JP3790180B2 - 載荷試験装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、試験構造物に荷重を作用させてこの試験構造物及び／又はこの試験構造物を支持する地盤の挙動を試験する載荷試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の載荷試験装置の構成図であり、図８（Ａ）は変化前の状態を示し、図８（Ｂ）は変化後の状態を示し、図８（Ｃ）は変化後の荷重の作用状態を示す図である。
従来の載荷試験装置１０１は、図８に示すように、試験構造物Ｆに鉛直荷重Ｐ1 を作用させるアクチュエータ１０２と、試験構造物Ｆに水平荷重Ｐ2 を作用させるアクチュエータ１０３と、試験構造物Ｆに水平荷重Ｐ3 を作用させるアクチュエータ１０４と、試験構造物Ｆに作用する鉛直荷重、モーメント及び水平荷重を測定するロードセル１０５と、このロードセル１０５の出力信号に基づいて試験構造物Ｆに作用する鉛直荷重、モーメント及び水平荷重を演算する演算装置１０６と、この演算装置１０６の演算結果に基づいてアクチュエータ１０２〜１０４が発生する荷重の大きさを制御する制御装置１０７などを備えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の載荷試験装置１０１によって直接基礎や杭基礎などの支持力を高精度に評価するためには、鉛直荷重、モーメント及び水平荷重からなる複合荷重を試験構造物Ｆに同時に作用させる必要がある。しかし、従来の載荷試験装置１０１では、基礎の沈下や回転などの地盤変形により大きな変形が発生すると、各荷重を単独で制御することが困難になる。このため、従来の載荷試験装置１０１では、ロードセル１０５の出力信号を制御装置１０７にフィードバックさせながら荷重を制御する必要があり高価な制御システムが必要になる。図８（Ａ）に示すように、基礎底面Ｆ1 における実際の鉛直荷重Ｖ’、水平荷重Ｈ’及びモーメントＭ’は、基礎底面Ｆ1 の鉛直変位ｖ、水平変位ｈ及び回転角θを無視できる程度に変形が小さい場合には、以下の数１により表される。
【０００４】
【数１】
【０００５】
ここで、図８（Ａ）に示すＰ’はロードセル１０５が測定する鉛直荷重であり、Ｑ’はロードセル１０５が測定する水平荷重である。Ｌ1 は基礎底面Ｆ1 の中心ＡL からアクチュエータ１０３が発生する水平荷重Ｐ2 の作用点Ａ1 までの距離である。
【０００６】
図８（Ｂ）（Ｃ）に示すように、試験構造物Ｆに作用する鉛直荷重Ｐ1 及び水平荷重Ｐ2 ，Ｐ3 が大きくなり試験構造物Ｆの変形も大きくなると、各アクチュエータ１０２〜１０４が発生する荷重と実際に基礎底面Ｆ1 に作用する荷重との間の誤差が大きくなる。この誤差は、例えば、鉛直荷重Ｐ’が一定になるように制御装置１０７が制御すると、試験構造物Ｆに作用させる鉛直荷重Ｐ1 よりも実際の測定荷重Ｐ’を小さくする方向に働く。その結果、試験構造物Ｆに作用させる鉛直荷重Ｐ1 が大きくなるように、アクチュエータ１０２〜１０４を制御装置１０７が制御することがある。数１に示す鉛直荷重Ｖ’、水平荷重Ｈ’及びモーメントＭ’は、基礎の回転角θを考慮すると、以下の数２により表される。
【０００７】
【数２】
【０００８】
さらに、数１に示す鉛直荷重Ｖ’、水平荷重Ｈ’及びモーメントＭ’は、基礎の回転角θ、アクチュエータ１０２の回転角α、アクチュエータ１０３の回転角β及びアクチュエータ１０４の回転角γを考慮すると、以下の数３により表される。
【０００９】
【数３】
【００１０】
ここで、Ｌ2 は基礎底面Ｆ1 の中心ＡL からアクチュエータ１０４が発生する水平荷重Ｐ3 の作用点Ａ2 までの距離である。このように、従来の載荷試験装置１０１では、変形を測定しながら各アクチュエータ１０２〜１０４を制御すると、目標となる荷重が一意には決まらず短い周期で試行しながら制御する必要がある。その結果、従来の載荷試験装置１０１では、不要な振動荷重が試験構造物Ｆに作用したり、最悪の場合には求める荷重に制御することができないという問題があった。
【００１１】
この発明の課題は、試験構造物や地盤の変形に追従して荷重を簡単に制御して作用させることができる載荷試験装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、試験構造物（Ｆ）に荷重を作用させてこの試験構造物及び／又はこの試験構造物を支持する地盤（Ｇ）の挙動を試験する載荷試験装置であって、前記試験構造物の作用点（Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3 ）に鉛直荷重（ＰV，ＰM1，ＰM2，Ｐ MV1 ，Ｐ MV2 ，Ｐ MV3 ）を作用させる鉛直荷重作用手段（２１，２２，２３，２５）と、前記試験構造物及び／又は前記地盤が変化したときに、前記作用点に前記鉛直荷重が同一方向から作用するように、前記鉛直荷重作用手段をこの鉛直荷重の作用方向と直交する方向に移動自在にガイドするガイド手段（３）と、前記鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に回転自在に連結されて、この鉛直荷重作用手段又はこの試験構造物に水平荷重（Ｐ H ，Ｐ H1 ，Ｐ H2 ，Ｐ MH1 ，Ｐ MH2 ）を作用させる水平荷重作用手段（２４，２６，２７，２８）とを備える載荷試験装置（１，１０，２０）である。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段（２１，２２，２３）は、前記試験構造物の上面図心（Ａ0）に鉛直荷重（ＰV）を作用させるとともに、この試験構造物の上面図心から離れた複数の作用点（Ａ1，Ａ2）に鉛直荷重（ＰM1，ＰM2）を作用させてこの試験構造物に鉛直面を回転面とするモーメント（ＭV）を作用させ、前記水平荷重作用手段（２４）は、前記鉛直荷重を前記上面図心に作用させる前記鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に前記水平荷重を作用させることを特徴とする載荷試験装置（１）である。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段は、前記上面図心（Ａ0）に鉛直荷重（ＰV）を作用させる第１の鉛直荷重作用手段（２１）と、前記上面図心から等距離（Ｒ）の２つの作用点（Ａ1，Ａ2）に同一の大きさの鉛直荷重（ＰM1，ＰM2）を互いに逆方向に作用させる第２及び第３の鉛直荷重作用手段（２２，２３）とを備え、前記水平荷重作用手段は、前記第１の鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に前記水平荷重を作用させることを特徴とする載荷試験装置である。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段（２２，２３）は、前記試験構造物の上面図心（Ａ0）から離れた複数の作用点（Ａ1，Ａ2，Ａ3）に鉛直荷重（ＰM1，ＰM2）を作用させるとともに、これらの鉛直荷重によってこの試験構造物に鉛直面を回転面とするモーメント（ＭV）を作用させ、前記水平荷重作用手段（２４，２６，２７，２８）は、前記試験構造物に前記水平荷重を作用させることを特徴とする載荷試験装置（１０）である。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段は、前記上面図心（Ａ0）から等距離（Ｒ）の２つの作用点（Ａ1，Ａ2）に鉛直荷重（ＰM1，ＰM2）を作用させる第１及び第２の鉛直荷重作用手段（２２，２３）を備えることを特徴とする載荷試験装置である。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項２又は請求項４に記載の載荷試験装置において、前記水平荷重作用手段（２４，２６，２７，２８）は、前記試験構造物の上面図心に水平荷重（ＰH1，ＰH2）を作用させるとともに、この上面図心から離れた複数の作用点に互に逆方向の水平荷重（ＰMH1，ＰMH2）を作用させてこの試験構造物に水平面を回転面とするモーメント（ＭH）を作用させることを特徴とする載荷試験装置（２０）である。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項６に記載の載荷試験装置において、前記水平荷重作用手段は、前記試験構造物の上面図心（Ａ0）に水平荷重（ＰH1，ＰH2）を互いに直交する方向に作用させる第１及び第２の水平荷重作用手段（２４，２６）と、前記試験構造物の上面図心から等距離（Ｒ）の２つの作用点（Ａ4，Ａ5）に同一の大きさの水平荷重（ＰMH1，ＰMH2）を互いに逆方向に作用させる第３及び第４の水平荷重作用手段（２７，２８）を備えることを特徴とする載荷試験装置である。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項６又は請求項７に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段を水平面内で回転自在に支持する支持手段（７）を備え、前記ガイド手段は、前記支持手段を前記水平面内でスライド自在にガイドすることを特徴とする載荷試験装置である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。図２は、この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置における変形後の状態を示す図である。図３は、この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置における変形後の荷重の作用状態を示す図である。
【００２３】
試験構造物Ｆは、構造物からの荷重を地盤Ｇに伝達させる基礎構造物である。試験構造物Ｆは、基礎スラブからの荷重を直接地盤Ｇに伝える直接基礎や、構造物を直接支持することが困難な地盤Ｇなどで直接基礎の代わりに杭を使用して構造物を支持する杭基礎などである。地盤Ｇは、試験構造物Ｆを支持する地殻の表面部分や模型地盤などの表面部分などである。
【００２４】
載荷試験装置１は、試験構造物Ｆに荷重を作用させてこの試験構造物Ｆ及び／又は地盤Ｇの挙動を試験する装置である。載荷試験装置１は、例えば、試験構造物Ｆに荷重を作用させてこの試験構造物Ｆや地盤Ｇの支持力、耐力、強度、耐震性などを試験する。載荷試験装置１は、図１〜図３に示すように、荷重作用手段２と、ガイド手段３と、検出手段４と、演算手段５と、制御手段６などを備えている。
【００２５】
荷重作用手段２は、試験構造物Ｆの作用点に荷重を作用させる装置である。荷重作用手段２は、例えば、油圧や空気圧の変化を直線運動に変換する油圧アクチュエータや空気アクチュエータなどのように、流体エネルギーを機械的エネルギーに変換する装置である。荷重作用手段２は、鉛直荷重作用手段２１〜２３と水平荷重作用手段２４とを備えている。
【００２６】
鉛直荷重作用手段２１は、試験構造物Ｆの上面図心（二次元の図形の重心）である作用点Ａ0 に鉛直荷重ＰV を作用させる装置である。鉛直荷重作用手段２１は、試験構造物Ｆに鉛直荷重ＰV のみを作用させる鉛直荷重用のアクチュエータとして機能する。鉛直荷重作用手段２１は、流体が供給されるシリンダ２１ａと、このシリンダ２１ａ内の流体圧の変化に応じて伸縮駆動するピストンロッド２１ｂとを備えている。鉛直荷重作用手段２１は、試験構造物Ｆの作用点Ａ0 とピストンロッド２１ｂの先端部とを連結する連結部にモーメントが発生しないように、この試験構造物Ｆに回転自在にピン接合（ヒンジ接合）されている。
【００２７】
鉛直荷重作用手段２２，２３は、作用点Ａ0 から離れた作用点Ａ1 ，Ａ2 に鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用させて、試験構造物Ｆに鉛直面を回転面とする作用点Ａ0 回りのモーメントＭV を作用させる装置である。鉛直荷重作用手段２２，２３は、作用点Ａ0 から等距離（上面図心から等距離Ｒ）の作用点Ａ1 ，Ａ2 に同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を互いに逆方向に作用させる。鉛直荷重作用手段２２，２３は、試験構造物ＦにモーメントＭV のみを作用させるモーメント用のアクチュエータとして機能する。鉛直荷重作用手段２２，２３は、鉛直荷重作用手段２１と同一構造であり、シリンダ２２ａ，２３ａとピストンロッド２２ｂ，２３ｂとを備えている。鉛直荷重作用手段２２，２３は、ピストンロッド２２ｂ，２３ｂの先端部と作用点Ａ1 ，Ａ2 とを連結する連結部にモーメントが発生しないように、試験構造物Ｆに回転自在にピン接合されている。
【００２８】
水平荷重作用手段２４は、試験構造物Ｆに水平荷重ＰH を作用させる装置である。水平荷重作用手段２４は、水平荷重ＰH を作用点Ａ0 に作用させる水平荷重用のアクチュエータとして機能する。水平荷重作用手段２４は、鉛直荷重作用手段２１と同一構造であるシリンダ２４ａ及びピストンロッド２４ｂと、一方の端部が鉛直荷重作用手段２１のシリンダ２１ａに回転自在に連結され、他方の端部がピストンロッド２４ｂに連結されるワイヤ２４ｃとを備えている。水平荷重作用手段２４は、鉛直荷重作用手段２１に水平荷重ＰH を直接作用させ、鉛直荷重作用手段２１から作用点Ａ0 に水平荷重ＰH を間接的に作用させる。
【００２９】
水平荷重作用手段２４は、図１及び図２に二点鎖線で示すように、ワイヤ２４ｃの一方の端部をピストンロッド２４ｂの先端部に連結し、ワイヤ２４ｃの他方の端部を作用点Ａ0 に回転自在に連結して、このワイヤ２４ｃをプーリ２４ｄに巻き掛けてもよい。この場合には、水平荷重作用手段２４は、ピストンロッド２４ｂを駆動して、ピストンロッド２１ｂの先端部と作用点Ａ0 とを連結する連結部（ピン接合部）のピンをワイヤ２４ｃによって引っ張り、試験構造物Ｆに水平荷重ＰH を作用させる。水平荷重作用手段２４は、図２に示すように、試験構造物Ｆや地盤Ｇが変形したり傾斜したときに、ワイヤ２４ｃの傾斜角θH の影響がないように、プーリ２４ｄが作用点Ａ0 から遠距離になるように配置することが好ましい。
【００３０】
ガイド手段３は、試験構造物Ｆ及び／又は地盤Ｇが変化したときに、作用点Ａ0 ，Ａ1 ，Ａ2 に荷重が同一方向から作用するように、荷重作用手段２を荷重の作用方向と直交する方向に移動自在にガイドする装置である。ガイド手段３は、図１〜図３に示すように、スライダ３１〜３３とガイドレール３４とを備えている。ガイド手段３は、図２及び図３に示すように、試験構造物Ｆや地盤Ｇが傾斜、沈下、変形などにより変化したときに、鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2の作用方向（鉛直方向）と直交する方向（水平方向）への鉛直荷重作用手段２１〜２３の移動を許容し、鉛直荷重作用手段２１〜２３の鉛直面内及び水平面内での傾斜や回転を規制する。
【００３１】
スライダ３１〜３３は、鉛直荷重作用手段２１〜２３を支持して水平方向に移動する移動体である。スライダ３１〜３３はいずれも同一構造であり、以下ではスライダ３１を例に挙げて説明し、スライダ３２，３３側の部材についてはスライダ３１側の部材と対応する符号を付して説明を省略する。スライダ３１は、シリンダ２１ａの後端部を固定する固定部材３１ａと、この固定部材３１ａに回転自在に支持される２つの上側ローラ３１ｂと、これらの上側ローラ３１ｂと対向して配置され固定部材３１ａに回転自在に支持される２つの下側ローラ３１ｃとを備えている。
【００３２】
ガイドレール３４は、スライダ３１〜３３を水平方向に移動自在にガイドする部材である。ガイドレール３４は、上側ローラ３１ｂ，３２ｂ，３３ｂが回転接触しながら移動する上側ガイド面３４ａと、下側ローラ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが回転接触しながら移動する下側ガイド面３４ｂとを備えている。ガイドレール３４は、図示しない支持部材によって水平方向に支持される。
【００３３】
検出手段４は、試験構造物Ｆに作用する実際の鉛直荷重Ｖ及び水平荷重Ｈを検出する装置である。検出手段４は、図３に示すように、実際の鉛直荷重Ｖ及び水平荷重Ｈが試験構造物Ｆに作用したときに、この試験構造物Ｆに発生する歪みを電気信号に変換して出力するロードセルなどの荷重検出装置である。検出手段４は、試験構造物Ｆの基礎底面Ｆ1 の中心に装着されている。
【００３４】
演算手段５は、検出手段４の検出結果に基づいて、試験構造物Ｆに作用する実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈを演算する装置である。演算手段５は、実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈを以下の数４によって演算する。
【００３５】
【数４】
【００３６】
演算手段５は、基礎構造物Ｆの鉛直変位ｖ及び水平変位ｈを測定する図示しない変位計の出力信号や、ピストンロッド２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの伸縮量に基づいて、数４に示す傾斜角θを演算、あるいはピストンロッド２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ間の距離から数４に示すＲcosθを直接計測する。
【００３７】
制御手段６は、演算手段５の演算結果に基づいて、荷重作用手段２が発生する荷重の大きさを制御する装置である。制御手段６は、演算手段５が演算した実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈに基づいて、鉛直荷重作用手段２１〜２３が発生する荷重の大きさを制御する。
【００３８】
次に、この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置の動作を説明する。
図３に示すように、鉛直荷重作用手段２１〜２３及び水平荷重作用手段２４が動作すると、鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2及び水平荷重ＰH からなる複合荷重が試験構造物Ｆに作用する。図２に示すように、試験構造物Ｆや地盤Ｇの変化するとこの変化に追従して、鉛直荷重作用手段２１〜２３をガイド手段３が水平方向にガイドし、鉛直荷重作用手段２１〜２３が鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2を試験構造物Ｆに常に鉛直方向から作用させる。
【００３９】
鉛直荷重作用手段２１が鉛直荷重ＰV を作用点Ａ0 に作用させると、この試験構造物Ｆには鉛直荷重ＰV のみが作用する。一方、鉛直荷重作用手段２２，２３が作用点Ａ1 ，Ａ2 に同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を互いに逆方向に作用させると、この鉛直荷重ＰM1，ＰM2が偶力として試験構造物Ｆに作用する。その結果、鉛直荷重作用手段２２，２３は、試験構造物Ｆに作用点Ａ0 回りのモーメントＭV のみを作用させる。また、水平荷重作用手段２４が水平荷重ＰH をシリンダ２１ａに作用させると、試験構造物Ｆや地盤Ｇが変形したり傾斜しても、シリンダ２１ａは鉛直を保ったまま変形に追従するため、試験構造物Ｆの作用点Ａ0 に水平方向から水平荷重ＰH が常に作用する。なお、図２の二点鎖線で示すように、水平荷重作用手段２４がワイヤ２４ｃを引っ張り作用点Ａ0 に水平荷重ＰH を作用させた場合には、試験構造物Ｆや地盤Ｇが変化するとワイヤ２４ｃが傾斜角αで傾斜して、水平荷重ＰH の作用方向が水平方向から傾斜角θH だけ傾く。しかし、プーリ２４ｄが作用点Ａ0 から遠距離に配置されているため、水平荷重ＰH cosθH ≒ＰH （cosθH ≒１）となり、傾斜角θH の影響を少なくすることができる。
【００４０】
この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、試験構造物Ｆ及び／又は地盤Ｇが変化したときに、作用点Ａ0 ，Ａ1 ，Ａ2 に荷重が同一方向から作用させるように、荷重作用手段２を荷重の作用方向と直交する方向にガイド手段３が移動自在にガイドする。その結果、試験構造物Ｆや地盤Ｇの傾斜や沈下などの変化に追従して、鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2を試験構造物Ｆに常に一定方向から作用させながら載荷試験を継続することができる。
【００４１】
(2) この第１実施形態では、鉛直荷重作用手段２１が鉛直荷重ＰV を作用点Ａ0 に作用させ、鉛直荷重作用手段２２，２３が作用点Ａ1 ，Ａ2 に同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を互いに逆方向に作用させ、水平荷重作用手段２４が作用点Ａ0 に水平荷重ＰH を作用させる。その結果、鉛直荷重作用手段２１を単独で動作制御するだけで、数４に示すように鉛直荷重作用手段２１が発生する鉛直荷重ＰV を試験構造物Ｆに作用する実際の鉛直荷重Ｖと一致させることができる。同様に、水平荷重作用手段２４を単独で動作制御するだけで、数４に示すように水平荷重作用手段２４が発生する水平荷重ＰH を試験構造物Ｆに作用する実際の水平荷重Ｈと一致させることができる。また、鉛直荷重作用手段２２，２３を単独で動作制御するだけでモーメントＭV を制御することができるとともに、数４に示すようにこのモーメントＭV の大きさも傾斜角θのみの簡単な関数になり容易に演算することができる。
【００４２】
このように、この第１実施形態では、数４に示すように実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈを簡単に演算することができる。このため、基礎構造物Ｆや地盤Ｇの変化に追従しながら、鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2及び水平荷重ＰH をそれぞれ単独で作用させて、載荷経路を自由に設定できるとともに各荷重成分を独立して制御することができる。
【００４３】
（第２実施形態）
図４は、この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。図５は、この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置における変形後の状態を示す図である。図６は、この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置における変形後の荷重の作用状態を示す図である。以下では、図１〜図３に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
【００４４】
この載荷試験装置１０は、図１〜図３に示す荷重作用手段２から鉛直荷重作用手段２１を省略した装置である。鉛直荷重作用手段２２，２３は、図４〜図６に示すように、作用点Ａ0 から離れた作用点Ａ1 ，Ａ2 に鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用させるとともに、これらの鉛直荷重ＰM1，ＰM2によってこの試験構造物Ｆに鉛直面を回転面とするモーメントＭV を作用させる。
【００４５】
次に、この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置の動作を説明する。
例えば、図６に示す鉛直荷重作用手段２２，２３が異なる大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用点Ａ1 ，Ａ2 に互いに同一方向又は逆方向に作用させると、鉛直荷重Ｖ及びモーメントＭV が試験構造物Ｆに同時に作用する。試験構造物Ｆに鉛直荷重Ｖのみを作用させるときには、鉛直荷重作用手段２２，２３が同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用点Ａ1 ，Ａ2 に同一方向に作用させる。試験構造物Ｆに作用点Ａ0 回りのモーメントＭV のみを作用させるときには、鉛直荷重作用手段２２，２３が同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用点Ａ1 ，Ａ2 に互いに逆方向に作用させる。演算手段５は、実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈを以下の数５によって演算する。
【００４６】
【数５】
【００４７】
この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、鉛直荷重作用手段２２，２３が作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ1 ，Ａ2 に鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用させるとともに、これらの鉛直荷重ＰM1，ＰM2によって試験構造物ＦにモーメントＭV を作用させる。その結果、鉛直荷重ＰM1，ＰM2の平均値が実際の鉛直荷重となり、鉛直荷重ＰM1，ＰM2の差が実際のモーメントＭV となるため、図１〜図３に示す鉛直荷重作用手段２１が不要になり載荷試験装置１０を安価で簡単な構成にすることができる。
【００４８】
（第３実施形態）
図７は、この発明の第３実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。
この載荷試験装置２０は、図７に示すように、鉛直荷重作用手段２２，２３，２５及び水平荷重作用手段２４，２６〜２８を有する荷重作用手段２と、スライダ３５，３７，３８及びガイドレール３６，３９，４０を有するガイド手段３と、支持手段７などを備えている。鉛直荷重作用手段２５は、鉛直荷重作用手段２２，２３と同一構造であり、以下では鉛直荷重作用手段２５側の部材には、鉛直荷重作用手段２２，２３側の部材と対応する符号を付して詳細な説明を省略する。同様に、水平荷重作用手段２６〜２８は、水平荷重作用手段２４と同一構造であり、水平荷重作用手段２６〜２８側の部材には、水平荷重作用手段２４側の部材と対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４９】
鉛直荷重作用手段２２，２３，２５は、作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 に鉛直荷重ＰMV1，ＰMV2，ＰMV3を作用させるとともに、これらの鉛直荷重ＰMV1，ＰMV2，ＰMV3によって鉛直面を回転面とするモーメントＭV を試験構造物Ｆに作用させる装置である。鉛直荷重作用手段２２，２３，２５は、作用点Ａ0 を中心として１２０度間隔にこの作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 に同一又は異なる大きさの鉛直荷重ＰMV1，ＰMV2，ＰMV3を同一方向又は逆方向に作用させる。
【００５０】
水平荷重作用手段２４，２６は、水平荷重ＰH1，ＰH2を作用点Ａ0 に互いに直交する方向に作用させる装置である。水平荷重作用手段２４，２６は、ワイヤ２４ｃ，２６ｃの先端部が作用点Ａ0 にそれぞれ回転自在に連結されている。水平荷重作用手段２７，２８は、作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ4 ，Ａ5 に同一の大きさの水平荷重ＰMH1，ＰMH2を互いに逆方向に作用させる装置である。水平荷重作用手段２７，２８は、ワイヤ２７ｃ，２８ｃの先端部が作用点Ａ4 ，Ａ5 にそれぞれ回転自在に連結されており、水平面内を回転面とする作用点Ａ0 回りのモーメントＭH を試験構造物Ｆに作用させる。
【００５１】
ガイド手段３は、支持手段７を水平面内でスライド自在にガイドする装置である。ガイド手段３は、支持手段７を回転自在に支持するスライダ３５と、このスライダ３５を移動自在にガイドするガイドレール３６と、このガイドレール３６の両端部をそれぞれ支持するスライダ３７，３８と、スライダ３５の移動方向と直交する方向にスライダ３７，３８をそれぞれ移動自在にガイドするガイドレール３９，４０とを備えている。
【００５２】
支持手段７は、鉛直荷重作用手段２２，２３，２５を水平面内で回転自在に支持する装置である。支持手段７は、シリンダ２２ａ，２３ａ，２５ａの後端部を固定し支持する回転板状の部材であり、スライダ３５に回転自在に支持される回転軸（中心軸）７ａを備えている。
【００５３】
この第３実施形態に係る載荷試験装置には、第１実施形態及び第２実施形態の効果に加えて、各荷重成分を独立して制御して、試験構造物Ｆや地盤Ｇに３次元のねじりのようなより一層複雑な複合荷重を作用させることができる。
【００５４】
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、基礎構造物に荷重を作用させる載荷試験装置を例に挙げて説明したが、試験片や材料などの試験対象物に荷重を作用させる荷重試験装置などにもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、試験構造物Ｆとして基礎構造物を例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、３次元のねじりが作用する河川中のケーソン基礎や、斜面に沿って斜めに設置された構造物や、列車が走行する高架構造物などについてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、試験構造物Ｆに複合荷重を作用させる場合を例に挙げて説明したが、試験構造物Ｆに各荷重成分を単独で作用させたり、試験構造物Ｆに斜め方向から荷重を作用させたり、鉛直荷重を一定値にしてモーメントを変化させたり、鉛直荷重を一定値にして水平荷重のみを増加させることもできる。
【００５５】
(2) この実施形態では、検出手段４、演算手段５及び制御手段６を備える場合を例に挙げて説明したが、荷重作用手段２が発生する荷重値と試験構造物Ｆに作用する荷重値とを略一致させることができるため、フィードバックシステムを構成するこれらの手段を省略することもできる。また、この実施形態では、油圧や空気圧により荷重作用手段２を荷重制御する場合を例に挙げて説明したが、荷重作用手段２をサーボモータにして変位制御することもできる。
【００５６】
(3) この実施形態では、水平荷重作用手段２４，２６〜２８と試験構造物Ｆとをワイヤ２４ｃ，２６ｃ，２７ｃ，２８ｃによって連結する場合を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。例えば、水平荷重作用手段２４，２６〜２８を試験構造物Ｆに回転自在に直接連結して、水平荷重作用手段２４，２６〜２８を鉛直方向に移動自在にガイドするガイド手段を設置してもよい。また、この実施形態では、作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ1 〜Ａ5 に鉛直荷重ＰM1，ＰM2，ＰMV1 ，ＰMV2 ，ＰMV3 や水平荷重ＰMH1 ，ＰMH2 を作用させているが、作用点Ａ0 から離れた任意の複数の作用点に鉛直荷重や水平荷重を作用させてもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、試験構造物や地盤の変形に追従して荷重を簡単に制御して作用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置における変形後の状態を示す図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置における変形後の荷重の作用状態を示す図である。
【図４】この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。
【図５】この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置における変形後の状態を示す図である。
【図６】この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置における変形後の荷重の作用状態を示す図である。
【図７】この発明の第３実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。
【図８】従来の載荷試験装置の構成図であり、（Ａ）は変化前の状態を示し、（Ｂ）は変化後の状態を示し、（Ｃ）は変化後の荷重の作用状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 載荷試験装置
２ 荷重作用手段
３ ガイド手段
７ 支持手段
１０ 載荷試験装置
２０ 載荷試験装置
２１，２２，２３，２５ 鉛直荷重作用手段
２４，２６，２７，２７ 水平荷重作用手段
Ｆ 試験構造物
Ｇ 地盤
Ａ0 作用点（上面図心）
Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 ，Ａ4 ，Ａ5 作用点
Ｒ 距離
ＰV ，ＰM1，ＰM2，ＰMV1 ，ＰMV2 ，ＰMV3 鉛直荷重
ＰH ，ＰH1，ＰH2，ＰMH1 ，ＰMH2 水平荷重
ＭV ，ＭH モーメント
【発明の属する技術分野】
この発明は、試験構造物に荷重を作用させてこの試験構造物及び／又はこの試験構造物を支持する地盤の挙動を試験する載荷試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の載荷試験装置の構成図であり、図８（Ａ）は変化前の状態を示し、図８（Ｂ）は変化後の状態を示し、図８（Ｃ）は変化後の荷重の作用状態を示す図である。
従来の載荷試験装置１０１は、図８に示すように、試験構造物Ｆに鉛直荷重Ｐ1 を作用させるアクチュエータ１０２と、試験構造物Ｆに水平荷重Ｐ2 を作用させるアクチュエータ１０３と、試験構造物Ｆに水平荷重Ｐ3 を作用させるアクチュエータ１０４と、試験構造物Ｆに作用する鉛直荷重、モーメント及び水平荷重を測定するロードセル１０５と、このロードセル１０５の出力信号に基づいて試験構造物Ｆに作用する鉛直荷重、モーメント及び水平荷重を演算する演算装置１０６と、この演算装置１０６の演算結果に基づいてアクチュエータ１０２〜１０４が発生する荷重の大きさを制御する制御装置１０７などを備えている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の載荷試験装置１０１によって直接基礎や杭基礎などの支持力を高精度に評価するためには、鉛直荷重、モーメント及び水平荷重からなる複合荷重を試験構造物Ｆに同時に作用させる必要がある。しかし、従来の載荷試験装置１０１では、基礎の沈下や回転などの地盤変形により大きな変形が発生すると、各荷重を単独で制御することが困難になる。このため、従来の載荷試験装置１０１では、ロードセル１０５の出力信号を制御装置１０７にフィードバックさせながら荷重を制御する必要があり高価な制御システムが必要になる。図８（Ａ）に示すように、基礎底面Ｆ1 における実際の鉛直荷重Ｖ’、水平荷重Ｈ’及びモーメントＭ’は、基礎底面Ｆ1 の鉛直変位ｖ、水平変位ｈ及び回転角θを無視できる程度に変形が小さい場合には、以下の数１により表される。
【０００４】
【数１】
ここで、図８（Ａ）に示すＰ’はロードセル１０５が測定する鉛直荷重であり、Ｑ’はロードセル１０５が測定する水平荷重である。Ｌ1 は基礎底面Ｆ1 の中心ＡL からアクチュエータ１０３が発生する水平荷重Ｐ2 の作用点Ａ1 までの距離である。
【０００６】
図８（Ｂ）（Ｃ）に示すように、試験構造物Ｆに作用する鉛直荷重Ｐ1 及び水平荷重Ｐ2 ，Ｐ3 が大きくなり試験構造物Ｆの変形も大きくなると、各アクチュエータ１０２〜１０４が発生する荷重と実際に基礎底面Ｆ1 に作用する荷重との間の誤差が大きくなる。この誤差は、例えば、鉛直荷重Ｐ’が一定になるように制御装置１０７が制御すると、試験構造物Ｆに作用させる鉛直荷重Ｐ1 よりも実際の測定荷重Ｐ’を小さくする方向に働く。その結果、試験構造物Ｆに作用させる鉛直荷重Ｐ1 が大きくなるように、アクチュエータ１０２〜１０４を制御装置１０７が制御することがある。数１に示す鉛直荷重Ｖ’、水平荷重Ｈ’及びモーメントＭ’は、基礎の回転角θを考慮すると、以下の数２により表される。
【０００７】
【数２】
さらに、数１に示す鉛直荷重Ｖ’、水平荷重Ｈ’及びモーメントＭ’は、基礎の回転角θ、アクチュエータ１０２の回転角α、アクチュエータ１０３の回転角β及びアクチュエータ１０４の回転角γを考慮すると、以下の数３により表される。
【０００９】
【数３】
ここで、Ｌ2 は基礎底面Ｆ1 の中心ＡL からアクチュエータ１０４が発生する水平荷重Ｐ3 の作用点Ａ2 までの距離である。このように、従来の載荷試験装置１０１では、変形を測定しながら各アクチュエータ１０２〜１０４を制御すると、目標となる荷重が一意には決まらず短い周期で試行しながら制御する必要がある。その結果、従来の載荷試験装置１０１では、不要な振動荷重が試験構造物Ｆに作用したり、最悪の場合には求める荷重に制御することができないという問題があった。
【００１１】
この発明の課題は、試験構造物や地盤の変形に追従して荷重を簡単に制御して作用させることができる載荷試験装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明は、以下に記載するような解決手段により、前記課題を解決する。
なお、この発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、この実施形態に限定するものではない。
請求項１の発明は、試験構造物（Ｆ）に荷重を作用させてこの試験構造物及び／又はこの試験構造物を支持する地盤（Ｇ）の挙動を試験する載荷試験装置であって、前記試験構造物の作用点（Ａ0，Ａ1，Ａ2，Ａ3 ）に鉛直荷重（ＰV，ＰM1，ＰM2，Ｐ MV1 ，Ｐ MV2 ，Ｐ MV3 ）を作用させる鉛直荷重作用手段（２１，２２，２３，２５）と、前記試験構造物及び／又は前記地盤が変化したときに、前記作用点に前記鉛直荷重が同一方向から作用するように、前記鉛直荷重作用手段をこの鉛直荷重の作用方向と直交する方向に移動自在にガイドするガイド手段（３）と、前記鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に回転自在に連結されて、この鉛直荷重作用手段又はこの試験構造物に水平荷重（Ｐ H ，Ｐ H1 ，Ｐ H2 ，Ｐ MH1 ，Ｐ MH2 ）を作用させる水平荷重作用手段（２４，２６，２７，２８）とを備える載荷試験装置（１，１０，２０）である。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段（２１，２２，２３）は、前記試験構造物の上面図心（Ａ0）に鉛直荷重（ＰV）を作用させるとともに、この試験構造物の上面図心から離れた複数の作用点（Ａ1，Ａ2）に鉛直荷重（ＰM1，ＰM2）を作用させてこの試験構造物に鉛直面を回転面とするモーメント（ＭV）を作用させ、前記水平荷重作用手段（２４）は、前記鉛直荷重を前記上面図心に作用させる前記鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に前記水平荷重を作用させることを特徴とする載荷試験装置（１）である。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項２に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段は、前記上面図心（Ａ0）に鉛直荷重（ＰV）を作用させる第１の鉛直荷重作用手段（２１）と、前記上面図心から等距離（Ｒ）の２つの作用点（Ａ1，Ａ2）に同一の大きさの鉛直荷重（ＰM1，ＰM2）を互いに逆方向に作用させる第２及び第３の鉛直荷重作用手段（２２，２３）とを備え、前記水平荷重作用手段は、前記第１の鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に前記水平荷重を作用させることを特徴とする載荷試験装置である。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段（２２，２３）は、前記試験構造物の上面図心（Ａ0）から離れた複数の作用点（Ａ1，Ａ2，Ａ3）に鉛直荷重（ＰM1，ＰM2）を作用させるとともに、これらの鉛直荷重によってこの試験構造物に鉛直面を回転面とするモーメント（ＭV）を作用させ、前記水平荷重作用手段（２４，２６，２７，２８）は、前記試験構造物に前記水平荷重を作用させることを特徴とする載荷試験装置（１０）である。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段は、前記上面図心（Ａ0）から等距離（Ｒ）の２つの作用点（Ａ1，Ａ2）に鉛直荷重（ＰM1，ＰM2）を作用させる第１及び第２の鉛直荷重作用手段（２２，２３）を備えることを特徴とする載荷試験装置である。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項２又は請求項４に記載の載荷試験装置において、前記水平荷重作用手段（２４，２６，２７，２８）は、前記試験構造物の上面図心に水平荷重（ＰH1，ＰH2）を作用させるとともに、この上面図心から離れた複数の作用点に互に逆方向の水平荷重（ＰMH1，ＰMH2）を作用させてこの試験構造物に水平面を回転面とするモーメント（ＭH）を作用させることを特徴とする載荷試験装置（２０）である。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項６に記載の載荷試験装置において、前記水平荷重作用手段は、前記試験構造物の上面図心（Ａ0）に水平荷重（ＰH1，ＰH2）を互いに直交する方向に作用させる第１及び第２の水平荷重作用手段（２４，２６）と、前記試験構造物の上面図心から等距離（Ｒ）の２つの作用点（Ａ4，Ａ5）に同一の大きさの水平荷重（ＰMH1，ＰMH2）を互いに逆方向に作用させる第３及び第４の水平荷重作用手段（２７，２８）を備えることを特徴とする載荷試験装置である。
【００２１】
請求項８の発明は、請求項６又は請求項７に記載の載荷試験装置において、前記鉛直荷重作用手段を水平面内で回転自在に支持する支持手段（７）を備え、前記ガイド手段は、前記支持手段を前記水平面内でスライド自在にガイドすることを特徴とする載荷試験装置である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、この発明の第１実施形態について詳しく説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。図２は、この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置における変形後の状態を示す図である。図３は、この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置における変形後の荷重の作用状態を示す図である。
【００２３】
試験構造物Ｆは、構造物からの荷重を地盤Ｇに伝達させる基礎構造物である。試験構造物Ｆは、基礎スラブからの荷重を直接地盤Ｇに伝える直接基礎や、構造物を直接支持することが困難な地盤Ｇなどで直接基礎の代わりに杭を使用して構造物を支持する杭基礎などである。地盤Ｇは、試験構造物Ｆを支持する地殻の表面部分や模型地盤などの表面部分などである。
【００２４】
載荷試験装置１は、試験構造物Ｆに荷重を作用させてこの試験構造物Ｆ及び／又は地盤Ｇの挙動を試験する装置である。載荷試験装置１は、例えば、試験構造物Ｆに荷重を作用させてこの試験構造物Ｆや地盤Ｇの支持力、耐力、強度、耐震性などを試験する。載荷試験装置１は、図１〜図３に示すように、荷重作用手段２と、ガイド手段３と、検出手段４と、演算手段５と、制御手段６などを備えている。
【００２５】
荷重作用手段２は、試験構造物Ｆの作用点に荷重を作用させる装置である。荷重作用手段２は、例えば、油圧や空気圧の変化を直線運動に変換する油圧アクチュエータや空気アクチュエータなどのように、流体エネルギーを機械的エネルギーに変換する装置である。荷重作用手段２は、鉛直荷重作用手段２１〜２３と水平荷重作用手段２４とを備えている。
【００２６】
鉛直荷重作用手段２１は、試験構造物Ｆの上面図心（二次元の図形の重心）である作用点Ａ0 に鉛直荷重ＰV を作用させる装置である。鉛直荷重作用手段２１は、試験構造物Ｆに鉛直荷重ＰV のみを作用させる鉛直荷重用のアクチュエータとして機能する。鉛直荷重作用手段２１は、流体が供給されるシリンダ２１ａと、このシリンダ２１ａ内の流体圧の変化に応じて伸縮駆動するピストンロッド２１ｂとを備えている。鉛直荷重作用手段２１は、試験構造物Ｆの作用点Ａ0 とピストンロッド２１ｂの先端部とを連結する連結部にモーメントが発生しないように、この試験構造物Ｆに回転自在にピン接合（ヒンジ接合）されている。
【００２７】
鉛直荷重作用手段２２，２３は、作用点Ａ0 から離れた作用点Ａ1 ，Ａ2 に鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用させて、試験構造物Ｆに鉛直面を回転面とする作用点Ａ0 回りのモーメントＭV を作用させる装置である。鉛直荷重作用手段２２，２３は、作用点Ａ0 から等距離（上面図心から等距離Ｒ）の作用点Ａ1 ，Ａ2 に同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を互いに逆方向に作用させる。鉛直荷重作用手段２２，２３は、試験構造物ＦにモーメントＭV のみを作用させるモーメント用のアクチュエータとして機能する。鉛直荷重作用手段２２，２３は、鉛直荷重作用手段２１と同一構造であり、シリンダ２２ａ，２３ａとピストンロッド２２ｂ，２３ｂとを備えている。鉛直荷重作用手段２２，２３は、ピストンロッド２２ｂ，２３ｂの先端部と作用点Ａ1 ，Ａ2 とを連結する連結部にモーメントが発生しないように、試験構造物Ｆに回転自在にピン接合されている。
【００２８】
水平荷重作用手段２４は、試験構造物Ｆに水平荷重ＰH を作用させる装置である。水平荷重作用手段２４は、水平荷重ＰH を作用点Ａ0 に作用させる水平荷重用のアクチュエータとして機能する。水平荷重作用手段２４は、鉛直荷重作用手段２１と同一構造であるシリンダ２４ａ及びピストンロッド２４ｂと、一方の端部が鉛直荷重作用手段２１のシリンダ２１ａに回転自在に連結され、他方の端部がピストンロッド２４ｂに連結されるワイヤ２４ｃとを備えている。水平荷重作用手段２４は、鉛直荷重作用手段２１に水平荷重ＰH を直接作用させ、鉛直荷重作用手段２１から作用点Ａ0 に水平荷重ＰH を間接的に作用させる。
【００２９】
水平荷重作用手段２４は、図１及び図２に二点鎖線で示すように、ワイヤ２４ｃの一方の端部をピストンロッド２４ｂの先端部に連結し、ワイヤ２４ｃの他方の端部を作用点Ａ0 に回転自在に連結して、このワイヤ２４ｃをプーリ２４ｄに巻き掛けてもよい。この場合には、水平荷重作用手段２４は、ピストンロッド２４ｂを駆動して、ピストンロッド２１ｂの先端部と作用点Ａ0 とを連結する連結部（ピン接合部）のピンをワイヤ２４ｃによって引っ張り、試験構造物Ｆに水平荷重ＰH を作用させる。水平荷重作用手段２４は、図２に示すように、試験構造物Ｆや地盤Ｇが変形したり傾斜したときに、ワイヤ２４ｃの傾斜角θH の影響がないように、プーリ２４ｄが作用点Ａ0 から遠距離になるように配置することが好ましい。
【００３０】
ガイド手段３は、試験構造物Ｆ及び／又は地盤Ｇが変化したときに、作用点Ａ0 ，Ａ1 ，Ａ2 に荷重が同一方向から作用するように、荷重作用手段２を荷重の作用方向と直交する方向に移動自在にガイドする装置である。ガイド手段３は、図１〜図３に示すように、スライダ３１〜３３とガイドレール３４とを備えている。ガイド手段３は、図２及び図３に示すように、試験構造物Ｆや地盤Ｇが傾斜、沈下、変形などにより変化したときに、鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2の作用方向（鉛直方向）と直交する方向（水平方向）への鉛直荷重作用手段２１〜２３の移動を許容し、鉛直荷重作用手段２１〜２３の鉛直面内及び水平面内での傾斜や回転を規制する。
【００３１】
スライダ３１〜３３は、鉛直荷重作用手段２１〜２３を支持して水平方向に移動する移動体である。スライダ３１〜３３はいずれも同一構造であり、以下ではスライダ３１を例に挙げて説明し、スライダ３２，３３側の部材についてはスライダ３１側の部材と対応する符号を付して説明を省略する。スライダ３１は、シリンダ２１ａの後端部を固定する固定部材３１ａと、この固定部材３１ａに回転自在に支持される２つの上側ローラ３１ｂと、これらの上側ローラ３１ｂと対向して配置され固定部材３１ａに回転自在に支持される２つの下側ローラ３１ｃとを備えている。
【００３２】
ガイドレール３４は、スライダ３１〜３３を水平方向に移動自在にガイドする部材である。ガイドレール３４は、上側ローラ３１ｂ，３２ｂ，３３ｂが回転接触しながら移動する上側ガイド面３４ａと、下側ローラ３１ｃ，３２ｃ，３３ｃが回転接触しながら移動する下側ガイド面３４ｂとを備えている。ガイドレール３４は、図示しない支持部材によって水平方向に支持される。
【００３３】
検出手段４は、試験構造物Ｆに作用する実際の鉛直荷重Ｖ及び水平荷重Ｈを検出する装置である。検出手段４は、図３に示すように、実際の鉛直荷重Ｖ及び水平荷重Ｈが試験構造物Ｆに作用したときに、この試験構造物Ｆに発生する歪みを電気信号に変換して出力するロードセルなどの荷重検出装置である。検出手段４は、試験構造物Ｆの基礎底面Ｆ1 の中心に装着されている。
【００３４】
演算手段５は、検出手段４の検出結果に基づいて、試験構造物Ｆに作用する実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈを演算する装置である。演算手段５は、実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈを以下の数４によって演算する。
【００３５】
【数４】
演算手段５は、基礎構造物Ｆの鉛直変位ｖ及び水平変位ｈを測定する図示しない変位計の出力信号や、ピストンロッド２１ｂ，２２ｂ，２３ｂの伸縮量に基づいて、数４に示す傾斜角θを演算、あるいはピストンロッド２１ｂ，２２ｂ，２３ｂ間の距離から数４に示すＲcosθを直接計測する。
【００３７】
制御手段６は、演算手段５の演算結果に基づいて、荷重作用手段２が発生する荷重の大きさを制御する装置である。制御手段６は、演算手段５が演算した実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈに基づいて、鉛直荷重作用手段２１〜２３が発生する荷重の大きさを制御する。
【００３８】
次に、この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置の動作を説明する。
図３に示すように、鉛直荷重作用手段２１〜２３及び水平荷重作用手段２４が動作すると、鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2及び水平荷重ＰH からなる複合荷重が試験構造物Ｆに作用する。図２に示すように、試験構造物Ｆや地盤Ｇの変化するとこの変化に追従して、鉛直荷重作用手段２１〜２３をガイド手段３が水平方向にガイドし、鉛直荷重作用手段２１〜２３が鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2を試験構造物Ｆに常に鉛直方向から作用させる。
【００３９】
鉛直荷重作用手段２１が鉛直荷重ＰV を作用点Ａ0 に作用させると、この試験構造物Ｆには鉛直荷重ＰV のみが作用する。一方、鉛直荷重作用手段２２，２３が作用点Ａ1 ，Ａ2 に同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を互いに逆方向に作用させると、この鉛直荷重ＰM1，ＰM2が偶力として試験構造物Ｆに作用する。その結果、鉛直荷重作用手段２２，２３は、試験構造物Ｆに作用点Ａ0 回りのモーメントＭV のみを作用させる。また、水平荷重作用手段２４が水平荷重ＰH をシリンダ２１ａに作用させると、試験構造物Ｆや地盤Ｇが変形したり傾斜しても、シリンダ２１ａは鉛直を保ったまま変形に追従するため、試験構造物Ｆの作用点Ａ0 に水平方向から水平荷重ＰH が常に作用する。なお、図２の二点鎖線で示すように、水平荷重作用手段２４がワイヤ２４ｃを引っ張り作用点Ａ0 に水平荷重ＰH を作用させた場合には、試験構造物Ｆや地盤Ｇが変化するとワイヤ２４ｃが傾斜角αで傾斜して、水平荷重ＰH の作用方向が水平方向から傾斜角θH だけ傾く。しかし、プーリ２４ｄが作用点Ａ0 から遠距離に配置されているため、水平荷重ＰH cosθH ≒ＰH （cosθH ≒１）となり、傾斜角θH の影響を少なくすることができる。
【００４０】
この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置には、以下に記載するような効果がある。
(1) この第１実施形態では、試験構造物Ｆ及び／又は地盤Ｇが変化したときに、作用点Ａ0 ，Ａ1 ，Ａ2 に荷重が同一方向から作用させるように、荷重作用手段２を荷重の作用方向と直交する方向にガイド手段３が移動自在にガイドする。その結果、試験構造物Ｆや地盤Ｇの傾斜や沈下などの変化に追従して、鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2を試験構造物Ｆに常に一定方向から作用させながら載荷試験を継続することができる。
【００４１】
(2) この第１実施形態では、鉛直荷重作用手段２１が鉛直荷重ＰV を作用点Ａ0 に作用させ、鉛直荷重作用手段２２，２３が作用点Ａ1 ，Ａ2 に同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を互いに逆方向に作用させ、水平荷重作用手段２４が作用点Ａ0 に水平荷重ＰH を作用させる。その結果、鉛直荷重作用手段２１を単独で動作制御するだけで、数４に示すように鉛直荷重作用手段２１が発生する鉛直荷重ＰV を試験構造物Ｆに作用する実際の鉛直荷重Ｖと一致させることができる。同様に、水平荷重作用手段２４を単独で動作制御するだけで、数４に示すように水平荷重作用手段２４が発生する水平荷重ＰH を試験構造物Ｆに作用する実際の水平荷重Ｈと一致させることができる。また、鉛直荷重作用手段２２，２３を単独で動作制御するだけでモーメントＭV を制御することができるとともに、数４に示すようにこのモーメントＭV の大きさも傾斜角θのみの簡単な関数になり容易に演算することができる。
【００４２】
このように、この第１実施形態では、数４に示すように実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈを簡単に演算することができる。このため、基礎構造物Ｆや地盤Ｇの変化に追従しながら、鉛直荷重ＰV ，ＰM1，ＰM2及び水平荷重ＰH をそれぞれ単独で作用させて、載荷経路を自由に設定できるとともに各荷重成分を独立して制御することができる。
【００４３】
（第２実施形態）
図４は、この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。図５は、この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置における変形後の状態を示す図である。図６は、この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置における変形後の荷重の作用状態を示す図である。以下では、図１〜図３に示す部分と同一の部分については、同一の番号を付して詳細な説明を省略する。
【００４４】
この載荷試験装置１０は、図１〜図３に示す荷重作用手段２から鉛直荷重作用手段２１を省略した装置である。鉛直荷重作用手段２２，２３は、図４〜図６に示すように、作用点Ａ0 から離れた作用点Ａ1 ，Ａ2 に鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用させるとともに、これらの鉛直荷重ＰM1，ＰM2によってこの試験構造物Ｆに鉛直面を回転面とするモーメントＭV を作用させる。
【００４５】
次に、この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置の動作を説明する。
例えば、図６に示す鉛直荷重作用手段２２，２３が異なる大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用点Ａ1 ，Ａ2 に互いに同一方向又は逆方向に作用させると、鉛直荷重Ｖ及びモーメントＭV が試験構造物Ｆに同時に作用する。試験構造物Ｆに鉛直荷重Ｖのみを作用させるときには、鉛直荷重作用手段２２，２３が同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用点Ａ1 ，Ａ2 に同一方向に作用させる。試験構造物Ｆに作用点Ａ0 回りのモーメントＭV のみを作用させるときには、鉛直荷重作用手段２２，２３が同一の大きさの鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用点Ａ1 ，Ａ2 に互いに逆方向に作用させる。演算手段５は、実際の鉛直荷重Ｖ、モーメントＭV 及び水平荷重Ｈを以下の数５によって演算する。
【００４６】
【数５】
この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置には、第１実施形態の効果に加えて、以下に記載するような効果がある。
この第２実施形態では、鉛直荷重作用手段２２，２３が作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ1 ，Ａ2 に鉛直荷重ＰM1，ＰM2を作用させるとともに、これらの鉛直荷重ＰM1，ＰM2によって試験構造物ＦにモーメントＭV を作用させる。その結果、鉛直荷重ＰM1，ＰM2の平均値が実際の鉛直荷重となり、鉛直荷重ＰM1，ＰM2の差が実際のモーメントＭV となるため、図１〜図３に示す鉛直荷重作用手段２１が不要になり載荷試験装置１０を安価で簡単な構成にすることができる。
【００４８】
（第３実施形態）
図７は、この発明の第３実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。
この載荷試験装置２０は、図７に示すように、鉛直荷重作用手段２２，２３，２５及び水平荷重作用手段２４，２６〜２８を有する荷重作用手段２と、スライダ３５，３７，３８及びガイドレール３６，３９，４０を有するガイド手段３と、支持手段７などを備えている。鉛直荷重作用手段２５は、鉛直荷重作用手段２２，２３と同一構造であり、以下では鉛直荷重作用手段２５側の部材には、鉛直荷重作用手段２２，２３側の部材と対応する符号を付して詳細な説明を省略する。同様に、水平荷重作用手段２６〜２８は、水平荷重作用手段２４と同一構造であり、水平荷重作用手段２６〜２８側の部材には、水平荷重作用手段２４側の部材と対応する符号を付して詳細な説明を省略する。
【００４９】
鉛直荷重作用手段２２，２３，２５は、作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 に鉛直荷重ＰMV1，ＰMV2，ＰMV3を作用させるとともに、これらの鉛直荷重ＰMV1，ＰMV2，ＰMV3によって鉛直面を回転面とするモーメントＭV を試験構造物Ｆに作用させる装置である。鉛直荷重作用手段２２，２３，２５は、作用点Ａ0 を中心として１２０度間隔にこの作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 に同一又は異なる大きさの鉛直荷重ＰMV1，ＰMV2，ＰMV3を同一方向又は逆方向に作用させる。
【００５０】
水平荷重作用手段２４，２６は、水平荷重ＰH1，ＰH2を作用点Ａ0 に互いに直交する方向に作用させる装置である。水平荷重作用手段２４，２６は、ワイヤ２４ｃ，２６ｃの先端部が作用点Ａ0 にそれぞれ回転自在に連結されている。水平荷重作用手段２７，２８は、作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ4 ，Ａ5 に同一の大きさの水平荷重ＰMH1，ＰMH2を互いに逆方向に作用させる装置である。水平荷重作用手段２７，２８は、ワイヤ２７ｃ，２８ｃの先端部が作用点Ａ4 ，Ａ5 にそれぞれ回転自在に連結されており、水平面内を回転面とする作用点Ａ0 回りのモーメントＭH を試験構造物Ｆに作用させる。
【００５１】
ガイド手段３は、支持手段７を水平面内でスライド自在にガイドする装置である。ガイド手段３は、支持手段７を回転自在に支持するスライダ３５と、このスライダ３５を移動自在にガイドするガイドレール３６と、このガイドレール３６の両端部をそれぞれ支持するスライダ３７，３８と、スライダ３５の移動方向と直交する方向にスライダ３７，３８をそれぞれ移動自在にガイドするガイドレール３９，４０とを備えている。
【００５２】
支持手段７は、鉛直荷重作用手段２２，２３，２５を水平面内で回転自在に支持する装置である。支持手段７は、シリンダ２２ａ，２３ａ，２５ａの後端部を固定し支持する回転板状の部材であり、スライダ３５に回転自在に支持される回転軸（中心軸）７ａを備えている。
【００５３】
この第３実施形態に係る載荷試験装置には、第１実施形態及び第２実施形態の効果に加えて、各荷重成分を独立して制御して、試験構造物Ｆや地盤Ｇに３次元のねじりのようなより一層複雑な複合荷重を作用させることができる。
【００５４】
（他の実施形態）
この発明は、以上説明した実施形態に限定するものではなく、以下に記載するように種々の変形又は変更が可能であり、これらもこの発明の範囲内である。
(1) この実施形態では、基礎構造物に荷重を作用させる載荷試験装置を例に挙げて説明したが、試験片や材料などの試験対象物に荷重を作用させる荷重試験装置などにもこの発明を適用することができる。また、この実施形態では、試験構造物Ｆとして基礎構造物を例に挙げて説明したがこれに限定するものではない。例えば、３次元のねじりが作用する河川中のケーソン基礎や、斜面に沿って斜めに設置された構造物や、列車が走行する高架構造物などについてもこの発明を適用することができる。さらに、この実施形態では、試験構造物Ｆに複合荷重を作用させる場合を例に挙げて説明したが、試験構造物Ｆに各荷重成分を単独で作用させたり、試験構造物Ｆに斜め方向から荷重を作用させたり、鉛直荷重を一定値にしてモーメントを変化させたり、鉛直荷重を一定値にして水平荷重のみを増加させることもできる。
【００５５】
(2) この実施形態では、検出手段４、演算手段５及び制御手段６を備える場合を例に挙げて説明したが、荷重作用手段２が発生する荷重値と試験構造物Ｆに作用する荷重値とを略一致させることができるため、フィードバックシステムを構成するこれらの手段を省略することもできる。また、この実施形態では、油圧や空気圧により荷重作用手段２を荷重制御する場合を例に挙げて説明したが、荷重作用手段２をサーボモータにして変位制御することもできる。
【００５６】
(3) この実施形態では、水平荷重作用手段２４，２６〜２８と試験構造物Ｆとをワイヤ２４ｃ，２６ｃ，２７ｃ，２８ｃによって連結する場合を例に挙げて説明したが、これに限定するものではない。例えば、水平荷重作用手段２４，２６〜２８を試験構造物Ｆに回転自在に直接連結して、水平荷重作用手段２４，２６〜２８を鉛直方向に移動自在にガイドするガイド手段を設置してもよい。また、この実施形態では、作用点Ａ0 から等距離Ｒの作用点Ａ1 〜Ａ5 に鉛直荷重ＰM1，ＰM2，ＰMV1 ，ＰMV2 ，ＰMV3 や水平荷重ＰMH1 ，ＰMH2 を作用させているが、作用点Ａ0 から離れた任意の複数の作用点に鉛直荷重や水平荷重を作用させてもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によると、試験構造物や地盤の変形に追従して荷重を簡単に制御して作用させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。
【図２】この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置における変形後の状態を示す図である。
【図３】この発明の第１実施形態に係る載荷試験装置における変形後の荷重の作用状態を示す図である。
【図４】この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。
【図５】この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置における変形後の状態を示す図である。
【図６】この発明の第２実施形態に係る載荷試験装置における変形後の荷重の作用状態を示す図である。
【図７】この発明の第３実施形態に係る載荷試験装置の構成図である。
【図８】従来の載荷試験装置の構成図であり、（Ａ）は変化前の状態を示し、（Ｂ）は変化後の状態を示し、（Ｃ）は変化後の荷重の作用状態を示す図である。
【符号の説明】
１ 載荷試験装置
２ 荷重作用手段
３ ガイド手段
７ 支持手段
１０ 載荷試験装置
２０ 載荷試験装置
２１，２２，２３，２５ 鉛直荷重作用手段
２４，２６，２７，２７ 水平荷重作用手段
Ｆ 試験構造物
Ｇ 地盤
Ａ0 作用点（上面図心）
Ａ1 ，Ａ2 ，Ａ3 ，Ａ4 ，Ａ5 作用点
Ｒ 距離
ＰV ，ＰM1，ＰM2，ＰMV1 ，ＰMV2 ，ＰMV3 鉛直荷重
ＰH ，ＰH1，ＰH2，ＰMH1 ，ＰMH2 水平荷重
ＭV ，ＭH モーメント
Claims (8)
- 試験構造物に荷重を作用させてこの試験構造物及び／又はこの試験構造物を支持する地盤の挙動を試験する載荷試験装置であって、
前記試験構造物の作用点に鉛直荷重を作用させる鉛直荷重作用手段と、
前記試験構造物及び／又は前記地盤が変化したときに、前記作用点に前記鉛直荷重が同一方向から作用するように、前記鉛直荷重作用手段をこの鉛直荷重の作用方向と直交する方向に移動自在にガイドするガイド手段と、
前記鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に回転自在に連結されて、この鉛直荷重作用手段又はこの試験構造物に水平荷重を作用させる水平荷重作用手段と、
を備える載荷試験装置。 - 請求項１に記載の載荷試験装置において、
前記鉛直荷重作用手段は、前記試験構造物の上面図心に鉛直荷重を作用させるとともに、この試験構造物の上面図心から離れた複数の作用点に鉛直荷重を作用させてこの試験構造物に鉛直面を回転面とするモーメントを作用させ、
前記水平荷重作用手段は、前記鉛直荷重を前記上面図心に作用させる前記鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に前記水平荷重を作用させること、
を特徴とする載荷試験装置。 - 請求項２に記載の載荷試験装置において、
前記鉛直荷重作用手段は、
前記上面図心に鉛直荷重を作用させる第１の鉛直荷重作用手段と、
前記上面図心から等距離の２つの作用点に同一の大きさの鉛直荷重を互いに逆方向に作用させる第２及び第３の鉛直荷重作用手段とを備え、
前記水平荷重作用手段は、前記第１の鉛直荷重作用手段又は前記試験構造物に前記水平荷重を作用させること、
を特徴とする載荷試験装置。 - 請求項１に記載の載荷試験装置において、
前記鉛直荷重作用手段は、前記試験構造物の上面図心から離れた複数の作用点に鉛直荷重を作用させるとともに、これらの鉛直荷重によってこの試験構造物に鉛直面を回転面とするモーメントを作用させ、
前記水平荷重作用手段は、前記試験構造物に前記水平荷重を作用させること、
を特徴とする載荷試験装置。 - 請求項４に記載の載荷試験装置において、
前記鉛直荷重作用手段は、前記上面図心から等距離の２つの作用点に鉛直荷重を作用させる第１及び第２の鉛直荷重作用手段を備えること、
を特徴とする載荷試験装置。 - 請求項２又は請求項４に記載の載荷試験装置において、
前記水平荷重作用手段は、前記試験構造物の上面図心に水平荷重を作用させるとともに、この上面図心から離れた複数の作用点に互に逆方向の水平荷重を作用させてこの試験構造物に水平面を回転面とするモーメントを作用させること、
を特徴とする載荷試験装置。 - 請求項６に記載の載荷試験装置において、
前記水平荷重作用手段は、
前記試験構造物の上面図心に水平荷重を互いに直交する方向に作用させる第１及び第２の水平荷重作用手段と、
前記試験構造物の上面図心から等距離の２つの作用点に同一の大きさの水平荷重を互いに逆方向に作用させる第３及び第４の水平荷重作用手段を備えること、
を特徴とする載荷試験装置。 - 請求項６又は請求項７に記載の載荷試験装置において、
前記鉛直荷重作用手段を水平面内で回転自在に支持する支持手段を備え、
前記ガイド手段は、前記支持手段を前記水平面内でスライド自在にガイドすること、
を特徴とする載荷試験装置。
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