JPH0372192A - 原位置地盤凍結による非粘性土地盤のヤング係数を求める原位置試験方法及び試験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、非粘性の砂質地盤や礫質地盤を原位置で凍
結した上で当該地盤の水平方向のヤング係数（変形ｊ語
数）を直接原位置で求めるための原位置試験方法、及び
この試験方法の実施に使用される原位置試験装置に間す
る。

従来の技術 地盤工学の分野においては、地盤の原位置におけろ応力
状態の推定、確認と共にヤング係数な求めることが、構
造物の安定性や地盤の支持力を決定する上で重要な事柄
である。粘性土地盤については、ＳＢＰ　（セルフポー
リングブレッショメーター）と呼ばれる方法で原位置地
盤の水平方向のヤング係数を測定することにある程度成
功している。

しかし、砂質地盤、礫質地盤といった非粘性土地盤につ
いては、地盤を撹乱することなく試験用孔を堀削するこ
とができなという事情のため、いまだ原位置地盤の水平
方向のヤング係数を正確に測定することができないでい
る０、 本発明が解決しようとする課題 従来、非粘性土１１１ｉ盤のヤング係数を実地に測定す
ることができず、推定に依存じているにすぎないのが実
情なので、地盤の支持力もまた推定でしかなく、構造物
の安定性確認とが経済設計に未知なる部分が含まれてい
る。したがって、この未知なる部分を無くすることが解
決するべき課題となっている。

課題を解決するための手段 （第１．　２の発明〉 上記従来の！２Ｂを解決するための手段として、この発
明に係る原位置地盤凍結による非粘性土地盤のヤング係
数を求める原位置試験方法は、非粘性土の原位置地盤１
を凍結し、しかる後にその凍結地盤３中に所望深さの試
験用孔７を堀削し、前記試験用孔７中の試験位置にラバ
ーバルーン構造の試験装置９を挿入し、試験準備を整え
て凍結地盤３の融解を待つ、凍結地盤３が完全に融解し
た後に、前記試験装置９のラバーバルーン４０に圧力を
加えて当該地盤を半径方向（水平方向）に変形せしめ、
その圧力増分ΔＨと地盤変形量ΔＬとを計測し、演算に
より原位置地盤１のヤング係数を求めることを特徴とす
る。この方法は云わばヤング係数だけの単独の試験方法
である。

第２の発明は、やはり非粘性土の原位置地盤１を凍結し
、しかる後にその凍結地盤３中に所望深さの試験用孔７
を堀削し、前記試験用孔７中の試験位置にラバーバルー
ン構造の試験装置９を挿入し、ラバーバルーン４０を適
度に膨らませて凍結地盤３の融解を待つ。凍結地盤３の
融解に伴う孔壁の半径方向の変形はラバーバルーン４ｏ
の圧力を調節して常に零となるように拘束し、凍結地盤
３が完全に融解した時点における前記拘束力の大きさを
原位置地盤１の水平方向応力として求める段階と、しか
る後にラバーバルーン４ｏに圧力を加えて当該地盤を半
径方向（水平方向）に変形せしめ、その圧力増分ΔＨと
地盤変形量ΔＬとを計測し、演算により原位置地盤１の
ヤング係数を求めることを特徴とする。この方法は原位
置地盤】の水平方向応力とヤング係数とを一連に連続的
して測定する原位置試験方法である。

作　　　　　用 一次元状態で凍結された原位置の非粘性土地盤は、凍結
直前の原位置地盤１の応力、ひずみの状態をそっくり保
存している。従って、この凍結地盤３をコアチューブ４
等で堀削しに場合にも、応力、ひずみの状態はそっくり
保持され、不撹乱の試験用孔７が得られる。凍結地盤３
をコアチューブ４で掘削すると、試験用孔７の孔壁面は
極めて平滑に形成されろ。この試験用孔７内にラバーバ
ルーン構造の試験装置９を挿入して原位置の凍結ＩＩ！
盤３が融解するのを持ち、凍結地盤３が完全に融解した
後にラバーバルーン４０を膨張させて当該地盤を半径方
向に変形させた上で、その圧力増分△Ｈと地盤変形量Δ
Ｌとを計測し演算すると、実地の真正なる水平方向のヤ
ング係数を求めることができる。

一方、試験用孔７を掘削後、無為に４結地盤３の融解を
待つことなく、ラバーバルーン４０に若干の圧力を加え
膨らませた状態で凍結地盤３の融解を持ち、その際地盤
の応力解放に起因する孔壁の半径方向の変形は、ラバー
バルーン４０内の応力を加減して地盤（孔壁）の前記変
形が常に零になるように半径方向に拘束し、原位置の凍
結地盤３が完全に融解した時点のラバーバルーン４０内
の圧力を計測すると、これが原位置地盤１の水平方向応
力として求められる。即ち、ヤング係数を求める前段と
して水平方向応力を求められる訳であり、引き続いてヤ
ング係数の試験を合理的に行なえるのである。

（第３の発明） 同上の課題を解決するための手段として、この発明に係
る原位置地盤凍結による非粘性土地盤のヤング係数を求
める反位ｉ試験装置は、図面の第３図に実施例を示した
とおり、 円筒形のラバーバルーン４０をこれより少し小ざい外径
の円筒形ハウジング４１の外周に同心円状配置に被せ、
ラバーバルーン４０と前記円筒形のハウジング４１との
間に完全に密閉された環状の加圧空間４２を形成した。

該加圧空間４２の下部に水の如きセル液の供給管４７を
前記ハウジング４】の内側から接続し、加圧空間４２に
は脱気されに水又は不′＆液の如きセル液を満たしてい
る。

また、前記加圧空間４２内にはヒーター５２を設置して
いる。前記セル液の供給管４７の途中には、前記円筒形
ハウジング４１の中空部内に位置せしめに二方向電磁弁
５４により分岐された水頭管５５を垂直上向きに設置し
、この水頭管５５の上端及び前記供給管４７の途中に設
置された差圧変換器５６に共通の空ス圧管５７を接続し
、さらに前記ハウジング４１の下端部に水圧検出器５８
を設置したことを特徴とする。

作用 この原位置試験装置９内のセル液の圧力を加減すると、
ラバーバルーン４０が膨張し又は収縮する。よって原位
置の凍結地盤３の融解に伴う水平方向の変形を拘束し、
または完全に融解した地盤（孔壁〉を半径方向く水平方
向）に押しへこませて変形させることができる。孔壁の
変形量ΔＬは水頭管５５内の水位の変化△Ｈを体積に換
算して計測する。圧力増分も同じく水頭管５５の水位の
変化ΔＨで計測される。サーボモータ調圧弁６１で調節
された空気圧を水頭管５５を通じてセル液に加えること
により、孔壁の変形を零に戻すように半径方向（水平方
向）に拘束し、又は孔壁を水平方向に押しへこませて変
形を生じさせることができる。ヒーター５２は、凍結地
盤３と接するセルイαの温度な略一定に保ち、セル液の
体積変化による測定誤差の発生を防ぐ。

実　　施　　例 次に、図示した本発明の詳細な説明する。

第１図は、原位置の砂または礫のような非粘性土地盤１
の深ざＨ地点における水平方向のヤング係数を求めるた
めに、当該地盤ｌ中に１本の凍結管２を必要な深さまで
設置し、この凍結管２に冷ＩＩＸを供給して深さＨ地点
を含む必要十分な領域まで地盤を一次元状態で凍結させ
、この原位置の凍結地盤３の前記深さＨに到達する位置
までコアチューブ４による掘削を行なった段階を示して
いる。

凍結管２を設置する方法としては、原位置地盤１におけ
る凍結地盤３の大きさ及び深さの要求にしたがい、口径
がφ８３程度の孔を例えばシールポーリング工法によっ
て掘削し、この孔の中に外径がφ７６位の凍結管２が挿
入されている。

地盤凍結用の冷媒としては、ブライン（約−２８℃）や
液体窒素（約−１９６℃）又はエタノールとドライアイ
スの混合液（約−７０℃）なとが地盤条件やコスト、工
期などを勘案して使用される。これらの冷媒を凍結管２
へ供給し循環させることで凍結処理が行なわれる。

凍結管２に近い外周部分にはφ２００位の撹乱領域が発
生する。そこで礫質地盤の場合は前記撹乱ｇｌ域より外
画の不撹乱＠域からφ３００位の凍結試料を採取する必
要のため、凍結１１１ｉ盤３の範囲は凍結管２を中心と
して通常φ１２００＜らいの大きさとされる。地盤凍結
の実情把握の管理は、予め凍結地盤３のｍ囲に多数の熱
電対を配設しておき、地盤の温度を計測することによっ
て管理される。

砂質地盤の場合は、３ｉ結試料の大きさはφ７０からφ
１００位で良いから、凍結地盤３の範囲はφ５００位の
大きさとされる。

前記のようにして凍結された原位置地盤１の凍結地ａ１
３に向かって試験用孔７を設ける方法としては、第１図
のように地上から試験装置９の外径に対応した口径のコ
ツチューブ４で磨削する方法が好適に実施される。

第２図は、上述のようにして形成された試験用孔７の地
上部分にケーシングバイブ８を設置し、長さ２がＢｏｏ
ｍｓ位のラバーバルーン構造の試験１Ｈ１９を試験用孔
７内の試験位置まで神入し、原位置試験の準備を整えた
段階を示している。原位置試験の準備は、いきなりヤン
グ係数だけを求める試験方法の場合と、まずは地盤の水
平方向応力を求め、引き続いてヤング係数を求める試験
方法の場合とで若干異なるが、いずれの方法でも使用さ
れる試験装置９は共通である。

この試験装置９は、第３図に詳細を示したように、原位
置の凍結地盤３に形成された試験用孔７の口径と略同径
の円筒形（φ１９５、長さ４００１位）のラバーバルー
ン４０が、これより少し小さい外径（φ１４０）の円筒
形ハウジング４１の外周に同心円状の配置に被せられ、
ラバーバルーン４０と円筒形ハウジング４】との間に完
全に密閉された環状の加圧空間４２が形成されている。

ラバーバルーン４０の両端はゴム製のバックアップリン
グ４ａで固定され、円袴形ハウジング４１へねじ込まれ
た固定リング４４てテーパーリング４５を押し込むこと
により、くさび効果で強固に固定されている。

前記加圧空間４２の下部に水又は不凍液の如きセル液の
供給管４７が前記円筒形ハウジング４１の内側からノズ
ル４６で接続され、加圧空間４２内には脱気されたセル
液が溝たされている。供給管４７は給水ポンプ４８と接
続されている。加圧空間４２の上端にテーパー状の脱気
部４９が形成され、該脱Ｘ部４９に連通された脱２ノズ
ル５０に空気抜き弁５１が取り付けられている。まｋ、
加圧空間４２内には試験中におけるセル液の温度をほぼ
一定に保ち、セル液の体積膨張に起因する測定誤差を防
ぐフレックスヒーター５２がｌｌ置されている。セルＩ
αの温度は熱電対３９で計測し管理される。

前記セル液の供給管４７の途中位置には、前記円筒形ハ
ウジング４１の中空部内に位置せしめた二方向電磁弁５
４が接続され、この二方向電磁弁５４により分岐された
水頭管５５が垂直上向きに設置されている。この水頭管
５５の上端と、前記供給管４７の途中に設置された差圧
変換器５６とに、共通の空気圧管５７が接続されている
。前記円筒形ハウジング４１の下端部には、孔内水圧を
計測する水圧検出器５８が設置されている。

上記構成の原位置試験装置９は、ボーリングロッド５９
の先端に取り付けられ、前記供給管４７、空気圧管５７
などと共に地上から凍結地盤３の試験用孔７内に挿入し
、所定の試験位置に設置されて原位置試験が遂行される
。地上においては空気圧ｆｉ６０につながるサーボモー
タ調圧弁６１に前記空気圧管５７が接続されており、圧
力計６２で空気圧が読み取られる。但し、圧力計６２の
代わりに又はこれと並設された自動測定、記録器で空気
圧を計測することも行なわれる。また、差圧変換器５６
の計ｄ１１Ｍはひずみ増幅器６３へ人力され、ひずみ増
幅器６３の出力はサーボ制御器６４へ人力され、前記サ
ーボモータ調圧弁６１を構成するサーボモータ６５を駆
動し・　圧力調節器６をリアルタイムに自動コントロー
ルする構成とされている。孔内の水圧検出器５８の計測
値も地上の制１ａＩＩ装置へ人力され、水平方向応力の
算定に考慮される。

この原位置試験装置９は、その使用に先立って地上で加
圧空間４２内にセル液を満たし、かつ空気抜き弁５１を
問いて空気を完全に排除した後に再び空気抜き弁５１を
全閉とし、しかる後に凍結１１！！盤３の試験用孔７へ
挿入して試験位置に設置される。七ルｉαがラバーバル
ーン４０に圧力（セル圧）を加え、差圧変換器５６で孔
壁の変形（水平方向への膨張）が検出される。あるいは
サーボモータ調圧弁６１で調節された空気圧を水頭管５
５を通じてセル）夜に加えることにより、凍結地盤３の
融解に伴う孔壁の変形を零に戻す拘束作用のフィードバ
ック制御が実施される。

したがって、原位置の凍結地盤３が融解を始める以前か
ら試験用孔７の孔壁の水平方向変位を拘束した状態（い
わゆるに＠状態）を保ち続け、当該地盤が完全に融解し
た時点で前記の拘束に必要とされた加圧空間４２内のセ
ル圧が、圧力計６２により空２圧の大きさとして計測さ
れると、水圧検出６５Ｂで求められた孔内水圧との比較
考量により原位置地盤ｌく実地盤）の真正な水平方向の
有効応力が求められる訳である。

あるいは原ｆｉ２置の凍結地盤３が完全に融解した後に
、又は上述した原位置地盤ｌの水平方向応力を求める試
験が終了した後に、ラバーバルーン４０に圧力を加えて
原位置地盤１（試験用孔７の孔壁）を半径方向（水平方
向）に押しへこませ、このときの圧力増分ΔＨと地盤変
形量△Ｌとを計測し所定の公式で演算することにより、
ヤング係数を求めることができる。即ち、原位置試験装
置９の加圧空間４２内のセル液の圧力を孔壁の変形が零
の状態から段々に高め、膨張したラバーバルーン４０に
より孔壁を半径方向く水平方向）外向きに押し広げる状
態にへこませる（変形させる）、このときの圧力増分Δ
Ｈは、第４図のように水頭管５５の水位差として読み取
られる。地盤変形量△Ｌは、やはり水頭管５５の水位の
変化△Ｈを体積に換算して計測する。前記の圧力増分△
Ｈと地盤変形量△Ｌとに基く演算により、原位置地！ｔ
ｉｌｌのヤング係数を求めることができるのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は非粘性土地盤を凍結し、コアチューブによる原
則が行なわれた段階の断ｌｌｊ図、第２図は凍結地盤に
形成された試験用孔の中に試験装置を設置した段階の断
面図、第３図は原位置試験＠置の構造詳細を示した断面
図、第４図は圧力増分及びｉｌ！！盤変形互変形量る説
明図である。 本発明が奏する効果 以上に実施例と併せて詳述したとおりであって、この発
明に係る原位置地盤凍結による非粘性土地盤のヤング係
数を求める原位置試験方法及び試験装置によれば、凍結
直前の砂や礫の如き非粘性土の原位置地盤１の応力、ひ
ずみの状態がそっくり保存された孔壁を利用して、原位
置地盤１の真正なりング係数を実地に高精度に求めるこ
とができる。あるいは必要に応じて原位置地盤１の水平
方向応力も求めることができるから、地盤調査の信頼性
向上と効率化に大きく寄与するのである。 １・・・非粘性土地盤 ４０・・・ラバーバルーン ４２・・・加圧空間 ５２・・・ヒーター ５５・・・水頭管 ５７・・・空ａ圧管 ７・・・試験用孔 ４１・・・円筒形ハウジング ４７・・・供給管 ５４・・・二方向電磁弁 ５６・・・差圧変換器 ５８・・・水圧検出器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【１】非粘性土の原位置地盤を凍結し、しかる後にその
   凍結地盤中に所望深さの試験用孔を掘削し、前記試験用
   孔中の試験位置にラバーバルーン構造の試験装置を挿入
   し、試験準備を整えて凍結地盤の融解を持ち、凍結地盤
   が完全に融解した後に前記試験装置のラバーバルーンに
   圧力を加えて当該地盤を半径方向に変形せしめ、その圧
   力増分と地盤変形量とを計測して原位置地盤のヤング係
   数を求めることを特徴とする、原位置地盤凍結による非
   粘性土地盤のヤング係数を求める原位置試験方法。 【２】非粘性土の原位置地盤を凍結し、しかる後にその
   凍結地盤中に所望深さの試験用孔を掘削し、前記試験用
   孔中の試験位置にラバーバルーン構造の試験装置を挿入
   し、ラバーバルーンを適度に膨らませて凍結地盤の融解
   を持ち、凍結地盤の融解に伴う孔壁の半径方向の変形は
   ラバーバルーンの圧力を調節して常に零となるように拘
   束し、凍結地盤が完全に融解した時点における前記拘束
   力の大きさを原位置地盤の水平方向応力として求める段
   階と、しかる後にラバーバルーンに圧力を加えて当該地
   盤を半径方向に変形せしめ、その圧力増分と地盤変形量
   とを計測して原位置地盤のヤング係数を求めることを特
   徴とする、原位置地盤凍結による非粘性土地盤のヤング
   係数を求める原位置試験方法。 【３】円筒形のラバーバルーンが少し小さい外径の円筒
   形ハウジングの外周に同心円状の配置に被せられ、該ラ
   バーバルーンと前記円筒形ハウジングとの間に完全に密
   閉された環状の加圧空間が形成されており、該加圧空間
   の下部にセル液の供給管が前記ハウジングの内側から接
   続され、加圧空間内には脱気された水又は不凍液の如き
   セル液が満たされており、前記加圧空間にはヒーターが
   設置され、前記セル液の供給管の途中には前記円筒形ハ
   ウジングの中空部内に位置せしめた二方向電磁弁により
   分岐された水頭管が垂直上向きに設置され、前記水頭管
   の上端及び前記供給管の途中に設置された差圧変換器に
   共通の空気圧管が接続され、前記円筒形ハウジングの下
   端部には水圧検出器が設置されていることを特徴とする
   、原位置地盤凍結による非粘性土地盤のヤング係数を求
   める原位置試験装置。