JP6529405B2 - 圧密降伏応力の調査方法 - Google Patents

Description

本発明は土の段階載荷による圧密試験方法（ＪＩＳ Ａ １２１７）を実施する代わりに、地盤中で行う孔内載荷試験結果を用いて地盤の圧密降伏応力を解析する圧密降伏応力の調査方法に関する。

地盤の圧密降伏応力は、日本工業規格（ＪＩＳ Ａ １２１７）「土の段階載荷による圧密試験方法」により求められる。土の段階圧密試験による圧密試験方法は、厚さ２ｃｍ、直径６ｃｍの粘性土の供試体に対して段階的に荷重を載荷し、その時の沈下量を測定する。測定された沈下量から圧密終了する沈下量を推定し、各段階荷重における最終沈下量を間隙比−荷重で整理し、曲線が急変する箇所を圧密降伏応力と設定する。
しかし、「土の段階載荷による圧密試験方法」を行うには、現地でボーリング調査とサンプリングを行い、乱れの少ない試料を採取したのち、室内で供試体を成形（厚さ２ｃｍ、直径６ｍ）し圧密試験装置で試験するため、１０日間程度の日数を要し、多大な費用がかかるという欠点があった。

ここで、圧密降伏応力を調査する利点について簡単に説明すると、圧密降伏応力が分かれば、地表面に上載荷重（例えば建物荷重）を載荷した場合に、圧密沈下の有無を判定でき、圧密沈下が生じる場合には基礎工（例えば杭基礎）を計画することができる。また、圧密降伏応力解析過程で得られる最終変位量−載荷圧力から上載荷重を載荷した場合の概略沈下量も計算できる。
建物の建築あるいは盛土により地盤が圧密沈下するかどうかの判定は、有効土被り圧Ｐｏ、圧密降伏応力Ｐｃおよび建物荷重△Ｐとの関係において以下のように表現される。

・建物、盛土が圧密沈下する条件
有効土被り圧Ｐｏ＋建物荷重△Ｐ＞圧密降伏応力Ｐｃ
・建物、盛土が圧密沈下しない条件
有効土被り圧Ｐｏ＋建物荷重△Ｐ＜圧密降伏応力Ｐｃ
有効土被り圧Ｐｏ：浮力を考慮した土被り荷重
圧密降伏応力Ｐｃ：地盤が過去の受けたことがある最大荷重

従来も現地で圧密降伏応力を簡易に求める方法も提案されており、「サウンディング試験を用いた地盤の圧密降伏応力、地盤の変形、地盤の強度および地盤の許容地耐力解析法：応地研株式会社（特許文献１）」、「サウンディング試験を用いた地盤の圧密降伏応力解析法および許容応力度解析法：応地研株式会社（特許文献２）」等が知られている。これらの方法は、サウンディングを用いて圧密降伏応力を求める方法である。
しかし、これらの方法は、予めサウンディング試験による地盤の非排水強度と有効上載圧の関係を求めておく必要がある。これらの関係を得るためには、ボーリング調査とサンプリングを行い、乱れの少ない試料を採取したのち、室内で成形し三軸圧縮試験（ＣＵＢ）を行う必要があり、圧密試験と同様に３日間程度の日数を要し、多大な費用がかかるという欠点があった。

また、孔内載荷試験で得られた降伏応力を圧密降伏応力として用いることが研究されたが（非特許文献１）、図−３を参照すると、孔内載荷試験で得られた降伏応力と圧密降伏応力との誤差が１００ｋＮ／ｍ２程度あり、建物荷重（１０−２０ｋＮ／ｍ２）に対して非常に大きいという欠点があった。さらに、本来、孔内載荷試験はせん断試験であるので降伏応力が圧密現象を表現しているとは言いがたく、その後の論文（非特許文献２及び非特許文献３）においても否定され、現在は利用されていない。

特開２００２−９７６２４号公報 特開２００４−２７８３０４号公報

森博、田島重男：プレシオメータの深い基礎の設計に関する応用、土と基礎、Ｖｏｌ１２，ＮＯ．２，ＰＰ．１３−１７，１９６４ 森田悠紀夫：海底地盤調査指針、土質工学会関西支部、１９９０ 大河内保彦、土谷尚、林三男：セルフボーリングプレシオメータ試験結果と室内試験との対応とその解釈、第２８回土質工学シンポジウム、土質工学会、ｐｐ．４１−４４，１９８３

本発明は以上のような従来の欠点に鑑み、ボーリング調査やサウンディング試験、室内土質試験等を行うことなく、地盤にあけた孔を利用した孔内載荷試験のみで圧密降伏応力及び概略沈下量を求めることができる圧密降伏応力の調査方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、調査地盤に調査用孔を略垂直方向に形成する削孔工程と、該削孔工程で形成した調査用孔内に膨張体を挿入し、あるいはセルフボーリングで膨張体を設置し、該膨張体を膨張させ調査用孔の壁面に対して段階載荷し、各圧力における地盤の変位量を測定する孔内載荷試験工程と、該孔内載荷試験工程で測定した変位量から最終変位量を解析する最終変位量解析工程と、該最終変位量解析工程より解析された最終変位量と載荷圧力から圧密降伏応力を解析する圧密降伏応力解析工程とで成り、前記圧密降伏応力解析工程で得られる最終変位量−載荷圧力と設定した膨張体載荷時の周辺地盤への影響範囲から、最終ひずみ量−載荷圧力関係を解析し、上載荷重を載荷した場合の概略沈下量を解析する沈下量解析工程をさらに行うことを特徴とする。

以上の説明から明らかなように、本発明にあっては次に列挙する効果が得られる。
（１）請求項１に記載の発明では、孔内載荷試験の結果から最終変位量を解析し、圧密降伏応力を解析することができる。
したがって、ボーリング調査やサウンディング試験、室内土質試験等を行う必要がなく、コストの低減や工期の短縮（２時間程度で調査可能）を実現することができる。
（２）変位量測定工程は調査地盤に削孔するだけで行うことができるため、コストの低減や工期の短縮を実現することができる。
（３）孔内載荷試験の結果で得られた変位量ではなく、その変位量から解析した最終変位量を用いて圧密降伏応力を解析することにより、誤差を大幅に小さくす
ることができる。
（４）最終変位量−載荷圧力と設定した膨張体載荷時の周辺地盤への影響範囲から、最終ひずみ量−載荷圧力関係を解析し、上載荷重を載荷した場合の概略沈下量を解析することができる。
（５）請求項２に記載の発明も前記（１）〜（４）と同様な効果が得られると共に、小さな直径の調査用孔でも試験可能であるので、更にローコストで試験を行うことができる。
（６）請求項３に記載の発明も前記（１）〜（５）と同様な効果が得られる。

図１乃至図６は本発明の第１実施形態を示す各説明図である。
工程図。 孔内載荷試験工程の説明図。 孔内載荷試験工程で測定された変位量を示すグラフ。 最終変位量の解析結果を示すグラフ。 圧密降伏応力の解析結果を示すグラフ。 土の段階載荷による圧密試験によって求めた圧密降伏応力と本発明の調査方法によって求めた圧密降伏応力の関係を示す説明図。 圧密降伏応力解析から求めた最終ひずみ量の解析結果と土の段階載荷試験から求めた最終ひずみ量の解析結果を示すグラフ。

以下、図面に示す本発明を実施するための形態により、本発明を詳細に説明する。

図１ないし図７に示す本発明を実施するための第１の形態において、１は圧密降伏応力の調査方法である。この圧密降伏応力の調査方法１は図１、２に示すように、調査地盤に略垂直方向に調査用孔２を形成する削孔工程３と、該削孔工程３で形成した調査用孔２内に調査用孔２よりも小径の膨張体４を吊り下げた状態で挿入し、あるいはセルフボーリングしながら膨張体４を接地し、該膨張体４を膨張させ、調査用孔２の所定の箇所の壁面２ａに対して略水平方向に段階載荷して、各圧力における地盤の変位量を測定する孔内載荷試験工程５と、該孔内載荷試験工程５で測定した変位量から最終変位量を解析する最終変位量解析工程６と、該最終変位量解析工程６より解析された最終変位量と載荷圧力から圧密降伏応力を解析する圧密降伏応力解析工程７と、該圧密降伏応力解析工程７の解析結果で得られる最終変位量−載荷圧力と設定した膨張体載荷時の周辺地盤への影響範囲から、最終ひずみ量−載荷圧力関係を解析し、上載荷重を載荷した場合の概略沈下量を解析する沈下量解析工程１１で構成されている。

なお、段階載荷とは、圧力を載荷して所定時間保持した後、除圧せずに所定圧力を加圧して所定時間保持することを段階的に所定圧力まで繰り返すことをいう。

前記削孔工程３は、一般的な削孔機械を用いて調査地盤に調査用孔２を削孔する工程である。調査用孔としては直径１ｃｍ〜１０ｃｍ程度の孔が想定されるが、本実施の形態においては、スウェーデン式サウンディング試験及びボーリング調査で使用される削孔機械を用いて、直径約３ｃｍの調査用孔２を削孔する。

なお、調査用孔２の直径が小さいほど削孔するコストや時間等が削減できるが、必要に応じて３ｃｍよりも大きい調査用孔２を削孔しても同様に圧密降伏応力を解析することができる。

前記孔内載荷試験工程５で行われる孔内載荷試験とは、地盤にあけた調査用孔２において孔壁面２ａを一様な圧力で載荷することにより地盤の変形係数などを求める方法であり、杭の横方向抵抗を算定する一手法として、大型建築物、橋梁基礎の設計に利用されている。本実施形態では、調査用孔２に孔内載荷試験装置８の膨張体４を挿入し、調査位置（例えば、地表から２〜２０ｍ下方の地中）まで膨張体４が到達させた後、孔内載荷試験装置８の圧力発生装置９により該膨張体４を加圧膨張させ、一定の等分布荷重（例えば１０ｋＮ／ｍ２）あるいは一定の等分布変位を孔壁面２ａに対して略水平方向に載荷して一定時間（例えば２分間）保持し、孔内載荷試験装置８の測定器１０により、その変位量を所定時間毎（例えば１０秒毎）又は継続的に測定・記録する。一定時間（例えば２分間）経過したら、載荷圧力を除圧せずに加圧して所定の圧力（例えば１５ｋＮ／ｍ２）まで上昇させ、一定時間（例えば２分間）孔壁面２ａに載荷する。これを段階的（例えば５ｋＮ／ｍ２毎）に所定の圧力（例えば１２０ｋＮ／ｍ２毎）まで繰り返し、それぞれの変位量を所定時間毎（例えば１０秒毎）又は継続的に測定・記録する。

なお、載荷する圧力、圧力を載荷する時間、調査位置等は、適宜調査地盤に合わせて変更することができる。

また、本実施形態では、削孔機械を用いて、直径約３ｃｍの調査用孔２を削孔した後に、孔内載荷試験工程５において膨張体を設置しているが、削孔機械を装着した膨張体でセルフボーリングしながら膨張体５を設置してもよい。

前記最終変位量解析工程６は、前記孔内載荷試験工程５で測定された地盤の孔壁面２ａの変位量から、最終変位量を解析する工程である。具体的には、孔壁面２ａに十分長い時間（例えば３０分以上、上限は無限大の時間まで適宜設定）にわたって一定圧力を載荷した場合の孔壁面２ａ変位量を双曲線法等の統計的手法を用いて解析する工程である。

図４では、時間を横軸に、半径方向の変位量を縦軸にプロットし、実測値およびこの実測値から解析される解析値をあらわしている。本実施形態において、最終変位量としては、最終変位量が一定値となる十分大きな時間として２０００ｓｅｃ経過後の解析値を用いている。

前記圧密降伏応力解析工程７は、載荷圧力と前記最終変位量解析工程６で解析した最終変位量の関係から圧密降伏応力を解析する工程である。具体的には、孔内載荷試験工程５にて載荷された載荷圧力を横軸に、その載荷圧力における最終変位量を縦軸にプロットする。そのプロットについて線形近似曲線を作成すると、図５に示すように傾きの異なる２本の線形近似曲線を作成することができ、この２本の線形近似曲線の交点の応力（図中の矢印部位の応力）を圧密降伏応力とした。

なお、前記孔内載荷試験工程５で得られた変位量ではなく、最終変位量解析工程６にて解析した最終変位量を用いて圧密降伏応力を解析することにより、図６に示すように、８ｋＮ／ｍ２程度まで解析誤差を小さくすることができた。
このように解析値の誤差を８ｋＮ／ｍ２程度まで小さくすることができたので、実務上は「解析値−１０ｋＮ／ｍ２」で適用することにより、戸建住宅が圧密沈下を起こすかどうかの判定を行うことができる。

前記沈下量解析工程１１は、膨張体４の周辺地盤の最終ひずみ量−載荷圧力関係から上載荷重を載荷した場合の概略沈下量を解析する工程である。具体的には、膨張体４に荷重を載荷した場合の周辺地盤の変形影響範囲Ａ（Ａ≒膨張体の直径の４倍）を有限要素解析等で設定し、図５の縦軸をＡで除することにより載荷圧力毎の図７に示す最終ひずみ量を計算できる。沈下対象層を代表する有効土被り圧Ｐｏと「Ｐｏ＋建物荷重△Ｐ」に対応する最終ひずみの差△εを読取り、以下の式で上載荷重が載荷した後の概略最終沈下量を算定する。
Ｈ×△ε
ここでＨ：沈下対象層の厚さ
通常、上載荷重が載荷された場合の沈下量は土の段階載荷試験結果より同様の計算方法を用いて求めるが、図７に示すように孔内載荷試験結果を用いてもほぼ同様の沈下量が得られる。

なお、本実施の形態においては沈下量解析工程まで行う圧密降伏応力の調査方法としたが、本発明では沈下量解析工程を必ずしも行う必要はなく、圧密降伏応力解析工程まで行う圧密降伏応力の調査方法としてもよい。

本発明は構造物を設計・施工するための沈下予測などの土木・建築分野などの産業で利用される。

１：圧密降伏応力の調査方法、 ２：調査用孔、
３：削孔工程、 ４：膨張体、
５：孔内載荷試験工程、 ６：最終変位量解析工程、
７：圧密降伏応力解析工程、 ８：孔内載荷試験装置、
９：圧力発生装置、 １０：測定器、
１１：沈下量解析工程。

Claims (3)

1. 調査地盤に調査用孔を略垂直方向に形成する削孔工程と、該削孔工程で形成した調査用孔内に膨張体を挿入し、あるいはセルフボーリングで膨張体を設置し、該膨張体を膨張させ調査用孔の壁面に対して段階載荷し、各圧力における地盤の変位量を測定する孔内載荷試験工程と、該孔内載荷試験工程で測定した変位量から最終変位量を解析する最終変位量解析工程と、該最終変位量解析工程より解析された最終変位量と載荷圧力から圧密降伏応力を解析する圧密降伏応力解析工程とで成り、前記圧密降伏応力解析工程で得られる最終変位量−載荷圧力と設定した膨張体載荷時の周辺地盤への影響範囲から、最終ひずみ量−載荷圧力関係を解析し、上載荷重を載荷した場合の概略沈下量を解析する沈下量解析工程をさらに行うことを特徴とする圧密降伏応力の調査方法。
2. 前記調査用孔は、直径１ｃｍ〜１０ｃｍであることを特徴とする請求項１に記載の圧密降伏応力の調査方法。
3. 前記最終変位量解析工程は、統計的手法を用いて最終変位量を解析すること特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の圧密降伏応力の調査方法。

Images