(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原位置地盤を凍結し、不攪乱領域の凍結土を土質試料としてコアリング法により採取する原位置サンプリング方法において、
地上から原位置地盤を凍結するべき領域の直上位置に到達する長さを有し、少なくとも１本の凍結管挿入管と複数本のコアチューブ挿入管とからなり、低部外周に冷却管を備えたガイド管を地盤中へ設置する段階と、
前記ガイド管の凍結管挿入管を通じて凍結管を地盤中へ挿入して設置し該凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進め、前記冷却管へも冷媒を循環させてガイド管の直下地盤及びガイド管の低部外周地盤の凍結を進める段階と、
地盤の凍結を完成した後に、前記ガイド管のコアチューブ挿入管を通じてコアチューブを挿入し凍結地盤中の不攪乱領域の凍結土を土質試料として採取する段階と、
土質試料の採取作業を終了した後に、前記凍結管及び冷却管へ解凍流体を循環させて凍結地盤の解凍を行ない、解凍できた後に前記凍結管及びガイド管を地盤から引き抜いて回収する段階とから成ることをそれぞれ特徴とする、原位置地盤凍結サンプリング方法。
【請求項２】
地盤の凍結は、先ず冷却管へ冷媒を循環させてガイド管の直下地盤及び低部外周地盤の凍結を進め、その後ガイド管を通じて凍結管を地盤中へ挿入して設置し該凍結管へ冷媒を循環させてその周囲地盤の凍結を進めることを特徴とする、請求項１に記載した原位置地盤凍結サンプリング方法。
【請求項３】
少なくとも１本の凍結管挿入管と、複数のコアチューブ挿入管とからなり、それぞれは地上から原位置地盤を凍結するべき領域の直上位置に到達する長さを有し、凍結管挿入管は中心部に位置し、複数のコアチューブ挿入管は前記凍結管挿入管の外周の不攪乱領域に配置されており、各々の管は垂直方向に平行に配置され、且つ上下を位置決め板で固定されており、低部外周に冷却管が配置され、冷却管の出入り口は上方に立ち上げられていることを特徴とする、原位置地盤凍結サンプリング用のガイド管。
【請求項４】
ガイド管の底面部の半径方向に複数の温度センサーが設置されていることを特徴とする、請求項３に記載した原位置地盤凍結サンプリング用のガイド管。
【請求項５】
ガイド管の冷却管は、下位の位置決め板の下面側に複数のコアチューブ挿入管の外周を包囲する形に設置され、又は下位の位置決め板の下面側における複数のコアチューブ挿入管より内方へ渦巻き状に、若しくは下位の位置決め板の上側にも複数のコアチューブ挿入管の外周を包囲するスパイラル状に設置されていることを特徴とする、請求項３に記載した原位置地盤凍結サンプリング用のガイド管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、砂層及び砂礫層の原位置地盤から不攪乱土質試料を採取するため実施される原位置地盤凍結サンプリング法と、同方法の実施に使用されるガイド管に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、砂層及び砂礫層の原位置地盤から不攪乱土質試料を採取するべく開発された原位置地盤凍結サンプリング法は、例えば特許第１６５０１９３号（特公平３−１７０３６号）、特許第１７６８５４９号（特公平４−５２８０３号）、特許第１７０９０２９号（特公平３−８０２３７号）、特許第１７６８５５０号（特公平４−５２８０４号）、特許第１８３９５１１号（特公平５−５４５３４号）などの公報にそれぞれ開示されて公知であり、既にかなり多くの施工実績も積み重ねられている。
【０００３】
また、前記原位置地盤凍結サンプリング法の実施に際し、削孔の口部を保護すると共に、地盤の限定凍結に寄与せしめ、凍結管或いはコアチューブを挿入する際のガイドに利用するガイド管も、例えば特許第１８３９５１１号（特公平５−５４５３４号）、特開平３−５５１２号公報などにそれぞれ開示されて公知であり、実用にも供されている。
【０００４】
【本発明が解決しようとする課題】
原位置地盤凍結サンプリング法の実施において、上記ガイド管はそれなりの作用効果を奏しているが、次のような問題点も顕在化している。
第一に、凍結管に液体窒素などの冷媒を循環させて地盤の凍結を進めるとき、地盤の凍結領域は図３に点線Ａで誇張して示したように云わば波紋が拡がるように形成される。つまり、ガイド管直下及びガイド管の低部外周の地盤領域Ｂはなかなか凍結しない。前記地盤領域Ｂを完全に凍結しようとすれば、通常の数倍の期間を要し工期が長引くし、大量の冷媒を消費することになり不経済である。しかも前記地盤領域Ｂが凍結したか否かを確認する手段も未だ開発されていない。更に、一旦凍結した後、土質試料の採取作業が終了して、凍結管及びガイド管を引き抜き回収するにあたり、凍結した地盤の必要部分を人為的に積極的に迅速に解凍する手段も未だ開発されていない。
【０００５】
第二に、前記地盤領域Ｂが凍結しないまま土質試料の採取作業を開始するときは、まずガイド管自体の掘削孔底への据え付け状態が完全に固定されず、ずり動くので、このガイド管を利用して垂直に挿入する凍結管或いはコアチューブのガイドの役目を充分に果たし得ない。また、ガイド管の下底面と掘削孔底（地盤）との間に剥がれを生じるため、コアチューブによるコアリング（掘削）の際、コアチューブ先端から噴出させたボーリング水（冷却水）がチューブ外周を上昇しても、前記剥がれ部分で地盤中に散逸してしまい、冷却水循環装置へ戻らないから、たちまち冷却水不足に陥る。因に、冷却水は毎分当たり７０〜１２０リットルぐらい循環させる。コアリングは１本当たり通常２０〜３０分位継続して行なわれるから、大量の冷却水が使用される訳である。その冷却水が不足すると、たちまちコアリング（掘削）が不能になる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、ガイド管直下の地盤及びガイド管の低部外周地盤の人為的、積極的、且つ迅速な凍結処理を可能ならしめ、凍結の可否を確認してガイド管の据え付け固定の状態を確立し、また、ガイド管と地盤の剥がれを未然に防止して、特にコアリング時の冷却水の逸散を防ぎ、その循環を順調にすること、及び土質試料の採取作業の終了後には人為的、積極的、且つ迅速に地盤の必要部分の解凍を可能ならしめ、凍結管及びガイド管の引抜き、回収を可能にする原位置地盤凍結サンプリング法、及び同方法の実施に寄与するガイド管を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る原位置地盤凍結サンプリング方法は、
原位置地盤を凍結し、不攪乱領域の凍結土を土質試料としてコアリング法により採取する原位置サンプリング方法において、
地上から原位置地盤を凍結するべき領域の直上位置に到達する長さを有し、少なくとも１本の凍結管挿入管と複数本のコアチューブ挿入管とからなり、低部外周に冷却管を備えたガイド管を地盤中へ設置する段階と、
前記ガイド管の凍結管挿入管を通じて凍結管を地盤中へ挿入して設置し該凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進め、前記冷却管へも冷媒を循環させてガイド管の直下地盤及びガイド管の低部外周地盤の凍結を進める段階と、
地盤の凍結を完成した後に、前記ガイド管のコアチューブ挿入管を通じてコアチューブを挿入し凍結地盤中の不攪乱領域の凍結土を土質試料として採取する段階と、
土質試料の採取作業を終了した後に、前記凍結管及び冷却管へ解凍流体を循環させて凍結地盤の解凍を行ない、解凍できた後に前記凍結管及びガイド管を地盤から引き抜いて回収する段階とから成ることをそれぞれ特徴とする。
【００１０】
上記発明は、予めガイド管に付設した冷却管を使用して、ガイド管の直下地盤及び低部外周地盤Ｂの凍結処理、或いは解凍処理を進めることを特徴としている。
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した原位置地盤凍結サンプリング方法において、
地盤の凍結は、先ず冷却管へ冷媒を循環させてガイド管の直下地盤及び低部外周地盤の凍結を進め、その後ガイド管を通じて凍結管を地盤中へ挿入して設置し該凍結管へ冷媒を循環させてその周囲地盤の凍結を進めることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載した発明に係る原位置地盤凍結サンプリング用のガイド管は、
少なくとも１本の凍結管挿入管と、複数のコアチューブ挿入管とからなり、それぞれは地上から原位置地盤を凍結するべき領域の直上位置に到達する長さを有し、凍結管挿入管は中心部に位置し、複数のコアチューブ挿入管は前記凍結管挿入管の外周の不攪乱領域に配置されており、各々の管は垂直方向に平行に配置され、且つ上下を位置決め板で固定されており、低部外周に冷却管が配置され、冷却管の出入り口は上方に立ち上げられていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、請求項３に記載した原位置地盤凍結サンプリング用のガイド管において、
ガイド管の底面部の半径方向に複数の温度センサーが設置されていることを特徴とする。
請求項５に記載した発明は、請求項３に記載した原位置地盤凍結サンプリング用のガイド管において、
ガイド管の冷却管は、下位の位置決め板の下面側に複数のコアチューブ挿入管の外周を包囲する形に設置され、又は下位の位置決め板の下面側における複数のコアチューブ挿入管より内方へ渦巻き状に、若しくは下位の位置決め板の上側にも複数のコアチューブ挿入管の外周を包囲するスパイラル状に設置されていることを特徴とする。
【００１３】
【作用】
請求項１記載の発明は、ガイド管の直下及び低部外周の地盤Ｂを冷却管を通じて人為的、積極的に凍結する結果、凍結管を通じて行う地盤の凍結との重畳効果、複合効果によって凍結処理は急速に進み、ガイド管は掘削孔底の地盤に固着（凍結）される。
【００１４】
もっとも、ガイド管のガイド機能を完全にするためには、請求項２記載の発明のように先ずガイド管直下の地盤及び低部外周地盤Ｂの凍結をすると、凍結による固着効果により、凍結管の挿入作業を極めて安定したガイド機能により高精度に楽に行なえる。
また、ガイド管の直下地盤及び低部外周地盤が凍結処理されると、同ガイド管は凍結地盤に水密的に固着される結果、コアチューブ挿入管を通じて挿入したコアチューブが掘削しながら進んだ際の冷却水は地盤中へ逸散することなく、コアチューブ挿入管を通じて地上へ回帰し、冷却水循環装置による循環を順調に行わしめる。
【００１５】
また、土質試料を採取した後は、凍結管へ温水等の解凍流体を循環させると共に、ガイド管の直下及び低部外周地盤Ｂは冷却管へ温水等の解凍流体を循環させることにより積極的に迅速に解凍処理を進められ、もってガイド管及び凍結管の引抜き、回収を早期に進められる。
本発明のように、予めガイド管に冷却管が一体的に付設されていると、該冷却管へ冷媒を循環させ、又は温水等の解凍流体を循環させることにより、人為的に、積極的、且つ迅速に地盤の凍結又は解凍の処理を進めることができる。
【００１６】
更に、請求項４に記載した発明のように温度センサーが設置されていると、少なくともガイド管の直下地盤の凍結状態又は解凍状態を地上から監視して正確に確認することができ、施工の正確を期することができる。
【００１７】
【実施例】
以下に、図示した本発明の実施例を説明する。
図１と図２に示したガイド管１は、中心部に位置する１本の凍結管挿入管２と、その外周の不攪乱領域Ｃ（図３，図４を参照、因みに凍結管を挿入するため掘削した孔の外周部分Ｄが攪乱領域と推定される。）と推定される範囲に直角４方向の配置とされた合計４本のコアチューブ挿入管３とが、各々垂直に平行な配置で組合わされている。凍結管の外径がφ７３mmである場合に、凍結管挿入管２の内径はφ１１０mmぐらいとされる。また、ダブルコアチューブで外径がφ３００mmの土質試料を採取する場合に、コアチューブ挿入管３の内径はφ４００mmぐらいの大きさとされている。凍結管挿入管２及びコアチューブ挿入管３には通常鋼管が使用される。しかし、地盤の限定凍結及びガイド管回りの地下水等の無用な凍結を防ぐ目的を達成するためには、前記の各管は冷熱の伝導率が低い断熱性の材質が好ましく、例えば塩化ビニール管、コンクリート管、磁器管などの使用も好ましい。ガイド管１の高さＨ、即ち、前記凍結管挿入管２及びコアチューブ挿入管３の長さは、土質試料の採取範囲（例えば地下５ｍ〜１５ｍぐらい）を限定凍結する目的を達成するため、前記の例示にしたがえば４ｍぐらいとする。地盤の凍結サンプリングを実施する当然の条件として、ガイド管１の高さＨは地盤中の地下水位に届く大きさともされる。極端には地下６０ｍの深さの土質資料を採取する場合にも、継ぎ足し方式でそのような大きさで使用される。
【００１８】
前記した凍結管挿入管２及びコアチューブ挿入管３の組合せは、前記の配置関係を固定するため、上下の両端位置に直径が２ｍぐらいの円板状をなす位置決め板４，４と例えば溶接接合等の手段で一体化されている。そして、下位の位置決め板４の下底面部の半径方向に、約２０cmの間隔で５個の温度センサー（熱電対）５…が一連に設置され、各温度センサー５は保護管６で覆われ保護されている。更に、図示例の場合は、下位の位置決め板４の下面側に、４本のコアチューブ挿入管３…の外周を包囲する形に冷却管７が設置され、該冷却管の出入り口７ａ，７ｂは上下の位置決め板４，４を貫通させた形で垂直上方に地上に届く高さまで立ち上げられている（図１）。この出入り口７ａ，７ｂに冷媒の循環装置における給・排管が接続される。
【００１９】
上記構成のガイド管１は、土質試料を採取しようとする場所の原位置地盤に、予め直径２．５ｍ、深さ４ｍぐらいの穴９を垂直に掘削し、その穴９の中にガイド管１を挿入し、平らに均した掘削孔底に立たせて垂直な姿勢に設置される。穴９の掘削は、予め矢板等による山留め１１を施工して行う。但し、ガイド管１を挿入する作業の前に、各コアチューブ挿入管３、及び場合によっては凍結管挿入管２の下端部の口内にモルタル等を充填し、穴９内に滲出した地下水等が流入しないように閉塞する中詰め栓８を施しておく。コアチューブ挿入管に流入した地下水等が凍結すると、コアチューブの挿入作業の際に支障をきたすからである。また、穴９内に挿入したガイド管１の周囲にはグラウト１０を充填し設置状態の安定化、固定化が図られる。
【００２０】
上述した要領でガイド管１が図１のように設置されると、次に、同ガイド管１の直上位置に図４に示した態様でボーリング作業台１２が設置される。更にこのボーリング作業台１２の上にボーリングマシン１３が据付けられ、図示を省略した先端射水型のボーリングロッドを凍結管挿入管２を通じて貫入し、前記ボーリングマシン１３で駆動して凍結管挿入用の孔を土質試料採取範囲の下底（前例にしたがえば地下約１５ｍ）まで掘削する。そして、前記の孔中へガイド管１の凍結管挿入管２を通じて凍結管１４を挿入し、図３のように設置する。しかる後に、図３のように凍結管１４へ液体窒素のような冷媒を循環させ、土質試料採取範囲の地盤の凍結処理を進める。そして、前記凍結処理がある程度まで進行した段階からは、上述した冷却管７へも冷媒を循環させ、ガイド管１の直下地盤並びに下部外周地盤の凍結も進める。かくすると、図３に示したなかなか凍結しない地盤領域Ｂの凍結が上下からの冷熱による重畳的効果によって迅速に進行して効率が良い。但し、ガイド管１のガイド機能を十分に働かせるためには、ガイド管１を穴９内に設置すると直ちに冷却管７へ冷媒を供給し、ガイド管１の直下地盤及び低部外周地盤の凍結を進め、凍結による固着作用でガイド管１を地盤へ堅固に固定しておいてから、凍結管挿入用孔の掘削及び凍結管の挿入及び設置の作業を進める手順の方が好ましい場合もある。いずれの手順を採用するにせよ、ガイド管１は凍結した直下地盤及び下部外周地盤に水密的に固着（凍結）され一体化する。よって、従来のような剥れは決して起らない。従って、図４のようにボーリングマシン１３で駆動するダブルコアチューブ１５で土質試料１６を採取する際、コアチューブ挿入管３と削孔１７とは一連につながった水路を形成し、冷却水の逸散を生じない。なお、凍結管１４を通じて行なう周辺地盤の凍結処理に際し、地下水位が低いときは地上から予め給水して少なくとも飽和状態を確保して作業を進めるのは従前とおりである。
【００２１】
上記のようにして、土質試料の採取作業を全て終了した後は、設備の回収、撤去の作業に移る。その下準備として、まず凍結管１４及び冷却管７に温水等の解凍流体を循環させ、凍結管１４とその外周の凍結土との固着状態、及びガイド管１とその直下並びに低部外周の凍結土との固着状態を融解（解凍）させる。しかる後に、凍結管１４及びガイド管１は地盤から引き抜いて回収する。
【００２２】
このとき、上述したようにガイド管１に付設された冷却管７を活用すると、ガイド管直下及び低部外周地盤の凍結処理又は解凍処理を人為的に積極的、且つ迅速に進めることができ、所要時間の短縮、工期の短縮に大きく寄与する。こうした冷却管７の働きを一層拡充する手段として、特に図示することは省略したが、図２のようにガイド管１の下面外周に１本配置するだけの構成に止まらず、コアチューブ挿入管３の位置を回避する形で内方へ渦巻き状に複数巻回させる構成、あるいは冷却管７を下位の位置決め板４の下側にのみ配置する構成に止まらず、同位置決め板４の上側にも、場合によっては図１のように低部範囲にスパイラル状に複数巻回した構成で設置し利用することができる。
【００２３】
もっとも、ガイド管１と地盤との剥れを防ぎ、凍結処理によってガイド管を地盤へ固着させる手段、又は逆に解凍して固着状態を解く手段は、ことさら上述したガイド管に付設した冷却管７を利用する方法に限らない。ガイド管１を穴９の中へ挿入した後に同穴９内へ冷却管を挿入して凍結する手法、又は地上から液体窒素を吹付けるか、ドライアイス、ブライン等を穴底へ投入して凍結する方法などで凍結処理を行ない、逆に温水を投入して解凍処理を行なう手法によっても同様の作用効果を得ることができる。
【００２４】
【本発明が奏する効果】
本発明の原位置地盤凍結サンプリング方法及びガイド管によれば、特にガイド管の直下及び低部外周地盤の凍結処理によってガイド管の据え付け固定の状態を確立し、ガイドとしての機能を充分に働かせると共にガイド管と地盤の剥がれを未然に防止して、特にコアリング時の冷却水の逸散を防ぎ、その循環を順調にできる。また、土質試料の採取作業の終了後には地盤の必要部分の解凍を容易に可能ならしめ、凍結管及びガイド管の引抜き、回収の作業を容易に可能ならしめるから、経済的な原位置地盤凍結サンプリングを短工期で施工できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガイド管の使用状態を示した立面図である。
【図２】ガイド管の底面図である。
【図３】凍結管による地盤凍結の状態を示した断面図である。
【図４】コアチューブによる土質試料採取の状況を示した断面図である。
【符号の説明】
ｃ          不攪乱領域
１６          土質試料
１          ガイド管
１４          凍結管
１５          ダブルコアチューブ
７          冷却管
２          凍結管挿入管
３          コアチューブ挿入管
４          位置決め板
７ａ        入口
７ｂ        出口
５          温度センサー
【図１】
0003648641.tif 000002
【図２】
0003648641.tif 000003
【図３】
0003648641.tif 000004
【図４】
0003648641.tif 000005