(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な方法で均一な圧縮が可能な、小型軽量化、そして低コスト化が可能な土壌サンプルの圧縮成形方法と、そのプレス機を提供する。【解決手段】携帯機能を有する小型且つ軽量の市販されるプレス機構を利用し、円筒状の指定容器１に詰めた計量された土壌サンプル３を、容器の両開放口から両面同時に加圧圧縮することで、均一な圧縮土壌サンプルとして圧縮成形する。プレス機構は車両用ジャッキ、油圧ジャッキ類を使用する。【選択図】    図４
2004202551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌サンプルの物性を測定する過程において、円筒状の指定容器に土壌を詰め、土壌サンプルを両面から加圧することで圧縮成形サンプルの均一性を計る土壌サンプル圧縮成形方法及びプレス機。
【請求項２】
容器或いは近辺に振動機構を付加することで、圧縮を容易にする請求項１の土壌サンプル圧縮成形方法及びプレス機。
【請求項３】
プレス機構を、車両用ジャッキ、油圧ジャッキ類、スクリュージャッキ類、てこ式プレス機を使用し、小型軽量化及び低コスト化を計った携帯機能を有する請求項１乃至２の土壌サンプル圧縮成形方法及びプレス機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土壌のサンプルを圧縮成形して物性を測定する過程において、土壌サンプルを圧縮成形する方法と、そのプレス機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、土壌サンプルを圧縮成形する方法は、次の方法が行われていた。
作業者が、計量した土壌サンプルを指定容器に詰め、それを押し棒を使って手作業で押し固めていた。この指定容器は、様々な大きさのステンレス製円筒状の容器（１）が一般に使われている。
作業は、容器の下部に底蓋（２）を宛がい、計量した土壌サンプル（３）を指定の容器（１）に詰め、そして作業者が押し棒（４）で力を加えて押し固めていた。この様子を図１に示す。この圧縮成形方法は、もっぱら実験現場で行われる。
ただし、実験室での作業となると、電源を確保することができるので機械式の大型圧縮機を使うことはできる。
手作業による圧縮成形作業では、その作業者が変わると、力加減の個人差から圧縮後の物性に差異が見られることが多い。これは、土壌は均一な完全球体ではなく、押し固める力の強弱や方向等の加減で、一様な圧縮ができないためである。以上の理由から、土壌サンプル（３）の圧縮成形作業は、同一作業者が専任することで圧縮サンプルの均一性を維持していることが現状である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の土壌サンプル（３）の圧縮成形方法を考察した結果、次の点を解決することが課題であることが判明した。
第一点は、手作業に依存する点である。同じ作業者が常時その作業をしなくてはならないとなると、様々な不便を来たす。また、他の作業者に対して、同様作業ができるように訓練させることも実現性に欠ける。そこで、人為に頼らず、一様な作業が可能となる機器を開発すれば、作業者の違いによる物性の差異は生じ得ない。もっとも、大掛かりな機器ともなるとこの欠点は解決されるが、移送性に欠け、装置本体及び諸費用の高騰から諸問題が起こる。以上の理由から、小型軽量、そして低コストのプレス機を開発することが課題となっていた。
第二点は、土壌サンプル（３）の圧縮方法そのものである。従来より行われていた圧縮成形方法は、指定の容器（１）に底蓋（２）を当て、指定量に計量された土壌サンプル（３）を詰め、押し棒（４）を使用して手作業で押し固めていた。図１に示す。この方法では、図２に示すように、圧縮後の土壌サンプルの上部（５）と土壌サンプルの下部（６）では密度に差異が生じる。つまり、押し棒（４）と接触する側で密度が高く、対面側は密度が低いという現象が起こる。これは、土壌粒子が完全球体ではないことと、粒子間の摩擦力のために、均一には圧縮され難いからである。
圧縮成形後の土壌サンプル（３）が不均一であれば、物性測定のデータとしては信憑性に欠けることは容易に理解することができる。このように、土壌サンプル（３）の物性測定の観点からは、均一に圧縮成形する方法と、その装置の開発が重要な課題となっていた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
土壌サンプルを圧縮成形するプレス機は移送性（携帯性）がよいことが期待されるので、小型軽量化を極力進める。しかも低コスト化も考慮する。
そこで、プレス機構として、小型軽量であり、且つ安価な市販品を利用することとする。
一例として、市販されている車両用のジャッキを使用する。最も安価なジャッキは手動式であり、専門店に行けば１，０００円程度で購入することができる。これに作業性を向上させるためにハンドル等を取り付けて使用する。
他に、油圧式や他の方式のハンドジャッキ類、スクリュージャッキ等を利用すれば、比較的に安価なプレス機を製作することができる。また、簡単なてこの原理を利用した簡易プレス機構でもよい。本発明は、室内外で使用可能な移送性に富むプレス機を開発する目的であるので、動力を使わない簡易プレス機として位置付けであるが、プレス機構の方式は限定しない。本発明は、動力を使わないとの基本思想があるが、バッテリ駆動の小型プレス機構や、家庭用電源を使用する小型プレス機等を除外するものではない。
【０００５】
土壌サンプルを圧縮成形する過程で、最も重要である点は、圧縮成形後の土壌サンプルの均一性である。従来方式である一方法から加圧して圧縮成形する方法では、解決する課題として説明したように加圧面と反対面とでは密度の差異が認められるが、この事実は、物性測定としてはデータの信憑性を欠く結果となるので好ましくない。この状態を図２に示す。
そこで、本発明の最大の特長は、容器に詰めた土壌サンプルを、片面からではなく、両面から同時に圧力を均一に印加して圧縮しようとする方式にある。この両面加圧方式で圧縮すれば、図３のように、理想的には、土壌サンプルの上部（５）、土壌サンプルの下部（６）、そして土壌サンプルの中部（７）が均一密度となる圧縮サンプルを成形できるものと期待される。
この原理を説明する。従来の片面加圧による圧縮方法では、押し棒（４）からの距離（深度）と密度との関係は、押し棒（４）の近辺では密度が高く、反対面では低いことが経験から理解される。同様に、反対面からのみの加圧では、反対面では密度が高く、手前は低いことになる。そこで、両面から加圧すると、均等或いは均等に近い状態で加圧されるはずである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図４で説明する。
本図は、本発明であるプレス機の分解斜視図である。
ベースプレート（８）に下部プレス体（９）を設ける。この下部プレス体（９）の先端は、土壌サンプル（３）と接触する下部プレス胴（１０）を有する。下部プレス体（９）の上方に、土壌サンプル（３）を詰めるための容器（１）の下部を保持する下部ホルダ（１１）を設ける。この下部ホルダ（１１）に、容器（１）が入る保持孔（１２ａ）とネジ穴（１３）を設ける。下部ホルダ（１１）に対応する上部ホルダ（１４）を設け、上部ホルダ（１４）に、容器（１）が入る保持孔（１２ｂ）と長ボルト（１５）が貫通する長ボルト孔（１６）を設け、更にピン（１７）を嵌合させる。上部ホルダ（１４）と下部ホルダ（１１）の間にホルダ（１８）を設け、容器（１）が入る保持孔（１２ｃ）とピン（１７）が貫通するピン孔（１９）を設け、更に下部ホルダ（１１）のピン穴（２０）に嵌入する。ホルダ（１８）のピン孔（１９）にピン（１７）が貫通するので、ホルダ（１８）はピン（１７）を中心軸として回転する。下部ホルダ（１１）、ホルダ（１８）、上部ホルダ（１４）を相互に長ボルト（１５）で固定する。
上部ホルダ（１４）の上方に、上部プレス体（２１）を設ける。上部プレス体（２１）の先端で、土壌サンプル（３）と接触する上部プレス胴（２２）を設け、更に水平方向にロッド（２３）を嵌合させる。
一方、ベースプレート（８）に車両用ジャッキ（２４）を固定し、車両用ジャッキ（２４）の上部にロッド（２３）を握持する穴（２５）を設けたプレート（２６）を固定する。車両用ジャッキ（２４）にハンドル（２７）を固定する。車両用ジャッキ（２４）の上下ストロークを規制するために、車両用ジャッキ（２４）の支点軸（２８）が滑動する長丸孔（２９）を有する規制プレート（３０）を設ける。
図５は、本発明の組み上がった状態を示す斜視図である。
【０００７】
【実施例】
図６で説明する。
本図は、本発明の第１実施例を示す断面図である。
ベースプレート（８）に下部プレス体（９）を固定する。この下部プレス体（９）の先端は、土壌サンプル（３）と接触する下部プレス胴（１０）となる。下部プレス体（９）の上方に、土壌サンプル（３）を入れる容器（１）の下部を保持する下部ホルダ（１１）を積層する。この下部ホルダ（１１）に、容器（１）が入る保持孔（１２ａ）とネジ穴（１３）、そしてピン（１７）が嵌入するピン穴（２０）を設ける。下部ホルダ（１１）に対応する、容器（１）の上部を保持する上部ホルダ（１４）を設ける。上部ホルダ（１４）は、容器（１）が入る保持孔（１２ｂ）と長ネジ（１５）が貫通する長ネジ孔（１６）を設け、更にピン（１７）を嵌合させる。上部ホルダ（１４）と下部ホルダ（１１）の間にホルダ（１８）を設ける。ホルダ（１８）に、容器（１）が入る保持孔（１２ｃ）とピン（１７）が貫通するピン孔（１９）を設ける。ホルダ（１８）のピン孔（１９）にピン（１７）が貫通するので、ホルダ（１８）はピン（１７）を中心軸として回転する。下部ホルダ（１１）、ホルダ（１８）、上部ホルダ（１４）を順次積層し、相互に長ネジ（１５）で固定する。
上部ホルダ（１４）の上方に、上部プレス体（２１）を設ける。上部プレス体（２１）の先端に、土壌サンプル（３）と接触する上部プレス胴（２２）を設ける。この上部プレス胴（２２）は上部ホルダ（１４）の保持孔（１２ｂ）を滑動する。更に、上部プレス体（２１）に、水平方向に突出するロッド（２３）を嵌合させる。
ベースプレート（８）に車両用ジャッキ（２４）を固定する。車両用ジャッキ（２４）の上部にロッド（２３）を握持する穴（２５）を設けたプレート（２６）を設ける。車両用ジャッキ（２４）にハンドル（２７）を固定する。ハンドル（２７）を回すと、スクリュー（３１）が回転してプレート（２６）が上下する。車両用ジャッキ（２４）の上下ストロークを規制するために、車両用ジャッキ（２４）の支点軸（２８）が滑動する長丸孔（２９）を有する規制プレート（３０）を設ける。
図７は、本実施例の背面図である。
ハンドル（２７）を左右に回すと、車両用ジャッキ（２４）が上下に伸縮し、それにより上部プレス胴（２２）が上部ホルダ（１４）の保持孔（１２ｂ）の内面を滑動する。
本実施例は、土壌サンプル（３）が入った容器（１）の両開口から、上部プレス胴（２２）と下部プレス胴（１０）で同時に加圧して圧縮する方法である。
【０００８】
本発明の第２実施例を説明する。
本第２実施例は、プレス機構を油圧ジャッキ機、水圧ジャッキ機、空圧ジャッキ機、スクリュージャッキ機等やてこ式プレス機構とするプレス機とする。
また、小型のバッテリ式や家庭用電源を使用する電動プレス機構を用いたプレス機とする。
【０００９】
本発明の第３実施例を説明する。
容器（１）の近辺に振動機構を付加し、圧縮を容易にする。
【００１０】
【発明の効果】
本発明は、上記のように構成されるので以下の効果を奏する。
従来より行われている土壌サンプルの圧縮成形方法は、指定の容器に土壌サンプルを詰め、片面から手作業で押し固めていた。この方法の欠点は、作業者の力加減で圧縮度が異なる点である。結果として、物性の測定値の再現性と信憑性に欠けるという欠点があった。常時、同じ作業者が作業するとは限らないので、この作業者に依存する圧縮成形方法には再考する必要性があった。
圧縮成形を機械化すれば作業者の能力に依存しない圧縮サンプルが可能である。しかし、実験室であれば大型の圧縮装置も可能であるが、室内を占有するなど様々な障害を生む。そこで、移送性（携帯性）に富む、小型軽量のプレス機の開発が期待され、本発明に至った。
【００１１】
本発明のプレス機は、土壌サンプルの手動式の圧縮成形プレス機であって、使用場所は屋外の現場も目的としている。その結果、移送性がよく、小型軽量であり、しかも低コストであることを考慮して発明した。そのため、プレス機構は、市販されている車両用ジャッキや油圧ジャッキ等のハンドジャッキ類を使用した。これらのジャッキ類は、動力を必要としないので、電源が準備できない実験室外での使用を可能にしている。
本発明の第１実施例では、車両用ジャッキを使用した。この車両用ジャッキは、安価なもので自動車用品店に行けば１，０００円程度で購入することができる。本発明に使用するジャッキは、それほど大きい力を必要としないので、最も安価な軽自動車用で十分である。そして、第１実施例は、このジャッキに市販のハンドルを付けて使用した。
また、車両用ジャッキよりは高価になるが、油圧式等のハンドジャッキもコスト面で十分に使用できるものである。スクリュージャッキやてこ式ジャッキも有効である。また、少し高額になるが、バッテリ駆動式のジャッキや、発電機を併用すれば電動ジャッキ等も利用可能となる。
【００１２】
従来より行われている土壌サンプルの圧縮成形方法は、作業者が指定の容器に土壌サンプルを詰め、片面から手作業で押し固める方法であった。そのため、圧縮に使用する押し棒が接触する土壌面は堅くなり、反対面は比較的緩いという現象が起こる。この原因は、土壌粒子は摩擦がない完全球体ではないからである。土壌粒子は、顕微鏡で見るといびつな形状をし、ランダムな配列となっているので摩擦力は大きい。その状態で一方から加圧しても、土壌サンプル全体に力が一様に伝播することはない。その結果、押し棒が接触する面に最も力が加わるので圧縮密度が高く、反対面は最も密度が低くなってしまう。この密度の不均一性は物性測定の観点からは問題であり、測定値の信憑性を問われることになる。この密度の差異の様子を図２に示している。
そこで、可能な限り均一性を有する圧縮方法を考察した結果、本発明の最大の特長である両面圧縮方法に行き着いた。簡単に説明すると、片面からの圧縮では、土壌と接触する方が高密度となり、反対面は低密度になることが経験から理解されるが、一方向のみではなく、両面から圧縮すれば力が平均化されて均等に圧縮されるからである。
この原理を理論化して説明するが、近似手法であることを断っておく。
従来の片面加圧による圧縮方法では、押し棒からの距離（深度）と密度との関係は、押し棒の近辺では密度が高く、反対面では低いことが経験から理解される。この密度と深度の関係は、近似的に関数で表すことができる。
図８は密度と深度の関数を示す図であり、本図を参照して説明する。
片面から加圧した場合に、密度と深度の関数を第１関数（３２）で表し、次に反対面から加圧した場合に、密度と深度の関数を第２関数（３３）として表す。この第１関数（３２）と関数を第２関数（３３）は、容器（１）の中点に対して対称となる。両面から加圧した場合の密度と深度の関数を第３関数（３４）とすると、第３関数（３４）は第１関数（３２）と第２関数（３３）の単純和とならず、片面加圧でも両面加圧でも圧縮後の土壌サンプルの高さは同じであるので、第３関数（３４）となる。
本図からも明白であるが、両面加圧方式は片面加圧方式より密度分布の差が少ないことが予見され、そして実験でも実証された。この状態を図９に示す。
理想的には、この関数は第４関数（３５）の定数関数であれば申し分ない。その理想状態は、図３となる。
【００１３】
次に、圧縮時に振動を加えることの有効性について説明する。
日常の生活から次のことはよく経験する事象である。
台所用品の「ざる」であるが、このざるにゴマを入れたとする。ざるを持ち上げてもゴマは、ほとんど下には落ちないが、ざるを揺すったり軽く叩くとゴマが落ちることは誰でも経験する事実であろう。微小なゴマであっても、集団となれば相互摩擦力は大きく、ざるの目を通らないのである。しかし、振動を与えると、ゴマ一粒一粒の自由度が増してざるの目からこぼれ落ちるのである。
また、ガラスコップに入れた米粒を観察するとする。静かに米を入れた状態での米の高さを測っておく。次に、ガラスコップを軽く叩くと、米の上面（表面）が下がって行くことが観察されるはずである。これは、米粒は完全球体ではなく、米粒間の摩擦もあるので、ガラスコップに静かに入れた状態では隙間が多い状況となっているが、ガラスコップを叩くことで、米粒に自由度を与えて隙間を減少させる状態に移行しようとする。この結果が、米粒面の低下となって現れるのである。
圧縮成形の意義は、加圧することで土壌粒子間の隙間を減少させることである。ゴマと米の例でも解かるように、土壌粒子には摩擦があり、完全球体ではないので、土壌サンプルに外部から振動を与えることで隙間を減少させることができる。つまり、振動を与えない方法よりも高密度の圧縮が可能であることを意味している。
以上から、簡易な方法で均一な圧縮が可能な、小型軽量化、そして低コスト化が可能な土壌サンプルの圧縮成形方法と、そのプレス機を提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来からある土壌サンプルの圧縮成形方法を示す斜視図である。
【図２】従来からある土壌サンプルの圧縮成形方法による圧縮後の断面図である。
【図３】本発明である土壌サンプルの圧縮成形方法による均一圧縮後の断面図である。
【図４】本発明であるプレス機の分解斜視図である。
【図５】本発明であるプレス機の組立斜視図である。
【図６】本発明の第１実施例を示す断面図である。
【図７】本発明の第１実施例を示す背面図である。
【図８】本発明の圧縮原理の中で、密度と深度の関数を示す図である。
【図９】本発明である土壌サンプルの圧縮成形方法による圧縮後の断面図である
【符号の説明】
１          容器
２          底蓋
３          土壌サンプル
４          押し棒
５          土壌サンプルの上部
６          土壌サンプルの下部
７          土壌サンプルの中部
８          ベースプレート
９          下部プレス体
１０          下部プレス胴
１１          下部ホルダ
１２ａ        保持孔
１２ｂ        保持孔
１２ｃ        保持孔
１３          ネジ穴
１４          上部ホルダ
１５          長ボルト
１６          長ボルト孔
１７          ピン
１８          ホルダ
１９          ピン孔
２０          ピン穴
２１          上部プレス体
２２          上部プレス胴
２３          ロッド
２４          車両用ジャッキ
２５          穴
２６          プレート
２７          ハンドル
２８          支点軸
２９          長丸孔
３０          規制プレート
３１          スクリュー
３２          第１関数
３３          第２関数
３４          第３関数
３５          第４関数
【図１】
2004202551.tif 000003
【図２】
2004202551.tif 000004
【図３】
2004202551.tif 000005
【図４】
2004202551.tif 000006
【図５】
2004202551.tif 000007
【図６】
2004202551.tif 000008
【図７】
2004202551.tif 000009
【図８】
2004202551.tif 000010
【図９】
2004202551.tif 000011