JPH0424533A - 三軸圧縮試験用不撹乱砂礫コアの成形方法 - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、土木−建築分野において、砂礫地盤の物理特
性、力学特性を室内試験により求めるための三軸圧縮試
験用不攪乱砂礫コアの成形方法に関する。

［従来の技術］ 従来、砂礫地盤の地質調査を行う試料採取のために、試
料を現状のまま乱さずに採取できる不攪乱砂礫のサンプ
リング方法として、原位置での凍結サンプリング方法が
知られている。この方法は、大口径の孔を掘削し、読札
の底部から採取すべき砂礫層に凍結管を挿入し、砂礫層
を凍結させた後、凍結土をコアボーリングしてサンプリ
ングを行うものである。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の原位置での凍結サンプリング
方法は、現場にて凍結を行うため、凍結用の設備が必要
となりコストが高くなるという問題を存している。また
、凍結サンプリングのため、１〜２週間程度は工事がス
トップするため、工程の大幅な遅れを生ずるという問題
を有している。

さらに、サンプリングの方向は、鉛直あるいは水平のど
ちらかに限定されてしまうという問題を有している。

また、室内試験用の砂質土の不撹乱供試体の成形におい
ては、原位置からブロックまたはコア吠で持って来た試
料を実験室内で直ナイフやトリマーなどの成形用の器具
を用いて、人力により入念に行われ、供試体の作成には
高度の技術を必要とし、また、貝殻や礫のような硬い物
が混入している場合には、供試体の作成が困難であった
。

砂礫試料の供試体の作成を困難にしている原因は、砂部
分と礫部分とで強度が著しく異なることである。供試体
の成形のために、強度の大きい礫を切断せねばならず、
その時に礫のまわりの砂を崩してしまうことが多かった
。

本発明は、上記問題を解決するものであって、常温下で
サンプリングした砂礫試料を凍結させ、この凍結させた
ブロックから、容易に且つ品質の良い不攪乱砂礫コアを
提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ そのために本発明の三軸圧縮試験用不攪乱砂礫コアの成
形方法は、常温下でブロックサンプリングした砂礫試料
ブロックを凍結させた後、ボーリングマシンに低温の冷
却液を循環させながら不攪乱砂礫コアを成形することを
特徴とする。

［作用コ 砂は、凍結させることにより強度が数百倍〜数千倍に増
加する。しかし、礫自体の切断に対する強度は、凍結に
よりそれほど増加しない。そこで、砂と礫との混合体で
ある砂礫は、凍結させることにより、砂部分と礫部分と
の強度の比が小さくでき、周囲の砂を乱すことなく、礫
を切断することができる。

しかし、凍結させることにより、砂礫全体の強度が増加
しているため、直ナイフやトリマーを用いた人力による
成形は困難になる。そこで、切削能力の大きいダイヤモ
ンドビット等を装着したコアチューブとボーリングマシ
ンを用いて凍結させたブロック状の砂礫試料から供試体
をくり抜く。

この方法は、コアをくり抜く時に大きな熱を発生させる
ため、冷却した不凍液を循環させることにより、凍結さ
せた砂礫ブロックが融解するのを防ぐ。

この方法を用いることにより、砂礫試料の不撹乱供試体
の作成が可能になる。また、凍結させた砂礫は、強度が
高く取り扱いが容易なため、供試体作成に高度な技術を
必要としない。一方、供試体を試験機にセットした状態
で解凍することにより、容易に通常の状態に戻すことが
でき試験が行える。

［実施例コ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

先ず、第３図により、本発明に係わる不攪乱砂礫のサン
プリング方法を説明する。

本発明においては、原位置凍結サンプリングに代わる方
法として、常温下で行うブロックサンプリング法を用い
る。

ステップ■において、砂礫ブロックを切り出すために、
トンネル等内でマウンドを作成した後、ステップ■にお
いて、マウンドから所定の大きさ（例えば、４０〜５０
ｃ＋＋角）に砂礫ブロックを切り出す。最初、ハンドド
リル或いはレッグドリルのような機械を用いて、所定の
大きさよりもやや大きめに切り出した後、ブロックを傷
めないようノミやハンマーを用いて慎重に所定の大きさ
になるように周辺部分を整形する。この時、ブロックの
周面は、ある程度平滑になれば良い。また、ブロックの
形状としては、立方体、直方体、円柱、六角柱など、ブ
ロックを収納する保護容器（後述）の形状に近い形とす
る。なお、ブロックを切り出す方向は、採取したい任意
の方向に切り出すことができ、例えば、地層が傾斜して
いる場合でも傾斜に直交する方向など自由に切り出す事
が出来るため、堆積方向とそれに直交する方向の力学特
性の違い（いわゆる異方性）についても検討することが
できる。

次にステップ■において、切り出した試料ブロックの乾
燥を防止するためプロ・ンクをサランラップおよびゴミ
捨て用のビニール袋などの樹脂フィルムで覆う。

次にステップ■において、試料ブロックに保護容器の筒
体を被せる。保護容器１は、第４図にボすように、半割
形状の筒体１ａｔｌｂおよび上蓋２、下蓋３からなり、
各部材は、木製、樹脂製またはスチール製のもので、分
解して現場に運搬した後、留め金により所定の形状に組
み立てることができるようになっている。なお、組立後
の形状は立方体、直方体、円柱、六角柱等になる。

次にステップ■において、第５図に示すように、保護容
器１の筒体１ａＸｌｂと試料ブロック５との間に発泡ウ
レタン等の発泡樹脂６を注入する。

これにより、試料ブロック５が乱されないまま、保護容
器１に拘束・固定される。この際、液状の発泡ウレタン
が注入され固化するまでに丁度筒体ｔａ１　ｔｂと試料
ブロック５との間の空隙を充填するように調節する。

次にステップ■において、試料ブロック上部を、発泡ウ
レタンあるいは砂を充填して平滑にならし、保護容器１
の上蓋２を留め金により固定した後、ステップ■におい
て、試料ブロックの下端をハンドブレーカ、ピック、ツ
ルハシなどを用いて掘削しながら切り離す。下端掘削時
、試料ブロックが転倒しないようにワイヤロープなどで
吊るなどして、あらかじめ支えておくのが望ましい。

次にステップ■において、切り離した試料ブロックの下
端部を同様に発泡ウレタンあるいは砂を充填して平滑に
ならし、下蓋３を留め金により固定する。

次にステップ■において、上記手順にて保護容器１内に
採取した試料ブロックに振動を与えないように冷凍庫ま
で運搬し、ステップ［相］で冷凍庫内で、−３０℃、約
１週間冷却する。この時、試料の飽和度が低い場合には
、予め保護容器１の上蓋２を開いて水分を補給し、飽和
度が５０％〜７０％程度になるように調整しておく。そ
の後、コアボーリングを精度良く行うため試料ブロック
上部に石膏を塗り、面を平滑にして固める。最後にステ
ップ■で、ボーリングマシンによりコアチューブの供試
体を得る。

上記したサンプリング法を用いれば、現場にて試料ブロ
ックを切り出した後、該試料ブロックに保護容器を装着
し、前記試料ブロックと保護容器との間に発泡樹脂を充
填した後、冷凍設備まで運搬し試料ブロックを冷凍する
ため、現場での作業は、常温下でのブロックサンプリン
グのみであるため、１〜２日で済み、現場が休日などで
止まっている時に実施でき工程の遅れを生じない。

また、サンプリングの方向は、ブロックを切り出す方向
を変えることによって、任意の方向が可能である。

また、試料ブロックに保護容器を装着し、試料ブロック
と保護容器との間に発泡樹脂を充填するため、試料の乱
れを防止でき、試験結果は、現場凍結サンプリングのも
のと、同程度の品質が確保できる。

さらに、現場から室内に試料ブロックを運搬した後に凍
結サンプリングを行うため、既存の施設（大型冷凍庫、
ボーリングマシン、コアカッターなど）が宵効に利用で
き、新たな設備を設ける必要が無いため、全体的に、経
費が安くて済む。

第１図は第３図におけるステップ■の詳細を示し、本発
明の三軸圧縮試験用不攪乱砂礫コアの成形方法の１実施
例を示す工程図、第２図は本発明に使用される不攪乱砂
礫コアの成形装置の１実施例を示す構成図である。

第２図において、不攪乱砂礫コアの成形装置は、ボーリ
ングマシン１１、冷却液槽１２、熱交換コイル１３、液
体窒素ボンベ１４からなる。

ボーリングマシン１１は、基台１５およびフレーム１６
を有し、フレーム１６にはモータ１７が配設され、モー
タ１７には、先端にダイヤモンドビット等の硬岩用ビッ
ト１８を有するコアチューブ１９が取付けられ、基台１
５に載置、固定される凍結試料ブロック２０からコアチ
ューブを切削する構成となっている。

冷却液槽１２内には、エチレングリコール液等の不凍液
からなる冷却液２１が充填されると共に、熱交換フィル
１３および温度センサ２２が配設される。該熱交換コイ
ル１３は、鋼管を螺旋状に巻いたもので、電磁弁２３を
介して液体窒素ボンベ１４に接続され、冷却液槽１２内
の冷却液２１の温度が所定温度になるように、温度セン
サ２２の信号により温度制御器２４が電磁弁２３を制御
している。また、冷却液槽１２内の冷却液２１は、循環
用ポンプ２５によりコアチューブ１９を経て基台１５か
ら冷却液槽１２に循環するように構成されている。

上記構成からなるコア成形装置を使用してなる本発明の
コア成形方法を第１図により説明する。

先ず、第３図のステップ［相］において凍結したブロッ
クを冷凍庫から運び出し、ボーリングマシン１１の基台
１５上にセットする（ステップ＠）。

次いで、ステップ［相］において、循環用ポンプ２５を
駆動させると共に、電磁弁２３を制御することにより、
ボーリングマシン１１で使用する冷却液をポーリグ中宮
に−ＩＯ℃〜−２０℃程度の低温に保つように制御する
。

ステップ［株］において、ボーりングマシン１１により
、所定の直径の試料を必要な本数だけ抜きとる。三輪試
験に用いられる供試体の直径は、−船釣に、５．１０．
２０．３０ｃ■であり、岩石実験棟では、これらの直径
でのポーリングが可能である。また、ダイヤモンドビッ
トを用いているため、花崗岩のような高い強度の礫が入
っていてもポーリングすることが出来る。ボーりングコ
アは、抜いた直後にサランラップで覆い恒温恒湿槽に入
れ一２０℃で保管する。

ステップ［相］において、コアカッターにより、ポーリ
ングコアを所定の長さに切ｌする。ポーリングコアを切
断する際に、ボーリングマシン１１で用いた低温の冷却
液を切断部分に流し、切断中にコアの温度が上昇するの
を防止する。また、切断する際にポーリングコアが損傷
しないように、予めガムテープを全体に巻いてもよい。

切断が終了すると、直ちに恒温恒湿槽に入れ、−２０°
Ｃで保管する（ステップＯ）。

ステップ＠、［相］、［相］は、凍結した所定の寸法の
供試体を用いて、三軸圧縮試験を行い、試験結果を得る
までの手順を示す。

ステップ０で、凍結した供試体を恒温恒湿槽から取り出
し、三軸セルにセットした後、ステップ［相］で、拘束
圧を作用させた後、解凍する。拘束圧を作用させた場合
、凍結を解除しても供試体は崩れず、乱されない状態に
ある。また、供試体を通水することによって、飽和させ
る。なお、単に、通水するのみではなく炭酸ガスを予め
通してから通水する方法も良く用いられている。

ステップ＠において、−船釣な三軸圧縮試験方法に従っ
て試験を行う。

次に第６図ないし第１０図により、本発明の三軸圧縮試
験用不攪乱砂礫コアの成形方法を用いた実験結果につい
て説明する。

不撹乱試料は、南大沢トンネルの上半部を構成する御殿
峠礫層からブロックサンプリング法を用いて採取した。

南大沢トンネルは、多摩ニュータウン西部地区、ニュー
タウン幹線の西端に位置し、へ王子市および町田市にま
たがる道路トンネルである。地質は、下位より上絵層群
、御殿峠礫層、関東ローム層により構成されており、ト
ンネル上半部に御殿峠礫層、下半部に上絵層群が現れる
。

このため、トンネル上半部に現れる御殿峠礫層について
、不撹乱試料を採取し力学特性について検討することに
した。御殿峠ｒａｍは、数１０−■〜数１００１の礫を
主体とし、腐り礫と新鮮な礫が混在しており、マトリッ
クスは砂質粘性土である。

供試体は、円柱供試体を直径１０ｃｍ１　高さ２０ｃｍ
の寸法に整形して、三軸圧縮試験に用いた。第６図には
、粒度試験から得られた粒径船積曲線を示した。なお、
粒度試験には三軸圧縮試験で用いた円柱供試体を、試験
終了後に取り出して使用した。

粒度試験より粒度組成は、部分６０〜７０％、砂分２０
〜２５％、シルトおよび粘土分６〜１７％であった。ま
た、最大粒径は５０−Ｅｉ５ｍｍ、６０°Ａ粒径はＩＯ
”１４ｍｍ。

３０％粒径は０．８〜２　ｍｌｌｌｌｏ％粒径は０．１
４−０．２２１であった。これは、日本統一土質分類法
によると、細粒分まじり礫ＣＧ−Ｆ）に分類される。

三軸圧縮試験は、排水条件下でひずみ速度一定（εｌ：
ｏ、０１％／１ｎ）として行った。側圧は、１＋　　２
＋　　５＋　　１０ｋｇ　ｆ／ａｍ”の４種類であり、
バックプレッシャーは２．０ｋｇｆ／ｃｍを作用させた
。

第７図には主応力差（σｌ−σ３）〜軸ひすみ（εｌ）
〜体積ひすみ（εＶ）関係を示した。

初期の弾性変形挙動を生じている部分について、応力ひ
ずみ関係から接線ヤング係数Ｅおよびポアソン比νを求
め、それぞれ第８図、第９図に示した。これを見ると、
ヤング係数Ｅについては拘束圧依存性が見られ、平均主
応力σｍとほぼ直線関関係にあることがわかる。しかし
、ポアソン比については拘束圧依存性は見られず、一定
の値となった。このため、式（１）、式（２）に示すよ
うな実験式を用いて接線弾性係数を表すことにした。

また、第８図、第９図には、式（１）、式（２）の関係
式を実線で示した。

Ｅ　：＝　３００＋４５・ａｍ　　　　　＝　（１）ν
＝　０．１９　　　　　　　　　　・・・（２）第１０
図には、最大強度のモール円および式（３）で表される
モール・クーロンの破壊基準線を示した。

τ＝Ｃ＋σ　・ｔａｎ　　φ　　　　　　・・・　（３
）ここで、Ｃは粘着力、φは内部摩擦角である。

これにより、強度定数として粘着力ｃ＝１．ｏＯｋにｆ
／ｃ献　　内部摩擦角φ＝３［ｉ、Ｉ’　の値が得られ
た。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、常温下でサンプリングし
た砂礫試料を凍結させ、この凍結させたブロックから、
容易に且つ品質の良い不攪乱砂礫コアを提供することが
できる。

また、砂と礫との混合体である砂礫は、凍結させること
により、砂部分と礫部分との強度の比が小さくでき、周
囲の砂を乱すことなり、礫を切断することができる。

また、コアをくり抜く時に大きな熱を発生させるが、冷
却した不凍液を循環させることにより、凍結させた砂礫
ブロックが融解するのを防止できる。

さらに、供試体を試験機にセットした状態で解凍するこ
とにより、容易に通常の状態に戻すことができ試験が容
易に行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の三軸圧縮試験用不攪乱砂礫コアの成形
方法の１実施例を示す工程図、第２図は本発明に使用さ
れる不攪乱砂礫コアの成形装置の１実施例を示す構成図
、第３図は本発明に係わる不攪乱砂礫のサンプリング方
法を説明するための工程図を示し、第４図は第３図にお
ける保護容器の１例を示す斜視図、第５図は試料ブロッ
クと保護容器との間に発泡樹脂を充填した断面図、第６
図、第７図、第８図、第９図および第１０図は、本発明
の三軸圧縮試験用不攪乱砂礫コアの成形方法を用いた実
験結果を説明するための図である。 １１・・・ボーリングマシン、１２・・・冷却液槽、１
３・・・熱交換コイル、１４・・・液体窒素ボンベ、１
８・・・硬岩用ビット、１９・・・コアチューブ、２０
・・・凍結試料ブロック、２１・・・冷却液、２５・・
・循環用ポンプ。 出　願　人　　　　清水建設株式会社 復代理人弁理士　　阿　部　龍　吉（外７名）第３図 体積ひずみε（Ｘ） Ｖ 主応力差σｌ−σ３　（ｋｔｆ／ｃ♂）ｉＬＩ過質量百
分率（％） せん断応力 τ（ｋｔｆ／ｃ／） ポアソン比 ヤング係数 Ｅ（ｋｒｌ／ｃ／）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）常温下でブロックサンプリングした砂礫試料ブロ
   ックを凍結させた後、ボーリングマシンに低温の冷却液
   を循環させながら不攪乱砂礫コアを成形することを特徴
   とする三軸圧縮試験用不攪乱砂礫コアの成形方法。