(57)【要約】【課題】従来の模型地盤の作成方法や装置では、模型地盤を作成する際、地盤材料粒子間に機械的な力が大きく作用し、材料粒子の破砕が生じるので、地盤の性状が変化し、自然地盤を再現することが困難であったという点を改善する。【解決手段】模型地盤が形成されるモールド５と、その上側に連続したホッパー６を、内部に液体Ｗを貯留できるものとし、ホッパー上には、地盤材料Ｓを収容する材料容器８を配置した。また、モールド内には、その周囲に所定の間隙が形成されるように超音波振動体７を配置し、モールド内に、液体を介して超音波が伝播する場を形成し、この場に地盤材料が投入されるようにした。このことで、地盤材料をその粒子間に摩擦が生じないように沈降堆積させ、材料粒子を破砕することなく、所定密度および飽和度の模型地盤が作成できるようにした。【選択図】図１
2008088640.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
模型地盤が内部に形成されるモールドと、
該モールド上に連続し、モールド内から連続するように内部に液体を貯留可能なホッパーと、
モールドの中心にモールドの内周との間に所定の間隙を有するように配置された昇降可能な超音波振動体と、
円錐状に外方に向かって下降傾斜した底盤と該底盤に対して接離方向に移動可能に設けられた筒状の周壁部とからなる材料容器と、
を具備してなる模型地盤作成装置。
【請求項２】
上記材料容器の周壁部の内部が、縦方向の隔壁で複数に分割されていることを特徴とする請求項１記載の模型地盤作成装置。
【請求項３】
模型地盤が内部に形成されるコンクリート槽からなるモールドと、
該モールド内に移動可能に配置された超音波振動体と、
該超音波振動体の近傍に配置され、上記モールド内に地盤材料を排出するようにした材料容器と、
上記超音波振動体と材料容器を、それぞれ個別に駆動制御する三次元駆動装置と、
を具備してなる模型地盤作成装置。
【請求項４】
模型地盤が作成されるモールド内に、液体を介して超音波が伝播する場を形成し、この場に地盤材料を投入することにより、地盤材料をその粒子間に摩擦が生じないように沈降堆積させ、粒子同士の接触摩擦による破砕や変性を生じさせることなく、より自然に近い地盤を再現するようにしたことを特徴とする模型地盤作成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土質試験などに用いられる模型地盤を作成する装置と、その方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、模型地盤を作成するには、実験装置の大小に関わらず、次の手順で行われていた。
（１）まず、模型地盤とする容器に、模型地盤とする材料を任意の高さから自由落下させ、堆積させる。この場合、落下と堆積の条件として、次の三つのケースがある。
ａ．材料の落下と堆積をいずれも乾燥した陸上の環境下で行う。
ｂ．容器に水を溜め、水面上から材料を落下させる。
ｃ．容器に水を溜め、水面下から水中に材料を放出する。
（２）次に上記の方法で堆積させた模型地盤を、所定の密度と、飽和度となるように締め固め、あるいは必要に応じて水浸させる。
【０００３】
具体的には、堆積させた模型地盤の表面をタンパなどを用いて人為的に突き固めたり、あるいは容器に打撃や振動を与えて、材料の粒子同士を機械的に緻密な状態にするということが行われていた。また、対象とする自然地盤が水中に堆積したものである場合は、一般に間隙が水で満たされた飽和状態にあるので、上記ａの方法で作成されたものにあっては、模型地盤を飽和させるために、締め固めた後、模型地盤を水浸させるということが行われていた。
【０００４】
また、上記ｂの方法で作成したものは、材料を空中から水中に落下させた際に空気を巻き込み、模型地盤内に空気を連行しているため、模型地盤から脱気するという観点からも上記の粒子間隙を埋める操作が必要であった。さらに上記ｃの模型地盤作成方法では、模型地盤材料の落下高さを高くできないこと、および模型地盤材料が水中を落下する際に水の抵抗を受けることにより、密に堆積させることができないため、この場合も堆積後、模型地盤に外部から何らかの機械的な力を与え、締め固まらせる必要があった。
【０００５】
また、このように堆積後、外部から機械的な力を与える以外の方法としては、模型地盤の作成容器内に予めバイブレータなどの振動体を配置しておき、模型砂などの材料投下の際、この振動体を振動させつつ引き上げることにより、投下された材料を締め固めつつ堆積させるという方法が提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２８６６２５号公報（第６頁、図 9）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した従来の模型地盤の作成方法のうち、前者の材料の堆積後、締め固めるようにしたものは、密度の均一な制御が困難であり、特に模型地盤のサイズが大きくなると、模型地盤内で場所ごとに密度の不均一化が顕著になるという問題点があった。
【０００７】
また、模型地盤材料が破砕性（硬・軟）・収縮・膨張性材料の場合、突く、打撃、振動という締め固め行為により、粒子の破砕が生じ、さらに水浸によって、膨張・収縮し、模型地盤の性状が変化するという問題点もあった。
【０００８】
さらにまた、模型材料を堆積させた後、脱気するようにしたものは、その性状に影響を及ぼすことなく、脱気することが極めて困難なため、自然地盤を再現することが困難であるという問題点があった。
【０００９】
また、後者の振動体を用いて締め固めるようにしたものは、投下された地盤材料が堆積すると、直ちにその周囲に振動が伝播し、粒子同士の間が密となるように締め固められるようになっているので、能率的に作業が行え、かつ、人為的な誤差も生じ難いが、厳密には、振動体の存在した箇所とその周囲との間で、密度に誤差が生じ、必ずしも均一な密度に仕上げることができなかった。また、この場合も振動は、地盤材料の粒子同士が接することにより、機械的に伝播するようになっているので、粒子の破砕が生じ易く、模型地盤の性状が変化するという問題点があった。
【００１０】
また、一般に自然地盤は互層状態で、異方性を有しているが、上記従来の模型地盤の作成方法では、その再現が困難であるという問題点を有していた。
【００１１】
本発明は、これら従来の問題点の解決を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の問題点を解決するために、本発明のうち、請求項１記載の発明は、模型地盤作成装置を、模型地盤が内部に形成されるモールドと、該モールド上に連続し、モールド内から連続するように内部に液体を貯留可能なホッパーと、モールドの中心にモールドの内周との間に所定の間隙を有するように配置された昇降可能な超音波振動体と、円錐状に外方に向かって下降傾斜した底盤と該底盤に対して接離方向に移動可能に設けられた筒状の周壁部とからなる材料容器とで構成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明の構成に、材料容器の周壁部の内部が、縦方向の隔壁で複数に分割された構成を付加したことを特徴とするものである。
【００１４】
請求項３記載の発明は、模型地盤作成装置を、模型地盤が内部に形成されるコンクリート槽からなるモールドと、該モールド内に移動可能に配置された超音波振動体と、該超音波振動体の近傍に配置され、上記モールド内に地盤材料を排出するようにした材料容器と、この超音波振動体と材料容器を、それぞれ個別に駆動制御する三次元駆動装置とで構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、模型地盤が作成されるモールド内に、液体を介して超音波が伝播する場を形成し、この場に地盤材料を投入することにより、地盤材料をその粒子間に摩擦が生じないように沈降堆積させ、粒子同士の接触摩擦による破砕や変性を生じさせることなく、より自然状態に近い地盤を再現するようにしたことを特徴とする模型地盤作成方法である。
【発明の効果】
【００１６】
上述したように本発明のうち、請求項１記載の発明では、模型地盤を形成するモールドと、このモールドに連続したホッパーを、その内部に液体を貯留可能な構造のものとし、かつ、モールド内には、モールドの内周と所定の間隙を有するように超音波振動体を設けたので、ホッパーに投入された地盤材料は、上記の間隙からモールド内に均等に沈降侵入し、かつ、その際、材料粒子は液体を介して超音波振動を受けるようになっている。よって、液体中を沈降する材料粒子は、振動・回転を続け、粒子間の摩擦がゼロに近い状態を保ちながら、重力の作用によってさらに粒子間の間隙を埋める形で所定の間隙を有して配列し、堆積する。このことで、材料粒子に接触摩擦による破砕や変性を生じさせることなく、より自然に近い状態の地盤を再現できるという効果がある。
【００１７】
また、上記超音波振動体は、モールド内を昇降移動できるように設けられているので、堆積した模型地盤層に影響を及ぼすことなく、堆積直前の材料粒子に最も効果的に超音波振動を作用させることが可能である。
【００１８】
さらに、材料容器を円錐状に外方に向かって下降傾斜した底盤と該底盤に対して接離方向に移動可能に設けられた筒状の周壁部とで構成したので、収納された地盤材料は、周壁部を移動させることにより、その下部周囲から均等に落下し、その排出量のコントロールも容易である。
【００１９】
請求項２記載の発明では、材料容器の周壁部の内部を、縦方向の隔壁で複数に分割しているので、任意の区画に地盤材料を収容することにより、所定の範囲からのみ地盤材料を排出し、モールド内に偏った状態で堆積させることにより、異方性の模型地盤供試体を作成できるという効果がある。
【００２０】
請求項３の発明では、模型地盤が作成されるモールドを大型のコンクリート槽とし、超音波振動体と材料容器が、この槽内を移動できるように、三次元駆動装置に取り付けて構成しているので、小型の供試体では困難な試験が行える大型の模型地盤を再現することができ、しかも互層状態で異方性を有するような複雑な地盤構造を、正確に再現できるという効果がある。
【００２１】
請求項４記載の模型地盤の作成方法は、模型地盤が作成されるモールド内に、液体を介して超音波が伝播する場を形成し、この場に地盤材料を投入することにより、地盤材料をその粒子間に摩擦が生じないように沈降堆積させるようにしたものである。よって、液体中を沈降する材料粒子は、超音波の作用によって、振動・回転を続け、粒子間の摩擦がゼロに近い状態を保ちながら、重力の作用によって粒子間の間隙を埋める形で所定の間隙を有して配列し、接触摩擦による変成を生じさせることなく、より自然に近い状態の地盤が模型で再現できるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を図示した実施の形態に基づき詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の模型地盤作成装置の全体構成を概略的に示した説明図である。図示したようにこの模型地盤作成装置は、モールド固定台１が設置された支持架台２の一側に、アーム４を昇降可能に支持する縦型のフレーム３が設けられ、該モールド固定台１上には、模型地盤の供試体製作用のモールド５が、内部に液体Ｗを貯留可能なように水密に取り付けられている。
【００２４】
また、モールド５の上部には、途中から上方拡開状に拡径したホッパー６が、同様にこのモールド５に水密に取り付けられている。
【００２５】
そして、このホッパー６の内部には、上下に貫通するように、略円柱形状の超音波振動体７が設けられ、この超音波振動体７は、上述したアーム４でモールド固定台１に対し昇降可能に支持されている。なお、この超音波振動体７の下端は、モールド５内に位置しており、その外周とモールド５の内周との間には、所定の間隙が形成されるようになっている。
【００２６】
また、ホッパー６の上側の拡径部分には、超音波振動体７を取り囲むように、内部に砂などの地盤材料Ｓが収納される材料容器８が設けられている。この材料容器８は、図２に示すように超音波振動体７の外周に固定され、円錐状に外方に向かって下降傾斜した底盤８ａと、図示しない昇降装置で支持され該底盤８ａに対して接離方向に移動可能に設けられた筒状の周壁部８ｂとからなる。よって、図４に示すように周壁部８ｂを底盤８ａから離れる方向に移動させると、その下端周囲に排出口８ｃが開口することとなり、収納された地盤材料Ｓは、この排出口８ｃから均等に周囲に落下排出されるようになっている。なお、上記収納容器８は、その内部が図３の横断面図に示すように、縦方向の隔壁８ｄで複数の区画に分割されており、特定の区画に材料Ｓを収納しておくことにより、投下される材料Ｓに偏りを生じさせることができるようになっている。
【００２７】
上記超音波振動体７は、内部に超音波振動子（図示せず）が格納された格納容器部分７ａと、この格納容器部分７ａの下側に連続し、超音波振動子からの振動を先端（図では下端）方向に伝達する共振棒部分７ｂとからなる。なお、超音波振動子は、支持架台２の一側に配置された超音波発信器９と電気ケーブル１６で接続されており、この超音波発信器９からの信号に基づき、振動周波数や振動強度などが、状況に応じて適正に制御されるようになっている。
【００２８】
本発明の模型地盤作成装置は、上記の構成を有している。
【００２９】
なお、図１において符号１０は、ホッパー固定部材、１１は超音波振動体７が取り付けられたアーム４と係合し、このアーム４を上下方向に移動させるネジ軸、１２はこのネジ軸１１を回転駆動するモーターを示す。また、Ｗはモールド５内を満たすように、ホッパー６の下半部分まで貯留された水に代表される液体を示す。
【００３０】
次に本発明の模型地盤の作成方法を、上記模型地盤作成装置による模型地盤作成工程を例に説明する。
【００３１】
まず、材料容器８内に砂などの地盤材料Ｓを収納し、この地盤材料Ｓが投入されるホッパー７とモールド６内には、所定の高さ位置まで水あるいはそれに代わる液体Ｗを収容し、準備を整える。次に、この状態から図４に示すように材料容器８の周壁部８ａを上方に移動させると、超音波振動体７側に固定された底盤８ａの周囲との間に隙間が生じ、収納されていた地盤材料は、この隙間で形成された排出口８ｃから周囲に落下排出される。このとき、底盤８ａはその上面が、円錐状に外方に向かって下降傾斜した形状になっているので、収納されている地盤材料Ｓは、順次、その下方外周方向へと導かれ、円滑に排出される。
【００３２】
そして、このようにして排出された地盤材料Ｓは、ホッパー７内に溜められた液体Ｗ上に落下し、この液体中を図４に矢印で示すように、超音波振動体７の外周とモールド５の内周との間の隙間を通って、モールド５の底側に沈降していく。
【００３３】
この時、本発明の模型地盤作成方法では、超音波振動体７に内装された超音波振動子を、超音波発信器９からの信号に基づき所定の周波数と強度で振動させ、この振動を超音波振動体７の先端（図において下端）からモールド５内の液体Ｗに向かって照射するようにしている。このように、本発明の模型地盤作成方法では、模型地盤が作成されるモールド５内に、液体Ｗを介して超音波が伝播する場を形成し、この場で地盤材料Ｓを沈降させるようにしている。したがって、液体中を沈降する地盤材料Ｓは、この超音波の作用によって、材料粒子個々が振動・回転しながら沈降・堆積する。そして、この堆積過程で、粒子は超音波の作用によって、振動・回転を続け、粒子間の摩擦がゼロに近い状態を保ちながら、重力の作用によってさらに粒子間の間隙を埋めるかたちで所定の間隙を有して配列し、モールド５の底に所定密度の模型地盤１３が作成されるものである。
【００３４】
なお、この時、超音波の振動振幅は、数μｍであるため、地盤として堆積した材料粒子が飛散することはなく、結果として、粒子間隙、密度を自由に調整することができ、実験で意図する模型地盤を自由に作成することができるものである。例えば、地盤材料Ｓが数種類の粒子サイズ・形状を持つ場合、その各粒子サイズ・形状に適する超音波周波数とパワー、および照射の連続、不連続、方向などを適切に可変・調整することで、種々の粒子サイズ・形状が混在する材料Ｓに対して実験で意図する模型地盤を作成することができる。
【００３５】
以上のようにして本発明の模型地盤の作成方法では、地盤材料Ｓの材料粒子自体に大きな外力を加えることなく、所望密度の模型地盤を作成することができる。よって、地盤材料が破砕性（硬・軟）・収縮・膨張性のものであっても、粒子の破砕が生じず、自然地盤の組成性状を、そっくりそのままに再現できるものである。
【００３６】
なお、図４では、材料容器８内に均等に材料Ｓを入れ、モールド５の内部に均等に落下させるようにしたものを例示したが、隔壁８ｄで分割された材料容器８内の特定の区画に偏って材料Ｓを入れておいても良く、このようにすれば、図５に示すように材料Ｓが片側に偏って排出・堆積され、このことで表面が傾斜した異方性の地盤１４を作成することができる。
【００３７】
また、上記では、材料容器８を液体Ｗの表面上に配置し、材料Ｓを液面上から落下させるようにしたものを示したが、図６並びに図７に示すように、この材料容器８を液体中に浸漬し、材料Ｓを直接、液体中に排出するようにしても良く、このようにすれば、落下時の空気の巻き込みや、空気の液体中への連行が防止されるので、脱気をしなくとも高い飽和度の地盤１５を作成することができる。
【００３８】
図８〜図１２は、本発明装置の他の実施形態による種々の地盤作成過程を示した説明図である。この場合、内部に模型地盤が作成されるモールド５は、例えば、縦、横、深さが、５ｍ×５ｍ×２ｍのコンクリート槽のようなものを想定している。そして、超音波振動体７と、材料容器８は、それぞれこのモールド５内を個別に任意の位置に移動できるように、図示しない三次元駆動装置に、吊り下げ、支持されている。なお、この三次元駆動装置は、アームの先端を三次元的に駆動制御できる三次元ロボットのような従来公知のものである。
【００３９】
次に、この地盤作成装置で、互層状態で異方性を有する地盤を作成する手順について説明する。
【００４０】
一般に自然地盤は互層状態で異方性を有しているが、これを模型で再現するには、まず、図８に示すように、材料容器７からの地盤材料の排出量や位置を制御すると共に、超音波振動体７の作動を制御してモールド５の底部にベースとなる模型地盤層Ｉを作成し、次に、この地盤層Ｉを作成した条件と異なる条件で模型地盤層ＩＩを作成する。この時、本発明の方法では、上述したように超音波振動は、液体中を沈降する材料粒子にのみに作用し、堆積した材料粒子に影響を及ぼすことがないので、図９に示すように層Ｉ、ＩＩが上下に重なり合った互層地盤が再現されるものである。
【００４１】
また、層が傾斜して重なり合った異方性の地盤を再現するには、まず、図１０に示すように、地盤材料Ｓをモールド５内に偏って排出すると共に、超音波振動体７を移動・制御することにより、ベースとなる下側の傾斜模型地盤層Ｉを作成する。次に、材料の供給と
、超音波振動体７の作動を、この状態から変更・調整することで、その上に材料粒子を所定の厚さで堆積させることにより、図１１に示すように模型地盤層ＩＩを作成する。なお、その際、材料の排出位置と、超音波の照射位置を、堆積した材料粒子の傾斜に沿うように移動制御することにより、図１２に示すような異方性の互層地盤が作成されるものである。なお、この上にさらに模型地層を作成するには、上記の動作を繰り返せば良い。
【００４２】
このように傾斜した模型地盤を作成することは、一見困難なように思われるが、本発明の方法では、上述した通り、液体中を沈降する過程の材料粒子にのみ超音波振動が作用し、沈殿堆積した材料粒子には、一切その影響が及ばないので、傾斜した堆積層を崩すことなく、その上に所定厚さの層を堆積作成することが可能となるものである。
【００４３】
以上のようにして本発明の模型地盤作成装置および方法では、互層状態で異方性の模型地盤が、容易かつ、より自然地盤に近い状態で再現できるものである。また、このように本発明の方法並びに装置では、模型地盤作成の際、人為的な操作が加わらないので、模型地盤の作成が能率的に行え、しかもその際、人為的な誤差が生じる余地もないので、供試体として極めて品位の高いものが作成できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の模型地盤作成装置の全体構成を概略的に示した説明図である。
【図２】図１に示した装置の要部説明図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線の断面図である。
【図４】平面地盤の作成過程を示した説明図である。
【図５】異方性地盤の作成過程を示した説明図である。
【図６】本発明装置の他の使用例を示した説明図である。
【図７】他の使用例による地盤堆積過程を示した説明図である。
【図８】本発明装置の他の実施形態による互層地盤の作成手順を示した説明図である。
【図９】地盤が積層された状態の説明図である。
【図１０】異方性互層地盤の作成手順を示した説明図である。
【図１１】異方性互層地盤作成途中の状態を示した説明図である。
【図１２】異方性互層地盤作成完了状態を示した説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  モールド固定台
２  支持架台
３  フレーム
４  アーム
５  モールド
６  ホッパー
７  超音波振動体
７ａ  格納容器部分
７ｂ  共振棒部分
８  材料容器
８ａ  底盤
８ｂ  周壁部
９  超音波発信器
１０  ホッパー固定部材
１１  ネジ軸
１２  モーター
１３，１４，１５  模型地盤
Ｉ，ＩＩ  模型地盤層
Ｗ  液体
Ｓ  地盤材料
【図１】
2008088640.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2008088640.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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