JP7348157B2 - 摩擦係数測定装置および摩擦係数測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、摩擦係数測定装置および摩擦係数測定方法に関する。

推進工法では、推進函体と地盤との間に働く摩擦力を把握したうえで、適切な推進力により施工を行う必要がある。推進函体と地盤との間に働く摩擦力については、既往の研究や工事実績等から蓄積された知見やデータに基づいて、各種指針において目安が提示されている（例えば、非特許文献１参照）。
また、特許文献１には、円筒状の受け皿内に敷き均された土砂の上に供試体を載せた状態で、供試体の接線方向に供試体を牽引することで供試体を回転させて、供試体の回転トルクにより摩擦係数を測定する摩擦係数測定方法が開示されている。
大深度での推進工法では、推進函体の進行方向に対して交差する方向から、推進函体の自重の他に大きな地下水圧や土圧が作用することが予想される。また、曲線線形の推進工法では、推進函体に対して、曲線の半径方向に押付け力が作用する。
このように、大深度の推進工法や曲線線形の推進工法において推進函体と地盤との間に働く摩擦力は、非特許文献１の指針等をそのまま適用できない可能性がある。
また、特許文献１の摩擦係数測定方法は、供試体の自重と回転力によって土砂に作用する摩擦係数を測定するものであるが、大きな押圧力（押付力や土圧および水圧等）が作用する条件下における摩擦係数を評価することはできない。

「下水道推進工法の指針と解説－２０１０年版－」社団法人日本下水道協会、２０１０年１０月

実全平０１－０１５９４４号公報

本発明は、推進方向と交差する方向から過大な圧力が作用することが予想される条件下における推進時の摩擦係数を評価することを可能とした摩擦係数測定装置および摩擦係数測定方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明の摩擦係数測定装置は、縦軸を中心に回転する回転テーブルと、前記回転テーブルに固定されて土質試料を収納する容器と、回転が制御された状態で前記土質試料に上載される載荷体と、前記載荷体に対して鉛直方向の押圧力を付与する押圧手段と、前記載荷体から周方向に延びるトルク計測ステーと、前記トルク計測ステーの先端部が接触する位置に設けられたロードセルとを備えている。
また、前記摩擦係数測定装置を利用した本発明の摩擦係数測定方法は、前記回転テーブルを回転させた際のトルクを測定する測定工程と、前記トルクを利用して摩擦係数を算出する算出工程とを備えている。前記測定工程では、前記容器に土質試料を詰め込むとともに前記土質試料の上面に前記載荷体を載置する作業と、前記回転テーブルを回転させるとともに前記押圧手段を利用して前記載荷体に鉛直方向の押圧力を作用させる作業と、前記ロードセルによりトルクを測定する作業とを行う。また、前記算出工程では、前記トルクと、前記押圧力と、前記容器の形状に基づいて摩擦係数を算出する。

かかる摩擦係数測定装置および摩擦係数測定方法によれば、容器を回転させて容器内の土質試料と載荷体との間に生じる摩擦抵抗を測定する際に、鉛直方向の押圧力を作用させているため、高圧条件下における土質試料（地盤）と載荷体（推進函体）との間に生じる摩擦係数を定量的に評価することができる。
なお、前記載荷体の外周面と前記容器の内周面との間に隙間が形成されていれば、当該隙間から滑材（推進函体の周囲に充填される材料）が流出する条件下で摩擦係数を評価できる。そのため、滑材が拡散する条件下における推進工法での滑材による摩擦低減効果を定量的に評価することが可能となる。
さらに、前記回転テーブルの回転角を計測するポテンショメータが前記回転テーブルに添接されていれば、容器の回転角度および周回数（すなわち、容器の摺動距離）を測定することができるので、推進距離に応じて摩擦力がどのように変化するかの評価に活用できる。

本発明の摩擦係数測定装置および摩擦係数測定方法によれば、推進方向と交差する方向から過大な圧力が作用することが予想される条件下における推進時の摩擦係数を推測することが可能となる。

本発明の実施形態に係る摩擦係数測定装置を示す平面図である。 図１のＡ－Ａ断面図である。 図１のＢ－Ｂ断面図である。 図１のＣ－Ｃ断面図である。 本実施形態の摩擦係数測定方法のフローチャートである。

本実施形態では、曲線線形のトンネルを推進工法により施工する場合において、推進函体に作用する摩擦係数を室内試験により推測する。摩擦係数の推測には、摩擦係数測定装置１を利用する。図１に摩擦係数測定装置１の平面図、図２に摩擦係数測定装置１の横断図（Ａ－Ａ断面図）を示す。
摩擦係数測定装置１は、図１に示すように、ベース１１と、装置本体１２と、動力源１３とを備えている。
ベース１１は、鋼板からなり、図１に示すように、摩擦係数測定装置１の基礎部分を構成している。装置本体１２および動力源（電気モーター）１３は、同一のベース１１の上面に固定されている。ベース１１には、装置本体１２および動力源１３の少なくとも一部（例えば下部）を覆うケース（図示せず）が固定されていてもよい。また、ベース１１を構成する鋼板の寸法等は限定されるものではないが、摩擦係数測定装置１を駆動させた際の振動等により、移動や変形・破損することがないように、十分な厚みと重量を備えたものとする。
装置本体１２は、図１および図２に示すように、回転テーブル２、容器３、載荷体４、押圧手段５、トルク計測ステー６、ロードセル７およびポテンショメータ８を備えている。

回転テーブル２は、縦軸を中心に回転する。回転テーブル２は、図２に示すように、軸部２１と、ベース１１に固定された基部２２と、基部２２に上載された回転部２３と、回転部２３に上載されたテーブル部２４とを備えている。
軸部２１は、回転テーブル２の中心部に配設された円柱状部材である。軸部２１は、ベース１１に対して垂直となるように配設されている。軸部２１の下端は、基部２２に接続されていて、軸部２１の上端はテーブル部２４に固定されている。軸部２１の中間部には回転部２３が固定されている。

基部２２の中央部には、凹部２５が形成されている。凹部２５には、軸部２１の下端が挿入されている。凹部２５には、第一ベアリング２６と第二ベアリング２７とが配設されている。第一ベアリング２６は、軸部２１の下端と凹部２５の底面との間に介設されていて、第二ベアリング２７は凹部２５の内壁面と軸部２１の側面との間に介設されている。すなわち、軸部２１は、第一ベアリング２６および第二ベアリング２７を介して、基部２２（凹部２５）に回転可能に支持されている。
基部２２には、第三ベアリング２８を介して回転部２３が上載されている。すなわち、基部２２は第三ベアリング２８を介して回転部２３を回転可能に支持している。

回転部２３は、基部２２とテーブル部２４との間において、軸部２１に外装されている。すなわち、回転部２３は、軸部２１を中心に回転する。回転部２３の外面には、ギヤ２３ａが形成されている。ギヤ２３ａは、軸部２１と同心の円板からなる。ギヤ２３ａの外周縁に形成された歯には、動力源１３から延設された動力伝達手段１４（例えばチェーンやベルト等）が巻回されている。回転部２３は、動力伝達手段１４を介して動力源１３から伝達された動力により縦軸（軸部２１）を中心に回転する。このとき、軸部２１も回転部２３とともに回転する。
テーブル部２４は、容器３を支持する部材であって、軸部２１（回転部２３）の回転に伴って縦軸を中心に回転する。テーブル部２４の中央には、貫通孔２４ａが形成されている。貫通孔２４ａには、軸部２１の上端部が挿入されており、治具２４ｂを介して軸部２１の上端がテーブル２４に固定されている。また、本実施形態では、テーブル部２４と回転部２３との間に、上載荷重が作用した際の緩衝材としての第四ベアリング２９が開設されている。第四ベアリング２９が上載荷重による押圧力を吸収するため、回転部２３が基部２２に押し付けられることで回転が妨げられることを防止する。

容器３は、土質試料Ｓを収納する。容器３は、回転テーブル２（テーブル部２４）の上面に固定されている。本実施形態の容器３は、円筒状の容器本体３１と、容器本体３１の底面を遮蔽する底板３２とを備えている。
容器本体３１は、底板３２の上面に固定されている。
底板３２は、回転テーブル２（テーブル部２４）の上面に治具（ボルト３３）を介して固定されている。本実施形態では、テーブル部２４の上面に底板３２と同形状の凹部２４ｃが形成されている。底板３２は、凹部２４ｃに収納（嵌合）された状態で、ボルト３３により固定される。すなわち、底板３２（容器３）は、回転テーブル２の回転に伴って回転する。

載荷体４は、容器３に収納された土質試料Ｓの上面に設けられる。載荷体４は、土質試料Ｓに接する板部４１と、板部４１の上面に取り付けられた荷重伝達部４２と、荷重伝達部４２に上載された荷重受部４３とを備えている。載荷体４は、土質試料Ｓに上載される。
板部４１の外径は、容器３（容器本体３１）の内径よりも小さく、板部４１の外周面と容器本体３１の内周面との間に隙間が形成されている。
荷重伝達部４２は、円柱状の部材であって、板部４１の上面に固定されている。荷重伝達部４２には、ボルト４４を挿通可能な貫通孔が上下に貫通している。本実施形態では、荷重伝達部４２を貫通するボルト４４の下端を板部４１に螺合することにより荷重伝達部４２を板部４１に固定している。
荷重受部４３は、押圧手段５により作用された押圧力を荷重伝達部４２を介して板部４１に伝達する。押圧手段５は、載荷体４に対して鉛直方向の押圧力を付与する。荷重受部４３は、第五ベアリング４５を介して荷重伝達部４２に上載されていて、荷重伝達部４２に対して回転可能である。すなわち、荷重受部４３は、板部４１および荷重伝達部４２が容器３内の土質試料Ｓとの摩擦力により回転した場合であっても、回転せずに鉛直方向に荷重を作用させ続ける。荷重受部４３の上面には、球面状の凹部４６が形成されていて、押圧手段５によって上方から作用する押圧力を鉛直方向に伝達する。

トルク計測ステー６は、載荷体４から周方向に延びてロードセル７に接続されている。図３にトルク計測ステー６およびロードセル７を示す。トルク計測ステー６は図１および図３に示すように、連結部６１と伝達部６２とを備えている。
連結部６１は、載荷体４の荷重伝達部４２に装着される部材である。連結部６１の構成は、荷重伝達部４２に固定可能であれば限定されるものではないが、本実施形態の連結部６１は、一対の分割部材６３，６３組み合わせることにより形成された、荷重伝達部４２の外径と同等の内径を有した環状部材である。連結部６１は、一対の分割部材６３，６３で荷重伝達部４２を挟んだ状態で組み合わせることにより、荷重伝達部４２に固定されている。
伝達部６２は、一端が連結部６１に固定されていて、他端部がロードセル７に接続された棒状部材である。

ロードセル７は、図１および図３に示すように、トルク計測ステー６の先端部（伝達部６２の他端部）が接触する位置に設けられている。本実施形態のロードセル７は、支柱７１の上端部に配設されている。ロードセル７は、容器３内の土質試料Ｓとの摩擦力を受けて載荷体４に回転力が作用した際に、トルク計測ステー６から受ける押圧力を測定する。
支柱７１はロードセル７を所定の位置において支持している。支柱７１の下端は、ベース１１に固定されている。本実施形態の支柱７１は、Ｌ形鋼等の鋼材により構成されているが、支柱７１を構成する材料は限定されるものではなく、例えば、鋼管により構成してよい。

ポテンショメータ８は、回転テーブル２の回転角を計測する。図４にポテンショメータ８を示す。ポテンショメータ８は、図１および図４に示すように、回転テーブル２のテーブル部２４に添接されている。ポテンショメータ８は、連結部材８２を介して支柱８１に取り付けられている。支柱８１は、ベース１１に立設された部材であって、下端がベース１１に固定されている。支柱８１は、ポテンショメータ８を所定の高さ位置において支持することが可能な高さ（長さ）と強度を有した部材（例えば、鋼管や鋼材等）からなる。連結部材８２は、ポテンショメータ８を支柱８１に連結するための部材である。本実施形態の連結部材８２は、支柱８１に対して着脱可能（上下動可能）で、ポテンショメータ８の高さ位置を調整可能に支持している。

次に、摩擦係数測定装置１を利用した摩擦係数測定方法について説明する。図５は、摩擦係数測定方法のフローチャートである。図５に示すように、本実施形態の摩擦係数測定方法は、測定工程Ｓ１と、算出工程Ｓ２とを備えている。
測定工程Ｓ１は、回転テーブル２を回転させた際のトルクを測定する工程である。測定工程Ｓ１では、準備作業Ｓ１１と、回転作業Ｓ１２と、測定作業Ｓ１３とを行う。
準備作業Ｓ１１では、容器３に土質試料Ｓを詰め込むとともに、容器３を回転テーブル２に固定する。次に、土質試料Ｓの上面に載荷体４を載置する。本実施形態では、土質試料Ｓとして、現地において採取した材料を使用する。また、土質試料Ｓと載荷体４との当接面には、推進函体の周囲に充填させる滑材を介在させておく。
回転作業Ｓ１２では、動力源１３を起動して、回転テーブル２を回転させるとともに、押圧手段５を利用して載荷体４を介して土質試料Ｓに鉛直方向の圧力を作用させる。すなわち、推進工法における推進方向に対して鉛直方向から作用する圧力に対応する押圧力を押圧手段５により作用させる。
測定作業Ｓ１３は、ロードセル７によりトルクを測定する。回転テーブル２を回転することで、載荷体４と土質試料Ｓとの当接面において摩擦力が生じ、載荷体４に回転力が伝達される。ロードセル７は、トルク計測ステー６を介して伝達された載荷体４の回転力を測定する。すなわち、推進工法において推進函体と地山との間で生じる摩擦力に相関するトルクを測定する。
このとき、ポテンショメータ８によって回転テーブル２の周回数を計測する。回転テーブル２の周回数は、推進函体の推進距離と相関するため、回転テーブル２の周回数に対するトルクの変化を測定することで、推進距離に対する摩擦力の変化を評価することが可能となる。

算出工程Ｓ２では、測定作業Ｓ１３で計測したトルクを利用して摩擦係数および摩擦力を算出する。摩擦係数および摩擦力は、トルクと、押圧力（上載荷重）と、容器３の形状に基づいて式１～３により算出する。なお、荷重伝達部４２と荷重受部４３との間に第五ベアリング４５が介設されているので、荷重伝達部４２と荷重受部４３との間に作用する摩擦力は無視している。

本実施形態の摩擦係数測定装置１および摩擦係数測定方法によれば、容器３を回転させて容器３内の土質試料Ｓと載荷体４との間に生じる摩擦抵抗を測定する際に、鉛直方向の押圧力を作用させているため、例えば曲線区間を有した推進工法や大深度における推進工法等、高圧条件下における土質試料Ｓ（地盤）と載荷体４（推進函体）との間に生じる摩擦係数を定量的に評価することができる。その結果、推進工法における施工計画や工事費の算定において、使用する油圧ジャッキの性能や必要本数の特定に必要な押出力の推定に活用できる。
また、載荷体４の外周面と容器３の内周面との間に隙間が形成されているため、当該隙間から滑材が流出する条件下で摩擦係数を評価できる。そのため、推進工法での滑材による摩擦低減効果を、滑材が拡散する条件下で定量的に評価することが可能となる。
また、ポテンショメータ８により２（容器３）の回転角度および周回数（すなわち、容器３の摺動距離）を測定することができるので、推進距離に応じて摩擦力がどのように変化するかの評価に活用できる。すなわち、回転テーブル２の周回数を推進距離に換算することで、推進工法における推進距離と摩擦抵抗との関係を推定することができる。そのため、長距離の推進トンネルの施工に必要なジャッキの性能等の決定に活用できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
動力源１３の構成は限定されるものではない。また、応力伝達手段は、チェーンやベルト等に限定されるものではなく、例えば、歯車であってもよい。
前記実施形態では、回転テーブル２の回転部２３とテーブル部２４とが別部材により構成されていて、回転部２３とテーブル部２４との間に第四ベアリング２９が介設されているものとしたが、第四ベアリング２９は必要に応じて設ければよい。また、回転部２３とテーブル２４は、一体に形成されていてもよい。
前記実施形態では、容器３が筒状の容器本体３１と底板３２とを備えている場合について説明したが、容器３は、有底の筒状部材であってもよい。
容器３と載荷体４との隙間は、必要に応じて形成すればよい。滑材等が流出するおそれがない地山の場合は、隙間を形成する必要ない。また、容器３と載荷体４との隙間の大きさは、適宜決定すればよい。
ポテンショメータ８は、必要に応じて設置すればよい。回転テーブル２の回転数の測定手段は適宜決定すればよい。

１ 摩擦係数測定装置
１１ ベース
１２ 装置本体
１３ 動力源
２ 回転テーブル
３ 容器
４ 載荷体
５ 押圧手段
６ トルク計測ステー
７ ロードセル
８ ポテンショメータ
Ｓ 土質試料
Ｓ１ 測定工程
Ｓ２ 算出工程

Claims (4)

1. 縦軸を中心に回転する回転テーブルと、
   前記回転テーブルに固定されて土質試料を収納する容器と、
   回転が制御された状態で前記土質試料に上載される載荷体と、
   前記載荷体に対して鉛直方向の押圧力を付与する押圧手段と、
   前記載荷体から周方向に延びるトルク計測ステーと、
   前記トルク計測ステーの先端部が接触する位置に設けられたロードセルと、を備えていることを特徴とする、摩擦係数測定装置。
2. 前記載荷体の外周面と、前記容器の内周面との間に隙間が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の摩擦係数測定装置。
3. 前記回転テーブルの回転角を計測するポテンショメータが前記回転テーブルに添接されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の摩擦係数測定装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の摩擦係数測定装置を利用した摩擦係数測定方法であって、
   前記回転テーブルを回転させた際のトルクを測定する測定工程と、
   前記トルクを利用して摩擦係数を算出する算出工程と、を備えており、
   前記測定工程では、
   前記容器に土質試料を詰め込むとともに、前記土質試料の上面に前記載荷体を載置する作業と、
   前記回転テーブルを回転させるとともに、前記押圧手段を利用して前記載荷体に鉛直方向の押圧力を作用させる作業と、
   前記ロードセルによりトルクを測定する作業と、を行い、
   前記算出工程では、前記トルクと、前記押圧力と、前記容器の形状に基づいて摩擦係数を算出することを特徴とする、摩擦係数測定方法。

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