JPH0657935B2 - 地盤強度測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 開示技術は軟弱地盤にセメント等の改良材を噴射し、撹
拌混入させて強化した改良地盤等の上部に盛土等の構造
物を構築するに際しての当該地盤の強度を原位置で測定
する技術分野に属する。

＜発明の概要＞ 而して、この出願の発明は軟弱地盤に対しセメント等の
改良材を噴射供給して土壌と混合撹拌し、強化した改良
地盤等の地盤の強度を原位置で測定するに際し、当該地
盤の地上にセットされたボーリングマシンから延設され
たボーリングロッドを地盤中に貫入回転して削孔しなが
ら当該ボーリングロッドの作動データを得て該データか
ら原位置での地盤強度を測定する方法に関する発明であ
り、特に、ボーリングマシンから下延するボーリングロ
ッドの回転削孔中作動データのうちの回転速度、掘進速
度データは地上のマシンで測定し、一方、ビット推力、
或いは、該ビット推力と回転トルクのデータについては
ボーリングロッドの先端ビットの直上部分に内装するセ
ンサ等によって測定し、ＦＭ電波等により測定データを
地上に送信し、リアルタイムで回転速度と堀進速度と共
に解析処理するか、ビット推力、回転トルクの測定デー
タをカードやテープを有するレコーダ等のメモリーに測
定データをインプットさせ、これらの時間に対するデー
タを一たん記憶させて後でアウトプットして数理工学的
に解析することにより当該地盤の原位置に於ける強度デ
ータを得るようにした地盤強度測定方法に係る発明であ
る。

＜従来の技術＞ 当業者に周知の如く、地上に盛土等の構造物を構築した
り、地中に地下鉄、地下タンク等の構造物を構築するに
際しては当該地盤の強度の測定を予め行うようにされて
いる。

而して、当該地盤に対する強度測定には地盤の性状に応
じて原位置で直接地盤の強度を計測する所謂サウンディ
ング法（ロータリーサウンディング法）、或いは、ボー
リングを行ってそのコアサンプルを採取し、室内で所定
の強度試験を行う方法等がある。

而して、前者のサウンディング法は土質地盤等の地盤に
対して行われるものであり、標準貫入試験やコーン貫入
試験等が一般に広く用いられている。

一方、固結度の高い土丹層や軟岩を含む岩盤には上述土
質地盤に対する貫入試験は行い得ないために、かかる堅
い地盤に対してはボーリングを行い、コアサンプルを採
取して試験室等で１軸圧縮強度試験や孔内載架試験等を
行っている。

而して、自然状態の地盤やこれまで採用されてきた地盤
技術による改良地盤に対しては原位置でのサウンディン
グ法や室内での強度試験を用いることにより当該地盤の
強度測定を直接的、間接的に行うことが可能であった
が、近時地盤改良においてはこれまで広く用いられてき
た薬液注入工法の他、地盤内にセメントや生石灰等の粉
体等の固化材を供給して土壌と混合する所謂深層混合処
理工法等が開発され、実用化され、このような新技術に
よる改良地盤は単なる土質地盤や岩盤地盤とは性状が異
なり、地盤上部や内部に構造物を構築するに際しての強
度測定は益々重要になってきているにもかかわらず、該
種改良地盤は上述したことまでのサウンディング法適用
対象の土質地盤と岩盤地盤の中間の性状を有するため
に、適正な強度測定法が開発されておらず、現実には当
該地盤の性状ごとにボーリングを行ってコアサンプルを
採取し、室内試験法を適用していた。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、かかるコアサンプルによる室内試験法を
深層混合処理工法等による改良地盤に適用すると、ボー
リング時のボーリングマシンの地盤との振動や衝撃によ
ってサンプルコアに切断部が生じたり、亀裂が発生する
等し、採取した該サンプルコアが適正な試験対象となり
得ず、その結果、当該地盤の原位置での強度の測定がな
され得ないという欠点があった。

又、サンプルコアの切断部や亀裂部のない部分を用いて
１軸圧縮試験を行うとしても、ランダムサンプリングと
はならないために、当該原位置に於ける地盤強度の代表
値としては採用し難いという難点があった。

特に、低強度の地盤に対するコアサンプリングには三重
管のボーリング装置を用いる等の点から装置的に複雑で
作業が煩瑣となり、結果的に著しくコスト高になるとい
う不利点があった。

一方、サウンディング法とは異なるが、石油井戸の掘削
に際しても地盤強度を予め測定する必要性があるが、こ
のような場合の地盤掘削においてボーリング速度から間
接的に当該地盤の強度を測定する技術も開発されてはい
るが、該種地盤掘削における強度測定を深層混合処理等
による改良地盤の強度測定に利用するには至っていな
い。

そして、地盤強度判定用に上述石油井戸掘削の場合と同
様にボーリングの掘進速度から地盤強度から求める方法
を用いることも一部では実用化されているものの、深層
混合処理工法による地盤改良技術自体が新規な技術であ
ることに加えて、ビット推力をボーリング機械の推力よ
り求めるため、ボーリングロッドと孔壁の摩擦の影響が
加わることから、精度良く該ビット推力を検出出来ない
といった不都合さがあった。

又、例えば、先願の特願昭６１−５９４４６号（特開昭
６２−２２０６９１号公報）発明等に開示されているア
ースオーガー（スクリュウオーガー）の駆動モータの電
流値の測定から回転トルクを算出する技術については当
該者に周公知のものではある。

しかしながら、かかる手法は地盤改良施工管理用技術に
係るものであり、概略値の推測を行うためのものであっ
て原理的にも精度面からも地盤強度計測用にはなり得な
いマイナス点がある。

＜発明の目的＞ この出願の発明の目的は上述従来技術に基づく深層混合
処理工法等の新技術による改良地盤は勿論のこと、既存
の技術による改良地盤や自然土質地盤や岩盤等の地盤に
於ける強度測定の問題点を解決すべき技術的課題とし、
あらゆる性状の地盤の強度を当該地盤の原位置に於ける
計測によって得られるデータのリアルタイム処理による
解析し、或いは、該データを記録し、記録されたデータ
の後段での解析を介しての数理工学的手法に基づき確実
に当該地盤の原位置での強度の測定を行うことが出来る
ようにして建設産業における計測技術利用分野に益する
優れた地盤強度測定方法を提供せんとするものである。

＜課題を解決するための手段＞ 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とするこの出
願の発明の構成は前述課題を解決するために、地盤に対
しボーリングマシンから延設されたボーリングロッドに
より回転削孔しつつ該ボーリングロッドの作動データを
得て原位置での地盤強度を測定する方法であって、上記
ボーリングロッドの地盤に対する回転削孔中の回転速
度、掘進速度、ビット推力、回転トルクを測定し、これ
らの測定データの解析により原位置での当該地盤の強度
データを得るようにする地盤強度測定方法を基幹とし、
該方法にあっては上記ビット推力と回転トルクをボーリ
ングロッドのビット直上で測定し、回転速度と掘進速度
を地上で測定するようにし、又、上記ビット推力と回転
トルクのデータをリアルタイムで地上に送信して計測す
るようにし、この際上記データの送信を電波で行うよう
にし、更に上記ビット推力と回転トルクのデータを一た
んメモリーに記憶させ、該データを後で呼び出して解析
するようにもし、この際、上記ビット推力と回転トルク
のデータの記憶をボーリングロッド内のメモリーにて行
うようにし、又、地盤に対しボーリングマシンから延設
されたボーリングロッドにより回転削孔しつつ該ボーリ
ングロッドの作動データを得て原位置での地盤強度を測
定する方法において、上記ボーリングロッドの地盤に対
する回転削孔中の回転速度、掘進速度、回転トルクを測
定し、これらの測定データの解析により原位置での当該
地盤の強度データを得るようにする地盤強度測定方法で
あって、この際上記回転トルクをボーリングロッドのビ
ット直上で測定し、回転速度と掘進速度を地上で測定す
るようにする地盤強度測定方法の技術的手段を講じたも
のである。

＜作用＞ 而して、深層混合処理工法による改良地盤等の地盤の強
度をサウンディング法により原位置で測定するに際し、
当該地盤の測定部位の地上にセットするボーリングマシ
ンから下延させるボーリングロッドの先端ビットの直上
部分のロッド部分の内部に深度による影響を受ける回転
トルクとビット推力に対する、或いは、回転トルク（の
み）に対する所定のトルクメータタイプのセンサを内蔵
し、該各センサにカード、或いは、テープ、ディスク等
のメモリー用のレコーダをセットするか、無線発信器を
セットし、一方、地上のマシン側にはボーリングロッド
に対する回転速度と掘進速度とは深度に影響されないと
ころからそれらの検出センサを設けて該ボーリングロッ
ドを当該地盤に貫入して回転削孔し、メモリー方式を用
いる場合には各センサを経時的に作動させてボーリング
ロッド先端内部での回転トルクとビット推力、或いは、
回転トルクのみをメモリーのレコーダに経時的にインプ
ットしてメモリーとして記憶させ、又、地上に於ける回
転速度と掘進速度も経時的にレコーダに記録し、ボーリ
ングロッドが所定深度に達したところでこれを引き上
げ、該ボーリングロッド内から上記レコーダを取り出し
て回転トルクとビット推力、或いは、回転トルクのみの
メモリーのインプットデータを取り出し、併せて地上の
ボーリングマシンに於けるレコーダのメモリーからの回
転速度と掘進速度の各データを再生し、演算装置にイン
プットして数理工学的に所定に解析することにより、当
該地盤の原位置に於ける深さ部位の強度を間接的に正確
に測定することが出来るようにし、又、無線による送信
を用いてリアルタイム方式を用いる場合には地上でのボ
ーリングロッドの回転速度と掘進速度の検出と連動させ
て計算処理するとによってリアルタイムに当該地盤の強
度を原位置にて求めることが出来、設計によっては併せ
てデータレコーダ等に採取データを集録し、後段で解析
処理することも可能であるようにしたものである。

＜実施例＞ 次に、この出願の発明のメモリー方式による実施例を図
面に従って説明すれば以下の通りである。

図示実施例は近時開発されたセメント等の粉体固化材を
地盤中に供給し、該地盤中の土壌と混合して固化するよ
うにした新規な地盤改良技術による改良地盤１に対する
その原位置での当該地盤の強度の測定をする態様であ
り、第１、２図に示す実施例において、所定の改良地盤
１の地表の測定部位に適宜のボーリングマシン２をセッ
トし、先端にビット３を有するボーリングロッド４を各
ユニットロッド、５、５…のジョイント６を介しての接
続により押込装置７、回転装置８を有する掘削装置によ
り当該地盤１に対して回転掘進させ、削孔していく。

尚、該ボーリングマシン２の構造は従来のサウンディン
グ法等に用いているボーリングマシンと実質的に変わり
はないものである。

而して、該ボーリングマシン２に於いてはその地上部分
にて光センサタイプの周知の適宜の回転速度センサ９と
掘進速度センサ10が設けられて（前述の如く、回転速度
と掘進速度は深度に影響されないために）カード、ディ
スク、テープ等の適宜のメモリー11のレコーダに電気的
に接続されている。

そして、ボーリングロッド４の先端部のビット３の直上
部分にはストレンゲージタイプの適宜の回転トルクセン
サ12とビット推力センサ13が配設され、これらに電気的
に接続される磁気テープや磁気カード等の所定のメモリ
ー12′、13′（第２図）のレコーダを内蔵している。

尚、該回転トルクセンサ12とビット推力センサ13をボー
リングロッド４のビット３の直上の所定部位に内装する
ことについては該ボーリングロッド４の回転削孔で掘進
深度が深くなると、前述した如く、該ボーリングロッド
４と削孔壁間の摩擦のため、ビット３に印加される負荷
の検出が困難であり、又、当該負荷が検出されたとして
も、ケーブルを介して地上の測定装置に直接入力するの
は各ユニットロッド５、５のジョイント６を介しての脱
着作業が困難であるがためである。

そして、ビット推力はビット（ボーリングロッド）の地
盤中への喰い込み深さ、強度の函数であり、したがっ
て、独立して測定され得る。

これに対し、回転トルクは喰い込み深さ、せん断強度の
函数であり、上記ビット推力を原因側とすれば結果側で
あり、両者は一義的に推察出来る関係ではない。

一方、ボーリングロッド４の回転速度と掘進速度につい
てはこれらを地上で測定しても、該ボーリングロッド４
の撓みや曲げはほとんど測定精度に係りがないがため
に、測定精度を上げるべくボーリングマシン２内に直接
的に装備する必要はないことにより第１図に示す様に、
地上に設けた装置で計測されるようにされている。

而して、上述の如く、ボーリングマシン２を当該地盤１
の上部にセットし、ボーリングロッド４に於て各ユニッ
トロッド５、５をジョイント６を介して接続しながら当
該地盤１に対し回転削孔を行うと、地上にあっては該ボ
ーリングロッド４の回転速度と掘進速度はメモリー11に
経時的に時間軸に対する測定データがインプットされ、
又、地盤１中にあってはビット３の直上の所定部位に於
いて設けられた回転トルクセンサ12、ビット推力センサ
13からの検出データがメモリー12′、13′に記憶され
る。

そして、削孔が所定深度に達すると、上述プロセスの逆
プロセスによりボーリングロッド４を引き上げ、地上に
於いて、メモリー11に記録された回転速度と掘進速度の
インプットデータ、及び、回転トルクセンサ12とビット
推力センサ13からのインプットデータのメモリー12′と
13′が地上に設けられた対応する呼出装置11″と11を
介して所定のマイクロコンピュータによる解析装置14に
アウトプットとして入力され、所定の解析が行われる。

而して、当該解析は次のような数理工学的見地からの勿
論解析に基づいて行われる。

即ち、検出されたデータのビット推力をＷで表わし、回
転トルクについてはＴ（kgf・cm）とし、ビット３の回転
速度は地上で測定されるボーリングロッド４の回転速度
と等価であり、ｎ（rev/min）で表わし、該ビット３の
掘進速度は同じく地上のボーリングロッド４の降下速度
の掘進速度で表わし、これをＲ（cm/min）とすると、Ｒ
とＴは１つの関数関係として経験的に一般的 Ｒ＝ｆ（Ｗ、ｎ、Ｓ、…） （１） Ｔ＝ｇ（Ｗ、Ｓ、…） （２） と表わされる。

そして、該（１）、（２）の式を書き換えると、 Ｒ＝ｋＷ^ａｎ^ｂＳ_０ ^ｃ （３） Ｔ＝ｋ′Ｗ^ｄＳ_１ ^ｅ （４） と表わされる。

ここにａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは定数で室内実験の１軸圧縮
試験や現場実験データ等から次元解析によって予め求め
られておくものである。

又、Ｓ_０、Ｓ_１は地盤１の強度に関係する値であって、
実験により１軸圧縮強度の関係によって予め求めておく
ことが出来るものである。

尚、ｋ、ｋ′はドリラビリティ定数と称されるものであ
って、ビット３の直径、及び、形状、その刃先の摩耗
度、ボーリング水のクリーニング効果、その他ボーリン
グマシン固有の定数であり、予め求められるものであ
る。

そして、Ｗ、ｎはボーリングマシン２の運転条件で予め
与えられるものであり、ＲとＴは測定により結果的に得
られる数である。

そこで、逆にＲを与えれば、抵抗としてＷとＴが従属変
数として得られる。

したがって、ｋ、ｋ′、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅは全て予め
与えられている数値であることから（３）、（４）式よ
り が得られる。

而して、（５）式のＳ_０は削孔強度ともいわれる量であ
り、掘進速度と一軸圧縮強度を対応させて用いることが
出来、したがって、強度を表わすことが出来るものであ
る。

しかしながら、当該削孔強度Ｓ_０は厳密には地盤の種類
や構造によって１軸圧縮強度とは必ずしもリニアの関係
にない場合もあるために、実用的な（６）式のＳ_１を用
いて地盤１の性状的な特性を補正し、当該地盤１の強度
の測定データとして判定に供することが出来る。

勿論、地盤１の性状的な特性に関係がなければ、掘進速
度に関する（３）式から求められるＲからの（５）式の
Ｓ_０をもって地盤強度の評価の対象とすることは可能で
ある。

次に、削孔に際してのボーリングのエルネギーから地盤
強度を測定する実施例を示す。

まず、上述実施例同様に所定の地盤１に対する削孔を行
うに際し回転トルクＴ（kgf・cm）、回転速度n(rev/mi
n)、掘進速度Ｒ（cm/min）の計測データを得、各々メモ
リーに記録し、又、ビット３の直径Ｄ（cm）を予め得て
おくことにより、削孔の動力（馬力）に相当する１分当
りの仕事量（エルネギー）Ｅは Ｅ＝２πｎＴ（kgf・cm/min） （７） として得られ、 又、１分当りのボーリングによる掘削量Ｖは Ｖ＝ＲＤ²π／４（cm³/min） （８） として得られる。

したがって、ボーリングに際しての単位掘削量（cm³）
当りのエルネギーＥ_ｓは となり、圧力（応力）の単位となることが分る。

而して、この場合地盤強度Ｓ_ｃは削孔に加えられたエル
ネギーＥ_ｓとの関連があるとされて良いから Ｓ_ｃ＝ｆ（Ｅ_ｓ） （１０） と表すことが出来る。

そして、予め数次の実験によって得られるデータにより
（１０）の関係式を近似的に設定することにより、当該
地盤１での原地計測により（９）式にｎ、Ｔ、Ｒ、Ｄを
入力してＳ_ｃを解析し、強度測定を行う。

第３図は当該実施例での各種掘削機についてその単位掘
削量当りのエルネギー（比削孔エルネギー）を（縦軸）
に、地盤強度（１軸圧縮強度）を（横軸）にとったグラ
フである。

尚、この出願の発明の実施態様は上述各実施例に限るも
のでないことは勿論であり、例えば、対象地盤としては
前述セメント等を用いた深層混合手段による改良地盤ば
かりでなく、通常の土質地盤や固結地盤等にも適用出
来、又、回転トルクとビット推力の測定については前述
した如く検出センサから計測装置へのＦＭ電波による送
信等を利用して地上の測定装置に送給するようにしても
良い等種々の態様が採用可能である。

＜発明の効果＞ 以上、この出願の発明によれば、セメント等の固化材の
深層混合処理による固化地盤等の地盤に対するサウンデ
ィング法による地盤強度の測定方法において、ボーリン
グマシンから下延して地盤に貫入するボーリングロッド
の作動から得られる回転速度、掘進速度、そして、ビッ
ト推力、回転トルク（のみの場合もある）の所望のデー
タのリアルタイムで直接、或いは、記録データを後段で
間接的に解析することにより、当該地盤の原位置に於け
る強度を測定して評価することが出来るために、その後
の地上、地下等の建造物の構築に対し著しく有益な情報
を付与することが出来るという基本的に優れた効果が奏
される。

而して、この出願の発明においてはボーリングロッドに
対する回転速度、掘進速度が深度が影響されないところ
からセンサを介して直接的に地上で固定的にデータとし
て得られるのに対し、ビット推力と回転トルク、或い
は、回転トルク（のみ）はボーリングロッドのビットの
直上に於いてセンサを内装させ、併せてこれに併設して
内装する磁気テープや磁気カード、或いは、磁気ディス
ク等のメモリーレコーダにインプットして記憶させてお
くことにより後段で取り出し、或いは、ＦＭ電波等によ
りリアルタイムで地上の計測装置に送信することによ
り、ケーブル等を介しての地上での測定作業が要らず、
したがって、深さに係りのないユニットロッドのジョイ
ントを介しての脱着にも支障なく、ボーリングロッドの
削孔中、或いは、引き上げ後インプットされたメモリー
データをアウトプットし、解析装置により経時的に設定
論理に従って数理工学的に次元解析することにより、確
実に評価対象の地盤の強度情報が得られ、しかも、ボー
リングロッドと削孔壁間の摩擦があってもビットに印加
される負荷の検出が確実になされるという優れた効果が
奏される。

又、地盤の性状に応じてビットの種類を代えたりするこ
とにより、在来の土質地盤から岩盤の地盤までに亘り新
規な改良技術に基づく改良地盤に対しても、評価が可能
であるという汎用性がある優れた効果が奏される。

そして、ビット推力と回転トルクについて該回転トルク
のみをセンサを介して検出し、レコーダに記録し数理工
学的に次元解析することによりビット推力を原因側とす
る結果側のデータとして得ることが出来、前述（９）、
（１０）式より該回転トルクのデータのみで地盤強度が
得られる優れた効果が奏される。

【図面の簡単な説明】

図面はこの出願の発明の実施例の説明図であり、第１図
は１実施例のボーリングマシンによるボーリングロッド
の測定状態概略断面図、第２図は同記憶されたメモリー
のアウトプットによる解析の回路図、第３図は別の実施
例の１軸圧縮強度と比削孔エネルギーの関係グラフ図で
ある。 １…地盤、２…ボーリングマシン、 ４…ボーリングロッド、３…ビット、 13…ビット推力センサ、12…回転トルクセンサ、 ９…回転速度センサ、10…掘進速度センサ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】地盤に対しボーリングマシンから延設され
   たボーリングロッドにより回転削孔しつつ該ボーリング
   ロッドの作動データを得て原位置での地盤強度測定方法
   において、上記ボーリングロッドの地盤に対する回転削
   孔中の回転速度、掘進速度、ビット推力、回転トルクを
   測定し、これらの測定データの解析により原位置での当
   該地盤の強度データを得るようにすることを特徴とする
   地盤強度測定方法。
2. 【請求項２】上記ビット推力と回転トルクをボーリング
   ロッドのビット直上で測定し、回転速度と掘進速度を地
   上で測定するようにすることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の地盤強度測定方法。
3. 【請求項３】上記ビット推力と回転トルクのデータをリ
   アルタイムで地上に送信して計測するようにすることを
   特徴とする特許請求の範囲第２項記載の地盤強度測定方
   法。
4. 【請求項４】上記データの送信を電波で行うようにする
   ことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の地盤強度
   測定方法。
5. 【請求項５】上記ビット推力と回転トルクのデータを一
   たんメモリーに記憶させ、該データを後で呼び出して解
   析するようにすることを特徴とする特許請求の範囲第２
   項記載の地盤強度測定方法。
6. 【請求項６】上記ビット推力と回転トルクのデータの記
   憶をボーリングロッド内のメモリーにて行うようにする
   ことを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の地盤強度
   測定方法。
7. 【請求項７】地盤に対しボーリングマシンから延設され
   たボーリングロッドにより回転削孔しつつ該ボーリング
   ロッドの作動データを得て原位置での地盤強度を測定す
   る方法において、上記ボーリングロッドの地盤に対する
   回転削孔中の回転速度、掘進速度、回転トルクを測定
   し、これらの測定データの解析により原位置での当該地
   盤の強度データを得るようにすることを特徴とする地盤
   強度測定方法。
8. 【請求項８】上記回転トルクをボーリングロッドのビッ
   ト直上で測定し、回転速度と掘進速度を地上で測定する
   ようにすることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載
   の地盤強度測定方法。