(57)【要約】      （修正有）【課題】試料中のせん断帯における剛性を算出する方法を提供する。【解決手段】せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が第１距離（Ｗ1）である第１測定装置に試料を設定する工程と、第１測定装置に設定された試料にせん断帯を形成する工程と、せん断帯が形成された第１測定装置に設定された試料中で、せん断波発振用ベンダーエレメントによって発振したせん断波がせん断波受振用ベンダーエレメントに到達するまでの第１時間（Ｔ1）を測定する工程と、せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が、第１距離と異なる第２距離（Ｗ2）である第２測定装置に試料を設定する工程を含む。【選択図】図８
2015203591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料中のせん断帯における剛性を算出するせん断帯剛性算出方法であって、
せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が第１距離である第１測定装置に試料を設定する工程と、
前記第１測定装置に設定された試料にせん断帯を形成する工程と、
せん断帯が形成された前記第１測定装置に設定された試料中で、せん断波発振用ベンダーエレメントによって発振したせん断波がせん断波受振用ベンダーエレメントに到達するまでの第１時間を測定する工程と、
せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が、前記第１距離と異なる第２距離である第２測定装置に試料を設定する工程と、
前記第２測定装置に設定された試料にせん断帯を形成する工程と、
せん断帯が形成された前記第２測定装置に設定された試料中で、せん断波発振用ベンダーエレメントによって発振したせん断波がせん断波受振用ベンダーエレメントに到達するまでの第２時間を測定する工程と、
前記第１距離と、前記第２距離と、前記第１時間と、前記第２時間と、試料のせん断帯の厚さとに基づいて、試料中のせん断帯における剛性を算出することを特徴とするせん断帯剛性算出方法。
【請求項２】
せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が第１距離である第１測定装置と、
せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が、前記第１距離と異なる第２距離である第２測定装置と、からなることを特徴とするせん断帯剛性算出用測定装置。
【請求項３】
せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとが、異なる円筒部材に設けられることを特徴とする請求項２に記載のせん断帯剛性算出用測定装置。
【請求項４】
前記円筒部材が透明な素材からなることを特徴とする請求項３に記載のせん断帯剛性算出用測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料中のせん断帯における剛性を算出するせん断帯剛性算出方法、及び、試料中のせん断帯における剛性を算出するのに好適なせん断帯剛性算出用測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一面せん断試験で土試料中に生じるせん断帯は、せん断の進展に応じてその構造や形状が変化し、土の強度特性にも大きな影響を及ぼすことから、土のせん断メカニズム解明の観点からその発生挙動についての研究が進められている。
【０００３】
また、土試料に関し、ベンダーエレメントを用いることにより、試料中を伝搬するＳ波の速度を測定する方法が知られている。例えば、特許文献１（特開２００４−５３５８６号公報）には、地盤改良の実施工に先立ち、評価対象の地盤特性と同等仕様の供試体を作成し、該供試体に対してせん断波速度と強度とを求める室内試験を行ってせん断波速度と強度との関係を定式化し、求めた回帰曲線に、実施工が進行する地盤に設置したベンダーエレメントを用いて求めたせん断波速度の測定結果を適用して原位置での地盤強度を推定することを特徴とする地盤特性の評価方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−５３５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
地すべりを数値解析で予測・評価する際にも、想定されるせん断帯の剛性の物性値の設定が大きな課題となるが、その試験法は確立していないのが現状である。
【０００５】
剛性については検討例も少なく、周辺地盤の剛性を機械的に、例えば１／１０倍、１／１００倍に落として設定するなどの方法が用いられている。
【０００６】
本発明は、せん断帯の剛性を、試料中のせん断帯における剛性を算出するせん断帯剛性算出方法及び、試料中のせん断帯における剛性を算出するのに好適なせん断帯剛性算出用測定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】
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、試料中のせん断帯における剛性を算出するせん断帯剛性算出方法であって、せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が第１距離である第１測定装置に試料を設定する工程と、前記第１測定装置に設定された試料にせん断帯を形成する工程と、せん断帯が形成された前記第１測定装置に設定された試料中で、せん断波発振用ベンダーエレメントによって発振したせん断波がせん断波受振用ベンダーエレメントに到達するまでの第１時間を測定する工程と、せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が、前記第１距離と異なる第２距離である第２測定装置に試料を設定する工程と、前記第２測定装置に設定された試料にせん断帯を形成する工程と、せん断帯が形成された前記第２測定装置に設定された試料中で、せん断波発振用ベンダーエレメントによって発振したせん断波がせん断波受振用ベンダーエレメントに到達するまでの第２時間を測定する工程と、前記第１距離と、前記第２距離と、前記第１時間と、前記第２時間と、試料のせん断帯の厚さとに基づいて、試料中のせん断帯における剛性を算出することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が第１距離である第１測定装置と、せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとの間の距離が、前記第１距離と異なる第２距離である第２測定装置と、からなることを特徴とするせん断帯剛性算出用測定装置である。
【０００９】
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載のせん断帯剛性算出用測定装置において、せん断波発振用ベンダーエレメントとせん断波受振用ベンダーエレメントとが、異なる円筒部材に設けられることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載のせん断帯剛性算出用測定装置において、前記円筒部材が透明な素材からなるであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るせん断帯剛性算出方法によれば、試料中のせん断帯における剛性を定量的に算出することが可能となる。
【００１２】
また、本発明に係るせん断帯剛性算出用測定装置によれば、簡便に試料中のせん断帯における剛性を算出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係るせん断帯剛性算出方法で好適に用い得る測定装置１の概要を示す図である。
【図２】ベンダーエレメントを用いた測定状況の一例を示す図である。
【図３】ベンダーエレメントの原理を説明する図である。
【図４】本発明に係るせん断帯剛性算出方法における測定工程を説明する図である。
【図５】試料中のせん断帯でない箇所におけるせん断波速度Ｖ、及び、試料中のせん断帯におけるせん断波速度ＶSBを求める原理を説明する図である。
【図６】Ｗ＝Ｗ1である測定装置１による測定の様子を示す図である。
【図７】Ｗ＝Ｗ2である測定装置１による測定の様子を示す図である。
【図８】Ｗ＝Ｗ1、Ｗ＝Ｗ2である２つの測定装置１によって、特定される１次関数を示す図である。
【図９】本発明の他の実施形態に係るせん断帯剛性算出方法を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明に係るせん断帯剛性算出方法で好適に用い得る測定装置１の概要を示す図である。
【００１５】
測定装置１は、土試料のホルダーとして、２つの円筒部材１０を有している。円筒部材１０は、外周筒部１５の両端に、有底端部１１と、開口端部１２とが設けられた構造をしており、有底端部１１には、せん断波発振用ベンダーエレメントＳ、又は、せん断波受振用ベンダーエレメントＳ'が片持ち支持された状態で取り付けられている。なお、円筒部
材１０が合成樹脂のアクリルなどの透明な素材からなると、せん断帯の厚さを確認する際に便利がよい。
【００１６】
せん断波発振用ベンダーエレメントＳには、発振リード線１２０が取り付けられており、それぞれのベンダーエレメントに独立して電圧を印加することができるようになっている。また、せん断波受振用ベンダーエレメントＳ'には、受振リード線２２０が取り付け
られており、それぞれのベンダーエレメントで発生する電圧を取り出すことができるようになっている。
発振側のせん断波発振用ベンダーエレメントＳには、パラレル型（並列結線）のものを、また、受振側のせん断波受振用ベンダーエレメントＳ'にはシリーズ型（直列結線）のも
のをもちいることがより好ましい。
【００１７】
これは、ベンダーエレメントには、圧電セラミックの貼り合わせ方によって、パラレル型（並列結線）とシリーズ型（直列結線）があり、分極方向が同一方向となるように貼り合わせたパラレル型の場合、同じ印加電圧に対して、分極方向が１８０度異なる方向に貼り合わせたシリーズ型よりも大きく振動する特性を有しているため発振用に好適であり、一方、シリーズ型の場合、同じ振動に対してパラレル型よりも生じる電圧が高くなるので受振側に好適だからである。
【００１８】
せん断波発振用ベンダーエレメントＳ、せん断波受振用ベンダーエレメントＳ'の概要
について、図２を参照して説明する。
【００１９】
ベースエレメントとは、圧電セラミックの薄板を２枚貼り合わせた振動子５２の呼称であり、土などの試料中の弾性波速度測定を目的として使用される。
【００２０】
ベンダーエレメントで用いられる圧電セラミックの材質としては、通称ＰＺＴと呼ばれ、一般に強誘電体のチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）と反強誘電体のジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ
Ｏ3）の固溶体で成分は［Ｐｂ（Ｚｒ−Ｔｉ）Ｏ3］である。
【００２１】
上記のような圧電セラミックは、高電界印加により結晶軸の方向を特定の方向に揃える分極処理を行うと圧電性を発現する。分極処理を施された圧電セラミックは、応力を加えると電気分極を生じ電界が発生し（正効果）、逆に電界を加えて電気分極を起こさせるとひずみが生じる（逆効果）特性を有している。
【００２２】
ベンダーエレメントは厚み方向に分極された圧電セラミックを弾性補強、かつ電極の役割を果たすニッケルやリン青銅のシム材の両面に貼り合わせた構造となっている。また、圧電セラミックの表面には銀電極やニッケル電極がコーティングされている。さらに、防水・絶縁のためにエポキシ樹脂などコーティングが施されている。
【００２３】
図１において、信号発生部１５０は、せん断波発振用ベンダーエレメントＳに印加する電圧を発生する、例えば、ファンクションジェネレータなどである。また、せん断波受振用ベンダーエレメントＳ'からの出力は、直流アンプなどの信号増幅部２７０で増幅され
、データログ機能付きオシロスコープなどのデータ取得部２８０によって記録される。また、データ取得部２８０では、信号発生部１５０で出力された信号を記録するようにしておいてもよい。
【００２４】
図２は、上記のようなベンダーエレメントを利用した地盤のせん断波速度の測定方法の一例を示している。また、図３はベンダーエレメントの原理を説明する図である。図２に示したように、ベンダーエレメント５０Ｓ、５０Ｒを所定距離Ｌだけ離れた地盤内に埋設し、一方のベンダーエレメント５０ＳからＳ波を発信させ、もう他方のベンダーエレメント５０ＲでＳ波を受信し、そのベンダーエレメント間の距離ＬをＳ波の伝搬時間（遅延時間）で除すことにより、対象試料中のせん断波速度Ｖｓを算定するものである。
【００２５】
すなわち、この埋設されたベンダーエレメント５０が試料から所定の振動を受けて片持ち梁が変位する（撓む）と、圧電効果によりその変位方向（図３：素子内矢印方向）に電気分極が生じ、その先端撓み量（ｕ）に比例した電圧（Ｖ）が、撓み方向に応じた極性を伴って発生する。したがって、同一形状のベンダーエレメント５０を、振動子５２同士が対向するように試料内に配置し、一方のベンダーエレメント５０の振動子５２Ｓを発振部
とし、他方のベンダーエレメント５０の振動子５２Ｒを受振部とし、両者間の試料を媒体として波動（Ｓ波）を伝播させ、この２つの振動子５２Ｓ、５２Ｒ間の距離に対して波動の到達時間を求めることで、この試料位置でのせん断波速度（Ｖs）を算出することがで
きる。なお、図３各図では振動子５２の先端５２ｂ近傍に接続するように回路が示されているが、実際には電源からのリード線は片持ち支持部内で振動子５２の端子（図示せず）に接続されている。
【００２６】
なお、ベンダーエレメントの発振周波数はその自由端長の二乗に反比例するので、試料の剛性を考慮して自由端長（片持ち支持部からベンダーエレメント先端部までの長さ）を設定することにより、データ取得に最適な発振周波数を選択する。
【００２７】
以上のように構成される測定装置１によって、せん断帯の剛性算出のための測定工程を図４に基づいて説明する。図４（Ａ）乃至（Ｄ）は、測定装置１による測定手順を順次模式的に図示したものである。なお、図４においては、測定装置１の２つの円筒部材１０や、せん断波発振用ベンダーエレメントＳ、せん断波受振用ベンダーエレメントＳ'などを
模式的に示すに留めている。
【００２８】
せん断帯の剛性算出のための測定工程においては、まず図４（Ａ）に示さる空の２つの円筒部材１０に、図４（Ｂ）に示すように、せん断帯の剛性を算出しようとする土試料を充填する。次に、図４（Ｃ）に示すように、２つの円筒部材１０に応力をかけて、せん断帯を発生させる。続いて、図４（Ｄ）に示すように、信号発生部１５０によって、せん断波発振用ベンダーエレメントＳを発振し、せん断波受振用ベンダーエレメントＳ'で受振
することで、データ取得部２８０でデータの記録を行う。
【００２９】
ここで、せん断波発振用ベンダーエレメントＳと、せん断波受振用ベンダーエレメントＳ'との間の距離をＷ、また、せん断帯の厚さをＷSB、試料中のせん断帯でない箇所にお
けるせん断波速度をＶ、試料中のせん断帯におけるせん断波速度をＶSBと、せん断波発振用ベンダーエレメントＳからせん断波受振用ベンダーエレメントＳ'までのせん断波の到
達時間をＴとすると、図４（Ｄ）に示す模式図から、下式（１）の関係があることがわかる。
【００３０】
【数１】
2015203591.tif 000003
【００３１】
ＴをＷの関数とみて、式（１）を変形すると、下式（２）を得ることができる。
【００３２】
【数２】
2015203591.tif 000004
【００３３】
すなわち、ＴはＷの１次関数であり、この１次関数の傾きが１／Ｖで、切片が（１／ＶSB−１／Ｖ）・ＷSBである。
【００３４】
上記の１次関数を、（Ｗ，Ｔ）座標に図示したものが図５である。図５は試料中のせん断帯でない箇所におけるせん断波速度Ｖ、及び、試料中のせん断帯におけるせん断波速度
ＶSBを求める原理を説明する図である。
【００３５】
試料の厚さは、せん断帯の厚さに影響を与えない事を考慮すると、図５に示すように、前記１次関数の傾き、切片を求め、せん断帯の厚さＷSBを確認することで、せん断帯でない箇所におけるせん断波速度Ｖ、及び、試料中のせん断帯におけるせん断波速度ＶSBを求めることができるが、このためには、少なくとも、Ｗ＝Ｗ1、Ｗ＝Ｗ2である２つの測定装置１によって、（Ｗ1，Ｔ1）、（Ｗ2，Ｔ2）の前記１次関数を特定することができ、この１次関数の傾き、切片から、せん断帯でない箇所におけるせん断波速度Ｖ、及び、試料中のせん断帯におけるせん断波速度ＶSBを求めることができる。
【００３６】
以下、このことについて説明する。測定装置１による測定手順は、図４で説明したことを利用することができる。
【００３７】
図６（Ａ）は、Ｗ＝Ｗ1である測定装置１による測定時の模式図を示す図であり、図６
（Ｂ）はデータ取得部２８０で取得されるデータを示す図である。図６（Ｂ）により、Ｔ＝Ｔ1を取得することができる。
【００３８】
式（２）に、図６による測定で求められたＷ＝Ｗ1、Ｔ＝Ｔ1を代入することで、下式（３）を得ることができる。
【００３９】
【数３】
2015203591.tif 000005
【００４０】
図７（Ａ）は、Ｗ＝Ｗ2である測定装置１による測定時の模式図を示す図であり、図７
（Ｂ）はデータ取得部２８０で取得されるデータを示す図である。図７（Ｂ）により、Ｔ＝Ｔ2を取得することができる。
【００４１】
式（２）に、図７による測定で求められたＷ＝Ｗ2、Ｔ＝Ｔ2を代入することで、下式（４）を得ることができる。
【００４２】
【数４】
2015203591.tif 000006
【００４３】
式（３）及び式（４）よりＶについて解くと、下式（５）を得ることができる。
【００４４】
【数５】
2015203591.tif 000007
【００４５】
また、式（３）及び式（４）よりＶSBについて解くと、下式（６）を得ることができる。
【００４６】
【数６】
2015203591.tif 000008
【００４７】
なお、図８は、Ｗ＝Ｗ1、Ｗ＝Ｗ2である２つの測定装置１によって、特定される１次関数を示す図である。
【００４８】
また、式（５）を用いることによって、試料中のせん断帯でない箇所における剛性Ｇは下式（７）によって求めることができる。ただし、ρは試料中のせん断帯でない箇所における密度を示す。この密度ρについては従来周知の方法によって、適宜求めることができる。
【００４９】
【数７】
2015203591.tif 000009
【００５０】
また、式（６）を用いることによって、試料中のせん断帯における剛性ＧSBは下式（８）によって求めることができる。ただし、ρSBは試料中のせん断帯における密度を示す。この密度ρSBについては従来周知の方法によって、適宜求めることができる。
【００５１】
【数８】
2015203591.tif 000010
【００５２】
以上のように、本発明に係るせん断帯剛性算出方法によれば、試料中のせん断帯における剛性を定量的に算出することが可能となる。
【００５３】
また、本発明に係るせん断帯剛性算出用の測定装置１によれば、簡便に試料中のせん断帯における剛性を算出することが可能となる。
【００５４】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。先の実施形態では、Ｗ＝Ｗ1、Ｗ＝Ｗ2である２つの測定装置１によって、前記１次関数を求め、さらに、せん断帯でない箇所におけるせん断波速度Ｖ、及び、試料中のせん断帯におけるせん断波速度ＶSBを求め、さらにこれらの速度により、試料中のせん断帯でない箇所における剛性Ｇと、試料中のせん断帯における剛性ＧSBと、を解析的に求めるようにしていた。
【００５５】
これに対して本実施形態では、Ｗが異なる３つ以上の測定装置１によって得られるデータから、外挿することによって、前記１次関数を求めるようにしている。図９は本発明の他の実施形態に係るせん断帯剛性算出方法を説明する図である。図９においては、Ｗ＝Ｗ1、Ｗ＝Ｗ2、Ｗ＝Ｗ3、Ｗ＝Ｗ4である４つの測定装置１によって、データを取得して、１次関数を外挿によって求めている様子を示す図である。
【００５６】
図９に示すように、数値的に１次関数を求め、さらに、この１次関数の傾きと切片から
、せん断帯でない箇所におけるせん断波速度Ｖ、及び、試料中のせん断帯におけるせん断波速度ＶSBを求め、さらにこれらの速度により、試料中のせん断帯でない箇所における剛性Ｇと、試料中のせん断帯における剛性ＧSBと、を求めるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１・・・測定装置
１０・・・円筒部材
１１・・・有底端部
１２・・・開口端部
１５・・・外周筒部
５０・・・ベンダーエレメント
５２・・・振動子
１５０・・・信号発生部
１２０・・・発振リード線
２２０・・・受振リード線
２７０・・・信号増幅部
２８０・・・データ取得部
Ｓ・・・せん断波発振用ベンダーエレメント
Ｓ'・・・せん断波受振用ベンダーエレメント
【図１】
2015203591.tif 000011
【図２】
2015203591.tif 000012
【図３】
2015203591.tif 000013
【図４】
2015203591.tif 000014
【図５】
2015203591.tif 000015
【図６】
2015203591.tif 000016
【図７】
2015203591.tif 000017
【図８】
2015203591.tif 000018
【図９】
2015203591.tif 000019