JP2005232715A - 打撃貫入時の過剰間隙水圧測定による地盤調査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 動的貫入試験法を利用した単純な測定システムでありながら、地盤の力学特性としての動的強度（貫入抵抗値）のみならず土質判別や地盤透水性等の物理特性を同時に評価し、地盤の液状化強度（液状化ポテンシャル）までを簡易に評価できるようにする。
【解決手段】 先端に過剰間隙水圧センサを組み込んだ貫入体１２を取り付けたロッド１０を一定の打撃エネルギーで地盤に打撃貫入する。打撃貫入時に貫入体周辺地盤で発生する過剰間隙水圧の挙動（発生及び消散）を間隙水圧センサで検出する。打撃貫入量と過剰間隙水圧の挙動をＡ／Ｄ変換してデジタル記録し、応答値から、当該深度での地盤の動的強度（貫入抵抗）や液状化強度（液状化ポテンシャル）の評価、土質判別を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、打撃貫入により地盤の動的強度（貫入抵抗値）を求める他、打撃貫入時に発生する過剰間隙水圧の挙動（発生及び消散）から液状化強度（液状化ポテンシャル）を推定し、また土質解析することにより、地盤の力学特性及び物理特性を評価する地盤調査方法及びそれに用いる地盤調査装置に関するものである。この技術は、土木・建築構造物などを建設する際の設計に必要となる地盤の物理・力学特性を簡易に且つ効率よく経済的に求めるのに有用である。

自然物あるいは人工物からなる地盤に土木・建築構造物などを建設する際には、予め当該地盤の物理・力学特性を把握し、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、従来から種々の地盤調査方法及び装置が提案され実用に供されている。

地盤の力学特性を調査する動的貫入試験の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（ＪＩＳ 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、孔底より１５〜４５ｃｍの間（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た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。

しかし、標準貫入試験法では、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、更に試験に際して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。

標準貫入試験法に代わる方法として動的貫入試験法に区分される各種サウンディング法（例えばオートマチックラムサウンディングなど）がある。これは、先端に円錐状の貫入体を取り付けたロッドを、ハンマの自由落下などにより地盤に連続的に打撃貫入して、一定貫入長毎の打撃回数を求める方法である（例えば非特許文献１参照）。しかし、このようなサウンディング法では、試験深度の地盤の動的強度（貫入抵抗値）は打撃回数から評価できるものの、深度毎に土質標本が標準で採取できないため、土質判別等の物理特性の評価ができない。

ところで、我が国の海岸近くの柔軟な土地では、過去の地震による土壌の液状化によって大きな損害が生じたことが報告されている。液状化強度（液状化ポテンシャル）の評価には、原位置で採取された乱されない試料を用いて土の繰り返し非排水三軸試験のような室内土質試験データを要求するので、現在、詳細な液状化強度は限られた地点でしか評価されていない。そのため、あるエリアの液状化強度は、乏しいデータに基づいて評価せざるをえない。他方、地震の被害についての過去の調査によれば、僅かな距離しか離れていなくても損害の程度が著しく変わる例も示されている。従って、土地の液状化に対して信頼性の高い設計を行うためには、より正確な評価が必要になる。しかし、そのために多くの地点について従来通りの試験を行おうとすると、調査費用が非常に増大するので、実施は極めて困難である。そこで、工学的観点から、より安価で簡便に、しかも精度よく行える調査方法が求められている。
「小型オートマチックラムサウンディング試験による地盤評価」伊藤義之他〔2002〕第３７回地盤工学研究発表会（大阪）pp.103-104

本発明が解決しようとする課題は、従来の動的貫入試験法では、試験深度の地盤の動的強度（貫入抵抗値）は打撃回数から評価できるものの、深度毎に土質判別等の物理特性の評価ができない点、任意の地点での液状化強度（液状化ポテンシャル）を簡便に測定できない点、などである。

本発明は、ロッド先端の貫入体に間隙水圧センサを組み込み、ロッドを打撃して貫入体を地盤に貫入させ、その貫入量と打撃貫入に伴って貫入体に接する地盤で発生する過剰間隙水圧を測定し、得られた貫入量と過剰間隙水圧挙動から、当該深度での地盤の動的強度を評価すると共に、土質判別等の物理特性の評価を行うことにより土壌の液状化強度を解析することを特徴とする打撃貫入時の過剰間隙水圧測定による地盤調査方法。である。ここで、深度方向に連続的に打撃貫入を行い、数値化した貫入量及び過剰間隙水圧挙動をデータ処理して、それぞれの貫入体深度における地盤の動的強度のみならず液状化強度を解析し、深度方向に連続的に表示させるのが好ましい。

また本発明は、ロッドの先端に貫入体を装着し、該ロッドを打撃して貫入体を地盤に貫入させ、その貫入量を求める地盤調査装置において、前記貫入体に組み込んだ間隙水圧センサと、その検出信号を記録するデータ収録部を具備し、打撃貫入に伴って貫入体に接する地盤で発生する過剰間隙水圧を検出して、前記貫入量と共に過剰間隙水圧の発生及び消散の過程をデータ収録するようにしたことを特徴とする打撃貫入時の過剰間隙水圧測定を行う地盤調査装置である。

例えば貫入体は、円錐状の先端部を有する変換器ハウジングと、該変換器ハウジングとロッドとの円筒状連結部を具備し、変換器ハウジングには円錐面の複数箇所で開口し中心孔に至る連絡孔を設けて、前記開口は多孔性硬質部材で塞がれて受圧面となり、中心孔に圧力変換器が設置され、孔内に圧力伝達媒体が充填されている構造とする。打撃時の貫入量および間隙水圧センサの検出信号を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、ロッドを深度方向に連続的に打撃貫入したときに、深度方向に連続的に貫入量と過剰間隙水圧挙動を記録する構成が好ましい。

本発明は、連続的な動的貫入試験法を採用した単純な測定装置を使用しているにもかかわらず、地盤の力学特性としての動的強度（貫入抵抗値）のみならず土質判別や地盤透水性等の物理特性を同時に評価する事によって、地盤の液状化強度（液状化ポテンシャル）までを容易に、経済的に評価できる。

また本発明によれば、打撃貫入一打毎に自動的に評価が行えることから、作業能率の大幅な向上のみならず、連続的な測定が可能となる利点もある。

本発明者は、動的貫入試験法（例えばオートマチックラムサウンド等）におけるロッド先端の貫入体内部に間隙水圧センサを組み込み、打撃貫入時の貫入体周辺地盤での過剰間隙水圧および貫入量を検出して解析した。その結果、打撃貫入時の貫入量と過剰間隙水圧の挙動（発生及び消散）から地盤の土質判別や液状化強度（液状化ポテンシャル）を評価できることを見出した。例えば、均一な緩い砂質土の場合には貫入体周辺で発生する正の過剰間隙水圧は大きくなり、密な場合には発生する正の過剰間隙水圧は相対的に小さくなる。また、発生する過剰間隙水圧の大きさは地盤の動的強度（貫入抵抗値）や液状化強度（液状化ポテンシャル）との間に良好な相関がある。他方、均一な砂質土から細粒分含有率が混入し、粘性土に近い土質判別になるに従い、動的貫入時に発生する過剰間隙水圧の消散応答は鈍くなり、細粒分の割合に応じて消散応答が変化する。これらのことから、打撃貫入時に生じる過剰間隙水圧の挙動（発生及び消散）と打撃貫入量を測定することで、当該深度での地盤の動的強度（貫入抵抗）のみならず、物理特性（土質判別や透水性）及び液状化強度（液状化ポテンシャル）を評価できる。本発明は、かかる評価技術の知得に基づき完成されたものである。

本発明では、間隙水圧センサを組み込んだ貫入体を先端に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る一定の打撃エネルギーで地盤に打撃貫入する。それに伴い貫入体周辺地盤で発生する過剰間隙水圧の挙動（発生及び消散）を間隙水圧センサで検出する。そして打撃貫入量と過剰間隙水圧の挙動（発生及び消散）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、数値化した応答値から、当該深度での地盤の力学特性（動的強度（貫入抵抗）や液状化強度（液状化ポテンシャル））および物理特性（土質判別や透水性）を評価するものである。

図１は、本発明方法の実施に用いる測定装置の全体構成を示す説明図である。打撃貫入装置本体は、動的貫入試験装置（例えばオートマチックラムサウンドなど）がそのまま使用できる。但し、先端の貫入体に組み込んだ間隙水圧計からの信号を伝達するケーブルを地上まで接続する必要があるためロッド１０は中空構造とする。ここでは、ロッド１０の先端部（下端）に間隙水圧センサを組み込んだ貫入体１２を取り付け、上端部のアンビル１４にハンマ１６を所定位置から自然落下させることにより打撃貫入する形式の装置となっている。ハンマ１６によるアンビル１４への打撃によって、先端の貫入体１２は地盤に貫入する。

この実施例では、スウェーディッシュラムサウンディング試験装置を改良した軽量の動的貫入装置を使用した。ロッド１０は直径２８ｍｍで、先端が円錐状で円筒構造の貫入体１２は、直径３６．６ｍｍ、長さ６９ｍｍ、頂点角度９０度である。ロッド１０は、３５ｃｍの高さから自由落下する３０ｋｇのハンマ１６によって機械的に駆動される。貫入抵抗は、貫入体１２を２０ｃｍ下方へ駆動するのに必要な、打撃回数（Ｎ_m ）として得られる。標準貫入試験のＮ値（Ｎ_spt ）は、この打撃回数（Ｎｍ）の半分に等しい。
Ｎ_spt ＝１／２Ｎ_m …（１）

このような動的な貫入システムは、軽量であるため、トラックなしでも容易に現場へ持ち込むことができ、５分程度で設置できる。動的な貫入（ハンマ１６の上昇）は、油圧モータによって自動的に駆動できる。貫入体１２先端の深さは、地表面の固定点に対するロッド１０の変位量を変位センサ１８で計測することで得られる。変位センサ１８は、ここでは非接触の磁歪を利用した変換器である。

打撃貫入に伴い貫入体周辺地盤で発生する過剰間隙水圧値は、間隙水圧センサで検出され、その信号は中空のロッド１０中を挿通した電気的ケーブル２０によって地上に送られる。またアンビル１４に加速度センサ２２を設け、検出したアンビル加速度信号はデータ収録を開始するトリガとして使用する。これら３種の信号（過剰間隙水圧、貫入変位、及びアンビルの加速度）は、計測装置２４に送られ、直ちにＡ／Ｄ変換器によりデジタル化されてデータ収録部でデジタル記録する。収録されたデータは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２６で処理され、当該深度での地盤の力学特性（動的強度（貫入抵抗）や液状化強度（液状化ポテンシャル））及び物理特性（土質判別）を評価し表示する。これによって、ロッド１０を深度方向に連続的に打撃貫入したときに、深度方向で連続的に貫入量と過剰間隙水圧挙動が記録され、試験結果のリアルタイム観測が可能となる。

動的間隙水圧測定を行う貫入体の詳細構造を図２に示す。Ａは縦断面を表し、Ｂは底面を表している。貫入体１２は、円錐状（例えば頂点角度９０度）の先端部を有する変換器ハウジング３０と、該変換器ハウジング３０とロッド１０との間の円筒状連結部３２を具備している。変換器ハウジング３０には円錐面の複数箇所（この実施例では３箇所）で開口し共通の中心孔３４に至る連絡孔３６を設けて、前記開口は多孔性硬質部材（例えば多孔性セラミックス）３８で塞いで受圧面とし、中心孔３４に圧力変換器（例えば半導体圧力センサ）４０を設置し、孔内に圧力伝達媒体を充填した構造とし、これらが間隙水圧センサを構成している。圧力変換器４０の検出信号は、電気的ケーブル２０によって地上に送られる。なお、符号４２で示す円筒状部材は防水シール材であり、中空のロッド１０から浸入する泥水を止める機能を果たす。また、この実施例では、円筒状連結部３２の下方部及び変換器ハウジング３０の外周を取り囲むように保護管４４を装着している。保護管４４は、先端（下端）が変換器ハウジング３０の円錐面と連続するような切頭円錐面で内面段差部が変換器ハウジング３０の外面段差部と係合する構造である。従って、ロッド貫入時は変換器ハウジング３０に同伴して保護管４４も貫入するが、ロッド引き抜き時には保護管４４は地盤中に取り残される使い捨て方式となっている。

図３のＡに打撃貫入時の過剰間隙水圧、Ｂに貫入量の計測例を示す。Ａの計測値ａは打撃貫入時直後の正の過剰間隙水圧値（最大過剰間隙水圧値）を示し、計測値ｃは計測値ａに対してある一定の割合まで消散した過剰間隙水圧値である。計測値ｂは計測値ｃまで過剰間隙水圧が消散した時間を測定するものである。計測値ｄは打撃貫入初期に生じる正の過剰間隙水圧値（最大過剰間隙水圧値）とその後に生じる負の過剰間隙水圧値（最小過剰間隙水圧値）の差を示している。このように、土質によって動的貫入時の過剰間隙水圧と貫入量の応答に差異が現れる。従って、逆に、これら動的貫入時の過剰間隙水圧と貫入量の応答から、当該深度での土質などを推定することが可能となる。

以下、本発明装置を用いて東京湾に沿った沿岸地区のある地点で現場試験を実施した結果について説明する。試験実施地点での土壌断面、土壌の標準貫入試験Ｎ値、及び単位体積重量を図４に示す。表面の土層は不飽和の埋積物であり、それは主として砂を含むローム、厚さ５〜１０ｃｍのいくつかの礫層を含む混合層からなる。埋積物内で観測された標準貫入試験のＮ値は９で、比較的緩く不均一の土壌を示している。埋積物層は、貝殻を有する通常の海岸粘土の下にある自然のシルト層の上に深さ２．２ｍまで存在する。地下水位は地表下１．９ｍである。砂土は深さ２．９ｍから約６ｍまでである。砂層の上部は少量の細かい成分を含んだ粗い砂である。他方、砂層のより低い部分は、いくらかの細かい成分を含んだ細かな砂からなる。砂土の標準貫入試験のＮ値および粒度分布の両方から判断して、上部の層は、地震による液状化ポテンシャルは小さい。また、より低い層は、液状化ポテンシャルは中ぐらいか、あるいは小さい。

過剰間隙水圧比率（Δｕ／σ’ν）および貫入変位の典型的な時間経過を図５に示す。図５のＡは緩く細かい砂の応答、Ｂは密で細かい砂の応答である。これらから、最大過剰間隙水圧の大きさに著しい違いがあることが分かる。また、貫入変位量の時間経過も著しく異なる。時間経過は、貫入過程と後続過程の２つの過程に分割できる。後続過程は、貫入直後に始まるはね返り過程と再貫入から構成される。密な砂の場合には、貫入過程が急激に終了し、後続過程に入る。緩い砂の場合には、貫入過程がある遅れを示す。このように、過剰間隙水圧比率の時間経過（打撃の瞬間から間隙水圧の顕著な生成までの一般的なパターンおよび持続）は、土質によって大きく異なる。また、時間経過の持続にも著しい相違がある。

深度に対して、単一の打撃によって変換されるＮ値の分布を図６に示す。変換されたＮ値の不連続が４．０ｍと５．０ｍの間で見られる。この不連続は相対密度の顕著な変化を示し、混合層の存在を示している。

本発明方法によって液状化強度（ポテンシャル）を評価するデータ処理のフローチャートを図７に示す。単位体積重量を除く全てのデータは、本発明装置により得られる測定値である。詳細は後述するが、図７に示す処理フローに従って解析処理が行われる。なお、単位体積重量は、特殊土でなければ１７〜１８ｋＮ／ｍ³ 程度としてもさほど誤差は生じない（粘性土系であれば１７ｋＮ／ｍ³ 程度、砂質土系であれば１８ｋＮ／ｍ³ 程度であり、材料判別ができれば想定できる値である）ため、実測できなくても特に問題はない。

深度に対する最大過剰間隙水圧Δｕ_max の分布を図８に示す。それらは、地下水位下の有効上載圧（σ’ν）とおおよそ一致する。他方、地下水位上のものは、全上載圧（σν）より大きい。

本発明方法は動的な貫入試験法であるので、事前ボーリングを実施しなければ、地下水位の深さは不明である。しかしながら、液状化問題において、地下水位を知ることは重要である。この視点から、新しい指標パラメータ（Ｉ_WL）を導入した。それは、
Ｉ_WL＝Δｕ_max ／σν …（２）
によって定義される。
Δｕ_max が最大過剰間隙水圧で、σνが全上載圧である。深度に対する新しい指標Ｉ_WLの分布を図９に示す。指標Ｉ_WLは、１．０ｍまで急速に減少し、１．９ｍの深さで１．０未満になるように見える。この指標Ｉ_WLによって、地下水位を推定することができる。

上記のように推定した地下水位を与えると、有効上載圧（σ’ν）を計算することができる。有効上載圧は、水の浮力を差し引いた有効的な上載圧のことである。図１０は、地下水位下の最大過剰間隙水圧比率（Δｕ_max ／σ’ν）を深度に対してプロットしたものである。１．９ｍと２．９ｍの間にある表面埋積物およびシルト層が大きな値を示している。

液状化ポテンシャルに関する土質の影響を調べるために、新しい指標Ｉ_TIを、次式で定義する。これは、ハンマ衝撃から貫入過程の終了（ｔ₁ ）まで、過剰間隙水圧比率（Δｕ／σ’ν）を時間積分したものである。

Ｉ_TIの値を計算する手順を図１１に示す。変数Ｓ_A 、Ｓ_B およびＳ_C は、過剰間隙水圧比率時間経過の積分によって累積された絶対値である。緩く細かい砂について計算された指標Ｉ_TIの大きさは、シルトのそれよりも小さい。

深度に対するＩ_TIの分布を図１２に示す。シルト層中の指標Ｉ_TIの大きさは、砂層中のものより大きいことが見出された。この傾向は、浸透性とダイラタンシーのような土壌特性の変化を通じて説明することができる。

動的貫入の各ステップで液状化強度（ポテンシャル）を評価するために新しい指標Ｉ_LPを導入する。新しい指標Ｉ_LPは、時間積分指標Ｉ_TIで除算した最大過剰間隙水圧比率（Δｕ／σ’ν）として定義した。

（４）式は、Ｉ_TIが１未満の場合にはΔｕ_max ／σ′νがそのままＩ_TIになるが、Ｉ_TIが１以上の場合には材料補正係数として、Δｕ_max ／σ′νをＩ_TIで除算する意味である。砂の場合に、Ｉ_TIが負になったり、限りなく０に近づいてしまうため、Ｉ_TIが１未満の場合にはＩ_TIで除算しないように工夫したものである。

深度に対する指標Ｉ_LPの分布を図１３に示す。Ｉ_LPの不連続は、地表面下４．０ｍから５．０ｍの間の層に見られる。この層が混合層であることが分かる。従って、液状化ポテンシャル指標Ｉ_LPは、直接、液状化率の程度を示している。土層が液状化可能か否かを示すこの指標の閾値は、この実験では１．０であった。この指標が１．０を超えている深さは、４．０ｍと４．２ｍの間に位置し、それは細かな砂の上部に相当する。

一連の動的な貫入検査結果をまとめると、次の結論が得られる。
（ａ）単一の打撃により変換されたＮ値の分布は、層の等質性を識別し、かつ混合層を見つけるために使用できる。
（ｂ）動的な貫入時の過剰間隙水圧の時間経過は、Ｎ値および土質によって著しく影響される。
（ｃ）液状化率を評価するために導入した新しい３つの指標は、下記のような事項の判定・評価に使用できる。
Ｉ_WL： 地下水位の推定
Ｉ_TI： 土質の判別
Ｉ_LP： 土壌の液状化強度（液状化ポテンシャル）

このように本発明方法によれば、ロッド先端の貫入体に間隙水圧センサを組み込み、ロッドを打撃して貫入体を地盤に貫入させ、その貫入量と打撃貫入に伴って貫入体に接する地盤で発生する過剰間隙水圧を測定することにより、得られた貫入量と過剰間隙水圧挙動から、当該深度での地盤の動的強度のみならず液状化強度を求め、土質を解析することができる。

本発明に係る本発明方法で用いる試験装置の一例を示す説明図。 動的貫入時の過剰間隙水圧と貫入量の応答の一例を示す説明図。 均一な砂を用いたチャンバー試験結果の一例を示す説明図。 現場試験を実施した場所での土壌プロファイル。 過剰間隙水圧比率及び貫入変位の典型的な例の時間経過図。 深度に対する単一の打撃によって変換されるＮ値の分布図。 本発明方法による液状化強度を評価するデータ処理のフローチャート。 深度に対する最大過剰間隙水圧の分布図。 深度に対する指標ＩＷＬの分布図。 深度に対する地下水位下の最大過剰間隙水圧比率の関係を示す図。 指標ＩＴＩの値を計算する手順を示す説明図。 深度に対する指標ＩＴＩの分布図。 深度に対する指標ＩＬＰの分布図。

符号の説明

１０ ロッド
１２ 貫入体
１４ アンビル
１６ ハンマ
１８ 変位センサ
２０ 電気的ケーブル
２２ 加速度センサ
２４ 計測装置
３０ 変換器ハウジング
３８ 多孔性硬質部材
４０ 圧力変換器
４４ 保護管

Claims (5)

1. ロッド先端の貫入体に間隙水圧センサを組み込み、ロッドを打撃して貫入体を地盤に貫入させ、その貫入量と打撃貫入に伴って貫入体に接する地盤で発生する過剰間隙水圧を測定し、得られた貫入量と過剰間隙水圧挙動から、当該深度での地盤の動的強度を評価すると共に、土質判別を含む物理特性の評価を行うことにより土壌の液状化強度を解析することを特徴とする打撃貫入時の過剰間隙水圧測定による地盤調査方法。
2. 深度方向に連続的に打撃貫入を行い、数値化した貫入量及び過剰間隙水圧挙動をデータ処理して、それぞれの貫入体深度における地盤の動的強度の評価のみならず、液状化強度の解析を行い、深度方向に連続的に表示する請求項１記載の地盤調査方法。
3. ロッド先端に貫入体を装着し、該ロッドを打撃して貫入体を地盤に貫入させ、その貫入量を求める地盤調査装置において、
   前記貫入体に組み込んだ間隙水圧センサと、その検出信号を記録するデータ収録部を具備し、打撃貫入に伴って貫入体に接する地盤で発生する過剰間隙水圧を検出して、前記貫入量と共に過剰間隙水圧の発生及び消散の過程をデータ収録するようにしたことを特徴とする打撃貫入時の過剰間隙水圧測定を行う地盤調査装置。
4. 貫入体は、円錐状の先端部を有する変換器ハウジングと、該変換器ハウジングとロッドとの円筒状連結部を具備し、変換器ハウジングには円錐面の複数箇所で開口し中心孔に至る連絡孔を設けて、前記開口は多孔性硬質部材で塞がれて受圧面となり、中心孔に圧力変換器が設置され、孔内に圧力伝達媒体が充填されている請求項３記載の地盤調査装置。
5. 打撃時の貫入量および間隙水圧センサの検出信号を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、ロッドを深度方向に連続的に打撃貫入したときに、深度方向に連続的に貫入量と過剰間隙水圧挙動を記録するようにした請求項３又は４記載の地盤調査装置。
   

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