JP3987547B2

JP3987547B2 - 遠心力載荷試験用地盤劣化装置

Info

Publication number: JP3987547B2
Application number: JP2005238329A
Authority: JP
Inventors: 大河原正文; 三田地利之; 早川謙吾
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2005-08-19
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2021-05-29
Also published as: JP2006010708A

Description

本発明は、遠心力載荷試験時の短縮された時間内にそれに見合った物理的・化学的風化を模型地盤に強制的に作用させる模型地盤劣化装置に関するものである。

地盤の挙動は長時間にわたる緩慢な変化に基づくが、これを短時間で行なう実験方法として遠心力載荷試験がある。すなわち、遠心力載荷試験とは、縮小模型に実地盤と等しい自重を遠心力により作用させ、縮小模型に再現させる試験である。試験結果は、地盤の圧密、液状化などの地盤挙動の予測・検証に用いられている。遠心力載荷試験は、実物大の模型をわざわざ作製する必要がないほか、重力の数十から数百倍の遠心力が模型にかかるため、地中水が遠心加速度の２乗の速さで流れるなど、実際の挙動時間に比べて現象が速く進行する（１００Ｇ載荷時：１０年が１日に短縮）。このように遠心力載荷試験は、大幅な時間短縮が可能で圧密のような長時間にわたる地盤挙動の予測には有効である。

しかし、数年から数十年にわたる長期現象の予測・検証のあたり、北海道・東北地方などの積雪寒冷地では３月から４月にかけての融雪期に、凍結融解による地盤表層部の破砕（物理的風化）や、近年問題になっている酸性雨による地盤の変質（化学的風化）など、風化による地盤の劣化が生じている。これら風化による地盤劣化は、その耐久性に大きく影響を及ぼすため、斜面崩壊などの地盤災害の主な要因になっている。

従来の遠心力載荷試験は土壌の特性は不変であると仮定して行なわれてきたが、土壌風化による特性の変化（寒冷地の凍結・融解による物理的風化や酸性雨など大気環境の化学物質による化学的変化）が取り入れられていないという問題があった。すなわち、現在の遠心力載荷試験では、これら物理的・化学的風化による地盤劣化を全く考慮していないため、長期現象の再現性という点で問題である。

そこで、本発明は、遠心力載荷試験の中に風化による土壌特性変化を組み込むために冷凍・解凍を行い、同時に、劣化溶液による土壌の化学変化を与えることの出来る地盤劣化装置を提供し、長期にわたる土壌の特性変化も組み込んだ地盤挙動を実験的に調べることを可能とすることを目的としたものである。すなわち、遠心力載荷試験時の短縮された時間内にそれに見合った物理的・化学的風化を模型地盤に強制的作用させる「模型地盤劣化装置」を提供し上記問題点を解決することを目的とする。

本発明が採用した技術解決手段は、
模型地盤容器の内部に模型地盤を載置し、また前記容器の上方部に噴霧ノズル装置を設け、前記模型地盤に給水タンク内の劣化溶液を前記噴霧ノズルから噴霧できるようにするとともに、前記模型地盤容器を密閉できる構造とし、真空ポンプを使って模型地盤容器の内部の真空度を高めるようにしたことを特徴とする遠心力載荷試験用地盤劣化溶液噴霧装置である。
また、給水タンク内の劣化溶液は、バルブ、給水シリンダ−を介して噴霧ノズル装置のノズルに入るようにした遠心力載荷試験用地盤劣化溶液噴霧装置である。
また、給水タンクに、バブリングのできる酸素供給ポンプと溶存酸素濃度計を取り付けたことを特徴とする遠心力載荷試験用地盤劣化溶液噴霧装置である。
また、模型地盤容器内への劣化溶液の供給量は、噴霧ノズル装置のノズルの開口数と給水シリンダ−の圧力を制御するコントロ−ルボックスによって制御されるようにした遠心力載荷試験用地盤劣化溶液噴霧装置である。

本発明によれば、模型地盤を冷却・加温管、冷却・加温板により、冷却・加温するので、従来の模型地盤容器外の別のプ−ルで温度調節されたアルコ−ルを循環させることにより気温を再現していたのに比べて時間が短縮される。特に、実施例における装置によれば、冷却パイプは冷凍機に直結されているために、短時間に−３５°Ｃにまで模型地盤容器内の温度を下げることができる。更に、高周波出力器を有するので氷を瞬時に水に変化させることができる。そのため、模型地盤内にマイクロ波を照射している間だけ模型地盤表面の氷は融解し、それ以外は模型地盤容器内が−３５°Ｃのために凍結する。この高周波出力器と冷却パイプの組み合わせにより、遠心力載荷試験時の短縮した時間内に複数回の凍結融解を発生させることができる。また、更なる時間短縮が必要な時には、−１７０°Ｃの液体窒素を上部より注入する。これにより、模型地盤の表面は瞬時に凍結する。また、先行例の「給水装置」において、給水盤からフイルタ−を通して模型地盤に劣化溶液注入・浸透させることにより、偏りのない均一な化学反応を起こさせること出来るものである。実施例の「劣化溶液噴霧装置」においては、噴霧ノズル装置のノズルを模型地盤容器の上方部に配置したから、劣化溶液の供給方向は遠心力の方向と同じになり、無理な圧力をかけることなく均等に劣化溶液を浸透させることができる。更に、給水タンクに、バブリングのできる酸素供給ポンプと溶存酸素濃度計を取り付けたことにより、ｐＨ調整溶液だけでは鉱物変化を生じない鉱物にも対応でき、ｐＨと溶存酸素濃度の調整も可能にする。

本発明は、模型地盤容器の内部に模型地盤を載置し、また前記容器の上方部に噴霧ノズル装置を設け、前記模型地盤に給水タンク内の劣化溶液を前記噴霧ノズルから噴霧できる装置であり、また、前記模型地盤容器を密閉できる構造とし、真空ポンプを使って模型地盤容器の内部の真空度を高めるようにした装置である。

以下、本発明について詳述すると、図１は、模型地盤劣化装置の先行例で（ａ）は、模型地盤に凍結融解による物理的風化を作用させるための「凍結融解装置」、（ｂ）は、劣化溶液を媒介として化学的風化を生じさせるための「給水装置」である（非特許文献1)、図２は、模型地盤に凍結融解（物理的風化）を瞬時に作用させる「短周期凍結融解装」、図３は、模型地盤に化学的風化を強制的に作用させる「劣化溶液噴霧装置」である。

田中俊成他、遠心載荷試験のための模型地盤劣化装置の試作、平成１１年度土木学会東北支部技術研究発表会講演概要３１４−３１５、２０００

図１（ａ）において、水槽１は、媒体液（メタノ−ル）を収容している。模型地盤７を収容する模型地盤容器５の上面には、冷却・加温管４が、側面には、冷却・加温側板６が配置されている。水槽１と模型地盤容器５内の冷却・加温管４、冷却・加温管板６は、循環ホ−ス３を介して連結されており、水槽１内の媒体液が循環するようになっている。そして、水槽１のコントロ−ルパネル２で温度設定された媒体液は、循環ホ−ス３、冷却・加温管４、冷却・加温管板６を循環し、模型地盤容器５内の模型地盤７を適宜凍結融解作用させる。図１（ｂ）において、給水タンク１１は、劣化溶液（希硫酸等）１２を収容している。模型地盤１９を収容する模型地盤容器１８の側面には、フィルタ−付き給水盤１７が配置され、模型地盤１９内に等しく劣化溶液１２が浸透するようになっている。給水タンク１１と模型地盤容器１８の側面のフィルタ−付き給水盤１７とは、バルブ１３、給水シリンダ−１５を介して連結されている。給水シリンダ−１５は、圧力計１４を有し、コントロ−ルパネル１６によって適宜の圧力にコントロ−ルされる。そして、劣化溶液１２をフィルタ−付き給水盤１７に注入・浸透させることにより、模型地盤１９に化学反応をおこさせるのである。

図２において、模型地盤２６を収容する模型地盤容器２７は、上面、両側面に直接冷却パイプ２３を配置し、該パイプ２３は冷凍機２１に直結されている。また、模型地盤容器２７の上部には、高周波出力器２２が配置され、更に液体窒素の注入バルブ２４を取付け、該注入バルブ２４は液体窒素タンク２５に連結されている。そして、冷凍機２１は、冷却パイプ２３を介して短時間の間に模型地盤容器２７内の温度（例えば−３５°Ｃ）を下げることができる。高周波出力器２２は、瞬時に氷を水に変化させるためのもので、模型地盤容器２７内にマイクロ波を照射している間だけ、模型地盤２６の表面の水は融解し、それ以外は模型地盤容器２７内をマイナス（例えば−３５°Ｃ）に凍結する。この高周波出力器２２と冷却パイプ２３の組み合わせにより、遠心力載荷試験時の短縮した時間内に複数回の凍結融解を発生させることができる。また、さらなる時間短縮が必要なときには液体窒素を上部より注入し、これにより模型地盤７の表面は瞬時に凍結する。
図３において、給水タンク３２は、劣化溶液（希硫酸等）３１を収容しバブリングのできる酸素供給パイプ３４、溶存酸素濃度計３３を有する。模型地盤４１を収容する模型地盤容器４２の上面には、噴霧ノズル装置３９が配置され、該噴霧ノズル装置３９はノズル４０を有する。また、模型地盤４１への劣化溶液の吸収を高める目的で、模型地盤容器４２を密閉できる構造とし真空ポンプを使って模型地盤容器４２内部の真空度を高めることができる。給水タンク３２と噴霧ノズル装置３９は、バルブ３５、給水シリンダ−３７等を介して連結されている。給水シリンダ−３７は、圧力計３６を有し、コントロ−ルボックス３８によって適宜の圧力にコントロ−ルされ、劣化溶液３１の供給量は、ノズル４０の開口数と劣化溶液を送り込給水シリンダ−３７によって制御される。そして、上記構成によって、給水タンク３２内の劣化溶液３１は、噴霧ノズル装置３９のノズル４０によって模型地盤に噴射され、模型地盤は化学反応を生ずるのである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はその精神また主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で実施することができる。そのため前述の実施例は単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。更に特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は全て本発明の範囲内のものである。

風化による地盤劣化は、その耐久性に大きく影響を及ぼすため、斜面崩壊などの地盤災害の主な要因になっている。本発明は、長期にわたる土壌の特性変化も組み込んだ地盤挙動を実験的に調べることができる遠心力載荷試験用模型地盤劣化装置に利用できる。

模型地盤劣化装置の先行例で（ａ）は、模型地盤に凍結融解による物理的風化を作用させるための「凍結融解装置」、（ｂ）は、劣化溶液を媒介として化学的風化を生じさせるための「給水装置」である。本発明の遠心力載荷試験用模型地盤劣化装置に係る実施例であり、模型地盤に凍結融解（物理的風化）を瞬時に作用させる「短周期凍結融解装置」である。本発明の遠心力載荷試験用模型地盤劣化装置に係る実施例であり、模型地盤に岩石−溶液反応（化学的風化）を強制的に作用させる「劣化溶液噴霧装置」である。

符号の説明

２１冷凍機
２２高周波出力器
２３冷却パイプ
２４注入バルブ
２５液体窒素タンク
２６模型地盤
２７模型地盤容器
３１劣化溶液
３２給水タンク
３３溶存酸素濃度計
３４酸素供給パイプ
３５バルブ
３６圧力計
３７給水シリンダー
３８コントロールボックス
３９噴霧ノズル装置
４０ノズル
４１模型地盤
４２模型地盤容器
４３排水バルブ

Claims

模型地盤容器の内部に模型地盤を載置し、また前記容器の上方部に噴霧ノズル装置を設け、前記模型地盤に給水タンク内の劣化溶液を前記噴霧ノズルから噴霧できるようにするとともに、前記模型地盤容器を密閉できる構造とし、真空ポンプを使って模型地盤容器の内部の真空度を高めるようにしたことを特徴とする遠心力載荷試験用地盤劣化溶液噴霧装置。
給水タンク内の劣化溶液は、バルブ、給水シリンダ−を介して噴霧ノズル装置のノズルに入るようにした請求項１に記載の遠心力載荷試験用地盤劣化溶液噴霧装置。
給水タンクに、バブリングのできる酸素供給ポンプと溶存酸素濃度計を取り付けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の遠心力載荷試験用地盤劣化溶液噴霧装置。
模型地盤容器内への劣化溶液の供給量は、噴霧ノズル装置のノズルの開口数と給水シリンダ−の圧力を制御するコントロ−ルボックスによって制御されるようにした請求項１〜３のいずれかに記載の遠心力載荷試験用地盤劣化溶液噴霧装置。