JPH03286093A - スクリューパイプ式地盤凍結試料採取方法とその装置 - 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〕 本発明は、室内試験により地盤の力学特性等の地盤情報
を取得するために、砂地盤などの粒状地盤を乱さないで
高品質の試料を採取する方法と装置に関するものである
。

〔従来の技術〕

従来、深層における地盤状態を乱れないように凍結させ
て試料を採取する方法には次の様なものがあった。

先ず砂などの粒状地盤に対して乱れのない試料の採取方
法を大別すると、地盤を凍結させてから採取する方法と
自然地盤のままで採取する方法とがあるが、現状技術で
は前者の方が高品質の試料が得られることは公知の事実
となっている。

そして地盤を凍結させるためには、凍結管を所定の深度
に設置し、この中に低温流体注入パイプを入れ、凍結熱
源である低温流体を循環させて地盤を所定の大きさと形
状に凍結する方法がとられている。

またこのように凍結管を所定の深度に設置する方法とし
ては、孔壁の崩壊を防ぐため泥水を循環させながら所定
の深度まで削孔し、この中に底蓋のある凍結管を挿入し
、さらにこの中に低温流体注入管を凍結管の底近くまで
挿入する方法と、孔壁の崩壊を防ぐため鋼管等の凍結外
管を中掘りしながら所定の深度まで地中に圧入し、この
中に凍結管と低温流体注入管を挿入する方法とがある。

また凍土を所定の条件に造成管理するためには地温の測
定によるが、その方法としては、凍結管から離れた１乃
至数箇所に地温計測用孔を削孔し、この中に地温計を深
度方向に設置する方法と、凍結管設置のための削孔を所
定の深度より深くまで行ない、凍結管の下方に地温計を
数個設置し、造成凍土の半径と同じ深さまで凍結管の底
から半球状に凍結していると仮定する方法等がある。

さらに凍土試料を採取する方法には、１本の凍結管によ
り造成された円柱状の凍土をそのまま引き抜く方法、先
端部に切削ビットを付けた掘管で円柱状凍土に対して同
心円状に周囲を切削して、引き上げ抵抗を小さくさてか
ら凍結管と一緒に凍土試料を採取するオーバーコアリン
グ方法、または凍土の半径より十分中さい半径の試料採
取装置を用いて凍結管周囲の凍土を１乃至数箇所におい
て削孔しながら凍土試料を採取するコアリング方法とが
ある。このほかに、複数本の凍結管を地盤内に設置して
大きな凍土魂を造成してから各凍結管の間を削孔しなが
ら凍土試料を採取するコアリング方法などがある。

以上のように原位置から採取した凍土試料は、試料端面
の成形などを行ない各種試験装置にセットし、解凍して
から所定の試験を行ない原地盤の乱されない状態での強
度や変形情報を求めている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記の深層地盤を凍結し乱さない試料を採取する方法に
おいては、地盤を凍結するための熱源消費量の節減が重
要な課題である。これに対処するための最も効率の良い
方法は、所定の形状寸法の試験試料を所定の深度から必
要な本数だけ採取するために最小限必要な形状寸法の凍
土の造成と試料採取方法を選択することである。

次に凍結管そのものに対する問題及びそれを設置するた
めの課題としては、先ず周囲の地盤を凍結させるため熱
伝達効率が良い材料、及びそのために効率の良い形状で
あること。そして造成凍土の大きさに対し採取試料がで
きるだけ多いこと、そのためには凍結管の断面寸法が可
能なかぎり小さく、地盤内に設置時に周辺地盤の乱れが
少ないものであることが必要である。

また凍結管の設置に関しては、泥水を循環しながら削孔
し凍結管を挿入する方法は最も一般に行なわれている方
式であるが、この方法では孔壁の崩壊により致命的な地
盤の乱れ領域の拡大が懸念されること、及び削孔による
地中応力の開板に伴う地盤の乱れが確実に生じることが
あり問題である。これらの地盤撹乱要因に対処するため
崩壊性地盤では、中掘りしながら凍結外管を圧入し、こ
の中に底蓋のある凍結管を挿入する方法が用いられてい
るが、この方法では凍結外管と地盤の摩擦抵抗による地
盤の乱れや二重背方式になるため孔径が大きくなること
、及び工法が複雑になることなどの課題がある。

このようなことを考慮すると孔壁の崩壊がないとしても
、試験試料の採取位置は凍結管又は凍結外管の外側から
少なくとも管径と同等以上の範囲は試験試料に供するこ
とは出来ないことが知られている。従って凍結管の設置
に伴う地盤の乱れに対しては、これを極力少なくする方
法が望まれている。

さらに凍土造成管理上の課題としては、所定の位置、深
度で所定の大きさの試料が採取できる必要最小限の凍土
が造成され、かつ試料採取に適した地温であることを確
認する必要があること、及び凍結熱源の消費量を最小に
し、かつ計画通りに制御できることがあげられる。これ
に対して現在行なわれている凍土造成管理のための地温
測定方法のうち、凍結管先端から鉛直下方に地温計を設
置する方法は、地温計設置作業上は簡便であるが造成凍
土の水平断面における半径と造成凍土の凍結管底からの
半径が同一ではないことが問題である。一方、計画造成
凍土の半径付近に計測用孔を削孔し、この中に地温計を
設置する方法は削孔時の地盤の乱れや孔曲がりによる誤
差、作業能率の悪さなとが問題である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はこれに鑑み検討し、最も経済的で効率的な凍土
の造成方法と試料採取の方法は、１本の凍結管による円
柱状の凍土造成と特別なポーリング装置を必要としない
オーバーコアリング法による試料採取方法を採用するこ
とであるとの認識に立ち、さらに検討の結果、上記の問
題点を解消したものである。

即ち本発明の方法は、地盤中に凍結管を挿入し、該管内
に低温流体を供給して周囲の地盤を凍結した後凍土試料
を採取する方法において、採取すべき深度の凍土位置の
上部まで削孔し、その孔底から、外周に螺旋状の羽根を
設けた凍結管を回転圧入し、その後周囲の地温を測定し
ながら凍結管内に低温流体を供給して凍土を造成し、し
かる後凍結管とともに凍土試料を採取することを回転圧
入するものであり、凍結管の下端部から地盤内へ潤滑剤
を注入しながら該凍結管を回転圧入するのは効果がある
。

また本発明装置は採取すべき深度の凍土位置の上部まで
削孔する掘削手段と、外周に螺旋状の羽根を設けて掘削
した孔底から地盤内に回転圧入される凍結管と、該凍結
管内に低温流体を供給する手段とからなり、回転圧入さ
れた凍結管内に低温流体を供給して凍土を造威し、その
後所定の大きさの凍土を採取することを回転圧入するも
ので、さらに凍結管の上端部に１個以上の地温計を有す
るガイド板を設けたり、凍結管の下端部に潤滑剤を地盤
内へ注入する潤滑剤注入孔を設けるのは有効である。

〔作　用〕

このように凍結管の外周に螺旋状の羽根を設けたのは、
凍結管から地盤への低温流体の熱伝達効率を良くするた
め、底蓋のある単なる管体ではなく外周に羽根状の突起
を付けて放熱板の役割を果たすようにするためである。

そしてさらに凍結管を所定の位置と深度に確実に設置し
周辺地盤の乱れを最小限にするため、放熱板の役目も果
たすスクリュー状の羽根を付けた凍結管としたものであ
る。即ちスクリュー状羽根を有する凍結管とすることに
より地盤の凍結効率を向上させることができ、さらに地
盤への圧入時の回転数と貫入量を制御することでスクリ
ュー羽根つき凍結管の圧入体積分の地盤を排出しながら
設置することができるので、従来の削孔方式の様な地中
応力の開放による乱れがなく孔壁の崩壊による致命的欠
陥の発生原因を除去できる。また潤滑剤注入方式とする
ことにより凍結管の回転圧入時に地盤との摩擦抵抗が低
減するので、凍結管の圧入体積相当の地盤をスクリュー
の回転で容易に凍結管上方に排出しなから線管を挿入す
ることができ、凍結管周辺地盤の崩壊をなくし乱れ領域
を少なくすることがより一層可能となる。従って上記中
掘り式による凍結外管を圧入する方法のような地盤との
摩擦による乱れの影響は、本発明によれば大きく低減す
ることが出来る。

そして凍結管上部に装着した地温計により凍土の造成経
過を確認することが可能となる。さらにこれらの地温計
と凍結管内の温度計及び凍結熱源の消費量等を計測制御
することで凍土造成の効率化と試料採取時の凍土温度に
よる循環泥水などの温度管理が容易になるものである。

即ち、例えば凍結管上部に装着したガイド板に凍結管中
心からの異なる距離に取付けた数滴の地温計と凍結管内
数箇所につけた温度計、凍結熱源の消費量計測用荷重計
等の計測を行なうことで、凍結しながら凍結範囲と地温
分布を確認し、凍結熱源の効率的消費を制御することが
可能となる。

そして最後に造成された円柱状凍土の外周付近を掘管で
リング状に切削してから凍結管と凍土柱を一緒に引き上
げることで凍結試料の大部分を試験試料として用いるこ
とが出来るようになる。

〔実施例〕

次に本発明の一実施例を説明する。

本発明の構成の一例を、第１図の凍結管とその設置に関
する図、及び第２図の凍土の造成と試料採取に関する図
に示した。第１図において、凍結管部）の外周にはスク
リュー状羽根（１５）が装着されており、先端部には凍
結管（１６）を地中に圧入するときに目ずまりしない様
にフィルターからなる潤滑剤注入孔（１カがあり、これ
に接続して潤滑剤注入管（７）が地上に導かれて潤滑剤
圧力タンク（４）に接続されている。図中の潤滑剤注入
孔（（７）は凍結管（１６）先端部のコーン部分に１個
示したが、管体部分も含め１個以上取付けることも可能
であり、潤滑剤注入管（７）も凍結管部）内に取付けで
あるが凍結管部）とスクリュー羽根（＠との連結部に沿
って螺旋状に取付けることも可能である。

また凍結管（＋６）の上端部は凍結接続管（６）と接続
し、この接続部には吸水防止のための塗装をした木製の
ガイド板０３）が取付けてあり、その下面には地温計（
１２）として熱電対が３個設置され、これに接続する地
温計測用ケーブル（８）が地上に導かれている。このガ
イド板（＋３）は地盤の熱伝導率より低い材料であれば
木製以外でもよく、地温計（１２）も熱電対には限らな
い、また地温計（１２）は１個乃至それ以上何個でも必
要に応じて取付けることが出来る。

さらに凍結接続管（６）の外側は、孔壁（９）との間の
図示していない泥水が凍結しないように、且つ熱損失を
少なくするため防熱材（５）で覆われており、また上記
潤滑剤圧力タンク（４）には圧力ゲージ（１）と圧力調
整バルブ（２）及び圧縮気体等の圧力源（３）が接続さ
れている。なお本装置は掘削のための掘管αりと掘削ビ
ットαυ及び図示していない掘削装置を含むものである
。

次にこの装置を用いて凍結管を採取地盤内に設置する作
業手順を説明する。

まず、採取すべき凍結地盤の深度位置の上部まで、掘削
ビットａυと掘管（１０を図示していない掘削装置を用
いて回転させ、かっ孔壁（９）の崩壊防止等のため泥水
を循環させながら削孔する。

所定深さまで削孔後凍結管（１６）、凍結接続管（６）
、ガイド板０３）、地温計（１２）等を組み立て、孔内
に挿入するが、このときガイド板（＋３）により凍結管
０６）の先端が孔底（Ｉ４）の中心に位置するように自
動的に位置決めされる。即ち凍結管（１６）はガイド板
（１３）の中央部に取付けられており、かつガイド板Ｏ
）は孔内に遊嵌できる形状であるので、孔内にガイド板
（１３）を挿入したときに凍結管（１６）は孔底の中央
部に位置することになる。

次に図示していない掘削装置を用いてガイド板６３）が
孔底６４）の近くに達するまで凍結接続管（６）を介し
て凍結管（１６）を回転圧入する。この回転圧入時には
、摩擦を低減させるため凍結管（１６）先端部から潤滑
剤を地盤内に注入するが、その注入圧力は先端部の間隙
水圧に対抗できる圧力となるように圧力調整バルブ（２
）を調整する。そして回転数と貫入量を制御することで
スクリュー（１荀の外側の地盤が乱れない様にする。

次に潤滑剤の供給系統の装置を外し、第２図に示すよう
な構成とする。即ち凍結管（＋６）の中に低温流体用防
熱剤を挿入し、該低温流体注入管（４）上部の凍結管（
１６）から露出した部分は低温流体用防熱剤（２１）で
覆い、この被覆された注入管−は凍結接続管（６）のな
かを通って上端部は低温流体注入調整バルブ（１９）に
接続され、これに凍結熱源！１８）から低温流体が供給
されるようになっている。一方、地温計測用ケーブル（
８）と凍結熱源０８）の使用量を測る荷重計（２２）及
び低温流体注入調整バルブ（１９）は計測・制御装置（
２３）に接続されている。なお凍結熱源としては一般に
液体窒素が用いられているが、冷凍装置による低温流体
でもよい。また計測・制御する温度は地温の他に図示し
ていない凍結管部）や凍結接続管（６）内の温度も含め
ることが出来る。

次にこの装置を用いて凍土の造成と試料採取の作業手順
を説明する。

第１図に示した状態から作業を始め、第２図に示す様な
装置の接合と設置を行ない、掘管（１■を孔底６４）か
ら凍着防止しない深度まで引きあげる。次に計測・制御
装置（２３）を用いて各部の温度と凍結熱源（１８）量
の初期値を測定してから、作業工程に合わせた単位時間
当たりの低温流体注入量の経時変化と測定間隔等を指定
して、制御装置を作動させ凍結を開始する。

そして測定地温を見ながら所定の大きさに凍土が造成さ
れ、試料採取に適した凍土の温度になった時点で低温流
体注入管−を引き上げ、地温計測用ケーブル（８）等も
取りはずし、凍結接続管（６）の上端に蓋をしてから、
図示していない冷却泥水を循環しなから掘管四を回転し
て凍土（２４）を円柱状に切削するため凍土切削溝（２
５）を作る。次に凍結接続管（６）の上端に図示してい
ない吊り具を付け、周囲が切り取られた凍土柱を地上に
引き上げ、凍結管（１６）内に蒸気を通して凍着強度を
小さくしてから逆回転してこれを抜き取る。最後に採取
凍土を試験用供試体の大きさに切断する。

次に上記の本発明装置を用いて試料の採取を実施した一
例を、従来例と比較して数値を用いて説明する。

飽和砂地盤の地表面から深さ６ｍと１２ｍの２箇所から
、通常室内試験で用いられる直径５ｃｍ高さ１０印の供
試体を夫々９本採取する場合、本発明によれば掘管（１
（２）の径を２３ｃｍとして試料採取深度の上部まで削
孔し、長さ５０ａｎ、外径３．４ｃｍ、かっスクリュー
の外径５ａ［ｌの凍結管（１６）及び直径２０ａｎのガ
イド板を作製し、凍結管その他を第１図のように孔内に
設置した。図との違いは掘屑が孔底に残ることと、凍結
管の回転圧入による排土が孔底に排出されるため孔底よ
り１０（７）上部で圧入を停止したが所定深度での試料
採取は十分可能である。そして凍結熱源は液体窒素を用
い、夕方から凍結を開始し１時間当たり２０ｋｇの割合
で供給することにした。その結果、１５時間後の翌朝に
は３００ｋｇの液体窒素を消費し、中心から１１ｃｍの
ところの地温が一５℃に低下していたので、凍土は計画
通りに造成され、且つ切削時の解凍や凍着等の問題が発
生しにくい地温になっているので、２℃に冷却した泥水
を循環しながら縁切りのための切削を掘管α呻で行なっ
たところ１５分間で切削を完了した。その後直ちに凍土
試料を引き上げ、採取凍土を測定した結果直径は２２　
ａｎ　〜２３　ｏｎ　、長さは６５ａｎであり、前記試
験供試体は十分採取可能であった。上記深度６ｍに引き
続き、深度１２ｍでの採取のため前記同様の作業を行な
い、翌日の昼にはすべての作業を完了した。

このような試料の採取を従来の単孔式凍結オーバーコア
リング法で行なえば、地上から深度１２５ｍまで径８Ｃ
［１１の削孔を行ない、この中に凍結管を挿入し液体窒
素で凍結して、凍結管から３０ｃｍ離れた位置で凍土を
採取するためには半径４０ｃｍ以上の凍土を造成する必
要があり、さらに本発明の方法による場合に比較して、
凍結時間で数倍、液体窒素の消費量は５〜１０倍必要に
なることが今までの経験からえられている。

〔発明の効果〕

このように本発明によれば、地盤状態を乱さないで高品
質の凍結地盤試料が容易に採取でき、さらに凍土の造成
及び管理も簡便かつ効率よ〈実施できる等顕著な効果を
奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は共に本発明の一実施例を示す説明図
である。 １−３圧力ゲージ 圧力調整バルブ 圧力源 潤滑剤圧力タンク 防熱材 凍結接続管 潤滑剤注入管 地温計用ケーブル 孔壁 掘管 掘削ビット 地温計 ガイド板 孔底 スクリュー羽根 凍結管 潤滑剤注入孔 凍結熱源 低温流体注入調節バルブ 低温流体注入管 低温流体用防熱材 荷重計 計測・制御装置 凍土 凍土切削溝 第２図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）地盤中に凍結管を挿入し、該管内に低温流体を供
   給して周囲の地盤を凍結した後凍土試料を採取する方法
   において、採取すべき深度の凍土位置の上部まで削孔し
   、その孔底から、外周に螺旋状の羽根を設けた凍結管を
   回転圧入し、その後周囲の地温を測定しながら凍結管内
   に低温流体を供給して凍土を造成し、しかる後凍結管と
   ともに凍土試料を採取することを特徴とするスクリュー
   パイプ式地盤凍結試料採取方法。
2. （２）凍結管の下端部から地盤内へ潤滑剤を注入しなが
   ら該凍結管を回転圧入する請求項（１）記載のスクリュ
   ーパイプ式地盤凍結試料採取方法。
3. （３）採取すべき深度の凍土位置の上部まで削孔する掘
   削手段と、外周に螺旋状の羽根を設けて掘削した孔底か
   ら地盤内に回転圧入される凍結管と、該凍結管内に低温
   流体を供給する手段とからなり、回転圧入された凍結管
   内に低温流体を供給して凍土を造成し、その後所定の大
   きさの凍土を採取することを特徴とするスクリューパイ
   プ式地盤凍結試料採取装置。
4. （４）凍結管の上端部に１個以上の地温計を有するガイ
   ド板を設けた請求項（３）記載の装置。
5. （５）凍結管の下端部に潤滑剤を地盤内へ注入する潤滑
   剤注入孔を設けた請求項（３）又は（４）記載の装置。