JP4428599B2

JP4428599B2 - ボーリング機能を備えた孔内静的貫入試験装置

Info

Publication number: JP4428599B2
Application number: JP2000051166A
Authority: JP
Inventors: 勢之藤井; 義行伊藤
Original assignee: Oyo Corp
Current assignee: Oyo Corp
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP2001241030A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地質調査において用いる静的貫入試験装置に関し、更に詳しく述べると、ボーリング掘削部の円筒状ケーシング内にコーン貫入機構部を組み込み、掘削機能と孔内貫入機能を併せ持たせた静的貫入試験装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
地質調査における貫入試験には、動的貫入試験と静的貫入試験とがある。動的貫入試験は、重錘による打撃によって先端にコーンを有する貫入ロッドを地盤中に貫入させるものであり、それに対して静的貫入試験は、地上に油圧装置や水圧装置を設置し、その油圧や水圧によって先端にコーンを有する貫入ロッドを地盤中に貫入させるものである。この静的貫入試験では、コーン貫入中の先端抵抗等を計測して地盤の土層区分や地盤定数を推定する。
【０００３】
静的貫入試験は、主として粘性土地盤や砂質土地盤で用いられており、データの信頼性は高い。しかし、動的貫入試験と比較すると、あまり普及しているとは言い難い。その理由は、試験地盤に砂礫層が存在すると、その地層を貫入できないことがあり、目的の深度まで測定できないためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
試験地盤に存在する砂礫層を貫入するためには、押圧能力の高い油圧装置や水圧装置を必要とし、非常に大掛かりな装置になってしまう。そのため、装置や機材の運搬及び設置・撤去など、試験コストが高くなり、作業時間も長くなる。また、そのような大型の圧力源を用いて無理に貫入させようとすると、コーン先端部が破損する危険性が高い。
【０００５】
そこで、貫入試験中に砂礫層などに当たった場合に、ボーリングを行い、砂礫層を貫通した段階で再び静的貫入試験を行うことも考えられるが、貫入ロッドを撤去し、ボーリング掘削部を挿入してボーリングを実施し、該ボーリング掘削部を撤去した後に再び貫入ロッドを挿入するというような煩瑣な作業となるため、作業性が悪く、時間もかかる。また、地上から孔底まで長い距離で加圧力をかけるために、貫入ロッドの曲がりなどによる測定誤差も大きい。
【０００６】
本発明の目的は、試験地盤内に通常の静的貫入試験装置では貫入不可能な砂礫層などが存在しても、目的の深度まで確実に調査できる孔内静的貫入試験装置を提供することである。本発明の他の目的は、小型の押圧装置で十分であり、そのためコーン先端部が破損する恐れがない孔内静的貫入試験装置を提供することである。本発明の更に他の目的は、加圧力のロスが殆ど生じず、またメンテナンスが極めて容易な孔内静的貫入試験装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記のような技術的課題を解決できる本発明は、
（１）円筒状ケーシングと、その下端面に取り付けたビットと、該円筒状ケーシングの上端部に接続するボーリングロッドを具備し、該ボーリングロッドの回転動作により地盤中を掘進するボーリング掘削部；
（２）前記円筒状ケーシング内に間隔をおいて収容されているシリンダと、該シリンダの内部で摺動自在のピストンと、先端にコーンを有し基端が前記ピストンの下端部に接続されていて貫入測定用電気回路が内蔵されている貫入ロッドを具備し、ピストンの移動により前記貫入ロッドが円筒状ケーシング下方から突出するか又は円筒状ケーシング内に没入可能なコーン貫入機構部；
（３）ボーリング掘削時に泥水を円筒状ケーシングとシリンダとの間を通してビット方向へ供給し、貫入試験時に圧力水をシリンダ内に送りピストンを軸方向に駆動するように、前記供給される掘削用泥水と貫入用圧力水の流路を切り換える流路切換え機構；
を備えているボーリング機能を備えた孔内静的貫入試験装置である。このように本発明では、押圧装置（シリンダとピストン）をボーリング掘削部の円筒状ケーシング内に組み込むことで掘削機能と貫入機能を持たせており、その点に特徴がある。
【０００８】
孔内静的貫入装置を構成するために、圧力源を孔内に設けることも考えられるが、そのような構成では装置が大型化するため実現は困難である。そこで、本発明では地上に圧力源を設置し、孔内には押圧装置（ピストン・シリンダ）を設置している。地上から圧力水を供給するのに高圧パイプを別途設けることも可能であるが、円筒状ケーシングが回転するために機構が複雑化し作業性は悪くなる。そこで、圧力水の供給にもボーリングロッドを使用するのが好ましい。例えば、外径４０．５mmのロッドでは５０kg／cm²の圧力までは使用できる。更に、ネジ部にシールテープを巻き付けると、１００kg／cm²以上の圧力でも水漏れは生じない。このような構成にすると、ボーリング掘削部の円筒状ケーシング内にピストン・シリンダを設けても、Ｎ値４０〜５０程度の砂質土地盤及び軟弱な粘性土地盤で貫入試験が可能となる。
【０００９】
掘削用泥水と貫入用圧力水をボーリングロッドを用いて送ると、泥水中に含まれる砂や粘土などがピストン表面やシリンダ内面に付着する恐れがある。そこで本発明では、ピストン表面やシリンダ内面に砂や泥が付着しないように、貫入用圧力水を利用してシリンダ内の砂や泥を強制的に排出し清掃するフラッシング機構を設ける。フラッシング機構は、貫入ロッドが最も突出するピストンの最下降位置に位置する場合と、貫入ロッドが没入するピストンの最上昇位置に位置する場合に、貫入ロッドとシリンダ下部との間に隙間が形成され、シリンダ内に供給された圧力水が、前記の隙間を通ってシリンダ外へ流出しシリンダ内の付着物を洗い流すような構成とする。
【００１０】
更に本発明では、ボーリングロッドを用いてボーリング泥水と貫入用圧力水を供給するために、流路切換え機構を設ける。この流路切換え機構は、掘削用泥水をビット方向に流すことと、貫入試験用のシリンダに供給する圧力水を貫入ロッドの貫入方向と収納方向に切り換えることができ、同時にシリンダ内のピストンの加圧側とは反対側の水を排水できるような機能を持たねばならない。このような機能を有する流路切換え機構は、円筒状ケーシングの上端部に位置して該円筒状ケーシング上端とシリンダ上端の両方に固定されているヘッド部と、該ヘッド部の中心孔に回動自在に嵌合するボーリングロッド下端部分との組み合わせからなる。
【００１１】
前記ヘッド部には円筒状ケーシングとシリンダとの間隙部と中心孔とを連絡する第１及び第２の連絡流路、中心孔とシリンダ上部室とを連絡する第３及び第４の連絡流路を具備し、第１及び第３の連絡流路の中心孔周壁での開口位置は同じ第１レベルにあり、第２及び第４の連絡流路の中心孔周壁での開口位置は同じ第２レベルにある。更に中心孔周壁での第３レベルの開口位置からヘッド部外へ至る逆止弁付きの排水流路を具備している。前記ボーリングロッド下端部分は、その中心流路が下端で曲がって側面の第１レベルで開口し、且つ第２レベルで１箇所開口し第３レベルで２箇所開口して周面部間を連通させる連通孔を有する構造をなし、ヘッド部に対してボーリングロッドの回転位置を変えることで流路が切り換わるように構成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
既存のボーリング掘削装置に対して、そのボーリングロッド下端部分とコアチューブに代えて本発明装置を組み込む。地上には、掘削用泥水ポンプの他に貫入用圧力水ポンプを設置し、それらからの泥水と圧力水の供給の切換弁を設ける。これにより、孔内静的貫入試験が実施可能な状態となる。
【００１３】
【実施例】
図１は本発明に係るボーリング機能を備えた孔内静的貫入試験装置の使用状態の一例を示す説明図である。基本的には、従来公知のボーリング掘削装置に組み込まれて使用される。これは貫入ロッドが円筒状ケーシングから突出した状態を示しており、ボーリング掘削中は貫入ロッドが円筒状ケーシング内に没入した状態となる。
【００１４】
アンカー１０で地盤に固定した基台１１上にボーリングマシン１２が据え付けられ、スピンドル機構１３を介してボーリングロッド１４を回転する。ボーリングロッド１４の下端には円筒状ケーシング１６が接続されており、該円筒状ケーシング１６の下端面に固着されているビット１８が回転し、地上の掘削用泥水ポンプ２０から泥水が供給され、地盤を掘削する。通常のボーリング掘削装置では、円筒状ケーシングがコアチューブに相当する。
【００１５】
本発明では、円筒状ケーシング１６の内部にコーン貫入機構部２２を設けると共に、該円筒状ケーシング１６の内部上方に、流路切換え機構２４を設ける。コーン貫入機構部２２は、前記円筒状ケーシング１６の内壁に対して間隔をおいて収容されているシリンダ２６と、該シリンダ２６の内部で軸方向に摺動自在のピストン２８と、先端にコーン３０を有し基端が前記ピストン２８の下端部に接続されていて貫入測定用の電気回路が内蔵されている貫入ロッド３２を具備し、ピストン２８の軸方向駆動により前記貫入ロッド３２が円筒状ケーシング１６から突出したり、又は円筒状ケーシング１６内に没入可能な構成である。
【００１６】
流路切換え機構２４は、ボーリング掘削時に泥水を円筒状ケーシング１６を通してビット１８の近傍方向へ供給し、貫入試験時に圧力水をシリンダ２６に送りピストン２８を軸方向（上方向又は下方向）に駆動するように、前記ボーリングロッド１４を通して供給される水の流路を切り換えるようになっている。それに伴って、地上部には、貫入用圧力水ポンプ３４を設置し、切換弁３６を介して、前記掘削用泥水又は貫入用圧力水をウオータスイベル３７からボーリングロッド１４に供給できるようになっている。
【００１７】
なお、図示していないが、コーン３０を備えた貫入ロッド３２内には、各種センサ（先端抵抗、周面摩擦力、間隙水圧）、増幅器、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、ＣＰＵ、メモリ、電池などからなる貫入測定用の電気回路が組み込まれていて、設定した所定の貫入深度毎に検出データを記憶できるようになっている。
【００１８】
貫入ロッド３２が最も突出するピストン２８の最下降位置と、貫入ロッド３２が没入するピストン２８の最上昇位置とで、貫入ロッド３２とシリンダ２６下端部との間に隙間が形成され、その隙間を通ってシリンダ２６内の水が流出するフラッシング機構を設ける。そのため、シリンダ２６の下端部には、円筒状ケーシング１６とシリンダ２６の間を通った泥水がシリンダ２６内に入れるように開口を設けておき、貫入ロッド３２は、その上部と下部が細径化した構造（上方細径部を符号３２ａで、下方細径部を符号３２ｂで示す）とする。またシリンダ２６の下端部（開口を設ける部分）は大径化しておく。このようにすると、貫入ロッド３２が最も突出するピストン２８の最下降位置と、貫入ロッド３２が没入するピストン２８の最上昇位置とで、シリンダ２６下端部との隙間を通ってシリンダ２６内の水が流出可能となる。これによって、泥水の流路を確保すると共に、フラッシング機能を持たせることができる。
【００１９】
流路切換え機構２４は、図２に詳細に示すように、円筒状ケーシング１６の上端部に位置して該円筒状ケーシング１６上端とシリンダ２６上端の両方に固定されているヘッド３４部と、該ヘッド３４部の中心孔４０に回動自在に嵌合するボーリングロッド下端部分１４ａとの組み合わせからなる。図２において、Ａは泥水供給状態又は貫入ロッド収納のための圧力水供給状態を示しており、Ｂは貫入ロッド貫入のための圧力水供給状態を示している。これら２状態の切り換えは、地上からのボーリングロッド１４の回転により制御する。ボーリング掘削を実施する際のボーリングロッド回転方向では、回転位置決め部３８によって上記Ａの状態に固定され、ボーリングロッド１４を逆方向に回転すると回転位置決め部３８によって上記Ｂの状態となる。図２では、１８０度回転することで流路の切り換えを行っているが、流路などの状況によっては他の任意の角度（例えば９０度あるいは４５度など）で切り換えるようにしてもよい。なお、回転位置決め部３８は、掘削時の回転力を受け止めるストッパの機能も果たす。
【００２０】
前記ヘッド部３４は、円筒状ケーシング１６とシリンダ２６との間隙部３９と中心孔４０とを連絡する第１の連絡流路４１及び第２の連絡流路４２、中心孔４０とシリンダ内上部空間を連絡する第３の連絡流路４３及び第４の連絡流路４４を具備している。第１の連絡流路４１と第３の連絡流路４３の中心孔周壁での開口位置は同じ第１レベルにあり、第２の連絡流路４２と第４の連絡流路４４の中心孔周壁での開口位置は同じ第２レベルにある。更にヘッド部３４には、中心孔周壁での第３レベルの開口位置からヘッド部外へ至る排水流路４８を有し、該排水流路４８には逆止弁５０が設けられている。
【００２１】
前記ボーリングロッド下端部分１４ａは、中心流路５２が下端で側方に曲がって側面で開口し、且つ異なる上下位置で周面部間を連通させる連通孔５４を有する構造をなしている。前記のように、ヘッド部３４に対してボーリングロッド１４の回転位置を１８０度変えることで、流路が切り換わる。ボーリングロッド下端部分１４ａの開口近傍には、図３に示すように、開口５６を取り囲むようにパッキン５８を嵌め込み、開口５６の上下両方の位置にボーリングロッド外周を取り囲むようにパッキン５９を設け、中心孔４０の周壁との間のシールを行う。
【００２２】
以下、本貫入試験装置の動作について、流路切換え機構を示す図２と、ピストンなどの動作状況を示す図４により説明する。本貫入試験装置全体のシステム構成は図１に示す通りである。図４において、Ａは貫入ロッド３２の収納が完了した状態（フラッシング時又は掘削時）、Ｂは貫入ロッド３２を地盤中に貫入している途中（貫入試験中）の状態、Ｃは貫入ロッド３２の貫入が完了した状態（フラッシング時）、Ｄは貫入ロッド３２の円筒状ケーシング１６内に収納途中の状態をそれぞれ示している。ボーリングロッド１４には圧力水の漏れを防ぐためにネジ部にシールテープ等を巻き、またボーリングロッド１４の曲がりを防止するために図１に示すように数ｍおきにセントラライザ６０を取り付ける。
【００２３】
ボーリング掘削時は、貫入ロッド３２が完全に円筒状ケーシング１６内に収納された状態（図４のＡ）とし、流路切換え機構２４は図２のＡに示す状態に設定する。この流路切換え機構２４の設定は、地上からボーリングロッド１４を掘削方向に回転することで行われ、その状態で回転位置決め部３８のストッパ機能が働き、掘削時の回転力を受け止める。ボーリングロッド１４を回転させながら掘削する。その際、地上の切換弁３６を泥水側にし、掘削用泥水ポンプ２０からウオータスイベル３７、ボーリングロッド１４を通してビット１８方向に泥水を供給する。
【００２４】
泥水は第１の流路４１を通って円筒状ケーシング１６とシリンダ２６の間隙部３９を流下し、シリンダ下端部の開口からシリンダ下部室に入り、貫入ロッド３２の下方小径部３２ｂでシリンダ下端のシール６２から外れ、その隙間から流出してビット１８へと供給される。掘削泥水中のスライムは円筒状ケーシング１６の外周面に沿って地上へと上昇し、孔口から排出する。その際、逆止弁５０の機能が働くため、スライムが流路切換え機構２４に流入することはない。
【００２５】
目的の深度まで掘削したならば、ボーリングロッド１４を逆方向に１８０度回転して流路切換え機構２４を貫入の位置（図２のＢ）にし、円筒状ケーシング１６を数cm引き上げる。貫入ロッド３２は自重で元の位置に止まろうと相対的に下降するため、貫入ロッド３２は外周でシリンダ下端のシール６２によりシールされる。
【００２６】
地上の切換弁３６を操作して掘削用泥水ポンプ２０による泥水供給から貫入用圧力水ポンプ３４による圧力水供給に切り換え、圧力水をボーリングロッド１４を通して供給する。圧力水は、第３の連結流路４３を通ってシリンダ上部室に入る。シリンダ下部室の水は、シリンダ下端部の開口から出て、シリンダ２６と円筒状ケーシング１６との間隙部３９を通って上昇し、第２の連絡流路４２、連通孔５４、排水流路４８を通り逆止弁５０を経て（ボールを押し上げて）外部に排出される。このようにして、図４のＢに示すように、貫入ロッド３２は地盤中に貫入される。貫入ロッドは、１〜２cm／秒程度の速度で貫入されるように、圧力水を調整しながら貫入試験を行う。この貫入中、例えば５cm毎にコーン３０の先端抵抗、周面摩擦力、間隙水圧などの必要な測定を行い、センサによって測定したデータは、貫入ロッド３２内の増幅器、Ａ／Ｄ変換器を経てＣＰＵを介してメモリ内に記憶させる。
【００２７】
ピストン２８がシリンダ下端まで押し込まれ、貫入が完了すると（図４のＣ参照）、ピストン２８がシリンダ下端の内径が大きくなっている箇所で外れる。シリンダ上部室内の圧力水は、ピストン２８の外周を通り貫入ロッド３２の上方小径部３２ａを通って、孔内に出る。その時に、ピストン２８やシリンダ２６に付着している砂や粘土が洗い流される（フラッシングされる）。
【００２８】
円筒状ケーシング１６を数cm下降させると、ピストン２８はシリンダ２６によりシールできる位置まで押し上げられる。次に、ボーリングロッド１４を正方向に回転することで流路切換え機構２４を収納掘削の位置（図２のＡの状態）に設定する。地上の貫入用圧力水ポンプ３４によってから圧力水を供給すると、圧力水は、第１の連絡流路４１を通り円筒状ケーシング１６とシリンダ２６との間隙部３９を通ってシリンダ下端の開口からシリンダ下部室に入り、ピストン２８を押し上げ（図４のＤ参照）、貫入ロッド３２を円筒状ケーシング１６内に収納する。シリンダ上部室の水は、第４の連絡流路４４、連通孔５４を経て、排水流路４８から逆止弁５０を通って排水される。ピストン２８がシリンダ２６の上端に達すると、貫入ロッド３２の下方小径部３２ｂがシリンダ下端のシール６２から外れ、シリンダ上部室の圧力水によってシリンダ下部に溜まっている砂や粘土が洗い流される（フラッシングされる）。
【００２９】
次に、地上の貫入用圧力水ポンプ３４から掘削用泥水ポンプ２０に切り換え、ボーリング掘削をし、上記の操作を繰り返す。このようにして、任意の深度で静的貫入試験を実施することができる。そして、貫入試験終了後、貫入ロッドを引き出し、内部のメモリからデータを収録する。
【００３０】
【発明の効果】
本発明は上記のように、ボーリング掘削機能を具備する孔内静的貫入試験装置であるから、従来技術では静的貫入が不可能な砂礫層は、掘削によって貫通することで、その下方の粘土層や砂層でも目的の深度まで確実に貫入試験ができるようになる。貫入試験装置が孔内に入ることになるために作業が単純化されるし、ロッドの曲がりが殆ど生じないため加圧力の損失も殆どなくなる。また、小形の圧力源で済む。
【００３１】
フラッシング可能な構造とすることで、シリンダ内に砂や粘土が溜まり難くなり、ボーリングロッドを利用して掘削用泥水と貫入用圧力水を供給するように構成でき、装置が簡素化される。またセンサや電気回路などが貫入ロッドに内蔵されているために、何らかの故障が生じたときにはスペアロッドとの交換で迅速に対応でき、メンテナンスも極めて簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る孔内静的貫入試験装置の使用状態の一例を示す説明図。
【図２】流路切換え機構の一例を示す説明図。
【図３】ボーリングロッド下端部分のシール構造を示す説明図。
【図４】孔内静的貫入試験装置の動作説明図。
【符号の説明】
１２ボーリングマシン
１４ボーリングロッド
１６円筒状ケーシング
１８ビット
２０掘削用泥水ポンプ
２２コーン貫入機構部
２４流路切換え機構
２６シリンダ
２８ピストン
３０コーン
３２貫入ロッド

Claims

円筒状ケーシングと、その下端面に取り付けたビットと、該円筒状ケーシングの上端部に接続したボーリングロッドを具備し、該ボーリングロッドの回転動作により地盤中を掘進するボーリング掘削部；
前記円筒状ケーシング内に間隔をおいて収容されているシリンダと、該シリンダの内部で摺動自在のピストンと、先端にコーンを有し基端が前記ピストンの下端部に接続されていて貫入測定用電気回路が内蔵されている貫入ロッドを具備し、ピストンの移動により前記貫入ロッドが円筒状ケーシング下方から突出するか又は円筒状ケーシング内に没入可能なコーン貫入機構部；
ボーリング掘削時に泥水を円筒状ケーシングとシリンダとの間を通してビット方向へ供給し、貫入試験時に圧力水をシリンダ内に送りピストンを軸方向に駆動するように、前記供給される掘削用泥水と貫入用圧力水の流路を切り換える流路切換え機構；
を備えていることを特徴とするボーリング機能を備えた孔内静的貫入試験装置。
掘削用泥水と貫入用圧力水が地上の切換弁を介しボーリングロッドを通して供給されて流路切換え機構で流路を切り換えるように構成され、貫入ロッドが最も突出するピストンの最下降位置に位置する場合と、貫入ロッドが没入するピストンの最上昇位置に位置する場合に、貫入ロッドとシリンダ下端部との間に隙間が形成され、シリンダ内に供給された圧力水が、前記の隙間を通ってシリンダ外へ流出しシリンダ内の付着物を洗い流すフラッシング機構を設けた請求項１記載のボーリング機能を備えた孔内静的貫入試験装置。
流路切換え機構は、円筒状ケーシング上端とシリンダ上端の両方に固定されているヘッド部と、該ヘッド部の中心孔に回動自在に嵌合するボーリングロッド下端部分との組み合わせからなり、前記ヘッド部には円筒状ケーシングとシリンダとの間隙部と中心孔とを連絡する第１及び第２の連絡流路、中心孔とシリンダ上部室とを連絡する第３及び第４の連絡流路を具備し、第１及び第３の連絡流路の中心孔周壁での開口位置は同じ第１レベルにあり、第２及び第４の連絡流路の中心孔周壁での開口位置は同じ第２レベルにあって、更に中心孔周壁での第３レベルの開口位置からヘッド部外へ至る逆止弁付きの排水流路を具備し、前記ボーリングロッド下端部分は、その中心流路が下端で曲がって側面の第１レベルで開口し、且つ第２レベルで１箇所開口し第３レベルで２箇所開口して周面部間を連通させる連通孔を有する構造をなし、ヘッド部に対するボーリングロッドの回転位置を変えることで流路が切り換わるようになっている請求項２記載のボーリング機能を備えた孔内静的貫入試験装置。