JP4570279B2 - 載荷試験装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は載荷試験装置に係り、特に、地盤に打設されたり埋め込まれたりする杭の特性を調べるための載荷試験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、鉄道構造物として、橋脚や高架橋等があるが、それらには鉄筋コンクリート杭が多く使用されている。このような多くの場所に使用される鉄筋コンクリート杭においては、弾性域を越えた領域、即ち、亀裂，ひび割れ等が発生する塑性域の特性を知ることが重要となっている。
【０００３】
ところが、今日数多く行われている載荷試験装置にあっては、気中で行われた実験値に基づいて鉄筋コンクリート杭の特性が判定されているのが実状であり、地盤中で杭が、実際どのような挙動を示すのか、その挙動を把握することが困難である。
【０００４】
また、地盤中における杭の水平載荷試験も行われてきているが、それらの大部分が鋼管杭等のような弾性杭を対象としたものである。そして、地盤中での試験では、杭の変形状態を直接目で確認したり変位センサにより計測したりできないので、歪みゲージのような測定装置を用いて間接的に測定することで変形状態を推定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように歪みゲージを用いた載荷試験装置は、杭のような構造物が降伏点を大きく越えると測定不能となってしまうので、塑性域について考察することができず、したがって、塑性域が重要となる鉄筋コンクリートの載荷を地盤中で行っても、塑性域での特性までも調べることができなかった。
しかも、地盤中で試験を実施した場合、締固め等の要因によって地盤の土質定数（変形係数等）にばらつきが多いことから、試験結果が土質の影響を受けることもあり、杭そのものの特性を正確に把握することが困難であった。
このような問題は、杭のような構造体のみに関わらず、地盤に埋設される他の構造体にもあてはまる。
【０００６】
本発明は、上記従来技術の事情に鑑み、構造体を目視により試験することができ、しかも地盤のばらつきに拘わることなく構造体の特性を正確に把握することができる載荷試験装置を提供することを課題とする。
【０００７】
上記課題を解決するために本発明においては、以下の手段を採用した。本発明では、構造体に荷重を加えてその構造体の特性を試験する載荷試験装置であって、構造体を、地盤などの弾塑性体の物理定数に合わせて構造体の一方の面より支持する支持機構と、構造体の他方の面に対し略直交方向に荷重を加える加圧機構と、前記加圧機構が構造体に荷重をかけたとき、構造体が荷重のかかっている方向から逃げないように支持するパンタ部とを備えており、前記パンタ部は、前記構造体を支持する支持ブラケットと、前記支持ブラケットに軸支されて構造体の延伸方向に沿って配置された第１アームと、前記第１アームに軸支されて構造体の延伸方向に沿って配置された第２アームと、前記支持ブラケットと向き合って配置されて前記第２アームに軸支された取付ブラケットとを備え、前記第１アームが、前記支持ブラケットと前記取付ブラケットとの中間位置で前記第２アームに軸支されており、前記支持ブラケット側の端部を構造体の一端部側に向けて傾斜させて配置されることを特徴とする。
そして、前記支持機構は、地盤などの弾塑性体の物理定数に合わせた模擬手段からなっていることを特徴とする。
さらに、前記支持機構は、前記模擬手段における構造体側の先端部に、構造体を荷重の作用方向に沿い変位可能に支持する球面支持部を有することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図１７に基づいて説明する。
図１は本発明の基本原理を示しており、同図において、構造体としての長尺状の杭Ａが支持機構Ｂによって横設されている。この場合の支持機構Ｂとしては、ばね定数を地盤中の所望の土質に合わせて構成された模擬手段としての圧縮ばねからなっており、杭Ａに対しその長さ方向に沿い所定の間隔をもって支持することにより、杭Ａをあたかも地盤中に埋め込んだ状態として想定している。また、杭Ａの一端部が支承機構Ｃによって支承されており、杭Ａがその一端部の中心部を中心として水平軸周りの矢印方向に回動できるようになっている。
【０００９】
そして、杭Ａの他端部に加圧機構Ｄが杭Ａの上方から下方に荷重を加えたとき、つまり、杭Ａの他端部に対し鉛直方向に沿い上方から下方に荷重を加えたとき、杭Ａがその荷重の大きさに伴い、どのように変形するのか、どの程度まで耐えるのか等を目視でも確認することができるようになっている。
このように、杭Ａを支持機構Ｂによって横設することにより、地盤中に埋め込んだときと類似の状態にしておき、その状態の杭Ａに荷重を作用させて変形を起こさせると、杭Ａを塑性域まで試験したときの、杭Ａの変形状態を目視により確認することができ、さらには性能が把握済みの圧縮ばねを模擬地盤として用いているので、杭Ａがばらつきのある地盤の影響を受けることがなくなり、杭Ａそのものの特性を正確に得ることができるものとなっている。
【００１０】
次に、本発明の一実施形態の載荷試験装置について詳述する前に、本実施形態で取り扱う杭Ａについて述べると、この杭Ａは、図１０に示すように、コンクリートＥの内部に鉄筋Ｆが組み込まれたいわゆるＲＣ杭からなっており、高架橋等の杭として用いられる。
【００１１】
そして、上記杭Ａを試験する本実施形態の載荷試験装置を図２〜図９に示している。即ち、この載荷試験装置は、図２に示すように、第１ベース１上の一部（図２の左半部）に第２ベース２が設置され、その第２ベース２および第１ベース１の上にＰＣ鋼棒４（図６〜図９参照）を介し第３ベース３が対向して設置されている。これら第１〜第３ベース１〜３の各々は、Ｈ鋼に補強材等が組み付けられて形成されている。
また、第１ベース１，第２ベース２および第３ベース３と、それらの間に配置される杭Ａとの間に支持機構Ｂが複数設けられ、支持機構Ｂの各々が、杭Ａを上下方向から挟み付けることにより、杭Ａをその長さ方向に沿い所定間隔で支持している。
【００１２】
支持機構Ｂは、模擬手段として圧縮コイルばね５からなっており、そのばね定数が地盤の所望の土質定数（変形係数）と同様に選定されている。つまり、この圧縮コイルばね５は、図２に示すように、杭Ａの下面と第１，第２ベース１，２との間に縮設されると共に、杭Ａの上面と第３ベース３との間に縮設され、そのばね力で杭Ａを地盤中に埋め込んだ状態とほぼ同じような状態で支持している。
これら圧縮コイルばね５は、図６〜図８に示すように線径が異なるように図示されており、本例では何れも同様のばね定数に設定されている。なお、圧縮コイルばね５は、線径，ばねの高さ，ばねの数を任意に変えることにより、各種のばね定数とすることができ、また同様のばね定数であってもその可動量を変えることもできるように構成されている。
【００１３】
さらに、支持機構Ｂにおいて、圧縮コイルばね５の杭Ａ側の一端部に荷重計６が装着されると共に、その荷重計６を介して球面支持部７を有している。
球面支持部７は、図４および図５に示すように、荷重計６の先端に取り付けられ、かつ円弧形状に凹んで形成された球面座７ａと、その球面座７ａと対応する円弧形状に膨出して形成され、かつ杭Ａの上下両側面と当接する当て板７ｂに取り付けられた球部７ｃとからなっている。そして、球面支持部７は、杭Ａの部材中心位置Ｏ′を中心として、球面座７ａに沿い反時計方向もしくは時計方向に杭Ａと共に回動できるようになっている。
【００１４】
一方、杭Ａの一端部（図２において左側）は支承機構Ｃによって水平軸周りに回動できるように支承されている。支承機構Ｃは、基本的には前述した球面支持部７を二個組み合わせることによって構成したものであり、図５に示すように、杭Ａの一端部の上下両側面と接する当て板８ａに取り付けられた球部８ｂと、球部８ｂと略対応する大きさの円弧に凹んで形成され、かつ上下方向に沿い荷重計６およびブラケット９を介し第２ベース２，第３ベース３にそれぞれ取り付けられた球面座８ｃとからなっている。
【００１５】
この支承機構Ｃは、後述する加圧機構Ｄによって杭に荷重が加わったとき、両球部８ｂが杭Ａの一端部の中心位置Ｏを中心として両球面座８ｃに沿い反時計方向もしくは時計方向に杭Ａと共に一体的に回動できるようになっている。なお、荷重計６は、圧縮コイルばね５により杭Ａに作用する荷重を測定する。
【００１６】
さらに、杭Ａの他端部の上下両側面には、杭Ａに対し荷重を杭Ａの長手方向と直交するよう下方に向けて加える加圧機構Ｄと、その加圧機構Ｄが荷重を加えたとき、杭Ａが加圧機構Ｄによる加圧方向以外にずれないように支持するためのパンタ部１０とが設けられている。
加圧機構Ｄは、図２及び図４に示すように、上方に横設された横架体１５の底部に吊持された油圧シリンダ１１と、油圧シリンダ１１のロッド１２の先端部にピン１４によって軸支され、杭Ａの他端部の上面と当接する加圧体１３とを有し、油圧シリンダ１１の駆動によってロッド１２が前進（降下）することにより、加圧体１３が油圧シリンダ１１の加圧力を杭Ａに伝え、杭Ａに荷重を作用させるようになっている。本例では油圧シリンダ１１として、例えば５００ｋＮ程度仕様のものが採用されている。
【００１７】
パンタ部１０は、図２〜図４に示すように、第１ベース１上に固定された取付ブラケット１６と、その取付ブラケット１６に一端部が軸支された第１アーム１７と、第１アーム１７の他端部に一端部が軸支された第２アーム１８と、第２アーム１８の他端部に軸支され、かつ杭Ａの他端部の下側面と当接する支持ブラケット１９とを有している。このパンタ部１０は、加圧機構Ｄが杭Ａに荷重をかけたとき、杭Ａの下面を支持することにより、杭Ａが荷重のかかっている方向から逃げることがないよう支持するようにしている。
したがって、本実施形態の載荷試験装置は、杭Ａを、その長さ方向に沿い地盤の土質定数に合わせて支持する支持機構Ｂと、杭Ａの一端部を回動可能に支承する支承機構Ｃと、杭Ａの他端部に杭Ａの回動方向に沿い荷重を加える加圧機構Ｄと、杭Ａの荷重が作用している面と反対側の面を支持するパンタ部１０とを備えて構成されている。
【００１８】
なお、横架体１５は、図２および図３に示すように、二本ずつ立設された支柱２０間にそれぞれ設けられた胴差体２１と２１との間に杭Ａの長さ方向に沿って取付けられている。
【００１９】
また、試験に際しては、予め図１１もしくは図１２に示すように、杭Ａの表面部，内部に各種試験を実施し得るよう、各種試験内容に応じたそれぞれ種類のセンサ２２，２３が設けられており、試験目的に応じた杭Ａが使用されることとなっている。これら各センサ２２，２３は杭Ａの長さ方向に沿い所望の間隔で複数配設されている。そして、各センサ２２，２３をそれぞれ有する杭Ａが、支持機構Ｂにセットされると、センサ２２，２３は図示しないモニタ装置に接続され、また荷重計６も接続されていることにより、モニタ装置によって変形状況をモニタできるようになっている。
【００２０】
モニタ装置は、荷重計６の出力データに基づき、ばね反力を計測してせん断力分布を求めることにより、曲げモーメントを算出したり、またセンサ２２，２３の検出に基づき、杭の平均曲率を求めたり、また軸方向鉄筋の歪みや降伏判定，帯鉄筋の歪みなどを計測したりすることができるように構成されている。
【００２１】
本実施形態の載荷試験装置は、上記のように構成されているので、次にこれを用いた試験の作用効果を以下に述べる。
まず、予め、杭Ａが上述したように支持機構Ｂによって支持されると共に、その杭Ａの一端部が支承機構Ｃによって水平軸周りに回動可能に支承されることにより、横置き状態にセットされているものとする。
この状態にあるとき、加圧機構Ｄの油圧シリンダ１１を駆動し、そのロッド１２を次第に下降させることにより、加圧体１３が杭Ａに徐々に荷重をかける。
すると、杭Ａは、荷重が次第に大きくなるに伴い、下方に撓むように変形することとなり、この変形状況が杭Ａに予め設けられているセンサと接続されたモニタ装置により観察される。
【００２２】
その後、杭Ａに対する荷重が大きくなり、杭Ａのもっている弾性域を越えて塑性域に達するまで荷重をかけていくと、やがて杭Ａは、図１３に示すように、表面のコンクリートＥにひび割れや亀裂Ｇが発生し、その状況を周囲から明確に観察することができる。つまり、杭Ａの表面にひび割れや亀裂が発生した時点では、モニタ装置では杭Ａの表面の状態がわからないが、その試験状況を観察していることから、明確に視認することができる。
【００２３】
この場合、実際の試験時には、その変形が確認された時点で、杭Ａに対する加圧を停止させ、杭Ａに生じたひびや亀裂等がどこに発生しているのか、またどの程度の大きさなのかを確認することができる。そうして、確認した後、杭Ａに対する加圧を再開して試験を継続することにより、杭Ａの塑性域でどのように変形するのか等を目で確認しながら行うことができるものとなる。
【００２４】
つまり、杭Ａに対し塑性域に達する荷重をかけていった場合、モニタではその表面がどのように変化しているか否か観察することができないものの、本実施形態では、その変形状態を外部から明確に視認することができる。そのため、杭Ａの試験結果に基づき、杭Ａの今後の課題に対処すること等が可能となる。
【００２５】
その結果、本実施形態によれば、支持機構Ｂと支承機構Ｃと加圧機構Ｄとにより、杭Ａを塑性域まで試験できると共に、塑性域であるにも拘わらず、杭Ａの変形状態を目視により確認することができる。さらには性能が把握済みの支持機構Ｂにより杭Ａを支持することにより、杭Ａを擬似的に地盤に埋設している状態にさせることができるので、実際の地盤のようにばらついたりする土質によって影響を受けることがなくなり、杭Ａそのものの特性を正確に得ることができる。
【００２６】
また、この載荷試験装置は、図示実施形態のように、杭Ａ杭が水平方向となるよう横置きの状態で支持していると、杭Ａの長さ方向に渡り常に任意の位置から容易に観察することができる。そのため、杭Ａを起立して縦置きで支持した場合に比較すると、杭Ａの状況を確認しやすいばかりでなく、塑性変形させたときに杭Ａが破壊したときのような危険性を回避することもできる。
【００２７】
さらに、支持機構Ｂが地盤の土質定数に合わせたばね定数を有する圧縮コイルばね５からなっているので、杭Ａを長さ方向に沿い安定した状態で支持することができ、ばらつきの多い地盤で試験する場合に比較すると、杭Ａそのものの特性を的確に得ることができ、試験精度を高めることができる。
【００２８】
これに加え、支持機構Ｂが、圧縮コイルばね５における杭Ａ側の先端部に、杭Ａを荷重の作用方向に沿い変位可能に支持する球面支持部７を有しているので、杭Ａに荷重を加えると、球面支持部７により杭Ａが荷重の作用方向に沿い変位し、それと異なる方向に変位するのを防げるので、即ち、球面支持部７が杭Ａの荷重の作用方向に対する動きを滑らかにして、支持機構Ｂによる支持を正確に行わせることにより、荷重を受けたときの杭Ａに対し適切な変形を与えることができ、試験装置としての精度をいっそう高めることができる。
【００２９】
なお、図示実施形態においては、杭Ａとして、全て鉄筋コンクリート製のものを使用した例を示したが、それ以外のもの、例えば、鋼管杭，Ｈ鋼杭は勿論、プレストレストコンクリート（ＰＳ）杭にも、さらには鉄筋と鉄骨とを組み合わせた鉄骨鉄筋コンクリート（ＳＲＣ）等の杭にも適用し、塑性域での変形特性を確実にかつ良好に試験することができる。また、図示実施形態では、杭Ａに対し、加圧機構Ｄが一方向から徐々に荷重をかける静的載荷の場合について説明したが、加圧機構Ｄの動きを速くすることによって動的載荷を行うこともできる。
さらに、支持機構Ｂが杭Ａの両側に設けられた例を示したが、杭Ａに対し何れか一方の片側に設けるだけでも、同様の作用効果を得ることもでき、また杭Ａを水平方向に支持した例を示したが、これに限らず、縦方向に支持しても同様の作用効果を得ることができるのは勿論である。
【００３０】
またさらに、構造体として杭Ａを用いた例を示したが、これに限らず、図１４〜図１７に示すように他の構造体にも同様に適用することができる。図１４〜図１７は本発明による他の実施形態をそれぞれ示している。
【００３１】
図１４に示す載荷試験装置は、構造体として、図１５に示すような地盤中内のボックスカルバートＨの床版Ｉを構成する床スラブＡ１に適用したものである。即ち、この載荷試験装置は、図１５に示すボックスカルバートＨの床版Ｉを構成するため、コンクリートによって適宜の大きさの板状に形成された床スラブＡ１を用い、この床スラブＡ１の底面が支持機構Ｂによって支持されている。この支持機構Ｂは、例えば縦列および横列に所望の間隔をもって複数配設された圧縮コイルばね５によって床スラブＡの底面を支持しており、詳細には図示していないが、前述した一実施形態の場合と同様であり、したがって、床スラブＡ１側の一端部に図４および図５にて前述した場合と同様、荷重計，球面支持部を有している。
【００３２】
そして、床スラブＡ１に対し図１４に示す矢印のように、加圧機構Ｄによって上面から鉛直方向に沿い荷重を加えるようになっている。この加圧機構Ｄも基本的には前述した一実施形態と同様であり、床スラブＡ１の上面に対し直交する下方向に荷重を加えることにより、床スラブＡ１の塑性域での変化を観察するようになっている。
【００３３】
図１６に示す実施形態においては、構造体として、例えば図１７に示すように列車などの車両Ｊが走行するレールＫを支持するコンクリート製の枕木Ａ２に適用したものであり、その枕木Ａ２の底面が支持機構Ｂによって支持され、加圧機構Ｄが枕木Ａ２の上面の両側に鉛直方向に沿い下方に荷重を加えることにより、枕木Ａ２の塑性域の特性を観察できるようになっている。この場合の加圧機構Ｄおよび支持機構Ｂも、基本的には前述した実施形態と同様の構成である。
したがって、本実施形態の載荷試験装置は、構造体として、杭Ａのみならず、床スラブＡ１，枕木Ａ２のようなものにも適用することができる。
【００３４】
なお、本実施形態では、支持機構Ｂが地盤の土質定数に合わせるよう圧縮コイルばねからなる模擬手段で構成した例を示したが、地盤そのものは、土質定数のみならず、弾塑性体の特性をも有しているので、その弾塑性体の特性に合わせるようダンパ等で構成することもでき、したがって、本発明においては、支持機構Ｂとして、少なくとも地盤などの弾塑性体の物理定数に合わせた模擬手段で構成すればよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、構造体を支持機構によって支持すると共に、その構造体に対し荷重をかけることにより、構造体を目視により試験することができるように構成したので、構造体の塑性域の変化を目視で確認することができ、しかも地盤のばらつきに拘わることなく構造体の特性を正確に把握することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による載荷試験装置の基本原理を示す説明図である。
【図２】本発明による載荷試験装置の一実施形態を示す全体の正面図である。
【図３】図２のａ−ａ線断面に相当する図である。
【図４】図２における杭の右端部を示す拡大図である。
【図５】図２における杭の左端部を示す拡大図である。
【図６】図２のｂ−ｂ線断面に相当する図である。
【図７】図２のｃ−ｃ線断面に相当する図である。
【図８】図２のｄ−ｄ線断面に相当する図である。
【図９】図２のｅ−ｅ線断面に相当する図である。
【図１０】試験体としての杭を示す縦断面図（ａ），そのｆ−ｆ線断面図（ｂ）およびｇ−ｇ線断面図（ｃ）である。
【図１１】杭に試験目的に応じて設置されたセンサを示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図１２】同じく杭に他の試験目的に応じて設置されたセンサを示す正面図（ａ）および側面図（ｂ）である。
【図１３】杭の表面にひび割れや亀裂が発生した状態を示す要部の拡大正面図である。
【図１４】本発明による載荷試験装置の他の実施形態を示す概略説明図である。
【図１５】図１４の載荷試験装置で用いる構造体としての床スラブを使用したボックスカルバートを示す説明図である。
【図１６】同じく本発明による載荷試験装置のさらに他の実施形態を示す概略説明図である。
【図１７】図１６の載荷試験装置で用いる構造体としての枕木を使用したレールを示す説明図である。
【符号の説明】
Ａ 構造体としての杭
Ａ１ 構造体としての床スラブ
Ａ２ 枕木
Ｂ 支持機構
Ｃ 支承機構
Ｄ 加圧機構
Ｅ コンクリート
Ｆ 鉄筋
Ｇ ひび割れや亀裂
Ｈ ボックスカルバート
Ｉ 床版
Ｊ 車両
Ｋ レール
１ 第１ベース
２ 第２ベース
３ 第３ベース
４ ＰＣ鋼棒
５ 模擬手段としての圧縮コイルばね
６ 荷重計
７ 球面支持部
７ａ 球面座
７ｂ 当て板
７ｃ 球部
８ａ 当て板
８ｂ 球部
８ｃ 球面座
９ ブラケット
１０ パンタ部
１１ 油圧シリンダ
１２ ロッド
１３ 加圧体
１４ ピン
１５ 横架体
１６ 取付ブラケット
１７ 第１アーム
１８ 第２アーム
１９ 支持ブラケット
２０ 支柱
２１ 胴差体
２２，２３ センサ

Claims (3)

1. 構造体に荷重を加えてその構造体の特性を試験する載荷試験装置であって、
   構造体を、その長さ方向に沿い地盤などの弾塑性体の物理定数に合わせて支持する支持機構と、
   構造体の一端部を回動可能に支承する支承機構と、
   構造体の他端部に略直交方向に荷重を加える加圧機構と、
   前記加圧機構が構造体に荷重をかけたとき、構造体が荷重のかかっている方向から逃げないように支持するパンタ部とを備えており、
   前記パンタ部は、
   前記構造体を支持する支持ブラケットと、
   前記支持ブラケットに軸支されて構造体の延伸方向に沿って配置された第１アームと、
   前記第１アームに軸支されて構造体の延伸方向に沿って配置された第２アームと、
   前記支持ブラケットと向き合って配置されて前記第２アームに軸支された取付ブラケットとを備え、
   前記第１アームは、前記支持ブラケットと前記取付ブラケットとの中間位置で前記第２アームに軸支されており、前記支持ブラケット側の端部を構造体の一端部側に向けて傾斜させて配置されることを特徴とする載荷試験装置。
2. 前記支持機構は、地盤などの弾塑性体の物理定数に合わせた模擬手段からなっていることを特徴とする請求項１記載の載荷試験装置。
3. 前記支持機構は、前記模擬手段における構造体側の先端部に、構造体を荷重の作用方向に沿い変位可能に支持する球面支持部を有することを特徴とする請求項２記載の載荷試験装置。

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