(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤内から採取した土質試料を中空円筒形状に形成した供試体を載置するペデスタルと、ペデスタル上に載置された前記供試体の上端を支持するキャップとを備え、前記キャップを回転させて前記供試体にねじりを与える中空ねじりせん断試験装置において、
キャップと供試体、及びペデスタルと供試体は、キャップの外周面に巻き付け固定した環状プレート、及びペデスタルの外周面に巻き付け固定した環状プレートと供試体の上端部、及び下端部の外周面との間に隙間を形成して包囲させると共に、各環状プレートと供試体の外周面との前記隙間へ充填した接着剤を介して供試体へねじりを伝達可能に構成されていることを特徴とする、中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造。
【請求項２】
キャップには供試体の上端部の外周面に沿って段差部を有する環状プレートが固定され、ペデスタルにも供試体の下端部の外周面に沿って段差部を有する環状プレートが固定され、各環状プレートの段差部と供試体の外周面とが形成する隙間に接着剤が充填されていることを特徴とする、請求項１に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造。
【請求項３】
キャップには供試体の上端部の内周面に沿う環状プレートが設けられ、ペデスタルには供試体の下端部の内周面に沿う環状プレートが設けられ、各環状プレートと供試体の内周面との隙間に接着剤が充填されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造。
【請求項４】
環状プレートは、円周方向に複数に分割されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造。
【請求項５】
環状プレートは、キャップ又はペデスタルへ、ネジ止め、或いはボルト止めして固定されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造。
【請求項６】
接着剤は、エポキシ系接着剤であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ペデスタルに載置された中空円筒形状の供試体を、その上端を支持するキャップを回転させてねじりを与える中空ねじりせん断試験装置の技術分野に属し、更に云えば、ペデスタル及びキャップと供試体との支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、原地盤の応力や変形条件を比較的忠実に再現できる繰返し中空ねじりせん断試験装置（以下、中空ねじりせん断試験装置という。）が、液状化解析や地震の応答解析に多く用いられている。
この中空ねじりせん断試験装置は、地盤内から採取した試料を中空円筒形状に形成した供試体を用いる室内試験装置であり、粘性土と砂質土を試験対象としている。また、対象試料は、軟質なせん断強度の低い試料から硬質なせん断強度の高い試料がある。
【０００３】
中空ねじりせん断試験装置は、一例として図７に示すように、圧力容器１０の中心軸線上の上下にペデスタル１１及びキャップ１２が対向配置され、これらのペデスタル１１及びキャップ１２により中空円筒形状の供試体１３が支持され、ねじり（回転力）を与える構造とされている（非特許文献１参照）。
前記キャップ１２は、ロードセル１４を介して載荷ロッド１５に連結されており、軸力載荷機構１６及びねじり機構１７により供試体１３の軸方向に必要な大きさのトルクを載荷ロッド１５を介してキャップ１２に載荷する構成である。
【０００４】
中空ねじりせん断試験は、固定したペデスタル１１上に中空円筒形状の供試体１３を載置し、この供試体１３の上端部にセットしたキャップ１２を回転させることで供試体１３にねじれを与える。ここで、キャップ１２と供試体１３との間のトルクの伝達は、従来、両者間の摩擦抵抗に頼っている。
【０００５】
したがって、供試体１３のせん断強度がそれほど大きくない場合、キャップ１２に摩擦抵抗を超えないような小さいトルクを繰返し加えるときは、キャップ１２からのトルクを供試体１３の上端に均一に伝達して供試体１３の上端を回転でき、ペデスタル１１の固定力により、供試体１３の全体に適正なねじりを与えることができる。
【０００６】
しかしながら、供試体１３のせん断強度が大きい場合に、キャップ１２に摩擦抵抗を超えるような大きなトルク（例えば１００ｋｇ・ｃｍ〜２００ｋｇ・ｃｍ）を繰返し加えると、キャップ１２と供試体１３との間に滑りが発生して、適正なねじりせん断試験を実施できない。
そこで従来、図８に模式的に示すように、キャップ１２の下端及びペデスタル１１の上端の半径方向に複数の滑り止めのリブ１７、１８を突設し、当該リブ１７、１８で供試体１３の両端部を挟持する構成で摩擦抵抗を増やす工夫も行っている。ちなみに、図８中の符号２１は載荷軸、符号２２は圧力室底盤を示している。
【０００７】
なお、土質試料の中空ねじりせん断試験に関する特許文献は見当たらない。下記の特許文献１の「携帯型ねじり試験器及びねじりを利用した弾性定数、ねじり強度試験方法」の発明は、現場において、コンクリートやアスファルトコンクリートによる既存構造物の弾性定数とねじり強度とを簡易に測定する携帯型ねじり試験器およびねじりを利用した弾性定数、ねじり強度の試験方法に関する技術を開示するにすぎない。
【非特許文献１】社団法人地盤工学会「土質試験の方法と解説（第一回改訂版）」、ｐｐ．６８０、平成１２年３月２０日
【特許文献１】特開２００５−２６５７３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したようにキャップ１２の下端及びペデスタル１１の上端に滑り止めリブ１７、１８を突設すると、供試体１３のせん断強度が大きい場合でも、キャップ１２及びペデスタル１１と供試体１３との間の結合力が一応は高まり、適正なねじりせん断試験を期待できる。しかし、供試体１３のせん断強度がかなり大きく、キャップ１２に繰返し加えるトルクが上記１００ｋｇ・ｃｍ〜２００ｋｇ・ｃｍにも達すると、リブ１７、１８周辺の供試体１３に局所的に応力集中が働いて部分的破壊が生じ、正確なねじりせん断試験を実施できないという問題がある。
【０００９】
例えば、圧密圧力（有効拘束圧）τｃ’＝９９ｋＮ／ｍ２で等方圧密し、非排水条件で正弦波のせん断応力τ＝６０ｋＮ／ｍ２を繰返し加えた試験を行ったところ、図９Ａに、横軸に時間ｔ（単位ｓ）、縦軸にせん断応力τ（単位ｋＮ／ｍ２）をとって、せん断応力の試験波形を示し、図９Ｂに、横軸に時間ｔ（単位ｓ）、縦軸にせん断ひずみγ（単位％）をとって、せん断ひずみの試験波形を示したように、せん断ひずみγが、試験開始１２５秒より（−）方向にシフトすると共に、せん断ひずみγの振幅も徐々に増大している。これにより、試験開始から１２５秒後に、リブ１７、１８付近の供試体１３が局所破壊を起こし、リブ１７、１８と供試体１３との間で（−）方向に滑りが発生していると判断される。
【００１０】
また、図１０に縦軸にせん断応力τ（単位ｋＮ／ｍ２）、横軸にせん断ひずみγ（単位％）をとって、履歴曲線が載荷開始直後に菱形を描いて履歴減衰を示し、その後にせん断ひずみγが（−）方向にシフトしていることからも、リブ１７、１８付近の供試体１３の局所破壊が徐々に進行して、リブ１７、１８と供試体１３と間で滑りが発生していると判断される。
【００１１】
本発明の目的は、供試体のせん断強度が大きい場合に、キャップに大きなトルクを繰返し加えたときでも、供試体の上端にトルクを均一に伝達できるとともに、ペデスタルからの固定力で供試体の下端を固定でき、その結果、正確なねじりせん断試験を実施できる中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記従来技術の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造は、地盤内から採取した土質試料を中空円筒形状に形成した供試体を載置するペデスタルと、ペデスタル上に載置された前記供試体の上端を支持するキャップとを備え、前記キャップを回転させて前記供試体にねじりを与える中空ねじりせん断試験装置において、キャップ３と供試体１、及びペデスタル２と供試体１は、キャップ３の外周面に巻き付け固定した環状プレート４、及びペデスタル２の外周面に巻き付け固定した環状プレート５と供試体１の上端部、及び下端部の外周面との間に隙間を形成して包囲させると共に、各環状プレート４、５と供試体１の外周面との前記隙間へ充填した接着剤６を介して供試体１へねじりを伝達可能に構成されていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造において、キャップ３には供試体１の上端部の外周面に沿って段差部を有する環状プレート４が固定され、ペデスタル２にも供試体１の下端部の外周面に沿って段差部を有する環状プレート５が固定され、各環状プレート４、５の段差部と供試体１の外周面とが形成する隙間に接着剤６が充填されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造において、キャップ３には供試体１の内周面に沿う環状プレート１９が設けられ、ペデスタル２には供試体１の下端部の内周面に沿う環状プレート２０が設けられ、各環状プレート１９、２０と供試体１の内周面との隙間に接着剤６が充填されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造において、環状プレート４、５、１９、２０は、円周方向に複数に分割されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造において、環状プレート４、５、１９、２０は、キャップ３又はペデスタル２へ、ネジ７止め、或いはボルト８止めして固定されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造において、接着剤６は、エポキシ系接着剤であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１〜６に記載した発明に係る中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造は、以下の効果を奏する。
キャップ３と供試体１、及びペデスタル２と供試体１は、キャップ３の外周面に巻き付けた環状プレート４、及びペデスタル２の外周面に巻き付けた環状プレート５で供試体１の上端部、及び下端部の外周面を包囲させると共に、各環状プレート４、５と供試体１の外周面との隙間に接着剤６が充填されて供試体１へ確実にねじりを伝達可能に構成されているので、供試体１のせん断強度が大きい場合に、キャップ３に大きなトルクを繰返し加えたときでも、キャップ３から供試体１の上端にトルクを均一に伝達できるとともに、ペデスタル２からの固定力で供試体１の下端をしっかり固定できる。したがって、供試体１に応力集中による部分破壊が生じることなく、供試体１の全体に本来のねじりせん断力を与えて、正確なねじりせん断試験結果が得ることができる。
【００１８】
特に、請求項３に記載した発明によると、供試体１の外周面はもとより、内周面をも環状プレート１９、２０と接着剤とでしっかり保持して実施できるので、より高いせん断応力を載荷することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
地盤内から採取した土質試料を中空円筒形状に形成した供試体１を載置するペデスタル２と、ペデスタル２上に載置された前記供試体１の上端を支持するキャップ３とを備え、前記キャップ３を回転させて前記供試体１にねじりを与える中空ねじりせん断試験装置である。
キャップ３と供試体１、及びペデスタル２と供試体１は、キャップ３の外周面に巻き付け固定した環状プレート４、及びペデスタル２の外周面に巻き付け固定した環状プレート５と供試体１の上端部、及び下端部の外周面との間に隙間を形成して包囲させると共に、各環状プレート４、５と供試体１との前記隙間へ充填した接着剤６を介して供試体１へねじりを伝達可能に構成されている（請求項１記載の発明）。
【実施例１】
【００２０】
本発明に係る中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造の実施例を図面に基づいて説明する。
図１と図２Ａに示したように、前記キャップ３は、一例として上端部にフランジを備えた中空の円筒形状で実施され、その外周面３ａには複数（図示例では計６個）のネジ穴３ｂが同外周面３ａに沿ってほぼ等間隔に設けられている。
なお、前記キャップ３の形状は図示例に限定されず、前記環状プレート４を巻き付けることができる外周面３ａを有する形状であればよい。ちなみに、前記キャップ３の上端部に設けたフランジは、載荷軸２１とのボルト接合を容易ならしめるために設けたものであり、使用する載荷軸２１の形状によっては不要となる場合がある。
前記キャップ３の外周面３ａには、同外周面３ａを包囲する環状プレート４が同外周面３ａのネジ穴３ｂに対応して設けたネジ孔４ａにネジ７をねじ込んで固定されている（請求項５記載の発明）。前記環状プレート４は、その内周面下部に、上部より板厚の薄い段差部４ｂが形成されている。この環状プレート４の段差部４ｂが、供試体１の上端部の外周面を取り囲む部分となるのである。前記環状プレート４の材質は一般に鋼製で実施される。ちなみに、本実施例に係る環状プレート４は、ステンレス製で実施している。
なお、本実施例に係る環状プレート４は、円周方向にほぼ三等分割した三つの環状プレート片より構成されているがこれに限定されず、一つのリング状の環状プレートでも実施できるし、図５Ａに示したように、ほぼ二等分割した二つの環状プレート片より構成して実施することもできる（請求項４記載の発明）。
【００２１】
また、図１と図２Ｂに示したように、前記ペデスタル２は、一例として下端部にフランジを備えた中空の円筒形状で実施され、その外周面２ａには複数（図示例では計６個）のネジ穴２ｂが同外周面２ａに沿ってほぼ等間隔設けられている。
なお、前記ペデスタル２の形状もまた図示例に限定されず、前記環状プレート５を巻き付けることができる外周面２ａを有する形状であればよい。ちなみに、前記ペデスタルの下端部に設けたフランジもまた、圧力室底盤２２とのボルト接合を容易ならしめるために設けたものであり、使用する圧力室底盤２２の形状によっては不要となる場合がある。
前記ペデスタル２の外周面２ａには、同外周面２ａを包囲する環状プレート５が同外周面２ａのネジ穴２ｂに対応して設けたネジ孔５ａにネジ７をねじ込んで固定されている（請求項５記載の発明）。前記環状プレート５は、その内周面上部に、下部より板厚の薄い段差部５ｂが形成されている。この環状プレート５の段差部５ｂが、供試体１の下端部の外周面を取り囲む部分となるのである。ちなみに、本実施例に係る環状プレート５もステンレス製で実施している。
なお、本実施例に係る環状プレート５もまた、円周方向にほぼ三等分割した三つの環状プレート片より構成されているがこれに限定されず、一つのリング状の環状プレートでも実施できるし、図５Ｂに示したように、ほぼ二等分割した二つの環状プレート片より構成して実施することもできる（請求項４記載の発明）。
【００２２】
さらに、この中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造は、前記供試体１の上端部の外周面と前記環状プレート４の下方の段差部４ｂとの隙間に接着剤６が充填され、かつ、供試体１の下端部の外周面と前記環状プレート５の上方の段差部５ｂとの隙間に接着剤６が充填されている（請求項２記載の発明）。前記接着剤６は、環状プレート４、５と供試体１との隙間が一定でないため、粘性の高い二液型エポキシ系接着剤が望ましい（請求項６記載の発明）。なお、環状プレート４、５の段差部４ｂ、５ｂの高さ寸法、すなわち前記ペデスタル２及びキャップ３から前記供試体１側へ突き出す高さ寸法は、５ｍｍ〜１０ｍｍ程度で実施されている。
【００２３】
ちなみに、中空ねじりせん断試験装置に使用する供試体１について、直径と高さとの比は、１．０：１．０〜１．５の範囲内で実施するのが望ましく、一般には、直径１０ｃｍ程度、高さ１０ｃｍ〜１５ｃｍ程度の大きさで実施される。本実施例に係る供試体１も同様に、直径１０ｃｍ程度、高さ１０ｃｍ〜１５ｃｍ程度の大きさで実施されるが、本発明は、供試体１の上端部及び下端部の外周面を環状プレート４、５で拘束する構成で実施するが故に、供試体１における環状プレート４、５を除いた部分（図１の符号Ｈ参照）を１０ｃｍ程度にして実施することが望ましい。
【００２４】
次に、本発明の中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造による中空ねじりせん断試験の結果について説明する。
図３Ａに、せん断応力の試験波形を示す。
図中、横軸に時間ｔ（単位ｓ）、縦軸にせん断応力τ（単位ｋＮ／ｍ２）を示している。
図３Ｂに、せん断ひずみの試験波形を示す。
図中、横軸に時間ｔ（単位ｓ）、縦軸にせん断ひずみγ（単位％）を示している。
図４に、せん断応力とせん断ひずみの履歴曲線を示す。
図中、縦軸にせん断応力τ（単位ｋＮ／ｍ２）、横軸にせん断ひずみγ（単位％）を示している。
【００２５】
供試体１は、地盤から採取したせん断強度の大きい固結した砂試料を中空円筒形状に形成した。
中空ねじりせん断試験は、圧密圧力（有効拘束圧）τｃ’＝９０ｋＮ／ｍ２で等方圧密（固定）した供試体１に、非排水条件で正弦波のせん断応力τ＝１１８ｋＮ／ｍ２を繰返し加えた。
【００２６】
図３Ｂに示すように、供試体１にせん断応力τが繰返し加えられても、せん断ひずみγの振幅は増加することなく、キャップ３及びペデスタル２と供試体１との間で滑りが発生しない。
また、図４に示すように、履歴曲線が直線的であることからもキャップ３及びペデスタル２と供試体１との間で滑りが発生していないと判断される。
したがって、本発明の中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造では、圧密圧力τｃ’より大きなせん断応力τ（せん断応力比Ｒ＞１．０）でも、キャップ３及びペデスタル２と供試体１との間で滑りが発生していないことがわかる。
【００２７】
上述したように、本発明の中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造は、供試体１のせん断強度が大きい場合に、キャップ３に大きなトルクを繰返し加えても、キャップ３からのトルクを供試体１の上端に損失なく伝達して供試体１にせん断力を載荷できると共に、ペデスタル２からの固定力で供試体１の下端を固定できる。したがって、供試体１に応力集中による部分破壊が生じることなく、供試体１の全体に本来のねじりせん断力を与えて、正確な試験結果が得られるという効果がある。
【実施例２】
【００２８】
図６は、請求項３に記載した中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造を示している。この供試体支持構造は、上記実施例１の供試体支持構造の構成に加え、キャップ３には供試体１の内周面に沿う環状プレート１９が設けられ、ペデスタル２には供試体１の下端部の内周面に沿う環状プレート２０が設けられ、各環状プレート１９、２０と供試体１の内周面との隙間に接着剤６が充填されている（請求項３記載の発明）。
前記キャップ３およびペデスタル２の形状は、平面方向に見て、前記供試体１と一致する横断面形状を有する形状で実施している。
前記キャップ３の内周面、及びペデスタル２の内周面に設ける環状プレート１９、及び２０は、対応する環状プレート４、５と同様に、供試体１側に突き出す部位を段差状に形成し（請求項２記載の発明）、且つ使用する環状プレート４、５の形態に合わせて、円周方向にほぼ二等分割、又は三等分割した環状プレート片より構成されている（請求項４記載の発明）。この実施例２では、実施例１に係るキャップ３、又はペデスタル２に設けたネジ穴３ｂ、２ｂの代わりに貫通孔を設け、同貫通孔を利用して前記環状プレート４と１９（或いは環状プレート５と２０）とをビス８及びナット９で同時に締結して実施している（請求項５記載の発明）。
【００２９】
したがって、この請求項３に記載した発明によると、上記実施例１に記載した作用効果と比して、供試体１の外周面はもとより、内周面をも環状プレート１９、２０と接着剤６とでしっかり保持して実施できるので、より高いせん断応力を載荷することができる。
【００３０】
以上に本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は、実施例の内容に何ら限定されるものでない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、いわゆる当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。
例えば、本発明の中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造は、固結した砂試料から形成した供試体に限定されることなく、未固結の砂、軟らかい粘土、固い粘土、泥岩、砂岩等の試料から形成した供試体にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造の実施例１を示す概略断面図である。
【図２】Ａは、図１に係るキャップと環状プレートの分解斜視図であり、Ｂは、図１に係るペデスタルと環状プレートの分解斜視図である。
【図３】Ａは、実施例１に係るせん断応力の試験波形を示す図で、Ｂは、実施例１に係るせん断ひずみの試験波形を示す図である。
【図４】実施例１におけるせん断応力とせん断ひずみの履歴曲線を示す図である。
【図５】Ａは、キャップと環状プレートの異なる実施例を示した分解斜視図であり、Ｂは、ペデスタルと環状プレートの異なる実施例を示した分解斜視図である。
【図６】本発明に係る中空ねじりせん断試験装置の供試体支持構造の実施例２を示す概略断面図である。
【図７】従来の中空ねじりせん断試験装置及びその供試体支持構造を示す概略図である。
【図８】従来の供試体支持構造の概略断面図である。
【図９】Ａは、従来例に係るせん断応力の試験波形を示す図で、Ｂは、従来例に係るせん断ひずみの試験波形を示す図である。
【図１０】従来例におけるせん断応力とせん断ひずみの履歴曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１    供試体
２    ペデスタル
３    キャップ
４、５、１９、２０    環状プレート
５    環状プレート
６    接着剤（エポキシ系接着剤）
７    ネジ
８    ボルト
【図１】
0004701213.tif 000002
【図２】
0004701213.tif 000003
【図３】
0004701213.tif 000004
【図４】
0004701213.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004701213.tif 000009
【図９】
0004701213.tif 000010
【図１０】
0004701213.tif 000011