JPH07306198A - 室内用の大型加圧透水試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 砂礫地盤の透水性能を実地盤に近い三軸応力
状態で把握、確認するために室内で使用される大型加圧
透水試験装置を提供する。 【構成】 供試体１の下端を載せるペデスタル２及び同
供試体の上端に載せる試料キャップ３が圧力容器４内の
略中心部の上下に配置され、前記試料キャップ３は前記
供試体１に垂直荷重を加える加圧軸５に取り付けられ、
前記ペデスタル２及び試料キャップ３と供試体１との間
に透水性のフィルター６が介在せしめられ、前記ペデス
タル２には脱気水を供給する給水管７が接続され、試料
キャップ３には透過水を排除する排水管８が接続されて
いる。 【効果】 供試体の透水流量の変動に対して圧力の変動
を発生しないで透水圧に脈動を発生せず、実地盤に即し
た三軸応力状態の加圧透水試験を精度良く安定して行な
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、砂礫地盤の透水性能
（透水係数）を実地盤に近い三軸応力状態で把握、確認
するため、室内で使用される大型加圧透水試験装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】実地盤の土の透水性能を把握、確認する
ことは、例えばダム建設に当り、ダムサイトの地盤調査
項目として重要である。その試験方法を大別すると、次
の２通りがある。 実地盤に透水試験装置を直接設置して現地で試験す
る方法（例えば特公昭５４−３３６４１号、特公昭６３
−２９０４７号、特公平５−４８３２８号公報などを参
照）。 実地盤から不攪乱試料を採取して供試体を作り、室
内で試験する方法。

【０００３】また、試験時の応力状態に関しては、次の
２通りがある。 非三軸応力の状態で試験する方法（例えば特公平５
−４５１７３号公報を参照）。 できるだけ実地盤に近い三軸応力状態で試験する方
法（例えば特開平５−２１５７４６号、特開平５−２１
５７４７号公報など参照）。

【０００４】上記のように実地盤とは応力状態が全く
相関のない非三軸応力状態での試験結果は、実地盤の性
状に即したものと云えず、原位置の土の透水性能を正確
に把握し得ない。次に、室内試験が可能である、上記
，に該当する従来の三軸応力状態での透水試験方法
及び装置は、例えば特開平５−２１５７４号及び特開平
５−２１５７４７号公報などに記載されて公知であるよ
うに、圧力容器内でペデスタルと試料キャップとによっ
て供試体の上下端を挟持せしめ、加圧軸が試料キャップ
を介して供試体に実地盤の上載圧（垂直荷重）を加え、
一方、圧力容器内に満たされたセル液を加圧して、供試
体の周側面に実地盤に近い任意の拘束圧（横圧）が加え
られ三軸応力の状態が実現される。供試体の下端とペデ
スタルとの間に介在させた透水性のフィルター（ポーラ
スストーン）を通じて供試体に給水管が接続され、ま
た、供試体の上端と試料キャップとの間に介在させたフ
ィルター（ポーラスストーン）を通じて供試体に排水管
が接続されている。圧力容器内のセル液の圧力は、側圧
制御装置で調整される。

【０００５】上述した従来の透水試験装置によれば、供
試体に加圧軸を通じて実地盤に近い大きさの上載圧を加
えた上で、側圧制御装置によって供試体の周側面にやは
り実地盤に近い大きさの横圧を加えた三軸応力の状態
で、給水管を通じて給水する水と排水管を通じて排除す
る水とに、水中の気泡を消して供試体の飽和度を１００
％近くまで上げるバックプレッシャー（背圧負荷）、及
び透水試験に必要な大きさの水頭差（加圧力）を作用さ
せて透水試験が行なわれる。

【０００６】

【本発明が解決しようとする課題】本発明の第一の目的
は、粒径が大きい砂礫地盤を対象とし、必然供試体の外
径も２０cm、あるいは３０cmと大きくない、ひいては透
水量も甚だ多い透水試験を、室内において、三軸応力状
態の下で、実地盤の応力と同一に加圧して安定した状態
で行なえる大型の加圧透水試験装置を提供することであ
る。

【０００７】本発明の次の目的は、原位置地盤に近い飽
和状態を再現するため、背圧負荷をかけて供試体の飽和
度をほぼ１００％近くまで上げられる加圧透水試験装置
を提供することである。本発明の異なる目的は、透水量
が多くても、また、透水流量の変動に対しても、圧力変
動がなく、透水圧力に脈動を発生せず安定した試験を行
なえ、背圧負荷の調節、制御が容易であると共に節水を
図れる閉鎖循環系の加圧透水試験装置を提供することで
ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した従来技術の課題
を解決するための手段して、本発明に係る室内用の大型
加圧透水試験装置は、三軸応力の状態を保った供試体に
加圧水を供給して透水係数を求める加圧透水試験装置に
おいて、 （イ） 供試体１の下端を載せるペデスタル２及び同供
試体の上端に載せる試料キャップ３が圧力容器４内の略
中心部の上下に配置され、前記試料キャップ３は前記供
試体１に垂直荷重を加える加圧軸５に取り付けられ、前
記ペデスタル２及び試料キャップ３と供試体１との間に
透水性のフィルター６が介在せしめられ、前記ペデスタ
ル２には脱気水を供給する給水管７が接続され、前記試
料キャップ３には透過水を排除する排水管８が接続され
ている。 （ロ） 前記圧力容器４内には、前記ペデスタル２と試
料キャップ３とに挟持された供試体１の外周を囲む内セ
ル９が、その下端を圧力容器の下板１１へ水密的に固定
され、上端開口は圧力容器４内に満たされたセル液１２
の液面よりは高い位置において前記セル液の液面上の加
圧空間１３に開放されており、当該内セル９の内部に少
なくとも前記供試体１を水没させるレベルまでセル液１
２が満たされ、前記セル液１２の液面変位を計測する水
位センサーが設置されており、前記加圧空間１３には空
気圧力を調整できる横圧用のバイアスレギュレータ１４
により空気圧力が供給される。 （ハ） 前記ペデスタル２の給水管７は、越流管１５に
よって水面の高さを一定に保ち、且つ前記水面に加圧透
水の空気圧を作用させられる密閉容器構造の越流水槽１
６と接続され、前記越流水槽１６の水面上の空間１７に
は透水圧用の空気圧力を調整できるバイアスレギュレー
タ１８により空気圧力が供給され、また、越流水槽１６
には大容量の大型水槽１９から循環ポンプ４０により供
試体１の透水流量を大きく上回る流量の水が供給され
る。 （ニ） 前記試料キャップ２の排水管８は前記大型水槽
１９と接続されており、該排水管８の途中位置に、供試
体１の透水量を計測する量水計２０が設置されているこ
とをそれぞれ特徴とする。

【０００９】本発明において、供試体の透水量が少量の
場合の上記量水計は差圧変換器式量水計２０とし、大量
の場合は流量計３３に切り換えて使用する構成であり、
前記差圧変換器式量水計２０は垂直に立てた細長い密閉
容器構造の量水容器２０ａ内の中心部に垂直上向きの溢
流管２０ｂが立てられ、該溢流管が排水管８と接続され
ていること、前記溢流管２０ｂの上端開口から溢流し前
記量水容器２０ａ内に貯まった透過水の水位を計測する
差圧計２０ｃにて計測して透水量が求められること、背
圧用のバイアスレギュレータ２２で調整した空気圧力が
前記量水容器２０ａの上部空間に供給される構成であ
る。

【００１０】本発明は、前記背圧用のバイアスレギュレ
ータ２２で調整した空気圧力は透水圧側のバイアスレギ
ュレータ１８へフィードバックすることをそれぞれ特徴
とする。本発明は、上述の越流水槽１６は大型水槽１９
の上方に配置し、両者は越流管１５で連通させ、大型水
槽１９内の水３１は循環ポンプ４０によって前記越流水
槽１６の下部へ常時供給し、大型水槽１９内の水面上の
空間２１は越流水槽１６の水面上の空間１７とバイパス
管３５で連通されていることも特徴とする。

【００１１】

【作用】加圧軸５が試供体１へ加える垂直荷重と、内セ
ル９内のセル液１２の液面上の加圧空間１３に作用させ
た空気圧が供試体１の周側面に加える横荷重とは個別に
調整できるから、各々の調整によって供試体１には垂直
荷重と横荷重が等しい等方応力状態又は両荷重の大きさ
が異なる異方応力状態又は実地盤の三軸応力状態に等し
いＫ₀ 状態を実現できる。

【００１２】大型水槽１９の容量は、大型の砂礫供試体
（直径が２００mm〜３００mm、高さは３００mm〜５００
mmの大きさ）の透水試験を十分にまかなえる水量（約３
００リットル）を収納可能な大きさであるから、供試体
の透水流量が変動しても、透水圧力の変動は決して生じ
ないし、水を循環させることによって節水も図れる。越
流水槽１６内の越流管１５で一定レベルに保たれ、且つ
循環ポンプ４０により透水流量を大きく上回る流量の水
が常時供給されることによって一定水頭を保つ加圧水が
給水管７を通じて供試体１へ供給される。更に、透水圧
は、空圧式バイアスレギュレータ１８により例えば０〜
１０ Kgf／cm² の範囲で調整した一定の空気圧力を越流
水槽１６内の水面上の空間１７へ作用させることによっ
て可変の制御が行なわれ、且つ自然水頭による場合に比
して装置をコンパクト化でき、実地盤と等しい加圧透水
の試験条件が達成される。そして、透水圧力に脈動は生
じない。

【００１３】次に、試料キャップ３に接続した排水管８
に、背圧側のバイアスレギュレータ２２により空気圧を
作用させると、供試体１に実地盤と等価の背圧（バック
プレッシャー）を負荷した状態で透水試験を行なうこと
ができる。従って、脱気水でなくとも使用可能である。
特に、バイアスレギュレータ２２の調整により、実地盤
の飽和状態と等しくなる空気圧力を設定して背圧を負荷
させることが可能である。背圧側のバイアスレギュレー
タ２２に設定した背圧空気圧力を透水圧側のバイアスレ
ギュレータ１８へフィードバックさせることにより、自
動的に透水圧側に背圧が添加され、動水勾配が変動しな
い安定した透水試験を行なえる。要するに、背水負荷を
かける操作が容易である。

【００１４】

【実施例】次に、図１〜図３に示した本発明の実施例を
説明する。図１は加圧透水試験装置の全体的な配管シス
テム系統を示している。上板１０と下板１１及び透明な
アクリル製の外セル２４とで構成された圧力容器４が試
験装置の基本を成している。この圧力容器４内の略中心
部の上下に、供試体１の上下の端部を挟むペデスタル２
と試料キャップ３が配置されている。図２に詳示したよ
うに、ペデスタル２は下板１１にボルトで固定され、試
料キャップ３は供試体４に垂直荷重を上載圧として加え
る加圧軸５の先端部に取付けられている。ペデスタル２
及び試料キャップ３は、各々透水性のフィルター６（例
えばポーラスストーン）を介して供試体１を挟持する構
成とされている。ちなみに、図２中に実線で示したペデ
スタル２、試料キャップ３及びフィルター６は各々供試
体１の大きさが直径３００mm、高さ５００mmと大型であ
る場合を示し、２点鎖線で示したペデスタル２′、試料
キャップ３′及びフィルター６′は各々供試体１′の大
きさが直径２００mm、高さ２００mmと比較的小型である
場合を示している。前記ペデスタル２には、前記フィル
ター６を介して供試体１の下端に透過水を供給する給水
管７が接続されている。また、試料キャップ３には、供
試体１を軸方向上向きに通過してきた透水を排除する排
水管７がやはりフィルター６を介して接続されている。

【００１５】上記の圧力容器４内には、前記ペデスタル
２及び試料キャップ３並びにこれらで挟持された供試体
４の外周位置に、これらを取り囲む比較的小口径（例え
ば供試体１の外径が３００mmであるのに対し、内径が３
４０mmぐらい）の円筒体である内セル９が同心円状の配
置に設置されている。内セル９は下端を下板１１へボル
トで水密的に固定され、上端開口は圧力容器４内に満た
されたセル液１２の液面よりは高い位置において同液面
上の加圧空間１３に開放されている。かくして圧力容器
１内は二重管構造に構成され、内セル９の内部にも前記
供試体４を完全に水没させるレベルまでセル液１２が満
たされている。そして、具体的に図示することは省略し
たが、例えば特開平５−２１５７４７号公報に記載した
とおり、前記内セル９の上部に水位センサーが設置さ
れ、該水位センサーによって内セル９内のセル液１２の
液面変位をリアルタイムに電気値として計測し、もって
実地盤に等しいＫ₀ 状態の実現を可能ならしめている。
一方、前記圧力容器４の加圧空間１３には、供試体１の
周側面へ横荷重（拘束圧）を負荷する空気圧力が、横圧
用のバイアスレギュレータ１４により調整した大きさで
供給される。

【００１６】要するに、この圧力容器４内では、加圧軸
５により実地盤と等しい上載圧を供試体４に作用させ、
また、バイアスレギュレータ１４により調整した大きさ
の空気圧力を加圧空間１３に作用させ、供試体１の周側
面に横方向ひずみを拘束する大きさの横圧力を作用させ
てＫ₀ 状態を実現する。つまり、供試体１の横方向ひず
みの発生は、内セル９内のセル液１２の液面変化として
水位センサーで計測し、その計測値に基いて前記加圧空
間１３内の空気圧の大きさがバイアスレギュレータ１４
で調整され実地盤の応力状態と等しいＫ₀ 状態が実現さ
れ、供試体１は実地盤に近い三軸応力の条件下に保たれ
るのである。

【００１７】前記加圧軸５は、その上方部に設置された
ベロフラムシリンダ２５のピストンロッド２５ａで下向
きに押されている。ベロフラムシリンダ２５の上室２５
ｂには垂直荷重用のバイアスレギュレータ２６で０〜１
０ Kgf／cm² の範囲に調整された大きさの空気圧力が供
給され、下室２５ｃには平衡圧レギュレータ２７で０〜
２ Kgf／cm² の範囲に調節された大きさの空気圧が供給
され、もって供試体１へ所望大きさの垂直荷重が負荷さ
れる。各レギュレータには１台の共通なコンプレッサー
２８から、一次圧レギュレータ２９により最大１５ Kgf
／cm² の大きさに平準化された一次空気圧が供給され
る。

【００１８】この透水試験に使用する供試体１は、砂礫
地盤から採取した不攪乱試料から作る。従来、砂礫地盤
から乱されない不攪乱試料を採取する方法としては、ブ
ロックサンプリング法、チューブサンプリング法、凍結
サンプリング法などが知られ、実施されている。供試体
１は、前記いずれかの方法で採取した不攪乱試料を適当
な大きさ（直径２０〜３０cm、軸方向長さ２０〜５０cm
ぐらい）の比較的大型の円柱形ピースに切り出し、その
外周面にゴム膜を被せることによってシールし形成され
る。なお、不攪乱試料から円柱形ピースを切り出す要領
として、実地盤における土層構成の境界層と平行な向き
に軸線を持つ円柱形ピースを切り出して供試体を作る
と、前記境界層に沿う透水特性試験を行なうので極めて
有意義である。

【００１９】上記ペデスタル２と接続した給水管７は、
越流水槽１６の底部に端を発している。この越流水槽１
６は、一例として約２０リットルの水を収容可能な大き
さであり、約３００リットルの水３１を収容可能な大型
水槽１９の上部に設置され、越流管１５によって大型水
槽１９と連通され、両者は一体化されている。図３に詳
細を示したように、越流管１５の上端開口は越流水槽１
６の底面から約３０cmの高さに位置せしめられ、当該開
口から溢れた水は全て越流管１５を通じて大型水槽１９
の方へもどし、もって越流水槽１６内の水面の高さ（水
頭Ｈ）を確実に一定に保つ構成とされている。越流管１
５の内径は７６mmぐらいの大きさである。越流水槽１６
へは循環ポンプ４０によって大型水槽１９内の水が常時
供試体１の透水流量を大きく上回る流量で供給され、も
って前記越流水槽１６内の水位は透水試験による消費水
量の如何にかかわらず確実に一定に保たれる。ちなみ
に、循環ポンプ４０には、毎分当りの流量が４０リット
ル、揚程は４ｍぐらいのものが使用されている。前記越
流水槽１６は、耐圧性が１０ Kgf／cm² ぐらいの密閉容
器構造であり、前記水面上の空間１７には透水圧負荷用
のバイアスレギュレータ１８で０〜１０ Kgf／cm² ぐら
いの範囲に調整された空気圧力が供給され、もって供試
体１には前記水位の水頭圧に空気圧が加重された大きさ
の加圧水が供給され加圧透水試験が行なわれる。従っ
て、空気圧の分を自然水頭でまかなう場合に比して水槽
１６の大きさがコンパクト化されている。大型水槽１９
には水位監視管３０が付設されている。

【００２０】次に、上述した試料キャップ３と接続さ
れ、供試体１を通過した透過水を排除する排水管８は、
上述の大型水槽１９の底部に接続され、透過水は閉循環
させて再利用し得る構成とされている。前記排水管８の
途中位置には、透水量を計測する差圧変換器式量水計２
０と流量計３３が設置されている。前記差圧変換器式量
水計２０は供試体の上部に背圧を負荷した状態で透水試
験を行なうため、垂直に立てた細長くて背が高い密閉容
器構造の量水容器２０ａ内の中心部に垂直上向きの溢流
管２０ｂが立てられ、排水管８内を流れる透過水は前記
溢流管２０ｂに導き入れる構成とされている。溢流管２
０ｂの上端開口から溢流した透過水は量水容器２０ａ内
の低部に貯まる。前記量水容器２０ａ内に貯まった透過
水の水位（水頭）は差圧計２０ｃにて計測し、前記量水
容器２０ａの横断面積に乗ずることによって透水量が求
められる。供試体１を実地盤と同じ飽和状態とする（飽
和度を１００％近くまで上げる）ための背圧を負荷して
透水試験を行なうために、背圧用のバイアスレギュレー
タ２２で０〜１０ Kgf／cm² の範囲に調整した大きさの
空気圧力が空気管３２を通じて前記量水容器２０ａ内の
上部空間に供給される。同時に、透水圧側のバイアスレ
ギュレータ１８へ前記空気圧力をフィードバックするこ
とにより動水勾配を変動させない透水試験を行なうこと
ができる。前記排水管８において前記差圧変換器式量水
計２０の設置点（接続点）よりも下流側の位置に設置さ
れた流量計３３は、透水量が多い場合に使用するもの
で、この場合の背圧としては、大型水槽１９の水面上空
間２１と越流水槽１６の水面上空間１７とを連通させた
バイパス管３５により導入した空気圧が利用される。

【００２１】

【本発明が奏する効果】本発明の加圧透水試験装置によ
れば、特には礫とか砂を含んで透水係数が大きく大量の
水が透過する直径が３０cmにも及ぶ比較的大型の供試体
の透水流量の変動に対して圧力の変動を発生しないで、
しかも透水圧に脈動を発生せず、更に背圧負荷の設定が
容易で、実地盤に即した三軸応力状態の加圧透水試験を
精度良く安定して行なうことができて地盤調査に寄与す
る。

【００２２】その一方で装置全体がコンパクトに構成さ
れ、水を再利用して大きな水だめは無用とし透水試験を
経済的に実施できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】加圧透水試験装置の全体を示した配管システム
系統図である。

【図２】三軸応力室の構造詳細を示した断面図である。

【図３】大型水槽及び越流水槽の構造詳細を示した断面
図である。

【符号の説明】

１ 供試体 ２ ペデスタル ３ 試料キャップ ４ 圧力容器 ５ 加圧軸 ６ フィルター ７ 給水管 ８ 排水管 ９ 内セル １２ セル液 １３ 加圧空間 １８ 透水圧用のバイアスレギュレータ １５ 越流管 １６ 越流水槽 ２２ 背圧用のバイアスレギュレータ １９ 大型水槽 ４０ 循環ポンプ ２０ 量水計

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】三軸応力の状態を保った供試体に加圧水を
   供給して透水係数を求める加圧透水試験装置において、
   （イ） 供試体の下端を載せるペデスタル及び同供試体
   の上端に載せる試料キャップが圧力容器内の略中心部の
   上下に配置され、前記試料キャップは前記供試体に垂直
   荷重を加える加圧軸に取り付けられ、前記ペデスタル及
   び試料キャップと供試体との間に透水性のフィルターが
   介在せしめられ、前記ペデスタルには脱気水を供給する
   給水管が接続され、前記試料キャップには透過水を排除
   する排水管が接続されていること、（ロ） 前記圧力容
   器内には、前記ペデスタルと試料キャップとに挟持され
   た供試体の外周を囲む内セルが、その下端を圧力容器の
   下板へ水密的に固定され、上端開口は圧力容器内に満た
   されたセル液の液面よりは高い位置において前記セル液
   の液面上の加圧空間に開放されており、当該内セルの内
   部に少なくとも前記供試体を水没させるレベルまでセル
   液が満たされ、前記セル液の液面変位を計測する水位セ
   ンサーが設置されており、前記加圧空間には空気圧力を
   調整できる横圧用のバイアスレギュレータにより空気圧
   力が供給されること、（ハ） 前記ペデスタルの給水管
   は、越流管によって水面の高さを一定に保ち、且つ前記
   水面に加圧透水の空気圧を作用させられる密閉容器構造
   の越流水槽と接続され、前記越流水槽の水面上の空間に
   は透水圧用の空気圧力を調整できるバイアスレギュレー
   タにより空気圧力が供給され、また、越流水槽には大容
   量の大型水槽から循環ポンプにより供試体の透水流量を
   大きく上回る流量の水が供給されること、（ニ） 前記
   試料キャップの排水管は前記大型水槽と接続されてお
   り、該排水管の途中位置に、供試体の透水量を計測する
   量水計が設置されていること、をそれぞれ特徴とする、
   室内用の大型加圧透水試験装置。
2. 【請求項２】供試体の通水量が少量の場合の量水計は差
   圧変換器式量水計とし、大量の場合は流量計に切り換え
   る構成であり、前記差圧変換器式量水計は垂直に立てた
   細長い密閉容器構造の量水容器内の中心部に垂直上向き
   の溢流管が立てられ、該溢流管が排水管と接続されてい
   ること、前記溢流管の上端開口から溢流し前記量水容器
   内に貯まった透過水の水位を差圧計にて計測して透水量
   が求められること、背圧用のバイアスレギュレータで調
   整した空気圧力が前記量水容器の上部空間に供給される
   ことをそれぞれ特徴とする、請求項１に記載した室内用
   の大型加圧透水試験装置。
3. 【請求項３】背圧用のバイアスレギュレータで調整した
   空気圧力を透水圧側のバイアスレギュレータへフィード
   バックすることを特徴とする、請求項２に記載した室内
   用の大型加圧透水試験装置。
4. 【請求項４】請求項１の越流水槽は大型水槽の上方に配
   置され、両者は越流管で連通されており、大型水槽の水
   は循環ポンプによって越流水槽の下部へ供給され、大型
   水槽内の水面上の空間は越流水槽の水面上の空間とバイ
   パス管により連通されていることを特徴とする、室内用
   の大型加圧透水試験装置。