JP2012122239A - 水圧式サンプラーを用いたサウンディング装置及びサウンディング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】地盤の硬軟、締まり具合を原位置で直接測定するサウンディングと土層構成を把握するために試料を採取するサンプリングを同時に行うことができ、産業廃棄物となる泥水の処理が不要で、かつ現場の作業環境を改善させることができるサウンディング装置およびサウンディング方法を提供する。
【解決手段】送水ポンプにより水圧式サンプラー１０１に清水を送ることで、サンプリングチューブを圧入して土試料を採取する。このとき、水圧式サンプラー１０１に送出する清水の流量速度を一定に保ち、サンプリングチューブの変位速度を一定に制御する。そして、ポンプから水圧式サンプラー１０１に送る清水の水圧および流量を測定するとともに、水圧から静的貫入抵抗を、流量速度から貫入量を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、土試料を採取するサンプリングと、地盤の強さを測定するサウンディングとを行うサウンディング装置及びサウンディング方法に関するものである。

土木・建築構造物の計画・設計・施工を行うためには、事前に敷地地盤の土層構成や物理性質、力学性質などの地盤情報を得るために地盤調査を行うことが必須である。

この地盤調査は原位置でのボーリング調査を基本として行われるが、地盤内に抵抗体を静的または動的に貫入させ、その貫入抵抗から地盤の強さを直接測定する方法（サウンディング）と、地盤内に円筒を貫入させて土を採取（サンプリング）し、その観察および室内土質試験に供して土質特性を調べる方法が併用される。

現在、最も一般的な地盤調査法である「標準貫入試験」はサウンディングとサンプリングを同時に実施できる唯一のもので、動的貫入による打撃回数Ｎ値から地盤の強さを求め、採取した土試料から土質を判定している。また何よりも地盤に関する設計体系がＮ値を基に作られているため、まさに標準的な調査法となっている。

しかしながら、Ｎ値は土質によって評価が異なり、特に最も軟弱な沖積粘土層のＮ値は０から３程度であり、地盤情報としては非常に粗い。また、採取試料は原位置の土構造が破壊されて乱れが大きく、力学試験に供することはできない。

そこで、別途、シンウォール（薄肉円筒）サンプラーを用いたサンプリングによって原位置の性質を保持した乱れの少ない土を採取し、室内土質試験で詳細な力学特性や物理特性を調べているのが実情である。したがって、これまでの地盤調査では、サウンディングとサンプリングは別々に行われるのが一般的であった。

しかし、従来のサンプリングは乱れの少ない土を採取することのみを対象としていたが、見方を変えればサンプリングもシンウォールサンプラーを地盤内に貫入するものであるので、サンプラーを抵抗体と考え、その貫入抵抗を測定することができれば、同時にサウンディングとしても扱うことが可能と考えられる。

本発明者は上述の知見に基づいて、水圧式サンプラーを利用して、定流量ポンプで水をサンプラーに送り、サンプリング時における水圧と流量を測定することによって、サンプリングと同時にサウンディングも行うことができる新しいサウンディング装置およびその方法を開発した。

水圧式サンプラーを利用したサウンディング試験の開発、土木学会第６４回年次学術講演会、３―１８５、２００９（松村他）

しかしながら、上述のサウンディング装置では以下のような問題点があった。すなわち、従来の水圧式サンプラーは、ボーリングポンプによって圧力水を送水していたが、ボーリングポンプは脈動（圧力変動）が大きく、一定の流量速度で水を送ることができない。このため、サンプリング時における水圧と流量の正確な値を測定することができなかった。また、Ｎ値が１０程度までの砂層や硬い粘土層では、サンプリングが困難であった。

以上、従来の水圧式サンプラーに用いられるボーリングポンプでは、正確なサウンディングを行うことは難しかった。

また、従来の水圧式サンプラーは、地上からボーリングポンプによって圧力水を一気にサンプラーに送っているが、この際に用いる圧力水は泥水を用いていた。これはボーリング作業には孔壁崩壊を防ぐために、ベントナイト（高塑性の粉末粘土）を水に溶いた泥水を用いるのが普通で、それをサンプリングにもそのまま用いてきたためである。

しかし、泥水は産業廃棄物としての処理が必要となり、かつ現場の作業環境が悪質となるという問題もあった。また、測定水圧はボーリングロッド内の静水圧の補正を加えるが、水圧は液体の密度に依存する。泥水の密度は加えるベントナイトの量に依存するため、密度の変動幅が大きいという課題があった。

本発明のサウンディング装置は、土試料を採取するサンプリングを行うとともに、地盤の強さを測定するサウンディングを行うサウンディング装置であって、清水を送ってサンプリングチューブを圧入して土試料を採取する水圧式サンプラーと、水タンク内の清水を前記水圧式サンプラーに送出する送水ポンプと、前記水圧式サンプラーに送出する清水の流量速度を一定に保ち、前記ンプリングチューブの変位速度を制御する制御手段と、前記水圧式サンプラーに送られる清水の水圧を測定する水圧測定手段と、前記水圧式サンプラーに送られる清水の流量を測定する流量測定手段を備えている。

送水ポンプとして、例えば３．５ＭＰａ以上の容量をもつ定流量ポンプを用いることができ、これによって高圧力域でも一定の流量速度を満足し、静的コーン貫入試験と同じ貫入速度２０ｍｍ／ｓｅｃを実現できる。また、Ｎ値１０程度までの砂層や硬い粘土層のサンプリングすることができる。

さらに、圧力水が清水（水道水）であるため、産廃処理が不要となり、清水が漏れても現場の作業環境に悪影響は与えない。

本発明のサウンディング方法は、水圧式サンプラーに清水を一定の流量速度で送る送水工程と、水圧式サンプラーの変位速度を一定に保った状態で圧入して土試料を採取するサンプリング工程と、前記水圧式サンプラーに送る清水の水圧を測定する水圧測定工程と、前記水圧式サンプラーに送る清水の流量を測定する流量測定工程とを備えている。

また、水圧測定工程において測定した清水の水圧から貫入抵抗を算出する貫入抵抗算出工程と、流量測定工程において測定した清水の流量から貫入量を算出する貫入量算出工程とを備えることもできる。

前記水圧測定工程において、事前に空状態で水圧式サンプラーを押し出した時の空作動時水圧を測定し、この空作動時水圧の計測値を考慮することによって、清水の水圧を補正するようにしてもよい。これによって、正確な水圧を測定することが可能となる

前記水圧測定工程において、水圧式サンプラーのボーリングロッド内の静水圧を考慮することによって、清水の水圧を補正するようにしてもよい。

本発明によれば、圧力容量の大きいポンプを導入しているため、高圧力域でも一定の流量速度を満足し、静的コーン貫入試験と同じ貫入速度２０ｍｍ／ｓｅｃを実現できる。また、Ｎ値１０程度までの砂層や硬い粘土層のサンプリングすることができる。

さらに、泥水をまた、測定水圧はボーリングロッド内の静水圧の補正を加えるが、清水の密度は泥水と異なりほぼ１ｇ／ｃｍ^３と一定であるため、補正量が正確に行うことができる。

本実施形態のサウンディング装置の構成図 本実施形態で用いる水圧式サンプラーの貫入機構を示す図 本実施形態の試験に用いた流量速度と水圧の計測結果を示す図 高井田における試験結果を示す図 御領における試験結果を示す図

以下、本発明の実施形態におけるサウンディング装置を、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態のサウンディング装置１００の構成図である。

サウンディング装置１００は、水圧式サンプラー１０１と、水タンク１０２と、定流量ポンプ１０３と、流量・水圧検出器１０４と、電磁流量計１０５とを備えている。

水タンク１０２には清水である水道水を貯えている。泥水は産業廃棄物としての処理が必要となり、かつ現場の作業環境が悪質となるという問題があったが、泥水を清水に替えたことによって、産廃処理が不要となり、清水が漏れても現場の作業環境に悪影響は与えない。

定流量ポンプ１０３は、市販の動力噴霧器を用いており、最大圧力３．５ＭＰａ、流量速度６Ｌ/ｍｉｎの性能を持ち、発電機１０６によって駆動する。この定流量ポンプ１０３により水タンク１０２内の清水は、耐圧ホース１０７、１１５を通って水圧サンプラー１０１へと送出される。本実施形態の定流量ポンプ１０３は、水圧式サンプラーに送出する清水の流量速度を一定に保つように制御されている。これにより、水圧式サンプラーのサンプリングチューブの変位速度も制御することが可能となっている。

従来、シンウォールサンプラーを用いたサンプリング方法として一般的に使われている水圧式サンプラーは、地上からボーリングポンプによる圧力水を一気に送ってサンプラーを地盤内に静的に貫入させて土試料を採取している。しかし、ボーリングポンプは脈動（圧力変動）が大きく、一定の流量速度で水を送ることができない。

これに対して、本実施形態の定流量ポンプ１０３は、高圧力域でも一定の流量速度を満足し、静的コーン貫入試験と同じ貫入速度２０ｍｍ/ｓｅｃを実現できる。また、Ｎ値１０程度までの砂層や硬い粘土層のサンプリングも可能となった

耐圧ホース１０７には、水量メーター１０８、バランサ―バルブ１０９、圧力計１１０が設けられている。水量メーター１０８は、定流量ポンプ１０３から送出する水量を確認する。バランサーバルブ１０９は、水道水の供給圧力にバラツキがあっても、吐出流量の変化を抑え一定流量で送出する。

耐圧ホース内の圧力水は、スイベル１１５により方向を変え水圧式サンプラーへと送られる。ここで、水圧式サンプラーの貫入機構について、図２を参照しながら説明する。図２は、本実施形態のサウンディング装置１００に用いる水圧式サンプラー１０１の貫入機構を示す図である。

水圧式サンプラー１０１は、図２Ａに示すようにボーリングロッド２０１の先端にサンプラーヘッド２０２をねじ込み接合してボーリング孔の中に挿入する。シリンダーにあたるアウターチューブ２０６はサンプラーヘッド２０２に接合しており、その中にはサンプリングチューブ２０７を地中に圧入するための貫入用ピストン２０４が嵌め込まれている。この貫入用ピストンの下面にはチューブヘッド２０５が接合されている。

一端がサンプラーヘッド２０２に接合され、他端が固定ピストン２０９に接合されたピストンロッド２０３は、貫入用ピストン２０４とチューブヘッド２０５を水密かつ摺動可能な状態で貫通している。サンプリングチューブ２０７の内部には、圧入された際に試料が取り込まれる試料収納空間が形成されている。サンプラー１０１を孔内に入れ、固定ピストン２０９が孔底に接したらサンプラーヘッド２０２を地上で固定し上下動しないようにする。

次に、図２Ｂに示すようにボーリングロッド２０１から圧力水を注入する。サンプラーヘッド２０２内の注水孔２１０を通って水圧室２１１に達した圧力水が、貫入用ピストン２０４を押し下げることで、サンプリングチューブ２０７を孔底地盤に圧入してサンプリングチューブ２０７内に試料を取り込む。この中の流体は、チューブヘッド２０５内の水抜き孔２１２から孔内に排出される。

図２Ｃに示すように、所定の深度までサンプリングチューブ２０７を圧入すると、圧力水がアウターチューブ２０７下部の解放孔２１３より排出される。水圧が急激に下がることで判断でき、この時点でサンプリングチューブ２０７の圧入は終了する。

従来の水圧式サンプラーは、地上からボーリングポンプによって圧力水を一気にサンプラーに送っているが、この際に用いる圧力水は泥水を用いていた。これはボーリング作業には孔壁崩壊を防ぐために、ベントナイト（高塑性の粉末粘土）を水に溶いた泥水を用いるのが普通で、それをサンプリングにもそのまま用いてきたためである。しかし、泥水は産業廃棄物としての処理が必要となり、かつ、現場での泥水の多少の漏れは避けられず現場の作業環境が悪質となっていた。

本実施形態では、泥水を清水（水道水）に替えたことによって、産廃処理が不要となり、清水が漏れても現場の作業環境に悪影響は与えない。

以上のようにして、地上から定流量ポンプによる圧力水を一定速度で送ってサンプラーを地盤内に静的に貫入させて土試料を採取している。

次に水圧式サンプラーを利用して、上述のサンプリングと同時にサウンディングを行う方法について説明する。すなわち、従来のサンプリングは乱れの少ない土を採取することのみを対象としていたが、サンプリングもシンウォールサンプラーを地盤内に貫入するものであるので、サンプラーを抵抗体と考え、その貫入抵抗を測定することで、同時にサウンディングとしても扱うことが可能と考えられる。以下、具体的に説明する。

図１に示すように、水圧式サンプラーに圧力水を送る耐圧ホースには流量・水圧検出器１０４と電磁流量計１０５が設けられている。流量・水圧検出器１０４は、水圧式サンプラーに送られる圧力水に磁界を印加することにより電圧を得る。

流量・水圧検出器１０４から得られた電圧は、電気コード１１１を介して電磁流量計１０５へと送られる。電磁流量計１０５は、流量・水圧検出器１０４から得られる電圧を流量及び流量に対応する電流値（すなわち、流量信号）に変換する変換器を備えている。この変換器から得られた流量信号に基づいて、水圧及び流量速度のデータを計測することができるようになっている。水圧のデータは水圧データロガー１１２に、流量速度のデータは流量速度データロガー１１３に保存される。

次に、流量速度データロガー１１３内の流量速度データを積算して流量を求め、それをサンプラーチューブヘッドの断面積で除して貫入量に換算する。

次に、計測した水圧から静的貫入抵抗を求める。ただし、水圧式サンプラーの貫入抵抗にはサンプリングチューブヘッドと固定ピストンのシール（Oリング）摩擦が含まれるので、事前に空状態でサンプラーを押し出した時の水圧（空作動時水圧ｐ_１）を測定して計測値を補正する。さらに、ボーリングロッド内の静水圧（スイベルからボーリングロッド内の静水圧ｐ_２）を加え、補正水圧ｐ‘（＝ｐ−ｐ_１＋ｐ_２）として求める。

このように測定水圧はボーリングロッド内の静水圧の補正を加えるが、本実施形態では密度がほぼ１ｇ/ｃｍ３と一定である清水を用いているため、補正量が正確に行うことができる。すなわち、水圧は液体の密度に依存するが、泥水の密度は加えるベントナイトの量に依存するため、密度の変動幅が大きくなるという問題点を回避することができる。

また、従来の水圧式サンプラーは、ボーリングポンプによって圧力水を送水していたが、ボーリングポンプは脈動（圧力変動）が大きく、一定の流量速度で水を送ることができない。そこで、定流量速度を満足し、圧力容量の大きいポンプを導入した。

本実施形態のポンプは市販の動力噴霧器で、最大圧力３．５ＭＰａ、流量速度６Ｌ/ｍｉｎの性能を持つ。このポンプは、高圧力域でも一定の流量速度を満足し、静的コーン貫入試験と同じ貫入速度２０ｍｍ/ｓｅｃを実現できる。また、Ｎ値１０程度までの砂層や硬い粘土層のサンプリングも可能となった点も特徴である。

以上のようにして、定流量の水を送って水圧式サンプラーを貫入させ、反力としての水圧（静的貫入抵抗に相当）および流量速度（貫入量に換算できる）を測定することで、サウンディングを行うことができる。

次に、本実施形態のサウンディング装置を用いた実験について説明する。実施地点は東大阪市高井田と大東市御領で、それぞれ主に沖積粘土層を対象に14本、19本サンプリングした。

図３は、高井田での流量速度と水圧の計測結果を示す。図３（１）の流量速度から、空作動時とＴ−１４以外は５〜６Ｌ/ｍｉｎでほぼ一定となっている。空作動時とＴ−１４（２０ｓｅｃ前後）で流量速度が大きいのは、今回の用いたポンプは水圧が小さい場合（図３（２）参照）に流量速度が大きくなる特性があったためと考えられる。

図３（２）の水圧は各ケースとも単調に上昇し、解放孔から水が排出された貫入終了時点（４０〜５０ｓｅｃ）で急激に低下している。ただし、Ｔ−２は途中から砂層となって貫入抵抗が大きくなり、反力不足となったため、貫入量５０ｃｍで止めた。また、Ｔ−１０の貫入時間が他の２倍程度（９４ｓｅｃ）となったのは、管経路に空気が残っていたためと考えられる。さらに、Ｔ−１４は初期から２２ｓｅｃまでは孔底に残っていたスライムへの貫入となったため（サンプリング資料で確認済）、水圧が小さい。実際の地盤への貫入は２２ｓｅｃ以降であり、貫入量は４０ｃｍに留まった。

流量速度を積算して流量を求め、それをサンプラーチューブヘッドの断面積で除して貫入量に換算（流量４．２Ｌ程度が貫入量９０ｃｍに対応）する。次に、計測水圧ｐから空作動時水圧ｐ１を差し引き、スイベルからボーリングロッド内の静水圧ｐ２を加え、補正水圧ｐ‘（＝ｐ−ｐ１＋ｐ２）として求める。以上から、各ケースの補正水圧ｐ’から貫入量関係が求められる。

図４および図５にそれぞれ高井田、御領における試験結果を示す。図４（１）および図５（１）の水圧ｐ‘の深度分布は、高井田、御領ともに浅部と深部の砂質土で大きく、中央部の粘土では深度とともに単調に増加している。

図４（２）および図５（２）に同時にサンプリングした試料を用いて求めた圧密降伏応力ｐｃ、一軸圧縮強度ｑｕ、および近傍で実施された標準貫入試験のＮ値の深度分布を示す。ｐｃ、ｑｕも概ね深度方向に単調に増加している。

なお、図５（２）の深度１５ｍ以深のｑｕが小さいのは、粘性土に粗粒分がかなり混入しており、ｑｕが過小に測定されたためである。一方、粘土部のＮ値は０から３と小さく、やはり地盤情報としては非常に荒い。なお、両地点ともにＮ値＝０（自沈）を示すのは、東大阪地域特有の鋭敏粘土であるためである。

各試験値は異なる指標による抵抗値であるので、定量的に比較するのは難しい。そこで、定性的に比較するために、各試験値の深度７から８ｍ台の値を１とした増加率を算定し（Ｎ値は１を基準にした）、その深度分布を図４（３）および図５（３）に示す。多少のばらつきはあるが、水圧ｐ‘は、ｐｃ、ｑｕと概ね整合する関係が見られる。一方、Ｎ値では変化が過大となっている。

以上のように、サンプリングとサウンディングを同時に行う本試験は、地盤調査として有用性が高いと考えられる。

１００ サウンディング装置
１０１ 水圧式サンプラー
１０２ 水タンク
１０３ 定流量ポンプ
１０４ 流量・水圧検出器
１０５ 電磁流量計
１０８ 水量メーター
１０９ バランサ―バルブ
１１０ 圧力計
１１２ 水圧データロガー
１１３ 流量速度データロガー

Claims (5)

1. 土試料を採取するサンプリングを行うとともに、地盤の強さを測定するサウンディングを行うサウンディング装置であって、
   清水を送ってサンプリングチューブを圧入して土試料を採取する水圧式サンプラーと、
   水タンク内の清水を前記水圧式サンプラーに送出する送水ポンプと、
   前記水圧式サンプラーに送出する清水の流量速度を一定に保ち、前記サンプリングチューブの変位速度を制御する制御手段と、
   前記水圧式サンプラーに送られる清水の水圧を測定する水圧測定手段と、
   前記水圧式サンプラーに送られる清水の流量を測定する流量測定手段と、
   を備えた水圧式サンプラーを用いたサウンディング装置。
2. 水圧式サンプラーに清水を一定の流量速度で送る送水工程と、
   水圧式サンプラーの変位速度を一定に保った状態で圧入して土試料を採取するサンプリング工程と、
   前記水圧式サンプラーに送る清水の水圧を測定する水圧測定工程と、
   前記水圧式サンプラーに送る清水の流量を測定する流量測定工程と、
   を備えた水圧式サンプラーを用いたサウンディング方法。
3. 水圧測定工程において測定した清水の水圧から貫入抵抗を算出する貫入抵抗算出工程と、
   流量測定工程において測定した清水の流量から貫入量を算出する貫入量算出工程と、
   を備えた請求項２記載の水サウンディング方法。
4. 前記水圧測定工程において、事前に空状態で水圧式サンプラーを押し出した時の空作動時水圧を測定し、この空作動時水圧の計測値を用いて清水の水圧を補正する請求項２又は３記載のサウンディング方法。
5. 前記水圧測定工程において、水圧式サンプラーのボーリングロッド内の静水圧を用いて清水の水圧を補正する請求項２から４のいずれかに記載のサウンディング方法。