(57)【要約】【課題】より現実に即した状態で液状化現象を再現でき、観察者に正しい液状化前後のイメージを与えることができ、しかもコンパクトで可搬性があり、メンテナンスフリーで、誰でも迅速に繰り返し液状化現象の観察を行うことができるようにする。【解決手段】内側水槽１２と外側水槽１４との２重構造であり、それら内側水槽と外側水槽とが下部で互いに連通する実験槽１０と、前記内側水槽の底部に組み込まれるストレーナ部２０と、該ストレーナ部を介して水を噴出させうるように前記実験槽の内部下方に組み込まれる水中ポンプ２８と、前記実験槽の外部で上下位置調整可能に設置され、前記実験槽の下部とフレキシブル連通管で連通する水位調整タンク３２とを具備し、少なくとも実験槽正面上方が透明体からなり内部を透視可能とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側水槽と外側水槽との２重構造であり、それら内側水槽と外側水槽とが下部で互いに連通する実験槽と、前記内側水槽の底部に組み込まれるストレーナ部と、該ストレーナ部を介して水を噴出させうるように前記実験槽の内部下方に組み込まれる水中ポンプと、前記実験槽の外部で上下位置調整可能に設置され、前記実験槽の下部とフレキシブル連通管で連通する水位調整タンクとを具備し、少なくとも実験槽正面上方が透明体からなり内部を透視可能になっていることを特徴とするユニット型液状化実験装置。
【請求項２】
内側水槽と外側水槽の水平断面形状は、（内側水槽の水平断面積）＝（外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積）となるように設定され、内側水槽に水位を計測するメジャーが貼設されている請求項１記載のユニット型液状化実験装置。
【請求項３】
ストレーナ部は、内側水槽内に収容される砂利層と、その砂利層などを受けるメッシュ板と、その下方に間隙をおいて設けられる仕切り板との組み合わせからなり、水中ポンプの吐出口が前記間隙に位置している請求項１又は２記載のユニット型液状化実験装置。
【請求項４】
前記実験槽が振動台上に載置される請求項１乃至３のいずれかに記載のユニット型液状化実験装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地震時に発生する地盤液状化を模型実験するための装置に関し、更に詳しく述べると、２重構造の実験槽内に水中ポンプを組み込むことで装置をユニット化し、簡便且つ迅速に繰り返し液状化を観察できるようにしたユニット型液状化実験装置に関するものである。この装置は、例えば科学教育や防災教育における液状化現象のデモンストレーションなどに有用である。
【背景技術】
【０００２】
科学教育や防災教育などにおいて、地震時に発生する地盤液状化現象を説明するには、液状化現象をデモンストレーションする方法が有効である。液状化可能な地盤を作製する方法としては、水槽内に砂を散布し、あるいは水槽に水と砂を入れて攪拌し、そのまま放置して水中で砂を沈降させ、その後、水槽下部から排水して砂の表面レベルよりも若干下方まで水位を下げる方法がある。これによって、水位よりも上方には排水された締まった砂層が形成され、水位よりも下方に間隙が多く緩い液状化可能な砂層を形成することができる。これに振動を与えると、砂と水とが一体となって液体のように振る舞う（液状化）現象が観察できる。しかし、これらの方法では、液状化させた後、再び液状化可能な地盤を作製するには、水槽内の砂と水を全て入れ替えたり、水槽に注水して攪拌させるなど、多大な手数と時間がかかり、面倒な作業が必要となる。
【０００３】
より簡便に液状化現象を観察できる器具として、透明な密閉容器に水と砂、及び地中や地上の構造物の模擬物を入れた地盤液状化ボトルが提案されている（特許文献１参照）。これは、密閉容器を振り動かすことで水と砂を一様化し、その後そのまま放置することで砂を沈降させると共に、地中や地上の構造物の模擬物を所定の位置にセットするものである。ここで、密閉容器に振動を与えると砂の沈殿層が液状化し、それにより模擬物は新しい釣り合いの位置まで沈む。従って、密閉容器を振り動かすことにより、何度でも同様の実験を行うことができる。
【０００４】
しかし、この地盤液状化ボトルによる実験は、液状化の理屈は合っているとしても、地中や地上の構造物の模擬物も含めて密閉容器を振り動かすことは現実にはあり得ず、また密閉容器内で沈降した砂層の上に水が残ったままであり、観察者に正しい液状化前後のイメージを与えることは困難である。
【０００５】
より現実に即した液状化を再現する技術としては、大型土槽を使用した多数の実験例の他、例えば特許文献２に見られるような液状化試験装置がある。しかし、この装置は、幾つかの水槽を配管で接続した大掛かりで複雑な構成の据え付け設備であり、専門の研究室等でのより正確な地盤の挙動把握には有用であっても、簡便に液状化を観察できるような科学・防災教育的な用途には不向きである。展示・展覧などのため持ち運んだり、迅速に繰り返し液状化現象のデモンストレーションを行うことが困難だからである。
【特許文献１】特開２００１−２９６８００号公報
【特許文献２】特開２００２−１９５９９３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、より現実に即した状態で液状化現象を再現でき、観察者に正しい液状化前後のイメージを与えることができ、しかもコンパクトで可搬性があり、メンテナンスフリーで、誰でも迅速に繰り返し液状化現象の観察を行うことが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、内側水槽と外側水槽との２重構造であり、それら内側水槽と外側水槽とが下部で互いに連通する実験槽と、前記内側水槽の底部に組み込まれるストレーナ部と、該ストレーナ部を介して水を噴出させうるように前記実験槽の内部下方に組み込まれる水中ポンプと、前記実験槽の外部で上下位置調整可能に設置され、前記実験槽の下部とフレキシブルな連通管で連通する水位調整タンクとを具備し、少なくとも実験槽正面上方が透明体からなり内部を透視可能になっているユニット型液状化実験装置である。通常、前記実験槽は振動台上に載置される。
【０００８】
ここで、内側水槽と外側水槽の水平断面形状を、（内側水槽の水平断面積）＝（外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積）となるように設定し、内側水槽に水位を計測するメジャーを貼設するのが好ましい。ストレーナ部は、例えば内側水槽内に収容される砂利層と、その砂利層などを受けるメッシュ板と、その下方に間隙をおいて設けられる仕切り板との組み合わせとし、水中ポンプの吐出口が前記間隙に位置するように組み込む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る液状化実験装置は、装置全体がユニット化されており、配管などによる組み立てが不要で、水中ポンプに電力を供給するだけで動作するため、コンパクトで可搬性があり、デモンストレーション会場などへの搬入や搬出、装置セッティングを容易に行うことができる。また本発明装置は、ストレーナ部を通して水を噴き上げることにより砂を持ち上げて砂を緩くする方式であり、水位を下げて緩い砂層の上に締まった砂層を形成するので、より現実に即した状態で液状化を再現でき、観察者に正しい液状化前後のイメージを与えることができる。更に本発明では、実験槽を２重構造にし内側水槽と外側水槽との間で水が連通するように構成しているので、水を抜いたり水を注ぐ必要が無く、長期間にわたってメンテナンスフリーで使用でき、誰でもが迅速に繰り返し液状化現象の観察を行うことができる。
【００１０】
ここで内側水槽と外側水槽の水平断面形状を、（内側水槽の水平断面積）＝（外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積）となるように設定すると、外側水槽水位変化量の観測により、地下水位の変化を観測でき、液状化による砂層の体積変化も観測できる。内側水槽にメジャーを貼設しておけば、砂層の表面高さ及び外側水槽の水位を正確に計測することができる。
【００１１】
また、ストレーナ部を、内側水槽内に収容される砂利層と、その砂利層などを受けるメッシュ板と、その下方に間隙をおいて設けられる仕切り板との組み合わせとし、水中ポンプの吐出口が前記間隙に位置するように組み込むと、水を内側水槽の底部全体からほぼ均一に噴出させ砂を巻き上げることができるし、メッシュ板の上に載る砂利層（玉石層）が砂に対するストレーナ機能を発揮し、砂がメッシュ板を通って間隙に入り込むのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明に係るユニット型液状化実験装置の基本構成を図１に示す。Ａは正面を、Ｂは実験槽の水平断面を、それぞれ示している。実験槽１０は、内側水槽１２と外側水槽１４との２重構造であり、それら内側水槽１２と外側水槽１４とが下部で互いに連通する構造である。内側水槽１２は、その底部が実験槽の縦方向の中央付近に位置するように、外側水槽１４内で支えられている。ここでは、内側水槽１２の側壁が下方に延び、その延設部１６が外側水槽１４の底面に達して内側水槽１２を支えるような構造である。そして前記延設１６部に、連通穴１８が形成されている。
【００１３】
内側水槽１２の底部にはストレーナ部２０が組み込まれる。該ストレーナ部２０は、内側水槽内に収容される砂利層２２と、その砂利層２２などを受けるメッシュ板２４と、その下方に間隙をおいて設けられる仕切り板２６との組み合わせからなる。内側水槽１２の下方には水中ポンプ２８が組み込まれ、該水中ポンプ２８の吐出口３０が前記間隙に位置しており、該ストレーナ部２０を介して水をほぼ均一に分散して噴出させうるような構造になっている。
【００１４】
実験槽１０の外部には水位調整タンク３２を設ける。該水位調整タンク３２は、実験槽１０の下部とフレキシブル連通管３４で連通している。例えば、水位調整タンク３２を実験槽１０の外側面に面ファスナ（図示せず）などで着脱自在とし、それによって上下位置調整可能になっている。
【００１５】
ここでは、図１のＢに示すように、内側水槽１２と外側水槽１４の水平断面形状は共に正方形であり、（内側水槽の水平断面積）Ｓ１＝（外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積）Ｓ２の関係を満たすように寸法が設定されている。つまり、内側水槽１２の水平断面積は、外側水槽１４と内側水槽１２との間の四角枠状部分（斜線を付して示す）の面積に等しくなっている。なお、内側水槽及び外側水槽の水平断面は、長方形など任意の多角形でもよいし、あるいは円形などでもよい。
【００１６】
内側水槽１２内のメッシュ板２４は、多数の小孔が穿設された板状体であり、その上には、重く粒径の大きな玉石の層（砂利層２２）が置かれ、その上に軽く細かい砂層３６が収容される。砂利層２２はストレーナ機能を発現しうる厚さとし、砂層３６は液状化実験に必要な厚さとする。従って、メッシュ板２４は、それら砂利層２２及び砂層３６の重さに耐える構造とする。
【００１７】
また、実験槽１０内には、予め必要量（水位が砂利層２２よりも上方となる量）の水が注入される。ここで、少なくとも実験槽１０（内側水槽１２と外側水槽１４）の正面上方は透明体からなり、内部（内側水槽１２内の砂層や外側水槽１４内の水位など）を外部から透視可能とする。なお、使用する水は、水道水などでよいが、界面活性剤などを添加しておくことが望ましい。これによって、比較的長期間にわたって水を入れ替えなくても水槽の壁面に藻などが生えて汚れるのを防止でき、水槽の清掃なども不要となり、メンテナンスフリーを実現できる。
【００１８】
このような実験槽は、通常、振動台４０上に載置される。ここでは振動台４０は、上板４２と下板４４との間に軟質ゴム板４６（あるいは軟質樹脂板など）を挟み込み水平振動可能に構成したものであり、片側にレバー４８を立設し、該レバー４８を揺動することで振動台４０が振動するような簡易構成となっている。勿論、振動台は、下面に車輪を取り付けた台などであってもよい。手動方式ではなく、モータなどで加振する方式でもよい。
【００１９】
次に、本装置の動作について、図２により説明する。実験に先立って、所定の水位まで水が入れられていることを確認しておく。水位は、砂利層表面よりも上となるように設定する。
【００２０】
図２のＡに示すように、水中ポンプ２８を動作させ、該水中ポンプ２８による送水で砂を水中に浮遊させる。水中ポンプ２８からの吐出水は、ストレーナ部２０を通過し、内側水槽１２の底部全面からほぼ均等に噴出する。内側水槽１２の下部は砂利層２２であり、送水では噴き上がらず（動かず）、その上方の砂層３６を巻き上げ、砂を水中に浮遊させる。水は、内側水槽１２の上縁からオーバーフローして外側水槽１４へと流れ出る。水の流れを矢印で示す。内側水槽１２を砂層３６に対して十分に深くしておくことにより、噴出した水により巻き上げられた砂は水面までは上がらず、途中で浮遊しておくようにできる。このようにしておけば、内側水槽１２の上縁からオーバーフローする水には砂が混入せず、水だけを排出させることができる。５〜１０秒程度の間、この状態を維持するように水中ポンプ２８を動作させ続ける。
【００２１】
水中ポンプ２８の動作を停止し、送水を止めると、図２のＢに示すように、内側水槽１２の水が外側水槽１４へと逆流して、内側水槽１２の水位は徐々に低下する。即ち、内側水槽１２内の水は、底部に配置されているストレーナ部２０を通って排出される。このとき、水中に浮遊している砂は、重いものから沈降して砂利層の上に堆積し、液状化が生じる砂層が生成される。砂が砂利層２２の上に留まるため、水だけが水中ポンプ２８内を逆流し、更に外側水槽１４へと流れ出る。この水の流れは、内側水槽１２の水位が、外側水槽１４の水位とバランスした状態になるまで続き、その状態で維持される。
【００２２】
図２のＣに示すように、実験槽１０内の水位を調整し、水位が内側水槽１２内の砂層３６の表面より１ｃｍ程度下に位置させる。水位の調整は、外部に設置されている水位調整タンク３２の位置を上下することで容易に行える。この結果、水位より上は、排水されて締まった状態の砂層３６ａとなり、水位以下には緩い砂層が自動的に形成される。
【００２３】
そこで、表面の締まった砂層３６ａの上に建物模型５０を置けば、液状化実験の準備が完了する（図２のＤ参照）。レバー４８により振動台４０を揺すって、その上に載置されている実験槽１０に振動を与える。レバーで静かに左右に揺すると、その段階では液状化は起こらない。レバーを次第に速く振ると、あるところで液状化が観察できる。砂層の液状化の様子は、透明な実験槽１０の外から観察できる。建物模型の杭を浅くしたり深くしたりすること、あるいはマンホール（浮き上がり）模型を置くことなどで、液状化が生じたときの模型の挙動の違いを観察できる。
【００２４】
液状化を起こす前の段階（図２のＤに示す状態）で砂層の表面高さと水位を記憶しておく。そして、液状化終了後の砂層の表面高さと水位を読み取る。なお図示していないが、内側水槽にメジャーを貼設しておけば、砂層の表面高さや水位を容易に読み取ることができる。これによって、砂層の液状化による体積変化と地下水位の変化が観測できる。（内側水槽の水平断面積）＝（外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積）の関係が満たされていると、外側水槽の水位変化量の観測により内側水槽内の水位を直接的に求めることができるからである。
【００２５】
この液状化実験装置では、水中ポンプ２８のオン・オフ動作のみで、誰でもが容易に且つ迅速に液状化可能な砂層を生成でき、繰り返し実験を行うことができる。水位調整タンク３２の上下位置を変えると砂層内での水位（地下水位）が変わるので、地下水位によって液状化の起こり難さなども観察できる。
【実施例】
【００２６】
本発明で用いる実験槽の具体的な構造例を図３に示す。実験槽６０は、透明なアクリル樹脂からなり、四角形状の内筒６２と外筒６４との２重構造である。外筒６４は、有底・有蓋で外側水槽を構成する。内筒６２には、中間に仕切り板６６が設けられ、その上部が内側水槽となる。ここでも、内筒６２と外筒６４の水平断面形状は、（内側水槽の水平断面積）＝（外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積）となるように設定する。実験槽は、必要に応じて内部に補強板を組み込んで接着などの方法により作製する。外筒は、例えば一辺十数ｃｍ程度、高さ２０〜３０ｃｍ程度の大きさで作製できる。
【００２７】
仕切り板６６の上方には、間隔をおいてメッシュ板６８が設けられており、そのメッシュ板６８でその上の砂利層２２及び砂層３６を支える。内筒６２の下方には水中ポンプ２８が組み込まれ、その吐出口３０がメッシュ板６８と仕切り板６６との間の空間内に位置するようになっている。内筒６２の上端近傍にはオーバーフロー穴７０が開口し、下端近傍（外側水槽の底部よりも数ｃｍ上方）には連通穴７２が開口している。更に、内筒６２の仕切り板直下に空気抜き穴７４を設ける。この空気抜き穴７４は、最初に水を注入した場合に内筒６２下方の空気を抜き、実験槽内に水が充満されるようにする機能を果たすものである。また、内筒上部（内側水槽の部分）には、水位を計測するためのメジャー７６を貼設する。
【００２８】
なお図３では実験槽のみ図示しているが、使用に際しては、図１と同様、フレキシブル連通管を介して水位調整タンクを接続し、該水位調整タンクを上下位置調整自在に且つ着脱自在に付設すると共に、実験槽を振動台に載置する。内側水槽には砂利層及び砂層が収容され、必要量の水を注入する。水は、水槽壁面が汚れないように界面活性剤を適量含むものとし、前記フレキシブル連通管を介して実験槽の下方から注入すればよい。
【００２９】
この実験槽を用いる液状化実験の手順は、図２の場合と同様であってよいので、それについての説明は略する。
【００３０】
本発明に係る液状化実験装置は、様々な発展が可能である。本装置は、基本的に水中ポンプのオン・オフ動作のみで液状化可能な砂層を作製でき、水は実験槽内に入れたままでよいので、自動化が可能である。例えばモータによる建物模型の昇降機構を付設すると、建物模型を吊り上げて保持し、水中ポンプをオンにして水を噴き上げて砂を巻き上げ、水中ポンプをオフにして水中に浮遊する砂を沈降させて砂層を形成し、建物模型を下降させて砂層上に設置する。これら一連の動作を、観察者によるロータリスイッチの切り換えなどで行わせることもできるし、全自動で行わせることもできる。
【００３１】
上記の説明は、１台の液状化実験装置を単独で使用する場合であるが、複数台を連結して使用することも可能である。実験槽を複数台並置する。共通の振動台上に載置してもよいが、各実験槽がそれぞれ別々の振動台に載置されているような場合には、各振動台を連結部材で連結する構成でもよい。このようにすると、複数の実験槽を同じ条件で振動させることができる。そのため、地下水位の違いに応じた液状化挙動の変化、あるいは建物模型の杭の長さなどの違いに応じた倒れ易さ（難さ）の変化などを、比較観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るユニット型液状化実験装置の基本構成を示す説明図。
【図２】その使用状態の説明図。
【図３】本発明で用いる実験槽の一実施例を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１０  実験槽
１２  内側水槽
１４  外側水槽
２０  ストレーナ部
２２  砂利層
２４  メッシュ板
２６  仕切り板
２８  水中ポンプ
３２  水位調整タンク
３６  砂層
４０  振動台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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