JP6832211B2

JP6832211B2 - 地盤調査装置及び地盤調査方法

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Publication number: JP6832211B2
Application number: JP2017069958A
Authority: JP
Inventors: 和貴二川; 哲鎬金
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP2018017112A

Description

本発明は、地盤の液状化判定と支持性能の評価とを行うために対象地盤を調査する地盤調査装置、及びそれを使って調査する地盤調査方法に関するものである。

地盤の安全性のために必要な検討には、基本的に地震時の液状化による被害のおそれの有無と、長期の荷重による不同沈下を生じさせないための支持性能の確認とがある。

従来の一般的な液状化判定は，中〜大規模建築物の場合は標準貫入試験、小規模建築物の場合はスウェーデン式サウンディング（ＳＷＳ）試験などによる原位置試験によって地盤の強度に関する地盤定数を得て、これらの試験と連動して、地下水位の確認や採取装置（サンプラー）を用いた土試料の採取（サンプリング）と土質推定を行い、さらに必要に応じて採取した土試料をさらに詳細な粒度試験で分析することにより行われる。

液状化判定の方法として、特許文献１には、建設現場でＳＷＳ試験を行って得られた各土層の地盤定数から換算Ｎ値を算出し、併せて地下水位の確認を行うとともに、各土層の土質（砂質土か否か）を推定し、予めそれらのパラメータに応じて作成された液状化判定用の図表に基づいて、液状化が起きる地盤か否かを判定するという手法が開示されている。

また、特許文献２には、ケーシングを地中に挿入してスリーブ内に任意の土層の地盤の試料を収納し、液状化発生の条件に相当する振動加速度をケーシング内の試料に与えることにより、直接的に液状化判定を行う方法が開示されている。こうした方法によれば、調査によるばらつきや誤差を抑えるとともに、液状化判定に要する工数や費用も軽減できる可能性がある。

一方、長期の荷重に対する地盤の支持性能の検討は、既往の液状化判定で用いられるＳＷＳ試験やその他の標準貫入試験により得られる地盤の強度に関する地盤定数に基づいて行われる。ここで、建物を支持する構造面での性能という観点からすると、これらの調査法は、それぞれ静的又は動的に地盤に貫入させていく破壊試験であるが、長期及び短期の支持性能との換算方法が多くの実験や実績から導き出されており、建築物の設計では多く採用されている。

これらの調査法に対し、実際に建物を支持している状態に相当する弾性域の地盤定数が得られる物理探査による地盤調査法も提案されている。非特許文献１では、物理探査の１つとして「速度検層」を解説している。そこで示されている地盤の弾性波速度検層方法は、標準貫入試験の際に掘削されるボーリング孔を用い、地表面をカケヤなどで起振して発生したせん断波をボーリング孔内に設置した受振器で測定してせん断波速度を算出する方法と、孔内に起振装置と受振器とを含む装置を挿入して測定をおこなうことでせん断波速度を算出する方法とがある。これらの調査法は「ＰＳ検層」とも呼ばれ適用事例も多い。

一方、小規模建築物では、対象とする地盤の深度、敷地面積又は経済的な観点からボーリングを実施することが少ないため、こうした速度検層と同等の結果を得る簡便な方法として、特許文献３−５に開示されているような表面波探査による地盤調査法が行われている。これらの特許文献で提案された調査法は、地盤を掘削することなく地表面において起振機によりせん断波を発生させ、地表面に設置された２つの加速度検出器で計測を行い、検出器の設置間隔と発生させたせん断波の到達時間差とから伝搬平均速度を算出するものである。

この表面波探査による地盤調査法は、非破壊で調査ができ、直接的に精度良く弾性域の硬軟がわかるという長所を有する反面、土質の評価が難しいために、この調査法単独では液状化のおそれに関する詳細な検討ができないことが課題である。特許文献６には、得られたせん断波の速度構造から、液状化判定の必要性を判断する対象層を特定し、その対象層での位相速度及び対応する周波数並びにその周波数に対応するせん断波の上下振幅とから算出される内部減衰を用いて、対象層の土質性状を推定し、「液状化判定の必要性」を判断することを開示しているが、多くの仮定のもとに算出されているものであって、あくまで概略判定である。

一方、特許文献７には、調査対象地盤に対して最初にスウェーデン式サウンディング試験を行って液状化判定をし、液状化する地盤ではないと判定された場合に、表面波探査試験を行う地盤調査方法が開示されている。

特許第４９２８０９４号公報特許第５５２６２９０号公報特開２００２−３４１０４８号公報特開２００５−１２７７６０号公報特開平９−１７８８６３号公報特開２００２−５５０９０号公報特開２０１５−１９６９６６号公報

公益社団法人地盤工学会，「地盤調査の方法と解説（二分冊の１）」，平成２５年３月，p.９８−１０７

しかしながら、それぞれの目的に対して必要な地盤調査を個別に行うこととなれば、地盤調査に要する工数や費用が調査毎に掛かることになるため、負担は少なくない。

そこで、本発明は、液状化判定と物理探査による地盤の支持性能の評価を連続して行うことにより、地盤調査に要する工数及び費用を大幅に軽減することが可能な地盤調査装置、及びそれを使って調査する地盤調査方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の地盤調査装置は、地盤の液状化判定と支持性能の評価とを行うために対象地盤を調査する地盤調査装置であって、前記対象地盤に貫入させるケーシングと、前記ケーシングに振動を与える加振機と、前記対象地盤の地表面上に間隔を置いて配置された複数の加速度検出器と、前記加速度検出器からの検出信号に基づいて伝搬平均速度を算出する演算処理部と、前記対象地盤の液状化判定及び支持性能の評価を行う判定評価部とを備え、前記判定評価部では、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与された結果から液状化判定が行われるとともに、前記伝搬平均速度から支持性能が評価されることを特徴とする。
ここで、加速度検出器又は荷重検出器を前記加振機又はケーシングに接続される軸部に配置させることもできる。

また、別の地盤調査装置の発明は、地盤の液状化判定と支持性能の評価とを行うために対象地盤を調査する地盤調査装置であって、前記対象地盤に貫入させるケーシングと、前記ケーシングに振動を与える加振機と、前記加振機の振動回数を測定する振動回数測定部と、前記振動回数から伝搬平均速度又は地盤剛性を算出する演算処理部と、前記対象地盤の液状化判定及び支持性能の評価を行う判定評価部とを備え、前記判定評価部では、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与された結果から液状化判定が行われるとともに、前記伝搬平均速度又は地盤剛性から支持性能が評価されることを特徴とする。

さらに、前記ケーシングの先端には水位センサが取り付けられており、前記水位センサによって地下水が検知された場合に、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与される構成とすることもできる。

さらに、前記ケーシング内には水圧検出器が取り付けられており、前記加振機によって振動が付与されている間の間隙水圧が前記水圧検出器によって測定され、前記判定評価部では、間隙水圧が任意に設定した条件を超えた場合に液状化と判定する構成とすることができる。

また、前記判定評価部では、前記伝搬平均速度から地盤の支持性能の評価指標となる地盤の許容支持力度及び推定沈下量が算出される構成とすることもできる。さらに、前記判定評価部では、前記伝搬平均速度から表層地盤の周期及び増幅率が算出される構成とすることもできる。

そして、地盤調査方法の発明は、地盤の液状化判定と支持性能の評価とを行うために対象地盤を、上記いずれかに記載の地盤調査装置を使って調査する地盤調査方法であって、前記対象地盤に前記ケーシングを貫入する工程と、前記ケーシングに前記加振機によって液状化が発生する条件の振動を与える工程と、前記加速度検出器、荷重検出器又は振動回数測定部による計測を行う工程と、前記判定評価部により液状化判定を行う工程と、前記液状化判定の結果、液状化と判定されなかった場合に前記演算処理部で前記伝搬平均速度を算出して支持性能の評価を行う工程とを備えたことを特徴とする。

このように構成された本発明の地盤調査装置及び地盤調査方法は、対象地盤に貫入されるケーシングを振動させる加振機と、地表面上に配置される加速度検出器とを備えている。また、判定評価部では、対象地盤の液状化判定及び支持性能の評価が行われる。

このため、液状化判定と物理探査による地盤の支持性能の評価を連続して行うことができ、地盤調査に要する工数及び費用を大幅に軽減することが可能になる。

また、液状化判定と物理探査の両方で加振機が兼用される構成であるため、部品コストが削減できるうえに、調査中の据え替えが不要となる。さらに、液状化判定と物理探査の両方を行うので、精度が高い地盤調査結果を得ることができる。

そして、地表面上に配置される加速度検出器であれば、汎用の加速度計が使用できるため、簡単に構成することができる。一方、加振機又はケーシングに接続される軸部に加速度検出器又は荷重検出器が配置される場合は、地盤調査装置の設置及び撤去を簡単に行うことができる。

さらに、加速度検出器等に代えて振動回数測定部を設けた場合は、加振機の振動回数を測定することで、得られた振動回数の測定結果から対象地盤の伝搬平均速度や地盤剛性を求めることができる。このため、地盤の支持性能や地盤の揺れやすさに関する評価指標を、振動回数から算出させることができる。

また、水位センサを設ける構成であれば、地下水を検知したときのみ詳細な液状化判定を行うことができるようになり、地下水位以深か否かによって液状化の判定を簡略化して効率的に調査を進めることができる。

さらに、ケーシング内に水圧検出器が取り付けられて、振動の付与時の過剰間隙水圧の変化が把握できる構成であれば、液状化が発生する地盤か否かの判定を高精度で行うことができる。

また、判定評価部では、伝搬平均速度から地盤の許容支持力度及び推定沈下量という地盤の支持性能の評価指標を自動的に算出させることができる。さらに、表層地盤の周期及び増幅率という地震時の地盤の揺れやすさに関する評価指標を、自動的に算出させることもできる。

本実施の形態の地盤調査装置の構成を示した説明図である。本実施の形態の地盤調査方法を説明するフローチャートである。貫入試験機の構成を示した説明図である。対象地盤の上部層の試験状況を示した説明図である。対象地盤の中間層の試験状況を示した説明図である。対象地盤の下部層の試験状況を示した説明図である。振動の周期及び加速度と震度との関係を説明する図である。過剰間隙水圧比の変化の一例を示した図である。実施例１の貫入試験機の構成を示した説明図である。対象地盤の上部層の試験状況を示した説明図である。対象地盤の中間層の試験状況を示した説明図である。対象地盤の下部層の試験状況を示した説明図である。実施例２の貫入試験機の構成を示した説明図である。実施例２の別の貫入試験機の構成を示した説明図である。実施例２の地盤調査装置によって得られた加速度又は荷重のデータの利用方法を説明する図である。実施例３の地盤調査装置で測定される振動回数を説明する図である。フーリエ変換による振動解析の一例を示した説明図である。振動数とせん断波速度（伝搬平均速度）との相関関係を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の地盤調査装置１の構成を説明するためのブロック図である。また、図２は、本実施の形態の地盤調査方法の工程を説明するフローチャートである。

本実施の形態の地盤調査装置１は、貫入試験機２と、調査の対象地盤Ｇの地表面Ｇ１に生じる加速度を計測する加速度検出器５Ａ，５Ｂと、貫入試験機２及び加速度検出器５Ａ，５Ｂの制御処理部７と、計測データを記憶させるとともに各種演算処理を行うパーソナルコンピュータなどのＰＣ部８とによって主に構成される。

貫入試験機２は、図３に示すように、ベースマシンとなる小型掘削機２１と、対象地盤Ｇに貫入させるケーシング３と、ケーシング３に振動を与える加振機４とによって主に構成される。

小型掘削機２１は、ボーリング試験装置よりも簡易な構成の移動式の掘削機であって、クローラタイプのバイブロドリル掘削機などが使用できる。小型掘削機２１は、アーム２３の先端にリーダ２２が取り付けられており、鉛直方向に向けて柱状に立てられたリーダ２２に沿って、スライダ２４を上下方向に移動させることができる。

スライダ２４とともに上下動可能な軸部であるロッド２５は、地盤調査時にはケーシング３が接続される。このケーシング３は、上方に配置される加振機４に接続されており、加振機４によってケーシング３に任意の周波数の上下方向の振動を付与することができる。

また、ケーシング３の先端には、水位センサ６１が取り付けられる。さらに、ケーシング３の内空には、水圧検出器６２が取り付けられる。このため、ケーシング３の先端が、地下水Ｗが存在する地層に突入すると、水位センサ６１によって検知される。さらに、ケーシング３内に周囲の水が入り込んで地下水Ｗと連通されると、水圧検出器６２によって地層の間隙水圧が測定できるようになる。

加速度検出器５Ａ，５Ｂは、図１に示すように、調査が行われる対象地盤Ｇの地表面Ｇ１上に間隔Ｌを置いて設置される。詳細には、貫入試験機２から少し離れた位置で、間隔Ｌだけ離して２つの加速度検出器５Ａ，５Ｂが設置される。

制御処理部７は、加振機４の振動を制御する発振部７１と、各種センサ等からのデータを収集する計測部７２と、計測部７２で収集されたデータを信号に変換する信号処理部７３と、ＰＣ部８との送受信を行うための通信部７４とによって主に構成される。

発振部７１では、加振機４に付与する振動の加速度と周期を制御することができる。この加速度と周期は、ＰＣ部８で任意に設定することができる。そして、実際に加振機４によって付与された振動の加速度と周期のデータは、計測部７２によって収集される。

また、計測部７２では、水位センサ６１の検知データが収集される。さらに、水圧検出器６２によって検出された水圧のデータも、計測部７２によって収集される。

また、加速度検出器５Ａ，５Ｂも計測部７２に接続されており、加振機４によって発生したケーシング３の振動が、対象地盤Ｇを伝搬して地表面Ｇ１に到達することで加速度検出器５Ａ，５Ｂによって検知される。

加速度検出器５Ａ，５Ｂによって検知された加速度波形の検出信号は、信号処理部７３においてノイズ除去のためのフィルタ処理などが施されて、通信部７４を介してＰＣ部８に計測データとして送信される。

ＰＣ部８は、通信部（図示省略）などの一般的なコンピュータの構成の他に、データ記憶部８１、演算処理部８２、判定評価部８３などを備えている。データ記憶部８１には、計測部７２によって収集されて送信されてきた計測データを蓄積させる。

また、演算処理部８２では、データ記憶部８１に記憶された計測データに基づいた各種演算が行われる。さらに、判定評価部８３では、データ記憶部８１に記憶された計測データや演算処理部８２によって演算された値に基づいて、対象地盤Ｇの液状化判定及び支持性能の評価が行われる。

次に、本実施の形態の地盤調査装置１を使用した地盤調査方法について説明する。図２は、本実施の形態の地盤調査方法の調査の流れを説明するフローチャートである。

まずステップＳ１では、対象地盤Ｇの地表面Ｇ１に貫入試験機２を据え付けるとともに、加速度検出器５Ａ，５Ｂが間隔Ｌを置いて地表面Ｇ１上に設置される（図１及び図４参照）。

貫入試験機２に取り付けられたケーシング３は、例えば25cm単位や50cm単位などの設定された測定単位に従って、鉛直方向に段階的に貫入されていく（ステップＳ２）。

そして、液状化判定を行う地層にケーシング３が到達したときに、加振機４によって振動が付与されることになる。ここで、図７に示すように、地震の震度の大きさによって、振動の周期と加速度との間には一定の関係がある。

このため、試験を行う前のケーシング３を所望する深度まで貫入させるための掘進の際には、発振部７１によって地震動の対象とならないような高周波数（例えば20Hz−50Hz程度）の振動を付与することで、ケーシング３を推進させればよい。

そして、図４に示すように、対象地盤Ｇの上部層Ｇ２の調査が開始される。ステップＳ３では、対象地盤Ｇのある地域の設計時に想定すべき地震の大きさに基づいて、上部層Ｇ２に振動が付与される。

例えば、震度６弱の中地震動を設計目標値とした建物を構築する場合、図７に示すように、0.5sec（2Hz）の周期で200galの加速度の振動を、加振機４によってケーシング３に付与する。この付与する振動の周期と加速度の設定は、ＰＣ部８で行われ、その設定された周期と加速度の正弦波振動が、発振部７１の制御により加振機４からケーシング３に付与される。

ここまでの貫入過程において、ケーシング３の先端に取り付けられた水位センサ６１が水を検知していなければ、上部層Ｇ２は地下水Ｗ以浅の液状化が起き難い地層と判定できる。例えば、判定評価部８３では、水位センサ６１によって水が検知されていない状態をもって、「液状化なし」と判定させることができる（ステップＳ４）。

一方、ケーシング３が振動すると、図４に模式的に示すように、上部層Ｇ２をせん断波Ｐ１が伝搬し、地表面Ｇ１上に設置された加速度検出器５Ａ，５Ｂによって伝搬された振動が検出される（ステップＳ５）。

加速度検出器５Ａ，５Ｂによってそれぞれ検出された検出信号は、信号処理部７３でフィルタ処理された後に、ＰＣ部８に送信される。そして、ステップＳ６では、演算処理部８２において伝搬平均速度V_sが算出される。

伝搬平均速度V_sは、２つの加速度検出器５Ａ，５Ｂの間隔Ｌと、せん断波Ｐ１の到達時間差とにより算出することができる。そして、算出された伝搬平均速度V_sから、上部層Ｇ２の地盤の支持性能の評価指標を算出することができる（ステップＳ７）。

以下に、地盤の支持性能の評価指標としての許容支持力度の算定方法について説明する。伝搬平均速度V_sに基づいて算出される地盤の許容支持力度の算定式は、砂質土地盤の許容支持力度q_asと、粘性土地盤の許容支持力度q_acというように土質によって異なっている。

＜砂質土地盤の場合＞
q_as=((6.50×10^-3)×0.954V_s+4.70)×β×B_F×N_γ
＜粘性土地盤の場合＞
q_ac=14.63×10^-4×α×(0.954V_s)^2.2573
ここで、α、βは基礎の形状係数、B_Fは基礎底面の短辺幅、N_γは支持力係数を示す。こうした式は、例えば国土交通省告示第1113号第二「地盤の許容応力度を定める方法」の支持力式から導くことができる。

さらに、伝搬平均速度V_sに基づいて、地盤の支持性能の評価指標として推定沈下量を算定することができる。ここで、推定沈下量には、即時沈下量S_eと、圧密沈下量S_dとの２種類がある。

＜即時沈下量＞
S_e=I_S×(1-ν_s ²)×(q_s×B)/E'
E'=0.0019V_s ³+1.34V_s ²
ここで、I_Sは沈下係数、q_sは基礎に作用する荷重度、Bは基礎底面幅を示す。

＜圧密沈下量＞
S_d=m_v×(σ+Δσ'-P_y)×h
P_y=98×((0.954V_s)/95)^1.961
ここで、m_vは体積圧縮係数、σは有効上載圧、Δσ'は増加有効地中応力、hは層厚を示す。こうした式は、「建築基礎構造設計指針（一般社団法人日本建築学会，2001年版）」の沈下量算定式から導くことができる。

さらに、伝搬平均速度V_sから表層地盤となる上部層Ｇ２の周期と増幅率を推定することもできる。要するに、地震時の地盤の揺れやすさを把握することができる。

この地震時の地盤の揺れやすさについては、例えば限界耐力計算で使われている表層地盤増幅特性を計算する方法によって、地盤の支持性能の評価指標として算定することができる。また、「2001年版限界耐力計算法の計算例とその解説（国土交通省住宅局建築指導課外）」に従って算定することもできる。

上部層Ｇ２の調査が完了した後には、再びケーシング３を貫入させて、図５に示すように、対象地盤Ｇの中間層Ｇ３の調査を開始する。この中間層Ｇ３は、地下水Ｗ以深の地層であるため、貫入中にケーシング３の先端に取り付けられた水位センサ６１が水を検知して、ＰＣ部８に検知データが送信される。

このため、中間層Ｇ３では、まず、液状化の判定が行われる（ステップＳ４）。液状化の判定に際しては、ステップＳ３で説明したように、設計時に想定すべき地震に基づいて中間層Ｇ３に振動が付与される。

ケーシング３によって中間層Ｇ３に振動が与えられると、液状化が発生するおそれのある地層では、図８に示すように間隙水圧が上昇することになる。ケーシング３の内部には、水圧検出器６２が取り付けられているので、振動付与時の中間層Ｇ３の間隙水圧の変化を捉えることができる。

地層には、通常その上部の荷重による地中応力が作用しており、各層において上載圧による地中応力と間隙水圧との差が実際の地中の有効応力となるが、間隙水圧が過度に増加していくと、有効応力がほぼ0の状態になって液状化が発生することになる。

図８は、過剰間隙水圧比の変化の一例を示したものであるが、過剰間隙水圧比が1.0に近い段階というのは、有効応力が殆ど無くなった状態であり、判定評価部８３では「液状化が発生する層である」という判定がされることになる。

そこで、水圧検出器６２によって検出された間隙水圧の計測データから演算処理部８２で算出された過剰間隙水圧比が、予め定められた閾値を超えたときに、ステップＳ４では液状化が発生していると判定する。そして、液状化発生箇所ＧＷを有する中間層Ｇ３が液状化層と判定されると、有効な地盤補強を行う必要があると判断されることになる。

このため、中間層Ｇ３に対するその後の地盤の支持性能の評価指標の算定は行う必要がなくなる。すなわち、地盤補強によって中間層Ｇ３の支持性能が向上することになるため、この時点での算定が不要になる。

中間層Ｇ３の調査が完了した後には、再びケーシング３を貫入させて、図６に示すように、対象地盤Ｇの下部層Ｇ４の調査を開始する。この下部層Ｇ４も地下水Ｗ以深の地層であるため、判定評価部８３において液状化判定が行われる。

想定地震条件による加振（ステップＳ３）を行って液状化が発生していないと判定（ステップＳ４）されると、下部層Ｇ４を伝搬したせん断波Ｐ２を検出した地表面Ｇ１の加速度検出器５Ａ，５Ｂの計測データに基づいて、伝搬平均速度V_sが算出される（ステップＳ６）。そして、ステップＳ７では、算出された伝搬平均速度V_sから下部層Ｇ４の地盤の支持性能の評価指標が算出される。

次に、本実施の形態の地盤調査装置１、及びそれを使用した地盤調査方法の作用について説明する。

このように構成された本実施の形態の地盤調査装置１は、対象地盤Ｇに貫入されるケーシング３を振動させる加振機４と、地表面Ｇ１上に配置される加速度検出器５Ａ，５Ｂとを備えている。また、判定評価部８３では、対象地盤Ｇの液状化判定及び支持性能の評価が行われる。

まずは、液状化判定と物理探査の両方で加振機４が兼用される構成であるため、貫入試験機２の部品コストを削減することができる。さらには、調査中に液状化判定と物理探査の両方を行うにも、貫入試験機２であれば据え替えが不要であるため、別々の装置で調査を行う場合と比べて工数及び工費を減らすことができる。
また、地表面Ｇ１上に配置される加速度検出器５Ａ，５Ｂであれば、汎用の加速度計が使用できるため、簡単に構成することができる。

そして、本実施の形態の地盤調査装置１であれば、液状化判定と物理探査の両方を行うので、多面的な判断が可能となり、精度の高い地盤調査結果を得ることができる。

また、ケーシング３の先端に水位センサ６１が取り付けられていれば、地下水Ｗを検知したときのみ、過剰間隙水圧比などに基づく詳細な液状化判定を行うという構成にすることができる。すなわち、地下水位以深か否かによって液状化の判定を簡略化することで、液状化のおそれのない地層の調査が短時間で行えるようになり、効率的に調査を進めていくことができる。

さらに、ケーシング３内に水圧検出器６２が取り付けられて、振動の付与時の過剰間隙水圧の変化が把握できるようにすることで、液状化が発生する地盤か否かの判定を高精度で行うことができるようになる。

また、判定評価部８３では、伝搬平均速度V_sから地盤の許容支持力度及び推定沈下量という地盤の支持性能の評価指標を自動的に算出させることができる。さらに、表層地盤の周期及び増幅率という地震時の地盤の揺れやすさに関する評価指標も、判定評価部８３によって自動的に算出させることができる。

以下、前記した実施の形態とは別の形態の実施例１について、図９−図１２を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。

本実施例１では、前記実施の形態とは構成が異なる貫入試験機９について説明する。実施例１の貫入試験機９は、図９に示すように、ベースマシンとなるＳＷＳ試験機９１と、対象地盤Ｇに貫入させるケーシング３Ａと、ケーシング３Ａに振動を与える加振機４Ａとによって主に構成される。

ＳＷＳ試験機９１は、小規模建築物の地盤調査で実績があるスウェーデン式サウンディング試験機である。ＳＷＳ試験機９１は、スウェーデン式サウンディング（ＳＷＳ）試験の際に使用されるスクリューポイントに段階的に荷重を載荷させるための錘部９２を備えている。

このＳＷＳ試験機９１の軸部であるロッド９３には、ケーシング３Ａが接続される。また、ケーシング３Ａは、上方に配置される加振機４Ａに接続されており、加振機４Ａによってケーシング３Ａに任意の周波数の上下方向の振動を付与することができる。

さらに、ケーシング３Ａの先端には、水位センサ６１が取り付けられる。また、ケーシング３Ａの内空には、水圧検出器６２が取り付けられる。なお、加速度検出器５Ａ，５Ｂ、制御処理部７及びＰＣ部８の構成は、前記実施の形態で説明した貫入試験機２と同じになるため、詳細な説明は省略する。

次に、本実施例１の貫入試験機９を備えた地盤調査装置を使用した地盤調査方法について説明する。まずステップＳ１では、対象地盤Ｇの地表面Ｇ１に貫入試験機９を据え付けるとともに、加速度検出器５Ａ，５Ｂが間隔Ｌを置いて地表面Ｇ１上に設置される（図１０参照）。

貫入試験機９に取り付けられたケーシング３Ａは、測定単位に従って鉛直方向に段階的に貫入されていき、液状化判定を行う地層にケーシング３Ａが到達したときに、加振機４Ａによって振動が付与されることになる。

ここで、貫入試験機９による地盤調査の前に、対象地盤Ｇに対してＳＷＳ試験が行われていた場合は、その試験孔を利用することができる。その際には、試験孔よりも少し大き目の直径のケーシング３Ａが、試験孔に貫入されることになる。

そして、図１０に示すように、対象地盤Ｇの上部層Ｇ２の調査が開始される。ここまでの貫入過程において、ケーシング３Ａの先端に取り付けられた水位センサ６１が水を検知していなければ、判定評価部８３では「液状化なし」という簡略化された判定が行われる。

続いて、対象地盤Ｇのある地域の設計時に想定すべき地震の大きさに基づいてＰＣ部８で設定された周期と加速度の正弦波振動が、加振機４Ａによってケーシング３Ａに付与される。

ケーシング３Ａが振動すると、上部層Ｇ２を伝搬したせん断波Ｐ１が加速度検出器５Ａ，５Ｂによって検出され、制御処理部７を介してＰＣ部８に送信される。この計測データに基づいて、演算処理部８２では伝搬平均速度V_sが算出される。

さらに、算出された伝搬平均速度V_sから、上部層Ｇ２の地盤の支持性能の評価指標として、許容支持力度及び推定沈下量が算出される。このようにして上部層Ｇ２の調査が完了した後には、再びケーシング３Ａを貫入させて、図１１に示すように、対象地盤Ｇの中間層Ｇ３の調査を開始する。

この中間層Ｇ３は、地下水Ｗ以深の地層であるため、貫入中にケーシング３Ａの先端に取り付けられた水位センサ６１が水を検知して、ＰＣ部８に検知データが送信される。

そして、中間層Ｇ３では、まず、判定評価部８３において液状化の判定が行われる。ここで「液状化が発生する層である」という判定がされると、中間層Ｇ３の調査は終了し、再びケーシング３Ａを下部層Ｇ４に向けて貫入させることになる。

続いて、図１２に示すように、対象地盤Ｇの下部層Ｇ４の調査が開始される。この下部層Ｇ４も地下水Ｗ以深の地層であるため、判定評価部８３において液状化判定が行われ、液状化が発生していないと判定された場合には、伝搬平均速度V_sが算出されて、それに基づいて下部層Ｇ４の支持性能の評価指標が算出される。

このように構成された実施例１の地盤調査装置は、ＳＷＳ試験機９１をベースに貫入試験機９を構成するため、ＳＷＳ試験を実施した後に、その延長線上で地盤調査を追加することが容易にできる。

この場合は、ＳＷＳ試験と同じ試験孔を利用することができるので、ケーシング３Ａの貫入が容易になる。さらに、ＳＷＳ試験の試験結果である地盤定数などと併せて、総合的に土質性状を判定することができるようになる。
なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態又は他の実施例と略同様であるので説明を省略する。

以下、前記した実施の形態及び実施例１とは別の形態の実施例２について、図１３−図１５を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態又は実施例１で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。

本実施例２では、前記実施の形態及び実施例１で説明した地盤調査装置１のように加速度検出器５Ａ，５Ｂを地表面Ｇ１上に設置するのではなく、加速度検出器又は荷重検出器を備えた貫入試験機２Ａ，９Ａによって構成される地盤調査装置について説明する。

まず、図１３を参照しながら貫入試験機２Ａについて説明する。この貫入試験機２Ａは、前記実施の形態で説明した貫入試験機２と同じ構成である。相違する点は、貫入試験機２Ａの加振機４又は加振機４とケーシング３とを接続させる軸部であるロッド２５に、加速度検出器２６が取り付けられている点である。

小型掘削機２１によって振動を与えながら掘削するということは、いわば地盤に動的に載荷試験をしていることになるため、せん断剛性を求める試験と同様の結果が得られることになる。そこで、加振機４又はロッド２５に加速度検出器２６（又は荷重検出器）を取り付けることで、貫入試験機２Ａ自体で加速度等の計測が行えるようにする。

貫入試験機２Ａのケーシング３を、加振機４で振動を与えながら対象地盤Ｇに掘進させていくと、図１５の左端に示すように、掘進方向（下方向）と上方向へのリバウンドを繰り返しながら貫入が行われることになる。同質の地層内では、多少のばらつきがあったとしても、ほぼ同様の加速度（又は荷重）が計測されることになり、地層境界を超えると加速度（又は荷重）も変化することになる。

一方、計測された加速度（又は荷重）の測定値が０に近い状態は、液状化が発生している状態と考えられる。そこで、加速度検出器２６によって検出された値が閾値より小さくなった場合に、判定評価部８３において「液状化が発生する層である」という判定をさせることができる。

そして、加速度の計測データを一定の深度ごと（例えば1cm単位）に加重平均化すると、図１５の中央に示すように、区間ごと（地層ごと）の地盤剛性が算出されることになり、地盤の支持性能の評価指標とすることができる。

さらに、算出された地盤剛性は、図１５の右端に示すようにせん断波速度（伝搬平均速度）に近似するため、前記実施の形態で説明したような許容支持力度や推定沈下量などの地盤の支持性能の評価指標を算出させることもできる。

一方、図１４に示した貫入試験機９Ａは、前記実施例１で説明した貫入試験機９と同じ構成である。相違する点は、貫入試験機９Ａの加振機４Ａ又は加振機４Ａとケーシング３Ａとを接続させる軸部であるロッド９３に加速度検出器９４が取り付けられている点である。

このように構成された実施例２の貫入試験機２Ａ，９Ａを備えた地盤調査装置は、加振機４，４Ａ又はロッド２５，９３に加速度検出器２６，９４（又は荷重検出器）が配置されているので、別途、加速度検出器５Ａ，５Ｂを設置する必要がなく、地盤調査装置の設置及び撤去を簡単に行うことができる。
なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態又は他の実施例と略同様であるので説明を省略する。

以下、前記した実施の形態及び実施例１，２とは別の形態の実施例３について、図１６−図１８を参照しながら説明する。なお、前記実施の形態又は実施例１，２で説明した内容と同一乃至均等な部分の説明については、同一用語又は同一符号を付して説明する。

本実施例３では、前記実施の形態及び実施例１で説明した地盤調査装置１のように加速度検出器５Ａ，５Ｂを地表面Ｇ１上に設置したり、実施例２で説明したように加速度検出器又は荷重検出器を備えた貫入試験機２Ａ，９Ａによって構成される地盤調査装置を使用したりするのではなく、加振機４，４Ａの振動回数を測定する構成の地盤調査装置を使用する。

地盤調査装置では、前記実施の形態及び実施例１，２などで説明したように対象地盤Ｇに加振機４，４Ａによって振動を与える。そこで本実施例３では、この加振機４，４Ａの振動回数を振動回数測定部によって測定する。

振動回数を測定する振動回数測定部としては、例えば加振機４，４Ａから出力される信号から振動を測定するものが利用できる。振動回数とするためには、単純に単位時間あたりに発生した振動を読み取らせることができる。また、等速で掘進していく場合は、単位深度あたりに発生させた振動を振動回数とすることもできる。

図１６は、1cmの掘進をするのに５回振動させた場合の荷重と深度との関係を例示している。振動回数は、振動数と相関のある値のため、図１７に示すようにフーリエ変換による振動解析を行うことができる。ここで、図１７のＦＡは、地盤調査装置で起振させた振動回数に該当するピークを示し、ＦＢは対象地盤Ｇの卓越振動数を示している。

ここで、対象地盤Ｇの卓越振動数ＦＢは、振動の影響範囲の土の地盤剛性kと、影響範囲の土の重量mによるものと考えられる。振動の影響範囲と重量は、土質ごとに異なることになるが、換言すれば土質ごとにある程度決定できる指標と言える。すなわち、対象地盤Ｇの地盤剛性kは、振動数fに土質ごとの係数（m）を乗じることで求められることになる。
f＝(k/m)^0.5/2π （１）

また、表面波探査による地盤調査法で求められるせん断波速度Ｖ（伝搬平均速度）も、地盤剛性kと相関性のある数値である。このため、図１８に示すように、土質ごとの卓越振動数ＦＢとせん断波速度Ｖとの相関関係から、振動数fに置き換えた以下の式が求められる。
Ｖ＝β_S・f （２）
ここで、係数β_Sは土質ごとに特定される係数である。実測値に基づいてある土質の係数β_Sを求めると、β_S＝1.2という値が得られた。このように、土質ごとに係数β_Sを算出しておくことで、振動数fから伝搬平均速度（Ｖ）を直接的に算出することができる。

さらに、上記（１），（２）式を整理すると、以下の（３）式で表される。
k＝α_S・f² （３）
ここで、係数α_Sは、振動の影響範囲と影響範囲の土の重量mとで規定される係数である。要するに、α_Sを土質ごとに設定することで、（３）式によって直接的に振動数f(Hz)から地盤剛性kを求めることが可能になる。

そして、係数α_Sを調整することで、振動数f(Hz)は単純に単位時間あたりの振動回数と置き換えることができる。また、等速で掘進していく場合は、単位深度あたりの振動回数を振動数fに置き換えられるように係数α_Sを調整することもできる。

また、深さ方向に地盤の硬軟の変化を相対比較するような場合には、振動の荷重値Pによる重み付けを行うために、荷重値Pを乗じることを前提に係数α_Sを調整することもできる。

このように構成された実施例３の地盤調査装置は、振動回数測定部を備えているため、加振機４，４Ａの振動回数を測定することができる。そして、得られた振動回数の測定結果から対象地盤Ｇの伝搬平均速度や地盤剛性kを求めることで、地盤の支持性能や地盤の揺れやすさに関する評価指標を算出させることができる。
なお、他の構成及び作用効果については、前記実施の形態又は他の実施例と略同様であるので説明を省略する。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態又は実施例に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。

例えば、前記実施の形態及び実施例では、水位センサ６１及び水圧検出器６２を備えた構成について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、地下水の有無に関わらず液状化判定を行う場合は、水位センサ６１を省略することができる。また、水圧検出器６２が省略されていても、加速度検出器５Ａ，５Ｂ，２６，９４の検出結果から液状化の発生の有無を判定することができる。

１地盤調査装置
２貫入試験機
２５ロッド（軸部）
３ケーシング
４加振機
５Ａ，５Ｂ加速度検出器
６１水位センサ
６２水圧検出器
８２演算処理部
８３判定評価部
９貫入試験機
９３ロッド（軸部）
３Ａケーシング
４Ａ加振機
２Ａ，９Ａ貫入試験機
２６，９４加速度検出器
Ｇ対象地盤
Ｇ１地表面
Ｗ地下水
Ｌ間隔
V_s 伝搬平均速度

Claims

地盤の液状化判定と支持性能の評価とを行うために対象地盤を調査する地盤調査装置であって、
前記対象地盤に貫入させるケーシングと、
前記ケーシングに振動を与える加振機と、
前記対象地盤の地表面上に間隔を置いて配置された複数の加速度検出器と、
前記加速度検出器からの検出信号に基づいて伝搬平均速度を算出する演算処理部と、
前記対象地盤の液状化判定及び支持性能の評価を行う判定評価部とを備え、
前記判定評価部では、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与された結果から液状化判定が行われるとともに、前記伝搬平均速度から支持性能が評価されることを特徴とする地盤調査装置。
地盤の液状化判定と支持性能の評価とを行うために対象地盤を調査する地盤調査装置であって、
前記対象地盤に貫入させるケーシングと、
前記ケーシングに振動を与える加振機と、
前記加振機又はケーシングに接続される軸部に配置される加速度検出器又は荷重検出器と、
前記加速度検出器又は荷重検出器からの検出信号に基づいて伝搬平均速度を算出する演算処理部と、
前記対象地盤の液状化判定及び支持性能の評価を行う判定評価部とを備え、
前記判定評価部では、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与された結果から液状化判定が行われるとともに、前記伝搬平均速度から支持性能が評価されることを特徴とする地盤調査装置。
地盤の液状化判定と支持性能の評価とを行うために対象地盤を調査する地盤調査装置であって、
前記対象地盤に貫入させるケーシングと、
前記ケーシングに振動を与える加振機と、
前記加振機の振動回数を測定する振動回数測定部と、
前記振動回数から伝搬平均速度又は地盤剛性を算出する演算処理部と、
前記対象地盤の液状化判定及び支持性能の評価を行う判定評価部とを備え、
前記判定評価部では、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与された結果から液状化判定が行われるとともに、前記伝搬平均速度又は地盤剛性から支持性能が評価されることを特徴とする地盤調査装置。
前記ケーシングの先端には水位センサが取り付けられており、前記水位センサによって地下水が検知された場合に、前記加振機によって液状化が発生する条件の振動が付与されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の地盤調査装置。
前記ケーシング内には水圧検出器が取り付けられており、前記加振機によって振動が付与されている間の間隙水圧が前記水圧検出器によって測定され、前記判定評価部では、間隙水圧が任意に設定した条件を超えた場合に液状化と判定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の地盤調査装置。
前記判定評価部では、前記伝搬平均速度から地盤の支持性能の評価指標となる地盤の許容支持力度及び推定沈下量が算出されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の地盤調査装置。
前記判定評価部では、前記伝搬平均速度から表層地盤の周期及び増幅率が算出されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の地盤調査装置。
地盤の液状化判定と支持性能の評価とを行うために対象地盤を、請求項１又は２に記載の地盤調査装置を使って調査する地盤調査方法であって、
前記対象地盤に前記ケーシングを貫入する工程と、
前記ケーシングに前記加振機によって液状化が発生する条件の振動を与える工程と、
前記加速度検出器、荷重検出器又は振動回数測定部による計測を行う工程と、
前記判定評価部により液状化判定を行う工程と、
前記液状化判定の結果、液状化と判定されなかった場合に前記演算処理部で前記伝搬平均速度を算出して支持性能の評価を行う工程とを備えたことを特徴とする地盤調査方法。