JP3662007B2 - コーン機能付固定ピストンサンプラー - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤調査を行う複数の測定センサを備えたサンプラーを、土中深く進入し、地盤内における地盤検査を行うことができる地盤検査方法にかかり、先端のコーン部分に地盤調査用の複数の検査用センサを配置したコーン機能付固定ピストンサンプラーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の地盤検査装置は、ボーリング孔を利用し、試料採取用円筒（シリンダ）のサンプラーを押し込み、孔底の試料を採取し、地上の土質試験室において１軸圧縮試験などの各種土質試験を行って地盤の成分や強さを検査して特性値を測定している。このようなサンプラーとしては水圧サンプラー、回転掘削式の二重管式サンプラー、および三重サンプラーなどがある。この場合、サンプラーの直径が大きいため大径のボーリングを行う必要があり、試験費用が嵩む問題があった。また、土質調査方法としてサウンディングという方法がある。この方法は地盤にプローブ（試験錘）を押し込んで地盤の耐力を直接計測するものである。サウンディングの一方法としてコーン貫入試験があり、その多くは地耐力だけではなく、地盤の間隙水圧やプローブ側面の摩擦力を測定することが行われ、一般に三成分コーン貫入試験と呼ばれている。
【０００３】
サウンディングの別な方法としては標準貫入試験がある。標準貫入試験（ＪＩＳＡ１２１９）はボーリング孔の孔底に一定形状のブローブを一定の質量を持つハンマーを一定の高さから落下打撃させ、一定の長さだけ地盤に貫入する打撃回数をＮ値として記録するもので、わが国では最も一般的な地盤検査方法である。しかし標準貫入試験は地盤では地耐力の判定に精度の問題が生じ、サンプリングによる地盤定数の確認か、あるいは三成分コーンなどによる貫入試験が推奨されている。標準貫入試験中に比較的軟弱な地盤に遭遇した場合にはサンプリングを諦めるか、サンプリングのために新しい大径のボーリング作業を行う必要があった。
【０００４】
前述のような地盤検査用のサンプラー装置としては円筒（シリンダ）内を作動媒体によりピストンが摺動し、ピストンの先端に取り付けられたサンプラーチューブが地盤に貫入し、地盤の資料をサンプラーチューブ内に収納して地上に取り出す水圧サンプラーが一般的である。通常の水圧サンプラーはコア径が７５ｍｍでサンプラーを孔底に挿入するため８６ｍｍのボーリング孔径が採用される。一方標準貫入試験ではプローブ径が５１ｍｍであるためボーリング孔径は６６ｍｍが採用されている。従って、標準貫入試験中に比較的軟弱な地盤に遭遇し、サンプリングの必要を生じた場合には新たに口径の大きなボーリングを行う必要があった。
【０００５】
前述のサウンディングのように試料を採取せずに地盤の特性を判定する方法として地表から連続して前記三成分コーン貫入試験によって地質などを検査し、その孔底の測定データなどの信号を地上に伝送するために有線方式が一般的である。この場合は、複数の中空管を繋ぎながら地中深くコーンを押し込むので予め必要な長さの信号線を通しておくもので、九十九折に収納されていた。このような有線方式に代え、地上への伝送手段として電磁波を利用する送信装置などがある。例えば、特開昭６３−７７２２９号公報及びに米国特許第４，４９６，１７４号明細書に記載されている。これらは上下に分割して配置したドリルカラー間に絶縁物を介在し、この絶縁物の間にセンサを配置するもの、上下のドリルカラーに接続した導体間に電磁波を生じるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来は、ボーリングにより地盤に孔を掘削し、このボーリング孔を利用して、サンプラなどを挿入して試料を採取していた。
地中においてサンプラにより採取した試料を運搬して検査室において検査する方法とサウンディングにより原位置で地盤情報を得る方法はおのおの得失があり、いずれも多用されているが場合によってはその一方を採用することが推奨されている。サウンディングをしながら孔底に下ろした器具を取り替えることなしにサンプリングをすることはできなかった。サウンディングのうちコーン貫入試験においては孔底の地盤情報を取り出すために有線式を採用することは電線の取扱いに困難であった。他方、地底からの送信装置を利用して地上の受信装置に伝播する場合は、電磁波の到達距離に限界があり、マッドパルス方式などの衝撃による方法は情報量に限界があった。
【０００７】
本発明の課題は、地盤にボーリングによる穿孔を行うことなく、中空管内に内蔵する固定ピストンによって先端部に配置したコーン先端を地中に挿入して地盤の状況を検査する簡易な方法を提供することである。
本発明の課題は、標準貫入試験中に遭遇し、補完的にコーン貫入試験やサンプリングを行う場合に器具の入れ替えを行うことなく、標準貫入試験の孔内で精度の高いコーン貫入試験と地盤サンプリングを選択できる装置を提供することにある。
本発明の他の課題は、リアルタイムで地盤の地耐力、間隙水圧、コーン側壁面の摩擦力などの多くの情報の信号量を把握できるコーン機能付固定ピストンサンプラーを提供することである。
本発明のその他の課題は、従来の小径倍圧式水圧ピストンサンプラーを利用して比較的硬質な地盤などにも推進可能で、標準貫入試験中にも計測でき、正確な地盤の測定データを伝送できるコーン機能付固定ピストンサンプラーを提供することである。
本発明の他の課題は、その都度実験室に地中の試料を持ち帰ることなく、サンプラーを地中深く挿入して計測した地盤データを正確に地上に伝送できるコーン機能付固定ピストンサンプラーを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の前記課題は以下の構成によって達成できる。
地盤内に中空管を挿入して地盤を調査する固定ピストンサンプラーにおいて、中空管をピストンのシリンダとし、このシリンダ本体及びピストンロッドを固定する接続具を配置し、このシリンダ本体およびピストンロッドで形成される環状部分内で摺動自在に支持される中空ピストンを内蔵し、この中空ピストンの先端側にチューブを固持し、前記中空ピストン内に形成される中空室を上下室に分割する仕切部材を前記ピストンロッドに固定し、前記接続具と前記中空ピストンの上室との間の空間及び分割された前記中空ピストンの中空室の下室内に作動媒体を供給する供給路を設け、前記中空ピストンの先端部分に配設したコーン部が交換可能に取付けられ、このコーン部に地盤検査用の各種センサを配置してなるコーン機能付固定ピストンサンプラーの構成である。
【００１０】
本発明の前記課題は、前記コーン部に設ける地盤検査用センサとして地耐力、地盤の間隙水圧、コーン部の側壁摩擦力などのセンサの他に温度、エス波、ラヂオアイソトープ（ＲＩ）、密度、アコ−ステイックエミッション（ＡＥ）、比抵抗、塩分濃度、自然電位、伝導度、Ｐ波、傾斜度、ジャイロ及びＰＨ値等を計測するセンサを配置してあるコーン機能付固定ピストンサンプラーによって達成できる。
【００１１】
また、前記課題は、前記コーン部に設けた前記各センサによる計測データを演算処理、増幅処理して送信する送信装置を前記中空管や前記チューブ内に配備してなる構成、又は前記コーン部の先端部分に配置した地盤検査項目の前記各センサ各計測データが演算処理部により解析処理され、処理されたデータを超音波発生装置、演算回路及び振幅差検出回路によってデータ変換し、超音波振動子によって発生される超音波により伝播し、この超音波信号を地上の受信装置によって受信し、表示装置や出力装置に出力して地盤状況を把握する構成のコーン機能付固定ピストンサンプラーによって達成できる。
【００１２】
本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーは、水圧ピストンであっても強度の大きい粘性土地盤に対して大きな推進力を有し、比較的小径のボーリング孔を利用して十分な検査ができる。また、地中深く挿入して、従来の三成分コーンによる測定データや地盤の状況を地上にリアルタイムで送信することができる。特に、超音波振動子による小型の発信器および電池電源を利用して測定データを地上にて受信して観察することができる。
【００１３】
本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーは、地盤にコーン先端をあてがい、中空ピストンによって地盤内にコーン部を深く挿入し、またはボーリングによって穿孔された竪孔内にコーン部を挿入し、先端のコーン部を地盤内に挿入して、先端部のコーンに配置した各種地盤計測用のセンサにより検出した計測データをコンピュータにより演算処理して解析し、その測定結果の地盤データを超音波振動子によって送信することができるからリアルタイムに測定データを取得することができる。
本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーにおいても、サンプラーによる試料採集が行われることは当然である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーについて実施の形態に基づき図面を参照して詳述する。
図１は本発明コーン機能付固定ピストンサンプラーにおける１実施形態の中空管の内部機構を示す説明図である。図２は図１の実施形態の概略説明図である。図３は本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーのブロック図である。図４は本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーを備えた１実施形態の一部省略した全体図である。
【００１５】
本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーについて図面に示す実施形態に基づいて説明する。
接続具１を介在して中空薄肉円筒管であるシリンダ２を複数連結してある。このシリンダ２内にはピストンロッド７が配置してあり、このピストンロッド７は接続具１にねじ込み接続する。この接続具１にはピストンを動作する作動水の供給路１ａが形成してある。
ピストンロッド７の中間部に第２ピストン９がロックナット１０によりピストンロッド７に固定され、ピストンロッド７の先端には固定ピストン６と測定部４及びコーン部５がねじ溝で連結され、コーン部５に測定部４に軸方向自在に連結されている。
前記シリンダ２内にはシリンダ２の内面とピストンロッド７の外周に接触し、軸方向に摺動可能な第１ピストン１３があり、第１ピストン１３にはシリンダチューブ８とその先にヘッド１１がねじ溝で接続されている。ヘッド１１にはチューブ３が止めねじ溝により接続されている。シリンダチューブ８の内面には前記第２ピストン９が水密に接している。
【００１６】
シリンダチューブ８内の中空室１２は第２ピストン９により上室１２ａと下室１２ｂとに仕切られ、第２ピストン９はこの中空室１２内を摺動する。これらの各ピストン部材の周壁面にはＯリング１９、２０、２１が埋設してあり、シーリングされている。１１はチューブ３に固定したヘッドで、第１ピストン１３の上部及び中空室１２ｂ内の水圧によってシリンダチューブ８と共に移動する。このシリンダチューブ８に固着した第１ピストン１３がシリンダ２内に摺動するように配置してあり、接続具１の作動水の供給路１ａからの水圧によって第１ピストン１３はシリンダ２内を移動する。１５はシリンダ２内に配設した送信電装部である。
【００１７】
ピストンロッド７の先端には交換可能に取り付けられたコーン部５及び測定部４が配備され、このコーン部５及び測定室４には地盤検査用の各種センサが配置してある。例えば、水圧センサ１７、地耐力センサ１６、コーン側壁の摩擦力センサ１８などで、その他、温度、エス波、ラジオアイソトープ（ガンマー線、中性子）、密度、アコーステイックエミッション、比抵抗、水素イオン濃度（ＰＨ値）、塩分濃度、自然電位、伝導度、Ｐ波、傾斜度、ジャイロなどを計測するセンサを配置することができる。
【００１８】
シリンダ２内には電源装置と共に地上へ計測データを送信する送信電装部１５（電源部を含む）への信号を処理する処理装置が内蔵してある。図面に示す一例は、情報量が比較的多い超音波装置である。
この超音波装置は、超音波振動子２２、電源部の電池２３、超音波発生部２４（デジタル）、超音波発生部（アナログ）２５及び制御演算回路２６を内蔵し、この測定部４は荷重受け座、レジューサを介してコーン部５が接続してある。
【００１９】
このコーン部５は小さく設計されているので内装する機器類は限定される。従って、各計測センサの地耐力、間隙水圧、及びコーン側壁摩擦力の各計測センサなどのデータ信号を送信する送信機はシリンダ２内に配置してあり、測定部４と送信電装部１５との間はピストンロッド７内に配線して送信電装部１５にデータ信号が伝送され、この送信電装部１５の超音波信号がシリンダ２および接続具１の上部に連結したボーリングロッド３１を伝播して地上の受信ユニット２９に送信する。この受信ユニット２９は信号増幅部、周波数検出部、データ復調部及びデータ表示、出力部からなっている。３０はフィルタである。
【００２０】
本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーは、図４に示されるようにシリンダ２、２を接続具１の上部に接続したボーリングロッド３１により地上のボーリングマシンからの推進力を伝達され、ピストンロッド７の先端に取り付けられたコーン部５を地中深く押し込むことができる。コーン部５に取り付けられた水圧センサ１７、コーン側壁の摩擦力センサ１８及び地耐力センサ１６によって原位置で正確な地盤定数を知ることができる。
【００２１】
本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーにおける測定部４について詳細に説明する。
この測定部４はコーン部５の水圧センサ１７、地耐力センサ１６及びコーン側壁の摩擦力センサ１８によって地盤貫入抵抗力、水圧、及び側壁の摩擦力の信号が電圧変換されて、送信電装部１５のインターフェイス１４に入力される。このアナログ信号を増幅してデジタル信号に変換し、このデジタル信号は演算処理回路に取り込まれ、地質の解析が行われ、この地質データを送信信号発生部に設定することによりデジタルのバースト信号に変換する。
【００２２】
このデジタルのバースト信号は送信信号発生部にてアナログ信号で超音波を発生すべく高電圧のサイン波に変換され、超音波振動子の両端にかけられ、超音波に変換される。この超音波振動子はシリンダ２の内面に隙間なく張り付けられ、この超音波振動子の振動はシリンダ２、接続具１及びボーリングロッド３１を伝送媒体として地上に伝達する。
【００２３】
前記チューブ３の長さはコーン部５の先の地盤に３００〜４００ｍｍ貫入できる十分な長さを必要とする。コーン部５は断面積が１０ｃｍとなるように３５．７ｍｍの直径を取ることが普通であるためチューブ３の直径は４０ｍｍ以上の適当な値を採用するとよい。
【００２４】
本発明の図１に示す実施形態のコーン機能付固定ピストンサンプラーは、先端のコーン部を地盤に挿入するに際して、実施例としてボーリングによって穿孔した縦穴の底部にコーン部５を貫入させる方法について説明する。
地盤の地中深くコーン部５を挿入してコーン部５内部に設置された地耐力センサ１６、水圧センサ１７等の信号を超音波発生器２４、２５を利用した信号伝達によって地盤の力学的な定数をリアルタイムに知り、地盤データ試料を採取する場合にはその状態のままでコーン部５の貫入を停止し、ボーリングロッド３１を通じて水圧を供給することによって水圧がシリンダ２内部の第１ピストン１３の上面および中空室１２の下室１２ｂに作動してチューブ１３が地盤に貫入して地盤試料を採取する。
【００２５】
リアルタイムの検査測定データのみならず地盤を調査するための試験サンプルを採取するには、第１ピストン１３、シリンダチューブ８、ヘッド１１及びチューブ３は作動水の供給路１ａおよびピストンロッド７内の通路を通過してシリンダチューブ８の下室１２ｂに供給され、この作動水の圧力により第１ピストン１３の上面及びヘッド１１の上面に力を受け、接続具１及び先端のコーン部５に対してシリンダ２内を下方に摺動し、チューブ３は地盤内に貫入して地盤試料をチューブ３内に収納して地盤のサンプリングを行うことができる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーによれば、コーン部を地中深く挿入し、コーン先端に配置した各種センサの信号を超音波発生器により伝播させて地盤の力学的な定数をリアルタイムに知ることができる。しかも地盤試料を採取する場合にはその状態のままでコーン部の外周面のチューブを地盤に貫入させて行うことができるから、新たに器具の交換など行う必要がない。特に、倍力機構によって比較的小径のボーリング孔を利用してコーン部を貫入させ、強度の大きい粘性土地盤や砂礫層などの掘削し難い地盤においても地盤調査をすることができる。特に、標準貫入試験中であっても地盤調査を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーの１実施形態の内部機構を示す説明図である。
【図２】図１の実施形態の概略説明図である。
【図３】本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーの伝送装置として超音波装置を使用した１実施形態のブロック図である。
【図４】本発明のコーン機能付固定ピストンサンプラーの１実施形態の一部省略した全体図である。
【符号の説明】
１ 接続具
２ シリンダ
３ チューブ
４ 測定部
５ コーン部
６ 固定ピストン
７ ピストンロッド
８ シリンダチューブ
９ 第２ピストン
１０ ロックナット
１１ ヘッド
１２ 中空室
１３ 第１ピストン
１４ インターフェイス
１５ 送信電装部
１６ 地耐力センサ
１７ 水圧センサ
１８ 摩擦力センサ
１９,２０，２１ Ｏリング
２２ 超音波振動子
２４ 超音波発生器（デジタル）
２５ 超音波発生器（アナログ）
２６ 演算回路（ＣＰＵ）
２９ 受信ユニット
３０ フィルタ

Claims (4)

1. 地盤内に中空管を挿入して地盤を調査する固定ピストンサンプラーにおいて、
   中空管をピストンのシリンダとし、このシリンダ本体及びピストンロッドを固定する接続具を配置し、このシリンダ本体およびピストンロッドで形成される環状部分内で摺動自在に支持される中空ピストンを内蔵し、この中空ピストンの先端側にチューブを固持し、前記中空ピストン内に形成される中空室を上下室に分割する仕切部材を前記ピストンロッドに固定し、前記接続具と前記中空ピストンの上室との間の空間及び分割された前記中空ピストンの中空室の下室内に作動媒体を供給する供給路を設け、前記中空ピストンの先端部分に配設したコーン部が交換可能に取付けられ、このコーン部に地盤検査用の各種センサを配置してなることを特徴とするコーン機能付固定ピストンサンプラー。
2. 前記コーン部に設ける地盤検査用センサとして地耐力、地盤の間隙水圧、コーン部の側壁摩擦力などのセンサの他に温度、エス波、ラヂオアイソトープ（ＲＩ）、密度、アコ−ステイックエミッション（ＡＥ）、比抵抗、塩分濃度、自然電位、伝導度、Ｐ波、傾斜度、ジャイロ及びＰＨ値などを計測するセンサを配置してあることを特徴とする請求項１に記載のコーン機能付固定ピストンサンプラー。
3. 前記コーン部に設けた前記各センサによる計測データを演算処理、増幅処理して送信する送信装置を前記中空管や前記チューブ内に配備してなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のいずれか１つのコーン機能付固定ピストンサンプラー。
4. 前記コーン部の先端部分に配置した地盤検査項目の前記各センサの計測データが演算処理部により解析処理され、処理されたデータを超音波発生装置、演算回路及び振幅差検出回路によってデータ変換し、超音波振動子によって発生される超音波により伝播し、この超音波信号を地上の受信装置によって受信し、表示装置や出力装置に出力して地質状況を把握することを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のいずれか１つのコーン機能付固定ピストンサンプラー。

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