JP2013148351A - 透水試験装置及び透水試験設備 - Google Patents

Abstract

【課題】設置スペースが小さいにもかかわらず、両透水試験が可能な透水試験装置及び透水試験設備を提供する。
【解決手段】透水試験装置は、定水位透水試験が可能な状態と変水位透水試験が可能な状態とで切り替え自在な透水試験機４０と、透水試験機４０を制御する透水試験制御機５０とを備える。透水試験機４０は、試料９０を収納する試料容器４１と、側部に排出口を有し、試料容器４１の上端から起立した姿勢の貯水筒４２と、貯水筒４２の排出口に設けられた排出管４３と、側部に採水口を有し、試料容器４１が浸水するように試験用水を貯める貯水タンク４４と、貯水タンク４４の採水口に設けられた採水管４５と、貯水筒４２や貯水タンク４４へ試験用水を供給する水供給機４７と、水位センサユニット４８と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料の透水試験を行う透水試験装置、及び透水試験装置を有する透水試験設備に関する。

従来、土壌の透水係数を測定する方法として、一定の水位差の下、一定時間内に土壌に浸透する水量を測定する定水位透水試験や、ある水位差を初期状態として土壌に浸透するときの水位の降下量及びその降下に要した時間を測定する変水位透水試験が知られている（例えば、非特許文献１）。一般に、定水位透水試験は、透水係数が比較的大きい土に、変水位透水試験は、透水係数が比較的小さい土に適用される。したがって、この透水試験を行う場合には、土壌の透水性に応じて、定水位透水試験装置及び変水位透水試験装置のいずれかを選択していた。

これらの透水試験は非常に専門的な試験であること、及び、各透水試験を行うものが土壌物理の研究者またはこの研究者の指導を受けた者等（以下、土壌物理専門家と称する）に限られていたため、従来の透水試験は、土壌物理専門家によるマニュアル操作で十分であった。また、透水試験を開始すべきタイミング（土壌を浸透する水の量がある程度安定した状態）であるか否かは、土壌物理専門家による目視によって判断していた。

土の透水試験方法（ＪＩＳ Ａ １２１８ ２００９）

近年、環境調査などを目的として、土壌の性質の計測の需要が高まっているため、前述したような土壌物理専門家以外のものが透水試験を行うケースが増えてきている。しかしながら、土壌物理専門家以外の者がマニュアル操作で試験を行うと、精度の高い測定結果を得ることができない。

また、前述のとおり、両透水試験は、それぞれ専用の装置が必要であるため、あらゆる土壌の透水係数を測定するためには、両方の装置をそれぞれ用意する必要がある。このため、あらゆる土壌の透水試験に対応するためには、非常に大きな設置スペースが必要となってしまう。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、設置スペースが小さいにもかかわらず、両透水試験が可能な透水試験装置及び透水試験設備を提供することを目的としている。

本発明者の鋭意研究により、上記目的は以下の手段によって達成される。

試料の透水試験を行う透水試験装置であって、前記試料を収容し水が透過可能な透水部を上部及び下部に有する試料容器と、起立する姿勢で配され、下方の開口端が前記試料容器の上部に当接し、側部に排水口が形成された貯水筒と、前記試料容器の下部よりも上方に位置する側部に採水口を有し、内部に収容された前記試料容器の下部から出た水を貯めて前記採水口から出す貯水タンクと、前記貯水タンクまたは前記貯水筒へ前記水を供給する水供給機と、前記貯水筒における複数の水位を検知する水位センサと、前記水供給機の運転・停止を制御する水供給制御部及び前記水位センサから出力されたセンシング信号の有無を検知する信号検知部を有する試験ユニットと、を備え、前記試験ユニットは、前記貯水筒の水位が前記排水口に達している状態で、試験時間内に前記採水口から出た前記水の量を測定する第１試験状態、及び前記貯水筒における水位の降下量及び当該降下に要した時間を前記水位センサによって測定する第２試験状態の間で遷移自在であることを特徴とする。

前記排水口の開閉操作を行う排水口開閉具と、前記採水口の開閉操作を行う採水口開閉具と、前記採水口開閉具及び排水口開閉具の開閉操作を行う開閉制御部と、を備えたことが好ましい。また、前記試験時間及び前記降下に要した時間を測定するタイマと、前記試験時間において前記採水口から出た前記水の量を測定する水量計測機と、を備えたことが好ましい。

前記透水試験に関する測定結果を出力する結果出力機を備え、前記第１試験状態に関する測定結果には、前記試験時間と当該試験時間内に前記採水口から出た前記水の量とが含まれ、前記第２試験状態に関する測定結果には、前記水位センサによって検知された前記複数の水位間の変動に要する時間が含まれることが好ましい。また、前記第１試験状態に関する測定結果には、前記試験時間内において前記水量計測機が検知した前記水の量の履歴が含まれることが好ましい。

前記排水口は、前記貯水筒の周方向に延びるように開口することが好ましい。また、前記貯水筒の周方向における前記排水口の長さは、前記貯水筒の内径以上であることが好ましい。

前記水供給機及び前記貯水タンクをつなぎ、前記試料容器の下部から水を供給するタンク給水配管を備えたことが好ましい。また、前記貯水タンクの底部は下方に向かって内径が漸減するテーパ状に形成され、前記タンク給水配管の一端がテーパ面に開口することが好ましい。さらに、前記貯水タンクの底面から突出し、前記底面の中心部の周囲を回りながら、前記中心部に近づくように延びるらせん突起を有することが好ましい。

前記試料容器内の前記試料が前記水に浸された状態で、前記試料容器の上部に設けられた前記貫通孔を介して前記試料容器内の気体を吸引することにより、前記試料への前記水の浸透を促進させる浸透促進ユニットを備えたことが好ましい。
透水試験設備は、上記の透水試験装置と、前記透水試験装置の前記水供給機へ送るための前記水をつくる調製装置と、を備え、前記調製装置は、前記水を貯留する予備タンクと、前記予備タンクに貯留する前記水を超音波振動させる超音波振動機と、前記予備タンク及び前記水供給機をつなぐ予備タンク給水配管と、を備えることを特徴とする。
また、前記予備タンクに対して前記透水試験装置が並列に接続されていることが好ましい。

本発明によれば、１台で両透水試験が可能となるため、あらゆる土壌の透水係数の測定が可能でありながら、設置スペースは従来に比べて小さくて済む。

透水試験設備の概要を示す説明図である。 操作パネル、調製装置、及び調製制御機の概要を示す機能ブロック図である。 透水試験機の概要を示す断面図である。 側部に排水口を有する貯水筒の概要を示す斜視図である。 操作パネル、透水試験機、及び透水試験制御機の概要を示す機能ブロック図である。 吸水口を底部の斜面に有する貯水タンクの概要を示す断面図である。 貯水タンクの底部の概要を示すＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 調製装置に対し透水試験装置が並列に接続された透水試験設備の概要を示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。

図１に示すように、透水試験設備１０は、水源（例えば、水道水）から供給された水を用いて試験用水をつくる調製装置２０と、調製装置２０を制御する調製制御機３０と、試験用水を用いて試料の透水係数を測定する透水試験機４０と、透水試験機４０を制御する透水試験制御機５０と、調製装置２０及び透水試験機４０の操作を行うための操作パネル７０と、を備える。なお、透水試験装置６０は、透水試験機４０と透水試験制御機５０とからなる。

操作パネル７０は、調製制御機３０及び透水試験制御機５０と電気的に接続する。操作パネル７０は、定水位透水試験・変水位透水試験のいずれかを選択するための試験選択ボタン７１と、選択された試験を実行するための実行ボタン７２と、を有する。実行ボタン７２が操作されると、試験選択ボタン７１の操作によって選択された透水試験の実行信号が、調製制御機３０及び透水試験制御機５０へ出力される。

調製装置２０は、水を貯留する予備タンク２１と、水源から予備タンク２１へ水を供給する給水機２２と、予備タンク２１に貯留する水を超音波振動させる超音波振動機２３と、予備タンク２１に貯留する試験用水を透水試験機４０へ送るための送水管２４と、減圧機２６と、を有する。

予備タンク２１は、温度センサ２１Ｔと、水位センサ２１Ｓとを有する。温度センサ２１Ｔは、予備タンク２１に貯留する水の温度を測定する。水位センサ２１Ｓは予備タンク２１における水位を測定する。給水機２２は、水源及び予備タンク２１をつなぐ給水管２２Ａと、給水管２２Ａに設けられ、給水管２２Ａを閉状態・開状態に切り替える弁２２Ｂと、有する。超音波振動機２３は、超音波振動子を内蔵し、予備タンク２１（例えば、底面）に取り付けられる。超音波振動機２３は、超音波振動子の駆動により、予備タンク２１を所定の周波数で振動可能である。

減圧機２６は、予備タンク２１内のガスを吸引して、予備タンク２１内を減圧するものであり、真空ポンプ２６Ｐと、予備タンク２１の天井部に開口する真空口及び真空ポンプ２６Ｐを連通する真空配管２６Ｔと、を有する。真空ポンプ２６Ｐは、例えば、真空度８０ｋＰａ以上を保持できることが好ましい。真空ポンプ２６Ｐを運転すると、予備タンク２１内が減圧される。予備タンク２１内の減圧の結果、予備タンク２１にたまった水に含まれるガス成分は、予備タンクから真空配管２６Ｔを通って、外部へ放出される。ここで、ガス成分は、気体として含まれるもの、水に溶解しているものを含む。

図２に示すように、調製制御機３０は、操作パネル７０からの透水試験実行信号を受信する受信部３１と、弁２２Ｂや真空ポンプ２６Ｐを制御する弁・ポンプ制御部３２と、温度センサ２１Ｔや水位センサ２１Ｓからのセンシング信号を受信するセンサ受信部３３と、超音波振動機２３を制御する超音波制御部３４と、各部３１〜３４を統括するメインコントローラ部３９とを有する。

図１に戻って、透水試験機４０は、試料９０を収納する試料容器４１と、側部に排出口を有し、試料容器４１の上端から起立するように設けられた貯水筒４２と、貯水筒４２の排出口に設けられる排出管４３と、側部に採水口を有し、試料容器４１が浸水するように試験用水を貯める貯水タンク４４と、貯水タンク４４の採水口に設けられる採水管４５と、採水管４５から送り出された水を受ける水量検知機４６と、貯水筒４２や貯水タンク４４へ試験用水を供給する水供給機４７と、貯水筒４２内の水位を検知するための水位センサユニット４８と、測定結果の履歴を出力する結果出力機４９とを備える。

図３に示すように、試料９０を収容する試料容器４１は、垂直方向に起立する姿勢で配された筒本体４１Ｃと、筒本体４１Ｃの上方開口端に設けられた上蓋ユニット４１Ｕと、筒本体４１Ｃの下方開口端に設けられた下蓋ユニット４１Ｄと、を有する。そして、筒本体４１Ｃ、上蓋ユニット４１Ｕ及び下蓋ユニット４１Ｄに囲まれた部分に、試料９０の収容スペースが形成される。以後、収容スペースに収容された試料９０を試料体と称する。なお、筒本体４１Ｃは斜め方向に起立する姿勢で配されていてもよい。

筒本体４１Ｃは、試料９０の最大粒径に比べて十分に大きい内径(例えば、１０ｃｍ)及び長さ（例えば、１２ｃｍ）を持つ円筒形である。筒本体４１Ｃの内径及び長さは、試料９０の最大粒径の１０倍以上である。なお、粒径幅の広い試料に関しては、筒本体４１Ｃの内径及び長さが試料９０の最大粒径の５倍以上としてもよい。

上蓋ユニット４１Ｕは、水が透過可能な、すなわち透水性を有するものであり、フィルタ４１ＵＦと、金網４１ＵＮと、有孔板４１ＵＢとを有する。フィルタ４１ＵＦと、金網４１ＵＮと、有孔板４１ＵＢとは、下から上に向かってこの順に重なる。同様に、下蓋ユニット４１Ｄは、透水性を有するものであり、フィルタ４１ＤＦ、金網４１ＤＮ、有孔板４１ＤＢが、上から下に向かってこの順に重なる。

フィルタ４１ＵＦ、４１ＤＦは、試料９０の１０倍以上の透水係数をもつ粗砂または多孔板で、その合計長さは、試料体の長さＬの０．２倍以下のものが好ましい。金網４１ＵＮ、４１ＤＮは、耐食性を有し、その目の開きは、通常４２５μｍである。有孔板４１ＵＢ、４１ＤＢは、耐食性を有し、水平に配され、厚み方向、すなわち垂直方向へ延びる貫通孔４１ＵＸ、４１ＤＸが形成される。

垂直方向に起立する姿勢で配された貯水筒４２は、高さ方向において内径が一定の上筒部４２Ｕと、下方の開口径は上蓋ユニット４１Ｕに、上方の開口径は上筒部４２Ｕにほぼ等しい下筒部４２Ｄとを有する。下筒部４２Ｄの下方開口端は、貯水筒４２の中空部が有孔板４１ＵＢの貫通孔３１ＵＸと連通するように、有孔板４１ＵＢと当接する。変水位透水試験において水位の変動を検知しやすくするために、貯水筒４２の内径は小さい方が好ましい。したがって、下筒部４２Ｄは、下から上に向かうにしたがって内径が漸減することが好ましい。上筒部４２Ｕの側部には、貯水筒４２にたまった水を外部へ排出するための排水口４２ＵＹが開口する。

排出管４３は、貯水筒４２にたまった水の流路を形成する管本体４３Ａと、排水弁４３Ｂとを有する。排水弁４３Ｂは、管本体４３Ａを閉状態・開状態に切り替える自在である。管本体４３Ａは、ほぼ直線状に形成され、排水口４２ＵＹと連通する一の開口端は、他の開口端よりも高い位置となる。一の開口端は、排水口４２ＵＹ全体を覆うような形状に形成される。これにより、排水口４２ＵＹからあふれ出た試験用水は管本体４３Ａ内を流通する。

水位センサユニット４８は、上筒部４２Ｕ内に設けられるものであり、排水口４２ＵＹとほぼ同じ高さに位置する定水位センサ４８Ｔと、定水位センサ４８Ｔ及び筒給水口４２ＵＸの間において上から下に向かってこの順で並ぶ変水位第１センサ４８Ａ〜変水位第３センサ４８Ｃとを有する。上筒部４２Ｕ内には、第１水位４８ＡＳと第２水位４８ＢＳと第３水位４８ＣＳとが、上から下に向かってこの順で並ぶ。なお、定水位センサ４８Ｔと、変水位第１センサ４８Ａ〜変水位第３センサ４８Ｃとが一体に形成されていてもよい。

定水位センサ４８Ｔは、貯水筒４２内における水位が排水口４２ＵＹの下端４２ＵＢに位置するか否かを検知するものである。なお、排水口４２ＵＹは、定水位透水試験のために、採水口４４ＤＹから下端４２ＵＢまでの高さが所定の高さとなるように設定される。 また、変水位第１センサ４８Ａは、貯水筒４２内における水位が予め設定された第１水位４８ＡＳに位置することを検知したときに、所定の検知信号を出力する。同様に、変水位第２センサ４８Ｂは、貯水筒４２内における水位が予め設定された第２水位４８ＢＳに位置することを検知したときに、変水位第３センサ４８Ｃは、貯水筒４２内における水位が予め設定された第３水位４８ＣＳに位置することを検知したときに、それぞれ所定の検知信号を出力する。

図４に示すように、排水口４２ＵＹは、上筒部４２Ｕの周方向に長く延びる。上筒部４２Ｕの内周方向における排水口４２ＵＹの開口長さＬ_４２ＵＹは、できるだけ長い方が好ましく、例えば、上筒部４２Ｕの内径以上であることが好ましい。また、上筒部４２Ｕの内周の全長をＬ_４２Ｕとすると、開口率（＝Ｌ_４２ＵＹ／Ｌ_４２Ｕ）は、例えば、３５％以上であることが好ましい。

図３に戻って、排水口４２ＵＹよりも下方に位置する上筒部４２Ｕの側部には、筒給水口４２ＵＸが開口する。筒給水口４２ＵＸは、貯水筒４２の中心部分を介して、排水口４２ＵＹと対向することが好ましい。

円筒状の貯水タンク４４は、試料容器４１の下部から出た試験用水を貯めて採水口４４ＤＹから出すものであり、下筒部４２Ｄの下方部分及び試料容器４１を収容する下方タンク部４４Ｄと、下筒部４２Ｄの上方部分及び上筒部４２Ｕを収容する上方タンク部４４Ｕと、を備える。下方タンク部４４Ｄは、下方に向かって内径が漸減するテーパ状の底部を有する下方タンク本体４４ＤＡと、下方タンク本体４４ＤＡ内に配され、試料容器４１を支持する支持板４４ＤＢと、を有する。下方タンク本体４４ＤＡは、底面にタンク給水口４４ＤＸを有し、側部に採水口４４ＤＹを有する。採水口４４ＤＹは、試料容器４１の下部（例えば、下蓋ユニット４１Ｄ）よりも上方に形成される。略円板状に形成された支持板４４ＤＢは、試料容器４１を上面で支持するように水平に配され、その周縁部が下方タンク部４４Ｄの側部に取り付けられる。これにより、支持板４４ＤＢは、底部から離隔するように下方タンク部４４Ｄに設けられる。こうして、下方タンク本体４４ＤＡと試料容器４１との間には、貯水ゾーン４４Ｚが形成される。また、支持板４４ＤＢには、厚み方向、すなわち垂直方向へ延びる貫通孔４４ＤＥが形成される。こうして、タンク給水口４４ＤＸから供給された試験用水は、貫通孔４４ＤＥを通り、次いで試料容器４１の貫通孔４１ＤＸを通って、試料９０へ到達可能となる。

採水管４５は、下方タンク本体４４ＤＡからあふれ出る水の流路を形成する管本体４５Ａと、採水弁４５Ｂとを有する。採水弁４５Ｂは、管本体４５Ａを閉状態・開状態に切り替え自在である。採水管４５は、ほぼ直線状に形成され、採水口４４ＤＹと連通する一の開口端は、他の開口端よりも高い位置となる。

水量検知機４６は、採水管４５から送り出された水を受ける容器４６Ａと、容器４６Ａにたまった水の質量を測定する質量測定部４６Ｂと、を有する。容器４６Ａは、採水管４５の他の開口端の下方に配されるため、他の開口端から落下した水を受けることができる。

図１に戻って、水供給機４７は、第１〜第３の口（図示しない）を有し第１の口が送水管２４に接続する三方弁４７Ｂと、三方弁４７Ｂの第２の口及びタンク給水口４４ＤＸ（図３参照）を連通する下方給水配管４７ＴＤと、三方弁４７Ｂの第３の口及び筒給水口４２ＵＸ（図３参照）を連通する上方給水配管４７ＴＵと、送水管２４に設けられた給水ポンプ４７Ｐと、を備える。三方弁４７Ｂは、送水管２４及び下方給水配管４７ＴＤをつなぐ下方給水状態と、送水管２４及び上方給水配管４７ＴＵをつなぐ上方給水状態と、３つの各配管２４、４７ＴＵ、４７ＴＤがすべて遮断された状態（遮断状態）との間を遷移自在である。

また、貯水筒４２の上方開口端は、真空配管２６Ｕによって真空ポンプ２６Ｐと接続する。真空配管２６Ｕは上方タンク部４４Ｕ（図３参照）の上部を貫通して真空ポンプ２６Ｐまで延びるため、貯水筒４２（図３参照）の中空部は真空ポンプ２６Ｐと連通する。真空配管２６Ｕには真空弁２６ＵＢが設けられる。真空弁２６ＵＢは、真空配管２６Ｕの開閉を行う。真空ポンプ２６Ｐと真空配管２６Ｕと弁２６ＵＢとは、試料９０への試験用水の浸透を促進する浸透促進機構２８を構成する。

また、下方給水配管４７ＴＤには給排切換弁４７ＣＢが設けられる。給排切換弁３７ＣＢは、予備タンク２１からの試験用水を下方タンク部４４Ｄへ供給する給水状態と、下方タンク部４４Ｄにたまった試験用水を外部へ排出する排水状態との間で遷移自在である。

結果出力機４９は、測定結果及び測定時刻を出力する。出力する形態としては、測定結果及び測定時刻を紙（例えば、チャート紙）へ出力するものでもよいし、メモリやハードディスクなどの記憶装置に記憶させるものでもよい。

図５に示すように、透水試験制御機５０は、操作パネル７０からの透水試験実行信号を受信する受信部５１と、各弁２６ＵＢ、４３Ｂ、４５Ｂ、４７Ｂ、４７ＣＢや、各ポンプ２６Ｐ、４７Ｐを制御する弁・ポンプ制御部５２と、水位センサユニット４８や温度センサ２１Ｔからのセンシング信号を受信するセンサ受信部５３と、水量検知機４６を制御する水量検知制御部５４と、所定の時間を計測するタイマ５５と、結果出力機４９を制御する出力制御部５６と、各部５１〜５６を統括するメインコントローラ部５９とを有する。なお、図５では、温度センサ２１Ｔが透水試験機４０に含まれないように示しているが、温度センサ２１Ｔを透水試験機４０に含めてもよい。また、センサ受信部５３と、水量検知機４６を制御する水量検知制御部５４とから試験ユニットが構成される。また、試験ユニットに弁・ポンプ制御部５２を含めてもよい。

次に、透水試験機４０において行われる透水試験、及び透水試験に先立って行われる準備工程について説明する。

準備工程では、水を予備タンク２１に注ぐ注水工程と、試験用水をつくるための脱気工程と、試料９０を試験用水によって十分に湿った状態（飽和状態）にする飽和工程とが行われる。以下、図１〜２を用いて、脱気工程及び飽和工程を説明する。

注水工程では、まず、試料容器４１内に試料９０を収容する。操作パネル７０から出力された透水試験の実行信号が調製制御機３０に入力される。受信部３１が透水試験の実行信号の入力を検知すると、メインコントローラ部３９は、弁・ポンプ制御部３２を介して、弁２２Ｂを開く。こうして、水源からの水が予備タンク２１にたまる。予備タンク２１における水位が、あらかじめ設定された基準水位に到達すると、予備タンク２１に設けられた水位センサ２１Ｓは、基準水位に到達した旨を検知する。水位センサからの検知信号を受信したメインコントローラ部３９は、弁・ポンプ制御部３２を介して、弁２２Ｂを閉じる。

注水工程の終了後、脱気工程が行われる。

脱気工程では、まず、メインコントローラ部３９が、超音波制御部３４を介して、超音波振動子を駆動する。この結果、予備タンク２１にたまった水は、超音波振動される。所定の時間が経過後、メインコントローラ部３９は、超音波制御部３４を介して超音波振動子を停止する。水の超音波振動により、予備タンク２１にたまった水からガス成分を取り除くことができる。ガス成分が取り出された水は、試料に浸透しやすい。このため、ガス成分が取り出された水を試験用水として用いると、飽和工程の短縮化を図ることができる。また、後述の飽和工程において、脱気工程を経ていない試験用水、すなわちガス成分を含む試験用水を用いた場合、試験用水に含まれるガス成分と試料に含まれるガス成分とが結合する結果、より大きな体積を占めるガス成分（以下、ガスクラスターと称する）ができてしまう。このガスクラスターは、試験用水や試料に含まれるガス成分を取り込むことによって成長しながら、浮力によって上方に向かって移動しようとする。このようなガスクラスターの生成・移動によって、試料の物理的状態が変化する結果、当初状態の試料における透水係数を測定することができなくなってしまう。そこで、飽和工程に先立って脱気工程を行う、すなわちガス成分が取り出された水を用いて飽和工程を行えば、ガスクラスターの生成を抑える結果、当初の状態の試料について透水係数を測定することができる。

なお、脱気工程において、減圧機２６を用いて、予備タンク２１内を減圧してもよい。
メインコントローラ部３９は、弁・ポンプ制御部３２を介して、真空ポンプ２６Ｐを運転することにより、予備タンク２１内を減圧することができる。予備タンク２１の減圧により、より短時間のうちにガス成分を予備タンク２１内の水から取り出すことができる。予備タンク２１内の減圧は、予備タンク２１内にある水の超音波振動と同時に行ってもよいし、水の超音波振動よりも先または後に行ってもよい。脱気工程の終了時、メインコントローラ部３９は、弁・ポンプ制御部３２を介して、真空ポンプ２６Ｐを停止する。

脱気工程の終了後、飽和工程が行われる。

図１、３、５に示すように、飽和工程では、まず、メインコントローラ部５９は、給水ポンプ４７Ｐを運転するとともに、弁４７Ｂを下方給水状態に、給排切換弁４７ＣＢを給水状態にセットする。これにより、試験用水、すなわち脱気工程が行われた水が、貯水タンク４４へ供給される。メインコントローラ部５９は、水量検知機４６において質量変動があったことを検知したのち、弁・ポンプ制御部５２を介して、弁４５Ｂを閉じる。これにより、試験用水を採水口４４ＤＹまで貯めることができる。なお、弁４５Ｂは、飽和工程の当初から閉じておいてもよい。

図１、３に示すように、下方給水配管４７ＴＤを介して行われる試験用水の供給は、水位センサユニット４８によって所定の水位（例えば、第１水位４８ＡＳ〜第３水位４８ＣＳ）に到達するまで行われる。例えば、下方給水配管４７ＴＤを介して行われる試験用水の供給を、貯水筒４２における水位が第３水位４８ＣＳに到達するまで行う場合に、次のようにすればよい。図３、５に示すように、変水位第３センサ４８Ｃが、貯水筒４２内における水位が第３水位４８ＣＳに到達したことを検知した場合には、メインコントローラ部５９は、弁・ポンプ制御部５２を介して、弁４７Ｂを上方給水状態にする。これにより、第３水位４８ＣＳよりも下方にある筒給水口４２ＵＸから、試験用水を供給することができるため、貯水筒４２にたまる試験用水にあらたなガス成分を含ませることなく、試験用水を供給することができる。定水位センサ４８Ｔの検知信号が入力されると、メインコントローラ部５９は、排水弁４３Ｂを閉じる。なお、排水弁４３Ｂは、飽和工程の当初から閉じておいてもよい。

次に、メインコントローラ部５９は、弁２６ＵＢを開くとともに、真空ポンプ２６Ｐを運転する。真空ポンプ２６Ｐの運転により、貯水筒４２内を減圧することができる。貯水筒４２内の減圧により、試料９０に含まれるガス成分を短時間に取り出すことができる。真空ポンプ２６Ｐ等を有する浸透促進機構２８によって、試料９０を短時間で飽和状態に到達させることができる。メインコントローラ部５９は、貯水筒４２内の減圧開始から所定の時間が経過すると、弁２６ＵＢを閉じるとともに、真空ポンプ２６Ｐを停止する。

飽和工程の終了後、メインコントローラ部５９は、操作パネル７０からの透水試験実行信号に基づいて、定水位透水試験と変水位透水試験とのうちいずれか一方を行う。

次に、定水位透水試験について説明する。まず、メインコントローラ部５９は、弁４７Ｂを上方給水状態にセットし、給水ポンプ４７Ｐを運転する。さらに、メインコントローラ部３９は、各弁４３Ｂ、４５Ｂを開く。給水ポンプ４７Ｐは、採水口４４ＤＹからあふれでる試験用水の量に比べて多量の試験用水を供給するため、貯水筒４２における水位は、排水口４２ＵＹの下端４２ＵＢのままとなる。メインコントローラ部５９は、貯水筒４２内における水位が排水口４２ＵＹの下端４２ＵＢに位置することを定水位センサ４８Ｔが検知した状態で、定水位透水試験を開始する。

定水位透水試験の開始後、メインコントローラ部５９は、採水口４４ＤＹからあふれでた試験用水の質量を、水量検知機４６から読み取る。水量検知機４６から試験用水の質量Ｗを読み取るタイミングは、一定期間ごと（例えば、０．１秒ごと）に、または連続的のいずれでもよい。メインコントローラ部５９による試験用水の質量の読み取りは、予備タンク２１における試験用水がなくなるまで、また、採水口４４ＤＹからあふれ出た試験用水の質量が一定値（例えば、３００ｇ）に達するまで行われる。

さらに、定水位透水試験中において、メインコントローラ部５９は、タイマ５５から測定時刻Ｔを読み込む。予備タンク２１における試験用水がなくなるか、採水口４４ＤＹからあふれ出た試験用水の質量が一定値（例えば、３００ｇ）に達すると、定水位透水試験が終了する。

定水位透水試験の終了後、メインコントローラ部５９は、給水ポンプ４７Ｐを停止するとともに、各弁４３Ｂ、４５Ｂを閉じ、給排切換弁４７ＣＢを排水状態にする。

メインコントローラ部５９は、読み取った試験用水の質量Ｗと、質量Ｗを読み取ったときにタイマ５５から読み取った測定時刻Ｔとを対にして内蔵メモリに格納する。その後、出力制御部５６は、内蔵メモリに格納された試験用水の質量Ｗ及び測定時刻Ｔを対にして、結果出力機４９へ出力する。

温度Ｔ（℃）における透水係数ｋ_Ｔ（ｍ／秒）は、ＪＩＳ Ａ １２１８（２００９）に従う次式より求められる。

ここで、ｈは水位差（単位；ｃｍ）である。また、Ｗは、採水量（単位；ｇ）、ｔ_Ｓは定水位透水試験の開始時間（単位；秒）、ｔ_Ｆは、定水位透水試験の終了時間（単位；秒）である。

水位差ｈは、採水口４４ＤＹの下端から排水口４２ＵＹの下端４２ＵＢまでの高さである。採水量Ｗは、水量検知機４６において、試験開始時を基準としたときの試験用水の質量Ｗの増加量である。

なお、採水量Ｗは、読み取った試験用水の質量ではなく、採水口からあふれでた試験用水の体積としてもよい。この場合において、予備タンク２１における試験用水がなくなるまで、また、採水口４４ＤＹからあふれ出た試験用水の体積が一定値（例えば、３００ｍｌ）に達するまで行ってもよい。

次に、変水位透水試験について説明する。

メインコントローラ部５９は、弁４７Ｂを上方給水状態にセットし、ポンプ４７Ｐを運転する。さらに、メインコントローラ部５９は、各弁４３Ｂ、４５Ｂを開く。給水ポンプ４７Ｐは、採水口４４ＤＹからあふれでる試験用水の量に比べて多量の試験用水を供給するため、貯水筒４２における水位は、排水口４２ＵＹの下端４２ＵＢで維持される（Ｓ１）。

メインコントローラ部５９は、定水位センサ４８Ｔからの検知信号が受信部５１に入力されている状態で、ポンプ４７Ｐを停止する。ポンプ４７Ｐの停止により、変水位透水試験が開始する（Ｓ２）。

変水位透水試験の開始後、メインコントローラ部５９は、変水位第１センサ４８Ａ〜変水位第３センサ４８Ｃからの検知信号の有無を判定する（Ｓ３）。メインコントローラ部５９は、変水位第１センサ４８Ａからのセンシング信号を検知すると、タイマ５５から測定時刻を読み取る。変水位第１センサ４８Ａからのセンシング信号を検知したときの測定時刻を第１測定時刻Ｔ１とする（Ｓ４）。メインコントローラ部５９は、変水位第２センサ４８Ｂからのセンシング信号を検知すると、タイマ５５から測定時刻（第２測定時刻Ｔ２）を読み取り（Ｓ５）、変水位第３センサ４８Ｃからのセンシング信号を検知すると、タイマ５５から測定時刻（第３測定時刻Ｔ３）を読み取る（Ｓ６）。上述したＳ１〜Ｓ６までを複数回（例えば、３回）繰り返してもよい。

その後、メインコントローラ部５９は、給排切換弁３７ＣＢを排水状態にする。

メインコントローラ部５９は、タイマ５５から読み取った第１測定時刻Ｔ１〜第３測定時刻Ｔ３と、採水口４４ＤＹの下端から第１水位４８ＡＳまでの高さｈ_１と、採水口４４ＤＹの下端から第２水位４８ＢＳまでの高さｈ_２と、採水口４４ＤＹの下端から第３水位４８ＣＳまでの高さｈ_３と、を互いに対応付けた状態で、内蔵メモリに格納する。その後、出力制御部５６は、内蔵メモリに格納された第１測定時刻Ｔ１〜第３測定時刻Ｔ３、高さｈ_１〜ｈ_３を対にして、結果出力機４９へ出力する。

温度Ｔ（℃）における透水係数ｋ_Ｔ（ｍ／秒）は、ＪＩＳ Ａ １２１８（２００９）に従う次式より求められる。

ここで、ａは、貯水筒４２の中空部の断面積（単位；ｃｍ^２）である。また、Ｌは供試体の長さ（単位；ｃｍ）、Ａは供試体の断面積（単位；ｃｍ^２）、Ｈ_Ｓは基準水位差（単位；ｃｍ）、Ｈ_Ｆは終了水位差（単位；ｃｍ）、Ｔ_Ｓは基準時刻（単位；秒）、Ｔ_Ｆは終了時刻（単位；秒）である。

基準水位差Ｈ_Ｓは、高さｈ_１、ｈ_２のいずれかを選択することができる。基準時刻Ｔ_Ｓは、基準水位差Ｈ_Ｓが高さｈ_１のとき第１測定時刻Ｔ１であり、基準水位差Ｈ_Ｓが高さｈ_２のとき第２測定時刻Ｔ２である。また、終了水位差Ｈ_Ｆは、基準水位差Ｈ_Ｓよりも小さい高さ、すなわち高さｈ_２、ｈ_３のいずれかである。終了時刻Ｔ_Ｆは、終了水位差Ｈ_Ｓが高さｈ_２のとき第２測定時刻Ｔ２であり、基準水位差Ｈ_Ｓが高さｈ_３のとき第３測定時刻Ｔ３である。

試料９０の透水係数ｋ_Ｔが比較的大きい場合には、基準水位差Ｈ_Ｓとして高さｈ_１を、終了水位差Ｈ_Ｆとして高さｈ_３を選択することが好ましい。透水係数ｋ_Ｔが比較的小さい場合には、基準水位差Ｈ_Ｓとして高さｈ_１を、終了水位差Ｈ_Ｆとして高さｈ_２を選択する、あるいは、基準水位差Ｈ_Ｓとして高さｈ_２を、終了水位差Ｈ_Ｆとして高さｈ_３を選択することが好ましい。このように、試料９０の透水係数ｋ_Ｔの大まかな傾向に応じて、基準水位差Ｈ_Ｓ及び終了水位差Ｈ_Ｆを選択することにより、透水係数ｋ_Ｔを効率よく測定することができる。
このように、透水試験装置６０は、メインコントローラ部６８により、定水位透水試験が可能な状態と変水位透水試験が可能な状態との間で切り替え自在となるため、両試験についての専用装置を別個に用意せずに済む。その結果、あらゆる土壌の透水試験の対応が可能でありながら、小さな設置スペースで済む。

また、いずれの透水試験も、操作パネル７０の操作により、準備工程から選択された透水試験まで自動で行われる。このため、オペレータは、実行ボタン７２の操作後、操作パネル７０から離れることができる。つまり、透水試験装置６０を用いることにより、従来の透水試験装置では試験中に行えなかった別の作業（例えば、透水試験に付帯する作業や透水試験と関連しない他の作業等）を、試験中に行うことができる。したがって、オペレータの作業効率が向上する。

従来の脱気工程では、予備タンク２１内に水を貯めた後、ガス成分が十分に抜けるまで放置していたが、透水試験設備１０によれば、超音波振動機２３や減圧機２６により、脱気工程を短縮することができる。また、従来の飽和工程では、貯水タンク４４に試験用水を貯めた後、試験用水が試料９０に十分に浸透するまで放置していたが、透水試験設備１０によれば、真空ポンプ２６Ｐと真空配管２６Ｕと弁２６ＵＢとを有する浸透促進機構２８により、飽和工程を短縮することができる。

また、結果出力機４９は、定水位透水試験に関しては、試験用水の質量Ｗ及び測定時刻Ｔを対にして出力可能であり、変水位透水試験に関しては、第１測定時刻Ｔ１〜第３測定時刻Ｔ３、高さｈ_１〜ｈ_３を対にして、出力可能である。また、定水位透水試験における試験用水の質量Ｗの経時変化、すなわち試験用水の質量Ｗの履歴を出力可能である。したがって、初めて透水試験を行う者でも、結果出力機４９によって出力された測定結果に基づいて透水係数を算出することにより、土壌物理専門家と同精度の透水係数を得ることができる。

また、図６に示すように、上記実施形態では、下方タンク本体４４ＤＡの底面にタンク給水口４４ＤＸを設けたが、本発明はこれに限られない。下方タンク本体４４ＤＡのテーパ面４４ＤＴにタンク給水口４４ＤＸを形成させることが好ましい。これにより、あらたなガス成分の発生を抑えつつ、試験用水を下方タンク本体４４ＤＡへ供給することができる。また、この場合において、テーパ状の下方タンク本体４４ＤＡの底面に排水口４４ＨＹを形成し、排水口４４ＨＹに接続する排水管４４ＨＡと、排水管４４ＨＡの開閉を行う弁４４ＨＢとを設けてもよい。

さらに、図６〜７に示すように、下方タンク本体４４ＤＡのテーパ面４４ＤＴにて、タンク給水口４４ＤＸの下方側にらせん突起４４ＤＳを設けてもよい。らせん突起４４ＤＳは、下方タンク本体４４ＤＡのテーパ面４４ＤＴから突出し、下方タンク本体４４ＤＡの中心部（例えば、平らな底面部分）の周囲を回りながら、中心部に近づくように延びる。タンク給水口４４ＤＸから出た試験用水はらせん突起４４ＤＳによって、下方タンク本体４４ＤＡの底面まで流れる。らせん突起４４ＤＳにより、あらたなガス成分の発生を抑えつつ、試験用水を下方タンク本体４４ＤＡへ供給することができる。したがって、注水工程において、あらたなガス成分が、試験用水に含まれにくくなるため、飽和工程のさらなる短縮化を図ることができる。

また、図８に示すように、１つの調製装置２０（または、予備タンク２１）に対して、複数の透水試験機４０を接続してもよい。特に、１つの調製装置２０（または、予備タンク２１）に対して、複数の透水試験機４０を並列に接続することが好ましい。調製装置２０には調製制御機３０が接続し、複数の透水試験機４０には、それぞれ透水試験制御機５０が接続する。また、１つの操作パネル７０には、調製制御機３０及び複数の透水試験制御機５０が接続する。１つの調製装置２０に対し、複数の透水試験装置６０を並列に接続することにより、複数の透水試験（異なった種類の透水試験、または同じ種類の透水試験）を同時に行うことが可能になる。

１０ 透水試験設備
２０ 調製装置
２１ 予備タンク
２２ 給水機
２３ 超音波振動機
２４ 送水管
２６ 減圧機
２８ 浸透促進機構
３０ 調製制御機
４０ 透水試験機
４１ 試料容器
４２ 貯水筒
４２ＤＸ 筒給水口
４２ＵＸ 筒給水口
４２ＵＹ 排水口
４３ 排出管
４４ 貯水タンク
４５ 採水管
４６ 水量検知機
４７ 水供給機
４８ 水位センサユニット
４９ 結果出力機
５０ 透水試験制御機
５１ 受信部
５２ 弁・ポンプ制御部
５３ センサ受信部
５４ 水量検知制御部
５５ タイマ
５６ 出力制御部
５９ メインコントローラ部
６０ 透水試験装置
６８ メインコントローラ部
７０ 操作パネル
９０ 試料

Claims (13)

1. 試料の透水試験を行う透水試験装置であって、
   前記試料を収容し水が透過可能な透水部を上部及び下部に有する試料容器と、
   起立する姿勢で配され、下方の開口端が前記試料容器の上部に当接し、側部に排水口が形成された貯水筒と、
   前記試料容器の下部よりも上方に位置する側部に採水口を有し、内部に収容された前記試料容器の下部から出た水を貯めて前記採水口から出す貯水タンクと、
   前記貯水タンクまたは前記貯水筒へ前記水を供給する水供給機と、
   前記貯水筒における複数の水位を検知する水位センサと、
   前記水供給機の運転・停止を制御する水供給制御部及び前記水位センサから出力されたセンシング信号の有無を検知する信号検知部を有する試験ユニットと、を備え、
   前記試験ユニットは、前記貯水筒の水位が前記排水口に達している状態で、試験時間内に前記採水口から出た前記水の量を測定する第１試験状態、及び前記貯水筒における水位の降下量及び当該降下に要した時間を前記水位センサによって測定する第２試験状態の間で遷移自在であることを特徴とする透水試験装置。
2. 前記排水口の開閉操作を行う排水口開閉具と、
   前記採水口の開閉操作を行う採水口開閉具と、
   前記採水口開閉具及び排水口開閉具の開閉操作を行う開閉制御部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の透水試験装置。
3. 前記試験時間及び前記降下に要した時間を測定するタイマと、
   前記試験時間において前記採水口から出た前記水の量を測定する水量計測機と、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の透水試験装置。
4. 前記透水試験に関する測定結果を出力する結果出力機を備え、
   前記第１試験状態に関する測定結果には、前記試験時間と当該試験時間内に前記採水口から出た前記水の量とが含まれ、
   前記第２試験状態に関する測定結果には、前記水位センサによって検知された前記複数の水位間の変動に要する時間が含まれることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の透水試験装置。
5. 前記第１試験状態に関する測定結果には、前記試験時間内において前記水量計測機が検知した前記水の量の履歴が含まれることを特徴とする請求項４記載の透水試験装置。
6. 前記排水口は、前記貯水筒の周方向に延びるように開口することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の透水試験装置。
7. 前記貯水筒の周方向における前記排水口の長さは、前記貯水筒の内径以上であることを特徴とする請求項６記載の透水試験装置。
8. 前記水供給機及び前記貯水タンクをつなぎ、前記試料容器の下部から水を供給するタンク給水配管を備えたことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の透水試験装置。
9. 前記貯水タンクの底部は下方に向かって内径が漸減するテーパ状に形成され、
   前記タンク給水配管の一端がテーパ面に開口することを特徴とする請求項８記載の透水試験装置。
10. 前記貯水タンクの底面から突出し、前記底面の中心部の周囲を回りながら、前記中心部に近づくように延びるらせん突起を有することを特徴とする請求項９記載の透水試験装置。
11. 前記試料容器内の前記試料が前記水に浸された状態で、前記試料容器の上部に設けられた前記貫通孔を介して前記試料容器内の気体を吸引することにより、前記試料への前記水の浸透を促進させる浸透促進ユニットを備えたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の透水試験装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の透水試験装置と、
    前記透水試験装置の前記水供給機へ送るための前記水をつくる調製装置と、を備え、
    前記調製装置は、
    前記水を貯留する予備タンクと、
    前記予備タンクに貯留する前記水を超音波振動させる超音波振動機と、
    前記予備タンク及び前記水供給機をつなぐ予備タンク給水配管と
    を備えることを特徴とする透水試験設備。
13. 前記予備タンクに対して前記透水試験装置が並列に接続されていることを特徴とする請求項１２記載の透水試験設備。

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