JP4840812B2 - 透水試験機および透水試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、透水試験機および透水試験方法に関する。従来から、土、岩石、コンクリート等の材料の透水性を測定することが行われている。かかる透水性を測定する目的は、主としてビル等の建造物の建設中における出水や建設当初のダム等における貯水性の評価やトンネル等の地下空洞の掘削中における出水等の現象を把握するためであった。
近年、放射性廃棄物を地層処分、つまり、地中の岩盤等に埋設して処分することが検討されている。かかる岩盤中に放射性廃棄物を処分する場合、最終的な防御壁は地下水を含む岩盤となる。なぜなら、放射性廃棄物から核種が最終防御壁である岩盤まで漏洩しても、岩盤中の水の移動が緩慢であれば漏洩核種が生態圏まで到達するまでに放射性レベルが低下し、生物種へ影響を与えるという危険性が低下するからである。しかしながら、岩盤に亀裂が発生する、あるいは既に岩盤中に存在していた亀裂が成長すると、岩盤基質部が低透水性物質であっても、こうした亀裂を介して水が拡散する可能性がある。そこで、どのぐらいの期間でどの程度岩盤から水がしみ出すかを把握する必要があるが、かかる水のしみ出しを評価するには、100年後、1000年後、そして10000年後における岩盤の透水性やその経年変化を把握しなければならない。
本発明は、かかる岩盤などを構成する人工岩石や天然岩石、ダム底あるいは堰堤における岩盤、原子力発電所等の建築物に使用される材料の透水性やその経年の変化を把握するための透水試験機および透水試験方法に関する。

従来から、土砂等の試験体に負荷が加わった際の透水性を測定する試験装置が開発されている（例えば特許文献１，２）。
特許文献１の試験装置は、ドーナッツ状の圧密リング内に試験体を配置した状態で、圧密リング内の試験体を軸方向から加圧体によって加圧し、加圧方向から土砂等に加圧水を供給して、加圧方向における透水性を測定するものである。

また、特許文献２には、立方体に成形された試験体を、試験体の各面にそれぞれ配置された加圧板によって囲んで密封し、この加圧板内に密封された試験体の透水性を測定する装置が開示されている。この装置では、加圧板内に密封された試験体を、加圧容器内で中心方向に押圧されるように加圧した状態で保持し、この試験体に加圧水を供給することによって透水性を測定することができる。そして、特許文献２には、試験体の各面と加圧板との間に試験体の各面を複数の区画に仕切る止水板が設けられているので、試験体の所望の区画に加圧水を供給しかつ所望の区画から加圧水を排水させれば、試験体内の所望の方向における透水性を把握することができる旨の記載がある。

ところで、試験体の100年後、1000年後、そして10000年後における透水性能を評価するには、亀裂等の不連続面が透水性に与える影響を時間連続的に把握しなければならないが、特許文献１，２の装置ではかかる試験体の透水性の時間変化を測定することはできない。

まず、試験体を加圧した場合、加圧方向（図４ではＰ１）と直交する方向に沿って不連続面が形成されるのであるが（図４（Ｂ）参照）、不連続面が形成されると水は不連続面に沿って流れようとする。このため、不連続面の発生成長による透水性の変化を評価するには、不連続面に沿った方向（図４（Ｂ）では紙面に直交する方向）から水を供給排出しなければならない。言い換えれば、加圧方向と直交する方向から水を供給排出しなければならないのである。

しかるに、特許文献１の装置では加圧方向から加圧水を供給するように構成されているため、試験体中に不連続面が存在していたとしても、不連続面に沿った方向から水を供給することができない。したがって、不連続面が透水性に与える影響を正確に把握することはできない。
しかも、特許文献１の装置では、加圧体および濾過板によって試験体の上下両面は平面に維持されるように構成されており、また、試験体の側面は圧密リングの内面と接しておりその法線方向における移動変形ができない。したがって、特許文献１の装置では、試験体を圧縮することはできても不連続面を発生させることはできないのであるから、不連続面の発生による透水性の変化や、不連続面の成長に伴う透水性の変化を確認することはできない。

また、特許文献２の装置は、試験体の所望の面から水を供給し所望の面から排出することが可能であるから、既に不連続面が存在している試験体であってその不連続面の位置および方向が分かっていれば、その不連続面に沿った方向の透水性を把握することも可能である。
しかし、科学的には、試験体の全ての面に同じ加圧力が加わる、つまり、試験体に静水圧が作用しても、材料は破壊には至らないことが知られている。すると、特許文献２の装置では、試験体の全ての面に同じ加圧力が加わるように構成されているので、既に存在する不連続面を閉塞させることはできても不連続面を成長させることは困難である。
また、特許文献２の装置では、全方向から同じ圧力で圧縮する（静水圧を作用する）ことしかできないし、しかも、試験体の全ての面が鋼板等の剛性の高い加圧板によって囲まれており試験体の全ての面はその変形が固定されている。すると、特許文献２の装置では、試験体中に新たな不連続面を発生させたり、既に存在する不連続面を成長させたりすること自体が非常に難しい。
したがって、特許文献２の装置を使用しても、亀裂の発生による透水性の変化や、亀裂の成長に伴う透水性の変化を確認することは非常に困難である。

特開昭６３−７０７１２号 特開平７−１９８５８２号

本発明は上記事情に鑑み、亀裂等の不連続面の発生成長による透水性の変化を、簡単かつ確実に、時間連続的に把握することができる透水試験機および透水試験方法を提供することを目的とする。

第１発明の透水試験機は、直方体に整形された試験体の表面に密着し該試験体を液密に密封した状態となるように覆い被加圧体を形成する、伸縮性を有する収容部材と、前記被加圧体における互いに対向する一対の拘束面を、その法線方向の移動および変形を固定した状態で保持する拘束手段と、前記被加圧体における前記一対の拘束面と異なる互いに対向する一対の圧縮面を、その面の法線方向に沿って圧縮する圧縮手段と、前記被加圧体における一方の前記拘束面に液体を供給し、該被加圧体における他方の拘束面から排出される液体の流量を測定する透水手段とからなり、前記拘束手段は、前記一対の拘束面および前記一対の圧縮面と異なる面の法線方向の変形が非拘束の状態となるように、前記被加圧体を保持するものであることを特徴とする。
第２発明の透水試験機は、第１発明において、前記圧縮手段は、前記被加圧体に発生するひずみに基づいて圧縮力を制御するものであることを特徴とする。
第３発明の透水試験機は、第１発明において、前記圧縮手段は、前記被加圧体の一対の圧縮面を、その法線方向の変形を制御した状態で保持しつつ、その面の法線方向に沿って圧縮するように構成されていることを特徴とする。
第４発明の透水試験機は、第１発明において、前記圧縮手段は、前記被加圧体の一対の圧縮面のうち、一方の圧縮面をその法線方向の変形を制御した状態で保持しつつ、他方の圧縮面における一部の領域を押圧するように構成されていることを特徴とする。
第５発明の透水試験機は、第１発明において、前記被加圧体における前記一対の拘束面および前記一対の圧縮面と異なる一対の加圧面を、その法線方向の変形を非拘束の状態で保持しつつ、その法線方向に沿って加圧する加圧手段を備えていることを特徴とする。
第６発明の透水試験機は、第５発明において、前記加圧手段は、前記圧縮手段によって前記被加圧体を圧縮している間、該被加圧体における一対の加圧面に加わる圧力が一定圧力となるように調整されていることを特徴とする。
第７発明の透水試験機は、第１発明において、前記収容部材と前記試験体との間に、両者の間を液密に密封する密封材が設けられていることを特徴とする。
第８発明の透水試験機は、第１発明において、前記透水手段は、前記被加圧体における前記収容部材と、該被加圧体の一対の拘束面に対応する前記試験体の面との間に、該試験体の面内における水頭が均一になるように調整する水頭調整部材を備えていることを特徴とする。
第９発明の透水試験方法は、第１発明の透水試験機において、前記圧縮手段によって前記被加圧体を圧縮したときにおいて、前記一対の拘束面に加わる圧力が、該圧縮手段から前記一対の圧縮面に加わる圧力よりも小さくなるように、前記圧縮手段から前記被加圧体に対して加わる圧力を調整することを特徴とする。
第１０発明の透水試験方法は、第５発明の透水試験機において、前記圧縮手段によって前記被加圧体を圧縮したときにおいて、前記一対の拘束面に加わる圧力が、該圧縮手段から前記一対の圧縮面に加わる圧力よりも小さく、前記加圧手段から前記一対の加圧面に加わる圧力よりも大きくなるように、前記圧縮手段から前記被加圧体に対して加わる圧力、および、前記加圧手段から前記被加圧体に対して加わる圧力を調整することを特徴とする。
第１１発明の透水試験方法は、第９または第１０発明の透水試験機において、前記試験体は、互いに平行な一対の面間を貫通する貫通部が形成されており、該一対の面と対応する前記被加圧体における一対の面が、前記拘束面となるように収容部材に収容されていることを特徴とする。

第１発明によれば、被加圧体が伸縮性を有する収容部材によって試験体を覆って形成されており、被加圧体は、一対の拘束面の移動および変形が固定される。しかも、一対の拘束面および一対の圧縮面とは異なる面では、その法線方向の変形が非拘束となるので、圧縮手段によって被加圧体を圧縮すれば、試験体が変形して、試験体中に一対の拘束面を繋ぐように不連続面を発生させることができる。よって、不連続面の発生に起因する拘束面間の透水性の変化を正確に把握することができる。
第２発明によれば、圧縮力をひずみに基づいて制御しているから、不連続面が発生したときに、試験体の破壊が急激に進行することを防ぐことができる。このため、不連続面が発生した後、不連続面を徐々に成長させることが可能となるから、不連続面の成長による透水性の変化を時間連続的に把握することができる。
第３発明によれば、圧縮面におけるその法線方向の変形が制御されているから、加圧体に載荷した圧力を被加圧体全体に均等に載荷することができる。よって、被加圧体に偏差的な応力が発生することを防ぐことができるから、不連続面の発生する位置をコントロールすることができる。
第４発明によれば、他方の圧縮面の一部に強い圧縮力が加わった場合における不連続面の発生を再現できるので、かかる場合における透水性の変化を把握することができる。
第５発明によれば、加圧面の法線方向の変形が非拘束、つまり、加圧面の法線方向の変形が自由であるから、不連続面の発生やその成長による試験体の変形を妨げない。しかも、ある程度の加圧力を加圧面に加えることができるから、試験体が脆性的に破壊することを防ぐことができ、安定的に不連続面を進展させることができる。
第６発明によれば、圧縮手段による圧縮力を把握するだけで実験条件を所望の状況に変化させることができるので、試験を容易かつ正確に行うことができる。
第７発明によれば、密封材により、収容部材と試験体との間を通って水が流れること防ぐことができるから、不連続面が形成されたときに、その不連続面が透水性に与える影響を正確に把握することができる。
第８発明によれば、水頭調整部材を設けることによって試験体に供給される水の流れを安定にすることができるから、試験の再現性などを高めることが可能となる。
第９発明によれば、圧縮手段によって圧縮されたときに、拘束面に加わる圧力が、圧縮面に加わる圧力よりも小さくなるように調整されており、しかも、拘束面は変形が固定されているから、亀裂等の不連続面は、常に、一対の拘束面間を貫通するように形成される。すると、不連続面を、試験体に対して水を供給する方向と常に平行になるように形成させることができるので、不連続面の発生に起因する透水性の変化を正確に把握することができる。
第１０発明によれば、圧縮手段によって圧縮されたときに、拘束面に加わる圧力が、圧縮面に加わる圧力よりも小さくかつ加圧面に加わる圧力よりも大きくなるように調整されている。しかも、圧縮面で変位が制御され、さらに拘束面は変形が固定されているから、亀裂等の不連続面は、常に、一対の加圧面間を繋ぎ、かつ、一対の拘束面間を貫通するように形成される。すると、試験体に対して水を供給する方向と不連続面とが常に平行になるので、不連続面の発生に起因する透水性の変化を正確に把握することができる。そして、加圧面はその法線方向の変形が自由であるから、亀裂等の不連続面の発生やその成長による試験体の変形を妨げない。よって、圧縮量を変化させて試験体の変形を大きくすれば不連続面を成長させることも可能であるから、亀裂等の不連続面の成長による透水性の変化を時間連続的に把握することができる。
第１１発明によれば、貫通部が存在する場合における不連続面の発生成長を実現できるので、その不連続面の発生成長に起因する透水性の変化を確認することができる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本実施形態の透水試験機は、岩石、砂礫、粘土と言った地盤材料やコンクリートといったセメント系材料等の試験体の透水性を測定する装置であって、平面ひずみ圧縮試験を行うことによって、平面ひずみ試験体の所定の方向に沿って亀裂等の不連続面を発生させ、その不連続面が透水性に与える影響を把握できるようにしたことに特徴を有している。

まず、透水試験機を説明する前に、平面ひずみ試験体およびこの平面ひずみ試験体を使用して不連続面の発生方向を制御する原理を説明する。

図４および図５は本実施形態の透水試験機１０により、平面ひずみ試験体ＥＭに加わる力の概略説明図である。同図において、符号ＥＭは、平面ひずみ試験体を示している。この平面ひずみ試験体ＥＭ（以下、単に試験体ＥＭという）は、透水性試験を行いたい材料を直方体に形成したものである。つまり、試験体ＥＭとは、互いに直交する３つの面Ａ，Ｂ，Ｃと、これら３つの面と互いに平行な面Ａ´，Ｂ´，Ｃ´とを有する６面体であり、立方体も含んでいる。
なお、試験体ＥＭは、上記のごとき６面体であれば、その内部に亀裂等の欠陥が存在していてもよい。例えば、互いに平行な一対の面（例えば、面Ｂ、Ｂ´）間を貫くような不連続面や貫通孔等が存在しているものでもよい。

図４に示すように、上記のごとき、試験体ＥＭに対して、一対の面Ａ，Ａ´に対して圧力Ｐ１を加え、一対の面Ｂ，Ｂ´に対して圧力Ｐ１よりも小さい圧力Ｐ２を加える。すると、試験体ＥＭ中は割裂破壊し、その破壊は一般的には脆性的に進展する。このとき、試験体ＥＭには、面Ａから面Ａ´に向かってほぼ直線的な不連続面が形成される。しかも、一般的にこの不連続面は、その不連続面が面Ｂ，Ｂ´を貫くように形成される。
とくに、図５に示すように、一対の面Ｃ，Ｃ´に対しても圧力Ｐ３を加え、かつ、各面に加える圧力の大きさが、Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３となるようにすると、試験体ＥＭはせん断破壊し、不連続面が面Ｃから面Ｃ´に向かって斜めに形成される。そして、この不連続面も面Ｂ，Ｂ´を貫くように形成される。
つまり、試験体ＥＭの各面に加える圧力の大きさが所定の状態となるように調整すれば、試験体ＥＭに発生する不連続面の発生する方向を制御することができるのである。
なお、試験体ＥＭに亀裂等の欠陥が存在している場合には、試験体ＥＭを加圧して既存の欠陥の成長を制御し、新しい不連続面の発生方向を制御することも可能である。

上記のごとき試験体ＥＭは、そのまま本実施形態の透水試験機１０によって透水試験が行われるのではなく、以下のごとき状態で試験が行われる。
図１および図２において符号１は、本実施形態の透水試験機１０によって実際に加圧される被加圧体を示している。
図２に示すように、被加圧体１は、試験体ＥＭを収容部材２内に収容したものであり、試験体ＥＭは収容部材２によって外部から液密に密封されている。図１でいえば、被加圧体１を透水試験機１０に取り付けた状態において、耐圧容器１１の中空空間11hから液密に隔離されるように、試験体ＥＭは収容部材２によって覆われているのである。
収容部材２には、例えば、透水性能が極めて低く、かつ，試験体ＥＭを隙間無く包み込むという条件が課せられることから、ゴム類のように極めて大きな伸縮性を有する素材、例えばジオメンブレン等が使用される。この収容部材２は伸縮性を有しているから、試験体ＥＭの表面には収容部材２が密着した状態、つまり、試験体ＥＭの表面と収容部材２との間に隙間ができない状態となるように試験体ＥＭが収容部材２に収容された被加圧体１を構成することができるのである。

なお、試験体ＥＭの表面と収容部材２が密着した状態とは、試験体ＥＭの表面と収容部材２とが直接接触している状態に限られず、試験体ＥＭの表面と収容部材２との間に水等の液体が流れない隙間ができないようになっていればよく、後述するように、試験体ＥＭの表面と収容部材２との間に水頭調整部材３５やグリース等を配置している状態も含む概念である。
さらになお、試験体ＥＭを覆う収容部材２は一枚である必要はなく、試験体ＥＭを外部から液密に密封できるのであれば、複数枚の収容部材２によって試験体ＥＭを覆ってもよい。とくに、後述する拘束用部材１５等のような被加圧体１に接触する部材を収容部材２によって試験体ＥＭとともに覆っておけば、試験体ＥＭを耐圧容器１１の中空空間11hから、より確実に液密に隔離することができる。
さらになお、試験体ＥＭを収容部材２内に収容した状態の被加圧体１を透水試験機１０に取り付けてもよいし、また、透水試験機１０に取り付けるときに試験体ＥＭを収容部材２内に収容するようにしてもよい。

また、図２に示すように、試験体ＥＭを覆っている収容部材２には、孔２ｃが２箇所形成されている。そして、収容部材２は、２つの孔２ｃが、試験体ＥＭにおける一対の面Ｂ，Ｂ´を覆っている部分に配設されるように試験体ＥＭを収容している。この２つの孔２ｃのうち、一方の孔２ｃには後述する透水手段３０の流体供給部３１から水が供給され、他方の孔２ｃから流量検出部３３に対して水を排出できるように構成されている。つまり、収容部材２は、試験体ＥＭを外部から液密に密封しているものの、収容部材２の２つの孔２ｃを通して、試験体ＥＭに対して外部から水を供給したり排出したりできるように構成されているのである。

そして、試験体ＥＭにおける一対の面Ｂ，Ｂ´と収容部材２との間、言い換えれば、収容部材２の孔２ｃと試験体ＥＭにおける一対の面Ｂ，Ｂ´との間には、濾紙等の透水手段３０の水頭調整部材３５がそれぞれ設けられている。
このため、孔２ｃから水頭調整部材３５に対して水が供給されると、水頭調整部材３５によって試験体ＥＭにおける一対の面Ｂ，Ｂ´の面内における水頭が均一になるように調整される。すると、収容部材２の孔２ｃから水を供給したときに、収容部材２と試験体ＥＭにおける一対の面Ｂ，Ｂ´との間との間に水の局所的な流れが発生することを防ぐことができるので、一対の面Ｂ，Ｂ´に供給される水の流れを均一かつ安定な状態とすることができ、再現性の高い実験を確保できる。

しかも、試験体ＥＭと収容部材２との間には、高真空グリース等の密封材３が塗布されている。すると、収容部材２の一方の孔２ｃから供給された水が、収容部材２と試験体ＥＭとの間を通って他方の孔２ｃに向かって流れること防ぐことができる。つまり、供給された水が試験体ＥＭの中を通過せず、試験体ＥＭの外を流れること防ぐことができるから、試験体ＥＭの透水試験を精度よく行うことができる。

なお、上記の被加圧体１において、試験体ＥＭにおける一対の面Ａ，Ａ´、一対の面Ｂ，Ｂ´および一対の面Ｃ，Ｃ´に対応する面を、以下では、それぞれ、圧縮面１Ａ，１Ａ´、拘束面１Ｂ，１Ｂ´、加圧面１Ｃ，１Ｃ´で示す。

つぎに、上記のごとき被加圧体１を使用して、試験体ＥＭの透水性を測定する本実施形態の透水試験機１０を説明する。
図１において、符号１１は本実施形態の透水試験機１０の耐圧容器を示している。この耐圧容器１１は、平坦面に形成された背部12aおよび円筒状の胴部12bからなる収容体１２と、この収容体１２の前面に取り付けられる蓋体１３とから構成されている。そして、耐圧容器１１は、蓋体１３を収容体１２に取り付けると、両者の間に外部から液密に密閉された中空空間11hが形成されるように構成されている。この耐圧容器１１は、例えば、ステンレスやＣｒ‐Ｍｏ鋼等のように試験体ＥＭよりも剛性が高い材料によって形成されており、背部12aの内面は平坦な面に形成されている。
なお、背部12aには、透水手段３０の流量検出部３３に連通された排水孔12cが形成されているが、詳細は後述する。

前記耐圧容器１１の中空空間11h内には、被加圧体１を載せるためのテーブル11tが設けられている。このテーブル11tは、例えば、ステンレスやＣｒ‐Ｍｏ鋼等のように試験体ＥＭよりも剛性が高い材料によって形成されており、その上面が前記背部12aの内面と直交する平坦面に形成されている。
このため、前記被加圧体１をテーブル11tに載せれば、被加圧体１を、その直交する２面がテーブル11tの上面と収容体１２の背部12aの両方に面接触した状態となるように設置することができる。

なお、実際の透水試験を行う際には、前記被加圧体１を、その圧縮面１Ａ´がテーブル11tの上面に接触し、被加圧体１の拘束面１Ｂ´が収容体１２の背部12aに面接触するように配置するので、以下では、上記状態で被加圧体１が配置されていることを前提として説明する。

図１に示すように、耐圧容器１１の中空空間11h内において、耐圧容器１１の収容体１２の背部12aに対して前方（図１（Ａ）では左方）に、拘束用部材１５が設けられている。この拘束用部材１５は、例えば、ステンレス板やＣｒ‐Ｍｏ鋼等のように試験体ＥＭよりも剛性が高い材料によって形成されており、背部12aと対向する面（以下、単に背面という）が平坦な面に形成されている。
耐圧容器１１内には、拘束用部材１５の移動を固定する固定用部材が設けられている。この固定用部材は、拘束用部材１５の背面を背部12a内面と平行を保った状態でその移動を固定できるように構成されている。

このため、前記被加圧体１をテーブル11tの上面に配置し、拘束用部材１５の背面を被加圧体１の拘束面１Ｂに面接触させ、その状態で固定用部材により拘束用部材１５の移動を固定すれば、被加圧体１を、拘束用部材１５と収容体１２の背部12aとの間に挟んだ状態で固定することができる。
しかも、被加圧体１に接触している部材、つまり、収容体１２、テーブル11tおよび拘束用部材１５は全て移動が固定されており、また、試験体ＥＭよりも剛性が高い材料によって形成されているから、被加圧体１の圧縮面１Ａ´、一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´はその法線方向の移動及び変形が固定されるのである。
上記の拘束用部材１５、収容体１２の背部12aおよび固定用部材が、特許請求の範囲における拘束手段に相当する。

上記の固定用部材は、背部12a内面に立設された複数本のネジ軸と、この複数本のネジ軸に螺合させたナットによって構成することができる。この場合、拘束用部材１５に複数本ネジ軸と対応する貫通孔を形成しておき、拘束用部材１５の貫通孔に複数本のネジ軸を通した状態でネジ軸の軸方向の前後からナットで拘束用部材１５を挟めば、拘束用部材１５の移動を固定することができる。
なお、実際の透水試験を行う際には、拘束用部材１５と収容体１２の背部12aとの間に被加圧体１が配置されるので、拘束用部材１５をネジ軸の軸方向の前後からナットで挟まなくてもよい。つまり、被加圧体１が存在する場合、収容体１２の背部12aに向かう方向への拘束用部材１５の移動は被加圧体１によって制限される。すると、収容体１２の背部12aから離れる方向に拘束用部材１５が移動しないようにナットを締め付けるだけで、拘束用部材１５の移動を固定することができる。
なお、固定用部材は上記のごとき構成に限られず、拘束用部材１５を収容体１２の背部12aに向けて接近離間させることができ、かつ、所定の位置で拘束用部材１５の移動を固定できるものであればよく、例えば、シリンダ等も採用することができる。

図１に示すように、耐圧容器１１の中空空間11h内において、前記テーブル11tの上方には、例えば、ステンレスやＣｒ‐Ｍｏ鋼等のように試験体ＥＭよりも剛性が高い材料によって形成された、圧縮手段２０の圧縮用部材２１が設けられている。この圧縮用部材２１は、例えば板状の部材であって、そのテーブル11tの上面と対向する面（以下、単に下面という）が平坦面に形成されている。
また、この圧縮用部材２１は、その下面がテーブル11tの上面と平行となるように圧縮手段２０の圧縮力発生機２２に取り付けられている。この圧縮力発生機２２は、例えば、油圧シリンダであり、圧縮用部材２１の下面をテーブル11tの上面と平行に保ったまま、圧縮用部材２１をテーブル11tの上面の法線方向に沿って移動させることができるように構成されている。
そして、圧縮用部材２１と圧縮力発生機２２との間には、一般にロードセルのように圧縮力発生機２２から圧縮用部材２１に加えられる圧力や、被加圧体１のひずみを検出することができる検出機２３が設けられている。

このため、圧縮力発生機２２を作動させて圧縮用部材２１をテーブル11tに対して接近させれば、テーブル11tに載せられた被加圧体１を、圧縮用部材２１とテーブル11tとの間に挟んで圧縮することができる。そして、検出機２３によって被加圧体１の圧縮面１Ａに加わる圧力や被加圧体１に発生するひずみを検出機２３によって検出できるから、圧縮用部材２１から被加圧体１に加わる圧力を調整することができる。
具体的には、圧縮力発生機２２を制御して、被加圧体１に加える圧力を、被加圧体１に発生するひずみが一定となるように調整したり、被加圧体１に対して一定の圧力が加わるように調整したりすることができるのである。とくに、被加圧体１に加える圧力を被加圧体１に発生するひずみが一定となるように調整した場合には、被加圧体１に不連続面が発生したときに、不連続面が急激に成長することを防ぐことができ、不連続面を徐々に成長させることができる。

また、この圧縮用部材２１は、被加圧体１の圧縮面１Ａとほぼ同一の形状に形成されている。そして、圧縮用部材２１の前後方向の長さ（図１（Ａ）では左右方向の長さ）は、拘束用部材１５と収容体１２の背部12aとの間に被加圧体１を挟んだときにおける、拘束用部材１５の背面と収容体１２の背部12a内面との距離Ｌ１と同じもしくは僅かに短くなるように形成されている。言い換えれば、圧縮用部材２１の前後方向の長さは、被加圧体１の一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´の間の間隔と同じ、もしくは一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´の長さよりも僅かに短くなるように形成されている。
このため、被加圧体１を拘束用部材１５と収容体１２の背部12aとの間に挟んだ状態でも、圧縮用部材２１を拘束用部材１５と収容体１２の背部12aとの間を移動させてテーブル11tに対して接近させることができるから、圧縮手段２０によって被加圧体１を圧縮することができるのである。

また、圧縮用部材２１が被加圧体１の圧縮面１Ａとほぼ同一の大きさかつ同一の形状に形成されているので、圧縮用部材２１の下面によって被加圧体１の圧縮面１Ａ全面を加圧することができる。しかも、圧縮用部材２１は試験体ＥＭよりも剛性が高い材料によって形成されているから、圧縮用部材２１によって被加圧体１を圧縮したときに、被加圧体１の圧縮面１Ａをその法線方向の変形を制御した状態で移動させることができるのである。
なお、被加圧体１の圧縮面１Ａの法線方向の変形を制御した状態で移動させるとは、圧縮面１Ａを平面に維持したまま移動させることを意味している。

なお、圧縮用部材２１は、拘束用部材１５と収容体１２の背部12aとの間を移動してテーブル11tに対して接近することができるものであればよく、その面積が被加圧体１の圧縮面１Ａよりも小さいものや、被加圧体１の圧縮面１Ａと異なる形状を有するものでもよい。この場合、被加圧体１の圧縮面１Ａにおいて圧縮用部材２１を移動させたときに圧縮力が加わらない場所ができるので、被加圧体１の圧縮面１Ａに不均一な荷重が加わる場合における透水性の変化を確認することも可能である。

また、図１に示すように、上記の耐圧容器１１には、その中空空間11h内に所定の圧力に調整された水を供給するための、加圧手段４０の液体供給手段４１が接続されている。そして、この液体供給手段４１と耐圧容器１１とを接続する配管には、中空空間11h内を一定の圧力に維持しておくための、例えば、差圧弁等の圧力調整器４２が設けられている。
このため、液体供給手段４１から中空空間11h内に流体を供給し流体で充満させ、中空空間11h内を所定の圧力まで上昇させれば、流体から被加圧体１に所定の圧力を加えることができるのである。
そして、被加圧体１が、上述した拘束用部材１５と収容体１２の背部12aとの間に挟まれ、かつ圧縮用部材２１とテーブル11tとの間に挟まれている状態では、一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´にのみ所定の圧力が加わることになる。しかも、被加圧体１の一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´は中空空間11h内の水としか接触しないので、一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´はその法線方向に自由に移動及び変形できる状態で保持される。

図３は本実施形態の透水試験機１０の要部拡大断面図である。同図に示すように、前記拘束用部材１５には給水孔15cが形成されている。この給水孔15cの一端は、拘束用部材１５の被加圧体１側の面に開口しており、その開口部にはポーラス15dが配設されている。そして、給水孔15cは、被加圧体１を拘束用部材１５によって拘束したときに、その開口が被加圧体１の面１Ｂの孔２ｃと対応する位置に配置できるように形成されている。
一方、給水孔15cの他端は、ソケット32aおよび配管３２を介して流体供給部３１に接続されている。この流体供給部３１は所定の圧力を有する水を供給することができるものである。

また、耐圧容器１１の収容体１２の背部12aには、排水孔12cが形成されている。この排水孔12cの一端は、背部12a内面に開口しており、その開口部にはポーラス12dが配設されている。そして、背部12aは、被加圧体１を拘束用部材１５によって拘束したときに、その開口が被加圧体１の面１Ｂ´の孔２ｃと対応する位置に配置できるように形成されている。
一方、排水孔12cの他端は、ソケット34aおよび配管３４を介して流量検出部３３に接続されている。この流量検出部３３は、配管３４から供給される流体の流量、言い換えれば、試験体ＥＭから排出される流体の流量を測定するものである。

このため、流体供給部３１から所定の圧力（例えば、給水孔15cと排水孔12cとの間の圧力差が１００ｋＰａ〜２００ｋＰａ程度となる圧力）の水を給水孔15cに供給すると、被加圧体１の面１Ｂ側の水頭調整部材３５を介して試験体ＥＭに水が供給され、試験体ＥＭを透過した水は被加圧体１の面１Ｂ´側の水頭調整部材３５を介して排水孔12cから排出され、流量検出部３３に送られる。
すると、試験体ＥＭにおける一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´を透過する液体の流量を流量検出部３３によって測定できるから、試験体ＥＭの透水性を測定することができる。

なお、透水試験を開始する前には、流体供給部３１と面Ｂとの間に位置する配管３２や水頭調整部材３５、および、流量検出部３３と面Ｂ´との間に位置する配管３４や水頭調整部材３５には、透水試験時に流体供給部３１から供給される水よりも低圧の水によって満たされている。これは、試験体ＥＭにおける一対の面Ｂ，１Ｂ´を透過する液体の量が、両面に加わっている流体圧力の差に応じて決定されるようにするためある。その理由は、試験体ＥＭの透水係数を導出するには導水勾配と流量を同定する事が必要だからである。
さらになお、配管３２および配管３４はバキュームポンプに着脱可能に設けられているので、バキュームポンプによって配管３２や水頭調整部材３５等の内部および配管３４や水頭調整部材３５等の内部を真空状態にすることができ、これらの内部を真空状態に保たってから水を満たすように構成されている。このため、配管３２や水頭調整部材３５等の内部および配管３４や水頭調整部材３５等内に気泡などが存在しないように水を満たすことができるから、試験体ＥＭの透水性を正確に測定することができる。

つぎに、本実施形態の透水試験機１０によって試験体ＥＭの透水性を測定する作業を説明する。
まず、耐圧容器１１の収容体１２に設けられているテーブル11t上に、被加圧体１を配置する。このとき、被加圧体１は、その圧縮面１Ａ´がテーブル11tの上面に接触し、その拘束面１Ｂ´が収容体１２の背部12aに面接触するように配置する。このとき、排水孔12cとと被加圧体１の面１Ｂ´の孔２ｃとが対応するように被加圧体１を配置する。

なお、テーブル11t上に被加圧体１を配置するときに、被加圧体１の大きさに合わせて、被加圧体１とテーブル11tの上面との間にスペーサを設けてもよい。この場合、使用するスペーサは、試験体ＥＭよりも剛性が高い材料であり、しかも、その上面と底面が互いに平行な平坦面のものを使用すれば、テーブル11t上に直接の配置した場合とほぼ同じ状態で被加圧体１を圧縮することができる。

ついで、圧縮力発生機２２によって圧縮用部材２１を移動させて、圧縮用部材２１の下面を被加圧体１の圧縮面１Ａに面接触させる。このとき、圧縮用部材２１は、その下面が被加圧体１の圧縮面１Ａに接触しているが圧縮力は発生していない状態で保持される。

圧縮用部材２１とテーブル11tとの間に被加圧体１が挟まれると、拘束用部材１５を、その背面が被加圧体１の拘束面１Ｂに接触した状態となるように設置し、固定用部材によってその移動を固定する。このとき、拘束用部材１５の給水孔15cと被加圧体１の面１Ｂの孔２ｃとが対応するように被加圧体１を固定する。

拘束用部材１５を設置すると、液体供給手段４１から耐圧容器１１の中空空間11h内に流体を供給し中空空間11h内を所定の圧力となるまで加圧する。例えば、中空空間11h内が２MPaとなるまで加圧した水を供給する。
同時に、流体を供給しながら圧縮力発生機２２によって圧縮用部材２１を移動させて被加圧体１を圧縮する。このとき、圧縮力発生機２２および液体供給手段４１を調整し、被加圧体１の一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´に加わる圧力の大きさが、圧縮面１Ａに加える圧力より小さく、一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´に加わる液圧よりも大きくなるようにする。

具体的には、圧縮面１Ａに加える圧力をＰ１、拘束面１Ｂに加える圧力をＰ２、加圧面１Ｃに加える圧力をＰ３とし、材料のポアソン比をνとすると、理論上、Ｐ２＝ν（Ｐ１＋Ｐ３）となる。すると、試験体ＥＭが地盤材料であれば、試験体ＥＭのポアソン比は0.15〜0.35程度となるので、例えば、Ｐ１を10MPa、Ｐ３を2MPa、試験体ＥＭのポアソン比が0.25とすれば、Ｐ２が3MPa となり、被加圧体１の各面に加わる圧力をＰ１＞Ｐ２＞Ｐ３となるようにすることができる。

最後に、透水手段３０の流体供給部３１から試験体ＥＭに、例えば、３００ｋＰａに加圧された加圧された水を供給し、流量検出部３３と面Ｂ´との間に、例えば、１００ｋＰａに加圧された流体を充填すれば、透水試験の準備が完了する。

試験の準備が完了すると、圧縮力発生機２２により、圧縮用部材２１から被加圧体１の圧縮面１Ａに加える圧力を上昇させる。
このとき、被加圧体１は圧縮され変形するのであるが、被加圧体１における一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´はその法線方向の移動及び変形が拘束用部材１５および背部12aによって拘束されているから、被加圧体１の圧縮面１Ａに加える圧力の上昇に伴って一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´に加わる圧力は大きくなる。つまり、一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´を加圧する加圧手段を設けなくても、圧縮面１Ａが加圧されれば、一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´に加圧力が加わるのである。

なお、固定用部材として、例えば、シリンダ等を採用すれば圧縮面１Ａへの加圧により発生する加圧力だけでなく、一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´に直接加圧力を加えることも可能である。

一方、被加圧体１における一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´はその法線方向に自由に移動及び変形できる状態で保持されているから、被加圧体１の圧縮面１Ａに加える圧力にかかわらず、一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´に加わる圧力は耐圧容器１１の中空空間11h内に供給されている流体の圧力に保たれる。
つまり、圧縮面１Ａに加える圧力を上昇させると、一対の圧縮面１Ａ，１Ａ´に加わる圧力と一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´に加わる圧力だけが大きくなり、一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´に加わる圧力は変化しない。
したがって、圧縮力発生機２２から圧縮面１Ａに加える圧力を調整するだけで、各面に加わる圧力の大きさのバランスを上記のごとき状態（Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３、Ｐ３＞０）に保ちつつ、被加圧体１を圧縮することができる。

被加圧体１の圧縮面１Ａに加える圧力を上昇していくと、一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´に圧力が加わっており、被加圧体１の各面に加わる圧力の大きさのバランスが上記のごとき状態に維持されているから、やがて、被加圧体１の収容部材２内において、試験体ＥＭはせん断破壊する。つまり、試験体ＥＭに、面Ａから面Ａ´に向かって斜めに亀裂などの不連続面が形成されるのである。しかも、試験体ＥＭに形成される不連続面は、試験体ＥＭの面Ｂ，Ｂ´を貫くように形成される。つまり、透水手段３０から水が供給排出される方向に沿って、試験体ＥＭ中に不連続面が形成されるのである。
すると、不連続面が形成されたことにより、透水手段３０の流体供給部３１から試験体ＥＭに供給される水が不連続面の間を流れるようになるから、急激に面Ｂ，Ｂ´間を流れる水の流量が増加する。つまり、不連続面の発生に起因する試験体ＥＭの透水性の変化を正確に把握することができるのである。

また、被加圧体１の一対の加圧面１Ｃ，１Ｃ´はその法線方向に沿って自由に変形できるので、不連続面が形成された後も圧縮面１Ａに対する圧縮を継続し、圧縮面１Ａに加える圧力を大きくしていけば、試験体ＥＭの面Ｃ，Ｃ´におけるその法線方向への変形が大きくなる。すると、不連続面同士のズレが大きくなり不連続面の間に形成される隙間も成長するから、不連続面の成長による透水性の変化を時間連続的に把握することができる。

なお、中空空間11h内は一定の圧力に保たれてなくてもよく、一対の拘束面１Ｂ，１Ｂ´を繋ぐように亀裂等の不連続面を形成さることができることができる圧力に保たれていればよい。しかし、中空空間11h内が一定圧力となるようにしておけば、圧縮力発生機２２から圧縮面１Ａに加える圧力を制御するだけで、実験条件を所望の状況に変化させることができるので、試験を容易かつ正確に行うことができる。

また、中空空間11h内に液体供給手段４１から耐圧容器１１の中空空間11h内に流体を供給しない状況、つまり、中空空間11h内を大気圧の状態としたまま透水試験を行うことも可能である。言い換えれば、面Ｃ，Ｃ´にほぼ加圧力が加わらない状態において透水試験を行うことも可能である。この場合、拘束面１Ｂ，１Ｂ´の法線方向の移動及び変形が拘束されていれば、圧縮面１Ａに加える圧力をＰ１、拘束面１Ｂに加わる圧力をＰ２、加圧面１Ｃに加わる圧力をＰ３と材料のポアソン比をνとすると、Ｐ３＝０とみなすことができるから、理論上、拘束面１Ｂに加わる圧力Ｐ２は、Ｐ２＝ν（Ｐ１＋Ｐ３）＝νＰ１となる。すると、試験体ＥＭが地盤材料であれば、試験体ＥＭのポアソン比は0.15〜0.35程度であり、被加圧体１の各面に加わる圧力は、Ｐ１＞Ｐ２、Ｐ３＝０となるようにすることができるから、試験体ＥＭ中は割裂破壊する。つまり、試験体ＥＭに、面Ｂ，Ｂ´を貫く不連続面が、面Ａから面Ａ´に向かってほぼ直線的に形成されるので（図４参照）、かかる不連続面が形成された場合における透水性の試験を行うことも可能である。
そして、面Ｃ，Ｃ´に対して加圧力を加えない試験しか行わないのであれば、透水試験機１０に加圧手段４０を設けなくてもよい。すると、透水試験機１０の構造が簡単になるし、耐圧容器１１も設ける必要がなくなるので、装置構造を小型軽量化することも可能となる。

さらに、耐圧容器１１の収容体１２の背部12aに、アクリル板などのように内部を可視化することができる部材12eを設けておけば、不連続面の発生や成長状況を観測することもできるので好適である。このとき、試験体ＥＭが収容部材２内に収容されているので亀裂を直接観測することはできないのであるが、収容部材２に形成されるしわ等から亀裂の発生状況を推測できる。なお、試験開始以前に収容部材２にスプレーペンキなどでランダム模様を施しておくことで、不連続面の発生がより顕著に収容部材２に現れるので、好適である。

本発明の透水試験機は、岩石、砂礫、粘土と言った地盤材料やコンクリートと言ったセメント系材料の透水性やその経年の変化を把握する試験機として適している。

本実施形態の透水試験機１０の概略説明図であって、（Ａ）は概略側面断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線矢視図である。 本実施形態の透水試験機１０に設置されている被加圧体５０の概略断面図である。 本実施形態の透水試験機１０の要部拡大断面図である。 試験体ＥＭに加える力と発生する不連続面の概略説明図である。 試験体ＥＭに加える力と発生する不連続面の概略説明図である。

１ 被加圧体
２ 収容部材
１０ 透水試験機
２０ 圧縮手段
３０ 透水手段
３５ 水頭調整部材
ＥＭ 試験体

Claims (11)

1. 直方体に整形された試験体の表面に密着し該試験体を液密に密封した状態となるように覆い被加圧体を形成する、伸縮性を有する収容部材と、
   前記被加圧体における互いに対向する一対の拘束面を、その法線方向の移動および変形を固定した状態で保持する拘束手段と、
   前記被加圧体における前記一対の拘束面と異なる互いに対向する一対の圧縮面を、その面の法線方向に沿って圧縮する圧縮手段と、
   前記被加圧体における一方の前記拘束面に液体を供給し、該被加圧体における他方の拘束面から排出される液体の流量を測定する透水手段とからなり、
   前記拘束手段は、
   前記一対の拘束面および前記一対の圧縮面と異なる面の法線方向の変形が非拘束の状態となるように、前記被加圧体を保持するものである
   ことを特徴とする透水試験機。
2. 前記圧縮手段は、
   前記被加圧体に発生するひずみに基づいて圧縮力を制御するものである
   ことを特徴とする請求項１記載の透水試験機。
3. 前記圧縮手段は、
   前記被加圧体の一対の圧縮面を、その法線方向の変形を制御した状態で保持しつつ、その面の法線方向に沿って圧縮するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の透水試験機。
4. 前記圧縮手段は、
   前記被加圧体の一対の圧縮面のうち、一方の圧縮面をその法線方向の変形を制御した状態で保持しつつ、他方の圧縮面における一部の領域を押圧するように構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の透水試験機。
5. 前記被加圧体における前記一対の拘束面および前記一対の圧縮面と異なる一対の加圧面を、その法線方向の変形を非拘束の状態で保持しつつ、その法線方向に沿って加圧する加圧手段を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の透水試験機。
6. 前記加圧手段は、
   前記圧縮手段によって前記被加圧体を圧縮している間、該被加圧体における一対の加圧面に加わる圧力が一定圧力となるように調整されている
   ことを特徴とする請求項５記載の透水試験機。
7. 前記収容部材と前記試験体との間に、両者の間を液密に密封する密封材が設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の透水試験機。
8. 前記透水手段は、
   前記被加圧体における前記収容部材と、該被加圧体の一対の拘束面に対応する前記試験体の面との間に、該試験体の面内における水頭が均一になるように調整する水頭調整部材を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の透水試験機。
9. 請求項１記載の透水試験機において、
   前記圧縮手段によって前記被加圧体を圧縮したときにおいて、前記一対の拘束面に加わる圧力が、該圧縮手段から前記一対の圧縮面に加わる圧力よりも小さくなるように、前記圧縮手段から前記被加圧体に対して加わる圧力を調整する
   ことを特徴とする透水試験方法。
10. 請求項５記載の透水試験機において、
    前記圧縮手段によって前記被加圧体を圧縮したときにおいて、前記一対の拘束面に加わる圧力が、該圧縮手段から前記一対の圧縮面に加わる圧力よりも小さく、前記加圧手段から前記一対の加圧面に加わる圧力よりも大きくなるように、前記圧縮手段から前記被加圧体に対して加わる圧力、および、前記加圧手段から前記被加圧体に対して加わる圧力を調整する
    ことを特徴とする透水試験方法。
11. 前記試験体は、
    互いに平行な一対の面間を貫通する貫通部が形成されており、
    該一対の面と対応する前記被加圧体における一対の面が、前記拘束面となるように収容部材に収容されている
    ことを特徴とする請求項９または１０記載の透水試験方法。

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