応力および歪み検出装置
【課題】岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを長期間に渡り連続して直接的に検出可能な応力および歪み検出装置を提供する。
【解決手段】岩盤に埋設・設置される柱状のケースと、前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出するための２個の受圧面を有し、その２個の受圧面が前記ケースの軸方向に直交する同一軸上に配置されて前記ケースの外周壁から露出され、前記ケースに対して機械的に結合されていない受圧部材と、前記２個の受圧面間の変位量に基づいて前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出する変位検出センサとを備えた応力および歪み検出装置。
【解決手段】岩盤に埋設・設置される柱状のケースと、前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出するための２個の受圧面を有し、その２個の受圧面が前記ケースの軸方向に直交する同一軸上に配置されて前記ケースの外周壁から露出され、前記ケースに対して機械的に結合されていない受圧部材と、前記２個の受圧面間の変位量に基づいて前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出する変位検出センサとを備えた応力および歪み検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は応力および歪み検出装置に係り、詳しくは、岩盤に埋設・設置されて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する応力および歪み検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来発生すると考えられている東海・東南海地震および南海大地震を想定して、現在、ボアホール型の歪み計が日本国内の多く（３０ヵ所以上）の観測点に埋設・設置されており、本出願人を含む複数の研究機関や官庁により、地震予知研究に利用されている。
ボアホール型の歪み計は、地面に掘削されたボアホール（ボーリング孔）内に歪み計をセットしてグラウトで固めることにより歪み計を地中の岩盤に埋設・設置し、岩盤の歪み（岩盤の伸び縮み）の変動を長期間に渡り連続して検出するものである。
【０００３】
特許文献１および非特許文献１には、歪みをテコの原理を応用して連続的に拡大する歪み拡大機構を備え、その歪み拡大機構で拡大された前記テコの最終端の変位量を変位検出センサで検出する歪み拡大検出センサが開示されており、その歪み拡大検出センサを円筒形のケースに内蔵一体化してボアホール型の歪み計として用いることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、円筒形のケース内部に液体（シリコンオイル）を充填し、その液体の移動量からケースの変形を検出するボアホール型の歪み計が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−８７５６３号公報（特許２１０１０６４）
【特許文献２】特開昭５７−１６５７１０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ishii,H., T.Yamauchi, S.Matsumoto, Y.Hirata and S.Nakao, Development of multi-component borehole instrument for earthquake prediction study, some observed example of precursory and co-seismic phenomena relating to earthquake swarms and application of the instrument for rock mechanics, 365-377, Seismogenic Process Monitoring,2002,Balkema.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術（特許文献１および非特許文献１または特許文献２の技術）は、円筒形のケースの変形を検出し、そのケースの変形に基づいて岩盤の歪みを検出するものであるため、ケース全体の変形が相互に関係し、ケースに対して所定方向から印加される岩盤の歪みを独立して正確に検出することが困難である。
【０００８】
ところで、地震予知研究のために岩盤の弾塑性変形を観測する際に、最も重要な測定成分は、岩盤の歪みではなく、地震発生に直接関係している応力である。
しかし、従来技術は岩盤の歪みを検出するものであるため、岩盤の弾性定数を別途測定し、検出した岩盤の歪みに基づく複雑な計算処理の結果として岩盤から受ける応力を求めるしか方法が無い。つまり、従来技術では、岩盤から受ける応力を間接的にしか求め得なかった。
現在のところ、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを長期間に渡り連続して直接的に検出可能な装置は存在していない。
【０００９】
本発明の目的は、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを長期間に渡り連続して直接的に検出可能な応力および歪み検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。
【００１１】
＜本発明の第１の局面＞
第１の局面は、岩盤に埋設・設置される柱状のケースと、
岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出するための２個の受圧面を有し、その２個の受圧面がケースの軸方向に直交する同一軸上に配置されてケースの外周壁から露出され、ケースに対して機械的に結合されていない受圧部材と、
２個の受圧面間の変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する変位検出センサとを備えた応力および歪み検出装置である。
【００１２】
岩盤の歪みの検出レベルは岩盤の性質によって異なるが、岩盤から受ける応力は岩盤の性質にほぼ無関係であるため、応力および歪み検出装置は岩盤の性質に関係なく岩盤から受ける応力を検出できる。
また、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みによりケースが変形するが、受圧部材はケースに対して機械的に結合されていないため、受圧面間の変位量がケースの変形の影響を受けることはなく、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
尚、受圧部材がケースに対して機械的に結合されていないとは、ケースが変形したとしてもその変形が少なくとも受圧部材の軸方向への変位に何ら影響を与えないことをいう。
そして、２個の受圧面がケースの中心軸の方向に直交する同一の軸上に配置されているため、２個の受圧面が配置された軸の方向の岩盤から受ける応力およびその方向の岩盤の歪みを確実に検出できる。
その結果、岩盤から受ける応力の絶対値を長期間に渡り連続して直接的に検出可能な従来は存在していなかった装置を実現できる。
【００１３】
＜本発明の第２の局面＞
第２の局面は、第１の局面において、２個の受圧面に接続され、２個の受圧面が応力を受けると弾性変形する略リング状の接続部材を備える。
受圧面が受ける応力に対応して接続部材は元の形状に戻り、２個の受圧面間の変位量も岩盤から受ける応力に対応して変位するため、変位検出センサの検出結果を出力することができる。
また、接続部材は略リング状であるため、接続部材の弾性変形に伴う不要な応力が変位検出センサに印加されることがなく、接続部材の弾性変形が変位検出センサの検出結果に悪影響を与えるおそれがない。
【００１４】
＜本発明の第３の局面＞
第３の局面は、第１または第２の局面において、受圧部材がケースに複数個設けられ、個々の受圧部材における受圧面の軸方向が異なる。
そのため、個々の受圧部材は、受圧面の軸方向から受ける岩盤からの応力およびその方向の岩盤の歪みを独立して検出可能であり、複数方向の観測から応力および歪みのテンソル成分を求めることができる。これにより、地震予知研究に貢献する地震に関連した微小なレベルの応力および歪みのテンソル成分の観測に利用できる。
【００１５】
＜本発明の第４の局面＞
第４の局面は、第１〜第３の局面において、２個の受圧面が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する応力拡大機構を備え、その応力拡大機構で拡大されたテコの最終端の変位量を変位検出センサで検出する。
その結果、２個の受圧面間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大機構によって拡大されるため、受圧面が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、２個の受圧面間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大機構に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサの測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（Ａ）は、本発明を具体化した一実施形態の応力および歪み検出装置１０の全体概略構成を示す斜視図。図１（Ｂ）は、応力および歪み検出装置１０の埋設・設置状態を説明するための説明図。
【図２】応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの取付状態を説明するための応力および歪み検出装置１０の横断面図であり、図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ矢線断面図。
【図３】応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの概略構成を説明するための外観図であり、図３（Ａ）は上面図、図３（Ｂ）は正面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）における右側面図（左側面図）。
【図４】応力垂直成分検出ユニット４０の取付状態を説明するための応力および歪み検出装置１０の縦断面図であり、図１（Ａ）におけるＹ−Ｙ矢線断面図。
【図５】応力垂直成分検出ユニット４０の概略構成を説明するための外観図であり、図５（Ａ）は正面図、図５（Ｂ）は側面図、図５（Ｃ）は下面図。
【図６】応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの受圧面３１，３２が配置されている軸α〜γを説明するための説明図。
【図７】応力および歪み検出装置１０を用いて検出された応力の計測記録を示す計測図。
【図８】応力および歪み検出装置１０を用いて検出された歪みの計測記録を示す計測図。
【図９】グアム島付近で発生した地震について、応力および歪み検出装置１０を用いて検出した応力地震波形の計測記録を示す計測図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した一実施形態の応力および歪み検出装置（応力・歪み計）１０について図面を参照しながら説明する。尚、応力および歪み検出装置１０において、同一の構成部材については符号を等しくしてある。
【００１８】
図１（Ａ）に示すように、応力および歪み検出装置１０は、ケース２０、応力水平成分検出ユニット（受圧部材）３０ａ〜３０ｃ、応力垂直成分検出ユニット４０、通信ケーブル５０から構成されている。
円柱状のケース２０の上端からは通信ケーブル５０が延出されている。
ケース２０には、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃおよび応力垂直成分検出ユニット４０が取り付けられており、ケース２０は液密状態になっている。
尚、ケース２０の外径寸法は約１０ｃｍ前後である
【００１９】
図１（Ｂ）に示すように、応力および歪み検出装置１０は地面に対して鉛直に掘削されたボアホール（ボーリング孔）６０内の底近傍にセットされ、応力および歪み検出装置１０の周囲が膨張性のグラウト６１で固められることにより、応力および歪み検出装置１０のケース２０は地中の岩盤に対して鉛直に埋設・設置されて岩盤と一体にされている。
そして、応力および歪み検出装置１０の通信ケーブル５０は地上に引き出されている。
尚、応力および歪み検出装置１０を岩盤に埋設・設置するには、まず、ボアホール６０内にグラウト６１を注入し、次に、グラウト６１の中に応力および歪み検出装置１０を沈下させればよい。
【００２０】
応力水平成分検出ユニット（感受ピストン）３０ａ〜３０ｃは、２個の受圧面３１，３２を有する。
受圧面３１，３２は、ケース２０の中心軸（垂直軸）Ｐの方向に直交する同一の軸（水平軸）α〜γ上に配置されてケース２０の外周壁から露出されている。そして、受圧面３１，３２は軸α〜γに直交する平面である。
応力垂直成分検出ユニット４０は１個の受圧面４１を有し、受圧面４１はケース２０の中心軸Ｐ上に配置されてケース２０の底部から露出されている。
そのため、各受圧面３１，３２，４１は岩盤からの応力を受ける。
【００２１】
図２は、図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ矢線断面図である。
図３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの上面図，正面図，右側面図（左側面図）である。
ケース２０は一定肉厚の円筒状であり、ケース２０の内部に応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃが取り付けられている。
３個の応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃは同一構成であり、基盤部３３，３４、Ｏリング３５、フレーム部（接続部材）３６、応力拡大装置（応力拡大機構）３７、変位検出センサ３８から構成されている。
【００２２】
同一構成の基盤部３３，３４はそれぞれ、本体部３３ａ，３４ａおよび取付部３３ｂ，３４ｂを備える。
円柱状の本体部３３ａ，３４ａの頂面に当たる部分がそれぞれ受圧面３１，３２である。
受圧面３１，３２は略平坦に形成されているが、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃをケース２０に取り付ける際に用いる工具を固定する穴（図示略）などが受圧面３１，３２に穿設されていてもよい。
【００２３】
本体部３３ａ，３４ａは、ケース２０の外周壁に貫通形成された円形の取付孔２０ａ，２０ｂに挿通されている。
本体部３３ａ，３４ａの外径は取付孔２０ａ，２０ｂの内径と略同一に形成され、本体部３３ａ，３４ａの長さはケース２０の肉厚と略同一に形成されている。
本体部３３ａ，３４ａの外周壁には、その周方向に複数個（図示例では２個）のＯリング３５が間隔を設けて巻回固定されている。
そのため、本体部３３ａ，３４ａは、ケース２０の取付孔２０ａ，２０ｂに対して液密状態で水平方向（軸α〜γの方向）に摺動可能である。
【００２４】
本体部３３ａ，３４ａにおける受圧面３１，３２の反対側の頂面には、円柱状の取付部３３ｂ，３４ｂが設けられている。
略リング状（略円筒状）のフレーム部３６は取付部３３ｂ，３４ｂに挟設されており、フレーム部３６と基盤部３３，３４は一体化されている。
尚、ケース２０、基盤部３３，３４、フレーム部３６は、剛性が高く耐蝕性に優れた金属材料（例えば、ステンレス鋼など）によって形成されている。
【００２５】
応力拡大装置３７は、特許文献１（特開平５−８７５６３号公報）に開示されている歪み拡大機構と同一構成であり、基板３７ａ、応力作用部３７ｂ、固定部３７ｃを備える。
基板３７ａの両端部には応力作用部３７ｂおよび固定部３７ｃが設けられ、基板３７ａには変位検出センサ３８が取り付けられている。
応力作用部３７ｂは、フレーム部３６を介して基盤部３３に接続固定されている。
固定部３７ｃは、フレーム部３６を介して基盤部３４に接続固定されている。
【００２６】
尚、基板３７ａは特許文献１の「基板１」と同じであり、応力作用部３７ｂは特許文献１の「歪み作用部２」と同じであり、固定部３７ｃは特許文献１の「固定部３」と同じであり、変位検出センサ３８は特許文献１の「変位検出センサ９」と同じである。
また、基板３７ａには、特許文献１の「溝彫り部４」および「テコ５〜７」と同一部材が形成されているが、図示を省略する。
【００２７】
図４は、図１（Ａ）におけるＹ−Ｙ矢線断面図である。
図５（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、応力垂直成分検出ユニット４０の正面図，側面図，下面図である。
応力垂直成分検出ユニット４０において、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃと異なるのは、以下の点である。
【００２８】
［ア］基盤部３３の本体部３３ａの頂面に当たる部分が受圧面４１である。
［イ］本体部３３ａの外径はケース２０の内径と略同一に形成されている。本体部３３ａは、ケース２０の底部に挿通され、ケース２０に対して液密状態で鉛直方向（中心軸Ｐの方向）に摺動可能である。
［ウ］基盤部３４の本体部３４ａにはＯリングが設けられておらず、本体部３４ａはケース２０に取付固定されている。
【００２９】
＜実施形態の作用・効果＞
本実施形態の応力および歪み検出装置１０によれば、以下の作用・効果が得られる。
【００３０】
［１］応力および歪み検出装置１０は、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの水平成分および垂直成分の変動を長期間に渡り連続して検出する。すなわち、応力および歪み検出装置１０は、岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの水平成分を応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃを用いて検出し、岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの垂直成分を応力垂直成分検出ユニット４０を用いて検出する。
このとき、岩盤の歪みの検出レベルは岩盤の性質によって異なるが、岩盤から受ける応力は岩盤の性質にほぼ無関係であるため、応力および歪み検出装置１０は岩盤の性質に関係なく岩盤から受ける応力を検出できる。
その結果、応力および歪み検出装置１０によれば、岩盤から受ける応力の絶対値を長期間に渡り連続して直接的に検出可能な従来は存在していなかった装置を実現できる。
【００３１】
各検出ユニット３０ａ〜３０ｃ，４０の変位検出センサ３８は、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの検出結果を電気信号または光信号に変換し、その信号を通信ケーブル５０を介して地上に設置されたデータロガー（図示略）へ送信する。
尚、変位検出センサ３８の検出結果を、応力および歪み検出装置１０に内蔵しておいた半導体メモリなどの記憶装置（図示略）に記憶保存させてもよい。
【００３２】
［２］応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃは、岩盤から受ける応力が受圧面３１，３２に印加されると、基盤部３３，３４の本体部３３ａ，３４ａがケース２０の取付孔２０ａ，２０ｂに対して摺動し、基盤部３３，３４が軸α〜γに沿った線上を応力拡大装置３７における応力作用部３７ｂと固定部３７ｃの間の距離が変化する。
尚、岩盤から受ける応力が増大すると基盤部３３，３４はケース２０の中心軸Ｐの方向へ移動し、岩盤から受ける応力が減少すると基盤部３３，３４はケース２０の中心軸Ｐとは反対方向へ移動する。
応力拡大装置３７の基板３７ａに取り付けられている変位検出センサ３８は、応力作用部３７ｂと固定部３７ｃの間の変位量を検出することにより、受圧面３１，３２間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの水平成分を検出する。
尚、受圧面３１，３２間の変位量は数μｍ以内である
【００３３】
ここで、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの構成部材（基盤部３３，３４、Ｏリング３５、フレーム部３６、応力拡大機構３７、変位検出センサ３８）はケース２０に対して固定されておらず、これら構成部材の動きはケース２０から何ら影響を受けない。
つまり、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃは、ケース２０に対して機械的（力学的）に結合されていない。
換言すれば、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃがケース２０に対して機械的に結合されていないとは、ケース２０が変形したとしてもその変形が少なくとも応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの軸α〜γの方向への変位に何ら影響を与えないことをいう。
【００３４】
そのため、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みによりケース２０が変形したとき、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃはケース２０に対して機械的に結合されていないため、受圧面３１，３２間の変位量がケース２０の変形の影響を受けることはない。
従って、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃによれば、受圧面３１，３２間の変位量に基づいて、受圧面３１，３２が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
【００３５】
また、２個の受圧面３１，３２が、ケース２０の中心軸Ｐの方向に直交する同一の軸（水平軸）α〜γ上に配置されてケース２０の外周壁から露出されているため、応力および歪み検出装置１０が軸α〜γの方向の岩盤から受ける応力およびその方向の岩盤の歪みを確実に検出できる。
【００３６】
［３］応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃのフレーム部３６は、基盤部３３，３４を介して受圧面３１，３２に接続され、受圧面３１，３２が岩盤から更なる応力を受けると弾性変形し、受圧面３１，３２が受ける応力が解除されると元の形状に戻る。
そのため、フレーム部３６が元の形状に戻ると、受圧面３１，３２間の変位量も、受圧面３１，３２が岩盤から更なる応力を受ける以前の状態の変位量に戻る。
ここで、応力および歪み検出装置１０の周囲は膨張性のグラウト６１で固められて岩盤と一体にされているため（図１（Ｂ）参照）、応力および歪み検出装置１０の埋設・設置状態において、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃのフレーム部３６には既に弾性変形が生じており、変位検出センサ３８から出力される信号レベルはゼロではなく初期応力を反映している。
【００３７】
また、フレーム部３６は略リング状であるため、フレーム部３６の弾性変形に伴う不要な応力が変位検出センサ３８に印加されることがなく、フレーム部３６の弾性変形が変位検出センサ３８の検出結果に悪影響を与えるおそれがない。
そして、フレーム部３６と基盤部３３，３４が一体化されているため、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃ全体の強度を高めることができる。
【００３８】
［４］ケース２０には３個の応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃが設けられ、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃにおける受圧面３１，３２の軸α〜γの方向が異なっている。
すなわち、図１および図６に示すように、方向の異なる軸（水平軸）α〜γはケース２０の中心で交差し、軸α〜γはそれぞれ１２０゜ずつズラされている。
そのため、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃはそれぞれ、軸α〜γの方向から岩盤が受ける応力およびそれらの方向の岩盤の歪みを独立して検出可能であり、複数方向の観測から応力および歪みのテンソル成分を求めることができる。これにより、地震予知研究に貢献する地震に関連した微小なレベルの応力および歪みのテンソル成分観測に利用できる。
【００３９】
［５］応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの応力拡大装置３７は、受圧面３１，３２が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する。尚、応力拡大装置３７の動作については特許文献１に詳述されているので説明を省略する。
変位検出センサ３８は、応力拡大装置３７で拡大された前記テコの最終端の変位量を検出することにより、受圧面３１，３２間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する。
その結果、受圧面３１，３２間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大装置３７によって拡大されるため、受圧面３１，３２が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、受圧面３１，３２間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大装置３７に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサ３８の測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
【００４０】
［６］応力垂直成分検出ユニット４０は、岩盤から受ける応力が受圧面４１に印加されると、基盤部３３の本体部３３ａがケース２０の内周壁に対して摺動し、基盤部３３がケース２０の中心軸Ｐに沿って移動し、応力拡大装置３７における応力作用部３７ｂと固定部３７ｃの間の距離が変化する。
応力拡大装置３７の基板３７ａに取り付けられている変位検出センサ３８は、応力作用部３７ｂと固定部３７ｃの間の変位量を検出することにより、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの垂直成分を検出する。
【００４１】
ここで、応力垂直成分検出ユニット４０の本体部３４ａはケース２０に固定されているが、本体部３４ａは十分な厚さと固さを有しており剛性が高い。
そのため、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みによりケース２０が変形したとき、本体部３４ａの剛性が高いことにより、ケース２０の変形は受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量にほとんど影響を与えない。
従って、垂直成分検出ユニット４０によれば、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量に基づいて、受圧面４１が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
【００４２】
［７］垂直成分検出ユニット４０のフレーム部３６は、基盤部３３を介して受圧面４１に接続されると共に、取付部３４ｂを介して本体部３４ａに接続され、受圧面４１が岩盤から更なる応力を受けると弾性変形し、受圧面４１が受ける応力が解除されると元の形状に戻る。
そのため、フレーム部３６が元の形状に戻ると、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量も、受圧面４１が岩盤から更なる応力を受ける以前の状態の変位量に戻る。
ここで、応力および歪み検出装置１０の周囲は膨張性のグラウト６１で固められて岩盤と一体にされているため（図１（Ｂ）参照）、応力および歪み検出装置１０の埋設・設置状態において、応力垂直成分検出ユニット４０のフレーム部３６には既に弾性変形が生じており、変位検出センサ３８から出力される信号レベルはゼロではなく初期応力を反映している。
【００４３】
［８］応力垂直成分検出ユニット４０の応力拡大装置３７は、受圧面４１が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する。
変位検出センサ３８は、応力拡大装置３７で拡大された前記テコの最終端の変位量を検出することにより、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する。
その結果、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大装置３７によって拡大されるため、受圧面４１が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大装置３７に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサ３８の測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
【００４４】
［９］図７は、応力および歪み検出装置１０を用いて検出された応力の計測記録を示す計測図である。
図８は、応力および歪み検出装置１０を用いて検出された歪みの計測記録を示す計測図である。
図９は、グアム島付近で発生した地震について、応力および歪み検出装置１０を用いて検出した応力地震波形の計測記録を示す計測図である。
【００４５】
図７〜図９に示す計測例では、応力および歪み検出装置１０が瑞浪市の地下２００ｍの岩盤に埋設・設置されている。
図７〜図９の「N220E」「N100E」「N340E」はそれぞれ、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの方向を示し、北から時計回りに「２２０゜」「１００゜」「３４０゜」の方向の水平成分を表す。
図７〜図９の「Vertical」は、応力垂直成分検出ユニット４０の検出結果である。
図７，図８の「Temp」は、応力および歪み検出装置１０に内蔵された温度計（図示略）の検出結果である。
図７，図８の「Atmo. Press.」は、大気圧の検出結果である。
図７，図８の「Water. Press.」は、応力および歪み検出装置１０が埋設・設置されているのと同じボアホール６０内に設置されている水圧計（図示略）の検出結果である。
【００４６】
図７，図８によれば、月や太陽の引力により発生する地球潮汐および海洋潮汐による地殻応力および地殻歪みの日変化が明瞭に計測されており、この計測記録から応力および歪み検出装置１０が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを高感度に検出可能なことがわかる。
また、図７では岩盤から受ける応力により、図８では岩盤の歪みにより、それぞれ東海道南方沖地震と駿河湾の地震とによる変化が見られる。
しかし、図７，図８では時間軸が圧縮されているため、地震波の波形は見えない。
それに対して、図９では時間軸を引き延ばしているため、応力地震波形だけではあるが明瞭に見られる。
このように、図７〜図９によれば、遠い地震により岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの変化についても検出可能なことがわかる。
【００４７】
図９およびここには示されていないが、多くの観測結果により、世界のどの場所で起こった地震でもマグニチュード６．５以上であれば、応力および歪み検出装置１０が十分に検出可能な感度を有していることが明らかである。
【００４８】
［１０］各検出ユニット３０ａ〜３０ｃ，４０の変位検出センサ３８は、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの検出結果を電気信号または光信号に変換する。
そのため、以下の検定方法により、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの変化に対する変位検出センサ３８の電気信号または光信号の信号レベルの変化特性を予め求めておくことにより、信号レベルと応力の正確な特性を得ると共に、信号レベルと歪みの正確な特性を得ることができる。
そして、以下の検定方法により、応力および歪み検出装置１０が埋設・設置された地点の応力と歪みの絶対値を連続的に検知することができる。
【００４９】
［ａ］圧力検定：水圧を可変することが可能な容器内に応力および歪み検出装置１０をセットし、容器内の水圧の変化に対する変位検出センサ３８の信号ベルの変化特性を計測する検定方法。
［ｂ］荷重検定：受圧面３１，３２，４１に荷重検出器から荷重を付加し、その荷重の変化に対する変位検出センサ３８の信号ベルの変化特性を計測する検定方法。
［ｃ］歪み検定：受圧面３１，３２，４１に作用させる変位を変化させ、その変位の変化に対する変位検出センサ３８の信号ベルの変化特性を計測する検定方法。
【００５０】
＜別の実施形態＞
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
【００５１】
［１］ケース２０は円柱状に限らず、柱状であればどのような形状でもよい。
【００５２】
［２］応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃは、３個に限らず２個以下または４個以上設けてもよく、個々の応力水平成分検出ユニットにおける受圧面３１，３２の軸方向は適宜設定すればよい。
また、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃと同様の構成のユニットを、中心軸Ｐの方向に対して斜め方向に設けることにより、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの斜め成分を検出することができる。
そして、水平、垂直および斜めの成分を検出することにより、応力および歪みの３次元テンソル成分を求めることができる。
【００５３】
［３］応力拡大装置３７が十分な強度を有している場合には、フレーム部３６を省いてもよい。
【００５４】
［４］応力および歪み検出装置１０を岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの変動が大きな場所に埋設・設置する場合には、応力拡大装置３７を省いてもよい。
【００５５】
［５］前記実施形態では、地面に対して鉛直に掘削されたボアホール６０内に応力および歪み検出装置１０をセットしている。
しかし、地面に対して斜め方向に掘削されたボアホール６０内に応力および歪み検出装置１０をセットし、応力および歪み検出装置１０のケース２０を地中の岩盤に掘削されたボアホール６０に沿って埋設・設置して岩盤と一体にしてもよい。
【００５６】
［６］地下深部における建設工事、トンネル工事、鉱山の作業などにおいては、山はねや落盤など人命に関わる被害の発生があり、その被害の発生を予測し、被害を軽減することが求められている。
そこで、応力および歪み検出装置１０は、地震予知研究に利用するだけでなく、前記の工事や作業における安全確認や異常変動の予測に利用することもできる。
【００５７】
本発明は、前記各局面および前記実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。
【符号の説明】
【００５８】
１０…応力および歪み検出装置
２０…ケース
３１，３２，４１…受圧面
３０ａ〜３０ｃ…応力水平成分検出ユニット（受圧部材）
４０…応力垂直成分検出ユニット
３８…変位検出センサ
３６…フレーム部（接続部材）
３７…応力拡大装置（応力拡大機構）
６０…ボアホール
【技術分野】
【０００１】
本発明は応力および歪み検出装置に係り、詳しくは、岩盤に埋設・設置されて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する応力および歪み検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
将来発生すると考えられている東海・東南海地震および南海大地震を想定して、現在、ボアホール型の歪み計が日本国内の多く（３０ヵ所以上）の観測点に埋設・設置されており、本出願人を含む複数の研究機関や官庁により、地震予知研究に利用されている。
ボアホール型の歪み計は、地面に掘削されたボアホール（ボーリング孔）内に歪み計をセットしてグラウトで固めることにより歪み計を地中の岩盤に埋設・設置し、岩盤の歪み（岩盤の伸び縮み）の変動を長期間に渡り連続して検出するものである。
【０００３】
特許文献１および非特許文献１には、歪みをテコの原理を応用して連続的に拡大する歪み拡大機構を備え、その歪み拡大機構で拡大された前記テコの最終端の変位量を変位検出センサで検出する歪み拡大検出センサが開示されており、その歪み拡大検出センサを円筒形のケースに内蔵一体化してボアホール型の歪み計として用いることが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、円筒形のケース内部に液体（シリコンオイル）を充填し、その液体の移動量からケースの変形を検出するボアホール型の歪み計が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−８７５６３号公報（特許２１０１０６４）
【特許文献２】特開昭５７−１６５７１０号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ishii,H., T.Yamauchi, S.Matsumoto, Y.Hirata and S.Nakao, Development of multi-component borehole instrument for earthquake prediction study, some observed example of precursory and co-seismic phenomena relating to earthquake swarms and application of the instrument for rock mechanics, 365-377, Seismogenic Process Monitoring,2002,Balkema.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術（特許文献１および非特許文献１または特許文献２の技術）は、円筒形のケースの変形を検出し、そのケースの変形に基づいて岩盤の歪みを検出するものであるため、ケース全体の変形が相互に関係し、ケースに対して所定方向から印加される岩盤の歪みを独立して正確に検出することが困難である。
【０００８】
ところで、地震予知研究のために岩盤の弾塑性変形を観測する際に、最も重要な測定成分は、岩盤の歪みではなく、地震発生に直接関係している応力である。
しかし、従来技術は岩盤の歪みを検出するものであるため、岩盤の弾性定数を別途測定し、検出した岩盤の歪みに基づく複雑な計算処理の結果として岩盤から受ける応力を求めるしか方法が無い。つまり、従来技術では、岩盤から受ける応力を間接的にしか求め得なかった。
現在のところ、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを長期間に渡り連続して直接的に検出可能な装置は存在していない。
【０００９】
本発明の目的は、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを長期間に渡り連続して直接的に検出可能な応力および歪み検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、下記のように本発明の各局面に想到した。
【００１１】
＜本発明の第１の局面＞
第１の局面は、岩盤に埋設・設置される柱状のケースと、
岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出するための２個の受圧面を有し、その２個の受圧面がケースの軸方向に直交する同一軸上に配置されてケースの外周壁から露出され、ケースに対して機械的に結合されていない受圧部材と、
２個の受圧面間の変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する変位検出センサとを備えた応力および歪み検出装置である。
【００１２】
岩盤の歪みの検出レベルは岩盤の性質によって異なるが、岩盤から受ける応力は岩盤の性質にほぼ無関係であるため、応力および歪み検出装置は岩盤の性質に関係なく岩盤から受ける応力を検出できる。
また、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みによりケースが変形するが、受圧部材はケースに対して機械的に結合されていないため、受圧面間の変位量がケースの変形の影響を受けることはなく、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
尚、受圧部材がケースに対して機械的に結合されていないとは、ケースが変形したとしてもその変形が少なくとも受圧部材の軸方向への変位に何ら影響を与えないことをいう。
そして、２個の受圧面がケースの中心軸の方向に直交する同一の軸上に配置されているため、２個の受圧面が配置された軸の方向の岩盤から受ける応力およびその方向の岩盤の歪みを確実に検出できる。
その結果、岩盤から受ける応力の絶対値を長期間に渡り連続して直接的に検出可能な従来は存在していなかった装置を実現できる。
【００１３】
＜本発明の第２の局面＞
第２の局面は、第１の局面において、２個の受圧面に接続され、２個の受圧面が応力を受けると弾性変形する略リング状の接続部材を備える。
受圧面が受ける応力に対応して接続部材は元の形状に戻り、２個の受圧面間の変位量も岩盤から受ける応力に対応して変位するため、変位検出センサの検出結果を出力することができる。
また、接続部材は略リング状であるため、接続部材の弾性変形に伴う不要な応力が変位検出センサに印加されることがなく、接続部材の弾性変形が変位検出センサの検出結果に悪影響を与えるおそれがない。
【００１４】
＜本発明の第３の局面＞
第３の局面は、第１または第２の局面において、受圧部材がケースに複数個設けられ、個々の受圧部材における受圧面の軸方向が異なる。
そのため、個々の受圧部材は、受圧面の軸方向から受ける岩盤からの応力およびその方向の岩盤の歪みを独立して検出可能であり、複数方向の観測から応力および歪みのテンソル成分を求めることができる。これにより、地震予知研究に貢献する地震に関連した微小なレベルの応力および歪みのテンソル成分の観測に利用できる。
【００１５】
＜本発明の第４の局面＞
第４の局面は、第１〜第３の局面において、２個の受圧面が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する応力拡大機構を備え、その応力拡大機構で拡大されたテコの最終端の変位量を変位検出センサで検出する。
その結果、２個の受圧面間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大機構によって拡大されるため、受圧面が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、２個の受圧面間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大機構に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサの測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１（Ａ）は、本発明を具体化した一実施形態の応力および歪み検出装置１０の全体概略構成を示す斜視図。図１（Ｂ）は、応力および歪み検出装置１０の埋設・設置状態を説明するための説明図。
【図２】応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの取付状態を説明するための応力および歪み検出装置１０の横断面図であり、図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ矢線断面図。
【図３】応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの概略構成を説明するための外観図であり、図３（Ａ）は上面図、図３（Ｂ）は正面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）における右側面図（左側面図）。
【図４】応力垂直成分検出ユニット４０の取付状態を説明するための応力および歪み検出装置１０の縦断面図であり、図１（Ａ）におけるＹ−Ｙ矢線断面図。
【図５】応力垂直成分検出ユニット４０の概略構成を説明するための外観図であり、図５（Ａ）は正面図、図５（Ｂ）は側面図、図５（Ｃ）は下面図。
【図６】応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの受圧面３１，３２が配置されている軸α〜γを説明するための説明図。
【図７】応力および歪み検出装置１０を用いて検出された応力の計測記録を示す計測図。
【図８】応力および歪み検出装置１０を用いて検出された歪みの計測記録を示す計測図。
【図９】グアム島付近で発生した地震について、応力および歪み検出装置１０を用いて検出した応力地震波形の計測記録を示す計測図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した一実施形態の応力および歪み検出装置（応力・歪み計）１０について図面を参照しながら説明する。尚、応力および歪み検出装置１０において、同一の構成部材については符号を等しくしてある。
【００１８】
図１（Ａ）に示すように、応力および歪み検出装置１０は、ケース２０、応力水平成分検出ユニット（受圧部材）３０ａ〜３０ｃ、応力垂直成分検出ユニット４０、通信ケーブル５０から構成されている。
円柱状のケース２０の上端からは通信ケーブル５０が延出されている。
ケース２０には、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃおよび応力垂直成分検出ユニット４０が取り付けられており、ケース２０は液密状態になっている。
尚、ケース２０の外径寸法は約１０ｃｍ前後である
【００１９】
図１（Ｂ）に示すように、応力および歪み検出装置１０は地面に対して鉛直に掘削されたボアホール（ボーリング孔）６０内の底近傍にセットされ、応力および歪み検出装置１０の周囲が膨張性のグラウト６１で固められることにより、応力および歪み検出装置１０のケース２０は地中の岩盤に対して鉛直に埋設・設置されて岩盤と一体にされている。
そして、応力および歪み検出装置１０の通信ケーブル５０は地上に引き出されている。
尚、応力および歪み検出装置１０を岩盤に埋設・設置するには、まず、ボアホール６０内にグラウト６１を注入し、次に、グラウト６１の中に応力および歪み検出装置１０を沈下させればよい。
【００２０】
応力水平成分検出ユニット（感受ピストン）３０ａ〜３０ｃは、２個の受圧面３１，３２を有する。
受圧面３１，３２は、ケース２０の中心軸（垂直軸）Ｐの方向に直交する同一の軸（水平軸）α〜γ上に配置されてケース２０の外周壁から露出されている。そして、受圧面３１，３２は軸α〜γに直交する平面である。
応力垂直成分検出ユニット４０は１個の受圧面４１を有し、受圧面４１はケース２０の中心軸Ｐ上に配置されてケース２０の底部から露出されている。
そのため、各受圧面３１，３２，４１は岩盤からの応力を受ける。
【００２１】
図２は、図１（Ａ）におけるＸ−Ｘ矢線断面図である。
図３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの上面図，正面図，右側面図（左側面図）である。
ケース２０は一定肉厚の円筒状であり、ケース２０の内部に応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃが取り付けられている。
３個の応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃは同一構成であり、基盤部３３，３４、Ｏリング３５、フレーム部（接続部材）３６、応力拡大装置（応力拡大機構）３７、変位検出センサ３８から構成されている。
【００２２】
同一構成の基盤部３３，３４はそれぞれ、本体部３３ａ，３４ａおよび取付部３３ｂ，３４ｂを備える。
円柱状の本体部３３ａ，３４ａの頂面に当たる部分がそれぞれ受圧面３１，３２である。
受圧面３１，３２は略平坦に形成されているが、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃをケース２０に取り付ける際に用いる工具を固定する穴（図示略）などが受圧面３１，３２に穿設されていてもよい。
【００２３】
本体部３３ａ，３４ａは、ケース２０の外周壁に貫通形成された円形の取付孔２０ａ，２０ｂに挿通されている。
本体部３３ａ，３４ａの外径は取付孔２０ａ，２０ｂの内径と略同一に形成され、本体部３３ａ，３４ａの長さはケース２０の肉厚と略同一に形成されている。
本体部３３ａ，３４ａの外周壁には、その周方向に複数個（図示例では２個）のＯリング３５が間隔を設けて巻回固定されている。
そのため、本体部３３ａ，３４ａは、ケース２０の取付孔２０ａ，２０ｂに対して液密状態で水平方向（軸α〜γの方向）に摺動可能である。
【００２４】
本体部３３ａ，３４ａにおける受圧面３１，３２の反対側の頂面には、円柱状の取付部３３ｂ，３４ｂが設けられている。
略リング状（略円筒状）のフレーム部３６は取付部３３ｂ，３４ｂに挟設されており、フレーム部３６と基盤部３３，３４は一体化されている。
尚、ケース２０、基盤部３３，３４、フレーム部３６は、剛性が高く耐蝕性に優れた金属材料（例えば、ステンレス鋼など）によって形成されている。
【００２５】
応力拡大装置３７は、特許文献１（特開平５−８７５６３号公報）に開示されている歪み拡大機構と同一構成であり、基板３７ａ、応力作用部３７ｂ、固定部３７ｃを備える。
基板３７ａの両端部には応力作用部３７ｂおよび固定部３７ｃが設けられ、基板３７ａには変位検出センサ３８が取り付けられている。
応力作用部３７ｂは、フレーム部３６を介して基盤部３３に接続固定されている。
固定部３７ｃは、フレーム部３６を介して基盤部３４に接続固定されている。
【００２６】
尚、基板３７ａは特許文献１の「基板１」と同じであり、応力作用部３７ｂは特許文献１の「歪み作用部２」と同じであり、固定部３７ｃは特許文献１の「固定部３」と同じであり、変位検出センサ３８は特許文献１の「変位検出センサ９」と同じである。
また、基板３７ａには、特許文献１の「溝彫り部４」および「テコ５〜７」と同一部材が形成されているが、図示を省略する。
【００２７】
図４は、図１（Ａ）におけるＹ−Ｙ矢線断面図である。
図５（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ、応力垂直成分検出ユニット４０の正面図，側面図，下面図である。
応力垂直成分検出ユニット４０において、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃと異なるのは、以下の点である。
【００２８】
［ア］基盤部３３の本体部３３ａの頂面に当たる部分が受圧面４１である。
［イ］本体部３３ａの外径はケース２０の内径と略同一に形成されている。本体部３３ａは、ケース２０の底部に挿通され、ケース２０に対して液密状態で鉛直方向（中心軸Ｐの方向）に摺動可能である。
［ウ］基盤部３４の本体部３４ａにはＯリングが設けられておらず、本体部３４ａはケース２０に取付固定されている。
【００２９】
＜実施形態の作用・効果＞
本実施形態の応力および歪み検出装置１０によれば、以下の作用・効果が得られる。
【００３０】
［１］応力および歪み検出装置１０は、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの水平成分および垂直成分の変動を長期間に渡り連続して検出する。すなわち、応力および歪み検出装置１０は、岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの水平成分を応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃを用いて検出し、岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの垂直成分を応力垂直成分検出ユニット４０を用いて検出する。
このとき、岩盤の歪みの検出レベルは岩盤の性質によって異なるが、岩盤から受ける応力は岩盤の性質にほぼ無関係であるため、応力および歪み検出装置１０は岩盤の性質に関係なく岩盤から受ける応力を検出できる。
その結果、応力および歪み検出装置１０によれば、岩盤から受ける応力の絶対値を長期間に渡り連続して直接的に検出可能な従来は存在していなかった装置を実現できる。
【００３１】
各検出ユニット３０ａ〜３０ｃ，４０の変位検出センサ３８は、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの検出結果を電気信号または光信号に変換し、その信号を通信ケーブル５０を介して地上に設置されたデータロガー（図示略）へ送信する。
尚、変位検出センサ３８の検出結果を、応力および歪み検出装置１０に内蔵しておいた半導体メモリなどの記憶装置（図示略）に記憶保存させてもよい。
【００３２】
［２］応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃは、岩盤から受ける応力が受圧面３１，３２に印加されると、基盤部３３，３４の本体部３３ａ，３４ａがケース２０の取付孔２０ａ，２０ｂに対して摺動し、基盤部３３，３４が軸α〜γに沿った線上を応力拡大装置３７における応力作用部３７ｂと固定部３７ｃの間の距離が変化する。
尚、岩盤から受ける応力が増大すると基盤部３３，３４はケース２０の中心軸Ｐの方向へ移動し、岩盤から受ける応力が減少すると基盤部３３，３４はケース２０の中心軸Ｐとは反対方向へ移動する。
応力拡大装置３７の基板３７ａに取り付けられている変位検出センサ３８は、応力作用部３７ｂと固定部３７ｃの間の変位量を検出することにより、受圧面３１，３２間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの水平成分を検出する。
尚、受圧面３１，３２間の変位量は数μｍ以内である
【００３３】
ここで、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの構成部材（基盤部３３，３４、Ｏリング３５、フレーム部３６、応力拡大機構３７、変位検出センサ３８）はケース２０に対して固定されておらず、これら構成部材の動きはケース２０から何ら影響を受けない。
つまり、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃは、ケース２０に対して機械的（力学的）に結合されていない。
換言すれば、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃがケース２０に対して機械的に結合されていないとは、ケース２０が変形したとしてもその変形が少なくとも応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの軸α〜γの方向への変位に何ら影響を与えないことをいう。
【００３４】
そのため、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みによりケース２０が変形したとき、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃはケース２０に対して機械的に結合されていないため、受圧面３１，３２間の変位量がケース２０の変形の影響を受けることはない。
従って、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃによれば、受圧面３１，３２間の変位量に基づいて、受圧面３１，３２が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
【００３５】
また、２個の受圧面３１，３２が、ケース２０の中心軸Ｐの方向に直交する同一の軸（水平軸）α〜γ上に配置されてケース２０の外周壁から露出されているため、応力および歪み検出装置１０が軸α〜γの方向の岩盤から受ける応力およびその方向の岩盤の歪みを確実に検出できる。
【００３６】
［３］応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃのフレーム部３６は、基盤部３３，３４を介して受圧面３１，３２に接続され、受圧面３１，３２が岩盤から更なる応力を受けると弾性変形し、受圧面３１，３２が受ける応力が解除されると元の形状に戻る。
そのため、フレーム部３６が元の形状に戻ると、受圧面３１，３２間の変位量も、受圧面３１，３２が岩盤から更なる応力を受ける以前の状態の変位量に戻る。
ここで、応力および歪み検出装置１０の周囲は膨張性のグラウト６１で固められて岩盤と一体にされているため（図１（Ｂ）参照）、応力および歪み検出装置１０の埋設・設置状態において、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃのフレーム部３６には既に弾性変形が生じており、変位検出センサ３８から出力される信号レベルはゼロではなく初期応力を反映している。
【００３７】
また、フレーム部３６は略リング状であるため、フレーム部３６の弾性変形に伴う不要な応力が変位検出センサ３８に印加されることがなく、フレーム部３６の弾性変形が変位検出センサ３８の検出結果に悪影響を与えるおそれがない。
そして、フレーム部３６と基盤部３３，３４が一体化されているため、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃ全体の強度を高めることができる。
【００３８】
［４］ケース２０には３個の応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃが設けられ、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃにおける受圧面３１，３２の軸α〜γの方向が異なっている。
すなわち、図１および図６に示すように、方向の異なる軸（水平軸）α〜γはケース２０の中心で交差し、軸α〜γはそれぞれ１２０゜ずつズラされている。
そのため、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃはそれぞれ、軸α〜γの方向から岩盤が受ける応力およびそれらの方向の岩盤の歪みを独立して検出可能であり、複数方向の観測から応力および歪みのテンソル成分を求めることができる。これにより、地震予知研究に貢献する地震に関連した微小なレベルの応力および歪みのテンソル成分観測に利用できる。
【００３９】
［５］応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの応力拡大装置３７は、受圧面３１，３２が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する。尚、応力拡大装置３７の動作については特許文献１に詳述されているので説明を省略する。
変位検出センサ３８は、応力拡大装置３７で拡大された前記テコの最終端の変位量を検出することにより、受圧面３１，３２間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する。
その結果、受圧面３１，３２間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大装置３７によって拡大されるため、受圧面３１，３２が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、受圧面３１，３２間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大装置３７に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサ３８の測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
【００４０】
［６］応力垂直成分検出ユニット４０は、岩盤から受ける応力が受圧面４１に印加されると、基盤部３３の本体部３３ａがケース２０の内周壁に対して摺動し、基盤部３３がケース２０の中心軸Ｐに沿って移動し、応力拡大装置３７における応力作用部３７ｂと固定部３７ｃの間の距離が変化する。
応力拡大装置３７の基板３７ａに取り付けられている変位検出センサ３８は、応力作用部３７ｂと固定部３７ｃの間の変位量を検出することにより、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤に作用する応力および岩盤の歪みの垂直成分を検出する。
【００４１】
ここで、応力垂直成分検出ユニット４０の本体部３４ａはケース２０に固定されているが、本体部３４ａは十分な厚さと固さを有しており剛性が高い。
そのため、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みによりケース２０が変形したとき、本体部３４ａの剛性が高いことにより、ケース２０の変形は受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量にほとんど影響を与えない。
従って、垂直成分検出ユニット４０によれば、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量に基づいて、受圧面４１が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを正確に検出できる。
【００４２】
［７］垂直成分検出ユニット４０のフレーム部３６は、基盤部３３を介して受圧面４１に接続されると共に、取付部３４ｂを介して本体部３４ａに接続され、受圧面４１が岩盤から更なる応力を受けると弾性変形し、受圧面４１が受ける応力が解除されると元の形状に戻る。
そのため、フレーム部３６が元の形状に戻ると、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量も、受圧面４１が岩盤から更なる応力を受ける以前の状態の変位量に戻る。
ここで、応力および歪み検出装置１０の周囲は膨張性のグラウト６１で固められて岩盤と一体にされているため（図１（Ｂ）参照）、応力および歪み検出装置１０の埋設・設置状態において、応力垂直成分検出ユニット４０のフレーム部３６には既に弾性変形が生じており、変位検出センサ３８から出力される信号レベルはゼロではなく初期応力を反映している。
【００４３】
［８］応力垂直成分検出ユニット４０の応力拡大装置３７は、受圧面４１が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する。
変位検出センサ３８は、応力拡大装置３７で拡大された前記テコの最終端の変位量を検出することにより、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量を検出し、その変位量に基づいて岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを検出する。
その結果、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量が小さい場合でも、その変位量が応力拡大装置３７によって拡大されるため、受圧面４１が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みが低レベルであっても確実に検出できる。
また、受圧面４１と本体部３４ａの間の変位量が非常に大きくなった場合には、応力拡大装置３７に備えてあるメカニカルなリセットシステムにより、変位検出センサ３８の測定範囲内にメカニカルに戻すことができる。
【００４４】
［９］図７は、応力および歪み検出装置１０を用いて検出された応力の計測記録を示す計測図である。
図８は、応力および歪み検出装置１０を用いて検出された歪みの計測記録を示す計測図である。
図９は、グアム島付近で発生した地震について、応力および歪み検出装置１０を用いて検出した応力地震波形の計測記録を示す計測図である。
【００４５】
図７〜図９に示す計測例では、応力および歪み検出装置１０が瑞浪市の地下２００ｍの岩盤に埋設・設置されている。
図７〜図９の「N220E」「N100E」「N340E」はそれぞれ、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃの方向を示し、北から時計回りに「２２０゜」「１００゜」「３４０゜」の方向の水平成分を表す。
図７〜図９の「Vertical」は、応力垂直成分検出ユニット４０の検出結果である。
図７，図８の「Temp」は、応力および歪み検出装置１０に内蔵された温度計（図示略）の検出結果である。
図７，図８の「Atmo. Press.」は、大気圧の検出結果である。
図７，図８の「Water. Press.」は、応力および歪み検出装置１０が埋設・設置されているのと同じボアホール６０内に設置されている水圧計（図示略）の検出結果である。
【００４６】
図７，図８によれば、月や太陽の引力により発生する地球潮汐および海洋潮汐による地殻応力および地殻歪みの日変化が明瞭に計測されており、この計測記録から応力および歪み検出装置１０が岩盤から受ける応力および岩盤の歪みを高感度に検出可能なことがわかる。
また、図７では岩盤から受ける応力により、図８では岩盤の歪みにより、それぞれ東海道南方沖地震と駿河湾の地震とによる変化が見られる。
しかし、図７，図８では時間軸が圧縮されているため、地震波の波形は見えない。
それに対して、図９では時間軸を引き延ばしているため、応力地震波形だけではあるが明瞭に見られる。
このように、図７〜図９によれば、遠い地震により岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの変化についても検出可能なことがわかる。
【００４７】
図９およびここには示されていないが、多くの観測結果により、世界のどの場所で起こった地震でもマグニチュード６．５以上であれば、応力および歪み検出装置１０が十分に検出可能な感度を有していることが明らかである。
【００４８】
［１０］各検出ユニット３０ａ〜３０ｃ，４０の変位検出センサ３８は、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの検出結果を電気信号または光信号に変換する。
そのため、以下の検定方法により、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの変化に対する変位検出センサ３８の電気信号または光信号の信号レベルの変化特性を予め求めておくことにより、信号レベルと応力の正確な特性を得ると共に、信号レベルと歪みの正確な特性を得ることができる。
そして、以下の検定方法により、応力および歪み検出装置１０が埋設・設置された地点の応力と歪みの絶対値を連続的に検知することができる。
【００４９】
［ａ］圧力検定：水圧を可変することが可能な容器内に応力および歪み検出装置１０をセットし、容器内の水圧の変化に対する変位検出センサ３８の信号ベルの変化特性を計測する検定方法。
［ｂ］荷重検定：受圧面３１，３２，４１に荷重検出器から荷重を付加し、その荷重の変化に対する変位検出センサ３８の信号ベルの変化特性を計測する検定方法。
［ｃ］歪み検定：受圧面３１，３２，４１に作用させる変位を変化させ、その変位の変化に対する変位検出センサ３８の信号ベルの変化特性を計測する検定方法。
【００５０】
＜別の実施形態＞
本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、以下のように具体化してもよく、その場合でも、前記実施形態と同等もしくはそれ以上の作用・効果を得ることができる。
【００５１】
［１］ケース２０は円柱状に限らず、柱状であればどのような形状でもよい。
【００５２】
［２］応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃは、３個に限らず２個以下または４個以上設けてもよく、個々の応力水平成分検出ユニットにおける受圧面３１，３２の軸方向は適宜設定すればよい。
また、応力水平成分検出ユニット３０ａ〜３０ｃと同様の構成のユニットを、中心軸Ｐの方向に対して斜め方向に設けることにより、岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの斜め成分を検出することができる。
そして、水平、垂直および斜めの成分を検出することにより、応力および歪みの３次元テンソル成分を求めることができる。
【００５３】
［３］応力拡大装置３７が十分な強度を有している場合には、フレーム部３６を省いてもよい。
【００５４】
［４］応力および歪み検出装置１０を岩盤から受ける応力および岩盤の歪みの変動が大きな場所に埋設・設置する場合には、応力拡大装置３７を省いてもよい。
【００５５】
［５］前記実施形態では、地面に対して鉛直に掘削されたボアホール６０内に応力および歪み検出装置１０をセットしている。
しかし、地面に対して斜め方向に掘削されたボアホール６０内に応力および歪み検出装置１０をセットし、応力および歪み検出装置１０のケース２０を地中の岩盤に掘削されたボアホール６０に沿って埋設・設置して岩盤と一体にしてもよい。
【００５６】
［６］地下深部における建設工事、トンネル工事、鉱山の作業などにおいては、山はねや落盤など人命に関わる被害の発生があり、その被害の発生を予測し、被害を軽減することが求められている。
そこで、応力および歪み検出装置１０は、地震予知研究に利用するだけでなく、前記の工事や作業における安全確認や異常変動の予測に利用することもできる。
【００５７】
本発明は、前記各局面および前記実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様も本発明に含まれる。本明細書の中で明示した論文、公開特許公報、特許公報などの内容は、その全ての内容を援用によって引用することとする。
【符号の説明】
【００５８】
１０…応力および歪み検出装置
２０…ケース
３１，３２，４１…受圧面
３０ａ〜３０ｃ…応力水平成分検出ユニット（受圧部材）
４０…応力垂直成分検出ユニット
３８…変位検出センサ
３６…フレーム部（接続部材）
３７…応力拡大装置（応力拡大機構）
６０…ボアホール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
岩盤に埋設・設置される柱状のケースと、
前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出するための２個の受圧面を有し、その２個の受圧面が前記ケースの軸方向に直交する同一軸上に配置されて前記ケースの外周壁から露出され、前記ケースに対して機械的に結合されていない受圧部材と、
前記２個の受圧面間の変位量に基づいて前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出する変位検出センサと
を備えた応力および歪み検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の応力および歪み検出装置において、
前記２個の受圧面に接続され、前記２個の受圧面が応力を受けると弾性変形する略リング状の接続部材を備えた応力および歪み検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の応力および歪み検出装置において、
前記受圧部材が前記ケースに複数個設けられ、個々の受圧部材における受圧面の軸方向が異なる応力および歪み検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の応力および歪み検出装置において、
前記２個の受圧面が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する応力拡大機構を備え、
その応力拡大機構で拡大された前記テコの最終端の変位量を前記変位検出センサで検出する応力および歪み検出装置。
【請求項１】
岩盤に埋設・設置される柱状のケースと、
前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出するための２個の受圧面を有し、その２個の受圧面が前記ケースの軸方向に直交する同一軸上に配置されて前記ケースの外周壁から露出され、前記ケースに対して機械的に結合されていない受圧部材と、
前記２個の受圧面間の変位量に基づいて前記岩盤から受ける応力および前記岩盤の歪みを検出する変位検出センサと
を備えた応力および歪み検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の応力および歪み検出装置において、
前記２個の受圧面に接続され、前記２個の受圧面が応力を受けると弾性変形する略リング状の接続部材を備えた応力および歪み検出装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の応力および歪み検出装置において、
前記受圧部材が前記ケースに複数個設けられ、個々の受圧部材における受圧面の軸方向が異なる応力および歪み検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の応力および歪み検出装置において、
前記２個の受圧面が岩盤から受けた応力をテコの原理を応用して連続的に拡大する応力拡大機構を備え、
その応力拡大機構で拡大された前記テコの最終端の変位量を前記変位検出センサで検出する応力および歪み検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−７８２３３（Ｐ２０１２−７８２３３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２４５８８（Ｐ２０１０−２２４５８８）
【出願日】平成２２年１０月４日（２０１０．１０．４）
【出願人】（５９８０２６９８７）財団法人 地震予知総合研究振興会 (2)
【出願人】（５９１２２７３９８）有限会社テクノ菅谷 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月４日（２０１０．１０．４）
【出願人】（５９８０２６９８７）財団法人 地震予知総合研究振興会 (2)
【出願人】（５９１２２７３９８）有限会社テクノ菅谷 (1)
【Ｆターム（参考）】
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