JP5177663B2 - 一軸圧縮強度推定工法 - Google Patents
一軸圧縮強度推定工法Info
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Description
「一軸圧縮試験」とは、土の一軸圧縮強さを求める試験であり、JIS A 1216に規定されている。詳細には、透水性の低い粘性土を対象とする非圧密非排水試験であり、最も簡単な土の剪断試験として広く用いられている。
例えば、原位置土を利用して地中固結体を造成する地盤改良工法では、係るパラメータを計測することにより、地中固結体が所定の強度を発揮するために必要な固化材の種類や添加量、ジェットにより原位置土を切削する場合に必要な水圧等を決定することが出来る。
換言すれば、従来技術では3成分コーンを用いてせん断強さCuは求めても、一軸圧縮強度は求めていなかった。
従来技術における電気式静的コーン貫入試験は、土質の判定が主目的であり、一軸圧縮強度を求めるのには、使用されていない。そのため、係る電気式静的コーン貫入試験により、施工地盤の一軸圧縮強度を正確に求めることは出来ないのである(非特許文献1参照)。
しかし、係る技術(特許文献1)においても、一軸圧縮強度を求める際に係数を決定しなければならず、上述した従来技術におけるコーン貫入試験機による一軸圧縮強度の決定と同様な問題が存在する。
また、この従来技術(特許文献1)は、削孔機による削孔が行われなければ適用することが出来ないので、削孔前に予め一軸圧縮強度を求めることが出来ない。
ここで、「地中固結体」とは、例えば、原位置土を細断して固化材と混合、攪拌して、地盤中で固化することにより造成される固結した領域を意味している。
さらに、施工予定地盤に貫入されるコーンとしては、センサ等が具備されていないコーン、いわゆるダミーコーン(20)が好ましい。
qu=αEβ
により求められ、コーン貫入試験機における振動数最大値(fmax)が2316rpm、振幅(h)が0.642cm、起振力最大値(Fvmax)が2500kgf、振動部重量(mg)が130kgf、振動付与装置(バイブロハンマー)重量(Mg)が600kgf、1秒当りの押込み距離(s)が2cmの場合には、
0.0008≦α≦0.00117
1.42≦β≦1.46
であるのが好ましい(請求項2:図6)。
その場合(請求項2において)、α=0.0009、β=1.4504であるのが好ましい(図5、図6)。
qu=αeβE
により求められ、コーン貫入試験機における振動数最大値(fmax)が2316rpm、振幅(h)が0.642cm、起振力最大値(Fvmax)が2500kgf、振動部重量(mg)が130kgf、振動付与装置(バイブロハンマー)重量(Mg)が600kgf、1秒当りの押込み距離(s)が2cmの場合には、
53≦α≦94
0.00020≦β≦0.00022
であるのが好ましい(請求項3:図7)。
その場合(請求項4において)、α=40、β=0.00020であるのが好ましい(図7)。
qu=αE+β
により求められ、コーン貫入試験機における振動数最大値(fmax)が2316rpm、振幅(h)が0.642cm、起振力最大値(Fvmax)が2500kgf、振動部重量(mg)が130kgf、振動付与装置(バイブロハンマー)重量(Mg)が600kgf、1秒当りの押込み距離(s)が2cmの場合には、
0.055≦α≦0.086
−144≦β≦−110
であるのが好ましい(請求項4:図8)。
その場合(請求項6において)、α=0.0717、β=−132.43であるのが好ましい(図8)。
上述する本発明では、正確な測定が可能なパラメータである振動数平均値(fa)、起振力平均値(Fva)、押込力平均値(Fpa)をコーン貫入試験機により計測している。そして、一軸圧縮強度quを求めるのに必要とされるその他の数値は、使用されるコーン貫入試験機において定められた諸元(振動数最大値fmax、振幅h、起振力最大値Fvmax、振動部重量mg、バイブロハンマー重量Mg)及び設定値(1秒当りの押込み距離s)なので、予め正確に求められており、或いは、設定されている。換言すれば、本発明では、一軸圧縮強度(qu)を求める際に必要とされる全てのパラメータが、正確に計測可能であり、予め正確に求められており、或いは、予め正確に設定されている。
そのため、本発明によれば、施工地盤または地中固結体の一軸圧縮強度を正確に求めることが出来る。
そして本発明によれば、コーンが貫入可能であれば、軟弱地盤や、既に液状化対策が施された地盤、或いは地中固結体であっても、一軸圧縮強度を求めることが出来る。
E=(fmax−fa)・h・(1/60)・{mg+(Fvmax−Fva)}
+Fpa・s+(mg+Mg)・s
ここで、
fmax:振動数最大値(rpm)
fa:振動数平均値(rpm)
h:振幅(cm)
Fvmax:起振力最大値(kgf)
Fva:起振力平均値(kgf)。
Fpa:押込力平均値(kgf)。
mg:振動部重量(kgf)。
Mg:振動(或いは衝撃)付与部材(バイブロハンマー)重量(kgf)
s:1秒当りの押込み距離(cm)
である。
上式により得られた1秒当りの貫入エネルギーE(kgf/cm)から一軸圧縮強度(qu:kN/m2)を求めることが出来る。
本発明によれば、簡単且つ正確に一軸圧縮強度を求めて、地盤改良工法等の各種土木工事の施工に役立たせることが可能である。
一方、請求項2〜7のコーン貫入試験機を用いれば、実用に耐える特性曲線或いは特性式が具体的に定まっているので、データベースが充実していなくても、直ちに実施することが出来る。
図1は、本発明の実施形態で用いられるコーン貫入試験機の全体的な構成を示している。
図1において、全体を符号100で示すコーン貫入試験機は、試験機本体1、管理盤2、コーン用エンコーダ3、管理盤用エンコーダ4、電源5及び制御や演算・解析を行うパーソナルコンピュータ6、トリガーボックス7、ターミナルボックス8、CPT制御盤9、データロガー10、ストライクプレート11、振動(或いは衝撃)付与部材であるバイブロハンマー12を備えている。
試験機本体1には、ロッドチャック17によって、貫入ロッド15が取付けられている。そして貫入ロッド15の先端にコーン20が取付けられている。
図示の実施形態におけるコーン20としては、センサ等が具備されていないコーン、いわゆる「ダミーコーン」20を用いれば良い。ダミーコーン20の概要については、図3で示されている。
図1で示すコーン貫入試験機100を用いて施工地盤の一軸圧縮強度quを決定するには、後述する様に、バイブロハンマー30(振動或いは衝撃付与装置:図2)の振動数平均値fa(rpm)、起振力平均値Fva(kgf)、ダミーコーン20を対象地盤に押し込む押込力平均値Fpa(kgf)を計測する必要がある。
係る3つのパラメータ(振動数平均値fa、起振力平均値Fva、押込力平均値Fpa)は、コーン20にセンサを設けなくても、コーン貫入試験機100自体により計測可能なパラメータである。そのため、図示の実施形態で用いられるコーンは、センサを設けていないダミーコーンで足りるのである。
これに対して、地盤が硬く、ダミーコーン20の静的貫入が困難な場合には、例えばバイブロハンマー30(その他の衝撃を付与する装置も含む)によってダミーコーン20に振動を与えて、施工地盤に貫入する(動的貫入)。
そして、ダミーコーン20の貫入に際しては、静的貫入によってダミーコーン20を施工地盤に貫入することができる限りは、バイブロハンマー30は使用せず、静的貫入によりダミーコーンを施工地盤に貫入する。換言すれば、ダミーコーン20が静的貫入することが出来ない場合にのみ、バイブロハンマー30を使用する。
図2において、コーン貫入試験機のバイブロハンマー30は、ハウジング31と、左右1対の偏心体32を供えた高速ピストン33とを有している。
高速ピストン33に起振力Fvを与えるため、左右の偏芯体32を回転軸34周りに、矢印Yrで示す様に回転させる。
左右の偏芯体32を矢印Yrで示す様に回転することにより、高速ピストン33が、ダミーコーン(図1の符号20)に対して、連続した高速の打撃或いは振動を付与し、当該振動により、硬い地盤であってもダミーコーン20が進入(貫入)するのである。
M=m・b として求められる。
ここで、偏心体の回転数をNで表せば、角振動数ωは、
ω=2π・N/60 として求められる。
そして、この偏心モーメントMおよび角加速度ωから、重力加速度をGで表せば、起振力Fvは、
Fv=M・ω2/G として求められる。
ここで、ダミーコーン20の形状は、図3に示されている。
図3においてダミーコーン20は、鋼製で先端角は60±2°で、底面積は1000±20mm2であり、軸部長さShは500mm以内に設定されている。
図4において、データ処理機構200は、バイブロ回転検出部210、タービン流量計220、リニアエンコーダ230、圧力センサ240、表示ボックス250および記憶手段であるメモリーハイロガー(データロガー)260、とを有している。
そして振動数平均値fa(rpm)は、後述する式1により、1秒当りの貫入エネルギーE(kgf/cm)を求めるためのパラメータとして、必要である。
バイブロハンマー30の圧油モータの流量である圧油流量(L/min)と効率(0.95)から、実際の圧油流量が求まる。そして、実際の圧油流量を油圧モータの押し退け量で除算すれば、バイブロハンマー30の回転数が求まる。そして、その回転数と偏芯体の回転モーメントから、図2を参照して説明した態様で起振力Fvが求まる。
そして、リニアエンコーダ230で深度を計測しつつ、ダミーコーン20が1m進行した時間に亘って起振力Fv(kgf)を記憶し、それを演算処理すれば、起振力平均値Fva(kgf)が求まる。
「バイブロ重力」+「正圧側に作用する圧力」(正圧×正圧側のピストン面積)−「背圧側に作用する圧力」(背圧×背圧側のピストン面積)=「押込力Fp」
なる式から、押込力Fp(kgf)を求める。
ダミーコーン20が1m進行した時間に亘って押込力Fp(kgf)を記憶し、それを演算処理して押込力平均値Fpa(kgf)が求まる。
振動数f(rpm)、起振力Fv(kgf)、押込力Fp(kgf)について、平均値の求め方は種々存在する。そして、平均値の演算方法については、特に限定するものではない。
E=(fmax−fa)・h・(1/60)・{mg+(Fvmax−Fva)}
+Fpa・s+(mg+Mg)・s (1)
ここで、
fmax:振動数最大値。図示の実施形態で使用された貫入試験機では2316rpm。
fa:振動数平均値(rpm)。(上述)
h:振幅。図示の実施形態で用いた貫入試験機では0.642cm。
Fvmax:起振力最大値。図示の実施形態で使用された貫入試験機では2500kgf。
Fva:起振力平均値(kgf)。(上述)
Fpa:押込力平均値(kgf)。(上述)
mg:振動部重量(kgf)。図示の実施形態で使用された貫入試験機では130kgf。
Mg:バイブロハンマー重量(kgf)。図示の実施形態で使用された貫入試験機では600kgf。
s:1秒当りの押込み距離(cm)。図示の実施形態では2cmと設定。
従って、ダミーコーン20を施工地盤に貫入して、振動数平均値fa(rpm)、起振力平均値Fva(kgf)、押込力平均値Fpa(kgf)を求めたならば、上式(1)によって、1秒当りの貫入エネルギーE(kgf/cm)が演算される。
そして、地盤が比較的軟弱であり、ダミーコーンを貫入するに際してバイブロハンマーの使用を必要としない場合には、右辺第1項はゼロとなる。
ここで、バイブロハンマー使用時の貫入速度と、バイブロハンマー不使用時の貫入速度とは等しくしなければならない(貫入速度は一定にしなければならない)ので、バイブロハンマー使用時には、式(1)の右辺第2項Fpa・s(押込力)の数値は小さくなる。
具体的に示すと、図1〜図3で説明したコーン貫入試験機100によれば、1秒当りの貫入エネルギーE(kgf/cm)と一軸圧縮強度qu(kN/m2)との関係は、図5で示す特性曲線で示す通りであり、次式で表現される。
qu=0.0009E1.4504
ここで、すなわち、図5で示す各プロットについて、図5の横軸で示す数値は、図示のコーン貫入試験機100を用いて実際の地盤にダミーコーン20を貫入して求めた1秒当りの貫入エネルギーE(kgf/cm)であり、図5の縦軸で示す数値は、ダミーコーン20が貫入された地盤における一軸圧縮強度qu(kN/m2)の実測値である。
式「qu=0.0009E1.4504」では、相関係数R2が「R2=0.9101」という極めて高い値となる。換言すれば、図5で示す実験結果(プロット)と、式「qu=0.0009E1.4504」で示される特性曲線とは、非常に良く合致している。
実験において、ダミーコーン20の貫入に際しては、静的貫入によってダミーコー20ンを施工地盤に貫入することができる限りは、バイブロハンマー30は使用せず、静的貫入によりダミーコーンを施工地盤に貫入した。そして、ダミーコーン20が静的貫入することが出来ない場合にのみ、バイブロハンマー30を使用した。
発明者の実験及びシミュレーションによれば、相関係数R2≧0.49であれば、十分に実用に耐えることが分かっている。
図6において、符号F1で示す特性曲線と、符号F2で示す特性曲線との間の領域に存在する特性曲線であれば、相関係数R2≧0.49という条件を充足する。
ここで、符号F0で示す特性曲線が、上述した「qu=0.0009E1.4504」なる式で示す曲線である。
発明者の実験及びシミュレーションによれば、相関係数R2≧0.49という条件を充足するα及びβの範囲は
0.0008≦α≦0.00117
1.42≦β≦1.46
である。そして、R2=0.9101という極めて高い相関係数の特性曲線F0の場合は、
α=0.0009 β=1.4504
となる。
そして特性曲線F2では、α=0.00117、β=1.46であり、特性曲線F2を示す数式は、「qu=0.00117E1.46」となる。
指数近似で示す場合には、式「qu=αeβE」の形式で表現されている。
係る指数近似により、実験結果のプロットに対応して特性曲線及び特性式を示すのが、図7である。
図示の実施形態で用いられたコーン貫入試験機によれば、特性曲線G0において、α=81、β=0.00020である。従って、特性曲線G0を示す数式は「qu=81e0.00020E」である。そして、式「qu=81e0.00020E」によれば、相関係数R2が「R2=0.9007」という極めて高い値となる。
換言すれば、実験結果を示すプロットは、式「qu=81e0.00020E」を示す特性曲線と、非常に良く合致している。
53≦α≦94
0.00020≦β≦0.00022
である。
図7において、符号G1で示す特性曲線と、符号G2で示す特性曲線との間の領域に存在する特性曲線であれば、相関係数R2≧0.49という条件を充足し、実用に供することが可能である。
そして特性曲線G2では、α=94、β=0.00022であり、特性曲線G2を示す数式は、「qu=94e0.00022E」となる。
係る線形近似により、実験結果のプロットに対応して特性曲線及び特性式を示すのが、図8である。
従って、線形近似における特性曲線H0を示す数式は「qu=0.0717E−132.43」である。
式「qu=0.0717E−132.43」であれば、相関係数R2が0.9124という極めて高い値となる。換言すれば、実験結果を示すプロットと、式「qu=0.0717E−132.43」を示す特性曲線とは、非常に良く合致する。
0.055≦α≦0.086
−144≦β≦−110
である。
図8において、符号H1で示す特性曲線と、符号H2で示す特性曲線との間の領域に存在する特性曲線であれば、相関係数R2≧0.49という条件を充足する。
そして特性曲線H2では、α=0.086、β=−110であり、特性曲線G2を示す数式は、「qu=0.086E−110」となる。
コーン貫入試験機100における諸元が相違すれば、α、βの数値が異なることが考えられる。
図9において、ステップS1で、コーン貫入試験機100により、ダミーコーン20を施工地盤に貫入する。ここで、地上からの深度1m毎に一軸圧縮強度qu(kN/m2)を求める場合について説明する。
E=(fmax−fa)・h・(1/60)・{mg+(Fvmax−Fva)}
+Fpa・s+(mg+Mg)・s ・・・(1)
上述した様に、図6〜図8で示す特性曲線或いは特性式におけるα、βの値は、図示の実施形態で用いられたコーン貫入試験機100を用いた場合に限定される数値であり、他のコーン貫入試験機を用いた場合には、蓄積した実験データや施工データから、α、βの数値を新たに選定するべきである。
図示の実施形態で用いられたコーン貫入試験機100を用いた場合においても、施工データの積み重ねにより、αやβの数値を適宜改良することが望ましいのは勿論である。
図示の実施形態で用いられたコーン貫入試験機100とは、振動数最大値fmaxが2316rpmで、振幅hが0.642cmで、起振力最大値Fvmaxが2500kgfで、振動部重量mgが130kgfで、バイブロハンマー重量Mgが600kgfである様なコーン貫入試験機である。その様なコーン貫入試験機であって、1秒当りの押込み距離sを2cmと設定した場合に、図6〜図8で示す特性曲線或いは特性式におけるα、βの値が使用できる。
所定深度までの一軸圧縮強度quが全て決定されて表示されていれば(ステップS5がYES)、一軸圧縮強度の推定作業を終了する。一方、未だ、所定深度までの一軸圧縮強度quが全て決定されていなければ(ステップS5がNO)、ステップS1以降を繰り返す。
図示の実施形態では、正確な測定が可能なパラメータ(振動数平均値fa、起振力平均値Fva、押込力平均値Fpa)はコーン貫入試験機100により計測可能であり、一軸圧縮強度quを求めるのに必要とされるその他の数値は、使用されるコーン貫入試験機100において定められた諸元(振動数最大値Fmax、振幅h、起振力最大値Fvmax、振動部重量mg、バイブロハンマー重量Mg)及び設定値(1秒当りの押込み距離s)なので、不正確な指標や係数(例えば、指標Icやコーン係数等)に基づいて一軸圧縮強度quを求める必要がない。
2・・・管理盤
3・・・コーン用エンコーダ
4・・・管理盤用エンコーダ
5・・・電源
6・・・パーソナルコンピュータ
7・・・トリガーボックス
8・・・ターミナルボックス
9・・・CPT制御盤
10・・・データロガー
15・・・貫入ロッド
20・・・ダミーコーン
30・・・バイブロハンマー
100・・・一軸圧縮強度試験機
200・・・データ処理機構
Claims (4)
- コーン貫入試験機により地盤または地中固結体にコーンを貫入する貫入工程と、該貫入工程の際に振動数平均値(fa)、起振力平均値(Fva)、押込力平均値(Fpa)を演算する工程と、演算された振動数平均値(fa)、起振力平均値(Fva)、押込力平均値(Fpa)とコーン貫入試験機の諸元(fmax、h、Fvmax、Fpa、mg、Mg)と設定値(s)に基づいて1秒当りの貫入エネルギー(E)を演算する工程と、貫入エネルギー(E)と一軸圧縮強度(qu)との予め求められた特性により演算された貫入エネルギー(E)から施工地盤または地中固結体の一軸圧縮強度を推定する工程とを有することを特徴とする一軸圧縮強度推定工法。
- 貫入エネルギー(E)と一軸圧縮強度(qu)との特性は累乗近似式
qu=αEβ
により求められ、コーン貫入試験機における振動数最大値(fmax)が2316rpm、振幅(h)が0.642cm、起振力最大値(Fvmax)が2500kgf、振動部重量(mg)が130kgf、振動付与装置重量(Mg)が600kgf、1秒当りの押込み距離(s)が2cmの場合には、
0.0008≦α≦0.00117
1.42≦β≦1.46
である請求項1の一軸圧縮強度推定工法。 - 貫入エネルギー(E)と一軸圧縮強度(qu)との特性は指数近似式
qu=αeβE
により求められ、コーン貫入試験機における振動数最大値(fmax)が2316rpm、振幅(h)が0.642cm、起振力最大値(Fvmax)が2500kgf、振動部重量(mg)が130kgf、振動付与装置(バイブロハンマー)重量(Mg)が600kgf、1秒当りの押込み距離(s)が2cmの場合には、
53≦α≦94
0.00020≦β≦0.00022
である請求項1の一軸圧縮強度推定工法。 - 貫入エネルギー(E)と一軸圧縮強度(qu)との特性は線形近似式
qu=αE+β
により求められ、コーン貫入試験機における振動数最大値(fmax)が2316rpm、振幅(h)が0.642cm、起振力最大値(Fvmax)が2500kgf、振動部重量(mg)が130kgf、振動付与装置(バイブロハンマー)重量(Mg)が600kgf、1秒当りの押込み距離(s)が2cmの場合には、
0.055≦α≦0.086
−144≦β≦−110
である請求項1の一軸圧縮強度推定工法。
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