JP2005155077A - 原位置地盤の鉛直方向透水試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 定常法による透水試験を可能にした原位置地盤の鉛直方向透水試験装置を提供する。
【解決手段】 地盤を掘削するために回転される外管と、外管ロッドと、前記外管の内部に非回転状態に収納され不攪乱試料を取り込む中管と、中管ロッドと、前記中管の内周面に沿って設置され中管に取り込んだ不攪乱試料と中管との間の水みちを塞ぐべく膨脹され又は収縮が自在な内管とから成り、前記中管ロッドの内部に設置された揚水ポンプ、及び前記中管の上下の位置に設置された水圧計を備え、更に前記内管を膨張させる手段、及びデータ処理手段を含む構成の原位置地盤の鉛直方向透水試験装置であって、
孔内の水位を水圧で測定して前記揚水ポンプ１７の駆動と停止を自動制御する水圧計１が中管ロッド１５内に設けられ、当該水圧計１と前記揚水ポンプ１７とが自動制御系３で接続されている。
【選択図】
【図２】

Description

この発明は、原位置地盤の鉛直方向の透水係数を不攪乱試料により測定する透水試験装置の技術分野に属し、更に言えば、単孔式の透水試験であって、先の特願２００３−３５４１９０の発明に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置を改良した装置に関する。

地盤の透水係数の測定は、例えば薬液注入工法を実施する事前の調査として、或いは地中構造物の建設において、環境への影響予測、施工時の地盤の安定性確保または湧水処理等を適切に行うために必要とされる。

透水試験装置に関する従来技術として、下記の特許文献１〜４に開示された透水性試験装置は、主として水平方向の透水係数を測定する装置であり、真正な鉛直方向の透水係数を測定することはできない。

特許第３３８８１４４号公報 特開平５−２３９８１８号公報 特許第２７９６７４８号公報 特許第２７００１８号公報

今般、本出願人は、先の特願２００２−１２９７０８号の発明に係る地盤の透水異方性の測定方法を実施するのに好適で、且つ真正な鉛直方向の透水係数を求めることができる鉛直方向透水試験装置を開発し別途特許出願した（上記特願２００３−３５４１９０）。

図４は、前記鉛直方向透水試験装置の実施概要を示し、図５は、同鉛直方向透水試験装置の主部１１の構造を詳細に示している。この鉛直方向透水試験装置は、図４に示したように、予め掘削したボーリング孔１０の孔底１０ａから、主部１１を地盤中に貫入して不攪乱試料Ｓを取り込み、そのまま原位置で鉛直方向透水試験を行い、地上のパーソナルコンピュータ２０にデータを入力するなどして透水試験を行うものである。ちなみに、図４中の符号１８は掘削機械、符号１９は揚水量計器、符号１９ａは揚水ホース、符号２１は掘削機械１８の回転ヘッド、符号２２はウオータースイベル、符号２３は中管ロッド１５の支持体、符号２４は掘削流体の給水管を示している。

主部１１は、図５に示したように、ボーリング孔１０の孔底１０ａの直下地盤を掘削するために回転される外管１２と、同外管１２の上端を一体的に支持して回転力を伝達する管状の外管ロッド１３と、前記外管１２の内部に非回転状態に収納されて不攪乱試料Ｓを取り込む中管１４と、同中管１４を非回転状態に支持する管状の中管ロッド１５と、同中管１４の内周面に沿って設置され中管１４に取り込んだ不攪乱試料Ｓと中管１４との間の水みちを塞ぐべく膨張され又は収縮が自在な内管１６とで構成されている。

前記中管１４の中へ取り込まれた不攪乱試料Ｓは、前記内管１６を膨張させることで水みちが閉塞される。しかる後に揚水ポンプ１７を駆動して不撹乱試料Ｓより上方の中管１４及び中管ロッド１５の内部に滞留する地下水を揚水して水圧を低下させて不攪乱試料Ｓの上端と下端との間に水頭差（水圧差）を発生させることにより、不攪乱試料Ｓの内部に鉛直方向上向きの浸透流（図５の矢印）が発生する。その際の揚水ポンプ１７の揚水量を揚水量計器１９で測定し、不攪乱試料Ｓの上端及び下端位置の水圧を水圧計９ａ、９ｂで計測し、既知量である不攪乱試料Ｓの長さ及び直径との相関関係を基に演算して、真正な原位置地盤の鉛直透水係数を求める。

ところで、単孔式の透水試験には、大別して、中管ロッド内の地下水位を一時的に低下させ、この際の水位変化を時間的に測定して透水係数を求める非定常法と、中管ロッド内の地下水に一定流量を揚水し、所定の水位差を計測して透水係数を求める定常法とがある。

前記非定常法による透水試験は通常、ベイラーを用いて孔内水の揚水を行うが、揚水停止後に孔内水の水位を手動で測定するため、揚水中に前記水位を測定したり制御したりすることができないという問題がある。また、孔内水位が平衡状態に達するまでの回復時間は地盤の透水性によって異なり、一般的には一昼夜又は翌日まで計測を行う必要があり、不経済に過ぎるという問題がある。孔内水位の低下量が過多となると試験孔内においてボイリング（地下水が土粒子を攪拌しながら湧き出す現象）発生等のため地盤を乱し、透水性を損なうという問題もある。さらに、水位の変化は揚水停止直後がもっとも激しいが、揚水停止と同時に又は直後に水位の測定を開始することができず、水位の測定結果に大きな誤差を生じるという問題がある。

よって、単孔式の透水試験は、前記種々の問題が生じる非定常法による透水試験と比して、前記種々の問題が生じる虞のない定常法による透水試験を行うことが、経済的にも、試験結果の信頼性においても好ましい。

上述した先の特願２００３−３５４１９０に開示した技術は、真正な鉛直方向の透水係数を測定できる点で注目される。
しかし、この原位置地盤の鉛直方向透水試験装置は、透水試験を実施するに際し、揚水ポンプ１７は備えているけども、非定常法で実施するのか、それとも定常法で実施するのかについての具体的な技術手段は記載されていない。

本発明の目的は、先の特願２００３−３５４１９０に開示した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置を構成する揚水ポンプの制御手段に工夫を施すことにより、定常法による透水試験を可能にした原位置地盤の鉛直方向透水試験装置を提供することである。

上述した従来技術の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置は、
地盤を掘削するために回転される外管１２と、前記外管１２を支持し回転力を伝達する管状の外管ロッド１３と、前記外管１２の内部に非回転状態に収納され不攪乱試料Ｓを取り込む中管１４と、前記中管１４を非回転状態に支持する管状の中管ロッド１５と、前記中管１４の内周面に沿って設置され中管１４に取り込んだ不攪乱試料Ｓと中管１４との間の水みちを塞ぐべく膨脹され又は収縮が自在な内管１６とから成り、前記中管ロッド１５の内部に設置された揚水ポンプ１７、及び前記中管１４の上下の位置に設置された水圧計９ａ、９ｂを備え、更に前記内管１６を膨張させる手段、及びデータ処理手段１９、２０を含む構成の原位置地盤の鉛直方向透水試験装置であって、
孔内の水位を水圧で測定して前記揚水ポンプ１７の駆動と停止を自動制御する水圧計１が中管ロッド１５内に設けられ、当該水圧計１と前記揚水ポンプ１７とが自動制御系３で接続されていることを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置において、自動制御系は、孔内の水位を鉛直方向の透水試験に適した水位差に維持するべく、中管ロッド１５内に設けられた水圧計１の測定値に応じて揚水ポンプ１７の駆動と停止を繰り返すように制御されていることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置において、中管ロッド１５内に設けられた水圧計１は、揚水ポンプ１７の上端部近傍位置に設けられ、当該水圧計１の信号ケーブル２と揚水ポンプ１７の揚水ホース１９ａとは合一に束ねられていることを特徴とする。

本発明に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置によれば、定常法による透水試験を実現する自動制御系３を備えているので、地下水位の測定および水位制御を自動的に誤差なく行うことが可能となる。非定常法と比して、短時間で透水試験を完了することができるので経済的である。また、短時間で透水試験を行えるので、複数の水位差条件における透水係数を測定することが可能となり、試験結果の信頼性が向上する。地下水の低下量も少ないのでボイリングが発生する虞がなく、透水性を損なうこともない。

請求項１〜３に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置は、経済的にも、試験結果の信頼性においても好ましいとされる所謂定常法による透水試験を行うべく、以下のように実施される。

本発明に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の構成概要を図１に示す。図１は、現地の地盤中に試験対象の直上深さまで掘削したボーリング孔１０の孔底１０ａへ到達する位置まで鉛直方向透水試験装置の主部１１が挿入された段階を示している。

本発明により改良した主部１１は、図２に示す構成とされている。即ち、前記ボーリング孔１０の孔底１０ａの直下地盤を掘削するために回転される外管１２と、前記外管１２の上端を一体的に支持して回転力を伝達する管状の外管ロッド１３と、前記外管１２の内部に非回転状態に収納され不攪乱試料Ｓを取り込む中管１４と、前記中管１４を非回転状態に支持する管状の中管ロッド１５と、前記中管１４の内周面に沿って設置され中管１４に取り込んだ不攪乱試料Ｓと中管１４との間の水みちを塞ぐべく膨脹され又は収縮が自在な内管１６とで、いわば三重管式構造に構成されていることに変わりがない。

本発明により改良した鉛直方向透水試験装置は、孔内の水位を水圧で測定して前記揚水ポンプ１７の駆動と停止を自動制御する水圧計１が中管ロッド１５内に設けられ、当該水圧計１と前記揚水ポンプ１７とが自動制御系３で接続されていることを特徴としている（請求項１記載の発明）。

前記揚水ポンプ１７は、中管ロッド１５内に十分に挿入し得る大きさで実施される。図示例では、直径４ｃｍ程度の円筒形状で実施されているがこれに限定されない。前記水圧計１は、前記揚水ポンプ１７の上端部近傍位置に設けられ、水圧計１の信号ケーブル２と揚水ポンプ１７の揚水ホース１９ａとは合一に束ねられた集合束に作成されている（請求項３記載の発明）。なお、前記水圧計１と揚水ポンプ１７との位置関係はこれに限定されないが、両者は、中管ロッド１５内の孔内水に常に水没状態となるように実施することに留意する。

前記自動制御系３は、孔内の水位を鉛直方向の透水試験に適した水位差に維持するべく、中管ロッド１５内に設けられた水圧計１の測定値に応じて揚水ポンプ１７の駆動と停止を繰り返すように制御されている（請求項２記載の発明）。すなわち、前記自動制御系３は、水圧計１の設置部位における水圧、及び孔内水位、並びに揚水ポンプ１７による揚水量との相関関係を演算処理し、所定の水圧で前記揚水ポンプ１７を駆動し、所定の水圧差（水位差）が生じると停止するような構成で実施されている。

例えば、揚水ポンプ１７の駆動開始の水位と停止の水位との水位差を５０ｃｍで設定すると、前記自動制御系３が当該水位差を水圧差（５００ｋｇ／ｍ^２）に演算処理して、水圧計１の測定値に応じて揚水ポンプ１７の駆動又は停止を自動的に制御する。その結果、透水係数の算定に必要な所定の水位差Δｈ（例えば、Δｈ＝５０ｃｍ〜１５０ｃｍ程度）を、短時間で正確に実現することができる。

上記構成の原位置地盤の鉛直方向透水試験装置は、中管１４で予定した試験区間Ｌ相当長さの不攪乱試料Ｓの取り込みが行われた後、内管１６に対して地上からガス圧或いは液圧を送り、内管１６を適度に膨脹させて不攪乱試料Ｓに密着させることにより、不攪乱試料Ｓと内管１６との境界部の緩みに起因する水みちを閉塞させた後、水圧計１が所定の水圧値を記録すると、前記自動制御系３は、揚水ポンプ１７に駆動指令信号を出す。当該駆動指令信号に応答して揚水ポンプ１７は駆動し、前記中管ロッド１５内の地下水を揚水する。その結果、地下水位は下がり始める。前記揚水により前記地下水が下がり、前記水圧計１が所定の水圧差を記録すると、前記自動制御系３は、前記揚水ポンプ１７に停止指令信号を出す。当該停止指令信号に応答して前記揚水ポンプ１７は駆動を停止し、前記孔内水の揚水を停止する。その結果、地下水位の位置は、予め設定した水位差Δｈ（例えば、Δｈ＝５０ｃｍ〜１５０ｃｍ程度）となる。

前記揚水ポンプ１７が停止すると、前記中管ロッド１５内の地下水位は、時間が経過するのに伴い地下水の透水により上昇する。そして、前記揚水ポンプ１７の駆動時の水位まで上昇すると、自動制御系３は、揚水ポンプ１７の駆動を開始した水圧を水圧計が測定すると同時に再び揚水ポンプ１７に駆動指令信号を出す。当該駆動指令信号に応答して揚水ポンプ１７は駆動し、前記中管ロッド１５内の地下水を揚水する。前記揚水ポンプ１７が前記動作を繰り返すことにより前記中管ロッド１５の地下水位は前記水位差（水位制御範囲）Δｈの間において上昇と下降を繰り返す。このようにして、前記自動制御系３により、中管ロッド１５内の孔内水位を、自動的に短時間で定常法による鉛直方向の透水試験に適した状態に維持することができるのである。

かくして採取した不攪乱試料Ｓの上端と下端との間に水位差（水圧差）を発生させることにより、不攪乱試料Ｓの内部に鉛直方向上向きの浸透流が発生する。そこで、前記の条件下で揚水ポンプ１７の揚水量を地上の揚水量計器１９で測定し、同時に不攪乱試料Ｓの上端および下端位置の水圧を水圧計９ａ、９ｂで計測し、既知量である不攪乱試料Ｓの直径及び長さＬとの関係を演算することにより、原位置地盤の真正な鉛直方向透水係数を正確に求めることができる。

上述した透水試験により求めた原位置地盤の鉛直方向透水係数は、定常法により短時間で鉛直方向の透水係数を求めているので、経済性に優れ、且つ精度が高い。

ちなみに、鉛直方向透水試験における揚水ポンプ１７の揚水量の参考例を図３に示す。水位差Δｈに対する定常揚水量Ｑは、地盤の透水係数ｋと試験装置に格納された不撹乱試料Ｓの断面積Ａで決定される。図３によると、Δｈ＝５０ｃｍ〜１５０ｃｍの定常揚水量はｋ＝１０^−２ｃｍ／ｓオーダーで毎分６ｃｃ〜３０ｃｃ、ｋ＝１０^−５ｃｍ／ｓオーダーでは毎分０．０１ｃｃ〜０．１ｃｃと極力少ない揚水量であり、上記したような小型の揚水ポンプ１７で十分に揚水可能である。透水係数が低い場合には、さらに水位差Δｈを大きくとり、揚水量Ｑを増加させることにより試験精度を向上できる。

また、本発明に係る鉛直方向透水試験装置によれば、透水係数の算定に必要な平衡水位との水位差を短時間で自動的に実現できるので、３０分程度継続して定常揚水を行えば、定常法による透水係数の算定が十分に可能となる。よって、揚水量を段階的に変化させて水位差Δｈを５０ｃｍ、１００ｃｍ、１５０ｃｍの３段階で実施したとしても、合計１時間３０分程度で試験を完了することができるし、各段階毎の透水係数を得ることができるので試験結果の信頼性も飛躍的に向上する。

したがって、本発明に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置によれば、定常法による透水試験を実現する自動制御系３を備えているので、地下水位の測定および水位制御を自動的に誤差なく行うことが可能となる。非定常法と比して、短時間で透水試験を完了することができるので経済的である。また、短時間で透水試験を行えるので、複数の水位差条件における透水係数を測定することが可能となり、試験結果の信頼性が向上する。地下水の低下量も少ないのでボイリングが発生する虞がなく、透水性を損なうこともない。

以上に実施例を図面に基づいて説明したが、本発明は、図示例の実施例の限りではなく、その技術的思想が逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。例えば、前記水位差Δｈは、現場地盤の情況に応じて設計変更可能であり、５０ｃｍ〜１５０ｃｍに限定されないことは勿論である。

実施例１に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の主要部分の構成を示した立面図である。 実施例１に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の構成概要を示した断面図である。 実施例１に係る水位差Δｈの各段階について、透水係数ｋと揚水量Ｑとの関係をプロットしたグラフである。 従来技術に係る原位置地盤の鉛直方向透水試験装置の構成概要を示した立面図である。 従来技術を示した断面図である。

符号の説明

１ 水圧計
２ 信号ケーブル
３ 自動制御系
９ａ、９ｂ 水圧計
１０ 孔
１０ａ 孔底
１１ 主部
１２ 外管
１３ 外管ロッド
１４ 中管
１５ 中管ロッド
１６ 内管
１７ 揚水ポンプ
１８ 掘削機械
１９ 揚水量計器
１９ａ 揚水ホース
２０ パーソナルコンピュータ
２１ 回転ヘッド
２２ ウオータースイベル
２３ 支持体
２４ 給水管
Ｓ 不攪乱試料

Claims (3)

1. 地盤を掘削するために回転される外管と、前記外管を支持し回転力を伝達する管状の外管ロッドと、前記外管の内部に非回転状態に収納され不攪乱試料を取り込む中管と、前記中管を非回転状態に支持する管状の中管ロッドと、前記中管の内周面に沿って設置され中管に取り込んだ不攪乱試料と中管との間の水みちを塞ぐべく膨脹され又は収縮が自在な内管とから成り、前記中管ロッドの内部に設置された揚水ポンプ、及び前記中管の上下の位置に設置された水圧計を備え、更に前記内管を膨張させる手段、及びデータ処理手段を含む構成の原位置地盤の鉛直方向透水試験装置であって、
   孔内の水位を水圧で測定して前記揚水ポンプの駆動と停止を自動制御する水圧計が中管ロッド内に設けられ、当該水圧計と前記揚水ポンプとが自動制御系で接続されていることを特徴とする、原位置地盤の鉛直方向透水試験装置。
2. 自動制御系は、孔内の水位を鉛直方向の透水試験に適した水位差に維持するべく、中管ロッド内に設けられた水圧計の測定値に応じて揚水ポンプの駆動と停止を繰り返すように制御されていることを特徴とする、請求項１に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置。
3. 中管ロッド内に設けられた水圧計は、揚水ポンプの上端部近傍位置に設けられ、当該水圧計の信号ケーブルと揚水ポンプの揚水ホースとは合一に束ねられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載した原位置地盤の鉛直方向透水試験装置。

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