JP5785105B2

JP5785105B2 - 地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法

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Publication number: JP5785105B2
Application number: JP2012010252A
Authority: JP
Inventors: 弘幸三枝; 三好　朗弘; 朗弘三好; 直藤井; 山田　直之; 直之山田
Original assignee: Toa Corp; Fudo Tetra Corp; Oriental Shiraishi Corp
Current assignee: Toa Corp; Fudo Tetra Corp; Oriental Shiraishi Corp
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: JP2013147882A

Description

本発明は、地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法に関し、さらに詳しくは、液状化防止のために空気を注入した砂質地盤の比抵抗に基づいて地盤の飽和度を測定するにあたり、高精度の測定を可能にする地盤の飽和度のためのキャリブレーション方法に関するものである。

従来、水で飽和した砂質地盤の液状化を防止するために、砂質地盤中に気泡を混入させた水を注入したり、空気を直接注入することにより、水で飽和した砂質地盤中に多数の気泡を混在させて砂質地盤の飽和度を低下させることが提案されている。この際に、空気を注入した砂質地盤の比抵抗に基づいて地盤の飽和度を測定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この地盤の飽和度の測定方法を実施するに際して、予め、工事を施工する砂質地盤について、その飽和度と比抵抗との関係を取得しておく必要がある。この両者の関係が正確に把握できていなければ、地盤の比抵抗を測定し、その比抵抗に基づいて地盤の飽和度を算出しても正確な状態を把握することができない。したがって、地盤の飽和度の測定精度を向上させるために、砂質地盤の飽和度と比抵抗との関係を、予め、より正確に取得できるキャリブレーション方法が必要であった。

特開２００９−１２１０６６号公報

本発明の目的は、液状化防止のために空気を注入した砂質地盤の比抵抗に基づいて地盤の飽和度を測定するにあたり、高精度の測定を可能にする地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法は、空気を注入した砂質地盤の飽和度を、地盤中に設置した電極の間で検知した比抵抗に基づいて測定するに際して使用する地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法であって、間隔をあけて配置した２つの通電電極と、これら通電電極の間に間隔をあけて配置した複数の検知電極とを内設した密閉可能な容器の内部を、測定対象の砂質地盤から採取した地盤サンプルで充填した状態にして、この容器の内部を脱気しつつ容器の内部に水を充填することにより、容器の内部の地盤サンプルの飽和度を１００％にした後、順次、容器の内部から水を排出して容器の内部の地盤サンプルの飽和度を低下させ、それぞれの飽和度において、前記通電電極の間に電流を流し、その際に前記検知電極の間で電圧を検知して、前記電流と電圧とに基づいて地盤サンプルの比抵抗を算出することにより、地盤サンプルの飽和度と比抵抗との関係を取得することを特徴とする。

本発明によれば、密閉可能な容器の内部に、測定対象の砂質地盤から採取した地盤サンプルを充填した後、この容器の内部を脱気しつつ水を充填することにより、容器の内部の地盤サンプルの飽和度を容易に１００％にすることができ、その後、順次、容器の内部から水を排出することにより、地盤サンプルの飽和度を容易に低下させることができる。そして、それぞれの飽和度において、容器の内部に間隔をあけて配置した２つの通電電極の間に電流を流して、これら通電電極の間に間隔をあけて配置した複数の検知電極の間で電圧を検知し、この電流と電圧とに基づいて地盤サンプルの比抵抗を算出して、地盤サンプルの飽和度と比抵抗との関係を取得することによって、実際の砂質地盤の飽和度と比抵抗との関係に近似したデータを、容易に得ることができる。したがって、空気を注入した砂質地盤の飽和度を、地盤中に設置した電極の間で検知した比抵抗に基づいて測定するに際して、本発明によって取得した地盤サンプルの飽和度と比抵抗との関係を用いることにより、高精度で実際の地盤の飽和度を測定することが可能になる。

例えば、前記複数の検知電極が横並びになる状態に容器を設置して、前記検知電極の間で電圧を検知する。これにより、容器の内部の地盤サンプルの飽和度を下げた場合であっても、容器の内部での飽和度のばらつきが小さくなり、それぞれの飽和度における電圧を正確に検知するには有利になる。

前記検知電極を３個以上配置して、これら検知電極の中で２つの検知電極の組み合わせを複数選択し、選択したそれぞれの２つの検知電極の組み合わせの間で電圧を検知し、これら検知した電圧に基づいて、比抵抗を算出するための電圧を決定することもできる。これにより、それぞれの飽和度における電圧を正確に検知するには有利になる。

前記検知電極は、例えば、前記容器の内周面に沿った環状にする。これにより、電圧検知面積が大きくなるので、電圧を正確に検知するには有利になる。また、容器の内部に地盤サンプルを充填する際に、検知電極が邪魔にならずに円滑に充填し易くなる。

本発明で用いるキャリブレーション装置の全体概要図である。図１のＡ−Ａ断面図である。図１のＢ−Ｂ断面図である。容器の内部の地盤サンプルの飽和度を１００％にする工程を例示する説明図である。本発明により取得した地盤サンプルの飽和度と比抵抗との関係を示すグラフ図である。図５のデータに基づいて算出した砂質地盤の飽和度と比抵抗変化率との関係を示すグラフ図である。

以下、本発明の地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法を図に示した実施形態に基づいて説明する。

図１〜図３に例示するように本発明で用いるキャリブレーション装置１は、測定対象の砂質地盤から採取した地盤サンプルＧが充填される容器２と、容器２の一端に取り付けられた吸引管６と、容器２の他端に取り付けられた給排水管５とを備えている。容器２は、両端にフランジ部４ａを有する円筒部３と、それぞれのフランジ部４ａを覆うように取り付けられる着脱可能な蓋部４ｂとを有している。

吸引管６は開閉バルブ６ａを有していて、真空ポンプに着脱自在に接続される。給排水管５は開閉バルブ５ａを有していて、水供給源に着脱自在に接続される。それぞれの開閉バルブ５ａ、６ａを閉弁した状態にすることで容器２は密閉可能になっている。

容器２の内部の両端には、通電電極７が配置されるとともに、この２つの通電電極７の間に間隔をあけて複数の検知電極８ａ〜８ｅが配置されている。即ち、円筒部３の筒軸方向に間隔をあけて、通電電極７および検知電極８ａ〜８ｅが配置されている。

通電電極７および検知電極８ａ〜８ｅは、種々の形状を採用することができるが、この実施形態では通電電極７は円盤状であり、検知電極８ａ〜８ｅは円筒部３の内周面に沿った環状になっている。

円筒部３のサイズは、特に限定されないが、例えば、内径１０ｃｍ〜２０ｃｍ程度、長さ３０〜６０ｃｍ程度である。通電電極７および検知電極８ａ〜８ｅの外径は、円筒部３の内径とほぼ同じである。

検知電極８ａ〜８ｅの数は複数であり、特に限定されないが３個以上が好ましく、例えば、３個〜１０個程度の範囲で適宜決定される。隣り合う検知電極８ａ〜８ｅどうしの間隔は、例えば、５ｃｍ〜１０ｃｍ程度であり、等間隔あるいは不等間隔で配置することもできる。隣り合う通電電極７と検知電極８ａ、通電電極７と検知電極８ｅの間隔も上記と同様の間隔である。

吸引管６は、容器２の一端側の蓋部４ｂと通電電極７を挿通して容器２の一端に固定されている。給排水管５は、容器２の他端側の蓋部４ｂと通電電極７を挿通して容器２の他端に固定されている。この実施形態では、給水管および排水管として機能する給排水管５を設けているが、給水管と排水管とを別々に設けることもできる。

それぞれの通電電極７には、容器２の内部と外部とを連通するコネクタ９を介してリード線９ａが接続され、それぞれのリード線９ａは通電手段１０に接続されている。通電手段１０は、通電電極７の間に電流を流して通電させる。

それぞれの検知電極８ａ〜８ｅには、容器２の内部と外部とを連通するコネクタ９を介してリード線９ａが接続され、それぞれのリード線９ａは電圧検知手段１１に接続されている。電圧検知手段１１は、検知電極８ａ〜８ｅの間の電圧を検知する。

通電手段１０および電圧検知手段１１は、リード線９ａを通じてパーソナルコンピュータ等の演算装置１２に接続されている。演算装置１２には、通電手段１０が流した電流（電流値）と、電圧検知手段１１が検知した電圧（電圧値）が入力される。さらに、演算装置１２には、容器２の内部の地盤サンプルＧの飽和度が入力される構成になっている。

地盤の比抵抗ρｔは、地下水の比抵抗ρｗが小さい場合、間隙率Ｂと飽和度Ｓｗの関係を用いた下記（１）式（アーチーの式）で表される。
ρｔ＝Ａ・（Ｂ）^-m・（Ｓｗ）^-n・ρｗ・・・（１）

Ａ、ｍ、ｎは経験的に求められている値であり、一般にｍ＝１．３〜３、ｎ＝２、Ａ＝０．６〜１．５である。

地盤に空気を注入して地下水が空気に置換された時に、間隙率Ｂ、地下水の比抵抗ρｗに変化が生じないとすると、地盤の飽和度がＳｗ１からＳｗ２に変化した場合、それぞれの場合の地盤の比抵抗をρｔ１、ρｔ２とすると下記（２）式で表される。
（ρｔ２／ρｔ１）＝（Ｓｗ２／Ｓｗ１）^-n ・・・（２）

地下水位以深で完全飽和状態にある砂質地盤の飽和度が、空気を注入することで変化した場合、（２）式のＳｗ１＝１なので、以下の（３）式で表される。
Ｓｗ２＝（ρｔ２／ρｔ１）^(-1/n) ・・・（３）

そこで、本発明では地盤サンプルＧの飽和度Ｓｗが１００％（＝１）の時の比抵抗ρｔ１を測定し、順次、飽和度Ｓｗ２を変化させて、それぞれの飽和度Ｓｗ２において比抵抗ρｔ２を算出する。そして、得られたデータをグラフにプロットして（３）式のｎ値を算出する。これにより、その地盤サンプルＧ、即ち、地盤サンプルＧを採取した砂質地盤のｎ値を把握する。

以下に本発明のキャリブレーション方法により、地盤サンプルＧの飽和度と比抵抗との関係を取得する手順を説明する。

まず、一方のフランジ部４ａから蓋部４ｂを取り外すとともに、一方の通電電極７を円筒部３から取り外す。次いで、測定対象の砂質地盤から採取した地盤サンプルＧを円筒部３に充填する。その後、一方の通電電極７を円筒部３の所定位置に配置するとともに、一方のフランジ部４ａに蓋部４ｂを固定する。これにより、間隔をあけて配置した２つの通電電極７と、これら通電電極７の間に間隔をあけて配置した複数の検知電極８ａ〜８ｅとを内設した密閉可能な容器２の内部を、地盤サンプルＧで充填した状態にする。

次いで、図４に例示するように、開閉バルブ６ａを開いた状態にした吸引管６を通じて、真空ポンプによって容器２の内部の空気ａを排出して脱気する。これと同時に、開閉バルブ５ａを開いた状態にした給排水管５を通じて、水供給源から容器の内部に水Ｗを充填する。水Ｗが容器２の内部に充満し、余分な水Ｗは吸引管６を通じて排出される。これにより、容器２の内部の地盤サンプルＧの飽和度を１００％する。容器２の内部に充填する水Ｗは、その地盤サンプルＧを採取した砂質地盤を流れる地下水を用いるか、その地下水と比抵抗が近い水を用いるようにする。

飽和度を１００％にした後は、開閉バルブ５ａ、５ｂを閉じた状態にして容器２の内部を密閉状態にする。ここで、通電電極７の間に電流を流し、その際に検知電極８ａ〜８ｅの中から選択した２つの検知電極の間で電圧を検知する。通電手段１０により流した電流と、選択した２つの検知電極の間で検知した電圧とに基づいて地盤サンプルＧの比抵抗を算出する。この時の地盤サンプルＧの飽和度（１００％）を演算装置１２に入力する。

例えば、流した電流Ｉ、検知した電圧Ｖであれば、抵抗値Ｒ＝Ｖ／Ｉとなる。そして、電圧を検知した検知電極の間の距離Ｌ、この検知電極の間に存在する地盤サンプルＧの断面積Ｓの場合は、比抵抗ρｔ＝Ｒ×Ｓ／Ｌとして算出される。したがって、演算装置１２には、それぞれの検知電極８ａ〜８ｅどうしの間の距離Ｌ、検知電極８ａ〜８ｅの間に存在する地盤サンプルＧの断面積Ｓ（即ち、容器２の円筒部３の内側断面積）が入力されている。

次いで、図４のように給排水管５が下方になるように容器２を配置して、開閉バルブ５ａを開けて給排水管５を通じて容器２の内部から適量の水Ｗを排出した後、開閉バルブ５ａを閉じる。地盤サンプルＧの飽和度を低下させた後は、通電電極７の間に電流を流し、その際に検知電極８ａ〜８ｅの中から選択した２つの検知電極の間で電圧を検知する。通電手段１０により流した電流と、検知電極の間で検知した電圧とに基づいて、演算装置１２によって地盤サンプルＧの比抵抗を算出する。また、容器２の内部からこの時に排出した水Ｗの量に基づいて、地盤サンプルＧの飽和度を算出し、この飽和度を演算装置１２に入力する。

同様に順次、容器２の内部から適量の水Ｗを排出して容器２の内部の地盤サンプルＧの飽和度を低下させ、それぞれの飽和度において、通電電極７の間に電流を流し、その際に検知電極８ａ〜８ｅの中から選択した２つの検知電極の間で電圧を検知し、電流と電圧とに基づいて地盤サンプルＧの比抵抗を算出する。また、その時の地盤サンプルＧの飽和度を演算装置１２に入力する。容器２の内部からその都度排出する水Ｗの量は、適宜決定することができる。

上記の手順によって算出した地盤サンプルＧの比抵抗と、地盤サンプルＧの飽和度のデータとを、演算装置１２によって処理して、図５に例示するようにグラフにプロットすることにより両者の関係を取得する。図５は、２種類(サンプル１、サンプル２)の地盤サンプルＧについて、比抵抗と飽和度との関係を示している。このグラフによると、（３）式のｎ値がほぼ１になっている。

したがって、（３）式は、Ｓｗ２＝（ρｔ２／ρｔ１）^-1となり、砂質地盤中に設置した電極の間で比抵抗ρｔ１、ρｔ２を検知することで、地盤中に空気を注入して比抵抗ρｔ２になった場合の砂質地盤の飽和度Ｓｗ２を把握することができる。

本発明により取得したデータによって、地盤サンプルＧ、即ち、砂質地盤に対して図６に例示するような比抵抗変化率（ρｔ１に対するρｔ２の変化率）と飽和度との関係を取得することもできる。図６は、（３）式のｎ値が１と２の場合の地盤サンプルＧ（砂質地盤）の比抵抗変化率と飽和度との関係を示している。

上記のとおり本発明によれば、密閉可能な容器２の内部に地盤サンプルＧを充填した後、容器２の内部を脱気しつつ水Ｗを充填することにより、容器２の内部の地盤サンプルＧの飽和度を容易に１００％にすることができる。その後、順次、容器２の内部から水Ｗを排出することにより、地盤サンプルＧの飽和度を容易に低下させることができる。

また、上記方法を用いて、それぞれの飽和度において地盤サンプルＧの比抵抗を算出して、地盤サンプルの飽和度と比抵抗との関係を取得することによって、実際の砂質地盤の飽和度と比抵抗との関係に近似したデータを、容易に得ることができる。したがって、空気を注入した砂質地盤の飽和度を、地盤中に設置した電極の間で検知した比抵抗に基づいて測定するに際して、本発明によって取得した地盤サンプルの飽和度と比抵抗との関係を用いることにより、高精度で実際の地盤の飽和度を測定することが可能になる。

検知電極８ａ〜８ｅの間で電圧を検知する際には、図１に例示するように容器２を横倒して、検知電極８ａ〜８ｅを横並びの状態にすることが好ましい。地盤サンプルＧの飽和度を下げた場合、容器２が立設した状態では、選択した検知電極８ａ〜８ｅの上下位置によって検知電極間に存在する地盤サンプルＧの飽和度にばらつきが生じる。しかしながら、検知電極８ａ〜８ｅを横並びの状態にすることにより、選択した検知電極８ａ〜８ｅによらず、検知電極間に存在する地盤サンプルＧの飽和度のばらつきが小さくなり、それぞれの飽和度における電圧を正確に検知するには有利になる。

複数の検知電極８ａ〜８ｅの中から任意の２つの検知電極を選択し、選択した１組の検知電極の間で電圧を検知することもできるが、電圧を正確に検知するには、複数組の検知電極の間で検知を行なうことが好ましい。例えば、検知電極を３個以上配置して、これら検知電極の中で２つの検知電極の組み合わせを複数選択し、選択したそれぞれの２つの検知電極の組み合わせの間で電圧を検知し、これら検知した電圧に基づいて、比抵抗を算出するための電圧を決定する。例えば、この実施形態では、検知電極８ａと８ｂ、８ａと８ｃ、８ａと８ｄ、８ａと８ｅ、８ｂと８ｃ、８ｂと８ｄ、８ｂと８ｅ、８ｃと８ｄ、８ｃと８ｅ、８ｄと８ｅとの間で電圧を検知する。そして、この１０通りの検知電極の組み合わせで検知した電圧を平均した平均値を、比抵抗を算出するための電圧とする。或いは、１０通りの検知電極の組み合わせで検知した電圧の内、電圧値の大きい上位２つおよび小さい下位２つのデータを除外した６つの電圧を平均した平均値を、比抵抗を算出するための電圧とする。

このように、電圧を検知する２つの検知電極の組み合わせを複数にして、検知した複数の電圧に基づいて、比抵抗を算出するための電圧を決定することにより、検知電極８ａ〜８ｅの位置に起因する検知電圧のばらつきを小さくすることができる。それ故、地盤サンプルＧのそれぞれの飽和度における電圧を正確に検知するには有利になる。

検知電極８ａ〜８ｅの形状は特に限定されないが、実施形態で例示したような円筒部３の内周面に沿った環状にすることが好ましい。これにより、電圧検知面積が大きくなるので、容器２の内部での地盤サンプルＧの飽和度のばらつきに起因する検知電圧のばらつきを抑制することができるので、電圧を正確に検知するには有利になる。また、容器２の内部に地盤サンプルＧを充填する際に、検知電極８ａ〜８ｅが邪魔にならずに円滑に充填し易くなるので、作業性が向上する。

１キャリブレーション装置
２容器
３円筒部
４ａフランジ部
４ｂ蓋部
５給排水管
５ａ開閉バルブ
６吸引管
６ａ開閉バルブ
７通電電極
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅ検知電極
９コネクタ
９ａリード線
１０通電手段
１１電圧検知手段
１２演算装置
Ｇ地盤サンプル
Ｗ水
ａ空気

Claims

空気を注入した砂質地盤の飽和度を、地盤中に設置した電極の間で検知した比抵抗に基づいて測定するに際して使用する地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法であって、
間隔をあけて配置した２つの通電電極と、これら通電電極の間に間隔をあけて配置した複数の検知電極とを内設した密閉可能な容器の内部を、測定対象の砂質地盤から採取した地盤サンプルで充填した状態にして、この容器の内部を脱気しつつ容器の内部に水を充填することにより、容器の内部の地盤サンプルの飽和度を１００％にした後、順次、容器の内部から水を排出して容器の内部の地盤サンプルの飽和度を低下させ、それぞれの飽和度において、前記通電電極の間に電流を流し、その際に前記検知電極の間で電圧を検知して、前記電流と電圧とに基づいて地盤サンプルの比抵抗を算出することにより、地盤サンプルの飽和度と比抵抗との関係を取得することを特徴とする地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法。
前記複数の検知電極が横並びになる状態に容器を設置して、前記検知電極の間で電圧を検知する請求項１に記載の地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法。
前記検知電極を３個以上配置して、これら検知電極の中で２つの検知電極の組み合わせを複数選択し、選択したそれぞれの２つの検知電極の組み合わせの間で電圧を検知し、これら検知した電圧に基づいて、比抵抗を算出するための電圧を決定する請求項１または２に記載の地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法。
前記検知電極が、前記容器の内周面に沿う環状である請求項１〜３のいずれかに記載の地盤の飽和度測定のためのキャリブレーション方法。