JP6936451B2 - 地盤試料のスキャン方法、地盤試料の供試体の生産方法、地盤試料の土質試験方法及び地盤試料のスキャン装置 - Google Patents

Description

本発明は原位置地盤内等での地盤試料のスキャン方法、地盤試料のスキャン装置及びこれらのスキャン方法又はスキャン装置によりスキャンしたデータを利用した地盤試料の供試体の生産方法及びこの供試体を用いた地盤試料の土質試験方法に関する。

従来、今日に至るまで地盤の力学パラメータを知るために、原位置においてサンプリングしたコア（地盤試料）を持ち帰って、この持ち帰ったコアを用いて各種室内試験を実施している。この持ち帰り手法では、多様（強度・変形、透水性、液状化特性等様々）な力学パラメータを知るために、多くの等価な試料を準備する必要がある。しかしこの手法では実際には採取されるコアの中で直近にあるコア同士でも後述の微視構造が大きく異なることも多く、等価な試料とは言い難い。そのため、これを用いた力学試験では、微視構造の違いに起因する結果のばらつきが大きいという欠点があった。

従来の地盤サンプリングは、まず原位置地盤で不攪乱試料を採取し、次に実験室等に持ち帰り、しかる後に各種室内試験を実施することを目的としているが、本来は所定の位置で、所定の深さまでサンプラーを地盤内に回転圧入し、サンプラー内に入り込んだ土試料をサンプラーごと地上まで引き抜いてくる（粘着性の無い砂礫地盤が対象の場合には、予め地盤を凍結や凝固剤を充填するなどして固化した後、サンプラーを引き抜く必要がある）ものである。したがって、地盤は多様な形状を持つ粒子が堆積した集合体（以下、「微視構造」という）から構成されているものであるから、従来の手法では全く等しい粒子形状とそれら粒子が等しく堆積した微視構造の供試体を複数準備することは本来できない。そのため、前述の複数の試験結果には、微視構造の違いに起因する結果のばらつきが不可避的に含まれているという問題点がある。

この問題を解決する方法、すなわち微視構造の違いに起因する結果のばらつきを評価する方法として、近年、Ｘ線ＣＴスキャン技術と３Ｄプリント技術を利用して、微視構造を復元した複数の“擬似”供試体を用いた力学特性評価の方法が示されている（非特許文献１等）。

このような方法を用いることで、等しい微視構造の供試体を複数個準備すること自体は可能となったが、サンプラーにより引き抜いた地盤試料を原位置からＸ線ＣＴスキャンする場所まで運搬する際や、その後の保管等で地盤試料の取扱いによる不用意な攪乱等が発生し、原位置においてサンプリングした地盤試料とは微視構造が異なってしまうおそれが十分にあった。

また、現状のサンプリングでは，ある程度（例えば１ｍ程度）掘り進めたときに、コアキャッチャ等を用いてサンプラー内の地盤サンプルを切って、その都度地上に揚げる必要があるため、連続して長尺の地盤試料をＸ線ＣＴスキャンすることが不可能だった。

松村聡、水谷崇亮 、「地盤の微視的構造の復元と力学特性評価 −リバースエンジニアリングの地盤工学への応用−」、第５０回地盤工学研究発表会発表講演集、平成２７年６月２０日、ｐ．４５１−４５２ 特表２０１１−５２５２７１ 特表２０１３−５１５９５７

本発明は以上のような従来の欠点に鑑み、原位置での地盤試料のスキャンを行うことで地盤試料の取扱いによる不用意な攪乱等を防止できるとともに、長尺の地盤試料のＸ線撮影が可能な地盤試料のスキャン方法、地盤試料の供試体の生産方法、地盤試料の土質試験方法及び地盤試料のスキャン装置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、本発明の地盤試料のスキャン方法は、地盤にサンプラーを貫入するサンプラー貫入工程と、サンプラーの貫入によって形成した地盤試料を、前記サンプラーに設けられた撮影装置を用いて土中でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得するスキャン工程とで構成され、前記撮影装置は、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源、Ｘ線検出器及び回転テーブルが内蔵され、前記スキャン工程では、前記回転テーブルを前記地盤試料の周方向に回転させてＸ線写真を撮影し、前記地盤試料のスキャンデータを取得する。

本発明の地盤試料の供試体の生産方法は、地盤にサンプラーを貫入するサンプラー貫入工程と、サンプラーの貫入によって形成した地盤試料を、前記サンプラーに設けられた撮影装置を用いて土中でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得するスキャン工程と、該スキャン工程で取得した長尺の地盤試料のスキャンデータから、地盤試料の微視構造を再現した供試体を３Ｄ出力する供試体作成工程とで構成され、前記撮影装置は、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源、Ｘ線検出器及び回転テーブルが内蔵され、前記スキャン工程では、前記回転テーブルを前記地盤試料の周方向に回転させてＸ線写真を撮影し、前記地盤試料のスキャンデータを取得する。

本発明の地盤試料の土質試験方法は、地盤にサンプラーを貫入するサンプラー貫入工程と、サンプラーの貫入によって形成した地盤試料を、前記サンプラーに設けられた撮影装置を用いて土中でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得するスキャン工程と、該スキャン工程で取得した長尺の地盤試料のスキャンデータから、地盤試料の微視構造を再現した供試体を３Ｄ出力する供試体作成工程と、該供試体作成工程で作成した供試体に対して土質試験を行う土質試験工程とで構成され、前記撮影装置は、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源、Ｘ線検出器及び回転テーブルが内蔵され、前記スキャン工程では、前記回転テーブルを前記地盤試料の周方向に回転させてＸ線写真を撮影し、前記地盤試料のスキャンデータを取得する。

本発明の地盤試料のスキャン装置は、地盤の地表に設置されるボーリングマシンと、該ボーリングマシンに回転可能に取り付けられたロッドと、該ロッドに接続されたサンプラーと、該サンプラーに設けられ、サンプラーによって形成した地盤試料を土中でＸ線撮影し、地盤試料のスキャンデータを取得する撮影装置とで構成され、前記撮影装置は、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源、Ｘ線検出器及び回転テーブルが内蔵され、前記回転テーブルを前記地盤試料の周方向に回転させてＸ線写真を撮影し、前記地盤試料のスキャンデータを取得する。

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及び請求項６に記載された各発明においては、地盤試料を土中又は地表付近でＸ線撮影し、地盤試料のスキャンデータを取得するので、撹乱されていない地盤試料のスキャンデータを得ることができ、得られたスキャンデータを半永久的に保存できる。
したがって、将来にわたって対象地盤のスキャンデータを活用することができる。
（２）また、Ｘ線写真を撮影する際に、地盤試料を所定長さで切断する必要がないので、長尺の地盤試料のＸ線撮影をすることができる。
したがって、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得することができる。
（３）請求項２及び請求項３に記載された各発明も、前記（１）〜（２）と同様な効果が得られると共に、土中で地盤試料をＸ線撮影するため、地盤試料引き上げによる撹乱等も防止することができる。
（４）請求項４に記載された発明は、前記（１）〜（２）と同様な効果が得られると共に、複数個の等しい微視構造を有する供試体を得ることができると共に、得られたスキャンデータを半永久的に保存できる。
したがって、将来にわたって対象地盤の微視構造と等しい微視構造の供試体を生産することができる。
また、複数個の等しい微視構造を有する供試体を得ることができるので、微視構造に起因するばらつきが評価可能になる。
（５）請求項５に記載された発明は、複数個の等しい微視構造を有する供試体を用いて種々の土質試験を行うことができるので、これまで実際の土を使って求めていた多様な工学的特性を、実際の土を扱わずして推定できる。
したがって、試験にかかるコストを削減できると共に、将来にわたって試験の追加等をすることができる。

図１乃至図４は本発明の第１の実施形態を示す説明図である。
図５乃至図６は本発明の第２の実施形態を示す説明図である。
図７乃至図８は本発明の第３の実施形態を示す説明図である。
第１実施形態の地盤試料のスキャン方法等の工程図。 第１実施形態の地盤試料のスキャン装置の使用状態の説明図。 サンプラーの説明図。 供試体作成工程の説明図。 第２実施形態の地盤試料のスキャン方法等の工程図。 第２実施形態の地盤試料のスキャン装置の使用状態の説明図。 第３実施形態の地盤試料のスキャン装置の使用状態の説明図。 サンプラーの説明図。

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乃至図４に示す本発明を実施するための第１の形態において、１は地盤試料２のスキャンデータを原位置で取得する地盤試料のスキャン方法である。なお、本発明において原位置とは、地盤内又は地盤から地盤試料２を引き上げた地表付近の位置を言うものである。

この地盤試料のスキャン方法１は、図１に示すように、地盤に地盤試料２を残留させることができる形状のサンプラー３で穿孔４を形成する地盤穿孔工程５と、前記地盤試料２を、前記サンプラー３に設けられた撮影装置６を用いて土中（地盤内）で地盤試料２の周方向に複数枚Ｘ線撮影し、地盤試料２のスキャンデータを取得するスキャン工程７とで構成されている。

また、この地盤試料のスキャン方法１に用いられる地盤試料のスキャン装置８は、本実施形態においては図２に示すように、地盤の地表に設置されるボーリングマシン９と、該ボーリングマシン９に回転可能に取り付けられたロッド１０と、該ロッド１０に接続され、地盤に地盤試料２を残留させることができる形状のサンプラー３と、該サンプラー３に内蔵するように設けられ、かつ、前記地盤試料２を土中でＸ線撮影し、そのスキャンデータを取得する撮影装置６とで構成されている。

前記地盤穿孔工程５は、地盤試料２を採取しようとする地盤にボーリングマシン９設置し、このボーリングマシン９を駆動させてサンプラー３で穿孔４を形成する工程である。サンプラー３は、本実施形態では、前記ロッド１０の下端部に接続される二重管状のケーシングロッド１１と、該ケーシングロッド１１の下端部に撮影装置６を介して設けられたビット１２とで構成されている。

このビット１２は略中央部に透孔１３を有しており、ビット１２で穿孔４を削孔した際にビット１２により削られなかった地盤が、この透孔１３を通過し地盤試料２（コア）として残留する。

本実施形態では、所定長さ（例えば撮影装置６で１度の撮影で撮影可能な高さ分）の穿孔４を形成するごとに地盤穿孔工程５（穿孔作業）を停止し、スキャン工程７を行う。スキャン工程７は、撮影装置６によって地盤試料２のＸ線撮影を行い、そのスキャンデータを取得する工程である。

本実施形態では、所定長さの穿孔４を形成した後に地盤穿孔工程５（穿孔作業）を停止し、撮影装置６によって地盤試料２のＸ線撮影を行うスキャン工程７を行い、スキャンデータを取得することを交互に繰り返す（地盤穿孔工程５を断続的に行う）が、地盤穿孔工程５（穿孔作業）を連続的に行いながら連続してスキャン工程７を行い、スキャンデータを取得してもよい。

撮影装置６は、本実施形態では図３に示すように、前記ビット１２の透孔１３に連通する中心孔１４が形成された略円筒状に形成されたＸ線ＣＴスキャン装置で、この撮影装置６には、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源１５、Ｘ線検出器１６及び回転テーブル１７が内蔵されている。この中心孔１４は本実施形態ではビット１２の透孔１３や前記ケーシングロッド１１の内側の管の内径よりも若干大径に形成され、これらに連通しており、撮影が終了した地盤試料２は、ケーシングロッド１１内に位置する。

本実施形態でスキャン工程７を行う場合には、ロッド１０及びサンプラー３の回転を停止し、次に回転テーブル１７のみを地盤試料２の周方向に回転させ、３６０度あたり例えば３６枚のＸ線写真を撮影し、地盤試料２のスキャンデータを取得する。
なお、Ｘ線写真の撮影枚数は適宜変更できるもの（例えば１０枚〜３６０枚等）であり、３６枚に限定されるものではない。

このスキャンデータは図示しない記憶装置等に保存される。
このスキャン工程７で取得したスキャンデータを解析し、画像上で粒子一粒一粒を識別（セグメント化）することで、微視構造の情報を得ることができる。
ケーシングロッド１１は本実施形態では二重管状に形成されており、その内側の管の内径はビット１２の透孔１３と略同径で前記撮影装置６の中心孔１４と連通しており、ビット１２の穿孔作業によって土中に残留し、その後撮影装置６によって撮影された地盤試料２がこの内側の間の内部に収納される。地盤試料２がケーシングロッド１１よりも長尺となる場合には、ケーシングロッド１１を継ぎ足して地盤試料２を保護するとよい。
この撮影装置６で撮影された地盤試料２は、撮影後に堀こぼして除去してしまってもよいが、撮影終了後に地盤試料採取工程を行い、地盤試料２を採取して保管することが望ましい。

なお、保管する場合には、スキャン工程７を行った後、地盤試料２を所定長さに切断し、保管する。

本発明の供試体の生産方法１８は、前述の地盤試料のスキャン方法１にて行った工程に加え、スキャン工程７で取得したスキャンデータを用い、三次元積層造形装置（いわゆる３Ｄプリンタ等）２４を用いて地盤試料２の微視構造を再現した供試体１９を３Ｄ出力する供試体作成工程２０を行い、地盤試料の供試体１９を生産するものである。
この供試体作成工程２０を行う場合には、必要に応じて前述したようなスキャンデータの解析を行ってから、その解析データを三次元積層造形装置２４に入力し、供試体１９を３Ｄ出力する。

本発明の土質試験方法２１では、供試体の生産方法１８の供試体作成工程２０で３Ｄ出力した供試体１９に対して土質試験する土質試験工程２２を更に行うものである。
このような疑似の供試体１７を利用することで、微視構造の等価な供試体を必要な分いくらでも準備することができ、実際の地盤試料２（コア）を用いずとも、多様な試験に利用することができる。

また，半永久的にデジタルデータを保存できることから、将来にわたって、試験の追加等が可能となる。

ところで、供試体作成工程２０で３Ｄ出力した供試体１９は、通常樹脂で形成されているため、地盤試料２を構成する粒子とはその特性が異なるものの、強度変形試験（三軸圧縮試験、液状化試験等）、透水試験等の土質試験の測定結果には、地盤試料２を構成する粒子の物理的特性よりも、その微視構造（粒度分布や粒子形状の特性等）が与える影響が大きいため、微視構造が再現されていれば、有効な測定結果を得ることができる。
また、実際に採取した地盤試料２のサンプルと前記供試体作成工程で作成した供試体とで、同一の試験を行う等によって、供試体１９と地盤試料２の整合性を確認することもできる。

付言すると、このように本願発明の土質試験方法では、前述した供試体の生産方法により供試体を作成し、その供試体に対して土質試験を行うため、例えば緩い礫地盤等の固化材等を用いて一旦地盤を固めた上でサンプリングしなければならないような地盤であっても、その地盤の微視構造のみを再現することができるため、固化材が力学特性に与える影響を排除して土質試験を行うことができる。

［発明を実施するための異なる形態］
次に、図５乃至図８に示す本発明を実施するための異なる形態につき説明する。なお、これらの本発明を実施するための異なる形態の説明に当って、前記本発明を実施するための第１の形態と同一構成部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。
図５乃至図６に示す本発明を実施するための第２の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は、撮影装置６を撮影の上方で、穿孔４の上端部（孔口）付近に設置した地盤試料のスキャン装置８Ａを用い、地盤試料２を地表に引き上げる際に、所定長さを引き上げるごとに地盤試料２を地表付近でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得するスキャン工程７Ａを行う地盤試料のスキャン方法１Ａにした点で、このような構成にしても前記本発明を実施するための第１の形態と同様な作用効果が得られる。

なお、このようにスキャン工程７Ａを行って取得したスキャンデータを用いて地盤試料の供試体の生産方法１８Ａによって供試体を作成し、その供試体１９を用いて地盤試料の土質試験方法２１Ａを行うことができる。

本実施形態では、ケーシングロッド１１の下端部にビット１２が直接接続されたサンプラー３Ａを用いており、地盤試料２を地表に引き上げまでは、従来のサンプリング方法と同様に地盤穿孔工程５が行われる。

地盤試料２を地表に引き上げる際には、撮影装置６で撮影可能な長さだけ穿孔４の上部に引き上げた後、当該場所のケーシングロッド１１を除去し、Ｘ線撮影を行いスキャンデータを取得する。スキャンデータ取得後は、地盤試料２を適宜切断し、切断した地盤試料２の微視構造が撹乱しないように保護した後、土中の地盤試料２を引き上げ、同様の工程を行う。

このようにスキャンデータ取得することにより、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得することができる。

本実施形態のような地盤試料のスキャン方法１では、地盤試料２には引き上げる際に多少の負担が生じるだけであり、微視構造に撹乱が生じることなくそのスキャンデータを取得することができる。

ところで、スキャン工程７Ａは地盤試料２を地表に引き上げる際に、連続してＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得するものとしてもよい。
また、本実施形態では撮影装置６を穿孔の上端部である孔口部分（地表）に設置してＸ線撮影しているが、例えば、孔口付近（地表よりも若干下方）に撮影装置６を設置するための凹所を形成して、この凹所に撮影装置６を設置してもよいし、撮影装置６をサンプラー３の上方の土中に位置するように設置してもよい。

図７乃至図８に示す本発明を実施するための第３の形態において、前記本発明を実施するための第１の形態と主に異なる点は、単管状のケーシングロッド１１Ａを用い、このケーシングロッド１１Ａの内部に、撮影装置６を通過した地盤試料２を堀こぼすための第２ビット２３を備えるサンプラー３Ｂを用いた地盤試料のスキャン装置８Ｂにした点で、このようなスキャン装置８Ｂにしても前記第１の実施形態と同様な作用効果を得られる。
このようなスキャン装置８Ｂを用いても、前記第１の実施形態等と同様の地盤試料のスキャン方法１、地盤試料の供試体の生産方法１８及び地盤試料の土質試験方法２１を行うことができる。

なお、本発明の実施形態では、サンプラー又は穿孔の上端部付近に撮影装置を設けてＸ線撮影を行う形態について説明したが、例えば、サンプラーの上方で穿孔の中腹等に撮影装置を設置したり、撮影装置をサンプラーの上方かつ穿孔内で上下方向に移動可能に設けて地盤試料のＸ線撮影をしてもよい。

本発明は地盤物性情報を得る為の試料採取を行う産業で利用される。

１、１Ａ：地盤試料のスキャン方法、
２：地盤試料、 ３、３Ａ、３Ｂ：サンプラー、
４：穿孔、 ５：サンプラー貫入工程、
６：撮影装置、 ７、７Ａ：スキャン工程、
８、８Ａ、８Ｂ：地盤試料のスキャン装置、
９：ボーリングマシン、 １０：ロッド、
１１、１１Ａ：ケーシングロッド、 １２：ビット、
１３：透孔、 １４：中心孔、
１５：Ｘ線源、 １６：Ｘ線検出器、
１７：回転テーブル、 １８、１８Ａ：供試体の生産方法、
１９：供試体、 ２０：供試体作成工程、
２１、２１Ａ：土質試験方法、 ２２：土質試験工程、
２３：第２ビット、 ２４：３Ｄプリンタ。

Claims (6)

1. 地盤にサンプラーを貫入するサンプラー貫入工程と、サンプラーの貫入によって形成した地盤試料を、前記サンプラーに設けられた撮影装置を用いて土中でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得するスキャン工程とで構成され、
   前記撮影装置は、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源、Ｘ線検出器及び回転テーブルが内蔵され、前記スキャン工程では、前記回転テーブルを前記地盤試料の周方向に回転させてＸ線写真を撮影し、前記地盤試料のスキャンデータを取得する地盤試料のスキャン方法。
2. 前記撮影装置は、前記サンプラーに設けられ、前記スキャン工程では、所定長さをサンプラーで穿孔するごとに地盤試料を土中でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得することを特徴とする請求項１に記載の地盤試料のスキャン方法。
3. 前記撮影装置は、前記サンプラーに設けられ、前記スキャン工程では、サンプラーで穿孔しながら連続的に地盤試料を土中でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得することを特徴とする請求項１に記載の地盤試料のスキャン方法。
4. 地盤にサンプラーを貫入するサンプラー貫入工程と、サンプラーの貫入によって形成した地盤試料を、前記サンプラーに設けられた撮影装置を用いて土中でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得するスキャン工程と、該スキャン工程で取得した長尺の地盤試料のスキャンデータから、地盤試料の微視構造を再現した供試体を３Ｄ出力する供試体作成工程とで構成され、
   前記撮影装置は、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源、Ｘ線検出器及び回転テーブルが内蔵され、前記スキャン工程では、前記回転テーブルを前記地盤試料の周方向に回転させてＸ線写真を撮影し、前記地盤試料のスキャンデータを取得する地盤試料の供試体の生産方法。
5. 地盤にサンプラーを貫入するサンプラー貫入工程と、サンプラーの貫入によって形成した地盤試料を、前記サンプラーに設けられた撮影装置を用いて土中でＸ線撮影し、長尺の地盤試料のスキャンデータを取得するスキャン工程と、該スキャン工程で取得した長尺の地盤試料のスキャンデータから、地盤試料の微視構造を再現した供試体を３Ｄ出力する供試体作成工程と、該供試体作成工程で作成した供試体に対して土質試験を行う土質試験工程とで構成され、
   前記撮影装置は、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源、Ｘ線検出器及び回転テーブルが内蔵され、前記スキャン工程では、前記回転テーブルを前記地盤試料の周方向に回転させてＸ線写真を撮影し、前記地盤試料のスキャンデータを取得する地盤試料の土質試験方法。
6. 地盤の地表に設置されるボーリングマシンと、該ボーリングマシンに回転可能に取り付けられたロッドと、該ロッドに接続されたサンプラーと、該サンプラーに設けられ、サンプラーによって形成した地盤試料を土中でＸ線撮影し、地盤試料のスキャンデータを取得する撮影装置とで構成され、
   前記撮影装置は、Ｘ線ＣＴスキャンに必要なＸ線源、Ｘ線検出器及び回転テーブルが内蔵され、前記回転テーブルを前記地盤試料の周方向に回転させてＸ線写真を撮影し、前記地盤試料のスキャンデータを取得する地盤試料のスキャン装置。

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