JP2005164436A - 電気伝導率の測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 供試体に含有する僅かな水や、透水係数の小さい供試体を透過する水、さらには供試体に圧力変化をかけた状態で該供試体を通過する水の電気伝導率を簡単に測定できるようにする。
【解決手段】 供試体に対する加圧手段、水の強制供給手段を備えると共に、供試体に対して平面状に面接触し、その接触面に電極４が平面状に埋設されたセル５を用い、供試体６から染み出してきたり、透過してきた水の量が僅かであっても、該水がセル５の表面全体を濡らすようになって電極４全体が水浸漬状態となって電気伝導率が測定できるようにした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、特に微量水分を含む供試体や透水係数が小さい供試体等の各種供試体に含まれる水の電気伝導率を測定する測定装置および測定方法の技術分野に属するものである。

一般に、自然災害の一つとして土砂災害があり、このような土砂災害として、不安定な傾斜地に発生する地すべり、表層崩壊、がけ崩れ、土石流などによる災害がある。そして、このような傾斜地での土砂災害は、斜面地盤の崩壊によって地盤の変位、つまり地盤の変状や移動が引き起こされることになり、このような地盤変位を測定する手法については、例えば高精度の電子測距・測角儀を用い、地盤変位のある地域からはずれた任意の位置を基準点として地盤変位が生じている区域に配した指標までの距離や角度の変化を測定して地盤変位を測定するようにしたもの（特許文献１参照）、あるいは地盤変位が生じている任意の位置の地盤に測定用の孔を掘り、ここに歪ケーブルを挿入し、地盤変位によって生じた歪量を計測することで地盤変位の測定をするようにしたもの（特許文献２参照）がある。
ところが前記従来のものは、高価な測定機器が必要であるうえ、実際に斜面崩壊が発生している最中または発生した後の地盤変位を測定するものであって、該地盤変位の発生を予知するものではない。しかもこのような地盤変位による土砂災害は、小規模であれば発生後においても、被害発生がないか、あっても殆ど影響がない範囲で対処ができるが、規模が大きいものについては、何らかの被害を生じた後での対処となる場合が多く、土砂災害を未然に防ぐことはできないのが現状である。

そこで本発明の発明者は、地すべり等の斜面崩壊による地盤変位の予測を、当該地盤を流れる地下水に含まれるナトリウムイオン等の特定イオンの濃度が急激に上昇するような異常変化が認められた場合、これを地すべり等の斜面崩壊による地盤変位が発生する前兆であるとして予測する方法を提唱した（特許文献３参照）。これは、地すべり等の斜面崩壊が発生するときにはその地盤内部において土粒子の微視的な変位や破壊がすでに先行して生じている一方、土壌は効率的なイオン交換の場でもあり、土壌において地盤変位が発生する前兆として微視的な変位や破壊が起こることによって今までのイオン交換の環境が変化し、これが特定イオンの濃度の異常な変化となって現れるという推論に基づくものである。
前記地盤変位の予測方法は今までになく信頼性が高いものとして評価されているが、このような特定イオンの測定は、対象とする地盤から漏出した地下水を採取して行うことになる。
ところでこのようなイオンの濃度は、水中に含まれるイオンの総量的な量であるから、これは電気伝導率に換算することができ、そこで測定しようとする地盤から採取した土壌について、該土壌中に含まれる水の電気伝導率が測定できればより確度の高い予測ができると考えられる。ところで従来の電気伝導率を測定する場合、一対の電極が支持部材から突出したセルを用いて行うのが一般であった（特許文献４参照）。
特開平５−１１８８５１号公報 特開平１０−８２６６７号公報 特開２００２−３３９３７３号公報 特開平９−５３７１号公報

ところで、サンプリングした土壌（供試体）に含まれる水のいま現在の電気伝導率を測定することは、測定始点を決定したりするため重要となるが、このような供試体に含まれる水分は微量であるため、該供試体に圧力をかけて水を染み出させたとしても僅かであるから、前記電極全体を浸漬するだけの水を得るには大量の供試体から採取しなければならないという問題があり、ここに本発明が解決しようとする一つの課題がある。
また、供試体を透過する水の電気伝導率の変化を測定することは、供試体の経時的変化を認識するうえで重要であるが、自然状態で透過する水の電気伝導率を測定したのでは時間がかかりすぎるという問題がある。そこで供試体に水を加圧供給して強制的に水を透過させ、この透過した水を採取し、該採取した水の電気伝導率を測定することが提唱されるが、土壌のように透水係数が１×１０^−７ｃｍ ｓ^−１（センチメートル 秒のマイナス１乗）程度と小さいものにおいては、前記電極全体を浸漬するだけの水を採取するには長時間かかってしまうことになって作業性に劣るという問題がり、ここに本発明の解決すようとする別の課題がある。
さらにまた、前述したように地盤変位の予測をするような場合、地盤内部において先行して生じであろう土粒子の微視的な変位や破壊の発生を自然に待つのでは時間がかかりすぎ、このためこのような変位や破壊を積極的に生じさせる必要がある。そのためには、供試体自体を加圧して前記変位や破壊（歪み）を擬似的に発生させながら、水を加圧供給して透過した水の電気伝導率を経時的に測定することが必要となるが、このような装置は従来知られておらず、ここに本発明が解決しようとするさらに別の課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、供試体に含まれる水の電気伝導率を測定する装置であって、該装置は、供試体を加圧して前記含まれる水を染み出させるための加圧手段と、供試体に面接触する電気伝導率測定用のセルとを備え、前記セルは、供試体との接触面に、前記染み出した水が接触する状態で埋設される一対の電極を備えて構成されていることを特徴とする電気伝導率の測定装置である。
請求項２の発明は、供試体を透過した水の電気伝導率を測定する装置であって、該装置は、供試体に水を加圧供給して供試体から水を透過させるための水供給手段と、供試体に面接触する電気伝導率測定用のセルとを備え、前記セルは、供試体との接触面に、前記透過した水が接触する状態で埋設される一対の電極を備えて構成されていることを特徴とする電気伝導率の測定装置である。
請求項３の発明は、供試体に圧力を与えながら該供試体を透過する水の経時的な電気伝導率を測定する装置であって、該装置は、供試体を加圧する加圧手段と、供試体に水を加圧供給して供試体から水を透過させるための水供給手段と、供試体に面接触する電気伝導率測定用のセルとを備えて構成され、前記セルは、供試体との接触面に、前記供試体を透過した水が接触する状態で埋設された一対の電極を備えて構成されることを特徴とする電気伝導率の測定装置である。
請求項４の発明は、請求項１、２または３において、セルの供試体接触面は平面であることを特徴とする電気伝導率の測定装置である。
請求項５の発明は、請求項１、２、３または４において、セルと供試体とのあいだに親水性シートが介設されていることを特徴とする電気伝導率の測定装置である。
請求項６の発明は、請求項１、２、３、４または５において、供試体はサンプリングされた土壌であることを特徴とする電気伝導率の測定装置である。
請求項７の発明は、供試体に含まれる水の電気伝導率を測定する方法であって、該方法は、供試体を加圧して供試体から染み出た水を、供試体に面接触し、該接触面に前記染み出した水が接触する状態で埋設された一対の電極を備えたセルを用いて測定するようにしたことを特徴とする電気伝導率の測定方法。
請求項８の発明は、供試体を透過した水の電気伝導率を測定する方法であって、該方法は、供試体に水を加圧供給することで該供試体を透過した水を、供試体に面接触し、該接触面に前記透過した水が接触する状態で埋設された一対の電極を備えたセルを用いて測定するようにしたことを特徴とする電気伝導率の測定方法である。
請求項９の発明は、供試体に圧力を与えながら該供試体を透過する水の経時的な電気伝導率を測定する方法であって、該方法は、供試体を加圧すると共に供試体に水を加圧供給することで該供試体から透過した水を、供試体に面接触し、該接触面に前記透過した水が接触する状態で埋設された一対の電極を備えたセルを用いて測定するようにしたことを特徴とする電気伝導率の測定方法である。
請求項１０の発明は、請求項７、８または９において、セルの供試体接触面は平面であることを特徴とする電気伝導率の測定方法である。
請求項１１の発明は、請求項７、８、９または１０において、供試体はサンプリングされた土壌であることを特徴とする電気伝導率の測定方法である。

請求項１または７の発明とすることで、供試体中に含まれる水分が微量であっても、その水の電気伝導率を簡単に測定することができる。
請求項２または８の発明にすることで、透水係数が小さい供試体であっても、該供試体を透過する水の電気伝導率を簡単に測定することができる。
請求項３または９の発明にすることで、地盤変位の予測をする場合のように、供試体において変位や破壊等を擬似的に発生させながら、しかもその場合において供試体を透過する水の電気伝導率を簡単に測定することができる。
請求項４または１０の発明にすることで、供試体に対して平均的な圧力を掛けることができて、測定精度が向上する。
請求項５の発明とすることで、セルに埋設する電極全体に対して水を均一的に接触できることになって測定精度が向上する。
請求項６または１１の発明とすることで、土壌に含有する水や透過する水の電気伝導率を簡単に測定することができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図面において、１は電気伝導率の測定装置を構成する測定部であって、該測定部１は、基台１ａに測定用の容器２が支持されているが、該容器２には水が注入されており、容器２に設けられる水の排出路２ａを封止する状態で水の供給路２ｂから圧力を加えることで容器２内の圧力を調節できるようになっている。

前記容器２の底部２ｃにはペデスタル３が設けられ、該ペデスタル３上に、白金線が電極４となるよう形成された電気伝導率測定用のセル５が配設されている。このセル５は、中央部に孔５ａが開設された平円盤状の絶縁体（例えばアクリル板）を備えて構成され、その表面（上面）に電極４となる一対の白金線が渦巻状に埋設されている。そしてこのセル５の上面に、ろ紙（本発明の親水性シートに相当する）５ｂを介在する状態で円柱状に成形された供試体（後述するようにサンプリングした土壌）６の底面が載せられ、さらに供試体６の上面にキャップ７が載せられる。そして前記ペデスタル３の上半部、供試体６全体、そしてキャップ７の下半部の外周面には供試体６の崩壊（崩落）の防止および供試体６を透過あるいは染み出す水の散逸を防止するための防止部材８が被着されているが、防止部材８としては、例えば延び弾性の小さいシリコーンチューブ等が挙げられる。尚、前記電極４から引き出される導電線（リード線）、並びに前記電極４間を流れる電流値から電気伝導率を演算して表示する電気伝導率の測定装置本体（汎用のものが採用される）は省略されている。

前記キャップ７には水路７ａが設けられ、該水路７ａから水が供試体６に供給されるようになっている。一方、前記ペデスタル３には負圧状態となった水路３ａが形成され、そして供試体６を透過した水は、前記測定用セル５に到達して電気伝導率が測定され、孔５ａを介して水路３ａから排出されるようになっている。

９は前記キャップ７を加圧するための加圧装置であって、該加圧装置９は、キャップ７の上面に下端が当接する加圧棒１０を備えて構成されるが、該加圧棒１０はベアリング１１により回動自在に容器天井板２ｄに支持されていると共に、クランプ１２によって回動を制御できるようになっている。加圧棒１０には荷重計１３、外部変位計１４が設けられるが、さらに加圧棒１０の上端部は載荷装置１５に連結されている。載荷装置１５は、電動モーター１５ａの駆動によりべべルギア機構１６を回転させ、これによって加圧棒１０を押し出し、これによってキャップ７の加圧をするようになっている。

叙述のごとく構成された本発明の実施の形態において、ある地域の土壌試料（泥岩）について、例えば一辺が５００ｍｍの立方体の大きさでサンプリングし、これを成形して高さ５０ｍｍの前記円柱状の供試体６を製作する。この供試体６に含有する水の電気伝導率を測定するには、該供試体６を、セル５、ろ紙５ｂが載置されたペデスタル３とキャップ７とのあいだにセット（防止部材８も被着しておく）し、容器２に水を充填した状態にして電動モーター１５ａを駆動してキャップ７を加圧していく。するとキャップ７とペデスタル３とのあいだに挟まれる供試体６は加圧されることになって、供試体６に含有する水分は供試体表面から染み出すことになるが、この染み出した水はろ紙５ａを湿らす状態でセル５全体を濡らすことになり、これによって電極４は全体が水に浸漬する状態となって電気伝導率が測定される。

このように、本発明が実施されたものにおいては、土壌のように含有する水分量が少ない供試体６において、これを加圧することで供試体６から染み出した水は、供試体６の底面に面接触するセル５表面が、該表面にフラット状に埋設した電極４の全体を浸漬する状態で均一に濡れることとなるため、僅かな水分量でも電気伝導率の測定が確実にできる。

一方、前記のようにセットされた供試体６に水を供給することで該供試体６を透過した水の電気伝導率を測定するには、供試体６を位置ずれしない程度に加圧した状態で、水路７ａから水を加圧供給する。これにより供試体６を透過する水の透過速度が大きくなって、前述したように電極４全体が水に浸漬された状態でセル表面全体が濡れるため、透水係数が小さいものであっても、迅速で確実な電気伝導率の測定ができることになる。

また、供試体６を加圧しつつ水を透過せしめたときの地盤変位の状態をシミュレートしたいような場合には、前記のようにセットした供試体６に対し、圧力を漸次増加する状態で加圧しつつ水を加圧供給すればよく、このようにすることで、供試体６に崩壊や変形等の変化が生じる状態で、該供試体６を透過する水の電気伝導率を測定することができ、そしてこの測定を経時的にし、記録することにより、供試体６が加圧される状態での透過水の電気伝導率の変化を経時的に知ることができる。

尚、本発明は前記実施の形態に限定されないものであることは勿論であって、供試体としては土壌に限定されないことは勿論である。そして本発明は、含水率の小さい供試体、透水係数の小さい供試体について電気伝導率を測定する場合に特に有効であるが、含水率の大きい供試体、透水係数の大きい供試体に用いることも勿論できる。

電気伝導率の測定装置における測定部の概略正面図である。 （Ａ）（Ｂ）は電気伝導率測定用セルの正面図および断面図である。

符号の説明

１ 電気伝導率測定装置の測定部
４ 電極
５ 電気伝導率測定用セル
６ 供試体
７ 加圧装置

Claims (11)

1. 供試体に含まれる水の電気伝導率を測定する装置であって、該装置は、供試体を加圧して前記含まれる水を染み出させるための加圧手段と、供試体に面接触する電気伝導率測定用のセルとを備え、前記セルは、供試体との接触面に、前記染み出した水が接触する状態で埋設される一対の電極を備えて構成されていることを特徴とする電気伝導率の測定装置。
2. 供試体を透過した水の電気伝導率を測定する装置であって、該装置は、供試体に水を加圧供給して供試体から水を透過させるための水供給手段と、供試体に面接触する電気伝導率測定用のセルとを備え、前記セルは、供試体との接触面に、前記透過した水が接触する状態で埋設される一対の電極を備えて構成されていることを特徴とする電気伝導率の測定装置。
3. 供試体に圧力を与えながら該供試体を透過する水の経時的な電気伝導率を測定する装置であって、該装置は、供試体を加圧する加圧手段と、供試体に水を加圧供給して供試体から水を透過させるための水供給手段と、供試体に面接触する電気伝導率測定用のセルとを備えて構成され、前記セルは、供試体との接触面に、前記供試体を透過した水が接触する状態で埋設された一対の電極を備えて構成されることを特徴とする電気伝導率の測定装置。
4. 請求項１、２または３において、セルの供試体接触面は平面であることを特徴とする電気伝導率の測定装置。
5. 請求項１、２、３または４において、セルと供試体とのあいだに親水性シートが介設されていることを特徴とする電気伝導率の測定装置。
6. 請求項１、２、３、４または５において、供試体はサンプリングされた土壌であることを特徴とする電気伝導率の測定装置。
7. 供試体に含まれる水の電気伝導率を測定する方法であって、該方法は、供試体を加圧して供試体から染み出た水を、供試体に面接触し、該接触面に前記染み出した水が接触する状態で埋設された一対の電極を備えたセルを用いて測定するようにしたことを特徴とする電気伝導率の測定方法。
8. 供試体を透過した水の電気伝導率を測定する方法であって、該方法は、供試体に水を加圧供給することで該供試体を透過した水を、供試体に面接触し、該接触面に前記透過した水が接触する状態で埋設された一対の電極を備えたセルを用いて測定するようにしたことを特徴とする電気伝導率の測定方法。
9. 供試体に圧力を与えながら該供試体を透過する水の経時的な電気伝導率を測定する方法であって、該方法は、供試体を加圧すると共に供試体に水を加圧供給することで該供試体から透過した水を、供試体に面接触し、該接触面に前記透過した水が接触する状態で埋設された一対の電極を備えたセルを用いて測定するようにしたことを特徴とする電気伝導率の測定方法。
10. 請求項７、８または９において、セルの供試体接触面は平面であることを特徴とする電気伝導率の測定方法。
11. 請求項７、８、９または１０において、供試体はサンプリングされた土壌であることを特徴とする電気伝導率の測定方法。

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