AOKI Hisashi

MATSUKURA Yukinori

SASAKI Tomoya

佐々木 智也

松倉 公憲

青木 久

Tsukuba Repository

〈研究ノート〉大谷石からなる風化岩盤の表面の強
度に関する非破壊測定法: エコーチップ硬さ試験機
と赤外線水分計を利用した例
著者 青木 久, 佐々木 智也, 松倉 公憲
雑誌名 筑波大学陸域環境研究センター報告
巻 6
ページ 33-38
発行年 2005-11
URL http://doi.org/10.15068/00147119
－ 33 －
Ⅰ　はじめに
　岩石強度は含水比の変化に依存する．したがっ
て，野外岩盤の強度低下を正確に把握するために
は，計測時の含水比を把握した上でなされること
が望まれる．
　従来，風化研究における岩石強度の野外測定
には，主にシュミットロックハンマ （ーたとえ
ば，鈴木ほか , 1977; 松倉ほか , 1983），針貫入試
験器（たとえば，Suzuki and Hachinohe, 1995; 
Hachinohe et al., 1999, 2002）, 土壌硬度計 （たと
えば，鈴木ほか , 1977; Suzuki and Hachinohe, 
1995; Yokota and Iwamatsu, 1999; Hachinohe et 
al., 2002） が用いられてきた．最近，著者ら（青
木・松倉，2004a, b）は野外の風化岩盤に適用可
能な簡易反発強度試験法として，金属材料分野
で開発されたエコーチップ硬さ試験機（Proceq, 
1977）の有効性を示した．この試験機は，迅速に
反発硬度を計測することが可能であり，従来の試
験器と比べて測定範囲がきわめて広いという特徴
がある．またその計測値は一軸圧縮強度と正の相
関を持ち，岩石強度の指標となることを示してい
る．特に，打撃エネルギーがシュミットロックハ
ンマーの約 200分の 1程度ときわめて弱いため，
岩石表面はほとんど損傷を受けず，強度の小さな
岩石や風化した岩石に対しても非破壊での計測が
可能である．また現地岩盤での計測だけでなく，
小さな供試体を用いた室内実験にも利用できると
いう利点がある．
　野外における岩盤の含水比の計測法として，
たばこの葉の水分管理を目的に開発された赤外線
吸収式水分計（JTエンジニアリング（株）製，
ハンディ型赤外線水分計 JE100，以下，赤外線水
分計と呼ぶ）を利用した研究がある．Matsukura 
and Takahashi（1999）によれば，この赤外線水
分計の原理は，水分に吸収されやすい近赤外光
（吸収光）と水分の影響を受けにくい近赤外光（参
照光）を交互に試料表面に照射し，それらの反射
光量の比を計算して吸光度とするものである．吸
光度が大きいほど水分量は高くなるという性質を
利用して，含水比を求めるものである．この方法
は，岩盤を構成する岩石の小片を切り出し，その
筑波大学陸域環境研究センター報告　　No.6　　33～ 38　　（2005）
大谷石からなる風化岩盤の表面の強度に関する非破壊測定法：
エコーチップ硬さ試験機と赤外線水分計を利用した例
Non-destructive Measurement of  Rock-surface Strength of  Weathered Oya Tuff:
An Application of  Equotip Hardness Tester and Infrared Optical Moisture Meter
青木　　久 *・佐々木　智也 **・松倉　公憲 ***
Hisashi AOKI *，Tomoya SASAKI ** and Yukinori MATSUKURA *
 * 筑波大学生命環境科学研究科大学院生（現：琉球大学大学院理工学研究科 COE研究員）
 ** 筑波大学第一学群自然学類（現：昭和パックス株式会社）
 *** 筑波大学生命環境科学研究科
－ 34 －
重量と乾燥させた重量の差から水分量を求める従
来の方法と比較して，岩盤を破壊することなく，
迅速に測定ができる，室内実験だけではなく，野
外にも携帯できるという特徴を有する．以上のこ
とから，エコーチップ硬さ試験機および赤外線水
分計は，試料を破壊することなく迅速に測定でき
ることに最大の特徴があり，両機器は，野外岩盤
の風化による強度低下の正確な把握に関するきわ
めて有効な手段になり得ると考えられる．
　そこで，本研究では，新第三紀鮮新世の大谷凝
灰岩（以下，単に大谷石と呼ぶ）を対象に，これ
らの 2つの機器を用いて，風化した大谷石からな
る岩盤での現地計測，および大谷石供試体を用い
た室内試験を行い，それらの結果をもとに，大谷
石の風化による強度低下の定量的把握を試みた．
Ⅱ　野外調査
　栃木県宇都宮市の北西約 8 kmの地点に位置す
る大谷町を中心として，東西約 4 km，南北約 6 
kmにわたって新第三系中新統の流紋岩質溶結凝
灰岩が分布している．この岩石は緑色凝灰岩（グ
リーンタフ）であり，「みそ」と呼ばれる暗緑～
暗褐色の Feに富む特殊なモンモリロナイトの混
入がみられることが特徴的である（たとえば，安
藤・岡，1967）．この岩石は通称大谷石と呼ばれ，
日本を代表する石材の一つである．大谷石は，
比較的空隙が多く軟岩であり容易に加工でき，さ
らに耐寒性，耐圧性，耐火性に優れていることか
ら，建築・土木用石材として古くから利用されて
きた． 
　大谷石が採取される大谷町地域内には，かつて
の採石場の面影を残した石切場跡が点在し，岩盤
表面が風化している露頭が数多く見受けられる．
本研究では，大谷町大谷寺にある採石場跡の露頭
（大谷寺露頭と呼ぶ），および大谷平和観音公園の
敷地内にある露頭（観音露頭と呼ぶ）の 2地点を
調査地に選んだ（第 1 図）．露頭表面には，風化
によると思われる厚さ数 mmの薄い板状の浮き
上がりや粒状の風化生成物が観察される．これら
の風化物は，指でこすると簡単に剥離する．各地
点においてエコーチップの反発値（L値）と赤外
線水分計（計測値を X値とする）の計測をそれ
ぞれ行った． 
　エコーチップによる計測法は水平方向（横向
き）に，同一の点を 1回のみ打撃し，次々と移動
させながら打撃する方法（以下，単打法と呼ぶ）
と同一の点を連続打撃する方法（以下，連打法と
呼ぶ）で行った．一地点の岩盤において，20回
の連打および 5点の単打によって計測した．ま
た，みその部分を避け，できるだけ平坦な面を選
んで測定を行った．連打法によって得られた反発
値の中から最大（大きいものから）3個の平均値
をとり Lmaxとした．また単打法の場合には，得
られた 5個の値をそれぞれ平均した値をとり Ls
とした． 
　赤外線水分計による計測は，エコーチップ試験
を実施した箇所の周辺部において，5箇所で測定
を行い，それらの平均値を X値とした．
　それらの測定結果は，第 1表に示した．大谷寺
第 1図　調査地域
－ 35 －
露頭では Ls値が 250，Lmaxが 576，X値は 0.478
であった．また観音露頭では，Ls値が 257，Lmax
が 568，X値は 0.451であった .
Ⅲ　大谷石の物理的・力学的性質
　採取した岩石から作成した整形試料を用いて，
その諸性質を調べた．まず岩石の物理的性質と
して真比重 G s，間隙率 n，乾燥単位体積重量  
γd，湿潤単位体積重量 γw，飽和含水比 wmaxの測
定を行った．測定結果は第 2表にまとめた．真比
重 Gsはピクノメーターを用いて測定し，2.46の
値が得られた．乾燥単位体積重量と湿潤単位体
積重量は供試体を 110℃で 72時間炉乾燥させ，
蒸留水に 120時間浸すことによりそれぞれ測定
した．それらの値はそれぞれ 1.36 g/cm3，1.73 
g/cm3であった．また飽和含水比は 26.9 %であ
り，そのときの X値は 0.924であった．間隙率 n
は真比重と乾燥単位体積重量の値から算出し，
44.7 %となった．
　力学的性質として，一軸圧縮強度 Scを調べた．
強度試験には，円柱状供試体（高さ約 7.5 cm，
直径約 3.9 cm）を用い，乾燥状態（110℃，72時
間で乾燥）および湿潤状態（蒸留水に 120時間浸
す）の下でそれぞれ 10個ずつ測定した．試験は
油圧式 20 t耐圧試験機を用いた．測定結果を第
1表に示した．乾燥状態での圧縮強度は , 最大値
151.3 kgf/cm2, 最小値 83.3 kgf/cm2，平均値 114.7 
kgf/cm2であった．湿潤状態での圧縮強度は，最
大値 41.2 kgf/cm2, 最小値 26.4 kgf/cm2，平均値
33.4 kgf/cm2，であった．これらのことから，乾
燥から湿潤状態になり，含水比が増加すると供試
体の強度が大きく低下することがわかる．
Ⅳ　室内実験
1．赤外線水分計による含水比の推定
　赤外線水分計の特性やキャリブレーションにつ
いては，Matsukura and Takahashi（1999）に詳
しい．それによれば，水分計の原理は , 近赤外線
を供試体に照射し， その反射光を受けて供試体の
水分を測定するものである．水分計で得られるの
は吸光度（X）の値であり，岩石の飽和含水比を
その吸光度の値で除した値を係数（B）として，
岩石表面の含水比（w）は次のような一次式で表
すことができる：
　　 　　　　　　　　　　　　　　　　（1）
　そこで，本計測で得られた吸光度（X）の値を，
式（1）を用いて，含水比（w）に換算する．室
内試験の結果より，w＝ 26.9, X＝ 0.924である
ことから，B ＝ 29.1を得る .したがって，大谷石
の含水比（w）は吸光度（X）の値から，次式で
求められる：
　　 　　　　　　　　　　　　　　　（2）
第 1表　大谷石の物理・力学的性質
岩石物性 （unit） 計測値
比重， Gs 2.46
乾燥密度，γd（gf/cm3） 1.36
湿潤密度，γw（gf/cm3） 1.73
間隙率，n（%） 44.7
最大含水比，wmax（%） 26.9
一軸圧縮強度，Sc（kgf/cm
2）
（乾燥）実測値 83.3～ 151.3
平均値 114.7
（湿潤）実測値 26.4～ 41.2
平均値 33.4
第 2表　野外における計測結果
大谷寺露頭 観音露頭
エコーチップ
平均値 Ls 250 257
最大値 Lmax 576 568
赤外線水分計
吸光度値 X 0.478 0.451
－ 36 －
2．岩石強度と赤外線水分計による含水比との関
係
　次に，水分状態が岩石強度に及ぼす影響，す
なわちエコーチップと赤外線水分計を用いて，反
発強度と含水比との関係について調べた．ここで
は脱水過程における計測を行った．反発値の計測
は，野外の調査と同様に， 「みそ」の部分を避け，
異なる箇所を 5回打撃する単打法，同一の点を
20回打撃する連打法により実施し，Ls，Lmaxを
求めた． 
　まず，高さ 7.5 cm, 直径 3.9 cmの円柱供試体を
温度 110℃で 72時間炉乾燥させ，乾燥重量と L
値を計測した．次に，供試体を 120時間水に浸
けておき，飽和重量を測定し，飽和含水比を求め
た．脱水試験は，供試体を水中から取り出して，
水分を軽く拭きとり，風乾状態で行った．適当な
時間間隔で赤外線水分計とエコーチップ反発試験
を行い，脱水過程における含水比と反発硬度を求
めた．その際，水分計測は，供試体に印をつけて，
できるだけ同じ箇所を測定するようにした .
　試験開始直後は含水比の低下量が大きいため，
計測は 10分間隔で行い，その後含水比変化を確
認しながら，計測間隔を長くしていった．試験は
約150時間続け，含水比が13 %とほぼ一定となっ
たときに終了とした．試験中の実験室の平均気温
は 22℃，平均湿度は 42 %とほぼ一定に保たれ
た．エコーチップ反発値（L値）を縦軸に，含水
比を横軸にとり，Ls，Lmaxごとにプロットした
結果を第 2図に示す．Ls値は，絶乾時（含水比
が 0%）に最大値 508であり，含水比が 20%以
上になると，300前後の値をとる．また Lmax値
は，絶乾時（含水比が 0%）に最大値 679であり，
含水比が 25%以上になると，およそ 500まで値
が小さくなることがわかる．全体的な傾向として
は，Ls，Lmaxはいずれも，含水比の増加に伴って，
直線的に小さくなる傾向が認められる．このこと
は，湿潤状態の大谷石の圧縮強度が，乾燥状態の
ものに比べて小さいという試験結果と調和的であ
る．そこで，岩石の L値は含水比を用いて，次
式で示されるものとする：
　　 　　　　　　　　　　　　　　（3）
　ここで，L0は絶乾状態（含水比 w＝ 0 %）時
の L値，bは比例定数である .単打法，連打法に
おける L0値は，それぞれ 508，679であるので，
最小自乗法で近似すると Lsと Lmaxは，次式で表
される：
第 2図　エコーチップ反発値と含水比との関係
－ 37 －
　　 　　　　　　　　　　　　（4）
　　 　　　　　　　　　　　（5）
Ⅴ　考察およびまとめ
　観音露頭と大谷露頭で得られた X値はそれぞ
れ 0.451，0.478であるので，式（2）より，含水
比はそれぞれ 13.3 %，13.9 %となる．これら 2
つのデータを第 2図にプロットした．含水比が
13.3 %，13.9 %のときの供試体のLmaxを式（4），
（5）より求めると，それぞれ 579，574となり，
観音露頭と大谷露頭の Lmax値は，568，576であ
るので，実験式から求められた値とほぼ等しい
値をとる．連打法で得られた Lmax値は岩盤内部
の影響を強く受けた値であることが知られている
（青木・松倉，2004a, b）．このように新鮮な岩石
供試体と露頭でのLmax値がほぼ一致することは，
露頭岩盤の内部が新鮮な岩石で構成されているこ
とを示唆する．
　また Lsについても同様に，観音露頭と大谷寺
露頭における含水比，すなわち 13.3 %，13.9 %
のときの供試体の Lsを式（4），（5）より求める
と，それぞれ 387，381となり，観音露頭と大谷
寺露頭における Ls値は，それぞれ 256，250であ
るので，新鮮な供試体の値よりも 130ほど小さい
値をとっていることがわかる．これらの結果は，
露頭岩盤の表面が風化し，強度が低下しているこ
とを示しており，観察結果と一致する．
　以上のことから以下の結論が得られる．岩盤の
風化に伴う岩石強度の低下量は，エコーチップ硬
さ試験機と赤外線水分計を用いることにより非破
壊で推定することができる．
謝辞
　本研究の物性試験に用いた岩石は，山南石材店
のご厚意により入手したものである．筑波大学大
学院生命環境科学研究科の小暮哲也氏には供試体
の作成・整形や強度試験を手伝っていただいた．
以上の方々に心から御礼申し上げます．本研究を
行うに際し，学術振興会・科学研究費・基盤研究
Ｂ（課題番号 16300292）および文部省・科学研
究費・萌芽研究（課題番号 14658126）（いずれも
研究代表者・松倉公憲）を使用した． 
文献
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（2005年 5月 31日受付，2005年 8月 1日受理）


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