地盤工学会基準 ( 案 ) JGS 0544:2011 ベンダーエレメント法による土のせん断波速度測定方法 Method for laboratory measurement of shear wave velocity of soils by bender element test 1 適用範囲この基準は, 拘束圧を受けない状態で自立する供試体, もしくは三軸試験用に設置された供試体に対して, ベンダーエレメント法を用いて土のせん断波速度を求める方法について規定する 粘性土と砂質土を対象とする 2 引用規格及び基準次に掲げる規格及び基準は, この基準に引用されることによって, この基準の一部を構成する これらの引用規格及び基準は, その最新版 ( 追補を含む ) を適用する JIS A 1216 土の一軸圧縮試験方法 JGS 0520 JGS 0521 JGS 0522 JGS 0523 JGS 0524 JGS 0525 JGS 0526 JGS 0527 JGS 0541 JGS 0542 土の三軸試験の供試体作製 設置方法土の非圧密非排水 (UU) 三軸圧縮試験方法土の圧密非排水 (CU) 三軸圧縮試験方法土の圧密非排水 (CU) 三軸圧縮試験方法土の圧密排水 (CD) 三軸圧縮試験方法土の K 0 圧密非排水三軸圧縮 (K 0 CUC) 試験方法土の K 0 圧密非排水三軸伸張 (K 0 CUE) 試験方法不飽和土の三軸圧縮試験方法土の繰返し非排水三軸試験方法地盤材料の変形特性を求めるための繰返し三軸試験方法 3 用語及び定義この基準で用いる用語及び定義は, 次による 3.1 ベンダーエレメント 2 枚の圧電素子を張り合わせた振動子 電圧を加えると変形し, 変形を受けると電圧を発生するもの 絶縁, 防水のためエポキシ樹脂などでコーティングを施した場合は, それを含めた全体を指す 3.2 ベンダーエレメント法供試体両端に設置したベンダーエレメントを用いて, せん断波を供試体端で送信し, 他端で伝播したせ
2 ん断波を受信する方法 3.3 せん断波速度せん断波の伝播距離と伝播から算定した速度 3.4 駆動電圧ベンダーエレメントの変形によってせん断波を発生させるために, ベンダーエレメントに与える印加電圧 4 試験器具 4.1 せん断波速度測定装置せん断波速度測定装置は, 信号発生器, 送受信用ベンダーエレメント, 及び波形測定器から構成され, 次に示す条件を満たすものとする 注記せん断波速度測定装置の構成例を図 1 に示す 三軸圧力室 送信用ベンダーエレメント 供試体 受信用ベンダーエレメント 増幅器 信号発生器 波形測定器 図 1- せん断波速度測定装置の構成例 a) 信号発生器は, ベンダーエレメントに駆動電圧を与えて, そのベンダーエレメントを変形させるものである 信号発生器は駆動信号波形として 1 波の正弦波を発生できること 周波数は 1kHz~100kHz 程度の範囲内の任意の周波数の波形を出力できること 注記ベンダーエレメントに与える駆動電圧は ±10V を標準とする 必要に応じて, 信号発生器の出力電圧を増幅器で増幅し, 駆動電圧としてもよい b) ベンダーエレメントは図 2 に示すように, 供試体端と接触する三軸試験装置等のキャップとペデスタルのそれぞれ中央部に片端を固定して設置すること 注記ベンダーエレメントの形状は矩形とし, 供試体への挿入長は上下合わせて供試体高さの 10% 以内, 幅は供試体直径の 30% 以内, 厚みは 0.5mm~2mm 程度とする
電圧 3 挿入長 l 幅 d 厚み t ベンダーエレメント 固定部 キャップ又はペデスタル 図 2- ベンダーエレメントの設置状況の概略図 c) 波形測定器は, 信号発生器と受信用ベンダーエレメントからの電圧波形を表示及び記録して伝播を読み取れること 注記波形測定器の分解能は 1s 以下, 電圧分解能は 0.1mV 以下であることが望ましい 4.2 ベンダーエレメント寸法測定器具ベンダーエレメントの挿入長, 幅, 厚みを 0.1mm 以下まで読み取れるもの 5 試験方法 5.1 試験の準備 供試体の設置前に以下の作業を行う a) 送信用ベンダーエレメントの挿入長 l Tr (mm), 幅 d Tr (mm), 厚み t Tr (mm) 及び受信用ベンダーエレ メントの挿入長 l Re (mm), 幅 d Re (mm), 厚み t Re (mm) をそれぞれ測定する l Tr,d Tr,t Tr,l Re,d Re, t Re は 2 箇所以上において 0.1mm 以下まではかり, これらの平均値とする b) 図 3 に示すように送受信用ベンダーエレメントを直接密着させ, 送受信電圧の極性を初動波形から確 認するとともに計測システム全体の遅延 td (ms) を測定する 注記受信電圧の極性が送信電圧と逆になるときは, ベンダーエレメントの向きを反転させるか, 配線を逆にして図 3 に示すように両者を一致させることが望ましい 送信用ベンダーエレメント 初動の向き 受信用ベンダーエレメント + - + - 送信波 t d 極性が一致するときの受信波形受信波図 3- 送受信電圧の極性と遅延 5.2 供試体の作製及び設置供試体の作製は,2 に示した規格及び基準に準じて行う ただし, 硬質な粘性土供試体や凍結した砂質土供試体を用いる場合には, ベンダーエレメントを挿入するための溝を設けるなどの工夫が必要である 供試体を設置する際は, ベンダーエレメントと土が十分に接触するように注意する
電圧 4 5.3 試験手順せん断波速度測定を行うまでの試験手順については,2 に示した各種試験の規格及び基準に従うものとする せん断波速度測定は, 以下の手順で実施する a) せん断波速度測定時の供試体高さ H vs (mm), 軸方向応力 a (kn/m 2 ), 側方向応力 (kn/m 2 ), 必 要に応じて間隙圧 u(kn/m 2 ) を記録する 注記 6 注記 3 に従ってせん断弾性係数 G(MN/m 2 ) を算定する場合には, せん断波速度測定時の供試体体積 V vs (cm 3 ), 供試体湿潤質量 m vs (g) も求める b) 送信用ベンダーエレメントに任意の周波数で 1 波長の正弦波となる電圧波形を与え, 受信用ベンダーエレメントから得られる電圧波形とともに記録する c) 送信電圧の周波数を変えて 5.3 b) の手順を繰り返す 注記 1 粘性土では 2kHz~20kHz, 砂質土では 5kHz~50kHz を目安とし,5 種類程度の異なる周波数で実施することが望ましい 注記 2 6 注記 1 に示す方法に従う場合には, 図 4 に示すように送信電圧の周期 T Tr と受信電圧における初動の周期 T Re がほぼ等しく, 受信電圧の初動までに T Tr の 2 倍以上のがあるような周波数で実施することが望ましい r T Tr 送信波 2T Tr 以上の T Re 受信波 図 4- 送信電圧の周波数に関する説明図 6 試験結果の整理 せん断波速度 V s (m/s) を次式で算定する L Vs t ここに, L: せん断波の伝播距離 (mm) t : せん断波の伝播 (ms) せん断波の伝播距離 L(mm) はベンダーエレメント先端間距離とし, 次式で算定する L Hvs l Tr l Re ここに, H vs : せん断波速度測定時の供試体高さ (mm) l Tr : 送信用ベンダーエレメントの挿入長 (mm) l Re : 受信用ベンダーエレメントの挿入長 (mm) 注記 1 せん断波の伝播 t (ms) の算定方法は, 次による ts tp t 2 ここに, t t s : d 送受信波の立ち上がり点から求めた伝播 (ms)
電圧 5 t p : 送受信波のピーク点から求めた伝播 (ms) t d : 計測システム全体の遅延 (ms) ただし, t (ms) は複数の送信周波数 f(khz) で測定した伝播の中で, 次の条件を満足した全ての伝播の平均とする ( t ts ) 100 3 t p t s f t 2 (ms), (ms) の算定に必要な受信波の立ち上がり点とピーク点は, 図 5 に示すよう t p に 5.1 b) で確認した初動に対応する受信波形から求める なお, 立ち上がり点は受信波到達以 前の電圧値をゼロとし, 初動に対応する受信波形のゼロクロス点とする 送信用ベンダーエレメント 初動の向き 受信用ベンダーエレメント t p 送信波 t s 受信波 注記 2 注記 1 における 図 5- と の求め方 ( 極性が一致している場合 ) t p t s t p (ms) は次式で算定する相互相関 ( クロスコリレーション ) 関数 CC xy () の最初のピーク点に相当する遅延 を t c (ms) とし, これと置き換えても良い 1 T CCxy lim xt yt dt T T 0 ここに, CC xy (): 相互相関関数 T: 記録 (ms) x(t): 時刻 t における送信電圧 (mv) y(t): 時刻 t における受信電圧 (mv) : 遅延 (ms) 注記 3 せん断弾性係数 G(MN/m 2 ) を求める場合には, 次式で算定する t V G s 1000 2 ただし, 供試体の湿潤密度 t(g/cm 3 ) の算定方法は, 次による mvs t V vs ここに, m vs : せん断波速度測定時の供試体湿潤質量 (g)
6 V vs : せん断波速度測定時の供試体体積 (cm 3 ) 7 報告 試験結果については, 次の事項を報告する a) 土質名称と供試体の作製方法 b) 送信用ベンダーエレメントの挿入長 l Tr (mm), 幅 d Tr (mm), 厚み t Tr (mm) 及び受信用ベンダーエレ メントの挿入長 l Re (mm), 幅 d Re (mm), 厚み t Re (mm) c) せん断波速度測定時の供試体高さ H vs (mm) d) せん断波速度測定時の軸方向応力 a(kn/m 2 ), 側方向応力 (kn/m 2 ), 必要に応じて間隙圧 u(kn/m 2 ) e) 送信波の波形, 周波数, 駆動電圧, 計測システム全体の遅延 d (ms) f) せん断波速度の算定に用いた送信波と受信波の波形記録 g) せん断波の伝播距離 L(mm), せん断波の伝播 t (ms) とその求め方 h) せん断波速度 V s (m/s) i) 本基準と部分的に異なる方法を用いた場合は, その内容 j) その他特記すべき事項 注記 1 必要に応じて, せん断波速度測定時の供試体体積 V vs (cm 3 ), 供試体湿潤質量 m vs (g) 及 びせん断弾性係数 G(MN/m 2 ) を報告する r t 注記 2 必要に応じて, t s (ms), 告する t p (ms), c ( t p ts ) t (ms), 100 t, f t の値を報 注記 3 必要に応じて, 試験装置の概要, 使用したベンダーエレメントの詳細を報告する