(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤に設けたボーリング孔の孔壁の孔軸方向の複数の領域に交互に繰り返し荷重を載荷し孔壁の変位を測定することを特徴とするボーリング孔を利用した原位置における地盤の液状化および動的特性試験方法。
【請求項２】
繰り返し荷重が載荷されるボーリング孔の孔壁の複数の領域である上下段の土層の間に静的な荷重を載荷する中間土層を設け、上下段の土層に繰り返し荷重を載荷する繰り返し荷重載荷試験を行った後、中間土層に静的な荷重を載荷して中間土層の静的強度を測定する請求項１に記載のボーリング孔を利用した原位置における地盤の液状化および動的特性試験方法。
【請求項３】
間隙水圧を測定して液状化を検証することを特徴とする請求項１又は２に記載のボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験方法。
【請求項４】
地盤に設けたボーリング孔内に挿入され該ボーリング孔の孔軸方向に区分される複数の室を有する測定用セルと、該測定用セルの複数の室内に満たされる圧力媒体に交互に圧力を加えて交互に膨張，収縮させる圧力調整手段と、前記測定用セルの交互に膨張，収縮する室によって圧縮される孔壁の土層の変位を検出するための変位検出手段と、を備えたことを特徴とするボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験装置。
【請求項５】
測定用セルには交互に膨張，収縮する室の中間に孔壁に対して静的な荷重を載荷する不動の中間室が設けられ、該中間室内に満たされる圧力媒体に静的な圧力を加える圧力調整手段が設けられていることを特徴とする請求項４に記載のボーリング孔を利用した原位置における地盤の液状化および動的特性試験装置。
【請求項６】
測定用セルには間隙水圧計が設けられている請求項４または５に記載のボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験装置。
【請求項７】
地盤に設けたボーリング孔の孔壁の一つの土層に繰り返し荷重を載荷して孔壁の変位を測定する試験方法であって、
繰り返し荷重は、孔軸を中心とする回転方向に載荷されるねじりせん断荷重であることを特徴とするボーリング孔を利用した原位置における地盤の液状化および動的特性試験方法。
【請求項８】
地盤に設けたボーリング孔の孔壁の一つの土層に繰り返し荷重を載荷して孔壁の変位を測定する試験方法であって、
繰り返し荷重は、孔軸と平行方向に載荷されるせん断荷重であることを特徴とするボーリング孔を利用した原位置における地盤の液状化および動的特性試験方法。
【請求項９】
地盤に設けたボーリング孔の孔壁の一つの土層に繰り返し荷重を載荷して孔壁の変位を測定する試験方法であって、
繰り返し荷重は、孔軸と直交する方向に載荷される圧縮荷重と、孔軸を中心とする回転方向に載荷されるねじりせん断荷重と、孔軸と平行方向に載荷されるせん断荷重の３つの荷重のうちの少なくとも２種類の荷重を組み合わせた組み合わせ荷重であることを特徴とするボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験方法。
【請求項１０】
地盤に設けたボーリング孔内に圧力媒体の圧力によって孔壁を押圧する測定用セルを挿入し、該測定用セルを孔壁に密接させた状態で孔軸回りに繰り返し荷重を載荷し孔壁の変位を測定することを特徴とするボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験方法。
【請求項１１】
地盤に設けたボーリング孔内に圧力媒体の圧力によって孔壁を押圧する測定用セルを挿入し、該測定用セルを孔壁に密接させた状態で孔軸と平行方向に繰り返し荷重を載荷して孔壁の変位を測定することを特徴とするボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、地震荷重，交通荷重、機械荷重等の繰り返し荷重が作用した場合の地盤の原位置での特性を検査するボーリング孔を利用した地盤の液状化および動的特性（強度，変形特性）試験方法および試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の地盤検査は、所定の深さまでボーリングをし、ボーリング孔内に測定用セルとしての検出ゾンデを降ろし、検出ゾンデを膨らませて孔壁に水平荷重を載荷し、荷重に対する孔壁の変位から地盤の静的な強度および変形特性を検出するようになっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の地盤検査では静的な特性を検出しているだけで、地震荷重，交通荷重，機械荷重等のような繰り返し荷重に対する地盤の強度や変形特性といった動的特性の評価をすることができなかった。地震の際には、地盤に加わる力が静的には破壊しない大きさであったとしても、徐々にあるいは急激に歪みが大きくなって破壊に至るものと考えられ、繰り返し荷重に対する地盤の特性を調査することはきわめて重要である。地震の際には地盤内には水平，上下およびねじり方向に複雑な力が作用するものと考えられ、このような複雑な力が作用した際の原位置での地盤の動的な特性を知ることはきわめて重要であるにも拘わらず、従来は原位置の地盤内で測定し評価する方法が確立されていない。
【０００４】
従来の液状化の判定方法としては、たとえば、地盤全体の特性傾向を判定するもの（特開平７−３７６０号参照）、地震発生時に液状化を検知するもの（特開平７−１０９７２５号公報参照）等があるが、いずれも地盤中の土層そのものの動的特性を直接的に試験するものではなかった。
【０００５】
土層自体の繰り返し荷重に対する動的な特性を知る方法としては、現在、ボーリングして乱さない状態での土のサンプルを採取し、これを試験室に持ち込んで土質試験をして求めている。しかしサンプルを乱さない状態（自然に堆積しているそのままの状態）で採取すること自体が非常に困難であるばかりでなく、採取したサンプルは地下の圧力がかかった状態でないこともあって、実際の自然状態での特性を求めることは不可能である。
また、非常に締まりのない砂層あるいは礫などを混入する土層、砂礫など粒径の大きい土層または風化岩、軟岩などの場合は乱さない状態でのサンプリングも不可能であり、したがって室内での土質試験は不可能である。
以上から現状では非常に限られた条件での特性しか直接的に求めることができないのが実情である。
【０００６】
本発明は、地盤の繰り返し荷重に対する動的な変形特性を直接知ることの重要性に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、乱さない状態での土のサンプルを必要とすることなく、原位置での地盤の動的な強度および変形特性を簡易な方法で得ることができるボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験方法および試験装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験方法は、地盤に設けたボーリング孔の孔壁の孔軸方向の複数の領域に交互に繰り返し荷重を載荷し孔壁の変位を測定することを特徴とする。
ここで、繰返し荷重とは、周期的に変動する荷重全体を含める意味で、比較的振動数が高い変動荷重（振動）から、手動でも操作できるようなゆっくりした変動荷重も含まれる。動的特性とは、繰り返し荷重を加えた際の荷重と変位の関係そのものであり、たとえば、繰返し荷重の大きさ，繰返し回数および変位の関係から変形特性を把握し、降伏荷重と破壊荷重といった強度および変形係数を求めたり、これらの結果を系統立てて解析をすることで土層の動的な特性を評価できる。また、間隙水圧を測定して液状化を検証することもできる。
【０００８】
繰り返し荷重が載荷されるボーリング孔の孔壁の複数の領域である上下段の土層の間に静的な荷重を載荷する中間土層を設け、上下段の土層に繰り返し荷重を載荷する繰り返し荷重載荷試験を行った後、中間土層に静的な荷重を載荷して中間土層の静的強度を測定することが好ましい。
このようにすれば、荷重の載荷領域の中間土層に孔軸と交差する方向のせん断力を交互に繰り返し作用させることが可能となり、土層に対して地震の際と同様の力を加えることができる。繰り返し荷重載荷試験を行った中間土層はもっともダメージを受ける部分であり、この部分に静的な圧縮荷重を載荷して静的な強度を測定すれば、どの程度ダメージを受けているか、その度合いを知ることができる。
また、ボーリング孔の孔壁の一つの領域に交互に振動または繰り返し荷重を載荷し、繰り返し荷重の大きさ，振動または繰返し回数および変位の関係から、地盤の動的特性を知ることもできる。繰り返し荷重は、孔軸を中心とする回転方向に載荷されるねじりせん断荷重と、孔軸と平行方向に載荷されるせん断荷重のうちの一つ、または孔軸と直交する方向に載荷される圧縮荷重と、孔軸を中心とする回転方向に載荷されるねじりせん断荷重と、孔軸と平行方向に載荷されるせん断荷重の３つの荷重のうちの少なくとも２種類の荷重を組み合わせた組み合わせ荷重である。
【０００９】
本発明のボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験装置は、地盤に設けたボーリング孔内に挿入され該ボーリング孔の孔軸方向に区分される複数の室を有する測定用セルと、該測定用セルの複数の室内に満たされる圧力媒体に交互に圧力を加えて交互に膨張，収縮させる圧力調整手段と、前記測定用セルの交互に膨張，収縮する室によって圧縮される孔壁の土層の変位を検出するための変位検出手段と、を備えたことを特徴とする。
測定用セルには交互に膨張，収縮する室の中間に孔壁に対して静的な荷重を載荷する不動の中間室が設けられ、該中間室内に満たされる圧力媒体に静的な圧力を加える圧力調整手段が設けられていることを特徴とする。測定用セルには間隙水圧計が設けられる。
また、他のボーリング孔を利用した原位置で地盤の液状化および動的特性試験方法は、地盤に設けたボーリング孔内に圧力媒体の圧力によって孔壁を押圧する測定用セルを挿入し、測定用セルを孔壁に密接させた状態で孔軸回りに繰り返し荷重を載荷し孔壁の変位を測定することを特徴とする。
さらに他のボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験方法は、地盤に設けたボーリング孔内に圧力媒体の圧力によって孔壁を押圧する測定用セルを挿入し、測定用セルを孔壁に密接させた状態で孔軸と平行方向に繰り返し荷重を載荷して孔壁の変位を測定することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
実施の形態１
図４は本発明の実施の形態１に係るボーリング孔を利用した原位置における地盤の液状化および動的特性試験方法が適用される試験装置の概略構成が示されている。
すなわち、ボーリング孔１００内に挿入され孔軸方向に第１，第２，第３室１１１，１１２，１１３の３室に区分され圧力媒体としての水等の液体が満たされた複数の加圧部を備えた測定用セルとしてのゴムゾンデ１１０と、このゴムゾンデ１１０の加圧部を構成する第１室１１１と第３室１１３の水に交互に圧力を加えて交互に膨張，収縮させる第１，第３圧力調整部１２１，１２３と、第２室１１２内の水圧を調整する圧力調整部１２２と、を備えている。
【００１１】
ゴムゾンデ１１０は、図２および図３に示すように、円筒形状の本体部１１４と、本体部１１４の外周に被着される可撓性部材である筒状のゴム部材１１５と、から構成されている。ゴム部材１１５は、第１，第２，第３室１１１，１１２，１１３の全長を覆い、第１室１１１と第２室１１２の境界部、第２室１１２と第３室１１３の境界部を締め付け部材１１６で締め付けて３室に区分してもよいし、第１，第２，第３室１１１，１１２，１１３の各室毎に取り付けてもよいし、種々の構造を選択することができる。以下、第１室１１１に対応するゴム部材を１１５Ａ，第２室１１２に対応するゴム部材を１１５Ｂ、第３室１１３に対応するゴム部材を１１５Ｃとする。これらゴム部材１１５Ａ，１１５Ｂ，１１５Ｃと第１室１１１，第２室１１２，第３室１１３により加圧部が構成される。
中間の第２室１１２（ゴム部材１１５Ｂ）の長さＬ２は、ほぼゴムゾンデ１１０の直径Ｄ程度に設定しておくことが好ましい。第２室１１２（ゴム部材１１５Ｂ）の長さＬ２があまり狭いと早い段階から破壊が始まるし、あまり広いと影響が出にくいからである。
また、第１，第３室１１１，１１３（ゴム部材１１５Ａ，１１５Ｃ）の長さＬ１，Ｌ３は、Ｄの１．５から２．５倍程度がよく、２倍程度が最適である。また、Ｄは５ｃｍから２０ｃｍ程度に設定することが好ましい。もちろん、寸法はこの寸法に限定されるわけではない。この程度の大きさにすれば、ゴム部材１１５の第１，第３室の１１１，１１３に対応するゴム部材１１５Ａ，１１５Ｃが球状に膨らみ、中間土層Ｊ２に対し上下から圧縮する方向の力が働く。
【００１２】
第１，第３圧力調整部１２１，１２３は、圧力源としての高圧のガスボンベ１２０Ａと、ガスボンベ１２０Ａから供給されるガスを定圧にして一定量貯留するガスタンク１２０Ｂと、ガスタンク１２０Ｂからの圧力で作動する水圧シリンダ１２１Ｃ，１２３Ｃと、を備えている。ガスタンク１２０Ｂと水圧シリンダ１２１Ｃ，１２３Ｃの間には圧力を逃がすバルブ１２１Ｅ，１２３Ｅと、圧力を供給するバルブ１２１Ｄ，１２３Ｄが設けられ、これらのバルブ１２１Ｄ，１２１Ｅ；１２３Ｄ，１２３Ｅを調整することで、ゴムゾンデ１１０の第１，第３室１１１，１１３に繰り返し圧力を加えるようになっている。
たとえば、バルブ１２１Ｄ，１２３Ｄを圧力制御弁とし、バルブ１２１Ｅ，１２３Ｅを閉じた状態で、バルブ１２１Ｄ，１２３Ｄによって水圧シリンダ１２１Ｃ，１２３Ｃに供給するガス圧を制御して、水圧シリンダ１２１Ｃ，１２３Ｃを介して第１，第３室１１１，１１３に交互に荷重を加えればよい。図４ではバルブ１２１Ｄ，１２３Ｄを手動バルブのシンボルで記載しているが、電気的に制御される圧力制御弁等、種々のバルブを適用可能である。試験終了後、バルブ１２１Ｅ，１２３Ｅを開いて水圧シリンダ１２１Ｃ，１２３Ｃからガス圧を抜く。この例では圧力媒体としては水であり、ゴム部材１１５Ａ，１１５Ｃは水圧によって膨張，収縮する。
【００１３】
第２圧力調整部１２２は水圧シリンダは設けないで、水３を地上の水タンク１２２Ｃ内に貯留し、水タンク１２２Ｃ内のヘッドスペースにガスボンベ１２２Ａから高圧ガスを供給して水タンク１２２Ｃ内の水を加圧し、圧力制御弁１２２Ｄによってこの高圧気体の圧力を制御している。もっとも、第１，第３圧力調整部１２１，１２３と同様に水圧シリンダを用いてもよい。
水圧シリンダ１２１Ｃとゴムゾンデ１１０の第１室１１１とは第１通路１３１により、水タンク１２０Ｃと第２室１１２とは第２通路１３２により、水圧シリンダ１２３Ｃと第３室１１３とは第３通路１３３により連通されている。これら第１，第２，第３通路１３１，１３２，１３３はゴムゾンデ１１０が取り付けられるボーリングロッド１４０に設けられる。
【００１４】
また、ゴムゾンデ１１０の第１室１１１，第３室１１３によって圧縮される上段土層Ｊ１，下段土層Ｊ３の変位を検出する変位検出手段として、水圧シリンダ１２１Ｃ，１２３Ｄに、ピストンの変位を検出する変位センサ１５１，１５２が設けられている。このピストンの変位からゴムゾンデ１１０のゴム部材１１５Ａ，１１５Ｃの変位量、すなわち孔壁の変位が測定される。
また、ゴムゾンデ１１０の第２室１１２によって圧縮される中間土層Ｊ２の変位を検出する変位検出手段として、水タンク１２２Ｃ内の水位の変化を検出する変位センサ１５３が設けられている。この水位の変位量から第２室１１２のゴム部材１１５Ｂの変位量、すなわち孔壁の変位が測定される。
さらに、ゴムゾンデ１１０の下端部には液状化の発生を検証するための間隙水圧計１５０が設けられている。この間隙水圧計１５０はセルの側面に設けてもよいが、孔壁に粘土膜があって水圧が測定できない可能性があるので、図３（Ｂ）に示すように、下端１１０Ｃ面側に設けることが好適である。また、下端面１１０Ｃにはゴムゾンデ１１０をボーリング孔１００内に降ろしていく途中でゾンデ１１０によって削られて土が付着する場合があるので、下端面の凹部１１０Ｄの奥に取付けることが望ましい。
【００１５】
次に、本実施の形態１についての試験方法について、図１を参照して説明する。
試験は、上下段の土層Ｊ１，Ｊ３に繰り返し荷重を交互に加えてその変位をリアルタイムで測定し、その後に中間土層Ｊ２の静的載荷試験を行って静的強度を測定する。
上下段個々の土層Ｊ１，Ｊ３への繰り返し荷重載荷試験は、予想される降伏荷重または非液状化限界荷重（Ｐｌ）をＮ段階に分けて載荷し、各荷重ごとプラスαの繰り返し荷重をｎ回または所定時間Ｔｎかけて、地盤の変位量ｒを測定し、各段階の繰り返し荷重載荷毎に中間土層Ｊ２の静的強度を測定する。
【００１６】
以下、具体的な試験手順を説明する。
ボーリング孔１００を検査すべき地層の深さまで掘削し、ボーリングロッド１４０によってゴムゾンデ１１０をボーリング孔１００内の所定深さ位置まで挿入し、以下の手順で試験を行う。
（１）試験の設定
ゴムゾンデ１１０の第２室１１２に圧力を供給して、中間土層Ｊ２に静的な圧縮荷重を載荷し、中間土層Ｊ２の初期強度を測定する。具体的には静的な状態での「荷重Ｐ〜変位ｒ曲線」を求める。
この時点で、ゴムゾンデ１が孔壁に密着して変位が安定する初期圧Ｐ０が求められる。予想される破壊荷重または非液状化限界荷重をＰｌとし、初期圧Ｐ０との差圧をＮ段階に分け、荷重増分（ΔＰ）＝（Ｐｌ−Ｐ０）／Ｎを決め、ゴムゾンデ１１０の第１室１１１，第３室１１３に各荷重段階で繰返し荷重をｎ回、または一定時間Ｔｎ交互に加えて試験する。繰り返し荷重載荷試験の前に、ゴムゾンデ１１０の第１室１１１，第３室１１３に初期圧Ｐ０を加えておく。
【００１７】
（２）第１荷重段階
第１荷重段階は、第１室１１１および第３室１１３に、Ｐ０〜Ｐ０＋αの大きさの繰り返し荷重をｎ回交互に載荷し、第１室１１１および第３室１１３に対応する上段土層Ｊ１および下段土層Ｊ３の変位を測定し、荷重と変位の関係をリアルタイムで監視しデータをコンピュータに蓄積し、グラフ化する。荷重段階は１０段階とし、繰り返し荷重を２０回または２０秒間を限度とする。この場合の載荷荷重は、図１（Ｅ）に示すような立ち上がりが急激な衝撃荷重とする。衝撃荷重は急激に立ち上がった後一定時間ｔ０荷重を維持して確実に土層を圧縮し、その後荷重が低下する。第１室１１１と第３室１１３の一方に荷重が加わる時には他方には荷重が加わらないように、交互に荷重が加えられる。荷重の低下開始時点は、他方の室への荷重の立ち上がり前とな
っているが、点線で記載したように他方の室への荷重立ち上がり時点と同時としてもよい。
上段土層Ｊ１の上下両端部および下段土層Ｊ３の上下両端部には圧縮とともにせん断力が作用し、特に中間土層Ｊ２については上下の土層Ｊ１，Ｊ３が交互に圧縮されることから揺れながらせん断力が作用することになり（図１（Ａ）〜（Ｃ）中の×印）、地震の際と同様のダメージが土層に加わる。ゴムゾンデ１１０の形状が、第２室１１２の長さＬ２がゴムゾンデ１１０の直径Ｄ程度となっているので、破壊に至る現象を適切に捉えることができ、第１，第３室１１１，１１３の長さＬ１，Ｌ３がＤの２倍程度となっているので、ゴム部材１１５Ａ，１１５Ｃが球状に膨らんで変位が大きくなり、しかも圧縮力の分力が直接中間土層Ｊ２に対して作用し、土層に対する荷重の影響を高めることができる。
（３）繰り返し荷重試験後、再び第２室Ｊ２に圧力を供給して中間土層Ｊ２に静的な圧縮荷重を載荷し、中間土層Ｊ２の強度測定を行い、初期強度からどの程度低下したかのデータを得る。
このサイクルを１サイクルとし、載荷荷重をΔＰ毎、順次大きくして繰り返し荷重載荷試験を行い、基本的には土層の破壊が生じるまで行う。
図５には、中間土層Ｊ２の静的強度試験の試験結果モデルを示している。
図５（Ａ）は、縦軸を中間土層Ｊ２に加える静的荷重Ｐ、横軸を時間としたグラフ、図５（Ｂ）は、縦軸を荷重を加えられた中間土層Ｊ２の変位ｒ、横軸を時間としたグラフである。また、図５（Ｃ）乃至（Ｆ）は、図５（Ａ），（Ｂ）に示す、各段階での中間土層Ｊ２の荷重と変位の関係を示すグラフである。
図５（Ａ），（Ｂ）に示すように、まず、繰り返し荷重載荷試験を行う前の中間土層の初期強度を測定する。
ゴムゾンデ１１０の第２室１１２のゴム部材１１５Ｂがボーリング孔１００の孔壁に密着するまでは圧力が上がらず変位だけが大きくなり、孔壁に密着すると圧力が急激に増大し、逆に変位の変化は小さくなって初期圧力Ｐ０に達し、荷重に対する変位の変化が安定する。この安定した領域で荷重をＰ０＋δまで増大させて変位を検出し、図５（Ｃ）に示すように、初期段階の中間土層の荷重−変位曲線（横軸を荷重、縦軸を変位）を作成する。この荷重−変位曲線の勾配を変形係数とする。測定後、荷重をＰ０（０）に戻す。荷重をＰ０に戻しても、中間土層Ｊ２に永久歪みが残るので、変位は元には戻らない。圧力増分δの大きさは、上下段土層Ｊ１，Ｊ３に加える繰り返し荷重の振幅の数分の１程度とし、荷重と変位の関係が分かる程度であればよい。
次に、上下段土層Ｊ１，Ｊ３に対して１回目の繰り返し荷重載荷試験を行なった後に、中間土層Ｊ１の静的な強度試験を行う。
圧力をかけても荷重Ｐ０はゴムゾンデのゴム部材１１５Ｂが初期圧力測定時の永久歪みの分だけ膨らむまで荷重が上昇せず変位だけが大きくなり、永久歪みを吸収した時点で圧力が急激に増大し、逆に変位の変化は小さくなって試験開始荷重Ｐ０（１）に達し、この安定した領域で荷重をＰ０（１）＋δまで増大させて変位を検出し、１回目の繰り返し荷重載荷試験後の中間土層の荷重−変位曲線を作成し（図５（Ｄ）参照）、グラフの勾配を変形係数とする。測定後、荷重を試験開始荷重Ｐ０（１）まで戻す。荷重をＰ０（１）に戻しても、中間土層Ｊ２に永久歪みが残るので変位は試験開始時点の変位まで戻らない。
以下、同様に上下段土層Ｊ１，Ｊ３の繰り返し荷重載荷試験後に、中間土層Ｊ２の静的強度試験を行う。弾性領域では、荷重−変位曲線から得られる変形係数はほぼ等しい。
何回目かの繰り返し荷重載荷試験後（ｋ回目）、中間土層Ｊ２が降伏状態となった場合には、まず、試験開始荷重（Ｐ０（ｋ））に達した後、（Ｐ０（ｋ）＋δ）まで荷重が増大するのに時間がかかり、なかなか荷重が上がらないで変位が大きく増大していく。この時の荷重−変位曲線は勾配が急になる（図５（Ｅ）参照）。
さらに、中間土層Ｊ２が破壊した場合（ｍ回目、図では降伏段階の次段として記載している）、荷重は破壊荷重Ｐｌをピークとして低下していき、地下水圧などのある圧力まで降下した時点で一定となる。変位は破壊荷重近くから急激に増大し（図５（Ｂ））、荷重−変位曲線は、図５（Ｆ）に示すように、圧力が低下してもさらに変位が増大するグラフ形状となる。
【００１８】
上段および下段土層Ｊ１，Ｊ３の繰り返し荷重に対する変位のデータ、および中間土層Ｊ２の静的荷重に対する変位のデータを合わせて、繰り返し荷重に対する動的な変形特性を判断し、降伏点や破壊点等の強度を求める。
また、土層の液状化はせん断力が上下から作用する中間土層Ｊ２で生じるものと想定され、液状化が生じると、図５に示す測定データの変位が急激に大きくなるので液状化が生じたことが分かる。また、間隙水圧計１５０による間隙水圧が一定となることによっても液状化を検証でき、液状化が生じたかどうかを２重に検証することができる。
このように、本実施の形態１によれば、上下段の土層への単純な圧縮荷重の交互載荷によってせん断力を中間土層に加えることができ、簡易な構成で、確実に、短時間に、かつ低コストで、精度の高い土層の動的特性試験を行うことができる。
【００１９】
上記実施の形態では、ゴムゾンデに静的な荷重を載荷する不動部を設けたが、不動部を設けないで上下の繰り返し荷重載荷部のみによって構成し、上下段土層の変形のみに注目してもよい。上下段土層の境界部にはせん断力が作用しており、液状化が発生すると上下段土層に波及するからである。
また、繰り返し荷重を上下２段としたが、上下３段以上としてもよく、その場合には各繰り返し荷重載荷部の中間に不動部を設ければよい。
【００２０】
実施の形態２
図６（Ａ）は本発明の実施の形態２に係る地盤の液状化および動的特性試験方法を説明するための試験装置の模式図である。
この実施の形態２では、地盤に設けたボーリング孔の孔壁の一つの土層に繰り返し荷重を載荷して孔壁の変位を測定する試験方法であって、 繰り返し荷重は、孔軸を中心とする回転方向に載荷されるねじりせん断荷重と孔軸と平行方向に載荷されるせん断荷重のうちの一つ、または孔軸を直交する方向に載荷される圧縮荷重と、孔軸を中心とする回転方向に載荷されるねじりせん断荷重と、孔軸と平行方向に載荷されるせん断荷重の３つの荷重のうちの少なくとも２種類の荷重を組み合わせた組み合わせ荷重とするものである。
まず、繰り返し荷重として、孔軸と直交する方向の圧縮荷重を載荷する場合について説明する。
試験装置は、地盤に設けたボーリング孔１００内に挿入されると共に圧力媒体としての水３などの液体が満たされた測定用セルとしてのゴムゾンデ１と、ゴムゾンデ１内の水３の圧力を周期的に変動させる圧力調整手段としての圧力制御弁５と、ゴムゾンデ１からの圧力による孔壁の変位を検出するための変位検出手段としての変位センサ８と、を備えている。
【００２１】
図示例では、水３は地上の水タンク２内に貯留され、水タンク２内のヘッドスペースに圧力供給部４から高圧気体を供給して水タンク２内の水３を加圧しており、圧力制御弁５はこの高圧気体の圧力を制御している。場合によっては、高圧気体の制御ではなく、水圧を直接調整する構成としてもよい。
また、水タンク２とゴムゾンデ１は連結管６によって連結されており、変位センサ８は、水タンク２の液面を検出し、液面高さから孔壁の変位が求められる。
変位検出手段としては、変位センサ８に限られず、水タンクに設けた目盛りによって目視で計測するようにしてもよい。
【００２２】
ゴムゾンデ１は縦方向には固定で横方向にのみ膨張収縮するようになっており、ボーリング孔１００の孔壁に密着するゴムチューブ等の中空の可撓性部材を備えている。
圧力供給部４は、たとえば、高圧窒素ガス等の圧力源と、圧力源から供給されるガス圧を一定に保つレギュレータバルブ等から構成される。圧力源としては、高圧ガスではなくコンプレッサ等を用いることもできる。
【００２３】
圧力制御弁５にはサーボ弁が用いられ、図６（Ｂ）に示すように、指令信号に応じて圧力を制御可能となっており、図７（Ａ）に示すように、所定の周期でもって圧力が変動するようにプログラムされたコンピュータ７からの制御信号に基づいて圧力制御弁５のバルブ駆動部５１を制御し、たとえばバルブの開度を変えることにより出力圧を周期的に変化させる。出力圧は圧力センサ５２によって検出され、サーボアンプ５３にフィードバックされ、指令信号に正確に追従するように制御される。
【００２４】
次に、上記試験装置による圧縮荷重を載荷する場合の試験手順を説明する。
原理的には、予想される降伏荷重または非液状化限界荷重（Ｐｌ）を何段階かに分けて載荷し、各荷重ごとプラスαの繰り返し荷重を繰返しかけて、地盤の変位量を測定する。以下、同様に載荷荷重を上げていき、地盤が破壊されるまで試験を続行し、繰り返し荷重の大きさと変位量の関係から、動的特性を求める。図示例では、繰り返し荷重は正弦波であるが、波形については限定されるものではないし、衝撃な荷重を加えてもよい。
繰り返し荷重の振動または繰返し回数としては、地震の振動または繰返し回数などを考慮して設定されるが、０．５〜５［Ｈｚ］程度、好ましくは１〜２［Ｈｚ］程度に設定することが好適である。
この実施の形態２では、動的特性の指標として、降伏荷重Ｐｙと破壊荷重Ｐｌそして変形係数を求める。
【００２５】
以下、具体的な試験手順を説明する。
（１）試験の設定
ゴムゾンデ１をボーリング孔１００の試験対象土層まで降ろし、ゴムゾンデ１が孔壁に密着して変位が安定するまでゴムゾンデ１に静的な圧力（乱れの要素の無い圧力）を加えて膨らませ、変位が安定した時点の圧力を初期圧Ｐ０とする。
予想される破壊荷重または非液状化限界荷重Ｐｌを設定し、初期圧Ｐ０との差圧をＮ段階に分け、荷重増分（ΔＰ）＝（Ｐｌ−Ｐ0）／Ｎを決め、各荷重段階で、繰返し荷重をｎ回、または一定時間Ｔｎ加えて試験する。
予想される破壊荷重または非液状化限界荷重は、試験目的に応じて、高く設定してもよいし、低く設定してもよく、必要に応じて任意に設定される。たとえば、重要な地盤の試験の場合には高く見積もって試験を行う。非液状化限界荷重とはこれ以上荷重をかけても液状化しないであろうと予想される荷重の意味であり、地盤に応じて判断される。
繰り返し荷重を載荷する回数，時間については種々設定可能であり、たとえば、地震の際の揺れている時間などを考慮して決められる。この例では荷重段階は１０段階とし、繰り返し荷重を２０回または２０秒間を限度として試験した。地震の際の揺れは２０秒程度であり、この程度かければ地震の際の地盤の特性が把握できるし、それ以上となると試験時間が長くなりすぎるからである。
【００２６】
（２）第１荷重段階
まず、繰り返し荷重（Ｐ0〜Ｐ０＋α）段階を２０回または２０秒間載荷し、それぞれの変位量を読み取る。繰り返し荷重のαはΔＰを越えない範囲とすることが好適で、αをほぼΔＰと等しくすることが好ましい。
【００２７】
（３）第ｋ荷重段階
以下、段階的に荷重を大きくして、試験を繰り返す。
たとえば、ｋ番目の荷重段階の場合には、荷重（Ｐｋ）を（Ｐ０＋（ｋ−１）＊ΔＰ）まで大きくし、繰り返し荷重（Ｐｋ＋α）を２０回または２０秒間載荷して変位を測定する。
このようにして測定したデータを、図７（Ｂ）にモデル的に示すようにグラフ化する。このグラフは各荷重段階での最終変位ｒ１，ｒ２，ｒ３・・・を記入している。
本実施の形態の場合、圧力センサによって読み取られたデータはコンピュータに読み込まれ、自動的にデータが処理され、降伏荷重Ｐｙと破壊荷重Ｐｌおよび変形係数を求める。変形係数とはグラフで見れば、降伏荷重Ｐｙに至るまでの直線部分の勾配である。
【００２８】
繰返し回数ｎが増えるに従って変位量ｒが増大し、これらの結果を系統立てて解析することで地盤の強度，動的変形特性を知ることができる。
すなわち、種々の土質の試験結果を比較しながら、液状化を起こし易いかどうか等の判定が可能となる。
砂質地盤の場合には急激に破壊され、荷重と変位の関係が急激に極限状態に陥る傾向がでると想定される。この急激な変化の度合いを見ることで液状化の度合いの判断も可能である。
また、粘土質地盤の場合、極限状態に陥る過程もややゆっくりと出ることが想定される。この傾向を見ることで動的特性の度合いの判定も可能である。
また、動的な繰り返し荷重を受けることで急激に強度の低下する性質の高い土ほど早く極限状態が現れ、強度低下率の度合いの判定も可能となる。
【００２９】
（４）  測定中での注目点
変位の変化に常に注意を払い、比例的な変化から変化が急になりだした時点を記録しておく。変位が急激に変化した時点を降伏状態として測定を終了するか、破壊荷重を確認して終了する。
ゴムゾンデ１の圧力をＰ０以下に戻してから、ゴムゾンデ１を引き上げる。引き上げる際の抵抗に注目する。引き抜くのが大変な場合は液状化して孔が崩れている可能性がある。
なお、上記実施の形態では、荷重と変位の関係をグラフ化しているが、図８（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、各荷重段階の繰返し回数ｎと変位ｒの関係をグラフ化して振動または繰返し回数に対する特性を評価することも可能である。このグラフは、各荷重段階での繰り返し荷重に対する変位のピーク値（繰り返し荷重の各ピーク値に対応する）をプロットしたものである。繰り返し荷重が加わる毎に徐々に土層に歪みが蓄積されて変位が大きくなっていく。図８（Ａ）乃至（Ｃ）の第１段，第２段，第３段の変位が増大する度合い（グラフの勾配）は等しく、降伏段階で変位の勾配が大きくなり（図８（Ｄ））、土層が破壊に至る段階では、図８（Ｅ）に示すように、変位が急激に変化する。このようなデータをとることにより、各土層の繰り返し荷重に対する強度，動的変形特性を知ることがで
きる。
また、荷重を加える時間と変位の関係をグラフ化してその特性を評価してもよく、必要に応じて種々の特性を求めることが可能である。
【００３０】
ねじりせん断振動試験を行う場合には、図６（Ａ）に示すように、測定用セル１を孔壁に密接させた状態で測定用セル１に孔軸回りに繰り返し荷重を加えるトルク発生装置９と、このトルク発生装置９によって加えた繰り返し荷重による孔壁の回転変位を検出する変位検出手段としての変位検出部１０と、を設ければよい。
【００３１】
また、せん断振動試験を行う場合には、図６（Ａ）に示すように、測定用セル１を孔壁に密接させた状態で測定用セル１に孔軸と平行方向に繰り返し荷重を加えるせん断荷重を加えるせん断荷重発生装置１１とせん断荷重による孔壁の軸方向変位を検出する変位検出手段としての変位検出部１２と、を備えた構成とすればよい。
上記トルク発生装置９およびせん断荷重発生装置１１としては種々の構成が可能であるが、油圧あるいは空気圧等の流体圧を用いた装置が好適であり、油圧や空気圧を利用したアクチュエータと、サーボ弁などの油圧あるいは空気圧制御弁によって構成することができる。
【００３２】
なお、上記実施の形態１，２では、ボーリング孔１００を垂直に掘った場合を例にとって説明したが、たとえば水平に掘る場合や、斜めに掘った場合についても適用可能である。
また、測定用セルとしては、ゴムゾンデ１１０，１の代わりに、金属製の載荷板を油圧等によって加圧するピストンジャッキ等を用いてもよく、土層に応じて適切な測定用セルが選択される。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、地下のサンプルを取り出すことなく、原位置で試験できるので、自然状態での土層の繰り返し荷重に対する強度および変形特性を求めることができる。
特に、非常にゆるい砂層あるいは礫などの混入でサンプリングが不可能な土層、砂礫層など粒径の大きい土層または風化岩、軟岩などでも測定が可能であり、利用範囲が広がる。
また、従来のサンプル試験に対して短時間で試験が可能なために、経済的である。
【００３４】
特に、ボーリング孔の孔壁の孔軸方向の複数の領域に交互に繰り返し圧縮荷重を載荷することにより、載荷領域の境界部に実際の地震の横揺れに似た形の繰り返しせん断力を加わえることができ、繰り返し圧縮荷重に対する特性と同時に、せん断力に対する特性についても試験することができる。液状化はせん断力によって生じやすくなるので、液状化の判定に有効である。境界部が崩れると圧縮荷重載荷領域にも液状化が拡がり、変位が大きく変化するため液状化が判定できる。
また、ボーリング孔の孔壁の一領域に繰り返し荷重をかける場合でも、データの解析手法により、種々の地盤の特性を検討できる。
この場合には、孔軸を中心とする回転方向に載荷されるねじりせん断荷重と、孔軸と平行方向に載荷されるせん断荷重のうちの一つ、または孔軸と直交する圧縮荷重とねじりせん断荷重と、孔軸と平行方向に載荷されるせん断荷重のうちの少なくとも２つの荷重を組み合わせた組み合わせ荷重を載荷して試験することにより、ねじられながら圧縮やせん断荷重が作用するような実際に即した繰り返し荷重に対する試験を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１（Ａ）乃至（Ｅ）は本発明の実施の形態１に係るボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験方法を示す説明図である。
【図２】  図２は図１のゴムゾンデの機能説明図である。
【図３】  図３は図２のゴムゾンデの概略構成図である。
【図４】  図４は本発明の実施の形態１に係るボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験装置の構成例を示す説明図である。
【図５】  図５（Ａ）乃至（Ｆ）は中間土層の静的強度試験の試験結果モデルを示すグラフである。
【図６】  図６（Ａ）は本発明の実施の形態２に係るボーリング孔を利用した原位置での地盤の液状化および動的特性試験装置の概略構成を示す図、図６（Ｂ）は圧力制御弁の制御構成を示す図である。
【図７】  図７（Ａ）は図６の圧力制御弁による出力例を示す図、同図（Ｂ）は図６の試験結果のモデルを示すグラフである。
【図８】  図８は図６の試験結果モデルの他のグラフである。
【符号の説明】
１  ゴムゾンデ（測定用セル）、２  水タンク（液体タンク）、３  水（液体）、
４  圧力供給部、５  圧力制御弁、６  連結管、
７  コンピュータ、
９トルク発生装置、１０  変位検出部、
１１  せん断荷重発生装置、１２  変位検出部
１００  ボーリング孔
１１０  ゴムゾンデ
１１１，１１２，１１３  第１，第２，第３室
１２１，１２２，１２３  第１，第２，第３圧力調整部
１１４  本体部、１１５  ゴム部材、１１６  締め付け部材
１２０Ａ  ガスボンベ、１２０Ｂ  ガスタンク
１２１Ｃ，１２３Ｃ  水圧シリンダ
１２１Ｄ，１２３Ｄ  バルブ
１２１Ｅ，１２３Ｅ  バルブ
１２２Ｃ  水タンク１２２Ｃ、１２２Ｄ  圧力制御弁
Ｊ１  上段土層、Ｊ２  中間土層、Ｊ３  下段土層
１５０  間隙水圧計
【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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【図８】
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