WO2016103362A1 - 貫入試験方法 - Google Patents
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- E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
- E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
- E02D1/00—Investigation of foundation soil in situ
Definitions
- the present invention relates to an intrusion test method for determining the underground soil and stratum structure.
- the penetration test method described in Patent Document 1 is known as a penetration test method for knowing the underground soil structure and stratum structure.
- the penetration test method described in Patent Document 1 penetrates into the ground while rotating a rod with a screw point attached to the tip, detects rotational load torque, and prepares torque judgment criteria for various soils prepared in advance. Compared with the value, the soil quality corresponding to the rotational load torque is determined.
- the present invention has been created in view of the above problems, and applies a predetermined load and rotation to penetrate the penetration rod into the ground, and obtains test data that fluctuates due to the penetration of the penetration rod.
- This test data is compared with the stratum structure data already obtained on another land that satisfies the same topographical condition in the area where the penetration test site belongs, and It is characterized by determining the stratum structure.
- the test data is based on the rotational load torque that the penetrating rod receives from the soil, the load applied to the penetrating rod, the penetrating depth of the penetrating rod, the number of rotations of the penetrating rod, the penetrating speed of the penetrating rod, and the rotational load torque. Selection from the group of correction torque excluding the influence of peripheral friction, correction load excluding the influence of soil peripheral friction from the load, penetration energy of the penetrating rod, normalized torque, normalized N sw , and plastic potential coefficient c p It is desirable that the data is one or more data. In addition, it is desirable to obtain a plurality of test data at a predetermined timing.
- the present invention collates test data such as rotational load torque and the like with existing stratum structure data in the area to which the penetration test site belongs, and determines the soil / stratum structure in the land.
- the soil structure / stratum structure estimated from the test data can be supplemented / supported by the stratum structure data, even if the test data varies due to the characteristics of the soil, the soil structure is accurate and reliable.
- advantages such as being able to determine the geological structure.
- FIG. 3 is an enlarged sectional view taken along line AA in FIG. 2. It is a conceptual diagram for the description of the circumferential friction which acts on the penetration rod penetrated into the ground. It is a plot figure of the test data (correction torque) used for judgment of a soil and stratum structure. It is a plot figure of the test data (load before correction
- test data plastic potential coefficient
- test data normalized Nsw
- reference numeral 1 denotes an automatic penetration testing machine, which has a lifting platform 3 that can be lifted and lowered along a standing column 2.
- the elevator 3 is provided with a chuck motor 4, and a chuck unit 6 is connected to an output shaft 4 a of the chuck motor 4 via a torque detection mechanism 5.
- the chuck unit 6 has a hollow structure disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-2731, and is disposed so as to be rotatable with respect to the elevator 3.
- a rod-shaped penetrating rod 7 is detachably attached to the chuck unit 6. And it is rotatably held integrally with the chuck unit 6.
- the penetrating rod 7 includes a rod-shaped rod 7a held by the chuck unit 6 and a sharp pointed screw point 7b integrally connected to the tip of the rod 7a.
- the torque detection mechanism 5 is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-299370.
- the torque detection mechanism 5 is provided on the chuck motor side and the chuck unit side of the planetary gear mechanism 5a.
- a differential is generated, and the strain of the structural material caused by this operation is detected by the strain gauge 5b.
- the output shaft 4a of the chuck motor 4 is connected to the planetary gear mechanism 5a of the torque detection mechanism 5.
- the sprocket 8 is integrated with the output shaft 5c of the planetary gear mechanism 5a. It is mounted for rotation.
- a sprocket 9 is also rotatably attached to the lower part of the chuck unit 6, and an annular chain 10 is wound around these sprockets 8 and 9 to drive the chuck motor 4 via the planetary gear mechanism 5 a. It transmits to the unit 6, and it is comprised so that the chuck
- an elevating motor 11 is provided at the rear part of the elevating platform 3, and an output shaft 11a of the elevating motor 11 is provided with a one-way clutch 12 and a brake means 13 as shown in FIG.
- the sprocket 14 is connected.
- the sprocket 14 is always meshed with a chain member 2 a arranged extending in the longitudinal direction of the support column 2, and the elevator 3 is moved along the support column 2 by rotating the sprocket 14 along the chain member 2 a.
- a plurality of weight adjustment weights 3a are detachably disposed at the front portion of the lifting / lowering base 3, and the total equipment mass of the equipment including the weight 3a (including the weight of the lifting / lowering base 3 itself) In other words, the penetrating rod 7 can be loaded. Due to the total mass of the equipment including the elevator 3, it is possible to apply a maximum load of 1 KN to the penetrating rod 7.
- the structure of the lifting motor 11 or the sprocket 14 is the same as that disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-346668, and one of the lifting motors 11 is operated by the one-way clutch 12. Only the drive is transmitted to the sprocket 14, and the rotation of the sprocket 14 can be braked by the operation of the brake means 13. Specifically, when the elevating motor 11 is driven to rotate the sprocket 14 in the direction in which the elevating platform 3 is raised, the drive of the elevating motor 11 is transmitted to the sprocket 14 by the action of the one-way clutch 12.
- the one-way clutch 12 idles and the driving of the lifting / lowering motor 11 is not transmitted to the sprocket 14. It is configured as follows. Therefore, when the lifting / lowering motor 11 is reversely driven while the screw point 7b is in contact with the ground, the resistance of the lifting / lowering motor 11 received by the sprocket 14 is released, and the penetration rod 7 (rod 7a or screw point 7b) The load by the total equipment mass including the lifting platform 3 can be applied. This load can be freely changed from 0 N to a maximum load of 1 KN by changing the force with which the brake means 13 brakes the sprocket 14. As the brake means 13, it is preferable to use a powder brake or a powder clutch.
- Reference numeral 15 in the figure denotes a control unit that controls the driving of the chuck motor 4, the lifting motor 11, the brake means 13, and the like, as well as detection means provided in each part of the automatic penetration testing machine 1.
- Various test data are determined from the signal.
- a detection means in addition to the torque detection mechanism 5, a proximity sensor that is turned on / off by detecting the passage of teeth when the sprocket 8 rotates is located at a position facing the teeth of the sprocket 8 on the chuck unit 6 side. (Not shown) is provided.
- a rotary encoder 16 is connected to the rotation shaft of the sprocket 14 so that the amount of rotation of the sprocket 14 can be detected.
- the penetration test starts from a position where the screw point 7b at the tip of the penetration rod 7 is in contact with the ground surface. Up to this position, a manual operation button (not shown) provided in the control unit 15 is pushed to reversely drive the lifting motor 11 to lower the lifting platform 3.
- a test start signal is given to the control unit 15 by pushing a start button (not shown) from this position, the control unit 15 starts penetrating control of the penetrating rod 7 into the ground. That is, the control unit 15 receives the test start signal and reversely drives the lifting motor 11 and rotates the chuck motor 4. As a result, a load due to the mass of the lifting platform 3 and the like is applied to the penetrating rod 7 and rotation by driving the chuck motor 4 is applied. Under this load and rotation, the penetration rod 7 penetrates into the ground.
- the control unit 15 controls the brake means 13 to increase the load applied to the penetrating rod 7 in the order of the minimum load 50N to 150N, 250N, 500N, 750N, 1000N (1KN).
- each load value, the rotational load torque that the penetrating rod 7 receives from the soil under each load, the half-rotation number of the penetrating rod 7 under each load (the penetration that counted one revolution of the penetrating rod 7 as 2) The number of rotations of the rod 7) and the increment of the penetration amount of the penetration rod 7 under each load are calculated and acquired.
- the control unit 15 calculates and acquires the penetration depth of the screw point 7b under each load by integrating the increment of the penetration amount, and calculates the penetration speed of the screw point 7b from the penetration amount per unit time. Get.
- the test data (load, rotational load torque, half rotation speed, penetration amount increment, penetration depth, penetration speed) acquired in the control unit 15 in this way is stored in the storage unit of the control unit 15 based on the penetration depth. Is done.
- the rotational load torque is acquired by processing the signal of the strain gauge 5b of the torque detection mechanism 5 in the control unit 15. Further, the number of half revolutions of the penetrating rod 7 is determined by counting the ON / OFF signal of a proximity sensor (not shown) that detects the passage of teeth of the sprocket 8 in the control unit 15 and counting the number of penetrating rods 7 per signal. Calculated by multiplying by the rotation angle and dividing by 180. Further, the increment of the penetration amount of the penetration rod 7 is calculated by calculating the number of rotations of the sprocket 14 from the signal of the rotary encoder 16 in the control unit 15 and multiplying this by the penetration amount per one revolution of the sprocket (the descending amount of the lifting platform 3). To calculate.
- the control unit 15 repeats the above processing for each unit section with a section where the penetration rod 7 penetrates 25 cm as a unit section, and penetrates the screw point 7b to a predetermined penetration depth (for example, a depth of 10 m in the ground). .
- the rod 7a of the penetration rod 7 is extended by screwing an extension rod (not shown) to the upper screw portion 7c as necessary.
- the Enomoto automatic penetration testing machine 1 processes test data by applying a plasticity analogy model to the rotational load torque corresponding to the aforementioned load.
- the plasticity analogy model is a mathematical model that describes the relationship between the load and displacement of a structure, using the same framework (analogue) as the constitutive law that gives the relationship between soil stress and strain.
- the load applied to the structure includes a vertical load, a moment, a horizontal load, etc., but the load at the time of destruction of the structure changes depending on the combination of other loads.
- the magnitude of such a combined load is described as a yield surface, and the displacement increment corresponding to each of these loads is described using a plastic potential function.
- the test that penetrates the penetrating rod into the ground by applying load and rotation such as the Swedish sounding test and the penetration test introduced in this example, applies the rotational load torque in the rotation stage in addition to the vertical load in the load stage. Since it is a load test, it can be said that it is one of the problems of combined loads to which the plasticity analogy model can be applied.
- the plasticity analogy model for such penetration tests is constructed as follows.
- the penetration energy ⁇ E at the time of penetration by the rotational load torque T and the load W applied to the screw point 7b is: It can be expressed as.
- ⁇ n ht is an increase in half rotation speed
- ⁇ s t is an increase in penetration amount.
- the rotational load torque T and the load W are the rotational load torque and the load from which the component due to the friction of the peripheral surface of the soil acting on the surface of the rod 7a is removed, that is, the rotational load torque and the load that are net loaded on the screw point 7b. .
- correction torque and correction load are referred to as correction torque and correction load.
- Equation 1 The value on the right side of Equation 1 indicates the energy at the time of penetration due to a load on the left, and the energy at the time of penetration due to rotation addition on the right. That is, the energy ⁇ E is represented by the sum of the penetration energy due to the load and the penetration energy due to the rotation.
- this number 1 to normalized using the product of the maximum diameter D of the scuttled load W p and the screw point 7b, It becomes.
- T n is a normalized torque
- W n is a normalized load.
- T n and .DELTA.n ht and W n and .delta.s t / D is determined to have a coaxiality respectively.
- the rotational load torque obtained by the penetration test and the yield curved surface by the load can be expressed by an ellipse having a center at the origin. Therefore, using the yield surface coefficients c y that determines the shape of the yield surface, It expresses.
- this number 3 is expressed using the number 2, If this is arranged, the yield surface can be expressed in another form as follows.
- Plastic potential coefficient c p is to yield surface obtained by processing the test data in the mathematical model known as macro elements, which indicate the slope of a straight line intersecting at right angles through the coordinate origin, geological, soil each Shows different values.
- the macro element is also called a plasticity analogy model, and uses the same framework (analogue) as the constitutive law that gives the relationship between the stress and strain of the soil, and describes the relationship between the load and displacement of the structure. That's it.
- the load applied to the structure includes a vertical load, a moment, a horizontal load, etc., but the load at the time of destruction of the structure changes depending on the combination of other loads.
- the magnitude of such a combined load is described as a yield surface, and the displacement increments corresponding to these loads are described using a plastic potential function.
- the test that penetrates the penetrating rod into the ground by applying load and rotation such as the Swedish sounding test and the penetration test introduced in this example, applies the rotational load torque in the rotation stage in addition to the vertical load in the load stage. Since this is a load test, it can be said that this is one of the problems of combined loads to which microelements can be applied.
- FIG. 5 shows a conceptual diagram of the peripheral friction acting on the penetrating rod 4.
- the load W a and the rotational load torque T a taking into consideration the circumferential friction (actually the penetration rod 7 and the rotational load torque detected in the penetration test) are expressed by Equations 9 and 10.
- the basis of soil determination of the correction torque T, the correction load W, the penetration energy ⁇ E, the normalized torque T n , the plastic potential coefficient c p and the normalized N sw is obtained by using the above formulas.
- Test data to be obtained are obtained, and plots obtained by plotting them corresponding to the penetration depth are obtained (see FIGS. 6 to 13 and FIGS. 15 to 22).
- the calculation and plotting of each test data may be performed by the control unit 15, or may be performed by another arithmetic device such as a personal computer.
- the present embodiment also creates for each plot of the uncorrected load W a and penetration rate, subject to determination of the soil-strata structure.
- the borehole column diagram obtained by the standard penetration test (hereinafter referred to as the terrain structure data of another land that satisfies the same topographic condition as the test site) (Simply called columnar diagram) is acquired using a database such as a boring columnar diagram search system by GIS (Geographic Information System). And the obtained columnar figure and the said plot figure are matched, and the soil quality and stratum structure in each penetration depth of a test implementation site are determined. Whether or not the columnar map is obtained at the same topographical conditions as the test site is judged from the similarity of the sedimentary environment (depositing soil) in the area and topography of the test site.
- GIS Geographic Information System
- the sedimentary environment is estimated from the area and topography of the test site, and it is confirmed whether it is close to the estimated deposition environment of the test site by checking the neighboring columnar diagrams. If it is approximated, the columnar map is adopted as an index for determining the soil and stratum structure. If not approximated, a columnar map of another land is searched.
- the plots of the correction torque T are used primarily, and the values appearing in each plot are complemented using other plots.
- the boundary of the formation (the one-dot chain line in FIG. 6 to FIG. 13 or FIG. 15 to FIG. 22) is determined from the fluctuation characteristics (value magnitude, fluctuation pattern). Since it is known that the data shown in each plot shows different fluctuation characteristics depending on soil properties such as cohesive soil, sandy soil, and humus soil, the boundary of the stratum can be determined therefrom. However, since only the rough soil properties such as cohesive soil, sandy soil, and humus soil can be determined from the fluctuation characteristics of the plot diagram, the plot diagram in the light of the columnar diagram (see FIGS. 14 and 23) will be described next. The detailed soil and stratum structure between each boundary will be judged. Thereby, more accurate soil quality and stratum structure in the ground of the test site can be determined.
- the above example is an example in which the soil quality at each depth indicated by the columnar map and the soil quality at each depth in the plot map are almost the same, but the columnar map is a layer structure of land different from the test site. Therefore, the soil / stratum structure determined from the plot may be slightly different from that shown in the columnar diagram.
- An example of this is shown in FIGS. 15 to 22 (both are plots obtained by a penetration test of a song in Minami-ku, Saitama City, Saitama Prefecture).
- FIGS. 15 to 22 both are plots obtained by a penetration test of a song in Minami-ku, Saitama City, Saitama Prefecture).
- sand is mixed with silt at a depth of 5 to 6 m, but in each plot diagram, two types of fluctuation characteristics are observed.
- the layer has a relatively high value at a depth of 5 to 6 m and the layer has a low value and is divided into layers.
- the test data such as the correction torque T shows a fluctuation characteristic having a high value and a large amplitude in the case of sandy soil, and shows a fluctuation characteristic having a small amplitude and a low value in the case of clay soil. Therefore, in this test site, it is determined that the sand mixed silt formation shown in the columnar diagram is divided into sandy soil and cohesive soil. This determination is highly reliable because there is a backing that is silt mixed with sand in the columnar diagram. Similarly, in the section with a depth of 1 to 3 m in FIGS.
- the siltous fine sand is shown in the columnar figure, but each plot shows the characteristics of sandy soil at the top and bottom and viscous soil at the middle. ing. For this reason, it is determined as sandy soil that sandwiches silt as a whole. Note that this layer may be determined to be divided into three layers of viscous soil / sandy soil / viscous soil.
- the load applied to the penetrating rod 7 is changed stepwise to obtain the rotational load torque under each load every time the screw point 7b penetrates a unit section of 25 cm. Moreover, you may acquire the rotational load torque with respect to the different load for every predetermined depth by the following method. That is, while penetrating the rod 7a every predetermined depth (for example, 25 cm), the penetrating rod 7 is penetrated into the ground by appropriately performing self-sinking and rotational penetration according to a normal Swedish sounding test method.
- the load is once set to 0 (zero), and from this point, the load is 50N, 150N, 250N, 500N, 750N, 1KN (however, the self-sinking penetration occurred while penetrating the predetermined depth).
- the load is increased) and the penetration rod 4 is rotated for each load to obtain rotational load torque and other test data. This correction from the obtained test data torque T, energy &Dgr; E, seeking plastic potential coefficient c p, etc., it is also possible to perform the determination of the formation.
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Abstract
地中の正確な土質および地層構造の判定を可能とする貫入試験方法の提供。 本発明の貫入試験方法は、荷重と回転とを負荷して貫入ロッド７を地中に貫入し、この貫入ロッド７の貫入に関与して変動する試験データ（例えば、荷重、回転負荷トルク、貫入速度、補正トルク、補正荷重、塑性ポテンシャル係数、正規化トルク、正規化Ｎｓｗ、貫入エネルギ等）を取得し、この試験データと、当該貫入試験実施地が属する地域内の同一地形条件を満たす別の土地で既に得られているボーリング柱状図などの地層構造データとを照合し、当該貫入試験実施地の地中の土質を判定するものである。試験データによる土質の推定を地層構造データで補完・裏付けできるため、正確で信頼性の高い土質判定を行うことができる。
Description
本発明は、地中の土質・地層構造を判定する貫入試験方法に関する。
従来、地中の土質・地層構造を知るための貫入試験方法としては、特許文献１に記載された貫入試験方法が知られている。この特許文献１に記載された貫入試験方法は、スクリューポイントが先端に取り付けられたロッドを回転させながら地中に貫入して回転負荷トルクを検出し、これを予め用意した各種土質のトルク判定基準値と比較し、当該回転負荷トルクに相当する土質を判定するものである。
上記従来の貫入試験方法によると、ロッドの回転負荷トルクによって土質を判定することが可能である。しかし、一般に実地盤における土の特性（例えば、含水比の高低、締まり具合、細粒分含有量）は、同じ土質であっても土地々々の実地盤毎に相違が見られ、これによって同じ土質であっても、貫入試験を行う地域によって検出される回転負荷トルクに違いが生じる。このため、従来の貫入試験方法では、ロッドの回転負荷トルクをトルク判定基準値と比較するだけでは、正確な土質ひいてはその土地の地層構造を判別することが難しい等の問題があった。また、上記従来の貫入試験方法においては、回転負荷トルクが似た値を示す異なる土質の層が重なっている場合には、その境界を看過してしまい、誤った土質判定を行ってしまいかねないという不具合の発生も懸念されていた。
本発明は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、所定の荷重と回転とを付与して貫入ロッドを地中に貫入し、この貫入ロッドの貫入に関与して変動する試験データを取得し、この試験データと、当該貫入試験実施地が属する地域内の同一地形条件を満たす別の土地で既に得られている地層構造データとを照合し、当該貫入試験実施地の地中の土質・地層構造を判定することを特徴とするものである。
なお、前記試験データは、貫入ロッドが土から受ける回転負荷トルク、貫入ロッドに負荷される荷重、貫入ロッドの貫入深さ、貫入ロッドの回転回数、貫入ロッドの貫入速度、回転負荷トルクから土の周面摩擦の影響を除いた補正トルク、荷重から土の周面摩擦の影響を除いた補正荷重、貫入ロッドの貫入エネルギ、正規化トルク、正規化Ｎｓｗ、塑性ポテンシャル係数ｃｐの群から選択される一または複数のデータであることが望ましい。また、試験データは、所定のタイミングで複数取得されることが望ましい。
本発明は、回転負荷トルク等の試験データと貫入試験実施地の属する地域の既存の地層構造データとを照合し、その土地における土質・地層構造を判定するものである。本発明によれば、試験データから推定した土質・地層構造を地層構造データによって補完・裏付けすることができるため、土の特性によって試験データにばらつきが生じていても、正確で信頼性の高い土質・地層構造の判定を行うことが可能となる等の利点がある。また、試験データが似た変動特性を示す土質が重なっている地層構造についても、その境界を特定することが容易になり、今まで以上に正確な土質・地層構造の判定を行うことができる等の利点もある。さらに、地層の境界を特定するだけで、その境界間の土質を細かく判定する手間を省くことも可能となるため、効率よく土質・地層構造の判定を行うことができる等の利点もある。その上、境界間の試験データの変動特性を見ることにより、境界間の土質が既知の地層構造に合致するものかどうか（途中に異質の土層が存在しないかどうか）の判定をより正確に、かつ効率よく行うことができる等の利点もある。また、試験データを所定のタイミングで複数取得することにより、地層境界や変動特性をより明確化でき、さらに正確な土質・地層構造の判定を行うことができる等の利点もある。
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
図１ないし図４において、１は自動貫入試験機であり、立設された支柱２に沿って昇降可能な昇降台３を有する。この昇降台３には、チャック用モータ４が設けられており、このチャック用モータ４の出力軸４ａには、トルク検出機構５を介してチャックユニット６が連結されている。このチャックユニット６は、特開2005-2731号公報に示される中空状の構造で昇降台３に対して回転自在に配置されており、このチャックユニット６には、棒状の貫入ロッド７が着脱可能かつチャックユニット６と一体に回転可能に保持されている。この貫入ロッド７は、チャックユニット６に保持される棒状のロッド７ａと、このロッド７ａの先端に一体に連結された先端尖鋭なスクリューポイント７ｂとから成る。
図１ないし図４において、１は自動貫入試験機であり、立設された支柱２に沿って昇降可能な昇降台３を有する。この昇降台３には、チャック用モータ４が設けられており、このチャック用モータ４の出力軸４ａには、トルク検出機構５を介してチャックユニット６が連結されている。このチャックユニット６は、特開2005-2731号公報に示される中空状の構造で昇降台３に対して回転自在に配置されており、このチャックユニット６には、棒状の貫入ロッド７が着脱可能かつチャックユニット６と一体に回転可能に保持されている。この貫入ロッド７は、チャックユニット６に保持される棒状のロッド７ａと、このロッド７ａの先端に一体に連結された先端尖鋭なスクリューポイント７ｂとから成る。
前記トルク検出機構５は、特開2009-299370号公報に示されるものであり、チャックユニット６に回転負荷トルクが作用した場合、内蔵する遊星歯車機構５ａのチャック用モータ側とチャックユニット側とに差動を生じさせ、この作動によって生じる構造材の歪みを歪みゲージ５ｂで検出するように構成されている。図３に示すように、チャック用モータ４の出力軸４ａは、このトルク検出機構５の遊星歯車機構５ａに連結されており、この遊星歯車機構５ａの出力軸５ｃには、スプロケット８が一体に回転可能に取り付けられている。また、チャックユニット６の下部にもスプロケット９が一体に回転可能に取り付けられており、これらスプロケット８，９に環状チェーン１０を巻き掛け、チャック用モータ４の駆動を遊星歯車機構５ａを介してチャックユニット６に伝達し、チャックユニット６を回転させることが可能に構成されている。
一方、前記昇降台３の後部には、昇降用モータ１１が設けられており、この昇降用モータ１１の出力軸１１ａには、図４に示すように、一方向クラッチ１２およびブレーキ手段１３を介してスプロケット１４が連結されている。このスプロケット１４は、前記支柱２の長手方向に延びて配置されたチェーン部材２ａに常時噛合しており、このチェーン部材２ａに沿ってスプロケット１４が回転することで、昇降台３が支柱２に沿って昇降動作するように構成されている。さらに、昇降台３の前部には、質量調整用のおもり３ａが複数着脱自在に配置されており、このおもり３ａを含めた昇降台３装備品の全装備質量（昇降台３自体の質量も含む）により、前記貫入ロッド７に荷重を負荷できるように構成されている。この昇降台３を含む全装備質量により、貫入ロッド７に最大１ＫＮの荷重を負荷することが可能となっている。
前記昇降用モータ１１ないしスプロケット１４の構造は、特開2004-346668号公報に開示されている構造と基本構造を同じくするものであり、一方向クラッチ１２の作用により、昇降用モータ１１の一方の駆動のみをスプロケット１４に伝達するとともに、ブレーキ手段１３の作動により、スプロケット１４の回転を制動できるように構成されている。具体的には、昇降台３を上昇させる方向にスプロケット１４を回転させるよう、昇降用モータ１１が駆動した時には、一方向クラッチ１２の作用によって昇降用モータ１１の駆動がスプロケット１４に伝達され、これとは逆方向にスプロケット１４を回転させるよう、昇降用モータ１１が駆動（以下、これを逆駆動という）した時には、一方向クラッチ１２が空転して昇降用モータ１１の駆動がスプロケット１４に伝達されないように構成されている。このため、スクリューポイント７ｂが地盤に接している状態で昇降用モータ１１が逆駆動すると、スプロケット１４が受ける昇降用モータ１１の抵抗が解除され、貫入ロッド７（ロッド７ａないしスクリューポイント７ｂ）には、昇降台３を含む全装備質量による荷重を負荷することができる。この荷重は、ブレーキ手段１３がスプロケット１４を制動する力を変更することで０Ｎから最大荷重１ＫＮまで自在に変更することが可能である。なお、ブレーキ手段１３としては、パウダブレーキまたはパウダクラッチを用いることが好ましい。
図中符号１５で示されるのは制御ユニットであり、前記チャック用モータ４，昇降用モータ１１，ブレーキ手段１３等の駆動を制御するとともに、本自動貫入試験機１の各部に設けた検出手段の信号から各種の試験データを割り出すように構成されている。検出手段としては、前記トルク検出機構５のほか、チャックユニット６側のスプロケット８の歯に対向する位置には、このスプロケット８が回転する時の歯の通過を検出してＯＮ／ＯＦＦする近接センサ（図示せず）が設けられている。また、前記スプロケット１４の回転軸にはロータリエンコーダ１６が連結されており、これによりスプロケット１４の回転量を検出できるように構成されている。
次に本自動貫入試験機１による貫入試験について説明する。貫入試験は、貫入ロッド７先端のスクリューポイント７ｂが地表に接する位置からスタートする。この位置までは、制御ユニット１５に備えられたマニュアル操作ボタン（図示せず）を押して昇降用モータ１１を逆駆動し、昇降台３を下降させる。この位置からスタートボタン（図示せず）を押して制御ユニット１５に試験スタート信号を与えると、制御ユニット１５は貫入ロッド７の地中への貫入制御を開始する。すなわち、制御ユニット１５は試験スタート信号の入力を受けて、昇降用モータ１１を逆駆動するとともに、チャック用モータ４を回転させる。これにより、貫入ロッド７には昇降台３等の質量による荷重が負荷されるとともに、チャック用モータ４の駆動による回転が付与される。この荷重と回転を受け、貫入ロッド７は地中に貫入される。
試験中、制御ユニット１５はブレーキ手段１３を制御し、貫入ロッド７に負荷される荷重を最小荷重５０Ｎから１５０Ｎ、２５０Ｎ、５００Ｎ、７５０Ｎ、１０００Ｎ（１ＫＮ）の順に増加させる。そして、試験データとして、各荷重値、各荷重下で貫入ロッド７が土から受ける回転負荷トルク、各荷重下での貫入ロッド７の半回転数（貫入ロッド７の１回転を２として計数した貫入ロッド７の回転回数）、および各荷重下での貫入ロッド７の貫入量の増分をそれぞれ算出し取得する。また、制御ユニット１５は、貫入量の増分を積算することにより、各荷重下でのスクリューポイント７ｂの貫入深度を算出・取得するとともに、単位時間当たりの貫入量からスクリューポイント７ｂの貫入速度を割り出して取得する。このようにして制御ユニット１５において取得された試験データ（荷重、回転負荷トルク、半回転数、貫入量の増分、貫入深度、貫入速度）は、貫入深度を基準として制御ユニット１５の記憶部に記憶される。
なお、前記回転負荷トルクは、制御ユニット１５においてトルク検出機構５の歪みゲージ５ｂの信号を処理することにより取得する。また、貫入ロッド７の半回転数は、制御ユニット１５においてスプロケット８の歯の通過を検出する近接センサ（図示せず）のＯＮ／ＯＦＦ信号を計数し、これに一信号当たりの貫入ロッド７の回転角度を乗じて１８０で除することにより算出する。さらに、貫入ロッド７の貫入量の増分は、制御ユニット１５においてロータリエンコーダ１６の信号からスプロケット１４の回転回数を算出し、これにスプロケット一回転当たりの貫入量（昇降台３の下降量）を乗じることで算出する。
制御ユニット１５は、以上の処理を貫入ロッド７が２５ｃｍ貫入する区間を単位区間として、この単位区間毎に繰り返し行い、所定の貫入深度（例えば、地中１０ｍの深度）までスクリューポイント７ｂを貫入する。なお、貫入試験中、貫入ロッド７のロッド７ａは、必要に応じて上部のねじ部７ｃに延長用ロッド（図示せず）を螺合して延長される。
本自動貫入試験機１は、前述の荷重に対応する回転負荷トルクについて塑性論アナロジーモデルを適用して、試験データを処理する。塑性論アナロジーモデルとは、土の応力とひずみの関係を与える構成則と同じ枠組み(アナロジー)を利用し、構造物の荷重と変位との関係を記述する数学モデルのことである。構造物に負荷される荷重には鉛直荷重やモーメント、水平荷重などがあるが、構造物の破壊時の荷重はその他の荷重の組み合わせによって変化する。塑性論アナロジーモデルでは、このような組み合わされた荷重の大きさを降伏曲面として記述するとともに、これらの荷重にそれぞれ対応する変位増分を塑性ポテンシャル関数を用いて記述するものである。スウェーデン式サウンディング試験や本例で紹介する貫入試験のような荷重と回転とを与えて貫入ロッドを地中に貫入する試験は、荷重段階の鉛直荷重に加えて回転段階における回転負荷トルクをその作用荷重とする試験であるので、塑性論アナロジーモデルを適用できる組み合わせ荷重の問題の一つであるといえる。
そこで、こうした貫入試験についての塑性論アナロジーモデルを構築すると以下のようになる。まず、前記スクリューポイント７ｂに負荷される回転負荷トルクＴと荷重Ｗによる貫入時の貫入エネルギδＥは、
と表すことができる。ここでδｎｈｔは半回転数の増分、δｓｔは貫入量の増分である。また回転負荷トルクＴおよび荷重Ｗは、ロッド７ａの表面に作用する土の周面摩擦による成分を除去した回転負荷トルクおよび荷重、すなわちスクリューポイント７ｂに正味負荷されている回転負荷トルクおよび荷重である。以下、これらを補正トルク、補正荷重と呼ぶ。
数１の右辺の値は、左が荷重による貫入時のエネルギ、右が回転付加による貫入時のエネルギを示す。つまり、エネルギδＥは、荷重による貫入エネルギと回転による貫入エネルギの総和で表される。この数１を自沈荷重Ｗｐとスクリューポイント７ｂの最大直径Ｄとの積を用いて正規化すると、
となる。ここでＴｎは正規化トルク、Ｗｎは正規化荷重である。また、数２の結果から後述する塑性ポテンシャルの適用においては、ＴｎとδｎｈｔおよびＷｎとδｓｔ／Ｄがそれぞれ同軸性を有するものと判断している。
特許第４７０５５２０号公報等に示された実験結果から、貫入試験で得られる回転負荷トルクと荷重による降伏曲面は、原点に中心を有する楕円で表記できることが確かめられている。そこで、この降伏曲面の形状を決定する降伏曲面係数ｃｙを用いて、
と表す。この数３を数２を用いて表すと、
が得られ、これを整理すると、降伏曲面は次のような別形式で表すことができる。
塑性ポテンシャル関数についても降伏曲面と同様な楕円形状を有するものと仮定すると、
と表せる。ここでｃｐは塑性ポテンシャル係数であり、これが前記ｃｙに等しい時には関連流れ則が成立する。数５を微分することにより塑性ポテンシャル関数に直交する方向を求めると、
となる。ここで１ｍ貫入量当りの半回転数Ｎｓｗ（＝δｎｈｔ／δｓｔ）にスクリューポイント７ｂの最大直径Ｄを乗じたＮｓｗＤを正規化Ｎｓｗと定義する。
特許第４７０５５２０号公報等に示された実験結果から、貫入試験で得られる回転負荷トルクと荷重による降伏曲面は、原点に中心を有する楕円で表記できることが確かめられている。そこで、この降伏曲面の形状を決定する降伏曲面係数ｃｙを用いて、
塑性ポテンシャル係数ｃｐは、マクロエレメントと呼ばれる数学モデルで試験データを処理して得られる降伏曲面に対し、その座標原点を通って直角に交差する直線の傾きを示すものであり、地層、土質毎に異なる値を示す。前記マクロエレメントは、塑性論アナロジーモデルとも呼ばれるものであり、土の応力とひずみの関係を与える構成則と同じ枠組み(アナロジー)を利用し、構造物の荷重と変位との関係を記述する数学モデルのことである。構造物に負荷される荷重には鉛直荷重やモーメント、水平荷重などがあるが、構造物の破壊時の荷重はその他の荷重の組み合わせによって変化する。マイクロエレメントでは、このような組み合わされた荷重の大きさを降伏曲面として記述するとともに、これらの荷重にそれぞれ対応する変位増分を塑性ポテンシャル関数を用いて記述する。スウェーデン式サウンディング試験や本例で紹介する貫入試験のような荷重と回転とを与えて貫入ロッドを地中に貫入する試験は、荷重段階の鉛直荷重に加えて回転段階における回転負荷トルクをその作用荷重とする試験であるので、マイクロエレメントを適用できる組み合わせ荷重の問題の一つであるといえる。
実際の貫入試験においては、数２等で補正トルクＴの正規化に用いた自沈荷重Ｗｐを特定することが困難である。自沈荷重Ｗｐは、各土質毎に定められたものであり、実際の貫入試験では最終的に土質を判定することを目的とする以上、貫入ロッドの貫入過程で土質を知ることができないためである。よって、貫入試験のデータ処理において、正規化トルクＴｎを土質判定の指標に採用する場合は、自沈荷重Ｗｐに代えて補正荷重Ｗを用いることとし、
とする。
実地盤における貫入試験においては、貫入ロッド４を地中に貫入する場合にロッド４ａの長さが長くなるため、これに作用する土の抵抗が大きくなる。従って、土質判定に用いるトルク、荷重については、ロッド７ａに作用する周面摩擦の影響を考慮する必要がある。図５は、貫入ロッド４に作用する周面摩擦の概念図を示す。ロッド７ａに作用する鉛直方向の周面摩擦をＷｆ、水平方向の周面摩擦によるトルクをＴｆとした場合、周面摩擦を考慮した荷重Ｗａおよび回転負荷トルクＴａ（実際に貫入ロッド７に負荷される荷重と、貫入試験において検出される回転負荷トルク）は 数９，数１０で表される。
ロッド７ａに作用する周面摩擦Ｗｆ，Ｔｆを算出するには、２５ｃｍ貫入する毎に貫入ロッド７を１ｃｍ引き上げて、その際の回転トルクＴｒｍを計測する。この時の最大せん断力は、次式で表される。
さらに、合速度ｖの方向と合せん断応力τの方向が等しいと仮定すると数１２および数１３が得られる。
ここで、ｒはロッド径、τは合せん断応力、τθはτの水平方向成分、τｚはτの鉛直方向成分である。
一方、トルクおよび荷重の各周面摩擦成分Ｔｆ，Ｗｆについては、数１４で表すことができる。
一方、トルクおよび荷重の各周面摩擦成分Ｔｆ，Ｗｆについては、数１４で表すことができる。
前記数１１，１３よりτ，τθ，τｚを求め、これを数１４に代入することによりＴｆ，Ｗｆを求める。また、貫入試験で試験データとして得られた荷重と回転負荷トルクは、前記荷重Ｗａと回転負荷トルクＴａに相当するものであるから、数９，１０により、スクリューポイント７ｂに真に負荷される補正荷重Ｗおよび補正トルクＴを求めることができる。なお、補正荷重Ｗおよび補正トルクＴを算出するに当たっては、特開2001-228068号公報にも本例と近似した方式が示されているので、これを用いてもよい。
土質・地層構造の判定に当たっては、以上の数式を用いることにより、補正トルクＴ、補正荷重Ｗ、貫入エネルギδＥ、正規化トルクＴｎ、塑性ポテンシャル係数ｃｐおよび正規化Ｎｓｗの土質判定の基礎となる試験データをそれぞれ求め、これらを貫入深度に対応してプロットしたプロット図を得る（図６～図１３、図１５～図２２参照）。これら各試験データの算出およびプロットは制御ユニット１５で行ってもよいし、別のパソコン等の演算装置で行ってもよい。なお、本実施形態では補正前荷重Ｗａおよび貫入速度の各プロット図についても作成し、土質・地層構造の判定に供する。
その一方で、試験を行った土地（試験実施地）の属する地域において、試験実施地と同一地形条件を満たす別の土地の地層構造データとして、標準貫入試験により得られたボーリング柱状図（以下、単に柱状図という）をGIS（Geographic Information System）によるボーリング柱状図検索システム等のデータベースを用いて取得する。そして、得られた柱状図と前記プロット図とを突き合わせて試験実施地の各貫入深度における土質・地層構造を判定する。柱状図が試験実施地と同一地形条件の場所で得られたものかどうかは、試験実施地の地域および地形における堆積環境（堆積する土質）の類似性から判断する。すなわち、試験実施地の地域と地形から堆積環境を推定し、近隣の柱状図を確認して推定した試験実施地の堆積環境と近似するものかどうかを確認する。近似するなら、その柱状図を土質・地層構造の判定指標として採用し、近似しない場合は別の土地の柱状図を探す。
プロット図と柱状図を使った土質・地層構造の判定においては、まず、補正トルクＴのプロット図を主体的に用い、他のプロット図を補完的に用いて、各プロット図に現れている値の変動特性（値の大きさ、変動のパターン）から地層の境界（図６～図１３または図１５～図２２中の一点鎖線）を判断する。各プロット図に示されたデータは、粘性土、砂質土、腐植土等の土質に応じて異なる変動特性を示すことがわかっているため、そこから地層の境界を判別することができる。ただし、プロット図の変動特性からは、粘性土、砂質土、腐植土といった大まかな土質しか判別することができないため、次に、柱状図（図１４、図２３参照）に照らしてプロット図の各境界間の細かな土質・地層構造を判定していく。これにより、試験実施地の地中におけるより正確な土質および地層構造を判定することができる。
例えば、図６ないし図１３に示した下高井戸の各プロット図を見ると、深度０．７５ｍ～７．５ｍ付近までは変動特性に大きな変化がなく、比較的低い値で振幅も小さい典型的な粘性土の特性を示している。各プロット図を総合すると、深度０．７５～１．５ｍ付近、および４～７．５ｍ付近の各層は、その間の層よりも僅かながら異なる変動特性を示していることがわかるが、それでも粘性土の域を出ないため、各層の土質をより詳細に特定することは難しい。注意深く観察すれば、ｃｐと正規化Ｎｓｗの両プロット図の深度４～７．５ｍ付近には、高い値で振幅の大きい砂質土の特性が部分的に現れているため、この層が砂質混じりの粘性土の層であると推定できるかもしれないが、これだけでは、その確からしさを保証することは難しい。そこで、採用した柱状図（図１４参照）を見る。この柱状図においては、深度０．７５～１．５ｍは黒ボク、１．５～２．９ｍはローム、２．９～３．８ｍは凝灰質粘土、３．８～７．８ｍはシルトの各層となっている。これを各プロット図に照合すると、なるほど、柱状図とほぼ同じ深度において僅かながら変動特性に違いが見られることから、柱状図の地層構造を採用し、各深度の土質・地層構造を決定することができる。
前述の例は、柱状図によって示された各深度における土質と、プロット図の各深度における土質とがほぼ一致した例であるが、柱状図は、あくまで試験実施地とは別の土地の地層構造を示すものであるため、プロット図から判定される土質・地層構造が柱状図に示されたものと若干異なる場合もある。その例を示したのが、図１５ないし図２２（いずれも埼玉県さいたま市南区曲本の貫入試験で得られたプロット図）である。採用した柱状図（図２３）の深度５～６ｍ付近は砂混じりシルトとなっているが、各プロット図においては、その間に２種類の変動特性が見られる。補正トルクＴのプロット図を例に見てみると、深度５～６ｍ付近において比較的高い値で推移している層と、低い値で推移して層とに分かれているのがわかる。補正トルクＴ等の試験データは、砂質土の場合だと高い値で振幅の大きい変動特性を示し、粘性土の場合だと低い値で振幅の小さい変動特性を示す。ゆえに、この試験実施地においては、柱状図で示された砂混じりシルトの地層部分が砂質土と粘性土に分かれていると判定することになる。この判定は、柱状図で砂混じりシルトとなっている裏付けがあることから、信頼性の高いものとなる。また、同じく図１５ないし図２２における深度１～３ｍの区間では、柱状図ではシルト質微細砂となっているが、各プロット図では上部と下部が砂質土、中部が粘性土の特性を示している。このため、総合してシルトを挟む砂質土と判定されている。なお、この層については粘性土／砂質土／粘性土の三層に分かれていると判定してもよい。
なお、以上の説明では貫入ロッド７に負荷する荷重を段階的に変動させ、スクリューポイント７ｂが２５ｃｍの単位区間貫入する毎の各荷重下での回転負荷トルクを取得するようにしたが、これ以外にも、次の方法で所定深度毎の異なる荷重に対する回転負荷トルクを取得してもよい。すなわち、ロッド７ａを所定深度（例えば２５ｃｍ）毎貫入する間は、通常のスウェーデン式サウンディング試験方法に従って自沈貫入および回転貫入を適宜行って貫入ロッド７を地中に貫入する。そして、スクリューポイント７ｂが所定深度貫入する毎に一旦荷重を０（ゼロ）にし、ここから荷重を５０Ｎ，１５０Ｎ，２５０Ｎ，５００Ｎ，７５０Ｎ，１ＫＮと（ただし、所定深度貫入する間、自沈貫入であった場合は、その自沈貫入が起きる最大の荷重まで）増やし、各荷重毎に貫入ロッド４を回転させて回転負荷トルクその他の試験データを得る。これによって得られた試験データから補正トルクＴ、エネルギδＥ、塑性ポテンシャル係数ｃｐ等を求めて、地層の判定を行うことも可能である。
また、本実施形態では補正トルクや補正荷重等のプロット図を用いる例を紹介したが、補正前のトルクや荷重のプロット図によっても土質に応じた変動特性を把握することは可能であり、これを柱状図等の地層構造データと照合することによって上記同様に土質および地層構造の判定を行うことができる。
１ 自動貫入試験機
２ 支柱
２ａ チェーン部材
３ 昇降台
３ａ おもり
４ チャック用モータ
４ａ 出力軸
５ トルク検出機構
５ａ 遊星歯車機構
５ｂ 歪みゲージ
５ｃ 出力軸
６ チャックユニット
７ 貫入ロッド
７ａ ロッド
７ｂ スクリューポイント
７ｃ ねじ部
８ スプロケット
９ スプロケット
１０ 環状チェーン
１１ 昇降用モータ
１１ａ 出力軸
１２ 一方向クラッチ
１３ ブレーキ手段
１４ スプロケット
１５ 制御ユニット
１６ ロータリエンコーダ
２ 支柱
２ａ チェーン部材
３ 昇降台
３ａ おもり
４ チャック用モータ
４ａ 出力軸
５ トルク検出機構
５ａ 遊星歯車機構
５ｂ 歪みゲージ
５ｃ 出力軸
６ チャックユニット
７ 貫入ロッド
７ａ ロッド
７ｂ スクリューポイント
７ｃ ねじ部
８ スプロケット
９ スプロケット
１０ 環状チェーン
１１ 昇降用モータ
１１ａ 出力軸
１２ 一方向クラッチ
１３ ブレーキ手段
１４ スプロケット
１５ 制御ユニット
１６ ロータリエンコーダ
Claims (3)
- 所定の荷重と回転とを付与して貫入ロッドを地中に貫入し、
この貫入ロッドの貫入に関与して変動する試験データを取得し、
この試験データと、当該貫入試験実施地が属する地域内の同一地形条件を満たす別の土地で既に得られている地層構造データとを照合し、当該貫入試験実施地の地中の土質・地層構造を判定することを特徴とする貫入試験方法。 - 試験データは、貫入ロッドが土から受ける回転負荷トルク、貫入ロッドに負荷される荷重、貫入ロッドの貫入深さ、貫入ロッドの回転回数、貫入ロッドの貫入速度、回転負荷トルクから土の周面摩擦の影響を除いた補正トルク、荷重から土の周面摩擦の影響を除いた補正荷重、貫入ロッドの貫入エネルギ、正規化トルク、正規化Ｎｓｗ、塑性ポテンシャル係数ｃｐの群から選択される一または複数のデータであることを特徴とする請求項１に記載の貫入試験方法。
- 試験データは、所定のタイミングで複数取得されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の貫入試験方法。
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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2014
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