(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工地層の土壌サンプルを凍結又は強制解凍することができる、近海塩漬地層凍結の試験環境を模擬するためのマルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置であって、
土壌サンプル容器と、データ採取システムと、凍結システムと、を備え、
前記土壌サンプル容器は、上蓋と、筒体と、底板とを有し、前記底板は、前記筒体の底端に固結され、前記上蓋は、前記筒体の頂端に載置され、前記上蓋、前記筒体及び前記底板によりチャンバーが囲まれ、前記上蓋は、上下移動可能であり、前記上蓋には、中心孔が設けられ、前記筒体の側壁には、複数の第１リード線孔が設けられ、
前記データ採取システムは、データ採取パネルと、水分採取手段と、塩分採取手段と、を有し、前記データ採取パネルは、前記チャンバー内に水平に設けられ、前記チャンバーを第１収容空間と第２収容空間とに画分し、前記第１収容空間は、前記第２収容空間の上方に位置し、前記土壌サンプルを収容することに用いられ、前記データ採取パネルには、複数の塩分採取素子と複数の水分採取素子とが設けられ、前記水分採取手段は、前記水分採取素子により前記土壌サンプルの水分データを動的採取し、前記塩分採取手段は、前記塩分採取素子により前記土壌サンプルの塩分データを動的採取し、前記データ採取パネルは、前記チャンバー内に上下移動可能であり、
前記凍結システムは、冷凍機と、液体供給管と、液戻り管と、冷凍器と、を有し、前記冷凍器は、前記第１収容空間内に縦方向に設けられ、前記冷凍器の底端が前記データ採取パネルに接続され、前記冷凍器の頂端が前記中心孔を通して前記土壌サンプル容器外に延出し、前記冷凍機は、それぞれに前記液体供給管と前記液戻り管とを介して前記冷凍器の頂端に連接され、低温又は高温媒体を生成してポンプ輸送することに用いられ、前記冷凍機と、前記液体供給管と、前記冷凍器と、前記液戻り管と、前記冷凍機とが順次に連通して前記媒体の循環回路を形成し、前記媒体は、前記土壌サンプルを凍結又は強制解凍するよう、前記冷凍器内に前記土壌サンプルと熱交換を行う、
ことを特徴とするマルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置。
【請求項２】
前記上蓋は、環状構造であり、前記上蓋は、内層カバープレートと外層カバープレートとを組み合せてなり、前記内層カバープレートは、プラスチックの材質であり、前記外層カバープレートは、金属の材質であり、前記外層カバープレートは、前記内層カバープレートの上表面に設けられ、前記内層カバープレートの下表面は、前記土壌サンプルに接触し、
前記内層カバープレートは、複数の扇形環状内板により接続されてなり、２枚の前記扇形環状内板の接続箇所には、それぞれ上へ延びる凸縁が設けられ、前記凸縁は、外層カバープレートの上方に延び、前記凸縁には、それぞれ複数のボルト穴が設けられ、複数の第１ボルトは、複数の前記ボルト穴を通して複数の前記扇形環状内板を順次に接続し、
前記外層カバープレートは、複数の扇形環状外板から構成され、複数の前記扇形環状内板の上表面には、それぞれ扇形環状溝が設けられ、複数の前記扇形環状外板は、前記扇形環状溝内に嵌入され、
前記扇形環状外板ごとには、それぞれ第１溝が設けられ、前記第１溝内には、ハンドルが設けられ、前記ハンドルと前記扇形環状外板とは、回動可能に接続され、前記第１溝内には、水平テスタがさらに設けられ、
前記上蓋の外周には、第１シールリングが設けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の実験装置。
【請求項３】
前記筒体は、外筒と、前記外筒の内側に設けられる内筒とを備え、前記内筒は、プラスチックの材質であり、前記外筒は、金属の材質であり、前記外筒の外壁には、複数の環状の補強リブが配設され、そのうち１つの前記補強リブには、同一の高さで複数の円形の第２溝が等間隔に設けられ、前記第１リード線孔は、前記第２溝内に設けられ、前記第１リード線孔は、前記補強リブと、前記外筒と、前記内筒とを貫通し、前記第１リード線孔の内壁には、ねじ山が設けられ且つプラスチック螺子が取り付け可能であり、前記内筒の内壁には、縦方向の目盛線が設けられ、前記内筒の内壁には、前記データ採取パネルが載置されるための耐荷重リングが設けられ、
前記底板には、第２リード線孔が設けられ、前記底板の外縁には、前記筒体に接続されるための複数のねじ穴が設けられ、前記底板には、凸台が設けられ、前記底板の下表面には、前記第２リード線孔を経由する第１リード線溝が設けられ、
前記筒体の内径は、０．１〜２ｍであり、深さは、０．５〜２ｍであり、
３つの前記補強リブは、前記外筒の頂端、底端及び中央部にそれぞれ設けられ、
前記筒体底端に設けられる前記補強リブには、複数の縦方向のねじ穴が設けられ、複数の第２ボルトは、複数の前記ねじ穴を通して前記筒体を前記底板に固結する、
ことを特徴とする請求項１に記載の実験装置。
【請求項４】
前記データ採取パネルは、上層パネルと下層パネルとから構成され、前記データ採取パネルには、第３リード線孔が設けられ、前記上層パネルの中心位置には、冷凍器ベースが設けられ、前記冷凍器が記冷凍器ベースに接続され、前記上層パネルの外縁には、複数の第２シールリングが設けられ、前記上層パネルには、径方向に沿って複数の第２リード線溝が設けられ、前記第２リード線溝ごとには、複数の素子配置孔が設けられ、前記素子配置孔ごとには、１つの塩分採取素子と１つの水分採取素子が設けられ、
前記塩分採取素子は、塩分採取プロッブと、素子ベースと、塩分データ線とからなり、前記塩分採取プロッブは、前記土壌サンプルに設けられ、前記素子ベースによって前記素子配置孔内に固設され、前記塩分採取プロッブが前記塩分データ線に接続され、
前記水分採取素子は、水分採取プロッブと、素子ベースと、水分データ線とからなり、前記水分採取プロッブは、前記土壌サンプルに設けられ、前記素子ベースによって前記素子配置孔内に固設され、前記水分採取プロッブが前記水分データ線に接続され、
前記塩分データ線と前記水分データ線とは、それぞれ前記第２リード線溝内に設けられ、且つ、前記第３リード線孔、前記第２収容空間及び前記第２リード線孔を順次に通して前記筒体外に引き出され、前記塩分データ線が前記塩分採取手段のデータ線に接続され、前記水分データ線が前記水分採取手段のデータ線に接続され、
前記第２収容空間内の前記塩分データ線と前記水分データ線とは、それぞれスプリングケ−ブルに設けられ、
前記上層パネルは、プラスチックの材質であり、前記下層パネルは、金属の材質であり、前記下層パネルは、前記上層パネルにおける下表面の円形溝内に設けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の実験装置。
【請求項５】
前記データ採取システムは、前記第１収容空間の中央部の土壌サンプルに水平に設けられ、内円環、外円環及び複数の鋼ストランドにより構成される温度採取パネルをさらに備え、前記鋼ストランドが前記内円環と前記外円環とにそれぞれ接続され、前記鋼ストランドごとには、複数の温度採取素子が設けられ、前記温度採取素子ごとには、温度データ線が接続され、前記外円環の外縁には、第３リード線溝が設けられ、前記温度データ線が前記第３リード線溝内に設けられ、
全ての前記温度データ線は、集約された後前記第１リード線孔に入り、且つ前記第１リード線孔を介して温度採取手段のデータ線に接続され、集約された際にスプリングワイヤースリーブが全ての前記温度データ線の外部に配設され、温度採取データ線が前記第１リード線孔を通した後前記温度データ採取手段のデータ線に接続され、前記温度採取手段が前記温度採取素子により前記土壌サンプルの温度データを動的採取し、前記温度採取パネルが前記筒体内に上下移動可能であり、
前記温度採取素子は、コンスタンタンと銅線とから製作される熱電対である、
ことを特徴とする請求項１に記載の実験装置。
【請求項６】
油圧制御装置と、オイルパイプと、油圧シリンダとから構成される油圧システムをさらに備え、前記油圧制御装置は、前記オイルパイプを介して前記油圧シリンダに給油し、複数の前記油圧シリンダは、前記第２収容空間内に設けられ、前記油圧シリンダは、底端が前記底板に接続され、頂端が前記データ採取パネルに当接され、前記油圧制御装置は、前記オイルパイプによって前記油圧シリンダの昇降を制御することができ、前記油圧シリンダの昇降は、前記データ採取パネルの昇降を推し進めることができ、前記油圧シリンダは、多段油圧シリンダであり、
前記凸台には、複数のシリンダ槽が設けられ、前記油圧シリンダの底端が前記シリンダ槽内にそれぞれ設けられる、
ことを特徴とする請求項３に記載の実験装置。
【請求項７】
前記冷凍機は、冷凍設備、加熱設備及びポンプ輸送設備を有し、前記土壌サンプルを凍結又は強制解凍させる機能を実現することができ、
前記冷凍器の底端には、ネジ端部が設けられ、前記冷凍器は、前記ネジ端部を介して前記冷凍器ベースに螺接され、前記冷凍器の頂端は、前記中心孔を通して前記上蓋外に延び、前記冷凍器は、内管と前記内管の外周に配設される外管とからなるケーシング構造であり、前記外管の外径は、８〜１５９ｍｍであり、前記内管の外径は、前記外管の外径の  √２／２倍であり、前記外管の底端は、封止され、前記内管は、底部が前記外管の底部に連通し、頂端が前記液体供給管に連通し、前記液戻り管は、前記外管の上段の側壁に接続され、前記外管の頂端には、前記外管を閉栓するための突出円環が設けられ、
前記液体供給管及び前記液戻り管における前記冷凍機に近い一端には、それぞれ前記液体供給管と前記液戻り管との開閉のための制御弁が設けられ、前記液体供給管及び前記液戻り管における前記冷凍器に近い一端には、それぞれ手動調整弁が設けられ、前記液体供給管及び前記液戻り管には、それぞれ流量計が設けられ、前記冷凍器の前記上蓋外に延出する部分には、保温カバーが設けられ、
前記上蓋の移動に適応するために前記保温カバーは、変形可能であり、
前記媒体は、アルコールである、
ことを特徴とする請求項１に記載の実験装置。
【請求項８】
変位採取装置をさらに備え、２つの前記変位採取装置は、前記土壌サンプルを凍結させている過程における前記上蓋の変位量を採取するように、前記上蓋の上表面に設けられ、前記変位採取装置は、変位計と、横梁と、立柱と、変位装置ベースとから構成され、前記立柱は、前記変位装置ベースによって前記筒体の頂端に設けられ、前記横梁は、前記上蓋と平行に設けられ、前記横梁の一端は、前記立柱に配設されてノブボルトにより固定され、前記横梁は、前記立柱に沿って上下移動可能であり、前記変位計は、前記上蓋の上表面に立設され、前記変位計の底端は、前記上蓋の上表面に当接され、前記変位計は、ノブボルトによって前記横梁の他端に固設される、
ことを特徴とする請求項１に記載の実験装置。
【請求項９】
水準器を用いて土壌サンプル容器の設置場所について検出を行って、土壌サンプル容器が水平の地面に置かれることを確保し、上蓋を外し、油圧システムの油圧制御装置を起動し、油圧シリンダがデータ採取パネルを推進して上昇させることによってデータ採取パネルを土壌サンプル容器の頂端に上昇させ、且つデータ採取パネルに設けられる水分採取プロッブ及び塩分採取プロッブを検査し、検査完了後、油圧シリンダへの制御によってデータ採取パネルを土壌サンプル容器の底部位置に戻させ、冷凍器をデータ採取パネルの冷凍器ベースに取り付ける、試験設備を装着して検査するというサブステップ１．１）と、    サブステップ１．１）の装着と検査が完了後、土壌サンプルを土壌サンプル容器に層ごとに充填させ、土壌サンプルが土壌サンプル容器の第１リード線孔と平行に充填された時に、水準器を用いて土壌サンプルが充填された平面の平坦度を測定し、土壌サンプル充填を、その平面が水平になるまで調整し、その後温度採取パネルを土壌サンプル容器内に取り付け、温度データ線を第１リード線孔から引き出し、その上第１リード線孔の隙間を密封させ、内筒上の目盛線を介して充填された土壌サンプルの高さを制御し、上蓋の下表面にある位置まで土壌サンプル充填を続け、水準器を用いて土壌サンプル平面の平坦度を測定し、土壌サンプル平面を、その平面が水平になるまで調整し、それで上蓋を取り付け、水平テスタを使用して上蓋が水平になるかどうかを測定し、上蓋が要求された水平を満たした後、変位採取装置を上蓋の上表面に取り付ける、土壌サンプル充填というサブステップ１．２）と、
サブステップ１．２）における土壌サンプル充填完了後、冷凍器の上蓋から延出される部分には、保温カバーを取り付け、冷凍器の内管は、液体供給管を介して冷凍機に連通し、冷凍器の外管は、液戻り管を介して冷凍機に連通し、液体供給管及び液戻り管における冷凍器に近い一端には、手動調整弁をそれぞれ取り付け、冷凍機に近い一端には、制御弁をそれぞれ取り付け、手動調整弁と制御弁の間には、流量計をそれぞれ取り付ける、凍結管を接続するというサブステップ１．３）と、
温度採取素子を、温度データ線を介して温度採取手段のデータ線に接続し、塩分採取素子を、塩分データ線を介して塩分採取手段のデータ線に接続し、水分採取素子を、水分データ線を介して水分採取手段のデータ線に接続する、データ採取システムを接続するというサブステップ１．４）と、
を有する試験準備というステップ１）と、
冷凍機の冷凍設備を起動し、媒体の温度を-３０℃までに低下させる、というサブステップ２．１）と、
液体供給管及び液戻り管における制御弁、手動調整弁をそれぞれ開け、その後冷凍機のポンプ輸送装置を起動し、流量計に基づいて手動調整弁により媒体の流量を制御する、というサブステップ２．２）と、
温度採取手段、水分採取手段及び塩分採取手段を起動し、土壌サンプルの温度、水分及び塩分のデータをそれぞれ自動採取し、変位採取装置を用いて土壌サンプルの凍上率を手動採取する、というサブステップ２．３）と、
温度採取手段によって採取された温度データの値は、３回で連続的に同様になると、土壌サンプルは、定常凍結状態になり、媒体をポンプ輸送することを停止させ、データ採取システムを停止する、というサブステップ２．４）と、
冷凍機の加熱設備を用いて媒体が４０℃まで加熱させ且つポンプ輸送し、凍結された土壌サンプルに対して強制解凍を行い、温度採取手段を用いて解凍状況を監視し、土壌サンプルの温度が０℃以上になると解凍を終了させ、制御弁を閉じて媒体の循環を停止させ、土壌サンプルが解凍される過程においてサブステップ２．３）を繰り返し、土壌サンプルの温度、水分、塩分、及び凍上率のデータをそれぞれ自動採取する、というサブステップ２．５）と、
液体供給管及び液戻り管と冷凍器との間の接続を切断し、油圧シリンダによりデータ採取パネルを押し動かして上に向かって移動させ、よって土壌体を押し動かして上に向かって移動させ、データ採取パネルが第１リード線孔にある平面位置に近い位置に押し動かされた時、土壌サンプル容器における第１リード線孔が位置する平面より上の土壌サンプルを除去し、その上温度データ線と温度採取手段のデータ線との間の接続を切断し、温度採取パネルを外し、第１リード線孔をプラスチック螺子により閉栓し、そして油圧シリンダを利用してデータ採取パネルを土壌サンプル容器の頂端までに押し続けて、土壌サンプルを全部取り除き、データ採取パネルの整理を行い、水分採取プロッブと塩分採取プロッブの検査を行い、検査完了後、油圧シリンダを制御することによりデータ採取パネルを土壌サンプル容器の底部位置に戻させる、というサブステップ２．６）と、
土壌サンプルを変更し、サブステップ１．２）〜１．４）及びステップ２）を繰り返し、別の土壌サンプルに対して試験を行い、その温度、水分、塩分、及び凍上率のデータの自動採取を行う、というサブステップ２．７）と、
と有する、試験を行うというステップ２）と、
単一試験における同じ時点で取得した同一輪径の温度監視データに対する選別を行い、その他のデータと大きい差異があるデータを取り除き、正確のデータに対して平均値をその時点でその位置での温度測定データとして求め、同じ平面上の異なる位置の温度の時間に伴う変化規則を、曲線図に作成し、同様な方法で塩分、水分、及び凍上についてもデータ処理を行う、試験データ処理というステップ３）と、
を含む、
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の実験装置を用いてマルチパラメータ動的採取を行うことを特徴とする人工地層凍結の実験方法。
【請求項１０】
前記サブステップ１．２）において、前記土壌サンプルの土質は、粘土と、砂土と、砂質粘土との中の1つであり、前記土壌サンプルの含水率は、０〜４０％であり、
前記サブステップ１．２）において、前記土壌サンプルを調製するための水溶液の塩分含有量は、１％〜３％であり、
前記サブステップ１．３）において、温度採取手段の測定時間間隔は、１０〜６０ｍｉｎであり、水分採取手段及び塩分採取手段の測定時間間隔は、３０〜６０ｍｉｎであり、変位採取装置のデータ採取時間間隔は、３０〜６０ｍｉｎであり、
前記サブステップ２．６）において、油圧シリンダの毎回の押動かし高さは、５〜２０ｃｍである、
ことを特徴とする請求項９に記載の実験方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人工地層凍結方法の分野に関し、特に、マルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置及び実験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
目前、人工地層凍結方法は、水豊富軟土層地下工程施工の主な工法である。この工法は、国内の立坑掘削及びトンネル建設に広く用いられている。近年、国内の東部沿岸地域の地下鉄トンネル建設の過程において、大量の近海塩漬地層が現れる。この地層は、塩分含有量が高く、地下水が活躍である特徴を有している。ここで、当該地層の土壌は、凍結過程において水分移転、塩分移転、凍上、塩上などの複雑な物理変化に伴い、形成された凍土と普通の凍土との間に物理力学パラメータにおける大きな差異があることになった。しかし、目前では、近海塩漬凍土に対する系統的な試験研究が欠乏している。
【０００３】
凍土テストブロック試験は、テストブロックの各特性をより正確に反映することができるが、実際工程における土壌の凍結規則と大きな差異があるので、テストブロック試験に提供されたデータは、実際工程に直観的に指導することができない。相似モデル試験は、工程実行可能性分析に対する重要な試験手段であり、その試験結果の精度が、試験モデルと実際工程との相似比に主に限られ、相似比が大きいほど、工程に対するモデルの復元程度が高くなり、さらに工程に対する試験結果の参考価値が大きくなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、マルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置及び実験方法を提供することを目的とする。当該実験装置は、人工地層の土壌サンプルを凍結又は強制解凍でき、凍結過程において土壌サンプルの水分、塩分、温度、及び変位などの複数のパラメーターのデータを動的採取可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した目的を達成するために、本発明は、以下のような技術案を提供している。
【０００６】
人工地層の土壌サンプルを凍結又は強制解凍することができる、近海塩漬地層凍結の試験環境を模擬するためのマルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置であって、土壌サンプル容器と、データ採取システムと、凍結システムと、を備え、
前記土壌サンプル容器は、上蓋と、筒体と、底板とを有し、前記底板は、前記筒体の底端に固結され、前記上蓋は、前記筒体の頂端に載置され、前記上蓋、前記筒体及び前記底板によりチャンバーが囲まれ、前記上蓋は、上下移動可能であり、前記上蓋には、中心孔が設けられ、前記筒体の側壁には、複数の第１リード線孔が設けられ、
前記データ採取システムは、データ採取パネルと、水分採取手段と、塩分採取手段と、を有し、前記データ採取パネルは、前記チャンバー内に水平に設けられ、前記チャンバーを第１収容空間と第２収容空間とに画分し、前記第１収容空間は、前記第２収容空間の上方に位置し、前記土壌サンプルを収容することに用いられ、前記データ採取パネルには、複数の塩分採取素子と複数の水分採取素子とが設けられ、前記水分採取手段は、前記水分採取素子により前記土壌サンプルの水分データを動的採取し、前記塩分採取手段は、前記塩分採取素子により前記土壌サンプルの塩分データを動的採取し、前記データ採取パネルは、前記チャンバー内に上下移動可能であり、
前記凍結システムは、冷凍機と、液体供給管と、液戻り管と、冷凍器と、を有し、前記冷凍器は、前記第１収容空間内に縦方向に設けられ、前記冷凍器の底端が前記データ採取パネルに接続され、前記冷凍器の頂端が前記中心孔を通して前記土壌サンプル容器外に延出し、前記冷凍機は、それぞれに前記液体供給管と前記液戻り管とを介して前記冷凍器の頂端に連接され、低温又は高温媒体を生成してポンプ輸送することに用いられ、前記冷凍機と、前記液体供給管と、前記冷凍器と、前記液戻り管と、前記冷凍機とが順次に連通して前記媒体の循環回路を形成し、前記媒体は、前記土壌サンプルを凍結又は強制解凍するよう、前記冷凍器内に前記土壌サンプルと熱交換を行うマルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置。
【０００７】
上記実験装置において、さらに、前記上蓋は、環状構造であり、前記上蓋は、内層カバープレートと外層カバープレートとを組み合せてなり、前記内層カバープレートは、プラスチックの材質であり、前記外層カバープレートは、金属の材質であり、前記外層カバープレートは、前記内層カバープレートの上表面に設けられ、前記内層カバープレートの下表面は、前記土壌サンプルに接触し、好ましくは、前記内層カバープレートは、複数の扇形環状内板により接続されてなり、２枚の前記扇形環状内板の接続箇所には、それぞれ上へ延びる凸縁が設けられ、前記凸縁は、外層カバープレートの上方に延び、前記凸縁には、それぞれ複数のボルト穴が設けられ、複数の第１ボルトは、複数の前記ボルト穴を通して複数の前記扇形環状内板を順次に接続し、好ましくは、前記外層カバープレートは、複数の扇形環状外板から構成され、複数の前記扇形環状内板の上表面には、それぞれ扇形環状溝が設けられ、複数の前記扇形環状外板は、前記扇形環状溝内に嵌入され、好ましくは、前記内層カバープレートは、２枚の前記扇形環状内板から構成され、好ましくは、前記内層カバープレートは、ポリ塩化ビニールの材質であり、好ましくは、前記外層カバープレートは、アルミニウム合金の材質であり、好ましくは、前記扇形環状外板ごとには、それぞれ第１溝が設けられ、前記第１溝内には、ハンドルが設けられ、前記ハンドルと前記扇形環状外板とは、回動可能に接続され、前記第１溝内には、水平テスタがさらに設けられ、好ましくは、前記上蓋の外周には、第１シールリングが設けられる。
【０００８】
上記実験装置において、さらに、前記筒体は、外筒と、前記外筒の内側に設けられる内筒とを備え、前記内筒は、プラスチックの材質であり、前記外筒は、金属の材質であり、前記外筒の外壁には、複数の環状の補強リブが配設され、そのうち１つの前記補強リブには、同一の高さで複数の円形の第２溝が等間隔に設けられ、前記第１リード線孔は、前記第２溝内に設けられ、前記第１リード線孔は、前記補強リブと、前記外筒と、前記内筒とを貫通し、前記第１リード線孔の内壁には、ねじ山が設けられ且つプラスチック螺子が取り付け可能であり、前記内筒の内壁には、縦方向の目盛線が設けられ、前記内筒の内壁には、前記データ採取パネルが載置されるための耐荷重リングが設けられ、
前記底板には、第２リード線孔が設けられ、前記底板の外縁には、前記筒体に接続されるための複数のねじ穴が設けられ、前記底板には、凸台が設けられ、前記底板の下表面には、前記第２リード線孔を経由する第１リード線溝が設けられ、前記筒体の内径は、０．１〜２ｍであり、深さは、０．５〜２ｍであり、好ましくは、前記筒体の内径は、１ｍであり、深さは、１ｍであり、好ましくは、３つの前記補強リブは、前記外筒の頂端、底端及び中央部にそれぞれ設けられ、好ましくは、前記内筒は、ポリ塩化ビニールの材質であり、好ましくは、前記外筒は、アルミニウム合金の材質あり、  好ましくは、前記筒体底端に設けられる前記補強リブには、複数の縦方向のねじ穴が設けられ、複数の第２ボルトは、複数の前記ねじ穴を通して前記筒体を前記底板に固結する。
【０００９】
上記実験装置において、さらに、前記データ採取パネルは、上層パネルと下層パネルとから構成され、前記データ採取パネルには、第３リード線孔が設けられ、前記上層パネルの中心位置には、冷凍器ベースが設けられ、前記冷凍器が記冷凍器ベースに接続され、前記上層パネルの外縁には、複数の第２シールリングが設けられ、前記上層パネルには、径方向に沿って複数の第２リード線溝が設けられ、前記第２リード線溝ごとには、複数の素子配置孔が設けられ、前記素子配置孔ごとには、１つの塩分採取素子と１つの水分採取素子が設けられ、前記塩分採取素子は、塩分採取プロッブと、素子ベースと、塩分データ線とからなり、前記塩分採取プロッブは、前記土壌サンプルに設けられ、前記素子ベースによって前記素子配置孔内に固設され、前記塩分採取プロッブが前記塩分データ線に接続され、前記水分採取素子は、水分採取プロッブと、素子ベースと、水分データ線とからなり、前記水分採取プロッブは、前記土壌サンプルに設けられ、前記素子ベースによって前記素子配置孔内に固設され、前記水分採取プロッブが前記水分データ線に接続され、前記塩分データ線と前記水分データ線とは、それぞれ前記第２リード線溝内に設けられ、且つ、前記第３リード線孔、前記第２収容空間及び前記第２リード線孔を順次に通して前記筒体外に引き出され、前記塩分データ線が前記塩分採取手段のデータ線に接続され、前記水分データ線が前記水分採取手段のデータ線に接続され、好ましくは、前記第２収容空間内の前記塩分データ線と前記水分データ線とは、それぞれスプリングケ−ブルに設けられ、
好ましくは、前記上層パネルは、プラスチックの材質であり、前記下層パネルは、金属の材質であり、前記下層パネルは、前記上層パネルにおける下表面の円形溝内に設けられ、好ましくは、前記第２シールリングは、２つ設けられ、好ましくは、前記上層パネルは、ポリ塩化ビニールの材質であり、好ましくは、前記下層パネルは、アルミニウム合金の材質であり、好ましくは、前記第２リード線溝ごとには、前記素子配置孔が５つ設けられる。
【００１０】
上記実験装置において、さらに、前記データ採取システムは、前記第１収容空間の中央部の土壌サンプルに水平に設けられ、内円環、外円環及び複数の鋼ストランドにより構成される温度採取パネルをさらに備え、前記鋼ストランドが前記内円環と前記外円環とにそれぞれ接続され、前記鋼ストランドごとには、複数の温度採取素子が設けられ、前記温度採取素子ごとには、温度データ線が接続され、前記外円環の外縁には、第３リード線溝が設けられ、前記温度データ線が前記第３リード線溝内に設けられ、  全ての前記温度データ線は、集約された後前記第１リード線孔に入り、且つ前記第１リード線孔を介して温度採取手段のデータ線に接続され、集約された際にスプリングワイヤースリーブが全ての前記温度データ線の外部に配設され、温度採取データ線が前記第１リード線孔を通した後前記温度データ採取手段のデータ線に接続され、前記温度採取手段が前記温度採取素子により前記土壌サンプルの温度データを動的採取し、前記温度採取パネルが前記筒体内に上下移動可能であり、好ましくは、前記鋼ストランドは、六本設けられ、放射状に均等分布され、好ましくは、前記温度採取素子は、コンスタンタンと銅線とから製作される熱電対である。
【００１１】
上記実験装置において、さらに、油圧制御装置と、オイルパイプと、油圧シリンダとから構成される油圧システムをさらに備え、前記油圧制御装置は、前記オイルパイプを介して前記油圧シリンダに給油し、複数の前記油圧シリンダは、前記第２収容空間内に設けられ、前記油圧シリンダは、底端が前記底板に接続され、頂端が前記データ採取パネルに当接され、前記油圧制御装置は、前記オイルパイプによって前記油圧シリンダの昇降を制御することができ、前記油圧シリンダの昇降は、前記データ採取パネルの昇降を推し進めることができ、前記油圧シリンダは、多段油圧シリンダであり、好ましくは、前記油圧シリンダは、４つ設けられ、好ましくは、前記凸台には、複数のシリンダ槽が設けられ、前記油圧シリンダの底端が前記シリンダ槽内にそれぞれ設けられ、好ましくは、前記シリンダ槽は、４つ設けられる。
【００１２】
上記実験装置において、さらに、前記冷凍機は、冷凍設備、加熱設備及びポンプ輸送設備を有し、前記土壌サンプルを凍結又は強制解凍させる機能を実現することができ、前記冷凍器の底端には、ネジ端部が設けられ、前記冷凍器は、前記ネジ端部を介して前記冷凍器ベースに螺接され、前記冷凍器の頂端は、前記中心孔を通して前記上蓋外に延び、前記冷凍器は、内管と前記内管の外周に配設される外管とからなるケーシング構造であり、前記外管の外径は、８〜１５９ｍｍであり、前記内管の外径は、前記外管の外径の  √２／２倍であり、前記外管の底端は、封止され、前記内管は、底部が前記外管の底部に連通し、頂端が前記液体供給管に連通し、前記液戻り管は、前記外管の上段の側壁に接続され、前記外管の頂端には、前記外管を閉栓するための突出円環が設けられ、
前記液体供給管及び前記液戻り管における前記冷凍機に近い一端には、それぞれ前記液体供給管と前記液戻り管との開閉のための制御弁が設けられ、前記液体供給管及び前記液戻り管における前記冷凍器に近い一端には、それぞれ手動調整弁が設けられ、前記液体供給管及び前記液戻り管には、それぞれ流量計が設けられ、前記冷凍器の前記上蓋外に延出する部分には、保温カバーが設けられ、好ましくは、前記上蓋の移動に適応するために前記保温カバーは、変形可能であり、好ましくは、前記媒体は、アルコールであり、好ましくは、前記内管と前記外管とは、赤銅パイプの材質であり、  好ましくは、前記冷凍器の外径は、８０ｍｍである。
【００１３】
上記実験装置において、さらに、変位採取装置をさらに備え、２つの前記変位採取装置は、前記土壌サンプルを凍結させている過程における前記上蓋の変位量を採取するように、前記上蓋の上表面に設けられ、前記変位採取装置は、変位計と、横梁と、立柱と、変位装置ベースとから構成され、前記立柱は、前記変位装置ベースによって前記筒体の頂端に設けられ、前記横梁は、前記上蓋と平行に設けられ、前記横梁の一端は、前記立柱に配設されてノブボルトにより固定され、前記横梁は、前記立柱に沿って上下移動可能であり、前記変位計は、前記上蓋の上表面に立設され、前記変位計の底端は、前記上蓋の上表面に当接され、前記変位計は、ノブボルトによって前記横梁の他端に固設される。
【００１４】
一方、本発明は、マルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置を用いて実験を行う方法をさらに提供している。
【００１５】
水準器を用いて土壌サンプル容器の設置場所について検出を行って、土壌サンプル容器が水平の地面に置かれることを確保し、上蓋を外し、油圧システムの油圧制御装置を起動し、油圧シリンダがデータ採取パネルを推進して上昇させることによってデータ採取パネルを土壌サンプル容器の頂端に上昇させ、且つデータ採取パネルに設けられる水分採取プロッブ及び塩分採取プロッブを検査し、検査完了後、油圧シリンダへの制御によってデータ採取パネルを土壌サンプル容器の底部位置に戻させ、冷凍器をデータ採取パネルの冷凍器ベースに取り付ける、試験設備を装着して検査するというサブステップ１．１）と、
サブステップ１．１）の装着と検査が完了後、土壌サンプルを土壌サンプル容器に層ごとに充填させ、土壌サンプルが土壌サンプル容器の第１リード線孔と平行に充填された時に、水準器を用いて土壌サンプルが充填された平面の平坦度を測定し、土壌サンプル充填を、その平面が水平になるまで調整し、その後温度採取パネルを土壌サンプル容器内に取り付け、温度データ線を第１リード線孔から引き出し、その上第１リード線孔の隙間を密封させ、内筒上の目盛線を介して充填された土壌サンプルの高さを制御し、上蓋の下表面にある位置まで土壌サンプル充填を続け、水準器を用いて土壌サンプル平面の平坦度を測定し、土壌サンプル平面を、その平面が水平になるまで調整し、それで上蓋を取り付け、水平テスタを使用して上蓋が水平になるかどうかを測定し、上蓋が要求された水平を満たした後、変位採取装置を上蓋の上表面に取り付ける、土壌サンプル充填というサブステップ１．２）と、
サブステップ１．２）における土壌サンプル充填完了後、冷凍器の上蓋から延出される部分には、保温カバーを取り付け、冷凍器の内管は、液体供給管を介して冷凍機に連通し、冷凍器の外管は、液戻り管を介して冷凍機に連通し、液体供給管及び液戻り管における冷凍器に近い一端には、手動調整弁をそれぞれ取り付け、冷凍機に近い一端には、制御弁をそれぞれ取り付け、手動調整弁と制御弁の間には、流量計をそれぞれ取り付ける、凍結管を接続するというサブステップ１．３）と、
温度採取素子を、温度データ線を介して温度採取手段のデータ線に接続し、塩分採取素子を、塩分データ線を介して塩分採取手段のデータ線に接続し、水分採取素子を、水分データ線を介して水分採取手段のデータ線に接続する、データ採取システムを接続するというサブステップ１．４）と、
を有する試験準備というステップ１）と、
冷凍機の冷凍設備を起動し、媒体の温度を-３０℃までに低下させる、というサブステップ２．１）と、
液体供給管及び液戻り管における制御弁、手動調整弁をそれぞれ開け、その後冷凍機のポンプ輸送装置を起動し、流量計に基づいて手動調整弁により媒体の流量を制御する、というサブステップ２．２）と、
温度採取手段、水分採取手段及び塩分採取手段を起動し、土壌サンプルの温度、水分及び塩分のデータをそれぞれ自動採取し、変位採取装置を用いて土壌サンプルの凍上率を手動採取する、というサブステップ２．３）と、
温度採取手段によって採取された温度データの値は、３回で連続的に同様になると、土壌サンプルは、定常凍結状態になり、媒体をポンプ輸送することを停止させ、データ採取システムを停止する、というサブステップ２．４）と、
冷凍機の加熱設備を用いて媒体が４０℃まで加熱させ且つポンプ輸送し、凍結された土壌サンプルに対して強制解凍を行い、温度採取手段を用いて解凍状況を監視し、土壌サンプルの温度が０℃以上になると解凍を終了させ、制御弁を閉じて媒体の循環を停止させ、土壌サンプルが解凍される過程においてサブステップ２．３）を繰り返し、土壌サンプルの温度、水分、塩分、及び凍上率のデータをそれぞれ自動採取する、というサブステップ２．５）と、
液体供給管及び液戻り管と冷凍器との間の接続を切断し、油圧シリンダによりデータ採取パネルを押し動かして上に向かって移動させ、よって土壌体を押し動かして上に向かって移動させ、データ採取パネルが第１リード線孔にある平面位置に近い位置に押し動かされた時、土壌サンプル容器における第１リード線孔が位置する平面より上の土壌サンプルを除去し、その上温度データ線と温度採取手段のデータ線との間の接続を切断し、温度採取パネルを外し、第１リード線孔をプラスチック螺子により閉栓し、そして油圧シリンダを利用してデータ採取パネルを土壌サンプル容器の頂端までに押し続けて、土壌サンプルを全部取り除き、データ採取パネルの整理を行い、水分採取プロッブと塩分採取プロッブの検査を行い、検査完了後、油圧シリンダを制御することによりデータ採取パネルを土壌サンプル容器の底部位置に戻させる、というサブステップ２．６）と、
土壌サンプルを変更し、サブステップ１．２）〜１．４）及びステップ２）を繰り返し、別の土壌サンプルに対して試験を行い、その温度、水分、塩分、及び凍上率のデータの自動採取を行う、というサブステップ２．７）と、
と有する、試験を行うというステップ２）と、
単一試験における同じ時点で取得した同一輪径の温度監視データに対する選別を行い、その他のデータと大きい差異があるデータを取り除き、正確のデータに対して平均値をその時点でその位置での温度測定データとして求め、同じ平面上の異なる位置の温度の時間に伴う変化規則を、曲線図に作成し、同様な方法で塩分、水分、及び凍上についてもデータ処理を行う、試験データ処理というステップ３）と、
を含む、ことを特徴とするマルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置を用いて実験を行う方法。
【００１６】
上記実験装置を用いて実験を行う方法において、さらに、
前記サブステップ１．２）において、前記土壌サンプルの土質は、粘土と、砂土と、砂質粘土との中の1つであり、前記土壌サンプルの含水率は、０〜４０％であり、好ましくは、２０-４０％であり、
前記サブステップ１．２）において、前記土壌サンプルを調製するための水溶液の塩分含有量は、１％〜３％であり、
前記サブステップ１．３）において、温度採取手段の測定時間間隔は、１０〜６０ｍｉｎであり、水分採取手段及び塩分採取手段の測定時間間隔は、３０〜６０ｍｉｎであり、変位採取装置のデータ採取時間間隔は、３０〜６０ｍｉｎであり、
前記サブステップ２．６）において、油圧シリンダの毎回の押動かし高さは、５〜２０ｃｍである。
【発明の効果】
【００１７】
分析からわかるように、本発明は、マルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置及び実験方法が開示されている。当該実験装置は、土壌サンプル容器と、データ採取システムと、油圧システムと、凍結システムと、を備え、人工地層の土壌サンプルを凍結又は強制解凍でき、凍結過程において土壌サンプルの水分、塩分、温度、及び変位などの複数のパラメーターのデータを動的採取可能である。当該実験装置は、近海塩漬地層凍結の試験環境を模擬でき、塩漬凍土の凍結規則への研究に用いられ、近海塩漬地層凍結の方案の設計及び施工に参照を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本願の一部となる明細書の図面は、本発明への更なる理解を提供するためである。本発明の模式的な実施例及びその説明は、本発明への解釈のためであり、本発明に不適当な限定とはならない。
【図１】本発明一実施例の構成の模式図。
【図２】本発明一実施例の上蓋の模式平面図。
【図３】本発明一実施例の筒体の模式正面図。
【図４】本発明一実施例の底板の模式平面図。
【図５】本発明一実施例のデータ採取パネルの模式平面図。
【図６】本発明一実施例の温度採取パネルの模式平面図。
【図７】本発明一実施例の変位採取装置の構成の模式図。
【図８】本発明一実施例の冷凍器の構成の模式図。
【図９】本発明一実施例の塩分採取素子と水分採取素子の組み立ての模式図。
【図１０】図１のＡ箇所の拡大模式図。
【図１１】図１のＢ箇所の拡大模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して実施例を用いて本発明を詳しく説明する。各例示は、本発明を限定するものではなく、本発明を説明するように提供されている。実際には、本発明の範囲または精神を逸脱しない場合、本発明において変更及び変形を行うことができるのは、当業者にとって明らかである。例えば、１つの実施例の一部として示される又は説明される特徴は、更なる実施例を生じるように、他の実施例に用いることができる。したがって、本発明は、請求の範囲及びその同等物の範囲内に所属する上記のような変更及び変形を含むことが望ましい。
【００２０】
本発明の説明において、「縦方向」、「横方向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「垂直」、「水平」、「頂」、「中」、「底」等の用語が示した方位又は位置関係は、附図に基づいて示された方位又は位置関係であり、ただ本発明を説明しやすくさせるためであり、本発明が特定の方位で構成又は操作されなければならないことを求めないので、本発明への限定と理解することができない。本発明において使用される用語である「連接」、「接続」、「設ける」は広義に理解すべきであり、例えば、固結でも、着脱可能な接続でもよい、直接連接でも、中間部材を介して間接連接でもよい、有線接続、無線接続でも、無線通信信号接続でもよい。当業者は、具体的な状況に応じて上記用語の具体的な意味を理解することができる。
【００２１】
図１〜図１１に示すように、本発明の実施例によれば、人工地層の土壌サンプルを凍結又は強制解凍でき、凍結過程において土壌サンプルの水分、塩分、温度、及び変位等の複数のパラメーターのデータを動的採取可能であるマルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置が提供されている。実験装置は、。当該実験装置は、土壌サンプル容器１と、データ採取システム２と、凍結システム４と、を含んでいる。
【００２２】
土壌サンプル容器１は、中空の円柱体構造であり、上蓋１１と、筒体１２と、底板１３と、を有する。底板１３は、筒体１２の底端に固結され、上蓋１１は、筒体１２の頂端に載置され、上蓋１１、筒体１２、及び底板１３により、１つのチャンバーを形成するように囲まれる。上蓋１１は、土壌サンプルを覆うことに用いられ、上下移動可能である。上蓋１１の円心箇所には、中心孔１１３が設けられ、筒体１２の側壁には、複数の第１リード線孔１２４が設けられている。
【００２３】
データ採取システム２は、データ採取パネル２１と、水分採取手段２５と、塩分採取手段２６と、を有し、データ採取パネル２１は、チャンバー内に水平に設けられ、チャンバーを第１収容空間１５と第２収容空間１６とに画分する。第１収容空間１５は、第２収容空間１６の上方に位置し、土壌サンプルを収容することに用いられる。データ採取パネル２１には、複数の塩分採取素子２１３と複数の水分採取素子２１４が設けられている。水分採取手段２５は、水分採取素子２１４により土壌サンプルの水分データを動的採取する。塩分採取手段２６は、塩分採取素子２１３により土壌サンプルの塩分データを動的採取する。データ採取パネル２１は、筒体１２内に上下移動可能である。
【００２４】
凍結システム４は、冷凍機４１と、液体供給管４２と、液戻り管４３と、冷凍器４４と、を有し、冷凍器４４は、第１収容空間１５の土壌サンプル内に鉛直に設けられ、冷凍器４４の底端は、データ採取パネル２１に接続され、冷凍器４４の頂端は、中心孔１１３を通して土壌サンプル容器１の外部に延出し、冷凍機は、それぞれに液体供給管４２と液戻り管４３とを介して冷凍器４４の頂端に連接され、低温又は高温媒体を生成してポンプ輸送することに用いられる。冷凍機４１、液体供給管４２、冷凍器４４、液戻り管４３、及び冷凍機が順に連通して媒体の循環回路を形成する。冷凍器４４は、土壌サンプルを凍結又は強制解凍することができる。
【００２５】
具体的に、冷凍機４１は、媒体の温度を低下又は上昇させ、液体供給管４２を介して冷凍器４４に媒体をポンプ輸送させる。冷凍器４４は、土壌サンプルと熱交換を行い、さらに土壌サンプルを凍結又は強制解凍することができる。熱交換が完成した媒体は、液戻り管４３を介して冷凍機４１に戻り、循環を完成させる。土壌サンプルが凍結又は強制解凍される過程で、土壌サンプルに設けられた水分採取素子２１４と塩分採取素子２１３は、土壌サンプルの水分と塩分のデータを動的採取し、データをそれぞれに水分採集採取手段２５と塩分採取手段２６に伝送し、パソコンによりデータ処理を行い、規則に従って曲線図を作成し、塩漬凍土の凍結規則を研究することに用いられ、近海塩漬地層凍結の方案の設計及び施工に参照を提供することができる。
【００２６】
更に、図２に示すように、上蓋１１は、環状構造であり、内層カバープレート１１１と外層カバープレート１１２とを組み合せてなり、内層カバープレート１１１は、プラスチックの材質であり、外層カバープレート１１２は、金属の材質であり、外層カバープレート１１２は、内層カバープレート１１１の上表面に設けられ、内層カバープレート１１１の下表面は、土壌サンプルに接触する。好ましくは、内層カバープレート１１１は、複数の扇形環状内板により接続されてなり、２枚の扇形環状内板の接続箇所には、それぞれ上方に延びる凸縁１１４が設けられ、凸縁１１４は、外層カバープレート１１２の上方に延び、凸縁１１４には、それぞれ複数のボルト穴が設けられ、複数の第１ボルト１１５は、複数のボルト穴を通して複数の扇形環状内板を順次に接続する。着脱を便利になり、また上蓋１１の取り付けに起因する土壌サンプルに対する干渉を減少させるために、内層カバープレート１１１は、２枚の扇形環状内板から構成される。好ましくは、外層カバープレートは、複数の扇形環状外板から構成され、複数の扇形環状内板の上表面には、それぞれ扇形環状溝が設けられ、複数の扇形環状外板は、扇形環状溝内に嵌入される。好ましくは、内層カバープレート１１１は、ポリ塩化ビニールの材質であり、ポリ塩化ビニールの最低温度耐性は、-４０℃に達し、よい保温効果がある。外層カバープレート１１２は、アルミニウム合金の材質であり、アルミニウム合金は、よい変形抵抗能力があり、より小さい密度があり、また加工プロセスが簡単である。好ましくは、凸縁１１４のそれぞれには、３つの第１ボルト１１５が設けられている。好ましくは、上蓋１１は、２枚の扇形環状の内層カバープレート１１１から構成される。上蓋１１の着脱を便利になり、ハンドル１１８による次の素子取り付けの不便に起こすことを防止するために、好ましくは、扇形環状外板ごとには、それぞれ第１溝１１７が設けられ、第１溝１１７内には、ハンドル１１８が設けられ、ハンドル１１８は、扇形環状外板に回動接続され、ハンドル１１８は、非使用時に、第１溝１１７に水平に設置され、第１溝１１７内には、上蓋１１の水平度を測定するための水平テスタ１１６が更に設けられている。  
【００２７】
好ましくは、図１０に示すように、上蓋１１の外周には、土壌サンプル温度の流失を防止するように、上蓋１１と筒体１２との間の隙間をシールする２つの第１シールリング１１９が設けられている。
【００２８】
更に、図３に示すように、筒体１２は、外筒１２１と、外筒１２１の内側に設けられる内筒１２２と、を備え、外筒１２１の内壁は、内筒１２２の外壁と接触し、内筒１２２は、プラスチックの材質であり、外筒１２１は、金属の材質であり、外筒１２１の外壁には、複数の環状の補強リブ１２３が配設されている。ここで、外筒１２１の中央部に位置する１つの補強リブ１２３には、同一の高さで複数の円形の第２溝１２５が等間隔に設けられ、４つの第２溝１２５が設けられていることが好ましい。第１リード線孔１２４は、第２溝１２５内に設けられ、第１リード線孔１２４のそれぞれは、外筒１２１の中央部に位置する補強リブ１２３と、外筒１２１と、内筒１２２と、を貫通する。第１リード線孔１２４の内壁には、プラスチック螺子１２６を取り付け可能になるようにねじ山が設けられている、プラスチック螺子１２６は、螺杆と、十字形溝付きの円柱形端部と、から構成され、円柱形端部の寸法は、第２溝１２５の開口よりもやや小さく、内筒１２２は、プラスチック螺子１２６によって外筒１２１の内壁に固定されている。このように設置することにより、データ採取パネル２１が土壌サンプルを押し動かして上方に移動させる過程における内筒１２２の移動を防止することができる。内筒１２２の内壁には、土壌サンプルの充填量を制御するための縦方向の目盛線が設けられている。内筒１２２における底端に近接する内壁には、耐荷重リング１２８が設けられ、耐荷重リング１２８は、データ採取パネル２１を位置決めするとともに耐荷重を補助するように、データ採取パネル２１に係合されている。このように、下移の過程でデータ採取パネル２１の下移量が過大になることを防止し、試験の過程で油圧シリンダ３３の耐荷重を補助することができる。好ましくは、補強リブ１２３は、３本設けられ、それぞれ外筒１２１の頂端、底端、中央部に設けられている。好ましくは、内筒１２２は、ポリ塩化ビニールの材質であり、外筒１２１は、ステンレスの材質である。筒体１２の底端に設けられる補強リブ１２３には、複数のねじ穴が縦方向に設けられ、複数の第２ボルト１２７は、筒体１２を底板１３に固結する。
【００２９】
近海塩漬地層凍結工程において、隣接した凍結管の配置間隔は、約１ｍであり、１本の凍結管が機能を果たす最大直径は、２ｍである。現場において１本の管の凍結過程を比較的に真実に再現するために、筒体１２の直径は、実際工程との相似比により確定されるが、その相似比は、１〜２０であってもよい。したがって、筒体１２の内径は、０．１〜２ｍであり、相似モデル試験の効果を保証するとともに土工を交換して充填する仕事量を減少させるために、好ましくは、相似比は、２であり、対応的には、筒体１２の内径は、１ｍである。筒体１２の高さが測定素子の配置空間の要求を満たす必要があるとともに冷凍器４４に機能を果たす十分な深さを提供する必要があるため、筒体１２の深さは、０．５〜２ｍである。土工の掘削量を減少するとともに塩分採取素子２１３、水分採取素子２１４、及び温度採取素子２３１の配置難度を低下するために、筒体１２の高さは、１ｍであることが好ましい。
【００３０】
更に、図４に示すように、底板１３の円心箇所には、第２リード線孔１３１が設けられ、底板１３の外縁には、第２ボルト１２７によって底板１３を筒体１２に接続するための複数のねじ穴が均等に設けられている。好ましくは、ねじ穴の数は、６つである。底板１３には、凸台１３２が設けられ、その下表面に、径方向に沿って第１リード線溝１３４が設けられている。
【００３１】
更に、図５に示すように、データ採取パネル２１は、上層パネル２１５と下層パネル２１６から構成されている。上層パネル２１５は、プラスチックの材質であり、ポリ塩化ビニールの材質であることが好ましくい。下層パネル２１６は、金属の材質であり、アルミニウム合金の材質であることが好ましい。下層パネル２１６は、上層パネル２１５の下表面における円形溝内に嵌入され、データ採取パネル２１には、第３リード線孔２１８が設けられている。上層パネル２１５の中心位置には、冷凍器４４を取り付けるための冷凍器ベース２１９が設けられている。第２リード線溝２１１は、上層パネル２１５に径方向に沿って複数設けられ、４つがあり、且つ上層パネル２１５の円心を囲って均等分布されていることが好ましい。第２リード線溝２１１は、それぞれに直径が２ｃｍである複数の素子配置孔２１２が設けられている。好ましくは、素子配置孔２１２は、５つがあり、且つ等間隔で分布されている。素子配置孔２１２には、それぞれに１つの塩分採取素子２１３と１つの水分採取素子２１４が設けられている。
【００３２】
図１１に示すように、上層パネル２１５の外縁には、複数の第２シールリング２１７が設けられている。好ましくは、第２シールリング２１７は、２つがある。このように設置することにより、データ採取パネル２１と内筒１２２との間に隙間が存在しないことを確保することができ、また凍結実験の過程で土壌サンプルが隙間から落ちて実験効果に影響を与えることを防止することができる。
【００３３】
図９に示すように、塩分採取素子２１３は、塩分採取プロッブ２２０と、素子ベース２２１と、塩分データ線２２２とからなり、塩分採取プロッブ２２０は、土壌サンプルに埋設され、素子ベース２２１を介して素子配置孔２１２内に固設されている。塩分採取プロッブ２２０は、素子ベース２２１を通して塩分データ線２２２に接続される。水分採取素子２１４は、水分採取プロッブ２２３と、素子ベース２２１と、水分データ線２２４とからなり、水分採取プロッブ２２３は、土壌サンプルに埋設され、素子ベース２２１を介して素子配置孔２１２内に固設されている。水分採取プロッブ２２３は、素子ベース２２１を通して水分データ線２２４に接続されている。
【００３４】
好ましくは、素子ベース２２１は半円形構造であり、塩分採取素子２１３の素子ベース２２１は、水分採取素子２１４の素子ベース２２１と組み合せて円形構造が形成されて素子配置孔２１２の形状と合っている。
【００３５】
塩分データ線２２２と水分データ線２２４とは、それぞれ第２リード線溝２１１内に設けられ、且つ、第３リード線孔２１８、第２収容空間１６及び第２リード線孔１３１を順に通して筒体１２の外部に引き出されている。塩分データ線２２２は、塩分採取手段２６のデータ線に接続され、水分データ線は、水分採取手段２５のデータ線に接続されている。ここで、第２収容空間１６内における塩分データ線２２２と水分データ線２２４とは、それぞれスプリングケ−ブルで設けられる。このように設置することにより、塩分データ線２２２及び水分データ線２２４の引き抜き抵抗力を高めることができるとともに、データ採取パネル２１の完全性を保証することができるので、再利用率を高めた。
【００３６】
水分採取素子２１４は、素子ベース２２１の直径が素子配置孔２１２より小さい水分測定手段（即ち素子ベース２２１の直径が２ｃｍより小さい）を採用することができる。水分採取手段２５は、データ採取の便利性及び低温環境への適応性を考慮して、ＴＤＲ３０００水分速度測定装置であることが好ましい。ＴＤＲ３０００水分速度測定装置は、シリアル通信インターフェースを介してパソコンに接続され、水分データへの自動採取を実現することができる。採取温度としては、凍結実験の温度要求を満たすように、-４０〜７０℃の範囲である。
【００３７】
塩分採取素子２１３は、素子ベース２２１の直径が素子配置孔２１２より小さい塩分測定手段（即ち素子ベース２２１の直径が２ｃｍより小さい）を採用することができる。塩分採取手段２６は、データ採取の便利性を考慮して、ＴＺＳ−ＥＣ塩分含有量採取手段であることが好ましくい。ＴＺＳ−ＥＣ塩分含有量採取手段は、複数点の塩分データの採取を実現するように、パソコンに接続されていることができる。
【００３８】
更に、データ採取システム２は、温度採取パネル２３を更に備えている。図６に示すように、温度採取パネル２３は、第１収容空間１５の中央部における土壌サンプルに水平に設けられている。温度採取パネル２３は、内円環２３２と、外円環２３３と、複数本の鋼ストランド２３４とから構成され、鋼ストランド２３４は、それぞれ内円環２３２と外円環２３３に接続されている。鋼ストランド２３４は、放射状に均等分布に６本設けられていることが好ましい。鋼ストランド２３４は、それぞれに複数の温度採取素子２３１が均等に設けられ、温度採取素子２３１のそれぞれは、１箇所の温度を採取することができる。このように、異なる位置の温度データの採取を実現した。同一な輪径における測点の正常データに対して平均値を取る方法でデータの精確度を高める。温度採取素子２３１のそれぞれは、温度データ線２３５に接続され、外円環２３３の外縁には、第３リード線溝２３６が設けられ、温度データ線２３５は、第３リード線溝２３６内に設けられ、全ての温度採取データ線は、集約された後第１リード線孔１２４に入り、第１リード線孔１２４を介して温度データ採取手段のデータ線に接続されている。集約された際に、スプリングワイヤースリーブ２３７は、全ての温度採取データ線の外部に配設される。温度採取データ線は、第１リード線孔１２４を通した後温度データ採取手段のデータ線に接続され、温度採取手段２４は、温度採取素子２３１により土壌サンプルの温度データを動的採取し、温度採取パネル２３は、筒体１２内に上下移動可能であり、スプリングワイヤースリーブ２３７の設置により、温度データ線２３５の引き抜き抵抗力を高めることができるとともに、温度採取パネル２３の完全性を保証することができるので、再利用率を高めた。温度採取素子２３１は、コンスタンタンと銅線とから製作される熱電対であることが好ましい。
【００３９】
更に、当該実験装置は、油圧制御装置３１と、オイルパイプ３２と、油圧シリンダ３３とからなる油圧システム３を更に備えている。オイルパイプ３２は、第１リード線溝１３４から土壌サンプル容器１の外部に引き出されて油圧制御装置３１に連通されている。油圧制御装置３１は、オイルパイプ３２を介して油圧シリンダ３３に給油するものである。複数の油圧シリンダ３３は、第２収容空間１６内に設けられている。油圧シリンダ３３の頂端は、データ採取パネル２１に当接されている。油圧制御装置３１は、オイルパイプ３２によって、データ採取パネル２１の昇降を押し動かすことができるように、油圧シリンダ３３の昇降を制御することができる。
【００４０】
油圧シリンダ３３は、多段油圧シリンダ３３であり、４つで設けられることが好ましい。多段油圧シリンダ３３は、設置空間が比較的に狭くて、比較的に大きな推進高さを提供することができる。
【００４１】
好ましくは、凸台１３２には、４つのシリンダ槽１３３が設けられ、油圧シリンダ３３の底端は、それぞれにシリンダ槽１３３の内部に設けられている。シリンダ槽１３３の直径は、油圧シリンダ３３の取り付け及び固定が便利になるために、油圧シリンダ３３の底部の直径よりもやや大きい。これにより、凸台１３２は、油圧シリンダ３３に大きい推進高さを提供することができる。
【００４２】
更に、冷凍機４１は、土壌サンプルを凍結又は強制解凍させる機能を実現するように、冷凍設備、加熱設備、及びポンプ輸送設備を有するものである。冷凍器４４は、底端にネジ端部４４３が設けられ、ネジ端部４４３を介して冷凍器ベース２１９に螺接されている。冷凍器４４は、ベース２１９に取り付けられた後、保温効果に影響を与えることを防止するとともに土壌サンプルが落ちることを防止するように、その底端にベース２１９が密接されている。冷凍器４４の頂端は、中心孔１１３を通して上蓋１１の外部に延出している。
【００４３】
図８に示すように、冷凍器４４は、内管４４１と、内管４４１の外周に配設される外管４４２とからなるケーシング構造である。外管４４２の底端は、封止されている。内管４４１は、その底部が外管４４２の底部に連通され、その頂端が液体供給管４２に連通されている。液戻り管４３は、外管４４２の上段の側壁に接続されている。外管４４２の頂端には、外管４４２を閉栓するための突出円環４４４が設けられている。
【００４４】
媒体は、冷凍器４４において土壌サンプルと熱交換を行って、さらに土壌サンプルを凍結又は強制解凍させる。液体供給管４２及び液戻り管４３における冷凍機４１に近い一端には、それぞれ液体供給管４２と液戻り管４３の開閉のための制御弁４５が設けられ、液体供給管４２及び液戻り管４３における冷凍器４４に近い一端には、それぞれ手動調整弁４６が設けられ、液体供給管４２及び液戻り管４３には、それぞれ流量計４７が設けられている。冷凍器４４の上蓋１１の外部に延出する部分には、保温カバー４８が設けられ、上蓋１１の移動に適応するために、保温カバー４８が変形可能に設けられることが好ましい。媒体は、アルコールであることが好ましい。アルコールは、氷点が-１１７．３℃であり、沸点が７８℃であるため、媒体の高温又は低温の要求を同時に満たすことができる。内管４４１と外管４４２は、両者とも赤銅パイプの材質であることが好ましい。赤銅パイプは、熱伝導性が良いであるため、土壌サンプルの凍結又は強制解凍を效率的に高めることができる。
【００４５】
近海塩漬地層凍結工程において、冷凍器の外径は、１５９ｍｍである。冷凍器４４の外径は、相似比により決定され、相似比は、１〜２０であってもよい。対応的には、冷凍器の外管４４２の外径は、８〜１５９ｍｍであってもよい。冷凍器４４の相似比は、筒体１２の相似比と一致すべきである。したがって、冷凍器４４の相似比は、２である。対応的には、冷凍器４４の外管４４２の外径は、８０ｍｍである。内管４４１の外径は、外管４４２の外径の√２／２倍である（即ち、内管４４１の外径は、５６ｍｍである）。
【００４６】
更に、当該実験装置は、変位採取装置２７を更に備えている。２つの前記変位採取装置は、上蓋の上表面に対向に配置され、土壌サンプルの凍結過程において土壌サンプルの凍上作用による上蓋１１の変位量の採取に用いるものであり、変位計２７１からのデータに対して平均値を取る方法で最終の凍上率を確定することができる。変位採取装置２７は、図７に示すように、変位計２７１と、変位装置ベース２７２と、立柱２７４と、横梁２７５と、から構成される。立柱２７４は、変位装置ベース２７２を介して筒体１２の頂端に設けられている。横梁２７５は、上蓋１１と平行に設けられ、その一端が立柱２７４に配設されてノブボルト２７３により固定され、立柱２７４に沿って上下移動可能である。変位計２７１は、上蓋１１の上表面に立設され、その底端が上蓋１１の上表面に当接され、ノブボルト２７３によって横梁２７５の他端に固設されている。
【００４７】
好ましくは、変位装置ベース２７２は、ネオジウム鉄ボロン磁石から加工され、ネオジウム鉄ボロン磁石の超強い吸着力によって筒体１２の頂端の外縁に吸着されている。このように設置することにより、横梁２７５及び変位計２７１の取り付け及び調整が便利になる。
【００４８】
本発明には、マルチパラメータ動的採取可能な人工地層凍結の実験装置を用いて人工地層凍結を行う実験方法がさらに開示されている。当該実験方法は、
水準器を用いて土壌サンプル容器１の設置場所について検出を行って、土壌サンプル容器１が水平の地面に置かれることを確保し、上蓋１１を外し、油圧システム３の油圧制御装置３１を起動し、油圧シリンダ３３がデータ採取パネル２１を推進して上昇させることによってデータ採取パネル２１を土壌サンプル容器１の頂端に上昇させ、且つデータ採取パネル２１に設けられる水分採取プロッブ２２３及び塩分採取プロッブ２２０を検査し、検査完了後、油圧シリンダ３３への制御によってデータ採取パネル２１を土壌サンプル容器１の底部位置に戻させ、冷凍器４４をデータ採取パネル２１の冷凍器ベース２１９に取り付ける、試験設備を装着して検査するというサブステップ１．１）と、
サブステップ１．１）の装着と検査が完了後、土壌サンプルを土壌サンプル容器１に層ごとに充填させ、土壌サンプルが土壌サンプル容器１の第１リード線孔１２４と平行に充填された時に、水準器を用いて土壌サンプルが充填された平面の平坦度を測定し、土壌サンプル充填を、その平面が水平になるまで調整し、その後温度採取パネル２３を土壌サンプル容器１内に取り付け、温度データ線２３５を第１リード線孔１２４から引き出し、その上第１リード線孔１２４の隙間をエポキシ樹脂で密封させ、内筒１２２上の目盛線を介して充填された土壌サンプルの高さを制御し、上蓋１１の下表面にある位置まで土壌サンプル充填を続け、水準器を用いて土壌サンプル平面の平坦度を測定し、土壌サンプル平面を、その平面が水平になるまで調整し、それで上蓋１１を取り付け、水平テスタ１１６を使用して上蓋１１が水平になるかどうかを測定し、上蓋１１が要求された水平を満たした後、変位採取装置２７を上蓋１１の上表面に取り付ける、土壌サンプル充填というサブステップ１．２）と、
サブステップ１．２）における土壌サンプル充填完了後、冷凍器４４の上蓋１１から延出される部分には、保温カバー４８を取り付け、冷凍器４４の内管４４１は、液体供給管４２を介して冷凍機４１に連通し、冷凍器の外管４４２は、液戻り管４３を介して冷凍機４１に連通し、液体供給管４２及び液戻り管４３における冷凍器４４に近い一端には、手動調整弁４６をそれぞれ取り付け、冷凍機４１に近い一端には、制御弁４５をそれぞれ取り付け、手動調整弁４６と制御弁４５の間には、流量計４７をそれぞれ取り付ける、凍結管を接続するというサブステップ１．３）と、
温度採取素子２３１を、温度データ線２３５を介して温度採取手段２４のデータ線に接続し、塩分採取素子２１３を、塩分データ線２２２を介して塩分採取手段２６のデータ線に接続し、水分採取素子２１４を、水分データ線２２４を介して水分採取手段２５のデータ線に接続する、データ線を接続するというサブステップ１．４）と、
を有する試験準備というステップ１）と、
冷凍機の冷凍設備を起動し、媒体の温度を-３０℃までに低下させる、というサブステップ２．１）と、
液体供給管４２及び液戻り管４３における制御弁４５、手動調整弁４６をそれぞれ開け、その後冷凍機４１のポンプ輸送装置を起動し、流量計４７に基づいて手動調整弁４６により媒体の流量を制御する、というサブステップ２．２）と、
温度採取手段２４、水分採取手段２５及び塩分採取手段２６を起動し、土壌サンプルの温度、水分及び塩分のデータをそれぞれ自動的に採取し、変位採取装置２７を用いて土壌サンプルの凍上率を手動的に採取する、というサブステップ２．３）と、
温度採取手段２４によって採取された温度データの値が３回で連続的に同様になると、土壌サンプルは、定常凍結状態になり、媒体のポンプ輸送を停止させる、というサブステップ２．４）と、
冷凍機４１の加熱設備を用いて媒体が４０℃まで加熱させ且つポンプ輸送し、凍結された土壌サンプルに対して強制解凍を行い、温度採取手段２４を用いて解凍状況を監視し、土壌サンプルの温度が０℃以上になると解凍を終了させ、制御弁４５を閉じて媒体の循環を停止させ、土壌サンプルが解凍される過程においてサブステップ２．３）を繰り返し、土壌サンプルの温度、水分、塩分、及び凍上率のデータをそれぞれ自動的に採取する、というサブステップ２．５）と、
液体供給管４２及び液戻り管４３と冷凍器４４との間の接続を切断し、油圧シリンダ３３によりデータ採取パネル２１を押し動かして上に向かって移動させ、よって土壌体を押し動かして上に向かって移動させ、データ採取パネル２１が第１リード線孔１２４にある平面位置に近い位置に押し動かされた時、土壌サンプル容器１における第１リード線孔１２４が位置する平面より上の土壌サンプルを除去し、その上温度データ線２３５と温度採取手段２４のデータ線との間の接続を切断し、温度採取パネル２３を外し、第１リード線孔１２４をプラスチック螺子１２６により閉栓し、そして油圧シリンダ３３を利用してデータ採取パネル２１を土壌サンプル容器１の頂端までに押し続けて、土壌サンプルを全部取り除き、データ採取パネル２１の整理を行い、水分採取プロッブ２２３と塩分採取プロッブ２２０の検査を行い、検査完了後、油圧シリンダ３３を制御することによりデータ採取パネル２１を土壌サンプル容器１の底部位置に戻させる、というサブステップ２．６）と、
土壌サンプルを変更し、サブステップ１．２）〜１．４）及びステップ２）を繰り返し、全ての土壌サンプルが全部測定完了するまで、その温度、水分、塩分、及び凍上率のデータの自動採取を行う、というサブステップ２．７）と、
と有する、試験を行うというステップ２）と、
単一試験における同じ時点で取得した同一輪径の温度監視データに対する選別を行い、その他のデータと大きい差異があるデータを取り除き、残りの正確の温度データに対して平均値をその時点でその位置での温度測定データとして求め、同じ平面上の異なる位置の温度の時間に伴う変化規則を、曲線図に作成し、同様な方法で塩分、水分、及び凍上についてもデータ処理を行う、試験データ処理というステップ３）と、
を含む、マルチパラメータ動的採集可能な人工地層凍結の実験装置を用いて人工地層凍結を行う実験方法。データを整理することで、塩漬地層の凍結規則を総括し、塩漬地層凍結方法の施工凍結方案の設計に指導及びアドバイスを提出した。
【００４９】
更に、サブステップ１．２）において、土壌サンプルの土質は、様々な土質であってもよいが、粘土、砂土、及び砂質粘土の中の１種であることが好ましい。粘土、砂土、及び砂質粘土の土質は、近海領域に広い範囲で分布され、近海地層の物理特性を全体的に反映ことができる。土壌サンプルの含水率は、０〜４０％（例えば、０％、１０％、２０％、３０％、４０％）であり、２０〜４０％（例えば、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％）であることが好ましい。
【００５０】
土壌サンプルが配置される水溶液の塩分含有量は、１％〜３％（例えば、１％、２％、３％）である。
【００５１】
サブステップ１．３）において、温度採取手段２４の測定時間間隔は、１０〜６０ｍｉｎである。水分採取手段２５及び塩分採取手段２６の測定時間間隔は、３０〜６０ｍｉｎである。変位採取装置２７のデータ採取時間間隔は、３０〜６０ｍｉｎである。
【００５２】
ステップ２．６）において、油圧シリンダ３３の毎回の推進高さは、５〜２０ｃｍである。作業効率を高めるとともに操作の精度を確保するために、毎回の推進高さが１０ｃｍであることが好ましい。
【００５３】
以上の記載からわかるように、本発明の上記実施例は、以下のような技術的効果を実現した。
【００５４】
マルチパラメータ動的採取を行う人工地層凍結の実験装置及び実験方法であって、当該実験装置は、土壌サンプル容器と、データ採取システムと、油圧システムと、凍結システムと、を備え、人工地層の土壌サンプルを凍結又は強制解凍でき、凍結過程において土壌サンプルの水分、塩分、温度、及び変位などの複数のパラメーターのデータを動的採取可能であり、近海塩漬地層凍結の試験環境を模擬することができる。
【００５５】
冷凍機４１は、媒体の温度を低下又は上昇させ、媒体を液体供給管４２を介して冷凍器４４にポンプ輸送させるものである。冷凍器４４は、土壌サンプルと熱交換を行い、さらに土壌サンプルを凍結又は強制解凍することができる。熱交換の完成した媒体は、液戻り管４３を介して冷凍機４１に戻り、循環を完成させる。土壌サンプルが凍結又は強制解凍される過程において、土壌サンプルに設けられた水分採取素子２１４、塩分採取素子２１３は、及び温度採取素子２３１は、土壌サンプルの水分、塩分、及び温度のデータを動的採取する。採取されたデータは、それぞれに水分採取手段２５、塩分採取手段２６、及び温度採取手段２４に伝送される。上蓋１１の上表面に設けられた変位計２７１は、土壌サンプルの凍上率のデータを動的採取する。データ採取が完成した後、パソコンにより水分、塩分、温度、及び凍上率のデータの処理を行い、規則に従って曲線図を作成し、塩漬凍土の凍結規則を研究することに用いられ、近海塩漬地層凍結の方案の設計及び施工に参照を提供することができる。
【００５６】
上記の説明は、本発明の好ましい実施例のみであり、本発明を限定するためではない。当業者にとって、本発明は、各種の変更及び変化がある。本発明の精神及び原則内でいかなる修正、同等差し替え、改良等は、いずれも本発明の保護範囲に含まれている。
【符号の説明】
【００５７】
１      土壌サンプル容器
１１    上蓋
１１１  内層カバープレート
１１２  外層カバープレート
１１３  中心孔
１１４  凸縁
１１５  第１ボルト
１１６  水平テスタ
１１７  第１溝
１１８  ハンドル
１１９  第１シールリング
１２    筒体
１２１  外筒
１２２  内筒
１２３  補強リブ
１２４  第１リード線孔
１２５  第２溝
１２６  プラスチック螺子
１２７  第２ボルト
１２８  耐荷重リング
１３    底板
１３１  第２リード線孔
１３２  凸台
１３３  シリンダ槽
１３４  第１リード線溝
１５    第１収容空間
１６    第２収容空間
２      データ採取システム
２１    データ採取パネル
２１１  第２リード線溝
２１２  素子配置孔
２１３  塩分採取素子
２１４  水分採取素子
２１５  上層パネル
２１６  下層パネル
２１７  第２シールリング
２１８  第３リード線孔
２１９  冷凍器ベース
２２０  塩分採取プロッブ
２２１  素子ベース
２２２  塩分データ線
２２３  水分採取プロッブ
２２４  水分データ線
２３    温度採取パネル
２３１  温度採取素子
２３２  内円環
２３３  外円環
２３４  鋼ストランド
２３５  温度データ線
２３６  第３リード線溝
２３７  スプリングワイヤースリーブ
２４    温度採取手段
２５    水分採取手段
２６    塩分採取手段
２７    変位採取装置
２７１  変位計
２７２  変位装置ベース
２７３  ノブボルト
２７４  立柱
２７５  横梁
３      油圧システム
３１    油圧制御装置
３２    オイルパイプ
３３    油圧シリンダ
４      凍結システム
４１    冷凍機
４２    液体供給管
４３    液戻り管
４４    冷凍器
４４１  内管
４４２  外管
４４３  ネジ端部
４４４  突出円環
４５    制御弁
４６    手動調整弁
４７    流量計
４８    保温カバー
【図１】
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【図２】
0006745497.tif 000003
【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】
0006745497.tif 000008
【図８】
0006745497.tif 000009
【図９】
0006745497.tif 000010
【図１０】
0006745497.tif 000011
【図１１】
0006745497.tif 000012