新しい地盤調査法のすすめ

ＣＰＴ（電気式静的コーン貫入試験）による地盤調査

2002 年 5 月（初編）
2010 年 9 月（改訂）株式会社 タカラエンジニアリング

１. ＣＰＴ（Cone Penetration Testing）の概要
日本の地盤調査法は、地盤ボーリングと標準貫入試験（写真-1.1）をもとに土質柱状図とＮ値グラフを作成する。ボーリング孔内より不攪乱試料を採取して室内土質試験をおこない土の物理・力学特性値を求める。ボーリング孔を利用して地下水の性状、地盤の変形特性、地盤の弾性波速度等を求めるのが一般的手法となっています。
地盤は複雑なので、よい設計・施工を行うためには綿密な地盤調査が必要ですが、ボーリング調査法はこのように手間が（コストも）掛かるので、十分な調査が行えていないケースも多いと思います。
ＣＰＴ（写真-1.2）は、電気式コーンを静的に貫入して地盤の抵抗や間隙水圧等のデータを連続的に採取する調査法です。これらのデータ分析から土質柱状図、換算Ｎ値、物理・力学特性を求めます（図-1.1）。また、地盤の透水係数、弾性波速度も同時に求めることもできます。ＣＰＴはボーリング調査と比べて調査・試験速度は数倍、コストは半分以下とコストパフォーマンスが高く、欧米では主要な地盤調査法となっています。
山地から海岸までの距離が短い我が国では、玉石や砂礫層の介在する場合があるので、ＣＰＴのみでの調査を完結することは難しいかもしれませんが、ボーリング調査と上手に組み合わせることにより、調査の低廉化と高度化を進めることができます。

写真-1.1 ボーリング（標準貫入試験）

写真-1.2 ＣＰＴ（電気式静的コーン貫入試験）

図-1.1 ＣＰＴ調査例

２. ＣＰＴを利用するメリット
ボーリング柱状図は１ｍ毎、30cm 長さの土質試料を観察して作成するのに対し、ＣＰＴによる土質柱状図は数 cm ピッチの機械的データをコンピュータ処理して作成するので、ヒューマンエラーや薄層を見落とすこともありません。
Ｎ値では正当な強度評価ができないような軟弱地盤も適切に評価できます。
地盤の物理・力学特性を連続的に評価できるので（図-1.1）、室内土質試験、原位置試験の省略によるコストダウンが可能です。
地下水位、透水係数、弾性波速度(Ｐ波、Ｓ波)等のデータ採取も同時進行できるので、ボーリング孔による原位置試験より時間・コストを大きく節約できます。

３. ＣＰＴの規格
ＣＰＴ（国内基準では「電気式静的コーン貫入試験」）は、地盤工学会基準（JGS 1435-2003）で定められており、コーンは鋼製で先端角 60°、先端部の底面積 10 ㎝ 2、間隙水圧測定用フィルターはコーンが直線になる位置から he＝33mm 以内に設置、コーンの外径はｈ＝300mm まで同じとする。貫入速度は 20±5mm/sec、データの取り込みは貫入量 100mm 以下の間隔で行うことが規定されています。

図-3.1 コーンの形状と寸法実施に用いる電気式コーンは、オランダの GeoMil、Fugro、スウェデンの Geotech、米国のVertec 社などのもので、コーン構造は一般に図-3.2 のようになっています。
貫入装置は、20mm/sec の一定速度で貫入するように設定されています。貫入深さの測定は、貫入装置に取り付けられた変位計により貫入量をデータロガーに取り込む装置となっています。データ取り込みは貫入量 20mm 毎と JGS の規格（100mm）より十分細かくできます。

図-3.2 電気式コーンの構造

４. ＣＰＴの解析と利用
4.1 データから得られる情報
電気式静的コーン貫入試験から得られるデータは先端抵抗(ｑｃ)、周面摩擦(ｆs)、ならびに間隙水圧(ｕ)です。この値を既往の研究成果と対比することにより、次の情報を把握することができます。
１）

地盤の土層構成

２）

土の分類

３）

相対密度（Ｄr）

４）

換算Ｎ値

５）

非排水せん断強度（Ｃu）または一軸圧縮強度（ｑu）

６）

細粒分含有率（Ｆc）

７）

過圧密比（OCR）

さらに、コーン貫入中に発生する間隙水圧の消散 TEST を行うことにより、次の情報も得ることができます。

８）

地下水位の位置９）

土の圧密係数（Cv）

10）

透水係数（K）

4.2 先端抵抗の補正コーンには、間隙水圧測定のためのフィルターが設置されています。貫入時にフィルター部分に間隙水圧ｕが作用するため、測定される先端抵抗に影響を与えます。このことから、測定先端抵抗は、間隙水圧の影響を考慮して補正した値を用います。

⎛ A ⎞qt = qc + u ⎜⎜1 − N ⎟⎟AT ⎠⎝

(4-1)

ここで

ｑt ： 補正先端抵抗（kPa）
ｑc ： 測定先端抵抗（kPa）
ｕ ： 間隙水圧（kPa）
ＡＮ ： フィルター部分を除いた有効断面積
ＡＴ ： コーン本体の断面積
図-4.1 先端抵抗補正概念図
砂質土は透水性が高くｕの値も小さいのでｑc とｑt のいずれを用いても実用上問題とはなりませんが、粘性土の場合、ｑc 値が小さくｕの値は大きいので、式（4-1）による補正が必要となります。

4.3 地下水位
一般に、透水性の高い砂質土では間隙水圧と静水圧が等しくなります。したがって、貫入時に測定した間隙水圧より地下水位が求まります。透水性の低い粘性土の場合は、間隙水圧の消散を待つことにより静水圧を求めることができます。

4.4 間隙水圧消散 TEST
間隙水圧消散 TEST は、任意の深度でコーンの貫入を一時停止して、過剰間隙水圧の消散状況を測定します。通常、間隙水圧の少なくとも 50 パーセントが消散するまで測定を継続します。この時間 t50 は、地層の側方圧密係数と透水係数によって支配されます。
間隙水圧消散試験結果は、縦軸に総間隙水圧を、横軸に測定経過時間を対数軸としたグラフ上に示します。間隙水圧は、消散試験を十分長い時間実施すれば、静水圧に収束します。

4.5 土質分類
Robertson は三成分コーンの詳細なデータ分析から、基準化した先端抵抗Ｑt と、コーン周面摩擦比Ｆr を用いて土質分類チャートを図-4.2 のように提案しています。

Qt =qt −σvoσ'voFr =fs× 100
qt −σvo(4-2)

ここでＱt：基準化した先端抵抗
Ｆr：コーン周面摩擦比 (%)
ｆs ：周面摩擦（kPa）
ｑt ：補正された先端抵抗値（kPa）
σvo ：総土被り圧力（kPa）
σvo’：有効土被り圧（kPa）
式(4-2)式によって得られたＱt とＦr の交点を図 3-2 から求め、その交点が含まれる領域の番号が、土質性状タイプを示す番号となります。

図-4.2

土質分類チャート

4.6 換算Ｎ値
換算Ｎ値は Robertson や Jefferies＆Davies らによって提案されている他、日本では實松、鈴木、時松らによっても提案（4-3 式）されています（日本建築学会構造系論文集第 566 号）。

N c = 0.341I c

1.94(qt − 0.2)(1.34 + 0.0927 I ){（4-3）cI c = (3.47 − log Qt ) + (log Fr + 1.22)
Qt =Fr =}2 0.52(qt − σ v )σv'

fs⋅ 100(qt − σ v )ここで

Ｎc：換算Ｎ値
Ｉc：土質分類指数
Ｆr：コーン周面摩擦比 (%)
Ｑt：基準化した先端抵抗σvo：総土被り圧力 （kPa）
ｑt：補正先端応力（kPa）σ’vo：有効被り圧力 （kPa）
ｆs：周面摩擦抵抗 （kPa）

4.7 非排水せん断強さ（ Ｓu ）粒径が細かく飽和した土の非排水せん断力の評価は、支持力理論にもとづいた次式で評価されるのが一般的です。

q − σ vo
Su = tN kt

20(4-4)

15Ｓｕ：非排水せん断強さ（kPa）

Nkt

ここで
久里浜
八郎潟
出 雲
桑 名
扇 島
東 雲
玉 野

10ｑt：補正された先端抵抗値（kPa）

5σｖｏ：総有効土被り圧
Ｎｋt：コーン係数
コーン係数Ｎｋt は、図-4.3（地盤調査法 地盤工学会より転載）に0050100150
塑性指数 Ip200

図-4.3 わが国の海成粘土で得られたコーン係数 kt(せん断強さを qu/2 で求めた場合)（田中ら）

示す範囲にあります。

4.9 細粒分含有率
鈴木、實松、時松らにより、式 4-5 が提案されています（日本建築学会構造系論文集第 566号）。

Fc = I c

4.2(4-5){I c = (3.47 − log Qt ) + (log Fr + 1.22)}

2 0.52

ここで

Ｆc：細粒分含有率 （％）
Ｉc：土質分類指数
Ｑt：基準化した先端抵抗
Ｆr：コーン周面摩擦比 (%)

4.10 過圧密比（ OCR ）の評価
現在土が受けている応力が、今までに受けたことがある応力の最大値であるなら、土は正規圧密状態といえます。過圧密状態の地盤とは、土が経験した最大の応力より現在の応力が小さい状態をいいます。過圧密比（ OCR ）は土の過圧密状態の程度を決定するために使われる値で、以下に定義されます。

OCR =′ ) max(σ vo(4-6)σ vo′

ここで′ )max : 土が経験した最大有効垂直土被り応力( σ vo′ ＝ 現在の有効垂直土被り応力
σ vo
過圧密土の場合、ＯＣＲ＞１となる。

′ )max ＝( σ vo′ )であるからＯＣＲ＝ １となる。
正規圧密土の場合、( σ voＣＰＴより OCR を求める方法として、Robertson,2009 は、式 4-7 を提案しています。

OCR = 0.25(Qt )

1.25

ここで

Ｑt：基準化した先端抵抗(4-7)