(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原位置地盤中へ凍結管を設置し、該凍結管に冷媒を循環させて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採取する原位置地盤凍結サンプリング方法において、
原位置地盤の地表部に設置したガイド管の下端部位から下方へ所要の深度部分まで前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、前記凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記凍結補助手段を働かせて前記ガイド管の直下領域の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする、原位置地盤凍結サンプリング方法における地盤の凍結制御方法。
【請求項２】
原位置地盤中へ凍結管を設置し、該凍結管に冷媒を循環させて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採取する原位置地盤凍結サンプリング方法において、
事前調査で作成した土層断面図から知得された凍結不良層の深度部分に前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、前記凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記凍結補助手段を働かせて凍結不良層の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする、原位置地盤凍結サンプリング方法における地盤の凍結制御方法。
【請求項３】
原位置地盤中へ凍結管を設置し、該凍結管に冷媒を循環させて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採取する原位置地盤凍結サンプリング方法において、
ガイド管の下底部に予め冷却管を付設しておき、また、原位置地盤の地表部に設置したガイド管の下端部位から下方へ所要の深度部分まで前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、前記凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記凍結補助手段を働かせ、更に前記ガイド管の冷却管へも冷媒を循環させて前記ガイド管の直下領域の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする、原位置地盤凍結サンプリング方法における地盤の凍結制御方法。
【請求項４】
原位置地盤中へ凍結管を設置し、該凍結管に冷媒を循環させて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採取する原位置地盤凍結サンプリング方法において、
ガイド管の下底部に予め冷却管を付設しておき、また、原位置地盤の地表部に設置したガイド管の下端部位から下方へ所要の深度部分まで前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、更に事前調査で作成した土層断面図から知得された凍結不良層の深度部分にも前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、前記凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記の各凍結補助手段を働かせ、また前記ガイド管の冷却管へも冷媒を循環させて前記凍結不良層の凍結及びガイド管の直下領域の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする、原位置地盤凍結サンプリング方法における地盤の凍結制御方法。
【請求項５】
請求項１〜４に記載した補助凍結手段は、凍結管を構成する外管の伝熱面積を拡大した構成部分、又は凍結管とは別個の補助凍結管を付設した構成とさ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方法における地盤の凍結制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、特には砂層や砂礫層の原位置地盤から不攪乱土質試料を採取する原位置地盤凍結サンプリング方法を施工する際に実施される地盤の凍結制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
砂層、砂礫層の原位置地盤から不攪乱土質試料を採取する目的で開発された原位置地盤凍結サンプリング方法は、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】
図４と図５は、原位置地盤凍結サンプリング方法の標準的な施工図を示したもので、地表部に高さが５ｍ程度のガイド管１を設置し、このガイド管１より下方の地盤１０を限定凍結する。先行して地盤中に掘削した口径が７６〜８０mm程度の孔３の中へ、前記ガイド管１を通じて外径が７３mm程度の凍結管２を挿入し調査対象の深度に設置する。凍結管２の長さは地盤の凍結最大深度（例えば地下１５ｍ）に到達する長さとされる。この凍結管２は、図６の拡大Ａ図に例示したように冷媒の往路を形成する内管２ａと、復路を形成する外管２ｂとを同心円状に組み合わせた構成とされている。冷媒としては通例−１９５．８℃の液体窒素が使用され、この冷媒を内管上端から供給し外管上端から排気する循環作用で地盤の凍結を進める。地盤１０の凍結は、理想的には凍結管２を中心として外径Ｄが１０００mm〜２０００mm程度の円柱状に行われる。前記したように凍結管２を挿入するため掘削した孔３の外周部分には掘削が原因の攪乱領域４の発生が推定されるので、土質試料の採取は図４と図５のように前記推定攪乱領域４から遠く離れた外周部分について、ガイド管１を利用して挿入したダブルコアチューブ５を回転圧入し、外径が３００mm程度の円柱状をなす土質試料を所謂コアリング法により４箇所ぐらいから採取する。
【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方法の実施において、常に問題になるのは、地盤の凍結に多大な時間がかかり工期が長引くこと、そして、前記凍結時間に正比例して冷媒が大量に消費されて莫大な費用がかかること、更に地盤の凍結状態が均一でないために思いがけない事故、トラブルが発生することである。
【０００５】
図６を利用して更に具体的に説明する。液体窒素のような冷媒は気化熱を奪って気化し地盤の冷却、凍結の作用を奏する。内管２ａの下端から外管２ｂの下端近傍へ流出した冷媒は、当然のことながら地盤の深い位置から冷却、凍結を進める。地盤凍結の進行と共に外管２ｂの低部に液体窒素が溜まり、その液面が徐々に上昇してゆき、前記液面の上昇に伴って地盤の上方部分の冷却、凍結が進行する。要するに地盤の凍結は図４のように理想化した所望直径Ｄの円柱状にきっちり進行するのではなく、極端に表現すれば、図６に実線Ｘで示したような温度分布、凍結分布の状態で変則的にばらついて進行する。この様な温度分布、凍結分布の発生は、予め地盤中へ埋設した多数の温度センサー７…の測定値で把握、確認することが行われている。図６の実線Ｘで示す温度分布から明らかなことは、地盤の深い部分Ｈ1 の範囲では既に外径Ｄの円柱状部分以上の凍結が完全に達成されているが、同地盤の浅い部分Ｈ2 の範囲ではまだ凍結はあまり進行しておらず、特にガイド管１の直下部分の凍結は殆ど進行していないに等しい。経験的には、前記深度Ｈ2はおよそ５ｍ位である。
【０００６】
従って、仮に前記のように不完全な凍結状態で土質試料を採取するコアリングを行うと、深さＨ2 の範囲の土質試料は凍結していないため攪乱試料になり、調査に利用できない。のみならず、砂礫層地盤の場合には前記深さＨ2 の範囲では、コアリング時に使用する掘削用の冷却水が地中に逸散（漏出）してしまい、循環させられないので、たちまち冷却水の不足を生じてしまい、再度冷却水の用意ができるまでコアリング作業を中断するほかなくなる。ちなみに、コアリング作業には、冷却水を毎分当たり７０〜１２０リットルぐらい循環させる。１本のコアリングは１ｍ当たり２０〜３０分位かけて行なわれるから、大量の冷却水が使用される訳である。
【０００７】
上記の不都合を回避するためには、図６に点線Ｙで例示した分布状態まで地盤の凍結を大きく進行させるほかないのであるが、実線分布Ｘまでの凍結は２日間位で達成されるのに、点線分布Ｙまでの凍結を行うには更に２日位の日時を必要とするので、工期は２倍に長引く。のみならず、毎時間当たり５００〜６００kg程度供給する冷媒も必然的に２倍の量を消費することになる。液体窒素はローリ車の使用料及び管理費を含めると１立方メートル当たり３０万円ぐらいもする高価なものであるから、これが４８時間も長く使用されると、その使用料は莫大なものになって、極めて高価なサンプリング施工になる。
【０００８】
他方、凍結地盤の一軸強度と凍結温度の関係は、凍結温度が下がるのに比例して一軸強度が増大することは当業者に良く知られている。つまり、図６の実線分布Ｘの凍結温度に比して、点線分布Ｙのように凍結温度が下がると、一軸強度の増大はかなりのもので、コアリング時の掘削抵抗（負荷）が大きくなって掘削速度が低下し作業能率が悪い。しかも、コアリングした採取試料の下端を地盤から分断するカッティング（引き千切り）時の負荷が大きくて、器具の破損を招く心配もある。
【０００９】
次に、サンプリング方法の実施に先立って、ボーリングによる事前調査が行われるのは通例であるが、この事前調査で作成される土層断面図で、地下水の流速が早く、水みちが出来やすい粒径の大きい玉石混じりの砂礫層、或いは細粒分が多く含水比が高いシルト層、粘土層が確認されると、施工の困難が予想される。即ち、前記の地層では流れる水を凍結させることになり、停滞した水の凍結に比して数倍の冷熱エネルギーが必要となり、例えば図２中に分布点線Ｕで例示したように凍結させにくい所謂凍結不良層であるから、当該地層部分の完全な凍結に数倍の時間と冷媒を消費することになる。
【００１０】
従って、本発明の目的は、凍結管を通じて行う単純な凍結作業によるときは、凍結の進行の部分的なバラツキが原因で目的とする凍結度の達成に多大な時間と冷媒が消費される不都合を解決することである。更に言えば、凍結の進行が遅れる部分に補助凍結手段等を併用して地盤の凍結を重複的に平均化して進め、もって凍結工期の短縮と、凍結費用の削減を図り、また、過凍結（凍結温度のむやみな低下）によって発生するコアリング時の切削速度の低下、器具の消耗、破損の心配などの不都合を未然に防止できる、地盤の凍結制御方法を提供することである。
【００１１】
【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記載の発明に係る地盤の凍結制御方法は、原位置地盤中へ凍結管を設置し、該凍結管に冷媒を循環させて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採取する原位置地盤凍結サンプリング方法において、
原位置地盤の地表部に設置したガイド管の下端部位から下方へ所要の深度部分まで前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、前記凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記凍結補助手段を働かせて、特には前記ガイド管の直下領域の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明に係る地盤の凍結制御方法は、原位置地盤中へ凍結管を設置し、該凍結管に冷媒を循環させて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採取する原位置地盤凍結サンプリング方法において、
事前調査で作成した土層断面図から知得された凍結不良層の深度部分に前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、前記凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記凍結補助手段を働かせて、特には凍結不良層の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明に係る地盤の凍結制御方法は、原位置地盤中へ凍結管を設置し、該凍結管に冷媒を循環させて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採取する原位置地盤凍結サンプリング方法において、
ガイド管の下底部に予め冷却管を付設しておき、また、原位置地盤の地表部に設置したガイド管の下端部位から下方へ所要の深度部分まで前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、前記凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記凍結補助手段を働かせ、更に前記ガイド管の冷却管へも冷媒を循環させて、特には前記ガイド管の直下領域の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載した地盤の凍結制御方法は、原位置地盤中へ凍結管を設置し、該凍結管に冷媒を循環させて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採取する原位置地盤凍結サンプリング方法において、
ガイド管の下底部に予め冷却管を付設しておき、また、原位置地盤の地表部に設置したガイド管の下端部位から下方へ所要の深度部分まで前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、更に事前調査の土層断面図により知得された凍結不良層の深度部分にも前記凍結管と共に補助凍結手段を併設し、前記凍結管へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記の各凍結補助手段を働かせ、また前記ガイド管の冷却管へも冷媒を循環させて、特には前記凍結不良層の凍結及びガイド管の直下領域の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする。
【００１５】
上記の各請求項１〜４に記載した発明における補助凍結手段は、凍結管を構成する外管の伝熱面積を拡大した構成部分、又は凍結管とは別個の補助凍結管を付設した構成とされていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態及び実施例】
請求項１〜４記載の発明に係る地盤の凍結制御方法は、それぞれ図４に例示したように原位置地盤中へ凍結管２を設置し、該凍結管２へ液体窒素などの冷媒を循環させて原位置地盤を凍結し、不攪乱領域の凍結土１０を土質試料として採取する原位置地盤凍結サンプリング方法を施工する際に、地盤の凍結を効率良く短工期、低コストに、しかも理想的状態に行うため採用、実施される。
【００１７】
本発明は、地盤の凍結制御の主たる目的に応じて、大きくは４つのタイプに分類される。
まず請求項１記載の発明は、図１に示したように、原位置地盤の地表部に設置したガイド管１の下端部位から下方へ所要の深度部分まで，具体的には凍結の進行が遅れる図１、図６の深さＨ2 の範囲に凍結管２と共に補助凍結手段１１を併設する。そして、前記凍結管２へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に、前記凍結補助手段１１を働かせて前記ガイド管１の直下領域の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする。かくすると、凍結管２のみによる地盤の凍結度を表す実線分布Ｘに、補助凍結手段１１の働きによる地盤の凍結作用が重畳される結果、図１に分布線Ｚを例示したように、ガイド管１の直下領域Ｈ2の地盤の凍結が比較的に早く効果的に進み、凍結管２による地盤凍結の分布線Ｘと同時期に所望直径Ｄの円柱に相当する地盤の凍結を達成できる。従って、地盤凍結の所要時間を大幅に（約２日位）短縮でき、短縮された時間相当の冷媒の消費量、及び使用機材、管理費を節減出来るのである。
【００１８】
また、請求項３記載の発明に係る地盤の凍結制御方法は、原位置地盤の地表部に設置したガイド管１の下端部位から下方へ所要の深度Ｈ2 まで前記凍結管２と共に補助凍結手段１１を併設するだけでなく、ガイド管１の下底部に予め冷却管１４を付設しておき、前記凍結管２へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記凍結補助手段１１を働かせ、更に前記ガイド管の冷却管１４へも冷媒を循環させて前記ガイド管１の直下領域の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする。かくすると、冷却管１４による凍結作用が重畳される結果、図１に分布線Ｚで例示した以上にガイド管１の直下領域Ｈ2の地盤の凍結が急速に効率よく進み、凍結管２による地盤凍結の分布線Ｘと同時期に又は相前後する時期に所望直径Ｄの円柱に相当する地盤の凍結を達成できる。のみならず、冷却管１４による冷却、凍結の作用は、直接的にはガイド管１の下底面とこれが接した地面との凍結を進めることになり、図１、図２に例示したように両者の完全な凍結と一体化が達成される。従って、コアリング時にガイド管１の本来の案内作用が奏されるし、掘削用に使用される冷却水の逸散（漏水）防止に大きな効果を奏する。
【００１９】
次に、請求項２記載の発明に係る地盤の凍結制御方法は、サンプリング方法の施工に先行して必ず行われるボーリングによる事前調査で作成した土層断面図から凍結不良層１２の存在が知得された場合に、図２に示したように、その凍結不良層１２の深度部分に前記凍結管２と共に補助凍結手段１３を併設する。そして、前記凍結管２へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記凍結補助手段１３を働かせて凍結不良層１２の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする。かくすると、図２に分布線Ｕで例示したように、凍結不良層１２の部分だけ凍結が大きく遅れるはずのところが、前記凍結補助手段１３の働きによる地盤の凍結作用が重畳される結果、分布線Ｔがしめすように凍結不良層１２の凍結が効果的に急速に進み、凍結管２による地盤凍結の分布線Ｘと同時期（又は相前後する時期）に所望直径Ｄの円柱に相当する地盤の凍結を達成できる。
【００２０】
更に、請求項４記載の発明に係る地盤の凍結制御方法は、正に図２に示したように、ガイド管１の下底部に予め冷却管１４を付設しておき、また、原位置地盤の地表部に設置したガイド管１の下端部位から下方へ所要の深度Ｈ2 まで前記凍結管２と共に補助凍結手段１１を併設することは必然として、更に事前調査の土層断面図により知得された凍結不良層１２の深度部分にも前記凍結管２と共に補助凍結手段１３を併設する。そして、前記凍結管２へ冷媒を循環させて地盤の凍結を進めると共に前記の各凍結補助手段１１，１３を働かせ、また前記ガイド管の冷却管１４へも冷媒を循環させて地盤の凍結作用を重畳させ、前記凍結不良層１２の凍結及びガイド管１の直下領域Ｈ2の地盤の凍結を重複的に行い促進させることを特徴とする。かくすると、補助凍結手段１１による凍結作用に冷却管１４による凍結作用が加重されて、ガイド管１の直下領域Ｈ2の地盤の凍結が図２中の分布線Ｚで例示したように効果的に急速に進む。また、分布線Ｕで例示したように、凍結不良層１２の凍結も急速に進み、凍結管２による地盤凍結の分布線Ｘと同時期又は相前後する時期に所望直径Ｄの円柱に相当する地盤の凍結を完全に達成できる。
【００２１】
従って、本発明によれば、地盤の凍結に要する時間が大幅に短縮され、工期の短縮が達成されることは勿論、短縮された時間分相当の冷媒の消費量が節減され、多額のコストダウンを達成できる。そして、高品質の凍結土質試料の確実な採取に貢献する。
なお、上記の請求項１〜４に記載した発明における補助凍結手段１１、１３としては、第一に、凍結管２を構成する外管２ｂの伝熱面積を必要十分に拡大した構成部分として実施される。具体的には、図１中の拡大Ｂ図のように、凍結外管２ｂの本来の外径（一例として７３mm）に対して、凍結補助手段１１に相当する部分の外径は例えば１００mm程度に大きなものとし、略倍増された伝熱面積により地盤の冷却、凍結の作用を倍増する構成で実施される。あるいは図示することは省略したが、凍結外管２ｂの外周面に伝熱フィンを必要なだけ設けて増大された伝熱面積により地盤の冷却、凍結の作用を倍増する構成でも実施される。第二には、凍結管２とは別個、独立の補助凍結管１５，１６を付設し、該補助凍結管に冷媒を循環させる方式でも実施される。具体的には図１の拡大Ａ図、又は図２の拡大Ａ図に示したように、該当部分に凍結管２と複合化した構成でコイル状の補助凍結管１５又は１６が設置される。コイルの形態は上下方向にＵ形状に折り曲げられた形状とする場合もある。図２のように上下に複数の補助凍結管１５、１６が併設される場合には、図３に回路図を示したように、冷媒の往路幹線１７と復路幹線１８の途中に補助凍結管１５、１６を自動弁１９、２０を介して接続し、各自動弁１９、２０を必要な時期に開閉する構成が好適に実施される。
【００２２】
【本発明が奏する効果】
本発明に係る原位置地盤凍結サンプリング方法における地盤の凍結制御方法によれば、上下方向にばらつく地盤の凍結度を平均化させ、凍結時間の短縮、そして、冷媒の使用量の節減が出来るので、サンプリング施工の短工期化とコストダウンに大きな効果を奏する。また、高品質な凍結土質試料の確実な採取に寄与することにもなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の地盤の凍結制御方法の第１の概念を示した説明図である。
【図２】本発明の地盤の凍結制御方法の第２の概念を示した説明図である。
【図３】補助凍結管の回路図である。
【図４】原位置地盤凍結サンプリング方法の施工要領図である。
【図５】図４の５−５線矢視図である。
【図６】原位置地盤凍結の進行状態を説明した要領図である。
【符号の説明】
２          凍結管
１          ガイド管
１１          補助凍結手段
１３          補助凍結手段
１２          凍結不良層
１４          冷却管
１５          補助凍結管
１６          補助凍結管
【図１】
0003733492.tif 000002
【図２】
0003733492.tif 000003
【図３】
0003733492.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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