JP6449075B2

JP6449075B2 - サウンディング試験方法およびサウンディング試験装置

Info

Publication number: JP6449075B2
Application number: JP2015064452A
Authority: JP
Inventors: 運雄酒井; 立川　日出男; 日出男立川; 智勝立川; 浩則湯川; 泰造奥澤; 田中　勉; 田中　　勉
Original assignee: 基礎地盤コンサルタンツ株式会社
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2019-01-09
Anticipated expiration: 2035-03-26
Also published as: JP2016183509A

Description

本発明は地盤の液状化強度や動的変形係数などを求めるための特性値を求めるサウンディング試験装置およびサウンディング試験方法に関する。

液状化強度試験法で最も信頼されて普及しているのは、現地から乱さない試料を採取して供試体を作成し、これに原地盤の地中応力に近い拘束圧をかけた状態で、繰返し載荷試験を行い、２０回の繰返し載荷で供試体の圧縮と伸張歪がＤＡ＝５％に達する載荷応力を液状化強度と定めている。この試験は、供試体の空隙が完全に飽和し、載荷試験中に間隙水圧が逃げないようにした非排水繰返し試験である。このような試験からは信頼性の高い地盤情報が得られるが、高価で試験技術レベルが高く、不規則な自然地盤を対象としては、数多く行うことが出来ないため、深度方向に連続的に概略値を求めるサウンディングと併用することで全体の調査精度を上げることが望まれる。

わが国で最も普及しているサウンディングは、標準貫入試験（ＳＰＴ）で、通常、深度１ｍ毎に規格化された管をボーリング孔底から３０ｃｍ貫入に必要な打撃回数Ｎ値を求めるものである。世界で最も普及している手法はコーン貫入試験（ＣＰＴ）で、先端の尖ったコーンの貫入抵抗を測定する手法である。そして、わが国の小規模調査で最近よく用いられているスウェーデン式サウンディング（ＳＷＳ）は、四角錐をねじった抵抗体をつけたロッドに錘を載せて貫入させ、貫入できなくなったら回転貫入する方法である。これらの調査法は単なる貫入抵抗を求める手法に過ぎず、さらにＳＰＴは時間がかかり、かつ簡易な調査法ではない。この他に、軟弱粘性土などでは十字のベーンをロッドの先端につけて地中に貫入し、回転抵抗を求めるベーンせん断静的試験（Ｖ）やボーリング孔を利用する応力制御式載荷試験であるプレッシャーメータ試験（ＰＭＴ）などがある。以上の調査手法は基準化されている。

上記の他に、ＳＰＴ貫入パイプの先端シュー部の外側に羽根をつけて回転し、Ｎ値とせん断強度を同時に求める手法がある（特許文献１）。浅層地盤用にはコーンに４枚縦羽をつけ、ロッドでコーンを押しながら回転させて荷重とトルクから地盤の強度定数である粘着力ｃと内部摩擦角φを求める簡易な試験法が提案されている（特許文献２）。これらは簡便な手法ではあるが動的物性調査ではない。

その他にも５度以下の緩勾配逆円錐台を貫入して変位制御式の横方向載荷試験を行いながら逆円錐台に装着したベーンを回転し、載荷状態下でのトルクから、あるいは逆円錐台表面を粗面仕上げにして貫入しながら表面で地盤をせん断し、強度定数ｃφの他に変形係数Ｅを求める手法（特許文献３）。そしてＰＭＴゾンデの外周に羽をつけて、加圧状態で回転してトルクを測定し、ｃφをもとめる方法も提案されている（特許文献４）。これらの調査法も繰返し載荷ではなく、単調載荷・せん断試験法である。

また、ＰＭＴの外側に粗面のスリット入りせん断板を装着し、横方向に加圧しながら上方に引揚げて地盤をせん断してｃφと地盤変形係数Ｅを求める手法（特許文献５）が開発され実用化されているが、これも静的強度・変形試験である。一方、ＰＭＴから動的地盤情報を得る方法としては、ボーリング孔壁の動的加圧装置が開発されている（特許文献６）。この他に、ＣＰＴで液状化強度を求めるための振動コーン（特許文献７および特許文献８）が開発されている。以上、いずれも高度な装置と技術を要し、実用化には到っていないのが原状である。

さらに、階段状に貫入ブレードを厚くし、各ステップに土圧計を装着したステップブレード静止土圧測定法（ＳＢＴ）や緩勾配で上部を厚くしたブレードを貫入して土圧を測定するテーパードブレード法（ＴＢＴ）なども提案されており、ブレード中央に空気圧で膨らます土圧計が設置されているダイラトメータ（特許文献９）を変位制御式にしたものも考案されている（特許文献１０）。

このように、地盤の工学的特性は堆積環境により多種多様であるので、簡便でスピーディな調査法で、地盤調査を多数地点で、深度方向にほぼ連続的に行うことが望まれている。また、地盤は単純な弾性体ではなく、粒径・粒形・土粒子の微妙な接触状態・密度・硬度・膠結度・歪レベル・繰返し載荷回数・歪速度・堆積年代・拘束応力等により物性値が変化する。特に、液状化強度などは最も大きな影響を受ける物性値である。そこで、液状化などの検討のための動的物性を求めるためには、原地盤を出来るだけ乱さない状態で多数回繰返し載荷・変形を与えたときの挙動を測定する必要がある。

しかしながら、良く用いられている貫入試験（ＳＰＴ，ＣＰＴ，ＷＳＷ他）は、貫入時にその周辺地盤が乱されるので貫入抵抗以外は真の地盤の値ではない。したがって、抵抗体を貫入させて貫入抵抗以外の地盤物性を求めるためには、測定面の地盤が出来るだけ乱されないように配慮しなければならず、応力制御による動的載荷試験手法は、地震時の地盤挙動により近づいているが、簡易なサウンディングとは反対に複雑な機構で研究用調査としても未だに実用化されていない。また、前述のＭＳＴは変位制御式で簡易な調査手法ではあるが、多サイクル繰返し載荷条件を満たしていない。

特開２００１−０２０２６８号公報特開２００３−２２７７８６号公報特開２００７−２３９４４４号公報特開２０１３−１４４９２１号公報特開２００１−３２２５２号公報実開昭５１−１５３７０１号公報特開昭５８−５６５５号公報特開２００４−３４７４９０号公報特開平３−１８９５３７号公報特開２０１４−１９００４１号公報

本発明は以上のような従来の欠点に鑑み、原位置で繰返し横方向載荷試験などを行い、地盤の液状化強度や動的変形係数などを求めるための特性値を簡便に、スピーディに求めるサウンディング試験装置およびサウンディング試験方法を提供することを目的としている。

すなわち、簡易でスピーディな調査、地盤を出来るだけ乱さない状態で繰返し載荷できることである。地震時、実際の液状化地盤では地盤全体が地震動で繰返しせん断変形を受け、液状化地盤では土粒子の骨格体積が収縮する。広範囲にこのような状態になると、短時間に地下水は移動（排水）出来ないため間隙水圧が上昇し、土粒子の接触圧が低下して液状化する。

従って、前述のように室内での液状化強度試験は、非排水繰返し載荷試験であるが、サウンディングでは局所的な繰返し載荷であるので非排水条件は満たされないことになる。
しかし、サウンディング抵抗体の周辺土粒子骨格は収縮するので、抵抗体に働く土圧は減少することになることと、土粒子間に働く応力が小さくなるので砂地盤の強度は低下することになる。

従って、繰返し載荷による回転抵抗トルクや土圧などの変化特性を計測すれば、液状化強度の推定が従来のサウンデジング手法より高い精度で容易にできる様になる。

上記目的を達成するために、本発明はロッドの先端部に、カッティングシューを備える中空の抵抗体を接続し、これを地中に貫入させて測定深度で抵抗を測って土層の性状を深さ方向に調べるサウンディング試験方法であって、前記中空の抵抗体は、上端部の水平面で切断した断面形状が前記カッティングシューの直径より大きい長軸径とカッティングシューの直径と同じか小さくした短軸径からなる楕円形であり、かつ長軸の頂点を結んだ貫入方向の勾配が５度以下の載荷ユニットを備え、前記中空の抵抗体を地中に貫入しながら、又は貫入させてから回転するかのいずれかにより横方向繰返し載荷試験を行い、前記載荷ユニットに発生する回転抵抗トルクを測定して地盤の動的特性値を求める。

また、本発明はロッドの先端部に、カッティングシューを備える中空の抵抗体を接続し、これを地中に貫入させて測定深度で抵抗を測って土層の性状を深さ方向に調べるサウンディング試験装置であって、前記中空の抵抗体は、一番内側の荷重を伝達する荷重伝達管と、該荷重伝達管の外周部にトルク伝達板を介して設けられた載荷ユニットとで構成され、該載荷ユニットは、上端部の水平面で切断した断面形状が前記カッティングシューの直径より大きい長軸径とカッティングシューの直径と同じか小さくした短軸径からなる楕円形であり、かつ長軸の頂点を結んだ貫入方向の勾配が５度以下であることを特徴とする。

以上の説明から明らかなように、本発明にあっては次に列挙する効果が得られる。
（１）請求項１の発明では、地震外力を想定した横方向多数回繰返し載荷試験を地盤の乱れを抑止した状態からスタートし、簡易な装置で深度方向に連続的にスピーディに調査することが出来、動的地盤物性値が得られる。
（２）請求項２の発明も前記（１）と同様な効果が得られるとともに、抵抗体を回転せずに貫入して地盤の静的物性値を求めてから、回転して動的物性値を求めることができ、調査をさらにスピーディに行なうことができる。
（３）請求項３の発明も前記（１）、（２）と同様な効果が得られるとともに、液状化などの動的物性のみでなく、１回の調査で静的な力学定数が求められる。
（４）請求項４の発明も前記（１）と同様な効果が得られる。
（５）請求項５の発明も前記（１）と同様な効果が得られる。
（６）請求項６の発明も前記（１）と同様な効果が得られるとともに、平坦部を有するため貫入力の影響を受けないので、特性値をより高い精度で測定することができる。
（７）請求項７の発明も前記（１）と同様な効果が得られるとともに、よりスピーディに行なうことができ、礫などが多少混入していても計測することができる。
（８）請求項８の発明も前記（１）〜（３）と同様な効果が得られる。

本発明を実施するための第１の形態の概略説明図。本発明を実施するための第１の形態の抵抗体の正面図。本発明を実施するための第１の形態の縦断面図。図３の４−４線断面図。図３の５−５線断面図。本発明を実施するための第２の形態の概略説明図。本発明を実施するための第２の形態の抵抗体の正面図。本発明を実施するための第２の形態の縦断面図。本発明を実施するための第３の形態の概略説明図。本発明を実施するための第３の形態の抵抗体の正面図。本発明を実施するための第３の形態の抵抗体の平面図。本発明を実施するための第４の形態の概略説明図。本発明を実施するための第４の形態の抵抗体の正面図。図１３の１４−１４線断面図。

以下、図面に示す本発明を実施するための形態により、本発明を詳細に説明する。

図１ないし図５に示す本発明を実施するための第１の形態において、１は地盤の液状化強度や動的変形係数などを求めるための特性値を求めるサウンディング試験方法で、該サウンディング試験方法１はロッド２の先端部に、円筒状のカッティングシュー５を備えた抵抗体３を接続し、これを地面４に貫入させて測定深度で抵抗を測って土層の性状を深さ方向に調べるサウンディング試験方法１であって、下端部に前記中空の抵抗体３は、上端部が前記カッティングシュー５の径より大きい長軸径とカッティングシュー５の直径と同じか小さくした短軸径からなる断面形状楕円形で、長軸の頂点を結んだ貫入方向の勾配が５度以下の緩勾配稜線を有する楕円逆円錐台を輪切り状に分割した複数の載荷ユニット６を備え、前記中空の抵抗体３を地中に貫入しながら、あるいは貫入させてから回転して横方向繰返し載荷試験を行い、各載荷ユニット６に発生する回転抵抗トルクを測定して地盤の動的特性値を求めている。

また、このサウンディング試験方法１に用いられるサウンディング試験装置７は、ロッド２の先端部に、カッティングシュー５を備える抵抗体３を接続したものであって、前記抵抗体３は、一番内側の荷重（貫入力と回転力）を伝達する荷重伝達管８と、該荷重伝達管８の外周部にトルク伝達板９を介して設けられた、上端部が前記カッティングシュー５の径より大きい長軸径とカッティングシュー５の直径と同じ短軸径からなる楕円形で、長軸の頂点を結んだ貫入方向の勾配が５度以下の緩勾配稜線を有する楕円逆円錐台を輪切り状に分割した複数の載荷ユニット６とで構成されている。

なお、本発明において貫入方向の勾配は、載荷ユニットの上端部から下端部の長軸頂部を直線で結んだ場合の勾配をいう。また、ロッド２の先端部とは図１における下方の端部、すなわち中空の抵抗体３と接続される部位をいい、載荷ユニット６の上端部とは図１における上方の端部であり、下端部とは図１における下方の端部をいう。

前記載荷ユニット６は、貫入方向と垂直方向（水平方向）に分割された複数の載荷ユニット６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなり、荷重伝達管８の外周にトルク伝達板９を介してトルク伝達板固定ビス１０およびトルク伝達板アンカー１１で荷重伝達管８に固定されている。各載荷ユニット６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの間には弾性パッキン１２が挟みこまれ、４セットの載荷ユニット６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄをケーブル路１３に各種配線を収めてセットしたら保護ユニット１４を荷重伝達管８に接続し、その頭部に排土と荷重伝達のための荷重伝達門型支柱１５をセットする。また、載荷ユニット６の長軸の頂点を結んだ貫入方向の勾配（稜線１６）に沿って、接地圧計１７と間隙水圧計１８を埋め込んである。
なお、楕円の短軸径は下端部から上端部までカッティングシュー５の外径と同じである。従って、貫入時の地盤の横方向応力を下限とし、楕円形が長軸径の増分だけ、地盤を横方向に変形させ、１回転に２回繰返し載荷試験をすることになるので、片振幅変位制御型繰返し載荷試験になる。

中掘りしながら抵抗体３を貫入させることで地盤の乱れを極力抑止した状態で抵抗体３を地中に貫入し、回転して繰返し載荷試験を行い、トルクを始めとする各種地盤の特性値を求める。これらのデータを用いて繰返し回数Ｎｃとトルクの関係からＮｃ＝２０，４０，８０回に当たる１回目のトルクとの比Ｔｒを求めて、室内試験などによる従来の液状化強度との関係式を導いて測定対象地盤の深度方向の液状化推定強度を求める。

カッティングシュー５は、前記抵抗体３の一番内側の荷重（貫入力と回転力）を伝達する荷重伝達管８の下端部に接続されている。

抵抗体３の下端部に表面を平滑に仕上げたカッティングシュー５を付け、内部の土砂を排出しながら貫入すれば、貫入による測定地盤の乱れを抑止できる。下端部の円形と上端部の楕円形との間は、貫入軸線と平行に５度以下の緩勾配となる抵抗体長とし、その間は直線的に変化させた平滑仕上げの楕円逆錐台回転抵抗体とすることで、１回転につき、微少歪から連続的に大歪まで、それぞれ横方向載荷を２回行なうことができる。

この抵抗体３の回転により、カッティングシュー５の周面に働く自然地盤の水平応力を下限とする、または中立応力軸とする変位制御の繰返し載荷試験を行うことが出来る。この抵抗体３は、下端部の円形から上端部の楕円形に軸方向に直線的に変化させ、かつこの抵抗体３を３分割以上に輪切状にした載荷ユニット６の回転による横方向載荷試験で発生するトルクの他に、長軸径頂部の地盤との接地圧、間隙水圧などの測定を行うことができる。

試験は、抵抗体の内部を掘削しながら貫入し、抵抗体３が測定深度に達したら貫入させずに回転し、１０回転以上で２０回以上横方向繰返し載荷試験を行い、上記の各種測定値と室内非排水繰返し試験による液状化強度との相関性から液状化強度を求める。

もっとスピーディに試験するためには、抵抗体長分だけ定速貫入する間に１０回転で２０回繰返し載荷試験を行うと、各測定深度では微少歪レベルから大歪まで連続的に繰返し載荷をして最大変位載荷時に２０波になるようにすることで液状化強度相当値を求めることが可能になる。これは室内非排水繰返し試験で丁度２０回の載荷で歪が５％に達する変位振幅曲線を直線的に近似させた試験法である。ただし、室内試験の５％歪に対応する楕円体の繰返し回転載荷試験時の歪レベルは同一ではないので、今後、多様な地盤についての計測結果を待つことになる。

測定データは、図示していない貫入回転のためのロッド２下端部に設けたメモリーユニットに一時保管する方法とケーブルをロッド２内に通して地上で無線で送信する方法がある。図示していない地上の装置により抵抗体３の中堀を既技術の泥水ジェットなどで行い、回転貫入は既に実用化されている自動化されたＳＷＳ装置などによることができる。
なお、本実施の形態においては、載荷ユニット６の楕円の短軸径は下端部から上端部までカッティングシュー５の外径と同じに形成しているが、本発明はこれに限られず、短軸径をカッティングシューの外径よりも小さく形成してもよい。

［発明を実施するための異なる形態］
次に、図６ないし図１４に示す本発明を実施するための異なる形態につき説明する。なお、これらの本発明を実施するための異なる形態の説明に当って、前記本発明を実施するための第１の形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

図６ないし図８に示す本発明を実施するための第２の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は、それぞれ貫入方向に対して平行（鉛直）な平坦部１９と、該平坦部１９の下部に傾斜面２０を形成するとともに、下方に弾性パッキン１２を介して接続される載荷ユニットの平坦部１９の長半径が上方に接続された載荷ユニットの傾斜面２０の下端部の長半径と略同一となるように形成し、複数の載荷ユニット６Ａの全体として貫入方向の勾配が５度以下となる載荷ユニット６Ａを備えた抵抗体３Ａを用いたサウンディング試験装置７Ａおよび該サウンディング試験装置７Ａを用いたサウンディング試験方法１Ａにした点で、このような構成にしても前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られるとともに、平坦部１９を有するため貫入力の影響を受けないので、特性値をより高い精度で測定することができる。

図９ないし図１１に示す本発明を実施するための第３の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は、水平方向に分割せず、貫入方向の勾配が５度以下となるように螺旋状（スパイラル状）に形成した載荷ユニット６Ｂを備えた抵抗体３Ｂを用いたサウンディング試験装置７Ｂおよび該サウンディング試験装置７Ｂを用いたサウンディング試験方法１Ｂにした点で、このような構成にしても前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られるとともに、楕円逆円錐台回転体に螺旋状に溝を入れたものと同様な形状で、先端部に切削刃をつけて回転による掘削貫入を容易行うことができる。

そのためスピーディに、回転させるだけで排土と貫入作業を同時に行い、回転抵抗体には測定計器を無くし、図示していない地上部の貫入力計、深度計、トルク計で計測して、トルク比Ｔｒとの相関関係から液状化強度などを推定する関係式を導いて測定対象地盤の深度方向の液状化推定強度を求めることができる。

図１２ないし図１４に示す本発明を実施するための第４の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は、短半径の長さが異なる楕円形の載荷ユニット６Ｃを備えた抵抗体３Ｃを用いたサウンディング試験装置７Ｃおよび該サウンディング試験装置７Ｃを用いたサウンディング試験方法１Ｃにした点で、このような構成にしても前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られるとともに、両振幅変位制御繰返し載荷試験を行うことができる。

本発明は地震時の土構造物、土砂斜面、各種基礎などの設計に必要な地盤情報、特に地震などの繰返し作用する外力に対する地盤物性値を求めることは重要である。地盤は種々雑多な環境下で堆積、あるいは造成されたもので、一様性に欠けている。そのため、簡易でスピーディな手法で深度方向に連続的に、かつ出きるだけ多くの地点で調査することが望まれている。当該発明は少数地点での高精度調査ではなく、このような社会的要求に答えるものであり、サウンディング試験を行う産業で利用される。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ：サウンディング試験方法、
２：ロッド、３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ：抵抗体、
４：地面、５：カッティングシュー、
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ：載荷ユニット、
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ：サウンディング試験装置、
８：荷重伝達管、９：トルク伝達板、
１０：トルク伝達板固定ビス、１１：トルク伝達板固定アンカー、
１２：弾性パッキン、１３：ケーブル路、
１４：保護ユニット、１５：荷重伝達門型支柱、
１６：稜線、１７：接地圧計、
１８：間隙水圧計、１９：平坦部、
２０：傾斜面。

Claims

ロッドの先端部に、カッティングシューを備える中空の抵抗体を接続し、これを地中に貫入させて測定深度で抵抗を測って土層の性状を深さ方向に調べるサウンディング試験方法であって、前記中空の抵抗体は、上端部の水平面で切断した断面形状が前記カッティングシューの直径より大きい長軸径とカッティングシューの直径と同じか小さくした短軸径からなる楕円形であり、かつ長軸の頂点を結んだ貫入方向の勾配が５度以下の載荷ユニットを備え、前記中空の抵抗体を地中に貫入しながら、又は貫入させてから回転するかのいずれかにより横方向繰返し載荷試験を行い、前記載荷ユニットに発生する回転抵抗トルクを測定して地盤の動的特性値を求めるサウンディング試験方法。
前記中空の抵抗体に備える載荷ユニットに発生する回転抵抗に加え、楕円形の長軸頂部の接地圧、間隙水圧およびせん断応力を測定して地盤の動的特性値を求めることを特徴とする請求項１記載のサウンディング試験方法。
前記中空の抵抗体の短軸径の下端部はカッティングシューと同径にし、これより上部は外側に１〜２度の緩勾配とし、長軸径はこれより急勾配とする楕円逆錐台の短軸径面に載荷ユニットに接地圧計、間隙水圧計およびせん断応力計を装着した中空の抵抗体を地中に非回転貫入することで地盤の静的強度・変形係数を測定してから回転して横方向繰返し載荷試験を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載されたサウンディング試験方法。
ロッドの先端部に、カッティングシューを備える中空の抵抗体を接続し、これを地中に貫入させて測定深度で抵抗を測って土層の性状を深さ方向に調べるサウンディング試験装置であって、前記中空の抵抗体は、一番内側の荷重を伝達する荷重伝達管と、該荷重伝達管の外周部にトルク伝達板を介して設けられた載荷ユニットとで構成され、該載荷ユニットは、上端部の水平面で切断した断面形状が前記カッティングシューの直径より大きい長軸径とカッティングシューの直径と同じか小さくした短軸径からなる楕円形であり、かつ長軸の頂点を結んだ貫入方向の勾配が５度以下であることを特徴とするサウンディング試験装置。
前記載荷ユニットは、貫入方向と垂直方向に分割された複数の載荷ユニットからなることを特徴とする請求項４に記載のサウンディング試験装置。
前記複数の載荷ユニットは、それぞれ貫入方向に対して平行な平坦部と、該平坦部の下部に設けられた勾配部を有し、複数の載荷ユニットの全体として貫入方向の勾配が５度以下となることを特徴とする請求項５に記載のサウンディング試験装置。
前記載荷ユニットは、貫入方向の勾配が５度以下となるように螺旋状に形成したことを特徴とする請求項４に記載のサウンディング試験装置。
前記載荷ユニットの短軸径の下端面はカッティングシューと同径にし、これより上部は外側に１〜２度の緩勾配とし、長軸径はこれより急勾配に形成するとともに、楕円逆錐台の短軸径面に接地圧計、間隙水圧計およびせん断応力計を装着したことを特徴とする請求項４〜請求項７のいずれかに記載のサウンディング試験装置。