JP6474101B2 - パイピング現象評価方法及びパイピング現象評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、基礎地盤の浸透破壊の防止技術に係り、特に基礎地盤に含まれる砂質土層で発生するパイピング現象を評価する方法及び装置に関する。

通常、生活区域に隣接する大きな河川には、生活区域を河川水の氾濫から守る堤防が築かれる。しかしこのような河川及び生活区域に跨る基礎地盤が内部に砂質土層を含むとき、水が河川側から砂質土層に浸透して徐々に河川から離れる方向へ移動する現象が生じる場合がある。そして水の移動に伴って砂質土層を構成する土粒子が移動することによって土粒子の結合状態が緩み、砂質土層の内部に局所的な空洞あるいは土粒子が疎の領域が形成される、いわゆるパイピング現象が生じる。

パイピング現象がある程度進行すると、砂質土層の内部に形成された空洞が拡大し、その後空洞がつぶれ、その結果基礎地盤の上に築かれた堤防の表面が陥没し、堤防が有すべき機能が損なわれる場合がある。よって河川堤防が新たに築かれる予定地域では、基礎地盤のパイピング現象の発生可能性を事前に評価する必要がある。また既に河川堤防が築かれた地域においても、既存の堤防の補修を行うべき区間を絞り込むために、基礎地盤のパイピング現象の発生可能性を評価することが求められる。

日本における河川堤防の浸透に対する安全性評価は、一般に「河川堤防設計指針」（国土交通省河川局治水課）によっている。この中で、基礎地盤のパイピング発生に対する評価方法は、土粒子が移動を始めると考えられる条件になるかどうかをテルツァーギの理論に基づいて解析的に求めることとしている。すなわち粘性土の被覆がない場合には堤防のり尻付近の局所動水勾配(i)が０．５（限界動水勾配(i_c；一般に０．８〜１．０とされる)を安全側に設定）を上回るかどうかで評価する。また粘性土の被覆がある場合には粘性土塊の重量に対してその底面に働く水圧が上回るかどうかで評価する。尚本発明の対象は、粘性土の被覆がない条件でのパイピング発生に対する評価方法及び装置である。

また、こうした砂質土層で発生するパイピング現象の発生可能性を原位置にて評価する技術として、特許文献１に記載の技術がある。特許文献１では、透水性地盤に削孔し、孔内の水位を徐々に低下させることにより、孔内外の動水勾配を増大させ、孔底で透水性地盤を構成する土が動き出す時点の動水勾配を演算して求める。

「河川堤防設計指針」の方法で求められる局所動水勾配や特許文献１で求められる動水勾配は、孔の底の土粒子が動き始める状態、すなわちボイリング発生時の動水勾配である。一方、実際のパイピング現象は、ボイリングが発生した後に、継続的に土砂の移動が起こって地盤中に連続する空洞あるいは土粒子が疎の領域が形成されるものである。すなわちボイリング発生時の動水勾配をもってパイピング現象の発生可能性の評価とすることは安全側の評価となる。

特開２００５−００２７１１号公報

本発明は、上記した問題に着目してなされたものであって、基礎地盤の砂質土層で発生するパイピング現象を、パイピング現象の進行段階の実態に即して評価できるパイピング現象評価方法及びパイピング現象評価装置を提供することを目的とする。

本発明に係る基礎地盤のパイピング現象評価方法のある態様は、基礎地盤に含まれる砂質土層に注水孔及び揚水孔を削孔する工程と、注水孔に注水する処理及び揚水孔から孔内水を揚水する処理を並行させ、砂質土層を構成する土粒子を注水孔側から揚水孔側へ移動させる工程と、注水孔内の水位と、揚水孔内の水位と、注水孔と揚水孔の間隔とから、移動させる工程中に変化する、注水孔と揚水孔の間の動水勾配を求め、動水勾配の経時変化を演算する工程と、を含み、動水勾配を人為的に高めて前記砂質土層で発生するパイピング現象を進行させようとしたときに前記動水勾配が経時変化するかどうかによって、砂質土層で発生するパイピング現象を評価することを要旨とする。

また本発明に係る基礎地盤のパイピング現象評価装置のある態様は、基礎地盤に含まれる砂質土層に削孔された注水孔に注水する注水装置と、注水孔内の水位を測定する第１の水位計と、砂質土層に削孔された揚水孔の孔内水を揚水する揚水装置と、揚水孔内の水位を測定する第２の水位計と、注水と揚水とを並行して実施することにより砂質土層を構成する土粒子が注水孔側から揚水孔側へ移動する間に変化する注水孔と揚水孔との間の動水勾配の経時変化を、第１の水位計によって測定された水位と、第２の水位計によって測定された水位と、注水孔と揚水孔の間隔と、から演算する演算装置と、を備え、動水勾配の経時変化によって砂質土層で発生するパイピング現象を評価することを要旨とする。

本発明に係る基礎地盤のパイピング現象評価方法及びパイピング現象評価装置によれば、基礎地盤の砂質土層で発生するパイピング現象を、パイピング現象の進行段階の実態に即して評価できる。

本発明の実施形態に係るパイピング現象評価装置の構成を説明する模式図である。 本発明の実施形態に係る演算装置の構成を説明する模式図である。 本発明の実施形態に係る演算装置の演算手順を説明する図である。 本発明の実施形態に係るパイピング現象評価装置を用いたときの地下水及び土粒子の動きを説明する模式図である。 注水孔内及び揚水孔内の各水位の経時変化を示す図である。 隣り合う間隙水圧計間及び第４の間隙水圧計と揚水孔の間、並びに注水孔と揚水孔の間の平均動水勾配の経時変化を示す図である。 本発明の実施形態に係る透水性指標及び注水孔内の水位の経時変化を示す図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各装置や各部材の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。又、以下の説明における「左右」や「上下」の方向は、単に説明の便宜上の定義であって、本発明の技術的思想を限定するものではない。よって、例えば、紙面を９０度回転すれば「左右」と「上下」とは交換して読まれ、紙面を１８０度回転すれば「左」が「右」に、「右」が「左」になることは勿論である。

（装置構成）
本発明の実施形態に係るパイピング現象評価装置は、図１に示すように、基礎地盤に含まれる砂質土層Ｇに削孔された注水孔１内に設けられた注水管１３に注水する注水装置３と、注水孔１内に設けられた注水管１３と間隔ｄを設けて砂質土層Ｇに削孔された揚水孔２から孔内水を揚水する揚水装置４と、を備える。またパイピング現象評価装置は、注水管１３内の水位を測定する第１の水位計７と、揚水孔２内の水位を測定する第２の水位計８と、を備える。またパイピング現象評価装置は、注水管１３内の水位を注水孔１内の水位と見做した上で、注水孔１と揚水孔２との間の動水勾配の経時変化を、第１の水位計７によって測定された水位と、第２の水位計８によって測定された水位と、注水孔１内に設けられた注水管１３と揚水孔２の間隔ｄとから演算する演算装置６を備える。パイピング現象評価装置は、注水と揚水とを並行して実施することにより、砂質土層Ｇを構成する土粒子が注水孔１側から揚水孔２側へ移動する間に変化する動水勾配の経時変化を演算装置６によって演算する。そして砂質土層Ｇにおいて進行するパイピング現象の進行段階毎に動水勾配を求めることで、砂質土層Ｇのパイピング現象を評価することができる。

またパイピング現象評価装置は、注水孔１内の水位が階段波状に次第に上昇するように、注水装置３及び第１の水位計７を制御する制御装置５を備える。またパイピング現象評価装置は、注水孔１と揚水孔２との間に設けられ、注水と揚水により砂質土層Ｇを構成する土粒子が注水孔１側から揚水孔２側へ移動する間に変化する水圧の空間分布の経時変化を測定する水圧変化測定手段９を備える。

注水装置３は、注水孔１内に設けられた注水管１３に一端が連結された配管１６と、配管１６の途中に設けられ配管１６に水を送り出す注水ポンプ１７と、注水ポンプ１７を介して配管１６の他端に連結された注水用タンク１８と、注水管１３と注水ポンプ１７との間の配管１６に設けられたフローコントロール装置１５と、を備える。注水用タンク１８は注水孔１へ注水する水を一時的に蓄えるものである。またフローコントロール装置１５は、注水管１３へ送り出される水量を操作するものであり、例えば電磁弁等を用いて構成できる。フローコントロール装置１５は制御装置５に接続され、注水孔１への単位時間毎の注水量のデータは、入力装置５２を介して制御装置５に接続された記憶装置５１に格納される。記憶装置５１に格納された注水孔１への注水量のデータは、演算装置６によって後述する透水性指標の演算に用いられる。

揚水装置４は、一端が揚水孔２の孔内水の中に配置された揚水チューブ２６と、揚水チューブ２６の他端に連結された揚水用タンク２８と、揚水チューブ２６と揚水用タンク２８との間に設けられ揚水孔２から水を汲み上げる揚水ポンプ２７と、を備える。揚水用タンク２８は揚水した水を一時的に蓄えるものである。揚水用タンク２８は図示しない計量装置を有し、計量装置によって揚水孔２からの揚水量が経時的に測定される。

注水孔１はまず、例えばボーリング等により、底面が砂質土層Ｇの上面と略同じ高さとなるように削孔される。注水孔１内には、孔壁が崩落しないように筒状のケーシング管１１が埋設される。ケーシング管１１の寸法は、注水孔１の寸法に応じて適宜設定され、例えば長さは２〜３ｍ程度、直径は約１０ｃｍ程度に構成できる。注水孔１のケーシング管１１の素材としては例えば鋼管を用いることができる。

ケーシング管１１の内部には、更に有底の筒状の注水管１３が挿し込まれて設けられる。注水管１３は、底部側の下端部が砂質土層Ｇ内に位置するように、ケーシング管１１の底面の深さよりも更に下側まで埋設される。注水管１３の下端部の壁面には、複数の貫通孔からなる注水部１３ａが形成され、注水部１３ａは砂質土層Ｇ内で揚水孔２側に向かって開口している。注水管１３は、図１に示すように、注水部１３ａの最上段の貫通孔の上端部の高さと、砂質土層Ｇの上面の高さとが略揃うように設けられている。

注水装置３から注水管１３の内側に送り込まれた水は、注水部１３ａを介して砂質土層Ｇに注水される。尚、砂質土層Ｇに注水する方法としては、図１に示したように注水管１３のみを用いて水を送り込む方法に限定されず、例えば図示を省略するが管状の注水試験機を注水管１３の内側に別途挿し込んだ上で、この注水試験機を介して注水管１３の内側に水を送り込むように構成してもよい。

注水管１３は外壁面に取り付けられたパッカー１４を有し、パッカー１４は地上に配置された図示しないガス供給装置に接続されている。ガス供給装置から内部にガスが供給されパッカー１４が注水管１３の外壁面とケーシング管１１の内壁面との間で膨らむことにより、注水管１３が注水孔１内に圧迫固定されるように構成されている。

注水管１３としては例えば鋼管を用いることができる。また注水管１３の寸法は、注水孔１のケーシング管１１の寸法及び砂質土層Ｇの地表からの深さに対応して、適宜構成される。例えば注水孔１を削孔する前にボーリングにより地質調査を行い、調査により判明した砂質土層Ｇの深さに基づいて、ケーシング管１１及び注水管１３の長さを設定することができる。尚、図１中で注水孔１は、底部に砂質土層Ｇの上面が位置するように配置されているが、この位置に限定されるものではなく、注水管１３が注水孔１内で固定される限り、砂質土層Ｇの上面より上側の地層等に配置されてもよい。

また注水管１３の内側の底部近傍には、注水孔１内の水位を経時的に測定する第１の水位計７が配置されている。第１の水位計７は、例えば公知の圧力センサ等を用いて構成できる。第１の水位計７は制御装置５に接続され、測定された注水孔１内の水位は制御装置５を介して記憶装置５１に格納される。記憶装置５１に格納された注水孔１内の水位のデータは、演算装置６によって動水勾配の演算及び後述する透水性指標の演算に用いられる。尚、注水管１３の内側に、別途、挿入した注水試験機を介して注水する場合、注水試験機の先端に圧力センサを設け、砂質土層Ｇへの注水と同時に注水孔１内の水頭を測定し水位に換算させるように構成してもよい。

記憶装置５１に格納された注水孔１内の水位のデータに基づいて、制御装置５は、注水孔１への注水量を制御する制御信号を生成し、生成した制御信号を注水装置３のフローコントロール装置１５に送信する。制御装置５は、フローコントロール装置１５を介して注水孔１への注水量を操作し、第１の水位計７から入力される注水孔１内の水位のデータを用いて、注水孔１内の水位が階段波状に次第に上昇するようにフィードバック制御する。

一方、揚水孔２は、注水孔１と同様にボーリング等により、図１に示すように、底面が砂質土層Ｇの上面と略同じ高さとなるように削孔される。すなわち揚水孔２の底には、砂質土層Ｇの上面が露出している。揚水孔２内には、孔壁が崩落しないように筒状のケーシング管１２が埋設される。揚水孔２のケーシング管１２としては、注水孔１側のケーシング管１１と同様に、鋼管を用いることができる。また揚水孔２のケーシング管１１の寸法は、注水孔１側のケーシング管１１と同様に、揚水孔２の寸法に応じて適宜設定され、例えば長さは２〜３ｍ程度、直径は約１０ｃｍ程度に構成できる。図１に示すパイピング現象評価装置の場合、地下水位は、砂質土層Ｇと地面との間に存在する。また揚水孔２内には、目盛が付されたロッド型のスケール１０が、揚水孔２のケーシング管１２の内壁面に沿って挿し込まれている。揚水孔２のスケール１０の砂質土層Ｇ側の先端は、揚水孔２の底の砂質土層Ｇの上面に接触するとともに、揚水孔２のスケール１０の地上側の端部はケーシング管１２の上端よりも高い位置に突出し、揚水孔２内の砂質土層Ｇの上面からケーシング管１２の上端までの距離を測定可能なように構成されている。

揚水孔２のケーシング管１２の内側には、第２の水位計８が設けられる。第２の水位計８は、例えば公知の圧力センサ等を用いて構成できる。第２の水位計８は演算装置６に接続され、測定された揚水孔２内の水位は演算装置６に備えられた記憶装置５３に格納される。記憶装置５３に格納された揚水孔２内の水位のデータは、演算装置６によって動水勾配の演算及び後述する透水性指標の演算に用いられる。

注水孔１内に設けられた注水管１３と揚水孔２との縁間距離である間隔ｄは、適宜設定されてよいが、２５ｃｍ以上５０ｃｍ以下であることが好ましい。間隔ｄが２５ｃｍ未満である場合、注水孔１と揚水孔２とが近接し過ぎて、パイピングの進行段階を自然状態に近似させて再現することが困難となる。また間隔ｄが５０ｃｍを超える場合、注水孔１と揚水孔２との間でパイピング状態が発生しにくくなる。

図１では砂質土層Ｇには、上面に対して垂直方向に突き刺さるように、水圧変化測定手段９を構成する第１の間隙水圧計３１、第２の間隙水圧計３２、第３の間隙水圧計３３及び第４の間隙水圧計３４が並列配置され、全部で４個の間隙水圧計が１セットを構成している。図１中では４個の間隙水圧計はいずれも棒状で模式的に表され、第１の間隙水圧計３１、第２の間隙水圧計３２、第３の間隙水圧計３３及び第４の間隙水圧計３４は、注水孔１と揚水孔２との間に所定間隔で設けられている。

図１に示すパイピング現象評価装置では、注水孔１内に設けられた注水管１３と揚水孔２の間隔ｄは５０ｃｍとされている。第１の間隙水圧計３１、第２の間隙水圧計３２、第３の間隙水圧計３３、第４の間隙水圧計３４は、揚水孔２から注水孔１へ５ｃｍの位置、揚水孔２から注水孔１へ１２．５ｃｍの位置、揚水孔２から注水孔１へ２５ｃｍの位置及び揚水孔２から注水孔１へ３７．５ｃｍの位置に、棒の下側の先鋭な端部側に設けられた図示しない各センサ部が位置するように砂質土層Ｇ内にそれぞれ設けられる。

空間的に異なる位置に配置された第１の間隙水圧計３１、第２の間隙水圧計３２、第３の間隙水圧計３３及び、第４の間隙水圧計３４は、砂質土層Ｇの局所的な間隙水圧をそれぞれ経時的に測定する。図示を省略しているが、第１の間隙水圧計３１〜第４の間隙水圧計３４はいずれも演算装置６に配線等を介して接続されており、センサ部で測定された間隙水圧は演算装置６に備えられた記憶装置５３に格納される。記憶装置５３に格納された間隙水圧のデータは、演算装置６によって動水勾配の演算に用いられる。

（動水勾配及び透水性指標の経時変化）
演算装置６は、図２に示すように、入力手段６１、動水勾配演算手段６２、透水性指標演算手段６３及び表示手段６４を備える。演算装置６は、例えばＣＰＵ、主記憶装置、副記憶装置、入出力装置及び表示装置等を備えるパーソナルコンピュータで構成することができ、専用のマイクロプロセッサ等で構成してもよい。演算装置６は制御装置５に接続されており、図３に示すように、ステップＳ１１において、演算装置６の入力手段６１が、第１の水位計７からの注水孔１内の水位の経時的な変化を、制御装置５を介して記憶装置５１から取得し記憶装置５３に入力して格納する。また演算装置６は、第２の水位計８と接続されており、第２の水位計８からの揚水孔２内の水位の経時的な変化を、記憶装置５３に格納する。また演算装置６には、注水孔１内に設けられた注水管１３と揚水孔２との間隔ｄが入力され、記憶装置５３に格納される。

ステップＳ１２において、演算装置６の動水勾配演算手段６２は、注水孔１内に設けられた注水管１３と揚水孔２の間の水位差及び間隔ｄを用いて、注水孔１と揚水孔２の間の動水勾配を経時的に演算する。尚、動水勾配は注水孔１と揚水孔２の２点間に限らず、注水孔１、第１の間隙水圧計３１〜第４の間隙水圧計３４および揚水孔２の任意の２点間の動水勾配を採用してもよい。

またステップＳ１３において、演算装置６の透水性指標演算手段６３は、制御装置５を介して入力される注水量を注水孔１内の水位上昇量（測定された水位と、実験開始時との水位の差）で除した商を、注水孔１側から揚水孔２側へ流れる土粒子の移動に伴って変化する、注水孔１と揚水孔２の間の「透水性指標」として経時的に演算する。「透水性指標」は、砂質土層Ｇを含む基礎地盤の注水孔１と揚水孔２との間全体の透水性の目当てをつけるために設定される。

ステップＳ１４において、演算装置６の表示手段６４が、演算して求められた動水勾配及び透水性指標の経時変化を出力装置５４に表示させる。ここで土粒子が注水孔１と揚水孔２の間を移動する間、注水孔１と揚水孔２の間の砂質土層Ｇの透水性は、局所的には増大或いは減少するが、注水孔１と揚水孔２の間の一部分で土砂移動が起こっている限りにおいては、注水孔１と揚水孔２の間全体で見た砂質土層Ｇの透水性は大きく変化しない。一方、注水孔１と揚水孔２の区間全域にわたって連続的な土砂移動が発生すると、砂質土層Ｇの注水孔１と揚水孔２の間全体の透水性が変化し透水性指標の値が増大傾向に変化する。そのため、透水性指標の増大傾向が確認された時点をもって、注水孔１と揚水孔２の間がパイピング状態になったと判定することが可能である。

（パイピング現象評価方法）
次に、図４及び図５を用いて、本発明の実施形態に係るパイピング現象評価方法を説明する。まず、パイピング現象評価装置を構成する注水ポンプ１７及び揚水ポンプ２７を駆動させる前に、注水孔１内の水位と揚水孔２内の水位とが、図４（ａ）に示すように、同じ水位であることを確認する。このとき注水孔１と揚水孔２の間にはまだ水は流れておらず土粒子が移動しないため、注水孔１と揚水孔２の間の動水勾配の値は零となる。また第１の間隙水圧計３１〜第４の間隙水圧計３４の値にも大きなバラつきは生じず略一定であることを確認する。また、揚水孔２内で砂質土層Ｇの上面に接触させている、揚水孔２のスケール１０を用いて、揚水孔２のケーシング管１２の上端から砂質土層Ｇまでの距離を測定する。

次に、注水ポンプ１７及び揚水ポンプ２７を駆動させ、注水動作及び揚水動作を開始する。また注水装置３から送り出される注水量、第１の水位計７によって測定される注水孔１内の水位、４個の間隙水圧計３１〜３４からの各間隙水圧および第２の水位計によって測定される揚水孔２内の水位を経時的に取得し、逐次、制御装置５の記憶装置５１あるいは演算装置６の記憶装置５３に格納する。また揚水孔２内の水位が一定に保たれるように、揚水ポンプ２７を操作して揚水量を制御する。

注水動作及び揚水動作の開始により、図１中の砂質土層Ｇ内の右向き矢印で示すように、注水孔１側から揚水孔２側へ水が流通する。また流通する水の圧力により土粒子が局所的に移動を開始する。このとき注水孔１側の注水動作と、揚水孔２側の揚水動作とを並行することにより、砂質土層Ｇにおいて注水孔１側から揚水孔２側へ向かう水の移動が促進される。

すなわち、本発明の実施形態に係る基礎地盤のパイピング現象評価方法は、図４（ｂ）に示すように、注水孔１内の水位を上昇させるとともに揚水孔２内の水位を一定に保つことで、注水孔１と揚水孔２の間の水位差、すなわち動水勾配を人為的に高め、パイピングを進行させる。そして注水孔１と揚水孔２の間の透水性が増大するかどうかを測定する。

ここで注水孔１内の水位の経時的な変化を、図５中の太線の曲線ｉで示すとともに、揚水孔２内の水位の経時的な変化を、図５中の細線の曲線ｉｉで示す。図５に示すように、注水動作は、注水孔１内の水位を一定時間同じ水位のレベルに保った後、階段波状に所定の高さまで水位を上昇させ、更に上昇後の水位を所定の時間一定のレベルに保った後、再びステップ関数状に所定の高さ水位を上昇させる操作を繰り返して階段波状に上昇させる。すなわち注水孔１内の水位は、時間の経過とともに階段波状に上昇する。注水孔１内の水位の段階的な上昇は、例えば、水位を１０ｃｍ毎に逐次上昇させるとともに、上昇させた水位を３分間平坦なレベルに維持するように制御装置５を介して行うことができる。

注水孔１内の水位を保持する間、揚水孔２内の水面に気泡が発生した場合や、第１の間隙水圧計３１〜第４の間隙水圧計３４の中で間隙水圧の顕著な低下が測定された場合には、更に一定時間同じ水位を維持するように注水動作を制御する。そして砂質土層Ｇの注水孔１と揚水孔２の間全体の透水性に変化が生じるかどうかを確認する。

このとき揚水動作は、図５に示すように、揚水孔２内の水位を、地下水位である水位ｈ０より低い所定の水位ｈｄに予め設定して行われる。揚水孔２の底の砂質土層Ｇは、揚水孔２を削孔した後の経過時間に応じて、砂質土層Ｇの内圧上昇により揚水孔２の下端面より隆起することがある。この砂質土層Ｇの隆起量は、同じ対象区間内の砂質土層Ｇであっても、削孔する場所により異なる。また砂質土層Ｇの隆起量は、同じ場所であっても削孔後の経過時間により異なる可能性がある。砂質土層Ｇが隆起すると、注水孔１と揚水孔２の間の動水勾配の演算に誤差が生じ、透水性指標を正確に演算できず、例えば堤防の修繕が見込まれる複数の対策区間の間で、それぞれのパイピング現象に対する抵抗性を比較検討する際、同一条件で評価することが困難となる。そこで本発明の実施形態に係るパイピング現象評価方法では、下記の式（１）に基づいて設定された補正量ΔＲを用いて、揚水開始時の揚水孔２内の水位を補正する。尚、砂質土層Ｇの隆起量Ｒは、揚水孔２のケーシング管１２の長さと、揚水孔２のケーシング管１２の上端と揚水孔２の砂質土層Ｇまでの距離との差分で定義される。

ΔＲ＝Ｒ×（γ_ｓａｔ−γ_ｗ）／γ_ｗ …（１）
Ｒ …砂質土層Ｇの揚水孔２の下端面からの隆起量
γ_ｓａｔ …飽和条件下の土の単位体積重量
γ_ｗ …水の単位体積重量

式（１）は、砂質土層Ｇの揚水孔２の下端面からの隆起量Ｒのうち、水浸されている土の単位体積重量の、水の単位体積重量に対する割合を計算するものであり、計算された割合に基づいて、揚水開始時の揚水孔２内の水位を設定する。ボイリング発生時、揚水孔２内部の飽和した土砂の重量と水の重量とに基づく内側の圧力と、揚水孔２の下端面における水頭に相当する外側の圧力とが釣り合っている。そこで式（１）を用いることにより、対象区間毎に砂質土層地盤の揚水孔２の下端面からの隆起量が異なっていても、揚水孔２の下端面の高さを基準位置として、ボイリングが発生する時点の揚水孔２内外の圧力差の釣り合いを考慮する。補正量ΔＲを用いて揚水開始時の揚水孔２の孔内水の水位を、対象区間毎に設定することにより、揚水孔２の底の砂質土層Ｇが隆起した影響をキャンセルさせ、ボイリングが発生するまでに付加された水位を、すべての対象区間を通じて正規化することが可能となる。

砂質土層Ｇを構成する土粒子の移動に伴い、注水孔１と揚水孔２の間の砂質土層Ｇでは局所的に土粒子どうしが疎の領域と密の領域とが混在する状態、すなわち土粒子の結合状態の乱れが発生する。尚、注水孔１と揚水孔２の間を水が流通する間、土粒子は互いに接触及び離反を繰り返すため、疎の領域と密の領域との混在状態は固定的ではなく流動的である。そして揚水孔２の底部付近で砂質土層Ｇを構成する土粒子の疎の領域が拡大することにより空洞が形成されることがある。図４（ｃ）には、揚水孔２の底の空洞Ｓａと、この空洞Ｓａから土砂が噴出した状態とが例示されている。

揚水孔２の底で土粒子の結合状態の乱れが発生すると、砂質土層Ｇは、揚水孔２の底においてボイリングが発生した状態と判定される。具体的には、注水動作及び揚水動作を開始した後、揚水孔２の底の砂質土層Ｇの硬さを、例えば揚水孔２内に設けられたスケール１０を用いて把握することで判定できる。揚水孔２内のスケール１０に対し、地上側から軽く荷重を負荷し、スケール１０の先端が砂質土層Ｇに沈下するかどうかを、先端の反対側である地上側の端部の位置を目視で確認して行えばよい。尚、揚水孔２の底の砂質土層Ｇの硬さの把握に際しては、揚水孔２のスケール１０の使用に限定されることなく、所定の長さを有する棒状の他の器具を用いて行ってもよい。

またボイリング発生時には、砂質土層Ｇの乱れの発生により、揚水孔２の底の砂質土層Ｇ内に閉じ込められていた空気が開放され、揚水孔２内の水面に現れる場合がある。よって例えば、図示しないカメラを揚水孔２内に配置し、揚水孔２内のスケール１０の先端位置の沈下状態が観察されるとともに、カメラによって揚水孔２内の水面に気泡が観察された場合に、ボイリングが発生したと判定してもよい。スケール１０の先端位置の沈下という条件とともに気泡の発生という条件を加えることにより、ボイリングが発生した時期を判定する際の判定精度を高めることができる。

更に、揚水孔２内の水面と砂質土層Ｇの上面との距離が比較的短い場合、例えば孔内水の深さが２０ｃｍ程度である場合、ボイリング発生時の砂質土層Ｇの乱れにより、砂質土層Ｇから揚水孔２内の水面に向かって地下水が噴き出し、水面の一部が波打つ場合がある。よって揚水孔２内のスケール１０の先端位置の沈下状態の観察とともに、揚水孔２内の水面に波打ち状態が観察された場合に、ボイリングが発生したと判定してもよい。スケール１０の先端位置の沈下という条件とともに、揚水孔２内の水面の波打ちの有無の観察を加えることにより、ボイリングの発生時期の判定の精度を高めることができる。尚、スケール１０の先端位置の沈下という条件に加える条件として、気泡の発生条件と水面の波打ち条件のうちいずれか一方又は両方を用いてよいのは勿論である。

ボイリング発生後、引き続き注水動作と揚水動作とを並行し、注水孔１と揚水孔２の間の動水勾配を増大させることにより土粒子の移動は更に促進され、砂質土層Ｇ内の空洞あるいは土粒子が疎の領域が側方に拡大する。このとき注水孔１と揚水孔２との間においては、土粒子が疎の領域と密の領域とが混在するが、注水孔１と揚水孔２の間を連通する空洞あるいは土粒子が疎の領域は未だ形成されていない。そのため注水孔１と揚水孔２の間の砂質土層Ｇにおいて局所的には透水性が変化している箇所が発生しているが、注水孔１と揚水孔２の間全体で見た場合の砂質土層Ｇの透水性は略一定に保たれる。すなわちボイリングが発生した後、注水孔１と揚水孔２の間で空洞あるいは土粒子が疎の領域が連通するまでの間は、注水孔１と揚水孔２の間全体ではダルシーの法則がおおむね成立していると見做すことが可能である。

図４（ｃ）に示した状態の後、引き続き注水孔１と揚水孔２の間の動水勾配を増大させることにより、図４（ｄ）に示すように、ある時点で注水孔１と揚水孔２の間の全区間にわたって空洞あるいは土粒子が疎の領域が連通、すなわちパイピングＳが形成され、注水孔１と揚水孔２の間の砂質土層Ｇを含む基礎地盤がパイピング状態に到達し、パイピングＳからの土粒子の噴出は増大する。パイピング状態に至ると、注水孔１と揚水孔２の間の透水性が一気に高まり、揚水孔２内に急激に水が入り込む。このとき揚水孔２内の水位を保つための揚水ポンプ２７の動作制御が間に合わなければ、図４（ｄ）に示すように、揚水孔２内の水位が急激に上昇する。

（パイピング現象評価方法）
次に、図１に示した本発明の実施形態に係るパイピング現象評価装置の動作の一例を、図５〜図７を参照して説明する。図５に示すように、時刻ｔ＝０から注水動作及び揚水動作を開始して、注水孔１と揚水孔２の間の水位差を拡大させ、動水勾配を経時的に演算した。注水孔１内の水位は、地下水位である水位ｈ０を初期水位として開始後１０ｃｍずつ上昇させ、上昇させた水位を原則３分間維持するとともに、注水孔１と揚水孔２の間全体の透水性の急激な拡大が疑われる場合には、更に３分間ずつ現状の水位を保持した。また揚水孔２内の水位は、式（１）から得られた補正量ΔＲを用いて、水位ｈ０より所定の高さ分だけ低い水位ｈｄとした。

また図６中の曲線Ｉ〜IVに示すように、時刻ｔ＝０以降の注水孔１と揚水孔２の間の異なる４箇所の間隙水圧の測定結果及び注水孔と揚水孔の水位の測定結果から、隣り合う間隙水圧計間及び第４の間隙水圧計と揚水孔の間、並びに注水孔と揚水孔の間の平均動水勾配をそれぞれ経時的に演算した。図６中、２点鎖線で示した曲線Ｉは揚水孔２から３７．５ｃｍの位置の第１の間隙水圧計３１の値と揚水孔２から２５ｃｍの位置の第２の間隙水圧計３２の値の差分を水頭換算しそれを２点間の距離で割ったもの（これを平均動水勾配という）の変化を示し、１点鎖線で示した曲線ＩＩは揚水孔２から２５ｃｍの位置の第２の間隙水圧計３２と揚水孔２から１２．５ｃｍの位置の第３の間隙水圧計３３の値の差分を水頭換算しそれを２点間の距離で割ったものの値の変化を示す。また図６中、破線で示した曲線ＩＩＩは揚水孔２から１２．５ｃｍの位置の第３の間隙水圧計３３と揚水孔２から５ｃｍの位置の第４の間隙水圧計３４の値の差分を水頭換算しそれを２点間の距離で割ったものの値の変化を示し、細い実線で示した曲線ＩＶは揚水孔２から５ｃｍの位置の第４の間隙水圧計３４の値を水頭換算したものと揚水孔２の水位の差分を２点間の距離で割ったものの値の変化を示す。また太い実線で示した曲線Ｖは注水孔１と揚水孔２の水位の差分を２点間の間隔ｄで割ったものの変化を示す。

また図７に示すように、時刻ｔ＝０以降の透水性指標を経時的に演算した。図７中、太い実線で示した曲線ｉは、図５中に示した曲線ｉと同様に注水孔１の水位の変化を示す。また図７中、破線で示した曲線ｉｉｉは、注水孔１と揚水孔２の間全体の透水性指標の変化を示す。尚、図５〜図７で示したそれぞれの変化の軌跡は、いずれも測定データに基づく値の変化を概念的に表したものである。

図５の曲線ｉに示すとおり、時刻ｔ＝ｔ１において注水孔１内の水位を１段階上昇させた後の水位ｈ０＋０．３ｍを維持する間に、時刻ｔ＝ｔ１ａにおいて図６中の曲線IVの値が低下した。しかしながら孔内カメラの映像や揚水孔２の底の砂質土層Ｇの硬さなどに変化は見られなかった。このことから、第４の間隙水圧計３４と揚水孔２の間で局所的な物質の移動が起こったものの、揚水孔２の底でボイリングが発生するには至らなかったものと考えられる。尚、図７の曲線ｉｉｉに示す注水孔１と揚水孔２の間全体の透水性指標は上昇傾向を示すが、これは試験開始直後で注水量が安定していないことに起因するものと判断した。

図５の曲線ｉに示すとおり、時刻ｔ＝ｔ２において注水孔１内の水位を１段階上昇させた後の水位ｈ０＋０．６ｍを維持する間に、時刻ｔ＝ｔ２ａにおいて揚水孔２のスケール１０の先端が沈下し、揚水孔２の底の砂質土層Ｇの硬さが低下したことが確認された。また孔内カメラの映像で、揚水孔２の孔内水の水面に小さな気泡が発生し、揚水孔２のケーシング管１２の内壁面に細かな気泡が付着する状態が観察された。また揚水孔２内の水に濁りは無く、図７に示すように、注水孔１と揚水孔２の間全体の透水性指標は略一定であった。よって時刻ｔ＝ｔ２ａにおいて砂質土層Ｇにボイリングが発生し、以降、空洞あるいは土粒子が疎の領域の側方への拡大が開始したと判定した。

図５の曲線ｉに示すとおり、時刻ｔ＝ｔ３において注水孔１内の水位を１段階上昇させた後の水位ｈ０＋０．７ｍを維持する間に、時刻ｔ＝ｔ３ａにおいて図６中の曲線IVに示すように、揚水孔２から５ｃｍの位置の第４の間隙水圧計３４と揚水孔２との間の平均動水勾配の値は急速に低下し始め、ｔ＝ｔ４を経過した後に０（零）付近に到達した。このことから、ボイリングの影響が揚水孔２から５ｃｍ離れた範囲まで拡大したと考えることができる。

次に、図５の曲線ｉに示すように、時刻ｔ＝ｔ４において注水孔１内の水位を１段階上昇させた後の水位ｈ０＋０．８ｍを一定のレベルに維持する間に、揚水孔２内の水中に濁りが観察された。そのため注水孔１内の水位を上昇させることなく、９分間同じ水位を維持した。しかしその間、揚水孔２内の水位は一定のレベルに保たれるとともに、図６の曲線Ｉ〜曲線IVに示すように、各区間の平均動水勾配は若干の上下動があるものの大きな変化はなく、また図７の曲線ｉｉｉに示す透水性指標は安定していたことから、砂質土層Ｇを含む基礎地盤はパイピング状態に未だ至っていないと判定した。その後、時刻ｔ＝ｔ５において注水孔１内の水位を上昇させた。

次に、図５に示すように、時刻ｔ＝ｔ６において注水孔１内の水位を１段階上昇させた後の水位ｈ０＋１．１ｍを一定のレベルに維持する間に、時刻ｔ＝ｔ６ａにおいて図６中の曲線ＩＩＩの値が低下した。それに引き続き時刻ｔ＝ｔ６ｂにおいて、図５の曲線ｉｉに示すとおり、揚水孔２の孔内水の水位の一時的な上昇が測定された。その直後の時刻ｔ＝ｔ６ｃにおいて図６中の曲線IIの値が低下した。さらには時刻ｔ＝ｔ６ｄにおいて図６中の曲線Ｉの値が低下した。そのため注水孔１内の水位を上昇させることなく、図５及び図７に示すように、時刻ｔ＝ｔ７まで同じ水位を維持した。しかし、揚水孔２内の水位は再び元の水位ｈｄに復帰した。また図７の曲線ｉｉｉに示すように、注水孔１と揚水孔２の間全体の透水性指標は安定していた。

そのため砂質土層Ｇを含む基礎地盤は、内部で空洞あるいは土粒子が疎の領域が側方へ拡大している段階であると判定した。すなわち時刻ｔ＝ｔ６ａにおいて第４と第３の間隙水圧計の間で、続いて時刻ｔ＝ｔ６ｃにおいて第３と第２の間隙水圧計の間で、続いて時刻ｔ＝ｔ６ｄにおいて第２と第１の間隙水圧計の間で、と逐次破壊が発生し、それぞれの区間で透水性が一時的に変化する程度の比較的大きな空洞あるいは土粒子が疎の領域が一時的に形成されたものの、図７の曲線ｉｉｉが安定していることで示されるように、注水孔１と揚水孔２の間の全域にわたる空洞あるいは土粒子が疎の領域の連通には至っていないと判定した。その後、時刻ｔ＝ｔ７において注水孔１内の水位を上昇させた。

次に、時刻ｔ＝ｔ８において注水孔１内の水位を水位ｈ０＋１．４ｍに上昇させたところ、図７の曲線ｉｉｉに示すように、時刻ｔ＝ｔ０以降、略一定であった透水性指標の値が、曲線ｉで示す注水孔１の水位を一定にしているにもかかわらず透水性指標が継続的に上昇傾向を示した。その後、時刻ｔ＝ｔ９において注水孔１の水位を水位ｈ０＋１．５ｍに上昇させたところ、図７の曲線ｉｉｉに示すように引き続き透水性指標が継続的に上昇傾向を示した。その後時刻ｔ＝ｔ９ａにおいて図６の曲線ＩＩＩが大きく低下した。引き続いて時刻ｔ＝ｔ１０において、図５の曲線ｉｉに示すように揚水孔２内の水位が１ｍ以上急激に上昇したことから注水孔と揚水孔の間の空洞が完全に形成されたと判断し、注水を停止した。

図７の曲線ｉｉｉに示す透水性指標の継続的な上昇傾向は、ダルシーの法則が満足されず、継続的な破壊と空洞あるいは物質が疎の領域が拡大していることを推測させる。このことによって、砂質土層Ｇを含む基礎地盤がパイピング状態に到達したと判定した。

上記したパイピング現象評価装置の動作の一例における基礎地盤のパイピングの進行段階をまとめた結果を表１に示す。

表１に示すように、砂質土層Ｇを含む基礎地盤は動水勾配が１．２である場合にボイリングが発生するというパイピング現象の進行状況が確認できる。このとき基礎地盤中の砂質土層Ｇにおいてパイピングを進行させる浸透破壊に対する耐性を「パイピング抵抗性」と定義すれば、動水勾配の値を用いた場合、基礎地盤は、ボイリングに対しては動水勾配１．２までの負荷に抗し得るパイピング抵抗性を有すると評価できる。

また砂質土層Ｇを含む基礎地盤は、ボイリング発生後、経時的に動水勾配は増大し、最終的に動水勾配が２．８である場合にパイピング状態に到達するというパイピング現象の進行状況が確認できる。すなわち基礎地盤は、パイピング状態への到達に対しては動水勾配２．８までの負荷に抗し得るパイピング抵抗性を有すると評価できる。

尚、ボイリング発生時の評価基準として用いられることが多い国土交通省の堤防基礎地盤の浸透破壊に対する安全性照査基準では、被覆土が無い場合の砂質土層Ｇの局所動水勾配の照査基準値は、理論値約１．０に安全を見て０．５に設定されている。本発明のパイピング現象評価装置の動作の一例で得られたボイリング発生時の値１．２は理論値に近い値であり、照査基準値は、かなり安全サイド寄りの値といえる。

本発明の実施形態に係る基礎地盤のパイピング現象評価方法によれば、注水孔１と揚水孔２との間に水を流通させることにより、砂質土層Ｇを構成する土粒子を、注水孔１側から揚水孔２側へ、注水孔１と揚水孔２の間でパイピング状態が形成されるまで移動させる。そして土粒子の移動中に変化する注水孔１と揚水孔２の間の動水勾配を連続的に演算して求め、求められた動水勾配の値を、砂質土層Ｇを含む基礎地盤のパイピング現象の進行状況を説明する値として評価する。すなわち、砂質土層Ｇにおいて進行するパイピング現象の進行段階毎に動水勾配を求めることで、砂質土層Ｇを含む基礎地盤のパイピングのし易さを評価する。そのため水の浸透に対する基礎地盤のパイピング現象（パイピングのし易さ）を、局所的な土粒子の移動開始時点の動水勾配を用いて評価するのではなく、パイピングの進行段階の実態に即して評価することが可能となる。よってパイピング対策を施す地域における複数の対象区間の絞り込みや優先順位付けを、従来よりも実態に即して行うことができる。

尚、本発明の実施形態に係るパイピング現象評価装置では、動水勾配の変化に、水圧変化測定手段９からの出力を加えて基礎地盤のパイピングのし易さを評価したが、これに限定されず、動水勾配の変化のみを用いても、パイピングのし易さを評価することは可能である。しかし、動水勾配の変化と水圧変化測定手段９からの出力とを両方考慮することにより、パイピングのし易さの評価精度をより高めることができる。

本発明は上記のとおり開示した実施の形態によって説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面は、本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施形態及び運用技術が明らかになると考えられるべきである。例えば、本発明の実施形態ではパイピング抵抗性を示すものとして動水勾配の値を代表して用いたが、他のパラメータがパイピング抵抗性として用いられてもよい。すなわち本発明は、上記に記載していない様々な実施の形態等を含むとともに、本発明の技術的範囲は、上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明は、河川堤防の基礎地盤のパイピング対策の必要性の精査や優先順位付けに広く利用できる。

１ 注水孔
２ 揚水孔
３ 注水装置
４ 揚水装置
５ 制御装置
６ 演算装置
７ 第１の水位計
８ 第２の水位計
９ 水圧変化測定手段
ｄ 間隔
Ｇ 砂質土層

Claims (11)

1. 基礎地盤に含まれる砂質土層に注水孔及び揚水孔を削孔する工程と、
   前記注水孔に注水する処理及び前記揚水孔から孔内水を揚水する処理を並行させ、前記砂質土層を構成する土粒子を前記注水孔側から前記揚水孔側へ移動させる工程と、
   前記注水孔内の水位と、前記揚水孔内の水位と、前記注水孔と前記揚水孔の間隔とから、前記移動させる工程中に変化する、前記注水孔と前記揚水孔の間の動水勾配を求め、前記動水勾配の経時変化を演算する工程と、を含み、
   前記動水勾配を人為的に高めて前記砂質土層で発生するパイピング現象を進行させようとしたときに前記動水勾配が経時変化するかどうかによって、前記砂質土層で発生するパイピング現象を評価することを特徴とするパイピング現象評価方法。
2. 前記注水する処理は、前記注水孔内の水位が階段波状に次第に上昇するように行うことを特徴とする請求項１に記載のパイピング現象評価方法。
3. 前記揚水する処理は、前記揚水孔内の水位を一定のレベルに保つように行うことを特徴とする請求項２に記載のパイピング現象評価方法。
4. 前記注水孔と前記揚水孔の間の複数の地点の水圧のそれぞれの経時変化を測定する工程を更に含み、
   該経時変化を前記パイピング現象の評価に用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパイピング現象評価方法。
5. 前記揚水する処理は、揚水開始時に前記揚水孔の底の前記砂質土層が前記揚水孔の下端面より隆起している場合、前記揚水孔内の水位を、前記砂質土層の前記下端面からの隆起量に基づいて設定された高さ分だけ地下水位より低下させた水位に保つように行うステップを更に含むことを特徴とする請求項２又は３に記載のパイピング現象評価方法。
6. 前記移動させる工程中に、前記注水孔への注水量を前記注水孔の水位で除した商を透水性指標として演算するステップと、
   前記演算された透水性指標が増大傾向に転じた時点を、前記基礎地盤がパイピング状態に至った時点と判定するステップと、を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のパイピング現象評価方法。
7. 前記揚水孔の底の前記砂質土層の硬さを測定する工程と、
   前記測定された前記砂質土層の硬さが低下した時点を、前記砂質土層にボイリングが発生した時点として判定する工程と、
   を更に含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のパイピング現象評価方法。
8. 基礎地盤に含まれる砂質土層に削孔された注水孔に注水する注水装置と、
   前記注水孔内の水位を測定する第１の水位計と、
   前記砂質土層に削孔された揚水孔の孔内水を揚水する揚水装置と、
   前記揚水孔内の水位を測定する第２の水位計と、
   前記注水と前記揚水とを並行して実施することにより前記砂質土層を構成する土粒子が前記注水孔側から前記揚水孔側へ移動する間に変化する前記注水孔と前記揚水孔との間の動水勾配の経時変化を、前記第１の水位計によって測定された水位と、前記第２の水位計によって測定された水位と、前記注水孔と前記揚水孔の間隔と、から演算する演算装置と、を備え、
   前記動水勾配の経時変化によって前記砂質土層で発生するパイピング現象を評価するパイピング現象評価装置。
9. 前記注水孔内の水位が階段波状に次第に上昇するように、前記注水装置及び前記第１の水位計を制御する制御装置を、更に備えることを特徴とする請求項８に記載のパイピング現象評価装置。
10. 前記注水孔と前記揚水孔との間に設けられ、前記注水と前記揚水により前記砂質土層を構成する土粒子が前記注水孔側から前記揚水孔側へ移動する間に変化する水圧の空間分布の経時変化を測定する水圧変化測定手段と、を更に備え、
    該水圧変化測定手段からの出力を用いて前記砂質土層で発生するパイピング現象を評価することを特徴とする請求項８又は９に記載のパイピング現象評価装置。
11. 前記水圧変化測定手段は、前記注水孔と前記揚水孔の間に配置された複数の間隙水圧計を有することを特徴とする請求項１０に記載のパイピング現象評価装置。

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