(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッドの先端に取り付けた羽根なしコーン先端具を土中に押し込み、深度方向荷重のない状態でロッドの軸心を中心に回転して第１のトルクの測定を行い、ロッドの先端に取り付けた羽根付きコーン先端具を土中に押し込み、上記所定の深度方向荷重と同じ深度方向荷重をかけながらロッドの軸心を中心に回転して第２のトルクの測定を行い、上記第１のトルクの測定及び第２のトルクの測定の組み合わせを、上記の深度方向荷重を変えて複数回行い、上記トルクの測定の組み合わせの各測定毎に得られる上記コーンの面における直応力とせん断加重から、土の粘着力及び内部摩擦係数を得ることを特徴とする土のせん断強度測定方法。
【請求項２】
羽根なしコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置を、上記羽根なしコーン先端具から土中にゆっくりと押し込み、該押し込みを停止し、深度方向荷重のない状態でロッドの軸心を中心に上記せん断強度測定装置を回転しロッドの周面摩擦である第１のトルク測定を行い、
次に、第１のトルク測定を行った箇所またはそこからずらした箇所において、羽根付きコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置を、上記羽根付きコーン先端具から土中にゆっくりと押し込み、該押し込みを停止し、所定の深度方向荷重をかけながらロッドの軸心を中心にせん断強度測定装置を回転し第２のトルク測定を行い、
上記第２のトルク測定で得られたトルクから上記第１のトルク測定で得られたトルクを差し引いて、上記羽根によりせん断されるコーンの面に作用するせん断トルクを得て、
上記所定の深度荷重と上記せん断トルクにより、コーンの面に作用する直応力とせん断応力を求め、
上記第１のトルク測定及び第２のトルク測定を組み合わせた組み合わせトルク測定を、測定箇所をずらし、かつ上記所定の深度荷重の大きさを変えて複数回実施し、各回の組み合わせトルク測定の測定結果に基づいて得られた直応力とせん断応力を、グラフ上にプロットして土層の粘着力及び内部摩擦角を求めることを特徴とする土のせん断強度測定方法。
【請求項３】
上記羽根付きコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置は、上記羽根なしコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置における上記羽根なしコーン先端具を上記羽根付きコーン先端具に付け替えたものを使用することを特徴とする請求項２記載の土のせん断強度測定方法。
【請求項４】
コーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有するせん断強度測定装置であって、
コーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手は、使用時には互いにねじにより結合されて組み立てられ、非使用時には分解可能であり、
上記コーン先端具は、羽根なしコーン先端具と羽根付きコーン先端具の２種類あり、該２種類のコーン先端具が互いに取り替え自在に上記ロッドに結合されて使用されることを特徴とするせん断強度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土のせん断強度測定方法及び装置に関し、特に、山地斜面などにおいて、斜面崩壊が起こりやすい場所を推定するために、斜面の土層深とせん断強度を簡易かつ短時間に測定する、斜面防災分野で有用な土のせん断強度測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山地斜面などにおいて、柔らかい土から成る表層部の下の硬い土や岩から成る部分までの土層深を測定し、又その部分のせん断強度を測定し把握することは、山地斜面等の崩壊が起こりやすい場所を推定するために重要なことである。
【０００３】
このように、斜面防災の目的で土層深を測定するためには、従来、例えば図５に示すような、簡易動的コーン貫入試験機が用いられている。この簡易動的コーン貫入試験機及び試験方法は、質量５ｋｇのハンマー（錘）を、５０ｃｍの高さからガイドロッドで案内させて、円錐状の先端コーン（先端角度６０度、直径２５ｍｍ）を有するロッドノッキングヘッドに落下衝突させて、先端コーンが１０ｃｍ貫入するのに要する落下回数から、土層の硬さや土層深を測定するものである。
【０００４】
一般に斜面崩壊の起こりやすい土層の硬さは、簡易動的コーン貫入試験のＮｄ値（先端コーンおよびロッドが１０ｃｍ貫入するのに要する錘の落下回数）で、約５〜１０程度以下といわれている。
【０００５】
その他、貫入試験を行うための土壌強度測定装置としては特開平９−１５１２６号公報等の記載の発明が知られている。
【０００６】
又、従来、斜面の安定解析においては、粘着力と内部摩擦角が必要であり、一般には地盤中から複数のサンプルを採取して、室内において三軸圧縮試験または一面せん断試験によって求めている。
【０００７】
さらに、山地斜面などの現場において、せん断強度を測定する方法としては、羽根を回転させて純せん断強度を測定する方法（ベーンせん断試験）などがあるが、ベーンせん断試験では垂直荷重をかけることができないので、内部摩擦角の測定ができない上に、測定は極軟らかい土に限られており、斜面崩壊に関わるようなやや硬い土層の強度を測定することができない。他の貫入試験も同様に、土の内部摩擦角まで現場で簡易に求められるような方法はない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の技術及び問題点を背景に、次のような二つの具体的案課題を有する。
【０００９】
（１）土層深の測定に関する課題
簡易動的コーン貫入試験は、機器が総重量１０ｋｇ程度であり、急峻な山地斜面での運搬が不便であるだけでなく、測定は５ｋｇの錘を繰り返し落下させる方法であるため、１箇所の測定に通常２人で作業する必要があり、その場合の測定時間は一般に１箇所１０分〜数１０分要し、しかも錘に指を挟み怪我をしやすいという危険な面もあった。
【００１０】
斜面の土層深は場所により大きく異なるため、できるだけ多くの個所で数多くの試験を行う必要があるが、上記の欠点のため、斜面の土層深の不均質性を十分把握できるだけの試験を行えないのが斜面防災上の課題である。本発明は、このような課題を解決するものである。
【００１１】
（２）せん断強度の測定に関する課題
斜面の土層のせん断強度は斜面安定解析を行う必要性から一般に内部摩擦角φと内部摩擦角Ｃで表現される。内部摩擦角φと内部摩擦角Ｃを得るための従来の方法は、数１０ｃｍ〜数ｍ掘削し、地盤から直径５ｃｍ、長さ１０ｃｍ程度の乱さないサンプルを３〜４試料採取する必要があり、また、そのサンプルを壊さないように運搬し、室内で試験する必要があるため、手間を要するという課題があった。本発明は、このような課題を解決するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、ロッドの先端に取り付けた羽根なしコーン先端具を土中に押し込み、深度方向荷重のない状態でロッドの軸心を中心に回転して第１のトルクの測定を行い、ロッドの先端に取り付けた羽根付きコーン先端具を土中に押し込み、上記所定の深度方向荷重と同じ深度方向荷重をかけながらロッドの軸心を中心に回転して第２のトルクの測定を行い、上記第１のトルクの測定及び第２のトルクの測定の組み合わせを、上記の深度方向荷重を変えて複数回行い、上記トルクの測定の組み合わせの各測定毎に得られる上記コーンの面における直応力とせん断加重から、土の粘着力及び内部摩擦係数を得ることを特徴とする土のせん断強度測定方法を提供する。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するために、羽根なしコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置を、上記羽根なしコーン先端具から土中にゆっくりと押し込み、該押し込みを停止し、深度方向荷重のない状態でロッドの軸心を中心に上記せん断強度測定装置を回転しロッドの周面摩擦である第１のトルク測定を行い、次に、第１のトルク測定を行った箇所またはそこからずらした箇所において、羽根付きコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置を、上記羽根付きコーン先端具から土中にゆっくりと押し込み、該押し込みを停止し、所定の深度方向荷重をかけながらロッドの軸心を中心にせん断強度測定装置を回転し第２のトルク測定を行い、上記第２のトルク測定で得られたトルクから上記第１のトルク測定で得られたトルクを差し引いて、上記羽根によりせん断されるコーンの面に作用するせん断トルクを得て、上記所定の深度荷重と上記せん断トルクにより、コーンの面に作用する直応力とせん断応力を求め、上記第１のトルク測定及び第２のトルク測定を組み合わせた組み合わせトルク測定を、測定箇所をずらし、かつ上記所定の深度荷重の大きさを変えて複数回実施し、各回の組み合わせトルク測定の測定結果に基づいて得られた直応力とせん断応力を、グラフ上にプロットして土層の粘着力及び内部摩擦角を求めることを特徴とする土のせん断強度測定方法を提供する。
【００１５】
上記羽根付きコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置は、上記羽根なしコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置における上記羽根なしコーン先端具を上記羽根付きコーン先端具に付け替えたものを使用するようにしてもよい。
【００１６】
本発明は上記課題を解決するために、コーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有するせん断強度測定装置であって、コーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手は、使用時には互いにねじにより結合されて組み立てられ、非使用時には分解可能であり、上記コーン先端具は、羽根なしコーン先端具と羽根付きコーン先端具の２種類あり、該２種類のコーン先端具が互いに取り替え自在に上記ロッドに結合されて使用されることを特徴とする土のせん断強度測定装置を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下説明する。本発明は、山地斜面などにおいて、斜面崩壊の起こりやすい柔らかい土層の下の硬い土や岩から成る部分までの土層の深さを貫入試験により簡単に測定するとともに、この柔らかい土層や硬い土層のせん断強度を測定するものである。
【００１８】
（測定装置）
図１は、本発明の土のせん断強度測定方法を実施するためのせん断強度測定測定装置を示す図であり、且つ本発明の土のせん断強度測定装置の実施例を示す図である。図１（ａ）において、このせん断強度測定装置１は、コーン先端具、ロッド３、ばね秤４（円筒型のテンションゲージ）及び取手５から成る。
【００１９】
コーン先端具２は、鋼材を焼き鈍し加工して形成し、円錐状のコーン６、首部７と軸部８とから一体に構成されている。そして、本発明に係るコーン先端具２の特徴は、コーンが、図１（ａ）に示すような通常のコーンを有するコーン先端具（これを「羽根なしコーン先端具」という。）９と、図１（ｂ）に示すようにコーンに羽根１０が付いているコーン先端具（これを「羽根付きコーン先端具」）１１の２種類から構成されている。
【００２０】
羽根付きコーン先端具１１は、通常のコーン６の外面に等角度間隔に複数枚の羽根１０、本実施例では４枚の羽根１０が放射状に一体に取り付けられて構成されている。このような羽根なしコーン先端具９と羽根付きコーン先端具１１の２種類のコーン先端具は、取り換え自在に上記ロッド３に螺着されて、後述する夫々のトルク測定において使用可能である。
【００２１】
ロッド３は、高強度ステンレス鋼等の材料で形成され、測定対象である場所の土層環境に適用できるくつかの異なる長さのものを用意しておくとよい。取手５は、使用者が手で把持できる程度の寸法であり、左右両端に開口した左右の中空部１２が形成されており、後述するせん断強度測定を行う際には、トルクレンチが装着されて使用される。
【００２２】
コーン先端具、ロッド３、ばね秤４及び取手５は、非使用時には、夫々分解して持ち運び可能である。そして、使用に際しては、互いに螺着して図１に示すように組み立てることが可能である。即ち、コーン先端具２の上端は、ねじでロッド３の下端に螺着可能であり、ロッド３の上端はねじでばね秤４の下部軸に螺着可能であり、ばね秤４の上部軸はねじで取手５に螺着可能な構成である。
【００２３】
ここで、上記本発明に係る土のせん断強度測定装置１を利用して、本発明に係る土のせん断強度測定方法について説明する。具体的には、せん断強度測定装置１を利用して土層深の測定を行うとともに、粘着力と内部摩擦力の測定を行う方法である。
【００２４】
（土層深の測定）
せん断強度測定装置１を使用して、貫入試験を行い土層深を測定する方法を説明する。コーン先端具２は、羽根なしでも羽根付きでもよいが、いずれにしろコーン先端具２は、（羽根なし及び羽根付きコーン先端具）は、直径１５ｍｍ、端角度６０度の円錐状のコーンである。コーン先端具２の軸部８及びロッドの直径１０ｍｍの寸法のものを使用する。
【００２５】
このせん断強度測定装置１をそのコーン先端具２から、人力で層中に最大５００Ｎ（約５０ｋｇ）の力で静かに押し込み、深度方向荷重Ｗ（押し込んでいく際にかかる荷重であり、ばね秤４で測定される荷重）と、その際のロッドの土中への貫入量を測定する。柔らかい土層の下の硬い土や岩から成る土層の近くとなると、深度方向荷重Ｗが急激に増加するので、その際の深度方向荷重Ｗとロッドの貫入量でその深さを測定することができる。
【００２６】
このような測定方法で実際に、裏つくば（花崗岩風化土）、高知（四万十層風化土）及び愛媛（旧河床砂礫層）について測定実験を行った。その実験データを図２に示す。この実験結果からも把握できるように、この測定方法によると、５００Ｎの力で押し込むと、斜面崩壊の起こりやすい土層の硬さであるＮｄ値５〜１０よりもやや硬いＮｄ値１５相当の硬さまで貫入できる。
【００２７】
この土層深を測定する方法は、従来の動的コーン貫入試験機による斜面の土層深測定方法と異なり、斜面の土層にコーン先端具からロッドを静かに押し込むようにして貫入し土層深を求めることを特徴とするもので、装置の総重量が約４ｋｇで、従来の簡易動的コーン貫入試験機の１／３程度であり、分解組み立てが自在であるため、急峻な山地でも運搬や取り扱いが容易で、試験方法も簡易であるために１人で容易に測定作業ができる。
【００２８】
さらに、この土層深を測定する方法は、１箇所の測定時間は１〜２分程度と簡易動的コーン貫入試験の約１／５以下の調査効率であるため斜面の土層深が不均質な個所でも短時間に把握できる。さらに、従来の貫入試験のように、落下する錘を用いないので安全である。
【００２９】
（粘着力と内部摩擦力の測定）
次に、土層の粘着力と内部摩擦力を測定する方法について説明する。この粘着力と内部摩擦力を測定する方法では、次の▲１▼、▲２▼を組み合わせた組み合わせトルク測定を、深度荷重Ｗの条件をいくつか変えて実施する。
▲１▼羽根なしコーン先端具９を有するせん断強度測定装置１によるトルク測定（これを「第１のトルク測定」という。図３（ａ）参照。）
▲２▼羽根付きコーン先端具１１を有するせん断強度測定装置１によるトルク測定（これを「第２のトルク測定」という。図３（ｂ）参照。）
以下、▲１▼第１のトルク測定と、▲２▼第２のトルク測定、について具体的に説明する。
【００３０】
まず、▲１▼第１のトルク測定（図３（ａ）参照。）を行う。羽根なしコーン先端具９をロッド３の先端に装着して、上記の土層深の測定方法により深さを把握しながら、粘着力と内部摩擦角を測定したい所定の深さ（柔らかい土層と硬い土層の境界付近の深さ）まで押し込んでいく。そして、所定の深さまで貫入し、押し込みを停止し、この状態で深度方向荷重のない状態において、取手５にトルクメータ付きのレンチを適宜装着して、せん断強度測定装置１を、ロッド３の軸心を中心にねじが緩まない方向にゆっくり回転させる。
【００３１】
この回転したときの最大トルクＴ０を、トルクメータで測定する。この最大トルクＴ０は、ロッド３などの測定系が持つ固有摩擦により生じるトルクである。このトルク測定が終了後、せん断強度測定装置１を土中から引き抜く。
【００３２】
次に、▲２▼第２のトルク測定（図３（ｂ）参照。）を行う。羽根なしコーン先端具９を取り外して、図１（ｂ）に示す羽根付きコーン先端具１１に交換する。そして、せん断強度測定装置１を引き抜いた箇所またはそこから少しずれた箇所の土層中に、せん断強度測定装置１の羽根付きコーン先端具１１及びロッドを静かに押し込む。
【００３３】
このように押し込みながら土層深を把握し、第１のトルク測定を行った際の土層深と同じ所定の深さに達したとき、深度方向荷重Ｗ１をかけながら、トルクメータ付きのレンチでせん断強度測定装置１をゆっくり回転させる。
【００３４】
この回転したときの最大トルクＴ１をトルクメータで測定する。このときの羽根付きコーン６沿いの土（羽根によりせん断荷重がかかる部分の土）にかかる回転トルクＴは、ロッド３などの測定系が持つ固有摩擦により生じるトルクＴ０を差し引いて、Ｔ＝Ｔ１−Ｔ０  である。
【００３５】
この状況下において、このせん断試験の直応力σｎとせん断応力τは、以下のように計算される。但し、羽根によってせん断される面に作用する応力分布は、直応力σｎ、せん断応力τともに一様とする。又、コーンと土の摩擦、首部７のせん断は考慮しない。
【００３６】
図３（ｃ）はコーンの模式図である。
コーン全体の高さ：Ｈ
図３（ｃ）において、コーンのせん断面について、コーン先端から高さｈの地点における扇型の微小面積を考える。
コーン先端角度（コーン傾斜面の軸心に対する角度）：θ
微少面積部分のコーン先端からの高さ：ｈ
とすると、
コーン先端からの微少面積部分までの距離：ｌ（このｌは小文字のエルである。）          ｌ＝ｈ／ｃｏｓθ
コーンせん断面の扇型の微小面積＝ｌｄψ・ｄｌ
である。
【００３７】
微小面積に作用するせん断応力：τ
微小面積に作用するせん断応力によるトルク：ｔ
とすると、この微小面積に作用するせん断応力τによるトルクｔは次のとおりである。
腕の長さ＝ｈｔａｎθ
ｔ＝τ・ｈｔａｎθ・ｌｄψ・ｄｌ
である。
ところで、    ２πＨｔａｎθ＝ψＨ／ｃｏｓθ
であるから、  ψ＝２πｓｉｎθ    となる。
微小面積に係るトルクｔをせん断面全体に対して積分した全体のトルクＴを求め、このトルクＴでせん断応力τ表すと次の数式１のとおりとなる。
【００３８】
【数式１】
0003613591.tif 000002
【００３９】
図３（ｄ）は、コーンの側面図である。この図において示されるように、コーンせん断面に作用する直応力σｎの鉛直成分の総計は、深度方向荷重Ｗに等しいから、直応力σｎは次の数式２のとおりとなる。
【００４０】
【数式２】
0003613591.tif 000003
【００４１】
以上、深度方向荷重Ｗ＝Ｗ１の場合について、▲１▼第１のトルク測定と、▲２▼第２のトルク測定について説明したが、このような▲１▼、▲２▼を組み合わせた測定を、深度方向荷重Ｗの測定値が異なるいくつかの条件について試験し、この試験結果に基づいて上記計算を行い、直応力σｎとせん断応力τを求める。
【００４２】
このようにして得られた複数の直応力σｎとせん断応力τについて、直応力σｎを横軸（Ｘ軸）に、せん断応力τを縦軸（Ｙ軸）にプロットして、図４（ｅ）に示すようなＸＹグラフを作成する。このグラフのＹ切片ｃ及び傾きｔａｎφを求めれば、
τ＝σｎ・ｔａｎφ＋ｃの式から、粘着力ｃと内部摩擦角φが求まる。
【００４３】
このように、本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置１によれば、羽根なしコーン先端具９及び羽根付きコーン先端具１１を用いることにより、垂直応力（深度方向荷重）を発生させながら測定現場でせん断試験を行うことができ、粘着力及び内部摩擦角まで測定可能となる。
【００４４】
以上、本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置の実施形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。
【００４５】
例えば、上記実施例では、せん断強度測定装置１のコーン先端具２として羽根付きコーン先端具１１と羽根なしコーン先端具９の２種類を用意し、互いに取り換え自在にロッド３に螺着したが、このようにせず、羽根なしコーン先端具９を着脱自在に取り付けたせん断強度測定装置１と、羽根付きコーン先端具１１を夫々着脱自在に取り付けた２種類のせん断強度測定装置を予め用意して使用することで、コーン先端具の取り替えの手間を省いてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上の構成による本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置によれば、次の効果が生じる。即ち、山地斜面等では、貫入試験の作業環境が悪く、しかも斜面の位置により土層深が大きく異なるので多くの箇所で試験を行う必要がある。
【００４７】
このようなシビアな条件であっても、本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置は、装置自体がコンパクトであるから、又羽根付きコーンを用いることにより、垂直応力を発生させながら原位置でせん断試験を行うことによって、直接、現場において、多くの箇所についての内部摩擦角まで比較的簡単かつ短時間に測定できる。したがって、サンプルを持ち帰る等の必要もなく、山地斜面などにおいて、斜面崩壊が起こりやすい場所を迅速的確に推定するために極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る土のせん断強度測定装置を説明する図であり、（ａ）は羽根なしコーン先端具を付けたせん断強度測定装置を示し、（ｂ）は羽根付きコーン先端具を示す図である。
【図２】本発明に係る土のせん断強度測定装置を使用した土層深の実験例を説明する図である。
【図３】本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置を利用した、土層の粘着力と内部摩擦力の測定方法を説明する図である。
【図４】従来の簡易動的コーン貫入試験機を説明する図である。
【符号の説明】
１    せん断強度測定装置
２    コーン先端具
３    ロッド
４    ばね秤（円筒型のテンションゲージ）
５    取手
６    コーン
７    首部
８    軸部
９    羽根なしコーン先端具
１０  羽根
１１    羽根付きコーン先端具
１２    取手の中空部
【図１】
0003613591.tif 000004
【図２】
0003613591.tif 000005
【図３】
0003613591.tif 000006
【図４】
0003613591.tif 000007