貫入試験方法
【課題】本発明は、ロッドの周面摩擦を考慮してスクリューポイントに負荷される荷重と回転時の回転負荷トルクとを検出する貫入試験方法に関する。
に関するものである。
【解決手段】 本発明は、所定深度単位で貫入ロッド４に複数の荷重を負荷し、これら各荷重Ｗａと、これに対応する回転負荷トルクＴａとを検出し、これらＷａ，Ｔａから当該所定深度毎に貫入ロッド４を引き上げて回転させたときのトルクＴｒｍに基づいて算出されるロッド４ａの周面摩擦を除外して、スクリューポイント４ｂに負荷される荷重Ｗと回転負荷トルクＴを算出することを特徴とする。
に関するものである。
【解決手段】 本発明は、所定深度単位で貫入ロッド４に複数の荷重を負荷し、これら各荷重Ｗａと、これに対応する回転負荷トルクＴａとを検出し、これらＷａ，Ｔａから当該所定深度毎に貫入ロッド４を引き上げて回転させたときのトルクＴｒｍに基づいて算出されるロッド４ａの周面摩擦を除外して、スクリューポイント４ｂに負荷される荷重Ｗと回転負荷トルクＴを算出することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロッドとその先端に取付けられるスクリューポイントから成る貫入ロッドに荷重を負荷して、地中に貫入する時の荷重と回転時の回転負荷トルクとを検出する貫入試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地盤の硬軟や締まりの程度を知る手段として、その地盤の地層構成、即ち地表からある深さまでの土質の調査が行われている。このような土質の調査は一般にボーリング調査による標準貫入試験方法を用いて行われるが、その前段、または比較的深度の浅い部分の土質を判定する方法の一つにスウェーデン式サウンディング試験方法がある。このスウェーデン式サウンディング試験は、ロッドに取り付けられたスクリューポイントを地盤に貫入する際、その抵抗を計測することによってその地盤の硬軟を測るものである。貫入方法は、非特許文献１(ＪＩＳ Ａ１２２１ 地盤工学会)に示されるとおり、備え付けの錘により最大１ＫＮまで６段階で荷重を加えて荷重のみで所謂自沈貫入を行う荷重段階と、最大荷重１ＫＮにおいてもロッドが貫入しない場合に、その荷重下でロッドないしスクリューポイントを回転させて所謂回転貫入を行う回転段階との２段階で構成される。貫入抵抗に対応する計測項目は、荷重段階ではスクリューポイントが所定深度貫入した時点（２５ｃｍ貫入毎）での荷重(Ｗｓｗ)、回転段階では貫入量１ｍ当りに換算されたスクリューポイントの半回転数(Ｎｓｗ)である。
【０００３】
しかしながら、上記スウェーデン式サウンディング試験においては、土質採取が難しいため土質判別を行いにくいことや、試験結果の解釈に経験的な技術・能力を必要とする等の欠点がある。特に後者に関しては、Ｎｓｗ(半回転数／ｍ)が応力や荷重の単位を有していないため、もう一つの計測項目であるＷｓｗ（Ｎ）との関係が不明確である点が指摘されている。つまり、荷重段階で得られるデータと回転段階で得られるデータに関連性がなく、自沈貫入地盤と回転貫入地盤の強度について相対的な比較ができない等の問題があった。例えば、Ｎｓｗが５０である粘土層とＷｓｗが１０００Ｎである粘土層とを比較してみると、Ｎｓｗを得る回転貫入は、Ｗｓｗである１０００Ｎの荷重をロッドないしスクリューポイントに負荷した状態で行うため、この場合Ｎｓｗが５０である粘土層の方が、Ｗｓｗが１０００Ｎである粘土層よりも硬く締まっているという性状は把握できる。しかし、強度的にどうかということまでは比較判定することができない。つまり、定性的に硬軟の関係を把握することはできても、定量的にそれらの強度を比較することはできないのである。このことは、今後、集積された試験結果から地盤沈下量との関係を求めようとする場合、あるいは試験結果の高度な利用を図る場合の障壁となる可能性が大きい。
【０００４】
上記課題に鑑みて創成された従来の貫入試験方法として、特許文献１（特開２００７−３２１３８５号公報）に示すものがある。この貫入試験方法は、所定深度単位で貫入ロッドに複数の異なる荷重を負荷し、ロッドに作用する鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとスクリューポイントに負荷される荷重Ｗとの合力Ｗａと、ロッドに作用する水平方向の周面摩擦Ｔｆとスクリューポイントの回転負荷トルクＴとの合力Ｔａとを取得し、これら合力ＷａとＴａとの関係を求め、これを予め各種土質について得られた判定基準と比較して土質を判定するものである。これにより、従来のスウェーデン式サウンディング試験のように荷重と回転とによってロッド等を地中に貫入して試験データを得る貫入試験において、荷重と回転の双方の試験データに関連性を持たせ、これらを総合的に評価して土質を判定することが可能になる。このため、従来の自沈貫入地盤（Ｗｓｗで評価された地盤）と回転貫入地盤（Ｎｓｗで評価された地盤）という概念もなくなり、試験後のデータ処理を簡素化できるとともに、将来的に試験結果の解析や高度利用を図る場合の不具合も解消することができる等の利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３２１３８５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】日本工業規格Ａ１２２１ スウェーデン式サウンディング試験方法
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記貫入試験方法では、本来、周面摩擦ＷｆとＴｆはロッドだけに作用する値でなければならはいはずが、スクリューポイントの周面に付着した土砂の影響により、スクリューポイントに作用する周面摩擦を含む値を取得してしまう問題があった。特に、粘土層ではスクリューポイントの周面に土砂が付着して一体になって回転するので、このような問題が顕著に発生していた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、ロッドとその先端に取付けられるスクリューポイントから成る貫入ロッドに荷重を負荷して、地中に貫入する時の荷重と回転時の回転負荷トルクとを検出する貫入試験方法において、所定深度単位で貫入ロッドに複数の荷重を負荷し、これら各荷重Ｗａと、これに対応する回転負荷トルクＴａとを検出し、これらＷａ，Ｔａから当該所定深度毎に貫入ロッドを引き上げて回転させたときのトルクＴｒｍに基づいて算出されるロッドの周面摩擦を除外して、スクリューポイントに負荷される荷重Ｗと回転負荷トルクＴを算出することを特徴とする。
【０００９】
また、前記スクリューポイントに負荷される荷重Ｗとロッドに負荷される鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとの合力Ｗａと、スクリューポイントに作用する回転負荷トルクＴとロッドに作用する水平方向の周面摩擦Ｔｆとの合力Ｔａとを取得し、これら合力ＷａとＴａとの関係を求め、これを予め各種土質について得られた判定基準と比較して土質を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ロッドに作用する周面摩擦は貫入ロッドを引き上げて一回転させたときの回転トルクに基づいて算出される。これにより、引き上げ時にスクリューポイントの周面に付着した土砂が除去されて、回転時にはスクリューポイントの周面には土砂が付着していない状態になり、ロッドに作用する周面摩擦だけを算出することができる。そのため、貫入ロッドが地中に貫入する時の荷重と回転時の回転負荷トルクから、ロッドの周面摩擦を除去すれば、スクリューポイントだけに作用する荷重と回転負荷トルクを得ることができるので、試験データの信頼性が向上する。
【００１１】
また、ロッドに作用する鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとスクリューポイントに負荷される荷重Ｗとの合力Ｗａと、ロッドに作用する水平方向の周面摩擦Ｔｆとスクリューポイントの回転負荷トルクＴとの合力Ｔａとを取得し、これら合力ＷａとＴａとの関係を求め、これを予め各種土質について得られた判定基準と比較して土質を判定することにより、ロッドの周面摩擦を確実に考慮した土質判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の斜視図である。
【図２】本発明を係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の拡大側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に係る拡大断面図である。
【図４】本発明を係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の要部拡大一部切欠断面図である。
【図５】各条件下における回転負荷トルクを示すグラフである。
【図６】土質の判定基準を得るための実験データに関する説明用グラフである。
【図７】土質の判定基準を得るための実験データに関する説明用グラフである。
【図８】土質の判定基準を得るための実験データに関する説明用グラフである。
【図９】土質の判定基準を得るための実験装置の概略説明図である。
【図１０】土質判定基準の一例を示すグラフである。
【図１１】土質判定基準の他の一例を示すグラフである。
【図１２】地中に貫入した貫入ロッドに作用する周面摩擦の説明用概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１ないし図４において、１は自動貫入試験機であり、立設された支柱２に沿って昇降可能な昇降台３を有する。この昇降台３には、棒状のロッド４ａの先端にスクリューポイント４ｂを連結した先端に連結された貫入ロッド４と、この貫入ロッド４を一体に保持可能なチャックユニット５と、このチャックユニット５を回転駆動するチャック用モータ６と、前記支柱２の長手方向に伸びて配置されたチェーン部材２ａに噛合するスプロケット７と、このスプロケット７を回転駆動する昇降用モータ８と、前記スプロケット７の回転を制動するブレーキ手段９と、質量調整用のおもり３ａ・・とが装備されている。これらの装備の質量と昇降台３の質量の合計質量が貫入ロッド４に載荷されると、貫入ロッド４には最大１ＫＮの荷重がかかる。前記チャック用モータ６、昇降用モータ８およびブレーキ手段９は、制御ユニット１０によって駆動制御される。
【００１４】
前記チャックユニット５は昇降台３に回転自在に配置されている。このチャックユニット５の下部とチャック用モータ６の出力軸６ａとには、それぞれスプロケット１１，１２が一体に固定されており、これらに環状チェーン１３を巻き掛けることで両者は連結されている。また、チャックユニット５側のスプロケット１１の歯に対向する位置には、このスプロケット１１が回転する時の歯の通過を検出してＯＮ／ＯＦＦする近接センサ（図示せず）が設けられている。この近接センサの信号は前記制御ユニット１０によって取得され、制御ユニット１０は、この信号から貫入ロッド４の半回転数を割り出すように構成されている。
【００１５】
前記スプロケット７は、昇降用モータ８と一方向クラッチ１４および前記ブレーキ手段９を介して連結されており、一方向クラッチ１４の作用で、昇降台３を上昇させる方向にスプロケット７を回転させるよう昇降用モータ８が駆動した時、これがスプロケット７に伝達されるようになっている。逆方向にスプロケット７を回転させる昇降用モータ８の駆動（以下、逆駆動という）は、一方向クラッチ１４の空転を生じる。このため、スクリューポイント４ｂが地盤に接している状態で昇降用モータ８が逆駆動すると、貫入ロッド４（ロッド４ａないしスクリューポイント４ｂ）には、昇降台３等の質量による荷重が負荷される。この荷重は、ブレーキ手段９がスプロケット７を制動する力を変更することで０Ｎから最大荷重１ＫＮまで自在に変更することができる。なお、ブレーキ手段９としてはパウダブレーキまたはパウダクラッチが好ましい。
【００１６】
本自動貫入試験機１では、貫入ロッド４先端のスクリューポイント４ｂが地表に接する位置から貫入試験をスタートする。この位置までは、制御ユニット１０に備えられたマニュアル操作ボタンを押して昇降用モータ８を逆駆動し、昇降台３を下降させる。この位置からスタートボタンを押して試験スタート信号を与えると、制御ユニット１０は自動で貫入ロッド４の地中への貫入制御を開始する。すなわち、制御ユニット１０は試験スタート信号の入力を受けて、昇降用モータ８を逆駆動するとともに、チャック用モータ６を回転させる。これにより、貫入ロッド４に昇降台３等の質量による荷重を負荷し、これらを回転させながら地中に貫入する。
【００１７】
試験中、制御ユニット１０は、貫入ロッド４の半回転数を割り出す。また、ブレーキ手段９を制御し、貫入ロッド４に負荷される荷重を最小荷重２００Ｎから２００Ｎ刻みで最大荷重１ＫＮまで短時間で増加させ、１ＫＮになると再度２００Ｎの荷重から２００Ｎ刻みの荷重増加を繰り返す。そして、各荷重下で貫入ロッド４にかかる回転負荷トルクを取得する。貫入ロッド４にかかる回転負荷トルクは、チャック用モータ６に負荷する電流値に比例するため、本例では、チャック用モータ６の負荷電流値から回転負荷トルクを得る。さらに制御ユニット１０は、スプロケット７の回転を検出するロータリエンコーダ１５の信号からスプロケット７の回転回数を算出し、これからスクリューポイント４ｂの貫入深度を算出するとともに、単位時間当たりの貫入深度からスクリューポイント４ｂの貫入速度を割り出す。この貫入深度が２５ｃｍ増加する間を１区間として、各区間毎の荷重変化、各荷重下での回転負荷トルクおよび各区間での半回転数が試験データとして制御ユニット１０に自動的に記憶される。これにより、所定深度単位で貫入ロッド４に異なる荷重を負荷し、各荷重毎の回転負荷トルクを複数取得することができる。また、２５ｃｍ貫入する毎に貫入ロッド４を１ｃｍ引き上げて１回転させて、トルク（Ｔｒｍ）を計測する。このトルク（Ｔｒｍ）は、詳細を後述するロッド４ａの周面摩擦の算出の際に使用する。例えば、貫入ロッド４が２５ｃｍ貫入する間に２００Ｎ〜１ＫＮの荷重変更が５サイクル行われた場合、各荷重に対応する回転負荷トルクが１サイクルで５個、合計で２５個取得される。制御ユニット１０は、以上の処理を繰り返し行って所定深度（例えば、地中１０ｍの深度）までスクリューポイント４ｂを貫入する。なお、貫入試験中、貫入ロッド４のロッド４ａは、必要に応じて上部のねじ部４ｃに延長用ロッド（図示せず）を螺合して延長する。
【００１８】
本自動貫入試験機１は、前述の荷重に対応する回転負荷トルクについて塑性論アナロジーモデルを適用して、試験データを処理する。塑性論アナロジーモデルとは、土の応力とひずみの関係を与える構成則と同じ枠組み(アナロジー)を利用し、構造物の荷重と変位との関係を記述する数学モデルのことである。構造物に負荷される荷重には鉛直荷重やモーメント、水平荷重などがあるが、構造物の破壊時の荷重はその他の荷重の組み合わせによって変化する。塑性論アナロジーモデルでは、このような組み合わされた荷重の大きさを降伏曲面として記述するとともに、これらの荷重にそれぞれ対応する変位増分を塑性ポテンシャル関数を用いて記述するものである。スウェーデン式サウンディング試験や本例で紹介する貫入試験のような荷重と回転とを与えて貫入ロッドを地中に貫入する試験は、荷重段階の鉛直荷重に加えて回転段階における回転負荷トルクをその作用荷重とする試験であるので、塑性論アナロジーモデルを適用できる組み合わせ荷重の問題の一つであるといえる。
【００１９】
そこで、こうした貫入試験についての塑性論アナロジーモデルを構築すると以下のようになる。まず、スクリューポイントに負荷される荷重段階の荷重Ｗと回転段階の回転負荷トルクＴによる仕事増分δＥは、
【数１】
と表すことができる。ここでδｎｈｔは半回転数の増分、δｓｔは貫入量の増分である。数１を自沈荷重Ｗｐとスクリューポイントの最大直径Ｄとの積を用いて正規化すると、
【数２】
となる。ここでＴｎは正規化トルク、Ｗｎは正規化荷重である。また、数２の結果から後述する塑性ポテンシャルの適用においては、ＴｎとδｎｈｔおよびＷｎとδｓｔ／Ｄがそれぞれ同軸性を有するものと判断している。
後述する実験結果から、貫入試験で得られる回転負荷トルクと荷重による降伏曲面は、原点に中心を有する楕円で表記できることが確かめられている。そこで、この降伏曲面の形状を決定する降伏曲面係数ｃｙを用いて、
【数３】
と表す。この数３を数２を用いて表すと、
【数４】
が得られ、これを整理すると、降伏曲面は次のような別形式で表すことができる。
【数５】
塑性ポテンシャル関数についても降伏曲面と同様な楕円形状を有するものと仮定すると、
【数６】
と表せる。ここでｃｐは塑性ポテンシャル係数であり、これが前記ｃｙに等しい時には関連流れ則が成立する。数５を微分することにより塑性ポテンシャル関数に直交する方向を求めると、
【数７】
となる。ここで１ｍ貫入量当りの半回転数Ｎｓｗにスクリューポイント最大径Ｄを乗じたＮｓｗＤを正規化Ｎｓｗと定義する。
【００２０】
図５に、各条件下（Ａ，Ｂ，Ｃ）における深度毎の回転負荷トルクの変位を示す。Ａは削孔を施していない地盤に貫入ロッドを回転貫入したとき、スクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクを示すグラフであり、当該スクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクは、貫入ロッド４の回転負荷トルクから、貫入ロッド４を引き上げて検出したロッド４ａの周面摩擦を除去して算出している。Ｂも、削孔を施していない地盤に貫入ロッド４を回転貫入したとき、スクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクを示すグラフであり、当該スクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクは貫入ロッド４の回転負荷トルクから、貫入ロッド４を引き上げずに検出したロッド４ａの周面摩擦を除去して算出している。一方、Ｃは、スクリューポイント４ｂの最大径よりも小さく，かつロッドの径よりも大きく開口した削孔に貫入ロッド４を回転貫入して、このときの貫入ロッド４の回転負荷トルクの変位を示す。従って、Ｃは、貫入ロッド４の周囲に抵抗がない状態で回転貫入するため、貫入ロッド４の回転負荷トルクは、スクリューポイント４ｂの回転負荷トルクと見なすことができる。これらＡ，Ｂ，Ｃを比較すると、Ａの方がＣの値に近く、つまりロッド４ａの周面抵抗を確実に除去していることが確認できる。
【００２１】
図６ないし図８に粘土の土質サンプルについて行った実験の解析結果を示す。実験は、粘土について作製した実験用人工土層により行った。実験用人工土層は、図９に示す直径２８ｃｍ高さ５０ｃｍの円形土槽Ｂの下部に排水層として砂と砂利を敷き詰め、その上から含水比ｗ＝５０％に調整した藤ノ森粘土Ｃを投入し、この粘土Ｃの透水性を高めるために２４時間真空ポンプを用いて脱気し、その後、上部から約２０ｋＰａを段階的に載荷させ下部は−１００ｋＰａに減圧させて圧密を行うことにより得た。
【００２２】
実験装置は、図９に示すようにロッド２０、おもり２１、ベアリング付きおもり載荷装置２２、スクリューポイント２３、トルク計２４から構成されている。ここでスクリューポイント２３は、実物の１／５の大きさになるように銀粘土を用いて作製したもので、四角錘を右に一回ひねった形状をしており最大径６．７ｍｍ、長さ４０ｍｍである。
【００２３】
実験方法は、まずロッド２０の先端にスクリューポイント２３とおもり載荷装置２２を取り付け、ロッド２０が鉛直に貫入されるように固定する。次に初期のおもり２１を載荷し、自沈（荷重のみでの貫入）が停止してからそのときの貫入量を測定する。一方、最大荷重を載荷しても自沈しない場合はトルク計２４を用いて回転貫入する。この方法で５ｃｍ毎の自沈荷重または回転負荷トルクを得ながら、スクリューポイント２３を２５ｃｍの深さまで貫入する。スクリューポイント２３が２５ｃｍの深さまで貫入すると、一旦引き抜き、最大荷重を変えて同様の方法で試験を繰り返す。これを最大荷重を例えば４０Ｎ，８０Ｎ，１２０Ｎ，１６０Ｎ，２００Ｎの５段階に変化させて行うことにより、同一深度（５ｃｍ毎）における自沈荷重または異なる荷重での回転負荷トルクを得ることができる。これらの（πＴ／Ｄ）２，Ｗ２の深度毎の関係をプロットしたものが図６である。この図６における傾きが降伏曲面係数ｃｙ、Ｘ軸切片が自沈荷重Ｗｐとなる。これにより得られた各深度での自沈荷重Ｗｐ、最大荷重Ｗ、回転負荷トルクＴを数４に代入し、πＴ／ＷｐＤ，Ｗ／Ｗｐの関係をプロットしたのが図７であり、図中の実線は、数４に降伏曲面係数ｃｙを代入して算出した理論値を示す。理論値と実験値を比較すると、いくらかばらつきが見られるものの、理論値のような楕円形の降伏曲面の存在が確認できた。また、図８は、前述の粘土地盤について得た荷重Ｗおよび回転負荷トルクＴを用いて、数７における正規化Ｎｓｗと、πＴ／ＷＤの関係をグラフ化したものである。
【００２４】
図１０は、前述の粘土地盤と同様の方法で関東ローム、中密砂、密な砂の各土質サンプルについて作製した実験用人工土層に対して実験行い、その結果から求めた降伏曲面を粘土地盤のものと一緒に同一スケールでプロットした図である。これにより、降伏曲面は各土質において異なる形状を示すことがわかる。このように、各土質について求めた降伏曲面を基準として、これと実際の地盤（以下、実地盤という）での試験において求まる降伏曲面の形状とを比較することで、土質の判定を行うことが可能である。なお、降伏曲面については、楕円形に限定されず土質によって様々な形状を成すと考えられる。このため、土質の判定基準となる土質毎の降伏曲面は、様々な土質サンプルによる実験や実地盤における実測等により、できるだけ多くの種類を揃えておくことが好ましい。
【００２５】
また図１１は、関東ローム、中密砂、密な砂の実験結果から求めた数７における正規化Ｎｓｗと、πＴ／ＷＤの関係を粘土地盤のものと一緒に同一スケールで表したものである。この関係においても土質毎に異なった傾き、すなわち塑性ポテンシャル係数ｃｐを示すことから、このグラフを土質判定の基準として用いることもできる。また、次の表１は、以上の実験結果から得られた粘土、関東ローム、中密砂、密な砂についての降伏曲面係数ｃｙと塑性ポテンシャル係数ｃｐとをまとめたものである。これらについても、土質により異なった値となることがわかる。このため、実地盤における貫入試験により荷重Ｗと回転負荷トルクＴを取得し、これらから上記数３ないし数７を使って各係数ｃｙ，ｃｐを求め、これらを予め実験で得られた基準値と比較することによっても土質を判定することが可能である。
【表１】
【００２６】
実地盤における貫入試験においては、貫入ロッド４を地中に貫入する場合にロッド４ａの長さが長くなるため、これに作用する土の抵抗が大きくなる。従って、前述の塑性論アナロジーモデルによる分析を実際の貫入試験へ適用する場合には、ロッド４ａに作用する周面摩擦の影響を考慮する必要がある。図１２は、貫入ロッド４に作用する周面摩擦の概念図を示す。ロッド４ａに作用する鉛直方向の周面摩擦をＷｆ、水平方向の周面摩擦によるトルクをＴｆ、スクリューポイント４ｂに負荷されている荷重をＷ、回転負荷トルクをＴとした場合、周面摩擦を考慮した荷重Ｗａおよび回転負荷トルクＴａ（実際に貫入ロッド４に負荷される荷重と、検出される回転負荷トルク）は 数８，数９で表される。
【数８】
【数９】
また、ロッド４ａに作用する周面摩擦Ｗｆ，Ｔｆを算出するには、２５ｃｍ貫入する毎に貫入ロッド４を１ｃｍ引き上げて、その最の回転トルクＴｒｍを計測する。このときの最大せん断力は、次式で表される。
【数１０】
さらに、合速度方向と合せん断応力の方向が等しいと仮定すると数１１および数１２が得られる。
【数１１】
【数１２】
ここで、δｎｈｔは回転数、δｓｔは貫入量、ｒはロッド径、τは合せん断応力、τθは水平方向のせん断応力、τｚは鉛直方向のせん断応力である。
一方、回転および自沈貫入により生じる摩擦をそれぞれＴｆ，Ｗｆとすると、数１３が得られる。
【数１３】
この数１３より、
【数１４】
が得られ、続いて、この数式１４より、
【数１５】
が得られ、数１２，１３および数１４から、
【数１６】
となる。ここで、Ｆは荷重およびトルクによる周面摩擦Ｗｆ，Ｔｆの合力である。数７、数８および数１５より、
【数１７】
また、数９および数１７より、
【数１８】
となり、この数１８をＮｓｗＤについて解くと、
【数１９】
となる。この数１９により、ロッド４ａの周面摩擦を考慮した正規化Ｎｓｗを得ることができる。正規化Ｎｓｗを土質判定の基準として用いる場合には、この周面摩擦を考慮した正規化Ｎｓｗを用いるのがよい。また、上述の降伏曲面を求める場合にも、スクリューポイント４ｂに作用している荷重Ｗと回転負荷トルクＴを用いた方がよい。この場合には、特開2001-228068号公報によって示される方式により、スクリューポイント４ｂにかかる荷重Ｗを求めることができる。さらに、前述した貫入ロッド４を１ｃｍ引き上げて計測したロッド４ａの水平面周面摩擦Ｔｆと実測された回転負荷トルクＴａとを数８に代入すればスクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクＴを求めることができる。このようにしてロッド４ａに作用する周面摩擦による荷重やトルクを除外したスクリューポイント４ｂに本来作用している荷重Ｗと回転負荷トルクＴを求め、これらを用いることにより、より正確な降伏曲面を求めることができる。
【００２７】
本自動貫入試験機１による貫入試験で試験データとして得られた荷重と回転負荷トルクは、前記荷重Ｗａと回転負荷トルクＴａに相当するものである。よって、試験データの処理において制御ユニット１０は、まず、貫入深度２５ｃｍ単位で貫入ロッド４に負荷される各荷重Ｗａと、これに対応する回転負荷トルクＴａとから、当該貫入深度２５ｃｍ毎に貫入ロッド４を１ｃｍ引き上げて１回転させたときのトルクＴｒｍに基づいて算出されたロッド４ａの周面摩擦の影響を除外し、スクリューポイント４ｂに負荷される荷重Ｗ、回転負荷トルクＴを求める。そして、これらから数５を用いて降伏曲面係数ｃｙと自沈荷重Ｗｐを求める。なお、制御ユニット１０は貫入ロッド４の貫入速度を常に監視し、荷重を増加していく中で自沈が生じたと判断した場合は、その荷重を維持し、そのまま２５ｃｍの区切り深度まで貫入した場合は、この自沈を生じた荷重を自沈荷重Ｗｐとする。
【００２８】
制御ユニット１０は、以上のようにして得られた自沈荷重Ｗｐと、試験データである各荷重値Ｗおよび各荷重値に対応する回転負荷トルクＴを数４に代入してπＴ／ＷｐＤ，Ｗ／Ｗｐを算出するとともに、数４に降伏曲面係数ｃｙを代入して理論値を算出する。そして、これらπＴ／ＷｐＤ，Ｗ／Ｗｐおよび理論値をプロットした降伏曲面を作成し、これを液晶パネル１０ａに表示出力したり、プリンタ１０ｂに印刷出力するなどして作業者が視認可能に出力する。作業者においては、出力された降伏曲面グラフを前述の実験等により得られた土質毎の基準降伏曲面グラフの形状と比較することにより、土質を判定することができる。このように各区間（貫入深度２５ｃｍ毎）の降伏曲面を得ることにより、スクリューポイント４ｂを貫入した深度全般に渡って荷重と回転負荷トルクの統一的な分析結果を得ることができる。また、グラフ形状の比較によって各区間での土質の判定が可能となるため、必ずしも経験的な技術・能力を十分に備えない者であっても、正確な土質判定を行うことが可能になる。このことは、例えば地盤調査に十分な知識を持たない個人住宅の施主等においても、分析結果から土質や地盤強度の把握がこれまで以上に容易になることも意味する。
【００２９】
なお、以上の説明では貫入ロッド４に負荷する荷重を段階的に変動させ、スクリューポイント４ｂが２５ｃｍ貫入する毎の各荷重下での回転負荷トルクを取得するようにしているが、これ以外にも、次の方法で所定深度毎の異なる荷重に対する回転負荷トルクを取得してもよい。すなわち、ロッドを所定深度（例えば２５ｃｍ）毎貫入する間は、通常のスウェーデン式サウンディング試験方法に従って自沈貫入および回転貫入を適宜行って貫入ロッド４を地中に貫入する。そして、スクリューポイント４ｂが所定深度貫入する毎に一旦荷重を０（ゼロ）にし、ここから荷重を２００Ｎ，４００Ｎ，６００Ｎ，８００Ｎ，１ＫＮまで（ただし、所定深度貫入する間、自沈貫入であった場合は、その自沈貫入が起きる最大の荷重まで）増やし、各荷重毎に貫入ロッド４を回転させて回転負荷トルクを得る。これによって得られた荷重および各荷重に対応する回転負荷トルクによっても、前述の降伏曲面や正規化Ｎｓｗの関係図を得ることが可能である。
【００３０】
また、制御ユニット１０については、得られた試験データから正規化ＮｓｗとπＴ／ＷＤの関係を示すグラフを作成し、これを作業者が視認可能に出力するように構成してもよく、これによっても、前述の降伏曲面を用いる場合と同様、スクリューポイント４ｂを貫入させた深度全般に渡って荷重と回転負荷トルクとによる統一的な分析結果を得ることができるとともに、土質判定や試験結果の解釈の専門性を緩和することができる。さらに、スクリューポイント４ｂの貫入深度２５ｃｍ単位の各荷重Ｗａと、これに対応して検出される回転負荷トルクＴａとをスクリューポイント４ｂに負荷される荷重Ｗ、回転負荷トルクＴとみなして試験データの処理を行ってもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１ 自動貫入試験機
２ 支柱
２ａ チェーン部材
３ 昇降台
４ 貫入ロッド
４ａ ロッド
４ｂ スクリューポイント
５ チャックユニット
６ チャック用モータ
７ スプロケット
８ 昇降用モータ
９ ブレーキ手段
１０ 制御ユニット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロッドとその先端に取付けられるスクリューポイントから成る貫入ロッドに荷重を負荷して、地中に貫入する時の荷重と回転時の回転負荷トルクとを検出する貫入試験方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、地盤の硬軟や締まりの程度を知る手段として、その地盤の地層構成、即ち地表からある深さまでの土質の調査が行われている。このような土質の調査は一般にボーリング調査による標準貫入試験方法を用いて行われるが、その前段、または比較的深度の浅い部分の土質を判定する方法の一つにスウェーデン式サウンディング試験方法がある。このスウェーデン式サウンディング試験は、ロッドに取り付けられたスクリューポイントを地盤に貫入する際、その抵抗を計測することによってその地盤の硬軟を測るものである。貫入方法は、非特許文献１(ＪＩＳ Ａ１２２１ 地盤工学会)に示されるとおり、備え付けの錘により最大１ＫＮまで６段階で荷重を加えて荷重のみで所謂自沈貫入を行う荷重段階と、最大荷重１ＫＮにおいてもロッドが貫入しない場合に、その荷重下でロッドないしスクリューポイントを回転させて所謂回転貫入を行う回転段階との２段階で構成される。貫入抵抗に対応する計測項目は、荷重段階ではスクリューポイントが所定深度貫入した時点（２５ｃｍ貫入毎）での荷重(Ｗｓｗ)、回転段階では貫入量１ｍ当りに換算されたスクリューポイントの半回転数(Ｎｓｗ)である。
【０００３】
しかしながら、上記スウェーデン式サウンディング試験においては、土質採取が難しいため土質判別を行いにくいことや、試験結果の解釈に経験的な技術・能力を必要とする等の欠点がある。特に後者に関しては、Ｎｓｗ(半回転数／ｍ)が応力や荷重の単位を有していないため、もう一つの計測項目であるＷｓｗ（Ｎ）との関係が不明確である点が指摘されている。つまり、荷重段階で得られるデータと回転段階で得られるデータに関連性がなく、自沈貫入地盤と回転貫入地盤の強度について相対的な比較ができない等の問題があった。例えば、Ｎｓｗが５０である粘土層とＷｓｗが１０００Ｎである粘土層とを比較してみると、Ｎｓｗを得る回転貫入は、Ｗｓｗである１０００Ｎの荷重をロッドないしスクリューポイントに負荷した状態で行うため、この場合Ｎｓｗが５０である粘土層の方が、Ｗｓｗが１０００Ｎである粘土層よりも硬く締まっているという性状は把握できる。しかし、強度的にどうかということまでは比較判定することができない。つまり、定性的に硬軟の関係を把握することはできても、定量的にそれらの強度を比較することはできないのである。このことは、今後、集積された試験結果から地盤沈下量との関係を求めようとする場合、あるいは試験結果の高度な利用を図る場合の障壁となる可能性が大きい。
【０００４】
上記課題に鑑みて創成された従来の貫入試験方法として、特許文献１（特開２００７−３２１３８５号公報）に示すものがある。この貫入試験方法は、所定深度単位で貫入ロッドに複数の異なる荷重を負荷し、ロッドに作用する鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとスクリューポイントに負荷される荷重Ｗとの合力Ｗａと、ロッドに作用する水平方向の周面摩擦Ｔｆとスクリューポイントの回転負荷トルクＴとの合力Ｔａとを取得し、これら合力ＷａとＴａとの関係を求め、これを予め各種土質について得られた判定基準と比較して土質を判定するものである。これにより、従来のスウェーデン式サウンディング試験のように荷重と回転とによってロッド等を地中に貫入して試験データを得る貫入試験において、荷重と回転の双方の試験データに関連性を持たせ、これらを総合的に評価して土質を判定することが可能になる。このため、従来の自沈貫入地盤（Ｗｓｗで評価された地盤）と回転貫入地盤（Ｎｓｗで評価された地盤）という概念もなくなり、試験後のデータ処理を簡素化できるとともに、将来的に試験結果の解析や高度利用を図る場合の不具合も解消することができる等の利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３２１３８５号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】日本工業規格Ａ１２２１ スウェーデン式サウンディング試験方法
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記貫入試験方法では、本来、周面摩擦ＷｆとＴｆはロッドだけに作用する値でなければならはいはずが、スクリューポイントの周面に付着した土砂の影響により、スクリューポイントに作用する周面摩擦を含む値を取得してしまう問題があった。特に、粘土層ではスクリューポイントの周面に土砂が付着して一体になって回転するので、このような問題が顕著に発生していた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、ロッドとその先端に取付けられるスクリューポイントから成る貫入ロッドに荷重を負荷して、地中に貫入する時の荷重と回転時の回転負荷トルクとを検出する貫入試験方法において、所定深度単位で貫入ロッドに複数の荷重を負荷し、これら各荷重Ｗａと、これに対応する回転負荷トルクＴａとを検出し、これらＷａ，Ｔａから当該所定深度毎に貫入ロッドを引き上げて回転させたときのトルクＴｒｍに基づいて算出されるロッドの周面摩擦を除外して、スクリューポイントに負荷される荷重Ｗと回転負荷トルクＴを算出することを特徴とする。
【０００９】
また、前記スクリューポイントに負荷される荷重Ｗとロッドに負荷される鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとの合力Ｗａと、スクリューポイントに作用する回転負荷トルクＴとロッドに作用する水平方向の周面摩擦Ｔｆとの合力Ｔａとを取得し、これら合力ＷａとＴａとの関係を求め、これを予め各種土質について得られた判定基準と比較して土質を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、ロッドに作用する周面摩擦は貫入ロッドを引き上げて一回転させたときの回転トルクに基づいて算出される。これにより、引き上げ時にスクリューポイントの周面に付着した土砂が除去されて、回転時にはスクリューポイントの周面には土砂が付着していない状態になり、ロッドに作用する周面摩擦だけを算出することができる。そのため、貫入ロッドが地中に貫入する時の荷重と回転時の回転負荷トルクから、ロッドの周面摩擦を除去すれば、スクリューポイントだけに作用する荷重と回転負荷トルクを得ることができるので、試験データの信頼性が向上する。
【００１１】
また、ロッドに作用する鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとスクリューポイントに負荷される荷重Ｗとの合力Ｗａと、ロッドに作用する水平方向の周面摩擦Ｔｆとスクリューポイントの回転負荷トルクＴとの合力Ｔａとを取得し、これら合力ＷａとＴａとの関係を求め、これを予め各種土質について得られた判定基準と比較して土質を判定することにより、ロッドの周面摩擦を確実に考慮した土質判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の斜視図である。
【図２】本発明を係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の拡大側面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に係る拡大断面図である。
【図４】本発明を係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の要部拡大一部切欠断面図である。
【図５】各条件下における回転負荷トルクを示すグラフである。
【図６】土質の判定基準を得るための実験データに関する説明用グラフである。
【図７】土質の判定基準を得るための実験データに関する説明用グラフである。
【図８】土質の判定基準を得るための実験データに関する説明用グラフである。
【図９】土質の判定基準を得るための実験装置の概略説明図である。
【図１０】土質判定基準の一例を示すグラフである。
【図１１】土質判定基準の他の一例を示すグラフである。
【図１２】地中に貫入した貫入ロッドに作用する周面摩擦の説明用概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１ないし図４において、１は自動貫入試験機であり、立設された支柱２に沿って昇降可能な昇降台３を有する。この昇降台３には、棒状のロッド４ａの先端にスクリューポイント４ｂを連結した先端に連結された貫入ロッド４と、この貫入ロッド４を一体に保持可能なチャックユニット５と、このチャックユニット５を回転駆動するチャック用モータ６と、前記支柱２の長手方向に伸びて配置されたチェーン部材２ａに噛合するスプロケット７と、このスプロケット７を回転駆動する昇降用モータ８と、前記スプロケット７の回転を制動するブレーキ手段９と、質量調整用のおもり３ａ・・とが装備されている。これらの装備の質量と昇降台３の質量の合計質量が貫入ロッド４に載荷されると、貫入ロッド４には最大１ＫＮの荷重がかかる。前記チャック用モータ６、昇降用モータ８およびブレーキ手段９は、制御ユニット１０によって駆動制御される。
【００１４】
前記チャックユニット５は昇降台３に回転自在に配置されている。このチャックユニット５の下部とチャック用モータ６の出力軸６ａとには、それぞれスプロケット１１，１２が一体に固定されており、これらに環状チェーン１３を巻き掛けることで両者は連結されている。また、チャックユニット５側のスプロケット１１の歯に対向する位置には、このスプロケット１１が回転する時の歯の通過を検出してＯＮ／ＯＦＦする近接センサ（図示せず）が設けられている。この近接センサの信号は前記制御ユニット１０によって取得され、制御ユニット１０は、この信号から貫入ロッド４の半回転数を割り出すように構成されている。
【００１５】
前記スプロケット７は、昇降用モータ８と一方向クラッチ１４および前記ブレーキ手段９を介して連結されており、一方向クラッチ１４の作用で、昇降台３を上昇させる方向にスプロケット７を回転させるよう昇降用モータ８が駆動した時、これがスプロケット７に伝達されるようになっている。逆方向にスプロケット７を回転させる昇降用モータ８の駆動（以下、逆駆動という）は、一方向クラッチ１４の空転を生じる。このため、スクリューポイント４ｂが地盤に接している状態で昇降用モータ８が逆駆動すると、貫入ロッド４（ロッド４ａないしスクリューポイント４ｂ）には、昇降台３等の質量による荷重が負荷される。この荷重は、ブレーキ手段９がスプロケット７を制動する力を変更することで０Ｎから最大荷重１ＫＮまで自在に変更することができる。なお、ブレーキ手段９としてはパウダブレーキまたはパウダクラッチが好ましい。
【００１６】
本自動貫入試験機１では、貫入ロッド４先端のスクリューポイント４ｂが地表に接する位置から貫入試験をスタートする。この位置までは、制御ユニット１０に備えられたマニュアル操作ボタンを押して昇降用モータ８を逆駆動し、昇降台３を下降させる。この位置からスタートボタンを押して試験スタート信号を与えると、制御ユニット１０は自動で貫入ロッド４の地中への貫入制御を開始する。すなわち、制御ユニット１０は試験スタート信号の入力を受けて、昇降用モータ８を逆駆動するとともに、チャック用モータ６を回転させる。これにより、貫入ロッド４に昇降台３等の質量による荷重を負荷し、これらを回転させながら地中に貫入する。
【００１７】
試験中、制御ユニット１０は、貫入ロッド４の半回転数を割り出す。また、ブレーキ手段９を制御し、貫入ロッド４に負荷される荷重を最小荷重２００Ｎから２００Ｎ刻みで最大荷重１ＫＮまで短時間で増加させ、１ＫＮになると再度２００Ｎの荷重から２００Ｎ刻みの荷重増加を繰り返す。そして、各荷重下で貫入ロッド４にかかる回転負荷トルクを取得する。貫入ロッド４にかかる回転負荷トルクは、チャック用モータ６に負荷する電流値に比例するため、本例では、チャック用モータ６の負荷電流値から回転負荷トルクを得る。さらに制御ユニット１０は、スプロケット７の回転を検出するロータリエンコーダ１５の信号からスプロケット７の回転回数を算出し、これからスクリューポイント４ｂの貫入深度を算出するとともに、単位時間当たりの貫入深度からスクリューポイント４ｂの貫入速度を割り出す。この貫入深度が２５ｃｍ増加する間を１区間として、各区間毎の荷重変化、各荷重下での回転負荷トルクおよび各区間での半回転数が試験データとして制御ユニット１０に自動的に記憶される。これにより、所定深度単位で貫入ロッド４に異なる荷重を負荷し、各荷重毎の回転負荷トルクを複数取得することができる。また、２５ｃｍ貫入する毎に貫入ロッド４を１ｃｍ引き上げて１回転させて、トルク（Ｔｒｍ）を計測する。このトルク（Ｔｒｍ）は、詳細を後述するロッド４ａの周面摩擦の算出の際に使用する。例えば、貫入ロッド４が２５ｃｍ貫入する間に２００Ｎ〜１ＫＮの荷重変更が５サイクル行われた場合、各荷重に対応する回転負荷トルクが１サイクルで５個、合計で２５個取得される。制御ユニット１０は、以上の処理を繰り返し行って所定深度（例えば、地中１０ｍの深度）までスクリューポイント４ｂを貫入する。なお、貫入試験中、貫入ロッド４のロッド４ａは、必要に応じて上部のねじ部４ｃに延長用ロッド（図示せず）を螺合して延長する。
【００１８】
本自動貫入試験機１は、前述の荷重に対応する回転負荷トルクについて塑性論アナロジーモデルを適用して、試験データを処理する。塑性論アナロジーモデルとは、土の応力とひずみの関係を与える構成則と同じ枠組み(アナロジー)を利用し、構造物の荷重と変位との関係を記述する数学モデルのことである。構造物に負荷される荷重には鉛直荷重やモーメント、水平荷重などがあるが、構造物の破壊時の荷重はその他の荷重の組み合わせによって変化する。塑性論アナロジーモデルでは、このような組み合わされた荷重の大きさを降伏曲面として記述するとともに、これらの荷重にそれぞれ対応する変位増分を塑性ポテンシャル関数を用いて記述するものである。スウェーデン式サウンディング試験や本例で紹介する貫入試験のような荷重と回転とを与えて貫入ロッドを地中に貫入する試験は、荷重段階の鉛直荷重に加えて回転段階における回転負荷トルクをその作用荷重とする試験であるので、塑性論アナロジーモデルを適用できる組み合わせ荷重の問題の一つであるといえる。
【００１９】
そこで、こうした貫入試験についての塑性論アナロジーモデルを構築すると以下のようになる。まず、スクリューポイントに負荷される荷重段階の荷重Ｗと回転段階の回転負荷トルクＴによる仕事増分δＥは、
【数１】
と表すことができる。ここでδｎｈｔは半回転数の増分、δｓｔは貫入量の増分である。数１を自沈荷重Ｗｐとスクリューポイントの最大直径Ｄとの積を用いて正規化すると、
【数２】
となる。ここでＴｎは正規化トルク、Ｗｎは正規化荷重である。また、数２の結果から後述する塑性ポテンシャルの適用においては、ＴｎとδｎｈｔおよびＷｎとδｓｔ／Ｄがそれぞれ同軸性を有するものと判断している。
後述する実験結果から、貫入試験で得られる回転負荷トルクと荷重による降伏曲面は、原点に中心を有する楕円で表記できることが確かめられている。そこで、この降伏曲面の形状を決定する降伏曲面係数ｃｙを用いて、
【数３】
と表す。この数３を数２を用いて表すと、
【数４】
が得られ、これを整理すると、降伏曲面は次のような別形式で表すことができる。
【数５】
塑性ポテンシャル関数についても降伏曲面と同様な楕円形状を有するものと仮定すると、
【数６】
と表せる。ここでｃｐは塑性ポテンシャル係数であり、これが前記ｃｙに等しい時には関連流れ則が成立する。数５を微分することにより塑性ポテンシャル関数に直交する方向を求めると、
【数７】
となる。ここで１ｍ貫入量当りの半回転数Ｎｓｗにスクリューポイント最大径Ｄを乗じたＮｓｗＤを正規化Ｎｓｗと定義する。
【００２０】
図５に、各条件下（Ａ，Ｂ，Ｃ）における深度毎の回転負荷トルクの変位を示す。Ａは削孔を施していない地盤に貫入ロッドを回転貫入したとき、スクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクを示すグラフであり、当該スクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクは、貫入ロッド４の回転負荷トルクから、貫入ロッド４を引き上げて検出したロッド４ａの周面摩擦を除去して算出している。Ｂも、削孔を施していない地盤に貫入ロッド４を回転貫入したとき、スクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクを示すグラフであり、当該スクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクは貫入ロッド４の回転負荷トルクから、貫入ロッド４を引き上げずに検出したロッド４ａの周面摩擦を除去して算出している。一方、Ｃは、スクリューポイント４ｂの最大径よりも小さく，かつロッドの径よりも大きく開口した削孔に貫入ロッド４を回転貫入して、このときの貫入ロッド４の回転負荷トルクの変位を示す。従って、Ｃは、貫入ロッド４の周囲に抵抗がない状態で回転貫入するため、貫入ロッド４の回転負荷トルクは、スクリューポイント４ｂの回転負荷トルクと見なすことができる。これらＡ，Ｂ，Ｃを比較すると、Ａの方がＣの値に近く、つまりロッド４ａの周面抵抗を確実に除去していることが確認できる。
【００２１】
図６ないし図８に粘土の土質サンプルについて行った実験の解析結果を示す。実験は、粘土について作製した実験用人工土層により行った。実験用人工土層は、図９に示す直径２８ｃｍ高さ５０ｃｍの円形土槽Ｂの下部に排水層として砂と砂利を敷き詰め、その上から含水比ｗ＝５０％に調整した藤ノ森粘土Ｃを投入し、この粘土Ｃの透水性を高めるために２４時間真空ポンプを用いて脱気し、その後、上部から約２０ｋＰａを段階的に載荷させ下部は−１００ｋＰａに減圧させて圧密を行うことにより得た。
【００２２】
実験装置は、図９に示すようにロッド２０、おもり２１、ベアリング付きおもり載荷装置２２、スクリューポイント２３、トルク計２４から構成されている。ここでスクリューポイント２３は、実物の１／５の大きさになるように銀粘土を用いて作製したもので、四角錘を右に一回ひねった形状をしており最大径６．７ｍｍ、長さ４０ｍｍである。
【００２３】
実験方法は、まずロッド２０の先端にスクリューポイント２３とおもり載荷装置２２を取り付け、ロッド２０が鉛直に貫入されるように固定する。次に初期のおもり２１を載荷し、自沈（荷重のみでの貫入）が停止してからそのときの貫入量を測定する。一方、最大荷重を載荷しても自沈しない場合はトルク計２４を用いて回転貫入する。この方法で５ｃｍ毎の自沈荷重または回転負荷トルクを得ながら、スクリューポイント２３を２５ｃｍの深さまで貫入する。スクリューポイント２３が２５ｃｍの深さまで貫入すると、一旦引き抜き、最大荷重を変えて同様の方法で試験を繰り返す。これを最大荷重を例えば４０Ｎ，８０Ｎ，１２０Ｎ，１６０Ｎ，２００Ｎの５段階に変化させて行うことにより、同一深度（５ｃｍ毎）における自沈荷重または異なる荷重での回転負荷トルクを得ることができる。これらの（πＴ／Ｄ）２，Ｗ２の深度毎の関係をプロットしたものが図６である。この図６における傾きが降伏曲面係数ｃｙ、Ｘ軸切片が自沈荷重Ｗｐとなる。これにより得られた各深度での自沈荷重Ｗｐ、最大荷重Ｗ、回転負荷トルクＴを数４に代入し、πＴ／ＷｐＤ，Ｗ／Ｗｐの関係をプロットしたのが図７であり、図中の実線は、数４に降伏曲面係数ｃｙを代入して算出した理論値を示す。理論値と実験値を比較すると、いくらかばらつきが見られるものの、理論値のような楕円形の降伏曲面の存在が確認できた。また、図８は、前述の粘土地盤について得た荷重Ｗおよび回転負荷トルクＴを用いて、数７における正規化Ｎｓｗと、πＴ／ＷＤの関係をグラフ化したものである。
【００２４】
図１０は、前述の粘土地盤と同様の方法で関東ローム、中密砂、密な砂の各土質サンプルについて作製した実験用人工土層に対して実験行い、その結果から求めた降伏曲面を粘土地盤のものと一緒に同一スケールでプロットした図である。これにより、降伏曲面は各土質において異なる形状を示すことがわかる。このように、各土質について求めた降伏曲面を基準として、これと実際の地盤（以下、実地盤という）での試験において求まる降伏曲面の形状とを比較することで、土質の判定を行うことが可能である。なお、降伏曲面については、楕円形に限定されず土質によって様々な形状を成すと考えられる。このため、土質の判定基準となる土質毎の降伏曲面は、様々な土質サンプルによる実験や実地盤における実測等により、できるだけ多くの種類を揃えておくことが好ましい。
【００２５】
また図１１は、関東ローム、中密砂、密な砂の実験結果から求めた数７における正規化Ｎｓｗと、πＴ／ＷＤの関係を粘土地盤のものと一緒に同一スケールで表したものである。この関係においても土質毎に異なった傾き、すなわち塑性ポテンシャル係数ｃｐを示すことから、このグラフを土質判定の基準として用いることもできる。また、次の表１は、以上の実験結果から得られた粘土、関東ローム、中密砂、密な砂についての降伏曲面係数ｃｙと塑性ポテンシャル係数ｃｐとをまとめたものである。これらについても、土質により異なった値となることがわかる。このため、実地盤における貫入試験により荷重Ｗと回転負荷トルクＴを取得し、これらから上記数３ないし数７を使って各係数ｃｙ，ｃｐを求め、これらを予め実験で得られた基準値と比較することによっても土質を判定することが可能である。
【表１】
【００２６】
実地盤における貫入試験においては、貫入ロッド４を地中に貫入する場合にロッド４ａの長さが長くなるため、これに作用する土の抵抗が大きくなる。従って、前述の塑性論アナロジーモデルによる分析を実際の貫入試験へ適用する場合には、ロッド４ａに作用する周面摩擦の影響を考慮する必要がある。図１２は、貫入ロッド４に作用する周面摩擦の概念図を示す。ロッド４ａに作用する鉛直方向の周面摩擦をＷｆ、水平方向の周面摩擦によるトルクをＴｆ、スクリューポイント４ｂに負荷されている荷重をＷ、回転負荷トルクをＴとした場合、周面摩擦を考慮した荷重Ｗａおよび回転負荷トルクＴａ（実際に貫入ロッド４に負荷される荷重と、検出される回転負荷トルク）は 数８，数９で表される。
【数８】
【数９】
また、ロッド４ａに作用する周面摩擦Ｗｆ，Ｔｆを算出するには、２５ｃｍ貫入する毎に貫入ロッド４を１ｃｍ引き上げて、その最の回転トルクＴｒｍを計測する。このときの最大せん断力は、次式で表される。
【数１０】
さらに、合速度方向と合せん断応力の方向が等しいと仮定すると数１１および数１２が得られる。
【数１１】
【数１２】
ここで、δｎｈｔは回転数、δｓｔは貫入量、ｒはロッド径、τは合せん断応力、τθは水平方向のせん断応力、τｚは鉛直方向のせん断応力である。
一方、回転および自沈貫入により生じる摩擦をそれぞれＴｆ，Ｗｆとすると、数１３が得られる。
【数１３】
この数１３より、
【数１４】
が得られ、続いて、この数式１４より、
【数１５】
が得られ、数１２，１３および数１４から、
【数１６】
となる。ここで、Ｆは荷重およびトルクによる周面摩擦Ｗｆ，Ｔｆの合力である。数７、数８および数１５より、
【数１７】
また、数９および数１７より、
【数１８】
となり、この数１８をＮｓｗＤについて解くと、
【数１９】
となる。この数１９により、ロッド４ａの周面摩擦を考慮した正規化Ｎｓｗを得ることができる。正規化Ｎｓｗを土質判定の基準として用いる場合には、この周面摩擦を考慮した正規化Ｎｓｗを用いるのがよい。また、上述の降伏曲面を求める場合にも、スクリューポイント４ｂに作用している荷重Ｗと回転負荷トルクＴを用いた方がよい。この場合には、特開2001-228068号公報によって示される方式により、スクリューポイント４ｂにかかる荷重Ｗを求めることができる。さらに、前述した貫入ロッド４を１ｃｍ引き上げて計測したロッド４ａの水平面周面摩擦Ｔｆと実測された回転負荷トルクＴａとを数８に代入すればスクリューポイント４ｂに作用する回転負荷トルクＴを求めることができる。このようにしてロッド４ａに作用する周面摩擦による荷重やトルクを除外したスクリューポイント４ｂに本来作用している荷重Ｗと回転負荷トルクＴを求め、これらを用いることにより、より正確な降伏曲面を求めることができる。
【００２７】
本自動貫入試験機１による貫入試験で試験データとして得られた荷重と回転負荷トルクは、前記荷重Ｗａと回転負荷トルクＴａに相当するものである。よって、試験データの処理において制御ユニット１０は、まず、貫入深度２５ｃｍ単位で貫入ロッド４に負荷される各荷重Ｗａと、これに対応する回転負荷トルクＴａとから、当該貫入深度２５ｃｍ毎に貫入ロッド４を１ｃｍ引き上げて１回転させたときのトルクＴｒｍに基づいて算出されたロッド４ａの周面摩擦の影響を除外し、スクリューポイント４ｂに負荷される荷重Ｗ、回転負荷トルクＴを求める。そして、これらから数５を用いて降伏曲面係数ｃｙと自沈荷重Ｗｐを求める。なお、制御ユニット１０は貫入ロッド４の貫入速度を常に監視し、荷重を増加していく中で自沈が生じたと判断した場合は、その荷重を維持し、そのまま２５ｃｍの区切り深度まで貫入した場合は、この自沈を生じた荷重を自沈荷重Ｗｐとする。
【００２８】
制御ユニット１０は、以上のようにして得られた自沈荷重Ｗｐと、試験データである各荷重値Ｗおよび各荷重値に対応する回転負荷トルクＴを数４に代入してπＴ／ＷｐＤ，Ｗ／Ｗｐを算出するとともに、数４に降伏曲面係数ｃｙを代入して理論値を算出する。そして、これらπＴ／ＷｐＤ，Ｗ／Ｗｐおよび理論値をプロットした降伏曲面を作成し、これを液晶パネル１０ａに表示出力したり、プリンタ１０ｂに印刷出力するなどして作業者が視認可能に出力する。作業者においては、出力された降伏曲面グラフを前述の実験等により得られた土質毎の基準降伏曲面グラフの形状と比較することにより、土質を判定することができる。このように各区間（貫入深度２５ｃｍ毎）の降伏曲面を得ることにより、スクリューポイント４ｂを貫入した深度全般に渡って荷重と回転負荷トルクの統一的な分析結果を得ることができる。また、グラフ形状の比較によって各区間での土質の判定が可能となるため、必ずしも経験的な技術・能力を十分に備えない者であっても、正確な土質判定を行うことが可能になる。このことは、例えば地盤調査に十分な知識を持たない個人住宅の施主等においても、分析結果から土質や地盤強度の把握がこれまで以上に容易になることも意味する。
【００２９】
なお、以上の説明では貫入ロッド４に負荷する荷重を段階的に変動させ、スクリューポイント４ｂが２５ｃｍ貫入する毎の各荷重下での回転負荷トルクを取得するようにしているが、これ以外にも、次の方法で所定深度毎の異なる荷重に対する回転負荷トルクを取得してもよい。すなわち、ロッドを所定深度（例えば２５ｃｍ）毎貫入する間は、通常のスウェーデン式サウンディング試験方法に従って自沈貫入および回転貫入を適宜行って貫入ロッド４を地中に貫入する。そして、スクリューポイント４ｂが所定深度貫入する毎に一旦荷重を０（ゼロ）にし、ここから荷重を２００Ｎ，４００Ｎ，６００Ｎ，８００Ｎ，１ＫＮまで（ただし、所定深度貫入する間、自沈貫入であった場合は、その自沈貫入が起きる最大の荷重まで）増やし、各荷重毎に貫入ロッド４を回転させて回転負荷トルクを得る。これによって得られた荷重および各荷重に対応する回転負荷トルクによっても、前述の降伏曲面や正規化Ｎｓｗの関係図を得ることが可能である。
【００３０】
また、制御ユニット１０については、得られた試験データから正規化ＮｓｗとπＴ／ＷＤの関係を示すグラフを作成し、これを作業者が視認可能に出力するように構成してもよく、これによっても、前述の降伏曲面を用いる場合と同様、スクリューポイント４ｂを貫入させた深度全般に渡って荷重と回転負荷トルクとによる統一的な分析結果を得ることができるとともに、土質判定や試験結果の解釈の専門性を緩和することができる。さらに、スクリューポイント４ｂの貫入深度２５ｃｍ単位の各荷重Ｗａと、これに対応して検出される回転負荷トルクＴａとをスクリューポイント４ｂに負荷される荷重Ｗ、回転負荷トルクＴとみなして試験データの処理を行ってもよい。
【符号の説明】
【００３１】
１ 自動貫入試験機
２ 支柱
２ａ チェーン部材
３ 昇降台
４ 貫入ロッド
４ａ ロッド
４ｂ スクリューポイント
５ チャックユニット
６ チャック用モータ
７ スプロケット
８ 昇降用モータ
９ ブレーキ手段
１０ 制御ユニット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッドとその先端に取付けられるスクリューポイントから成る貫入ロッドに荷重を負荷して、地中に貫入する時の荷重と回転時の回転負荷トルクとを検出する貫入試験方法において、
所定深度単位で貫入ロッドに複数の荷重を負荷し、これら各荷重Ｗａと、これに対応する回転負荷トルクＴａとを検出し、これらＷａ，Ｔａから当該所定深度毎に貫入ロッドを引き上げて回転させたときのトルクＴｒｍに基づいて算出されるロッドの周面摩擦を除外して、スクリューポイントに負荷される荷重Ｗと回転負荷トルクＴを算出することを特徴とする貫入試験方法。
【請求項２】
前記スクリューポイントに負荷される荷重Ｗとロッドに負荷される鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとの合力Ｗａと、スクリューポイントに作用する回転負荷トルクＴとロッドに作用する水平方向の周面摩擦Ｔｆとの合力Ｔａとを取得し、これら合力ＷａとＴａとの関係を求め、これを予め各種土質について得られた判定基準と比較して土質を判定することを特徴とする請求項１に記載の貫入試験方法。
【請求項１】
ロッドとその先端に取付けられるスクリューポイントから成る貫入ロッドに荷重を負荷して、地中に貫入する時の荷重と回転時の回転負荷トルクとを検出する貫入試験方法において、
所定深度単位で貫入ロッドに複数の荷重を負荷し、これら各荷重Ｗａと、これに対応する回転負荷トルクＴａとを検出し、これらＷａ，Ｔａから当該所定深度毎に貫入ロッドを引き上げて回転させたときのトルクＴｒｍに基づいて算出されるロッドの周面摩擦を除外して、スクリューポイントに負荷される荷重Ｗと回転負荷トルクＴを算出することを特徴とする貫入試験方法。
【請求項２】
前記スクリューポイントに負荷される荷重Ｗとロッドに負荷される鉛直方向の周面摩擦Ｗｆとの合力Ｗａと、スクリューポイントに作用する回転負荷トルクＴとロッドに作用する水平方向の周面摩擦Ｔｆとの合力Ｔａとを取得し、これら合力ＷａとＴａとの関係を求め、これを予め各種土質について得られた判定基準と比較して土質を判定することを特徴とする請求項１に記載の貫入試験方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１６００６７（Ｐ２０１０−１６００６７Ａ）
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７１２（Ｐ２００９−２７１２）
【出願日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年７月９日 社団法人地盤工学会発行の「第４３回地盤工学研究発表会ｉｎ広島（平成２０年度発表講演集）」（ＣＤ−ＲＯＭ）に発表
【出願人】（０００２２７４６７）日東精工株式会社 (263)
【出願人】（３０１０３３０５３）株式会社日本住宅保証検査機構 (9)
【出願人】（５０５３５９０２３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月２２日（２０１０．７．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２０年７月９日 社団法人地盤工学会発行の「第４３回地盤工学研究発表会ｉｎ広島（平成２０年度発表講演集）」（ＣＤ−ＲＯＭ）に発表
【出願人】（０００２２７４６７）日東精工株式会社 (263)
【出願人】（３０１０３３０５３）株式会社日本住宅保証検査機構 (9)
【出願人】（５０５３５９０２３）
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]