非対称シリンダを有するサーボ試験機での岩石試験の制御性
3.一軸圧縮試験時の制御性

3.1 実験方法と試料岩石

試料岩石として、三城目安山岩、秋吉大理石および稲田花崗岩を用いた。試験片は直径2.5cm、直径5cmの円柱形のものを用いた。同一試験条件で3本以上の試験を行った。

実験方法として次式で示される応力帰還試験を用い、岩石試験での制御性を調べた。

ε−ασ/E=Ct   (1)

ただし、ε、σ、E、C、tはそれぞれ歪み、応力、ヤング率、載荷速度および時間であり、αは応力の帰還量を決定する無次元定数である。実験では載荷速度として、10−2、10−3、10−4、10−5−1の4種類とした。αとして三城目安山岩および稲田花崗岩は0.4、秋吉大理石は0とした。圧力源からの供給圧は10.3MPaとし、無負荷時の減衰係数比は0.9とした。

制御性を検討するためにシリンダ室の圧力の他に、目標値と実際の値との差である誤差信号Erも調べることとした。

Er=ε−ασ/E−Ct   (2)

誤差信号が負であれば制御系は遅れており、正であれば行き過ぎていることを示す。

3.2 三城目安山岩 

3.2.1 応力−歪み曲線と誤差信号の関係

三城目安山岩の実験結果を図4に示す。図4(a)は、各載荷速度での応力σ−歪みε曲線である。後述する誤差信号などとの関係を明確に示すために、横軸を応力、縦軸を歪みとした。三城目安山岩では載荷速度が大きくなるに従い、小さい場合の応力−歪み曲線を拡大したような形状となっており、過去の研究(大久保ら,1987)と一致している。また、載荷速度が10−2−1から10−4−1までは、応力−歪み曲線が強度破壊点以降で数回、波を打っている。他方、10−2−1では強度破壊点以降、急激に破壊が進行し、直線的に応力が減少している。

図4(b)は、応力σと誤差信号Erの関係である。図で載荷速度が10−5−1の場合、誤差信号はほぼ0であり、残留強度がほぼ0となるまで設定通りに制御がなされていることがわかる。10−4−1および10−3−1の場合、強度破壊点以前では誤差信号が若干負(遅れ位相)であるがその値は小さく、ほぼ設定通りに試験が行われている。しかし、強度破壊点以降では数回、誤差信号が波打つ現象が見られる。誤差信号が波打つ時と、応力−歪み曲線で波打つ時とは一致している。強度破壊点を過ぎると時々、岩石の破壊は急激に進行し、応力は減少する。そのため、(2)式で示される誤差信号は急激に増大する。他方、試験機側はその誤差信号をなくそうとするが、ある程度誤差が大きくならないとシリンダは動くことができず時間遅れが生じ、このため波打つような応答となる。10−2−1の場合には、強度破壊点以前での誤差信号は−5×10−4であり、載荷速度10−3−1の場合に比べて8倍程度である。強度破壊点において誤差信号は急激に増加し始め、応力の低下に従いほぼ直線的に増加し続ける。誤差信号が最も大きくなるのは、応力が10MPaの時で3×10−3であり、その後、誤差信号は減少している。

3.2.2 シリンダ室の圧力の変化

図4(c)に押し側のシリンダ室1の圧力P1、図4(d)に引き側のシリンダ室2の圧力P2の応力σによる変化を示す。図で、滑らかに圧力が変動している領域が強度破壊点以前であり、波打っている領域が強度破壊点以降に相当する。10−5−1では応力の増加に従い、P1はほぼ直線的に増加しており、強度破壊点以降で若干振動は見られるものの強度破壊点以前と以降とは、ほぼ同じ経路をたどっている。他方、応力の増加によりP2は低下する傾向が見られるが、強度破壊点以前・以降ではさほど変わらない。載荷速度が大きくなるに従い、その傾向に変化が見られる。最も早い10−2−1の場合ではP1は載荷直後から応力が50MPaとなるまで減少し、その後増加傾向に転じる。強度破壊点を過ぎた後、応力が40MPaとなるまで強度破壊点以前の曲線と比較的近い。しかしそれを過ぎても圧力は低下し続け、10MPaで急激に増加傾向になっている。この10MPa付近では、応力−歪み曲線で歪みが減少し始めていることが図4(a)よりわかる。他方、 P2も載荷直後から急激に低下し、強度破壊点において最小値3.2MPaを取っている。強度破壊点以降では応力が30MPaまでは強度破壊点以前と同じ経路をたどっているが、10MPa付近で急激に圧力の上昇が見られる。以上のように全体的な特徴としては、載荷速度が大きくなると、シリンダ室の圧力の低下が大きくなる。逆に載荷速度が小さいと、強度破壊点以降での振動が見られる。10−4−1および10−3−1では、10−2−1と10−5−1の中間的な傾向となる。

3.3 秋吉大理石

3.3.1 応力−歪み曲線と誤差信号の関係

秋吉大理石の実験結果を図5に示す。図5(a)に示した応力−歪み曲線では、クラスT特性を示している。また、三城目安山岩と同様に載荷速度が大きくなるに従い、小さい場合の応力−歪み曲線を拡大した形状となる。載荷速度が10−3−1から10−5−1までは強度破壊点以降で応力−歪み曲線が数回波打ち、10−2−1では強度破壊点以降、直線的に応力が減少している傾向なども三城目安山岩と類似している。

図5(b)は、応力と誤差信号の関係である。10−5−1および10−4−1では、誤差信号はほぼ0であり、設定通りに制御がなされている。10−3−1の場合には強度破壊点以前では誤差信号が若干負(遅れ位相)であるがその値は小さい。強度破壊点以降で誤差信号が波打つ現象が見られ、この場合も応力−歪み曲線で波打っている。載荷速度が10−2−1では、強度破壊点以前において応力が80MPaまでは−3×10−4程度の誤差が生じている。80MPaより大きくなると、徐々に誤差信号は増加し、強度破壊点付近で最大の10−3程度となっている。このように弾性領域では位相遅れが目立つ。強度破壊点以降で応力が20MPaまでは誤差信号は増加傾向となる。20MPaで急激に誤差信号は減少し、応力が0となるまで誤差信号は−3×10−4とほぼ一定である。

3.3.2 シリンダ室の圧力の変化

図5(c)に押し側のシリンダ室1の圧力P1、図5(d)に引き側のシリンダ室2の圧力P2の応力による変化を示す。載荷速度が10−5−1、10−4−1では応力の増大に従い、P1は直線的に増加し、P2は減少している。強度破壊点以降では若干の振動は見られるものの、強度破壊点以前とほぼ同じ経路をたどっている。10−3−1の時は10−5−1、10−4−1に比べ、 P1,P2とも小さく、強度破壊点以降で波打つ傾向が見られる。10−2s−1の時、強度破壊点以降でP1は載荷直後から応力が80MPaとなるまで減少し、その後増加傾向に転じる。強度破壊点を過ぎた後、応力が20MPaとなるまでほぼ直線的に減少している。一方、P2も載荷直後から急激に低下し始め、強度破壊点で最小値4.0MPaを取っている。

3.4 稲田花崗岩

3.4.1 応力−歪み曲線と誤差信号の関係

図6(a)に示した応力−歪み曲線では、クラスU特性を示している。他の岩石と異なり、載荷速度10−5−1以外では岩石は強度破壊点以降で急激に破壊した。制御不能となった応力と歪みの位置を図中に●で示し、それ以降は破線で示した。図では載荷速度が大きくなると、制御不能となる時の応力は大きくなっており、既報(大久保ら,1988)で示したように載荷速度が大きくなった場合の制御性の劣化が現れている。また、●で示した位置は強度破壊点での歪みとほぼ同じであり、シリンダを戻すように制御が働く前に、クラスU特性を示す稲田花崗岩ではエネルギー過多となり、試験片に蓄えられたエネルギーによって、急激に破壊したものと考えられる。

図6(b)の応力と誤差信号の関係において、強度破壊点以前では傾向的に秋吉大理石と同じである。破線で示した10−5−1以外で急激に破壊した後は、シリンダがほとんど移動する間もなく破壊しているため、誤差信号は応力の低下によってかなり進み位相となっている。

3.4.2 シリンダ室の圧力の変化

図6(c)に押し側のシリンダ室1の圧力、図6(d)に引き側のシリンダ室2の圧力の応力による変化を示す。強度破壊点以前では、他の岩石同様、応力の増加により、P1は増加、P2は減少傾向が見られる。しかし100〜200MPa付近でP1,P2とも若干圧力が上昇する傾向が見られる。100MPa付近でP1とP2の大小関係が逆転しており、この現象と何らかの関係があるのではないかと考えるが、今後の課題としたい。

強度破壊点以降では、載荷速度10−5−1の時は載荷段階とほぼ同じ経路をたどっている。10−3−1および10−2−1では強度破壊点付近で急激に破壊したため、ほとんど圧力の変化が見られていない。