JP2014134067A

JP2014134067A - 一軸圧縮強さの推定方法

Info

Publication number: JP2014134067A
Application number: JP2013003855A
Authority: JP
Inventors: Naoaki Suemasa; 直晃末政; Tsuyoshi Tanaka; 剛田中; Shinichi Yamato; 眞一大和; Yasuo Sugano; 安男菅野; Shigeki Yoshida; 茂樹吉田
Original assignee: Nitto Seiko Co Ltd; Japan Home Shield Corp
Current assignee: Nitto Seiko Co Ltd; Japan Home Shield Corp
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2033-01-11
Also published as: JP6270316B2

Abstract

【課題】回転貫入試験により測定値から土の一軸圧縮強さを推定する方法の提供。
【解決手段】先端にスクリューポイント３を有する貫入ロッドを地中に回転貫入し、段階的に貫入ロッドに負荷する荷重Ｗを変化させながら、貫入ロッドの回転トルクＴを測定する貫入試験において、スクリューポイント３の寸法に基づいてスクリューポイント３の表面に作用する水平せん断応力τ_ｈと回転トルクＴとの関係式を求め、貫入ロッドに負荷する荷重Ｗがゼロの状態では、水平せん断応力τ_ｈとスクリューポイントの表面に作用するせん断応力τとが一致することにより、関係式に基づいてスクリューポイント３の表面に作用するせん断応力τとゼロ荷重状態の回転トルクとの関係式を求め、関係式にモールの応力円の理論を適用することにより、土の一軸圧縮強さを算出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、回転貫入試験による測定値に基づいて、土の一軸圧縮強さを推定する方法に関する。

従来から、一軸圧縮強さは、主に飽和した粘性土の強度指標として広く用いられており、非特許文献１に示す「日本工業規格Ａ１２１６
土の一軸圧縮試験」によって計測される。この試験は、ひずみ制御式圧縮装置を用いてサンプリングした共試体を圧縮し、共試体の軸ひずみを測定しながら、１分間に共試体高さの１％の圧縮ひずみが生じる速度で載荷を行い、荷重を測定する。測定した軸ひずみと荷重から、圧縮応力と圧縮ひずみの関係を表す曲線を求め、この曲線の最大値を一軸圧縮強さとするものである。

日本工業規格Ａ１２１６土の一軸圧縮試験

しかしながら、上記の一軸圧縮試験においては、土のサンプリングや専用装置の準備等、手順が多く、算出に手間がかかる問題を有していた。

本発明は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、回転貫入試験による測定値から一軸圧縮強さを推定する方法を提供することを目的とする。

本発明は、先端にスクリューポイントを有する貫入ロッドを地中に回転貫入し、段階的に貫入ロッドに負荷する荷重Ｗを変化させながら、貫入ロッドの回転トルクＴを測定する貫入試験において、スクリューポイントの寸法に基づいてスクリューポイントの表面に作用する水平せん断応力τ_ｈと回転トルクＴとの関係式を求め、貫入ロッドに負荷する荷重Ｗがゼロの状態では、当該水平せん断応力τ_ｈとスクリューポイントの表面に作用するせん断応力τとが一致することにより、前記関係式に基づいてスクリューポイントの表面に作用するせん断応力τとゼロ荷重状態の回転トルクＴ_０との関係式を求め、当該関係式にモールの応力円の理論を適用することにより、土の一軸圧縮強さｑ_ｕを算出することを特徴とする。

また、前記ゼロ荷重状態の回転トルクＴ_０は、荷重Ｗの変化に対する回転トルクＴの変化の割合に基づいて推定することが好ましい。

本発明によれば、貫入試験による測定値である荷重及び回転トルクを試験パラメータとして用いるだけで土の一軸圧縮強さを算出することができるので、試料のサンプリングや、専用の試験装置を用いた室内実験が不要となる。

（貫入試験）
まず、図１乃至図３は、本発明に用いる試験パラメータ（回転トルクＴ）を取得するための貫入試験を示す。この貫入試験は、ロッド２の先端に、貫入体の一例であるスクリューポイント３を備えて成る貫入ロッド１を地中に回転貫入するものであり、試験深度区間０．２５ｍに対して最大７段階（２５０Ｎ，３７５Ｎ，５００Ｎ，６２５Ｎ，７５０Ｎ，８７５Ｎ，１ｋＮ）の荷重Ｗを錘４により載荷しながら、貫入ロッド１の１回転あたりの回転トルクＴ及び貫入量Ｓ_ｔを測定する。具体的には、図１及び図３に示すように、まず、初期荷重２５０Ｎを貫入ロッド１に載荷した状態で１回転貫入させる（Ｓ０１）。このとき、貫入量Ｓ_tが２５ｃｍに達していない場合（Ｓ０２）には、次の荷重３７５Ｎを貫入ロッド１に載荷して１回転貫入させる（Ｓ０３）。１回転毎に荷重１２５Ｎを加算し、累積貫入量ΣＳ_tが０．２５ｍに到達するまで回転貫入する。

また、図２及び図３に示すように、最大荷重１ｋＮを載荷した状態において（Ｓ０４）、累積貫入量ΣＳ_tが０．２５ｍに到達していない場合は、最大荷重１ｋＮを載荷した状態で累積貫入量ΣＳ_tが０．２５ｍに到達するまで回転貫入を繰り返す（Ｓ０５）。そして、最初の試験深度区間（深度０ｍ〜０．２５ｍ）の測定が終了すると、回転貫入を停止し（Ｓ０６）、次の試験深度区間（深度０．２５ｍ〜０．５ｍ）を測定する。このような場合には、試験区間における測定ポイントは、７箇所以上となる。反対に、最大荷重１ｋＮを載荷する前に累積貫入量ΣＳ_tが０．２５ｍに到達した場合には、図１に示すように、測定ポイントは、１乃至６箇所となる。

ところで、上記貫入試験による測定値は、ロッド２の周面摩擦による影響を受けているため、スクリューポイント３に作用する荷重Ｗ及び回転トルクが測定できていない。そこで、０．２５ｍ貫入する毎に貫入ロッド１を１ｃｍ引き上げて回転させ（Ｓ０７）、このときの回転トルクＴｍを測定し（Ｓ０８）、元の位置へ戻す（Ｓ０９）。この回転トルクＴｍは、ロッド２の周面摩擦の算定に用いる。算定方法としては、ロッド２に作用する鉛直及び水平方向の周面摩擦をそれぞれＷｆ、Ｔｆとした場合、スクリューポイント３に作用する荷重Ｗ及び回転トルクＴは、貫入ロッド１全体に作用する荷重Ｗａ及びＴａを用いて次式で表される。
Ｗａ＝Ｗｆ+Ｗ、Ｔａ＝Ｔｆ+Ｔ
したがって、スクリューポイント３に作用する荷重Ｗ及び回転トルクＴは、次式で表される。
Ｗ＝Ｗａ−Ｗｆ、Ｔ＝Ｔａ−Ｔｆ
以下の説明においては、貫入ロッド１の回転トルクＴは、ロッド２の周面摩擦を考慮したものとする。

また、上記貫入試験は、貫入ロッド１の一回転あたりの回転トルクＴについて、最大値Ｔ_ｍａｘ、最小値Ｔ_ｍｉｎ及び平均値Ｔ(−)も測定している。

（土の一軸圧縮強さの推定方法）
本発明に係る土の一軸圧縮強さの推定方法は、スクリューポイント３の寸法に基づいてスクリューポイント３の表面に作用する水平せん断応力τ_ｈと回転トルクＴとの関係に基づくものである。図４に示すスクリューポイント３は、ＪＩＳ規格に基づいて寸法が設定されたものであり、円錐部５と円柱部６から成る。土への回転貫入おいては、これら各部５，６には水平方向へ一定のせん断応力τ_ｈが作用するため、各部５，６で発生するトルクＴ１，Ｔ２は数式１及び数式２で表される。

なお、上記の数式１及び数式２において、
τ_ｈ：スクリューポイント表面で水平方向に働くせん断応力
Ｔ１：円錐部５で発生するトルク
Ｔ２：円柱部６で発生するトルク
Ｌ１：円錐部５の長さ、
Ｌ２：円柱部６の長さ
Ｄ：スクリューポイントの直径
θ：スクリューポイントの先端角度
である。

数式１及び数式２にＪＩＳ規格のスクリューポイントの寸法を代入すると次のようになる。
Ｔ１＝０．０８８τ_ｈ
Ｔ２＝０．０４３τ_ｈ
Ｔ＝Ｔ１+Ｔ２＝０．１３１τ_ｈ・・・・（数式３）

Ｔは上記貫入試験によって測定される回転トルクＴであり、数式３を水平せん断応力τ_ｈについて解くと次式のようになる。
τ_ｈ＝７．６Ｔ・・・・（数式４）

図５は、回転貫入時にスクリューポイント３に作用する応力の模式図を示すものである。スクリューポイント３に荷重Ｗを載荷した状態で回転トルクＴをかけると、円錐部５の表面には上下方向にせん断応力τ_ｖが発生する。したがって、式４に示すように、τ_ｈとτ_ｖを合成したものが円錐部５の表面に働く最大せん断応力τとなる。

数式５によれば荷重が０（ゼロ）のとき、τ_ｖ＝０となり、水平せん断応力τ_ｈと最大せん断応力τは一致する。上記数式４は、次式のように置き換えることができる。
τ＝７．６Ｔ_０・・・・数式６
なお、荷重が０のときの回転トルクＴをゼロ荷重トルクＴ_０と称呼する。

ところで、上記貫入試験では、ゼロ荷重トルクＴ_０を測定することは困難である。なぜならば、スクリューポイント３は、ドリル状に成形されたものであるから、ゼロ荷重状態で回転させても前進し地中へ貫入する。これでは、スクリューポイント３の表面に上下方向のせん断応力τ_ｖが発生してしまうので、上記の数式６が成立しなくなる。そこで、ゼロ荷重トルクＴ_０は、実測でなく推定する。推定方法としては、図６に示すように、上記貫入試験により取得した荷重Ｗ及び回転トルクＴの変化の割合ｄＴ／ｄＷから近似線を求め、その切片からゼロ荷重トルクＴ_０を推定することができる。

本発明に係る一軸圧縮強さの推定は、ゼロ荷重トルクＴ_０とモールの応力円の理論を用いる。モールの応力円の理論とは、飽和粘性土において一軸圧縮強さｑ_ｕを非排水せん断強さＳ_ｕの半分として定義したものである。
ｑ_ｕ＝Ｓ_ｕ／２

また、粘性土の場合には、スクリューポイント３表面の土は、一軸圧縮試験と同様に、非排水状態でせん断されていると考えられるから、スクリューポイント３表面の最大せん断応力τと非排水せん断強さＳ_ｕとの間には、相関関係が成り立つと予測できるので、最大せん断応力τと非排水せん断強さＳｕが一致すると仮定する。
τ＝Ｓ_ｕ

さらに、上記貫入試験では１回転あたりの最大トルクＴmaxを測定しており、ゼロ荷重トルクＴ_０の推定において当該最大トルクＴmaxを用いることにより、最大せん断応力τはピーク値となり、つまり最大値が算出されていることになる。したがって、次式が成り立つ。
ｑ_ｕ＝２Ｓ_ｕ＝２τ＝１５．２Ｔ_０

以上のように、一軸圧縮強さの推定方法によれば、貫入試験により測定した回転トルクＴを試験パラメータとして用いるだけで、一軸圧縮強さｑ_ｕを算出することができる。このため、従来のように、試料をサンプリングし室内実験で算出する必要がなくなる。

本発明に係る一軸圧縮強さの推定方法に用いる試験パラメータを取得するための回転貫入試験の第１実施例を示す図である。本発明に係る一軸圧縮強さの推定方法に用いる試験パラメータを取得するための回転貫入試験の第２実施例を示す例である。本発明に係る一軸圧縮強さの推定方法に用いる試験パラメータを測定するための貫入試験の手順を示すフローチャートである。スクリューポイントの構成を示す図である。スクリューポイントに作用する応力を示す模式図である。回転貫入試験により所得した荷重と回転トルクの関係を示すグラフである。

１貫入ロッド
２ロッド
３スクリューポイント
４錘
５円錐部
６円柱部

Claims

先端にスクリューポイントを有する貫入ロッドを地中に回転貫入し、段階的に貫入ロッドに負荷する荷重Ｗを変化させながら、貫入ロッドの回転トルクＴを測定する貫入試験において、
スクリューポイントの寸法に基づいてスクリューポイントの表面に作用する水平せん断応力τ_ｈと回転トルクＴとの関係式を求め、貫入ロッドに負荷する荷重Ｗがゼロの状態では、当該水平せん断応力τ_ｈとスクリューポイントの表面に作用するせん断応力τとが一致することにより、前記関係式に基づいてスクリューポイントの表面に作用するせん断応力τとゼロ荷重状態の回転トルクＴ_０との関係式を求め、当該関係式にモールの応力円の理論を適用することにより、土の一軸圧縮強さｑ_ｕを算出することを特徴とする一軸圧縮強さの推定方法。
前記ゼロ荷重状態の回転トルクＴ_０は、荷重Ｗの変化に対する回転トルクＴの変化の割合に基づいて推定することを特徴とする請求項１に記載の一軸圧縮強さの推定方法。