JP4177281B2

JP4177281B2 - 測定装置及び測定方法

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Publication number: JP4177281B2
Application number: JP2004096325A
Authority: JP
Inventors: 次男吉田; 正松浦; 大輔岩名
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005283265A

Description

本発明は、土壌の液状化後の排水過程におけるせん断波速度を測定するための測定装置及び測定方法に関する。

地盤の液状化による被害を精度良く予測するためには、液状化後の排水過程（間隙水圧消散過程）におけるせん断剛性を求める必要がある。せん断剛性は、せん断波の速度を測定することにより、関係式から算出できる。具体的には、せん断剛性をＧｓ、せん断波速度をＶｓ、測定対象となる地盤の密度をρとすると、せん断剛性Ｇｓは、下記式（１）から求められる。

Ｇｓ＝ρ×Ｖｓ・・・（１）

このため、従来から、室内での模型実験によってせん断波速度の測定が行われている。せん断波速度の測定方法としては、例えば、上部と底部とに圧電セラミック振動子が取り付けられた容器を用いた測定方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上記の測定方法では、以下の手順で、液状化後の排水過程におけるせん断波の速度が測定される。先ず、容器内に試験体となる土壌のサンプルを充填し、試験体に上方から荷重をかけて、土壌サンプルの液状化を行う。これにより、水と土とが分離し、試験体の上面に水が浮き出た状態となる。

次に、上部の圧電セラミック振動子にパルス信号を入力して、せん断波（Ｓ波）を発生させる。次いで、底部の圧電セラミック振動子によってせん断波を受信して、せん断波の到達時間を測定する。さらに、測定された到達時間からせん断波速度を算出する。このように、上記の測定方法によれば、簡単にせん断波速度を求めることができる。
特開平１０−１６０７１５号公報（第３頁、第５図）

しかしながら、上記の測定方法においては、圧電セラミック振動子は、試験体の上下に配置されている。また、せん断波は、媒質の形の変化によって伝わるＳ波（横波）であるため、固体は伝播するが、液体は伝播しないという性質を有している。このため、上記の測定方法においては、液状化によって試験体の上面に水が浮き出た状態になると、せん断波の伝播経路に液体が介在することとなり、正確なせん断波速度の測定は困難となる。

本発明の目的は、上記問題を解消し、液状化によって水と土とが分離した状態においても正確にせん断波速度を測定し得る測定装置及び測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明における測定装置は、試験体を伝わるせん断波の速度を測定するための測定装置であって、前記試験体となる土壌サンプルを収納する容器と、一方の端部が閉塞された筒体と、前記筒体の内面に衝突して、前記試験体の内部でせん断波を発生させる剛体と、測定部と、第１の振動子と、第２の振動子と、前記第２の振動子を前記試験体中の予め定められた位置で保持するための保持部材とを少なくとも有し、前記筒体は、前記一方の端部が前記試験体中に埋設されるように配置されるものであり、前記保持部材は、前記筒体から離れた位置に全部又は一部が前記試験体中に埋設されるように配置されるものであり、前記第１の振動子は、前記筒体に取り付けられ、前記筒体で発生した前記せん断波を検知して前記測定部へ通知し、前記第２の振動子は、前記第２の振動子まで伝播した前記せん断波を検知して前記測定部へ通知し、前記測定部は、第１の振動子が前記せん断波を検知した時点と第２の振動子が前記せん断波を検知した時点との間の時間を測定し、測定した前記時間に基づいて前記せん断波の速度を算出することを特徴とする。

また、上記目的を達成するため本発明における測定方法は、試験体を伝わるせん断波の速度を測定するための測定方法であって、（ａ）一方の端部が閉塞された筒体を、前記試験体となる土壌サンプルに、閉塞された前記一方の端部が前記試験体中に埋設されるようにして配置した状態で、前記筒体の内面に剛体を衝突させて、せん断波を発生させる工程と、（ｂ）前記剛体の衝突によってせん断波が発生した時点と、前記せん断波が前記試験体中の予め定められた位置に到達した時点との間の時間を測定する工程と、（ｃ）前記（ｂ）の工程で測定された前記時間に基づいて、前記せん断波の速度を算出する工程とを少なくとも有することを特徴とする。

以上のように本発明における測定装置及び測定方法によれば、試験体である土壌サンプルの内部においてせん断波の発生が行われる。また、せん断波が発生した時点から、せん断波が試験体中の予め定められた位置に到達する時点までの時間（伝播時間）を測定し、測定した伝播時間を用いてせん断波速度を算出している。このため、土壌サンプルを液状化させて、水を浮き出させた状態であっても、せん断波の伝播経路に液体が介在しないため、正確なせん断波速度を測定できる。

上記本発明における測定装置においては、前記筒体の他方の端部が開口し、前記筒体が、金属材料で形成され、前記他方の端部が前記試験体から露出し、且つ、前記一方の端部が前記容器の底面に接触しないように配置されており、前記剛体が、金属製の球体と、前記球体に取り付けられた棒体とで形成されている態様とするのが好ましい。このような態様とすれば、任意の時間間隔での連続したせん断波の発生が容易なものとなる。

また、上記本発明における測定装置においては、前記保持部材が短冊状に形成されており、前記保持部材には、複数の前記第２の振動子が前記保持部材の長手方向に沿って配置されている態様とするのも好ましい。また、前記保持部材は銅又は銅合金で形成され、その厚みが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に設定されているのが好ましい。このような態様とする場合は、せん断波の検知の正確性を向上できる。

また、上記本発明における測定装置においては、前記測定部が、前記せん断波の速度に、前記試験体の密度を乗じて、前記試験体のせん断剛性を算出する態様とすることもできる。更に、前記試験体が液状化によって水と土とに分離した状態にあっても良い。

上記本発明における測定方法においては、前記（ａ）の工程を実行する前に、前記試験体の液状化をさせる工程を更に有し、その後、前記（ａ）の工程から前記（ｃ）の工程までを複数回実行することにより、前記せん断波の速度の経時変化を測定する態様であっても良い。また、上記本発明における測定方法においては、前記せん断波の速度に、前記試験体の密度を乗じて、前記試験体のせん断剛性を算出する工程を更に有する態様であっても良い。

以下、本発明における測定装置及び測定方法について図面を用いて説明する。最初に、本発明の測定装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本発明の測定装置の一例を示す断面構成図である。

図１に示す測定装置は、試験体１４を伝わるせん断波１３の速度を測定するための装置である。試験体１４は、土壌サンプルである。図１に示すように、測定装置は、試験体１４を収納する容器１、一方の端部が閉塞された筒体２、剛体３、複数の保持部材４、第１の振動子５、複数の第２の振動子６、及びせん断波速度を算出する測定部８を少なくとも備えている。

図１の例では、測定装置は、更に、増幅部９、Ａ／Ｄ変換器１０、記憶部１１及び表示部１２も備えている。また、図１の例では、容器１は、振動台７の上に載置されている。振動台７は、アクチュエータ（図示せず）により、横方向に（図１中の矢印の方向）振動できるように構成されている。振動台７によって容器１を振動することにより、図１に示すように試験体１４の上に水１５を浮き出させて、試験体１４を液状化させることができる。

また、図１に示すように、筒体２は、閉塞された一方の端部が試験体１４中に埋設され、開口した他方の端部が試験体１４から露出するように配置されている。剛体３は、筒体２の内部の底面に衝突できるように形成されている。

図１の例では、剛体を自由落下させて、筒体２の底面に衝突させることによって、試験体１４の内部でせん断波１３を発生させている。落下後の剛体３の引き上げは、人手によって行われる。なお、落下後の剛体３を引き上げるための装置を取り付けることもできる。

また、図１の例では、剛体３は、落下後の引き上げを容易にし、且つ、任意の時間間隔での連続的なせん断波の発生を容易にするため、球体３ａに棒体３ｂを取り付けて形成されている。但し、本発明において、剛体３の形状は、筒体２の内面に衝突させることができる形状であれば良く、例えば、球体３ａ又は棒体３ｂのみで構成されたものであっても良い。更に、せん断波１３の発生を容易にするため、筒体２及び剛体３は、共に金属材料で形成するのが好ましい。筒体２及び剛体３を形成する金属材料は特に限定されるものではない。なお、図１の例では、球体３ａのみを金属材料で形成した態様とすることもできる。

また、図１の例では、筒体２は、閉塞した端部が容器１の底面に接触しないように配置されている。これは、筒体２が容器１の底面に接触していると、発生したせん断波１３が容器や振動台７を伝播してしまい、これらを伝播したせん断波の速度までもが測定されてしまう可能性があるからである。

保持部材４は、第２の振動子６を試験体１４中の予め定められた位置で保持するために用いられ、筒体２から離れた位置に全部又は一部が試験体１４中に埋設されるように配置される。本発明において、保持部材４は、第２の振動子６を保持できるものであれば良く、特に限定されるものではない。但し、振動台７による試験体１４の液状化を妨げないようにするため、液状化の際に試験体１４と一緒に動くように形成されているのが好ましい。

このため、図１の例では、保持部材４は、短冊状の金属製の薄板で形成されている（図２参照）。また、適度な弾性を有し、厚みの制御が容易な点から、保持部材４は、銅又は銅合金の薄板で形成するのが特に好ましい。この場合、厚みは０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に設定するのが好ましい。

また、保持部材４は、図１に示すように容器１の底面に固定するのが好ましい。保持部材４は、液状化の際に試験体１４と一体となって動くため、固定していない場合は、試験体１４の動きが停止した後に保持部材４の位置がずれ、せん断波１３の速度の算出を正確に行えない可能性があるからである。

第１の振動子５及び第２の振動子６は、共に、せん断波１３を検知する。具体的には、第１の振動子５は筒体２に取り付けられており、剛体３の筒体２への衝突によって筒体で発生したせん断波１３を検知する。一方、第２の振動子６は保持部材４に取り付けられており、第２の振動子６の位置まで伝播したせん断波１３を検知する。このため、第１の振動子５によってせん断波１３の発生時刻を知ることができ、第２の振動子６によってその取り付け位置にせん断波１３が伝播した時刻を知ることができる。

第１の振動子５は、剛体３が筒体２の底面に衝突することによってせん断波１３が発生するため、図１に示すように、筒体２の底面に最も近接した位置に取り付けるのが好ましい。また、せん断波１３の速度の正確性を向上させるため、図１に示すように、複数の保持部材４を配置し、各保持部材４に複数の第２の振動子を取り付けるのが好ましい。この場合、複数の第２の振動子６は、保持部材４の長手方向に沿って等間隔で取り付けるのが好ましく、保持部材４は、その長手方向が筒体２の長手方向と一致し、且つその法線方向が筒体２の半径方向と一致するように配置するのが好ましい。なお、図１の例では、２枚の保持部材４が配置されている。

図１の例では、第１の振動子５及び第２の振動子６としては、圧電素子を備えた加速度センサが用いられている。第１の振動子５又は第２の振動子６にせん断波１３が伝播すると、第１の振動子５又は第２の振動子６から、せん断波１３を検知したことを通知する信号が測定部８へと出力される。また、図１の例では、第１の振動子５及び第２の振動子６が出力した信号は、先ず増幅部９によって増幅された後、Ａ／Ｄ変換器１０によってデジタル信号に変換され、その後、測定部８に入力される。

なお、第１の振動子５及び第２の振動子６としては、圧電素子を備えた加速度センサ以外のものを用いることもできる。例えば、コイルと磁石とを備えたサーボ式加速度変換器や、ひずみゲージを備えたひずみゲージ式加速度変換器等を用いることもできる。

測定部８は、第１の振動子５及び第２の振動子６からせん断波１３を検知したことを示す信号を受信すると、第１の振動子５から信号が出力された時点（起振時刻）と第２の振動子６から信号が出力された時点（受振時刻）との間の時間（伝播時間）を測定する。この伝播時間は、せん断波１３が発生してから保持部材４に到達するまでの時間に相当する。また、測定部８は、測定した伝播時間を用いてせん断波１３の速度を算出する。

図１の例では、各保持部材４には、複数の第２の振動子６が保持部材４の長手方向に沿って等間隔で取り付けられているため、第２の振動子６毎に伝播時間が測定される。また、記憶部１１には、第２の振動子６毎に、筒体２からの距離が格納されている。このため、測定部８は、第２の振動子６毎に、記憶部１１から距離を読み出し、読み出した距離を計測した時間で除してせん断波１３の速度を算出する。算出されたせん断波１３の速度は、表示部１２に表示される。

なお、図１の例では、各第２の振動子６において、筒体２までの距離は、筒体２の側面から保持部材４までの距離Ｌと、保持部材４上のポイント１６までの距離とによって、三角法を用いて算出されている。また、図１の例では、筒体２の底面に剛体３が衝突することによってせん断波１３が発生しており、筒体２の底面が起振点となっている。このため、図１に示すようにポイント１６は、保持部材４上の筒体２の底面と同高さに位置する点に設定されている。

また、図１に示す測定装置においては、測定部８によって、上述した式（１）を用いてせん断剛性を算出させることもできる。この場合、表示部１２には、算出されたせん断剛性も表示される。

次に、本発明における測定方法について図２を用いて説明する。図２は、本発明における測定方法の一例を示すフロー図である。但し、以下の例では、図１に示す測定装置を用いて本発明における測定方法が実施される。また、剛体３の筒体２への衝突は自由落下によって行われている。更に、以下の例では、試験体１４の液状化後の排水過程におけるせん断波速度の測定が行われている。

先ず、試験体１４を液状化させるため、振動台７による容器１の振動を行って、試験体１４の上面に水１５を浮き立たせる（ステップＳ１）。次に、剛体３を自由落下させて、筒体２に衝突させ、せん断波１３を発生させる（ステップＳ２）。

次いで、測定部８によって、せん断波１３が発生した時点と、せん断波１３が試験体１４中の予め定められた位置に到達した時点との間の時間、即ち、伝播時間を測定する（ステップＳ３）。なお、本例では、上述したように、せん断波１３が発生した時点は、筒体２に取り付けられた第１の振動子５によって検知される。また、せん断波１３が試験体１４中の予め定められた位置に到達した時点は、試験体１４中の保持部材４に取り付けられた第２の振動子６によって検知される。また、伝播時間の測定は、第２の振動子６毎に行われる。

次に、測定部８によって、せん断波１３の速度の算出が行われる（ステップＳ４）。なお、本例では、せん断波１３の速度の算出も第２の振動子６毎に行われる。その後、算出されたせん断波１３が表示部１２に表示される（ステップＳ５）。

ステップＳ５の終了後、設定された時間が経過していない場合は、更にステップＳ２〜Ｓ５を実行する（ステップＳ６）。このステップＳ２〜Ｓ５を繰り返し行うことにより、せん断波速度の経時変化が測定されることとなる。設定された時間が経過している場合は、処理を終了する。

なお、本例では、ステップＳ４の実行後に更にせん断剛性を算出し、ステップＳ５においてせん断剛性も表示する態様とすることもできる。また、この態様によれば、せん断剛性の経時変化も測定できる。

このように、本発明の測定装置及び測定方法によれば、試験体となる土壌サンプルが液状化している状態であっても、従来のようにせん断波の伝播経路に液体が介在しないため、正確なせん断波速度の測定が行える。

以上のように、本発明の測定装置及び測定方法を用いることで、液状化後のせん断波速度の測定を正確に行うことができる。また、この結果、液状化後のせん断剛性を正確に求めることができるので、地盤の液状化による被害を精度良く予測することができる。

本発明の測定装置の一例を示す断面構成図である。本発明における測定方法の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１容器
２筒体
３剛体
３ａ球体
３ｂ棒体
４保持部材
５第１の振動子
６第２の振動子
７振動台
８測定部
９増幅部
１０Ａ／Ｄ変換器
１１記憶部
１２表示部
１３せん断波
１４試験体（土壌サンプル）
１５水
１６ポイント

Claims

試験体を伝わるせん断波の速度を測定するための測定装置であって、
前記試験体となる土壌サンプルを収納する容器と、一方の端部が閉塞された筒体と、前記筒体の内面に衝突して、前記試験体の内部でせん断波を発生させる剛体と、測定部と、第１の振動子と、第２の振動子と、前記第２の振動子を前記試験体中の予め定められた位置で保持するための保持部材とを少なくとも有し、
前記筒体は、前記一方の端部が前記試験体中に埋設されるように配置されるものであり、前記保持部材は、前記筒体から離れた位置に全部又は一部が前記試験体中に埋設されるように配置されるものであり、
前記第１の振動子は、前記筒体に取り付けられ、前記筒体で発生した前記せん断波を検知して前記測定部へ通知し、前記第２の振動子は、前記第２の振動子まで伝播した前記せん断波を検知して前記測定部へ通知し、
前記測定部は、第１の振動子が前記せん断波を検知した時点と第２の振動子が前記せん断波を検知した時点との間の時間を測定し、測定した前記時間に基づいて前記せん断波の速度を算出する測定装置。
前記筒体の他方の端部が開口し、前記筒体が、金属材料で形成され、前記他方の端部が前記試験体から露出し、且つ、前記一方の端部が前記容器の底面に接触しないように配置されており、
前記剛体が、金属製の球体と、前記球体に取り付けられた棒体とで形成されている請求項１記載の測定装置。
前記保持部材が短冊状に形成されており、前記保持部材には、複数の前記第２の振動子が前記保持部材の長手方向に沿って配置されている請求項１または２に記載の測定装置。
前記保持部材が銅又は銅合金で形成され、その厚みが０．２ｍｍ〜０．５ｍｍの範囲に設定されている請求項３記載の測定装置。
前記測定部が、前記せん断波の速度に、前記試験体の密度を乗じて、前記試験体のせん断剛性を算出する請求項１〜４のいずれかに記載の測定装置。
前記試験体が液状化によって水と土とに分離した状態にある請求項１〜５のいずれかに記載の測定装置。
試験体を伝わるせん断波の速度を測定するための測定方法であって、
（ａ）一方の端部が閉塞された筒体を、前記試験体となる土壌サンプルに、閉塞された前記一方の端部が前記試験体中に埋設されるようにして配置した状態で、前記筒体の内面に剛体を衝突させて、せん断波を発生させる工程と、
（ｂ）前記剛体の衝突によってせん断波が発生した時点と、前記せん断波が前記試験体中の予め定められた位置に到達した時点との間の時間を測定する工程と、
（ｃ）前記（ｂ）の工程で測定された前記時間に基づいて、前記せん断波の速度を算出する工程とを少なくとも有する測定方法。
前記（ａ）の工程を実行する前に、前記試験体の液状化をさせる工程を更に有し、その後、前記（ａ）の工程から前記（ｃ）の工程までを複数回実行することにより、前記せん断波の速度の経時変化を測定する請求項７に記載の測定方法。
前記せん断波の速度に、前記試験体の密度を乗じて、前記試験体のせん断剛性を算出する工程を更に有する請求項７または８に記載の測定方法。