(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に貫入体を取り付けたロッドを地盤に打撃貫入し、それに伴い発生する弾性波を地表に設置したＳ波センサで検出し、貫入体深度とＳ波振動の最大振幅を求め、Ｓ波最大振幅については貫入体からＳ波センサまでの弾性波伝播距離に応じた減衰補正を行うこととし、調査現場の少なくとも一地点での打撃貫入試験によりＳ波最大振幅とＮ値に相当する貫入抵抗値との関係式を求め、調査現場の他地点での打撃貫入時に得られるＳ波最大振幅により前記関係式を用いて当該貫入体深度でのＮ値を推定することを特徴とする地盤調査方法。
【請求項２】
Ｓ波センサの検出信号をＡ／Ｄ変換によりデジタル化し、データ収録部でデジタル記録すると共に、数値化したＳ波振幅をコンピュータでデータ処理して自動的にＳ波の最大振幅を求め、それぞれの貫入体深度における貫入抵抗値を解析する請求項１記載の地盤調査方法。
【請求項３】
深度方向に連続的に打撃貫入を行い、深度方向に連続的に地盤の貫入抵抗値を求めて表示する請求項２記載の地盤調査方法。
【請求項４】
Ｓ波センサが、鉛直成分と水平成分の２成分を検出する地震計である請求項１乃至３のいずれかに記載の地盤調査方法。
【請求項５】
Ｓ波センサの設置地点の打撃貫入地点からの水平距離を、調査計画深さの０．５〜１．５倍の範囲に設定する請求項４記載の地盤調査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、打撃貫入時に発生するＳ波振動の最大振幅から貫入抵抗値を推定して地盤の力学特性を評価する地盤調査方法に関するものである。この技術は、構造物などを建設する際の設計指針となる地盤のＮ値に相当する貫入抵抗値を簡便に且つ効率よく経済的に求めるのに有用である。
【０００２】
【従来の技術】
自然物あるいは人工物からなる地盤に構造物などを建設する際には、予め当該地盤の力学的特性を把握し、それに基づいて適切な構造物設計を実施する必要がある。そのために、種々の地盤調査法が提案され実用に供されている。
【０００３】
地盤の強度を調査する代表的な方法として、日本工業規格で定められている標準貫入試験法（ＪＩＳ  Ａ  １２１９）がある。これは、原位置における土の硬軟、締まり具合の相対値を知るためのＮ値を求める試験法である。具体的には、ロッドの先端に標準貫入試験用サンプラを取り付け、削孔したボーリング孔底に降ろし、地上においてロッドをハンマ（６３．５kg）の自由落下（落下高さ７６cm）により打撃して、孔底より１５〜４５cm間の３０cmを貫入させるのに必要な打撃回数（Ｎ値）を求める。この標準貫入試験法によって求められるＮ値は、複雑な地盤構成の我が国において、構造物の設計指標として長年用いられてきた。
【０００４】
しかし、試験孔の掘進のためにボーリングマシン及びボーリングポンプ等を必要とし、また掘削に伴う孔壁の安定のために泥水（建設汚泥）の使用を余儀なくされ、試験に際しての孔底のスライムの除去作業や１５cmの予備打ち作業など、調査作業が煩雑で、経験を要し、しかも調査に時間がかかる等の欠点があった。このような標準貫入試験は、本質的に、ハンマやノッキングヘッドの形状、ロッドの撓み、掘削孔の状況、作業の仕方、その他諸々の条件によって、打撃エネルギーが安定せず、測定値のばらつきが大きくなりやすい。しかも、測定間隔が広いため、深度方向の詳細な地盤情報が得にくい。そのため、最近では、設計荷重（特に地震外力）の増大や限界状態設計法（信頼性設計）の導入に伴い、いままでＮ値が内在してきた様々な誤差が大きな問題となってきている。
【０００５】
標準貫入試験法に代わるサウンディング法の一つに、動的貫入試験法（オートマチックラムサウンディングなど）がある。これは、先端にコーンを取り付けたロッドをハンマ（６３．５kg）の自由落下（落下高さ５０cm）により地盤に連続的に打ち込み、貫入長２０cm毎の打撃回数（Ｎｄ′値）を求める方法である。貫入に伴ってロッド周面には土との摩擦抵抗が生じるため、所定の貫入量毎にロッドに作用するトルクＭｖを測定して、次の補正式
Ｎｄ＝Ｎｄ′−ａ・Ｍｖ（但し、ａは係数）
によって先端部での貫入抵抗値Ｎｄを求める。これによって得られたＮｄ値は、Ｎｄ≒Ｎとして評価され利用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ボーリングを必要としない動的貫入試験法では、砂礫などの貫入抵抗の大きな地層が介在すると、その打撃貫入に時間を要し、場合によっては貫入が不可能となる。更に、先端のコーンに連なるロッドと周囲地盤との摩擦による影響が先端部の貫入抵抗値Ｎｄに影響することになる。即ち、ロッド地表側で打撃したエネルギーがロッドと周囲の摩擦による損失により先端のコーンに完全に伝達されないために、得られる貫入抵抗値が過大に評価される。このため前記のように、動的貫入試験においては、各貫入試験毎にロッドを回転させて最大トルクを測り、これをもってロッドと周囲地盤との摩擦力として補正することで、先端部での貫入抵抗値を求める手順を踏まなければならない。このような手順は、作業性を損ね、データの信頼性にも影響を及ぼす。
【０００７】
本発明の目的は、単純な測定システムでありながら、測定データのばらつきが少なく、作業性が良好で、地盤強度を正しく評価できる方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、地表面に地震計を設置して打撃貫入試験を行い、打撃貫入により発生した弾性波を検出し解析した結果、Ｓ波（剪断波）の最大振幅とＮ値との間に相関があることを見出した。例えば、地盤（測定対象土）のＮ値が大きい砂質土（砂や砂礫）の場合にはＳ波の振幅が大きくなり、Ｎ値が小さい粘性土の場合にはＳ波の振幅が小さくなる。Ｓ波振幅は打撃エネルギーの大きさに依存するので打撃エネルギーが安定することが条件となるが、Ｓ波の最大振幅を測定することで直接貫入抵抗を評価することができる。本発明は、かかる知得に基づき完成されたものである。
【０００９】
本発明は、先端に貫入体を取り付けたロッドを地盤に打撃貫入し、それに伴い発生する弾性波を地表に設置したＳ波センサで検出し、貫入体深度とＳ波振動の最大振幅を求め、Ｓ波最大振幅については貫入体からＳ波センサまでの弾性波伝播距離に応じた減衰補正を行うこととし、調査現場の少なくとも一地点での打撃貫入試験によりＳ波最大振幅とＮ値に相当する貫入抵抗値との関係式を求め、調査現場の他地点での打撃貫入時に得られるＳ波最大振幅により前記関係式を用いて当該貫入体深度でのＮ値を推定することを特徴とする地盤調査方法である。
【００１０】
本発明では、Ｓ波センサの検出信号を、Ａ／Ｄ変換によりデジタル化し、データ収録部でデジタル記録すると共に、数値化したＳ波振幅をコンピュータでデータ処理して自動的にＳ波の最大振幅を求め、それぞれの貫入体深度における貫入抵抗値を解析する。この方法は、深度方向に連続的に打撃を行うことで、深度方向に連続的に地盤の貫入抵抗値を求めて表示することができる。使用するＳ波センサは、鉛直成分と水平成分の２成分を検出できる速度計タイプの地震計が好ましい。
【００１１】
Ｓ波センサの設置位置は任意であるが、打撃貫入地点から、調査計画深さの０．５〜１．５倍の距離だけ離れた位置とするのが好ましく、調査計画深さと同程度の水平距離離れた位置に設定するのが最適である。打撃貫入地点に近すぎると作業ノイズが入りやすく、遠すぎると直接波を検知し難くなるからである。従って、調査計画深さが深くなるほど離れた位置に設置するのがよいが、Ｓ波センサ設置の作業性を考慮して、ある程度の深度範囲の調査を終えた時点でＳ波センサの設置位置を変えるのが好ましい。Ｓ波センサは、１個でよいが、複数個間隔をおいて配設してもよいことはいうまでもない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
先端に貫入体を取り付けたロッドを、ハンマの自然落下あるいは強制落下によって一定の打撃エネルギーで地盤に打撃貫入する。他方、打撃貫入地点から任意の距離（好ましくは貫入体深度と同程度の距離）離れた地表にＳ波センサを設置し、Ｓ波振幅を観測できるようにしておく。打撃貫入に伴い発生したＳ波振動をＳ波センサで検出する。Ｓ波検出信号をＡ／Ｄ変換によりデジタル化してデータ収録部でデジタル記録し、数値化したＳ波振幅をパーソナルコンピュータでデータ処理して自動的にＳ波の最大振幅を求め、それぞれの貫入体深度における貫入抵抗値を推定して地盤の力学特性を評価する。
【００１３】
本発明方法では、深度方向に連続的に打撃を行い、深度方向に連続的に地盤の貫入抵抗値を求めることができる。打撃貫入は、従来同様ハンマの自由落下を利用してもよいが、打撃貫入能力の大きな貫入装置（例えば油圧ハンマやディーゼルハンマ等）を用いることもできる。それによって打撃貫入の作業効率が高まるほか、砂礫層や固結度の高い地盤など貫入抵抗の大きな地盤や大深度への適用が可能となる。
【００１４】
観測した弾性波の波形は、データ収録部で収録・保存する。また、この時の貫入体とＳ波センサとの相対位置情報、利得情報、その他のデータ収録条件に関わる各種情報をヘッダに記録しておけば、事後の解析・結果表示が容易になるため好ましい。
【００１５】
Ｓ波センサは、地表面に設置するのが作業性もよく好ましいが、既設の地質調査用のボーリング孔等の中に設置することも可能である。ハンマによる打撃により、先端の貫入体が地盤を破壊して地中に貫入する際に弾性波が発生する。この弾性波は周囲地盤中を伝播して、Ｓ波センサに到達する。勿論、地層境界があれば、そこでの反射波や屈折波などもＳ波センサに到達するが、この到達波を直接波と仮定した場合の最大振幅が地盤の貫入抵抗値に寄与する。先端の貫入体とＳ波センサとの相対位置は各打撃毎に変化し、弾性波の伝播距離に応じて減衰量が異なるので、振幅についての伝播距離減衰補正を行う必要がある。つまり貫入体深度からＳ波センサまでの伝播距離は計算可能なので、振幅の減衰をその伝播距離に応じて補えばよい。この補正は、パーソナルコンピュータによって自動的に行える。本発明のＳ波振幅を観測する方法は、５０ｍ程度以下の深度であれば十分に対応できる。
【００１６】
予め貫入抵抗値が既知である地盤において、弾性波の振幅との関係付けを行っておけば、以後の測定においては、弾性波振幅から直接的に貫入抵抗値を求めることができる。これら一連の計算アルゴリズムは、コンピュータ内に組み込むことは容易であり、最大振幅の読み取りから貫入抵抗値の算出まで自動的に解析処理することもできる。
【００１７】
本発明方法は、従来の動的貫入試験のようなロッドと周囲摩擦の補正作業を必要としないため、深度方向に連続的に調査を実施することができ、それ故、深度方向の貫入抵抗値の分布も連続的に求めることができる。これにより、従来方法に比較して、深度方向で密な貫入抵抗値分布を求めることができ、精度の良い地盤評価を行うことができる。
【００１８】
【実施例】
図１は、本発明方法の実施に用いる測定システムの一例を示す説明図である。打撃貫入装置自体は、標準貫入試験やオートマッチックラムサウンディングなど従来用いられている装置をそのまま使用することができる。勿論、その他任意の打撃貫入装置を用いてもよいが、打撃エネルギーが安定していることが重要である。図１では、ロッド１０の先端部（下端）にコーン１２を取り付け、上端のノッキングヘッド１４にハンマ１６を所定位置から自由落下させることにより打撃貫入する構成のオートマッチックラムサウンディング装置を用いる例を示している。
【００１９】
打撃貫入装置２０から任意の距離Ｌだけ離れた地表面にＳ波センサ２２を設置する。設置位置は、貫入体深度Ｄと同程度の距離離れた地点が最適であるが、その深度は打撃貫入によって変化するため、上記Ｌは（０．５〜１．５）Ｄ程度だけ離れた地点でよい。但し、コーンとＳ波センサとの相対位置を正しく把握できるようにする必要があり、打撃貫入毎にその貫入体深度Ｄも測定する。Ｓ波センサ２２は、鉛直成分と水平成分の２成分を検出する地震計でよく、ここでは速度計タイプのものを用いている。Ｓ波センサ２２の出力信号は、測定器２４に導かれて、そこで増幅され、Ａ／Ｄ変換されて、データ収録部で記録される。また、数値化されたＳ波振幅は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２６でデータ処理され、自動的にＳ波の最大振幅が求められ、それぞれの打撃箇所（貫入体深度）における貫入抵抗値が解析されて表示される。
【００２０】
ハンマ１６によるノッキングヘッド１４への打撃により、先端のコーン１２が地盤を破壊し、地中に貫入する。その際、弾性波が発生する。この弾性波は、周囲地盤中を伝播し、地表に設置したＳ波センサ２２に到達する。貫入体位置から直接Ｓ波センサに至る直接波のみならず、地層境界があれば、そこでの反射波や屈折波もある。先端のコーン１２とＳ波センサ２２との相対位置は、打撃毎に変化することから、弾性波の伝播距離に応じて減衰量が異なることになるので、コーン１２とＳ波センサ２２との距離を用いて到達するＳ波最大振幅の距離減衰補正を行う。本方法では、貫入体深度が５０ｍ程度以浅であれば、Ｓ波の伝達経路に無関係に最大振幅からＮ値を推定することが可能である。
【００２１】
図２に、標準貫入試験機を用いて、その打撃を振源とした場合の弾性波観測結果の一例を示す。Ａは標準貫入試験によるＮ値を、Ｂは標準貫入試験機設置位置から２０ｍ離れた地点に設置した地震計で検出した振動波形を示し、Ｃは標準貫入試験により得られたＮ値と振幅の距離減衰補正後のＳ波最大振幅との対比を示す。この結果から、Ｎ値と弾性波の振幅に良好な対応傾向があることが確認できる。即ち、測定対象土のＮ値が大きい砂や砂礫の場合にはＳ波の振幅が大きくなり、地盤のＮ値が小さい粘土質の土の場合にはＳ波の振幅が小さくなる。
【００２２】
次に動的貫入試験（オートマチックラムサウンディング）における動的貫入抵抗Ｎｄ値とＳ波振幅の関係を図３に示す。これは、ラムサウンディング試験を実施し、その１打撃毎にロッドの貫入量とその際に発生したＳ波を測定したものである。そして、１打撃毎の貫入量から、２０cm当たりの打撃回数に換算したＮｄ値（トルクによるロッド周面摩擦の影響を補正した先端部での貫入抵抗値）を求め、また、その打撃によるＳ波の最大振幅を距離減衰補正した。Ａは地下水位以浅（不飽和）の場合であり、Ｂは地下水位以深（飽和）の場合である。なお、図３では深度１１〜１７ｍ付近の砂礫層のデータは除いている。
【００２３】
図３から、Ｎｄ値とＳ波振幅の関係は不飽和土と飽和土において異なるが、他方、土質による違いは殆ど無いことが分かる。これは、打撃貫入による土の急速な破壊は、土の透水性に関わらず非排水剪断強度に依存するためである。そのため、境界となる地下水位の把握が重要となる。この図３から得られたＳ波振幅とＮｄ値の関係式を用いて、Ｓ波振幅よりＮｄ値を推定し、これをＮｓ値としてＮｄ値並びにＮ値と比較した結果を図４に示す。図４から分かるように、全体的にＮｓ値とＮｄ値並びにＮ値は良く適合し、砂礫層に相当する深度１１〜１７ｍでは、動的貫入試験結果のＮｄ値並びに標準貫入試験結果のＮ値が過大な値を示すことが分かる。
【００２４】
実際の調査の手順を図５に示す。まず、必要に応じて使用する打撃貫入装置の適用試験を行う。従来の標準貫入試験により地質並びにＮ値が既知である地盤において、用いようとする打撃貫入装置と標準貫入試験とのそれぞれの貫入抵抗値の関係を明らかにする。これは、１箇所以上で行う。用いようとする打撃貫入装置が、オートマッチックラムサウンディング等の既にＮ値との相関が認められている装置の場合には、この適用試験を行う必要はない。この適用試験は、必ずしも調査現場で実施する必要はなく、任意の試験サイトで行ってよい。
【００２５】
次に調査現場において予備調査を行う。この予備調査は、用いようとする打撃貫入装置とその打撃貫入によって発生した弾性波（Ｓ波）の最大振幅との関係を求めるための調査であり、最低１箇所で行う。この場合、オートマッチックラムサウンディングのように、それぞれの関係が既に明らかな場合には、その関係が適用できることを確認するだけでよい。即ち、調査現場において予め地質が既知の場合（標準貫入試験が行われている場合）には、その近傍で予備調査を実施することで、前記適用試験並びにこの予備調査の目的を達成することができる。標準貫入試験が行われていない場合は、標準貫入試験時にＳ波観測を行えばよい。それによってサンプラで同時に土質試料を採取することができる。
【００２６】
そして本調査を行う。本調査は、上記の打撃貫入装置を使用し、その貫入体深度毎の弾性波（Ｓ波）測定を連続的に行って最大振幅を求めるものである。打撃貫入に伴うトルク測定は必要ない。貫入試験終了後は、貫入孔の孔内水位を測定し、地下水位を確認する。この作業は、調査現場内で必要箇所について繰り返し行う。
【００２７】
最後に結果の整理を行う。Ｓ波振幅により得られた貫入抵抗値を深度毎に示し（貫入曲線）、その貫入抵抗値の分布状況から地質を想定して表す。本方法は、深度方向に連続的に実施することができるので、深度方向の貫入抵抗値の分布を連続的に求めることができる。これにより、従来方法に比較して、密な貫入抵抗値分布を求めることができ、精度の良い地盤評価（地層区分並びにＮ値の推定）を行うことが可能となる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は上記のように、打撃貫入装置から任意の距離離れた地点にＳ波センサを設置して、貫入体深度と共に弾性波の最大振幅を測定する方法なので、簡単な測定システムで、容易に、経済的に、調査作業が行える。また、弾性波の振幅情報を用いるものなので、ロッドと周囲の摩擦によるデータのばらつきの影響が少なく、土質によらず地盤の強度を正しく評価することができる。
【００２９】
本発明方法は、打撃貫入がハンマの自然落下に限られないため、油圧ハンマなど打撃貫入能力の大きな貫入装置を用いることもでき、貫入抵抗の大きな地盤や大深度への適用が可能となる。また、ロッドと周囲摩擦の補正作業を必要としないため、作業能率を大幅に向上させることができるし、連続的に密な測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法で用いる試験装置の一例を示す説明図。
【図２】標準貫入試験のＮ値とＳ波最大振幅の対比関係を示す説明図。
【図３】動的貫入試験のＮｄ値とＳ波振幅の関係を示す説明図。
【図４】換算Ｎｄ値、Ｓ波振幅から推定したＮｓ値とＮ値の深度分布図。
【図５】調査手順を示す説明図。
【符号の説明】
１０  ロッド
１２  コーン
１４  ノッキングヘッド
１６  ハンマ
２０  打撃貫入装置
２２  Ｓ波センサ
２４  測定器
２６  パーソナルコンピュータ
【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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