JP2010286463A - 地滑り予測用現場試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来試験機は小型軽量化することが困難で、地すべり発生現場に持ち込めず、間隙水圧の計測が困難であった。
【解決手段】中央の作動軸１０の上端を上部シリンダー１１内のピストン１２と接続し、作動軸１０の下端部と下部シリンダー２８内のピストン杆２５上端との間にロードセル２６を介在し、上部シリンダー１１の支持板９下面に取着した複数個の加圧杆８、８、下端と上位側壁部材５_１、５_２内のサンプル上面に載置したサンプル加圧板７とを接続することにより、垂直荷重載架のための長い支柱・梁を取り払い、これらの部材のこじれ・伸縮・撓みを最小限に抑制し、また下位側壁部材３_１、３_２に漏水防止用のゴムエッジを付設して間隙水圧を計測可能にすると共に、前記シリンダー支持板９とピストン１２の間に液圧を作用させ、上位及び下位剪断箱５、３内に保持されたサンプルに荷重を載架するようにして小型化を可能にした地滑り予測用現場試験装置。
【選択図】図１

Description

本発明は山地や山地に近接する地域における地滑り・土石流現象を発生現場から採取したサンプルを用いて、発生現場に近いところで繰り返し試験を行い、その現場での地滑り・土石流の発生、流動、停止条件を定量的測定できるようにした軽量可搬式の地滑り予測用現場試験装置に関する。

従来の地滑り予測試験装置は、環状の静止容器とこれに相対する環状の回転容器に跨がって互いに形成するその空間に土砂サンプルを収容保持し、静止容器内のサンプルを加圧する載荷板と装置上盤との間に荷重載荷用の気密室を形成し、水で飽和或いは不飽和の条件下で加圧状態で回転容器を回動することにより土砂サンプルに作用する剪断荷重、垂直荷重、剪断速度、垂直変位等を検出するようにした装置がある（例えば、特許文献１参照。）。

また、台板と上端板とによって支持される２本の支柱上に、ジャッキにて上下動する昇降架台を装設し、昇降架台上にトルク計を介してサーボモータにより回動せしめられる剪断軸を枢設する。昇降架台の上位に支柱上の任意の位置で定置できる可動板を装設すると共に、剪断軸上に支持した水槽内底面と可動板との間に下部容器と上部容器とを対向定設し、可動板を貫通して上部容器内に臨ませた加圧杆の上端部を加圧板にて支持し、上端板の上面に定設した荷重載架部の出力端部と加圧板との間に適宜ロードセルを介在連設してなる装置がある。（例えば、特許文献２参照。）。

特公平２−６０２４８号公報（回転水路型土石流試験法とその試験装置）。 特開平５−３４２５２号公報（定体積、定圧力兼用リング剪断試験装置）。

しかし乍ら特許文献１では荷重載架手段として気密室に圧縮空気を送り込み載荷板を介してサンプルに荷重を架けるようにしている。従って載荷板の全面に均等な荷重が載架され難く、その結果、最大の欠点は支柱がこじることになり、剪断面に均等な応力が載架され難い。
また、上下剪断箱の接触部からサンプル及びサンプル内の間隙水が漏れるため、地滑り運動時の摩擦抵抗に大きく影響を及ぼす間隙水圧が計測できない。
それに剪断荷重を掛ける手段としてモーターを使用し、垂直荷重の載架にコンプレッサーを用いるため重量が嵩み、また電源が必要なため任意場所への持ち込みができない。

従来例の特許文献２では、台盤に２本の支柱を立て、この２本の支柱間をつなぐ梁の形で上端支持板を取り付け、その中央に載荷用シリンダーを取り付け、このシリンダーに油圧を掛けることによりシリンダー内のピストンを移動させ、試料に垂直応力を載荷するための反力を得ていた。

この従来の方式では、２本の長い支柱が必要であり、試験機が小型化できなかった。また、梁と長い支柱に試料への載荷圧力の反力がかかるため、地滑り再現試験中に急激な応力変化が生じる際の伸縮と撓みのために上下容器間隙の制御が困難となり、剪断箱からの間隙水の漏れを止めること、及び試料にかかる力を高い精度で制御することができなかった。
また、従来の方式では、上部のピストンから垂直応力計測用のロードセルと加圧杆を経て、試料に垂直応力がかかるまでの間に上位剪断箱の側面摩擦力が作用するため、載荷時のロードセルの計測値は、試料の剪断面にかかる力よりも過大になる。一方剪断中に試料の体積が膨脹する際には逆に過少になる。側面摩擦力は最大で載荷する垂直応力の１／３程度になり、３０％程度の誤差が発生する。

従って従来の試験機では、小型軽量化することが困難であり、地すべり発生現場に近いところへ持ち込むことができなかった。また、間隙水の漏れを止めることができないため 地すべり予測に必要な発生する間隙水圧の計測が困難であった。さらに側面摩擦力の影響が入るため垂直応力の測定精度も高くなかった。

装置中央の作動軸に垂直応力計測用のロードセル２６、上位剪断箱５、垂直応力載荷用シリンダー内のピストン１２を剛結することによりこれら４つの部材を一つの系とし、シリンダーに油圧をかけることによりシリンダーを移動させ、この系の外にある試料に外力として垂直応力を載荷する構造にした。この構造の場合、試料の剪断面にかかる垂直応力は、この系の外力として垂直応力計測用のロードセル２６で計測される。上位剪断箱５にかかる側面摩擦力は系の内力でありロードセル２６には反映されないため、垂直応力計測用のロードセル２６によって、試料に作用している垂直応力のみを正確に計測することができ、高精度での応力制御が可能となった。

撓みの大きい梁、伸縮の大きな長い支柱がなくなるため、地すべり予測実験中に応力変化が生じても間隙水の漏れを防ぐことが可能となり、剪断中に発生する間隙水圧の計測が可能となった。長い支柱が不要になったことから、格段の小型軽量化が可能となり、地すべり現場に近いところへの可搬形の試験機とすることができた。また、構造が単純化したことにより、操作性も向上した。

装置の軽量化に伴い地滑りを起こす現地への持ち込みが容易になったことより地質、水分の状況や風化の度合い、異なる土や砂の混じり具合、火砕流堆積物等その他多くの複雑な土質条件に合ったテストが容易である。また、剪断荷重はギヤーによって手動で架けることができるので、持ち込み地域の制約が無く汎用性が高い。

操作が単純化されたことと現地へ持ち込めることから、現地（国内外）の研究者・技術者・学生・高中学生・防災に関心の高い社会人・消防団などの人材育成・防災教育・啓発などに大いに活用できる。

日本の高いレベルの地滑り予想技術に対するアジア・ラテンアメリカ・アフリカ・東欧などの期待が高い。此等の地域での地滑り防災技術の移転にとって、軽量・可搬式の試験機の開発は極めて有意義である。

試験機の構造が単純化されて、コストも軽減されたことから、発展途上国での購入或いは寄贈も容易であり、且つ一台の試験機を必要なときに必要な地域へ持ち回ることにより、国内の各地で共用することが可能であり、試験機のコストパーフォーマンスは極めて高い。

地滑り発生・運動予測のためには、試料内の剪断ゾーンで発生する間隙水圧を的確に計測することが不可欠である。本発明では、下部シリンダー２８へ液圧を与えて、下部剪断箱上面に取り付けた内外夫々のゴムエッジ１８_１、１８_２の変形を一定に保つことにより、ゴムエッジと上位剪断箱の底面間の接触圧力を常にサンプル内で発生する間隙水圧より高い値に保ち、間隙水圧水の漏れを防ぎ、試料内の剪断ゾーンに近接したところに取り付けられたフィルター付きの溝１７_１に連結された間隙水圧計１７_２により、サンプル内で発生する間隙水圧を正確に計測できる。

以下図１に基づいて説明する。
サンプルを収容保持する手段Ａは、ドーナツ状の下位側壁部材３_１、３_２を底板２上に一定間隔を保って内外同心円上に対向配置することで、相対する両側壁部材３_１、３_２間と底板２とによりサンプルを収容する環状の下位剪断箱３を形成し、両下位側壁部材３_１、３_２並びに底板２を後述の回転台座１と共に回動するようにしている。

更に、前記下位側壁部材３_１、３_２の上位には同様の内側壁部材５_１と外側壁部材５_２とを一定間隔を保って内外同心円上に対向配置し、且つ下位側壁部材３_１、３_２の各上端と互いに当接させて固定天板６の下面に着脱自由に取着して上位剪断箱５を形成し、前記下位剪断箱３と上位剪断箱５とに跨がってサンプルを保持するようにしている。

次に、剪断力付加手段Ｂは、下方に設けた水平固定台板２３に作動軸１０を垂直軸受け２１の鞘軸部により直立保持し、垂直軸受け２１の外側にはベアリング２０を介して回転台座１を回動自由に枢設している。回転台座１の下面にはリング状歯車１９_２を定着し、前記固定台板２３の下位に枢設した剪断用ハンドル３１からの回転動作を受けて回転する小歯車１９_１と外接して噛み合わせて、小歯車１９_１の転動により回転台座１を回動するようにしている。

一方、サンプルに荷重を付加する荷重載架手段Ｃは、上位剪断箱５の天板６を複数本の加圧杆８、８・にて摺動自由に縦貫挿通し、その下端を上位側壁部材５_１、５_２の保持溝内に嵌入したドーナツ状のサンプル加圧板７に当接させると共に、加圧杆８、８・の上端はシリンダー１１の支持板９の下面に取着しており、またシリンダー１１内には支持板９を貫通する前記作動軸１０の上端をピストン１２に取り付けており、ピストン１２の上端面とシリンダー１１の内面との間にスプリング１３を介在させ載荷・除荷制御の向上をはかっている。

更に上記作動軸１０の下部は、水平固定台板２３から下向突設した複数本の支持杆２４、２４・によって支持されるシリンダー内のピストン２９のピストン杆２５との間にロードセル２６を介して連設している。しかもピストン２９の下端面と下部シリンダー２８との間にスプリング３０を介在させ制御精度を高めている。

次に一連動作について述べると、先ず下位側壁部材３_１、３_２と底板２からなる下位剪断箱３内のサンプル座板４と、上位の両側壁部材５_１、５_２にて囲まれた上位剪断箱５内に現場で採取したサンプルａを収容し、サンプルａの上面にサンプル加圧板７を載置し、サンプル加圧板７の上面を加圧杆８、８・にて加圧するようにしている。

上述のようにサンプルを装置本体に装填した後、送入口ｂ_１にねじ式ポンプを接続して、流体（温度変性しない液体）例えばオイルなどを送り込むことにより作動軸１０を引き上げ、その際の反力を用いて加圧杆８を矢印方向へ押し下げ、その下端に取り付けられた加圧板７によりサンプルａに圧力を載荷する。

サンプルに一定圧力をかけた状態で剪断用ハンドル３１を手動で回すことにより、ハンドル３１と連動する小歯車１９_１が連動し、リング状歯車１９_２を介して回転台座１が水平固定台板２３に支持された状態で回動し、これに伴って下位側壁部材３_１、３_２も底板２と共にサンプルａを保持した儘作動軸１０を中心に回動する。

上記動作において、サンプルａの剪断面付近に発生する間隙水圧を高精度の間隙水圧計１７_２で計測すると共に、ウイングに付設した左右二本のセンサー１６_１、１６_２にて剪断力を計測する。

剪断荷重載荷中にはサンプルａが膨脹あるいは収縮しようとする際に上位剪断箱５とサンプル間に作用する側面摩擦力により上下剪断箱間の間隙（ギャップ）が変化しようとする。間隙の変化によりゴムエッジ１８_１、１８_２にかかる圧力が変化し間隙水が漏れることを防ぐために、微小変位計（ギャップセンサー）２７により作動軸１０とこれに固定した剪断力測定用アーム１５を介して上下剪断箱間の間隙を正確に計測し、常にゴムエッジの変形を一定に保つように下部シリンダー２８に送入口ｂ_２より流体を出し入れすることにより、ゴムエッジにかかる圧力を一定に保つものである。

本発明の特徴はコンパクトな可搬型であると共に剪断面付近に発生する間隙水圧を正確に計測可能なシステムを有すること並びに中心の作動軸１０を上下動しないようにして、ピストン１２を定位置に保持することによりシリンダー１１が上下に移動し、このことによって加圧杆８、８・によりサンプルａに作用する垂直荷重は一個のロードセル２６によって計測するようにしていることである。

本発明は可搬式としているため土砂災害についての専門機関例えば大学等の研究施設で利用できる事はもとより、それ以外の装置開発の施設でも利用でき、最も有効な利用方法は災害の発生現場或いは災害発生予想地へ運び込み夫々の現場の土砂についてデータ収集し、災害予防に役立てることができる等幅広く各分野での利用が可能である。

本発明実施例を示す中央縦断側面図 要部拡大図 図１の外観側面図 同上平面図

ａ サンプル
ｂ_１、ｂ_２ 送入口
１ 回転台座
３ 下位剪断箱
３_１、３_２ 下位側壁部材
５ 上位剪断箱
５_１、５_２ 上位側壁部材
６ 固定天板
７ サンプル加圧板
８ 加圧杆
９ 支持板
１０ 作動軸
１１ シリンダー（垂直負荷用）
１２ ピストン（垂直負荷用）
１３ スプリング（垂直負荷用）
１４ 垂直変位計
１５ 剪断力計測用アーム
１６_１、１６_２ 剪断力計
１７_１ フィルター付き溝
１７_２ 間隙水圧計
１８_１、１８_２ ゴムエッジ
１９_１ 小歯車
１９_２ リング状歯車
２０ ベアリング
２１ 垂直軸受け
２２ 剪断変位計
２３ 水平固定台板
２４ 支持杆
２５ ピストン杆
２６ ロードセル
２７ 微小変位計（ギャップセンサー）
２８ 下部シリンダー（ギャップ調整用）
２９ ピストン（ギャップ調整用）
３０ スプリング（ギャップ調整用）

Claims (3)

1. 中央の作動軸１０の上端を上部シリンダー１１内のピストン１２と接続し、作動軸１０の下端部と下部シリンダー２８内のピストン杆２５上端との間にロードセル２６を介在し、上部シリンダー１１の支持板９の下面と上位剪断箱５内のサンプル上面に載置したサンプル加圧板７とを複数個の加圧杆８、８にて接続し、前記シリンダー支持板９とピストン１２との間に液圧を作用させることにより上位剪断箱５及び下部剪断箱３内に保持されたサンプルに荷重を載架して上位内外側壁部材５_１、５_２に作用する摩擦力を相殺するようになし、上下剪断箱５及び３の境界面近傍のサンプル内に形成される剪断面に作用する有効荷重を一個のロードセル２６にて計測するようにしてなる地滑り予測用現場試験装置
2. 下位剪断箱３の上位剪断箱５と相対する面に非排水用のゴムエッジ１８_１、１８_２を設置したことを特徴とする請求項１記載の地滑り予測用現場試験装置
3. 上位剪断箱５を構成する上位外側壁部材５_２の内面に臨む部分に非排水剪断試験中にサンプル内に発生する間隙水圧を剪断箱外部に伝達する環状の検出溝を設け、剪断箱外面に取り付けられた間隙水圧計１７_２にて計測することを特徴とする請求項１記載の地滑り予測用現場試験装置

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