JPH0670595B2 - ボアホール式軸方向ひずみ計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、地中に埋設して軸方向の歪みを計測するボア
ホール式軸方向ひずみ計に関する。

〔従来の技術〕

地殻の傾斜や、ひずみ変化などに対する地殻変動連続観
測は、地震観測と並び地震予知のために重要なものであ
る。最近これらの観測は、土地問題、保守管理上の問題
から、ボアホール（ボーリング孔）を利用して行われる
ことが多い。

すでに傾斜計や水平方向のひずみを測る３成分ひずみ計
はボアホール式のものがある。なお、このボアホール式
３成分ひずみ計は、本件発明者が発明（埋込式ひずみ
計；特許第1395517号、特公昭62-2249号公報参照）し、
実用化したものであるが、本件発明者は、さらにこのボ
アホール式３成分ひずみ計の上に傾斜計、地震計をつけ
加え、一体化したボアホール式複合観測装置を開発し、
実用に供しつつある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来より鉛直方向（ボアホールの軸方向）のひ
ずみ変化を高精度で測定するものはなかった。ただ、類
似のものとして、土木構造物の監視用として使われるカ
ールソン型変換器あるいはひずみゲージを利用したひず
み計はあるが、これらは分解能が低い、長期安定性
にかける、等の欠点があり、地震予知のための地殻変動
観測には使えないものである。

また、地震予知のための地殻変動連続観測において、前
兆検出の信頼度を上げるためには、ある観測点で種類の
異なる観測をできるだけ数多く行うことが有効であり、
このような観点から、上記ボアホール式複合観測装置に
さらに付加するものとして、ボアホール式軸方向ひずみ
計が望まれる。

さらに、最近はグローバルサイスモロジー（汎地球的地
震学）といって、地球上にできるだけ均一に地震観測点
を配置し、そのデータにより地球内部の各種異方性を調
べようとする気運が高まってきている。このためには海
底にも広帯域の地震計を設置する必要があるが、この場
合保守管理の点からいうと、従来の陸上用長周期地震計
は適当ではなく、むしろボアホール式のひずみ計を広帯
域のひずみ地震計として利用することが有効である。し
かし、この場合も水平方向のひずみ地震波の観測だけで
は十分ではなく、鉛直方向のひずみ地震波の測定も要求
される。このように純学術的な方面からも、精度の高い
ボアホール式軸方向ひずみ計が求められている。

本発明は、上記のような要請に応えられるような高分解
能、高安定性を持つボアホール式の軸方向ひずみ計を提
供することを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

そのために本発明は、地中に埋設して軸方向の歪みを計
測するボアホール式軸方向ひずみ計であって、円筒形状
のハウジングを中間板で上部の信号変換部と下部の伸縮
検出部に２分し、伸縮検出部の底板に剛性の高い連結柱
を接合して当該連結柱の上端と中間板との相対変位を信
号変換部に中間板を介して増幅伝達するように構成した
ことを特徴とするものである。

〔作用〕

本発明のボアホール式軸方向ひずみ計では、伸縮検出部
の底板に剛性の高い連結柱を接合して当該連結柱の上端
と中間板との相対変位を信号変換部に中間板を介して増
幅伝達するので、例えば大ベローズと小ベローズとの組
み合わせを採用することにより高い精度で軸方向のひず
みを計測することができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係るボアホール式軸方向ひずみ計の１
実施例を示す図であり、１は岩盤、２は充填用モルタ
ル、３は底板、４は中間板、５は上板、６は伸縮検出
部、７は信号変換部、８は連結柱、９は大ベローズ、10
は通路、11は小ベローズ、12は差動トランス、13は余剰
シリコンオイル排出用孔、14は余剰シリコンオイル排出
用弁、15はシリコンオイルだまり、16はガスだまり、17
は信号ケーブルを示す。

本発明に係るボアホール式軸方向ひずみ計は、全体とし
て円筒状をなしており、第１図に示すように地表から地
下の岩盤１までうがったボーリング孔内に設置し、周囲
の岩盤との間隙は膨張性モルタル２で充填することによ
って、周囲との一体的結合を図ったものである。そし
て、本体は、中間板４により上方の信号変換部７と下方
の伸縮検出部６に２分されている。

伸縮検出部６においては、剛性の大きい連結柱８が底板
３の上に、外部円筒と同軸になるように取りつけられて
いる。そして、この連結柱８の上端は、中間板４の下側
に取りつけられた大ベローズ９に接合されている。この
大ベローズの中は、化学的安定性の高い液体としてたと
えばシリコンオイルで満たされ、この液体は、中間板４
の上側に接合された小ベローズ11と中間板４を貫通する
通路10により連通している。

また、信号変換部７においては、小ベローズ11の周囲に
その変位を電圧変化に変換する差動トランス12が設けら
れ、ケーブル17は、この出力信号を地上に送るためのも
のである。そして、これら小ベローズ11、差動トランス
12がシリコンオイルで埋没するシリコンオイルだまり15
となり、上方の空間16には不活性ガスが充填されてい
る。また、中間板４の、小ベローズ11の外側と大ベロー
ズ９の内側との間に余剰シリコンオイル排出用孔13と余
剰シリコンオイル排出用弁14が設けられる。

本発明に係るボアホール式軸方向ひずみ計は、上記構成
により地殻の鉛直方向のひずみ変化を測定するものであ
り、次にその動作を説明する。

本発明のひずみ計が埋設されている岩盤に上下方向のひ
ずみ変化があった時、このひずみ計もそれに対応して上
下方向の伸縮を受けるが、この時の中間板４と底板３と
の間隔の変化は、連結柱８によりそのまま大ベローズ９
の伸縮として伝えられる。この大ベローズ９の伸縮によ
り内部のシリコンオイルが通路10から小ベローズ11内に
流出入する。これによる小ベローズ11の変位は、差動ト
ランス12によって電圧変化に変換され、信号ケーブル17
を通じて地上に送られる。

なお、小ベローズ11の伸びが限界に達したときは、排出
用バルブ14を開け、排出口13から余剰のシリコンオイル
を小ベローズ11の外側のオイルだまり15に排出する。し
たがって、この排出用バルブ14の操作により、小ベロー
ズ11を再び中間作動点に復帰させることができる。ま
た、このオイルだまり15の上部の空間16は、余剰シリコ
ンオイルの排出に無理はかからないように圧縮されやす
い不活性ガスでみたされている。小ベローズ11の縮みが
限界に達したときも、排出口13を通るシリコンオイルの
流れが逆の向きになるだけである。

このようにして得られた中間板４と底板３との間の距離
変化Δｌをその距離ｌで割ったもの、すなわちΔｌ／ｌ
が上下方向のひずみ変化Δε_zにほぼ等しくなる。な
お、Δｌ／ｌからより厳密なひずみ変化Δε_zを求める
ためには、有限要素法などにより補正係数を求めておけ
ばよい。

第２図及び第３図は連結柱を変形した本発明の他の実施
例を示す図であり、21と24は大ベローズ、22と25は連結
柱、23と26は底板を示す。

これらは、連結柱の横方向の体積力に対する剛性を高
め、地震時の横方向の振動を軽減するように工夫をした
ものである。第２図に示す例は、先細りとなるようにテ
ーパーをつけた連結柱22を用いたものであり、第３図に
示す例は、製作を容易にするため、直径の異なるパイプ
を２段に積んで連結柱25を構成したものである。これに
より横方向の振動がみかけの上下方向のひずみ変化とな
ってあらわれるのを防ぐことができる。

第４図は岩盤との一体化を強化するための本発明の他の
実施例を示す図であり、31は伸縮検出部、32は信号変換
部、33と34は延長部を示す。

第４図において、延長部33、34は、それぞれひずみ計の
上下部分をそれぞれスカート状に延ばし、多数の孔をあ
けたものである。これにより、ひずみ計とモルタルとの
接触面積が大きくなり、モルタルを介して岩盤とより確
実に一体化されることが期待できる。

以上述べたように、本発明に係るボアホール式軸方向ひ
ずみ計は、長期安定性や高分解能が保証されているこ
と、大深度にも設置できること等から、地震予知のため
の地殻ひずみの連続測定をボーリング孔中で行うための
ものとして最適である。この場合、すでにあるボアホー
ル式３成分ひずみ計とあわせてボアホール式４成分ひず
み計としたものが特に有効であろう。この４成分ひずみ
計は、ひずみ地震計としても有効で将来海底に設置する
ものとして特に有力である。また、これらの特性を生か
しダム等大型構造物に埋込み、応力（ひずみ）変化の連
続的監視にも応用できる。近年、地下岩盤内に大型空洞
をうがち、各種施設として利用する計画が増えてきてい
るが、最近は地下都市の概念が出されるまでにいたり、
地下空間の利用がさらに大きな発展をとげようとしてい
る。このような場合にも安全対策として空洞周辺の応力
（ひずみ）変化を連続測定する必要があるが、本発明の
ボアホール式軸方向ひずみ計を３成分ひずみ計とあわせ
てボアホール式４成分ひずみ計とすると、この目的のた
めにも大いに利用できる。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではな
く、種々の変形が可能である。上記の実施例では、ひず
み計の上下部分をそれぞれスカート状に延ばし、さらに
孔をあけることによって、岩盤との一体化を確実にする
ように構成したが、この延長部の形状は、円筒状でも円
柱状でもよく、さらには、本体や延長部の表面に円周方
向の溝を多数に設けたり、凹凸部分を設けるようにして
もよい。また、信号変換部には、ベローズを用いたが、
ダイヤフラムその他の信号増幅手段を用いてもよいし、
差動トランスも他の磁気センサー等の変位検出手段に代
えてもよい。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、伸縮
検出部の長さを大きくすることにより、あるひずみ変化
に対応した大ベローズの変化を大きくすることができる
ので、分解能を必要に応じて大きくすることができる。
また、大ベローズと小ベローズの断面積比を大きくする
ことにより、機械的な増幅度を上げることができる。さ
らに使用する液体に化学的安定性の高いものを選び、長
期の安定性を保証することができる。また、このひずみ
計の地中部分には、電気回路としては、差動トランスの
コイル部分があるだけであり、半導体素子等は含まれな
いので、本発明のボアホール式軸方向ひずみ計は、地中
においてもより高温に耐えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るボアホール式軸方向ひずみ計の１
実施例を示す図、第２図及び第３図は連結柱を変形した
本発明の他の実施例を示す図、第４図は岩盤との一体化
を強化するための本発明の他の実施例を示す図である。 １……岩盤、２……充填用モルタル、３……底板、４…
…中間板、５……上板、６……伸縮検出部、７……信号
変換部、８……連結柱、９……大ベローズ、10……通
路、11……小ベローズ、12……差動トランス、13……余
剰シリコンオイル排出用孔、14……余剰シリコンオイル
排出用弁、15……シリコンオイルだまり、16……ガスだ
まり、17……信号ケーブル。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地中に埋設して軸方向の歪みを計測するボ
   アホール式軸方向ひずみ計であって、円筒形状のハウジ
   ングを中間板で上部の信号変換部と下部の伸縮検出部に
   ２分し、伸縮検出部の底板に剛性の高い連結柱を接合し
   て当該連結柱の上端と中間板との相対変位を信号変換部
   に中間板を介して増幅伝達するように構成したことを特
   徴とするボアホール式軸方向ひずみ計。
2. 【請求項２】連結柱の上端と中間板との間に大ベローズ
   を配置し、中間板の上側の信号変換部側に小ベローズを
   配置して中間板に連通孔を設けたことを特徴とする請求
   項１記載のボアホール式軸方向ひずみ計。
3. 【請求項３】大ベローズ及び小ベローズ内にシリコンオ
   イルを封入し、信号変換部内に不活性ガスとシリコンオ
   イルを封入するとともに、中間板の小ベローズの外側と
   大ベローズの内側との間にシリコンオイルの連通孔及び
   弁を設けたことを特徴とする請求項２記載のボアホール
   式軸方向ひずみ計。
4. 【請求項４】連結柱として、上端と下端で異なる径にし
   たことを特徴とする請求項１記載のボアホール式軸方向
   ひずみ計。
5. 【請求項５】ボーリング孔内に設置し、周囲の岩盤との
   隙間にモルタルを充填したことを特徴とする請求項１記
   載のボアホール式軸方向ひずみ計。
6. 【請求項６】外周面をモルタルとの接触面積が大きくな
   るように構成したことを特徴とする請求項５記載のボア
   ホール式軸方向ひずみ計。