JP2524961B2 - 自己掘削式地盤凍結試料採取方法と装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、室内試験により地盤の
力学特性などの地盤情報を取得するために、砂地盤など
の粒状地盤を乱さないで高品質の試料採取方法と装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、深層における地盤を凍結させて乱
さない試料を採取する方法には次の様なものがあった。
先ず、砂などの粒状地盤に対して乱れのない試料の採取
方法を大別すると、地盤を凍結させてから採取する方法
と自然地盤のままで採取する方法とがある。

【０００３】現状技術では前者の方が高品質の試料が得
られることは公知の事実となっている。そして地盤を凍
結させるためには、凍結管の所定の深度に設置し、この
中に低温流体注入パイプを入れ、凍結熱源である低温流
体を循環させて地盤を所定の大きさと形状に凍結する方
法がとられている。

【０００４】また、このように凍結管を所定の深度に設
置する方法としては、孔壁の崩壊を防ぐため泥水を循環
させながら所定の深度まで削孔し、この中に底蓋のある
凍結管を挿入し、さらにこの中に低温流体注入管を凍結
管の底近くまで挿入する方法と、孔壁の崩壊を防ぐため
鋼管等の凍結外管を中掘りしながら外管を回転して所定
の深度まで地中に圧入し、この中に凍結管と低温流体注
入管を挿入する方法とがある。

【０００５】凍土試料を採取する方法には、１本の凍結
管により造成された円柱状の凍土をそのまま引き抜く方
法と、先端部に切削ビットを付けた掘管で円柱状凍土と
同心円状に周囲を切削して、引き上げ抵抗を小さくさせ
てから凍結管ごと凍土試料を採取するオーバーコアリン
グ方法、凍土の半径より十分小さい半径の試料採取装置
を用いて凍結管周囲の凍土を１乃至数箇所において削孔
しながら凍土試料を採取するコアリング方法とがある。
このほかに、複数本の凍結管を設置して大きな凍土塊を
造成してから凍結管の間を削孔しながら凍土試料を採取
するコアリング方法などがある。

【０００６】いずれの方法も、凍結管または凍結外管を
設置するときに地盤を乱さないようにすることが重要で
ある。そのための方法として、特開平3-286093号公報の
スクリューパイプ式地盤凍結試料採取方法とその装置な
どがある。

【０００７】以上のように原位置から採取した凍土試料
は、試料端面の成形などを行ない各種試験装置にセット
し解凍してから所定の試験を行ない原地盤の乱されない
状態での強度や変形情報を求めている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】深層地盤を凍結し乱さ
ない試料を採取する方法に於て、地盤を凍結するための
熱源消費量の節減が重要な課題である。最も効率の良い
方法は所定の形状寸法の試験試料を所定の深度から必要
な本数だけ採取できる最小限の形状寸法である凍土の造
成と試料採取方法を選択することである。

【０００９】凍結管を設置するための課題は、凍結のた
めの熱伝達効率が良い材料、形状であること。造成凍土
の大きさに対し採取試料ができるだけ多いこと、そのた
めには凍結管の断面寸法が可能なかぎり小さく、設置時
に周辺地盤の乱れが少ないものであることが必要であ
る。

【００１０】泥水を循環しながら削孔し凍結管を挿入す
る方法は最も一般的に行なわれている方式であるが、孔
壁の崩壊による致命的地盤の乱れ領域の拡大が懸念され
ること、削孔による地中応力の開放に伴う地盤の乱れが
確実に生じることが課題である。これらの地盤攪乱要因
に対処するため崩壊性地盤では中掘りしながら凍結外管
を回転または打撃圧入し、この中に底蓋のある凍結管を
挿入する方法が用いられているが、この方法では凍結外
管と地盤の摩擦抵抗や回転・打撃などの振動による地盤
の乱れ、二重管方式になるため孔径が大きくなることな
どの課題がある。

【００１１】このようなことを考慮すると孔壁の崩壊が
ないとしても試験試料の採取位置は凍結管又は凍結外管
の外側から少なくとも管径と同等以上の範囲は試験試料
に供することはできないことが知られている。したがっ
て、凍結管の設置に伴う地盤乱れを極力少なくすること
が望まれている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明はこれに鑑み検討
し、最も経済的で効率的な凍土の造成方法と試料採取の
方法は、１本の凍結管による円柱状の凍土造成と特別な
ボーリング装置を必要としないオーバーコアリング法に
よる試料採取方法を採用することであるとの認識に立
ち、さらに検討の結果、上記の問題点を解決したもので
ある。

【００１３】本発明は、特開平3-286093号公報のスクリ
ューパイプ式地盤凍結試料採取方法とその装置を多数の
現場で実施した結果を踏まえて、凍結管とその設置方法
を全く新しい発想で考案したものである。特開平3-2860
93号公報では、全長にわたってスクリュー状の羽根を付
けた凍結管の先端コーン部から摩擦低減のための潤滑剤
を押し出しながら、ボーリング孔底から凍結管を回転圧
入する方法であり、圧入した凍結管の体積とスクリュー
による排土量とがバランスするように回転数と圧入深さ
を制御すれば十分な成果が得られた。この方法のもう一
つの特徴は、潤滑剤を十分使用しても、地盤凍結後、オ
ーバーコアリングして凍土柱を引き上げるとき、スクリ
ューによって十分なアンカーが取れることである。この
方法では、凍結管設置時の地盤の乱れを極力少なくし、
かつ凍土柱引き上げ時の十分な反力を期待する相反する
問題を凍結管形状と圧入方法のみで解決しようとしたも
のである。

【００１４】本発明は、上記の凍結管設置時の地盤の乱
れを少なくするための摩擦低減法と凍土柱引き上げ時の
アンカー力の相反する２つの問題を別々に解決すること
により、施工が容易で、それぞれ確実に効果が発揮され
る方法を提案するものである。先ず、最初の凍結管設置
時の地盤の乱れを極力少なくする方法は、底蓋のある凍
結管の先端部にシューを有し、自己掘削方式で、即ち、
シュー内部の地盤を流体を噴出しながら掘削し、掘屑は
排泥管を通って凍結管上部で凍結管外に排出されるよう
にすることにより、凍結管設置時の地盤の緩みや圧縮に
よる乱れ、応力開放による乱れ等を排除することができ
る。

【００１５】さらに、凍結管の外側と地盤の摩擦による
地盤の乱れを低減させるため、シュー先端から凍結管上
部まで外面形状を極力同一、平滑、硬質なものとし、摩
擦低減コーティング法や潤滑剤塗布法を採用する。この
摩擦低減法は、装置製作時にあるいは孔底に凍結管を下
降する前に処置するものであるが、凍結管設置地盤の硬
軟によって摩擦低減効果に差ができることになるので、
潤滑流体を凍結管内に設けた伸縮自在の容器に入れ、自
己掘削用の噴出流体圧で凍結管外に自動的に潤滑剤を押
し出す方法を採用した。これは凍結管圧入抵抗が大きい
ほど噴出流体圧は高くなり時間も長くかかるので、それ
だけ潤滑剤が多く押し出されることにより摩擦が更に低
下することによるものである。

【００１６】次の問題は、凍結管と地盤の摩擦がほとん
どない状態で設置された凍結管は、地盤凍結時の凍着力
を期待することができない。そこで、凍土柱を孔内から
引き上げるときのアンカーは、別途、凍結管頭部の円盤
（フランジ）に取付けたアンカーピンをボーリング孔底
から圧入することにより十分な凍着力を発揮できるよう
にした。アンカーピン設置領域である孔底付近の地盤
は、凍土造成範囲ではあるがボーリングによりボーリン
グ口径と同じ程度の深さまでは既に乱されているので試
験試料には影響しない範囲である。

【００１７】

【作用】本発明による作用を列記すると次の様になる。
底蓋部とシュー、掘削用の流体噴出用パイプとノズル及
び掘削排出用管を有する凍結管による自己掘削式凍結管
設置方法の採用により、掘削による孔壁の崩壊、凍結管
周辺地盤の緩みや絞まり等の密度変化、応力開放等によ
る周辺地盤の乱れを極めて小さくすることができる。ま
た、この方法は特別な技術を必要とせず、地盤の絞まり
の程度に応じて数種類の長さの異なるシューの中から選
択したものを装着し、地下水圧より数10パーセント大き
い圧力で流体を圧送しながら掘削することができる。

【００１８】凍結管外側を硬質・平滑にし、摩擦低減処
理を施し、さらに凍結管設置抵抗に応じて自動的に潤滑
剤の押し出し量を制御する摩擦低減法の採用により、個
人的技量に左右されることなく摩擦による地盤の乱れを
極めて少なくすることができる。

【００１９】凍結管頭部に取付けてあるアンカーピン
は、凍結管設置時に自動的に孔底地盤に圧入されて突き
刺さり、凍結管内に低温流体を供給して地盤が所定の範
囲で凍結するとピンは凍着しアンカーとして十分な耐力
を持つことになる。従ってその後、掘管で凍土を円柱状
に切り落とし、これを凍結管ごと引き上げる作業が確実
かつ容易に行なうことができる。

【００２０】

【実施例】次に本発明の一実施例を説明する。

【００２１】本装置の機構は、図１の地中部全体図と、
図２の凍結管底蓋部付近の拡大図、図３の凍結管部断面
図に示す。図１において、凍結地盤試料を採取する深度
近くまでボーリングした状態がボーリング孔壁（１）及
びボーリング孔底（９）で示してある。このボーリング
孔内に凍結管を設置し低温流体注入管（５）から低温流
体を凍結管底蓋部上部に注入し、凍結管を介して地盤と
熱交換をしながら低温流体は気化し、凍結管内を上昇
し、凍結連結管を通過して地上に放出される。８〜12時
間で図に示すような凍土（12）が造成される。

【００２２】その後、掘管（２）を回転し、ビット
（６）で凍土（12）を円柱状に切り落とす。凍土切削溝
（13）によって凍土（12）は掘管（２）の中を通過でき
る大きさの円柱状に成形されることになる。この状態で
凍結連結管（４）を引き上げると、ボーリング孔底
（９）付近で凍結している凍結管頭部フランジ（８）と
アンカーピン（10）の凍着力により、凍結管（11）、シ
ュー（19）と一緒に凍土柱を地上に引き上げることがで
きる。

【００２３】図２及び図３に於て、凍結管底蓋部（16）
の上端部に凍結管（11）が剛結されている。また下端部
にはシュー（19）が捩込まれている。凍結管のほぼ中央
部には低温流体注入管（５）が凍結管底蓋部（16）近く
まで挿入されている。循環水圧送管（14）と掘屑排出用
管（15）は凍結管（11）内側に接して配置し、凍結管底
蓋部を貫通してそれぞれ循環水排出ノズル（18）と掘屑
吸込み口（20）に繋がっている。凍結管底蓋部（16）の
内部には循環水圧送管（14）に通じる空間に循環流体格
納伸縮容器（17）が装着されており、これが循環流体の
圧力に比例して伸縮する構造になっている。

【００２４】自己掘削は、循環水排出ノズル（18）から
地盤内水圧より大きい圧力水を噴出してシュー（19）内
の地盤を掘削し、掘屑は掘屑吸込み口（20）から押し上
げられ凍結管上部で管外に排出される。掘削用の水圧は
地盤の硬軟によって決まり、同様に凍結管と地盤との摩
擦力も地盤の硬軟に左右される。この水圧が大きくなる
と潤滑流体格納伸縮容器（17）は圧縮し、底蓋部内の回
路を通って潤滑流体押し出し口（21）から潤滑流体が凍
結管（11）の外側に押し出されることになり、結果とし
て摩擦抵抗が小さくなることになる。潤滑流体押し出し
口（21）は図示していないフィルタチップが埋め込まれ
ているので土粒子による目詰まりは生じない構造となっ
ている。循環流体の詰め替えは、このフィルタチップ部
に図示していないノズルを接続して行えるようになって
いる。

【００２５】作業の手順は、先ず地上での準備作業から
始められる。循環流体格納伸縮容器（17）に潤滑溶液を
満たし、凍結管底蓋部（16）の下部に地盤の硬軟に適し
たシュー（19）を捩込み、底蓋部の上部には循環水圧送
管（14）と掘屑排出用管（15）を内蔵した凍結管（11）
を装着する。凍結管（11）の外側に摩擦低減用の潤滑剤
を塗布し、凍結管頭部フランジに接続したアンカーピン
は凍着力を確実に発揮するため油気等を清掃し、凍結連
結管（４）と循環水圧送ホース（３）を継ぎ足しながら
孔底まで降ろす。

【００２６】次に、循環水圧送ホース（３）を介して、
図示していない水圧ポンプで循環水を圧送し、循環水圧
送管（14）を通過して、循環水排出ノズル（18）から噴
出させてシュー内部の地盤を掘削する。そして掘屑は掘
屑吸込み口（20）から押し上げられ、凍結管（11）の中
に装着された掘屑排出用管（15）を通って掘屑排出孔
（７）から凍結管外に排出する。同時に凍結管（11）は
地盤を乱さないように静かに孔底地盤に貫入し、やがて
アンカーピン（10）が孔底地盤に突き刺さり、凍結管頭
部フランジ（８）が孔底（９）に達するまで圧入され
る。

【００２７】このようにして凍結管を設置したら次は、
前述のように地盤を凍結し、凍土が所定の大きさに造成
されたら掘管（２）を用いて柱状に切削して凍土柱を地
上に引き上げる。引き上げた凍土柱は、乾燥防止措置を
してから冷凍保管し、試験時に、蒸気を凍結管（11）内
に注入すると同時に、凍結管頭部フランジ（８）及びア
ンカーピン（10）も加熱されるので、これらを抜き取
り、次いで凍土を切断して試験供試体を作成する。

【００２８】

【発明の効果】本発明装置を用いて実施した一例の効果
を数値を用いて説明する。飽和砂地盤の地表面から深さ
３ｍから19ｍまでの４箇所から通常室内試験で用いられ
る直径５cm高さ10cmの試験供試体を夫々12×４本採取す
る場合、掘管（２）の径を23cm、凍結管（11）の長さ50
cm、外径４cm、のものを作製し、試料採取深度の上部ま
で削孔し、凍結管その他を図１のように設置した。図と
の違いは掘屑が孔底に残ることと凍結管の自己掘削によ
る排土が孔底に排出されるため孔底より５cm上部で圧入
を停止することになったが所定の深度での試料採取は十
分可能である。凍結熱源は液体窒素を用い、夜半から凍
結を開始し１時間当たり平均32kgの割合で供給すること
にした。

【００２９】その結果、平均10時間後の翌早朝には平均
320kgの液体窒素を消費し、別途設置した地温計による
測定によると中心から15cmのところの地温が約−１℃に
低下していたので、凍土は計画通りに造成され、且つ切
削時の解凍や凍着等の問題が発生しにくい地温になって
いるので、１℃に冷却した泥水を循環しながら縁切りの
ための切削を掘管（２）で行なったところ平均12分間で
切削を完了した。直ちに凍土試料を引き上げ、採取凍土
を測定した結果、直径は20cm〜21cm、長さは平均70cmで
あり、前記試験供試体は十分採取可能であった。

【００３０】これを従来の単孔式凍結オーバーコアリン
グ法で行なうと、地上から深度19ｍまで径８cmの削孔を
行ない、この中に凍結管を挿入し液体窒素で凍結して、
凍結管から30cm離れた位置で凍土を採取するためには半
径40cm以上の凍土を造成する必要があり、本発明の方法
による場合に対して、凍結時間で数倍、液体窒素の消費
量は５〜10倍必要になることが今までの経験からえられ
ている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す説明図である。

【図２】本発明装置の要部拡大図である。

【図３】本発明装置の要部断面図である。

【符号の説明】

１ ボーリング孔壁 ２ 掘管 ３ 循環水圧送ホース ４ 凍結連結管 ５ 低温流体注入管 ６ ビット ７ 掘屑排出孔 ８ 凍結管頭部フランジ ９ ボーリング孔底 10 アンカーピン 11 凍結管 12 凍土 13 凍土切削溝 14 循環水圧送管 15 掘屑排出用管 16 凍結管底蓋部 17 潤滑流体格納伸縮容器 18 循環水排出ノズル 19 シュー 20 掘屑吸込み口 21 潤滑流体押し出し口

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地盤中に凍結管を設置し、該管内に低温
   流体を供給して周囲の地盤を凍結した後凍土試料を採取
   する方法において、採取すべき深度の地盤の上部まで削
   孔し、その孔底から、凍結管の内側を掘削しながら凍結
   管を回転させずに地中に圧入し、その後凍結管内に低温
   流体を供給して凍結管の周囲に凍土を造成し、しかる後
   凍結管の周囲を掘削して該凍結管と共に凍土試料を採取
   することを特徴とする自己掘削式地盤凍結試料採取方
   法。
2. 【請求項２】 地盤内に削孔するボーリング装置と、ボ
   ーリング孔底からさらに地盤を掘削する内部に低温流体
   注入管を備えた凍結管と、該凍結管の上部に取付けられ
   所定深さまで凍結管が掘削したときにボーリング孔底に
   圧入されるアンカーと、低温流体注入管から低温流体を
   注入することにより凍結した凍結管周囲の地盤を切り出
   す掘管とからなることを特徴とする自己掘削式地盤凍結
   試料採取装置。
3. 【請求項３】 凍結管の先端に底蓋部を設け、該底蓋部
   の先端に連続してシューを設け、底蓋部とシューによっ
   て囲まれた内側の地盤に底蓋部に設けたノズルから流体
   を噴出させながら掘削し、掘屑は底蓋部に設けた吸込み
   口から凍結管内を貫通する排出用管を通して該凍結管頭
   部付近で凍結管の外に排出する請求項２記載の自己掘削
   式地盤凍結試料採取装置。
4. 【請求項４】 潤滑流体を噴出流体圧により伸縮する容
   器に格納し、噴出流体圧により自動的に潤滑流体を凍結
   管外側に押し出すことにより凍結管と地盤の摩擦を低減
   する請求項２又は３記載の自己掘削式地盤凍結試料採取
   装置。
5. 【請求項５】 凍結管を孔底地盤に圧入した際に、凍土
   塊を地上に引き上げる時のアンカーとして、凍結領域内
   にあたる凍結管上端部孔底付近での凍着力を確実にする
   ため剛棒、管、板状のものを用いる請求項２、３又は４
   記載の自己掘削式地盤凍結試料採取装置。