JP2663035B2 - スクリューパイプ式地盤凍結試料採取方法とその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔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等の地盤情
報を取得するために、砂地盤などの粒状地盤を乱さない
で高品質の試料を採取する方法と装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、深層における地盤状態を乱れないように凍結さ
せて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が、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、凍結管を所定の深
度に設置し、この中に低温流体注入パイプを入れ、凍結
熱源である流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。

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。

また凍土を所定の条件に造成管理するためには地温の
測定によるが、その方法としては、凍結管から離れた１
乃至数箇所に地温計測用孔を削孔し、この中に地温計を
深度方向に設置する方法と、凍結管設置のための削孔を
所定の深度より深くまで行ない、凍結管の下方に地温計
を数個設置し、造成凍土の半径と同じ深さまで凍結管の
底から半球状に凍結していると仮定する方法等がある。

さらに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、
先端部に切削ビットを付けた掘管で円柱状凍土に対して
同心円状に周囲を切削して、引き上げ抵抗を小さくさて
から凍結管と一緒に凍土試料を採取するオーバーコアリ
ング方法、または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、複数本の凍結管を地盤内に設置し
て大きな凍土塊を造成してから各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。

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。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の深層地盤を凍結し乱さない試料を採取する方法
においては、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。これに対処するための最も効率の良
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するために最小限必要な形状寸法の
凍土の造成と試料採取方法を選択することである。

次に凍結管そのものに対して問題及びそれを設置する
ための課題としては、先ず周囲の地盤を凍結させるため
熱伝達効率が良い材料、及びそのために効率の良い形状
であること。そして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、地盤内に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。

また凍結管の設置に関しては、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に行なわれている
方式であるが、この方法では孔壁の崩壊により致命的な
地盤の乱れ領域の拡大が懸念されること、及び削孔によ
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
があり問題である。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圧入し、
この中に底壁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による
地盤の乱れや二重管方式になるため孔径が大きくなるこ
と、及び工法が複雑になることなどの課題がある。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
出来ないことが知られている。従って凍結管の設置に伴
う地盤の乱れに対しては、これを極力少なくする方法が
望まれている。

さらに凍土造成管理上の課題としては、所定の位置，
深度で所定の大きさの試料が採取できる必要最小限の凍
土が造成され、かつ試料採取に適した地温であることを
確認する必要があること、及び凍結熱源の消費量を最小
にし、かつ計画通りに制御できることがあげられる。こ
れに対して現在行なわれている凍土造成管理のための地
温測定方法のうち、凍結管先端から鉛直下方に地温計を
設置する方法は、地温計設置作業上は簡便であるが造成
凍土の水平断面における半径と造成凍土の凍結管底から
の半径が同一ではないことが問題である。一方、計画造
成凍土の半径付近に計測用孔を削孔し、この中に地温計
を設置する方法は削孔時の地盤の乱れや孔曲がりによる
誤差、作業能率の悪さなどが問題である。

〔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
問題点を解消したものである。

即ち本発明の方法は、地盤中に凍結管を挿入し、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、採取すべき深土の凍土位置
の上部まで削孔し、この孔底から、外周に螺旋状の羽根
を設けた凍結管を回転圧入し、その後周囲の地温を測定
しながら凍結管内に低温流体を供給して凍土を造成し、
しかる後凍結管とともに凍土試料を採取することを特徴
とするものであり、凍結管の下端部から地盤内へ潤滑剤
を注入しながら該凍結管を回転圧入するのは効果があ
る。

また本発明装置は採取すべき深度の凍土位置の上部ま
で削孔する掘削手段と、外周に螺旋状の羽根を設けて掘
削した孔底から地盤内に回転圧入される凍結管と、該凍
結管内に低温流体を供給する手段とからなり、回転圧入
された凍結管内に低温流体を供給して凍土を造成し、そ
の後所定の大きさの凍土を採取することを特徴とするも
ので、さらに凍結管の上端部に１個以上の地温計を有す
るガイド板を設けたり、凍結管の下端部に潤滑剤を地盤
内へ注入する潤滑剤注入孔を設けるのは有効である。

〔作 用〕

このように凍結管の外周に螺旋状の羽根を設けたの
は、凍結管から地盤への低温流体の熱伝達効率を良くす
るため、底蓋のある単なる管体ではなく外周に羽根状の
突起を付けて放熱板の役割を果たすようにするためであ
る。そしてさらに凍結管を所定の位置と深度に確実に設
置し周辺地盤の乱れを最小限にするため、放熱板の役目
も果たすスクリュー状の羽根を付けた凍結管としたもの
である。即ちスクリュー状羽根を有する凍結管とするこ
とにより地盤の凍結効率を向上させることができ、さら
に地盤への圧入時の回転数と貫入量を制御することでス
クリュー羽根つき凍結管の圧入体積分の地盤を排出しな
がら設置することができるので、従来の削孔方式の様な
地中応力の開放による乱れがなく孔壁の崩壊による致命
的欠陥の発生原因を除去できる。また潤滑剤注入方式と
することにより凍結管の回転圧入時に地盤との摩擦抵抗
が低減するので、凍結管の圧入体積相当の地盤をスクリ
ューの回転で容易に凍結管上方に排出しながら該管を挿
入することができ、凍結管周辺地盤の崩壊をなくし乱れ
領域を少なくすることがより一層可能となる。従って上
記中掘り式による凍結外管を圧入する方法のような地盤
との摩擦による乱れの影響は、本発明によれば大きく低
減することが出来る。

そして凍結管上部に装着した地温計による凍土の造成
経過を確認することが可能となる。さらにこれらの地温
計と凍結管内の温度計及び凍結熱源の消費量等を計測制
御することで凍土造成の効率化と試料採取時の凍土温度
による循環泥水などの温度管理が容易になるものであ
る。即ち、例えば凍結管上部に装着したガイド板に凍結
管中心からの異なる距離に取付けた数個の地温計と凍結
管内数箇所につけた温度計、凍結熱源の消費量計測用荷
重計等の計測を行なうことで、凍結しながら凍結範囲と
地温分布を確認し、凍結熱源の効率的消費を制御するこ
とが可能となる。

そして最後に造成された円柱状凍土の外周付近を掘管
でリング状に切削してから凍結管と凍土柱を一緒に引き
上げることで凍結試料の大部分を試験試料として用いる
ことが出来るようになる。

〔実施例〕

次に本発明の一実施例を説明する。

本発明の構成の一例を、第１図の凍結管とその設置に
関する図、及び第２図の凍土の造成と試料採取に関する
図に示した。第１図において、連結管（16）の外周には
スクリュー状羽根（15）が装着されており、先端部には
連結管（16）を地中に圧入するときに目ずまりしない様
にフィルターからなる潤滑剤注入孔（17）があり、これ
に接続して潤滑剤注入管（７）が地上に導かれて潤滑剤
圧力タンク（４）に接続されている。図中の潤滑剤注入
管（７）は凍結管（16）先端部のコーン部分に１個示し
たが、管体部分も含め１個以上取付けることも可能であ
り、潤滑剤注入管（７）も凍結管（16）内に取付けてあ
るが凍結管（16）とスクリュー羽根（15）との連結部に
沿って螺旋状に取付けることも可能である。

また凍結管（16）の上端部は凍結接続管（６）と接続
し、この接続部には吸水防止のための塗装をした木製の
ガイド板（13）が取付けてあり、その下面には地温計
（12）として熱電対が３個設置され、これに接続する地
温計測用ケーブル（８）が地上に導かれている。このガ
イド板（13）は地盤の熱伝導率より低い材料であれば木
製以外でもよく、地温計（12）も熱電対には限らない、
また地温計（12）は１個乃至それ以上何個でも必要に応
じて取付けることが出来る。

さらに凍結接続管（６）の外側は、孔壁（９）との間
の図示していない泥水が凍結しないように、且つ熱損失
を少なくするため防熱材（５）で覆われており、また上
記潤滑剤圧力タンク（４）には圧力ゲージ（１）と圧力
調整バルブ（２）及び圧縮気体等の圧力源（３）が接続
されている。なお本装置は掘削のための掘管（10）と掘
削ビット（11）及び図示していない掘削装置を含むもの
である。

次にこの装置を用いて凍結管を採取地盤内に設置する
作業手順を説明する。

まず、採取すべき凍結地盤の深度位置の上部まで、掘
削ビット（11）と掘管（10）を図示していない掘削装置
を用いて回転させ、かつ孔壁（９）の崩壊防止等のため
泥水を循環させながら削孔する。所定深さまで削孔後凍
結管（16）、凍結接続管（６）、ガイド板（13）、地温
計（12）等を組み立て、孔内に挿入するが、このときガ
イド板（13）により凍結管（16）の先端が孔底（14）の
中心に位置するように自動的に位置決めされる。即ち凍
結管（16）はガイド板（13）の中央部に取付けられてお
り、かつガイド板（13）は孔内に遊嵌できる形状である
ので、孔内にガイド板（13）を挿入したときに凍結管
（16）は孔底の中央部に位置することになる。

次に図示していない掘削装置を用いてガイド板（13）
が孔底（14）の近くに達するまで凍結接続管（６）を介
して凍結管（16）を回転圧入する。この回転圧入時に
は、摩擦を低減させるため凍結管（16）先端部から潤滑
剤を地盤内に注入するが、この注入圧力は先端部の間隙
水圧に対抗できる圧力となるように圧力調整バルブ
（２）を調整する。そして回転数を貫入量を制御するこ
とでスクリュー（15）の外側の地盤が乱れない様にす
る。

次に潤滑剤の供給系統の装置を外し、第２図に示すよ
うな構成とする。即ち凍結管（16）の中に低温流体注入
管（20）を挿入し、該低温流体注入管（20）上部の凍結
管（16）から露出した部分は低温流体用防熱剤（21）で
覆い、この被覆された注入管（20）は凍結接続管（６）
のなかを通って上端部は低温流体注入調整バルブ（19）
に接続され、これに凍結熱源（18）から低温流体が供給
されるようになっている。一方、地温計測用ケーブル
（８）と凍結熱源（18）の使用量を測る荷重計（22）及
び低温流体注入調整バルブ（19）は計測・制御装置（2
3）に接続されている。なお凍結熱源としては一般に液
体窒素が用いられているが、冷凍装置による低温流体で
もよい。また計測・制御する温度は地温の他に図示して
いない凍結管（16）や凍結接続管（６）内の温度も含め
ることが出来る。

次にこの装置を用いて凍土の造成と試料採取の作業手
順を説明する。

第１図に示した状態から作業を始め、第２図に示す様
な装置の接合と設置を行ない、掘管（10）を孔底（14）
から凍着防止しない深度まで引きあげる。次に計測・制
御装置（23）を用いて各部の温度と凍結熱源（18）量の
初期値を測定してから、作業工程に合わせた単位時間当
たりの低温流体注入量の経時変化と測定間隔等を指定し
て、制御装置を作動させ凍結を開始する。

そして測定地温を見ながら所定の大きさに凍土が造成
され、試料採取に適した凍土の温度になった時点で低温
流体注入管（20）を引き上げ、地温計測用ケーブル
（８）等も取りはずし、凍結接続管（６）の上端に蓋を
してから、図示していない冷却泥水を循環しながら掘管
（10）を回転して凍土（24）を円柱状に切削するため凍
土切削溝（25）を作る。次に凍結接続管（６）の上端に
図示していない吊り具を付け、周囲が切り取られた凍土
柱を地上に引き上げ、凍結管（16）内に蒸気を通して凍
着強度を小さくしてから逆回転してこれを抜き取る。最
後に採取凍土を試験用供試体の大きさに切断する。

次に上記の本発明装置を用いて試料の採取を実施した
一例を、従来例と比較して数値を用いて説明する。

飽和砂地盤の地表面から深さ6mと12mの２箇所から、
通常室内試験で用いられる直径5cm高さ10cmの供試体を
夫々９本採取する場合、本発明によれば掘管（10）の径
を23cmとして試料採取深度の上部まで削孔し、長さ50c
m、外径3.4cm、かつスクリューの外径5cmの凍結管（1
6）及び直径20cmのガイド板を作製し、凍結管その他を
第１図のように孔内に設置した。図との違いは掘屑が孔
底に残ることと、凍結管の回転圧入による排土が孔底に
排出されるため孔底より10cm上部で圧入を停止したが所
定深度までの試料採取は十分可能である。そして凍結熱
源は液体窒素を用い、夕方から凍結を開始し１時間当た
り20kgの割当で供給することにした。その結果、15時間
後の翌朝には300kgの液体窒素を消費し、中心から11cm
のところの地温が−５℃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、２℃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（10）で行
なったところ15分間で切削を完了した。その後直ちに凍
土試料を引か上げ、採取凍土を測定した結果直径は22cm
〜23cm、長さは65cmであり、前記試験供試体は十分採取
可能であった。上記深度6mに引き続き、深度12mでの採
取のため前記同様の作業を行ない、翌日の昼にはすべて
の作業を完了した。

このような試料の採取を従来の単孔式凍結オーバーコ
アリング法で行なえば、地上から深度12.5m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、さらに
本発明の方法による場合に比較して、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。

〔発明の効果〕

このように本発明によれば、地盤状態を乱さないで高
品質の凍結地盤試料が容易に採取でき、さらに凍土の造
成及び管理も簡便かつ効率よく実施できる等顕著な効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は共に本発明の一実施例を示す説明図
である。 １……圧力ゲージ ２……圧力調整バルブ ３……圧力源 ４……潤滑剤圧力タンク ５……防熱材 ６……凍結接続管 ７……潤滑剤注入管 ８……地温計用ケーブル ９……孔壁 10……掘管 11……掘削ビット 12……地温計 13……ガイド板 14……孔底 15……スクリュー羽根 16……凍結管 17……潤滑剤注入孔 18……凍結熱源 19……低温流体注入調節バルブ 20……低温流体注入管 21……低温流体用防熱材 22……荷重計 23……計測・制御装置 24……凍土 25……凍土切削溝

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地盤中に凍結管を挿入し、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、採取すべき深土の凍土位置の上部まで
   削孔し、この孔底から、外周に螺旋状の羽根を設けた凍
   結管を回転圧入し、その後周囲の地温を測定しながら凍
   結管内に低温流体を供給して凍土を造成し、しかる後凍
   結管とともに凍土試料を採取することを特徴とするスク
   リューパイプ式地盤凍結試料採取方法。
2. 【請求項２】凍結管の下端部から地盤内へ潤滑剤を注入
   しながら該凍結管を回転圧入する請求項（１）記載のス
   クリューパイプ式地盤凍結試料採取方法。
3. 【請求項３】採取すべき深度の凍土位置の上部まで削孔
   する掘削手段と、外周に螺旋状の羽根を設けて掘削した
   孔底から地盤内に回転圧入される凍結管と、該凍結管内
   に低温流体を供給する手段とからなり、回転圧入された
   凍結管内に低温流体を供給して凍土を造成し、その後所
   定の大きさの凍土を採取することを特徴とするスクリュ
   ーパイプ式地盤凍結試料採取装置。
4. 【請求項４】凍結管の上端部に１個以上の地温計を有す
   るガイド板を設けた請求項（３）記載の装置。
5. 【請求項５】凍結管の下端部に潤滑剤を地盤内へ注入す
   る潤滑剤注入孔を設けた請求項（３）又は（４）記載の
   装置。