(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平面内に於いて互いに異なる方向に変位可能な上下せん断箱と、夫々のせん断箱内に対向して４カ所に配置した高剛性ロードセルと、上せん断箱と下せん断箱間に配置された供試体に対してせん断力を付与することができるせん断力付与手段と、前記供試体に発生するせん断力を測定する水平ロードセルと、前記供試体に対して垂直力を付与する垂直力付与手段と、前記供試体に発生する垂直力を測定する垂直ロードセルとを備え、前記水平ロードセルにより測定された全体のせん断力から、前記４ケ所に配置した高剛性ロードセルにより測定された摩擦力を減じることで実際のせん断力を求めるようにしたことを特徴とする小型自動繰り返し一面せん断試験装置。
【請求項２】
前記せん断力付与手段は可変モータで構成し、前記垂直力付与手段はデジタルサーボモータで構成してなることを特徴とする請求項１に記載の小型自動繰り返し一面せん断試験装置。
【請求項３】
前記夫々の丸形せん断箱の対向する面にテフロン加工をしてあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の小型自動繰り返し一面せん断試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地すべりの安定解析に用いる地盤材料の物性値である「せん断力」を求めるための小型自動繰り返し一面せん断試験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
土質試験において、せん断力を求めるためのせん断試験として、三軸試験、リングせん断試験、繰り返し一面せん断試験等が実施されている。このうち繰り返し一面せん断試験は、地盤材料のせん断強さを求めるための試験で、不攪乱試料の試験が可能であり、かつ試験が簡便なため実務性に優れている。 この試験では、せん断中にせん断箱が相対変位する特徴をもっており、そのため、せん断中にせん断箱と試料（供試体）のせん断面とが接触し、得られた値は求めるべき供試体せん断面間のせん断力（ピーク強度、完全軟化強度の補正）と摩擦力の合力となっている。また、大変位を要する残留強度を求めるときは、せん断箱と供試体の接触時間が長くなるため、せん断箱のエッジ効果により供試体が鰹節のように削られせん断箱隙間に挟まる。この試料漏れによる摩擦は、求めるべき残留強度に影響を及ぼしていることが指摘されている。
【０００３】
このため、従来は、せん断箱のせん断面部分にグリースを塗ることで、せん断箱一供試体せん断面間の摩擦とせん断箱隙間から漏れた試料の摩擦を軽減していた。しかしこの方法では摩擦を軽減することはできても完全に取り除くことができない。また、摩擦軽減用グリースは、繰り返しせん断回数の増加に伴い次第にはがれるため、摩擦軽減効果が徐々に得られなくなる問題がある。さらに従来垂直力の載荷は、“重り”あるいは“ベロフラムシリンダー（空気圧）”を用いた応力制御方式が一般的で、重りは試験時の制御が出来ないこと、ベロフラムシリンダーは、試験開始時の供試体と垂直荷重載荷板との密着に熟練が必要で、空気圧を発生させるためのコンプレッサーが新たに必要となる等の問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上下せん断箱間に小型高剛性ロードセルを内蔵することにより、せん断箱−供試体せん断面間あるいは試料漏れによる摩擦力を測定し、水平ロッドに設置された水平ロードセルにより測定された全体のせん断力から測定された摩擦力を差し引き、これにより測定誤差である摩擦力の影響を完全に取り除くことができる小型自動繰り返し一面せん断試験装置を提供し、上記問題点を解決せんとするものである。また、実用範囲（累積水平変位量５００ｍｍ程度）で摩擦軽減効果の低下しないテフロン加工を施すことにより、繰り返し回数の増加による摩擦軽減効果の減少を防止できる小型自動繰り返し一面せん断試験装置を提供することを目的とする。さらに、垂直力の載荷をコンピュータにより制御されるデジタルサーボモータを使用することで、従来のようなコンプレッサーを不要とし、試験開始時の供試体と垂直荷重載荷板との密着に熟練が不要、簡単に載荷板の固定を可能とし定体積条件の設定が簡便、さらにはデジタルサーボモータによるロッドの回転数から変位量を求めているので垂直変位測定用の変位計が不要な小型自動繰り返し一面せん断試験装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このため本発明が採用した技術解決手段は、
水平面内に於いて互いに異なる方向に変位可能な上下せん断箱と、夫々のせん断箱内に対向して４カ所に配置した高剛性ロードセルと、上せん断箱と下せん断箱間に配置された供試体に対してせん断力を付与することができるせん断力付与手段と、前記供試体に発生するせん断力を測定する水平ロードセルと、前記供試体に対して垂直力を付与する垂直力付与手段と、前記供試体に発生する垂直力を測定する垂直ロードセルとを備え、前記水平ロードセルにより測定された全体のせん断力から、前記４ケ所に配置した高剛性ロードセルにより測定された摩擦力を減じることで実際のせん断力を求めるようにしたことを特徴とする小型自動繰り返し一面せん断試験装置である。
また、前記せん断力付与手段は可変モータで構成し、前記垂直力付与手段はデジタルサーボモータで構成してなることを特徴とする小型自動繰り返し一面せん断試験装置である。
また、前記夫々の丸形せん断箱の対向する面にテフロン加工をしてあることを特徴とする小型自動繰り返し一面せん断試験装置である。
【０００６】
【実施の形態】
以下、本発明に係る小型の繰り返し一面せん断試験の構成を図面を参照して説明する。図１は実施形態としての繰り返し一面せん断試験機の構成図である。図において、１はコントロールボックス、２はパーソナルコンピュータ、３はＡ／Ｄ変換器、４はロードセルコンバーター、５はデジタルサーボモータ、６は可変モータ、７はせん断力測定用の水平ロードセル、８はスペーサ、９はせん断箱、１０は水平変位測定用変位計、１１は自動停止装置、１２は垂直力を測定する垂直ロードセルであり、これらによって繰り返し一面せん断試験機が構成されている。
【０００７】
前記せん断箱９は、角形、丸形の２種類の供試体断面形状での試験が可能なように、角形、丸形のせん断箱として構成されている。角形せん断箱の構成を説明すると、図２は上下せん断箱がずれた状態のせん断箱側断面図（ピーク強度と完全軟化強度測定時）、図３は上下せん断箱が重なっている状態のせん断箱側断面図（残留強度測定時）、図４は図２中のＡ−Ａ矢視図、図５R>５は図２中のＢ−Ｂ矢視図である。 なお、図２、図３はせん断箱がどのような位置にあるときに「供試体−せん断箱との摩擦」を、また「試料もれによる摩擦」を測定しているのかを説明している図であり、どちらも垂直力が付加されている。上下のせん断箱箱９Ａ、９Ｂはそれぞれ図に示すようにその中央部に供試体収納スペース９Ｃを有しており、この収納スペース９Ｃの４箇所に図４R>４、５に示すように対向して小型の高剛性ロードセル２２が内蔵されており、このような構成によってせん断箱が相対変位しているときのせん断箱と供試体せん断面間の摩擦力と試料漏れによる摩擦力とを測定することができる。この高剛性ロードセル２２によって測定される摩擦力は、図２に示すようにせん断箱が相対変位しているときはせん断箱と供試体せん断面間の摩擦力であり、図３R>３に示すように相対変位ゼロのときは上下せん断箱の隙間から漏れ出した試料とせん断箱との摩擦力である。前者はピーク強度と完全軟化強度の補正に、後者は残留強度の補正に利用される。
【０００８】
また、丸形せん断箱は、図６に示すように角形せん断箱と同様に上下せん断箱９Ａ、９Ｂからなりそれぞれのせん断箱には所定の直径からなる供試体収納スペース９Ｃが形成されており、さらに、せん断箱同志の対向面には、せん断箱と供試体せん断面間の摩擦を軽減するために、せん断面部分にテフロン加工が施されている。また、含すべり面試料の試験を実施するために、すべり面とせん断箱のせん断面を一致できるようせん断箱側面をアクリル板９Ｄで可視化し、せん断箱底板９Ｅをネジを利用して上下に移動できる構成としている。
【０００９】
なお角形せん断箱、丸形せん断箱の上下間の間隔はともにせん断箱と固定板との間にギャップスペーサーを挟むことで、例えば、０．０１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍに調整可能である。また、せん断箱と供試体せん断面間の摩擦を軽減するために塗布する材料はテフロンに限定せず、他の潤滑材を使用することも可能である。
【００１０】
本装置では垂直力載荷システムとして、図１に示すようにせん断箱９の上方にせん断箱内の供試体に垂直力を付与することができる高精度デジタルサーボモータ（垂直力付与手段）５を配置し、さらにせん断箱の下方に垂直力測定用の垂直ロードセル１２を配置した変位制御方式を採用している。従来の装置は、応力制御方式が一般的であるが、本変位方式は垂直力の測定用の垂直ロードセル１２に平板形の高剛性ロードセルを用い、また、パーソナルコンピュータ２によって高精度デジタルサーボモータ５を制御するようにしている。このため、定体積条件の設定が簡便、試験開始時の供試体と垂直荷重載荷板との密着に熟練が不要、ロッドの回転数から変位量を求めているので垂直変位測定用の変位計が不要となる等の種々の利点がある。なお、高剛性ロードセルは、通常の測定範囲（０〜３００ｋｇｆ）において変位量が１０μｍと極めて小さいものを使用し、下せん断箱９Ｂを垂直ロードセル１２の上に直接取り付けることで他の部分から独立させているため、せん断箱内の周面摩擦の影響を受けることなく測定できる。
【００１１】
また供試体に対してせん断力を付与する装置として、可変モータ（せん断力付与手段）６を採用しており、可変モータ６の出力軸がロッド６Ａおよびせん断力測定用の水平ロードセル７を介してせん断箱に連結され、このロッド６Ａには万が一移動量が設定量を越えても停止しなかったときのために自動停止装置１１が設けられている。水平ロードセル７には平板形の高剛性ロードセルを使用しており、せん断箱の水平変位は水平変位測定用変位計１０により測定する。可変モータ６はパーソナルコンピュータ２により変位量と回転方向が制御され、せん断時の大変位の水平変位量と連続した繰り返し回数が設定できる。せん断力は、水平ロードセル７により測定されたせん断力から、前述のせん断箱内蔵の高剛性ロードセル２２により測定された摩擦力を減じることで求めている。これにより、ピーク強度と完全軟化強度は測定されたせん断力からせん断箱と供試体せん断面間の摩擦力を減じた値となり、残留強度は同じく試料漏れ部分の摩擦力を減じた値になっている。
【００１２】
上記装置の作動を説明する。せん断箱内に供試体を収納し、パーソナルコンピュータ２によって高精度デジタルサーボモータ５を駆動し、供試体に試験開始時に所定の垂直力を付与し、このときの垂直力を垂直ロードセル１２によって測定する。なお本装置では高精度デジタルサーボモータを使用しているために供試体と垂直荷重載荷板との密着が不要であり、ロッドの回転数から変位量を求めているので垂直変位測定用の変位計が不要となっている。またパーソナルコンピュータ２からの制御によって可変モータ６を駆動し、供試体に繰り返しせん断力を付与する。この時のせん断力はせん断力測定用の水平ロードセル７により測定する。また、せん断箱が相対変位しているときのせん断箱と供試体せん断面間の摩擦力と試料漏れによる摩擦力はせん断箱内に配置した前述したせん断箱内蔵の高剛性ロードセル２２により測定する。
【００１３】
実際のせん断力は、せん断力測定用水平ロードセル７により測定された全体のせん断力から、前述のせん断箱内蔵の高剛性ロードセル２２により測定された摩擦力を減じることで求めている。これにより、測定誤差である摩擦力の影響を完全に取り除くことができる。即ちピーク強度と完全軟化強度は測定されたせん断力からせん断箱と供試体せん断面間の摩擦力を減じた値となり、残留強度は同じく試料漏れ部分の摩擦力を減じた値になっている。本装置は上記のようにして、誤差要因をそれぞれ計測して補正することにより、より正しい粘性土および砂質土のピーク強度、完全軟化強度、残留強度を測定することができる。また、最新の計測・制御機器とパソコン制御とを組み合わせることにより、熟練の程度による測定値のバラツキを低減することが可能となる。
【００１４】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本小型の繰り返し一面せん断試験機において、内蔵ロードセルの使用個数、配置場所などはせん断箱の形状等によって自由に変更することが可能である、またパーソナルコンピュータの代わりに専用の電子制御回路などを使用することも可能である。さらに本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１５】
【発明の効果】
以上の詳細に説明した如く、本発明によれば、従来より繰り返し一面せん断試験機の欠点とされていた上下せん断箱と供試体との間に作用する摩擦力をせん断箱内蔵のロードセルにより測定でき、これにより、供試体せん断面間に作用しているせん断力のみを得ることができる。これら摩擦はせん断箱が相対変位している時はせん断箱と供試体せん断面間に作用している摩擦であり、せん断箱の相対変位ゼロの時は漏れた供試体がとせん断箱間に作用している摩擦である。前者はピーク強度と完全軟化強度の補正に、後者は残留強度の補正に利用される。丸形せん断箱にはせん断面部分にテフロン加工が施されせん断箱と供試体せん断面間の摩擦を軽減することができる。本装置は、軽量かつコンパクトで現場への持込みが可能で、かつデータ収録と試験時（圧密定圧条件・圧密た定体積条件）の制御がパーソナルコンピュータで自動化されている。垂直力載荷システムに変位制御方式（デジタルサーボモーター）を採用することで、装置の構成がシンプルかつ制御精度が格段に向上している。等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態としての繰り返し一面せん断試験機の構成図である。
【図２】供試体にせん断力を付与している状態の側断面図である。
【図３】同供試体に垂直力を付与している状態の側断面図である。
【図４】図２中のＡ−Ａ矢視図である。
【図５】図２中のＢ−Ｂ矢視図である。
【図６】丸形せん断箱の断面図である。
【符号の説明】
１          コントロールボックス
２          パーソナルコンピュータ
３          Ａ／Ｄ変換器
４          ロードセルコンバーター
５          デジタルサーボモータ
６          可変モータ
７          せん断力測定用の水平ロードセル
８          スペーサ
９          せん断箱
９Ａ        上せん断箱
９Ｂ        下せん断箱
９Ｃ        供試体収納スペース
９Ｄ        アクリル板
９Ｅ        底板
１０        水平変位測定用変位計
１１        自動停止装置
１２        垂直力を測定する垂直ロードセル
２１        供試体
２２        高剛性ロードセル
２３        テフロン加工部
【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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