(57)【要約】【課題】  簡単な装置構成で、供試体への注水量と供試体からの排水量が常に同量になるように容易に制御できるようにする。【解決手段】  シリンダ１６の内部が、ピストン２２によって２つのチャンバ２４ａ，２４ｂに仕切られ、直動アクチュエータ２６によって駆動される構造の２チャンバ型シリンジポンプと、ピストン２２で仕切られた一方のチャンバから供試体１２の下面に注水するための注水配管２８と、供試体上面からの排水を他方のチャンバに導く排水配管３０を具備し、アクチュエータによるピストンの一方向への駆動によって、一方のチャンバからの注水が供試体を経て他方のチャンバに還流させる。【選択図】  図１
2006090964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が脱気水で飽和されているシリンダ内を摺動可能なピストンにより２つのチャンバに仕切り、アクチュエータにより前記ピストンを一方向に駆動する構造の２チャンバ型シリンジポンプを用い、一方のチャンバから供試体に注水し、供試体からの排水を他方のチャンバに還流させることにより、単一のシリンジポンプで供試体へ注水するだけで、該供試体からの排水量が注水量と常に等しく維持できるようにしたことを特徴とする２チャンバ型シリンジポンプを用いる透水試験方法。
【請求項２】
シリンダの両端部を貫通するように挿通したシャフトによってピストンが前記シリンダ内で摺動可能に支持され、該ピストンにより前記シリンダの内部が２つのチャンバに仕切られ、シリンダ外部のアクチュエータによって前記シャフトを介して前記ピストンが駆動される構造の２チャンバ型シリンジポンプと、前記ピストンで仕切られた一方のチャンバから供試体の一端面に注水するための注水配管と、供試体の他端面からの排水を前記ピストンで仕切られた他方のチャンバに導く排水配管を具備し、前記直動アクチュエータによるピストンの一方向への駆動によって、一方のチャンバからの注水が供試体を経て他方のチャンバに還流するようにしたことを特徴とする２チャンバ型シリンジポンプを用いた透水試験装置。
【請求項３】
注水配管から供試体の下面に注水され、供試体の上面から排水配管へ排水されるようにし、前記注水配管と排水配管の両方の供試体近傍に圧力センサが組み込まれ、供試体の下面と上面での圧力を測定する請求項２記載の透水試験装置。
【請求項４】
注水配管から供試体の下面に注水され、供試体の上面から排水配管へ排水されるようにし、前記注水配管と排水配管の供試体近傍間に差圧計が設置され、供試体の下面と上面との圧力差を測定する請求項２記載の透水試験装置。
【請求項５】
供試体が三軸試験セル内に設置され、圧力発生装置により圧密圧力を三軸試験セルに加えることで供試体側面を加圧可能とした請求項３又は４記載の透水試験装置。
【請求項６】
供試体がモールドあるいは圧密容器内に設置され、それによって供試体側面を剛性材料で拘束するようにした請求項３又は４記載の透水試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特殊な構造のシリンジポンプを用いる透水試験方法及び装置に関し、更に詳しく述べると、２チャンバ構造の単一のシリンジポンプを用いることで、単に供試体へ注水するだけで、該供試体からの排水量が注水量と常に等しく維持されるようにした透水試験方法及び装置に関するものである。この透水試験技術は、特に難透水性材料に対する止水性能評価などに有用である。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、透水性能あるいは止水性能は地盤の重要な特性の一つであり、地下構造物の構築などに際しては、それを的確に評価する必要がある。例えば、現行の放射性廃棄物地層処分概念では、処分施設は廃棄物を取り囲むベントナイト系人工バリア材料やセメント系人工バリア材料、処分坑道を囲む岩盤などの天然バリア材料から構成される。現行の地層処分概念の成立性を担保するためには、各バリア材料ともに、高い止水性能（例えば、透水係数が１０-11 ｍ／秒以下）が求められている。このような難透水性材料に対して、その止水性能評価を行う場合、一般的に実施されている加圧式の透水試験方法では試験に長期間を要する。そのため、現実的な時間で実施可能な評価技術の開発が望まれている。
【０００３】
ところで、岩盤や地盤材料に対する既存の室内透水試験方法の一つとして、フローポンプ透水試験法がある。これは、供試体の一端面から水を注入し、それに起因する供試体両端の水頭差を測定することにより透水係数を求める方法である。この方法は、微小流量を一定に制御し、圧力を直接測定することにより、試験を比較的容易に且つ精度よく実施できる利点がある。また、難透水性材料に対して、無理に加圧することなく、現実的な水圧（実際に地盤中でかかっている水圧）の印加で測定できるため、材料の構造が変化する虞もなく、測定の信頼性も向上する。
【０００４】
このような透水試験を実施できる装置として、シリンジポンプを用いる構成が提案されている（特許文献１参照）。具体的には、合計３台のシリンジポンプを使用し、第１のシリンジポンプが供試体の上流側に、第２のシリンジポンプは供試体の下流側に、それぞれ接続され、第３のシリンジポンプで供試体に拘束圧を印加するように構成されている。水収支が整合するという仮定の下で透水係数が求まるので、この場合、第１のシリンジポンプから供試体への注水量と供試体から第２のシリンジポンプへの排水量が同量になるように、第１及び第２のシリンジポンプを制御する必要がある。
【０００５】
ところで、難透水性材料に対する透水試験における注水量は、シリンジポンプの大きさにもよるが、例えばシリンダ内径１０ｍｍ程度に対してピストン移動速度が１分間当たり１／１０００ｍｍというような非常に小さな値である。各シリンジポンプは、それぞれアクチュエータで個別に駆動するために、両方ともに微小流量で同量制御するには、高価な装置と複雑な制御機構を必要とし、実質的に極めて困難である。そこで、便宜的に、第１のシリンジポンプは微小一定流量となるように駆動し、第２のシリンジポンプは排水圧力が一定となるように圧力制御することになる。しかし、このような圧力制御では、供試体への注水量と供試体からの排水量が常に同量になっているという保証はなく、測定の信頼性に欠ける問題もある。
【特許文献１】特許第３０４１４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、簡単な装置構成で、供試体への注水量と供試体からの排水量が常に同量になるように容易に制御できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、内部が脱気水で飽和されているシリンダ内を摺動可能なピストンにより２つのチャンバに仕切り、アクチュエータにより前記ピストンを一方向に駆動する構造の２チャンバ型シリンジポンプを用い、一方のチャンバから供試体に注水し、供試体からの排水を他方のチャンバに還流させることにより、単一のシリンジポンプで供試体へ注水するだけで、該供試体からの排水量が注水量と常に等しく維持できるようにしたことを特徴とする２チャンバ型シリンジポンプを用いる透水試験方法である。
【０００８】
また本発明は、シリンダの両端部を貫通するように挿通したシャフトによってピストンが前記シリンダ内で摺動可能に支持され、該ピストンにより前記シリンダの内部が２つのチャンバに仕切られ、シリンダ外部のアクチュエータによって前記シャフトを介して前記ピストンが駆動される構造の２チャンバ型シリンジポンプと、前記ピストンで仕切られた一方のチャンバから供試体の一端面に注水するための注水配管と、供試体の他端面からの排水を前記ピストンで仕切られた他方のチャンバに導く排水配管を具備し、前記直動アクチュエータによるピストンの一方向への駆動によって、一方のチャンバからの注水が供試体を経て他方のチャンバに還流するようにしたことを特徴とする２チャンバ型シリンジポンプを用いた透水試験装置である。
【０００９】
注水配管から供試体の下面に注水され、供試体の上面から排水配管へ排水されるように接続するのがよい。供試体両端の水頭差を測定するには、注水配管と排水配管の両方の供試体近傍に圧力センサを組み込み、供試体の下面と上面での圧力を測定してもよいし、注水配管と排水配管の供試体近傍間に差圧計を設置して供試体の下面と上面との圧力差を測定してもよい。
【００１０】
供試体を三軸試験セル内に設置し、圧力発生装置により圧密圧力を三軸試験セルに加えることで供試体側面を加圧して拘束してもよいし、供試体をモールドするかあるいは圧密容器内に設置し、それによって供試体側面を剛性材料で拘束してもよい。そのような状態で、供試体の下面から上面へ向けて注水する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、内部が脱気水で飽和されているシリンダ内を摺動可能なピストンにより２つのチャンバに仕切り、アクチュエータにより前記ピストンを一方向に駆動する構造の２チャンバ型シリンジポンプを用い、一方のチャンバから供試体に注水し、供試体からの排水を他方のチャンバに還流させる透水試験方法及び装置であるから、基本的にシリンジポンプは１台でよく簡単な装置構成となり、しかも単に供試体へ微量定量注水するだけで、該供試体からの排水量が注水量と常に同量になるように容易に制御できる。そのため、難透水性材料に対しても、容易に試験を実施でき、且つ透水係数を精度よく測定することができる。
【００１２】
また、１台のシリンジポンプで試験が実施できるため、シリンジポンプを２台必要とする従来技術に比べて装置コストは約１／２で済み、小型化できるため恒温槽などの設備も簡略化できる。更に、現実的な水圧で測定できるため、材料の構造が変化する虞もなく、測定の信頼性も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る透水試験装置の基本構成を図１に示す。本発明では、特殊な構造の単一のシリンジポンプ１０を用いて供試体１２に注水し、該供試体１２からの排水を前記シリンジポンプ１０に還流させる。シリンジポンプ本体１４は、水平に設置されたシリンダ１６の両端部１８を貫通するようにシャフト２０が設けられ、該シャフト２０によってピストン２２が前記シリンダ１６内で摺動可能に支持され、該ピストン２２により前記シリンダ１６の内部が２つのチャンバ２４ａ，２４ｂに仕切られている構造である。そして、前記ピストン２２は、シリンダ１６の外部に設置した直動アクチュエータ２６によって、前記シャフト２０を介して一方向に駆動される。
【００１４】
このようなシリンジポンプ１０に対して、前記ピストン２２で仕切られた一方のチャンバ２４ａから供試体下面に注水するための注水配管２８と、供試体上面からの排水を前記ピストン２２で仕切られた他方のチャンバ２４ｂに導く排水配管３０を設ける。このように構成すると、前記直動アクチュエータ２６によるピストン２２の一方向への駆動によって、一方のチャンバ２４ａからの注水が供試体１２を経て他方のチャンバ２４ｂに還流することになる。シリンダ１６の内断面積は、両方のチャンバ２４ａ，２４ｂで互いに等しいので、ピストン２２が移動することによる一方のチャンバ２４ａの容積の減少は、他方のチャンバ２４ｂの容積の増加に等しい。従って、一方のチャンバ２４ａから押し出された量の水が、常に他方のチャンバ２４ｂに戻ることになる。
【００１５】
試験に際しては、シリンダ１６の内部（両方のチャンバ２４ａ，２４ｂ）、注水配管２８及び排水配管３０などの全てが、脱気水で飽和した状態とする。直動アクチュエータ２６によりピストン２２を一方向（図面左手方向）に一定の微小速度で駆動すると、一方のチャンバ２４ａから供試体１２に微小一定流量で注水され、供試体１２からの排水は、他方のチャンバ２４ｂに戻る。つまり、本発明では、単一のシリンジポンプ１０を用いて供試体１２へ注水するだけで、該供試体１２からの排水量は注水量と常に等しく維持されることになる。従って、直動アクチュエータ２６で注水流量の微小制御のみを行えばよく、従来の圧力制御などの複雑な制御は不要となる。この時の供試体両端の圧力と注水量との関係から、透水係数が求まる。
【００１６】
透水試験装置の系統図の例を図２〜図４に示す。いずれも、シリンジポンプ、及び該シリンジポンプから供試体に至る注水配管、供試体からシリンジポンプに戻る排水配管は、基本的に図１と同様であるので、説明を簡略化するために同一の符号を付す。
【００１７】
ここでは供試体の保持に三軸試験装置を使用している。供試体１２の側面をゴムなどの可撓性材料で囲んで三軸セル４０内に設置し、別に設けられている圧力発生装置４２により側圧を印加して供試体１２の側面を拘束可能とする。また、注水配管２８と排水配管３０の両方の供試体近傍位置に圧力センサ４４，４５を設置し、供試体１２の下面と上面での圧力を測定可能とする。
【００１８】
透水試験に際しては、円柱状の供試体１２を三軸セル４０内に設置する。注水配管２８及び排水配管３０、シリンジポンプのシリンダ１６の内部を脱気水で飽和させる。シリンジポンプへの脱気水の充填などは、給水管４６及び排水管４８を用いて行う。圧力発生装置４２により、所定の圧密圧力を三軸セル４０に印加し供試体１２を圧密する。圧密に伴う供試体１２からの排水は、排水管４８で行う。直動アクチュエータ２６を作動し、シャフト２０を介してピストン２２を一方向（図面左手方向）に一定の微小速度で駆動する。それによって、一方のチャンバ２４ａ内の水が一定微小流量で供試体１２に注水され、それと同量の流量で供試体１２からの排水が他方のチャンバ２４ｂに戻る。
【００１９】
シリンジポンプ本体１４の有効面積（シリンダ１６の内断面積とシャフト２０の断面積の差で求まる有効面積）をＡｐ、ピストン２２の移動距離をＬｐとすると、注水配管２８からは容積Ａｐ×Ｌｐの水が供試体１２下面から供試体１２内に注水される。同時に、排水配管３０からシリンダ１６に容積Ａｐ×Ｌｐの水が戻り、この水は供試体１２上面から排水される量と等しい。透水試験中は、ピストン２２の移動量を正確に制御し、圧力センサ４４，４５での圧力を測定する。
【００２０】
測定結果から、次式によって透水係数ｋ（ｃｍ／秒）を求めることができる。
ｋ＝Ｌ／ｈ・Ｑ／｛Ａ（ｔ2 −ｔ1 ）｝
ここで、
Ｌ：供試体の長さ（ｃｍ）
ｈ：両圧力センサの測定値の差を水頭（ｃｍ）に換算した値
Ｑ：注水量（あるいは排水量）（ｃｍ3 ）
Ａ：供試体の面積（ｃｍ2 ）
ｔ2 −ｔ1 ：透水係数を計算する時間の範囲（秒）
である。
【００２１】
図３に示す例は、差圧計５０を用いる構成である。上記の式から分かるように、供試体１２の両端面での水頭が分かれば、透水係数を求めることができる。そこで、差圧計５０を用いて供試体１２の下面と上面との圧力差を求めるように構成している。このように、差圧計５０を用いると、圧力の絶対値は測定できないが、１台の計器で済み、装置構成の簡略化とコストの削減が可能となる。
【００２２】
上記の図２及び図３に示す例では、供試体の保持に三軸試験装置を利用しているが、より簡便な方法としてモールドあるいは圧密容器を用いることも可能である。その例を図４に示す。例えば、供試体１２の保持に、土の透水試験方法（ＪＩＳ  Ａ  １２１８）に規定されているようなモールド５２を用いることによって、供試体１２の側面に密着し、該供試体１２の側面からの漏水を防止する。この状態で、供試体１２の下面から注水し、上面から排水する。この例では、供試体両端の圧力は、図２の例と同様、圧力センサ４４，４５で測定している。
【００２３】
その他、供試体の保持には、土の定ひずみ速度圧密試験（ＪＩＳ  Ａ  １２７７）に規定されているような圧密容器なども使用可能である。圧力容器内に供試体を嵌装することによって、供試体の側面を剛性材料で拘束し漏水を防止する。なお、図３に示すものと同様、差圧計を用いて供試体両端の差圧を測定することもできる。勿論、圧力センサと差圧計の両方を設けてもよい。
【実施例】
【００２４】
図５は、シリンジポンプ本体６０の一実施例を示す縦断面図である。ステンレス鋼製の円筒状のシリンダ６２の内部にシャフト６４を挿通し、該シャフト６４の中間部にピストン６６が固定される。そして、シリンダ６２の両端はエンドキャップ６８で液密的に塞がれ、前記シャフト６４はそれらエンドキャップ６８を貫通する。ピストン６６の外周面にはシールが装着され、液密状態を維持しつつシリンダ内を摺動可能となっており、シャフト６８もシールで止水された状態でエンドキャップ６８に対して移動可能となっている。エンドキャップ６８にはシリンダ内と連通する流路７０が形成されており、出入口部７２で外部の配管系に接続できるように構成されている。
【００２５】
シリンダ内の空間は、ピストン６６によって左右の２つのチャンバ７４ａ，７４ｂに仕切られている。ここで、アクチュエータ（図示せず）によってシャフト６４を図面左手方向に微小一定速度で駆動すると、ピストン６６も左方向に移動し、左側の第１のチャンバ７４ａ内の水は供試体へと微小一定流量で注水され、供試体からの同量の排水が右側の第２のチャンバ７４ｂに戻されることになる。
【００２６】
シリンジポンプの一実施例を図６に示す。共通のベース７６の上に、図５に示したシリンジポンプ本体６０と直動アクチュエータ７８が搭載される。装置全体を恒温槽内に設置して、温度変化による影響を排除する。
【００２７】
シリンジポンプ本体６０は、両側のシリンジマウント８０に架設され、シリンジクランプ８２で固定される。シリンジレベルアジャスタ８４によって、シリンジポンプ本体６０が水平になるようにシリンジマウント８０の高さ調整が行われる。
【００２８】
直動アクチュエータ７８は、主としてモータマウント８６に固定されたパルス制御モータ８８とボールネジ送り機構とからなる。ボールネジ９０はボールネジナット９１と螺合し支持されると共に、該ボールネジ９０はその後端でスプラインシャフト９２と剛結し、該スプラインシャフト９２はボールスプラインナット９３に嵌合し支持される。ボールネジナット９１はボールネジケーシング９４で保持され、パルス制御モータ８８の回転部に結合し、他方、ボールスプラインナット９３はボールスプラインケーシング９６で保持され、モータマウント８６に取り付けられている。ボールネジ９０の先端にはシャフトチャック９８が装着されており、該シャフトチャック９８でシャフト６８を掴み離し自在となっている。パルス制御モータ８８の回転は、ボールネジナット９１を介してボールネジ９０に伝達される。しかし、ボールネジ９０の後端にはスプラインシャフト９２が剛結されてスプラインナット９３で回転が抑止されているので、ボールネジナット９１の回転はボールネジ９０送り出しに変換される。この送り出しによって、シャフトチャック９８で掴まれているシャフト６４が送り出され、シリンダ内部のピストンが移動することになる。
【００２９】
ここで使用しているパルス制御モータ８８は、１回転当たり数十万パルスといった高精度の機器である。このパルス制御モータ８８とボールネジ９０・ボールネジナット９１を組み合わせることにより、バックラッシュを起こすことがなく、０．１ｎｍ程度のオーダーでピストンの位置制御が可能となる。これによって、透水係数が１０-12 〜１０-14 ｍ／秒の難透水性材料であっても、注水開始後、約１日程度で透水係数を求めることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る透水試験装置の基本構成図。
【図２】本発明に係る透水試験装置の一例を示す系統図。
【図３】本発明に係る透水試験装置の他の例を示す系統図。
【図４】本発明に係る透水試験装置の更に他の例を示す系統図。
【図５】本発明で用いるシリンジポンプ本体の一実施例を示す縦断面図。
【図６】本発明で用いるシリンジポンプの一実施例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３１】
１０  シリンジポンプ
１２  供試体
１４  シリンジポンプ本体
１６  シリンダ
１８  端部
２０  シャフト
２２  ピストン
２４ａ，２４ｂ  チャンバ
２６  直動アクチュエータ
２８  注水配管
３０  排水配管
【図１】
2006090964.tif 000003
【図２】
2006090964.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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