JP4829663B2

JP4829663B2 - 原位置せん断強度測定装置

Info

Publication number: JP4829663B2
Application number: JP2006110545A
Authority: JP
Inventors: 剛治國生; 忠原
Original assignee: 学校法人中央大学
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-04-13
Also published as: JP2007284896A

Description

本発明は、岩盤や土質地盤などの原位置でのせん断強度を測定するための測定装置に関する。

原位置での、すなわち現場（現地）におけるあるがままの位置、深さでの軟岩や固結度が高い土質などを対象として、露頭面（露出面）にてせん断強度を測定する測定方法として、ブロックせん断試験やロックせん断試験が知られている（例えば、特許文献１参照。）。これらの試験では、垂直方向の加力装置とせん断方向の加力装置とを備え、例えば、同一条件の供試体（被試験体）を４体以上必要とする。そして、ブロックせん断試験では、試験対象とする岩盤面などにコンクリートブロックを打設し、垂直荷重を加えながらコンクリートブロック下の岩盤などをせん断する。また、ロックせん断試験では、試験対象とする岩盤などをブロック状に切り出し、コンクリートで所定の大きさに成形し、垂直荷重を加えながら岩盤などを直接せん断するものである。さらに、コンクリートなどで成形しないで、ブロック状（直立柱状）に切り出した岩盤などをせん断する試験機も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００５−１４７６７６号公報特開２００２−２１２９３８号公報

ところで、上記のようなブロックせん断試験やロックせん断試験では、コンクリートブロックやブロック状の岩盤などを加力するため、油圧駆動などによる大掛かりな加力装置を必要とする。また、岩盤面などにコンクリートブロックを打設したり、岩盤などをブロック状に切り出したりしなければならないため、大掛かりな設備、装置や作業を必要とする。さらに、試験対象とする岩盤などの状態（性状）を乱さないで、つまりあるがままの状態で所定の形状の供試体を形成することは容易ではなく、多大な時間と労力とを要する。また、圧縮試験の場合には、引張方向の反力を得るために錘やアンカーなどが必要となる。このように、従来の試験方法では、大掛かりな装置などを要し、しかも多大な時間と労力とを要していた。

そこで本発明は、岩盤や土質地盤などの原位置でのせん断強度を、簡易な構成で容易に測定することができる原位置せん断強度測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、岩盤や土質地盤などの被測定体の原位置でのせん断強度を測定するための原位置せん断強度測定装置であって、棒状で前記被測定体に打ち込まれる測定棒と、前記被測定体に打ち込まれた前記測定棒を引き抜く引抜手段と、前記引抜手段によって前記被測定体から前記測定棒が引き抜かれている状態における前記測定棒の変位と引き抜きに要する荷重とを測定する測定手段と、を備え、前記測定棒の先端部を円錐状に形成し、同一形状の円錐台を上面が前記先端部側に位置するように同軸上に配設して、前記測定棒の外周に軸方向に沿った凹凸を連続的に形成したことを特徴としている。
（作用）
被測定体に打ち込まれた測定棒が、引抜手段によって被測定体から引き抜かれながら、測定手段によって測定棒の変位と引き抜きに要する荷重とが測定される。

請求項１に記載の発明によれば、被測定体に打ち込まれた測定棒が引き抜かれている状態における測定棒の変位と引き抜きに要する荷重、つまり被測定体によるせん断力とが測定されるため、この変位と荷重とに基づいて被測定体のせん断強度を算出することができる。このように、測定棒と引抜手段と測定手段とを備えた簡易な構成で被測定体のせん断強度を測定することが可能となる。しかも、測定棒が棒状であるため、このような測定棒を被測定体から引き抜くのに大きな力を要せず、引抜手段を手動式などで構成することが可能となり、装置の構成がより簡易化できるとともに、装置を小型化することが可能となる。また、測定棒を被測定体に打ち込み、本装置によって測定棒を引き抜きながら変位と荷重とを測定すればよいため、せん断強度の測定が極めて容易となる。このように、本発明によれば、岩盤や土質地盤などの原位置におけるせん断強度を、簡易な構成の装置で容易に測定することができるものである。

また、測定棒の外周に軸方向に沿った凹凸が形成されているため、被測定体のせん断強度をより精度高く測定することが可能となる。すなわち、測定棒を被測定体から引き抜いている状態では、測定棒の外周に形成された凹凸が引き抜き方向とほぼ平行な方向の力、つまりせん断力を被測定体からより適切に受けるため（せん断面が被測定体中を通過するため）、被測定体の原位置でのせん断強度をより精度高く測定することが可能となる。

さらに、測定棒の先端部が円錐状に形成され、しかも、上面が先端部側に位置して同一形状の円錐台が同軸上に配設されているため、測定棒を被測定体に打ち込み易い。一方、測定棒を被測定体から引き抜く際には、円錐台の底面が被測定体からのせん断力をより適切に受けるため、せん断強度をより精度よく測定することが可能となる。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る原位置せん断強度測定装置１を被測定体Ｍに設置した状態を示す正面図である。この原位置せん断強度測定装置１は、岩盤や土質地盤などの被測定体Ｍの原位置でのせん断強度を測定するための装置であって、主として、基盤ユニット２と、測定棒３と、打込みユニット４（測定棒３の打ち込み時に使用するため図１に図示せず。図５、８参照。）と、引抜ユニット５（引抜手段）と、測定ユニット６（測定手段）とを備えている。

基盤ユニット２は、基盤２１と４本のアンカー２２とを備えている。基盤２１は、図２に示すように、略正四角形の板状で、四隅にアンカー２２を挿入するためのアンカー孔２１ａが形成されている。また、中央部に打込みユニット４または引抜ユニット５を取り付けるための取付雌ネジ（図示せず）が４つ形成され、この取付雌ネジに取り付けられる蝶ボルト２１ｂが備えられている。さらに、中心部には、筒状で測定棒３を案内するガイド筒２１ｃが装着されている。

測定棒３は、被測定体Ｍに打ち込まれるステンレス製の棒で、図３、４に示すように、外周に軸方向に沿った凹凸が連続的に形成されている。すなわち、同一形状の円錐台をその上面が測定棒３の先端部側に位置するように同軸上に複数配設（列設）するようにして、凹凸が軸方向に沿って連続的に、ほぼ全長にわたって形成されている。凹凸の形状、段差、ピッチ、あるいは段数は、被測定体Ｍの物理的特性や性状などに応じて設定されるが、この実施の形態では、測定棒３の外径が６ｍｍで、凹凸の段差が０．５ｍｍ（片側）、凹凸のピッチが１．６ｍｍ、先端部の長さが６ｍｍに設定されている。また、この測定棒３の先端部は、円錐状に形成され、その先端角度（平面角度）は６０°に形成されている。一方、測定棒３の他端部側には雄ネジ部３ａが形成され、この雄ネジ部３ａに、測定棒３をハンマーなどで打ち込むための円柱状の打込みコマ３１がネジ込まれている。この打込みコマ３１の測定棒３の先端側の端部３１ａは、円錐状にテーパー加工され、打ち込み中に測定棒３が座屈するのを防げるようになっている。そして、このような測定棒３が、この実施の形態では、長短２本備えられている。すなわち、全長が３００ｍｍ（長尺）の測定棒３と、全長が１５０ｍｍ（短尺）の測定棒３とが備えられ、被測定体Ｍの硬度などに応じて、長短の測定棒３を選択できるようになっている。

打込みユニット４は、測定棒３を被測定体Ｍに打ち込む際に、測定棒３を支持、案内するために基盤ユニット２に取り付けられるユニットで、図５に示すように、長方形の取付基板４１の両端側に、棒状のガイドポスト４２が垂直に取り付けられている。そして、長方形の可動板４３の両端側に形成された孔（図示せず）にガイドポスト４２が挿入され、可動板４３がガイドポスト４２に沿って上下動できるようになっている。また、符号４４は、可動板４３をガイドポスト４２に固定するための調整ボルトである。取付基板４１の中央部には、上記基盤ユニット２のガイド筒２１ｃが挿入される第１挿入孔４１ａが形成され、ガイドポスト４２よりも外側の両端部には、基盤ユニット２の蝶ボルト２１ｂが挿入される取付孔４１ｂが形成されている。可動板４３には、測定棒３が挿入されるスリット状（切欠いた長孔状）の第２挿入孔４３ａが第１挿入孔４１ａと同心（同軸）上に形成され、可動板４３の上面には、ステンレス製のガイド板４５が回動可能に取り付けられている。すなわち、ボルト４６とスプリングボルト４７とによってガイド板４５を第２挿入孔４３ａ側に固定した状態では、第２挿入孔４３ａとガイド板４５とによって測定棒３が案内、支持される。また、ボルト４６を緩めると、図５（ｃ）の二点鎖線で示すようにガイド板４５を回動させることができ、測定棒３から第２挿入孔４３ａを移動させて打込みユニット４を取り外せるものである。なお、スプリングボルト４７は、スプリングのような反発力（弾性力）を有するボルトで、この反発力によって振動や衝撃などによる緩みを防止でき、測定棒３の打ち込み中にも緩まないものである。

引抜ユニット５は、被測定体Ｍに打ち込まれた測定棒３を被測定体Ｍから引き抜くためのユニットで、基盤ユニット２に取り付けられるようになっている。すなわち、図６に示すように、略四角形の取付基板５１の中央両端側に、棒状の支持ポスト５２が垂直に取り付けられ、この支持ポスト５２の上端部に長方形の固定板５３が固定されている。この固定板５３の上面に引抜装置５４が取り付けられ、引抜装置５４の引抜ロッド５４ａが固定板５３に形成された孔（図示せず）を介して取付基板５１側に突出されている。引抜装置５４には歯車などの伝達機構が内蔵され、ハンドル５４ｂを回すと引抜ロッド５４ａが上下動するようになっている。さらに、引抜ロッド５４ａの先端部（取付基板５１側の端部）には、取付ナット５４ｃが取り付けられ、この取付ナット５４ｃを測定棒３の雄ネジ部３ａにネジ込むことで、引抜ロッド５４ａと測定棒３とが連結されるようになっている。また、取付基板５１の中央部には、基盤ユニット２のガイド筒２１ｃが挿入される挿入孔５１ａが形成され、この挿入孔５１ａと引抜ロッド５４ａとは同心（同軸）上に配設されている。さらに、取付基板５１の四隅には、基盤ユニット２の蝶ボルト２１ｂが挿入される取付孔５１ｂが形成されている。

測定ユニット６は、引抜ユニット５によって被測定体Ｍから測定棒３が引き抜かれている状態における測定棒３の変位と引き抜きに要する荷重とを測定するユニットで、変位計６１と、ロードセル（荷重計）６２と、データ収録装置６３とを備えている。変位計６１は測定棒３の変位（移動距離）を測定する計器で、引抜ユニット５の固定板５３に取り付けられ、その計測ロッド６１ａが測定板６４を介して引抜ロッド５４ａの先端部側に接続されるようになっている。ロードセル６２は引抜ロッド５４ａに取り付けられ、ひずみゲージを備え、ひずみゲージによって測定されたひずみ量から荷重を算出する計器で、測定棒３を引き抜いているときの荷重（引抜荷重）、つまり被測定体Ｍによるせん断力を連続的、経時的に測定できるようになっている。データ収録装置６３は、データロガー、メモリカード等の記憶媒体、バッテリパックなどを備え、変位計６１およびロードセル６２と接続されている。そして、変位計６１およびロードセル６２からの測定データを収録（収集、記憶）し、後述するように、測定データから測定棒３の変位と引抜荷重との関係データが得られるようになっている。

次に、このような構成の原位置せん断強度測定装置１を用いた原位置せん断強度測定方法について説明する。図７は、原位置せん断強度測定装置１を用いて被測定体Ｍの原位置でのせん断強度を測定する手順を示す工程図である。

まず、被測定体Ｍの測定面を面出し、整形し（ステップＳ１）、その測定面に基盤ユニット２を設置する（ステップＳ２）。すなわち、基盤ユニット２の基盤２１を測定面に位置させ、アンカー２２を被測定体Ｍに打ち込んで、基盤２１を被測定体Ｍに固定させる。次に、基盤ユニット２に打込みユニット４を取り付け（ステップＳ３）、測定棒３を被測定体Ｍに打ち込む（ステップＳ４）。すなわち、図８に示すように、打込みユニット４の取付基板４１の第１挿入孔４１ａを基盤ユニット２のガイド筒２１ｃに挿入し、蝶ボルト２１ｂで取付基板４１を基盤２１に取り付ける。そして、測定棒３を第２挿入孔４３ａからガイド筒２１ｃに挿入して上記のようにガイド板４５を固定し、測定棒３の打込みコマ３１をハンマーなどで叩いて被測定体Ｍに打ち込む。この際、測定棒３の雄ネジ部３ａにはナット３２などを取り付けて保護する。測定棒３を所定の深さまで打ち込んだ後に、上記のようにして打込みユニット４を取り外し、基盤ユニット２に引抜ユニット５を取り付け、さらに測定ユニット６を取り付ける（ステップＳ５）。すなわち、図１に示すように、引抜ユニット５の取付基板５１の挿入孔５１ａを基盤ユニット２のガイド筒２１ｃに挿入し、蝶ボルト２１ｂで取付基板５１を基盤２１に取り付ける。次に、上記のようにして引抜ロッド５４ａと測定棒３とを連結し、変位計６１とロードセル６２とを上記のように取り付け、データ収録装置６３を起動準備する。そして、被測定体Ｍに圧縮反力を取りながら、引抜装置５４のハンドル５４ｂを回して測定棒３を被測定体Ｍから引き抜くとともに、測定ユニット６によって上記のような測定データを収録する（ステップＳ６）。続いて、データ収録装置６３によって得られた測定棒３の変位と引抜荷重との関係データに基づいて、被測定体Ｍのせん断強度を算出する（ステップＳ７）。

具体的には、図９、図１０に示すようなデータがデータ収録装置６３によって得られる。図９は、測定棒３を引き抜く経過時間と測定棒３の変位（軸変位）との関係を示し、図１０は、測定棒３の変位（軸変位）と引抜荷重（軸荷重）との関係を示すものである。ここで例示したデータは、千葉県富津市の市宿層を被測定体Ｍとし、全長が３００ｍｍで凹凸を含む表面積が６９．２ｃｍ^２の測定棒３（貫入棒）を被測定体Ｍから引き抜いた際のデータであり、図中Ｎｏ．１〜Ｎｏ．８は、試験番号（測定番号）を示している。そして、図１０のデータに基づいて、各引抜荷重を測定棒３の表面積で除してせん断応力を算出し、図１１に示すような測定棒３の変位（軸変位）とせん断応力との関係データを得る。次に、図１１のデータから、ピークせん断強度とそのときの変位、および残留せん断強度を読み取る。すなわち、図中「↓」印で示すように、せん断応力が最も高い値をピークせん断強度として読み取り、そのピークせん断強度が発生する測定棒３の変位を読み取る。さらに、軸変位に対してせん断応力がほぼ一定となるときのせん断応力（図１１では軸変位が６〜８ｃｍのときのせん断応力）を残留せん断強度として読み取るものである。なお、被測定体Ｍによっては、残留せん断強度が得られない、つまりせん断応力が一定にならない場合がある。

このようにして得られたせん断強度とピーク時の変位とを、各試験における被測定体Ｍ（岩盤）の色彩、性状などと合わせて、図１２に示すようにまとめる。そして、このようなデータを蓄積することで、被測定体Ｍの原位置密度等の物理的特性や岩盤区分などとせん断強度との関係を解析、把握できるものである。

以上のように、本原位置せん断強度測定装置１および原位置せん断強度測定方法によれば、被測定体Ｍに打ち込まれた測定棒３を引き抜いている状態における測定棒３の変位と引抜荷重（せん断力）とを測定することで、被測定体Ｍのせん断強度を算出することができる。このように、測定棒３と引抜ユニット５と測定ユニット６などを備えた簡易な構成の装置で被測定体Ｍのせん断強度を測定することが可能となる。しかも、測定棒３が棒状であるため、このような測定棒３を被測定体Ｍから引き抜くのに大きな力を要せず、上記のように手動式の引抜装置５４などで引き抜くことが可能となる。このため、装置の構成をより簡易化できるとともに、装置を小型化でき、原位置での測定が実務上容易となる。また、測定棒３を被測定体Ｍに打ち込み、引抜ユニット５で測定棒３を引き抜きながら測定ユニット６によって変位と引抜荷重とを測定すればよいため、せん断強度の測定が極めて容易となる。さらに、従来のように被測定体Ｍにコンクリートブロックを打設したり、被測定体Ｍをブロック状に切り出したりして、加力する必要がないため、大掛かりな装置や作業が不要となる。このように、簡易な構成の装置で、被測定体Ｍの原位置におけるせん断強度を容易に測定することができるものである。

また、測定棒３の外周に上記のような凹凸が形成されているため、被測定体Ｍのせん断強度をより精度高く測定することが可能となる。すなわち、測定棒３を被測定体Ｍから引き抜いている状態では、測定棒３に形成された凹凸、つまり各円錐台の底面が引き抜き方向（軸方向）とほぼ平行な方向の力、つまりせん断力を被測定体Ｍからより適切に受ける（せん断面が被測定体Ｍ中を通過する）ことになる。このため、被測定体Ｍの原位置でのせん断強度をより精度高く測定することが可能となる。一方、測定棒３の先端部が円錐状に形成され、しかも、円錐台の上面が先端部側に位置するように凹凸が形成されているため、測定棒３を被測定体Ｍに打ち込み易い。

以上、この発明の実施の形態について詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、この実施の形態では、測定棒３を被測定体Ｍに直接打ち込んでいるが、測定棒３を打ち込むことによって被測定体Ｍの内部状態が乱れる（密度が高まるなどする）のを防止、軽減するために、測定棒３を打ち込む前に被測定体Ｍに下穴を形成するようにしてもよい。この場合、下穴を形成する際の被測定体Ｍの抵抗値を被測定体Ｍの物性値のインデックスとして活用することで、より精度高くせん断強度を算出、測定することが可能となる。

また、管材で測定棒を構成し、測定棒の周壁に多数の孔を形成する。そして、測定棒内に水や空気などを供給し、測定棒周辺の被測定体Ｍに正または負の圧力を与えて、せん断面の拘束圧を制御するようにしてもよい。

さらに、この実施の形態では、測定棒３の外周に上記のような凹凸を連続的に形成しているが、凹凸の形状等は上記のものに限らず、被測定体Ｍの物理的特性や性状などに適した形状等に設定すべきであることは勿論である。

本発明の実施の形態に係る原位置せん断強度測定装置を被測定体に設置した状態を示す正面図（一部断面図）である。図１の原位置せん断強度測定装置における基盤ユニットの基盤の平面図である。図１の原位置せん断強度測定装置における測定棒の正面図である。図３の測定棒の先端部の拡大図である。図１の原位置せん断強度測定装置における打込みユニットの正面図（ａ）と側面図（ｂ）と平面図（ｃ）である。図１の原位置せん断強度測定装置における引抜ユニットの正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。図１の原位置せん断強度測定装置を用いて被測定体のせん断強度を測定する手順を示す工程図である。図１の原位置せん断強度測定装置の測定棒を被測定体に打ち込んでいる状態を示す正面図（一部断面図）である。図１の原位置せん断強度測定装置によって測定した経過時間と測定棒の変位（軸変位）との関係を示す図である。図１の原位置せん断強度測定装置によって測定した測定棒の変位（軸変位）と引抜荷重（軸荷重）との関係を示す図である。図１の原位置せん断強度測定装置によって測定した測定棒の変位（軸変位）とせん断応力との関係を示す図である。図１の原位置せん断強度測定装置によって測定したせん断強度と被測定体（岩盤）などとの関係を示す図である。

符号の説明

１原位置せん断強度測定装置
２基盤ユニット
２１基盤
２１ｂ蝶ボルト
２１ｃガイド筒
２２アンカー
３測定棒
３１打込みコマ
４打込みユニット
４１取付基板
４２ガイドポスト
４３可動板
５引抜ユニット（引抜手段）
５１取付基板
５２支持ポスト
５３固定板
５４引抜装置
５４ａ引抜ロッド
５４ｂハンドル
５４ｃ取付ナット
６測定ユニット（測定手段）
６１変位計
６２ロードセル
６３データ収録装置
Ｍ被測定体

Claims

岩盤や土質地盤などの被測定体の原位置でのせん断強度を測定するための原位置せん断強度測定装置であって、
棒状で前記被測定体に打ち込まれる測定棒と、
前記被測定体に打ち込まれた前記測定棒を引き抜く引抜手段と、
前記引抜手段によって前記被測定体から前記測定棒が引き抜かれている状態における前記測定棒の変位と引き抜きに要する荷重とを測定する測定手段と、を備え、
前記測定棒の先端部を円錐状に形成し、同一形状の円錐台を上面が前記先端部側に位置するように同軸上に配設して、前記測定棒の外周に軸方向に沿った凹凸を連続的に形成したことを特徴とする原位置せん断強度測定装置。