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  当研究室が所有する研究ツール・実験装置を紹介します。


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研究施設

 当研究室の活動は、3室からなる実験室とフィールドで行われています。ここでは我々の所有する研究ツール・実験装置 などを紹介します。以下の他にも、こまごまとしたものがたくさんあります。お気軽に見学にお越しください。







ウェブカムによる実験室のモニタリング

  我々の実験室では長期試験を多く走らせているため、夜中でも自動制御により圧力載荷などが進んでいます。事故をいち早く察知するため、また実験の経過を時 々刻々把握するため、最大で6台のウェブカムにより、実験室のモニタリングを行っています。ウェブカムはPCやスマートフォンにより全球回転を遠隔操作す ることができ、自宅や出張先からでも実験室の様子や、実験PCのディスプレイを読み取ることができます。




スマートフォンによる実験室・装置のモニタリング


メガトルクモーター制御型三 軸試験機 (×4機)
 前任の三田地利之教授・澁谷啓らの尽力により導入された三軸試験装置であり、メガトルクモーター(©日本精工(梶j)により軸動作を制御する試験装置です。コ ンピュータによる自動 制御が可能なシステムを搭載してお り、それぞれ固有の載荷フレームを有しているため、独立した長期試験が可能です。川口貴之先生が作成したWindowsプログラムに、当研究室で改良を加 え、自由自在な多元応力制御・ひずみ制御およびリアルタイムプロットが可能です。メガトルクモーターは極めて正確で細かく変位を制御で きる載荷装置(0.00001mmのオーダーで制御しています)を採用しています。ベンダーエレメントや局所変位計を供試体に取り付けることにより、微小 ひずみに対する剛性を求めることもできます。セル圧は基本的に700kPaまでの容量を想定していますが、4機のうち1機では、2,000kPaまでの高 圧試験を行うことができます。

応力制御・定ひずみ制御切り替え型三 軸試験機 (×3機)
  セルの上部に応力制御用のベロフラムシリンダー、下部に定ひずみ制御用の載荷モーターを備えた型の三軸試験機です。メガトルクモーター型ほど精密な軸ひず みのコントロールはできませんが、Windows PCによる応力・ひずみの自動制御は同様に可能で、幅広い条件の実験を行うことができます。





三軸試験での局所変位計設置の例



中 空試験機

 中空試験機は、三軸試験機をさらに高度化したものととらえることができます。「室内土質力学試験の王様」と言っても過言ではないでしょう。中空供試体 (つまり、トイレットペー パーみたいな形の供試体)の内側と外側に異なる圧力を与えたり、軸力に加えてねじりを加えたりすることにより、4つの応力・ひずみ成分を独立に制御するこ とができます。この特徴を生かせば、主応力方向を自由に回転させることができ、土の力学的異方性の研究に非常に便利です。また、ねじりせん断モードは地盤 の単純せん断モードに類似しており、地震動に対する地盤の変形特性などを研究するのに適しています。当研究室ではギャップセンサーによる局所変位の測定に より、0.001%以下のひずみレベルから正確に剛性を求めることができます。自主開発によるWindowsプログラムにより、応力・ひずみそれぞれに関 するサーボ制御が可能で、様々な応力経路に対して実験を自動で行うことができます。









中空試験機とその原理


直 接(一面)せん断装置 (×2機)
 土質力学の試験装置の中でも最も古典的なものですが、地すべりに関する強度評価など、現在でもよく用いられる装置 です。当研究室はメガトルクモーターを水平載荷装置に用いた直接せん断装置を2台有しており、コンピューターによる自動制御が可能です。オプションとし て、積層リングを用いることにより供試体全体がより均一に変形する「単純せん断試験」を行ったり、ペデスタルを通してポテンショメーターを設置して間隙水圧・サクションの測 定などを行うこともあります。三軸試験に比べて、変形の均一性や応力・ひずみ状態の明確性に欠ける側面がある一方、供試体が小さいため、数量が限られた自然試料の強度を多条件下で求められるという利点もあります。



一面せん断装置



定ひずみ速度(CRS)圧密試験機
 (×3機)
 当研究室は4台の定ひずみ速度(CRS: Constant Rate of Strain)圧密試験機を所有しております。うち3台はメガトルクモーターにより圧縮を行うため、非常に正確かつ自由自在の速度で載荷が可能 です。1機には恒温チャンバーが付設されており、恒温液体を循環させることにより、温度を約-30〜+80度の範囲で一定に保つことができます。以上の特徴により、土の圧密に対す るひずみ速度効果や温度効果を調べることができます。近年の研究では、圧密リングに透明なアクリル製のものを用いて、サブピクセル画像解析により端面不陸の影響を受けずに正確に圧縮性を計測する技術を開発し、この装置に適用しました。







定ひずみ速度圧密試験機


サクション測定膨潤圧測定試験機
 この装置は上記の定ひずみ速度圧密試験機のうちの1機をマイナーチェンジしたもので、標準の圧密試験用の供試体 よりやや大きなものを用います。高AEVセラミックディスクを用いており、1,000kPaまでのサクションを加圧板法により求めることができます。ま た、供試体側面を拘束するリングにはゲージが埋め込まれてあり、K0変形時の側方応力を計測することができます。軸方向には応力・ひずみ制御ともに可能 で、軸を固定したまま供試体に水を供給すれば、膨潤圧を測定することができます。スメクタイトを含む膨潤性粘土の膨潤による道路などの被害や、膨潤性岩盤 中のトンネルの被害への理解を進めるために用いています。






低圧死荷重三軸試験機
 (×2機)
低圧圧密試験機
  これは専ら、泥炭や超軟弱粘土などのクリープ特性を調べるために製作した装置で、非常にシンプルなものです。三軸室のセル圧は「点滴装置」の昇降による水頭差で、 軸圧は死荷重で与えるもので、駆動力を用いずに長時間一定荷重を保つことができます。変形はダイアルゲージなどで測ることもできますが、デジタルカメラと PIV画像解析に基づくことによって、正確で廉価な計測を実現しました。圧密試験装置は大きな供試体を試験するようにデザインされており、泥炭のように大きなテクスチャを有する土の研究に適しています。





低圧圧密試験機


超低強度粘土強度・流動性測定装置群
 高含水比(液性限界の1〜3倍程度)の粘土の強度や流動性を評価するために、複数の装置を揃えています。汎用回転粘度計(ビスコメーター)・超低容量ベーンせん断装置・プレート落下抵抗試験を適宜用いて、強度やそのひずみ速度依存性(粘性)の特性を研究しています。









PC制御回転粘土計


超低強度ベーンせん断装置



重力場模型実験装置

  当研究室は室内力学試験をメインに実験を行っていますが、地盤と構造物の相互作用など、境界値問題における土の挙動を観察するために、模型実験を行うこと もあります。円形土槽や平面ひずみ土槽などを用意しており、画像解析と組み合わせるなどして、模型地盤挙動を調べています。










重力場模型実験の例:
泥炭中の埋戻し砂の長期沈下
 (下図はPIV解析による変位ベクトル)


遠 心載荷装置
 遠心載荷装置は2000年代に当研究室に導入されたものです。有効半径1.5mの アーム型であり、150Gまで遠心加速度をかけ ることができます。土質力学研究用の遠心載荷装置としては中型の部類であり、実用性と作業性のバランスがとれたモデルです。斜面安定性を調べるための降雨 装置など、新しい付属装置を開発・追加しています。







遠心載荷装置



現 地試験装置

 我々自身で現地試験を行うために、電気式(三成分)コーン・サイスミックコーン・BPT用ボール・現地ベーン・ダッチコーンリグなど種々の装置を所有し ております。リグは手動貫入型ですが、軟弱地盤なら通常のコーンで30m程度の深度まで貫入することができます。これらの装置により、軟弱粘土や泥炭の非 排水せん断強度やせん断剛性係数を現地で計測することができます。














原位置におけるボール貫入試験


原位置せん断波速度測定試験:
ハンマー打撃によりせん断波を発生させ、
貫入したコーン先端のセンサーで到達を感知



せん断波速度測定装置
(ベンダーエレメント+周辺装置)

  ベンダーエレメントは半導体素子で、変形すると電圧を生じ、逆に電圧を与えると変形する性質を有しています。この性質を利用して、微弱なせん断派を土試料 中に発生させ、その到達を感受することによって土の内部のせん断波伝播速度を測定します。これにより、波動方程式に基づいて、土の微小ひずみせん断剛性を 測定できます。スタンダードなツールになりつつありますが、特の当研究室では、学生が自前でエポキシコーティングを施すなど、加工・維持体制が整ってお り、三軸装置内やベンチトップなど様々なシーンで用いられています。





ベンダーエレメントを用いたせん断波速度測定



X線回折装置

 土の鉱物組成を調べるための装置です。土の力学特性の根本的要因の一つである土のミクロレベルでの成り立ちを見ることにより、土の特徴を説明するのに役 立てています。




土を構成する鉱物同定のためのX線回折装置


PIV画像解析ソフトウェア
  我々の研究室では、実験に関連したソフトウェアを、装置制御以外でも作成しています。PIV画像解析ソフトウェアもその一つで、デジタルカメラの画像を並 べて、ごく微小な土の変形でもサブピクセル解析により数値化することができます。簡素なプログラムですが、オイラー記述の他、ラグランジュ的に追跡する モードや、Wi-Fi SDカードと組み合わせれば、遅い試験であればリアルタイムでPIVを行う機能などもあります。



 
HU Soils PIVのスクリーンショット



リアルタイムプロッター

  実験において、リアルタイムで変数の変化を図化して観察することは非常に重要です。そこで、既存のプログラムに対して、独立して走るプログラムとして、プ ロッターを開発しました。これを実験制御PCに組み込み、ディスプレイに残すことで、ウェブカムを通して実験の経過を自宅のPCあるいは出先でスマート フォンから確認することができます。




HU Soils RealTimeGraphのスクリーンショット





Copyright © 2011 Laboratory of Soil Mechanics, Hokkaido Univerisity