JP3613591B2

JP3613591B2 - Method and apparatus for measuring soil shear strength

Info

Publication number: JP3613591B2
Application number: JP2002028185A
Authority: JP
Inventors: 靖人佐々木
Original assignee: Public Works Research Institute
Current assignee: National Research and Development Agency Public Works Research Institute
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2002-02-05
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: JP2003227786A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土のせん断強度測定方法及び装置に関し、特に、山地斜面などにおいて、斜面崩壊が起こりやすい場所を推定するために、斜面の土層深とせん断強度を簡易かつ短時間に測定する、斜面防災分野で有用な土のせん断強度測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
山地斜面などにおいて、柔らかい土から成る表層部の下の硬い土や岩から成る部分までの土層深を測定し、又その部分のせん断強度を測定し把握することは、山地斜面等の崩壊が起こりやすい場所を推定するために重要なことである。
【０００３】
このように、斜面防災の目的で土層深を測定するためには、従来、例えば図５に示すような、簡易動的コーン貫入試験機が用いられている。この簡易動的コーン貫入試験機及び試験方法は、質量５ｋｇのハンマー（錘）を、５０ｃｍの高さからガイドロッドで案内させて、円錐状の先端コーン（先端角度６０度、直径２５ｍｍ）を有するロッドノッキングヘッドに落下衝突させて、先端コーンが１０ｃｍ貫入するのに要する落下回数から、土層の硬さや土層深を測定するものである。
【０００４】
一般に斜面崩壊の起こりやすい土層の硬さは、簡易動的コーン貫入試験のＮｄ値（先端コーンおよびロッドが１０ｃｍ貫入するのに要する錘の落下回数）で、約５〜１０程度以下といわれている。
【０００５】
その他、貫入試験を行うための土壌強度測定装置としては特開平９−１５１２６号公報等の記載の発明が知られている。
【０００６】
又、従来、斜面の安定解析においては、粘着力と内部摩擦角が必要であり、一般には地盤中から複数のサンプルを採取して、室内において三軸圧縮試験または一面せん断試験によって求めている。
【０００７】
さらに、山地斜面などの現場において、せん断強度を測定する方法としては、羽根を回転させて純せん断強度を測定する方法（ベーンせん断試験）などがあるが、ベーンせん断試験では垂直荷重をかけることができないので、内部摩擦角の測定ができない上に、測定は極軟らかい土に限られており、斜面崩壊に関わるようなやや硬い土層の強度を測定することができない。他の貫入試験も同様に、土の内部摩擦角まで現場で簡易に求められるような方法はない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の技術及び問題点を背景に、次のような二つの具体的案課題を有する。
【０００９】
（１）土層深の測定に関する課題
簡易動的コーン貫入試験は、機器が総重量１０ｋｇ程度であり、急峻な山地斜面での運搬が不便であるだけでなく、測定は５ｋｇの錘を繰り返し落下させる方法であるため、１箇所の測定に通常２人で作業する必要があり、その場合の測定時間は一般に１箇所１０分〜数１０分要し、しかも錘に指を挟み怪我をしやすいという危険な面もあった。
【００１０】
斜面の土層深は場所により大きく異なるため、できるだけ多くの個所で数多くの試験を行う必要があるが、上記の欠点のため、斜面の土層深の不均質性を十分把握できるだけの試験を行えないのが斜面防災上の課題である。本発明は、このような課題を解決するものである。
【００１１】
（２）せん断強度の測定に関する課題
斜面の土層のせん断強度は斜面安定解析を行う必要性から一般に内部摩擦角φと内部摩擦角Ｃで表現される。内部摩擦角φと内部摩擦角Ｃを得るための従来の方法は、数１０ｃｍ〜数ｍ掘削し、地盤から直径５ｃｍ、長さ１０ｃｍ程度の乱さないサンプルを３〜４試料採取する必要があり、また、そのサンプルを壊さないように運搬し、室内で試験する必要があるため、手間を要するという課題があった。本発明は、このような課題を解決するものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、ロッドの先端に取り付けた羽根なしコーン先端具を土中に押し込み、深度方向荷重のない状態でロッドの軸心を中心に回転して第１のトルクの測定を行い、ロッドの先端に取り付けた羽根付きコーン先端具を土中に押し込み、上記所定の深度方向荷重と同じ深度方向荷重をかけながらロッドの軸心を中心に回転して第２のトルクの測定を行い、上記第１のトルクの測定及び第２のトルクの測定の組み合わせを、上記の深度方向荷重を変えて複数回行い、上記トルクの測定の組み合わせの各測定毎に得られる上記コーンの面における直応力とせん断加重から、土の粘着力及び内部摩擦係数を得ることを特徴とする土のせん断強度測定方法を提供する。
【００１４】
本発明は上記課題を解決するために、羽根なしコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置を、上記羽根なしコーン先端具から土中にゆっくりと押し込み、該押し込みを停止し、深度方向荷重のない状態でロッドの軸心を中心に上記せん断強度測定装置を回転しロッドの周面摩擦である第１のトルク測定を行い、次に、第１のトルク測定を行った箇所またはそこからずらした箇所において、羽根付きコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置を、上記羽根付きコーン先端具から土中にゆっくりと押し込み、該押し込みを停止し、所定の深度方向荷重をかけながらロッドの軸心を中心にせん断強度測定装置を回転し第２のトルク測定を行い、上記第２のトルク測定で得られたトルクから上記第１のトルク測定で得られたトルクを差し引いて、上記羽根によりせん断されるコーンの面に作用するせん断トルクを得て、上記所定の深度荷重と上記せん断トルクにより、コーンの面に作用する直応力とせん断応力を求め、上記第１のトルク測定及び第２のトルク測定を組み合わせた組み合わせトルク測定を、測定箇所をずらし、かつ上記所定の深度荷重の大きさを変えて複数回実施し、各回の組み合わせトルク測定の測定結果に基づいて得られた直応力とせん断応力を、グラフ上にプロットして土層の粘着力及び内部摩擦角を求めることを特徴とする土のせん断強度測定方法を提供する。
【００１５】
上記羽根付きコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置は、上記羽根なしコーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有する土のせん断強度測定装置における上記羽根なしコーン先端具を上記羽根付きコーン先端具に付け替えたものを使用するようにしてもよい。
【００１６】
本発明は上記課題を解決するために、コーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手を有するせん断強度測定装置であって、コーン先端具、ロッド、ばね秤及び取手は、使用時には互いにねじにより結合されて組み立てられ、非使用時には分解可能であり、上記コーン先端具は、羽根なしコーン先端具と羽根付きコーン先端具の２種類あり、該２種類のコーン先端具が互いに取り替え自在に上記ロッドに結合されて使用されることを特徴とする土のせん断強度測定装置を提供する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下説明する。本発明は、山地斜面などにおいて、斜面崩壊の起こりやすい柔らかい土層の下の硬い土や岩から成る部分までの土層の深さを貫入試験により簡単に測定するとともに、この柔らかい土層や硬い土層のせん断強度を測定するものである。
【００１８】
（測定装置）
図１は、本発明の土のせん断強度測定方法を実施するためのせん断強度測定測定装置を示す図であり、且つ本発明の土のせん断強度測定装置の実施例を示す図である。図１（ａ）において、このせん断強度測定装置１は、コーン先端具、ロッド３、ばね秤４（円筒型のテンションゲージ）及び取手５から成る。
【００１９】
コーン先端具２は、鋼材を焼き鈍し加工して形成し、円錐状のコーン６、首部７と軸部８とから一体に構成されている。そして、本発明に係るコーン先端具２の特徴は、コーンが、図１（ａ）に示すような通常のコーンを有するコーン先端具（これを「羽根なしコーン先端具」という。）９と、図１（ｂ）に示すようにコーンに羽根１０が付いているコーン先端具（これを「羽根付きコーン先端具」）１１の２種類から構成されている。
【００２０】
羽根付きコーン先端具１１は、通常のコーン６の外面に等角度間隔に複数枚の羽根１０、本実施例では４枚の羽根１０が放射状に一体に取り付けられて構成されている。このような羽根なしコーン先端具９と羽根付きコーン先端具１１の２種類のコーン先端具は、取り換え自在に上記ロッド３に螺着されて、後述する夫々のトルク測定において使用可能である。
【００２１】
ロッド３は、高強度ステンレス鋼等の材料で形成され、測定対象である場所の土層環境に適用できるくつかの異なる長さのものを用意しておくとよい。取手５は、使用者が手で把持できる程度の寸法であり、左右両端に開口した左右の中空部１２が形成されており、後述するせん断強度測定を行う際には、トルクレンチが装着されて使用される。
【００２２】
コーン先端具、ロッド３、ばね秤４及び取手５は、非使用時には、夫々分解して持ち運び可能である。そして、使用に際しては、互いに螺着して図１に示すように組み立てることが可能である。即ち、コーン先端具２の上端は、ねじでロッド３の下端に螺着可能であり、ロッド３の上端はねじでばね秤４の下部軸に螺着可能であり、ばね秤４の上部軸はねじで取手５に螺着可能な構成である。
【００２３】
ここで、上記本発明に係る土のせん断強度測定装置１を利用して、本発明に係る土のせん断強度測定方法について説明する。具体的には、せん断強度測定装置１を利用して土層深の測定を行うとともに、粘着力と内部摩擦力の測定を行う方法である。
【００２４】
（土層深の測定）
せん断強度測定装置１を使用して、貫入試験を行い土層深を測定する方法を説明する。コーン先端具２は、羽根なしでも羽根付きでもよいが、いずれにしろコーン先端具２は、（羽根なし及び羽根付きコーン先端具）は、直径１５ｍｍ、端角度６０度の円錐状のコーンである。コーン先端具２の軸部８及びロッドの直径１０ｍｍの寸法のものを使用する。
【００２５】
このせん断強度測定装置１をそのコーン先端具２から、人力で層中に最大５００Ｎ（約５０ｋｇ）の力で静かに押し込み、深度方向荷重Ｗ（押し込んでいく際にかかる荷重であり、ばね秤４で測定される荷重）と、その際のロッドの土中への貫入量を測定する。柔らかい土層の下の硬い土や岩から成る土層の近くとなると、深度方向荷重Ｗが急激に増加するので、その際の深度方向荷重Ｗとロッドの貫入量でその深さを測定することができる。
【００２６】
このような測定方法で実際に、裏つくば（花崗岩風化土）、高知（四万十層風化土）及び愛媛（旧河床砂礫層）について測定実験を行った。その実験データを図２に示す。この実験結果からも把握できるように、この測定方法によると、５００Ｎの力で押し込むと、斜面崩壊の起こりやすい土層の硬さであるＮｄ値５〜１０よりもやや硬いＮｄ値１５相当の硬さまで貫入できる。
【００２７】
この土層深を測定する方法は、従来の動的コーン貫入試験機による斜面の土層深測定方法と異なり、斜面の土層にコーン先端具からロッドを静かに押し込むようにして貫入し土層深を求めることを特徴とするもので、装置の総重量が約４ｋｇで、従来の簡易動的コーン貫入試験機の１／３程度であり、分解組み立てが自在であるため、急峻な山地でも運搬や取り扱いが容易で、試験方法も簡易であるために１人で容易に測定作業ができる。
【００２８】
さらに、この土層深を測定する方法は、１箇所の測定時間は１〜２分程度と簡易動的コーン貫入試験の約１／５以下の調査効率であるため斜面の土層深が不均質な個所でも短時間に把握できる。さらに、従来の貫入試験のように、落下する錘を用いないので安全である。
【００２９】
（粘着力と内部摩擦力の測定）
次に、土層の粘着力と内部摩擦力を測定する方法について説明する。この粘着力と内部摩擦力を測定する方法では、次の▲１▼、▲２▼を組み合わせた組み合わせトルク測定を、深度荷重Ｗの条件をいくつか変えて実施する。
▲１▼羽根なしコーン先端具９を有するせん断強度測定装置１によるトルク測定（これを「第１のトルク測定」という。図３（ａ）参照。）
▲２▼羽根付きコーン先端具１１を有するせん断強度測定装置１によるトルク測定（これを「第２のトルク測定」という。図３（ｂ）参照。）
以下、▲１▼第１のトルク測定と、▲２▼第２のトルク測定、について具体的に説明する。
【００３０】
まず、▲１▼第１のトルク測定（図３（ａ）参照。）を行う。羽根なしコーン先端具９をロッド３の先端に装着して、上記の土層深の測定方法により深さを把握しながら、粘着力と内部摩擦角を測定したい所定の深さ（柔らかい土層と硬い土層の境界付近の深さ）まで押し込んでいく。そして、所定の深さまで貫入し、押し込みを停止し、この状態で深度方向荷重のない状態において、取手５にトルクメータ付きのレンチを適宜装着して、せん断強度測定装置１を、ロッド３の軸心を中心にねじが緩まない方向にゆっくり回転させる。
【００３１】
この回転したときの最大トルクＴ_０を、トルクメータで測定する。この最大トルクＴ_０は、ロッド３などの測定系が持つ固有摩擦により生じるトルクである。このトルク測定が終了後、せん断強度測定装置１を土中から引き抜く。
【００３２】
次に、▲２▼第２のトルク測定（図３（ｂ）参照。）を行う。羽根なしコーン先端具９を取り外して、図１（ｂ）に示す羽根付きコーン先端具１１に交換する。そして、せん断強度測定装置１を引き抜いた箇所またはそこから少しずれた箇所の土層中に、せん断強度測定装置１の羽根付きコーン先端具１１及びロッドを静かに押し込む。
【００３３】
このように押し込みながら土層深を把握し、第１のトルク測定を行った際の土層深と同じ所定の深さに達したとき、深度方向荷重Ｗ_１をかけながら、トルクメータ付きのレンチでせん断強度測定装置１をゆっくり回転させる。
【００３４】
この回転したときの最大トルクＴ_１をトルクメータで測定する。このときの羽根付きコーン６沿いの土（羽根によりせん断荷重がかかる部分の土）にかかる回転トルクＴは、ロッド３などの測定系が持つ固有摩擦により生じるトルクＴ_０を差し引いて、Ｔ＝Ｔ_１−Ｔ_０である。
【００３５】
この状況下において、このせん断試験の直応力σｎとせん断応力τは、以下のように計算される。但し、羽根によってせん断される面に作用する応力分布は、直応力σｎ、せん断応力τともに一様とする。又、コーンと土の摩擦、首部７のせん断は考慮しない。
【００３６】
図３（ｃ）はコーンの模式図である。
コーン全体の高さ：Ｈ
図３（ｃ）において、コーンのせん断面について、コーン先端から高さｈの地点における扇型の微小面積を考える。
コーン先端角度（コーン傾斜面の軸心に対する角度）：θ
微少面積部分のコーン先端からの高さ：ｈ
とすると、
コーン先端からの微少面積部分までの距離：ｌ（このｌは小文字のエルである。）ｌ＝ｈ／ｃｏｓθ
コーンせん断面の扇型の微小面積＝ｌｄψ・ｄｌ
である。
【００３７】
微小面積に作用するせん断応力：τ
微小面積に作用するせん断応力によるトルク：ｔ
とすると、この微小面積に作用するせん断応力τによるトルクｔは次のとおりである。
腕の長さ＝ｈｔａｎθ
ｔ＝τ・ｈｔａｎθ・ｌｄψ・ｄｌ
である。
ところで、２πＨｔａｎθ＝ψＨ／ｃｏｓθ
であるから、 ψ＝２πｓｉｎθ となる。
微小面積に係るトルクｔをせん断面全体に対して積分した全体のトルクＴを求め、このトルクＴでせん断応力τ表すと次の数式１のとおりとなる。
【００３８】
【数式１】

【００３９】
図３（ｄ）は、コーンの側面図である。この図において示されるように、コーンせん断面に作用する直応力σｎの鉛直成分の総計は、深度方向荷重Ｗに等しいから、直応力σｎは次の数式２のとおりとなる。
【００４０】
【数式２】

【００４１】
以上、深度方向荷重Ｗ＝Ｗ_１の場合について、▲１▼第１のトルク測定と、▲２▼第２のトルク測定について説明したが、このような▲１▼、▲２▼を組み合わせた測定を、深度方向荷重Ｗの測定値が異なるいくつかの条件について試験し、この試験結果に基づいて上記計算を行い、直応力σｎとせん断応力τを求める。
【００４２】
このようにして得られた複数の直応力σｎとせん断応力τについて、直応力σｎを横軸（Ｘ軸）に、せん断応力τを縦軸（Ｙ軸）にプロットして、図４（ｅ）に示すようなＸＹグラフを作成する。このグラフのＹ切片ｃ及び傾きｔａｎφを求めれば、
τ＝σｎ・ｔａｎφ＋ｃの式から、粘着力ｃと内部摩擦角φが求まる。
【００４３】
このように、本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置１によれば、羽根なしコーン先端具９及び羽根付きコーン先端具１１を用いることにより、垂直応力（深度方向荷重）を発生させながら測定現場でせん断試験を行うことができ、粘着力及び内部摩擦角まで測定可能となる。
【００４４】
以上、本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置の実施形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は特にこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることはいうまでもない。
【００４５】
例えば、上記実施例では、せん断強度測定装置１のコーン先端具２として羽根付きコーン先端具１１と羽根なしコーン先端具９の２種類を用意し、互いに取り換え自在にロッド３に螺着したが、このようにせず、羽根なしコーン先端具９を着脱自在に取り付けたせん断強度測定装置１と、羽根付きコーン先端具１１を夫々着脱自在に取り付けた２種類のせん断強度測定装置を予め用意して使用することで、コーン先端具の取り替えの手間を省いてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上の構成による本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置によれば、次の効果が生じる。即ち、山地斜面等では、貫入試験の作業環境が悪く、しかも斜面の位置により土層深が大きく異なるので多くの箇所で試験を行う必要がある。
【００４７】
このようなシビアな条件であっても、本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置は、装置自体がコンパクトであるから、又羽根付きコーンを用いることにより、垂直応力を発生させながら原位置でせん断試験を行うことによって、直接、現場において、多くの箇所についての内部摩擦角まで比較的簡単かつ短時間に測定できる。したがって、サンプルを持ち帰る等の必要もなく、山地斜面などにおいて、斜面崩壊が起こりやすい場所を迅速的確に推定するために極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る土のせん断強度測定装置を説明する図であり、（ａ）は羽根なしコーン先端具を付けたせん断強度測定装置を示し、（ｂ）は羽根付きコーン先端具を示す図である。
【図２】本発明に係る土のせん断強度測定装置を使用した土層深の実験例を説明する図である。
【図３】本発明に係る土のせん断強度測定方法及び装置を利用した、土層の粘着力と内部摩擦力の測定方法を説明する図である。
【図４】従来の簡易動的コーン貫入試験機を説明する図である。
【符号の説明】
１せん断強度測定装置
２コーン先端具
３ロッド
４ばね秤（円筒型のテンションゲージ）
５取手
６コーン
７首部
８軸部
９羽根なしコーン先端具
１０羽根
１１羽根付きコーン先端具
１２取手の中空部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a soil shear strength measurement method and apparatus, and in particular, in order to estimate a place where slope failure is likely to occur in a mountain slope, etc., the soil layer depth and shear strength of the slope are measured easily and in a short time. The present invention relates to a soil shear strength measuring method and apparatus useful in the field of slope disaster prevention.
[0002]
[Prior art]
In mountain slopes, etc., measuring the depth of the soil layer up to the hard soil or rock part below the surface part made of soft soil, and measuring and grasping the shear strength of that part, the collapse of the mountain slope etc. It is important to estimate the likely location.
[0003]
Thus, in order to measure the soil layer depth for the purpose of slope disaster prevention, a simple dynamic cone penetration tester as shown in FIG. 5, for example, is conventionally used. In this simple dynamic cone penetration tester and test method, a hammer (weight) having a mass of 5 kg is guided by a guide rod from a height of 50 cm, and has a conical tip cone (tip angle 60 degrees, diameter 25 mm). The hardness of the soil layer and the depth of the soil layer are measured from the number of drops required for the tip cone to penetrate 10 cm by being dropped and collided with the rod knocking head.
[0004]
In general, the hardness of the soil layer where slope failure is likely to occur is said to be about 5 to 10 or less in terms of the Nd value of the simple dynamic cone penetration test (the number of drops of the weight required for the tip cone and rod to penetrate 10 cm). Yes.
[0005]
In addition, as a soil strength measuring apparatus for performing an intrusion test, an invention described in Japanese Patent Laid-Open No. 9-15126 is known.
[0006]
Conventionally, slope stability analysis requires adhesive force and internal friction angle. Generally, a plurality of samples are collected from the ground and obtained by a triaxial compression test or a one-side shear test in a room.
[0007]
Furthermore, as a method of measuring shear strength on the site such as mountain slopes, there is a method of measuring pure shear strength by rotating blades (vane shear test), but in the vane shear test, vertical load is applied. Since it is not possible to measure the internal friction angle, the measurement is limited to extremely soft soil, and it is not possible to measure the strength of a slightly hard soil layer related to slope failure. Similarly for other penetration tests, there is no method that can be easily calculated in the field up to the internal friction angle of the soil.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has the following two specific proposals against the background of the above-described conventional techniques and problems.
[0009]
(1) Problems related to soil depth measurement The simple dynamic cone penetration test is not only inconvenient to transport on a steep mountain slope, but the measurement is repeated by dropping a 5 kg weight. In this case, it is usually necessary for two people to work at one place. In this case, the measurement time is generally 10 minutes to several tens of minutes, and it is easy to get injured by putting a finger between the weights. There was also a dangerous side.
[0010]
Since the soil depth of the slope varies greatly depending on the location, it is necessary to conduct a number of tests at as many locations as possible. However, due to the above-mentioned drawbacks, it is possible to perform a test that can sufficiently grasp the heterogeneity of the soil depth of the slope. There is no problem in slope disaster prevention. The present invention solves such a problem.
[0011]
(2) Problems related to measurement of shear strength Generally, the shear strength of the soil layer on the slope is expressed by the internal friction angle φ and the internal friction angle C because of the necessity of performing slope stability analysis. The conventional method for obtaining the internal friction angle φ and the internal friction angle C is to excavate several tens of centimeters to several meters and to collect 3 to 4 undisturbed samples having a diameter of about 5 cm and a length of about 10 cm from the ground. Moreover, since it was necessary to carry the sample so as not to break it and to test it indoors, there was a problem of requiring labor. The present invention solves such a problem.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention pushes a bladeless cone tip attached to the tip of the rod into the soil and rotates it around the axis of the rod in the absence of a load in the depth direction. The measurement is performed, and the bladed cone tip attached to the tip of the rod is pushed into the soil and rotated around the axis of the rod while applying the same depth direction load as the predetermined depth direction load. Measurement, the combination of the first torque measurement and the second torque measurement is performed a plurality of times while changing the depth direction load, and the cone is obtained for each measurement of the torque measurement combination. Provided is a method for measuring the shear strength of soil, wherein the soil adhesive strength and the internal friction coefficient are obtained from the direct stress and shear load on the surface.
[0014]
In order to solve the above problems, the present invention slowly pushes a soil shear strength measuring device having a bladeless cone tip, a rod, a spring balance and a handle into the soil from the bladeless cone tip. Stop and rotate the shear strength measuring device around the axis of the rod with no load in the depth direction to measure the first torque, which is the friction around the rod, and then perform the first torque measurement Slowly push the soil shear strength measuring device with the bladed cone tip, rod, spring balance and handle into the soil at the point where the blade is moved or shifted from it, and stop the pushing. Then, the second torque measurement is performed by rotating the shear strength measuring device around the axis of the rod while applying a predetermined depth direction load, and the torque obtained by the second torque measurement is The torque obtained by the first torque measurement is subtracted to obtain a shear torque that acts on the surface of the cone that is sheared by the blade, and acts on the surface of the cone by the predetermined depth load and the shear torque. Obtaining a direct stress and a shear stress, a combined torque measurement combining the first torque measurement and the second torque measurement is performed a plurality of times while shifting the measurement location and changing the magnitude of the predetermined depth load, A method for measuring the shear strength of soil, characterized by plotting the direct stress and shear stress obtained on the basis of the measurement results of each combined torque measurement on a graph to determine the adhesive strength and internal friction angle of the soil layer provide.
[0015]
The soil shear strength measuring device having the bladed cone tip, rod, spring balance and handle has the bladeless cone tip in the soilless shear strength measuring device having the bladeless cone tip, rod, spring balance and handle. You may make it use what changed the tool to the said cone tip tool with a blade | wing.
[0016]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a shear strength measuring device having a cone tip, a rod, a spring balance, and a handle. The cone tip, the rod, the spring balance, and the handle are coupled to each other by a screw at the time of use. The cone tip can be disassembled when not in use, and there are two types of cone tip, a wingless cone tip and a winged cone tip, the two types of cone tips being interchangeable with each other to the rod An apparatus for measuring the shear strength of soil is provided.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Embodiments of a soil shear strength measuring method and apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings based on the embodiments. The present invention easily measures the depth of a soil layer up to a portion made of hard soil or rock under a soft soil layer where slope failure is likely to occur on a mountain slope, etc. by an intrusion test. The shear strength of the soil layer is measured.
[0018]
(measuring device)
FIG. 1 is a diagram showing a shear strength measurement and measurement device for carrying out the soil shear strength measurement method of the present invention, and is a diagram showing an embodiment of the soil shear strength measurement device of the present invention. In FIG. 1A, the shear strength measuring device 1 includes a cone tip, a rod 3, a spring balance 4 (cylindrical tension gauge), and a handle 5.
[0019]
The cone tip 2 is formed by annealing a steel material, and is configured integrally with a cone-shaped cone 6, a neck portion 7 and a shaft portion 8. A feature of the cone tip 2 according to the present invention is that the cone has a normal cone as shown in FIG. 1A (this is called a “bladeless cone tip”) 9, and As shown in FIG. 1 (b), the cone is composed of two types of cone tips (hereinafter referred to as “corn tip with blades”) 11 having blades 10 attached to the cone.
[0020]
The bladed cone tip 11 is configured by integrally attaching a plurality of blades 10 at equal angular intervals to the outer surface of a normal cone 6, in this embodiment, four blades 10. Two types of cone tips such as the bladeless cone tip 9 and the bladed cone tip 11 can be interchangeably screwed to the rod 3 and can be used in torque measurement described later.
[0021]
The rod 3 is made of a material such as high-strength stainless steel, and it is preferable to prepare rods of several different lengths that can be applied to the soil environment at the location to be measured. The handle 5 is of a size that can be grasped by the user's hand, and has left and right hollow portions 12 that are open at both left and right ends. A torque wrench is attached when measuring shear strength, which will be described later. used.
[0022]
The cone tip, rod 3, spring balance 4 and handle 5 can be disassembled and carried when not in use. In use, they can be assembled together as shown in FIG. That is, the upper end of the cone tip 2 can be screwed to the lower end of the rod 3 with a screw, the upper end of the rod 3 can be screwed to the lower shaft of the spring balance 4, and the upper shaft of the spring balance 4 can be It is the structure which can be screwed to the handle 5 with a screw.
[0023]
Here, the soil shear strength measuring method according to the present invention will be described using the soil shear strength measuring apparatus 1 according to the present invention. Specifically, this is a method of measuring the soil layer depth using the shear strength measuring apparatus 1 and measuring the adhesive force and the internal friction force.
[0024]
(Measurement of soil depth)
A method for measuring the soil depth by performing an intrusion test using the shear strength measuring apparatus 1 will be described. The cone tip 2 may be bladeless or bladed, but in any case, the cone tip 2 (without blade and bladed cone tip) is a conical cone having a diameter of 15 mm and an end angle of 60 degrees. . The shaft 8 of the cone tip 2 and the rod having a diameter of 10 mm are used.
[0025]
The shear strength measuring device 1 is gently pushed from the cone tip 2 into the layer by human force with a maximum force of 500 N (about 50 kg), and the depth direction load W (the load applied when pushing in, the spring balance 4 ) And the amount of penetration of the rod into the soil at that time. The depth direction load W increases rapidly when the soil layer is made of hard soil or rock under a soft soil layer, so measure the depth with the depth direction load W and the amount of penetration of the rod. Can do.
[0026]
Using such a measurement method, measurement experiments were actually conducted for Utsukuba (granite weathered soil), Kochi (Shimanto weathered soil) and Ehime (old riverbed gravel layer). The experimental data is shown in FIG. As can be understood from this experimental result, according to this measurement method, when pressed with a force of 500 N, the hardness corresponding to the Nd value of 15 is slightly harder than the Nd value of 5 to 10, which is the hardness of the soil layer where slope failure is likely to occur. You can penetrate.
[0027]
Unlike the conventional method of measuring the soil depth of the slope using a dynamic cone penetration tester, this soil depth measurement method penetrates the soil layer of the slope by gently pushing the rod from the cone tip into the soil layer. It is characterized by depth, and the total weight of the device is about 4kg. It is about 1/3 of the conventional simple dynamic cone penetration tester and can be disassembled and assembled. Since it is easy to handle and the test method is simple, one person can easily perform the measurement work.
[0028]
Furthermore, this soil layer depth measurement method has a measurement time of about 1 to 2 minutes, which is less than about 1/5 of the simple dynamic cone penetration test, so the soil layer depth on the slope is inhomogeneous. It can be grasped in a short time even at a difficult place. Furthermore, unlike the conventional penetration test, it is safe because no falling weight is used.
[0029]
(Measurement of adhesive strength and internal friction force)
Next, a method for measuring the adhesive force and internal friction force of the soil layer will be described. In the method of measuring the adhesive force and the internal friction force, the combined torque measurement combining the following (1) and (2) is performed by changing some conditions of the depth load W.
(1) Torque measurement by the shear strength measuring device 1 having the bladeless cone tip 9 (this is referred to as “first torque measurement”, see FIG. 3A).
(2) Torque measurement by the shear strength measuring device 1 having the bladed cone tip 11 (this is referred to as “second torque measurement”, see FIG. 3B).
Hereinafter, (1) first torque measurement and (2) second torque measurement will be specifically described.
[0030]
First, (1) first torque measurement (see FIG. 3A) is performed. Attach a bladeless cone tip 9 to the tip of the rod 3 and grasp the depth by the soil layer depth measurement method described above, and measure the adhesive strength and the internal friction angle at the desired depth (soft soil layer and It is pushed down to the depth near the boundary of the hard soil layer. Then, it penetrates to a predetermined depth, stops pushing, and in this state with no load in the depth direction, a wrench with a torque meter is appropriately attached to the handle 5 to connect the shear strength measuring device 1 to the shaft of the rod 3. Rotate slowly around the heart in a direction that will not loosen the screw.
[0031]
The maximum torque T ₀ at the time of the rotation is measured with a torque meter. This maximum torque T ₀ is a torque generated by the intrinsic friction of the measuring system such as the rod 3. After this torque measurement is completed, the shear strength measuring device 1 is pulled out from the soil.
[0032]
Next, (2) second torque measurement (see FIG. 3B) is performed. The bladeless cone tip 9 is removed and replaced with a bladed cone tip 11 shown in FIG. Then, the bladed cone tip 11 and the rod of the shear strength measuring device 1 are gently pushed into the soil layer at a location where the shear strength measuring device 1 is pulled out or slightly deviated therefrom.
[0033]
Thus grasp the soil layer depth while pushing, upon reaching the same predetermined depth as the soil layer depth when performing the first torque measurement, while applying a depth direction load W _1, wrench with a torque meter Rotate the shear strength measuring device 1 slowly.
[0034]
The maximum torque T ₁ of the when the rotation is measured with a torque meter. Rotational torque T applied to the bladed cone 6 along the soil of this time (soil portion take shear load by the blade) is subtracted torque T ₀ caused by inherent friction with the measurement system such as rod 3, T = T ₁ is a -T _0.
[0035]
Under this condition, the direct stress σn and shear stress τ of this shear test are calculated as follows. However, the stress distribution acting on the surface sheared by the blades is uniform for both the direct stress σn and the shear stress τ. Also, friction between the cone and soil and shearing of the neck 7 are not taken into consideration.
[0036]
FIG. 3C is a schematic diagram of a cone.
Overall cone height: H
In FIG.3 (c), consider the fan-shaped minute area in the point of height h from a cone tip about the shear surface of a cone.
Cone tip angle (angle with respect to the axis of the cone inclined surface): θ
Height from the cone tip of the small area part: h
Then,
Distance from cone tip to minute area: l (where l is a lowercase letter) l = h / cos θ
Small area of fan-shaped cone shear surface = ldψ · dl
It is.
[0037]
Shear stress acting on a small area: τ
Torque due to shear stress acting on a small area: t
Then, the torque t due to the shear stress τ acting on this minute area is as follows.
Arm length = htanθ
t = τ · htanθ · ldψ · dl
It is.
By the way, 2πHtanθ = ψH / cosθ
Therefore, ψ = 2πsinθ.
The total torque T obtained by integrating the torque t related to the minute area with respect to the entire shear plane is obtained, and the shear stress τ is expressed by this torque T as shown in the following formula 1.
[0038]
[Formula 1]

[0039]
FIG. 3D is a side view of the cone. As shown in this figure, since the sum of the vertical components of the direct stress σn acting on the cone shear surface is equal to the depth direction load W, the direct stress σn is expressed by the following formula 2.
[0040]
[Formula 2]

[0041]
As described above, in the case of the depth direction load W = W ₁ , (1) the first torque measurement and (2) the second torque measurement have been described. The measurement combining (1) and (2). Are tested for several conditions with different measured values of the depth direction load W, and the above calculation is performed based on the test results to determine the direct stress σn and the shear stress τ.
[0042]
For the plurality of direct stress σn and shear stress τ obtained in this way, the direct stress σn is plotted on the horizontal axis (X axis) and the shear stress τ is plotted on the vertical axis (Y axis), and FIG. An XY graph as shown in FIG. If the Y intercept c and slope tanφ of this graph are obtained,
From the equation of τ = σn · tan φ + c, the adhesive force c and the internal friction angle φ are obtained.
[0043]
Thus, according to the soil shear strength measuring method and apparatus 1 according to the present invention, by using the bladeless cone tip 9 and the bladed cone tip 11, while generating normal stress (depth direction load). A shear test can be performed at the measurement site, and the adhesive force and internal friction angle can be measured.
[0044]
The embodiment of the method and apparatus for measuring the shear strength of soil according to the present invention has been described based on the examples. However, the present invention is not particularly limited to such examples, and the technology described in the claims. It goes without saying that there are various embodiments within the scope of the subject matter.
[0045]
For example, in the above-described embodiment, two types of cone tip tool 11 with blades and cone tip tool 9 without blades are prepared as the cone tip tool 2 of the shear strength measuring device 1 and screwed to the rod 3 so as to be interchangeable. Instead of this, the shear strength measuring device 1 with the wingless cone tip 9 attached detachably and the two types of shear strength measuring devices with the winged cone tip 11 attached detachably are prepared and used in advance. By doing so, the trouble of replacing the cone tip tool may be saved.
[0046]
【The invention's effect】
According to the soil shear strength measuring method and apparatus according to the present invention having the above configuration, the following effects are produced. That is, on mountain slopes, etc., the working environment of the penetration test is poor, and the soil depth varies greatly depending on the position of the slope, so it is necessary to conduct tests at many locations.
[0047]
Even under such severe conditions, the soil shear strength measuring method and apparatus according to the present invention is compact in itself, and by using a winged cone, in situ while generating normal stress. By carrying out the shear test, the internal friction angles at many locations can be measured in a relatively simple and short time directly at the site. Therefore, it is extremely useful for quickly and accurately estimating a place where a slope failure is likely to occur on a mountain slope or the like without having to take a sample home.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are diagrams for explaining a soil shear strength measuring apparatus according to the present invention, wherein FIG. 1A shows a shear strength measuring apparatus with a bladeless cone tip, and FIG. 1B shows a bladed cone tip. FIG.
FIG. 2 is a diagram for explaining an example of soil depth experiment using the soil shear strength measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining a method for measuring the adhesive force and the internal friction force of a soil layer using the soil shear strength measuring method and apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a conventional simple dynamic cone penetration tester.
[Explanation of symbols]
1 Shear Strength Measuring Device 2 Cone Tip 3 Rod 4 Spring Scale (Cylinder Tension Gauge)
5 Handle 6 Cone 7 Neck part 8 Shaft part 9 Bladeless cone tip 10 Blade 11 Bladed cone tip 12 Handle hollow part

Claims

Push the bladeless cone tip attached to the tip of the rod into the soil, rotate it around the axis of the rod without any load in the depth direction, measure the first torque, and attach the blade attached to the tip of the rod The tip of the attached cone is pushed into the soil, the second torque is measured by rotating around the axis of the rod while applying the same depth direction load as the predetermined depth direction load, and the measurement of the first torque is performed. The second torque measurement combination is performed a plurality of times while changing the depth direction load, and from the direct stress and shear load on the surface of the cone obtained for each measurement of the torque measurement combination, A method for measuring the shear strength of soil, characterized by obtaining an adhesive strength and an internal friction coefficient .

Slowly push the soil shear strength measuring device with bladeless cone tip, rod, spring balance and handle into the soil from the bladeless cone tip, stop the push and the rod without any depth load Rotating the shear strength measuring device around the axis of the first to measure the first torque that is the friction of the peripheral surface of the rod,
Next, at the location where the first torque measurement was performed or the location shifted from that, a soil shear strength measuring device having a bladed cone tip, a rod, a spring balance and a handle was removed from the bladed cone tip. Slowly push in, stop the push, rotate the shear strength measuring device around the axis of the rod while applying a predetermined depth direction load, measure the second torque,
Subtracting the torque obtained in the first torque measurement from the torque obtained in the second torque measurement to obtain a shear torque acting on the surface of the cone sheared by the blade,
With the predetermined depth load and the shear torque, the direct stress and shear stress acting on the cone surface are obtained,
The combined torque measurement in which the first torque measurement and the second torque measurement are combined is performed a plurality of times by shifting the measurement location and changing the magnitude of the predetermined depth load, and the measurement result of each combination torque measurement A method for measuring the shear strength of soil, wherein the direct stress and shear stress obtained based on the above are plotted on a graph to determine the adhesive strength and internal friction angle of the soil layer .

The soil shear strength measuring device having the bladed cone tip, rod, spring balance and handle has the bladeless cone tip in the soilless shear strength measuring device having the bladeless cone tip, rod, spring balance and handle. 3. A method for measuring the shear strength of soil according to claim 2, wherein the tool is replaced with the bladed cone tip .

A shear strength measuring device having a cone tip, a rod, a spring balance and a handle,
The cone tip, rod, spring balance and handle are assembled together by screws when used, and can be disassembled when not in use.
There are two types of cone tip, a wingless cone tip and a winged cone tip, and the two types of cone tips are used in combination with the rod so as to be interchangeable with each other. measuring device.