JP5753239B2 - 貫入試験方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、地盤調査を行うための貫入試験方法及び貫入試験に用いる貫入試験装置に関するものである。

地盤調査のための貫入試験方法として、スウェーデン式サウンディング試験方法がある。
ＪＩＳＡ１２２１による試験装置及び器具、試験方法は以下の通りである。

〔試験装置及び器具〕
試験装置及び器具は、次による。
スウェーデン式サウンディング試験装置は、スクリューポイント、ロッド、載荷・回転・引抜き装置から成り、スクリューポイントにロッドを介して荷重を載荷したときの荷重と貫入量の関係及び１０００Ｎの荷重で貫入停止後ロッドを回転させたときの、回転数と貫入量との関係が求められるもの。

〔試験方法〕
試験方法は、次による。
a) 試験前に、スクリューポイント、載荷装置及び回転装置が損傷していないこと並びにロッド、ねじ部の変形及び損傷がないことを点検する。使用するスクリューポイントは、最大径が３ｍｍ以上摩耗したものを用いない。また、自動記録装置を使用する場合には、試験前に機能チェックを行う。

b) スクリューポイント連結ロッドの先端にスクリューポイントを取り付け、ロッドに載荷用クランプを固定し、ハンドルを取り付けて、調査地点上に鉛直に立てて支える。
貫入時に載荷装置が地盤にめり込むおそれのある場合には、あらかじめ底板などを設置し、めり込みを防止する。

c) 最初に１００Ｎの荷重をクランプへ載荷する。試験の目的に応じて、最初に５００Ｎの荷重を載荷してもよい。

d) 荷重でロッドが地中に貫入するかどうかを確かめ、貫入する場合は強制的に停止せずに貫入が止まったときの貫入量を測定し、その荷重の貫入量とする。また、このときの貫入状況を観察する。

e) 段階的に荷重を増加してd)の操作を繰り返す。荷重の段階は、５０Ｎ、１５０Ｎ、２５０Ｎ、５００Ｎ、７５０Ｎ及び１０００Ｎとする。試験の目的に応じて荷重段階を５００Ｎ、７５０Ｎ及び１０００Ｎとしてもよい。

f) 載荷装置下端が地表面付近に達したら、荷重を除荷し、ハンドルを取り外し、鉛直性を確認しながらロッドを継足し、載荷用クランプを引き上げて固定し、ハンドルを取り付け、c)〜e)の操作を行う。

g) １０００Ｎでロッドの貫入が止まった場合は、その貫入量を測定した後、鉛直方向に力を加えないようにロッドを右回りに回転させ、次の目盛線まで貫入させるのに要する半回転数を測定する。その際、回転速度を１分間に６０半回転数程度以下とする。なお、これ以後の測定は、０．２５ｍ（目盛線）ごとに行う。

h) 回転貫入の途中で、貫入速さが急激に増大した場合は、回転を停止して、１０００Ｎの荷重だけで貫入するかどうかを確かめる。貫入する場合はd)に、貫入しない場合はg)に従って以後の操作を行う。

i) 測定において、e)の作業の途中で急激な貫入又はh)の作業の途中で回転を与えなくても急激に貫入が生じた場合は、いったん貫入が止まるまでおもりを速やかにおろし、その間の作業内容を記録し、e)の作業から始める。

j) 以下の状態が確認された場合は測定の終了について検討する。
1) スクリューポイントが硬い層に達し、貫入量０．０５ｍ当たりの半回転数が５０回以上となる場合
2) ロッド回転時の抵抗が著しく大きくなる場合
3) 地中障害物に当たり貫入不可となった場合
記録には測定終了事由及び終了深度を記録する。

k) 試験終了後、載荷装置を外し、引抜き装置によってロッドを引抜き、その本数を点検し、スクリューポイントの異常の有無を調べる。

このようなスウェーデン式サウンディング試験方法による貫入試験あるいは試験装置に関しては、種々の出願がなされている。

例えば、特許文献１には、スウェーデン式サウンディング試験装置について機械化を図り人手による作業を減らす目的で、載荷台に載せるおもりを吊り下げておき、試験時におもりを載荷台に載置する荷重昇降ユニット、及び非自沈時にロッドを機械的に回転させるための回転伝達機構を設けたサウンディング試験装置が記載されている。

また、特許文献２には、立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、昇降台に設けたチャックに保持され、昇降台の下降に伴って地中に貫入する貫入ロッドを備えた貫入試験装置について、貫入ロッドにかかる荷重を検出するための荷重センサを設けたものが記載されている。

この貫入試験装置は、昇降台を昇降操作するとともに、トルク指令値に応じた上昇力を昇降台に加えて昇降台の総重量から当該上昇力を減じた荷重を試験荷重として貫入ロッドに負荷する昇降用モータと、荷重検出センサによる検出値と目標の試験荷重値との偏差に基づいて昇降用モータへ出力するトルク指令値をフィードバック制御する制御ユニットとを設けたもので、貫入ロッドにかかる荷重を検出するための荷重検出センサとしては、ロッドを保持するチャック部分にワッシャ型ロードセンサを取り付ける構造が示されている。

特許第３６４０７７９号公報 特開２０１３−０２９０１３号公報

特許文献１記載の発明の他、人力を省き、作業の効率化、ロッドの回転作業の正確化などを図ったものが種々開発されているが、スウェーデン式サウンディング試験を前提としたものであり、ロッドを回転させる非自沈層（回転層）での荷重は５０Ｎ、１５０Ｎ、２５０Ｎ、５００Ｎ、７５０Ｎ及び１０００Ｎといった段階的な荷重設定であるため、地盤の反力あるいは性状を大雑把に把握できるに過ぎない。

また、地表付近の自沈層から非自沈層（回転層）に突入し、ロッドの回転により先端のスクリューポイントで貫入させて行き、再度、その下の自沈層に突入する際に、１０００Ｎの荷重が載荷されているため、急激な沈下が生じ、測定の正確性が損なわれるという問題がある。

特許文献２記載の発明は、貫入ロッドにかかる荷重をチャック部の荷重検出センサで検出し、フィードバック制御やフィードフォワード制御により貫入ロッドにかかる荷重を制御するものであるが、制御が複雑であるのと制御回路のみでの制御となるため、誤差や誤作動の確認が難しい。

本発明は貫入ロッドに載荷装置の荷重を負荷する貫入試験方法に吊り秤を組み込む単純な方法により、特に自沈層内や非自沈層から自沈層への移行区間での地盤の強度や性状を詳細にかつ高い信頼性で推定可能な貫入試験方法及び装置を提供することを目的としたものである。

本発明の貫入試験方法は、下向きの荷重を負荷させたロッドが地盤に貫入するときの地盤の反力（Ｒ）を、深さ方向に連続的に求めることで、各深度における地盤の強度を推定する貫入試験方法であって、地盤に貫入するためのロッドと、前記ロッドに下向きの荷重を負荷する載荷装置と、前記載荷装置を吊ることで載荷装置にかかる鉛直方向の力を測定する吊り秤とを用い、各深度における、前記ロッドが地盤に貫入するときの地盤の反力（Ｒ）を、前記載荷装置の荷重（Ｗ）と前記吊り秤の測定値（Ｘ）の差（Ｗ−Ｒ）として求め、地盤の強度を推定することを特徴とするものである。

また、上記の原理をスウェーデン式サウンディング試験に類する貫入試験方法として発展させた発明形態は、先端にスクリューポイントを備えたロッドと、前記ロッドを着脱可能に把持するチャック装置と、前記チャック装置を介して前記ロッドに荷重を負荷する載荷装置と、前記ロッドを軸回りに回転させる回転装置とを備えた貫入試験装置を用い、載荷装置の荷重のみでは前記ロッドが沈下しない非自沈層では、前記ロッドを回転させ、回転量とロッドの貫入量との関係から地盤の強度を推定する貫入試験方法であって、前記貫入試験装置に、前記載荷装置を吊り支持した状態で昇降させるための駆動機構を備えた支持装置と、前記載荷装置と前記支持装置との間に介在し、前記載荷装置にかかる鉛直方向の力を測定する吊り秤とを設け、前記載荷装置の荷重により前記ロッドが沈下する自沈層では、地盤の反力（Ｒ）を前記載荷装置の荷重（Ｗ）と前記吊り秤の測定値（Ｘ）の差（Ｗ−Ｒ）として求め、地盤の反力（Ｒ）と前記ロッドの沈下量をもとに各深度における地盤の強度を推定することを特徴とするものである。

上記の貫入試験装置は、スウェーデン式サウンディング試験方法に用いる貫入試験装置を応用したものであるが、載荷装置とこれを吊り支持する支持装置との間に吊り秤を介在させることで、自沈層では吊り秤の数値より地盤の反力を間接的に求めるようにしたものである。

従来の貫入試験装置では、自沈層における地盤の強度が詳細に測定できなかったのに対し、本発明によれば、載荷装置と支持装置との間に吊り秤を介在させた簡単な機構により、自沈層では吊り秤の測定値から地盤の反力を間接的にリアルタイムで求めることができるため、自沈層の強度を深度ごと正確に推定することができる。

スウェーデン式サウンディング試験方法の場合、前述のように、自沈層においては荷重を、５０Ｎ、１５０Ｎ、２５０Ｎ、５００Ｎ、７５０Ｎ及び１０００Ｎ、あるいは試験の目的に応じて５００Ｎ、７５０Ｎ及び１０００Ｎと段階的に変化させており、本発明においても地盤条件や試験の目的によって、載荷装置の荷重を段階的に変化させてもよいが、原則的には非自沈層と自沈層を区別せずに一定の荷重、例えば１０００Ｎで試験を行う。

吊り秤は、載荷装置の荷重以上を測定可能な所定の性能を備えるものであれば特に限定されず、例えばクレーンスケールと呼ばれる市販の吊り秤などを用いることができる。

図１は本発明の貫入試験方法の原理を示したもので、先端にスクリューポイント２を備えたロッド１に対する載荷装置３を含めたおもりの荷重を、仮に１０００Ｎとする。

自沈層では、おもりの荷重（載荷装置３の荷重）である１０００Ｎがロッド１に下向きに作用し、このとき、ロッド１の先端には地盤から上向きの反力Ｒ（＜１０００Ｎ）が作用する。

吊り秤３０の表示Ｘ＝１０００−Ｒとなり、地盤の反力Ｒ＝１０００−Ｘで求めることができる。吊り秤３０を介して載荷装置３を吊り支持している支持装置１０の駆動装置により吊り材としてのチェーン１２を送り出すことで、載荷装置３が下降して行き、そのときの反力Ｒと沈下量（貫入量）を記録して行くことで、各深さにおける地盤の強度とその変化を推定することができる。

一方、非自沈層では、地盤からの反力Ｒとロッド１に加わっているおもりの荷重（載荷装置３の荷重）である１０００Ｎが釣り合うことで沈下が生じず、吊り秤３０の表示Ｘ＝０となる。非自沈層では、この状態からロッド１を回転させ、回転量とロッドの貫入量との関係から、スウェーデン式サウンディング試験方法における推定方法で地盤の強度を推定することができる。

なお、本発明の貫入試験方法において、ロッド１の先端が非自沈層から、再度、自沈層へ突入する際の貫入量の急変の問題については、一旦、支持装置１０に載荷装置３の荷重を負担させることで対処させることができる。このとき、チェーン１２などの吊り材は弛んだ状態から緊張状態に変わる。その状態からチェーン１２を送り出すことで、上述のように載荷装置３が下降して行き、そのときの反力Ｒと沈下量を記録して行くことで、各深さにおける地盤の強度とその変化を推定することができる。

本発明の貫入試験装置は、上述の貫入試験方法に用いるための装置であり、先端にスクリューポイントを備えたロッドと、前記ロッドを着脱可能に把持するチャック装置と、前記チャック装置を介して前記ロッドに荷重を加える載荷装置と、前記ロッドを軸回りに回転させる回転装置とを備えた貫入試験装置であって、前記載荷装置によって加える荷重の全部または一部を、載荷装置自体の重量と前記チャック装置の重量によって与える構成とし、前記載荷装置を支持した状態で昇降させるための駆動機構を備えた支持装置と、前記載荷装置と前記支持装置との間に介在し、前記載荷装置にかかる鉛直方向の力を測定する吊り秤とを備えていることを特徴とするものである。

なお、前記載荷装置によって加える荷重の一部を、前記荷重装置に載荷可能な１または複数のウェイトによって与えるようにすれば、載荷装置本体の荷重を抑え、移動などが楽になる。

本発明の貫入試験方法によれば、地盤の反力を、吊り秤によって与えられる数値に基づいてリアルタイムで求めることができる。

本発明で用いる装置は、載荷装置と駆動機構を備えた支持装置との間に吊り秤を介在させた単純な構造からなり、特に自沈層内や非自沈層から自沈層への移行区間での地盤の強度や性状を詳細にかつ高い信頼性で推定することができる。

また、従来のスウェーデン式サウンディング試験では、自沈層での荷重が、５０Ｎ、１５０Ｎ、２５０Ｎ、５００Ｎ、７５０Ｎ及び１０００Ｎに限定されているのに対し、本発明では載荷装置による荷重は１種類とすることができる。

自沈層においても荷重を一定とすることで、試験中において、一般的なスウェーデン式サウンディング試験で行われているウェイトの積み下ろしの作業が必要ない。

本発明の貫入試験方法の原理を示した図である。 本発明の貫入試験方法に用いる貫入試験装置の一実施形態を示す斜視図である。 貫入試験装置の基本構成のみを簡略化して示した立面図である。 ロッドと載荷装置及びウェイトとの関係を簡略化して示した斜視図である。

以下、本発明の一実施形態を図２〜図４に基づいて説明する。
この実施形態では、載荷装置３とチャック装置４などの載荷装置３に付随する装置の合計の自重を５００Ｎとし、図４に示すように、載荷装置３に２５０Ｎのウェイト（付加おもり）６を２個載せることで、スウェーデン式サウンディング試験方法と同様の１０００Ｎまでの荷重を加えられるようにしている。

装置に載せるウェイト６の重量の組み合わせは任意であり、載荷装置３とこれに付随する装置のみで１０００Ｎとなるように構成することもできるが、本実施形態では載荷装置３の移動を簡便に行え、人力でウェイト６を載せられることなどを考慮して上記の配分とした。

図２、図３に本実施形態における貫入試験装置の基本構成を示しており、鋼材からなるＬ字状の架台７に形成したガイドレール８（図３に破線で示す）に沿って、背面に設にローラーなどから構成される摺動部４を備えた載荷装置３が昇降自在となっている。

載荷装置３には、上述のように２個のウェイト６を載置できるようになっており、本実施形態における１個のウェイト６の重量は、人力で積み下ろしが容易な２５０Ｎとしている。

載荷装置３の上部にはチャック装置５が設置されており、スウェーデン式サウンディング試験で用いられている先端にスクリューポイント２を備えたロッド１の軸を着脱自在に把持することができる。

また、非自沈層でのロッド１の回転は、載荷装置３の内部に設置した回転モータ２１（図３に破線で示す）でチャック装置５を回転させることによって行う構成としている。

架台７の上部には、駆動モータ１１を備えた支持装置１０が設けられており、駆動モータ１１の回転により、チェーン１２の巻き上げ、巻き出しを行い、載荷装置３を昇降させるようになっている。

貫入試験が終わって装置を引き上げるときは、駆動モータ１１の回転により、チェーン１２を巻き上げることで、載荷装置３が架台７のガイドレール８に沿って上昇する。

本発明では、この支持装置１０と載荷装置３との間に吊り秤３０を介在させてあり、吊り秤３０には載荷装置３にかかる力（載荷装置３及びウェイト６の自重も含む）の合計の力が表示される。

貫入試験においては、まず、載荷装置３を台車を兼ねた架台７の車輪９を利用して、試験位置まで移動させ、載荷装置３に２５０Ｎのウェイト６を２個載せることで、全体で１０００Ｎのおもりを構成する。

このときの載荷装置３は、架台７上で、駆動モータ１１によって巻き出し、巻き上げされるチェーン１２を備えた支持装置１０が支持しており、チェーン１２の下端部には吊り秤３０が取り付けられ、吊り秤３０を介して載荷装置３本体が支持されている。

先端にスクリューポイント２を取り付けたロッド１を載荷装置３に設けたチャック装置５で把持すれば、ロッド２には下向きに１０００Ｎの荷重が加わり、一方、ロッドの先端には地盤からの抵抗力Ｒが作用することになる。このとき、吊り秤３０は１０００Ｎから地盤の抵抗力Ｒを引いた値を表示することになる。

(A) 自沈層での測定
スウェーデン式サウンディング試験方法の場合、順次、５０Ｎ、１５０Ｎ、２５０Ｎ、５００Ｎ、７５０Ｎ、１０００Ｎの載荷を行うが、本発明の場合、原則として載荷重は変化させる必要はなく、本実施形態では荷重を自沈層も非自沈層も１０００Ｎとしている。

自沈層では、前述のように、載荷装置３の荷重１０００Ｎがロッド１に下向きに作用し、このとき、ロッド１の先端には地盤から上向きの反力Ｒ（＜１０００Ｎ）が作用し、吊り秤３０の表示Ｘ＝１０００−Ｒとなり、地盤の反力Ｒ＝１０００−Ｘを求めることができる。

このときの沈下量（貫入量）は、載荷装置３につけたワイヤ１４の巻き出し量をエンコーダ１３で記録して行き、反力Ｒと沈下量から各深さにおける地盤の強度とその変化を推定することができる。

(B) 非自沈層（回転層）での測定
本実施形態における最大荷重である１０００Ｎで沈下しない非自沈層では、スウェーデン式サウンディング試験方法と同様に、ロッド２を右回りに回転させ（回転速度は１分間に６０半回転数程度以下）、次の目盛線まで（２５ｃｍ）貫入させるのに要する半回転数を測定する。本実施形態では、この回転は、載荷装置３に設けた回転モータ１１を駆動し、伝達機構を介してチャック装置５を回転させることによって行う。

なお、試験の目的によってはスウェーデン式サウンディング試験方法と異なる基準、試験方法で回転量と沈下量を求めてもよい。

(C) その他
非自沈層の下に、さらに自沈層がくる場合、非自沈層での地盤からの抵抗により弛んでいたチェーン１２が緊張し、載荷装置３の荷重を、一旦、支持装置１０が負担することになる。その後、自沈層ではチェーン１２の巻き出しにより、載荷装置３を一定速度（必ずしも一定の速度でなくてもよい）で下降させながら、(A)で述べた自沈層での測定を行い、地盤状況に応じて、(A)の自沈層での測定と(B)の非自沈層での測定を、ロッド１を継ぎ足しながら所定深さまで行う。

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では載荷装置３の重量を含むおもり全体の重量を１０００Ｎとしているが、おもりの重量は任意に設定することができる。

１…ロッド、２…スクリューポイント、３…載荷装置、４…摺動部、５…チャック装置、６…ウェイト（付加おもり）、７…架台、８…ガイドレール、９…車輪、
１０…支持装置、１１…駆動モータ（載荷装置の昇降）、１２…チェーン、１３…エンコーダ、１４…ワイヤ、
２１…回転モータ（ロッドの回転）、
３０…吊り秤

Claims (5)

1. 下向きの荷重を負荷させたロッドが地盤に貫入するときの地盤の反力（Ｒ）を、深さ方向に連続的に求めることで、各深度における地盤の強度を推定する貫入試験方法であって、地盤に貫入するためのロッドと、前記ロッドに下向きの荷重を負荷する載荷装置と、前記載荷装置を吊ることで載荷装置にかかる鉛直方向の力を測定する吊り秤とを用い、各深度における、前記ロッドが地盤に貫入するときの地盤の反力（Ｒ）を、前記載荷装置の荷重（Ｗ）と前記吊り秤の測定値（Ｘ）の差（Ｗ−Ｒ）として求め、地盤の強度を推定することを特徴とする貫入試験方法。
2. 先端にスクリューポイントを備えたロッドと、前記ロッドを着脱可能に把持するチャック装置と、前記チャック装置を介して前記ロッドに荷重を負荷する載荷装置と、前記ロッドを軸回りに回転させる回転装置とを備えた貫入試験装置を用い、載荷装置の荷重のみでは前記ロッドが沈下しない非自沈層では、前記ロッドを回転させ、回転量とロッドの貫入量との関係から地盤の強度を推定する貫入試験方法であって、
   前記貫入試験装置に、前記載荷装置を吊り支持した状態で昇降させるための駆動機構を備えた支持装置と、前記載荷装置と前記支持装置との間に介在し、前記載荷装置にかかる鉛直方向の力を測定する吊り秤とを設け、
   前記載荷装置の荷重により前記ロッドが沈下する自沈層では、地盤の反力（Ｒ）を前記載荷装置の荷重（Ｗ）と前記吊り秤の測定値（Ｘ）の差（Ｗ−Ｒ）として求め、地盤の反力（Ｒ）と前記ロッドの沈下量をもとに各深度における地盤の強度を推定することを特徴とする貫入試験方法。
3. 請求項１または２記載の貫入試験方法において、前記載荷装置の荷重（Ｗ）を一定として試験を行うことを特徴とする貫入試験方法。
4. 先端にスクリューポイントを備えたロッドと、前記ロッドを着脱可能に把持するチャック装置と、前記チャク装置を介して前記ロッドに荷重を加える載荷装置と、前記ロッドを軸回りに回転させる回転装置とを備えた地盤調査用の貫入試験装置であって、
   前記載荷装置によって加える荷重の全部または一部を、載荷装置自体の重量と前記チャック装置の重量によって与える構成とし、
   前記載荷装置を支持した状態で昇降させるための駆動機構を備えた支持装置と、
   前記載荷装置と前記支持装置との間に介在させ、前記載荷装置にかかる鉛直方向の力を測定する吊り秤と
   を備えていることを特徴とする貫入試験装置。
5. 請求項４記載の貫入試験方法において、前記載荷装置によって加える荷重の一部を、前記荷重装置に載荷可能な１または複数のウェイトによって与えるようにしたことを特徴とする貫入試験装置。

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