JP2016125962A - 三軸凍上試験装置及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凍結過程における凍結方向及び凍結直交方向の凍上圧の経時変化と空間的な分布を測定できる三軸凍上試験装置及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法を提供する。【解決手段】土の試験体２の上下端側にこの試験体２を挟むように配設される上部ペデスタル３及び下部ペデスタル４と、上部ペデスタル３及び／又は下部ペデスタル４に冷媒を循環供給する冷媒供給手段とを備える。また、試験体２を被覆保持する弾性変形可能な樹脂リング１１と、上下に隣り合う樹脂リング１１同士を相対変位可能に結合する弾性接着層１２と、各樹脂リング１１の変位を計測する変位計測手段１３、及び／又は各樹脂リングに取り付けられて試験体２の圧力を計測する圧力計測手段１４とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、三軸凍上試験装置及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法に関する。

地盤凍結工法は地盤の強度や遮水性の向上を目的に広く利用されているが、凍結膨張及びこれに伴い発生する応力（凍上圧）が既設構造物に与える影響が問題となることがあり、その評価・対策のため、土の凍結膨張特性測定を目的とした凍上試験が実施される。

凍上試験では、一般に、地表面近くの地盤について凍結が進行する方向（凍結方向）への凍上量を対象にすることが多く、無拘束圧下、又は低拘束圧下で凍結方向への膨張量を測定して土の凍結膨張特性を捉える（例えば、非特許文献１参照）。

一方、都市トンネルなど地下深部構造物に地盤凍結工法を用いる場合には、三次元的に地圧が作用する中で、凍結方向だけでなくこれと直交する方向への凍上圧も評価する必要がある。このため、近年、土の三次元的な凍結膨張特性を計測するための三軸凍上試験が提案、実施されている（例えば、特許文献１、非特許文献２参照）。

そして、この三軸凍上試験では、三軸圧縮試験と同様な載荷手段を有する三軸セル内のペデスタルに温度を制御した冷媒である不凍液を循環供給して試験体（供試体）を一次元的に凍結し、各拘束圧下における凍結方向（試験体の軸方向）及び凍結直交方向（試験体の径方向）への変位量を測定する。

特許第２７６４６１３号公報

地盤工学会基準、ＪＧＳ０１７２：「凍上性判定のための土の凍上試験方法」、２００９年 山本英夫，上田保司，伊豆田久雄、「飽和度の三軸凍結膨張に関する実験的研究」、日本雪氷学会誌、公益社団法人日本雪氷学会、１９９４年１２月、５６巻４号、ｐ．３２５−３３３

しかしながら、上記従来の三軸凍上試験方法においては、凍結直交方向への変位量が凍結完了後の試験体の直径計測値の平均値として求められ、凍結過程での経時変化や試験体軸方向の分布などが測定されていない。このため、凍結の進行に伴って直交方向への膨張がどのように発生するかを把握することができない。

また、凍結方向、凍結直交方向ともに変位量のみを測定しており、応力、すなわち凍上圧を捉えることができない。このため、対象土について最終的にどのような凍結膨張量が生じるかを測定できるものの凍結過程での凍上圧発生のメカニズムや、凍結速度、拘束圧変化が凍上圧に与える影響を検討するための十分なデータを得ることができないという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑み、凍結過程における凍結方向及び凍結直交方向の凍上圧の経時変化と空間的な分布を測定できる三軸凍上試験装置及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。

本発明の三軸凍上試験装置は、土の試験体の軸方向に沿う凍結方向と前記凍結方向に直交する凍結直交方向の凍上圧及び変位量を計測するための三軸凍上試験装置であって、前記試験体の上下端側に該試験体を挟むように配設される上部ペデスタル及び下部ペデスタルと、前記上部ペデスタル及び／又は前記下部ペデスタルに冷媒を循環供給する冷媒供給手段とを備えるとともに、前記試験体を内部に装着して前記試験体を被覆保持する弾性変形可能な複数の樹脂リングと、同軸上に積層した前記複数の樹脂リングの上下に隣り合う前記樹脂リングの間に介装されて上下の前記樹脂リング同士を相対変位可能に結合する弾性接着層と、前記各樹脂リングの変位を計測する変位計測手段、及び／又は前記各樹脂リングに取り付けられて前記試験体の圧力を計測する圧力計測手段とを備えていることを特徴とする。

本発明の土の三次元凍結膨張特性の計測方法は、上記の三軸凍上試験装置を用い、前記上部ペデスタル及び／又は前記下部ペデスタルに冷媒を循環供給して前記試験体を前記軸方向に凍結させるとともに、前記試験体の前記軸方向の変位量と、前記変位計測手段及び／又は前記圧力計測手段によって前記樹脂リングの変位量及び／又は前記試験体の圧力とを経時的に計測するようにしたことを特徴とする。

本発明の三軸凍上試験装置及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法においては、土の三軸凍上試験において、凍結過程における凍結方向および凍結直交方向の凍上圧の経時変化と空間的な分布を測定できる。

これにより、土圧作用化での凍結膨張による凍上圧や凍結膨張量を精度よく予測するための基礎データが得られ、地盤凍結工法や低温下で建設・運用するＬＮＧ地下タンクなどの地下構造物における凍上圧対策の合理化を図ることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る三軸凍上試験装置を示す図である。 本発明の一実施形態に係る三軸凍上試験装置の試験体保持部分を拡大した図である。

以下、図１及び図２を参照し、本発明の一実施形態に係る三軸凍上試験装置及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法について説明する。

本実施形態の土の三次元凍結膨張特性の計測方法は、土の三軸凍上試験において、凍結過程における凍結方向（試験体軸方向）および凍結直交方向（試験体円周方向）の凍上圧の経時変化と空間的な分布を測定するための方法であり、図１に示す三軸凍上試験装置Ａを用いる。

本実施形態の三軸凍上試験装置Ａは、圧力容器（モールド）１と、圧力容器１内に設けられ、且つ例えば原位置地盤掘削などによって採取した試験体（凍結試料／供試体）２の上下端側に試験体２を挟むように配設される上部ペデスタル（トップキャップ）３及び下部ペデスタル４と、ロードセル５を介して上方から荷重を加える載荷手段の載荷ピストン６と、上部ペデスタル３及び／又は下部ペデスタル４に冷媒を循環供給する冷媒供給手段７と、試験体に間隙水を給排するための間隙水給排手段８を備えている。

圧力容器１は、アクリル製の透明円筒体１ａと、透明円筒体１ａの上下の開口を閉塞させて挟み込むように配設される上盤１ｂ及び下盤１ｃとを備えて形成されている。そして、圧力容器１内に保持された試験体２に気圧又は液圧によって所望の側圧を付加できるように構成されている。また、上部ペデスタル３及び下部ペデスタル４は上盤１ｂと下盤１ｃにそれぞれ間接的、直接的に支持されて透明円筒体１ａの中心軸上に配設されている。さらに、上部ペデスタル３（及び／又は下部ペデスタル４）ひいては試験体２の凍結方向である軸方向の変位を計測する変位計（凍結方向変位計測手段）１０が設けられている。

一方、本実施形態の三軸凍上試験装置Ａでは、図１及び図２に示すように、試験体２をゴムスリーブで被覆保持するのではなく、アクリル製などの弾性変形可能な樹脂リング１１を用いて被覆保持する。

具体的に、本実施形態では、円柱状の試験体２の外径と略同等の内径を備えたアクリル製の同形同大の樹脂リング１１を複数同軸上に積層し、その内部に試験体２を装着する。また、上下の樹脂リング１１同士は、シリコンコーキング材などの弾性と接着性を有する介装材を用いて結合する。すなわち、上下に隣り合う樹脂リング１１の間に弾性接着層１２が設けられている。

例えば、試験体２は、直径が６０ｍｍ、高さが９０ｍｍで形成されている。これに対し、各樹脂リング１１は、内径ｄ１が６０．１ｍｍ、外径ｄ２が９０ｍｍ（厚さｄ３が１５ｍｍ）で形成されている。また、上部ペデスタル３の外周に装着される最上方の樹脂リング１１は高さｔ１が２５ｍｍ、下部ペデスタル４の外周に装着される最下方の樹脂リング１１は高さｔ２が４０ｍｍとされ、上部ペデスタル３と下部ペデスタル４の間の中間部に設けられて試験体２に装着する複数の樹脂リング１１は高さｔ３が１０ｍｍで形成されている。また、弾性接着層１２の厚さｔ４は１ｍｍとされている。

さらに、試験体２に装着する各樹脂リング１１には、外周面にひずみ計（ひずみ計測手段）１３が取り付けられている。また、試験体２に装着する各樹脂リング１１には、外面から内面に貫通する貫通孔が設けられており、この貫通孔に圧力計（圧力計測手段）１４が配設されている。

このように構成した本実施形態の三軸凍上試験装置Ａにおいては、各樹脂リング１１によって試験体２の側方を拘束し、試験体２が凍結して膨張した際に各樹脂リング１１が弾性変形する。また、弾性接着層１２の弾性変形によって、積層した各樹脂リング１１がそれぞれ個別に試験体２の膨張に追従して自由に変位できる。

そして、上記構成からなる本実施形態の三軸凍上試験装置Ａを用いて凍上試験を行う際には、間隙水給排手段８で試験体２の間隙水圧を所望の間隙水圧に調整し、載荷手段６で試験体２に所定の上載圧をかける。

この状態で、上部ペデスタル３及び（／又は）下部ペデスタル４に冷媒を循環供給する。上部ペデスタル３に負の温度の冷媒を循環供給した場合には試験体２を上部側から下部側に向けて凍結させることができ、下部ペデスタル４に負の温度の冷媒を循環供給した場合には試験体２を下部側から上部側に向けて凍結させることできる。

これにより、凍結領域の進展状況を制御しながら凍上試験が行える。そして、凍結方向である試験体軸方向の凍上量が、通常の一軸凍上試験と同様、上部ペデスタル３（又は下部ペデスタル４）に繋がる変位計（凍結方向変位計測手段１０）によって計測される。

一方、凍結直交方向である試験体径方向の凍上圧が、下記の第１手法、第２手法のいずれか、又は併用によって計測される。
第１手法では、積層した複数の樹脂リング１１のそれぞれの外周に設置したひずみ計１３で各樹脂リング１１の外周の変位量を計測し、各樹脂リング１１の変形係数及び形状から厚肉円筒理論に基づいて試験体２に発生した内圧を算出する。
第２手法では、各樹脂リング１１に形成した貫通孔内に、受圧面が試験体２の側面に接するように設置した圧力計１４によって圧力を計測する。
これにより、試験体２の凍結領域の進展に応じた試験体２の各部位の内圧変化が求められ、この値から凍結直交方向の凍上圧を推定することができる。

したがって、本実施形態の三軸凍上試験装置Ａ及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法においては、凍結過程での経時変化や試験体軸方向の分布などを求めることができ、凍結の進行に伴って直交方向への膨張がどのように発生するかを把握することができる。

また、凍結方向、凍結直交方向ともに発生する圧力を捉えることができる。これにより、対象土について最終的にどのような凍結膨張量が生じるかを求めることは勿論、凍結過程での凍上圧発生のメカニズムや、凍結速度、拘束圧変化が凍上圧に与える影響を検討するための十分なデータを得ることが可能になる。

よって、本実施形態の三軸凍上試験装置Ａ及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法によれば、土圧作用下での凍結膨張による凍上圧や凍結膨張量を精度よく予測するための基礎データを得ることができる。このため、地盤凍結工法や低温下で建設・運用するＬＮＧ地下タンクなどの地下構造物における凍上圧対策の合理化を図ることが可能になる。

以上、本発明に係る三軸凍上試験装置及び土の三次元凍結膨張特性の計測方法の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１ 圧力容器（モールド）
１ａ 透明円筒体
１ｂ 上盤
１ｃ 下盤
２ 試験体（凍結試料／供試体）
３ 上部ペデスタル（トップキャップ）
４ 下部ペデスタル
５ ロードセル
６ 載荷ピストン（載荷手段）
７ 冷媒供給手段
８ 間隙水給排手段
９ 液体給排手段
１０ 変位計（変位計測手段）
１１ 樹脂リング
１２ 弾性接着層
１３ ひずみ計（ひずみ計測手段）
１４ 圧力計（圧力計測手段）
Ａ 三軸凍上試験装置

Claims (2)

1. 土の試験体の軸方向に沿う凍結方向と前記凍結方向に直交する凍結直交方向の凍上圧及び変位量を計測するための三軸凍上試験装置であって、
   前記試験体の上下端側に該試験体を挟むように配設される上部ペデスタル及び下部ペデスタルと、
   前記上部ペデスタル及び／又は前記下部ペデスタルに冷媒を循環供給する冷媒供給手段とを備えるとともに、
   前記試験体を内部に装着して前記試験体を被覆保持する弾性変形可能な複数の樹脂リングと、
   同軸上に積層した前記複数の樹脂リングの上下に隣り合う前記樹脂リングの間に介装されて上下の前記樹脂リング同士を相対変位可能に結合する弾性接着層と、
   前記各樹脂リングの変位を計測する変位計測手段、及び／又は前記各樹脂リングに取り付けられて前記試験体の圧力を計測する圧力計測手段とを備えていることを特徴とする三軸凍上試験装置。
2. 請求項１記載の三軸凍上試験装置を用い、
   前記上部ペデスタル及び／又は前記下部ペデスタルに冷媒を循環供給して前記試験体を前記軸方向に凍結させるとともに、前記試験体の前記軸方向の変位量と、前記変位計測手段及び／又は前記圧力計測手段によって前記樹脂リングの変位量及び／又は前記試験体の圧力とを経時的に計測するようにしたことを特徴とする土の三次元凍結膨張特性の計測方法。

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