JP7532223B2

JP7532223B2 - 透水評価装置

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Publication number: JP7532223B2
Application number: JP2020192703A
Authority: JP
Inventors: 絵麻吉川; 保貴渡邊
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2024-08-13
Anticipated expiration: 2040-11-19
Also published as: JP2024138564A; JP7716544B2; JP2022081265A

Description

本発明は、材料を変形させて透水評価を行う透水評価装置に関する。

例えば、放射性廃棄物を地下に処分する場合、地下水の流れによる核種の移動を抑制するため、透水性が極めて低い材料を覆土等の緩衝材として用いることが考えられている。透水性が極めて低い材料としては、例えば、膨潤性を有するもの（ベントナイト、もしくは、ベントナイトと砂を混合したもの）が検討されている。

緩衝材等の埋設施設を構成する材料の評価を行う場合、地下水の流れの状況を把握する必要がある。地下水の流れの状況を把握するためには、緩衝材等の材料の透水性を把握することが重要になっている。このため、透水性が極めて低い材料であっても極少量の水の移動を適切に検出することができる技術が提案されている（例えば、特許文献１）。

一方、放射性廃棄物の処分に用いられる覆土等の緩衝材は、材料の強度を把握することが重要であり、緩衝材等の地盤を構成する材料の強度を把握するために、せん断強度を調べることが行われている。せん断強度を把握することで、周辺環境の変化に応じた覆土等の緩衝材の力学挙動を評価することが可能になる。

緩衝材等の材料のおける地下水の流れの状況は、せん断を加味した状態で長期にわたる評価が必要であり、材料に局所的な変形（せん断変形）が生じた場合における水みちの発生に対する状況の把握が必要となっているのが現状である。

特開２０１５－１２５０７８号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、任意のせん断状態（過程）における材料のせん断帯の透水性を評価することができる透水評価装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の透水評価装置は、試料の一方面側を保持する第１保持部材と、前記試料の他方面側を保持する第２保持部材と、前記第１保持部材、前記第２保持部材を相対的に移動させて前記試料に変形を加えて前記試料にせん断帯を形成するせん断手段と、前記試料に形成されたせん断帯に対し、面に沿う方向に通水を行う通水手段と、前記通水手段による通水の状態を検出してせん断帯の透水状況を評価する評価手段とを備え、
前記第１保持部材、前記第２保持部材の対向面に形成され前記試料を保持するための凹部と、前記試料を保持した際に、前記第１保持部材、前記第２保持部材の対向面の前記凹部を除く周辺部位を面接触させる加圧手段と、前記試料に変形を加えて前記試料に変位が付与される前に、前記第１保持部材、前記第２保持部材を離反させ、前記周辺部位に隙間を形成する離反手段とを更に備え、前記通水手段は、前記周辺部位に形成された隙間に対して通水することで、前記試料のせん断帯に水を通す手段であることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、せん断手段により試料に変形を加えて試料の中に変位を生じさせ、試料にせん断帯を形成し、通水手段により試料のせん断帯に対して面に沿う方向に通水を行い、評価手段によりせん断帯の透水状況（透水割合）を評価する。これにより、せん断帯に水を通して透水状況を評価することができ、任意のせん断状態（過程）における試料のせん断帯の透水性を評価することが可能になる。
そして、加圧手段により第１保持部材と第２保持部材の凹部以外の対向面を接触させてから、離反手段により第１保持部材と第２保持部材を離して隙間を設け、試料に変位を与え、隙間に通水を行うことで試料のせん断帯に水を通すことができる。このため、所定の隙間に水を通すことで、せん断面近傍に対して通水することができ、せん断帯の透水状況を適切に評価することができる。

因みに、非特許文献（片山遥平、許博晧、土田孝、村上博紀、中空ねじり試験機による地盤材料のせん断変形後の水平方向透水係数に関する研究、土木学会論文集Ｂ３(海洋開発)Ｖｏｌ.７１、Ｎｏ.２、Ｉ_１１４３-Ｉ_１１４８、２０１５.）には、粘土試料に圧密、及び、せん断変形を与えた後、中空筒状の試料に対して、外周の筒面全体から中空部に対して通水し、透水状況を評価している技術が開示されている。

しかし、非特許文献に示された技術は、せん断変形を与えた後の通水の状況を評価する技術ではあるが、ねじり変位により生じたせん断後、試料の外周の筒面の全体から通水を実施している。このため、非特許文献に示された技術では、せん断が生じている試料全体の透水性に関しては類推することはできるが、せん断帯に沿った通水が行われていない。

従って、非特許文献に示された技術からは、任意のせん断状態（過程）における材料のせん断帯の透水性を評価することができる、といった請求項１に係る本願発明の特徴を得ることは当然不可能である。

また、請求項２に係る本発明の透水評価装置は、請求項１に記載の透水評価装置において、前記第１保持部材、前記第２保持部材を離反させる際に、前記試料の拘束状態を維持する拘束維持手段と備えたことを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、拘束維持手段により試料の拘束状態を維持した状態でせん断帯近傍に対して通水することができ、せん断後の試料の状態を変化させることなく、せん断帯に対して的確に通水することができる。

また、請求項３に係る本発明の透水評価装置は、請求項２に記載の透水評価装置において、前記せん断手段は、前記第１保持部材、及び、前記第２保持部材を、前記試料の保持面に交差する軸周りで相対的に回動させて前記試料を変形させる手段であることを特徴とする。

請求項３に記載の本発明では、回動方向の変位によりせん断を実施するため、変位量の制約を受けることがない。このため、任意の変位の状態でせん断を行うことができ、ピーク強度後の残留強度の状態まで変形させたせん断状態での透水性の評価ができると共に、せん断の進行に伴う透水性の変化を評価することができる。

また、請求項４に係る本発明の透水評価装置は、請求項３に記載の透水評価装置において、前記第１保持部材が前記試料の上面側を保持し、前記第２保持部材が前記試料の下面側を保持するものであり、前記第１保持部材、前記第２保持部材は、対向部にそれぞれ円環状の凹部を有し、前記第１保持部材の凹部と、前記第２保持部材の凹部とで、円環筒状の試料を収容するための収容空間が画成され、前記収容空間に前記試料が収容された際に、円環筒状の前記試料の軸芯方向に前記第１保持部材を前記第２保持部材に押し付け、前記凹部以外の部位を面接触させる加圧手段と、前記加圧手段により前記凹部以外の部位を面接触させた状態から、前記試料を拘束した状態で、前記凹部以外の部位の前記第１保持部材、前記第２保持部材を離反させ、所望の隙間を形成する離反手段と、前記第２保持部材を円環筒状の前記試料の軸芯を中心に任意の角度まで回動させて前記試料を変形させる前記せん断手段と、前記凹部の外側と内側との間の前記隙間に対して通水することで、前記試料のせん断帯に水を通す前記通水手段と、前記通水手段による通水の状態を検出してせん断帯の透水状況を評価する評価手段とを備えたことを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、収容空間に円環筒状の試料を収容し、加圧手段により円環筒状の試料の軸芯方向に第１保持部材を第２保持部材に押し付けて凹部以外の部位を面接触させる。試料を拘束した状態で、離反手段により凹部以外の部位の第１保持部材、第２保持部材を離反させ、第１保持部材と第２保持部材の間に所望の隙間を形成する。せん断手段により第２保持部材を円環筒状の試料の軸芯を中心に任意の角度まで回動させて試料を変形させる。通水手段により凹部の外側と内側との間の隙間に対して通水することで、試料のせん断帯に水を通し、評価手段により通水の状態を検出してせん断帯の透水状況を評価する。

これにより、回動方向の変形によりせん断を実施して試料の変位量の制約を減らし、所定の隙間に水を通すことで、せん断面近傍に対して通水し、試料の拘束状態を維持した状態でせん断面近傍に対して通水することができる。従って、ピーク強度後の残留強度の状態まで変形させてせん断することができ、せん断後の試料の状態を変化させることなく、せん断帯に対して通水することにより、せん断帯を流れる水の状況（通水状況）を的確に把握することができる。このため、任意のせん断状態（過程）における材料のせん断帯の透水性を評価することが可能になる。即ち、ピーク強度後の残留強度の状態まで変位させたせん断状態での透水性の評価ができると共に、せん断の進行に伴う透水性の変化を評価することができる。

また、請求項５に係る本発明の透水評価装置は、請求項４に記載の透水評価装置において、前記第２保持部材の円環状の凹部から、前記第１保持部材の円環状の凹部に向けて、もしくは、前記第１保持部材の円環状の凹部から、前記第２保持部材の円環状の凹部に向けて、通水することで、前記試料のせん断帯を交差して上下方向に水を通す上下通水手段を更に備え、前記評価手段は、前記上下通水手段による通水の状態を検出してせん断帯を跨ぐ透水状況を評価する機能を有していることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、試料に対して上下方向の透水状況を評価することができる。

また、請求項６に係る本発明の透水評価装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の透水評価装置において、前記通水手段による通水の前に、前記試料に給水を行うことで前記試料を（水で）飽和させる飽和手段を備えたことを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、通水を行う前に試料に給水を行って試料を飽和させる（空気を排出する）ことができ、気泡などの影響を受けずに試料に対する通水の状態を的確に評価することができる。

また、透水評価方法は、試料をせん断して変形させ、せん断帯に沿った方向に通水を行うことで、せん断面を含む部位の透水状況を評価することを特徴とする。

これにより、任意のせん断状態（過程）における材料のせん断帯の透水性を評価することができる。つまり、せん断力を与えた結果による変位により生じたせん断帯の透水性を評価することができる。

また、上記透水評価方法において、試料に対する変形は、回転方向であることを特徴とする。

これにより、回動方向にせん断して変形させるため、変位量の制約を受けることがない。このため、任意の変形の状態でせん断を行うことができ、試料にせん断力を与えて変形させ、ピーク強度後の残留強度の状態まで試料を変形させて透水性の評価ができると共に、せん断の進行に伴う透水性の変化を評価することができる。

本発明の透水評価装置は、任意のせん断状態（過程）における材料のせん断帯の透水性を評価することが可能になる。

本発明の透水評価装置の概念構成図である。本発明の一実施例に係る透水評価装置の概念構成図である。本発明の一実施例に係る透水評価装置の全体構成図である。本発明の一実施例に係る透水評価装置の全体構成図である。本発明の一実施例に係る透水評価装置の要部の分解斜視図である。第２保持部の構成を説明する外観図である。第１保持部材の構成を説明する外観図である。通水状況の評価処理のフローチャートである。本発明の一実施例に係る透水評価装置の動作説明図である。本発明の一実施例に係る透水評価装置の動作説明図である。通水状態を説明する断面図である。せん断変位とせん断応力との関係を表すグラフである。

図１には本発明の透水評価装置を説明するために装置を概念的に表した概念構成状況を示してあり、図１（ａ）は試料を変形させる前（試料に変位が生じる前）の状態、図１（ｂ）は試料を変形させた後（試料に変位が生じた後）の状態である。

図に示すように、本発明の透水評価装置１には、試料（低透水性材料：例えばベントナイトを含む材料）２の上面側（一方面側）を保持する第１保持部材３と、試料２の下面側（他方面側）を保持する第２保持部材４とが備えられている。そして、第１保持部材３と第２保持部材４とを相対的に移動させて試料２を変形させて試料２に変位を与え、試料２にせん断帯５を形成するせん断手段６が備えられている。

更に、試料２のせん断帯５に対して面に沿う方向に通水を行う通水手段７が備えられ、通水手段７で通水の状態が通水検出手段８で検出される。通水検出手段８で検出された通水の状態は評価手段９に入力され、評価手段９では試料２のせん断帯５の部位の面に沿う方向の透水状況（透水係数に基づいた透水の割合等）が評価される。

このため、せん断帯５に水を通して（加圧状態で通水して）透水状況を評価することができ、せん断手段６による変位の状態を任意に設定することにより、任意のせん断状態（過程：任意のせん断過程）における試料２のせん断帯５の透水性を評価することが可能になる。

図２には本発明の一実施例に係る透水評価装置を説明するために装置を概念的に表した概念構成状況を示してある。

図に示すように、透水評価装置１１には、円環状の試料（低透水性材料：例えば、ベントナイトを含む材料）１２の上面側（一方面側）を保持する第１保持部材１３と、試料１２の下面側（他方面側）を保持する第２保持部材１４とが備えられている。第１保持部材１３、第２保持部材１４の対向面には、円環状の試料１２を保持するための凹部１３ａと凹部１４ａがそれぞれ形成されている。凹部１３ａと凹部１４ａにより収容空間が形成されるようになっている。

第１保持部材１３を第２保持部材１４側に向けて（下方に向けて）下降させる加圧手段１５が備えられ、加圧手段により第１保持部材１３を下降させることで、第１保持部材１３、第２保持部材１４の対向面の凹部１３ａ、１４ａを除く周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）を面接触させるようになっている。

第１保持部材１３と第２保持部材１４の周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）を面接触させた状態から第１保持部材１３と第２保持部材１４を離反させ、第２保持部材１４を円環筒状の試料１２の軸芯（図中上下方向に延びる中心軸）を中心に任意の角度まで回動させて試料１２に変位を生じさせるせん断手段としての回動駆動手段１６が備えられている。回動駆動手段１６により第２保持部材１４を任意の角度まで回動させることで試料１２に変位が生じて試料１２がせん断され、第１保持部材１３と第２保持部材１４の周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）と平行なせん断帯１７が試料１２に形成される。

回動駆動手段１６により第２保持部材１４を任意の角度まで回動させて試料１２を変形させて試料１２に変位を与える前に、試料１２を拘束した状態で（後述する拘束手段）、第１保持部材１３の一部を上昇させて、第１保持部材１３と第２保持部材１４の周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）を離反させる離反手段としての昇降手段１８が備えられている。昇降手段１８により第１保持部材１３の一部を上昇させることにより、第１保持部材１３と第２保持部材１４の周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）に所定の隙間Ｓが形成される。

第１保持部材１３と第２保持部材１４の間の周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）の隙間に対して所定の圧力で加圧した水を通水する通水手段１９が備えられている。また、通水手段１９による通水の前に、試料１２に給水を行うことで試料１２を水で飽和させる飽和手段が備えられている。

即ち、第２保持部材１４に飽和用の給水を行う給水手段２４が設けられ、第２保持部材１４には、給水手段２４が接続されて試料１２の下面に連通する下流路２５が形成されている。第１保持部材１３には試料１２の上面に連通する上流路２６が形成され、上流路２６は排出路２７が接続されている。排出路２７にはバルブ２８が設けられている。

通水手段１９による通水の前に、バルブ２８を開いて給水手段２４から給水を行う。下流路２５から試料１２に給水が行われ、試料１２に溜まっている空気と共に上流路２６に水が送られる。送られた水は、気泡と共に排出路２７から排出され、試料１２から空気が排出され試料１２が水で飽和される。

試料１２を飽和させた状態で、通水手段１９により第１保持部材１３と第２保持部材１４の周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）の隙間に加圧した水を通水することで、試料１２のせん断帯１７に所定の圧力で加圧された水が通水される。

通水手段１９による通水の状態（通水量等）を検出する検出手段２０が備えられ、検出手段２０で検出された通水の状態は、評価手段２１に入力される。評価手段２１では、せん断帯１７に沿った通水の状態からせん断帯１７の透水状況（例えば、透水係数に基づいた透水の割合）が評価される。

上述した透水評価装置１１では、第１保持部材１３と第２保持部材１４の凹部１３ａと凹部１４ａで形成される収容空間に円環筒状の試料１２を収容し、加圧手段１５により試料１２の軸芯方向に第１保持部材１３を第２保持部材１４に押し付けて凹部１３ａ、１４ａを除く周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）を面接触させる。

試料１２を変位させる前に、試料１２を拘束した状態で（後述する拘束手段）、昇降手段１８により凹部１３ａ、１４ａを除く周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）の第１保持部材１３、第２保持部材１４を離反させ、凹部１３ａ、１４ａを除く周辺部位（面１３ｂ、１４ｂ）に、せん断帯１７と平行な隙間Ｓを形成する。隙間Ｓは所望の寸法で任意に形成することができる。

回動駆動手段１６により第２保持部材１４を任意の角度まで回動させて試料１２を変形させる。試料１２を変形させることで、試料１２の中に変位が生じ、試料１２にせん断帯１７が形成される。

試料１２を水で飽和させ、通水手段１９により第１保持部材１３と第２保持部材１４の凹部１３ａと凹部１４ａの外側と内側との間の隙間に対して所定の圧力で加圧された水を通水する。通水手段１９により通水を行うことで、試料１２のせん断帯１７の面に沿う方向に沿って、加圧された水が通水され、通水の状態（通水量等）が検出手段２０で検出される。

検出手段２０の検出情報は評価手段２１に入力され、せん断帯１７に沿った通水の状態からせん断帯１７の透水状況（例えば、透水係数）が評価手段２１で評価される。

これにより、回動方向の変形によりせん断を実施する、即ち、試料１２に回動方向の変位を生じさせることで、変位量の制約を減らし、所定の隙間Ｓに加圧された水を通すことで、飽和状態にある試料１２のせん断帯１７の近傍に対してせん断帯１７の面に沿う方向に通水し、試料１２の拘束状態を維持した状態でせん断帯１７の近傍に対して通水することができる。

従って、ピーク強度後の残留強度の状態まで試料１２を変形させてせん断することができ、せん断後の試料１２の状態を変化させることなく、せん断帯に対して通水することにより、せん断帯１７を流れる水の状況（通水状況）を的確に把握することができる。このため、任意のせん断状態（過程）における試料１２のせん断帯の透水性を評価することが可能になる。即ち、ピーク強度後の残留強度の状態まで変位を生じさせたせん断状態での透水性の評価ができると共に、せん断の進行に伴う透水性の変化を評価することができる。

即ち、回転方向のせん断により試料１２を変形させることでせん断量（変位量）に制約を受けることがなく、ピーク強度後の残留強度の状態まで試料１２を変形させた状態（せん断状態）での透水性の評価ができると共に、せん断の進行に伴う透水性の変化を評価することができる。

図３から図７に基づいて透水評価装置１１の構成を具体的に説明する。

図３には透水評価装置１１の全体の状況を表す概略断面視の状況、図４には透水評価装置１１の第１保持部材１３が上昇している状況、図５には透水評価装置１１の要部の構成部材を分解して表した斜視状況、図６には第２保持部材１４の外観視の状況、図７には第１保持部材１３の外観視の状況を示してある。

主に、図３から図６に示すように、透水評価装置１１の下部のフレーム３１には回動駆動手段１６が設けられ、回動駆動手段１６の駆動部には駆動ベース３２が固定されている（せん断手段）。駆動ベース３２には第２保持部材１４を構成するベース３３が取り付けられて保持ベース３４を構成している。

ベース３３の上面には円環状の下保持部３５が形成されている。保持ベース３４は、ベース３３の外側に配される下筒部３６、及び、ベース３３の内側に配される下柱部３７が設けられている。下保持部３５の上面の高さに対し、下筒部３６、下柱部３７の上面の高さが高く形成され、下筒部３６、下柱部３７は同一の高さに形成されている。下保持部３５の上面により円環状の凹部１４ａの下側の底面が形成される。

ベース３３には水平方向に延びる横通水路３８（通水手段１９）が形成され、横通水路３８には所定の圧力に調整された加圧水が供給される。下柱部３７には、下端が横通水路３８に連通し上端が下柱部３７の上面に開口する縦通水路３９が形成されている。横通水路３８に送られた加圧水は、縦通水路３９から下柱部３７の上面に送られる。

主に、図３から図５、図７に示すように、フレーム３１には上下方向に延びるねじ軸４１が設けられ、ねじ軸４１は連動して回転駆動される。ねじ軸４１にはナット部材４２が螺合して設けられ、ナット部材４２には載荷フレーム４３が取り付けられている（加圧手段）。載荷フレーム４３の下側にはロードセル４４を介して昇降ベース４５が設けられている。

図４に示すように、昇降ベース４５には押圧部材４６（第１保持部材１３）が設けられている。押圧部材４６は、筒状の本体の中心部分が径方向に所定の幅を形成して切り欠かれた切欠き筒部４７と、切欠き筒部４７の下端に設けられた押圧リング４８（第１保持部材１３）とで構成されている。

図５に示すように、押圧部材４６の切欠き筒部４７の切欠きスペース４７ａには、上保持部４９（第１保持部材１３）が設けられている。上保持部４９は切欠きスペース４７ａに配される板状の上フレーム材５１と、上フレーム材５１の下面に設けられる筒状の上柱部５２とで構成されている。上フレーム材５１の両端部は、切欠きスペース４７ａの外側（切欠き筒部４７の径方向外側）に配されるフランジ部５３が形成されている。

上保持部４９は切欠き筒部４７に対して切欠きスペース４７ａの内部で昇降自在に設けられている。一方、下筒部３６の上面には上筒部５４が配され、上筒部５４にはフランジ部５３に対向し、フランジ部５３に締結可能なフランジ５５が形成されている。

そして、図４に示すように、下筒部３６と上筒部５４は外周縁がリングフランジ５８で連結され、リングフランジ５８には排水路５９が接続されている。リングフランジ５８の内側には周溝５８ａが形成され、周溝５８ａが排水路５９に連通している。つまり、試料１２を放射状に通水された水は周溝５８ａから排水路５９に導かれて排出される。

図５に示すように、上保持部４９が下側に押圧されることで、上筒部５４の下面が下筒部３６の上面に接触し（金属面同士で接触）、上柱部５２の下面と下柱部３７の上面とが接触する（金属面同士で接触する）。

図３に示すように、ねじ軸４１の回転によりナット部材４２を介して載荷フレーム４３を下降させることで、ロードセル４４、昇降ベース４５、押圧部材４６、押圧リング４８で構成される上保持部４９が下側に押圧される。

上保持部４９が下側に押圧された状態で、上柱部５２の下面の高さ方向の位置が押圧リング４８の高さ方向の位置よりも下側に位置するようになっている。これにより、下保持部３５の上面と押圧リング４８の下面との間に円環状の凹部１３ａが形成される。凹部１３ａと前述した円環状の凹部１４ａにより、円環筒状の試料１２を収容するための収容空間が画成される。収容空間には上下に多孔部材４０（試料１２の面に均等に水を通水させるための部材）を介在させて試料１２が収容される。

下筒部３６と上筒部５４の間、及び、下柱部３７と上柱部５２の接触面に隙間を形成した状態で、横通水路３８、縦通水路３９に加圧水を通水することで、隙間を通して（試料１２を通して）リングフランジ５８の排水路５９に加圧水が排水される。つまり、収容空間に円環筒状の試料１２が収容された状態で、試料１２の径方向の内側から外側に加圧水が通水される（通水手段１９）。

一方、上柱部５２、上フレーム材５１、フランジ部５３に亘り空気抜き通用の流路６１が形成され、流路６１は縦通水路３９に連通しバルブ６２（後述する図９参照）により開放可能となっている。また、図示は省略したが、第２保持部材１４から第１保持部材１３にかけて（もしくはその逆）、収容空間の上下（試料１２の上下：後述するせん断帯を交差して）に所定の加圧水を通水する上下通水手段が備えられている。

昇降ベース４５（第１保持部材１３）の昇降位置を検出する位置検出手段６５が備えられている。即ち、フレーム３１にはセンサーロッド６６が設けられ、昇降ベース４５にはセンサーロッド６６に対する位置を検出する検出アーム６７が設けられている。ロードセル４４の検出結果、及び、位置検出手段６５の検出結果により、第１保持部材１３の昇降位置が所望の加圧状態で行われているか否かが評価される。

フレーム３１の上部にはねじジャッキ７１が備えられ、ねじジャッキ７１の操作により昇降する昇降プレート７２が備えられている。昇降プレート７２は載荷フレーム４３とは独立して昇降自在となっている。昇降プレート７２には連結バー７３の上端が取り付けられ、連結バー７３の下端は上保持部４９のフランジ部５３に取り付けられている。図中７４は荷重検出器である。

上保持部４９が下側に押圧された状態で、フランジ部５３と上筒部５４のフランジ５５を結合し、ねじジャッキ７１の操作により昇降する昇降プレート７２を上昇させることができる。これにより、押圧部材４６の押圧リング４８で試料１２を下保持部３５に押し付けた状態で（試料１２を拘束した状態で：拘束手段）、上保持部４９（上柱部５２）と上筒部５４を上昇させて、下筒部３６、下柱部３７との接触面に所定の隙間を形成することができる（離反手段）。

また、フレーム３１の上部から下向きに隙間検出手段（ダイヤルゲージ）７５が設けられ、ダイヤルゲージ７５の検出部７６の先端は昇降プレート７２の上面に接触している。つまり、ダイヤルゲージ７５によりフレーム３１に対する昇降プレート７２（上保持部４９、上柱部５２、上筒部５４）の昇降位置、即ち、上柱部５２と下柱部３７、上筒部５４と下筒部３６との接触面の隙間が検出される。

第１保持部材１３の凹部１３ａ、第２保持部材１４の凹部１４ａにより画成される収容空間に多孔部材４０を介在させて試料１２が収容される。加圧手段により円環筒状の試料１２の軸芯方向に第１保持部材１３を第２保持部材１４に押し付けて凹部１３ａ、凹部１４ａ以外の部位を面接触させる。

昇降ベース４５の押圧リング４８で試料１２を拘束した状態で、昇降プレート７２を上昇させて、凹部１３ａ、凹部１４ａ以外の部位の第１保持部材１３、第２保持部材１４を離反させて、上柱部５２と下柱部３７、上筒部５４と下筒部３６との接触面に隙間を形成する。回動駆動手段１６により第２保持部材１４を円環筒状の試料１２の軸芯を中心に任意の角度まで回動させて試料１２を変形させる。これにより、試料１２が変形してせん断され、水平な面のせん断帯１７が形成される。

試料１２を水で飽和させた後、横通水路３８、縦通水路３９に加圧水を供給し（通水手段）、第１保持部材１３の凹部１３ａ、第２保持部材１４の凹部１４ａの内側から外側の隙間に対して通水を行う。これにより、試料１２のせん断帯１７に水が直接通され、せん断帯１７に沿った通水が実施される。排水路５９から排水された通水の状態（通水量等）が検出手段２０で検出され、検出手段２０の情報が評価手段２１に送られてせん断帯１７の透水状況が評価される。

従って、せん断手段により試料１２に変形が与えられ、通水手段により試料１２のせん断帯１７に対して面に沿う方向に通水が行われ、評価手段２１によりせん断帯１７を通った加圧水の透水状況（透水割合）が評価される。このため、せん断帯１７に水を通して透水状況を評価することができ、任意のせん断状態（過程）における試料１２のせん断帯１７の透水性を評価することが可能になる。

図８から図１２に基づいて上述した透水評価装置による作用を更に具体的に説明する。

図８には通水状況を評価する処理の動作を表したフローチャート、図９（ａ）には試料１２をセットする状態の側面視の状況、図９（ｂ）には上柱部５２と下柱部３７、上筒部５４と下筒部３６との接触面に隙間（上下の隙間）の幅をゼロにした状態の側面視の状況、図１０（ａ）には上下の隅間の幅を所定幅に調整した状態の側面視の状況、図１０（ｂ）には水平方向に加圧水を通水している状態の側面視の状況、図１１には加圧水の流れの状態を説明する平面視の状況、図１２にはせん断変位とせん断応力との関係を表すグラフを示してある。

図８に示すように、ステップＳ１で試料１２の設置、及び、装置の準備が実施される。即ち、図９（ａ）に示すように、下筒部３６に対して上筒部５４を配置し、上筒部５４の下面と下筒部３６の上面を面接触させて（隙間をゼロにして）リングフランジ５８により周縁同士を連結する。

上筒部５４が固定された状態で、下保持部３５、下筒部３６で形成される円環状の凹部１３ａ（収容空間）に試料１２を載せる。この状態で、載荷フレーム４３（図３参照）を下降させ、押圧部材４６、上保持部４９を下降させ、上柱部５２の下面と下柱部３７の下面を面接触させる。これにより、試料１２が収容空間に拘束される。

図９（ｂ）に示すように、上保持部４９のフランジ部５３と上筒部５４のフランジ５５をボルトにより締結して一体化する。必要に応じて載荷フレーム４３（図３参照）を下降させ、試料１２を収容空間で圧密する。流路６１のバルブ６２を開き、通水手段１９により横通水路３８、縦通水路３９、流路６１に給水を行い、横通水路３８、縦通水路３９、流路６１内の空気抜きを行い、流路内を水で飽和させてバルブ６２を閉じる。

図８に示すように、ステップＳ２で隙間の調整が実施される。即ち、図１０（ａ）に示すように、押圧部材４６で試料１２を下保持部３５に押し付けた状態で（試料１２を拘束した状態で）、上保持部４９（上柱部５２）と上筒部５４を上昇させる。これにより、図１０（ｂ）に示すように、下筒部３６と下柱部３７との接触面に所定の隙間が形成される。

図８に示すように、ステップＳ３で横通水路３８、縦通水路３９に通水を行い、試料１２に給水を行う（図１０に示したバルブ３０を開く）。合わせて（もしくは、横通水路３８、縦通水路３９への通水とは別に）、図１０（ａ）に示すように、バルブ２８を開いて給水手段２４から給水を行い、下流路２５から試料１２に給水を行い、試料１２に溜まっている空気と共に上流路２６に水を送る。これにより、水が試料１２の下から上に送られ、気泡と共に排出路２７から水が排出され、試料１２から空気が排出され試料１２が水で飽和される（飽和手段）。

尚、飽和手段としては、横通水路３８、縦通水路３９からの通水だけで空気を排出できれば、給水手段２４、下流路２５、上流路２６、排出路２７、バルブ２８を省略することも可能である。また、横通水路３８、縦通水路３９から通水し、試料１２を通した水を負の圧力で引く構成を採用することも可能である。

図８に戻り、ステップＳ４で駆動ベース３２を旋回させ、円環筒状の試料１２の軸芯を中心に任意の所望角度（０度を超えた角度から３６０度以上の任意の角度までの間）まで回動させる。例えば、ピーク強度後の残留強度の状態になる角度まで回動させる。ステップＳ５で駆動ベース３２を停止させる。これにより、軸芯に交差する（水平な）せん断帯１７が試料１２に形成される。

ステップＳ６で横通水路３８、縦通水路３９に通水を行う（加圧水を供給する）。即ち、図１０に示したバルブ３０を開き、横通水路３８、縦通水路３９に加圧水を供給する。これにより、図１１（ａ）に示すように、試料１２の中心から外側に向けて（第１保持部材１３の凹部１３ａ、第２保持部材１４の凹部１４ａの内側から外側の隙間に対して）通水が行われ、排水路５９から排水される。尚、通水の方向は、図１１（ｂ）に示すように、試料１２の外側から中心に向けて（第１保持部材１３の凹部１３ａ、第２保持部材１４の凹部１４ａの外側から内側の隙間に対して）行うことも可能である（排水路５９側から通水を行うことも可能である）。

図１０（ｂ）に示すように、試料１２のせん断帯１７の面に沿う方向に沿って、加圧された水が通水され、通水の状態（通水量等）が検出手段２０で検出される。検出手段２０の検出情報は評価手段２１に入力され、せん断帯１７に沿った通水の状態からせん断帯１７の透水状況（例えば、透水係数）が評価手段２１で評価される。

従って、試料１２のせん断帯１７で水を直接通すことができ、せん断帯１７に沿った通水を実施することができる。排水路５９から排水された通水の状態（通水量等）が検出手段２０で検出される。

例えば、残留強度の状態での透水状況を評価する場合、ステップＳ７で試料１２がピーク強度後の残留強度の状態になっているか否かが判断され、残留強度の状態になっていると判断された場合、エンドとなり、検出手段２０の情報が評価手段２１に送られて評価される。ステップＳ７で残留強度の状態になっていないと判断された場合、ステップＳ４に移行して駆動ベース３２の旋回が継続される（例えば、残留強度の状態になるまで継続される）。

図１２に示すように、せん断変位に対するせん断応力は、せん断前の状態（１）から、ピーク強度発現前（２）、ピーク強度発現後（３）、残留強度の状態（４）と変化する。ステップＳ７では残留強度の状態（４）になっているか否かが判断される。このため、残留強度の状態でのせん断帯１７の透水状況を評価することができる。

尚、ピーク強度発現前（２）、ピーク強度発現後（３）等の任意の状態でのせん断帯１７の透水状況を評価することも可能である。

上述したように、回動方向に生じる変位により試料１２のせん断を実施して変位量の制約を減らし、所定の隙間に加圧水を通すことで、せん断帯１７の近傍に対してせん断帯１７の面に沿って通水することができ、試料１２の拘束状態を維持した状態でせん断帯１７の近傍に対して通水することができる。

従って、ピーク強度後の残留強度の状態まで試料１２を変形させてせん断し、試料１２に変位を生じさせることができ、せん断後の試料１２の状態を変化させることなく、せん断帯１７のせん断面に対して通水し、せん断帯１７に水を通して透水状況を的確に評価することができ、任意のせん断状態（過程）における試料１２のせん断帯１７の透水性を評価することが可能になる。つまり、試料１２にせん断力を与えた結果による変位により生じたせん断帯１７の透水性を評価することができる。

即ち、ピーク強度後の残留強度の状態まで試料１２を変形させたせん断状態（過程）での透水性の評価ができると共に、せん断の進行に伴う透水性の変化を評価することができる。

上述した透水評価装置１１では、任意のせん断状態（過程）における試料１２のせん断帯１７の透水性を評価することが可能になる。

本発明は、透水評価装置、透水評価方法の産業分野で利用することができる。

１、１１透水評価装置
２、１２試料
３、１３第１保持部材
４、１４第２保持部材
５、１７せん断帯
６せん断手段
７通水手段
８通水検出手段
９評価手段
１５加圧手段
１６回動駆動手段
１８昇降手段
１９通水手段
２０検出手段
２１評価手段
２４給水手段
２５下流路
２６上流路
２７排出路
２８、３０、６２バルブ
３１フレーム
３２駆動ベース
３３ベース
３４保持ベース
３５下保持部
３６下筒部
３７下柱部
３８横通水路
３９縦通水路
４０多孔部材
４１ねじ軸
４２ナット部材
４３載荷フレーム
４４ロードセル
４５昇降ベース
４６押圧部材
４７切欠き筒部
４８押圧リング
４９上保持部
５１上フレーム材
５２上柱部
５３フランジ部
５４上筒部
５５フランジ
５８リングフランジ
５９排水路
６１流路
６５位置検出手段
６６センサーロッド
６７検出アーム
７１ねじジャッキ
７２昇降プレート
７３連結バー
７４荷重検出器
７５隙間検出手段（ダイヤルゲージ）
７６検出部

Claims

試料の一方面側を保持する第１保持部材と、
前記試料の他方面側を保持する第２保持部材と、
前記第１保持部材、前記第２保持部材を相対的に移動させて前記試料に変形を加えて前記試料にせん断帯を形成するせん断手段と、
前記試料に形成されたせん断帯に対し、面に沿う方向に通水を行う通水手段と、
前記通水手段による通水の状態を検出してせん断帯の透水状況を評価する評価手段とを備え、
前記第１保持部材、前記第２保持部材の対向面に形成され前記試料を保持するための凹部と、
前記試料を保持した際に、前記第１保持部材、前記第２保持部材の対向面の前記凹部を除く周辺部位を面接触させる加圧手段と、
前記試料に変形を加えて前記試料に変位が付与される前に、前記第１保持部材、前記第２保持部材を離反させ、前記周辺部位に隙間を形成する離反手段とを更に備え、
前記通水手段は、
前記周辺部位に形成された隙間に対して通水することで、前記試料のせん断帯に水を通す手段である
ことを特徴とする透水評価装置。
請求項１に記載の透水評価装置において、
前記第１保持部材、前記第２保持部材を離反させる際に、前記試料の拘束状態を維持する拘束維持手段と備えた
ことを特徴とする透水評価装置。
請求項２に記載の透水評価装置において、
前記せん断手段は、
前記第１保持部材、及び、前記第２保持部材を、前記試料の保持面に交差する軸周りで相対的に回動させて前記試料を変形させる手段である
ことを特徴とする透水評価装置。
請求項３に記載の透水評価装置において、
前記第１保持部材が前記試料の上面側を保持し、前記第２保持部材が前記試料の下面側を保持するものであり、
前記第１保持部材、前記第２保持部材は、対向部にそれぞれ円環状の凹部を有し、
前記第１保持部材の凹部と、前記第２保持部材の凹部とで、円環筒状の前記試料を収容するための収容空間が画成され、
前記収容空間に前記試料が収容された際に、円環筒状の前記試料の軸芯方向に前記第１保持部材を前記第２保持部材に押し付け、前記凹部以外の部位を面接触させる加圧手段と、
前記加圧手段により前記凹部以外の部位を面接触させた状態から、前記試料を拘束した状態で、前記凹部以外の部位の前記第１保持部材、前記第２保持部材を離反させ、所望の隙間を形成する離反手段と、
前記第２保持部材を円環筒状の前記試料の軸芯を中心に任意の角度まで回動させて前記試料を変形させる前記せん断手段と、
前記凹部の外側と内側との間の前記隙間に対して通水することで、前記試料のせん断帯に水を通す前記通水手段と、
前記通水手段による通水の状態を検出してせん断帯の透水状況を評価する評価手段とを備えた
ことを特徴とする透水評価装置。
請求項４に記載の透水評価装置において、
前記第２保持部材の円環状の凹部から、前記第１保持部材の円環状の凹部に向けて、もしくは、前記第１保持部材の円環状の凹部から、前記第２保持部材の円環状の凹部に向けて、通水することで、前記試料のせん断帯を交差して上下方向に水を通す上下通水手段を更に備え、
前記評価手段は、
前記上下通水手段による通水の状態を検出してせん断帯を跨ぐ透水状況を評価する機能を有している
ことを特徴とする透水評価装置。
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の透水評価装置において、
前記通水手段による通水の前に、前記試料に給水を行うことで前記試料を飽和させる飽和手段を備えた
ことを特徴とする透水評価装置。