(57)【要約】【課題】せん断応力を負荷した状態で透水試験を行うことにより、せん断途中乃至応力−ひずみ関係における降伏、破壊時の透水係数をすべて計測できるようにしようとするものである。【解決手段】流動性の難透水材４を満たしたセル３内の中間部に円筒形の試験体１を内装し、該試験体１には上記難透水材料４への流体的な加圧によりその難透水材料４から内外全般に側圧Ｐ２と軸圧Ｐ１とを載荷し、また、その試験体１には両端面に配した透水性耐力材５，６を介して機械的にねじり力を載荷することで円周方向にせん断応力δを負荷し、この状態でその試験体１の筒壁２に上記透水性耐力材５，６を通じて筒方向に水を流して透水試験を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験体１を円筒形に形成し、該試験体１の内外全般に側圧Ｐ２及び軸圧Ｐ１を載荷するとともに、円周方向にねじり力を載荷することで円周方向にせん断応力δを負荷し、この状態で試験体１の筒壁２に筒方向に水を流して透水試験を行うことを特徴とするせん断透水試験方法。
【請求項２】
流動性の難透水材４を満たしたセル３内の中間部に円筒形の試験体１を内装し、該試験体１には上記難透水材料４への流体的な加圧によりその難透水材料４から内外全般に側圧Ｐ２と軸圧Ｐ１とを載荷し、また、その試験体１には両端面に配した透水性耐力材５，６を介して機械的にねじり力を載荷することで円周方向にせん断応力δを負荷し、この状態でその試験体１の筒壁２に上記透水性耐力材５，６を通じて筒方向に水を流して透水試験を行うことを特徴とするせん断透水試験方法。
【請求項３】
水平の基盤７の上面に流動性の難透水材料４を収容する円筒状のセル３を載置し、該セル３の上端を取り外し可能な蓋盤８で閉口し、かつ、該蓋盤８乃至上記基盤７にセル３内の上記難透水材料４へ圧力を加える加圧手段１５を講じ、また、上記基盤７の上面中央部から円筒形の試験体１に適合する円筒状のペデスタル９を立設し、該ペデスタル９の上方に該ペデスタルに対応するトップキャップ１０を配し、該トップキャップ１０には上面中央からプランジャー回転軸１１を立設するとともに、該プランジャー回転軸１１の下端周辺部に上記難透水材料４を流通させる適数の透孔１２を穿設し、そのプランジャー回転軸１１を上記蓋盤８に出入回転自在にかつ気密水密に貫通させ、該貫通で上方へと突出するそのプランジャー回転軸１１の上部にねじり載荷装置１３と押圧載荷装置１４とを装備させ、上記ペデスタル９の上端面と上記トップキャップ１０の下端面とに上記試験体１の下端面又は上端面に対面する透水性耐力材５，６をそれぞれ配備させ、両透水性耐力材５，６間に下方から上方へと水を送って透水係数を計測する透水検出手段１６を講じたことを特徴とするせん断透水試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤材料の透水性をせん断応力が作用している状態で測定するせん断透水試験方法とその装置に関するものである。
特に、廃棄物処分場（放射性廃棄物を含む。）における粘土系バリア材は、低透水性の確保が重要であるが、本発明は、相応の外力を加えた条件下で透水係数を測定することを目的としている。
【０００２】
【従来の技術】
従来、廃棄物処分場における粘土系バリア材に外力が作用する場合は、応力−ひずみ関係より材料が降伏若しくは破壊したかどうかを判定し、その結果より外力に対する設計を行っていた。しかしながら、廃棄物処分場における粘土系バリア材に求められる性能は、低透水性であり、応力的に破壊したかどうかは問題ではない。
ところで、地盤材料の透水試験としては、従来の技術としては、体積一定の容器内に地盤材料を入れ、応力を負荷しない状態で透水試験を行う通常のＪＩＳの透水試験方法（ＪＩＳ　Ａ　１２１８）があり、また、試験体に拘束圧として側圧、軸圧を負荷した状態で透水試験を行う特許第３２１０９２２号公報、特許第３２１０９２３号公報及び特開平７−３０６１９８号公報に示されている透水試験方法及び装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記ＪＩＳの透水試験の場合、応力が作用する地盤においては、その実地盤とかけ離れた試験となる虞があり、殊に上述の廃棄物処分場（放射性廃棄物を含む。）における粘土系バリア材などには適しない。また、上記各特許公報に記載された透水試験の場合、比較的実地盤に近い状態で試験が行えるものの、せん断応力が作用した状態での透水試験は行えず、応力−ひずみ関係において材料が降伏若しくは破壊したときの透水係数を測定することができない憾みがある。そこで、本発明は、せん断応力を負荷した状態で透水試験を行うことにより、せん断途中乃至応力−ひずみ関係における降伏、破壊時の透水係数をすべて計測できるようにしようとするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この観点から、請求項１の発明は、試験体１を円筒形に形成し、該試験体１の内外全般に側圧Ｐ２及び軸圧Ｐ１を載荷するとともに、円周方向にねじり力を載荷することで円周方向にせん断応力δを負荷し、この状態で試験体１の筒壁２に筒方向に水を流して透水試験を行うせん断透水試験方法にある。
【０００５】
請求項２の発明は、流動性の難透水材４を満たしたセル３内の中間部に円筒形の試験体１を内装し、該試験体１には上記難透水材料４への流体的な加圧によりその難透水材料４から内外全般に側圧Ｐ２と軸圧Ｐ１とを載荷し、また、その試験体１には両端面に配した透水性耐力材５，６を介して機械的にねじり力を載荷することで円周方向にせん断応力δを負荷し、この状態でその試験体１の筒壁２に上記透水性耐力材５，６を通じて筒方向に水を流して透水試験を行うせん断透水試験方法にある。
【０００６】
而して、請求項３の発明は、水平の基盤７の上面に流動性の難透水材料４を収容する円筒状のセル３を載置し、該セル３の上端を取り外し可能な蓋盤８で閉口し、かつ、該蓋盤８乃至上記基盤７にセル３内の上記難透水材料４へ圧力を加える加圧手段１５を講じ、また、上記基盤７の上面中央部から円筒形の試験体１に適合する円筒状のペデスタル９を立設し、該ペデスタル９の上方に該ペデスタルに対応するトップキャップ１０を配し、該トップキャップ１０には上面中央からプランジャー回転軸１１を立設するとともに、該プランジャー回転軸１１の下端周辺部に上記難透水材料４を流通させる適数の透孔１２を穿設し、そのプランジャー回転軸１１を上記蓋盤８に出入回転自在にかつ気密水密に貫通させ、該貫通で上方へと突出するそのプランジャー回転軸１１の上部にねじり載荷装置１３と押圧載荷装置１４とを装備させ、上記ペデスタル９の上端面と上記トップキャップ１０の下端面とに上記試験体１の下端面又は上端面に対面する透水性耐力材５，６をそれぞれ配備させ、両透水性耐力材５，６間に下方から上方へと水を送って透水係数を計測する透水検出手段１６を講じたせん断透水試験装置にある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、請求項１、請求項２及び請求項３に係る試験体１と試験方法を示している。
試験体１は、実地盤から既成手段により不攪乱状態で採取するか又は所要に応じて適宜に人工的に作製する。その具体的形状は、例えば、外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ、高さ５０〜１００ｍｍ程度に形成する。
この円筒形の試験体１には、上下端面及び内外周面の全般に、０．１〜１ＭＰａ　程度の鉛直方向の軸圧Ｐ１と水平方向の側圧Ｐ２とを載荷するとともに、０〜５００ｋｇｆ　程度の円周方向のねじり力（ねじりせん断応力δ）δを載荷し、また、その試験体１の筒壁２に下方から上方へと筒方向に水頭差０．１〜０．５ＭＰａ　程度の試験水を供給して透水試験を行う。このときの各部での水平面内のねじり力ｆ、せん断応力δと透水方向とは、図２に示すように直交する。
この場合、せん断応力−ひずみ関係をグラフにすると、図３のようになり、ひずみが飽和点ａに達したところで試験体１に降伏、破壊が生じるが、ここでは、透水試験をその降伏、破壊が生じる途中までは勿論、降伏、破壊が生じた後までも引き続き行い、実地盤に即した状態で試験体１の透水性能を測定する。
【０００８】
図４乃至図６は、請求項３に係るせん断透水試験装置を示している。
このせん断透水試験装置は、試験体１をセットするセル部分と、その試験体１に外力を加える側圧Ｐ２、軸圧Ｐ１及びねじり力載荷装置部分と、その試験体１に対する透水係数計測部分とから成るが、これらの部分は、相互に関連して全体としての装置を形成している。以下、これを具体的に説明する。
【０００９】
図４乃至図６に示すせん断透水試験装置は、水平の基盤７の上面周縁部に、流動性の難透水材料４を収容する外径３００ｍｍ程度の円筒状で鋼鉄製、アクリル樹脂製等のセル３を鉛直方向に気密水密に載置し、該セル３の上端を取り外し可能な蓋盤８で気密水密に閉口し、該蓋盤８乃至上記基盤７にセル３内の上記難透水材料４へ流体的に圧力を加える後述の加圧手段１５を講じている。
上記難透水材料４としては、極めて濃度の高いベントナイト系泥水等のせん断強度がなく透水性が低い材料を用いる。
【００１０】
図４乃至図６に示すように、セル３の内部では、上記基盤７の上面中央部から上述の円筒形の試験体１に適合する外径１００ｍｍ、内径６０ｍｍ、高さ１００ｍｍ程度の円筒状のペデスタル９を一体的に立設し、該ペデスタル９の上方に、頂壁１８周縁部からの垂下周壁１７がそのペデスタル９に対応し、したがって、上述の円筒形の試験体１にも適合するトップキャップ１０を配しており、該トップキャップ１０には、頂壁１８の上面中央から鉛直方向にプランジャー回転軸１１を一体的に立設するとともに、該プランジャー回転軸１１の下端周辺部でその頂壁１８に上記難透水材料４を流通させる複数の透孔１２を配設している（図６）。
鉛直方向に立設したそのプランジャー回転軸１１は、上記蓋盤８に出入回転自在にかつ気密水密に貫通させ、この貫通で上方へと突出する軸上部に上記試験体１へとねじり力を与えるねじり載荷装置１３と鉛直載荷を与える押圧載荷装置１４とを装備させている。なお、ねじり載荷装置１３及び押圧載荷装置１４には、空圧、油圧若しくは電動のモータなどを用いる。
【００１１】
更に、上記ペデスタル９の上端面と上記トップキャップ１０の垂下周壁１７下端面には、上記試験体１の下端面又は上端面に対面するポーラスストーン等の鍔状の下部と上部の透水性耐力材５，６をそれぞれ配備させ、両透水性耐力材５，６間に下方から上方へと試験水を送って透水係数を計測する透水検出手段１６を講じている。
【００１２】
前述のセル３内の難透水材料４への加圧手段１５は、上記基盤７の上面全般（ペデスタル９内を含む。）と上記蓋盤８の内面全般（プランジャー回転軸１１の貫通部分を除く。）とにポーラスストーン等による下部と上部の各透水板１９，２０を付設し、一方の下部の透水板１９（ペデスタル９の内外各部）を、上記基盤７に穿設した流路孔２１、レギュレーター２２及び開閉バルブ２３を備えた下部圧力配管２４を介して、空気圧供給用の圧力供給源へと連ね、また、他方の上部の透水板２０を、上記蓋盤８に穿設した流路孔２５、レギュレーター２６を備えた上部圧力配管２７を介して、空気圧供給用の圧力供給源へと連ねて成る。なお、下部圧力配管２４及び上部圧力配管２７には鋼管を用いるとよい。
【００１３】
前述の透水検出手段１６は、上記ペデスタル９の上端面に配した下部の透水性耐力材５を、上記基盤７乃至ペデスタル９に鉛直方向に開通させた流通路２８及び開閉バルブ２９を備えた下部給水管３２を介して、給水用の一方の二重管ビュレット３０へと連ね、また、上記トップキャップ１０の垂下周壁１７下端面に配した上部の透水性耐力材６を、その垂下周壁１７乃至上記上部の透水板２０に貫通させた可撓性・伸縮性・耐圧性を有するセル内給水管３３、上記蓋盤８に穿設した流通孔３４及び開閉バルブ３５を備えた上部給水管３８を介して、他方の給水用の二重管ビュレット３６へと連ねて、一方の二重管ビュレット３０から下部の透水性耐力材５へ、また、他方の二重管ビュレット３６から上部の透水性耐力材６へそれぞれ試験水を供給するようにし、更に、それらの二重管ビュレット３０，３６を、それぞれレギュレーター３１，３７を有する給気管３９，４０を介して、空圧載荷装置である圧力供給源へと連ねて、各圧力供給源から各二重管ビュレット３０，３６へ空気圧を加えるようにしている。そして、双方の空気圧の圧力差により両二重管ビュレット３０，３６内の試験水相互間に所要水頭差の水圧を得るようにするとともに、その水圧下で両二重管ビュレット３０，３６内の水量の変化を把握できるようにして、透水係数の計測部を構成している。なお、下部給水管３２、上部給水管３８及び給気管３９，４０には鋼管を用いるとよい。
【００１４】
図４乃至図６に示す上述のせん断透水試験装置では、次のようにして負荷透水試験を行う。
試験に当たり、せん断透水試験に供する前述の円筒形の試験体１には、あらかじめ内周面及び外周面にそれぞれゴム製等のメンブレン４１，４２を装着して、セル３内にセットする。なお、それらのメンブレン４１，４２は、前述の上部と下部の透水性耐力材５，６の内周面及び外周面をも覆わせることができるように上端及び下端を上下に適宜に突出させる。
セル３内への試験体１のセットには、蓋盤８を取り外して、ペデスタル９上の下部の透水性耐力材５の上に上記試験体１を載置し、内外のメンブレン４１，４２の下端部で下部の透水性耐力材５の内周面と外周面を覆う（図４）。
次いで、トップキャップ１０をその試験体１の上に被せて、垂下周壁１７の下端面にある上部の透水性耐力材６を試験体１上端に当接させ、この際、内外のメンブレン４１，４２の上端部で上部の透水性耐力材６の内周面と外周面を覆う（図４、図５）。
この状態で、セル３内にせん断強度がなく透水性が低くかつ極めて濃度の高いベントナイト系泥水等の難透水材料４を充填し、試験体１の内外をその難透水材料４で満たして、セル３の上端を蓋盤８で気密水密に閉じる（図４）。なお、充填した難透水材料４は、トップキャップ１０の頂壁１８に穿設した透孔１２を通ってトップキャップ１０、試験体１及びペデスタル９内に流入する。
【００１５】
こうして試験態勢がととのったところで試験に入り、まず、加圧手段１５を働かせてセル３内の難透水材料４に流体的に圧力を加え、該難透水材料４を通じて試験体１の内外に０．１〜１ＭＰａ　程度の水平方向の側圧Ｐ２と鉛直方向の軸圧Ｐ１とを載荷する。つまり、二つの空気圧供給用の圧力供給源から下部と上部の透水板１９，２０へレギュレーター２２及び開閉バルブ２３を備えた下部圧力配管２４と流路孔２１又はレギュレーター２６を備えた上部圧力配管２７と流路孔２５を通じてそれぞれ空気圧を供給し、続いて、下部と上部の透水板１９，２０から難透水材料４へと空気圧を加えて、試験体１の内外に上記側圧Ｐ２と軸圧Ｐ１とを載荷するのである。
但し、軸圧Ｐ１については、その難透水材料４と試験体１との間にトップキャップ１０が介在することになるが、該トップキャップ１０の上面には蓋盤８を貫通するプランジャー回転軸１１が連なっているため、難透水材料４からトップキャップ１０の上面に作用する押下げ力がそのプランジャー回転軸１１の断面積分だけ物理的に減少する。そこで、この減少分を、そのプランジャー回転軸１１の上部に装備させた押圧載荷装置１４から鉛直載荷することで機械的に補う。
また、プランジャー回転軸１１の上部に装備させたねじり載荷装置１３からは、試験体１に対しそのプランジャー回転軸１１及びトップキャップ１０を介して０〜５００ｋｇｆ　程度の円周方向のねじり力を載荷することにより相応のねじりせん断応力δを負荷する。
【００１６】
この負荷の下で上記透水検出手段１６を働かせ、その試験体１の筒壁２に下方から上方へ筒方向に水頭差０．１〜０．５ＭＰａ　程度で試験水を供給し、透水試験を行う。つまり、一方の二重管ビュレット３０から下部の透水性耐力材５へ開閉バルブ２９を備えた下部給水管３２及び流通路２８を通じて試験水を供給するとともに、他方の二重管ビュレット３６から上部の透水性耐力材６へ開閉バルブ３５を備えた上部給水管３８、流通孔３４及びセル内給水管３３を通じて試験水を供給し、かつ、空圧載荷装置である各圧力供給源からそれらの二重管ビュレット３０，３６へ各々レギュレーター３１，３７を有する給気管３９，４０を通じて空気圧を加えて、双方の空気圧の圧力差により両二重管ビュレット３０，３６内の試験水相互間に上記水頭差の水圧を与え、該水圧下で試験体１に下方から上方へと流れる試験水を両二重管ビュレット３０，３６内の水量の変化で検出して、試験体１の透水係数を計測するのである。
【００１７】
上述のせん断透水試験装置によれば、請求項１及び請求項２に係るせん断透水試験方法の発明の実施が可能となる。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１、請求項２及び請求項３の発明によれば、せん断応力δが作用した状態での透水試験ができ、せん断途中だけでなく応力−ひずみ関係において材料が降伏若しくは破壊した際及びその後透水係数をすべて直接的に測定することができ、したがって、廃棄物処分場（放射性廃棄物を含む。）における粘土系バリア材に求められる応力的に破壊したかどうかを問題としない低透水性を、実地盤に即して的確かつ十分に測定することができ、透水性というバリア材に要求される性能を基準とした外力に対する設計が可能になる。
【００１９】
更に、請求項２のせん断透水試験方法の発明によれば、円筒形の試験体１を、流動性の難透水材４が満ちたセル３内中間部に内装して、難透水材料４への流体的な加圧により難透水材料４を介して側圧Ｐ２と軸圧Ｐ１とを載荷するとともに、両端面に配した透水性耐力材５，６を介して機械的にねじり力を載荷することで円周方向にせん断応力δを負荷し、かつ、透水性耐力材５を通じて筒方向に水を流して透水試験を行うので、請求項３のせん断透水試験装置を支障なく実現でき、具体化を促進することができる。
【００２０】
そして、請求項３のせん断透水試験装置の発明によれば、水平の基盤７の上面に載置した円筒状のセル３上端を取り外し可能な蓋盤８で閉口し、該蓋盤８乃至基盤７にはセル３内に収容した流動性の難透水材料４へ圧力を加える加圧手段１５を講じ、基盤７の上面中央部から円筒状のペデスタル９を立設し、その上方に配したトップキャップ１０に上面中央からプランジャー回転軸１１を立設するとともに、適数の難透水材料流通用透孔１２を穿設し、そのプランジャー回転軸１１を蓋盤８に出入回転自在に気密水密に貫通させて上部にねじり載荷装置１３と押圧載荷装置１４とを装備させ、試験体１端面に対面させるようにしてペデスタル９の上端面とトップキャップ１０の下端面に配備させた透水性耐力材５，６間に透水係数を計測する透水検出手段１６を講じているので、全体として簡潔でかつ適正な測定を行うことができる優れた装置を具現化でき、したがって、請求項１及び請求項２のせん断透水試験方法を支障なく実施することができ、所期の目的を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１及び請求項２のせん断透水試験方法の発明に係る概念図である。
【図２】図１における試験体各部に作用するねじり力ｆとねじりせん断応力δの方向及び透水方向を示す物理的説明図である。
【図３】試験体に作用するねじりせん断応力とひずみの関係を示すグラフである。
【図４】請求項３のせん断透水試験装置の発明に係る実施の形態を示す構成要領截断側面図である。
【図５】同実施の形態における要部の拡大断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線の断面図である。
【符号の説明】
１…試験体　　　　　　　　　　　２…筒壁
３…セル　　　　　　　　　　　　４…難透水材料
５，６…透水性耐力材　　　　　　７…基盤
８…蓋盤　　　　　　　　　　　　９…ペデスタル
１０…トップキャップ　　　　　　　１１…プランジャー回転軸
１２…透孔　　　　　　　　　　　　１３…ねじり載荷装置
１４…押圧載荷装置　　　　　　　　１５…加圧手段
１６…透水検出手段　　　　　　　　１７…垂下周壁
１８…頂壁　　　　　　　　　　　　１９，２０…透水板
２１，２５…流路孔　　　　　　　　　　　２２，２６，３１，３７…レギュレーター
２３，２９，３５…開閉バルブ　　　　　　　　　　２４…下部圧力配管
２７…上部圧力配管　　　　　　　　２８…流通路
３０，３６…二重管ビュレット　　　　３２…下部給水管
３３…セル内給水管　　　　　　　　３４…流通孔
３８…上部給水管　　　　　　　　　３９，４０…給気管
４１，４２…メンブレン
【図１】
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【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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