JP6218079B2

JP6218079B2 - 孔内載荷試験装置

Info

Publication number: JP6218079B2
Application number: JP2014103896A
Authority: JP
Inventors: 富夫堀之内; 充雄佐藤; 敬記目黒
Original assignee: 応用計測サービス株式会社
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: JP2015218514A

Description

本発明は、地盤の反力係数（Ｋ値）等の力学的特性を把握するための孔内載荷試験装置に関するものである。

構造物の基礎設計を行うに際しては、予め地盤の反力係数（Ｋ値）、変形係数（Ｅ値）、極限支持力等の力学的特性を正確に把握しておくことが重要である。
このため、従来から地盤の力学的特性を調べるために、地盤工学会規準（JGS）において孔内載荷試験の方法が規格化されている。

この孔内載荷試験は、原位置試験の一種であり、ボーリングによって地盤に形成した孔内にゾンデとよばれる弾性チューブを配置し、このゾンデ内に液体圧を加えて膨張させるとともに、そのときの圧力と孔壁の変位の関係から、地盤の変形係数、地盤反力係数、降伏圧力、極限圧力、静止土圧などの地盤の力学特性を求めるものである。

図４は、上記孔内載荷試験に用いられている従来の試験装置を示すものである。
図４に示すように、地盤のボーリング孔内に配置されるゴム製のゾンデ１と、このゾンデ１内に圧力水を供給する圧力水供給手段２と、ゾンデ１内の圧力を検出するセル圧力計３とから概略構成されたものである。

ここで、圧力水供給手段２は、水を貯留するタンク４と、このタンク４内の上部に加圧された窒素ガスを供給する窒素ガスボンベ５を備えたもので、窒素ガスボンベ５からレギュレータ６を介してタンク４内に加圧された窒素ガスを供給し、これによって加圧された圧力水をゾンデ１内に供給するようにしたものである。

上記孔内載荷試験装置によれば、ゾンデ１内の圧力の変化をセル圧力計３によって計測するとともに、タンク内の水位変化ΔＨを計測することにより、上記孔の内壁の変位量を算出し、これら圧力と変位量の関係等を用いて、地盤の変形係数（E値）や水平方向地盤反力係数（K値）を求めることができる。
なお、下記特許文献１にも、この種の孔内載荷試験装置が開示されている。

特開２００２−２４８３０号公報

ところで、図４に示した従来の孔内載荷試験装置にあっては、地盤の土質によって異なるものの、ゾンデ１内に概ね３Ｍｐａの圧力水を供給する必要がある。このため、通常窒素ガスボンベ５として窒素ガス圧力が１５Ｍｐａ程度のものが用いられるとともに、タンク４や、窒素ガスボンベ５からタンク４までの配管７ａ、タンク４からゾンデ１までの配管７ｂおよびゾンデ１からセル圧力計３までの配管７ｃとして、３Ｍｐａ程度の耐圧性を備えたものが用いられている。

このため、タンク４が高圧ガス保安法に規定する高圧ガス製造設備に該当するとともに、窒素ガスボンベ５および配管７ａ、７ｂ、７ｃに対しても各種法令に沿った取り扱いが必要となり、この結果定期的な耐圧検査や各種の届け出を提出する必要があることから、実際の施工に付随して多くの法令に基づく作業が発生するという問題点があった。

加えて、耐圧容器であるタンク４や窒素ガスボンベ５は、それぞれの重量が２０〜４０ｋｇになるために、試験箇所への搬送、設置および解体にも多くの手間を要するという問題点があった。また、圧力水の加圧源として、圧縮性流体である窒素ガスを用いているために、ゾンデ１の内圧を安定化させることが難しいという問題点もあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高圧ガス製造設備に該当しない軽量かつ簡易な装置によって、しかもゾンデ内圧を安定的に保持して高い精度で孔内載荷試験を行うことができる孔内載荷試験装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、地盤に形成された試験孔内に配置されるゾンデと、このゾンデ内に加圧した液体を供給する加圧液供給手段と、上記ゾンデ内の圧力を検出する圧力検出手段と、上記ゾンデによる上記試験孔の内壁の変位を検出する測定手段とを備えた孔内載荷試験装置において、上記加圧液供給手段は、ピストンロッドのストロークが同じ２台の複動ポンプと、これらの複動ポンプのピストンの前後の各シリンダ室に液体を供給するタンクと、これら複動ポンプの上記ピストンロッドを往復動させるモータと、上記複動ポンプの上記各シリンダ室からの加圧液体を上記ゾンデ内に導入する吐出側配管とを備えてなり、かつ２本の上記ピストンロッドは、一方の上記ピストンが他方の上記ピストンよりも１／４周期遅れた位置において上記往復動を行うように上記モータに連結されているとともに、上記測定手段は、上記タンクに設置されて上記液体の液面を検出する水位センサであることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、ゾンデ加圧用の圧力発生源となる複動ポンプは、高圧ガス保安法に規定する高圧ガス製造設備に該当するものではないために、従来のように高圧ガス保安法等の各種法令に基づく定期的な検査や各種届け出の提出が不要になる。この結果、実際の施工に付随する多くの手続等の作業を省くことができ、作業の効率化を図ることができる。

しかも、重量の嵩む耐圧性を有するタンクや高圧ガスボンベ等を必要としないために、装置全体の大幅な軽量化を図ることができ、搬送、設置および解体作業も容易になる。
また、複動ポンプのピストンの前後の各シリンダ室で加圧された液体を、交互にゾンデに供給していることに加えて、上記液体は従来の窒素ガスと比較して圧縮性を無視することができるために、ゾンデの内圧を安定的に制御することが可能になる。

さらに、複動ポンプから直接ゾンデ内に加圧液を供給しているために、当該複動ポンプに供給するタンクの液体の体積変化量がゾンデの体積変化量と常に等しくなる。このため、高精度で高圧対応の高価な流量計を用いることなく、タンクに設置した簡易な水位センサによって、上記ゾンデの体積変化量を正確に把握することができる。
る。

また、複動ポンプのピストンロッドをモータによって往復動させているために、一層の省力化を図ることができる。この場合に、複動ポンプを２台設け、上記モータによって２本のピストンロッドを、一方のピストンが他方のピストンよりも１／４周期遅れた位置において上記往復動を行うように連結しているために、ゾンデに供給する加圧液の圧力変動を小さく抑えることができる。

本発明に係る孔内載荷試験装置の第１の実施形態を示す概略構成図である。本発明の第２の実施形態を示す概略構成図である。実施例の結果を示すもので、第１および第２の実施形態および比較例による加圧経過時間とゾンデ内の圧力の変化を示すグラフである。従来の孔内載荷試験装置を示す概略構成図である。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の孔内載荷試験装置の第１の実施形態を示すもので、この孔内載荷試験装置は、地盤に形成された試験孔内に配置されるゾンデ１０と、このゾンデ１０内に加圧水を供給する手動の複動ポンプ（加圧液供給手段）１１と、この複動ポンプ１１に水を供給するタンク１２とから概略構成されたものである。

ゾンデ１０は、ゴム製の弾性チューブであって、一般的な孔内載荷試験装置において用いられている汎用のものである。そして、このゾンデ１０の上端部には、内部の圧力を検出するための圧力計（圧力検出手段）１３が取り付けられている。

また、複動ポンプ１１は、シリンダ１４内にピストン１５が移動自在に設けられるとともに、シリンダ１４の外部に延出されたピストンロッド１６が、手動の加圧ハンドル１７に連結されることにより、加圧ハンドル１７を支点１７ａ周りに搖動させることにより、ピストン１５がシリンダ１４内で往復移動するようになっている。

そして、この複動ポンプ１１のピストン１５を間に挟んだ前後のシリンダ室１４ａ、１４ｂの吸入口に、それぞれタンク１２からの供給ライン１８ａ、１８ｂが接続されている。ここで、供給ライン１８ａ、１８ｂには、タンク１２から複動ポンプ１１への流れのみを許容する逆止弁１９ａ、１９ｂと、遮断弁２０が介装されている。

また、タンク１２は、一定の断面積を有する容器で、内部に水Ｗが貯留されるとともに、その液面上は大気圧になっている。さらに、このタンク１２内には、磁歪水位センサ（測定手段）２１が設けられ、上部の蓋体１２ａ上に当該磁歪水位センサ２１の指示器２１ａが配置されている。

他方、複動ポンプ１１のシリンダ室１４ａ、１４ｂの吐出口には、それぞれ吐出側配管２２ａ、２２ｂが接続されるとともに、これら吐出側配管２２ａ、２２ｂが合流した加圧水の供給管２２がゾンデ１０内に導入されている。ここで、吐出側配管２２ａ、２２ｂには、複動ポンプ１１からゾンデ１０への流れのみを許容する逆止弁２３ａ、２３ｂが介装され、供給管２２には遮断弁２４が介装されている。

さらに、供給管２２には、複動ポンプ１１による加圧水の圧力を計測するための圧力計２５がアキュムレータ２６を介して取り付けられるとともに、当該供給管２２の内圧が一定圧力を超えた際にリリーフ弁２７が作動して加圧水をタンク１２に戻す戻りライン２８が設けられている。なお、図中符号２９は、ゾンデ１０内の水をタンク１２に戻すための遮断弁２９ａが介装された回収ラインである。

上記構成からなる孔内載荷試験装置においては、先ず遮断弁２９ａを閉じるとともに、遮断弁２０、２４を開いて、加圧ハンドル１７を搖動操作することにより、ピストン１５を往復動させる。すると、ピストン１５の往復動により、シリンダ室１４ａ、１４ｂ内が交互に負圧となって逆止弁１８ａ、１８ｂからタンク１２内の水が流入し、次いで加圧されて吐出側配管２２ａ、２２ｂから逆止弁２３ａ、２３ｂを介して供給管２２に送られ、ゾンデ１０内へと供給されて行く。

これにより、ゾンデ１０のゴムが加圧されて膨張を開始する。次いで、加圧ハンドル１７を操作して、ゾンデ１０内の圧力を所定の圧力まで徐々に上昇させるとともに、これと併行して水位センサ２１によってタンク１２内の水位を記録する。
このようにして得られたゾンデ１０の内圧の変化と水の供給量との関係から、地盤の変形係数（E値）や水平方向地盤反力係数（K値）を求める。

以上説明したように、上記構成からなる孔内載荷試験装置によれば、ゾンデ１０を加圧するための圧力発生源として、高圧ガス保安法に規定する高圧ガス製造設備に該当しない複動ポンプ１１を用いているために、従来のように高圧ガス保安法等の各種法令に基づく定期的な検査や各種届け出の提出が不要になり、よって実際の施工に付随する多くの手続等の作業を省いて作業の効率化を図ることができる。

また、重量の嵩む耐圧性を有するタンクや高圧ガスボンベ等を必要としないために、装置全体の大幅な軽量化を図ることができ、搬送、設置および解体作業も容易になるとともに、手動の複動ポンプ１１を用いているために、軽量であることと相まって、例えば電源の確保が難しい個所における地盤の調査にも容易に対応することができる。

さらに、上記孔内載荷試験装置においては、タンク１２から供給された非圧縮性流体である水を、複動ポンプ１１で昇圧してゾンデ１０内に供給しているために、ゾンデの内圧を安定的に制御することができる。しかも、タンク１２内の水の体積変化量が、そのままゾンデ１０における体積変化量と常に等しくなるために、タンク１２に設置した磁歪水位センサ２１によって、ゾンデ１０の体積変化量を正確に把握することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明に係る孔内載荷試験装置の第２の実施形態を示すもので、図１に示したものと同一構成部分については、同一符号を付してその説明を簡略化する。
この孔内載荷試験装置が第１の実施形態に示したものと相違する点は、複動ポンプの台数と、その駆動形態にある。すなわち、この孔内載荷試験装置においては、２台の複動ポンプ（加圧液供給手段）３０、３１と、これら複動ポンプ３０、３１のピストンロッド３２、３３を往復動させるモータ３４が設けられている。

このモータ３４は、ギアボックス３５を介して同期的に回転する２本の出力軸３６を備えており、各出力軸３６の先端に、円盤３７が一体に形成されている。そして、各々の円板３７に、複動ポンプ３０、３１のピストンロッド３２、３３がクランク状に連結されている。

ここで、複動ポンプ３０、３１は、互いのシリンダ３８、３９の容量およびピストンロッド３２、３３のストロークが等しい同型であって、かつ一方のピストンロッド３２の先端部３２ａが、他方のピストンロッド３３の先端部３３ａよりも円盤３７中心角において９０°進んだ位置になるように、当該円盤３７上に連結されている。これにより、一方の複動ポンプ３１のピストン４１が、他方の複動ポンプ３０のピストン４０よりも、１／４周期遅れた位置において上記往復動を行うように連結されている。

上記構成からなる孔内載荷試験装置においては、モータ３４を回転させて、２台の複動ポンプ３０、３１のピストンロッド３２、３３を往復動させると、一方のピストン４１が他方のピストン４０よりも１／４周期遅れた位置において上記往復動を行うために、水の供給管２２からゾンデ１０内には、順次一方の複動ポンプ３０のシリンダ室３８ａ、他方の複動ポンプ３１のシリンダ室３９ａ、一方の複動ポンプ３０のシリンダ室３８ｂ、他方の複動ポンプ３１のシリンダ室３９ｂから加圧された水が供給される。

したがって、この孔内載荷試験装置によっても、第１の実施形態に示したものと同様に作用効果が得られるとともに、さらに２台の複動ポンプ３０、３１のピストンロッド３２、３３をモータ３４によって往復動させているために、一層の省力化を図ることができる。しかも、モータ３４によって一方の複動ポンプ３１のピストン４１が、他方の複動ポンプ３０のピストン４０よりも、１／４周期遅れた位置において上記往復動を行うように配置しているために、ゾンデ１０に供給する加圧水の圧力変動を小さく抑えることができるという効果も得られる。

なお、上記第１および第２の実施形態においては、いずれもタンク１２内の水位を計測するために磁歪水位センサ２１を設置した場合についてのみ説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的なスケールを用いて目視によりタンク１２内の水位を記録するようにしても良い。

第１の実施形態に示した手動の複動ポンプ１１を用いた孔内載荷試験装置と、第２の実施形態に示した２台の複動ポンプ３０、３１をモータ３４によって１／４周期の位相差で駆動した孔内載荷試験装置と、１台の複動ポンプをモータによって駆動した比較例の孔内載荷試験装置を用いて、ゾンデ内の圧力の変化と加圧水の流量とを計測した。

図３（ａ）は上記第１の実施形態、図３（ｂ）は比較例、図３（ｃ）は第２の実施形態の結果をそれぞれ示すものである。
これらの図から、手動の複動ポンプ１１を用いた第１の実施形態においては、加圧ハンドル１７を人が操作するために、圧力の変動幅に規則性が無いものの、概ね変動幅が０．２Ｍｐａ以内と安定していることが判る。

他方、１台の複動ポンプをモータ駆動した比較例においては、圧力変動が規則的なサイン波形を示しているが、変動幅は０．３Ｍｐａと第１の実施形態よりも大きな値となった。これに対して、２台の複動ポンプを位相差をもってモータ駆動した第２の実施形態においては、変動幅が０．１Ｍｐａとなり、より細かな制御が可能になっていることが判る。

１０ゾンデ
１１、３０、３１複動ポンプ（加圧液供給手段）
１２タンク
１３圧力計（圧力検出手段）
１４ａ、１４ｂ、３８ａ、３８ｂ、３９ａ、３９ｂシリンダ室
１５、４０、４１ピストン
１６、３２、３３ピストンロッド
２１磁歪水位センサ（測定手段）
２２ａ、２２ｂ吐出側配管

Claims

地盤に形成された試験孔内に配置されるゾンデと、このゾンデ内に加圧した液体を供給する加圧液供給手段と、上記ゾンデ内の圧力を検出する圧力検出手段と、上記ゾンデによる上記試験孔の内壁の変位を検出する測定手段とを備えた孔内載荷試験装置において、
上記加圧液供給手段は、ピストンロッドのストロークが同じ２台の複動ポンプと、これらの複動ポンプのピストンの前後の各シリンダ室に液体を供給するタンクと、これら複動ポンプの上記ピストンロッドを往復動させるモータと、上記複動ポンプの上記各シリンダ室からの加圧液体を上記ゾンデ内に導入する吐出側配管とを備えてなり、
かつ２本の上記ピストンロッドは、一方の上記ピストンが他方の上記ピストンよりも１／４周期遅れた位置において上記往復動を行うように上記モータに連結されているとともに、上記測定手段は、上記タンクに設置されて上記液体の液面を検出する水位センサであることを特徴とする孔内載荷試験装置。