(57)【要約】【課題】  粘性土地盤の表面から5mm以下の表層のせん断強さを測定する装置及びその測定方法を提供する。【解決手段】  載荷板2を水平方向に引っ張るスクリュージャッキ3と、せん断力測定用ロードセル4と、せん断変位測定用変位計5とを備えた装置本体6と、該装置本体6の軸体7に連結された連結フレーム13と、該連結フレーム13に連結された載荷板2とからなり、載荷板2の下面に多数の平板状のせん断刃22を間隔を持って配置し、せん断刃22は長手方向が載荷板2の引っ張り方向と交差する方向に設け、刃先が載荷板の下方に凸になるように設けて表層せん断強さ測定装置1を構成した。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
載荷板を水平方向に引っ張る引張機構と、せん断力測定用ロードセルと、せん断変位測定用変位計とを備えた装置本体と、該装置本体の軸体に連結された連結フレームと、該連結フレームに連結された載荷板とからなり、載荷板の下面に複数の平板状のせん断刃が所定間隔を持って配置されており、該せん断刃は長手方向が載荷板の引張方向と交差すると共に、刃先が載荷板下方に凸になるように設けられていることを特徴とする粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置。
【請求項２】
載荷板が、アルミニウムより形成されている請求項1記載の粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置。
【請求項３】
載荷板のせん断刃が10〜20mm間隔に配され、せん断刃の載荷板下面から突出する長さが1〜3mmである請求項1又は2記載の粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置。
【請求項４】
載荷板の引張機構が、せん断刃の刃先に生じる抵抗力と引っ張り力の作用点とに距離がある場合に発生するモーメントを消去可能な構造を有する請求項1〜3のいずれか1に記載の粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置。
【請求項５】
請求項1〜4に記載の測定装置を用い、粘性土の表層のせん断強さを測定することを特徴とする粘性土地盤の表層せん断強さ測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
表面から深さ5mm以下の粘性土のせん断強さを室内もしくは現地において簡便に測定するための表層せん断強さ測定装置及びその測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粘性土表面に発生した流水は土壌を侵食するが、その侵食の程度は、流水が接する粘性土表面のせん断強さ（粘着力とも言う）の影響を受ける。従来、表面から深さ5mm以下程度の浅い地盤の表層せん断強さを測定する装置はなかった。
【０００３】
一般的な土壌のせん断強さを測定する方法として例えば、一面せん断試験（JGS-0560、0561）、三軸せん断試験（JGS-0521〜0524）、一軸圧縮試験(JIS-A1216)、ベーンせん断試験(JGS-1411)、コーン貫入試験(JGS-1431)などが基準としてある。しかし、これらの基準化された標準的な試験方法では表層せん断強さを測定することは出来なかった。上記従来の試験方法では、最も薄い供試体の試験ができる一面せん断試験においても、深さ10mmまでが限界である。また深さ10mm未満の厚さで、水で飽和化して軟弱になった粘性土を採取して、試験装置に設置することは、非常に困難であった。
【０００４】
ところで土壌の侵食限界流速および浸食速度を推定するために、これらの影響因子となる土壌の引張り破壊応力を測定する装置が提案されている(例えば特許文献１参照)。
【０００５】
また粘性土を対象とするものではないが、砂質土および砂礫を対象とする一面せん断試験機として、底板と該底板の周囲に立設された側板とからなるせん断箱と、該せん断箱内に収容された試料の上に設置される載荷板とからなり、該載荷板の下面に当接する試料の少なくとも一部を前記載荷板に固着してなるせん断試験装置が公知である(例えば特許文献2参照)。
【０００６】
【特許文献１】特開平7-259067公報(0008、0009、図1)
【特許文献２】特開平8-226886号公報(請求項1、図1)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献1に記載された装置は、各辺が100mmの方形の土壌のブロックを現地で作成し、表層から深さ約100mmの土壌の引張り破壊応力を測定する方法であるため、地盤表面の薄層流の力を直接受けるごく浅い深さでのせん断強さを測定することは不可能であった。
【０００８】
また上記特許文献2に記載された装置は、供試体(試料)をせん断箱に収容する構造としている。試験対象を砂質土および砂礫とした場合には、この試料をせん断箱に収容可能である。しかしながら、粘性土を試験対象とした場合には、軟弱化した粘性土を乱すことなくせん断箱に収容することは極めて困難であり、現地で試験をすることが不可能である。上記特許文献２に記載された装置は、粘性土地盤の表層せん断強さの測定に利用することが出来なかった。
【０００９】
本発明は上記従来技術の欠点を解決するためになされたものであり、表面から深さ5mm以下の粘性土のせん断強さを室内もしくは現地において簡便に測定するための表層せん断強さ測定装置及びその測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、
(1)載荷板を水平方向に引っ張る引張機構と、せん断強さ測定用ロードセルと、せん断変位測定用変位計とを備えた装置本体と、該装置本体の軸体に連結された連結フレームと、該連結フレームに連結された載荷板とからなり、載荷板の下面に複数の平板状のせん断刃が所定間隔を持って配置されており、該せん断刃は長手方向が載荷板の引張方向と交差すると共に、刃先が載荷板下方に凸になるように設けられていることを特徴とする粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置、
(2)載荷板が、アルミニウムより形成されている上記(1)記載の粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置、
(3)載荷板のせん断刃が10〜20mm間隔に配され、せん断刃の載荷板下面から突出する長さが1〜3mmである上記(1)又は(2)記載の粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置、
(4)載荷板の引張機構が、せん断刃の刃先に生じる抵抗力と引っ張り力の作用点とに距離がある場合に発生するモーメントを消去可能な構造を有する上記(1)〜(3)のいずれか1に記載の粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置、
(5)上記(1)〜(4)に記載の測定装置を用い、粘性土の表層のせん断強さを測定することを特徴とする粘性土地盤の表層せん断強さ測定方法、
を要旨とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、載荷板の下面に複数の平板状のせん断刃が所定間隔を持って配置されており、該せん断刃は長手方向が載荷板の引張方向と交差すると共に、刃先が載荷板下方に凸になるように設けられている構成を採用したことにより、表面から深さ5mm以下の粘性土のせん断強さを室内もしくは現地において簡便に測定するための表層せん断強さ測定装置が得られる。地表面は拘束圧がほとんどないため、従来10mm未満のごく表層の土壌の粘着力を直接的に測定することは不可能であったが、本発明装置を用いて粘性土地盤の表層せん断強さを測定できる。その結果、地表流による粘性土に対する侵食現象などの的確な評価が可能となった。また、本発明装置は、従来の三軸試験機と比較して構造が簡単であり、現地におけるせん断強さの測定を容易に行なうことができる。
【００１２】
また本発明の表層せん断強さ測定方法は、上記のせん断強さ測定装置を用いて現地で粘性土の表層のせん断強さを測定する方法を採用したことにより、測定方法が簡便であり、現地で種々の状態で存在する土壌に対して多くのデータを容易に得ることができ、データの信憑性を高めることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を詳細に説明する。図1は本発明装置の一例を示し、(a)は平面図、(b)は(a)の側面図である。本発明粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置1は、図1に示すように、載荷板2を水平方向に引っ張る引張機構としてのスクリュージャッキ3と、せん断強さ測定用ロードセル4と、せん断変位測定用変位計5とを備えた装置本体6と、該装置本体6の軸体7に連結された連結フレーム13と、該連結フレーム13に連結された載荷板2とから構成される。
【００１４】
図1(a)、(b)に示すように、装置本体6は鉄骨等により組み立てられた台座8の上に、上記のスクリュージャッキ3、せん断強さ測定用ロードセル4、せん断変位測定用変位計5等の各部品が取り付けられている。また図1(b)に示すように、台座8は、ベニヤ板からなる台座安定板12[同図(a)では記載を省略した]に固定されて地盤B上に設置されている。
【００１５】
また引っ張り機構として用いられるスクリュージャッキ3の駆動は、手動式或いはモーター式の何れでもよい。図1に示す装置では、スクリュージャッキ3を手で駆動させるためのハンドル9が取り付けられている。
【００１６】
スクリュージャッキ3はロードセル4を介して軸体7に接続され、軸体7から載荷板2にせん断強さが伝達されるように構成されている。また上記軸体7は、ガイドの両端部にベアリングを有する軸受10が設けられたガイド11に挿通され、ガイド11が台座8に固定されている。軸体7は軸受10により載荷板2の前後方向に移動可能に形成されている。なお、この前後方向とは、載荷板2の引っ張り方向を意味する。
【００１７】
図2は図1の載荷板を示し、(a)は側面図、(b)は底面図、(c)は正面図である。図2(a)〜(c)に示すように、載荷板2は、板状体からなる基板21の底面に、せん断刃22が所定間隔で多数設けられている。せん断刃22の長手方向が、載荷板の前後方向と直交する方向となり、夫々のせん断刃22、22・・・が平行に配置されている。またせん断刃22は刃先が載荷板2の下方に凸になるように配置されている。
【００１８】
基板21の大きさは、一辺の長さが100〜150mmの方形状に形成するのが好ましい。せん断刃22は図2(a)に示すように、せん断刃22の間隔D(隣り合うせん断刃の刃先と刃先との距離)が、10〜20mmとなるように配置するのが好ましい。図2(c)に示すように、せん断刃22は載荷板の基板21の底面から突出する刃の長さG(出刃量と言うこともある)が、1〜3mmになるように形成するのが好ましい。図2(b)に示すせん断刃22の厚みEは、0.3〜0.5mmに形成するのが好ましい。せん断刃の厚みが0.3mm未満では、載荷板にせん断刃を安定して取付けるのが困難であり、また厚みが0.5mmを超えると、せん断刃の間隔によっては、せん断強さ測定の際に土壌表面に与える歪み量が大きくなり正確な正確な測定が困難になる場合がある。またせん断刃は、先端を地盤表面から差し込む時の撹乱作用を抑えるために、先端が図2(a)に示すように尖っている形状が好ましい。
【００１９】
図2(b)、(c)に示すように、せん断刃22の横幅Hは基板21の横幅と同じ長さに形成されている。また載荷板2は、基板21の上面が荷重用分銅(錘)を載せるための載置面23を有し、該載置面23には固定ピン24が設けられている。固定ピン24には貫通孔が設けられた荷重用分銅が挿通される。この分銅の重さを種々変更することで、載荷板の拘束圧力を任意に変化させることができる。
【００２０】
軟弱な粘性土の粘着力を測定するためには、微弱なせん断抵抗力と同等の極めて弱い拘束圧力を、載荷板を介して地盤に与える必要がある。そのためには、載荷板を軽量化することが好ましい。具体的な載荷板2(基板21及びせん断刃22)の材質は、ある程度の剛性を持ち、軽量で安価であることから、アルミニウム製とするのが好ましい。例えば図2に示す形状の載荷板のみの拘束圧力は、材質をアルミニウム製とし、基板21の大きさを100mm四方、厚み1mmに形成し、せん断刃22を10本設けた場合、0.005kgf/cm2となる。
【００２１】
図3は図1(b)の連結フレーム付近の拡大図である。連結フレーム13は軸体側フレーム13Aと載荷板側フレーム13Bとから構成される。図3に示すように、軸体側フレーム13Aの軸体7側端部は、軸体7の端部を嵌合可能な凹部が設けられた軸体受部16を備える。また軸体受部16及び軸体7端部には、連結ピン14を挿通可能な貫通孔及び溝が設けられていて、軸体受部16に軸体7端部を嵌合させた後、軸体受部16上方から連結ピン14を挿通して連結されている。
【００２２】
さらに図3に示すように連結フレーム13は、軸体側フレーム13Aの載荷板2側端部が、せん断刃の先端の位置(せん断面)に対して下方に位置する水平部材と該水平部材の端部に上向きに連設した垂直部材31とからなる断面鉤状に形成し、載荷板側フレーム13Bの軸体8側端部が、せん断面に対して上方に位置する水平部材と該水平部材の端部に下向きに連接した垂直部材とからなる断面鉤状に形成した。そして、軸体側フレーム13Aの垂直部材31と載荷板側フレーム13Bの垂直部材32同士が係合するように配置し、垂直部材31、32間にせん断強さ伝達ピン15を配置した。せん断強さ伝達ピン15の中心軸の位置が、せん断面と同一位置となるようにした。
【００２３】
このように図3に示す連結フレーム13の構造は、せん断刃22先端のせん断面と載荷板2を矢印P方向に引っ張る作用線Fとを一致させ、軸体側フレーム13Aと載荷板側フレーム13Bの接点に荷重伝達用の丸型鋼棒からなるせん断強さ伝達ピン15を介して結合されているから、せん断刃の刃先に生じる抵抗力と引っ張り力の作用点とに距離がある場合に発生する回転モーメントが生じることがない。
【００２４】
以下本発明の粘性土地盤の表層のせん断強さ測定方法を説明する。本発明方法は、上記測定装置を用い、現地で拘束圧力を変化させて粘性土のせん断強さを数回測定して、せん断強さと拘束圧力の関係を求め、その関係から粘性土表層の粘着力(この場合の粘着力とは、拘束圧力がゼロの場合のせん断強さのことである)を求めるものである。具体的には、上記表層せん断強さ測定装置の載荷板2を測定しようとする地盤表面に直接設置する。このとき水準器を用いて載荷板2が地盤Bの上に水平になるように設置する。スクリュージャッキ3を駆動して載荷板2を水平方向に引っ張り、その時の抵抗力をせん断強さ測定用ロードセル5により測定してせん断強さ(τ)を求める。
【００２５】
このせん断強さの測定を、載荷板2の拘束圧力(σ)を変化させて複数回行なう。せん断強さの測定は、少なくとも鉛直拘束圧力(以下、単に拘束圧力という)を変えて3回以上行なう。拘束圧力を変えるには、載荷板の荷重を変化させることで行なうことができる。例えば、載荷板に分銅を載せずに載荷板の重量のみとした拘束圧力(σ1)、載荷板に分銅を載せて荷重を加えた状態の拘束圧力(σ2)、更に分銅の重量を増やした状態の拘束圧力(σ3)、更に分銅を増やした状態の拘束圧力(σ4)とし、各々の最大せん断強さ(τ1、τ2、τ3、τ4)の測定を行なう。
【００２６】
次に、図4に示すように、拘束圧力(σ1〜σ4)とせん断強さ(τ1〜τ4)との関係（せん断破壊線）を直線にプロットする。このグラフから、鉛直拘束圧がゼロ(σ0)の場合のせん断強さ(τ0)を粘性土地盤表層の粘着力とすることができる。この粘着力の求め方は、「JGS0561  土の圧密定圧一面せん断試験方法」に準じた手法である。
【００２７】
〔実験例〕
供試体が自立する限界の含水比状態の粘性土を供試体として、三軸圧縮試験装置により得られたせん断強さから求めた粘着力と、本発明装置を用いて得られたせん断強さから求めた粘着力を比較し、本発明測定装置及び測定方法の妥当性を実験した。その結果を以下に示す。
【００２８】
図1に示す構成の装置を用い、載荷板として縦(X)×横(Y)が100mm×100mmの方形状で肉厚(Z)が10mmの寸法で、形状が図2に示す通りの、アルミニウム製載荷板を用い、(1)載荷板のみで分銅なし(σ1＝0.005kgf/cm2)、(2)分銅あり(σ2＝0.01kgf/cm2)、(3)次に重い分銅あり（σ3＝0.015kgf/cm2)、(4)一番重い分銅あり(σ4＝0.02kgf/cm2)の各状態で、夫々載荷板を引っ張り、最大せん断強さ(τ1、τ2、τ3、τ4)を求めた。次に、上記粘着力の測定方法に記載した方法にて、図5に示すように、拘束圧力(σ)とせん断強さ(τ)との関係（せん断破壊線）を直線にプロットして、拘束圧力がゼロ)の場合のせん断強さを粘性土地盤表層の粘着力とした。表1に試験に使用した土壌の組成及び物性を示す。
【００２９】
(表1）
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【００３０】
表1に示した土壌に対して、表2の同じ状態の供試体を作成して行った表層せん断試験結果と標準の三軸試験（圧密非排水条件）の結果を図5に示す。但し、三軸試験装置の場合は構造的限界があり、本発明の装置と同じ低拘束圧力は負荷できないため、せん断破壊線を低拘束圧力側に外挿して粘着力を求めた。
【００３１】
(表2)
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【００３２】
図5に示すように、本発明表層せん断強さ測定装置を用いて得られた粘着力2.0kN/m2と三軸試験により得られた粘着力2.45kN/m2の差は約0.45kN/m2である。この差は極めて小さく、測定精度としては十分実用に値する。すなわち、本発明表層せん断強さ測定装置では、せん断前の拘束圧力およびせん断中の土壌中に発生する体積変化に伴って起こる排水条件を高精度で制御できる三軸試験装置のような構造を付加していない簡単な装置であるにもかかわらず、概ね三軸試験に符合したせん断強さを測定することができる。
【００３３】
次に、せん断刃の間隔、及びせん断刃の長さを変えた場合の実験例を、下記に示す。軟弱な粘性土に対するせん断強さの測定に適したせん断刃について評価した。その結果を以下に示す。評価方法は、同じ土壌表面について、せん断刃の間隔(D)及び出刃量(G)を変えて夫々せん断強さを測定し粘着力を求めた。その結果を図6及び図7に示す。
【００３４】
せん断刃の間隔(D)と粘着力(C)の関係は、せん断刃の間隔が20mmを超えると、引っ張り力によってせん断される平面範囲が載荷板より外側に広がる様子が観察されており、図6に示すように、せん断強度が大きくなることがある。またせん断刃の間隔が10mm未満では、地盤表面に散在する礫や木片に刃先が当たりやすくなり試験が出来なくなる虞がある。せん断刃の間隔が10mm以上であれば、地盤表面に礫や木片が多少存在しても試験は可能である。以上の結果より、載荷板2のせん断刃22の間隔は、10〜20mmとなるように配置するのが好ましい。
【００３５】
せん断刃の出刃量(G)と粘着力(C)の関係は、図7に示す通りである。せん断刃の載荷板下面から突出する長さ(出刃量と言うこともある)が3mmを超えると、せん断対象深度が深すぎて軟弱化が不十分な（強度が比較的大きい）領域に刃先が達してしまうために、軟弱化した粘性土の表層のせん断強さではなく、深さ3mmを超えた深さの地盤の引き剥がし作用が卓越する。引き剥がし作用が卓越すると、載荷板が浮き上がる現象が観察される。その結果、せん断強さが大きく見込まれる虞がある。またせん断刃の出刃量が1mm未満では刃先が地盤表面の凹凸以下となって、均等にせん断刃の先端が地盤に刺さらず、正確な測定ができない虞がある。以上の点より、せん断刃の出刃量は、1〜3mmが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明せん断強さ測定装置の一例を示し、(a)は平面図、(b)は(a)の側面図である。
【図２】図1の載荷板を示し、(a)は側面図、(b)は底面図、(c)は正面図である。
【図３】図1(b)の連結フレーム付近の拡大図である。
【図４】粘着力の求め方を説明するためのグラフである。
【図５】本発明装置と三軸試験装置によるのせん断試験結果を示すグラフである。
【図６】実験例のせん断刃の間隔と粘着力の関係を示すグラフである。
【図７】実験例のせん断刃の出刃量と粘着力の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
1  粘性土地盤の表層せん断強さ測定装置
2  載荷板
3  スクリュージャッキ
4  せん断強さ測定用ロードセル
5  せん断変位測定用変位計
6  装置本体
7  軸体
13  連結フレーム
13A 軸体側フレーム
13B 載荷板側フレーム
21  基板
22  せん断刃
【図１】
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【図２】
2005274445.tif 000006
【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】
2005274445.tif 000011