate operating angles α(j);
a sum-of-squared-difference calculation process for calculating a squared difference s(i,j) given by the following formula for each of N tests for each of the candidate operating angles α(j), and calculating a sum of squared differences, which is the sum of the squared differences for the N tests;
s (i, j) = [p 0 - Ω 1 (i, j) × σ 1 ∞ (i, j) + Ω 2 (i, j) × σ 2 ∞ (i, j)] 2
a duration determination process for selecting a minimum sum squared difference from the sum squared differences obtained for each candidate duration angle α(j), and determining the candidate duration angle α(j) associated with the minimum sum squared difference as the duration angle α;
a principal stress determination process for determining the provisional maximum principal stress σ 1 ∞ (i, j) and the provisional minimum principal stress σ 2 ∞ (i, j) associated with the duration angle α determined in the duration angle determination process as the provisional maximum principal stress σ 1 ∞ and the minimum principal stress σ 2 ∞ ,
A principal stress calculation program characterized by:
ことを特徴とする請求項1記載の主応力算出プログラム。 The provisional principal stress calculation process calculates the provisional maximum principal stress σ 1 ∞ (i, j) and the provisional minimum principal stress σ 2 ∞ (i, j) by a least squares method using the following equation:
2. The principal stress calculation program according to claim 1,
載荷方向を変えながら前記岩盤に対してN(Nは3以上の自然数)回の前記載荷試験を行う載荷試験工程と、
N回分の試験結果に基づいて、前記岩盤の前記最大主応力σ1 ∞、前記最小主応力σ2 ∞、及び前記作用角αを求める解析工程と、を備え、
前記解析工程では、請求項1又は請求項2記載の前記主応力算出プログラムを使用して前記最大主応力σ1 ∞、前記最小主応力σ2 ∞、及び前記主応力の作用角αを求める、
ことを特徴とする主応力算出方法。 A method for determining the maximum principal stress σ 1 ∞ , the minimum principal stress σ 2 ∞ , and the action angle α of the maximum principal stress σ 1 ∞ of the rock mass exhibiting anisotropy by performing a loading test in which pressure is applied to the wall surface of a borehole by a uniform displacement loading method, comprising:
A load test process in which the load test is performed N times (N is a natural number of 3 or more) on the rock mass while changing the loading direction;
and an analysis step of determining the maximum principal stress σ 1 ∞ , the minimum principal stress σ 2 ∞ , and the operating angle α of the rock mass based on the results of N tests,
In the analysis step, the maximum principal stress σ 1 ∞ , the minimum principal stress σ 2 ∞ , and the action angle α of the principal stress are obtained using the principal stress calculation program according to claim 1 or 2.
A method for calculating a principal stress.
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