土木技術資料 59-2(2017)

特集報文：新たな地質・地盤分野の研究開発

飽和砂質地盤の原位置パイピング試験
日外勝仁・品川俊介・佐々木靖人
価する原位置試験方法の開発に取り組んできた。

1．はじめに 1

本稿では、河川堤防基礎地盤の浸透安全性評価

豪雨時の河川被災の重大な事象である破堤の原における対策の優先順位付けを目的に開発した、因として、越水、堤体浸食、堤体浸透などの堤体飽和砂質地盤を対象とした原位置パイピング試験の損傷に起因したものの他、堤体基礎地盤の浸方法について、その基本的概念、開発過程で行っ透･パイピングによる堤体の沈下･陥没1),2) がある。

本稿では特に、基礎地盤のパイピングに起因する堤防被災について検討する。
河川堤防の浸透安全性の評価においては、堤防のり尻部の局所動水勾配値に着目し、土粒子が動た実験結果を示すとともに、開発した試験装置及びその実施方法について述べる。

2． 飽 和 砂 質 地 盤 を 対 象 と し た 原 位 置 パ イ
ピ ング試験 の基本的 概念

くかどうかという理論基準を基に物性値のばらつ

本 試験 方法 は、 地盤 に近 接 して 2本 のボ ーリ ンきを考慮した安全側の値が照査基準 3) とされていグ孔を削孔し、一方から地盤に注水し、他方の孔る 。 その 基 準に よ ると 、直 轄 河川 堤 防の 3 割 以

内 水 位を 一定 に保 つこ とで 2孔 間の 動 水勾 配を 制上の区間が要対策と判定される。また別の調査に御する。そして動水勾配を段階的に大きくし、地よると、堤体漏水と基礎地盤漏水箇所の区間延長

盤内に設置した打ち込み式間隙水圧計の値の変化

比率は約 10：1 となっており 4) 、基礎地盤のパや孔内の様子を観測し、最終的に孔内でパイピンイピングに対し詳細調査を必要とする箇所が数

グ に より 2孔 間が 貫通 する ま での 注水 圧と 各種 のパーセント程度存在すると推定される。

観測結果から、地盤のパイピング抵抗性を把握す

実際のパイピング現象の進行は、土粒子のかみるものである。

合わせや拘束圧の影響、粘着力の作用など様々な要因によって支配されていると考えられる。そこ

本試験方法の特長は、次のようである。
①原位置で観測することから、地盤の構造を極力で、土砂の流出により引き起こされる基礎地盤下乱さない状態で試験が実施できる。のパイピング空洞の成長性、すなわちパイピング②河川堤防の基礎地盤の状況と同様に、川表側かのし易さ（パイピング抵抗性）を評価できれば、ら川裏 に向けて動水勾配をかけ 、水平方向に パ要対策箇所の優先順位付けに有効な手法が開発でイピングを進行させることができる。

きる可能性がある。

本方法を実用化することにより、原位置におけ土木研究所地質チームではこれまで、パイピンる地盤のパイピング抵抗性をピンポイントで把握

グメカニズムの解明を目的としてパイピングが進することができる。本方法を高精度な地盤調査行しやすい土質条件を明らかにするために室内模（ た と え ば 高 密 度 サ ウ ン デ ィ ン グ 8) や 高 分 解 能 の型実験を実施し、粒度構成や締固め度の違いによ物理探査など）と組み合わせることによって、真り パ イ ピ ン グ の 発 生 し やす さ が 異 な る こ と 5),6) 、に対策が必要な基礎地盤を抽出することが可能とパイピングの進行タイプに逐次進行破壊型と一気なる。

貫 通 破 壊 型 の 2つ が あ る こ と 4) や 、 X線 CTス キ ャナーを用いた観察によりパイピング進行過程を明らかにしてきた 7) 。また 、サンプリング試料に基3．ピット地盤におけるパイピング実験 9)
3.1 実験方法

づいた室内実験による評価には課題が多いことか

深さ 4m、幅 4m、奥行 3.5m のピットに、最ら、河川堤防基礎地盤のパイピングしやすさを評

大粒径 850μm に調整した川砂を締固め度 90％────────────────────────
An In Situ Piping Test for Sandy Saturated Groundで 120cm 築造し、パイピングの実験対象層とした。築造中、定位置に間隙水圧計を埋設するとと－ 8 －土木技術資料 59-2(2017)

もに試験を実施する深度にボーリング孔（注水孔に示す。水位の値は、試験開始時の初期値とした先端部及び注水孔・揚水孔のケーシング管）に見変化差分を表示している。また、パイピングの進立てた塩ビ管を 50cm 間隔で立て、さらにその上行段階を、①ボイリングの発生期、②パイピングに難透水層として粘性土を 75cm、さらにその上破壊の発生～パイピング空洞の拡大期、③水みち部に砂質土を 70cm 築造した。築造した地盤の断の形成期の 3 期に区分し、2 孔間の平均動水勾配、面構造及び注水孔、揚水孔と間隙水圧計の配置を間隙水圧の特徴的な変化、[注水量/注水位]（これ図 -1 に 示 す 。 注 水 孔 は 先 端 の 裸 孔 部 に 有 孔 管 をを「透水性指標」という）の変化、孔内カメラ観挿入し、そこから水平方向に注水する。また揚水察 結 果 と 、そ れ ら 計測 ･観 察 結 果 を総 括 し た現 象

孔は孔底を裸孔とし、孔底部分を通じて孔外から解釈などをまとめて図-2（下表）に示す。以下に水が浸透する。なお孔内水位は汲み上げによって実験の時系列に沿って、実験結果を考察する。

一定の深度に保った。

⓪ 現行の評価基準（動水勾配：0.5）

注水

計測・観察結果に目立った変化は認められない。

揚水：間隙水圧計

50cm

砂層
70cm
粘性土層
75cm

12.5cm間隔5cm（試験対象層）20cm
粒度調整砂層120cm① ボイリングの発生期（動水勾配：1.2）
揚水孔内の観察において、地盤中に含まれていたと思われる空気が小さな気泡となって孔底から上昇してきたことから、ボイリングが発生し、揚水孔底付近の地盤で乱れが発生し始めたものと判断 さ れ る 。 そ の 後 3 分 経 過 後 に 、 [揚 水 孔 か ら
5cm の間隙水圧値]が低下し始め、[揚水孔の間隙水 圧 値 ]に ほ ぼ 一 致 し た と こ ろ で 低 下 が 収 ま っ た 。

砂層
120cm

2 点間の水圧値の一致は、揚水孔近傍の 5cm 区間で地盤が乱され、ほぼ連続する粗の領域となったことを示すものと考えられる。

図-1

築造した地盤の断面構造と機器の配置②-1 パイピング破壊の発生期（動水勾配：1.6）

実験開始に当たっては注水孔先端部に見立てた土砂噴出による孔内水の濁りが揚水孔内の観察

塩ビ管をゆっくりと上部に引き抜き、裸孔となっで確認されたが、間隙水圧値には顕著な変化は認た注水孔先端部にストレーナー管とパッカーを組められなかった。その後揚水孔底において、土砂み合わせた注水試験機を挿入し、その後、砂質地噴出と沈静化が断続的に繰り返している状況が観盤を飽和させた。

察されたことから、この時点でパイピングによる注水は実験開始時の地下水位を基準に水位を土砂の移動が開始したものと判断される。

10cm 上昇させて 3 分間維持することを基本に段②-2 パイピング空洞の拡大期（動水勾配：2.2）

階的に水位を上昇させ、その時の注水流量、間隙土砂噴出の直後、急激な孔内水位の上昇が発生

水圧計や孔内水位の計測、カメラによる孔内観察し、揚水によりその後緩やかに水位が低下した。

を行った。各種計測や観測結果を踏まえ、特に変それまではほぼ一致していた[揚水孔から 5cm の化 が 認め ら れた 場 合は 同じ 水 位 を さ らに 3 分 間間 隙 水 圧 値 ]と [揚 水 孔 の 間 隙 水 圧 値 ]と の 間 に 差維持して経過を観察し、最終的にパイピングに異が認められるようになったこととあわせると、よ っ て 2 孔間 が貫 通 する ま で実 施 した 。 そし て

土砂噴出時に揚水孔底付近が閉塞したことを示唆

注水量、間隙水圧計の計測結果、孔内観察結果をする。[揚水孔から 12.5cm の間隙水圧値]や[揚水総合して局所的な透水性状の変化を推定し、パイ孔 か ら 25.0cm の 間 隙水 圧 値 ]に も同 傾 向の 起伏ピング進行段階を判定した。

が現れていることから、注－揚水孔間において、3.2 実験結果と考察比較的大きな破壊が発生し、透水性が一時的に変間 隙水 圧 等を 水 位換 算し た 値を 第 1 縦軸 、 透わる程度の空洞が形成したと推定される。またそ水性を意味する注水量を注水位で除した値を第 2の後、注水位の変化が、[揚水孔の間隙水圧値]に縦軸に示した実験の経時変化を図-2（上グラフ）まで影響を与えるまでになったことを示している。
－ 9 －土木技術資料 59-2(2017)③ 水みち形成期（動水勾配：2.8）
土砂噴出の後の急激な水位上昇と揚水による水位低下を頻繁に繰り返すようになる。揚水装置の4．実地盤における原位置パイピング試験 10)
4.1 試験装置の概要

不具合により生じた揚水孔の水位上昇の影響が、現地実験による試行錯誤を基に改良を重ね、現注水孔に近い[揚水孔から 37.5cm の間隙水圧値]

地地盤で施工可能な試験機を作り上げるともに、にまで現れている。また、注水量を注水位で除し観測機器の配置方法を確立した。開発した原位置

た透水性指標において、これまでのパイピング進パイピング試験の概要図及び試験状況をそれぞれ

行段階では、ほぼ増減なしか、同一の注水位にお図-3、4 に示す。

いて細粒分の水押しに伴う目詰まりと思われる現原位置パイピング試験装置は、大きく分けて、象によってやや減少傾向が見られる程度であった

注 水 部 、 揚 水 部 、 デ ー タ計 測 部 の 3つ か ら 構 成 さものが、明瞭な増加傾向を示すようになった。これる。装置の各部位の詳細を以下に示す。の透水性指標は、ダルシー則が成立していると仮(1) 注水部定すると、常に同じ値となる。この指標値が増加

注水部は、ボーリングによって施工される注水しているということは、試験対象地盤の透水性が孔 と そ の 中 に 設 置 さ れ る 注 水 試 験 機 （ 図 -5）、 注顕著に上昇している、すなわち、2 孔間に渡る一水試験機に水を供給する流量制御装置（図-6）及連の粗の領域である水みちが形成され、その規模び水槽からなる。注水孔のケーシング管は、試験（経路断面積）も拡大傾向にあると推定される。

地盤層に水を浸透させる部分にストレーナーの穴

その後、2 孔間を完全に空洞でつなぐパイピングが設けられており、孔壁を維持し、ケーシング管ホールが貫通し、その時点で注水を停止した。

内に土砂が流入しないように、穴を目の細かい金

図-2

パイピング進行段階と実験結果－ 10 －

土木技術資料 59-2(2017)

端部には水位センサーが内蔵されており、注水圧を計測できるようになっている。
流量制御装置は、注水圧が一定となるように自動で流量を制御する機能を有している。
(2) 揚水部
揚水部は、ケーシング管の底に試験地盤層が露出する形とし、パイピング試験の進行にともなって、土砂の吸い出しが生じ始める起点となる。また注水孔への注水により、試験箇所周辺の地下水位は上昇するが、揚水孔では自然水位（初期水位）に保つべく揚水が行われる。このため揚水には、土砂による管の目詰まりやエア噛みが生じな
図-3

いよう、チューブポンプを用いた。

原位置パイピング試験概要図(3) データ計測部
水位（水圧）センサーにより、注水孔では注水圧を、揚水孔では孔内水位を計測する。また注水孔 と 揚 水 孔 の 間 の 試 験 区 間 に お い て は 、 図 -7 に示す貫入式の間隙水圧計により、2 孔間を補間する複数地点の間隙水圧を計測する。孔内水位及び間 隙 水 圧 値 並 び に 注 水 量 は 、 図 -8 に 示 す 記 録 制
御装置によりデータを記録するとともに、各種計測値のほか、区間動水勾配や流量を注水圧で除した透水性指標値などの経時変化を表示パネル上で計測中に確認できる。
図-4

現地試験状況

また揚水孔には、水面直上に孔内カメラを設置し、土砂噴出による水の濁りや細かな気泡発生の有無など、パイピングの進行状況を把握する一手段としている。

(a)ケーシング管（フィルタ付き有孔部）

なお、貫入式間隙水圧計は、直径25mmで長さ50cmの ロ ッ ド を 8本 ま で 接 続 で き 、 深 度 4m以 浅
図-5(b)ダブルパッカー式注水試験機の間隙水圧を計測できる。また、図-7のように重注水孔ケーシング管及び注水試験機錘による手動の打ち込みが可能である。
4.2 作業工程
本試験法は、サンプリング試料による試験ではなく、現地の堆積構造や土粒子のかみ合わせや拘束状態を保ったまま、原位置で実際の堤防基礎地

戻し水
注水試験機
へ

ポンプから盤の水平方向の浸透状況を再現したパイピング試
験であることに大きな特徴がある。実証試験により明らかとなった実施上の数多くの課題を踏まえ

図-6

流量制御装置た、できる限り地盤を乱さない原位置パイピング

属製フィルターで保護している（図-5(a)参照）。

試験孔作成の留意点を以下に示す。

注水試験機は、ダブルパッカー式になっており、試験孔の設置にあたっては、回転掘削時の注水ケ ー シン グ 管の 有 孔部が 2 つ の パッ カー の 間に

孔 ケ ー シ ン グ 管 の フ ィ ル タ ー 部 （ 図 -5(a)参 照 ）位置するように設置される。また、注水試験の下への粘土分付着による目詰まりや、打撃あるいは－ 11 －

土木技術資料 59-2(2017)

おうとすると、上記のように地盤が乱される。そこでサンプラーによる土砂除去に代わる工法として、孔底に土砂が残った状態で孔内注水後に攪拌し、泥水化させてから排水することで、管内下部の土砂を除去しながら孔内洗浄を兼ねる合理的な工法を開発した。しかしながら本工法をもってしても、時間の経過とともに生じる揚水孔底の地盤隆起やボイリングは避けられないため、施工後すぐに試験を開始する。
注水孔削孔時には、有孔部を設けたケーシング
図-7

管 を 使 用 す る 。 有 孔 部 に は 目 開 き 150μm の 金

貫入式間隙水圧計（4ｍ）

網を貼り付けることで、孔壁を最大限保持しながら地盤への注水が可能である。有孔部の先端は50cm の無孔部とし、上述のようにケーシング管を先行挿入し、先端部に土砂を残しながら掘削する。そのことで、ストレーナー部の地質をサンプラーで引き上げて確認することができる。地質を確認しながらストレーナー位置を微調整すること

流量区間動水勾配で、狙った層へのピンポイントの注水が可能とな孔内水位る。土質性状を直接確認した孔を注水孔とできる

透水性指標(流量／注水圧)

間隙水圧

ことで、層相の側方変化が激しい河川堆積物においても計画通りの注水試験が行えるだけではなく、

図-8

記録制御装置と表示画面

土質性状確認のための別孔は必要なくなるため、バイブレーション貫入時の振動による液状化を可削孔による地盤の乱れが少しでも抑えられる。

能な限り回避するため、クローラー搭載型ボーリ

4.3 パイピング抵抗性の評価方法

ング機の油圧機構を用い、刃先付きケーシング管

図 -2 で 示 し た よ う に 、 原 位 置 パ イ ピ ン グ 試 験を静的圧入する方法を標準工法と定め、バイブロにおいて観測される各種情報からパイピング進行の使用は最小限に留める。また、地盤の透水性状段階を推定できることから、その段階に至ったとに与える影響を少しでも抑えるために無水掘りときの動水勾配値を、パイピング抵抗性の評価指標する。

値とする方法を提案する。評価に必要となる観測

実際にパイピングが想定される透水性の高い飽

項目、試験方法、進行段階の確認方法、及びパイ和砂質地盤でボーリング掘削を行う際には、サンピング特性の評価方法を以下にとりまとめる。

プラー引き上げ時にサンプラー下端部で土質コア(1) 観測項目が即座に切断されずに、発生した負圧により孔底



注水孔水位、揚水孔水位、注水量、揚水量

周辺の土砂が孔内に引き込まれ、地盤が乱される



2 孔間に設置する貫入式間隙水圧計の値ことがある。その防止として、ケーシング掘りで

揚水孔水面のカメラ観察

ケーシング管を先行挿入した後に、管内の土砂を(2) 試験方法

管底に 50cm 程度残るようにサンプラーで採取除① ボーリングを 2 孔掘削去することとした。その結果、土砂自体の重量と② 2 孔で注/揚水することで、水平浸透を再現

土砂と管との摩擦力の和によって、ケーシング管③ 注水孔では注水位を段階的に上昇内の土砂移動を抑制することができる。

④ 揚水孔は揚水により水位一定に管理

また、揚水孔ではケーシング管内の土砂を管底⑤ 注 水 量 、 地 盤 の 間 隙水 圧 の 測 定 、 揚 水 孔内まで全て取り除く必要があるが、地下水位下の緩カメラ観察により、パイピングの進行状況

い砂質地盤では、サンプラーによる土砂除去を行を判定－ 12 －

土木技術資料 59-2(2017)⑥ パ イ ピ ング の 進 行段階 ご と の 動水 勾 配 値 を 、参考文献

地盤のパイピング抵抗性の評価指標とする

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19542） 矢部川堤防調査委員会：矢部川堤防調査委員会報告書、国土交通省九州地方整備局筑後川河川事務所
ホ ー ム ペ ー ジ 、 2013 、 http://www.qsr.mlit.go.jp/chikugo/site_files/file/torikumi/01plan_course/tyo
sa/saisyu/houkokusyo.pdf
3） 国土交通省河川局治水課：河川堤防設計指針、p.6、
国土交通省ホームページ、https://www.mlit.go.jp/river/shishin_guideline/bousai/gijyutukaihatu/pdf/
teibou_sekkei.pdf
4） 土 木 研 究 所 地 質 チ ー ム ：河川 堤 防 の 基 礎 地 盤 の 透
水 特性 調査 手法 に関 する 研究 、土 木研 究所 平成 22年 度 重 点 プ ロ ジ ェ ク ト 研 究 報 告 書 、 24p.、 土 木 研
究所ホームページ、2011、http://www.pwri.go.jp/
jpn/results/report/report-project/2010/pdf/pro-23.pdf5） 中 川 清 森 、 吉 田 直 人 、 品川俊 介 、 佐 々 木 靖 人 ： 河川 堤 防 基 礎 地 盤 の パ イ ピング 進 行 に 対 す る 抵 抗 性に 関す る室 内実 験、 第45回地 盤工 学会 研究 発表会
発表講演集、pp.889～890、20106） 中 川 清 森 、 品 川 俊 介 、 吉田直 人 、 日 外 勝 仁 、 佐 々木 靖 人 ： 河 川 堤 防 基 礎 地盤の パ イ ピ ン グ 抵 抗 性 に関す る室内実 験（その 2）、第 46回地盤 工学研究 発表会発表講演集、pp.999～1000、20117） 菅 原 雄 、 日 外 勝 仁 、 品 川 俊 介 、 佐 々 木 靖 人 ： X線CTスキャナを用いたパイピング進行過程の観察、
第 43回土 木学 会関 東支 部技術 研究 発表 会論 文集、Ⅱ-82、20168） 品 川 俊 介 、 日 外 勝 仁 、 佐々木 靖 人 ： 土 層 強 度 検 査
棒 に よ る 河 川 堤 防 基 礎 地盤の 高 密 度 サ ウ ン デ ィ ン
グ 調 査 、 第 1回 地 盤 工 学 か ら 見 た 堤 防 技 術 シ ン ポジウム委員会報告・講演概要集、土木学会、
pp.64～65、20139） 日 外 勝 仁 、 品 川 俊 介 、 佐々木 靖 人 ： 河 川 堤 防 基 礎
地 盤 の パ イ ピ ン グ 抵 抗 性評価 の た め の 原 位 置 パ イピ ング 試験 方法 の開 発、 第43回 土木 学会 関東 支部
技術研究発表会論文集、Ⅱ-81、201610) 日外 勝仁 、品川 俊介 、佐 々木 靖人： 河川 堤防 基礎
地 盤 を 対 象 と し た 原 位 置 パイ ピ ン グ 試 験 方 法 の 開
発 、第 51回地盤 工学研 究発表 会講演集 、 pp.947～948、2016(3) 進行段階の確認方法① ボ イ リ ン グ の 発 生 ：泡 の 発 生 の 観 察 と 揚水孔近傍の間隙水圧の低下② パ イ ピ ン グ 破 壊 の 発生 ： 水 の 濁 り や 土 砂噴
出の観察
③ 水みちの形成：透水性指標の増加の確認(4) パイピング特性の評価②ないし③時点の動水勾配値により、パイピング抵抗性の評価が可能

5．まとめ
河川堤防基礎地盤の浸透安全性評価における対策の優先順位付けを目的に、飽和砂質地盤を対象とした原位置パイピング試験方法を考案した。そして実際に現地で実験可能な装置を開発するとともにその実施方法、評価方法を提案した。
な おこ れ らの 試 験方 法に 関 して 3 件 の特 許 の出願を行った。また今後、パイピングの進行段階の把握について、現地実験により再現性の確認を行うとともに、これらの成果を「河川堤防基礎地盤 の パ イ ピン グ 特 性調 査マ ニ ュ ア ル 」（ 仮 称 ）として公表する予定である。
謝

辞
特許技術（特開2016-217043）の開発にあたっては、元土木研究所研究員（現：国土交通省関東地方整備局下館河川事務所）吉田直人氏、元土木研究所交流研究員（現：株式会社地圏総合コンサルタント）中川清森氏のご協力を得ました。また、現地実験に際しては国土交通省下館河川国道事務所のご協力を得ました。ここに謝意を表します。

日外勝仁

研究当時 土木研究所地質・地盤研究グループ地質チーム主任
研究員、現 土木研究所寒地土木研究所寒地基礎技術研究グ
ループ防災地質チーム主任研究員、博（工）Dr. Katsuhito AGUI

品川俊介

土木研究所地質・地盤研究
グループ地質チーム 主任
研究員
Shunsuke SHINAGAWA－ 13 －佐々木靖人

土木研究所地質・地盤研究
グループ地質チーム
上席研究員
Yasuhito SASAKI