JP2005291862A - 圧密透水試験装置及び試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 難透水性土の透水性と圧密特性とを同時に計測可能な試験装置を提供する。
【解決手段】三軸セル１０と、三軸セル１０内に満たされたセル液１５を介して、三軸セル１０内の拘束圧を制御可能なレギュレータ２と、三軸セル１０内に収容固定され、三軸セル１０内のセル液１５の拘束圧と等圧のセル液２４で内部が満たされ、開放筒２３内部のセル液２４の自由液面にフロート２５を浮かせた内セル２０と、側面がシールされた供試体３１内を、上下方向に透水可能な通水部３５，３７を介して内セル２０内に固定保持する供試体保持手段３０と、フロート２５の変位量を三軸セル１０のガラス蓋１６を介して計測するレーザー変位計４５と、供試体３１内を透水し、三軸セル１０外に排出された水量を計測する計量タンク４０，電子秤４１とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は圧密透水試験装置に係り、ベントナイト混合土やロックフィルダムのコア材など、難透水性の飽和地盤の透水性と圧密特性とを同時に計測可能な圧密透水試験装置とその試験方法に関する。

最終処分場の遮水層等に用いられているベントナイト混合土やロックフィルダムのコア材は透水性がきわめて小さく、供試体による透水性や圧密特性の解析を行うためには、透水性の低い土質の変形性能と透水性能を実地盤に近い応力状態で高精度に把握し、確認する必要がある。このため、コアを採取して行われる室内試験においても、対象となる地盤の応力状態等を正確に再現した試験を行う必要があり、そのために種々の試験が規定され、あるいは提案されている。

たとえば、公知の三軸圧縮試験装置を用いる透水試験法では、現場の応力状態での透水試験が行え、供試体を覆うゴムスリーブを介して側圧を作用させるので、供試体側面からの漏水を防止できるとともに、背圧を作用させることにより供試体の飽和度を高めることができる（非特許文献１）。また、同様の構成を有し、同様の効果を期待した透水試験装置として特許文献１がある。

ところで、上述の三軸試験機を用いて圧密試験や透水試験を行なう場合、１個の供試体に対して、それぞれ別工程で供試体をから排水される水量を計測して圧密量や透水量を計測するため、透水試験段階で供試体に体積変化が生じても、この体積変化分を計測することができないという問題がある。また、ベントナイト混合土のように吸水時に体積膨張するような土や不飽和土に対しても体積変化量を計測し、引き続き同一供試体を用いて透水試験をすることは想定していなかった。ところが、難透水性材料の圧密透水試験では、等方圧密応力（−０．１〜１．０Mpa）を段階的に変化させて、圧密過程〜透水過程を長期間にわたって繰返す試験が実施される。そこで、それぞれの過程において、供試体内から排水される水の出入りを計測するとともに、透水試験中の吸水膨張時および不飽和土の体積変化量を計測することが重要である。この体積変化は透水試験結果に影響を与えるため、透水試験実施中に生じる供試体の体積変化量を精度良く計測する必要がある。

これに対して、従来の三軸試験機では圧密時間が長期に及ぶ不飽和土等の試験を想定して、その体積変化量を測定する方法が種々提案されている（非特許文献２）。この三軸試験機では、圧力円筒（外セル）内に内セルを設け、その内部を水で満たした状態で供試体を収容し、試験時における供試体の体積変化を、内セルに形成された上部口元部における水位変化として非接触型変位計等で計測して供試体の体積変化を求めるものである。

特開２００１−１８３２８５公報。 地盤工学会編，「土質試験の方法と解説−第一回改訂版−」，社団法人地盤工学会刊，平成１２年３月２０日，ｐｐ．４１７ 地盤工学会編，「土質試験の方法と解説−第一回改訂版−」，社団法人地盤工学会刊，平成１２年３月２０日，ｐｐ．５１２

ところが、上述のような二重セルにより体積変化を、内セルの水位変化として非接触型変位計等で計測するには、圧力が負荷される内セルの口元部分の自由水面に金属部を有するフロートを浮かべ、渦電流型等の非接触型距離計測センサ等が用いられていた。このため、フロートに金属板を取り付けなければならなかったり、渦電流型のセンサの測長（測定範囲）が１０〜２０mm程度と短く、上述のような三軸セルにおいて内セル構造を想定した場合、既存の三軸試験機に組み込むことが難しいため、三軸セル内に収容された内セルにおける水位の変化を高精度で計測する簡易な構造の計測手段が求められていた。そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、不飽和土の体積変化を精度良く計測すると同時に透水試験を行えるようにした圧密透水試験装置と同装置による試験方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は支持部上に設置される三軸セルと、該三軸セル内に満たされたセル液を介して、該三軸セル内の拘束圧を制御可能な第１の圧力制御手段と、前記三軸セル内に収容固定され、上面の一部の自由液面を介して前記三軸セル内のセル液の拘束圧と等しい状態のセル液で内部が満たされる内セルと、所定形状に整形され、側面からの通水が防止された供試体内を、上下方向に沿って均等に透水可能な通水部を介して前記内セル内に固定保持する供試体保持手段と、第２の圧力制御手段で制御され、前記通水部に通水可能な水供給手段とを備えた圧密透水試験装置であって、前記内セルは、上面の一部に前記内セルの直径に対して十分細径に形成され、筒内部に前記セル液の自由液面が位置し、該筒内部を上下動可能に浮遊するフロートが収容された開放筒部を有し、前記三軸セルの上方に設置され、前記フロートの上下変位量を、前記三軸セルの上蓋の一部に形成された光透過蓋部を介して計測する非接触変位計と、前記供試体内を透水し、前記三軸セル外に排出された排出水量を計測する排出水質量計測手段とを備えたことを特徴とする。

前記非接触変位計は、半導体レーザ変位計であり、前記開放筒内に位置するフロート上面を反射面として前記フロートの上下変位量を測定することが好ましい。

上述の圧密透水試験装置により、通常の供試体の圧密に伴う体積変化量を計測すると同時に、透水試験を行い、あるいは吸水膨張する不飽和土供試体の吸水膨張に伴う体積変化量を測定し、さらに同供試体を用いて圧密に伴う体積変化量を測定しながら、透水試験を行うことが可能である。

本発明によれば、透水試験中において、吸水膨張、不飽和土の体積変化量を同時に計測することが可能となり、さらに同一供試体により、圧密と拘束圧の異なる条件での透水試験を実施することができる等、精度の高い圧密透水試験を効率よく実施できるという効果を奏する。

以下、本発明の圧密透水試験装置の実施するための最良の形態として、以下の実施例について添付図面を参照して説明する。

図１は、公知の三軸圧縮試験機１（以下、三軸試験機１と呼ぶ。）を示しており、安定した支持脚１１上に設置された三軸セル１０内に、供試体保持手段３０（後述）を介して固定保持されて収容された供試体３１に、想定した拘束圧状態を設定可能な第１の圧力制御手段としてのレギュレータ２と、供試体３１の間隙水圧、背圧、透水圧を設定調整可能な第２の圧力制御手段としてのレギュレータ３と、各部の圧力を計測可能な各種圧力計４，５，６及びタンク７，８とを備えている。

本発明では、三軸セル１０は、下方に所定の空間を有する支持脚１１で支持された底板１２と、底板１２上に水密状態を保持して設置される透明な合成樹脂製の円筒側壁１３と、円筒側壁１３を水密可能に閉塞する上蓋１４とから構成されている。

さらに三軸セル１０の内部には、内セル２０が収容固定されている。この内セル２０は、三軸セル１０の底板１２上面に着脱可能に設置される透明な合成樹脂製の円筒側壁２１と、この円筒側壁２１の上部に着脱自在に連結される上蓋２２とから構成されている。この上蓋２２の中央部には、内セル２０の直径に比し、十分に細い直径の開放筒２３が上方に向いて連接されている。そしてこの内セル２０内に所定の供試体保持手段３０で保持された供試体３１が収容設置されるようになっている。本実施例では、公知の三軸試験供試体と同様に、供試体３１は直径１０cm×高さ５cmの円筒形に整形され、この供試体３１を、供試体保持手段３０としてのペデスタイル３２上に載置し、上面にキャップ３３をセットするとともに、供試体３１側面にゴムスリーブ３４を密着させ、側面からの通水を防止した状態で、所定の圧密透水試験が行われる。以下、内セル２０が収容されている三軸セル１０を、内セル２０に対して「外セル１０」と呼ぶ。

本発明では、供試体３１の圧密透水試験を行うために、供試体３１に接触するペデスタイル３２上面とキャップ３３下面とに通水部としての所定厚のポーラスストーン３５，３７が装着され、ペデスタイル３２のポーラスストーン３５にはペデスタイル３２内を貫通して形成された水供給管３６が連結されている。同様にキャップ３３のポーラスストーン３７にはキャップ３３内を貫通して形成された排水管３８が連結されている。

以下、透水試験時に供試体３１に供給され、供試体３１内を透水して排水される水の経路について、図１を参照して説明する。ペデスタイル３２側の水供給管３６は三軸試験機１の図示しない圧源から第２の圧力制御手段としてのレギュレータ３を介して水圧調整可能な水供給タンク７に連通しており、透水試験用の水は、水供給経路上の圧力計６、開閉弁９により調整自在に供給されるようになっている。一方、キャップ３３側に取り付けられた排水管３７は内セル２０内から底板１２を貫通して外セル１０外まで延長され、経路上の三方弁３９を介して、排水量計測手段としての計量タンク４０と、三軸試験機１側の受けタンク８とに切り替え可能に連通されている。キャリブレーション及び透水試験のタイミングに応じて適宜三方弁３９は切り替えられる。

次に、内セル２０内に収容保持された供試体３１に作用させる拘束圧の圧力制御手段について図１を参照して説明する。
図１に示したように、外セル１０内には内セル２０が収容固定されているが、外セル１０のセル液１５は内セル２０の上端の開放筒２３の高さ位置まで満たされている。さらに、内セル２０内にも内部に供試体３１がセットされた状態でセル液２４が開放筒２３の高さの半分程度まで満たされている。したがって、外セル１０のセル液圧と内セル２０のセル液圧とは、外セル１０の上部空間と内セルとが連通した状態にあり、等しい液圧（拘束圧）に設定される。このとき、開放筒２３内には、開放筒２３の内径よりわずかに小さい外径を有する円筒形状のフロート２５が収容されている。このフロート２５はセル液２４より比重が小さいため、図２に拡大して示したように、開放筒２３内で開放筒２３内面に接しない程度に浮遊した状態にある。外セル１０及び内セル２０内に満たされるセル液１５，２４としては、本実施例では、非圧縮性液体としてのシリコーンオイルが用いられている。十分な非圧縮性、非揮発性が確認され、取り扱いが容易で安全な液体であれば、他の種々の液体を用いることもできる。また、後述するように貯水された計量タンク４０からの蒸発の防止を図れれば、脱気水も用いることができる。

また、外セル１０の上蓋１４には、図示しない圧源からレギュレータ２を介して圧力配管１８が配管されている。この圧力配管１８を介して外セル１０の上部空間を所定圧気状態にすることで外セル１０内のセル液１５および開放筒２３を介して伝達される内セル２０内のセル液２４の液圧を所定拘束圧に設定することができる。このときの外セル１０、内セル２０内の液圧（供試体拘束圧）は圧力計４，５で確認することができる。

一方、透水試験時に供試体保持手段３０を通じ、供試体３１内を透水して外セル１０外に排出された水は、三方弁３９で排水経路が切り替えられ、計量タンク４０内に貯留される。この計量タンク４０は電子秤４１上に設置されており、計量タンク４０内に排出された水の質量が逐次計量できるようになっている。また、計量タンク４０に貯留された水の表面には所定層厚のシリコーンオイル被膜４２が形成されており、長期にわたる計測においても排出水が蒸発するのを防止することができる。さらに計量タンク４０と電子秤４１全体は風防ケース４２内に収容されており、計量時のデータ変動を最小限に抑えることができる。

ここで、本発明における供試体の体積変化量の計測手段の構成について、図２を参照して説明する。本発明では、図２に示したように、内セル２０の上蓋２２の一部に設けられた開放筒２３内のほぼ中間高さにセル液２４の液面が位置し、その内部に喫水が全高の半分の位置となるようにフロート２５が浮いた状態で収容されている。本実施例では、開放筒２３は高さ６cm、内径４cmに設定され、その内部に収容されたフロート２５は、高さ０．７cm、外径３．８cmの扁平円板形状からなる比重０．９０〜０．９５のポリプロピレン樹脂成形品からなる。なお、この開放筒２３、フロート２５の形状は内セル２０の寸法、供試体の体積変化量の計測精度等、求められた仕様に応じて適宜設定することができることはいうまでもない。

一方、同図に示したように、外セル１０の上蓋中央部分には、所定直径の円形開口１４ａが形成され、円形開口１４ａの下面側に光透過蓋としてのガラス板蓋１６が固着されている。このガラス板蓋１６は外セル１０内が所定加圧状態とされても、曲げ変形しない程度の板厚と剛性とを有している。一方、外セル１０の上方には、図１に全体を示した公知のレーザー変位計４５がスタンド４８（図１）を介して設置されている。このレーザー変位計４５は、内部の発光部４６から照射された半導体レーザーＬが図１、図２に示したように、内セル２０の開放筒２３内に浮いているフロート２５の上面２５ａに合焦され、その反射光が同変位計４５の受光部４７に設けられた受光素子（図示せず）で受光され、形成された三角形状に応じた位置（変位）計測が行われる。なお、本実施例では、測定距離としては０．５m程度に設定でき、対象（フロート上面２５ａ）の変位測定精度が５０μm程度のレーザー変位計が用いられている。本実施例では、開放筒２３の内径は４cmに設定されており、フロート２５の上下方向の変位を連続計測することにより、内セル２０内に収容された供試体３１の体積変化量を連続して算出できる。

供試体３１の体積変化量の計測手段の構成において、測定対象のフロート２５までの測定距離、及び計測精度が仕様に合えば、半導体レーザーを利用したレーザー変位計４５に代えて、他の公知の光学式変位計を使用することもできる。また、外セル１０の上蓋１２に取り付けられたガラス板蓋１６も、所定の剛性、光透過性を確保でき、計測光を精度良く透過させる材質であれば、各種の透明合成樹脂材料を使用することができる。

以下、本発明の圧密透水試験装置によって、遮水層（ベントナイト混合土）やロックフィルダムのコア材などの、難透水性材料の和透水性と圧密特性、種々の拘束圧下における吸水膨張特性、不飽和土の圧縮特性および吸水膨張後や不飽和土の圧縮後の透水性を計測するための一連の試験方法について、図３，図４を参照して説明する。
本装置では大きく、不飽和土の圧縮試験、吸水膨張試験を行った後に、圧密・透水試験を行うことができる。すなわち、難透水性の不飽和土試料を所定形状の供試体３１に整形し、初期寸法を測定した後に、図１に示したように、三軸試験機１の支持脚１１上のベデスタイル３２にセットし、キャップ３３、ゴムスリーブ３４を装着して所定の配管を接続した状態で、内セル２０内に収容する。外セル１０を組み立てた後に、外セル１０、内セル２０をセル液１５，２４で満たした状態で三軸試験機１の操作による不飽和圧縮試験を行う。このとき図示しない圧源からの圧力調整をレギュレータ２を介して行って所定サイクルでの拘束圧の載荷・除荷を繰り返す。その間における内セル２０内に収容された不飽和供試体の体積変化は、内セル２０上部の開放筒２３での液位変化としてフロート２５の上下変位量を計測することで知ることができる。その後、設定された載荷除荷サイクル分だけ繰り返され、この間の圧縮特性を把握することができる。

また、不飽和な供試体に通水して完全飽和化することにより、この間における供試体の吸水膨張特性の試験も行うこともできる。この場合、供試体通水時におけるフロート２５の上下変位量を計測することにより、吸水膨張状態を確認できる。

さらに圧密透水試験を行う。この圧密透水試験は、所定の拘束圧増（減）分による載荷除荷サイクルを設定し、各拘束圧載荷除荷サイクルにおける供試体の圧密体積変化量を、圧密排水され、電子秤上の計量タンクに貯水された排水量及び、内セル２０の開放筒２３内のフロート２５の上下変位量を計測することにより求める。さらに供給タンクからの供試体の通水を行い、電子秤４１上の計量タンク４０に貯水された透水量及び、内セル２０の開放筒２３内のフロート２５の上下変位量を計測することにより透水試験時に生じる供試体の体積変化を計測する。この秤４１による排水量（透水量）の計測、レーザ変位計４５によるフロート２５の変位量の計測を、各拘載荷除荷時において行うことで、対象となる難透水性材料の圧密透水特性を精度良く把握することができる。

本発明の圧密透水試験装置の一実施例を示した概略構成図。 図１に示した装置の変位量測定部を拡大して示した模式拡大図。 本発明の試験装置による試験方法の手順を示したフローチャート（その１） 本発明の試験装置による試験方法の手順を示したフローチャート（その２）

符号の説明

１ 三軸圧縮試験機
２ 第１の圧力制御手段（レギュレータ）
３ 第２の圧縮制御手段（レギュレータ）
１０ 三軸セル（外セル）
１５，２４ セル液
２０ 内セル
２３ 開放筒
２５ フロート
３０ 供試体保持手段
３１ 供試体
３５，３７ 通水部（ポーラスストーン）
４０ 計量タンク
４１ 電子秤
４５ レーザー変位計

Claims (4)

1. 支持部上に設置される三軸セルと、該三軸セル内に満たされたセル液を介して、該三軸セル内の拘束圧を制御可能な第１の圧力制御手段と、前記三軸セル内に収容固定され、上面の一部の自由液面を介して前記三軸セル内のセル液の拘束圧と等しい状態のセル液で内部が満たされる内セルと、所定形状に整形され、側面からの通水が防止された供試体内を、上下方向に沿って均等に透水可能な通水部を介して前記内セル内に固定保持する供試体保持手段と、第２の圧力制御手段で制御され、前記通水部に通水可能な水供給手段とを備えた圧密透水試験装置であって、
   前記内セルは、上面の一部に前記内セルの直径に対して十分細径に形成され、筒内部に前記セル液の自由液面が位置し、該筒内部を上下動可能に浮遊するフロートが収容された開放筒部を有し、
   前記三軸セルの上方に設置され、前記フロートの上下変位量を、前記三軸セルの上蓋の一部に形成された光透過蓋部を介して計測する非接触変位計と、
   前記供試体内を透水し、前記三軸セル外に排出された水量を計測する排出水質量計測手段とを備えたことを特徴とする圧密透水試験装置。
2. 前記非接触変位計は、半導体レーザー変位計であり、前記開放筒内に位置するフロート上面を反射面として前記フロートの上下変位量を測定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の圧密透水試験装置。
3. 請求項１に記載の圧密透水試験装置により、前記供試体の圧密に伴う体積変化量を計測すると同時に、透水試験を行うことを特徴とする圧密透水試験方法。
4. 請求項１に記載の圧密透水試験装置により、吸水膨張する不飽和土供試体の吸水膨張に伴う体積変化量を測定し、さらに同供試体を用いて圧密に伴う体積変化量を測定しながら、透水試験を行うことを特徴とする圧密透水試験方法。

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