JP2008052143A - Unit type liquefaction experimental equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、地震時に発生する地盤液状化を模型実験するための装置に関し、更に詳しく述べると、2重構造の実験槽内に水中ポンプを組み込むことで装置をユニット化し、簡便且つ迅速に繰り返し液状化を観察できるようにしたユニット型液状化実験装置に関するものである。この装置は、例えば科学教育や防災教育における液状化現象のデモンストレーションなどに有用である。 The present invention relates to an apparatus for performing a model experiment on ground liquefaction that occurs during an earthquake. More specifically, the apparatus is unitized by incorporating a submersible pump in a double-structured experimental tank, and the liquid can be easily and quickly repeated. The present invention relates to a unit type liquefaction experiment apparatus that can observe liquefaction. This device is useful for demonstration of liquefaction phenomena in science education and disaster prevention education, for example.
科学教育や防災教育などにおいて、地震時に発生する地盤液状化現象を説明するには、液状化現象をデモンストレーションする方法が有効である。液状化可能な地盤を作製する方法としては、水槽内に砂を散布し、あるいは水槽に水と砂を入れて攪拌し、そのまま放置して水中で砂を沈降させ、その後、水槽下部から排水して砂の表面レベルよりも若干下方まで水位を下げる方法がある。これによって、水位よりも上方には排水された締まった砂層が形成され、水位よりも下方に間隙が多く緩い液状化可能な砂層を形成することができる。これに振動を与えると、砂と水とが一体となって液体のように振る舞う(液状化)現象が観察できる。しかし、これらの方法では、液状化させた後、再び液状化可能な地盤を作製するには、水槽内の砂と水を全て入れ替えたり、水槽に注水して攪拌させるなど、多大な手数と時間がかかり、面倒な作業が必要となる。 In science education and disaster prevention education, a method of demonstrating the liquefaction phenomenon is effective in explaining the ground liquefaction phenomenon that occurs during an earthquake. As a method of preparing a liquefiable ground, spray sand in the aquarium, or add water and sand to the aquarium and stir, leave it as it is to settle the sand in water, and then drain from the bottom of the aquarium. There is a way to lower the water level slightly below the sand surface level. As a result, a tightened drained sand layer is formed above the water level, and a loose liquefiable sand layer with many gaps below the water level can be formed. When vibration is applied to this, it is possible to observe a phenomenon in which sand and water are united and behave like a liquid (liquefaction). However, in these methods, in order to produce a ground that can be liquefied again after being liquefied, the sand and water in the aquarium are completely replaced, or water is poured into the aquarium and agitated. Takes time and laborious work.
より簡便に液状化現象を観察できる器具として、透明な密閉容器に水と砂、及び地中や地上の構造物の模擬物を入れた地盤液状化ボトルが提案されている(特許文献1参照)。これは、密閉容器を振り動かすことで水と砂を一様化し、その後そのまま放置することで砂を沈降させると共に、地中や地上の構造物の模擬物を所定の位置にセットするものである。ここで、密閉容器に振動を与えると砂の沈殿層が液状化し、それにより模擬物は新しい釣り合いの位置まで沈む。従って、密閉容器を振り動かすことにより、何度でも同様の実験を行うことができる。 As an instrument that can more easily observe the liquefaction phenomenon, there has been proposed a ground liquefaction bottle in which water and sand and a simulated structure in the ground or on the ground are placed in a transparent sealed container (see Patent Document 1). . This is to make water and sand uniform by shaking the sealed container, and then leave it as it is to sink the sand and set a simulated object in the ground or on the ground at a predetermined position. . Here, when a vibration is applied to the closed container, the sedimentation layer of sand liquefies, and the simulated product sinks to a new balance position. Therefore, the same experiment can be performed any number of times by shaking the sealed container.
しかし、この地盤液状化ボトルによる実験は、液状化の理屈は合っているとしても、地中や地上の構造物の模擬物も含めて密閉容器を振り動かすことは現実にはあり得ず、また密閉容器内で沈降した砂層の上に水が残ったままであり、観察者に正しい液状化前後のイメージを与えることは困難である。 However, in the experiment using this ground liquefaction bottle, even if the reason for liquefaction is correct, it is impossible to swing the closed container including the simulated structure of the ground and the ground. Water remains on the sand layer that has settled in the sealed container, and it is difficult to give the observer an image before and after liquefaction.
より現実に即した液状化を再現する技術としては、大型土槽を使用した多数の実験例の他、例えば特許文献2に見られるような液状化試験装置がある。しかし、この装置は、幾つかの水槽を配管で接続した大掛かりで複雑な構成の据え付け設備であり、専門の研究室等でのより正確な地盤の挙動把握には有用であっても、簡便に液状化を観察できるような科学・防災教育的な用途には不向きである。展示・展覧などのため持ち運んだり、迅速に繰り返し液状化現象のデモンストレーションを行うことが困難だからである。
本発明が解決しようとする課題は、より現実に即した状態で液状化現象を再現でき、観察者に正しい液状化前後のイメージを与えることができ、しかもコンパクトで可搬性があり、メンテナンスフリーで、誰でも迅速に繰り返し液状化現象の観察を行うことができるようにすることである。 The problem to be solved by the present invention is that the liquefaction phenomenon can be reproduced in a more realistic state, the image before and after liquefaction can be given to the observer, and it is compact and portable, maintenance-free. It is to enable anyone to observe the liquefaction phenomenon quickly and repeatedly.
本発明は、内側水槽と外側水槽との2重構造であり、それら内側水槽と外側水槽とが下部で互いに連通する実験槽と、前記内側水槽の底部に組み込まれるストレーナ部と、該ストレーナ部を介して水を噴出させうるように前記実験槽の内部下方に組み込まれる水中ポンプと、前記実験槽の外部で上下位置調整可能に設置され、前記実験槽の下部とフレキシブルな連通管で連通する水位調整タンクとを具備し、少なくとも実験槽正面上方が透明体からなり内部を透視可能になっているユニット型液状化実験装置である。通常、前記実験槽は振動台上に載置される。 The present invention has a double structure of an inner water tank and an outer water tank, the inner water tank and the outer water tank communicate with each other at the lower part, a strainer part incorporated in the bottom of the inner water tank, and the strainer part. A submersible pump incorporated below the inside of the experimental tank so that water can be ejected through the water, and a water level that is installed so that the vertical position can be adjusted outside the experimental tank and communicates with the lower part of the experimental tank through a flexible communication pipe It is a unit type liquefaction experiment apparatus comprising an adjustment tank, and at least the front upper part of the experiment tank is made of a transparent body so that the inside can be seen through. Usually, the experimental tank is placed on a shaking table.
ここで、内側水槽と外側水槽の水平断面形状を、(内側水槽の水平断面積)=(外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積)となるように設定し、内側水槽に水位を計測するメジャーを貼設するのが好ましい。ストレーナ部は、例えば内側水槽内に収容される砂利層と、その砂利層などを受けるメッシュ板と、その下方に間隙をおいて設けられる仕切り板との組み合わせとし、水中ポンプの吐出口が前記間隙に位置するように組み込む。 Here, the horizontal cross-sectional shape of the inner water tank and the outer water tank is set to be (horizontal cross-sectional area of the inner water tank) = (horizontal cross-sectional area of the outer water tank-horizontal cross-sectional area of the inner water tank), and the water level is set in the inner water tank. It is preferable to put a measure to be measured. The strainer part is a combination of, for example, a gravel layer accommodated in the inner water tank, a mesh plate for receiving the gravel layer, etc., and a partition plate provided with a gap below it. Incorporate to be located in.
本発明に係る液状化実験装置は、装置全体がユニット化されており、配管などによる組み立てが不要で、水中ポンプに電力を供給するだけで動作するため、コンパクトで可搬性があり、デモンストレーション会場などへの搬入や搬出、装置セッティングを容易に行うことができる。また本発明装置は、ストレーナ部を通して水を噴き上げることにより砂を持ち上げて砂を緩くする方式であり、水位を下げて緩い砂層の上に締まった砂層を形成するので、より現実に即した状態で液状化を再現でき、観察者に正しい液状化前後のイメージを与えることができる。更に本発明では、実験槽を2重構造にし内側水槽と外側水槽との間で水が連通するように構成しているので、水を抜いたり水を注ぐ必要が無く、長期間にわたってメンテナンスフリーで使用でき、誰でもが迅速に繰り返し液状化現象の観察を行うことができる。 The liquefaction experiment apparatus according to the present invention is unitized as a whole, does not require assembly by piping, etc., and operates simply by supplying power to the submersible pump, so it is compact and portable, such as a demonstration venue. Carrying in and out, and setting of the device can be performed easily. In addition, the device of the present invention is a method in which the sand is lifted and loosened by blowing water through the strainer section, and the water level is lowered to form a tight sand layer on the loose sand layer. Liquefaction can be reproduced, and an image before and after liquefaction can be given to an observer. Furthermore, in the present invention, since the experimental tank has a double structure and water is communicated between the inner water tank and the outer water tank, there is no need to drain or pour water, and maintenance is free for a long time. Anyone can quickly and repeatedly observe the liquefaction phenomenon.
ここで内側水槽と外側水槽の水平断面形状を、(内側水槽の水平断面積)=(外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積)となるように設定すると、外側水槽水位変化量の観測により、地下水位の変化を観測でき、液状化による砂層の体積変化も観測できる。内側水槽にメジャーを貼設しておけば、砂層の表面高さ及び外側水槽の水位を正確に計測することができる。 Here, if the horizontal cross-sectional shape of the inner water tank and the outer water tank is set to be (horizontal cross-sectional area of the inner water tank) = (horizontal cross-sectional area of the outer water tank-horizontal cross-sectional area of the inner water tank), By observation, changes in groundwater level can be observed, and changes in the volume of the sand layer due to liquefaction can also be observed. If a measure is attached to the inner water tank, the surface height of the sand layer and the water level of the outer water tank can be accurately measured.
また、ストレーナ部を、内側水槽内に収容される砂利層と、その砂利層などを受けるメッシュ板と、その下方に間隙をおいて設けられる仕切り板との組み合わせとし、水中ポンプの吐出口が前記間隙に位置するように組み込むと、水を内側水槽の底部全体からほぼ均一に噴出させ砂を巻き上げることができるし、メッシュ板の上に載る砂利層(玉石層)が砂に対するストレーナ機能を発揮し、砂がメッシュ板を通って間隙に入り込むのを防止できる。 Further, the strainer portion is a combination of a gravel layer accommodated in the inner water tank, a mesh plate for receiving the gravel layer, and a partition plate provided with a gap below the gravel layer, and the discharge port of the submersible pump is the aforementioned If it is incorporated so that it is located in the gap, water can be ejected almost uniformly from the entire bottom of the inner water tank, and the sand can be rolled up, and the gravel layer (cobblestone layer) on the mesh plate exhibits a strainer function against sand. The sand can be prevented from entering the gap through the mesh plate.
本発明に係るユニット型液状化実験装置の基本構成を図1に示す。Aは正面を、Bは実験槽の水平断面を、それぞれ示している。実験槽10は、内側水槽12と外側水槽14との2重構造であり、それら内側水槽12と外側水槽14とが下部で互いに連通する構造である。内側水槽12は、その底部が実験槽の縦方向の中央付近に位置するように、外側水槽14内で支えられている。ここでは、内側水槽12の側壁が下方に延び、その延設部16が外側水槽14の底面に達して内側水槽12を支えるような構造である。そして前記延設16部に、連通穴18が形成されている。
A basic configuration of a unit type liquefaction experiment apparatus according to the present invention is shown in FIG. A shows the front, and B shows the horizontal section of the experimental tank. The
内側水槽12の底部にはストレーナ部20が組み込まれる。該ストレーナ部20は、内側水槽内に収容される砂利層22と、その砂利層22などを受けるメッシュ板24と、その下方に間隙をおいて設けられる仕切り板26との組み合わせからなる。内側水槽12の下方には水中ポンプ28が組み込まれ、該水中ポンプ28の吐出口30が前記間隙に位置しており、該ストレーナ部20を介して水をほぼ均一に分散して噴出させうるような構造になっている。
A
実験槽10の外部には水位調整タンク32を設ける。該水位調整タンク32は、実験槽10の下部とフレキシブル連通管34で連通している。例えば、水位調整タンク32を実験槽10の外側面に面ファスナ(図示せず)などで着脱自在とし、それによって上下位置調整可能になっている。
A water
ここでは、図1のBに示すように、内側水槽12と外側水槽14の水平断面形状は共に正方形であり、(内側水槽の水平断面積)S1=(外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積)S2の関係を満たすように寸法が設定されている。つまり、内側水槽12の水平断面積は、外側水槽14と内側水槽12との間の四角枠状部分(斜線を付して示す)の面積に等しくなっている。なお、内側水槽及び外側水槽の水平断面は、長方形など任意の多角形でもよいし、あるいは円形などでもよい。
Here, as shown in FIG. 1B, the horizontal cross-sectional shapes of the
内側水槽12内のメッシュ板24は、多数の小孔が穿設された板状体であり、その上には、重く粒径の大きな玉石の層(砂利層22)が置かれ、その上に軽く細かい砂層36が収容される。砂利層22はストレーナ機能を発現しうる厚さとし、砂層36は液状化実験に必要な厚さとする。従って、メッシュ板24は、それら砂利層22及び砂層36の重さに耐える構造とする。
The
また、実験槽10内には、予め必要量(水位が砂利層22よりも上方となる量)の水が注入される。ここで、少なくとも実験槽10(内側水槽12と外側水槽14)の正面上方は透明体からなり、内部(内側水槽12内の砂層や外側水槽14内の水位など)を外部から透視可能とする。なお、使用する水は、水道水などでよいが、界面活性剤などを添加しておくことが望ましい。これによって、比較的長期間にわたって水を入れ替えなくても水槽の壁面に藻などが生えて汚れるのを防止でき、水槽の清掃なども不要となり、メンテナンスフリーを実現できる。
In addition, a necessary amount of water (an amount in which the water level is above the gravel layer 22) is injected into the
このような実験槽は、通常、振動台40上に載置される。ここでは振動台40は、上板42と下板44との間に軟質ゴム板46(あるいは軟質樹脂板など)を挟み込み水平振動可能に構成したものであり、片側にレバー48を立設し、該レバー48を揺動することで振動台40が振動するような簡易構成となっている。勿論、振動台は、下面に車輪を取り付けた台などであってもよい。手動方式ではなく、モータなどで加振する方式でもよい。
Such an experimental tank is usually placed on the vibration table 40. Here, the vibration table 40 is configured such that a soft rubber plate 46 (or a soft resin plate or the like) is sandwiched between an
次に、本装置の動作について、図2により説明する。実験に先立って、所定の水位まで水が入れられていることを確認しておく。水位は、砂利層表面よりも上となるように設定する。 Next, the operation of this apparatus will be described with reference to FIG. Prior to the experiment, make sure that water has been added to a predetermined water level. The water level is set to be above the gravel layer surface.
図2のAに示すように、水中ポンプ28を動作させ、該水中ポンプ28による送水で砂を水中に浮遊させる。水中ポンプ28からの吐出水は、ストレーナ部20を通過し、内側水槽12の底部全面からほぼ均等に噴出する。内側水槽12の下部は砂利層22であり、送水では噴き上がらず(動かず)、その上方の砂層36を巻き上げ、砂を水中に浮遊させる。水は、内側水槽12の上縁からオーバーフローして外側水槽14へと流れ出る。水の流れを矢印で示す。内側水槽12を砂層36に対して十分に深くしておくことにより、噴出した水により巻き上げられた砂は水面までは上がらず、途中で浮遊しておくようにできる。このようにしておけば、内側水槽12の上縁からオーバーフローする水には砂が混入せず、水だけを排出させることができる。5〜10秒程度の間、この状態を維持するように水中ポンプ28を動作させ続ける。
As shown in FIG. 2A, the
水中ポンプ28の動作を停止し、送水を止めると、図2のBに示すように、内側水槽12の水が外側水槽14へと逆流して、内側水槽12の水位は徐々に低下する。即ち、内側水槽12内の水は、底部に配置されているストレーナ部20を通って排出される。このとき、水中に浮遊している砂は、重いものから沈降して砂利層の上に堆積し、液状化が生じる砂層が生成される。砂が砂利層22の上に留まるため、水だけが水中ポンプ28内を逆流し、更に外側水槽14へと流れ出る。この水の流れは、内側水槽12の水位が、外側水槽14の水位とバランスした状態になるまで続き、その状態で維持される。
When the operation of the
図2のCに示すように、実験槽10内の水位を調整し、水位が内側水槽12内の砂層36の表面より1cm程度下に位置させる。水位の調整は、外部に設置されている水位調整タンク32の位置を上下することで容易に行える。この結果、水位より上は、排水されて締まった状態の砂層36aとなり、水位以下には緩い砂層が自動的に形成される。
As shown in C of FIG. 2, the water level in the
そこで、表面の締まった砂層36aの上に建物模型50を置けば、液状化実験の準備が完了する(図2のD参照)。レバー48により振動台40を揺すって、その上に載置されている実験槽10に振動を与える。レバーで静かに左右に揺すると、その段階では液状化は起こらない。レバーを次第に速く振ると、あるところで液状化が観察できる。砂層の液状化の様子は、透明な実験槽10の外から観察できる。建物模型の杭を浅くしたり深くしたりすること、あるいはマンホール(浮き上がり)模型を置くことなどで、液状化が生じたときの模型の挙動の違いを観察できる。
Therefore, if the
液状化を起こす前の段階(図2のDに示す状態)で砂層の表面高さと水位を記憶しておく。そして、液状化終了後の砂層の表面高さと水位を読み取る。なお図示していないが、内側水槽にメジャーを貼設しておけば、砂層の表面高さや水位を容易に読み取ることができる。これによって、砂層の液状化による体積変化と地下水位の変化が観測できる。(内側水槽の水平断面積)=(外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積)の関係が満たされていると、外側水槽の水位変化量の観測により内側水槽内の水位を直接的に求めることができるからである。 The surface height and water level of the sand layer are stored in the stage before liquefaction (the state shown in FIG. 2D). And the surface height and water level of the sand layer after completion | finish of liquefaction are read. Although not shown, if a measure is attached to the inner water tank, the surface height and water level of the sand layer can be easily read. As a result, changes in volume and groundwater level due to liquefaction of the sand layer can be observed. If the relationship of (horizontal cross-sectional area of the inner aquarium) = (horizontal cross-sectional area of the outer aquarium-horizontal cross-sectional area of the inner aquarium) is satisfied, the water level in the inner aquarium can be directly measured by observing the amount of water level change in the outer aquarium. It is because it can ask for.
この液状化実験装置では、水中ポンプ28のオン・オフ動作のみで、誰でもが容易に且つ迅速に液状化可能な砂層を生成でき、繰り返し実験を行うことができる。水位調整タンク32の上下位置を変えると砂層内での水位(地下水位)が変わるので、地下水位によって液状化の起こり難さなども観察できる。
In this liquefaction experiment apparatus, anyone can generate a sand layer that can be liquefied easily and quickly only by turning the
本発明で用いる実験槽の具体的な構造例を図3に示す。実験槽60は、透明なアクリル樹脂からなり、四角形状の内筒62と外筒64との2重構造である。外筒64は、有底・有蓋で外側水槽を構成する。内筒62には、中間に仕切り板66が設けられ、その上部が内側水槽となる。ここでも、内筒62と外筒64の水平断面形状は、(内側水槽の水平断面積)=(外側水槽の水平断面積−内側水槽の水平断面積)となるように設定する。実験槽は、必要に応じて内部に補強板を組み込んで接着などの方法により作製する。外筒は、例えば一辺十数cm程度、高さ20〜30cm程度の大きさで作製できる。
A specific structural example of the experimental tank used in the present invention is shown in FIG. The
仕切り板66の上方には、間隔をおいてメッシュ板68が設けられており、そのメッシュ板68でその上の砂利層22及び砂層36を支える。内筒62の下方には水中ポンプ28が組み込まれ、その吐出口30がメッシュ板68と仕切り板66との間の空間内に位置するようになっている。内筒62の上端近傍にはオーバーフロー穴70が開口し、下端近傍(外側水槽の底部よりも数cm上方)には連通穴72が開口している。更に、内筒62の仕切り板直下に空気抜き穴74を設ける。この空気抜き穴74は、最初に水を注入した場合に内筒62下方の空気を抜き、実験槽内に水が充満されるようにする機能を果たすものである。また、内筒上部(内側水槽の部分)には、水位を計測するためのメジャー76を貼設する。
A
なお図3では実験槽のみ図示しているが、使用に際しては、図1と同様、フレキシブル連通管を介して水位調整タンクを接続し、該水位調整タンクを上下位置調整自在に且つ着脱自在に付設すると共に、実験槽を振動台に載置する。内側水槽には砂利層及び砂層が収容され、必要量の水を注入する。水は、水槽壁面が汚れないように界面活性剤を適量含むものとし、前記フレキシブル連通管を介して実験槽の下方から注入すればよい。 Although only the experimental tank is shown in FIG. 3, in the case of use, as in FIG. 1, a water level adjustment tank is connected via a flexible communication pipe, and the water level adjustment tank is attached so that the vertical position can be freely adjusted and detached. At the same time, the experimental tank is placed on the shaking table. The inner water tank contains a gravel layer and a sand layer and injects a required amount of water. Water should contain an appropriate amount of a surfactant so as not to contaminate the water tank wall surface, and water may be injected from below the experimental tank through the flexible communication pipe.
この実験槽を用いる液状化実験の手順は、図2の場合と同様であってよいので、それについての説明は略する。 Since the procedure of the liquefaction experiment using this experimental tank may be the same as that in the case of FIG. 2, description thereof will be omitted.
本発明に係る液状化実験装置は、様々な発展が可能である。本装置は、基本的に水中ポンプのオン・オフ動作のみで液状化可能な砂層を作製でき、水は実験槽内に入れたままでよいので、自動化が可能である。例えばモータによる建物模型の昇降機構を付設すると、建物模型を吊り上げて保持し、水中ポンプをオンにして水を噴き上げて砂を巻き上げ、水中ポンプをオフにして水中に浮遊する砂を沈降させて砂層を形成し、建物模型を下降させて砂層上に設置する。これら一連の動作を、観察者によるロータリスイッチの切り換えなどで行わせることもできるし、全自動で行わせることもできる。 The liquefaction experiment apparatus according to the present invention can be variously developed. This device can create a sand layer that can be liquefied basically only by the on / off operation of the submersible pump, and the water can be kept in the experimental tank, so that it can be automated. For example, if a building model lift mechanism is attached by a motor, the building model is lifted and held, the submersible pump is turned on, water is spun up to roll up the sand, the submersible pump is turned off, the sand floating in the water is allowed to settle, and the sand layer The building model is lowered and installed on the sand layer. These series of operations can be performed by a rotary switch switching by an observer, or can be performed fully automatically.
上記の説明は、1台の液状化実験装置を単独で使用する場合であるが、複数台を連結して使用することも可能である。実験槽を複数台並置する。共通の振動台上に載置してもよいが、各実験槽がそれぞれ別々の振動台に載置されているような場合には、各振動台を連結部材で連結する構成でもよい。このようにすると、複数の実験槽を同じ条件で振動させることができる。そのため、地下水位の違いに応じた液状化挙動の変化、あるいは建物模型の杭の長さなどの違いに応じた倒れ易さ(難さ)の変化などを、比較観察することができる。 Although the above description is a case where one liquefaction experimental apparatus is used alone, a plurality of apparatuses can be connected and used. Multiple test tanks are juxtaposed. Although it may be placed on a common shaking table, when each experimental bath is placed on a separate shaking table, the shaking table may be connected by a connecting member. In this way, it is possible to vibrate a plurality of experimental tanks under the same conditions. Therefore, it is possible to comparatively observe changes in liquefaction behavior according to differences in groundwater levels, changes in ease of falling (difficulty) according to differences in pile lengths of building models, and the like.
10 実験槽
12 内側水槽
14 外側水槽
20 ストレーナ部
22 砂利層
24 メッシュ板
26 仕切り板
28 水中ポンプ
32 水位調整タンク
36 砂層
40 振動台
DESCRIPTION OF
Claims (4)
The unit type liquefaction experiment apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the experimental tank is placed on a vibration table.
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