(57)【要約】【課題】遠心場においても標準貫入試験に対応した貫入抵抗を求めることができる貫入試験装置を提供すること。【解決手段】試験容器２１に収容された地盤材２３の貫入抵抗を求めるための貫入試験装置において、地盤材２３に遠心荷重を付与する遠心ユニット１０と、遠心ユニット１０により遠心荷重が付与されている地盤材２３に対して、標準貫入試験での打撃力に関連付けられた打撃力で先端コーン３５及び中空ロッド３２を貫入させる貫入動作部３０及び貫入駆動部４０と、先端コーン３５及び中空ロッド３２の貫入量が予め決められた大きさに達するのに要する打撃回数を測定する測定部とを備えたものである。【選択図】        図１
2006343125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験容器に収容された地盤材の貫入抵抗を求めるための貫入試験装置において、
前記地盤材に遠心荷重を付与する遠心荷重付与手段と、
前記遠心荷重付与手段により遠心荷重が付与されている地盤材に対して、標準貫入試験での打撃力に関連付けられた打撃力で抵抗体を貫入させる貫入手段と、
前記抵抗体の貫入量が予め決められた大きさに達するのに要する打撃回数を測定する測定手段と
を備えたことを特徴とする貫入試験装置。
【請求項２】
前記貫入手段は、
進退変位可能に設けられ、進出変位した場合に前記抵抗体を打撃により貫入させる打撃部と、
前記打撃部と係合状態にある場合には該打撃部を退避変位させる一方、前記係合状態が解除された場合には前記打撃部の進出変位を許容する駆動部と、
前記打撃部の退避変位距離を一定の大きさに規制する規制部と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の貫入試験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫入試験装置に関し、より詳細には、試験容器に収容された地盤材の貫入抵抗を求めるための貫入試験装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ビルや高速道路等の建設を行う場合には地盤の調査が行われる。かかる調査では、「標準貫入試験」が最も普及した地盤調査方法として利用されている。
【０００３】
標準貫入試験は、質量６３．５ｋｇのハンマーを７５ｃｍの一定高さで自由落下させることにより、標準貫入試験用のサンプラーを打撃により地盤中に貫入させ、該サンプラーが地盤中に３０ｃｍ貫入するまでに要する打撃回数をＮ値として、該地盤の強度を求めるものである。このような試験を各調査地点において地盤中１ｍごとに行う。
【０００４】
そのような標準貫入試験を全自動で行う貫入試験装置、あるいは打撃力を変化させることができる貫入試験装置が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１１０１５４号公報
【特許文献２】特開平１０−３３１１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、近年、地盤を含む構造物の力学特性を評価するために、模型実験が利用されている。しかしながら、地盤の変形特性は自重応力に強く依存しているため、通常の重力場での模型実験では応力場の相似則を満足できず、実際の地盤の現象を定性的に表現できないという問題があった。
【０００７】
一方、遠心模型実験装置は、原位置の地盤の応力状態を再現することができるという特質を有しているため、実際の地下構造物や土構造物の変形や破壊という力学的な検証実験として有益であることが知られている。
【０００８】
また、上述したように、基礎及び土構造物の設計業務では、標準貫入試験から得られるＮ値を用いて原位置の土の強度、変形特性を評価することが一般的である。そのため、遠心模型実験装置を用いて行った実験結果を現実の事象に反映するには模型地盤と原地盤との関係を評価する必要があり、標準貫入試験に対応した遠心場での試験方法の確立が重要である。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みて、遠心場においても標準貫入試験に対応した貫入抵抗を求めることができる貫入試験装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る貫入試験装置は、試験容器に収容された地盤材の貫入抵抗を求めるための貫入試験装置において、前記地盤材に遠心荷重を付与する遠心荷重付与手段と、前記遠心荷重付与手段により遠心荷重が付与されている地盤材に対して、標準貫入試験での打撃力に関連付けられた打撃力で抵抗体を貫入させる貫入手段と、前記抵抗体の貫入量が予め決められた大きさに達するのに要する打撃回数を測定する測定手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の請求項２に係る貫入試験装置は、上記請求項１において、前記貫入手段は、進退変位可能に設けられ、進出変位した場合に前記抵抗体を打撃により貫入させる打撃部と、前記打撃部と係合状態にある場合には該打撃部を退避変位させる一方、前記係合状態が解除された場合には前記打撃部の進出変位を許容する駆動部と、前記打撃部の退避変位距離を一定の大きさに規制する規制部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の貫入試験装置によれば、遠心荷重付与手段が地盤材に遠心荷重を付与し、貫入手段が遠心荷重が付与されている地盤材に対して標準貫入試験での打撃力に関連付けられた打撃力で抵抗体を貫入させ、測定手段が抵抗体の貫入量が予め決められた大きさに達するのに要する打撃回数を測定するので、遠心場においても標準貫入試験に対応した貫入抵抗を求めることができるという効果を奏する。従って、かかる貫入抵抗を利用して、実際の地下構造物や土構造物の変形や破壊という力学的な検証が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、本発明にかかる貫入試験装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の実施の形態における貫入試験装置の構成を簡略的に示したものである。この図１において、貫入試験装置は、遠心ユニット（遠心荷重付与手段）１０と、貫入試験ユニット２０とを備えて構成してある。
【００１５】
遠心ユニット１０は、アーム部１１を備えている。アーム部１１は、基端部分が回転軸１２に接続してある一方、先端部分にユニット保持部１３が設けてある。ユニット保持部１３は、貫入試験ユニット２０を保持するものである。
【００１６】
そのような遠心ユニット１０では、駆動すると、アーム部１１が回転軸１２を中心として図１中において例えば時計回りの方向に沿って回転し、これにより、アーム部１１のユニット保持部１３に保持された貫入試験ユニット２０も同様に時計回りの方向に沿って回転することになる。アーム部１１のユニット保持部１３は、通常時には、載置台１４に貫入試験ユニット２０を載置し、該貫入試験ユニット２０の上下方向が鉛直方向となる態様で保持するものであるが、アーム部１１が回転軸１２を中心として回転する場合には、貫入試験ユニット２０の上下方向に沿って遠心力が作用する態様で保持するものである。
【００１７】
したがって、遠心ユニット１０は、貫入試験ユニット２０の上下方向に沿って遠心力、すなわち遠心荷重を付与するものである。ここで、遠心ユニット１０の回転速度は、予め設定されたものから適宜選択可能となっている。本実施の形態では、例えば１分間に９０回転程度行う回転速度に設定されているものとする。
【００１８】
図２及び図３は、それぞれ図１に示した貫入試験装置を構成する貫入試験ユニットを示したものである。これら図２及び図３において、貫入試験ユニット２０は、試験容器２１と、貫入手段を構成する貫入動作部３０及び貫入駆動部（駆動部）４０と、測定部（図示せず、測定手段）とを備えて構成してある。
【００１９】
試験容器２１は、上面が開口した直方状の形態を成し、所定のベース２２に載置してある。この試験容器２１には、試験対象となる地盤を構成する地盤材２３が必要量収容されている。
【００２０】
貫入動作部３０は、シャフト３１と、中空ロッド３２と、ストッパー機構部（規制部）３３と、ランマー（打撃部）３４とを備えて構成してある。シャフト３１は、剛性の高い金属材料からなる長尺棒状体であり、図中において上下方向に沿って延在する態様で配設してある。より詳細に説明すると、シャフト３１の基端部分（図中の上端部分）が貫入試験ユニット２０を構成するフレーム２４に支持され、先端部分（図中の下端部分）が試験容器２１の上方に位置している。
【００２１】
中空ロッド３２は、シャフト３１同様、剛性の高い金属材料からなる長尺円筒状のものである。この中空ロッド３２の内径は、シャフト３１の外径よりも僅かに大きい。また、中空ロッド３２の先端部分（図中の下端部分）には、先端コーン３５が設けてある一方、基端部分（図中の上端部分）には、ノッキングヘッド３６が設けてある。先端コーン３５は、シャフト３１や中空ロッド３２同様、剛性の高い金属材料からなる円錐状のものである。この先端コーン３５の頂部３５ａ、すなわち先端部分の角度は例えば６０°である。ノッキングヘッド３６は、シャフト３１や中空ロッド３２同様、剛性の高い金属材料からなる円筒状のものである。ノッキングヘッド３６の外径は、中空ロッド３２の外径よりも大きく、内径は、シャフト３１の外径よりも僅かに大きい。
【００２２】
そして、中空ロッド３２及びノッキングヘッド３６は、内部をシャフト３１に貫通された態様で、該シャフト３１の延在方向（図中においては上下方向）に沿って変位可能に配設してある。このとき、先端コーン３５の頂部３５ａは、試験容器２１に収容された地盤材中に僅かに進入した位置にある。ここに、図２及び図３中の符号２６は、貫入駆動部４０を保持するための一対の保持板２５に設けられたガイドである。ガイド２６は、中空ロッド３２の外径よりも僅かに大きい内径を有する通過孔２６ａを有している。通過孔２６ａの内面には、図示しないベアリングが設けてある。ガイド２６は、中空ロッド３２をシャフト３１の延在方向に沿って変位させるためのもので、つまり、シャフト３１の変位方向を規制するものである。
【００２３】
ストッパー機構部３３は、詳細は後述するが、ランマー３４の変位を規制するものである。このストッパー機構部３３は、シャフト３１や中空ロッド３２同様、剛性の高い金属材料からなり、円筒状延在部３３ａと、ストッパー部３３ｂとを有している。円筒状延在部３３ａは、シャフト３１の外径よりも僅かに大きい内径を有し、該シャフト３１に貫通された態様で配設してある。この円筒状延在部３３ａの先端部分（図中においては下端部分）は、図４にも示すように、ノッキングヘッド３６の当接面（図中においては上面）３６ａに接している。また、円筒状延在部３３ａの基端部分には、シャフト３１に貫通された係合規制部３３ｃが設けてある。係合規制部３３ｃは、円筒状延在部３３ａ（ストッパー機構部３３）が該シャフト３１の基端側（図中においては上端側）に変位することを規制する一方、該シャフト３１の先端側（図中においては下端側）に変位することを許容する態様で係合するものである。
【００２４】
ストッパー部３３ｂは、円筒状延在部３３ａの先端部分から基端側に所定の距離だけ離隔した位置に該円筒状延在部３３ａの外周面を覆う態様で固定配置してある。このストッパー部３３ｂは、規制爪３３ｄを有している。
【００２５】
ランマー３４は、シャフト３１や中空ロッド３２同様、剛性の高い金属材料からなるものであり、内部に貫通孔３４１が形成してある。貫通孔３４１は、ストッパー機構部３３の円筒状延在部３３ａの外径よりも僅かに大きいものであり、その内面にはベアリング３４２が設けてある。したがって、ランマー３４は、貫通孔３４１を円筒状延在部３３ａに貫通された態様で該円筒状延在部３３ａの延在方向（図中では上下方向）に沿って変位可能、すなわち進退変位可能に配設されている。
【００２６】
このランマー３４の先端部（図中においては下端部）は、ノッキングヘッド３６の外径と略等しい外径を有しており、ノッキングヘッド３６の当接面３６ａを打撃するための打撃面３４ａが形成してある。その一方、ランマー３４の基端部（図中においては上端部）には、係合機構部３４ｂが設けてある。係合機構部３４ｂは、図５に示すように、常態においては、係合片３４ｃを側方に突出させた状態に保持する一方、図６に示すように、ストッパー機構部３３の規制爪３３ｄが内部に相対的に進入した場合には、スプリング３４ｄの付勢力が作用して係合片３４ｃを基端側（図中においては上方側）に揺動させる構造を有するものである。
【００２７】
貫入駆動部４０は、図２及び図３に示すように、一対の保持板２５間に設けてあり、チェーン４１と、モータ４２とを備えて構成してある。ここに、一対の保持板２５は、貫入動作部３０の側方において、フレーム２４からシャフト３１の延在方向に沿って延びる態様で設けた板状体である。この一対の保持板２５の先端部分には、貫入動作部３０に向けて突出する既述のガイド２６が設けてある。チェーン４１は、無端状を成し、貫入動作部３０側の直線状に延在する部分が露出する態様で、一対の保持板２５間に配設された複数（本実施の形態では２つ）のプーリ４３ａ，４３ｂ間に張設してある。このチェーン４１には、所定の間隔ごとに金属プレート４４が設けてある。金属プレート４４は、ランマー３４を構成する係合片３４ｃと係合するためのものである。モータ４２は、一方のプーリ（図示の例ではフレーム２４側のプーリ）４３ａを回転させるための駆動源である。このモータ４２は、駆動指令が発せられたときに駆動するものである。
【００２８】
したがって、貫入駆動部４０では、モータ４２がプーリ４３ａを回転させることにより、無端状に張設されたチェーン４１が図３中の矢印方向の方向に変位することになり、これによりチェーン４１に設けられた金属プレート４４もチェーン４１と同様に矢印方向に変位することになる。
【００２９】
測定部は、例えばレーザー変位計のように、レーザーを用いて先端コーン３５及び中空ロッド３２の貫入量（以下、単に貫入量とも称する）と、該貫入量が予め決められた大きさに達するのに要する打撃回数であるＮｄ値とを測定するものである。具体的には、測定部は、ノッキングヘッド３６の変位量を計測することにより貫入量を測定し、ランマー３４によるノッキングヘッド３６の打撃回数を計測することによりＮｄ値を測定する。かかる測定部の配設個所は、貫入量及びＮｄ値を測定できる個所であれば特に制限されるものではない。
【００３０】
以上のような構成を有する貫入試験装置は、つぎのようにして地盤材２３の強度を求めることができる。以下においては、貫入試験ユニット２０は、遠心ユニット１０のユニット保持部１３に保持されており、また、所定の初期位置にあるものとして説明する。ここに、所定の初期位置とは、ストッパー機構部３３の円筒状延在部３３ａの先端部分及びランマー３４の打撃面３４ａが、それぞれノッキングヘッド３６の当接面３６ａに接した位置にある状態のことをいう（図３及び図４に示した状態）。
【００３１】
遠心ユニット１０を駆動させることにより、アーム部１１が回転軸１２を中心として例えば時計回りの方向に沿って回転する。ここに、アーム部１１の回転速度は、予め設定されており、例えば１分間に９０回転する速度に設定されているものとする。これにより、アーム部１１のユニット保持部１３に保持された貫入試験ユニット２０には、例えば３０Ｇの大きさの遠心荷重が付与される。より詳細に説明すると、試験容器２１の地盤材２３には、地盤材中に例えば３０Ｇの大きさの遠心荷重が付与される。その結果、試験容器２１の地盤材２３は、例えば地盤表面から１０ｍ以上深い位置に近い状態になる。
【００３２】
遠心ユニット１０により遠心荷重が付与された貫入試験ユニット２０では、貫入駆動部４０を構成するモータ４２が駆動指令に基づいて駆動することにより、同じく貫入駆動部４０を構成するチェーン４１が図３中の矢印方向に沿って変位する。チェーン４１が変位することにより、該チェーン４１に設けられた金属プレート４４も同様に変位する。
【００３３】
変位する金属プレート４４が、図７に示すように、突出状態にある係合片３４ｃと係合する。これにより、ランマー３４は、金属プレート４４の変位とともにストッパー機構部３３を構成する円筒状延在部３３ａの延在方向に沿って基端側に向けて変位、すなわち退避変位する。
【００３４】
退避変位するランマー３４がストッパー機構部３３を構成するストッパー部３３ｂに近接すると、図８に示すように、該ストッパー部３３ｂの規制爪３３ｄが相対的に係合機構部３４ｂの内部に進入する。このとき、ストッパー機構部３３は、係合規制部３３ｃにより基端側への変位を規制されているので、ストッパー部３３ｂは基端側に変位することはない。規制爪３３ｄが相対的に係合機構部３４ｂの内部に進入することにより、係合機構部３４ｂではスプリング３４ｄの付勢力が作用して係合片３４ｃを基端側に揺動させる。その結果、金属プレート４４と係合片３４ｃとの係合状態は解除され、ランマー３４はフリーな状態になる。このように、ランマー３４は、円筒状延在部３３ａの先端部分と、ストッパー部３３ｂの配置個所との間を変位することになり、ストッパー部３３ｂの配置個所によりランマー３４の変位可能距離が決められている。
【００３５】
フリーな状態となったランマー３４は、遠心荷重の作用を受けることにより、先端側に向けて変位、すなわち進出変位する。このとき、係合片３４ｃは再び先端側に揺動し元の突出状態になる。その後、変位するランマー３４の打撃面３４ａが、図９に示すように、ノッキングヘッド３６の当接面３６ａを打撃、すなわちランマー３４がノッキングヘッド３６を打撃する。これにより、ランマー３４の打撃力がノッキングヘッド３６を通じて中空ロッド３２及び先端コーン３５に伝達し、該先端コーン３５及び中空ロッド３２が地盤材中に所定量だけ貫入する。ここに、ランマー３４によるノッキングヘッド３６の打撃力は、遠心荷重の大きさを考慮して予め大きさが調整してある。具体的には、通常の重力場（１Ｇ）において先端コーン３５及び中空ロッド３２を例えば２０ｃｍ貫入させるのに要する打撃回数が、上述の標準貫入試験でのＮ値（サンプラーを地盤中に３０ｃｍ貫入させるのに要する打撃回数）と等価となるように打撃力の大きさが調整してある。
【００３６】
ランマー３４がノッキングヘッド３６を打撃して先端コーン３５及び中空ロッド３２が地盤材中に所定量だけ貫入すると、ノッキングヘッド３６も同じ量だけ変位する結果、ノッキングヘッド３６の当接面３６ａと、ストッパー機構部３３の円筒状延在部３３ａの先端部分との間に間隙が生ずることになる。ストッパー機構部３３にも遠心ユニット１０による遠心荷重が付与されているので、ストッパー機構部３３（円筒状延在部３３ａ）は、図１０に示すように、円筒状延在部３３ａの先端部分がノッキングヘッド３６の当接面３６ａに接するまで先端側に変位し、ランマー３４とともに初期位置となる。ストッパー機構部３３を構成する係合規制部３３ｃは、円筒状延在部３３ａが基端側に変位することを規制するので、該ストッパー機構部３３が基端側に変位する虞れはない。このように、ストッパー機構部３３がランマー３４に追随して変位し、円筒状延在部３３ａの先端部分とストッパー部３３ｂの配置個所との距離を一定にするので、ランマー３４が再び金属プレート４４の変位とともに基端側に変位してもその変位可能距離は常に等しいものになる。そして、貫入動作部３０では、初期位置にあるランマー３４が係合片３４ｃを通じて金属プレート４４と係合して基端側に変位し、上記動作を繰り返す。
【００３７】
測定部は、レーザーを用いて先端コーン３５及び中空ロッド３２の貫入量を計測し、かかる貫入量が予め決められた大きさ（例えば２０ｃｍ）に達したときに、かかる大きさに達するのに要する打撃回数（Ｎｄ値）を測定する。これにより、地盤の貫入抵抗を求めることができる。
【００３８】
以上説明したように、本発明の実施の形態における貫入試験装置によれば、遠心ユニット１０が試験容器２１に収容された地盤材２３に遠心荷重を付与し、貫入動作部３０が遠心荷重が付与されている地盤材２３に対して、先端コーン３５及び中空ロッド３２を標準貫入試験の打撃力に関連付けられた打撃力により貫入させ、測定部が先端コーン３５及び中空ロッド３２の貫入量が予め決められた大きさに達するのに要する打撃回数を測定するので、遠心場においても標準貫入試験に対応した貫入抵抗を求めることができる。従って、かかる貫入抵抗を利用して、実際の地下構造物や土構造物の変形や破壊という力学的な検証が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明にかかる貫入試験装置は、試験容器に収容された地盤材を用いて、遠心場の模型地盤の貫入抵抗を求めるのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態における貫入試験装置の構成を簡略的に示した説明図である。
【図２】貫入試験装置を構成する貫入試験ユニットを示した説明図である。
【図３】貫入試験装置を構成する貫入試験ユニットの要部を拡大して示した説明用断面図である。
【図４】貫入試験ユニットを構成するランマーを拡大して示した説明用断面図である。
【図５】貫入試験ユニットを構成するストッパー機構部を示した説明図である。
【図６】貫入試験ユニットを構成するストッパー機構部を示した説明図である。
【図７】貫入試験ユニットを構成する貫入動作部の動作を模式的示した説明図である。
【図８】貫入試験ユニットを構成する貫入動作部の動作を模式的示した説明図である。
【図９】貫入試験ユニットを構成する貫入動作部の動作を模式的示した説明図である。
【図１０】貫入試験ユニットを構成する貫入動作部の動作を模式的示した説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０      遠心ユニット
２０      貫入試験ユニット
２１      試験容器
２３      地盤材
３０      貫入動作部
３１      シャフト
３２      中空ロッド
３３      ストッパー機構部
３４      ランマー
３４ｂ    係合機構部
３４ｃ    係合片
３５      先端コーン
３６      ノッキングヘッド
４０      貫入駆動部
４１      チェーン
４２      モータ
４４      金属プレート
【図１】
2006343125.tif 000003
【図２】
2006343125.tif 000004
【図３】
2006343125.tif 000005
【図４】
2006343125.tif 000006
【図５】
2006343125.tif 000007
【図６】
2006343125.tif 000008
【図７】
2006343125.tif 000009
【図８】
2006343125.tif 000010
【図９】
2006343125.tif 000011
【図１０】
2006343125.tif 000012