JPH0380237B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、土木、建築の分野において、各種
構造物の設計に際して必要とされる、特に地下数
ｍ〜数10m位の深層の砂質及び礫を含む砂礫地盤
の物理特性、力学特性を調べるため実施される深
層土質試料の凍結サンプリング方法に関する。

（従来技術とその問題点など） 従来、凍結法を応用した砂質地盤のサンプリン
グ法としては、 複数の凍結管を地盤中に設置して周辺地盤を
大きく凍結させ、これらの凍結管群に囲まれた
領域から凍結試料を採取する方法、 単一の凍結管を地盤中に設置して同管の外周
地盤を適切な厚さだけ凍結させ、しかる後に同
凍結管を中心として同管ごと凍結土をコアサン
プリングし、これを解体して乱されていないと
思われる領域から土質試料を採取する方法、 の２通りがある。

しかし、上記の方法の場合、次のような欠点
があつた。

(a) 複数の凍結管に囲まれた領域は、凍結の進行
に伴ない地下水が閉じ込められて最終的に排水
ができないか又は排水が非常にしにくい状態で
凍結することになる。このため凍結時の体積膨
張により試料が乱される可能性が極めて大き
い。

(b) 採取すべき土質試料の体積に比べて、凍結さ
れた地盤の体積が数倍も大きいため、非効率的
で経済性がい。

また、上記の方法の場合は、次のような欠点
があつた。

(c) 凍結外管を中心として、同凍結外管の設置に
より乱された領域も含めて、凍結外管の外径の
略６〜８倍ぐらいの直径をもつ大口径のシング
ルコアチユーブで凍結土をコアサンプリングす
るため、コアチユーブはもとより切削用マシー
ンも大型化しコスト高になる。その上、コア抜
きする作業時間が長くなり、凍結試料の融解の
心配がある。

(d) 試料として必要でない、乱された領域の凍結
土も合一に採取する点に無駄がある。

(e) 地上に引きあげた凍結土を解体して必要な大
きさの試料を取り出す作業が面倒である。

（発明の目的） そこで、この発明の目的は、地下数ｍ〜数10m
の深層土質試料を、乱されていない領域について
必要なだけの大きさのものを直接採取することが
可能であり、従つて、コアチユーブや切削用マシ
ーンを小型化することができ、コアサンプリング
に必要な時間を短縮できると共に、凍結試料の解
体が容易で、経済性が高い構成に改良した深層土
質試料の凍結サンプリング方法を提供することに
ある。

（発明の構成） 上記目的を達成するために、この発明の深層土
質試料の凍結サンプリング方法は、 (イ) 凍結外管の設置用として第１の穴を、凍結外
管の直径の３〜４倍程度の口径で略試料採取深
さの上限位置に達するまで掘り、穴壁崩壊防止
用の鋼管を設置すると共に、前記第１の穴の下
底の略中央部に凍結外管の外径と略等しい径の
第２の穴を試料採取深さと略等しい深さ掘る工
程と、 (ロ) 前記第１の穴を通じて第２の穴の中に、予め
第１の穴の深さ位まで断熱材を巻装してある凍
結外管を挿入し設置すると共に、同凍結外管の
中に凍結内管を挿入し設置する工程と、 (ハ) 前記凍結内管を通じて液体窒素あるいはエタ
ノールとドライアイスの混合体の如き冷媒を供
給し、もつて凍結外管の外周地盤を必要な厚さ
まで凍結させる工程と、 (ニ) 前記鋼管の外径面に沿いこれをガイドに利用
して、凍結土に向つて、ほぼ凍結土の上端位置
に達する穴を掘り、この穴を通じてダブルコア
チユーブを挿入し、前記凍結土を非凍結部まで
コア抜き切削をしてコアサンプリングを行な
い、しかる後にコアチユーブを地上に引き上げ
る工程と、 よりなる構成とされている。

（実施例） さらに、図示した実施例に基いて詳細を説明す
る。

第１図は、土質試料を採取すべき対象地盤Ａに
ついて、凍結外管設置用の穴１を試料採取深さＤ
の上限位置D₁（第３図）まで略垂直に掘つた段階
を示している。この穴１の直径は、後述する凍結
外管の直径の３〜４倍程度（通常φ150位）とさ
れている。この穴１の掘削は、通常の泥水工法よ
り行なわれている。

第２図は、前記穴１に沿つて鋼管１２を挿入し
設置した段階を示している。

また、第３図は、前記穴１の下底の略中央部に
凍結外管の外径（通常φ50〜φ70位）よりも若干
大きい直径の第２の穴１′を、試料採取深さＤ（通
常3m〜5m位）だけ掘つた段階を示している。こ
の穴１′の掘削も通常の泥水工法により行なう。

第４図は、前記第１の穴１を通じて第２の穴
１′の下底に届くまで、凍結外管２を挿入し設置
した段階を示している。

この凍結外管２は、第２の穴１′より上の浅い
部分、即ち試料採取深さＤの上限位置D₁より上
方部分を断熱性のよい厚肉塩化ビニル管２ａと
し、それより深い部分は熱伝導性の良い金属製
（例えば鉄製）の管２ｂとなしており、両管２ａ，
２ｂはねじ継手により一連に接合されている。

また、凍結外管２の下端には蓋体（栓体）とし
て断熱性の良い塩化ビニル丸棒８が取り付け固定
されている。この塩化ビニル丸棒８には、上下方
向に例えば２cm位のピツチで３個（但し３個の限
りではない）の熱電対１０…が地盤の凍結厚さ確
認用として設置されている。

即ち、地盤の凍結が進行すると、各熱電対１０
…が深さ方向の順に零度を検出してゆくので、凍
結厚さを確認できるのである。

また、凍結外管２の外周面には、第１の穴１の
下底より以浅の部分に、予め断熱材４が巻装され
ている。この断熱材４の下端部外周面には、穴１
内の泥水温度を検出するための熱電対１３…が複
数個設置されている。

次に、第５図は、前記凍結外管２内の中心部軸
方向に、外径がφ16〜φ20位のステンレス鋼製又
は塩化ビニル製の凍結内管３を挿入して設置する
と共に、該凍結内管３の外周であつて鋼管１２と
の間に、導水管１４を挿入し設置した段階を示し
ている。導水管１４の下端は、穴１の下底に近接
した位置に開口されている。

前記凍結内管３は、約2m位のモジユール長さ
の短管をねじ継手により一連に連結して所望長さ
のものとなしたものであり、その下端は上記凍結
外管２の蓋体８に対しおよそ20cm〜30cm位にまで
近接する状態に設置されている。

また、この段階で凍結外管２の上端を密封する
とともに、同凍結外管２の地上部分に冷媒の出口
ノズル６が取り付けられる。

第６図は、凍結内管３を通じて液体窒素等の冷
媒を供給し、凍結外管２内を上昇した冷媒は出口
ノズル６から導出させて凍結外管２の外周地盤、
特に試料採取深さＤ部分の外周地盤を必要な厚さ
まで凍結させた段階を示す。

凍結内管３の下端から噴出し凍結外管２側へ流
入した冷媒は、凍結内管２を構成する熱伝導性の
良い金属製の管２ｂの管壁を通じて同管２ｂの外
周地盤から効率良く熱を奪い、もつて試料採取深
さＤ部分の周辺地盤の凍結を急速に進行させる。
それも水平方向の一次元凍結であるから、排水条
件は良く、凍結に伴なう悪影響（体積膨張による
乱れ）を防ぐことができる。また、凍結コストが
小さくて済むのである。

地盤の凍結厚さは、通常φ300〜φ500位であり、
その厚さは既述したように熱電対１０により地上
においてほぼ正確に確認（検出）することができ
る。

他方、前記試料採取深さＤより以浅の部分は、
第１に凍結内管３を断熱管４で包囲せしめ、第２
に凍結外管２も断熱性の良い塩化ビニル管２ａで
形成しているので、その周囲地盤を凍結させるロ
スは軽微である。

その上、この凍結工程の実施に際しては、断熱
材４の下端部に設置した熱電対１３…で穴１内の
泥水温度を計測し、水温が下がり過ぎのときは導
水管１４を通じて地上から例えば水道水の如き定
温水を注入し一定の温度以下にならないように制
御し、もつて試料採取深さＤより以浅の部分の不
要な凍結を確実に防ぐ。

かくして、試料採取深さＤの部分にのみ限定し
て周囲地盤を凍結させる結果、凍結コストを大き
く低減できることは勿論のこと、後々の凍結試料
のコアサンプリングが全深度凍結の場合に比して
著るしく容易なのである。

第８図は、上記の如くして形成した凍結土ａに
向つて地表面から鋼管１２の外径面に沿いこれを
ガイドに利用して垂直に凍結土ａの上端位置に達
する穴５を掘り、この穴５を通じてダブルコアチ
ユーブ１１を挿入し、当該凍結土ａをその下端の
非凍結部に貫通するまでコア抜き切削をしたコア
サンプリングの段階を示している。

従つて、ダブルコアチユーブ１１は、試料採取
深さＤの深度の大小の如何にかかわらず、必らず
乱されていない領域を確実にコア抜き切削するこ
とになる。何故なら、鋼管１２の外径は、凍結外
管２の外表面から同外管２の外径ぐらい離れてお
り、従つて第２の穴１′の掘削及び凍結外管２の
挿入設置によつて乱された領域の外に穴５を掘り
コアチユーブでサンプリングすることになるから
である。

ダブルコアチユーブ１１は、既に知られている
とうり、インナーチユーブ１１ａとアウターチユ
ーブ１１ｂとを相互に回転自在の関係で組合せた
構成のものであり、アウターチユーブ１１ｂの閉
じられた上端面には、地上の図示省略した切削用
マシンにて駆動される中空シヤフト９が固着され
ている。このダブルコアチユーブ１１の外径は、
採取試料の外径に応じて、通常φ70〜φ400位とさ
れる。

ダブルコアチユーブ１１によるコアサンプリン
グに際しては、コア抜き切削を容易になさしめる
ため前記中空シヤフト９を通じて適温の循環水
（低温不凍の循環泥水）を供給する。

かくしてダブルコアチユーブ１１によりコアサ
ンプリングする結果、 第１に、凍結試料に直接前記コア抜き切削を容
易になさしめるための冷却循環泥水が当らない
（凍結試料はインナーチユーブ１１ａにより包み
込まれた状態にある）から、凍結試料に融けにく
く乱されないものを採取できる。

第２に、凍結試料の脱落は、インナーチユーブ
１１ａのキヤツチヤーで防ぐことができる。

かくして、ダブルコアチユーブ１１によるコア
抜き切削を、凍結土ａを貫通してその下の非凍結
部まで行なつたならば、コアチユーブ１１を地上
に引き上げる。そして、コアチユーブを解体し、
中の凍結土を土質試料として採取するのである。
即ち、採取した土質試料は、上述の如く全く乱さ
れていない領域のものであるから、そのままそつ
くり試料として提供できるものである。

（作用効果） 以上に実施例と併せて詳細に説明したとおりで
あつて、この発明に係る深層土質試料の凍結サン
プリング方法によれば、コアサンプリングの際の
コア抜き切削の掘削精度が鋼管１２の外表面をガ
イドして穴５を掘ることによりきちんと確保され
るので、地下数ｍ〜数10mの深い地層について、
全く乱されていない高品質の土質試料を、必要な
だけ採取することができる。

従つて、凍結試料のコアサンプリングに必要な
コアチユーブ１１の直径は試料直径とほぼ等しく
てよく小さいので、ひいては切削用マシーンが小
形ですみ、コストダウンが図れる。

そして、引き上げた土質試料は供試体として必
要な大きさに切断するだけでよく、即ち解体が極
めて容易である。また、解体に必要なスペースの
縮小化と時間の短縮、器具の小形化を図ることが
可能であり、コストダウンが図れる。

しかも、確実に、かつ、実験にとつて形のよい
試料を採取でき、試料の整形を容易にすることが
できる。

また、単一の凍結管による水平方向の一次元凍
結によるから、複数管による場合に比して地盤凍
結に必要な冷媒量を低減させられ、凍結時間の短
縮とコストダウンを図ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第７図はこの発明の凍結サンプリング
方法を実施する枢要な工程を順に示した工程説明
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ (イ) 凍結外管２設置用の穴１を凍結外管２の
   直径の３〜４倍程度の口径で試料採取深さＤの
   上限位置D₁に達するまで掘り、穴壁崩壊防止
   用の鋼管１２を設置すると共に、前記穴１下底
   の略中央部に凍結外管２の外径と略等しい径の
   第２の穴１′を試料採取深さＤと略等しい深さ
   掘る工程と、 (ロ) 前記第１の穴１を通じて第２の穴１′の中に
   まで、予め穴１の深さ位まで断熱材４を巻装し
   て成る凍結外管２を挿入し設置すると共に、同
   凍結外管２の中に凍結内管３を挿入し設置する
   工程と、 (ハ) 前記凍結内管３を通じて冷媒を供給し、凍結
   外管２の外周地盤を必要な厚さまで凍結させる
   工程と、 (ニ) 前記鋼管２の外径面に沿い前記凍結土ａに向
   つて、凍結土ａの上端位置に達する穴５を掘
   り、この穴５を通じてダブルコアチユーブ１１
   を挿入し前記凍結土ａを非凍結部までコア抜き
   切削をしてコアサンプリングを行ない、しかる
   後にコアチユーブ１１を地上に引き上げる工程
   と、 から成ることを特徴とする深層土質試料の凍結サ
   ンプリング方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載した凍結外管２
   は、試料採取深さＤの上限位置D₁より浅い部分
   を断熱性の管２ａとなし、それより深い部分は熱
   伝導性のよい管２ｂで構成されている。深層土質
   試料の凍結サンプリング方法。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載した凍結外管２
   は、その下端部に断熱性の蓋体８を備え、この蓋
   体８に地盤の凍結厚さを確認する熱電対１０を具
   備していると共に、同凍結外管２の外周に巻装し
   た断熱材４の下部には穴１内の泥水の温度を確認
   する熱電対１３を具備している。深層土質試料の
   凍結サンプリング方法。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載した凍結外管２
   の外周地盤を必要な厚さまで凍結させる工程は、
   穴１の中に鋼管１２に沿つて挿入した導水管４を
   通じて穴１の下底部分の水温が一定の温度以下に
   下がらないように地上から適切な温度の泥水を供
   給しつつ行なう、深層土質試料の凍結サンプリン
   グ方法。