(57)【要約】【課題】  原位置地盤の飽和度を簡易に、且つ高精度で測定可能な原位置地盤の飽和度測定方法を提供する。【解決手段】  地盤４の地表面２から地盤４内に向かう試験孔１を設けるとともに、試験孔１の軸線Ｏ１から所定の離間距離Ｒに位置する地下水位を計測可能な地下水位計測手段８を設け、試験孔１内を一時的に陰圧もしくは陽圧状態とすることにより試験孔１内の地下水位を変動させ、試験孔１内の地下水位の変動に伴い経時的に変動する所定の離間距離Ｒでの地下水位を計測し、計測された地下水位変動量に基づいて見掛け比貯留係数を求めるとともに、この見掛け比貯留係数から地盤４の飽和度を定量する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原位置地盤の飽和度を測定する方法であって、
前記地盤の地表面から前記地盤内に向かう試験孔を設けるとともに、該試験孔の軸線から所定の離間距離に位置する地下水位を計測可能な地下水位計測手段を設け、前記試験孔内を一時的に陰圧もしくは陽圧状態とすることにより前記試験孔内の地下水位を変動させ、該試験孔内の地下水位の変動に伴い経時的に変動する前記所定の離間距離での地下水位を計測し、計測された地下水位変動量に基づいて前記地盤の飽和度を定量することを特徴とする原位置地盤の飽和度測定方法。
【請求項２】
請求項１記載の原位置地盤の飽和度測定方法において、
前記所定の離間距離で計測した前記地下水位の最大地下水位変動量から前記地盤の見掛け比貯留係数を求め、前記地盤の飽和度Ｓｒを下記の数式を用いて定量することを特徴とする原位置地盤の飽和度測定方法。
Ｓｒ＝１−Ｓｓ’×（ｈ＋ｈａ）／ｎ
ここに、Ｓｓ’は見掛け貯留係数、ｈは地下水の圧力水頭、ｈａは大気圧相当水頭、ｎは間隙率である。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の原位置地盤の飽和度測定方法において、
前記試験孔内に、予め所定の体積を有する錘を挿入しておき、該錘を前記試験孔内から引き上げることによって前記試験孔内を陰圧状態としつつ前記試験孔内の地下水位を変動させることを特徴とする原位置地盤の飽和度測定方法。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載の原位置地盤の飽和度測定方法において、
前記試験孔内に、所定の体積を有する錘を投入することによって前記試験孔内を陽圧状態としつつ前記試験孔内の地下水位を変動させることを特徴とする原位置地盤の飽和度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原位置地盤の飽和度を測定する方法に関し、特に地下水面下の地盤の飽和度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えばウェルポイント工法などの地下水低下工法を用いて地下水位を一旦低下させ、地盤を不飽和状態としてから再度地下水位を回復させる地盤の液状化対策手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
地盤の液状化は、飽和度の高い特に砂質系地盤が強い地震などの大きな振動を負荷されたときに生じる現象で、地盤が大きな振動を受けることにより、土粒子の間隙が変形しつつ間隙水圧が上昇し、土粒子が結合力を失い水中に浮遊した状態となり、あたかも地盤が液体のように変質する現象をいう。必然的に液状化された地盤上もしくは地盤内に設けられた構造物などは、地盤の支持力が著しく低下したり、地盤そのものが不等沈下することで、大きな被害をこうむることとなる。
【０００４】
このような液状化を生じうる地盤に前述の対策を講じた場合には、地下水位の回復後の間隙に空気が残存され、地盤の飽和度が低い状態に保持されるため、大きな振動を受けた場合においても間隙水圧が上昇せず、地盤が液状化を生じにくい状態に改質される。一方で、液状化を生じにくい状態に改質された地盤は、その耐液状化の性質を持続的に維持することが必要で、地盤が液状化を生じにくい飽和度を維持しているか否かを確認する必要もある。
【０００５】
一般に、原位置地盤の飽和度を測定する手法としては、例えば、地盤に設けた測定孔内にＰ波伝播速度測定用のプローブを挿入して地盤の飽和度に相関するＰ波伝播速度を測定する手法（例えば、特許文献２参照）や、地盤に設けた観測孔から単位時間当たり一定量の地下水を連続的に揚水し、揚水時間と水位低下量との関係から飽和度に相関する地盤の比貯留係数を求める手法（例えば、特許文献３参照）、地盤内に比抵抗測定用電極を所定の間隔毎に複数設置し、地盤に通電することで飽和度に相関する比抵抗を求める手法（例えば、特許文献４参照）、地盤の比抵抗と地震波速度とから飽和度を求める手法（例えば、特許文献５参照）などが知られている。
【特許文献１】特開平８−００３９７５号公報
【特許文献２】特開２００３−２７８１４１号公報
【特許文献３】特開２００３−１５５７３５号公報
【特許文献４】特開２００１−００４５７６号公報
【特許文献５】特開２００１−３３７１７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、Ｐ波伝播速度を測定することにより原位置地盤の飽和度を求める手法では、飽和度９８％以上の地盤でＰ波伝播速度が好適に測定可能であるのに対して、それよりも小さな飽和度範囲では、Ｐ波伝播速度の差異が不明瞭となり測定精度が確保できなくなるため、原位置地盤の飽和度測定手法としては限界があった。
【０００７】
また、地盤の比抵抗を測定することにより飽和度を求める手法では、地下水面下で不飽和状態とされた地盤の計測実績に乏しく、地盤に通電を行なう性質上、地下水面下の帯水状態の地盤への適用は困難であった。
【０００８】
さらに、地下水を揚水する手法では、大掛かりな施設を要するうえ、結果の解析に時間を要するという問題があった。また、異なる飽和度に対する水位変動速度の差異幅が小さいため、精度が低いという問題があった。
【０００９】
本発明は、上記事情を鑑み、原位置地盤の飽和度を簡易、かつ高精度で測定可能な原位置地盤の飽和度測定方法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】
上記の目的を達するために、この発明は以下の手段を提供している。
【００１１】
本発明は、原位置地盤の飽和度を測定する方法であって、前記地盤の地表面から前記地盤内に向かう試験孔を設けるとともに、該試験孔の軸線から所定の離間距離に位置する地下水位を計測可能な地下水位計測手段を設け、前記試験孔内を一時的に陰圧もしくは陽圧状態とすることにより前記試験孔内の地下水位を変動させ、該試験孔内の地下水位の変動に伴い経時的に変動する前記所定の離間距離での地下水位を計測し、計測された地下水位変動量に基づいて前記地盤の飽和度を定量することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の原位置地盤の飽和度測定方法では、前記所定の離間距離で計測した前記地下水位の最大地下水位変動量から前記地盤の見掛け比貯留係数を求め、前記地盤の飽和度Ｓｒを下記の数式を用いて定量する。
Ｓｒ＝１−Ｓｓ’×（ｈ＋ｈａ）／ｎ
ここに、Ｓｓ’は見掛け貯留係数、ｈは地下水の圧力水頭、ｈａは大気圧相当水頭、ｎは間隙率である。
【００１３】
さらに、本発明の原位置地盤の飽和度測定方法では、前記試験孔内に、予め所定の体積を有する錘を挿入しておき、該錘を前記試験孔内から引き上げることによって前記試験孔内を陰圧状態としつつ前記試験孔内の地下水位を変動させることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の原位置地盤の飽和度測定方法では、前記試験孔内に、所定の体積を有する錘を投入することによって前記試験孔内を陽圧状態としつつ前記試験孔内の地下水位を変動させてもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の原位置地盤の飽和度測定方法によれば、試験孔内を一時的に陰圧もしくは陽圧状態とすることにより、試験孔を中心とした周辺の地盤に圧力を伝播させることができる。この伝播された圧力は、伝播に伴い周辺地盤の地下水位を変動させる。このとき、試験孔から所定の離間距離に位置する地下水位の変動量を計測することによって、地盤の見掛け比貯留係数を求めることが可能となる。この見掛け比貯留係数が地盤の飽和度と相関するため、試験孔内を一時的に陰圧もしくは陽圧状態にするとともに、所定の離間距離の地下水位変動量を計測するといった簡易な手法で、地盤の飽和度を定量することが可能となる。
【００１６】
また、上記のように簡易な手法で地盤の飽和度を求めることができるため、同地盤に対し繰り返し複数回に渡って計測を実施することも可能で、得られた飽和度の再現性や、経時的な飽和度の変化なども容易に確認することができ、信頼性の高い測定結果を得ることが可能となる。
【００１７】
さらに、本発明の原位置地盤の飽和度測定方法においては、予め試験孔内に挿入された錘を試験孔内から引き上げる、もしくは錘を試験孔内に投入するという簡易な操作で、試験孔内を陰圧もしくは陽圧状態にすることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１から図３を参照し、本発明の一実施形態に係る原位置地盤の飽和度測定方法について説明する。本実施形態は、試験孔と地下水位計測手段とを地盤に設け、試験孔内に予め挿入された錘を引き上げることで、一時的に試験孔内を陰圧状態にし、周辺地盤に圧力を伝播させつつ地下水位の変動量を計測する、原位置地盤の飽和度測定方法を示したものである。
【００１９】
本実施形態の試験孔１は、図１に示すように、地表面２から孔底１ａが地下水面３ａよりも下方に位置する深度で地表面２に対し略垂直方向に地盤４を削孔して形成されており、この孔の内面の土砂崩落を防止しつつ地下水３を孔内に導通可能なストレーナ管１ｂが設置されている。また、この試験孔１には、金属製の円柱棒状に形成され、上端５ａにロープ６の一端が接続された所定の体積を有する錘５が挿入されており、この錘５は、試験孔１の軸線Ｏ１と錘５の軸線とを略一致させつつ試験孔１内の地下水面３ａよりも下方に位置するよう挿入されている。ロープ６の他端は、上方の滑車６ａを介してロープ６を巻上げ可能な巻上げ機構７に接続され、この巻上げ機構７の駆動によりロープ６を巻き上げつつ錘５を引き上げることが可能とされている。ここで、錘５の所定の体積とは、錘５の引き上げ動作に伴って、試験孔１内を一時的に陰圧状態にすることが可能な体積とされ、この錘５の体積は、試験孔１の直径や錘５の引き上げ速度などに応じて適宜設定されるものである。
【００２０】
一方、試験孔１の軸線Ｏ１から所定の離間距離Ｒに位置する地盤４に例えば試験孔１と同様に構成された計測孔９が設けられ、この計測孔９内に地下水位計測手段８が設けられている。このとき、地下水位計測手段８は、地盤４の地下水面３ａから試験孔１の孔底１ａまでの深度範囲内の前述の所定位置に設置される。また、この地下水位計測手段８は、例えば設置位置に作用する地下水圧を検知することで、その直上の地下水位を検出可能とされている。ここで、所定の離間距離Ｒとは、飽和度の測定を必要とする地盤４の範囲や地盤４の性状などに応じて適宜設定されるものである。
【００２１】
上記のように、試験孔１と地下水位計測手段８とを設置した段階で、原位置地盤４の飽和度を測定するための準備が完了する。ついで、図２に示すように、巻上げ機構７の駆動により錘５を地下水３から引き抜く。この錘５の引き上げ動作によって、試験孔１内が陰圧状態とされるとともに試験孔１内の地下水面が低下する。さらに、低下した地下水面３ａが略元の地下水位に収束していく一方で、周辺の地下水３が試験孔１内に導かれ、錘５の引き上げ動作に応じて地下水３に付加された圧力が、図３に示すように、試験孔１を中心とした周辺の地盤４および地下水３に伝播される。この伝播圧力によって、所定の離間距離Ｒの経時的に変動する地下水位を、錘５の引き上げ動作時から継続的に地下水位計測手段８で計測し続け、経時的な地下水位変動量データと、地下水位の変動が出現するときの時間データ（水圧伝播速度）とを取得する。
【００２２】
このように計測された地下水位変動量の最大地下水位変動量と水圧伝播速度とから、地盤４の透水係数を求める周知のスラグテストの解析法を利用することで、地盤４の見掛け比貯留係数を求めることができる。ここで、比貯留係数とは、地盤中において地下水位の変動が生じた際に単位体積当りの土塊から排出あるいは吸入される水量を表すものであり、比貯留係数が大きい地盤ほど水位変動に伴う地下水の排出量あるいは吸入量が大きいことを意味するものである。
【００２３】
一方、ある圧力水頭ｈ（地下水位）においてある飽和度Ｓｒの土が水頭変化Δｈ（地下水位変動量）を受けると、間隙圧の増加（減少）に伴い間隙中の空気が体積収縮（膨張）するため、これに相当する水の流入（流出）が発生する。これは、見掛け上、空気の膨張収縮がクッションのように働き、水頭変動を緩衝する挙動を示すことに起因しており、この水頭変動を緩衝する分だけ地盤の貯留性状（比貯留係数）が大きくなる。このことから、比貯留係数に対し、この水頭変動を緩衝する分だけ貯留性状が大きくなった地盤の比貯留係数を見掛け比貯留係数Ｓｓ’としている。
【００２４】
そして、この関係をボイルの法則に基づき数式で表すと、［数１］のようになる。
【００２５】
【数１】
2006291556.tif 000003
【００２６】
ここに、ΔＶは間隙中の空気の体積変化量、Δｈは水頭変化量、ｈは圧力水頭、Δｚは検討する土塊の高さ、ｎは間隙率、Ｓｒは飽和度である。また、空気の体積変化量ΔＶに相当する見掛け比貯留係数Ｓｓ’は、［数２］で表される。
【００２７】
【数２】
2006291556.tif 000004
【００２８】
ここに、ｈａは大気圧相当水頭（＝１０ｍ）、Ｓｒａは大気圧条件下での飽和度である。この［数２］において、Δｈ→０として、圧力水頭ｈを大気圧基準に書き改めると［数３］が導出される。
【００２９】
【数３】
2006291556.tif 000005
【００３０】
この［数３］に、計測した地下水位変動量の最大地下水位変動量と水圧伝播速度とからスラグテストの解析法を利用することで求めた地盤の見掛け比貯留係数Ｓｓ’を当てはめることで、地盤の飽和度Ｓｒを求めることが可能となる。
【００３１】
したがって、上記の原位置地盤の飽和度測定方法においては、試験孔１に予め挿入された錘５を引き上げることで、試験孔１を中心とした周辺地盤４の地下水３に圧力を伝播させることができ、伝播圧力によって変動する地下水位の変動量と圧力伝播速度を計測するという簡易な方法によって、地盤４の見掛け比貯留係数Ｓｓ’を求めることができる。この見掛け貯留係数Ｓｓ’が地盤４の飽和度Ｓｒと相関するため、地盤４の飽和度Ｓｒを定量することが可能となる。
【００３２】
また、簡易な操作で地盤４の飽和度Ｓｒを求めることができるため、同地盤に対し複数回に渡って繰り返し計測を行なうことも可能で、信頼性の高い飽和度Ｓｒの測定結果を得ることができる。
【００３３】
以上、本発明に係る原位置地盤の飽和度測定方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記の実施形態では、１つの試験孔１に対して１つの地下水位計測手段８を設けるものとして説明を行なったが、これに限定されるものではなく、１つの試験孔１に対して複数の地下水位計測手段８を設け、それぞれの異なる設置位置での地下水位変動量や圧力伝播速度を計測し、それぞれの計測結果を用いて飽和度Ｓｒが定量されてもよいものである。
【００３４】
また、本実施形態では、錘５を予め試験孔１内に挿入しておき、これを引き上げることによって試験孔１内を一時的に陰圧状態としつつ圧力を周辺に伝播させるものとしたが、錘５を試験孔１内に投入することによって試験孔１内を一時的に陽圧状態とし、これによって生じる圧力を伝播させてもよいものである。
【００３５】
さらに、試験孔１内を一時的に陰圧もしくは陽圧状態とする手法に、錘５を使用するものとしたが、例えば真空ポンプなどの吸引手段やコンプレッサーなどの気体吐出手段などを試験孔１に接続して試験孔１内を瞬時に陰圧もしくは陽圧状態としてもよいものであり、特にその手法が限定される必要はない。
【００３６】
また、本実施形態の地下水位計測手段８は、地下水面３ａよりも下方に設置し設置位置の水頭圧を検知することで直上の地下水位を検出可能なものとしたが、例えば変動する地下水面の位置を直接測定することによって地下水位の変動量を求めてもよく、地下水位の変動量が取得可能であればその計測手法が限定される必要はない。
【実施例】
【００３７】
以下に、本発明の実施例を図１から図５を参照して具体的に説明する。但し、本発明はこの実施例に限定されるものではない。また、前記実施形態に示したものと同様の構成については、その詳細な説明を省略する。
【００３８】
本実施例は、地盤４中の空気体積変化を考慮した浸透流解析に基づき、試験孔１から圧力が伝播された所定の離間距離Ｒの地下水３の地下水位変動量を求め、地盤４の飽和度Ｓｒを定量可能であるか否かをシミュレーションしたものであり、このシミュレーションによって、本発明の原位置地盤の飽和度測定方法を用いて飽和度Ｓｒの定量が可能であることを実証するものである。
【００３９】
はじめに、このシミュレーションの解析条件について説明する。
解析に用いた地盤４は、東京都江東区の実地盤をモデル化したものであり、このモデル地盤（地盤）４の土質構成は、地表面２から深度４ｍまでの上層を細砂とし、深度４ｍ以深の下層をシルト混じり細砂としている。また、地下水面３ａは、地表面２から深度１ｍに位置するものとしている。さらに、実地盤で行なった揚水試験およびスラグテストの結果をもとに、上層の細砂層は、地表面３ａに沿う水平方向の透水係数ｋｈを１．５×１０−５ｍ／ｓｅｃ、地表面３ａに直交する垂直方向の透水係数ｋｖを１．０×１０−６ｍ／ｓｅｃとし、比貯留係数Ｓｓを３．０×１０−５１／ｍと設定した。一方、下層のシルト混じり細砂層は、水平方向の透水係数ｋｈを１．０×１０−６ｍ／ｓｅｃ、垂直方向の透水係数ｋｖを１．０×１０−６ｍ／ｓｅｃとし、比貯留係数Ｓｓを２．０×１０−５１／ｍと設定した。
【００４０】
試験孔１は、図１に示すように、その半径ｒを０．０５ｍとし、地表面２から孔底１ａまでの孔長Ｈを７．５ｍとした。一方、地下水位計測手段８の設置位置（観測点）は、試験孔１の軸線Ｏ１から直交方向の離間距離Ｒが０．５ｍ、地表面２から深度３．０ｍに設けることとした。
【００４１】
また、錘５が試験孔１内に予め挿入され、計測開始時に急激に引き上げられることによって生じる地下水位の低下量を０．６ｍと設定し、この地下水位の低下に伴い試験孔１から周辺に伝播される圧力による解析領域の地下水位の変動を非定常解析で求めることとした。なお、錘５を試験孔１内に投入することにより生じる地下水位の上昇量を０．６ｍと設定し、この地下水位の上昇に伴い試験孔１から周辺に伝播される圧力による解析領域の地下水位の変動を非定常解析で求めてもよい。
【００４２】
さらに、本実施例では、上記のモデル地盤４に対して、一旦地下水位を低下させ上層の細砂層を不飽和状態としてから再度地下水位を回復させる液状化対策を講じ、対策後に上層の飽和度Ｓｒが変化したことを想定して、変化後の上層地盤の飽和度Ｓｒが８０％、９０％、９５％、９７％、９９％、９９．５％、１００％と設定した。
【００４３】
ついで、上記の解析条件でシミュレーションを行なった結果の評価方法について説明する。
【００４４】
本実施例では、異なる飽和度（想定した飽和度）Ｓｒの地盤４に対し、観測点での経時的な地下水位変動量を浸透流解析によって算出し、この経時的な地下水位変動量が飽和度Ｓｒの違いによって明瞭な差異を有しているか否かを確認することで評価を行なっている。つまり、各飽和度Ｓｒを有する地盤４に対して前述の解析条件に基づくシミュレーションを行い、所定の離間距離Ｒにおける地下水位変動量や圧力伝播速度に差異が認められた場合には、地盤４の飽和度Ｓｒと伝播圧力との間に相関が認められることが示唆され、圧力伝播に応じて変動する所定の離間距離Ｒの地下水位を計測することで地盤４の飽和度Ｓｒを定量可能であることが示唆される。
【００４５】
また、前述の解析条件に基づきシミュレーションされた所定の離間距離Ｒにおける地下水位変動量と水圧伝播速度とから地盤４の見掛け比貯留係数Ｓｓ’を求め、前述の［数３］の見掛け比貯留係数Ｓｓ’と飽和度Ｓｒとの関係に対し、求めた見掛け比貯留係数Ｓｓ’がフィッティングするか否かを確認し評価を行なっている。シミュレーションによる見掛け比貯留係数Ｓｓ’が、［数３］にフィッティングする場合には、本発明の原位置地盤の飽和度測定方法によって地盤４の飽和度Ｓｒの定量が可能であると評価される。
【００４６】
ついで、解析結果について説明する。
図４は、異なる飽和度Ｓｒのモデル地盤４に対する離間距離Ｒが０．５ｍの位置での経過時間と地下水位変動量のシミュレーション結果を示している。この結果、飽和度Ｓｒが小さくなるに従い地下水位変動量が相対的に小さくなることが確認され、飽和度Ｓｒの違いによって地下水位変動量に差異が認められることが確認された。また、各飽和度Ｓｒでピーク値が出現し、最大地下水位変動量を検知可能であることが確認された。
【００４７】
図５は、図４で得られた各飽和度Ｓｒに対する最大地下水位変動量をもとに、各飽和度Ｓｒに対する見掛け比貯留係数Ｓｓ’を求め、横軸を飽和度Ｓｒ、縦軸を見掛け比貯留係数Ｓｓ’として、求めた見掛け比貯留係数Ｓｓ’をプロットした結果を示している。また、図中の実線は、前述の［数３］に基づく見掛け比貯留係数Ｓｓ’と飽和度Ｓｒとの関係を示す理論線１０である。この結果、シミュレーションから得られた見掛け比貯留係数Ｓｓ’の各プロットが、［数３］に基づく理論線１０とほぼ一致することが確認された。
【００４８】
これにより、本発明の原位置地盤の飽和度測定方法によって、地盤４の飽和度Ｓｒを定量することが可能であることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態に係る原位置地盤の飽和度測定方法の概念を示す図である。
【図２】図１に示した錘を引き上げた状態を示す図である。
【図３】図１に示した試験孔から圧力が伝播される状況を示す図である。
【図４】本発明の実施例に係るシミュレーションによって得られた結果を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係るシミュレーションによって得られた結果を理論線と対比した図である。
【符号の説明】
【００５０】
１    試験孔
１ａ  孔底
２    地表面
３    地下水
３ａ  地下水面
４    地盤
５    錘
６    ロープ
６ａ  滑車
７    巻上げ機構
８    地下水位計測手段
９    計測孔
１０  理論線
Ｏ１  軸線
Ｒ    離間距離
【図１】
2006291556.tif 000006
【図２】
2006291556.tif 000007
【図３】
2006291556.tif 000008
【図４】
2006291556.tif 000009
【図５】
2006291556.tif 000010