オエドメーターテスト

ケンブリッジ大学の2つのオエドメーター

オエドメーター試験は、土質工学において実施される土質調査の一種であり、土の圧密特性を測定します。オエドメーター試験は、土サンプルに異なる荷重を加え、変形反応を測定することによって行われます。これらの試験結果は、現場の土壌が有効応力の変化に応じてどのように変形するかを予測するために使用されます。

オエドメーター試験は、土壌が現場で経験する一次元的な変形と排水条件をシミュレートするように設計されています。オエドメーター試験における土壌サンプルは、通常、直径と高さの比が約3:1の円板です。サンプルは剛性のある拘束リングに保持されます。この拘束リングは、土壌サンプルの横方向の変位を防ぎますが、適用される荷重の変化に応じてサンプルが垂直方向に膨張または圧縮されることを許容します。既知の垂直応力は、通常、フリーウェイトとレバーアームを使用してサンプルの上面と下面に適用されます。適用される垂直応力を変化させ、サンプルの厚さの変化を測定します。

水で飽和したサンプルの場合、垂直方向の排水を可能にするためにサンプルの上下に多孔質の石を置き、乾燥を防ぐためにサンプル全体を水中に浸します。飽和した土壌サンプルは圧密現象を示し、土壌の体積が徐々に変化し、加えられた拘束応力の変化に対して遅れて反応します。この反応は、通常、オイドメーターで数分から数時間かけて完了し、サンプルの厚さの時間変化が記録されます。これにより、圧密係数と土壌の 透水性の測定値が得られます。

語源

oedometer（/ i ˈ d ɒ m ɪ t ər / ee- DO -mi-tər、時には/ oʊ ˈ d ɒ m ɪ t ər / oh- DO -mi-tər ）という言葉は、古代ギリシャ語のοἰδέω（oidéō '腫れる'）と名詞oídēma '腫れ'に由来し、^{[ 1 ]}英語でもoedemaと同じ意味で使われている。^{[ 2 ]}

これは、似たような形だが無関係な単語「オドメーター」と混同してはならない。「オドメーター」は古代ギリシャ語のὁδός（hodos「道」）に由来し、車両の移動距離を測定する装置を指す。^{[ 3 ]}

歴史

圧密実験は1910年にフロンタードによって初めて実施されました。薄いサンプル（厚さ2インチ、直径14インチ）を切り出し、底に穴の開いた金属製容器に入れました。このサンプルにピストンを通して段階的に荷重を加え、荷重の増加ごとに平衡状態に達するようにしました。粘土の乾燥を防ぐため、試験は湿度の高い室内で行われました。^{[ 4 ]}

カール・フォン・テルツァギは1919年にイスタンブールのロバート大学で圧密の研究を始めました。^{[ 4 ]}これらの実験を通して、テルツァギは圧密の理論を開発し始め、最終的に1923年に出版されました。

マサチューセッツ工科大学（MIT）は初期の圧密研究において重要な役割を果たしました。テルツァギとアーサー・カサグランデは共にMITに在籍しており、テルツァギは1925年から1929年、カサグランデは1926年から1932年まで在籍しました。この間、圧密試験の試験方法と装置が改良されました。^{[ 5 ]}カサグランデのオエドメーター試験技術への貢献には、天然土サンプルの圧密前圧力を推定する「カサグランデ法」が含まれます。^{[ 6 ]} MITでは1940年代にドナルド・テイラーによって研究が継続されました。^{[ 7 ]}

英国規格協会とASTMはどちらも、オエドメーター試験の標準化された方法を持っています。ASTM D2435 / D2435M - 11は、増分荷重によるオエドメーター試験をカバーしています。ASTM D3877、ASTM D4546、およびAASHTO T216は、土壌の圧密特性を決定するための他の同様の試験を実施するための関連手順も提供しています。^{[ 8 ]} BS 1377-5:1990は、オエドメーター試験に関する関連する英国規格です。より広範なBS 1377シリーズは、さまざまな地質工学調査のためのサンプル準備に関する背景情報とベストプラクティスのアドバイスも提供しています。^{[ 9 ]}オエドメーター試験に関する2つのISO規格もあります。増分荷重オエドメーター試験に関するISO 17892-5:2017 ^{[ 10 ]}またBS EN ISO 17892-11:2019では、飽和サンプルのオエドメーター試験を含む土壌透水性試験の様々な方法が規定されている。^{[ 11 ]}

装置

ケンブリッジ大学にある分解されたオエドメーター2台

オイドメーターは基本的に3つの部品から構成されています。土壌サンプルを保持する「圧密セル」、サンプルに既知の圧力をかける機構、そしてサンプルの厚さの変化を測定する機器です。^{[ 12 ]}

オエドメーター試験に必要な機器は、「オエドメーター試験セット」と呼ばれることもあります。オエドメーター試験室の典型的な備品には、以下のものがあります。^{[ 13 ]}

• ベンチ1台
• オエドメーター3個
• セル3個、50mm、63.5mm、または75mm
• 3 x ダイヤルゲージ（アナログまたはデジタル）
• ウェイトセット×1

圧密セルは、試験中に土壌サンプルを保持するオイドメーターの一部です。圧密セルの中央には、土壌サンプルを保持するサンプルリングがあります。サンプルリングは通常、クッキーカッターのような形状で、片側に鋭いエッジがあるため、リングを使用して、より大きな天然土壌ブロックから土壌サンプルのスライスを切り取ることができます。サンプルリングにぴったり収まる2枚の多孔質石のスライスは、土壌サンプルを機械的に拘束しながら排水します。これらのコンポーネントはすべて、コンポーネントの位置合わせを確実にする溝が付いた大きなシリンダーに収まり、外部配管への給排水を提供します。土壌サンプルの上には、土壌に圧縮荷重をかけるために剛性の荷重キャップが設置されています。^{[ 12 ] [ 14 ]}

オエドメーターの荷重機構は、土壌サンプルに既知の圧縮荷重（直径が固定されているため、既知の圧縮応力）を負荷します。ほとんどのオエドメーターは、レバーアームとフリーウェイトのセットによってこれを実現します。フリーウェイトは既知の重力荷重を提供し、レバーアームはその荷重を増幅して土壌サンプルに伝達します。^{[ 15 ]}

テスト手順

アラン・ビショップが開発した増分積載フレームの概略図

圧密特性を測定するために使用されるオエドメーター試験は数多くある。最も一般的なのは増分荷重（IL）試験である。^{[ 16 ]}

サンプルの準備

試験は、撹乱を受けていない試料から作製された供試体を用いて行われる。鋭利な刃を持つ硬い拘束リングを用いて、大きな土塊から直接土壌サンプルを切り出す。余分な土は慎重に削り取り、直径と高さの比が3以上のサンプルを残す。排水性を高めるため、サンプルの上下に多孔質の石を置く。上部の多孔質の石の上には、剛性のある荷重キャップを置く。飽和状態の土壌サンプルの場合、サンプルの乾燥を防ぐため、サンプルリング全体を水中に浸すことが重要である。^{[ 16 ]}

増分読み込み

この組立体は荷重フレームに設置されます。フレームに重りが置かれ、土壌に荷重がかかります。サンプルの圧縮はダイヤルインジケータによって経時的に測定されます。時間経過に伴うたわみ値を観察することで、サンプルが一次圧密の終了点に達した時点を特定できます。その後、直ちに土壌に別の荷重が加えられ、このプロセスが繰り返されます。十分な総荷重が加えられた後、サンプルへの荷重は徐々に減少します。荷重増加率を1/2とすることで、土壌の空隙比と有効応力の関係を記述するのに十分な数のデータポイントが得られます。^{[ 16 ]}

結果

体積圧縮率の係数。

オエドメーターテストは、テスト対象の土壌に関する非常に有用なデータをエンジニアに提供します。

体積圧縮係数

${\displaystyle m_{v}={\frac {\Delta e}{1+e_{0}}}{\frac {1}{\Delta \sigma _{v}^{'}}}}$ オエドメーターテストから派生

${\displaystyle \Delta H=m_{v}{\sigma _{v}^{'}}H_{0}}$ フィールド内のレイヤーに適用（画像を参照）

統合プロパティ

• 圧密前圧力σ' _p ^{[ 17 ]}
  • 荷重に対する土壌の硬い変形と柔らかい変形の境界を示す有効応力
  • 通常、過去に氷河や侵食層からの高い荷重があったことを示す
• 再圧縮指数 C _R = Δ e /Δlogσ' _v ^{[ 18 ]}
  • 圧密前の圧力より小さい荷重下で土壌の体積がどのように変化するか（沈下するか）
  • 除荷による腫れを概算するのに使用できます
• 圧縮指数 C _C = Δ e /Δlogσ' _v ^{[ 18 ]}
  • 圧密前の圧力よりも大きな荷重を受けた場合、土壌の体積がどのように変化するか（沈下するか）
• 一次圧密期間t _p ^{[ 19 ]}
• 二次圧縮指数 C _α = Δ e /Δlog t ^{[ 19 ]}
  • 一定の荷重下で土壌の体積がどのように変化するか（沈下するか）

参照

• 土質力学
• 効果的なストレス

参考文献

1. リデル、ヘンリー. 「οἴδ-ημα」 .ギリシャ語-英語辞典. タフツ大学. 2019年12月8日閲覧。
2. "oedometer | オックスフォード辞書による英語のoedometerの定義" .オックスフォード辞書 | 英語. 2019年4月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年4月6日閲覧。
3. "odometer | オックスフォード辞書による英語のodometerの定義" .オックスフォード辞書 | 英語. 2019年4月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年4月6日閲覧。
4. Bjerrum, Laurits; Casagrande, Arthur; Peck, Ralph; Skempton, Alec. (1960).土質力学における理論から実践へ. (p44) John Wiley & Sons, Inc.
5. Bjerrum, Laurits; Casagrande, Arthur; Peck, Ralph; Skempton, Alec. (1960).『土質力学における理論から実践へ』(p6-7) John Wiley & Sons, Inc.
6. 「静止時の土圧係数」、土壌と岩石の地質工学的相関関係、John Wiley & Sons, Inc.、2018年6月1日、pp.  73– 75、doi : 10.1002/9781119482819.ch8、ISBN 9781119482819
7. テイラー、ドナルド W. (1942).粘土の固結に関する研究. マサチューセッツ工科大学
8. 「ASTM D2435 / D2435M - 11 増分荷重を用いた土壌の一次元圧密特性に関する標準試験方法」 www.astm.org 。 2019年4月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年4月7日閲覧。
9. 「BS 1377-5:1990 - 土木工学における土壌試験方法。圧縮性、透水性、耐久性試験 - BSI英国規格」 shop.bsigroup.com 。2019年4月7日閲覧。
10. 「BS EN ISO 17892-5:2017 - 地質調査および試験。土壌の室内試験。増分荷重オエドメーター試験」 shop.bsigroup.com 。2019年4月7日閲覧。
11. 「BS EN ISO 17892-11:2019 地質調査および試験。土壌の室内試験。透水性試験」 shop.bsigroup.com 。 2019年4月7日閲覧。
12. シュルセン、モルテン・アンドレアス;ディヴィク、ルーン。「ラボテスト - 走行距離計テスト」(PDF)。ノルウェー地質工学研究所。2019 年 4 月 14 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2019 年4 月 14 日に取得。
13. 「フロントローディングオエドメーターテストセット」 www.cooper.co.uk Cooper Research Technology. 2014年8月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2014年9月5日閲覧。
14. 「フローティングリングコンソリデーションセル」 www.humboldtmfg.com . 2019年4月14日閲覧。
15. 「土壌固化 - オエドメーター」www.pcte.com.au . 2019年4月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年4月14日閲覧。
16. テルツァギ, カール; ペック, ラルフ; メスリ, ゴラムレザ (1996).土質力学工学実務編(第3版). (第16.9条) Wiley-Interscience
17. テルツァギ, カール; ペック, ラルフ; メスリ, ゴラムレザ (1996).土質力学の工学実践（第3版）. (記事16.4) Wiley-Interscience
18. テルツァギ, カール; ペック, ラルフ; メスリ, ゴラムレザ (1996).土質力学の工学実践（第3版）. (記事16.6) Wiley-Interscience
19. テルツァギ, カール; ペック, ラルフ; メスリ, ゴラムレザ (1996).土質力学の工学実践（第3版）. (記事16.7) Wiley-Interscience