(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤から採取した試料から作製した円柱形状の供試体を用いた、当該地盤の液状化判定方法であって、
Ａ．前記試料を採取した前記地盤の試料採取深さｄhと、前記試料の単位体積重量γtと、該試料の静止土圧係数K0とに基づいて、下記の関係式（１）により、該供試体の円柱側面に載荷する側圧σ3を決定する工程と、
【数７】
0005414863.tif 000008
Ｂ．前記供試体を収容する三軸圧力室に充填された液体により、該供試体の円柱側面に前記決定した側圧σ3を等方的に載荷しつつ、該供試体の軸方向に該側圧σ3と同一圧力の背圧で水を供給して該供試体内部の土粒子間の空気を追い出し飽和させる工程と、
Ｃ．前記飽和した供試体の軸方向に、前記試料採取深さｄhと前記単位体積重量γtとから下記の関係式（２）により求められる軸応力σ1を載荷する工程と、
【数８】
0005414863.tif 000009
Ｄ．前記供試体の体積変化が起こらないよう保持した状態で、該供試体に所定の周波数および出力の超音波を照射することにより、前記供試体の土粒子に振動を与える工程と、
Ｅ．前記超音波の照射中において、前記供試体の軸応力および間隙水圧の変化を計測するとともに、当該軸応力の計測値と側圧との差で示される軸差応力（σ1−σ3）を算出する工程と、
Ｆ．前記工程Ｅで計測される軸差応力および間隙水圧が収束した後、下記の関係式（３）により、液状化判定係数を求める工程と、
【数９】
0005414863.tif 000010
但し、上記関係式（３）において、ＬF は液状化判定係数、σ3 は側圧、（σ1−σ3）F は超音波照射によって低下した軸差応力の収束値、ＵE は超音波照射によって発生した間隙水圧をそれぞれ表す。
Ｇ．前記工程Ｈで求めた液状化判定係数ＬFが、予め設定した液状化判定条件を満たす場合には、前記供試体の試料を採取した地盤が液状化しないと判定し、前記工程Ｈで求めた液状化判定係数が、予め設定した液状化判定条件を満たさない場合には、前記供試体の試料を採取した地盤が液状化する、或いは液状化しやすいと判定する工程と、を含むことを特徴とする地盤の液状化判定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の液状化判定方法であって、前記工程Ｇの液状化判定条件は、前記工程Ｆで求めた液状化判定係数ＬFと、液状化に対する安全性、試験誤差等を考慮して予め設定された液状化判定値とを比較し、前記液状化判定係数ＬFが、前記液状化判定値未満または前記液状化判定値以下であれば液状化しないと判定する、地盤の液状化判定方法。
【請求項３】
請求項２に記載の液状化判定方法であって、前記液状化判定値が０．７〜１．０の範囲に設定される、地盤の液状化判定方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項記載の液状化判定方法であって、  前記工程Ｄにおける超音波の周波数は、１５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの範囲であり、かつ、該超音波の出力は、０．５Ｗ／ｃｍ2〜３．０Ｗ／ｃｍ2の範囲に設定される、地盤の液状化判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波照射を利用した地盤の液状化判定方法、およびこの方法を実施するための液状化判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、東日本大震災などに代表される地震災害によって、地盤の液状化判定の重要性が一般の市民にまで認識されるようになってきた。さらに、地盤液状化の発生メカニズムに関する知識も広く普及し、液状化対策の必要性に対して強い関心が寄せられている。
【０００３】
地盤液状化の発生メカニズムをミクロの視点から眺めると、砂質土地盤の砂、シルトなどの土粒子同士の接点が地震などの振動によって乖離して土粒子が水中に浮遊している状態が作り出され、土粒子は重力によって沈降する。これにより、上載荷重分の圧力を地下水が受け持ち、地下水の水圧が地下水位よりも大きなものとなる。この水圧が消散しようとして、地下水が強度の小さい地盤の部分を通ることになる。
このときに、周辺地盤よりも軽量なマンホールや地下タンクなどはこの水圧によって押し上げられ、さらに、水圧が地上に消散するときに砂やシルトなどを伴って地下水が吹き上がる現象が起こる。この現象を総称して「液状化現象」と呼んでいる。
【０００４】
液状化の発生する地盤は、土の粒度分布、地盤の強度、土粒子の形状（球状に近いか、角レキ状か）などによって決まってくる。このため、液状化の発生は、地盤の粒度分布、地盤強度、土粒子形状などを把握すれば予測することが可能になる。
現在は、地盤の液状化判定方法として、土の粒度分布曲線による判定方法と、地盤の液状化強度特性による判定方法とが使われている。
【０００５】
土の粒度分布曲線による液状化判定方法は、極めて液状化しやすい粒度分布の範囲と、液状化しやすい粒度分布の範囲の２種類をあらかじめ示しておき、土の粒度分布が示された範囲にある場合は、液状化する或いは液状化しやすいと判定する方法である。
しかし、提示された粒度分布範囲より細粒分を多く含んだ土の場合にも、地震による液状化の発生例（鳥取県境港の埋立地における例など）が確認されている。そのため、粒度分布曲線のみによる判定方法により液状化しないという判定結果が得られても、その結果が必ずしも当てはまらないケースも存在することが裏付けられている。
【０００６】
一方、地盤の液状化強度特性による判定方法としては、標準貫入試験により得られたＮ値に基づいて液状化判定する方法が存在する（例えば、非特許文献１参照。）。
Ｎ値を用いたこの種の判定方法としては、Ｎ値から液状化強度比と繰返し剪断応力比を求めた上で液状化抵抗率Ｆlを算出して液状化判定する方法や、原位置試験によるＮ値のみを用いて液状化の発生を判定する限界Ｎ値による判定方法がある。なお、Ｎ値とは、地盤の強度を表す指標であり、この値が大きい程、地盤強度が大きいことを示している。
また、Ｎ値に基づく液状化判定方法としては、模擬的に地震動を再現する模型振動台実験や、現地における現位置液状化試験を行って液状化判定する方法も存在する。しかし、Ｎ値を用いた判定方法は、Ｎ値に対する信頼性の問題が含まれるため、いずれも簡易的な判定方法と位置づけられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】小川正二、外3名、「静的三軸圧縮試験による液状化強度の予測」、長岡技術科学大学研究報告、長岡技術科学大学、昭和62年8月、第9巻、p. 27―33
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した従来の液状化判定方法を用いて精度よく試験を行う場合、地震動を模擬的に再現するために複雑構造の振動機構を備える振動三軸圧縮試験装置を必要としたり、現地での直接試験をする必要があり、経費が高額になってしまう。このため、従来の液状化判定試験では、コスト的な問題から多くの場所での実施には限界があり、その重要性にも関わらず実施が制限を受けやすいという問題点がある。
また、現在行われている液状化の判定方法では、土の粒度分布曲線による判定方法やＮ値に基づく液状化判定方法に代表されるように不確定な要素も多く、得られた判定結果の精度が必ずしも十分でないという事態も起こり得る。
さらに、振動三軸圧縮試験装置を用いた液状化判定方法では、たとえ試験内容を熟知した操作者であっても操作の失敗を起こし易いという問題点もある。
【０００９】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、地震時における土粒子の振舞いをより忠実に再現した信頼性の高い液状化判定を簡易かつ短時間で行うことのできる地盤の液状化判定方法、およびその方法を実施するための液状化判定装置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】
【００１０】
以下に、本発明における課題解決の原理を説明する。土中の間隙が水で完全に満たされた飽和状態にある土に超音波を照射すると、シルト（粒径０．００５〜０．０７５ｍｍ）、細砂（粒径０．０７５〜０．２５ｍｍ）など細粒部分の土粒子は超音波の密度波により振動し始める。中砂（粒径０．２５〜０．８５ｍｍ）は、照射する超音波の出力によって動いたり動かなかったりする。粗砂（粒径０．８５〜２ｍｍ）や礫（粒径２ｍｍ以上）は、土粒子の質量が大きいため、超音波の密度波のエネルギー程度ではほとんど動かない。
飽和土内部の土粒子が振動すると、土粒子間の接触が断ち切られ個々の土粒子が水中に浮かんだ状態となり、当然、地球の重力で沈降する。粗砂などの大きい土粒子も、細粒な土粒子との粒子間接触が無くなると細粒子と同様に水中で浮遊状態となり、重力によって沈降することになる。
【００１１】
このような現象は、地震によって発生する砂質土の液状化現象と全く同じものであり、供試体の液状化現象が発生するか否かを、供試体を飽和させて超音波を照射したときの挙動を捕らえることによって判定可能であることを示唆すると考えられる。
【００１２】
［第１発明］
そこで、上記の課題を解決するために、本願の第１発明に係る地盤の液状化判定方法は、
地盤から採取した試料から作製した円柱形状の供試体を用いた、当該地盤の液状化判定方法であって、
Ａ．前記試料を採取した前記地盤の試料採取深さｄhと、前記試料の単位体積重量γtと、該試料の静止土圧係数Ｋ0とに基づいて、下記の関係式（１）により、該供試体の円柱側面に載荷する側圧σ3を決定する工程と、
【数１】
0005414863.tif 000002
Ｂ．前記供試体を収容する三軸圧力室に充填された液体により、該供試体の円柱側面に前記決定した側圧σ3を等方的に載荷しつつ、該供試体の軸方向に該側圧σ3と同一圧力の背圧で水を供給して該供試体内部の土粒子間の空気を追い出し飽和させる工程と、
Ｃ．前記飽和した供試体の軸方向に、前記試料採取深さｄhと前記単位体積重量γtとから下記の関係式（２）により求められる軸応力σ1を載荷する工程と、
【数２】
0005414863.tif 000003
Ｄ．前記供試体の体積変化が起こらないよう保持した状態で、該供試体に所定の周波数および出力の超音波を照射することにより、前記供試体の土粒子に振動を与える工程と、
Ｅ．前記超音波の照射中において、前記供試体の軸応力および間隙水圧の変化を計測するとともに、当該軸応力の計測値と側圧との差で示される軸差応力（σ1−σ3）を算出する工程と、
Ｆ．前記工程Ｅで計測される軸差応力および間隙水圧が収束した後、下記の関係式（３）により、液状化判定係数を求める工程と、
【数３】
0005414863.tif 000004
但し、上記関係式（３）において、ＬF は液状化判定係数、σ3 は側圧、（σ1−σ3）F は超音波照射によって低下した軸差応力の収束値、ＵE は超音波照射によって発生した間隙水圧をそれぞれ表す。
Ｇ．前記工程Ｈで求めた液状化判定係数ＬFが、予め設定した液状化判定条件を満たす場合には、前記供試体の試料を採取した地盤が液状化しないと判定し、前記工程Ｈで求めた液状化判定係数が、予め設定した液状化判定条件を満たさない場合には、前記供試体の試料を採取した地盤が液状化する、或いは液状化しやすいと判定する工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
第１発明に係る地盤の液状化判定方法によれば、側圧および軸応力を載荷した三軸圧力室中の供試体に、供試体内部において土粒子間の乖離現象を誘発させる所定の周波数および出力の超音波を照射する。そして、この照射により低下した供試体の軸応力および間隙水圧を計測するとともに、軸応力と側圧との差から軸差応力を算出する。
【００１４】
ここで、超音波照射中の軸応力および間隙水圧の計測値は、時間経過とともに収束し、両者の比（液状化判定係数ＬF）がある決まった値に近づく。工程Ａで決定した側圧σ3は、一定値に保たれて変化しない。発明者らの試験によれば、収束までの時間は概ね１分以内であることも判明している。
【００１５】
図１に示すように、液状化しない地盤の場合には、軸差応力よりも間隙水圧Ｕが小さく保たれ、液状化判定係数＜１となる。一方、図２に示すように、液状化する地盤の場合には、間隙水圧が軸差応力よりも大きくなって液状化判定係数＞１の関係となる。理論上は、間隙水圧が軸差応力を超えたときに、地盤の液状化が起こりうるが、本発明では、液状化に対する安全性、試験誤差等を考慮して予め液状化判定条件を定めておき、液状化判定係数がこの判定条件を満たすか否かを調べる。そして、所定の条件を満たす場合には、試験対象となる地盤が液状化しないと判定し、所定の条件を満たさない場合には、同地盤が液状化する、或いは液状化しやすいと判定する。
【００１６】
このように本発明では、超音波照射により土粒子を振動させた上で、供試体の軸差応力の収束値（σ1−σ3）Ｆと、間隙水圧ＵEとの比から求められる液状化判定係数ＬFに基づいて地盤が液状化するか否かを判定する。この結果、地震動のメカニズムに忠実な信頼性の高い液状化判定試験を従来よりも簡易かつ短時間で行うことができる。
【００１７】
加えて、第１発明の液状化判定方法によれば、照射工程において超音波の照射時間を長くとも５分以内にすることができるため、液状化判定試験の実施にあたり供試体に振動を与えるための所要時間を、従来よりも大幅に短縮することも可能となる。
【００１８】
［第２発明］
第２発明の液状化判定方法は、第１発明の液状化判定方法において、前記工程Ｇの液状化判定条件は、前記工程Ｆで求めた液状化判定係数ＬFと、液状化に対する安全性、試験誤差等を考慮して予め設定された液状化判定値とを比較し、前記液状化判定係数ＬFが、前記液状化判定値未満または前記液状化判定値以下であれば液状化しないと判定するものであることを特徴とする。
【００１９】
このように予め液状化判定係数の比較基準となる液状化判定値を設定することで、液状化判定係数ＬFと液状化判定値とを比較すれば、簡単かつ迅速に液状化判定を行うことができる。この結果、客観性かつ信頼性の高い地盤の液状化判定を広範な地域でも効率よく行うことが可能となる。
なお、第２発明において、前記液状化判定係数ＬFが、前記液状化判定値の条件を満たさない場合、すなわち前記液状化判定値以上または前記液状化判定値を超える場合には、検査対象の地盤が液状化するまたは液状化しやすいと判定されることになる。
【００２０】
［第３発明］
液状化判定値については、例えば地盤の状態、試験装置等の条件に応じて０．７〜１．０の範囲に設定するとよい。
液状化判定値を０．７〜１．０の範囲に設定する理由は、液状化に対する安全性、試験誤差等を考慮した場合、液状化判定係数が理論値（液状化判定係数＝１）よりも低い値でも、地盤の液状化が起こりうるためである。望ましくは、液状化判定値を０．８〜０．９の範囲、さらに望ましくは、０．８５程度に設定すると、信頼性の高い液状化判定を行うことができる。
このように液状化判定値を上記範囲に設定することで、液状化判定試験の試験条件に応じて試験誤差を適正に補正し、液状化判定結果の精度および信頼性を向上させることができる。
【００２１】
［第４発明］
前記工程Ｄにおける超音波の周波数は、１５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの範囲であり、かつ、該超音波の出力は、０．５Ｗ／ｃｍ2〜３．０Ｗ／ｃｍ2の範囲に設定することが望ましい。
上記範囲の超音波によれば、土粒子のうち、シルト（粒径０．００５〜０．０７５ｍｍ）、細砂（粒径０．０７５〜０．２５ｍｍ）など細粒部分、および中砂（粒径０．２５〜０．８５ｍｍ）が地震動に近い形で振動するためである。これにより、地震により発生する砂質土の液状化を供試体内部で再現することができ、信頼性の高い液状化判定を行うことが可能となる。
【００２２】
［第５発明］
第５発明による地盤の液状化判定装置は、第１発明の液状化判定方法に用いられる装置であって、
前記供試体を収容する三軸セルと、
前記三軸セルに充填される液体を介して前記供試体に前記側圧を負荷する側圧負荷手段と、
前記供試体の軸方向に前記側圧と同一圧力の背圧で水を供給し、該供試体内部の土粒子間の空気を追い出し飽和させる背圧負荷手段と、
記供試体の軸方向に軸応力を載荷する軸圧負荷手段と、
前記供試体に所定の周波数および出力の超音波を照射し、前記供試体の土粒子に振動を与える超音波発振子と、
前記超音波発振子による超音波の照射中に、前記供試体の軸応力の変化を計測する荷重計と、
前記超音波発振子による超音波の照射中に、前記供試体の間隙水圧の変化を計測する間隙水圧計と、を備える構成とした。
【００２３】
第５発明に係る地盤の液状化判定装置によれば、第１発明の液状化判定方法により、地震時における土粒子の振舞いをより忠実に再現した液状化判定試験を従来よりも簡易かつ短時間で行うことができる。
また、第５発明の液状化判定装置では、超音波発振子以外の構成部分に従来公知の静的三軸圧縮試験装置の構成をそのまま採用することができるといった利点もある。つまり、従来公知の静的三軸圧縮試験装置には、前記液状化判定装置の構成のうち、超音波発振子を除く構成が予め具備されていることが多い。このような従来の静的三軸圧縮試験装置に、供試体の土粒子に振動を与える超音波発振子を組み合わせることで、第５発明の液状化判定装置の構成を簡単に実現することができる。もちろん、複雑構造の振動機構を備える振動三軸圧縮試験装置に超音波発振子を加えることで、第５発明の液状化判定装置を実現することも可能であるが、導入コストや設置スペースを考慮した場合、静的三軸圧縮試験装置に超音波発振子を組み付けた方が大幅に有利な構成となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】液状化しない地盤における軸差応力および間隙水圧と超音波照射時間との関係を示す特性図である。
【図２】液状化する地盤における軸差応力および間隙水圧と超音波照射時間との関係を示す特性図である。
【図３】本発明の実施形態に係る地盤の液状化判定装置を示す概略構成図である。
【図４】液状化判定試験（供試体の相対密度４０％）の結果を示すもので、超音波照射時の軸差応力および間隙水圧の経時変化を示すグラフである。
【図５】液状化判定試験（供試体の相対密度６０％）の結果を示すもので、超音波照射時の軸差応力および間隙水圧の経時変化を示すグラフである。
【図６】液状化判定試験（供試体の相対密度８０％）の結果を示すもので、超音波照射時の軸差応力および間隙水圧の経時変化を示すグラフである。
【図７】同実施形態の変形例に係る液状化判定装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明の実施形態では、一般的な静的三軸圧縮試験時と同様の方法で供試体をセットしておき、この供試体に超音波を照射したときの結果により土壌の液状化を判定する方法を提案する。そのため、本実施形態に係る地盤の液状化判定装置では、供試体を飽和させることができ、さらに本発明の特徴点として供試体に超音波を照射することが可能である点必要となる。まず、地盤の液状化判定装置（以下、「液状化判定装置」という）の構成例について説明し、続けて、地盤の液状化判定方法（以下、「液状化判定方法」という）による試験例を説明する。
【００２６】
［液状化判定装置の構成例］
図３は、実施形態による液状化判定装置を示す概略構成図である。
図３に示すように、液状化判定装置１は、一般的に広く利用されている静的三軸圧縮試験装置に、本発明の特徴的な構成要素である超音波照射手段を加えることで構成される。
液状化判定装置１のベースとなる静的三軸圧縮試験装置は、供試体ＳＭＰを飽和させるための側圧および背圧を加えることができ、供試体ＳＭＰの軸応力、間隙水圧および体積変化量を測定可能な装置構成となっていることが必要である。つまり、静的三軸圧縮試験装置の構成として、三軸セル１０、側圧負荷手段２１、背圧負荷手段２２、軸圧負荷手段２５、荷重計（プルーピングリングまたは荷重測定装置）２６、変位計２７、間隙水圧計２８、および二重管体積計２９を含む。
液状化判定装置１では、上記静的三軸圧縮試験装置の三軸セル１０の外側に、超音波照射手段としての超音波発振子（超音波振動子）３０と、超音波発振器３１とが設けられる。
【００２７】
三軸セル１０は、一般的に利用されている静的三軸圧縮試験装置の三軸圧力室をそのまま流用することができる。三軸セル１０の圧力室１０ａには、円柱形状に成型された供試体ＳＭＰと、供試体ＳＭＰに側圧を載荷するために充填された液体ＬＱＤとが収容される。
供試体ＳＭＰは、三軸セル１０内で防水膜として機能するゴムスリーブ１３で覆われ、Ｏリング１４を用いて底盤１１と載荷盤１２との間に挟持される。
【００２８】
側圧負荷手段２１は、圧力室１０ａの液体ＬＱＤにより供試体ＳＭＰの円柱側面に側圧を載荷する。典型的な液体ＬＱＤとしては水が用いられるが、シリコンオイル等の他の液体を採用することも可能である。側圧負荷手段２１の構成は、例えば空気圧を圧力源とする方式が採用され、コンプレッサー、一次調圧計、二次調圧計、蓄圧タンク、側圧計等を含む。図１において、符号２１ａは、側圧負荷手段２１と圧力室１０ａとを繋ぐ液体ＬＱＤ用の配管である。側圧負荷手段２１の圧力源として、油圧サーボ式または機械サーボ式を採用することももちろん可能である。
なお、一般に土壌の液状化は地表から２０ｍ以内で発生するケースが大部分であることから、側圧負荷手段２１により供試体ＳＭＰへ載荷する側圧は、最大４００ｋＮ／ｍ2程度の仕様であればよい。
【００２９】
背圧負荷手段２２は、上流配管２３ａおよび下流配管２３ｂを介して供試体ＳＭＰに背圧（水圧）を負荷するものである。上流配管２３ａにはバルブ２４ｂ、下流配管２３ｂにはバルブ２４ｂがそれぞれ設けられる。供試体ＳＭＰに背圧を負荷する場合、各バルブ２４ｂおよびバルブ２４ｂを開放し、上流配管２３ａから供試体ＳＭＰに水を供給し、下流配管２３ｂから供試体ＳＭＰ内部に残存する空気を抜く。これにより、供試体ＳＭＰを飽和させることができる。背圧負荷手段２２のその他の構成としては、送水ポンプ、貯水タンク、調圧計、背圧計等が含まれる。
なお、供試体ＳＭＰを迅速に飽和させるため、真空吸引を行なうことも可能である。この場合、背圧負荷手段２２として、さらに真空ポンプ、真空タンク、真空調圧計、吸水タンク等が含まれることになる。
【００３０】
軸圧負荷手段２５は、圧力室１０ａに収容された円柱形状の供試体ＳＭＰに対し、軸方向の軸応力を載荷することで、供試体ＳＭＰの変形をコントロールする圧縮手段である。その装置構成としては、一般的に使用されている静的三軸圧縮試験装置の載荷装置をそのまま流用することができる。具体的な構成としては、駆動モータ、ウォームジャッキ、スピードコントローラー、速度計、リミットスイッチ等が含まれる。
【００３１】
荷重計２６は、三軸セル１０の上方で供試体ＳＭＰに載荷される軸応力を測定する。荷重計２６の可動軸には、載荷盤１２の軸方向の変位を測定する変位計２７が設けられる。
間隙水圧計２８は、供試体ＳＭＰの上流配管２３ａに取り付けられるもので、供試体ＳＭＰ内部の間隙水圧を測定する。
供試体ＳＭＰに超音波照射するときには、軸応力の変化が荷重計２６で計測され、間隙水圧の変化が間隙水圧計２８で計測されることになる。
【００３２】
二重管体積計２９は、供試体ＳＭＰの下流配管２３ｂに取り付けられる。超音波の照射中は、上流側のバルブ２４ａおよび下流側のバルブ２４ｂを閉じることで、供試体ＳＭＰの体積変化が生じない。超音波の照射後に各２４ａおよびバルブ２４ｂを開くと、二重管体積計２９によりその体積変化が測定される。
【００３３】
超音波発振子３０は、超音波発振器３１から電力供給を受けて超音波を発生させる発振素子であり、軸応力を載荷した供試体ＳＭＰに所定の周波数の超音波を照射する役割を果たす。本実施形態では、三軸セル１０の上方に超音波発振子３０が下向きに取り付けられる。超音波発振子３０から照射される超音波は、三軸セル１０内の液体ＬＱＤを介して供試体ＳＭＰへ伝播されることになる。
【００３４】
超音波発振器３１は、超音波発振子３０に動作用電力を供給するとともに、供試体ＳＭＰに照射される超音波の周波数および出力を調整する機能を備える。超音波の周波数と出力は、対象とする土質の細粒分含有量と地震力の大きさとに相関する。超音波発振器３１では、細粒分含有量が異なる種々の広範な土質に合わせて超音波の周波数と出力を調整することにより、各種の地盤に対応した液状化判定試験が行えるようになっている。
【００３５】
超音波発振器３１による超音波の調整範囲としては、超音波発振子３０の超音波出力が０．５Ｗ／ｃｍ2〜３Ｗ／ｃｍ2、超音波周波数が供試体ＳＭＰ内部で空洞現象（キャビテーション）の発生を誘発しやすい１５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯に入るように設定するとよい。上記範囲に設定することで、細粒分含有量が異なる種々の広範な土質に対応して液状化判定をすることができる。
【００３６】
このように液状化判定装置１によれば、地盤工学試験に用いられる三軸圧縮試験装置のうちでも、構造が比較的簡素な静的三軸圧縮試験装置に、超音波発振子を設けることにより、地盤の液状化判定装置を実現することができる。
この結果、従来の振動三軸圧縮試験装置よりも安価に、高性能な液状化判定装置を導入することが可能となり、従来の液状化判定試験において広域実施の妨げとなっていた試験に付随する経費を抑制でき、今後の土壌液状化判定試験の促進に寄与し得る。
【００３７】
［液状化判定方法］
次に、上記のように構成された液状化判定装置１を使用して行われる、液状化判定方法について説明する。
地盤の液状化判定を行うには、最初に円柱形状をなす供試体ＳＭＰを作製する。その作製方法は一般的に行われている三軸圧縮試験と全く同じ方法により行えばよい。すなわち、ボーリング調査によって採取される試料が不攪乱試料の場合、トリマーを用いて不攪乱試料を所定の直径に成形する。また、試料が攪乱試料の場合、締固め装置を使用して、供試体ＳＭＰの密度が均一で所定の相対密度になるように締め固める。液状化が起こりやすい砂質土では不攪乱試料を採取できないことが往々に起こりやすい。この場合、現地密度をできる限り正確に測定し、測定した密度となるように攪乱試料作製時と同様の方法で供試体ＳＭＰを作製する。
【００３８】
次に、供試体ＳＭＰの円柱側面に載荷する側圧σ3を決定する。側圧σ3は、ボーリング或いは試掘孔などで採取した時の試料採取深さｄh、単位体積重量γtおよび静止土圧係数Ｋ0によって、下記関係式（１）に従って決定する。
【数４】
0005414863.tif 000005
なお、式１右辺の静止土圧係数Ｋ0は、細粒土の混入割合に依存して異なるものの、おおよそ静止土圧係数Ｋ0＝０．３〜０．４の範囲で設定し、試料を採取した現地の応力状態に近づけることが重要となる。
【００３９】
次に、供試体ＳＭＰの土粒子間の間隙が水で完全に満たされた飽和状態とするための工程を行う。
まず、供試体ＳＭＰをゴムスリーブ１３で覆ってから、Ｏリング１４により底盤１１と載荷盤１２の間に挟持する。その後、三軸セル１０の圧力室１０ａに充填した液体ＬＱＤにより、先に決定した側圧σ3で供試体ＳＭＰを載荷する。さらに、背圧負荷手段２２により供試体ＳＭＰの下から側圧σ3と同一圧力の背圧で水を通し、供試体ＳＭＰ内の空気を追い出して、供試体ＳＭＰを飽和させる。供試体ＳＭＰの飽和に必要な時間は、供試体ＳＭＰの細粒分含有量により異なるが、二重管体積計２９の体積測定パイプから空気泡が出なくなるまで行う。
【００４０】
供試体ＳＭＰの飽和が終了したら、超音波照射中に体積変化（載荷盤１２の位置変化）が起こらないよう上流側のバルブ２４ａおよび下流側のバルブ２４ｂを閉じた状態とする。その後、軸圧負荷手段２５を用いて、供試体ＳＭＰに軸応力を載荷する。
軸応力σ1は、試料採取深さｄhおよび単位体積重量γtから下記関係式（２）により算出し、この荷重を載荷する。
【数５】
0005414863.tif 000006
なお、この段階で、超音波照射前の供試体ＳＭＰは、始状態（超音波照射前）の軸差応力（σ1−σ3）Iの応力状態を保っており破壊することはない。
【００４１】
上記のように供試体ＳＭＰの準備が整ったら、超音波発振器３１を起動して超音波発振子３０から供試体ＳＭＰに向けて超音波照射を行う。超音波の周波数および出力は、供試体ＳＭＰにおける細粒分含有量ＦCに応じて選定する。細粒分含有量ＦCの高い場合は、４０ｋＨｚ近傍に超音波周波数を設定し、細粒な土粒子にも十分に振動を与えられるようにする。
【００４２】
供試体ＳＭＰに超音波を照射すると、供試体ＳＭＰ中の土粒子（細粒分）が振動するため、土粒子間の接触が断ち切られてその一部が沈降し、これに伴い供試体ＳＭＰの軸応力σ1 が低下する。一方、供試体ＳＭＰ内部には、沈降した土粒子間の隙間を介して間隙水圧ＵEが発生する。
本実施形態の液状化判定方法では、供試体ＳＭＰへの超音波照射による軸応力σ1 の変化（低下値）を荷重計２６で計測し、この計測値に基づいて軸応力σ1と側圧σ3の差である軸差応力（σ1−σ3）Iを算出する。一方で、超音波の照射によって発生する間隙水圧ＵEの変化（上昇値）を間隙水圧計２８で計測する。
なお、超音波の照射時、軸応力σ1 の計測値は、通常、単位体積重量γt  の低下に伴ってその初期値よりも低い値になる。側圧σ3は一定値に保たれ、変化することはない。
【００４３】
超音波の照射時間は、５分（＝３００秒）以内を目安とする。望ましくは６０秒〜３００秒の間で設定する。細粒分含有量ＦCが少ないほど、供試体ＳＭＰの軸差応力（σ1−σ3）Iは、より短い時間で終状態の軸差応力（σ1−σ3）Fへと低下する。細粒分含有量ＦCに応じて軸差応力（σ1−σ3）Fが低下する度合は異なるものの、終状態の軸差応力（σ1−σ3）Fは超音波の照射開始後最長でも５分以内で収束し、一定値を保つようになるため、この時の軸差応力（σ1−σ3）Fを読みとる。同様に、間隙水圧も初期の立ち上がり状態から一定値に収束するようになるため、終状態の間隙水圧ＵEを読みとる。
【００４４】
上記のように収束後の間隙水圧ＵEおよび軸差応力（σ1−σ3）Fを読みとった後、超音波照射中に体積変化が起こらないよう閉じていたバルブ２４ｂを開き、二重管体積計２９により超音波照射による供試体ＳＭＰの体積変化を計測する。
【００４５】
次に、判定工程において、超音波照射によって低下した軸差応力（σ1−σ3）Fと、超音波照射によって発生した間隙水圧ＵEとのそれぞれ収束値に基づいて、下記の関係式（３）により、液状化判定係数ＬFを求める。
【数６】
0005414863.tif 000007
【００４６】
液状化判定係数ＬFを求めた後、この係数ＬFと液状化判定値とを比較し、液状化判定条件を満たすかどうかにより、液状化判定を行う。本実施形態では、液状化に対する安全性、試験誤差などを１５％程度見込んで、液状化判定値を０．８５に設定した。すなわち、液状化判定係数ＬFの値が液状化判定値０．８５以上の場合は液状化する、或いは液状化しやすいと判定し、液状化判定係数ＬFが液状化判定値０．８５未満の場合は液状化しないと判定する。
【００４７】
なお、液状化判定値については、地盤の状態、試験装置等の条件に応じて０．７〜１．０の範囲に設定してもよい。各種の判定を行う場合（すなわち液状化しないことを判定する場合、液状化することを判定する場合、または液状化しやすいことを判定する場合）にそれぞれ異なる液状化判定値を設定してより精度の高い液状化判定を実施することもできる。液状化判定値に代えて、所定の数値範囲（例えば０．７〜０．８の範囲）に液状化判定領域を設定するようにしてもよい。
【００４８】
このように本実施形態の液状化判定方法によれば、超音波照射により供試体ＳＭＰの土粒子を振動させるという地震動のメカニズムに近い現象を実験室レベルで再現することにより、供試体の液状化判定係数ＬFを算出し、液状化判定値と比較することにより地盤の液状化判定を簡易かつ正確に行うことができる。
地盤から試料を採取する地点を適当な間隔に設定すれば、メートル単位の精度で液状化判定を行うことも可能である。特に、活断層付近の地盤や、埋め立て地の地盤では、本実施形態による液状化判定方法が有効な手段となる。
【００４９】
加えて、本実施形態の判定方法では、超音波の照射時間が５分以内を目安とするものであり、液状化判定の所要時間を、従来よりも大幅に短縮することができる。
液状化現象の再現を念頭に置いた振動三軸圧縮試験による液状化判定方法では、一連の作業に通常８時間を費やし、供試体のセットのみでも１時間半以上を費やしているのが現状である。さらに、振動三軸圧縮試験による方法では、操作者がたとえ試験内容を熟知した熟練者であっても、操作に失敗することも多い。
【００５０】
しかしながら、本実施形態の判定方法を行う場合、供試体ＳＭＰをセットし超音波照射を始めるまでの所要時間は凡そ３０分程度であり、また、照射工程において超音波の照射時間が５分以内である。そのため、液状化判定試験に要する時間を、従来よりも大幅に短縮することができる。
【００５１】
さらに、通常の三軸圧縮試験時と同様に、液状化判定装置１に一旦、供試体ＳＭＰをセットしてしまえば、あとは超音波発振子３０から超音波を照射するだけで液状化判定試験が行える。そのため、振動三軸圧縮試験時と比較して操作手順が非常に簡単であり、操作失敗の確率を著しく低減させることができる。
【００５２】
さらに、本実施形態の判定方法によれば、液状化に対する安全性や試験誤差を考慮した所定の液状化判定値と、液状化判定係数ＬFとの大小関係に基づいて、液状化するか否かを判定する。そのため、液状化判定試験の試験条件に応じて試験誤差を好適に補正でき、液状化判定結果の精度および信頼性を適宜向上させることができる。
【００５３】
［液状化判定試験］
次に、本願発明者らが実験室系で行った地盤の液状化判定試験について説明する。液状化判定試験は、前述した液状化判定装置１と実質的に同様な構成を備えた装置を使用し、本実施形態の液状化判定方法に準じて行った。
【００５４】
判定試験の対象として、粒径２ｍｍ以下で、細粒分含有量ＦC＝１０％である試料を選定し、相対密度の異なる下記３種の供試体（実施例１〜３）を作製した。
実施例１：粒径２ｍｍ以下、細粒分含有量ＦC＝１０％、相対密度＝４０％
実施例２：粒径２ｍｍ以下、細粒分含有量ＦC＝１０％、相対密度＝６０％
実施例３：粒径２ｍｍ以下、細粒分含有量ＦC＝１０％、相対密度＝８０％
【００５５】
ここで、「相対密度」とは,、砂の締まり具合を表す比率であり、下記関係式によって求められる。
相対密度＝（最大間隙比−間隙比）÷（最大間隙比−最小間隙比） 
最大・最小間隙比は、それぞれ決められた試験法により、完全に乾燥した状態で最もゆるく詰めたときの最大値、および粒子が壊れない範囲で最も密に詰めたときの最小値である。間隙比＝最大間隙比のとき相対密度はゼロ、間隙比＝最小間隙比のとき相対密度は１００％となる。
本試験では、締固め装置を使用して、各供試体（実施例１〜３）の密度が均一で所定の相対密度になるように締め固めた。
【００５６】
実施例１〜３の各供試体を順に液状化判定装置の三軸セルにセットし、側圧σ3と軸応力σ1を載荷した状態で、各供試体に対して５分（３００秒）の超音波照射を行った。
各供試体について、側圧σ3の初期値（一定値）は０．０５ｋＮ／ｍ2に設定し、軸応力σ1の初期値は０．１ｋＮ／ｍ2に設定した。
超音波出力は、０．５Ｗ／ｃｍ2〜３Ｗ／ｃｍ2、超音波周波数は、１５ｋＨｚ〜４０ｋＨｚの周波数帯の範囲で選定し、各供試体に対して同一の条件で超音波を照射した。
【００５７】
超音波の照射開始から終了まで、軸差応力と間隙水圧の変化を１秒間隔で計測し、プロットしたグラフを図４〜図６に示す。図４は、実施例１（相対密度＝４０％）、図５は実施例２（相対密度＝６０％）、図６は実施例３（相対密度＝８０％）にそれぞれ対応するものである。
軸差応力（σ1−σ3）F、および間隙水圧ＵE  の収束値については、超音波照射終了前の所定時間において、各値の平均値を求めることで算出した。
【００５８】
図４に示すように、実施例１では、超音波照射により収束した後の軸差応力（σ1−σ3）Fは、約０．０２５ｋＮ／ｍ2 、超音波照射によって発生した間隙水圧ＵE は、約０．０４３ｋＮ／ｍ2であり、これらの値から液状化判定係数ＬFを求めると、ＬF＝約１．７２となる。
そして、この液状化判定係数ＬF（約１．７２）と、予め設定した液状化判定値０．８５と比較すると、明らかにＬF ＞ ０．８５であるため、液状化判定条件を満たさず実施例１の供試体の地盤は、液状化すると判定される。つまり、地震により地盤が振動した場合に、間隙水が地上に吹き上がってしまい、液状化を引き起こす可能性が高いと位置づけることができる。
【００５９】
一方、図５に示すように、実施例２では、超音波照射により収束した後の軸差応力（σ1−σ3）Fは、約０．０２８ｋＮ／ｍ2 、超音波照射によって発生した間隙水圧ＵE は、約０．０２５ｋＮ／ｍ2であり、これらの値から液状化判定係数ＬFを求めると、ＬF＝約０．８９となる。
この液状化判定係数ＬF（約０．８９）と、予め設定した液状化判定値０．８５と比較すると、ＬF ＞ ０．８５であるため、液状化判定条件を満たさず実施例１の供試体の地盤は、液状化すると判定される。
但し、実施例２における液状化判定係数ＬF（約０．８９）は、液状化判定値０．８５にかなり近い値であり、地盤の条件によっては液状化しないことも想定されるため、「液状化しやすい」とする判定区分に整理することができる。
【００６０】
図６に示すように、実施例３では、超音波照射により収束した後の軸差応力（σ1−σ3）Fは、約０．０３８ｋＮ／ｍ2 、超音波照射によって発生した間隙水圧ＵE は、約０．０１５ｋＮ／ｍ2であり、これらの値から液状化判定係数ＬFを求めると、ＬF＝約０．３９５となる。
この液状化判定係数ＬF（約０．３９５）と、予め設定した液状化判定値０．８５と比較すると、明らかにＬF ＜ ０．８５であり、液状化判定条件を満たす。よって、実施例３の供試体の地盤は、液状化しないと判定される。つまり、地震により地盤に振動が生じても、間隙水が地上にに吹き出す心配は少ないと位置づけることができる。
【００６１】
［その他の実施形態］
前述した液状化判定試験では、３種の供試体を対象としたが、広域の地盤から所定の間隔おきに試料を採取して供試体を作製し、液状化判定を行ってもよい。各地点の液状化判定係数を比較することにより、地盤の緩さや硬さなどの情報を連続的な数値として捉えることができ、地震による被害の対策に役立てることが可能となる。
【００６２】
前述の液状化判定装置１の構成では、超音波発振子３０の取付箇所を三軸セル１０の上方に設定した（図３参照）が、本発明の液状化判定装置としてこの位置に限定されるものではない。
例えば、図７に示すように、変形例の液状化判定装置１００では、三軸セル１０の円筒側面に２個の超音波発振子５０が取り付けられる。超音波発振子５０は、超音波発振器５１から電力供給を受けて超音波を発生させる発振素子であり、超音波発振子５０から照射される超音波は、三軸セル１０内の液体ＬＱＤを介して供試体ＳＭＰに伝播されることになる。
【００６３】
その他、三軸セルの異なる２方向（例えば垂直方向と水平方向）にそれぞれ超音波発振子を取り付けてもよいし、一対の超音波発振子を互いに向き合う方向に取り付けてもよい。供試体ＳＭＰの一端を支持する底盤１１に超音波発振子を組み込み、超音波を上向きに照射することもできる。もちろん、供試体ＳＭＰの他端を挟持する載荷盤１２に超音波発振子を組み込むことも可能である。
このように超音波発振子を三軸セルの各位置に取り付けることで、種々の方向の地震の揺れに応じた液状化判定を精度よく実施することが可能となる。
【符号の説明】
【００６４】
１  液状化判定装置（地盤の液状化判定装置）
１０  三軸セル
１０ａ  圧力室
１１  底盤（軸圧付加手段）
１２  載荷盤（軸圧付加手段）
１３  ゴムスリーブ
１４  Ｏリング
２０  圧縮部
２１  側圧負荷手段
２１ａ  液体ＬＱＤ用の配管
２２  背圧負荷手段
２３ａ 上流配管
２３ｂ 下流配管
２４ａ，２４ｂ  バルブ
２５  軸圧負荷手段
２６  荷重計
２７  変位計
２８  間隙水圧計
２９  二重管体積計
３０  超音波発振子（超音波発生手段）
３１  超音波発振器（超音波発生手段）
ＳＭＰ  供試体
ＬＱＤ  液体（側圧負荷手段）
【要約】
【課題】地震時における土粒子の振舞いをより忠実に再現した信頼性の高い液状化判定を簡易かつ短時間で行う地盤の液状化判定方法および液状化判定装置を提供する。
【解決手段】液状化判定方法は、地盤から採取した試料から作製した円柱形状の供試体ＳＭＰに、試料採取深さと前記単位体積重量と静止土圧係数とから求めた側圧を等方的に載荷しつつ、供試体の内部を飽和状態に保ち、試料採取深さと単位体積重量とから求めた軸応力を載荷する。この状態で超音波を照射した後、ＬF＝ＵE／（σ1−σ3）Fの関係式により、液状化判定係数を求め、液状化判定条件を満たすかどうかを調べる。但し、上記関係式において、ＬF は液状化判定係数、σ3 は側圧、（σ1−σ3）F は超音波照射によって低下した軸差応力の収束値、ＵE は超音波照射によって発生した間隙水圧をそれぞれ表す。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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