JP2003321828A - 打撃貫入に伴うｓ波振幅を用いた地盤調査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単純な測定システムでありながら、測定デー
タのばらつきが少なく、作業性が良好で、地盤強度を正
しく評価できるようにする。 【解決手段】 先端にコーン１０を取り付けたロッド１
２を地盤に打撃貫入し、それに伴い発生する弾性波を地
表に設置したＳ波センサ２２で検出し、貫入体深度とＳ
波振動の最大振幅を求め、伝播距離補正したＳ波最大振
幅により当該深度での貫入抵抗値を推定し地盤の力学特
性を評価する。Ｓ波センサの検出信号を、Ａ／Ｄ変換に
よりデジタル化し、データ収録部でデジタル記録すると
共に数値化したＳ波振幅をコンピュータでデータ処理し
て自動的にＳ波の最大振幅を求め、それぞれの貫入体深
度における貫入抵抗値を解析する。使用するＳ波センサ
は、鉛直成分と水平成分の２成分を検出できる速度計タ
イプの地震計が好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、打撃貫入時に発生
するＳ波振動の最大振幅から貫入抵抗値を推定して地盤
の力学特性を評価する地盤調査方法に関するものであ
る。この技術は、構造物などを建設する際の設計指針と
なる地盤のＮ値に相当する貫入抵抗値を簡便に且つ効率
よく経済的に求めるのに有用である。

【０００２】

【従来の技術】自然物あるいは人工物からなる地盤に構
造物などを建設する際には、予め当該地盤の力学的特性
を把握し、それに基づいて適切な構造物設計を実施する
必要がある。そのために、種々の地盤調査法が提案され
実用に供されている。

【０００３】地盤の強度を調査する代表的な方法とし
て、日本工業規格で定められている標準貫入試験法（Ｊ
ＩＳ Ａ １２１９）がある。これは、原位置における
土の硬軟、締まり具合の相対値を知るためのＮ値を求め
る試験法である。具体的には、ロッドの先端に標準貫入
試験用サンプラを取り付け、削孔したボーリング孔底に
降ろし、地上においてロッドをハンマ（６３．５kg）の
自由落下（落下高さ７６cm）により打撃して、孔底より
１５〜４５cm間の３０cmを貫入させるのに必要な打撃回
数（Ｎ値）を求める。この標準貫入試験法によって求め
られるＮ値は、複雑な地盤構成の我が国において、構造
物の設計指標として長年用いられてきた。

【０００４】しかし、試験孔の掘進のためにボーリング
マシン及びボーリングポンプ等を必要とし、また掘削に
伴う孔壁の安定のために泥水（建設汚泥）の使用を余儀
なくされ、試験に際しての孔底のスライムの除去作業や
１５cmの予備打ち作業など、調査作業が煩雑で、経験を
要し、しかも調査に時間がかかる等の欠点があった。こ
のような標準貫入試験は、本質的に、ハンマやノッキン
グヘッドの形状、ロッドの撓み、掘削孔の状況、作業の
仕方、その他諸々の条件によって、打撃エネルギーが安
定せず、測定値のばらつきが大きくなりやすい。しか
も、測定間隔が広いため、深度方向の詳細な地盤情報が
得にくい。そのため、最近では、設計荷重（特に地震外
力）の増大や限界状態設計法（信頼性設計）の導入に伴
い、いままでＮ値が内在してきた様々な誤差が大きな問
題となってきている。

【０００５】標準貫入試験法に代わるサウンディング法
の一つに、動的貫入試験法（オートマチックラムサウン
ディングなど）がある。これは、先端にコーンを取り付
けたロッドをハンマ（６３．５kg）の自由落下（落下高
さ５０cm）により地盤に連続的に打ち込み、貫入長２０
cm毎の打撃回数（Ｎｄ′値）を求める方法である。貫入
に伴ってロッド周面には土との摩擦抵抗が生じるため、
所定の貫入量毎にロッドに作用するトルクＭｖを測定し
て、次の補正式Ｎｄ＝Ｎｄ′−ａ・Ｍｖ（但し、ａは係
数）によって先端部での貫入抵抗値Ｎｄを求める。これ
によって得られたＮｄ値は、Ｎｄ≒Ｎとして評価され利
用される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ボーリングを必要とし
ない動的貫入試験法では、砂礫などの貫入抵抗の大きな
地層が介在すると、その打撃貫入に時間を要し、場合に
よっては貫入が不可能となる。更に、先端のコーンに連
なるロッドと周囲地盤との摩擦による影響が先端部の貫
入抵抗値Ｎｄに影響することになる。即ち、ロッド地表
側で打撃したエネルギーがロッドと周囲の摩擦による損
失により先端のコーンに完全に伝達されないために、得
られる貫入抵抗値が過大に評価される。このため前記の
ように、動的貫入試験においては、各貫入試験毎にロッ
ドを回転させて最大トルクを測り、これをもってロッド
と周囲地盤との摩擦力として補正することで、先端部で
の貫入抵抗値を求める手順を踏まなければならない。こ
のような手順は、作業性を損ね、データの信頼性にも影
響を及ぼす。

【０００７】本発明の目的は、単純な測定システムであ
りながら、測定データのばらつきが少なく、作業性が良
好で、地盤強度を正しく評価できる方法を提供すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、地表面に
地震計を設置して打撃貫入試験を行い、打撃貫入により
発生した弾性波を検出し解析した結果、Ｓ波（剪断波）
の最大振幅とＮ値との間に相関があることを見出した。
例えば、地盤（測定対象土）のＮ値が大きい砂質土（砂
や砂礫）の場合にはＳ波の振幅が大きくなり、Ｎ値が小
さい粘性土の場合にはＳ波の振幅が小さくなる。Ｓ波振
幅は打撃エネルギーの大きさに依存するので打撃エネル
ギーが安定することが条件となるが、Ｓ波の最大振幅を
測定することで直接貫入抵抗を評価することができる。
本発明は、かかる知得に基づき完成されたものである。

【０００９】本発明は、先端に貫入体を取り付けたロッ
ドを地盤に打撃貫入し、それに伴い発生する弾性波を地
表に設置したＳ波センサで検出し、貫入体深度とＳ波振
動の最大振幅を求め、伝播距離補正したＳ波最大振幅に
より当該深度での貫入抵抗値を推定し地盤の力学特性を
評価することを特徴とする地盤調査方法である。

【００１０】本発明では、Ｓ波センサの検出信号を、Ａ
／Ｄ変換によりデジタル化し、データ収録部でデジタル
記録すると共に、数値化したＳ波振幅をコンピュータで
データ処理して自動的にＳ波の最大振幅を求め、それぞ
れの貫入体深度における貫入抵抗値を解析する。この方
法は、深度方向に連続的に打撃を行うことで、深度方向
に連続的に地盤の貫入抵抗値を求めて表示することがで
きる。使用するＳ波センサは、鉛直成分と水平成分の２
成分を検出できる速度計タイプの地震計が好ましい。

【００１１】Ｓ波センサの設置位置は任意であるが、打
撃貫入地点から、調査計画深さの０．５〜１．５倍の距
離だけ離れた位置とするのが好ましく、調査計画深さと
同程度の水平距離離れた位置に設定するのが最適であ
る。打撃貫入地点に近すぎると作業ノイズが入りやす
く、遠すぎると直接波を検知し難くなるからである。従
って、調査計画深さが深くなるほど離れた位置に設置す
るのがよいが、Ｓ波センサ設置の作業性を考慮して、あ
る程度の深度範囲の調査を終えた時点でＳ波センサの設
置位置を変えるのが好ましい。Ｓ波センサは、１個でよ
いが、複数個間隔をおいて配設してもよいことはいうま
でもない。

【００１２】

【発明の実施の形態】先端に貫入体を取り付けたロッド
を、ハンマの自然落下あるいは強制落下によって一定の
打撃エネルギーで地盤に打撃貫入する。他方、打撃貫入
地点から任意の距離（好ましくは貫入体深度と同程度の
距離）離れた地表にＳ波センサを設置し、Ｓ波振幅を観
測できるようにしておく。打撃貫入に伴い発生したＳ波
振動をＳ波センサで検出する。Ｓ波検出信号をＡ／Ｄ変
換によりデジタル化してデータ収録部でデジタル記録
し、数値化したＳ波振幅をパーソナルコンピュータでデ
ータ処理して自動的にＳ波の最大振幅を求め、それぞれ
の貫入体深度における貫入抵抗値を推定して地盤の力学
特性を評価する。

【００１３】本発明方法では、深度方向に連続的に打撃
を行い、深度方向に連続的に地盤の貫入抵抗値を求める
ことができる。打撃貫入は、従来同様ハンマの自由落下
を利用してもよいが、打撃貫入能力の大きな貫入装置
（例えば油圧ハンマやディーゼルハンマ等）を用いるこ
ともできる。それによって打撃貫入の作業効率が高まる
ほか、砂礫層や固結度の高い地盤など貫入抵抗の大きな
地盤や大深度への適用が可能となる。

【００１４】観測した弾性波の波形は、データ収録部で
収録・保存する。また、この時の貫入体とＳ波センサと
の相対位置情報、利得情報、その他のデータ収録条件に
関わる各種情報をヘッダに記録しておけば、事後の解析
・結果表示が容易になるため好ましい。

【００１５】Ｓ波センサは、地表面に設置するのが作業
性もよく好ましいが、既設の地質調査用のボーリング孔
等の中に設置することも可能である。ハンマによる打撃
により、先端の貫入体が地盤を破壊して地中に貫入する
際に弾性波が発生する。この弾性波は周囲地盤中を伝播
して、Ｓ波センサに到達する。勿論、地層境界があれ
ば、そこでの反射波や屈折波などもＳ波センサに到達す
るが、この到達波を直接波と仮定した場合の最大振幅が
地盤の貫入抵抗値に寄与する。先端の貫入体とＳ波セン
サとの相対位置は各打撃毎に変化し、弾性波の伝播距離
に応じて減衰量が異なるので、振幅についての伝播距離
減衰補正を行う必要がある。つまり貫入体深度からＳ波
センサまでの伝播距離は計算可能なので、振幅の減衰を
その伝播距離に応じて補えばよい。この補正は、パーソ
ナルコンピュータによって自動的に行える。本発明のＳ
波振幅を観測する方法は、５０ｍ程度以下の深度であれ
ば十分に対応できる。

【００１６】予め貫入抵抗値が既知である地盤におい
て、弾性波の振幅との関係付けを行っておけば、以後の
測定においては、弾性波振幅から直接的に貫入抵抗値を
求めることができる。これら一連の計算アルゴリズム
は、コンピュータ内に組み込むことは容易であり、最大
振幅の読み取りから貫入抵抗値の算出まで自動的に解析
処理することもできる。

【００１７】本発明方法は、従来の動的貫入試験のよう
なロッドと周囲摩擦の補正作業を必要としないため、深
度方向に連続的に調査を実施することができ、それ故、
深度方向の貫入抵抗値の分布も連続的に求めることがで
きる。これにより、従来方法に比較して、深度方向で密
な貫入抵抗値分布を求めることができ、精度の良い地盤
評価を行うことができる。

【００１８】

【実施例】図１は、本発明方法の実施に用いる測定シス
テムの一例を示す説明図である。打撃貫入装置自体は、
標準貫入試験やオートマッチックラムサウンディングな
ど従来用いられている装置をそのまま使用することがで
きる。勿論、その他任意の打撃貫入装置を用いてもよい
が、打撃エネルギーが安定していることが重要である。
図１では、ロッド１０の先端部（下端）にコーン１２を
取り付け、上端のノッキングヘッド１４にハンマ１６を
所定位置から自由落下させることにより打撃貫入する構
成のオートマッチックラムサウンディング装置を用いる
例を示している。

【００１９】打撃貫入装置２０から任意の距離Ｌだけ離
れた地表面にＳ波センサ２２を設置する。設置位置は、
貫入体深度Ｄと同程度の距離離れた地点が最適である
が、その深度は打撃貫入によって変化するため、上記Ｌ
は（０．５〜１．５）Ｄ程度だけ離れた地点でよい。但
し、コーンとＳ波センサとの相対位置を正しく把握でき
るようにする必要があり、打撃貫入毎にその貫入体深度
Ｄも測定する。Ｓ波センサ２２は、鉛直成分と水平成分
の２成分を検出する地震計でよく、ここでは速度計タイ
プのものを用いている。Ｓ波センサ２２の出力信号は、
測定器２４に導かれて、そこで増幅され、Ａ／Ｄ変換さ
れて、データ収録部で記録される。また、数値化された
Ｓ波振幅は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２６でデ
ータ処理され、自動的にＳ波の最大振幅が求められ、そ
れぞれの打撃箇所（貫入体深度）における貫入抵抗値が
解析されて表示される。

【００２０】ハンマ１６によるノッキングヘッド１４へ
の打撃により、先端のコーン１２が地盤を破壊し、地中
に貫入する。その際、弾性波が発生する。この弾性波
は、周囲地盤中を伝播し、地表に設置したＳ波センサ２
２に到達する。貫入体位置から直接Ｓ波センサに至る直
接波のみならず、地層境界があれば、そこでの反射波や
屈折波もある。先端のコーン１２とＳ波センサ２２との
相対位置は、打撃毎に変化することから、弾性波の伝播
距離に応じて減衰量が異なることになるので、コーン１
２とＳ波センサ２２との距離を用いて到達するＳ波最大
振幅の距離減衰補正を行う。本方法では、貫入体深度が
５０ｍ程度以浅であれば、Ｓ波の伝達経路に無関係に最
大振幅からＮ値を推定することが可能である。

【００２１】図２に、標準貫入試験機を用いて、その打
撃を振源とした場合の弾性波観測結果の一例を示す。Ａ
は標準貫入試験によるＮ値を、Ｂは標準貫入試験機設置
位置から２０ｍ離れた地点に設置した地震計で検出した
振動波形を示し、Ｃは標準貫入試験により得られたＮ値
と振幅の距離減衰補正後のＳ波最大振幅との対比を示
す。この結果から、Ｎ値と弾性波の振幅に良好な対応傾
向があることが確認できる。即ち、測定対象土のＮ値が
大きい砂や砂礫の場合にはＳ波の振幅が大きくなり、地
盤のＮ値が小さい粘土質の土の場合にはＳ波の振幅が小
さくなる。

【００２２】次に動的貫入試験（オートマチックラムサ
ウンディング）における動的貫入抵抗Ｎｄ値とＳ波振幅
の関係を図３に示す。これは、ラムサウンディング試験
を実施し、その１打撃毎にロッドの貫入量とその際に発
生したＳ波を測定したものである。そして、１打撃毎の
貫入量から、２０cm当たりの打撃回数に換算したＮｄ値
（トルクによるロッド周面摩擦の影響を補正した先端部
での貫入抵抗値）を求め、また、その打撃によるＳ波の
最大振幅を距離減衰補正した。Ａは地下水位以浅（不飽
和）の場合であり、Ｂは地下水位以深（飽和）の場合で
ある。なお、図３では深度１１〜１７ｍ付近の砂礫層の
データは除いている。

【００２３】図３から、Ｎｄ値とＳ波振幅の関係は不飽
和土と飽和土において異なるが、他方、土質による違い
は殆ど無いことが分かる。これは、打撃貫入による土の
急速な破壊は、土の透水性に関わらず非排水剪断強度に
依存するためである。そのため、境界となる地下水位の
把握が重要となる。この図３から得られたＳ波振幅とＮ
ｄ値の関係式を用いて、Ｓ波振幅よりＮｄ値を推定し、
これをＮｓ値としてＮｄ値並びにＮ値と比較した結果を
図４に示す。図４から分かるように、全体的にＮｓ値と
Ｎｄ値並びにＮ値は良く適合し、砂礫層に相当する深度
１１〜１７ｍでは、動的貫入試験結果のＮｄ値並びに標
準貫入試験結果のＮ値が過大な値を示すことが分かる。

【００２４】実際の調査の手順を図５に示す。まず、必
要に応じて使用する打撃貫入装置の適用試験を行う。従
来の標準貫入試験により地質並びにＮ値が既知である地
盤において、用いようとする打撃貫入装置と標準貫入試
験とのそれぞれの貫入抵抗値の関係を明らかにする。こ
れは、１箇所以上で行う。用いようとする打撃貫入装置
が、オートマッチックラムサウンディング等の既にＮ値
との相関が認められている装置の場合には、この適用試
験を行う必要はない。この適用試験は、必ずしも調査現
場で実施する必要はなく、任意の試験サイトで行ってよ
い。

【００２５】次に調査現場において予備調査を行う。こ
の予備調査は、用いようとする打撃貫入装置とその打撃
貫入によって発生した弾性波（Ｓ波）の最大振幅との関
係を求めるための調査であり、最低１箇所で行う。この
場合、オートマッチックラムサウンディングのように、
それぞれの関係が既に明らかな場合には、その関係が適
用できることを確認するだけでよい。即ち、調査現場に
おいて予め地質が既知の場合（標準貫入試験が行われて
いる場合）には、その近傍で予備調査を実施すること
で、前記適用試験並びにこの予備調査の目的を達成する
ことができる。標準貫入試験が行われていない場合は、
標準貫入試験時にＳ波観測を行えばよい。それによって
サンプラで同時に土質試料を採取することができる。

【００２６】そして本調査を行う。本調査は、上記の打
撃貫入装置を使用し、その貫入体深度毎の弾性波（Ｓ
波）測定を連続的に行って最大振幅を求めるものであ
る。打撃貫入に伴うトルク測定は必要ない。貫入試験終
了後は、貫入孔の孔内水位を測定し、地下水位を確認す
る。この作業は、調査現場内で必要箇所について繰り返
し行う。

【００２７】最後に結果の整理を行う。Ｓ波振幅により
得られた貫入抵抗値を深度毎に示し（貫入曲線）、その
貫入抵抗値の分布状況から地質を想定して表す。本方法
は、深度方向に連続的に実施することができるので、深
度方向の貫入抵抗値の分布を連続的に求めることができ
る。これにより、従来方法に比較して、密な貫入抵抗値
分布を求めることができ、精度の良い地盤評価（地層区
分並びにＮ値の推定）を行うことが可能となる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は上記のように、打撃貫入装置か
ら任意の距離離れた地点にＳ波センサを設置して、貫入
体深度と共に弾性波の最大振幅を測定する方法なので、
簡単な測定システムで、容易に、経済的に、調査作業が
行える。また、弾性波の振幅情報を用いるものなので、
ロッドと周囲の摩擦によるデータのばらつきの影響が少
なく、土質によらず地盤の強度を正しく評価することが
できる。

【００２９】本発明方法は、打撃貫入がハンマの自然落
下に限られないため、油圧ハンマなど打撃貫入能力の大
きな貫入装置を用いることもでき、貫入抵抗の大きな地
盤や大深度への適用が可能となる。また、ロッドと周囲
摩擦の補正作業を必要としないため、作業能率を大幅に
向上させることができるし、連続的に密な測定が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法で用いる試験装置の一例を示す説明
図。

【図２】標準貫入試験のＮ値とＳ波最大振幅の対比関係
を示す説明図。

【図３】動的貫入試験のＮｄ値とＳ波振幅の関係を示す
説明図。

【図４】換算Ｎｄ値、Ｓ波振幅から推定したＮｓ値とＮ
値の深度分布図。

【図５】調査手順を示す説明図。

【符号の説明】

１０ ロッド １２ コーン １４ ノッキングヘッド １６ ハンマ ２０ 打撃貫入装置 ２２ Ｓ波センサ ２４ 測定器 ２６ パーソナルコンピュータ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2D043 AB02 AB08 AC01 BA01 BB04 2G047 AA10 BC03 CA03 CB01 EA10 GA13 GG24

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端に貫入体を取り付けたロッドを地盤
   に打撃貫入し、それに伴い発生する弾性波を地表に設置
   したＳ波センサで検出し、貫入体深度とＳ波振動の最大
   振幅を求め、伝播距離補正したＳ波最大振幅により当該
   深度での貫入抵抗値を推定し地盤の力学特性を評価する
   ことを特徴とする地盤調査方法。
2. 【請求項２】 Ｓ波センサの検出信号をＡ／Ｄ変換によ
   りデジタル化し、データ収録部でデジタル記録すると共
   に、数値化したＳ波振幅をコンピュータでデータ処理し
   て自動的にＳ波の最大振幅を求め、それぞれの貫入体深
   度における貫入抵抗値を解析する請求項１記載の地盤調
   査方法。
3. 【請求項３】 深度方向に連続的に打撃貫入を行い、深
   度方向に連続的に地盤の貫入抵抗値を求めて表示する請
   求項２記載の地盤調査方法。
4. 【請求項４】 Ｓ波センサが、鉛直成分と水平成分の２
   成分を検出する地震計である請求項１乃至３のいずれか
   に記載の地盤調査方法。
5. 【請求項５】 Ｓ波センサの設置地点の打撃貫入地点か
   らの水平距離を、調査計画深さの０．５〜１．５倍の範
   囲に設定する請求項４記載の地盤調査方法。