JP7337717B2

JP7337717B2 - 地盤材料の含水比測定装置および地盤材料の含水比測定方法

Info

Publication number: JP7337717B2
Application number: JP2020009415A
Authority: JP
Inventors: 健嗣石井; 恵祐田中; 里衣笹岡; 詩瑶中本; 佳克米丸; 聡碩松本
Original assignee: Kajima Corp
Current assignee: Kajima Corp
Priority date: 2020-01-23
Filing date: 2020-01-23
Publication date: 2023-09-04
Anticipated expiration: 2040-01-23
Also published as: JP2021117050A

Description

本発明は、地盤材料の含水比測定装置および地盤材料の含水比測定方法に関するものである。

地盤材料の含水比とは、土中に含まれる水の重量を乾燥土の重量で除した値で定義された物性値であり、土の物理特性や力学特性を評価する上で重要な指標となる。

従来、地盤材料の含水比を求める方法として、（１）１１０±５℃の炉乾燥によって水を蒸発させて求める炉乾燥法（ＪＩＳＡ１２０３：２００９）、（２）電子レンジによる加熱で水を蒸発させて求める電子レンジ法（ＪＧＳ０１２２－２００９）、（３）耐熱性の容器に入れた土を直接加熱して求める乾燥法（ＡＳＴＭＤ４９５９－００）、（４）センサーを通じて測定した土の誘電率から求める土壌水分計法、（５）ラジオアイソトープを利用した測定方法（ＲＩ法）があった。

また、薬品や原材料等の試料に含まれる水分ないしは揮発分等の測定装置として、試料容器を荷重検出部と加熱部との間で移動させる手段を有し、試料容器の内側を真空引き手段で真空引きしつつ加熱部で加熱して試料を乾燥させ、乾燥前および乾燥後の試料重量を荷重検出部で測定する装置が提案されていた（例えば、特許文献１参照）。

特許公報第２９３６１７８号

しかしながら、（１）の方法は、乾燥炉設置用のスペースや外部電源が必要であり、測定に２４時間以上を要するという問題点があった。（２）の方法では電子レンジ設置用の室内スペースや外部電源が、（３）の方法では測定用の室内スペースやガス器具などの加熱媒体が必要であった。（４）の方法は事前の校正（土の誘電率と体積含水率の関係等）および土の密度測定が、（５）の方法は事前の校正（α検定）および放射性同位体の扱いに対する留意が必要であった。また、特許文献１に記載された装置は、荷重検出部と加熱部が別体であり、装置の運搬や移設が困難であると考えられる。

本発明は、前述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とすることは、事前の校正作業が不要で、小型且つ軽量な装置で含水比を測定できる地盤材料の含水比測定装置および地盤材料の含水比測定方法を提供することである。

前述した目的を達成するために第１の発明は、投入された地盤材料を加熱して前記地盤材料に含まれる土中水を蒸発させる蒸発部と、前記蒸発部に接続された減圧手段と、前記蒸発部の下に配置され、前記地盤材料の重量を計測する重量計測部と、前記重量計測部の下に配置され、前記減圧手段と連結されず、前記蒸発部と連結され、前記蒸発部内で発生した水蒸気を凝縮させて貯留する凝縮部と、を具備することを特徴とする地盤材料の含水比測定装置である。

第１の発明では、減圧手段で蒸発部を減圧することにより、加熱のみによって土中水を蒸発させる場合と比較して、熱による地盤材料の変質や重量計測部の電子機器等への影響を抑制でき、電源容量を小さくできる。第１の発明では、蒸発部と減圧手段と重量計測部と凝縮部とが一体化しているので、装置を小型且つ軽量にすることができ、運搬が容易で屋外でも使用しやすい。

前記蒸発部は前記凝縮部に対して相対的に断熱性が高く、前記凝縮部は前記蒸発部に対して相対的に放熱性が高いことが望ましい。
これにより、蒸発部と凝縮部との間に温度差を発生させ、蒸発部で発生させた水蒸気を凝縮部へ確実に移動させることができる。

前記減圧手段が手動式の真空ポンプであることが望ましい。
これにより、減圧手段用の電源が不要となる。

前記蒸発部に、前記地盤材料と直接接触する加熱媒体が配置されていることが望ましい。
これにより、地盤材料を効率良く加熱しての土中水の蒸発を促進することができる。

前記凝縮部に、凝縮させた前記土中水を貯めるチャンバと、前記チャンバから前記土中水を排水する排水部とが設けられることが望ましい。
これにより、土中水の貯水および排水が容易になる。また、凝縮させた土中水の成分分析などが可能になる。

含水比測定装置は、内部電源のみで稼働可能であることが望ましい。
これにより、外部電源のない屋外でも使用できる。

第２の発明は、測定対象となる地盤材料を蒸発部に投入し、前記蒸発部の下に配置された重量計測部で前記地盤材料の重量を取得する工程ａと、前記蒸発部に接続された減圧手段で前記蒸発部内を減圧しつつ前記地盤材料を加熱して、前記地盤材料に含まれる土中水を前記蒸発部内で蒸発させ、発生した水蒸気を前記重量計測部の下に配置されて前記減圧手段と連結されず前記蒸発部と連結された凝縮部で凝縮させて貯留する工程ｂと、前記地盤材料が絶乾状態に到達したことを確認した後、前記重量計測部で前記地盤材料の重量を取得する工程ｃと、前記工程ａで取得した前記地盤材料の重量と前記工程ｃで取得した前記地盤材料の重量とを用いて、前記地盤材料の含水比を算出する工程ｄと、を具備することを特徴とする地盤材料の含水比測定方法である。

第２の発明によれば、事前に校正作業を実施することなく、屋外の現場で含水比を容易に測定できる。また、減圧手段で蒸発部を減圧することにより、加熱のみによって土中水を蒸発させる場合と比較して、熱による地盤材料の変質や重量計測部の電子機器などへの影響を抑制できる。

前記工程ｂで、前記蒸発部に接続された手動式の真空ポンプを用いて前記蒸発部内を減圧することが望ましい。
これにより、減圧手段用の電源が不要となる。

前記工程ｂで、前記蒸発部の内部に配置された加熱媒体を前記地盤材料に直接接触させて前記地盤材料を加熱することが望ましい。
これにより、地盤材料を効率良く加熱しての土中水の蒸発を促進することができる。

前記工程ｃで、前記重量計測部で前記地盤材料の重量を連続的に計測して前記地盤材料が絶乾状態に到達したことを確認することが望ましい。
これにより、地盤材料が絶乾状態に到達したことを即時に確認することができる。

本発明によれば、事前の校正作業が不要で、小型且つ軽量な装置で含水比を測定できる地盤材料の含水比測定装置および地盤材料の含水比測定方法を提供できる。

含水比測定装置１を示す図含水比測定装置１を示す図地盤材料４１の含水比測定方法を示す図飽和水蒸気圧曲線を示す図他の含水比測定装置１ａを示す図

以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。

図１、図２は本発明の第１の実施形態に係る含水比測定装置１を示す図である。図１、図２に示すように、含水比測定装置１は蒸発部３、重量計測部５、凝縮部７、真空ポンプ９等からなる。

蒸発部３は、内壁面（底面含む）に電熱線１７が設置される。電熱線１７は、蒸発部３に投入された地盤材料４１と直接接触する加熱媒体である。蒸発部３は、上面に開閉式蓋１３を有する。蒸発部３の本体と開閉式蓋１３との嵌め合い部付近には、気体の漏れを防止するためのＯリング１９が設けられる。蒸発部３には温度センサ１５および圧力センサ１６が設けられる。

真空ポンプ９は減圧手段であり、蒸発部３に接続される。真空ポンプ９は手動式であることが望ましい。温度センサ１５、圧力センサ１６、真空ポンプ９との接続部は、例えば開閉式蓋１３などの、蒸発部３に投入された地盤材料４１に触れない位置に設けられる。

重量計測部５は、蒸発部３の下に配置される。重量計測部５は、内部電源２１、ロードセル２３、演算部２５、表示部２７等を有する。ロードセル２３は地盤材料４１の重量を計測する。演算部２５は、地盤材料４１の重量、温度センサ１５および圧力センサ１６の測定値などを用いて必要な演算を行う電子回路である。表示部２７は、地盤材料４１の重量、温度センサ１５および圧力センサ１６の測定値などを表示する結果出力モニターである。重量計測部５の電気系統や蒸発部３の電熱線１７は、内部電源２１のみで稼働可能である。内部電源２１は例えば充電池である。

凝縮部７は、重量計測部５の下に配置される。凝縮部７の内部は、連結管１１によって蒸発部３の内部と連結される。凝縮部７は、チャンバ３３と、チャンバ３３の下面に設けられた開閉式蓋３１とを有する。開閉式蓋３１は、チャンバ３３から水を排水する排水部である。凝縮部７の本体と開閉式蓋３１との嵌め合い部付近には、気体および土中水４５の漏れを防止するためのＯリング３５が設けられる。

蒸発部３は、例えば壁面に断熱材が用いられており、凝縮部７に対して相対的に断熱性が高い。また、凝集部７（及び連結管１１）の外周には放熱フィンや冷却機構が配置されてもよい。すなわち、凝縮部７は蒸発部３に対して相対的に放熱性が高い。

次に、含水比測定装置１を用いた含水比測定方法について説明する。図３は、地盤材料４１の含水比測定方法を示す図である。図４は、飽和水蒸気圧曲線を示す図である。

含水比測定装置１を用いて地盤材料４１の含水比を測定するには、まず、地盤材料４１を蒸発部３に投入して、地盤材料４１の重量ｍ１を取得する（Ｓ１０１）。Ｓ１０１では、開閉式蓋１３を開けて測定対象となる地盤材料４１を投入し、このときの地盤材料４１の重量ｍ１を重量計測部５で計測する。測定対象とする地盤材料４１は、例えば、最大粒径３７．５ｍｍ（最小質量１～５ｋｇ）である。

次に、地盤材料４１から土中水を蒸発させつつ、地盤材料４１の重量を連続的に計測する（Ｓ１０２）。Ｓ１０２では、開閉式蓋１３を閉じた状態で、手動で真空ポンプ９を稼働させて蒸発部３内を減圧しつつ、電熱線１７を加熱して地盤材料４１を加熱する。

ここで、図４に示すように、大気圧よりも小さい気圧下では水は１００℃以下でも沸騰（すなわち、気化が進行）する。例えば、真空ポンプ９で蒸発部３内を５０ｈＰａに減圧すれば、地盤材料４１中の水は約３０℃で沸騰する。このように、蒸発部３内を減圧しつつ地盤材料４１を加熱すると、減圧しない場合と比較して低温で地盤材料４１中の土中水を蒸発させることができる。

蒸発部３は、電熱線１７によって加熱されることに加え、凝縮部７に対して相対的に断熱性が高い構造であるため、内部が高温に保たれる。蒸発部３に対して凝縮部７が低温となると、温度差によって圧力差が生じて蒸発部３に対して凝縮部７が低圧となる。そのため、地盤材料４１から土中水を蒸発させて発生した水蒸気４３が、図２の矢印に示すように蒸発部３から連結管１１を通って凝縮部７に移動する。凝縮部７に移動した水蒸気はチャンバ３３内で凝縮されて土中水４５として貯水される。

Ｓ１０２では、地盤材料４１の重量をロードセル２３で計測し、蒸発部３内の温度を温度センサ１５で計測し、圧力を圧力センサ１６で計測する。地盤材料４１の重量、蒸発部３内の温度および圧力の計測は連続的に実施され、表示部２７に表示される。作業者は、表示部２７の表示によって地盤材料４１の重量の変化を把握し、必要に応じて地盤材料４１の乾燥を促進させるために真空ポンプ９の再稼働や電熱線１７の温度管理を行ってもよい。

Ｓ１０２の継続中に、作業者は計測結果から地盤材料４１が絶乾状態に到達したか否かを判定する（Ｓ１０３）。地盤材料４１の重量は、絶乾状態に到達するまでは土中水の蒸発により低下を続けるが、絶乾状態に到達すると一定となる。Ｓ１０３では、地盤材料４１の重量が一定でなければ絶乾状態に到達していないと判定し、Ｎの矢印に進んでＳ１０２を継続する。

Ｓ１０３では、地盤材料４１の重量が一定となったら、その時点で絶乾状態に到達したと判定し、Ｙの矢印に進む。そして、地盤材料４１の重量ｍ２を取得して地盤材料４１の含水比を算出する（Ｓ１０４）。Ｓ１０４では、地盤材料４１が絶乾状態に到達した状態で取得した重量ｍ２とＳ１０１で取得した重量ｍ１とを用いて、演算部２５が地盤材料４１の含水比ｗを算出する。含水比ｗは、ｗ＝（ｍ１－ｍ２）／ｍ２×１００で算出され、表示部２７に表示される。

含水比の測定が終了したら、電熱線１７での加熱を停止し蒸発部３内を大気圧に戻す。そして、開閉式蓋１３を開けて地盤材料４１を排出する。地盤材料４１は乾燥しているので容易に排出できる。また、開閉式蓋３１を開けて土中水４５を排水する。凝縮部７で凝縮させた土中水４５は、必要に応じてｐＨ測定や成分分析などを行ってもよい。

このように、第１の実施形態の含水比測定方法では、真空ポンプ９で蒸発部３を減圧することにより、加熱のみによって土中水を蒸発させる場合と比較して加熱温度を低くすることができる。そのため、熱による地盤材料４１の変質や重量計測部５の電子機器等への影響を抑制できる。また、含水率の高い泥水であっても数分程度で急速に絶乾状態にできること、地盤材料４１の重量を連続的に計測することで絶乾状態に到達したことを即時に確認できることから、短時間で効率的な測定が可能である。さらに、事前の校正が不要なので含水比を簡単に測定することができる。

含水比測定装置１は、加熱温度を低くできることに加えて手動の真空ポンプ９を用いることにより、電源容量の小さい内部電源２１で稼働させることができる。含水比測定装置１は、蒸発部３と真空ポンプ９と重量計測部５と凝縮部７とが一体化しており、小型且つ軽量なので、移動や運搬が容易であり屋外の現場で使用しやすい。含水比測定装置１では、蒸発部３に断熱性を持たせることにより、蒸発部３と凝縮部７との間の温度差を維持して蒸発部３で生じた水蒸気４３を凝縮部７へ確実に移動させることができる。

このように、温度と圧力を容易に調整可能とすることで、蒸発部３を沸点以上の温度とし、凝縮部７を沸点未満の温度とすることができる。したがって、温度と圧力を調整することで、蒸発部３では蒸発を進行させ、凝縮部７では、再蒸発を抑制し、効率良く土中水４５を貯留することができる。

なお、含水比測定装置は、図１、図２に示すものに限らない。図５は、他の含水比測定装置１ａを示す図である。図５に示す含水比測定装置１ａでは、蒸発部３の内壁面の電熱線１７に加えて、蒸発部３の空間部にも電熱線１７ａが設置される。電熱線１７ａは、例えば地盤材料４１の最大粒径よりも大きい間隔で配置された図示しない板状材に固定される。これにより、地盤材料４１と直接接触する加熱媒体の電熱面積が増加するので、地盤材料４１の乾燥効率を向上させることができる。

また、含水比測定装置１ａでは、凝縮部７の周囲に冷却材３７が設置される。冷却材３７には、既知の冷却シートや冷水、氷等が用いられる。これにより、蒸発部３に対して凝縮部７の相対的な放熱性がさらに高まり、蒸発部３と凝縮部７との温度差が大きくなり蒸発部３で生じた水蒸気４３を凝縮部７へより確実に移動させることができる。また、凝縮部７を冷却することによって、移動した水蒸気をより速く凝縮させ、再蒸発を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら、本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、本願で開示した技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、加熱媒体は電熱線に限らず、プラグ状ヒータ等の電流が流れることによって発熱する他の媒体であってもよい。また、線状に限らず面状のヒータでもよい。また、加熱媒体の設置位置は蒸発部３の内側に限らず、外側から蒸発部３を温めてもよい。但し、真空に近い状態において、熱は接触によって伝達されるので、蒸発部３の加熱された部分が地盤材料４１に確実に接触するようにする。

本実施形態では、測定対象の地盤材料４１の最大粒径を３７．５ｍｍ（最少質量１～５ｋｇ）としたが、含水比測定装置１を小型のポータブル式としない場合には、地盤材料の最大粒径や最小質量の制限はない。また、含水比測定装置１を室内据え置き型として利用する場合には、減圧手段として手動式の真空ポンプ９のかわりに電気式やエンジン式のものを適用してもよい。

１、１ａ………含水比測定装置
３………蒸発部
５………重量計測部
７………凝縮部
９………真空ポンプ
１１………連結管
１３、３１………開閉式蓋
１５………温度センサ
１６………圧力センサ
１７、１７ａ………電熱線
１９、３５………Ｏリング
２１………内部電源
２３………ロードセル
２５………演算部
２７………表示部
３３………チャンバ
３７………冷却材
４１………地盤材料
４３………水蒸気
４５………土中水

Claims

投入された地盤材料を加熱して前記地盤材料に含まれる土中水を蒸発させる蒸発部と、
前記蒸発部に接続された減圧手段と、
前記蒸発部の下に配置され、前記地盤材料の重量を計測する重量計測部と、
前記重量計測部の下に配置され、前記減圧手段と連結されず、前記蒸発部と連結され、前記蒸発部内で発生した水蒸気を凝縮させて貯留する凝縮部と、
を具備することを特徴とする地盤材料の含水比測定装置。
前記蒸発部は前記凝縮部に対して相対的に断熱性が高く、前記凝縮部は前記蒸発部に対して相対的に放熱性が高いことを特徴とする請求項１記載の地盤材料の含水比測定装置。
前記減圧手段が手動式の真空ポンプであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の地盤材料の含水比測定装置。
前記蒸発部に、前記地盤材料と直接接触する加熱媒体が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の地盤材料の含水比測定装置。
前記凝縮部に、凝縮させた前記土中水を貯めるチャンバと、前記チャンバから前記土中水を排水する排水部とが設けられたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の地盤材料の含水比測定装置。
内部電源のみで稼働可能であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の地盤材料の含水比測定装置。
測定対象となる地盤材料を蒸発部に投入し、前記蒸発部の下に配置された重量計測部で前記地盤材料の重量を取得する工程ａと、
前記蒸発部に接続された減圧手段で前記蒸発部内を減圧しつつ前記地盤材料を加熱して、前記地盤材料に含まれる土中水を前記蒸発部内で蒸発させ、発生した水蒸気を前記重量計測部の下に配置されて前記減圧手段と連結されず前記蒸発部と連結された凝縮部で凝縮させて貯留する工程ｂと、
前記地盤材料が絶乾状態に到達したことを確認した後、前記重量計測部で前記地盤材料の重量を取得する工程ｃと、
前記工程ａで取得した前記地盤材料の重量と前記工程ｃで取得した前記地盤材料の重量とを用いて、前記地盤材料の含水比を算出する工程ｄと、
を具備することを特徴とする地盤材料の含水比測定方法。
前記工程ｂで、前記蒸発部に接続された手動式の真空ポンプを用いて前記蒸発部内を減圧することを特徴とする請求項７記載の地盤材料の含水比測定方法。
前記工程ｂで、前記蒸発部の内部に配置された加熱媒体を前記地盤材料に直接接触させて前記地盤材料を加熱することを特徴とする請求項７または請求項８記載の地盤材料の含水比測定方法。
前記工程ｃで、前記重量計測部で前記地盤材料の重量を連続的に計測して前記地盤材料が絶乾状態に到達したことを確認することを特徴とする請求項７から請求項９のいずれかに記載の地盤材料の含水比測定方法。