JP6256880B2

JP6256880B2 - 地盤調査方法および地盤調査装置

Info

Publication number: JP6256880B2
Application number: JP2014119215A
Authority: JP
Inventors: 俊一澤田
Original assignee: Oyo Corp
Current assignee: Oyo Corp
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-06-10
Also published as: JP2015232221A

Description

本発明は、地盤の動的強度（貫入抵抗値）を評価するための動的貫入試験に用いられる地盤調査方法および地盤調査装置に関するものである。

地盤に土木・建築構造物などを建設する際には、予め当該地盤の力学特性を把握し、それに基づいて適切な構造物設計を実施することが重要である。このために、従来から種々の地盤調査方法および装置が提案され実用に供されている。

このような地盤の力学特性を調査する動的貫入試験の代表的な方法として、日本工業規格で定められている標準貫入試験法（ＪＩＳＡ１２１９）がある。これは、原位置における土の硬軟、締まり具合の相対値を知るためのＮ値を求める試験法である。具体的には、ロッドの先端に標準貫入試験用サンプラを取り付け、削孔したボーリング孔底に降ろし、地上においてロッドをハンマ（６３．５ｋｇ）の自由落下（落下高さ７６ｃｍ）により打撃し、孔底より１５〜４５ｃｍの間（３０ｃｍ）を貫入させるのに必要な打撃回数（Ｎ値）を求める。この標準貫入試験法によって求めたＮ値は、複雑な地盤構成の我が国において、構造物の設計指標として長年用いられてきた。

しかしながら、上記標準貫入試験法にあっては、試験孔の掘進のためにボーリングマシンおよびボーリングポンプ等を必要とし、また掘削に伴う孔壁の安定のために泥水（建設汚泥）の使用を余儀なくされるとともに、試験に際して孔底のスライムの除去作業や１５ｃｍの予備打ち作業など、調査作業が煩雑で、熟練を要し、しかも調査に長時間を要するなどの欠点があった。

そこで、上記標準貫入試験法に代わる方法として、動的貫入試験法に区分される各種サウンディング法（例えばオートマチックラムサウンディングなど）が提案されている。これは、先端に円錐状の貫入体を取り付けたロッドを、ハンマの自由落下などにより地盤に連続的に打撃貫入して、一定貫入長毎の打撃回数を求める方法である。

ちなみに、本出願人は、この種のサウンディング法を用いた地盤調査方法として、先に下記特許文献１において、ロッド先端の貫入体に間隙水圧センサを組み込み、ロッドを打撃して貫入体を地盤に貫入させ、その貫入量から貫入体深度での地盤の動的強度を求めると共に、打撃貫入直後における貫入量の時間経過と貫入体に接する地盤で発生する過剰間隙水圧の時間経過を検出し、得られた貫入量の応答及び過剰間隙水圧の応答から貫入体深度の土の細粒分含有率を評価し、土質判別を行うことを特徴とする打撃貫入時の過剰間隙水圧測定による地盤調査方法を提案した。

上記地盤調査方法によれば、連続的な動的貫入試験法を採用した単純な測定装置を使用しているにもかかわらず、地盤の力学特性としての動的強度（貫入抵抗値）のみならず土質判別や地盤透水性等の物理特性を同時に評価する事によって、地盤の液状化強度（液状化ポテンシャル）までを容易に、経済的に評価できるという効果が得られる。

ところで、上記動的貫入試験は、地盤の強度を貫入体の貫入量で評価するものであるが、事前削孔しないサウンディング法においては、上記ロッド先端の貫入体に伝達される打撃エネルギーが、上記ロッドの外周面と地盤との間に生じる摩擦力によって低減されてしまう。このため、従来は上記ロッドの伝播効率を算出すべく、１ｍごとのロッドの継足し磁に、トルクレンチを用いて回転トルク値を計測し、上記伝播効率を算出して貫入抵抗値を補正する方法が採られている。

しかしながら、ロッドの回転トルク値によってロッドの伝播効率を算出する上記方法にあっては、ロッドの長さ寸法が大きくなると、算出される伝播効率の誤差が大きくなり、標準貫入試験のＮ値よりも貫入抵抗Ｎｄ値が大きめに評価されるという問題点がある。また、特に下記特許文献１において示した地盤調査装置のように、ロッド中に信号ケーブルが挿通されている場合には、ケーブルの捩れを避けるためにロッドの回転数に制約が生じてしまうという問題点もある。

特許第４４５８４６５号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ロッドの外周面と地盤との間の摩擦力に起因する打撃エネルギーの伝播効率を、ロッドを回転させることなく容易かつ確実に評価することができ、よって地盤の力学特性（貫入抵抗値）をより高い精度で把握することが可能になる地盤調査方法および地盤調査装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明に係る地盤調査方法は、ロッドの先端の貫入体に荷重センサを組み込み、上記ロッドを打撃して上記貫入体を地盤に貫入させ、その貫入量と打撃貫入に伴う上記貫入体に接する上記地盤からの応答荷重を測定し、上記ロッドを打撃するハンマの位置エネルギー（Ｅｈ）と、上記応答荷重F(t)および貫入量P(t)の時刻歴から下式(1)、(2)、
により算出される上記貫入体の先端に伝達された打撃エネルギー（Ｅｃ）とからエネルギー効率ｅ _ＰＤＣ（＝Ｅｈ／Ｅｃ）を算出し、上記ロッドの上記貫入量が設定値に至るまでの打撃回数によって得られた貫入抵抗値Ｎｄに、標準貫入試験のエネルギー効率ｅ _ＳＰＴとの比（ｅ _ＰＤＣ／ｅ _ＳＰＴ）を乗じることにより、上記貫入抵抗値Ｎｄを補正することを特徴とするものである。

次いで、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の地盤調査方法を実施するための装置であって、ロッドの先端に装着される貫入体に、上記ロッドを打撃して上記貫入体を地盤に貫入させる際に当該貫入体の先端面に作用する上記地盤からの応答荷重を測定する荷重センサを組み込んだことを特徴とするものである。

請求項１または２に記載の発明によれば、ロッドを打撃して貫入体を地盤に貫入させる際に、これと併行してロッドの先端の貫入体に組み込んだ荷重センサによって、貫入体に接する地盤からの応答荷重を測定しているために、貫入体の先端に伝達された打撃エネルギーを直接的に算出することができる。

この結果、エネルギー効率を容易かつ確実に評価することができ、よって従来のようにロッドを回転させることなく、地盤の力学特性（貫入抵抗値）をより高い精度で把握することが可能になる。

本発明の地盤調査装置の一実施形態を用いた地盤調査方法を説明するための全体の概略構成図である。図１の地盤調査装置の一実施形態を示す縦断面図である。上記地盤調査方法の一実施形態を示すフローチャートである。図１の地盤調査方法によって測定された貫入量、間隙水圧比および先端荷重の変化を示すグラフである。上記地盤調査方法の一実施形態において考慮するエネルギー損失の概念図である。上記地盤調査方法の一実施形態と標準貫入試験結果との比較例を示す図である。

図１は、本発明の地盤調査装置の一実施形態を用いた地盤調査方法の一実施形態を説明するための図で、ロッド１の先端部（下端）に貫入体２を取り付け、上端部のアンビル３にハンマ４を所定位置から自然落下させることにより、ハンマ４によるアンビル３への打撃によって、先端の貫入体２を地盤に貫入するものであり、貫入抵抗は、貫入体２を２０ｃｍ下方へ駆動するのに必要な、打撃回数（Ｎdm）として得られる。なお、標準貫入試験のＮ値（Ｎspt）は、この打撃回数（Ｎdm）の半分に等しい。
Ｎspt ＝（１／２）×Ｎdm

また、動的な貫入（ハンマ４の上昇）は、油圧モータによって自動的に駆動できる。さらに、貫入体２先端の深さは、地表面の固定点に対するロッド１の変位量を変位センサ５で計測することで得られる。

ここで、図２は、上記貫入体２の構成を示す縦断面図で、この貫入体２は、円錐状（例えば頂点角度９０度）の先端部を有する変換器ハウジング１０と、この変換器ハウジング１０の上端部に螺合された円筒状連結部１１と、この円筒状連結部１１とロッド１とに上下端部が螺合されて組み込まれたロードセル（荷重センサ）１２とを備えたものである。

変換器ハウジング１０には、円錐面の複数箇所（この実施形態においては２箇所）において開口するとともに共通の中心孔１３に連通する連絡孔１４が設けられ、この連絡孔１４における開口が、多孔性硬質部材（例えば多孔性セラミックス）１５によって塞がれて受圧面とされるとともに、中心孔１３に圧力変換器（例えば半導体圧力センサ）１６が設置されることにより間隙水圧センサが構成されている。

そして、圧力変換器１６の検出信号は、中空のロッド１内に挿通された電気的ケーブル１７によって地上のデータ収録装置（図１参照）６に送られるようになっている。なお、符号２０で示す円筒状部材は、中空のロッド１から浸入する泥水を止める防水シール材である。

さらに、この円筒状連結部１１の上端部に螺合されたロードセル１２は、ロッド１をハンマ４によって打撃して貫入体２を地盤に貫入させる際に、貫入体２の先端面に作用する上記地盤からの応答荷重を歪みゲージ１８によって検出するもので、この歪みゲージ１８からの出力信号も、同様に電気的ケーブル１７によって地上のデータ収録装置６に送られるようになっている。

なお、図中符号１９は、円筒状連結部１１の下部と変換器ハウジング１０の外周を囲繞する保護管であり、この保護管１９は、先端（下端）が変換器ハウジング１０の円錐面と連続するような切頭円錐面に形成されるとともに、内面段差部において変換器ハウジング１０の外面段差部に係合されている。

以上の構成からなる地盤調査装置を用いて、地盤の力学的特性を評価するには、ハンマ４の自然落下によるアンビル３への打撃によって、先端の貫入体２を地盤に貫入する。この際に、上記地盤調査装置によれば、図４に示すように、変位センサ５による貫入体２の貫入量、上記間隙水圧センサによる間隙水圧比およびロードセル１２による貫入体２の先端荷重が、それぞれ測定時間の時刻歴として測定される。

そして、貫入体２が２０ｃｍ下方へ駆動するのに必要な打撃回数を貫入抵抗のＮｄ値として得る。また、同時に、ロードセル１２によって測定された貫入体２の先端荷重等に基づいて、エネルギー効率が算出される。

これを具体的に詳述すると、図５に示すように、ハンマ４の質量（Ｍ）と落下高さ（ｈ）および重力加速度（ｇ）から、ハンマ４の位置エネルギー（Ｅ_ｈ）は、Ｅ_ｈ＝Ｍｇｈによって算出される。そして、アンビル３への衝突時に損失するエネルギー効率を衝突効率（ｅ_１）とすると、位置エネルギーＥｈのハンマ４が落下してアンビル３で貫入エネルギー（Ｅ_Ａ＝ｅ_１×Ｅ_ｈ）に変換される。

さらに，この貫入エネルギーＥ_Ａがロッド１を伝搬する際に周辺の地盤との接触による摩擦力によって損失して、最終的に貫入体２の先端に伝達されるエネルギーをＥ_Ｃとすると、アンビル３から貫入体２先端までのエネルギーの伝播効率ｅ_２は、Ｅ_Ｃ／Ｅ_Ａになる。

この結果、ハンマ４から貫入体２の先端まで伝達されるエネルギー効率ｅは、ｅ＝ｅ_１×ｅ_２=Ｅ_Ｃ／Ｅ_ｈによって算出することができる。
そして、上記ハンマ４から上記貫入体２の先端まで伝達された打撃エネルギーＥ_Ｃは、上記ロードセル１２で計測された荷重F(t)と貫入変位P(t)の時刻歴から式(1)と式(2)より算出することができる。

ここで、E_Ｃ：打撃エネルギー(J)、F(t)：打撃荷重(N)、v(t)：貫入速度(m/sec)、P(t)：貫入量(m)であり、貫入速度v(t)は貫入変位量の時刻歴を時間微分したものである。
このように、ロードセル１２によって測定された貫入体２の先端荷重および貫入変位の時刻歴から、上記式(1)、(2)により最終的に貫入体２の先端に伝達された打撃エネルギーＥ_Ｃを算出することができ、これら位置エネルギーＥ_ｈおよび伝達された打撃エネルギーＥ_Ｃから、エネルギー効率ｅ_ＰＤＣ（＝Ｅ _Ｃ／Ｅ _ｈ）を得ることができる。

そして、貫入体２を２０ｃｍ下方へ駆動するのに必要な打撃回数（Ｎdm）に対して、下式より、補正した貫入抵抗Ｎｄ値を得ることができる。

ここで、
ｅ_ＰＤＣ：本地盤調査装置によって算定されたエネルギー効率、
ｅ_ＳＰＴ：標準貫入試験のエネルギー効率、
である。なお、上記ｅ_ＳＰＴの値としては、例えば第４８回地盤工学研究発表会（2013）「滋賀県守山市における地盤調査一斉試験」（pp.185-186）に示されている平均値0.59を使用することができる。

図６は、貫入抵抗Ｎｄ値を、上記構成からなる本実施形態の地盤調査方法によって補正した値および従来のロッドの回転トルクに基づいて補正した値を、それぞれ標準貫入試験によって得られたＮ値と対比して示したものである。
同図に見られるように、本実施形態の地盤調査方法によって補正された貫入抵抗Ｎｄ値は、従来の方法によって補正された貫入抵抗Ｎｄ値よりも、標準貫入試験によるＮ値に近い値が得られている。

このように、本実施形態に示した地盤調査装置およびこれを用いた地盤調査方法によれば、ロッド１を打撃して貫入体２を地盤に貫入させる際に、これと併行して貫入体２に組み込んだロードセル１２によって、貫入体２に接する地盤からの応答荷重を測定しているために、貫入体２の先端に伝達された打撃エネルギーＥ_Ｃを直接的に算出することができる。

この結果、エネルギー効率ｅ_ＰＤＣを容易かつ確実に評価することができ、よって従来のようにロッドを回転させることなく、地盤の力学特性（貫入抵抗Ｎｄ値）をより高い精度で把握することが可能になる。

なお、図１および図２に示した地盤調査装置においては、上記ロードセル１２の他に、圧力変換器１６を備えた間隙水圧センサが設けられているために、上記特許文献１において詳述したように、上記貫入抵抗Ｎｄ値を得るべくロッド１を打撃して地盤に貫入させるのと併行して測定された間隙水圧の時刻歴によって、地盤の物理的特性（粒度特性）も測定することが可能である。

１ロッド
２貫入体
３アンビル
４ハンマ
１２ロードセル（荷重センサ）

Claims

ロッドの先端の貫入体に荷重センサを組み込み、上記ロッドを打撃して上記貫入体を地盤に貫入させ、その貫入量と打撃貫入に伴う上記貫入体に接する上記地盤からの応答荷重を測定し、上記ロッドを打撃するハンマの位置エネルギー（Ｅｈ）と、上記応答荷重F(t)および貫入量P(t)の時刻歴から下式(1)、(2)、
により算出される上記貫入体の先端に伝達された打撃エネルギー（Ｅｃ）とからエネルギー効率ｅ _ＰＤＣ（＝Ｅｈ／Ｅｃ）を算出し、上記ロッドの上記貫入量が設定値に至るまでの打撃回数によって得られた貫入抵抗値Ｎｄに、標準貫入試験のエネルギー効率ｅ _ＳＰＴとの比（ｅ _ＰＤＣ／ｅ _ＳＰＴ）を乗じることにより、上記貫入抵抗値Ｎｄを補正することを特徴とする地盤調査方法。
請求項１に記載の地盤調査方法を実施するための装置であって、
ロッドの先端に装着される貫入体に、上記ロッドを打撃して上記貫入体を地盤に貫入させる際に当該貫入体の先端面に作用する上記地盤からの応答荷重を測定する荷重センサを組み込んだことを特徴とする地盤調査装置。