JP2008138514A - 地盤調査方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 地盤の性質を簡便にかつ精度良く安定して調査することが可能な地盤調査方法および装置を提供する。
【解決手段】 地盤を振動させることによって発生したレイリー波を検出し、検出した結果に基づいて前記地盤の性質を調査する地盤調査方法および装置において、前記検出した結果から前記地盤を構成するそれぞれの地層100と、前記それぞれの地層の土質200とをそれぞれ分類し、分類された前記地層と前記土質とに基づいて地盤解析演算式300を選択し、選択された地盤解析演算式を用いて前記検出した結果を解析して得る情報を利用して前記地盤の性質を調査する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地盤調査を行うための物理探査において、特にレイリー波による表面波探査の手法を用いて地盤の性質を調査する地盤調査方法および装置に関する。

地盤調査を行うための物理探査の手法として、レイリー波を利用した表面波探査法がある。この表面波探査法は、レイリー波が距離の平方根に比例して減衰するという特性を有しているため、Ｐ波およびＳ波等の実体波を利用する物理探査法に比して、振源の位置とレイリー波を検出する位置とを遠く離すことができるという利点を備えている。また、この表面波探査法は、起振機により地盤に振動を与えることによって地盤調査を行う非破壊探査法であるため、例えば舗装道路を含む市街地および砂利敷きの駐車場等においても、地盤調査を簡便に行うことができるという利点も備えている。さらに、この表面波探査法で利用するレイリー波の伝播特性はＳ波の伝播特性と近似しているため、実体波を利用する物理探査法において用いる解析手法をそのまま利用することができるという利点をも備えている。そして、以上のような利点により地盤調査をより簡便に行うことが可能になるため、レイリー波を利用した表面波探査法は、近年における地盤調査において好適に利用されている。

ところで、レイリー波を利用したこの表面波探査法は、レイリー波が有する分散特性を利用した探査法である。ここで、分散特性とは、水平成層構造を有する地盤を伝播するレイリー波の伝播深度が、起振機の振動周波数に依存して変化する性質をいう。そして、表面波探査法による地盤調査は次のようにして行われている。まず、レイリー波を発生させるための起振機と、その起振機によって発生したレイリー波を検出するための例えば２個の検出器とを、地盤調査を行う地表にそれぞれ所定の距離を隔てて設置する。次いで、起振機により所定の振動数の範囲内で地盤内にレイリー波を発生させ、前記２個の検出器がそのレイリー波をそれぞれ検出した時間を測定する。そして、その測定した時間の差と前記２個の検出器の間隔とに基づいて前記所定の振動数の範囲内におけるレイリー波の伝播速度を算出する。つまり、レイリー波の分散特性を利用することによって地盤を伝播するレイリー波の伝播速度と伝播深度との対応関係を求める。次に、この求められた伝播速度（Ｖｒ）と伝播深度（Ｄ）との対応関係を、いわゆるＤ−Ｖｒ曲線図として作図する。ここで、Ｄ−Ｖｒ曲線図について概説する。

図７は、表面波探査により作成されたＤ−Ｖｒ曲線図の一例を示す模式図である。図７において、横軸はレイリー波の伝播速度スケールを示し、縦軸はレイリー波の伝播深度スケールを示している。そして、曲線Ｃは、分散特性を利用することによって求められたレイリー波の伝播速度と伝播深度との対応関係をプロットすることにより得られた曲線である。また、曲線Ｃにおける変曲点１〜６は、地盤の鉛直方向における地層の層境界を表している。

次に、図７に示すＤ−Ｖｒ曲線図が作図された後、このＤ−Ｖｒ曲線図を用いて、調査対象である地盤の鉛直方向における層分類を行う。ここで、図７に示したＤ−Ｖｒ曲線図を用いて地盤を層分類する方法について概説する。

図８は、図７に示すＤ−Ｖｒ曲線図の一例に基づいて地盤を鉛直方向に層分類した模式図である。図８に示すように、地盤は、それぞれの地層の層境界が図７に示すＤ−Ｖｒ曲線図における曲線Ｃの変曲点１〜６に対応するように、第１層〜第７層に層分類されている。なお、Ｇは、地盤の表面（地表）を表している。

次に、図８に示すように地盤の層分類が行われた後、層分類された第１層〜第７層のそれぞれの地層におけるレイリー波の平均伝播速度を算出する。これは、層分類された各地層を規定する二つの変曲点（例えば、図８に示す第２層については、変曲点１および変曲点２）のレイリー波の伝播速度および伝播深度のそれぞれの値をマトリックス法と呼ばれる解析手法において用いる平均伝播速度算出式に代入して算出する。最後に、マトリックス法により算出された第１層〜第７層のそれぞれの地層におけるレイリー波の平均伝播速度の値を地盤調査に係る所定の算出式に代入することによって、地盤の許容応力度、沈下量および液状化等についての調査が行われる。レイリー波を利用した表面波探査法による地盤調査は、通常、このようにして実施されている。

ところで、上述の如くＤ−Ｖｒ曲線図により層分類されたそれぞれの地層についてのレイリー波の平均伝播速度をマトリックス法により算出する方法では、その算出されたレイリー波の平均伝播速度が真の平均伝播速度と比して著しく異なるという不具合が発生する場合がある。そして、このような不具合が発生する理由は、層分類されたそれぞれの地層毎に地層の種類（洪積層、沖積層、堆積土または造成土等）および土質（粘性土、砂質土、堆積土等）が異なるにも関わらず、その地層の種類および土質等の差異を考慮せずに、レイリー波の平均伝播速度をマトリックス法により画一的に算出するためである。従って、層分類されたそれぞれの地層におけるレイリー波の平均伝播速度をマトリックス法により画一的に算出し、その算出されたレイリー波の平均伝播速度の値を用いて地盤の性質を調査することによっては、地盤の許容応力度、沈下量および液状化等を正確に調査することは困難であるという問題があった。

さらに、従来では、上述したように各地層におけるレイリー波の平均伝播速度の算出精度が低下する場合があることを予め考慮して、マトリックス法によって得られたレイリー波の平均伝播速度の値に所定の補正値を乗ずることによって平均伝播速度の補正を行い、その補正された平均伝播速度の値を地盤調査に係る所定の算出式に代入することによって、地盤の許容応力度、沈下量および液状化等の性質を調査していた。しかしながら、前記補正値は必ずしも適切な値ではないことが多いため、このような方法によっても調査対象である地盤の性質を正確に調査することは困難であるという問題があった。

なお、レイリー波を用いて調査対象である地盤の地層構造および土質性状を特定し、特定された地層構造および土質性状に関する情報を利用して地盤の性質を調査する方法としては、ボーリングを行わずに土質性状に応じた適切な液状化予測を行う測定方法がある（例えば、特許文献１参照）。また、地盤が複数の層からなる場合でも各層の境目を判別し易くして層別に地盤沈下量を測定できるようにした地盤沈下量の測定方法がある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−０５５０９０号公報 特開２００２−００６０５６号公報 本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、地盤を構成する地層の種類、およびそれぞれの地層の土質に基づいて地盤調査を行い、地盤の性質を簡便にかつ精度良く安定して調査することが可能な地盤調査方法および装置を提供することを目的としている。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る地盤調査方法および装置は、地盤を振動させることによって発生したレイリー波を検出し、検出した結果に基づいて前記地盤の性質を調査する地盤調査方法および装置において、前記検出した結果から前記地盤を構成するそれぞれの地層と、前記それぞれの地層の土質とをそれぞれ分類し、分類された前記地層と前記土質とに応じて地盤解析演算式を選択し、選択された地盤解析演算式と前記地層と前記土質とに基づいて前記地盤の性質を推定する。

このような構成とすることにより、調査対象である地盤を構成する地層の種類、およびそれぞれの地層の土質に応じて地盤解析演算式を選択し、前記地層のそれぞれについて適切な地盤解析演算式により地層の性質を調査することができる。その結果、地盤の許容応力度、沈下量および液状化等の調査を正確に行うことが可能になる。

この場合、前記地盤を構成するそれぞれの地層の分類は、前記地盤を洪積層、沖積層および堆積土または造成土の何れかに分類する。

このような構成とすることにより、地盤を構成する地層の種類に応じた地盤解析演算式を選択する際に、最適な地盤解析演算式を選択することができる。その結果、地盤の許容応力度、沈下量および液状化等の調査をより正確に行うことが可能になる。

この場合、前記地層のそれぞれにおける土質の分類は、前記地層のそれぞれの土質を堆積土、砂質土、粘性土および造成土の何れかに分類する。

このような構成とすることにより、地盤を構成する地層の土質に応じた地盤解析演算式を選択する際に、最適な地盤解析演算式を選択することができる。その結果、地盤の許容応力度、沈下量および液状化等の調査をより正確に行うことが可能になる。

この場合、前記地盤解析演算式は、前記検出した結果を用いて前記地盤を構成するそれぞれの地層におけるレイリー波の平均伝播速度を算出するに係る演算式である。

このような構成とすることにより、レイリー波の平均伝播速度は地盤調査の調査精度を左右する重要なデータの一つであることから、このレイリー波の平均伝播速度の精度が高まることによって地盤の性質を正確に調査することができる。

この場合、前記地盤の性質は、地盤の許容応力度、地盤の即時沈下量および圧密沈下量、および地盤の液状化の発生率を含み定義されている。

このような構成とすることにより、地盤上に家屋等を建設するにあたって、その家屋等が長期間に渡って倒壊、沈下および傾斜等することが無いような必要十分な調査を行うことができる。その結果、家屋等が倒壊、沈下および傾斜等することを長期に渡って防止することが可能になる。

本発明は以上に述べたような形態で実施され、地盤を構成する地層の種類、およびそれぞれの地層の土質に基づいて地盤調査を行い、地盤の性質を簡便にかつ精度良く安定して調査することが可能な地盤調査方法および装置を提供することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１に係る地盤調査を実施するための構成を模式的に示す概念図である。図３において、Ａは、地盤調査の各調査現場に持ち込まれ、地盤Ｇ上に設置して表面波であるレイリー波を発生させるために用いられる起振機を示している。また、ａおよびｂは、起振機Ａの上下振動によって地盤Ｇの内部に発生したレイリー波を検出するための検出器である。図３に示すように、これらの検出器ａおよびｂは、起振機Ａによる加振によって地盤Ｇの内部に発生したレイリー波の伝播速度を計測するために、所定の距離Ｌを隔てて、地盤Ｇ上に設置されている。そして、これらの起振機Ａと検出器ａおよびｂとは、起振機Ａが振動する振幅および周波数を制御すると共に、検出器ａおよびｂによって検出された信号を演算等するための制御演算装置Ｂに電気的に接続されている。この制御演算装置Ｂの記憶部には、後述する所定の演算式が記憶されている。

次に、本実施の形態に係る地盤調査方法について説明する。なお、本実施の形態に係る地盤調査において使用する全ての演算式は、地盤中におけるレイリー波の伝播特性とＳ波の伝播特性とが近似していることを利用して、Ｓ波速度と各種土質定数との対応関係を示す既知の関係式、およびそれらの既知の関係式から導出される関係式である。

図２は、本実施の形態に係る制御演算装置Ｂの動作を示すフローチャートである。以下、制御演算装置Ｂの動作について、図２を参照しながら説明する。

地盤調査に先立って、現場作業者は、図３に示すように調査対象である地盤Ｇ上の適宜の位置に、起振機Ａと２個の検出器ａおよびｂとをそれぞれ直線状に設置する。

起振機Ａと検出器ａおよびｂとが所定の位置に設置された後、現場作業者は、制御演算装置Ｂを操作することによって、起振機Ａの振動条件（振幅および振動数範囲等）を設定する（ステップＳ１）。次いで、起振機Ａを前記設定した振動条件によって上下振動させることにより、地盤Ｇの内部にレイリー波を発生させる（ステップＳ２）。この操作によって、起振機Ａの振動によって発生したレイリー波は、地盤Ｇの内部において、起振機Ａの振動数に応じた深度で伝播する。この時、検出器ａおよびｂは地盤Ｇ内を伝播するレイリー波をそれぞれ検出し、その検出信号は制御演算装置Ｂに伝送される。そして、制御演算装置Ｂにおいては、検出器ａおよびｂがレイリー波を検出した時間が求められ、それらの時間の時間差が算出される。そして、以下に示す式（１）により、起振機Ａの振動によって発生したレイリー波の伝播速度が、振動数毎に算出される（ステップＳ３）。

Ｖｒ＝Ｌ／ΔＴ ・・・（１）
ここで、Ｖｒはレイリー波の伝播速度（ｍ／ｓ）を、Ｌは検出器ａおよびｂの間の隔離距離（ｍ）を、ΔＴは検出器ａおよびｂがレイリー波を検出した時間の時間差（ｓ）を、それぞれ示している。

次に、算出されたレイリー波の伝播速度の値と、起振機Ａの振動数の値とを用いて、以下に示す式（２）および式（３）により、レイリー波が伝播する深度を算出する（ステップＳ４）。

Ｄ＝λ／２ ・・・（２）
λ＝Ｖｒ／Ｆ ・・・（３）
ここで、Ｄはレイリー波の伝播深度（ｍ）を、λはレイリー波の波長（ｍ）を、Ｆは起振機Ａの振動数すなわちレイリー波の周波数（Ｈｚ）を、それぞれ示している。

ステップＳ４によってレイリー波の伝播深度が算出された後、地盤調査に係る測定が所定の深度まで行われたか否かが判定される（ステップＳ５）。このステップＳ５によって前記測定が所定の深度まで行われていないことが判明した場合（ステップＳ５でＮＯ）、ステップＳ１に戻って振動条件を再び設定し、前記測定が所定の深度に達したことが確認されるまで（ステップＳ５でＹＥＳ）、ステップＳ１〜ステップＳ４を繰り返し実施する。

ステップＳ５によって地盤調査に係る測定が所定の深度まで行われたことが確認された後、算出されたレイリー波の伝播速度Ｖｒと伝播深度Ｄとを用いて、Ｄ−Ｖｒ曲線図が作図される（ステップＳ６）。ここで、図５を用いて、本実施の形態におけるＤ−Ｖｒ曲線図について説明する。

図５は、本実施の形態における表面波探査により作図されたＤ−Ｖｒ曲線図の一例を示す模式図である。図５において、横軸はレイリー波の伝播速度スケールを示し、縦軸はレイリー波の伝播深度スケールを示している。そして、曲線Ｃは、分散特性を利用することによって求められたレイリー波の伝播速度と伝播深度との対応関係をプロットすることにより得られた曲線である。また、曲線Ｃにおける変曲点１〜６は、調査対象である地盤の鉛直方向における地層の層境界を表している。

ステップＳ６によってＤ−Ｖｒ曲線図が作図された後、そのＤ−Ｖｒ曲線図を基にして、図５に示す変曲点１〜６におけるレイリー波の伝播速度および伝播深度が解析される。ここでは、変曲点１〜６におけるレイリー波の伝播速度Ｖｒおよび伝播深度Ｄは、変曲点１においてＤ₁，Ｖ₁、変曲点２においてＤ₂，Ｖ₂、変曲点３においてＤ₃，Ｖ₃、変曲点４においてＤ₄，Ｖ₄、変曲点５においてＤ₅，Ｖ₅、変曲点６においてＤ₆，Ｖ₆である。また、伝播深度が０ｍにおける伝播速度Ｖｒおよび伝播深度ＤはＤ₀，Ｖ₀であり、さらに伝播深度が１０ｍにおいてはＤ₇，Ｖ₇である。

次に、ステップＳ６によって図５に例示したＤ−Ｖｒ曲線図が作図された後、再びこのＤ−Ｖｒ曲線図に基づいて、調査対象である地盤の鉛直方向における地層分類が行われる（ステップＳ７）。ここで、図５に例示したＤ−Ｖｒ曲線図を用いて地盤を地層分類する方法について説明する。図６は、図５に示すＤ−Ｖｒ曲線図の一例に基づいて地盤を鉛直方向に地層分類した模式図である。図６に示すように、地盤はそれぞれの地層の層境界が図５に示すＤ−Ｖｒ曲線図における曲線Ｃの変曲点１〜６に対応するようにして、地層１０〜７０に分類されている。そして、地層１０〜７０のそれぞれの種類（表層、沖積層、洪積層および岩盤層等）と土質（粘性土、砂質土および堆積土等）とを、図５に示したＤ−Ｖｒ曲線図における曲線Ｃから得られる情報と、各地層におけるレイリー波の減衰率とに基づいて、それぞれ図６に例示すように分類する。すなわち、図６においては、地層１０は表層（堆積土）、地層２０〜４０は沖積層（地表側より粘性土、砂質土、堆積土）、地層５０〜６０は洪積層（地表側より固結した砂、土丹盤）、地層７０は岩盤層（岩盤）である。なお、Ｇは、地盤の表面（地表）を表している。

なお、レイリー波の減衰率に基づいて行われる各地層の土質の分類は、次のようにして実施される。起振機Ａの加振により地盤の内部に発生したレイリー波は周囲に拡散するに従って徐々に減衰していくので、そのレイリー波の振幅は起振機Ａから離れるに従って小さくなる。例えば、図３に示す構成においては、地盤Ｇ上に設置した各検出器ａおよびｂによって検出されるそれぞれのレイリー波の振幅を比較した場合、起振機Ａに近い位置に配設されている検出器ａによって検出されるレイリー波の振幅は、起振機Ａから遠い位置に配設されている検出器ｂによって検出されるレイリー波の振幅よりも大きい。そして、そのようなレイリー波の振幅の差違に基づいて、所定の算出手段を用いることによって、各地層におけるレイリー波の減衰率を正確に算出する。レイリー波の減衰率が各地層毎に算出された後、その算出されたレイリー波の減衰率と前記の如く算出されたレイリー波の伝播速度とに基づき、地層の土質を判定するための予め試験して得た土質分類情報を参照することにより、各地層の土質の分類が実施される。

次に、図６に示すように調査対象の地盤を構成する地層の種類と土質とがそれぞれ分類された後に、地層１０〜７０におけるレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁〜Ｖｒ₇が算出される（ステップＳ８）。ここで、本発明の実施の形態では、図６に示す各地層におけるレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁〜Ｖｒ₇は、図１に示すように地層１００と土質２００との組み合わせに基づいて地盤解析演算式３００から所定の地盤解析演算式が選択され、その選択された地盤解析演算式が用いられることによって、それぞれ算出される。なお、図１においては、Ｖ_Rはレイリー波の平均伝播速度（ｍ／ｓ）を、Ｖ_UおよびＶ_Lは、図５に示すＤ−Ｖｒ曲線図における曲線Ｃの調査対象層に係る二つの変曲点の地表側および地核側のレイリー波の伝播速度（ｍ／ｓ）を、Ｄ_UおよびＤ_Lは、前記変曲点の地表側および地核側のレイリー波の伝播深度（ｍ）を、それぞれ示している。

以下、本実施の形態におけるレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁〜Ｖｒ₇を算出するためのより具体的な方法について、図１および図６を用いて詳細に説明する。

前述したように、図１は、地層の種類および土質に応じてレイリー波の平均伝播速度を算出するために用いる演算式を選択する規則について示している。そして、地層の種類を地層１００の中から、またそれぞれの地層の土質を土質２００の中からそれぞれ選択し、それらの選択の組み合わせに対応するレイリー波の平均伝播速度を算出するための演算式を、地盤解析演算式３００の中から選択する。すなわち、本実施の形態においては、図６に示す地層１０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁を算出する場合には、その地層の種類が表層であり、また土質が堆積土であることから、図１に示す対応する地盤解析演算式（４）により、レイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁を算出する。なお、地層１０の土質が造成土の場合も式（４）を適用する。

Ｖ_R＝Ｖ_L ・・・（４）
ここで、Ｖ_Rはレイリー波の平均伝播速度（ｍ／ｓ）を、Ｖ_Lは曲線Ｃの調査対象層に係る二つの変曲点の地核側のレイリー波の伝播速度（ｍ／ｓ）を示している。従って、地層１０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁は、式（５）のように求められる。

Ｖｒ₁＝Ｖ₁ ・・・（５）
また、図６に示す地層２０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₂を算出する場合には、その地層の種類が沖積層であり、また土質が粘性土（ここでは、内部摩擦角＝０°とする）であることから、図１に示す対応する地盤解析演算式（６）により、レイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₂を算出する。

Ｖ_R＝（Ｖ_U＋Ｖ_L）／２ ・・・（６）
ここで、Ｖ_Rはレイリー波の平均伝播速度（ｍ／ｓ）を、Ｖ_UおよびＶ_Lは曲線Ｃの調査対象層に係る二つの変曲点の地表側および地核側のレイリー波の伝播速度（ｍ／ｓ）を示している。従って、地層２０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₂は、式（７）のように求められる。

Ｖｒ₂＝（Ｖ₁＋Ｖ₂）／２ ・・・（７）
また、図６に示す地層３０および４０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₃およびＶｒ₄を算出する場合には、その地層の種類が沖積層であり、また土質が砂質土および堆積土であることから、図１よりレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₃およびＶｒ₄を前記の式（４）により算出する。従って、地層３０および４０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₃およびＶｒ₄は、式（８）および式（９）のように求められる。

Ｖｒ₃＝Ｖ₃ ・・・（８）
Ｖｒ₄＝Ｖ₄ ・・・（９）
また、図６に示す地層５０および６０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₅およびＶｒ₆を算出する場合には、その地層の種類が洪積層であり、また土質が固結した砂および土丹盤であることから、図１に示す対応する地盤解析演算式（１０）により、レイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₅およびＶｒ₆を算出する。なお、この洪積層の土質としては、固結した砂および土丹盤以外に、岩盤、密実な礫層等も含まれる。

Ｖ_R≒（（Ｖ_L ²Ｄ_L−Ｖ_U ²Ｄ_U）／（Ｄ_L−Ｄ_U））^(1/2) ・・・（１０）
ここで、Ｖ_Rはレイリー波の平均伝播速度（ｍ／ｓ）を示している。なお、Ｖ_UおよびＶ_L、Ｄ_UおよびＤ_Lについては前述と同様である。従って、地層５０および６０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₅およびＶｒ₆は、式（１１）および式（１２）のように求められる。

Ｖｒ₅≒（（Ｖ₅ ²Ｄ₅−Ｖ₄ ²Ｄ₄）／（Ｄ₅−Ｄ₄））^(1/2) ・・・（１１）
Ｖｒ₆≒（（Ｖ₆ ²Ｄ₆−Ｖ₅ ²Ｄ₅）／（Ｄ₆−Ｄ₅））^(1/2) ・・・（１２）
なお、前記の式（１０）は、従来の地盤調査において地盤を構成する各地層のレイリー波の平均伝播速度をマトリックス法により求める際に用いられている演算式である。

また、図６に示す地層７０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₇を算出する場合には、その地層の種類が岩盤層であり、また土質が岩盤であることから、図１よりレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₇を式（１０）により算出する。従って、地層７０のレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₇は、式（１３）のように求められる。

Ｖｒ₇≒（（Ｖ₇ ²Ｄ₇−Ｖ₆ ²Ｄ₆）／（Ｄ₇−Ｄ₆））^(1/2) ・・・（１３）
以上のようにして、各地層１０〜７０の地層の種類および土質に基づいて、レイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁〜Ｖｒ₇が算出される。

次に、上述のようにして地盤を構成する各地層のレイリー波の平均伝播速度が求められた後に、それらの平均伝播速度の値を用いて、地盤を構成する地層１０〜７０のそれぞれの地層の地盤特性をそれぞれ推定する（ステップ９）。

まず、許容応力度を算出する方法について詳細に説明する。なお、許容応力度は慣用的に地耐力とも呼ばれている。

地盤を構成する各地層の許容応力度を算出する際には、まず、各地層のレイリー波の平均伝播速度の値を用いて、以下に示す式（１４）および式（１５）により、地層毎に一軸圧縮強度および圧密降伏応力を算出する。

ｑｕ＝（Ｖ_R／１３４）^(1/0.443) ・・・（１４）
Ｐｙ＝（Ｖ_R／９９．６）^(1/0.510) ・・・（１５）
ここで、Ｖ_Rはレイリー波の平均伝播速度（ｍ／ｓ）を、ｑｕは一軸圧縮強度（ｋｇｆ／ｃｍ²）を、Ｐｙは圧密降伏応力（ｋｇｆ／ｃｍ²）を、それぞれ示している。

そして、各地層について算出された一軸圧縮強度および圧密降伏応力の値を用いて、以下に示す式（１６）および式（１７）により、それぞれの地層の粘着力および平板載荷試験による降伏荷重度の二分の一の値を算出する。

Ｃ＝ｑｕ／２ ・・・（１６）
ｑｔ＝Ｐｙ／２ ・・・（１７）
ここで、Ｃは地層の粘着力（ｋｇｆ／ｃｍ²）を、ｑｔは平板載荷試験による降伏荷重度の二分の一の値（ｋｇｆ／ｃｍ²）を、ｑｕは一軸圧縮強度（ｋｇｆ／ｃｍ²）を、Ｐｙは圧密降伏応力（ｋｇｆ／ｃｍ²）を、それぞれ示している。

さらに、各地層の許容応力度を算出する際には、地盤を構成する各地層に関する粘着力Ｃの値と、平板載荷試験による降伏荷重度の二分の一の値ｑｔとを比較して、より小さい値を示すパラメータ（Ｃまたはｑｔ）を採用して算出する。但し、地層の土質が砂質土であることが確認できる場合には、その地層についてのみ平板載荷試験による降伏荷重度の二分の一の値ｑｔを採用して許容応力度を算出する。また、地層の土質が粘性土で内部摩擦角＝０°と確認できる場合には、その地層についてのみ地層の粘着力の値Ｃを採用して許容応力度を算出する。

地盤を構成する各地層の許容応力度の算出は、許容応力度の算出において従来から用いられている式（１８）または式（１９）を、採用されたパラメータ（Ｃまたはｑｔ）に応じて使い分けることにより行う。すなわち、式（１８）は粘着力Ｃの値を用いて許容応力度を算出する場合に用いる式であり、一方、式（１９）は平板載荷試験による降伏荷重度の二分の一の値ｑｔを用いて許容応力度を算出する場合に用いる式である。

ｑａ＝（ｉ_cαＣＮ_c＋ｉγβγ₁ＢＮγ＋ｉ_qγ₂Ｄ_fＮ_q）／３ ・・・（１８）
ｑａ＝ｑｔ＋（Ｎ’γ₂Ｄ_f）／３ ・・・（１９）
ここで、式（１８）においては、ｑａは許容応力度（ｋＮ／ｍ²）を、ｉ_c＝ｉ_q＝（１−θ／９０）²、ｉγ＝（１−θ／φ）²、θは鉛直方向に対する傾斜角（°）を、φは内部摩擦角（°）を、αおよびβは基礎底面の形状に関する形状係数を、Ｃは基礎底面下にある地層の粘着力（ｋｇｆ／ｃｍ²）を、Ｂは基礎底面の短辺の長さ（ｍ）を、Ｎ_c、ＮγおよびＮ_qは支持力係数を、Ｄ_fは基礎底面までの深さ（ｍ）を、γ₁およびγ₂は基礎荷重面下にある地盤の単位体積重量（ｋＮ／ｍ³）を、それぞれ示している。また、式（１９）においては、ｑｔは平板載荷試験による降伏荷重度の二分の一の値（ｋｇｆ／ｃｍ²）を、Ｎ’は基礎荷重面下の地盤の種類に応じた係数を、それぞれ示している。なお、式（１９）においてγ₂およびＤ_fは、式（１８）の場合と同等である。このようにして、地盤を構成する各地層の許容応力度ｑａは求められる。

次に、地盤を構成する各地層についての沈下量を算出する方法について説明する。沈下量の算出は、各地層の種類および土質に基づいて算出されたレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁〜Ｖｒ₇をそれぞれ沈下量の算出に係る所定の数式に代入することによって行われる。なお、地層の沈下量は、比較的短期における沈下について考慮する即時沈下量と、長期間（約１０年）における沈下について考慮する圧密沈下量とに分けて解析を行う。なお、地層の土質が砂質土であることが確認された場合には、砂質土は透水性が大きく粘着力が無いことから、圧密沈下量の解析は省略することが示されている。また、地層の土質が粘性土の場合には、粘性土は透水性が無く長期間において圧密沈下が生じるので、沈下量の予測は即時沈下量と圧密沈下量の両方の検討が必要であることが示されている。

即時沈下量の算出は、各地層のレイリー波の平均伝播速度を用いて各地層毎に次のようにして行う。まず、レイリー波の平均伝播速度を以下に示す式（２０）に代入して、地盤の剛性率を算出する。

Ｇ＝（１／ｇ）ρＶ_R ² ・・・（２０）
ここで、Ｇは地盤の剛性率（ｋＮ／ｍ²）を、ｇは重力加速度（ｍ／ｓ²）を、ρは地盤の密度（ｋｇ／ｍ²）を、Ｖ_Rはレイリー波の平均伝播速度を、それぞれ示している。式（２０）によって地盤の剛性率Ｇが算出された後、その算出された剛性率Ｇの値を以下に示す式（２１）に代入することによって、地盤のヤング係数を算出する。

Ｅ＝２（１＋ν）Ｇ ・・・（２１）
ここで、Ｅは地盤のヤング係数を、νは地盤のポアソン比を、Ｇは地盤の剛性率（ｋＮ／ｍ²）を、それぞれ示している。そして、式（２１）によって地盤のヤング係数Ｅが算出された後、その算出された地盤のヤング係数の値を以下に示す式（２２）に代入して、地盤の即時沈下量を算出する。

Ｓ_E＝Ｉ_s（（１−ν²）／Ｅ）σＢ ・・・（２２）
ここで、Ｓ_Eは地盤の即時沈下量（ｃｍ）を、Ｉ_sは基礎底面の形状と剛性によって決まる係数を、νは地盤のポアソン比を、Ｅは地盤のヤング係数を、σは基礎の圧縮荷重（ｋＮ／ｍ²）を、Ｂは基礎の短辺の長さ（ｍ）を、それぞれ示している。上述のようにして、地盤の即時沈下量Ｓ_Eは求められる。

一方、圧密沈下量の算出は、所定のパラメータを用いて各地層毎に次のようにして行う。まず、地盤の体積圧縮係数の算出に係る所定の算出式を用いることによって、調査対象である地盤の体積圧縮係数（ｍ_v）を算出する。そして、地盤の体積圧縮係数が算出された後、その算出された地盤の体積圧縮係数の値を以下に示す式（２３）に代入して、地盤の圧密沈下量を算出する。

Ｓ_c＝ｍ_vΔτｈ ・・・（２３）
ここで、Ｓ_cは地盤の圧密沈下量（ｃｍ）を、ｍ_vは地盤の体積圧縮係数を、Δτは増加有効地中応力（ｋＮ／ｍ²）を、ｈは圧密層厚（ｍ）を、それぞれ示している。なお、地盤の圧密沈下量の算出は、以下に示す式（２４）によって算出しても良い。

Ｓ_c＝ｈ（Ｃ_c／１＋ｅ）ｌｏｇ（１＋（Δτ／σ_z）） ・・・（２４）
式（２４）において、Ｓ_cは地盤の圧密沈下量（ｃｍ）を、ｈは圧密層厚（ｍ）を、Ｃ_cは圧縮指数を、ｅは初期間隙比を、Δτは増加有効地中応力（ｋＮ／ｍ²）を、σ_zは建設前の地中応力（ｋＮ／ｍ²）を、それぞれ示している。上述のようにして、地盤の圧密沈下量Ｓ_cは求められる。

次に、地盤を構成する各地層についての液状化の発生率の算出方法について説明する。液状化の発生率の算出は、地盤を構成する各地層の種類および土質に基づいて算出されたレイリー波の平均伝播速度Ｖｒ₁〜Ｖｒ₇以外に、予想される地震の震度や規模の推定値を利用すると共に、調査対象の地盤における各種性質に係る特性値を利用することによって求められる。そして、準備されたそれぞれの値を液状化の発生率の算出に係る所定の数式に代入することによって、次のようにして行われる。

まず、調査対象である地盤の繰り返しせん断応力比を、以下に示す式（２５）を用いて算出する。

Ｓ_w＝γ_n（αｍａｘ／ｇ）（κ_z／κ_z’）γ_d ・・・（２５）
ここで、Ｓ_wは繰り返しせん断応力比を、γ_nは予想される地震のマグニチュードに基づく補正係数を、αｍａｘは予想される地震の規模（Ｇａｌ）を、ｇは重力加速度（Ｇａｌ）を、κ_z＝ηＨ（η：砂質土比重、Ｈ：求める深度）、κ_z’＝ηＬ＋（η−９．８）（Ｈ−Ｌ）（η：砂質土比重、Ｌ：地下常水位、Ｈ：求める深度）、γ_dは求める深度Ｈに基づく低減係数を、それぞれ示している。

次に、調査対象である地盤の液状化抵抗比を、以下に示す式（２６）を用いて算出する。

Ｒ＝τ₁／κ_z’ ・・・（２６）
ここで、Ｒは液状化抵抗比を、τ₁は水平面における液状化抵抗（ｋＮ／ｍ²）を、それぞれ示している。なお、式（２６）におけるκ_z’は、前記の式（２５）におけるκ_z’と同様である。

最後に、式（２５）によって算出された繰り返しせん断応力比Ｓ_wの値と、式（２６）によって算出された液状化抵抗比Ｒの値とを以下に示す式（２７）に代入して、液状化の発生率を算出する。

Ｆ＝Ｒ／Ｓ_w ・・・（２７）
ここで、Ｆは液状化の発生率を、Ｒは液状化抵抗比を、Ｓ_wは繰り返しせん断応力比を、それぞれ示している。なお、液状化の発生率を解釈する際には、Ｆ＜１．０である場合には液状化は発生しないと解する。このようにして、地盤の液状化の発生率Ｆは求められる。

以上のようにして、地盤の性質を表す許容応力度、即時沈下量および圧密沈下量、液状化の発生率がそれぞれ求められる。そして、本発明の実施の形態では、地盤の性質を求める際に用いるレイリー波の平均伝播速度を、地盤を構成する各地層の種類および土質を考慮して算出するので、各地層におけるレイリー波の平均伝播速度を正確に算出することができる。その結果、地盤の性質を表す許容応力度、即時沈下量および圧密沈下量、液状化の発生率を簡便にかつ精度良く安定して求めることが可能になる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る地盤調査を実施するための構成を模式的に示す概念図である。図４において、Ａは、地盤調査の各調査現場に持ち込まれ、地盤Ｇ上に設置して表面波であるレイリー波を発生させるために用いられる起振機を示している。また、ａ、ｂおよびｃは、起振機Ａの上下振動によって地盤Ｇの内部に発生したレイリー波を検出するための検出器である。図４に示すように、これらの検出器ａ、ｂおよびｃは、起振機Ａによる加振によって地盤Ｇの内部に発生したレイリー波の伝播速度を計測するために、それぞれ所定の距離Ｌを隔てて、地盤Ｇ上に設置されている。そして、これらの起振機Ａと検出器ａ、ｂおよびｃとは、起振機Ａが振動する振幅および周波数を制御すると共に、検出器ａ、ｂおよびｃによって検出された信号を演算等するための制御演算装置Ｂに電気的に接続されている。

次に、本実施の形態に係る地盤調査方法について説明する。なお、本実施の形態における制御演算装置Ｂの動作は実施の形態１と同様である。また、Ｄ−Ｖｒ曲線図の作図方法、調査対象である地盤の鉛直方法における層分類の方法、各地層の種類および土質の判定方法および地盤の性質の調査方法等も、実施の形態１と同様である。従って、それぞれに関する説明は省略する。

図４に示すように、現場作業者は、調査対象である地盤Ｇ上の適宜の位置に起振機Ａと３個の検出器ａ、ｂおよびｃとをそれぞれ直線状に設置し、制御演算装置Ｂを操作することによって、起振機Ａを所定の振幅および振動数範囲で上下振動させる。この操作によって、起振機Ａの振動によって発生したレイリー波は、地盤Ｇの内部において、起振機Ａの振動数に応じた深度で伝播する。この時、検出器ａ、ｂおよびｃは地盤Ｇ内を伝播するレイリー波をそれぞれ検出し、その検出信号を制御演算装置Ｂに伝送する。ここで、本実施の形態においては、検出器ａおよびｂ、検出器ｂおよびｃ、検出器ａおよびｃのそれぞれについて、３種類のＤ−Ｖｒ曲線図を作図する。そして、得られた３種類のＤ−Ｖｒ曲線図をそれぞれ比較検討し、その中から、レイリー波の進行波と反射波とが合成されることによって生じた定在波の干渉を受けていないＤ−Ｖｒ曲線図、または定在波の干渉が比較的少ないＤ−Ｖｒ曲線図を選択する。そして、その選択されたＤ−Ｖｒ曲線図に基づいて各種の地盤調査を行う。このように、３個の検出器ａ、ｂおよびｃを用いることによって、複数のＤ−Ｖｒ曲線図から良質なＤ−Ｖｒ曲線図を選択することができるため、より高精度な地盤調査を行うことが可能になる。その他については実施の形態１と同様である。

なお、本実施の形態ではａ、ｂおよびｃの３個の検出器を用いているが、検出器の個数は３個に限られるわけではなく、３個以上であっても良い。

以上の説明では、表面波としてレイリー波を用いる表面波探査についての一例を挙げて説明したが、その他の表面波を用いる場合であっても応用が可能である。さらに、地盤の性質を調査するための物理探査一般について、本発明を応用することが可能である。

本発明の実施の形態に係る地層および土質に応じて地盤解析演算式を選択する規則を示した模式図である。 本発明の実施の形態に係る制御演算装置の動作を示す流れ図である。 本発明の実施の形態１に係る地盤調査方法を実施するための構成を模式的に示す概念図である。 本発明の実施の形態２に係る地盤調査方法を実施するための構成を模式的に示す概念図であるある。 本実施の形態における表面波探査により作図されたＤ−Ｖｒ曲線図の一例を示す模式図である。 図５に示すＤ−Ｖｒ曲線図の一例に基づいて地盤を鉛直方向に層分類した模式図である。 従来の表面波探査により作成されたＤ−Ｖｒ曲線図の一例を示す模式図である。 図７に示すＤ−Ｖｒ曲線図の一例に基づいて地盤を鉛直方向に層分類した模式図である。

符号の説明

１〜６ 変曲点
１０〜７０ 地層
１００ 地層
２００ 土質
３００ 地盤解析演算式
Ａ 起振機
Ｂ 制御演算装置
Ｃ 曲線
Ｇ 地盤の表面
ａ〜ｃ 検出器

Claims (10)

1. 地盤を振動させることによって発生したレイリー波を検出し、検出した結果に基づいて前記地盤の性質を調査する地盤調査方法において、
   前記検出した結果から前記地盤を構成するそれぞれの地層と、前記それぞれの地層の土質とをそれぞれ分類し、分類された前記地層と前記土質とに応じて地盤解析演算式を選択し、選択された地盤解析演算式と前記地層と前記土質とに基づいて前記地盤の性質を推定することを特徴とする地盤調査方法。
2. 前記地盤を構成するそれぞれの地層の分類は、前記地盤を洪積層、沖積層および堆積土または造成土の何れかに分類することを特徴とする、請求項１に記載の地盤調査方法。
3. 前記地層のそれぞれにおける土質の分類は、前記地層のそれぞれの土質を堆積土、砂質土、粘性土および造成土の何れかに分類することを特徴とする、請求項１に記載の地盤調査方法。
4. 前記地盤解析演算式は、前記検出した結果を用いて前記地盤を構成するそれぞれの地層におけるレイリー波の平均伝播速度を算出するに係る演算式であることを特徴とする、請求項１に記載の地盤調査方法。
5. 前記地盤の性質は、地盤の許容応力度、地盤の即時沈下量および圧密沈下量、および地盤の液状化の発生率を含み定義されていることを特徴とする、請求項１に記載の地盤調査方法。
6. 地盤を振動させることによって発生したレイリー波を検出し、検出した結果に基づいて前記地盤の性質の調査を行う地盤調査装置において、
   前記検出した結果から前記地盤を構成するそれぞれの地層を判定する地層判定手段と、前記それぞれの地層の土質を判定する土質判定手段と、分類された前記地層と前記土質とに応じて地盤解析演算式を選択する地盤解析演算式選択手段と、選択された地盤解析演算式と前記地層と前記土質とに基づいて前記地盤の性質を推定する推定手段とを備えることを特徴とする地盤調査装置。
7. 前記地盤を構成するそれぞれの地層を判定する地層判定手段は、前記地盤を洪積層、沖積層および堆積土または造成土の何れかに分類する分類手段を備えることを特徴とする、請求項６に記載の地盤調査装置。
8. 前記それぞれの地層の土質を判定する土質判定手段は、前記地層のそれぞれの土質を堆積土、砂質土、粘性土および造成土の何れかに分類する分類手段を備えることを特徴とする、請求項６に記載の地盤調査装置。
9. 前記地層と前記土質とに応じて地盤解析演算式を選択する地盤解析演算式選択手段は、前記検出した結果を用いて前記地盤を構成するそれぞれの地層におけるレイリー波の平均伝播速度を算出するに係る演算式を識別する識別手段を備えることを特徴とする、請求項６に記載の地盤調査装置。
10. 前記選択された地盤解析演算式と前記地層と前記土質とに基づいて前記地盤の性質を推定する推定手段は、地盤の許容応力度、地盤の即時沈下量および圧密沈下量、および地盤の液状化の発生率について演算する演算手段を備えることを特徴とする、請求項６に記載の地盤調査装置。

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