JP2007132058A - 試料採取方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 地盤などの試料採取に適した方法およびその装置の提供。
【解決手段】 この試料採取装置１０によれば、試料を採取する被採取領域１に試料採取管１１を貫入し（試料採取管貫入工程）、被採取領域１に貫入した試料採取管１１の下端周辺に、下端を閉塞した冷媒注入管１５を挿入し（冷媒注入管挿入工程）、試料採取管１１及び冷媒注入管１５を囲うように、被採取領域１に断熱管１６を挿入し（断熱管挿入工程）と、冷媒注入管１５内に冷媒１８を注入し、試料採取管１１の下端近傍の被採取領域１を凍結させて試料採取管１１の下端を閉塞することができる（試料採取管閉塞工程）。これにより試料採取管１１に収容された試料を試料採取管１１と一緒に引き上げることで、試料を採取することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は試料採取方法およびその試料採取装置に関する。

地盤の強度や変形などの力学特性および生態系、各種汚染などの地盤環境状況を調査するために行われる地盤中の試料は、熱や水を加えず、攪乱することなく不攪乱採取することが望ましい。一般に低強度粘性土地盤や砂質土の不攪乱試料採取は、サンプラーによる採取や地盤全体を凍結させるロータリー式ボーリングでサンプリングする方法や、各種特殊サンプラーで行っている。しかし、サンプラーによる採取は、１回の採取量が少なくて、試料調査に必要な採取量に達するまで何回も採取しなければならない。また、採取した試料を調査に適した形状に成型する工数の多い成型作業が必要になる。地盤全体を凍結させるサンプリング法は、地盤全体を凍結させることによる地盤環境の変状が生じる不具合がある。さらに、特殊サンプラーによる採取法を含め、採取のための設備が高コストになる、長時間採取となる、大型重量機器作業となる、といった諸問題がある。

これらの問題から、点吸引式ボーリングにより不攪乱状態で試料を採取する装置が開発され、実用化されている（例えば、特許文献１参照）。この試料採取装置は、被採取領域である地盤に挿入して地盤中の試料を管内部に収容する内管（試料採取管）と、試料採取管の外周に隙間を持たせて配備した外管と、内管と外管の間に配置した複数本の吸引管と複数本の冷媒注入管を備えている。内管の下端部を地盤に静的貫入させ、外管の下端を地盤に接触させて内管との間の地盤表層部の土砂を吸引管で吸い込んで除去する。この土砂除去の動作を繰り返し行うことで、内管をさらに地盤に静的貫入させ、内管の内部に規定量の試料を収容する。地盤に内管を所定深さまで静的貫入させ、内管の下端より少し下方にある地盤に、冷媒注入管の下端部を挿入して冷媒の液体窒素を注入し、地盤を凍結させる。この凍結で内管の下端近傍域の地盤全体を凍結させて凍結塊を形成し、この凍結塊で内管の下端部を閉塞する。内管を下端部の凍結塊と共に地盤から引き上げて試料を採取する。
特開２００４−４５３０８号公報（図５）

上記のように冷媒注入管から液体窒素を地盤に直接に注入して凍結させる場合、地盤の状況によって液体窒素の浸透状況が変動し、安定した形態で凍結させることが難しい。また、地盤に浸透した冷媒の全てが凍結に有効利用されたかが不明なため、使用する冷媒の量の適正な管理が難しく、適正な凍結作業をするには作業員に高度な熟練をする。

本発明に係る試料採取方法は、試料を採取する被採取領域に下端が開口した試料採取管を貫入する試料採取管貫入工程と、被採取領域に貫入した試料採取管の下端周辺に、下端を閉塞した冷媒注入管を挿入する冷媒注入管挿入工程と、試料採取管及び前記冷媒注入管を囲うように、被採取領域に断熱管を挿入する断熱管挿入工程と、冷媒注入管内に冷媒を注入し、前記試料採取管の下端近傍の被採取領域を凍結させて試料採取管の下端を閉塞する試料採取管閉塞工程とを備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る試料採取装置は、被採取領域に貫入する下端が開口した試料採取管と、試料採取管の下端周辺の外側に延在した、下端を閉塞した冷媒注入管と、試料採取管及び前記冷媒注入管を囲うように配設した断熱管とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る試料採取方法によれば、冷媒が地盤などの被採取領域に注入されず、冷媒注入管内に注入して冷媒注入管を介して吸熱させながら被採取領域を凍結させるので、冷媒の使用量と被採取領域の凍結状態との相関関係が明確に把握できて、冷媒の適正な管理が容易にでき、この適正な管理で冷媒の有効利用率を改善することができる。さらに、冷媒を被採取領域に注入しないので、冷媒が地盤などの被採取領域に与える影響がなくなり、採取する試料への影響を極力少なくすることができる。

以下、本発明の一実施形態に係る試料採取方法及びその装置を図面に基づいて説明する。

試料採取装置１０は、図１に示すように、被採取領域１に貫入する下端が開口した試料採取管１１と、試料採取管１１の下端周辺の外側に延在した、下端を閉塞した冷媒注入管１５と、試料採取管１１及び冷媒注入管１５を囲うように配設した断熱管１６とを備えている。

この試料採取装置１０によれば、試料を採取する被採取領域１に試料採取管１１を貫入し（試料採取管貫入工程）、被採取領域１に貫入した試料採取管１１の下端周辺に、下端を閉塞した冷媒注入管１５を挿入し（冷媒注入管挿入工程）、試料採取管１１及び冷媒注入管１５を囲うように、被採取領域１に断熱管１６を挿入し（断熱管挿入工程）、冷媒注入管１５内に冷媒１８を注入し、試料採取管１１の下端近傍の被採取領域１を凍結させて試料採取管１１の下端を閉塞する（試料採取管閉塞工程）。これにより試料採取管１１に収容された試料を試料採取管１１と一緒に引き上げることで、試料を採取することができる。

以下、この試料採取装置１０及びその試料採取方法を詳細に説明する。

図１に示される試料採取装置１０は、例えば、飽和地盤や含水量の多い不飽和地盤において、試料を採取する場合にも適用可能である。以下、ここでの被採取領域１を必要に応じて地盤１と称する。

試料採取装置１０は、図１に示すように、この実施形態では、試料採取管（内管）１１と、吸引掘進管（外管）１２と、ガイド管１３と、吸引管１４と、冷媒注入管１５と、断熱管１６で構成している。

試料採取管１１は、被採取領域１に貫入するべく下端が開口したものであって、地盤１に静的貫入される略鉛直な円筒状のものを用いている。試料採取管１１の下端部外周縁は、逆円錐状のテーパ面３１に形成している。

吸引掘進管（外管）１２は、試料採取管１１の外周に所定の隙間を持たせて同軸に配置した円筒状の外管である。吸引掘進管１２の下端部外周にガイド管１３が固定されている。ガイド管１３の下端は、吸引掘進管１２の下端より少し下方に位置する。

試料採取管１１は、上端に蓋板２１が固定され、この蓋板２１の上面中央に鉛直な支持ロッド２２の下端部が固定されている。支持ロッド２２は回転筒２４を貫通するように装着しており、回転筒２４の上方に延在した支持ロッド２２の上端部に吊りワイヤ２５を繋留している。吊りワイヤ２５は、図示しない櫓で吊り下げられ、支持ロッド２２を介して図１に示す試料採取装置１０全体を上下動可能に吊り下げて支持している。回転筒２４の下端には、蓋板２３が固定されており、蓋板２３の下面に、吸引掘進管１２の上端を固定している。回転筒２４と吸引掘進管１２は蓋板２３の上下面に同心軸上に固定している。回転筒２４の上端部には略水平なハンドル２６を固定している。回転筒２４は支持ロッド２２に対して周方向に回転自在に装着しており、ハンドル２６を操作することにより、回転筒２４、蓋板２３及び吸引掘進管１２が回動操作できる。回転筒２４の途中の上下２箇所には保護枠２７、２８を連結している。上下の保護枠２７、２８には、吸引管１４と冷媒注入管１５を上下に貫通させている。吸引管１４と冷媒注入管１５は、試料採取管１１と吸引掘進管１２の間の周方向隙間Ｓに延在させている。

吸引管１４は、図２に示すように、試料採取管１１と吸引掘進管１２の間の周方向隙間Ｓに複数配設されており、この実施形態では、斯かる周方向隙間Ｓに６本配設、周方向等間隔（６０°間隔）で軸方向に延在させている。吸引管１４は、それぞれ保護枠２７、２８、及び、吸引掘進管１２の内周面に固定している。吸引管１４の下端は開口し、吸引掘進管１２の下端とほぼ同じ高さまで延在している。吸引管１４の上端はハンドル２６上に固定した吸引手段２９に連結している。吸引手段２９は、例えば、吸引ポンプで構成できる。

冷媒注入管１５は、図１に示すように、試料採取管１１の下端周辺の外側に延在し、下端を閉塞した管で構成している。この実施形態では、冷媒注入管１５は、試料採取管１１と吸引掘進管１２の間の周方向隙間Ｓに、周方向に複数配設している。図２に示す例では、冷媒注入管１５は、吸引管１４と同様に６本で、それぞれ周方向において吸引管１４の中間に延在させ、保護枠２７、２８、及び、吸引掘進管１２の内周面に固定している。冷媒注入管１５は、下端部３２は試料採取管１１の下端より下方に１５〜３０ｍｍ突出するように、試料採取管１１に対して軸方向に相対移動可能に配設している。

冷媒注入管１５は、少なくとも下端を熱伝導と耐久性に優れた金属製熱伝導管で構成するとよい。また、冷媒注入管１５の下端部３２は、断熱部材を用いて閉塞してもよい。この実施形態では、図３に示すように、冷媒注入管１５の下端３２は、断熱部材１７で閉塞している。断熱部材１７は断熱性を備えた円柱状の硬質ゴムで、樹脂接着剤を付けて冷媒注入管１５の下端開口部に圧入して定着させている。

断熱管１６は、試料採取管１１及び冷媒注入管１５を囲うように配設した断熱性を有する管体である。この実施形態では、断熱管１６は、厚さ０．５ｍｍ〜５．０ｍｍ程度のアクリル製の円筒で、冷媒注入管１５に取り付けられ、冷媒注入管１５の下端より下方に５．０ｍｍ程度突出させている。冷媒注入管１５と断熱管１６は、試料採取管１１に対して軸方向に相対移動可能に配設し、かつ、試料採取管１１に対する進退操作可能に配設している。なお、断熱部材の材料や形状は上記に限定されず、種々変更可能である。

冷媒注入管１５の上部は、図１に示すように、保護枠２８を貫通しており、その開口した上端には漏斗部３３を一体に設けている。冷媒注入管１５は、図４に示すように、下端を閉塞した管で、漏斗部３３から規定量の冷媒１８を注入すると、冷媒１８は冷媒注入管１５内を流下して下端部３２内に貯留される。冷媒１８には、例えば、液体窒素を用いることができる。なお、冷媒１８には液体窒素以外の二酸化炭素などを使用することもできるが、液体窒素を用いるのが冷却性能、安全性、低コスト化の点で優位である。

以下、図１の試料採取装置１０で試料を採取する各工程を説明する。

図１の試料採取装置１０で試料を採取する際は、まず、試料採取管１１を地盤１に嵌入させる（試料採取管貫入工程）。試料採取管１１を地盤１に嵌入させる際は、図５（Ａ）の状態で試料採取管１１に重り（図示せず）などで静的貫入力Ｐｖ（等分布荷重）を掛け、吸引手段２９を作動させ、吸引管１４で地盤１の表層部４１を吸引除去することにより行う。

この実施形態では、図５（Ａ）に示すように、試料採取管１１の下端部外周を逆円錐状のテーパ面３１に形成している。このため、試料採取管１１を地盤１に嵌入させると、試料採取管１１の下端部３１が地盤１に初期貫入量ｈ貫入した状態で安定する。すなわち、この際、試料採取管１１に作用する静的貫入力Ｐｖは、図６に示すように、試料採取管１１の下端部外周縁のテーパ面３１から地盤１に斜め外方に作用する力Ｐｉと、試料採取管１１の下端部内周面から地盤１に内方に作用する力Ｐｏ及び剪断力Ｆｖに分力される。これに対して試料採取管１１の下端部３１に作用する地盤１の反力および摩擦力が釣り合うように、試料採取管１１の下端部３１が地盤１に嵌入する。

この初期貫入で安定している状態において、図５（Ｂ）に示すように、試料採取管１１の下端部外側に延在した吸引管１４で地盤１の表層部４１を吸引し除去（除荷）する。この除荷は、ハンドル２６を手動で回転させて６本の吸引管１４を試料採取管１１の回りに旋回させながら行い、試料採取管１１の外周全周にわたって吸引管１４で地盤１の表層部４１を吸引し除去していく。試料採取管１１の外周において地盤１の表層部４１を除去すると、上記釣り合いが崩れ、これに対して再度、試料採取管１１に対して作用する静的貫入力Ｐｖと、地盤１の反力および摩擦力が釣り合うように、深さＨｘだけ試料採取管１１が地盤１に静的に再貫入する。このように吸引管１４により地盤１の表層部４１を吸引除去することにより、試料採取管１１の貫入が進行する。

そして、図５（Ｃ）に示すように、この再貫入毎に試料採取管１１の中に試料４２が取り込まれる。試料採取管１１の静的貫入が終了すると、所定量の試料４２が試料採取管１１内に収容される。また、この試料採取装置１０は、吸引管１４で試料採取管１１周囲の地盤１の表層部４１を除去しながら試料採取管１１を貫入させるので、試料採取管１１が所定の深さに達したときには、試料採取管１１の周囲に穴２０が形成される。

次に、図５に示すように、冷媒注入管１５と断熱管１６を、試料採取管１１の周囲に形成された周方向の穴２０に進入させ、斯かる穴２０の底において、それぞれ地盤１に押し込み、試料採取管１１の下端より少し深い位置まで挿入する（冷媒注入管挿入工程、断熱管挿入工程）。

そして、冷媒注入管１５内に冷媒１８を注入し、試料採取管１１の下端近傍の地盤４３を凍結させて試料採取管１１の下端を閉塞する（試料採取管閉塞工程）。

この試料採取管閉塞工程では、各冷媒注入管１５には、予め設定された規定量の冷媒１８を注入するとよい。冷媒としての液体窒素１８の１回の注入量は数ｃｃ程度で、何回かの実験データに基づいて適量を予め決めるとよい。冷媒注入管１５の下端部３２内に液体窒素１８が注入されると、下端部３２の管壁を介して試料採取管１１の下端近傍の地盤４３が冷やされ、斯かる地盤４３の凍結が始まる。また、冷媒注入管１５の下端部３２に注入された液体窒素１８は、試料採取管１１の下端近傍の地盤４３から熱を吸収することにより蒸発する。蒸発した液体窒素１８は、冷媒注入管１５の上端開口の漏斗部３３から大気に放出される。下端部３２の液体窒素１８が蒸発により無くなると、冷媒注入管１５に２回目の冷媒注入を行う。このような冷媒注入を試料採取管１１の下端近傍の地盤４３が完全に凍結するまで、実験データに基づく回数だけ繰り返し行う。

図７に冷媒注入管１５による試料採取管１１の下端近傍における地盤４３の凍結の進行状況を示す。冷媒注入管１５の外側には断熱管１６があるので、断熱管１６の外側の地盤に対しては、凍結はほとんど進まない。このため、冷媒１８の吸熱作用は、断熱管１６の内側の地盤１ｂに対して集中して作用し、凍結は断熱管１６の内側で進行していく。また、この実施形態では、冷媒注入管１５の下端３２を断熱部材１７で閉塞しているので、冷媒注入管１５から下方の地盤に対しては凍結があまり進まず、地盤１ｂの凍結は半径方向内側に進行する。

なお、６本の冷媒注入管１５に対しては、６本同時に冷媒を注入して、断熱管１６の内側の地盤を６本の冷媒注入管１５により６方向から同時に凍結させることも可能である。また、試料採取管１１の外側に周方向等間隔に配設された冷媒注入管１５に対して、タイミングを少しずらして所定の順番に冷媒を注入してもよい。

また、図８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、６本の冷媒注入管１５ａ〜１５ｆに対して、タイミングを少しずらして所定の順番で冷媒を注入して、断熱管１６の内側の地盤１を６本の冷媒注入管１５により６方向から所定の順番に凍結させることも可能である。この際、例えば、図８（Ａ）に示すように、直径方向に対向する２本の冷媒注入管１５ａ、１５ｄに冷媒を入れて、斯かる２本の冷媒注入管１５ａ、１５ｄを配設した方向から地盤１を凍結させ、次に、図７（Ｂ）に示すように、先の２本の冷媒注入管１５ａ、１５ｄのそれぞれ右回り方向に隣接する別の２本の冷媒注入管１５ｂ、１５ｅに冷媒を注入して、斯かる２本の冷媒注入管１５ｂ、１５ｅを配設した方向から地盤１を凍結させ、最後に、図８（Ｃ）に示すように残り２本の冷媒注入管１５ｃ、１５ｆに冷媒を注入して、斯かる２本の冷媒注入管１５ｃ、１５ｆを配設した方向から地盤を凍結させてもよい。

このように、試料採取管１１の周囲に配設された複数の冷媒注入管１５に対して、タイミングを少しずらして所定の順番に冷媒１８を注入して、試料採取管１１の下端近傍の地盤４３を所定の方向から所定の順番に凍結させることも可能である。これにより、断熱管１６で囲まれた領域において、試料採取管１１の下端近傍の地盤４３を効率よく、かつ、より確実に凍結させて試料採取管１１の下端を閉塞することができる。

このように試料採取管１１の下端近傍における地盤４３を凍結させると、試料採取管１１の下端を閉塞して凍結した地盤４３の塊は、各冷媒注入管１５の下端部３２と試料採取管１１の下端部に食い込むように強固に固着する。そして、斯かる試料採取管１１を冷媒注入管１５および断熱管１６と一緒に引き上げると、その下端部に凍結した地盤の塊が固着した状態で引き上げられる。これにより、試料採取管１１内に収容された試料４２は、試料採取管１１から脱落せずに採取される。このように試料採取管１１により採取された試料４２は、試料採取管１１により形状と量が規定されるため、この形状と量を地盤調査に使用される形状と量に予め規定しておくことで、後の地盤調査のための成型作業を簡易にすることができる。

以上のとおり、この試料採取装置１０によれば、冷媒１８が地盤１に注入されず、冷媒注入管１５内に注入して冷媒注入管１５を介して吸熱させながら地盤１を凍結させるので、冷媒１８の使用量と地盤１の凍結状態との相関関係が明確に把握できて、冷媒１８の適正な管理が容易にでき、この適正な管理で冷媒１８の有効利用率を改善することができる。さらに、冷媒１８を地盤１に注入しないので、冷媒１８が地盤１に与える影響がなくなり、採取する試料への影響を極力少なくすることができる。

なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、冷媒注入管１５の下端部３２は、例えば図９に示すように、先端の尖った断熱部材１７で閉塞した構造にすることもできる。断熱部材１７は、地盤などの試料を採取する用途では、所要の剛性を備えているのが好ましい。また、汚泥などの試料採取に用いる場合などでは要求される剛性の程度も小さく、例えば木栓でもよい。また、冷媒注入管１５を地盤１に静的貫入させて試料採取する際に、吸引堀進管１２で地盤が崩れるのを防止した試料採取装置で説明したが、汚泥地層や液層など、流動性のある被採取領域において試料を採取する場合は、試料採取管や冷媒注入管や断熱管をそのまま挿入できるので、吸引掘進管や吸引管を省略することも可能である。

また、斯かる試料採取装置は、試料採取管で地盤中の試料を不攪乱状態で採取するのに用いることができるが、他の用途として、地盤に埋設された地雷や不発弾を撤去する装置として、また、河川や湖底、海底の汚泥地層の試料を採取する汚泥試料採取装置などにも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る試料採取装置を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る試料採取装置の底面図である。 本発明の一実施形態に係る試料採取装置における冷媒注入管の下端部の断面図である。 本発明の一実施形態に係る試料採取装置における試料採取管閉塞工程の状態を示す部分断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は本発明の一実施形態に係る試料採取装置における試料採取管貫入工程の各動作時の概要を示す斜視図である。 試料採取管貫入工程の状況を示す断面図である。 試料採取管閉塞工程の状況を示す断面図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ試料採取管閉塞工程の地盤の凍結状態を示す図である。 他の実施形態に係る冷媒注入管の下端部の断面図である。

符号の説明

１ 地盤（被採取領域）
１０ 試料採取装置
１１ 試料採取管
１２ 吸引堀進管
１４ 吸引管
１５ 冷媒注入管
１６ 断熱管
１７ 断熱部材
１８ 液体窒素（冷媒）
４２ 試料

Claims (4)

1. 試料を採取する被採取領域に下端が開口した試料採取管を貫入する試料採取管貫入工程と、
   前記被採取領域に貫入した試料採取管の下端周辺に、下端を閉塞した冷媒注入管を挿入する冷媒注入管挿入工程と、
   前記試料採取管及び前記冷媒注入管を囲うように、被採取領域に断熱管を挿入する断熱管挿入工程と、
   前記冷媒注入管内に冷媒を注入し、前記試料採取管の下端近傍の被採取領域を凍結させて試料採取管の下端を閉塞する試料採取管閉塞工程と、
   を備えたことを特徴とする試料採取方法。
2. 前記冷媒注入管は、前記試料採取管の外側において周方向に複数本配設していることを特徴とする請求項１に記載の試料採取方法。
3. 被採取領域に貫入する下端が開口した試料採取管と、
   前記試料採取管の下端周辺の外側に延在した、下端を閉塞した冷媒注入管と、
   前記試料採取管及び前記冷媒注入管を囲うように配設した断熱管と、
   を備えたことを特徴とする試料採取装置。
4. 前記冷媒注入管は、下端を断熱部材で閉塞したことを特徴とする請求項３に記載の試料採取装置。
   
   

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