JP2004061202A - 岩石等破壊前駆段階推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実験に裏付けられたより確度の高い岩石等破壊前駆段階推定方法を提供すること。
【解決手段】岩石等にＡＥセンサを設置し、ＡＥセンサにより受信されたＡＥの波形から得られる複数種のパラメーターである第一パラメーターｄ１，Ｅの組み合わせ結果と当該第一パラメーターｄ１，Ｅによりあらかじめ求められた前駆段階の領域との照合により前駆段階を推定する。また、受信されたＡＥの波形における一定のしきい値Ｆａを越えた時点から当該波形の最大値に至る時点までの立ち上がり時間ｄ１である第一パラメーターにより前駆段階を推定することもできる。さらには、受信されたＡＥの波形から一定時間の波形の積分値Ｅである第一パラメーターを求め、当該積分値Ｅにより前駆段階を推定することもできる。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、岩石等破壊前駆段階推定方法に関するものである。さらに詳しくは、地震、岩板の崩壊、地滑、コンクリート構造物の崩壊等、岩盤等の破壊現象をその前駆段階で捕らえ推定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、岩石等破壊前駆段階推定方法としては、加速度計等により複数箇所で地中の振動を捕らえたり、音響センサにより捕らえた地中振動を計数機で計数することにより、岩盤の崩壊や地滑りを捕らえるものが知られている。しかし、岩石崩壊の挙動と信号との相関が不明確で、その結果、岩石崩壊等の推定精度が不十分であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、実験に裏付けられたより確度の高い岩石等破壊前駆段階推定方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る岩石等破壊前駆段階推定方法の特徴は、岩石又はコンクリート構造物（以下、「岩石等」）の破壊の前駆段階を推定するための方法であって、前記岩石等にＡＥセンサを設置し、前記ＡＥセンサにより受信されたＡＥの波形から得られる複数種のパラメーターである第一パラメーターの組み合わせ結果と当該第一パラメーターによりあらかじめ求められた前記前駆段階の領域との照合により前記前駆段階を推定することにある。
【０００５】
実験によれば、岩石に圧縮応力を作用させた状態で発生するＡＥ（アコースティック・エミッション）から求められた第一パラメーターと岩石が破壊に至る前駆段階で生じる体積歪みの増加領域との間で相関がみられた。そして、この第一パラメーターを複数用いることで、より確度の高い岩石等破壊の前駆段階推定が可能であることが確認された。
【０００６】
本発明の他の特徴は、岩石等の破壊の前駆段階を推定するための方法であって、前記岩石等にＡＥセンサを設置し、前記ＡＥセンサにより受信されたＡＥの波形における一定のしきい値を越えた時点から当該波形の最大値に至る時点までの立ち上がり時間である第一パラメーターにより前記前駆段階を推定することにある。また、本発明のさらに他の特徴は、岩石等の破壊の前駆段階を推定するための方法であって、前記岩石等にＡＥセンサを設置し、前記ＡＥセンサにより受信されたＡＥの波形から一定時間の波形の積分値である第一パラメーターを求め、当該積分値により前記前駆段階を推定することにある。実験によれば、第一パラメーターとして、上述の立ち上がり時間やエネルギーとしての積分値を用いることが適切であることが判明した。
【０００７】
また、上記各特徴方法において、前記ＡＥセンサを複数箇所に設置し、前記第一パラメーターの基礎となるＡＥの前記各ＡＥセンサによる受信時刻の差によりこのＡＥの発生箇所を位置評定してもよい。ＡＥの位置評定により、特徴的なＡＥの分布が求められ、特に測定点が３カ所以上であれば、３次元的な位置評定を行うことができる。例えば、立ち上がり時間の短いＡＥについて位置評定を行った際にランダム位置でＡＥが発生していた場合、微小破壊がランダムに発生していると推定することができる。一方、立ち上がり時間の長いＡＥについて位置評定を行った際にＡＥが特定部位に集中していれば、例えば、亀裂が進展し結合が生じていると推測できる。位置評定の表現は、例えば、第一パラメーターを色調表示とし、３次元座標にプロットするようにしてもよい。
【０００８】
望ましくは、前記ＡＥを除く地震予知に関するパラメーターである第二パラメーターをさらに求め、前記第一パラメーターによる前駆段階の推定に加え、この第二パラメーターの判断により前記前駆段階が地震であるか否かを推定するとよい。第二パラメーターの判断を加えることで、ＡＥが地震等に起因するものか、表層で発生する地震以外のものかを判断することが可能となる。
【０００９】
一方、上記各特徴に記載の方法に用いる岩石等破壊前駆段階推定装置の特徴構成は、前記ＡＥセンサとこのＡＥセンサによる受信波形から前記第一パラメーターを抽出する第一パラメーター抽出手段と、２以上の第一パラメーターにより２次元以上のグラフとして前記受信波形より得られた値をプロットし表示する表示手段とを備えることにある。
【００１０】
【発明の効果】
このように、上記本発明に係る岩石等破壊前駆段階推定方法の特徴によれば、第一パラメーターを複数種又は特定のパラメーターを用いることで、より確度の高い状態で岩石等の破壊前駆段階を推定することが可能となった。この結果、地震等に関し、その前駆段階を推定するための新たな判断要素を獲得することができるようになった。また、第二パラメーターの判断を加えることで、地震とそれ以外の岩石等破壊前駆段階とを判別できるようになり、災害の規模推定をも行いうる可能性が見いだされた。
本発明の他の目的、構成、効果については以下の発明の実施の形態の項で明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。
図１に本発明の第一パラメーターを導出するための試験装置１を示す。この試験装置１は、大略圧縮試験器２と処理ユニット９とを備えている。図１（ａ）に示す圧縮試験器２は、フレーム３と、このフレーム３の間に支持された固定部４ａ及び可動ヘッド４ｂとを備えており、可動ヘッド４ｂは一定速度で固定部４ａに近接して固定部４ａ，可動ヘッド４ｂ間で試験体Ｓの圧縮を行う。試験体Ｓの左右側面には下ＡＥセンサ５ａ，５ａ及び上ＡＥセンサ５ｂ，５ｂがそれぞれ２個ずつ取り付けられている。また、試験体Ｓの前後側面にも下歪みゲージ６ａ及び上歪みゲージ６ｂがそれぞれ２個ずつ取り付けられ、さらに試験体Ｓと可動ヘッド４ｂとの間には試験体Ｓに対する圧縮力を求めるための圧力センサ７が設けられている。
【００１２】
図１（ｂ）に示す処理ユニット９は、接続端子Ｊ１〜４で上記４個の下ＡＥセンサ５ａ，上ＡＥセンサ５ｂに接続され、接続端子Ｊ５ａ〜６ｂ及び７により上記４個の下歪みゲージ６ａ，及び上歪みゲージ６ｂに接続される。下ＡＥセンサ５ａ，上ＡＥセンサ５ｂの出力はフィルタ１０ａ〜ｄを介してノイズが除去される。また、可変抵抗である下歪みゲージ６ａ，上歪みゲージ６ｂはブリッジ１１ａ〜ｄの一部に組み込まれ、不平衡電圧が出力される。Ａ／Ｄコンバータ１３ａ〜ｉはこれら各出力をデジタル変換し、パーソナルコンピューター１４に入力させる。パーソナルコンピューター１４では試験体ＳからのＡＥ及び試験体Ｓの歪みが処理され、モニタ１５を介して処理結果の表示がなされる。
【００１３】
本実施形態における試験体Ｓとしては、大理石と花崗岩三種とを用いた。試験体Ｓの寸法は、縦・横・高さが７０／７０／２００ｍｍの角材とした。花崗岩には蛭川石、稲田石、庵治石を用いた。大理石は主成分が方解石で石灰質であり、粘土等を含んでいる。また、花崗岩は主成分が長石、石英等の硬質粒子を含んでいる。これらの岩石を用いた圧縮試験を行うことで、地震の前駆段階における現象を推定することが可能になるものと推察される。
【００１４】
図２に受信したＡＥ波形の一例を示す。横軸は時間Ｔ、縦軸は受信強度Ｆであり、波形ｆ１の包絡線をｆ２で示す。パーソナルコンピューター１４ではｆ１からｆ２が求められ、ｆ１がしきい値Ｆａを越えたところでトリガが掛かるように設定されている。しきい値Ｆａを越えた時刻Ｔ０と最大に達する時刻Ｔ１との時間差ｄ１を「立ち上がり時間」と称する。
【００１５】
一方、立ち上がり時刻Ｔ０から微少時間ｄ２さかのぼった時刻Ｔ２がプレトリガ時刻として設定されている。このプレトリガ時刻Ｔ２から一定の基準時間ｄ３後の打ち切り時刻Ｔ３までの間における包絡線ｆ２で囲まれた面積Ｇをここではエネルギ値Ｅと称する。なお、本発明におけるエネルギやエネルギ値とは、トリガを契機として認識された１つの受信波形を用いた面積値を意味するものとする。
【００１６】
上記各下歪みゲージ６ａ，上歪みゲージ６ｂはｘ，ｙの２軸方向に対する歪みを検出する。水平方向の歪みをＥｘ，垂直方向の歪みをＥｙ、元の体積をＶｏとすると、体積歪みＶｅは次式の通りとなる。なお、Ｅｘ，Ｅｙとしては４個の下歪みゲージ６ａ，上歪みゲージ６ｂから得られた値を平均した値を採用した。
【００１７】
Ｖｅ＝Ｖｏ（１＋Ｅｘ）^２・（１＋Ｅｙ）
【００１８】
固定部４ａ，可動ヘッド４ｂ間での一定スピードによる圧縮の際、圧力センサ７に圧縮圧力が作用する。この圧縮圧力をブリッジ１２による不平衡電圧として検出し、負荷を求める。かかる負荷を横軸とし、縦軸を体積歪みとしたｆ３で示すグラフが図３である。同グラフより、体積歪みが減少する第一領域Ａ１、体積歪みの減少率が緩やかとなる第二領域Ａ２、体積歪みの減少率が増加し始める第三領域Ａ３，体積歪みが急激に増大する第四領域Ａ４に分類が可能である。
【００１９】
図４〜６に負荷と振幅、立ち上がり時間ｄ１及びエネルギーとの関係の一例をそれぞれ示す。同時に負荷と体積歪みとの関係も示す。第一領域Ａ１は線形変形を行うみかけの弾性領域であり、ＡＥはほとんどみられなかった。庵治石はこの第一領域Ａ１が広く、稲田石ではこの第一領域Ａ１が狭かった。
【００２０】
第二領域Ａ２は体積歪みの減少する非線形領域である。負荷に伴い圧縮方向の歪みだけ現れている状態であり、硬質粒子の影響で周囲の弱い粒子を潰したり空孔が閉口するような変形形態が考えられる。この領域では、立ち上がり時間ｄ１は２０μｓｅｃと短く振幅値及びエネルギ値Ｅも低かった。大理石ではこの領域でＡＥの発生は殆どみられなかった。花崗岩では３種類とも違った発生形態をとっていた。第一領域Ａ１が狭かった稲田石では第二領域Ａ２でＡＥの発生が顕著であるのに対し、第一領域Ａ１が広かった庵治石では第二領域Ａ２が狭くＡＥの発生が少なかった。このことから，第一領域Ａ１と第二領域Ａ２との歪みの違いは各岩石の硬質粒子の形状や分布の違いに原因があるものと推察される。
【００２１】
第三領域Ａ３は体積歪みの増加する領域であり、体積歪みの増加は横方向への変形が起こっていることを意味する。亀裂の進展やすべり等の変形形態が考えられる領域である。第三領域Ａ３ではＡＥの発生頻度が増加し、第二領域Ａ２でみられた信号の他に立ち上がり時間ｄ１が５０μｓｅｃ程度と長く、エネルギ値Ｅ及び振幅値共に第二領域Ａ２に比較して大きな信号の発生が見られるようになった。この領域ではどの試験体でも上述したような立ち上がり時間ｄ１やエネルギ値Ｅ等が高い信号が計測され、特徴も類似していることから、これらの値の高くなった信号は材質の影響の他に亀裂の進展や滑りといった現象を反映したものと考えられる。第四領域Ａ４は最終破断領域であることから、第四領域Ａ４の前駆段階である第三領域Ａ３で顕著なＡＥ信号の特徴（以下、「第一パラメーター」）を抽出することで、第四領域Ａ４の前駆段階である旨を推定することができる。
【００２２】
図７は立ち上がり時間ｄ１及びエネルギ値Ｅと各領域Ａ１〜４との関係を示す図である。すなわち、図５及び図６の関係を２次元平面で表現される１つのグラフに統合したものであり、立ち上がり時間ｄ１及びエネルギ値Ｅの双方を利用して岩石等破壊の前駆段階をより正確に推定することが可能であることが明らかとなった。
【００２３】
上述の例では、第一パラメーターとして、立ち上がり時間ｄ１，エネルギ値Ｅ，ＡＥの最大振幅を用いた。この第一パラメーターとしては、その他、ＡＥの１波形をＦＦＴにより解析して周波数スペクトルを求め、その周波数スペクトルの面積の重心である重心周波数や、周波数スペクトルの一定周波数帯域における積分値等を用いることができる。また、単位時間あたりの数値を第一パラメーターとすることも可能である。例えば、上述のしきい値を越えたＡＥ波形の総数（ヒットレート）、エネルギ値Ｅの総和、最大振幅の総和等である。そして、これら各第一パラメーターを２以上の複数組み合わせてｎ次元座標を作成し、座標内での位置により観測結果が上述のどの領域に属するのかを判定することができる。
【００２４】
次に、上述の原理を応用した岩石等破壊前駆段階推定装置の構成について説明する。まず、図８に岩盤２００とＡＥセンサ１０との関係を示す。図８（ａ）の例では、岩盤２００に杭１００を打ち込み、杭１００に固定した拡大部１０１にＡＥセンサ１０を取り付けてある図８（ｂ）に示すように、岩盤２００にプレート１０２を固定し、このプレート１０２にＡＥセンサ１０を取り付けてもよく、岩盤２００等からの振動をＡＥセンサ１０で捕らえ、モニタする。複数個設けられたＡＥセンサ１０の出力は処理ユニット９のフィルタに接続され、これにより推定装置の基本部分が構成され、上述の推定がなされる。
【００２５】
図９に示す推定装置２０は、前記ＡＥを除く地震予知に関するパラメーターである第二パラメーターをもさらに判断対象に含むものである。推定装置２０は、第一パラメーターの判断部分である処理ユニット９と第二パラメーターの判断部分である第二パラメーター判定部３０と、これら処理ユニット９及び第二パラメーター判定部３０の総合判断を行う総合判定ユニット４０とを含んでいる。
【００２６】
プローブ３２は地下水からラドン計測やｐＨ計測を行ったり、地中に埋め込んで電位計測を行うためのものである。また、電磁波探知機３３は飛行機やヘリコプターに搭載されて地上より電磁波の計測を行い、受信アンテナ３４に計測結果を電信する。そして、これらの計測結果は第二パラメーター判定ユニット３１により処理されて、地震の特徴の有無を総合的に判定される。処理ユニット９と第二パラメーター判定部３０とによる判定結果は総合判定ユニット４０で総合的に判定され、地震の前駆段階であるか否かが判定される。
【００２７】
例えば、処理ユニット９で岩石等破壊の前駆段階と判断され、さらに、第二パラメーター判定部３０で地震の特徴が認定された場合には、地震の前駆段階であるとの推定が成立する。その一方、処理ユニット９で岩石等破壊の前駆段階と判断されるが、第二パラメーター判定部３０で地震の特徴が認定されない場合には、地震ではなく、地表での岩石等破壊の前駆段階であるとの推定が成立する。この後者の場合としては、地滑りや岸壁、トンネルの崩壊等がこれに該当する。
【００２８】
本実施形態では、図９，１０に示すように、ＡＥセンサ１０が複数のセンサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ…よりなる。そして、各センサ１０ａ〜ｆは一定のサンプリングレートで分割される個別のチャンネルに接続され、複数チャンネルでの第一パラメーターの処理が行われる。また、第一パラメータに用いられる特定のＡＥを３以上の複数のＡＥセンサを利用して受信し、受信時間差からＡＥ発生の位置評定を行う。
【００２９】
例えば、図１０では、３つのセンサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃを利用して特定ＡＥの時間差から距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を求める。そして、各センサ１０ａ，１０ｂ，１０ｃの設置位置を中心として距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を半径とする球体の交点ＰがＡＥの発生座標位置となる。
【００３０】
このようにして評定されたＡＥの発生位置を、例えば図１１に示すｘｙｚ３次元座標にプロットする。各プロット点は、第一パラメーターの強度に応じた色調表示とする。立ち上がり時間の短い点は符号Ｃ１のように広がりをもってランダムに分布し、立ち上がり時間の長い点は符号Ｃ２のようにクラックを描くことがある。これにより、岩石等破壊の前駆段階を岩石等の破壊挙動を関連させて推定することが可能となる。
【００３１】
最後に、本発明のさらに他の実施形態の可能性について説明する。
上記各実施形態では、岩石の破壊前駆段階について説明した。しかし、本発明はコンクリート構造打物の破壊前駆段階についても適用可能と考えられる。例えば、橋脚、橋梁、トンネル、建築物、護岸壁等の崩壊を事前に察知することができる。
【００３２】
上記実施形態では、岩石として花崗岩及び大理石について実証実験を行った。しかし、本発明は、地表の主要部をなす他の岩石についても適用可能と推認される。
【００３３】
なお、特許請求の範囲の項に記入した符号は、あくまでも図面との対照を便利にするためのものにすぎず、該記入により本発明は添付図面の構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】岩石等破壊前駆段階推定方法に用いる推定装置であって、（ａ）は圧縮試験装置、（ｂ）は処理装置を示す図である。
【図２】ＡＥセンサによる受信波形の一例と第一パラメーターの導出方法を示す図である。
【図３】負荷と体積歪みとの関係を示す図である。
【図４】負荷と体積歪み及び振幅との関係を示す図である。
【図５】負荷と体積歪み及び立ち上り時間との関係を示す図である。
【図６】負荷と体積歪み及びエネルギーとの関係を示す図である。
【図７】負荷及びエネルギーと各領域との関係を示す図である。
【図８】ＡＥセンサと岩盤との関係を示す図であって、ａ）は杭を用いた場合，（ｂ）はプレートを用いた場合である。
【図９】推定装置のブロック図である。
【図１０】推定装置のセンサ配置を示す平面図である。
【図１１】ＡＥの発生位置評定に用いられる３次元座標グラフである。
【符号の説明】
１：試験装置，２：圧縮試験器，３：フレーム，４ａ：固定部，４ｂ：可動ヘッド，５ａ：下ＡＥセンサ，５ｂ：上ＡＥセンサ，６ａ：下歪みゲージ，６ｂ：上歪みゲージ，７：圧力センサ，９：処理ユニット，１０：ＡＥセンサ，１０ａ〜１０ｄ：フィルタ，１１ａ〜１１ｄ：ブリッジ，１２：ブリッジ，１３ａ〜１３ｉ：Ａ／Ｄコンバータ，１４：パーソナルコンピューター，１５：モニタ，２０：推定装置，３０：第二パラメーター判定部，３１：第二パラメーター判定ユニット，３２：プローブ，３３：電磁波探知機，３４受信アンテナ，４０：総合判定ユニット，２００：岩盤，１００：杭、１０１：拡大部，１０２：プレート，Ａ１：第一領域，Ａ２：第二領域，Ａ３：第三領域，Ａ４：第四領域，ｄ１：立ち上がり時間，Ｅ：エネルギ値，Ｓ：試験体

Claims (6)

1. 岩石又はコンクリート構造物（以下、「岩石等」）の破壊の前駆段階を推定するための岩石等破壊前駆段階推定方法であって、前記岩石等（２００）にＡＥセンサ（１０）を設置し、前記ＡＥセンサ（１０）により受信されたＡＥの波形から得られる複数種のパラメーターである第一パラメーター（ｄ１，Ｅ）の組み合わせ結果と当該第一パラメーター（ｄ１，Ｅ）によりあらかじめ求められた前記前駆段階の領域との照合により前記前駆段階を推定することを特徴とする岩石等破壊前駆段階推定方法。
2. 岩石等（２００）の破壊の前駆段階を推定するための岩石等破壊前駆段階推定方法であって、前記岩石等（２００）にＡＥセンサ（１０）を設置し、前記ＡＥセンサ（１０）により受信されたＡＥの波形における一定のしきい値（Ｆａ）を越えた時点から当該波形の最大値に至る時点までの立ち上がり時間（ｄ１）である第一パラメーターにより前記前駆段階を推定することを特徴とする岩石等破壊前駆段階推定方法。
3. 岩石等（２００）の破壊の前駆段階を推定するための岩石等破壊前駆段階推定方法であって、前記岩石等（２００）にＡＥセンサ（１０）を設置し、前記ＡＥセンサ（１０）により受信されたＡＥの波形から一定時間の波形の積分値（Ｅ）である第一パラメーターを求め、当該積分値（Ｅ）により前記前駆段階を推定することを特徴とする岩石等破壊前駆段階推定方法。
4. 前記ＡＥセンサ（１０）を複数箇所に設置し、前記第一パラメーターの基礎となるＡＥの前記各ＡＥセンサ（１０）による受信時刻の差によりこのＡＥの発生箇所を位置評定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の岩石等破壊前駆段階推定方法。
5. 前記ＡＥを除く地震予知に関するパラメーターである第二パラメーターをさらに求め、前記第一パラメーター（ｄ１，Ｅ）による前駆段階の推定に加え、この第二パラメーターの判断により前記前駆段階が地震であるか否かを推定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の岩石等破壊前駆段階推定方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の岩石等破壊前駆段階推定方法に用いる岩石等破壊前駆段階推定装置であって、前記ＡＥセンサ（１０）とこのＡＥセンサ（１０）による受信波形から前記第一パラメーター（ｄ１，Ｅ）を抽出する第一パラメーター抽出手段（９）と、２以上の第一パラメーターにより２次元以上のグラフとして前記受信波形より得られた値をプロットし表示する表示手段（１５）とを備えることを特徴とする岩石等破壊前駆段階推定装置

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