JP3543221B2

JP3543221B2 - 土質材料の膨潤試料作製装置

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Publication number: JP3543221B2
Application number: JP2001274306A
Authority: JP
Inventors: 益弘田中; 剛笹倉; 道孝岡本
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2021-09-10
Also published as: JP2003083853A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，土質材料の飽和膨潤状態や再膨潤状態での諸特性を実験的に調査研究するさいに信頼性・再現性よくその供試体を作製するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射性廃棄物処理施設の緩衝材としてベントナイト系材料が提案されている。これは，ベントナイトの吸水による膨潤圧でシール性を確保しようとするものである。同様に，膨潤性土質材料によって防水層を形成する例は，一般の廃棄物処分場や修景池等でも適用されている。
【０００３】
このような膨潤性土質材料によって緩衝層や防水層を形成する場合，従来から当該材料の膨潤試験や透水試験を行って層厚その他の設計指針としてきた。そのための試験としては，例えば日本ベントナイト工業会標準試験方法によるＪＢＡＳ１０４７７ベントナイト（粉状）の膨潤試験方法やＪＩＳＡ１２１８（１９７７）の土壌の透水試験方法などが知られている。
【０００４】
膨潤性土質材料の膨潤圧や透水係数を把握し，施工にあたって最も信頼性のある緩衝層や防水層を形成しようとすることは設計の基本的事項であるが，長期的な信頼性を評価するには，該層が飽和膨潤したあとの諸特性を知る必要がある。とくに，緩衝層や防水層に接する内外層が，長期経年後に部分的に溶損や亀裂が発生して空隙を生ずることも予想しなけれぱならない。例えばその内外層が可溶性の塩やセメント系固化材を含むものであれば，それらの成分の溶出が微量でも発生すると，超長期的には空隙の発生が想定される。構造躯体や充填材でも同様に成分溶出に伴う空隙の発生が想定される。緩衝層や防水層に接する内外層に空隙が発生すると，緩衝層や防水層の内側において体積変化が生じ，膨潤が促進される結果，透水性に影響を与えることになる。
【０００５】
したがって，膨潤性材料によって形成された緩衝層や防水層が再膨潤したあとでも，所要の力学的強度や透水係数を具備するものか否かを，その再膨張の程度と挙動との関連において，予め把握しておくことが，該層の長期にわたる信頼性を担保する上で必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，膨潤性土質材料の膨潤後の再膨潤挙動を評価する試験方法は知られていない。また，どのように供試体を作るのが良いかも不明である。したがって，本発明はそのような試験に供することができる供試体を再現性よく製造できる装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，金型内の試料装填空間に土質材料からなる供試体と容積既知のスペーサを装填し，この状態で該供試体に通水し，次いで該スペーサを金型内から外した状態で，或いは該スペーサより小容積の容積既知のスペーサを装填した状態で，再度該供試体に通水して膨潤供試体を作製する装置であって，前記のスペーサが試料装填空間の内壁に沿って該空間内に装填される所定厚みの板体からなり，該試料装填空間に通ずる一次通水路を金型に形成すると共に，この一次通水路から該スペーサを介して供試体に通ずる二次通水路を形成した土質材料の膨潤試料作製装置を提供する。
【０００８】
ここで，金型は，端開口の筒体，その開口を閉塞するための蓋体および該筒体と蓋体とを緊締する手段からなり，該筒体内に試料装填用の筒状空間を形成し，この筒状空間内にこれより径小の筒状供試体を装填すると共に，筒状空間と筒状供試体との間に筒状のスペーサを装填する構成とすることができる。
【０００９】
さらに，金型は，両端開口の筒体，その両端開口を閉塞するための蓋体および該筒体と蓋体を緊締する手段からなり，筒体の内部空間に通ずる一次通水路が両方の蓋体に形成され，筒状のスペーサには表裏貫通する孔が多数の穿設される共にこれらの各孔がスペーサ背面に設けられた溝内に設けられており，これらの貫通孔と溝によって該一次通水路から供試体に通ずる二次通水路を形成する構成とすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
緩衝層や遮水層の施工にあたっては，そのための土質材料をサンプリングし，これを所定形状に圧密したもの（以下「初期試料」ともいう）を所定圧の水で飽和膨潤させる試験を行い，そのさいの膨潤圧の測定はもとより，この飽和膨潤した試料（以下「飽和膨潤試料」ともいう）の力学的特性や透水係数の測定を行っておくことが不可欠であるが，既述のように，さらに，この飽和膨潤試料を所定圧の水で再度膨潤させた試料（以下「再膨潤試料」ともいう）を採取して，その力学的特性や透水係数を測定することも，長期の信頼性確保のためには必要である。
【００１１】
本発明では，初期試料から飽和膨潤試料を作製すると共に，飽和膨潤試料から再膨潤試料も簡易かつ再現性よく作製できるように，金型内の試料装填空間に土質材料からなる供試体（初期試料）と容積既知のスペーサを装填し，この状態で該供試体に所定圧で通水して飽和膨潤試料を作製し，次いでスペーサを金型内から外して飽和膨潤試料だけを装填するか，或いは該スペーサより小容積の容積既知のスペーサを装填した状態で飽和膨潤試料を装填し，再度，該供試体（飽和膨潤試料）に通水して飽和膨潤供試体（再膨潤試料）を作製する装置を案出したものであり，図１にその作製原理と作製手順（Ａ）〜（Ｆ）を示した。先ずこれらを説明する。
【００１２】
図１（Ａ）：測定対象の土質材料（ベントナイト等）を自然含水状態で所定形状（図の例では円筒形状）に成形し，成形された試料を「初期試料」として準備する。
【００１３】
図１（Ｂ）：金型の試料装填空間（円筒状の空洞）内に初期試料とスペーサを装填し，その状態で初期試料に通水する。試料装填空間は初期試料の容積よりも所定割合だけ大きな容積を有する。その容積差は空隙となるが，その空隙にスペーサを装填する。空隙の全てをスペーサ容積で満たすこともできるが，空隙の一部をスペーサ容積で満たすこともできる。
【００１４】
いずれにしても，試料装填空間と初期試料の容積，ひいてはその容積差（空隙容積）を確定しておき，使用するスペーサの大きさにより空隙容積とスペーサ容積の差を求めておく。その差が初期試料の膨張量となる。その差が実質的にゼロの場合には膨張量はゼロになる。図１（Ｂ）では，初期試料の膨張量が実質的にゼロとなるように，空隙容積に等しいスペーサを装填した状態を示している。そして，このように初期試料を拘束した状態で初期試料中に例えば７〜８ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力で全方向から通水する。
【００１５】
図１（Ｃ）：（Ｂ）において，所定の時間の通水を行うとそれ以上は含水しない飽和膨潤状態となる。この「飽和膨潤試料」を供試体としてその力学的特性や透水係数などの測定に供することもできるが，本発明では，この飽和膨潤試料を再膨潤させるのに供する。
【００１６】
図１（Ｄ）：飽和膨潤試料を作製するために使用したスペーサを試料装填空間から除くことによりスペーサ容積に相当する空隙をあけながら，或いは，そのスペーサよりも容積が小さい別のスペーサをその空隙に装填して，所定の空隙をあけながら，飽和膨潤試料を試料装填空間に装填して全方向から加圧通水する。
【００１７】
図１（Ｅ）：加圧通水を所定時間行うことによって飽和膨潤試料が再膨潤し，空隙容積を満たした「再膨潤試料」が得られる。
【００１８】
図１（Ｆ）：再膨潤試料を金型から取り出し，これを力学的特性試験や透水特性試験の供試体に供する。
【００１９】
この手順により，図１（Ｆ）で得られる「再膨潤試料」として，例えば直径５０ｍｍで高さ１００ｍｍの円柱体を得る場合において，膨張させる容積増加分すなわち空隙容積がその１０％であれば，図１（Ａ）の「初期試料」は直径４８．１ｍｍで高さ９８．１ｍｍの円柱体を，該空隙容積がその２０％であれば，直径４６．５ｍｍで高さ９６．５ｍｍの円柱体を作製すればよい。
【００２０】
緩衝層や防水層を施工する場合において，図１（Ｃ）の飽和膨潤試料は現位置での使用状態を評価するための供試体となり，図１（Ｆ）の再膨潤試料は，その内外層で所定の大きさの空隙が発生して再膨潤した場合の使用状態を評価するための供試体となる。
【００２１】
次に，このような膨潤試料作製装置の実施例について説明する。
【００２２】
【実施例】
図２は本発明の一実施例を示す金型の分解図，図３はその組立て図であり，その金型は，両端開口の筒体１と，それらの開口を閉塞するための蓋体２ａ，２ｂと，筒体１と蓋体２とを緊締するボルト・ナット３で構成されている。
【００２３】
筒体１は，両端に開口４ａと４ｂをもつステンレス鋼製の中空円筒であり，両端の外周にはフランジ５ａと５ｂが設けてある。中空円筒の内部には滑らかな表面をもつ筒状の空間が形成されている。この筒状の空間は本実施例では円柱状であるが，これに限定されるものではなく例えば角柱状とすることもできる。
【００２４】
蓋体２ａ，２ｂは，前記の開口４ａ，４ｂを気密に塞ぐためのステンレス鋼の円板であり，前記のフランジ５ａ，５ｂと重なり合う大きさの鍔部６ａ，６ｂが設けてある。各蓋体２ａと２ｂの中央には表裏貫通する通水孔７ａ，７ｂが設けてあり，これら通水孔７ａ，７ｂには，外側から通水パイプ８ａ，８ｂ（図３）がそれぞれ嵌入螺着される。
【００２５】
筒体１の開口４を蓋体２で塞ぐと，円柱状の試料装填用空間が内部に形成されるが，この円柱状空間に円柱状の初期試料９を装填する。そのさい，後に初期試料を所定割合で膨潤させるための空隙を設けるためと，初期試料に全方向から加圧通水できるように，壁面に多数の表裏貫通する孔１０をもつ筒状のスペーサＳを初期試料９の外側にして円柱状内部空間内に装填する。
【００２６】
図４に筒状のスペーサＳの全体を示したが，図示のように，この例では４つの部材からなる。すなわち，円筒部を構成するカップリング１１ａ，１１ｂと，円板部を構成する円板１２ａ，１２ｂとからなり，いずれも所定の肉厚のステンレス鋼で作製され，表裏貫通する孔１０が多数設けてある。カップリング１１ａ，１１ｂは，円筒の中心軸を通る面で分割された互いに対称な円筒半身であり，円板１２ａ，１２ｂは，円筒の端部を閉塞する大きさの面積をもつ円板であり，これらを組み合わせことによって筒状スペーサになる。
【００２７】
筒状のスペーサＳを構成するこれらの部材は，前述の空隙の大きさに応じて肉厚の異なるものが使用されるが，肉厚が異なっても，その外周形状は金型の試料装填用空間の内周形状とほぼ等しくし，筒状スペーサと金型の内周面との間には，通水用の溝（後述）以外には，それほど隙間が生じないようにする。
【００２８】
これらのスペーサ部材に設けた表裏貫通する各孔１０から筒状スペーサ内に均等に水が吐出するように，スペーサ部材の背面（スペーサ部材の外側の面）には各孔１０に通ずる溝が掘られている。すなわち，金型の筒体１の内周面とスペーサのカップリング１１の外周面が接し，蓋体２の内面との円板１２の外面が接する状態でスペーサＳが金型内に装着されたとき，スペーサの背面（外側の面）に溝を穿設し，その溝の回路構造を，蓋２の通水孔７からスペーサの各孔１０に通ずるようにすれば，通水パイプ８から初期試料の全体に水を供給できることになる。
【００２９】
実際には，この溝は，筒状スペーサの円筒部を構成するカップリング１１ａと１１ｂでは，円筒の軸方向（縦方向）の縦溝１３と円周方向の横溝１４とからなっており，円板１２ａと１２ｂでは，中心から放射状に延びる放射溝１５が設けられ（図４の円板１２ａ），場合によっては，この放射溝１５を横切るようにして円板より径小の円溝が設けられる。そして，これらの溝１３，１４，１５（さらには円溝）の底に所定の間隔を開けて反対側に通ずる孔１０が穿ってある。
【００３０】
図５は，この溝の構造をさらに説明するために，図４のカップリング１１ａの一部を代表例として，その外表面部を拡大して示したものである。縦溝１３はカップリングの一方の筒端から他方の筒端に繋がる直線溝であり，この縦溝１３は，所定の間隔を開けて設けられた多数本の横溝１４と直交し，各交差点において縦溝１３内を流れて来た水は，各横溝１４に一様に分岐される。
【００３１】
このようにして，蓋２の中央の通水孔７から供給された水は，先ず円板１２の放射溝１５に流れ，そのさい円板の各孔１０から初期試料に給水されると共に残りの水は放射溝１５の先端からカップリング１１の縦溝１３に供給され，この縦溝１３から横溝１４に供給され，カップリング１１の各孔１０から初期試料に供給されることになり，初期試料の全方位からほぼ同じ圧力の水を均等に供給できる。
【００３２】
そのさい，孔１０の近傍に接する試料だけが偏った圧力を受けるのを防止するために，初期試料９とスペーサＳとの間に濾紙を介在させておくとよい。この濾紙が水圧を均等に分散すると共に，孔１０の目詰りを防止する役割も果たす。
【００３３】
図２〜図５に示した例では，スペーサＳは４つの部材を組み合わせることによって円筒形状としたものであったが，茶筒容器のように，一方の端に底をもつ円筒の他端に一つの蓋を被せるようなものであっても，また，両端が閉じた円筒容器の胴部を円筒の軸方向と直交する方向の面で分割したものであってもよい。これらの場合にも，図例のものと実質的に同様の溝構造によって，各孔１０に通ずる通水用の溝を形成することができる。いずれにしても，外部の通水パイプ８から試料９に通ずる通水路は，金型側に設けられる一次通水路と，スペーサ側に設けられる二次通水路からなる。
【００３４】
実際には，図示のように，金型は，両端開口の筒体１，その両端開口４を閉塞するための蓋体２，および該筒体１と蓋体２を緊締する手段３（ボルト・ナット）からなり，筒体１の内部空間に通ずる一次通水路７が両方の蓋体２に形成され，筒状のスペーサＳには表裏貫通する孔１０が多数穿設されると共にこれらの各孔１０がスペーサ背面に設けられた溝内に設けられており，これらの貫通孔１０と溝によって該一次通水路から供試体に通ずる二次通水路が形成される構造であるのが望ましい。
【００３５】
この通水によって初期試料から飽和膨潤試料を作製したあとは，図１で説明したように，この飽和膨潤試料を再膨潤させるのに，同じ金型を使用することができるが，そのさい，飽和膨潤試料を作製したときのスペーサよりも厚みが薄い以外は，同じ外形をもつ小容積のスペーサを使用し，この小容積のスペーサの内部容積を再膨張させる容積（空隙）として再膨潤試料を作製するのがよい。小容積のスペーサの背面にも同様の溝を設けておくと共にその溝に表裏貫通する孔を適宜設けておくことによって，この場合にも二次通水路が形成される。
【００３６】
実施にあたっては，このように構成された土質材料の飽和膨潤試料作製装置を，一つの水圧源に対して複数個並設して同時に同一条件下で多数の試料を作製することができる。条件が同じ複数個の試料を得れば，同一状態において力学的特性や透水係数など互いに異なる特性のデータを各試料からそれぞれ採取でき，総合的判断が正確にできるようになる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明の膨潤試料作製装置によると，土質材料によって放射性廃棄物処理施設の緩衝層や各種施設の防水層などを形成する場合に，その膨潤特性やシール特性はもとより，膨潤後に再膨潤した場合の諸特性の評価を行うための供試体を再現性よく作製できる。そして，この試料作製装置は，構造が簡単で取り扱い易く且つ設定条件に個人差は生じ難いので，放射性廃棄物処理施設などの緩衝層を形成する場合等の土質材料の試験において，多いに貢献できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明装置を用いて土質材料の初期試料から，飽和膨潤試料，再膨潤試料を作製する手順を示す試料作製工程図である。
【図２】本発明の装置の一実施例を示す分解略断面図である。
【図３】図２の装置の組立て略断面図である。
【図４】図２〜３の装置で使用したスペーサの分解斜視図である。
【図５】図４の一部拡大図である。
【符号の説明】
１金型を構成する両端開口の筒体
２ａ，２ｂ金型を構成する蓋体
３ボルト・ナット
４ａ，４ｂ筒体の端部開口
５ａ，５ｂ筒体のフランジ部
６ａ，６ｂ蓋体の鍔部
７ａ，７ｂ蓋体に設けた通水孔
８ａ，８ｂ通水パイプ
９初期試料
１０スペーサに設けた表裏貫通する孔
１１ａ，１１ｂスペーサの円筒部を構成するカップリング
１２ａ，１２ｂスペーサの円板部を構成する円板
１３スペーサ背面の縦溝
１４スペーサ背面の横溝
１５スペーサ背面の放射溝
Ｓスペーサ

Claims

金型内の試料装填空間に土質材料からなる供試体と容積既知のスペーサを装填し，この状態で該供試体に通水し，次いで該スペーサを金型内から外した状態で，或いは該スペーサより小容積の容積既知のスペーサを装填した状態で，再度該供試体に通水して膨潤供試体を作製する装置であって，前記のスペーサが試料装填空間の内壁に沿って該空間内に装填される所定厚みの板体からなり，該試料装填空間に通ずる一次通水路を金型に形成すると共に，この一次通水路から該スペーサを介して供試体に通ずる二次通水路を形成した土質材料の膨潤試料作製装置。
金型は，端開口の筒体，その開口を閉塞するための蓋体および該筒体と蓋体とを緊締する手段からなり，該筒体内に試料装填用の筒状空間を形成し，この筒状空間内にこれより径小の筒状供試体を装填すると共に，筒状空間と筒状供試体との間に筒状のスペーサを装填する請求項１に記載の土質材料の膨潤試料作製装置。
金型は，両端開口の筒体，その両端開口を閉塞するための蓋体および該筒体と蓋体を緊締する手段からなり，筒体の内部空間に通ずる一次通水路が両方の蓋体に形成され，筒状のスペーサには表裏貫通する孔が多数の穿設されると共にこれらの各孔がスペーサ背面に設けられた溝内に設けられており，これらの貫通孔と溝によって該一次通水路から供試体に通ずる二次通水路が形成される請求項２に記載の土質材料の膨潤試料作製装置。