(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧密リング内に供試体を収容し、該供試体に載荷板を載せ、該載荷板に荷重をかけて供試体を圧縮し、載荷応力と圧縮変位を測定する地盤材料の圧密試験方法において、
載荷板を内部載荷板と外部載荷板の二重構造とし、両載荷板に荷重をかけて均等な変位を与え、内部載荷板の載荷応力を測定することにより、圧密リングによる周面摩擦の影響を回避することを特徴とする地盤材料の圧密試験方法。
【請求項２】
ベース部材と、その上に載置され内部に供試体を収容する圧密リングと、該圧密リング内に嵌入可能な寸法の円環状の外部載荷板及び該外部載荷板の内側に同心状に位置する円板状の内部載荷板と、外部載荷板と内部載荷板の両方の載荷重の合計を計測する総合荷重検出器と、内部載荷板のみの載荷重を計測する内部荷重検出器と、外部載荷板及び内部載荷板に荷重をかける加圧装置とを具備していることを特徴とする地盤材料の圧密試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧密リング内に収容した供試体に荷重をかけて圧縮し、載荷応力と圧縮変位を測定する地盤材料の圧密試験に関するものである。更に詳しく述べると本発明は、供試体上に載せて荷重をかける載荷板を内部載荷板と外部載荷板の同心二重構造とし、両載荷板に荷重をかけて均等な変位を与え、内部載荷板の載荷応力を測定することにより、圧密リングによる周面摩擦の影響を回避できるようにした地盤材料の圧密試験方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧密とは、土（地盤材料）が荷重を受けたとき、土粒子の間隙中に存在している水や空気が追い出されて土の体積が減少して密度が増大する現象をいう。各種の地盤材料の圧密（圧縮）特性を求めるために、圧密リング内に供試体を収容して圧縮する圧密試験が行われている。この圧密リング方式の圧密試験は、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ａ  １２１７）で規定されている。
【０００３】
従来の地盤材料の圧密試験は、圧密リング内に供試体を収容し、該供試体に載荷板を載せ、加圧装置によって該載荷板に荷重をかけて供試体を圧縮し、載荷応力と圧縮変位を測定する。従来用いられている載荷板は、圧密リング内に丁度嵌入するような寸法の円板である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の地盤材料の圧密試験では、通常、供試体に有効に作用している荷重は、載荷重よりも小さくなっているものと考えられる。その理由は、圧密リングと供試体との間で周面摩擦が作用し、実際の圧密応力に不均等が生じていると考えられるためである。試験対象となる地盤材料の種類あるいは載荷される応力などによって周面摩擦の影響が変化し、そのために正確な圧密降伏応力の判断、あるいは圧密沈下解析の精度に重大な影響を与える可能性がある。
【０００５】
また現行のＪＩＳ規格で規定されている圧密試験では、微細な土粒子で構成されている飽和粘性土を対象としているため、直径６０mm、高さ２０mmの供試体寸法が標準となっている。そのため、木片や植物片を多量に含んでいる高有機質土や、砂や礫を主体とする盛土材料、更にゴミなどの集合体である廃棄物地盤といった不均質な地盤材料に対しては適用できない。
【０００６】
本発明の目的は、圧密リングと供試体の間の周面摩擦の影響が少ない供試体中心付近における荷重を測定し、正確な圧密特性を評価できるように工夫した地盤材料の圧密試験方法及びその装置を提供することである。本発明の他の目的は、高有機質土、盛土材料、あるいは廃棄物地盤等の不均質な地盤材料にも適用できる圧密試験方法及びその装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明方法は、圧密リング内に供試体を収容し、該供試体に載荷板を載せ、該載荷板に荷重をかけて供試体を圧縮し、載荷応力と圧縮変位を測定する地盤材料の圧密試験方法である。ここで載荷板は、内部載荷板と外部載荷板の二重構造とし、両載荷板に荷重をかけて均等な変位を与え、内部載荷板の載荷応力を測定する。このようにして、本発明方法は、供試体中央部の荷重を測定することによって、圧密リングによる周面摩擦の影響を回避することができる。
【０００８】
また本発明装置は、ベース部材と、その上に載置され内部に供試体を収容する圧密リングと、該圧密リング内に嵌入可能な寸法の円環状の外部載荷板及び該外部載荷板の内側に同心状に位置する内部載荷板と、外部載荷板と内部載荷板の両方の載荷重の合計を計測する総合荷重検出器と、内部載荷板の載荷重のみを計測する内部荷重検出器と、外部載荷板及び内部載荷板に荷重をかける加圧装置とを具備している地盤材料の圧密試験装置である。ベース部材の典型的な例は圧密容器の容器底板であり、該圧密容器は、通常、その内部に水が満たされて水槽となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
高有機質土、盛土材料、あるいは廃棄物地盤などの不均質な地盤材料の圧密試験を精度よく実施するためには、試験装置は大型の供試体（例えば直径３０cm、高さ１０cm）に対応できる構造とする。
【００１０】
本発明装置では、任意の加圧装置が使用できるが、制御性や操作性などの観点から空圧アクチュエータが好ましい。また、荷重検出器としてはロードセルが好ましい。例えば、内部載荷板から中央載荷枠を立設してその基部中央に内部ロードセルを設置し、外部載荷板から周囲載荷枠を立設してその基部中央に総合ロードセルを設置し、内部ロードセルと周囲載荷枠基部との間を自在ジョイントで結合すると共に、総合ロードセルと空圧アクチュエータ駆動軸との間も自在ジョイントで結合する。このように自在ジョイントで結合することにより、供試体の中央部と周辺部に常に鉛直方向のみの荷重を印加することができる。
【００１１】
内部載荷板の変位の測定には任意の計測器が使用できるが、例えばリニアゲージ式変位検出器が好ましい。その場合、外部載荷板及び内部載荷板の上方に共通のガイドベースを設け、該ガイドベースにスライド軸受を配設して周囲載荷枠及び中央載荷枠の各支柱をスライド自在に支持し、該ガイドベースに中央変位検出器を搭載して、該中央変位検出器の計測端を中央載荷枠の基部に当接させた構成とするのがよい。
【００１２】
圧密リングは、通常の測定では金属製の円筒体が用いられる。その場合、内部載荷板及び外部載荷板とベース部材に排水路が分散形成され、それら内部載荷板及び外部載荷板とベース部材の供試体との当接面が透水材で覆われていて、鉛直方向排水のみ可能とする。
【００１３】
【実施例】
圧密試験システムは、圧密試験装置、圧力供給装置、サーボモータ駆動式レギュレータ、サーボロガーなどから構成されている。
【００１４】
図１は、本発明に係る圧密試験装置の一実施例を示す構成図である。また、図２はその荷重測定の概念図である。圧密試験装置は、基台１０上に組み立てられる。基台１０上に門型の荷重枠１２を立設し、その上に最大５００ｋＮまでの載荷が可能な空圧アクチュエータ１４を搭載する。
【００１５】
また前記基台１０上に圧密容器１６を設置する。ここで圧密容器１６は、ステンレス鋼製の容器底板１６ａと透明アクリル樹脂製の容器周壁部１６ｂとからなる。容器底板１６ａの内部には排水路１８が形成され、容器周壁部１６ｂには外側から補強バンド１６ｃが嵌め込まれている。そして該容器底板１６ａ上に、内部に供試体２０を収容する圧密リング２２を載置する。圧密リング２２は、リング押さえ円環板２４を該圧密リング２２の上端外周の段差部に嵌め込み、リング押さえ円環板２４を３本の固定ボルト２６で容器底板１６ａに螺着することで固定されている。ここでは圧密リング２２は、不均質な地盤材料でも精度よく測定できるように、直径３０cm、高さ１０cmの大口径円筒体であり、ステンレス鋼製で内面に硬質クロムメッキ加工を施して周面摩擦の影響を低減している。
【００１６】
圧密リング２２内の上部（供試体２０の上方）には、該圧密リング２２内に嵌入可能な寸法の円環状の外部載荷板３０及び該外部載荷板３０の内側に同心状に位置する内部載荷板３２とを設ける。ここでは外部載荷板３０の内周面下部に突出する段差を形成し、他方、内部載荷板３２の外周面上部に突出する段差を形成して、互いに係合するように組み合わせている。なお、外部載荷板３０及び内部載荷板３２には、厚み方向に複数の排水路３４が形成されている。ここでは、外部載荷板３０は直径３０cm、内部載荷板３２は直径２０cmの寸法に設定し製作している。
【００１７】
内部載荷板３２から中央載荷枠３６を立設して、その基部３６ａ上に内部ロードセル３８を設置し、外部載荷板３０から周囲載荷枠４０を立設して、その基部４０ａ上に総合ロードセル４２を設置する。中央載荷枠３６は、正三角形の頂点位置から３本の支柱３６ｂを立て、それらの上端を水平板状の基部３６ａで連結した構造である。また、周囲載荷枠４０も同様に、正三角形の頂点位置から３本の支柱４０ｂを立て、それらの上端を水平板状の基部４０ａで連結した構造である。支柱３６ｂ及び支柱４０ｂは、中心から丁度６０度ずれるように交互に配列する。そして、内部ロードセル３８と周囲載荷枠基部４０ａとの間を自在ジョイント４４で結合すると共に、総合ロードセル４２と前記空圧アクチュエータの駆動軸１４ａとの間も自在ジョイント４６で結合する。このように自在ジョイント４４，４６で結合することにより、供試体２０の中央部と周辺部に常に鉛直方向の荷重を印加することができる。ここで総合ロードセル４２は、外部載荷板３０と内部載荷板３２の両方の載荷重の合計を計測するものであり、内部ロードセル３８は内部載荷板３２の載荷重を計測するものである。
【００１８】
更に、外部載荷板３０及び内部載荷板３２の上方に共通のガイドベース５０を設ける。ガイドベース５０は、ガイドベース固定ユニット５２によって前記容器底板１６ａに固定される。そして、該ガイドベース５０にスライド軸受５４，５６を配設して前記の周囲載荷枠４０及び中央載荷枠３６の各支柱４０ｂ，３６ｂをスライド自在に支持する。なお、周囲載荷枠４０の支柱４０ｂは３本、中心対称的に配設され、中央載荷枠３６の支柱３６ｂも３本、前記支柱４０ｂとは逆向きで中心対称的に配設されている。他方、該ガイドベース５０上にリニアゲージ式中央変位検出器６０を搭載して、該中央変位検出器６０の計測端６０ａを中央載荷枠に当接させる。
【００１９】
供試体２０（直径３０cm、高さ１０cm）は前記圧密リング２２の内部に収容され、下面側と上面側にそれぞれ透水材（ポーラスメタル）６２，６４を配置している。上面側の透水材６２は、外部載荷板３０と内部載荷板３２に合わせた同心円状としてあるのは言うまでもない。実際には、容器底板１６ａの上面、外部載荷板３０と内部載荷板３２の下面にそれぞれ凹部を形成して、各凹部に透水材６４，６２を嵌め込むように設けて、排水路１８，３４につながるように構成している。
【００２０】
本圧密試験装置では、載荷板を外部載荷板３０と内部載荷板３２との同心二重構造として、両載荷板３０，３２に空圧アクチュエータ１４によって均等な変位を与える。外部載荷板３０と内部載荷板３２に載荷した荷重の合計値は総合ロードセル４２で測定し、内部載荷板３２の載荷応力は内部ロードセル３８で測定する。荷重の制御は総合ロードセル４２でも内部ロードセル３８でも可能である。また、図示していないが、圧力の制御は、高精度レギュレータから圧力タンクに設定圧を一時的に蓄積し、それを電磁弁の解放によって空圧アクチュエータに圧力を供給する構造であるため、所定の圧力範囲内で安定した圧力の制御が可能な構造となっている。このような構成とすることによって、内部載荷板３２の載荷応力のみを内部ロードセル３８で計測可能としている。
【００２１】
前述のように、従来の圧密試験では、供試体（地盤材料）と圧密リングの間に作用する周面摩擦の影響により、実際の圧密応力に不均等が生じていると考えられる。それに対して、本発明では上記のように周面摩擦の影響が少ない供試体の中心付近における荷重を測定するように工夫することにより、正確な圧密特性を評価できるようにし、上記の問題を解決している。
【００２２】
本圧密試験装置を用いて高有機質土を対象に測定した結果の一例について説明する。ここで実験に使用した高有機質土の物理特性は次の通りである。
土粒子密度：１．７２４ｇ／cm3
湿潤密度  ：０．９８４ｇ／cm3
自然含水比：７６０．６％
間隙比    ：１４．６１
強熱減量  ：５２．６％
上記のように、自然含水比は約７６０％、強熱減量は約５３％と大きく、有機物が多く分解が進んでいる高有機質土である。Ｎ値はＮ＝０、一軸圧縮強度がqu＝１０ｋＮ／ｍ2 前後と小さく、非常に軟質である。なお、供試体は、大型のシンウオールサンプリングにより不攪乱状態で採取した。
【００２３】
圧密試験は段階載荷により実施した。載荷段階は以下の通りである。
０→４．９→９．８→１９．６→３９．２→７８．４→１５６．８→３１３．６→６２７．２（ｋＮ／ｍ2 ）
今回の試験では、各載荷段階毎に一次圧密終了まで載荷することとした。荷重の制御は総合ロードセル４２で行い、周面摩擦の影響のない荷重を内部ロードセル３８で測定し、リング周面摩擦力を評価した。なお圧密リング周面にはシリコンオイルを塗布し、周面摩擦が極力小さくなるように配慮した。
【００２４】
各載荷段階での全載荷応力ｐ（総合ロードセル４２の測定応力）と内部ロードセル３８で測定したリング周面摩擦の影響を除いた供試体中心付近での応力ｐ′を、ｐ〜ｐ′／ｐの関係で整理した実験結果を図３に示す。なお、図３の全載荷応力ｐ及び中心での応力ｐ′は、一次圧密終了時の値を用いた。また、載荷応力ｐ＝７８．４ｋＮ／ｍ2 及びｐ＝６２７．２ｋＮ／ｍ2 の場合の時間〜沈下ひずみ（ε）、時間〜圧密応力（ｐ及びｐ′）、時間〜圧密応力比（ｐ′／ｐ）の関係を図４及び図５に示す。
【００２５】
図３に示す結果によると、載荷応力ｐ＝４．９ｋＮ／ｍ2 の場合はｐ′／ｐ＝０．８４であるが、それ以上の応力レベルとなるとｐ′／ｐ＝０．９５前後とほぼ一定値を示す。このことは、載荷応力が大きいほど比例的に周面摩擦力も大きくなることを示している。
【００２６】
図４及び図５の圧密応力比ｐ′／ｐの経時変化を見ると、載荷直後に周面摩擦のかなりの部分が発揮され供試体中心での応力が低下するが、その後もひずみの進行に伴い徐々に周面摩擦が増大する傾向が見られる。つまり、載荷後に継続する周面摩擦の増大に伴い、供試体中心部に有効に載荷されている応力は徐々に減少していくことになる。また、載荷荷重が大きくなるほど、一次圧密終了に要する時間が長くなる。それに伴い、周面摩擦力が一定値を示すための時間も長くなる。
【００２７】
これらの結果から、圧密リング周面にシリコンオイルを塗布して慎重に実施した圧密試験においても、載荷重の約５％が周面摩擦のために有効な応力として供試体に作用していないことが判明し、本発明に係る圧密装置の有効性が実証された。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は上記のように、載荷板を外部載荷板と内部載荷板の二重構造とし、両載荷板に荷重をかけて均等な変位を与え、内部載荷板の載荷応力を測定するように構成した圧密試験方法及びその装置であるから、圧密リングと供試体の間の周面摩擦の影響を回避し、正確な圧密特性を評価することができる。また、本発明では供試体寸法を大きくできるため、高有機質土、盛土材料、あるいは廃棄物地盤などの不均質な地盤材料にも適用可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る圧密試験装置の一実施例を示す構成図。
【図２】その荷重測定の概念図。
【図３】全載荷応力ｐと載荷応力比ｐ′／ｐの関係を示すグラフ。
【図４】ひずみε、載荷応力ｐ，ｐ′、載荷応力比ｐ′／ｐの経時変化のグラフ。
【図５】ひずみε、載荷応力ｐ，ｐ′、載荷応力比ｐ′／ｐの経時変化のグラフ。
【符号の説明】
１４  空圧アクチュエータ
１６  圧密容器
２０  供試体
２２  圧密リング
３０  外部載荷板
３２  内部載荷板
３６  中央載荷枠
３８  内部ロードセル
４０  周囲載荷枠
４２  総合ロードセル
４４，４６  自在ジョイント
５０  ガイドベース
５４，５６  スライド軸受
６０  中央変位検出器
【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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