JPH0516489B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は砂や礫地盤等を凍結することにより、
地中応力を保持した状態で地盤を所定の径に切削
して乱さない地盤試料を採取するための凍結地盤
試料採取用の断熱装置に係り、特にこのような地
盤の凍結を地盤の深層の限定された部分のみに行
う深層凍結地盤試料採取用に適した断熱装置に関
する。

従来の技術 地盤の所定の深層部を凍結することによつてこ
の深層部の地盤試料を採取するためには各種の従
来技術が知られている。

例えば、第５図ａ，ｂに示された例では先づ凍
結孔１を削孔し、この中に凍結管２を挿入して地
表面近くの不凍結部分を凍結しないように断熱処
理をして限定凍結部分の凍土３を造成する。凍土
３が所定の大きさになつた時点で試料採取孔ガイ
ドパイプ４を介して試料採取孔５を削孔しながら
乱さない試料６を採取している。

第６図ａ，ｂに示された従来の技術では地上か
ら数本の凍結孔１１を削孔して凍結管１２を挿入
して第４図の場合と同じように断熱処理してから
凍土１３を造成し、試料採取孔ガイドパイプ１４
を介して試料採取孔１５を削孔している。凍結孔
１，１１と試料採取孔５，１５の配置にはいろい
ろなものがあり、凍土造成の確認のためには地温
検知器（図示せず）等を埋設するなどの方法もと
られている。

第７図及び第８図に示された各実施例は、限定
凍結深度上附近まで先づ大口径ボーリングをし、
次に凍結孔と試料採取孔とを削孔するものであ
る。

第７図の実施例は、先進大口径ボーリングによ
つて大口ボーリング孔２０を形成してから凍結孔
２１と試料採取孔２５のガイド管２２，２４をセ
ントライザー（図示せず）等を使用して位置決め
して大口径ボーリング孔２０の底まで挿入し、凍
結孔２１を堀孔してからこの中に凍結管（図示せ
ず）を挿入して限定深度部分の凍土２３を造成す
る。そして、試料採取孔ガイドパイプ２４を介し
て試料採取孔２５を形成する。この場合、ガイド
管２２には断熱処理が施されることが多い。ま
た、大口径ボーリング孔２０内には一般に泥水が
満たされているので、これが凍結しないように撹
拌する等の工夫もなされている。

第８図に示された従来の技術では、大口径ボー
リング孔３０を形成した後に、この大口径ボーリ
ング孔３０の底にボーリング機械等を設置してか
ら凍結孔３１を削孔して凍土３３を造成する。そ
して、この凍土３３に試料採取孔３５を削孔しな
がら乱さない試料３６を採取している。

第９図及び第１０図に示す各実施例は凍土柱を
引き抜いてから試験試料を地上で採取するもので
ある。

第９図の従来の技術は不凍結深度が浅い場合に
適用されるものであり、凍結孔４１を削孔してこ
の中に凍結管（図示せず）を挿入して凍土４３を
造成する。この場合、不凍結部分は断熱処理４２
が施されている。このようにして凍土４３を造成
した後に大口径コアチユーブ４４を用いて凍土４
３の外周付近を縁切りのため削孔してから凍土柱
を引き上げる。なお、引抜力が小さい場合は縁切
りせずにそのまま凍土柱を引き抜くことも行われ
ている。

第１０図は限定凍結深度が深い場合のもので、
限定凍結上面付近まで大口径ボーリングによつて
大口径ボーリング孔５０を形成し、凍結孔５１の
削孔用ガイド管５２をセントライザー等を使用し
て位置決めしながら先進孔５０の底まで降ろして
凍結孔５１を削孔し、この中に凍結管（図示せ
ず）を挿入して凍土５３を造成する。この時、大
口径ボーリング孔５０内の泥水が凍結しないよう
に撹拌したりガイド管５２を断熱処理したりして
いる。凍土５３が所定の形状に達したら、大口径
コアチユーブ５４を用いて縁切り削孔して凍土を
引き上げる。本工法については工程が複雑である
ため、いろいろな方法が考案されている。例えば
特公昭60−100737がこれに該当する。

発明が解決しようとする問題点 第５図と第６図とに示された従来の技術の本質
的な相違は、１本の凍結孔の囲りで試料を採取す
るか数本の凍結孔で凍土を造成してから試料を採
取するかの点で、乱さない試料を採取する砂や礫
地盤に細粒土を混入する場合には後者の方法で凍
土を造成すると凍結時に地盤を乱す恐れがある点
のみである。いづれの場合でも、凍結孔や試料採
取孔を別々に地表から削孔するこれらの従来技術
では削孔時に孔曲がりや傾斜が発生するので、各
孔間を相当離して位置決めしなければならない。
そのため、凍結範囲を大きくしなければならない
ことが最大の問題点である。特に限定凍結深度が
深い場合は所望の削孔は事実上不可能に近い。

第７図に示された従来の技術では、凍結孔およ
び試料採取孔用のガイド管を個別に又はこれらを
鋼材等で枠組みして大口径ボーリング孔内に挿入
し、その周囲を孔内泥水で満たしているので、凍
結防止工が必要でありガイド管および大口径ボー
リング孔底からの熱損失が大であると同時に、大
口径ボーリングによる孔底地盤の乱れと凍結時に
上載圧が除去されているため地中応力を保持した
状態で凍結されないなどが問題点である。

第８図に示された従来の技術では、ボーリング
装置等を大口径ボーリング孔底に設置しなければ
ならないため、地下水位が浅い場合には困難であ
ること、及び大口径ボーリング孔の必要孔径を試
料採取孔の位置からではなく作業スペースで決め
なければならないためにこれが大きくなること、
および第６図の従来技術と同様に大口径ボーリン
グ孔底からの熱損失が大であると同時に地中応力
の解放などの問題がある。

第９図に示された従来の技術は不凍結深度が浅
い場合には特に問題はないが、不凍結深度が深い
場合にはこの技術を使用することが困難である。

第１０図に示された従来の技術では大口径ボー
リング孔内の泥水の凍結防止のため撹拌の作業を
凍結作業中継続して行う必要があることおよび凍
結範囲や地温の水平方向の情報を直接的に得るこ
とができない欠点がある。また、この従来技術で
は大口径ボーリング孔底での熱損失が大であるこ
と、地中応力が解放される欠点がある。更に、こ
の従来技術では、凍土柱外周を縁切りボーリング
する時に大口径コアチユーブ５にヘツドを取付け
て低温循環流体を圧送するため凍結管と計測ケー
ブル等を除去しなければならず、このため凍土柱
が解凍し熱管理ができないことなどの問題があ
る。

以上を要約するに、深層凍結地盤試料採取にお
いては、孔曲がりや傾斜を防止しなければなら
ず、熱損失を最少にするために効果的な断熱を行
わなければならない。又、経費を節減するために
は凍結範囲をできるだけ小さくする必要があり、
このためには温度管理を効果的に行わなければな
らない。更に、正しい乱さない試料を得るために
は地中応力を正しく保持しなければならない。

然しながら、これらの要求を同時にすべて満足
させることは従来の技術では困難であつた。

従つて、本発明の目的はこれらの要求を同時に
満たすことができる凍結地盤試料採取用の断熱装
置を提供することである。

問題点を解決するための手段 本発明による凍結地盤試料採取用の断熱装置
は、地盤の凍結すべき部分に適合する横断寸法を
有してほぼ全体が断熱部材で形成されている柱状
の本体を有し、この本体には凍結孔削孔のための
ガイド孔等が軸線方向に形成されている。

作 用 本発明による凍結地盤試料採取用の断熱部材を
使用するには先づ所望の寸法の大口径ボーリング
孔を削孔し、この中に本発明による柱状の断熱装
置を挿入して孔底に載置する。次に、凍結孔用の
ガイド孔を利用して所望の大きさの凍土を造成
し、次に試料を採取するためのガイド孔を利用し
て所望の試料を採取することができる。

実施例 第１図に示された実施例において、作業ステー
ジ１０１は地盤を凍結させるための低温流体用お
よび排気管などの地上配管のため地表面から嵩上
げしたものであり、口元管１０２は大口径ボーリ
ングを行うためのものである。この実施例におい
ては、本発明による断熱装置１００は上部１０
３、中部１０４及び下部１０５に分割されてお
り、接続金具１０６によつて互に結合されてい
る。断熱装置１００の下部底面と原地盤とのなじ
みを良くし隣接するボーリング孔と貫通しないよ
うにするための貫孔防止土１０７が設けられてい
る。

断熱装置１００の上部１０３、中部１０４及び
下部１０５の中には夫々には第２図に示すように
軸線方向に一致する、凍結孔１０８を削孔するた
めのガイド孔１０９、地盤試料採取孔１１０を削
孔するためのガイド孔１１１、温度計測孔１１２
を削孔するためのガイド孔１１３が軸線方向に形
成されており、これらの外周には後述する各種の
温度検知器１１４，１１５，１１６等のためのケ
ーブルを引き出すためのケーブル引出し孔１１７
が形成されている。

断熱装置各部１０３，１０４，１０５は実質的
に断熱材で作られており、その外周は必要に応じ
てプラスチツク又は金属板等で覆うこともでき
る。更に大口径ボーリングによる地中応力の減少
を補うための鋼材等を用いて外周を覆うなどによ
り重くすることが出来る。これらの各部１０３，
１０４，１０５は基本的には同一であるが、上部
１０３の上面には凍結孔１０８に接続する排気孔
接続管や、試料採取孔１１０の蓋などが装備され
ている。

次に、断熱装置１００を使用する作業手順を説
明する。

先づ、口元管１０２を地中に入れて大口径ボー
リングにより不凍結部分の上部より孔径程度まで
削孔し、断熱装置１００の下部１０５を降し、こ
れに中部１０４を結合して孔内に降ろし、最後に
上部１０３を接続して孔内に降ろして作業ステー
ジ１０１を設置する。

次にガイド孔１０９を利用して凍結孔１０８を
凍結限定深度下部まで削孔し、この中に凍結外管
と内管とを挿入してから低温流体配管を行う。

次に、ガイド孔１１３を利用して計測孔１１２
を削孔し、その孔壁に接触するように地温検知器
１１６および比抵抗測定用電極１２０を埋設して
から凍結孔１０８に低温流体を注入して熱管理を
行いながら所定の大きさの凍土１２１を造成す
る。

次に、初めの試料採取用のガイド孔１１１を介
して試料採取孔１１０から乱さない試料を採取
し、この作業の終了後に、次の試料採取時に貫孔
しないように低温にした砂、水と共に地温検知器
を孔内に入れこれを再凍結してから次の試料採取
孔を削孔する。なお、凍結の初期段階で第１図に
示す温度検知器１１４の温度を測定し、断熱装置
１００の下部から凍結が進行し、試料採取期日内
に不凍液による解凍が管体下部まで侵食しない範
囲以上凍結が進んだ時点で大口径ボーリング孔壁
と管体との間にある泥水中に塩化カルシユム溶液
などの不凍液を孔口から投入し、比重差によつて
未凍結部分を凍結させないようにすることにより
作業終了後管体の回収を容易にする。なお、管体
下部の周囲と底部は凍着防止のためにテフロンシ
ート等により保護されている。

尚、温度検知器１１４は断熱装置１００と大口
径ボーリング孔壁との凍着を適正なものにするた
めのものである。又、温度検知器１１５は凍土の
水平方向の生長を測定するためのものであり、温
度検知器１１６は凍土の深度方向の生長と温度を
測定するためのものである。比抵抗検知器１２０
は地盤の飽和度や塩分濃度などの情報を得るため
のもので、電極は所定の間隔で対になつている。

限定凍結深度上面までの地層が削孔し易い未固
結砂あるいは軟弱粘性土である場合は、第３図に
示すような削孔ビツトを断熱装置１００の下面に
装着して、削孔しながら所定の深度まで管体を入
れ、前記の要領で地盤を凍結し、乱さない試料を
採取する。この断熱装置１００は第３図にその下
面を示すよう、凍結孔１０８のガイド孔１０９、
計測孔１１２のガイド孔１１３、試料採取孔１１
０のガイド孔１１１、水平方向地温測定用の検知
器１１５、同リード線の引出し孔１１７、大口径
削孔用ビツト１２２と台座１２３を有する。大型
ボーリング機械を用いて外周を鋼板で補強された
断熱装置１００を装着して所定の深度まで削孔し
てから凍結、試料採取を行う。

従来技術によると、地盤凍結に必要な日数が最
も短期日である−196℃の液体窒素を用いても最
低１日、凍土径が大きくなると３〜７日は必要で
あり、その間に孔壁が崩壊して作業終了後に管類
を回収するため引き上げようとしても困難な場合
がある。

そこで大口径ケーシング内を断熱剤で埋め、か
つ多機能複合管体下部のガイド管シユー部分の上
部に管自体の熱伝導を防ぐ断熱管を挿入するこ
と、各管類と底板との接続は溶接などの密着方法
をとらず間をあけてボルト接続することにより熱
応力による変形防止と試料採取用ガイド管の低温
化を防止する構造とし、図−１に示すような方法
で地盤を凍結させて試料採取を行つた結果、地盤
条件や限定凍結深度によつても異なるが熱効率、
即ち液体窒素の消費量は10〜40％少なくて済み、
作業トラブルがなくなつたため工程特に試料採取
時間が半分程度に短縮された。また試料採取の質
の向上も計れた。

第４図に示された実施例は、本発明による断熱
装置１００Ａを利用して凍土柱を造成してこれを
引き抜く方法である。

この実施例における断熱装置１００Ａは第１図
及び第２図に示す断熱装置１００と基本的に同一
であり、その異る点は試料採取用のガイド孔１１
１の代りに循環流体の圧送管１３２が設けられて
いることである。圧送管１３２の下部は断熱装置
１００Ａの下端付近に位置し、排出口１３３が設
けられている。

この実施例では先づ口元管１０２を設置し、オ
ーガーボーリング等により断熱装置１００Ａの下
部まで削孔し、下端にビツト１３１を有する大口
径ケーシング管１３０を不凍結深度の上面まで挿
入する。

断熱装置１００Ａを大口径ボーリング孔の底に
設置し、ガイド孔１０９にガイド管１３４を挿入
してこれに凍結管１３５を挿入して凍土柱１３６
を造成する。凍土柱１３６の造成と熱管理のため
の計測孔や温度検知器等の埋設は第１図及び第２
図に示す場合と同様である。凍土柱１３６が所定
の大きさになつた時点で、断熱処理されたガイド
管１３４と凍結管１３５および循環流体の圧送管
１３２及び大口径ケーシング管１３０を継ぎ足し
て凍結管理を行いながら圧送管１３２から低温流
体を圧入し、大口径ケーシング管１３０を回転し
ながら第４図に点線１３７で示すように凍土柱の
外周附近を切削する。圧送循環流体１３８は大口
径ケーシング１３７内の上面附近になるように制
御し、この圧力差によつてビツト面からの切削屑
を大口径ケーシング１３７外面と地盤および口元
管１０２の間を通つて地上に排出する。そして、
凍土柱１３６の下端まで削孔後に大口径ケーシン
グ１３７と凍土柱とを引き上げる。

この実施例によると、第１図及び第２図に示し
た実施例における前述の効果のうち試料採取部分
を除く効果が得られ、更に凍土柱周囲を削孔する
間も熱管理が行えるため、従来技術では凍土柱上
方が融解して細くなり所定の均等な径の凍土が採
取できなかつたものが均等な凍土柱を引き上げる
ことができた。なお削孔中に断熱装置１００Ａが
削孔用ケーシング管と共廻りするのを防ぐため、
凍結孔および計測孔用ガイド管の突出長さを長く
し、かつ底板が直接凍土に接するようにしたこと
により凍着力を十分働かせることができた。

効 果 以上の如く、本発明によると、断熱装置のガイ
ド孔を利用することにより孔曲りや傾斜を効果的
に防止することが可能であり、断熱材を利用する
ことにより凍結時の熱損失を最低とすることが出
来且つ地中応力を保持したままで乱さない地盤試
料を採取することが出来る効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による断熱装置を使用して地盤
試料採取を行う方法を示す断面図、第２図は断熱
装置の拡大底面図、第３図は他の実施例による断
熱装置の拡大底面図、第４図は本発明の更に他の
実施例による地盤試料採取を行う方法を示す断面
図、第５図は従来技術を示す図にして、ａは縦断
面図、ｂは線−における断面図、第６図は他
の従来技術を示す図にして、ａは縦断面図、ｂは
線−における断面図、第７図は更に他の従来
技術を示す図にして、ａは縦断面図、ｂは線−
における断面図、第８図は更に他の従来技術を
示す図にして、ａは縦断面図、ｂは線−にお
ける断面図、第９図は更に他の従来技術を示す断
面図、第１０図は更に他の従来技術を示す断面図
である。 １００，１００Ａ…断熱装置、１０２…口元
管、１０３…上部、１０４…中部、１０５…下
部、１０６…接続金具、１０８…凍結孔、１０９
…ガイド孔、１１０…地盤試料採取孔、１１１…
ガイド孔、１１２…温度計測孔、１１３…ガイド
孔、１１４，１１５，１１６…温度検知器、１１
７…ケーブル引出し孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 深層における砂や礫地盤等を凍結することに
   より、地中応力を保持した状態で地盤を所定の径
   に切削して乱さない地盤試料を地中から取り出す
   ための凍結地盤試料採取用の断熱装置において、
   前記地盤の凍結すべき部分に適合する横断寸法を
   有してほぼ全体が断熱材で形成されている柱状の
   本体を有し、前記本体の中に凍結孔削孔のための
   ガイド孔等を、軸線方向に形成したことを特徴と
   する凍結地盤試料採取用の断熱装置。