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三成分コーン貫入試験

①三成分コーン
 電気式コーン貫入試験は地盤工学会基準(JGS1435-2012)に基づいた静的圧入による原位置地盤調査試験法の一種です。比較的軟弱な地盤では連続した信頼性の高いデータが得られるため、欧州や北米では最も一般的な地盤調査試験法として定着しています。地盤工学会基準では、先端抵抗qc、周面摩擦fs、間隙水圧uの三成分を測定する電気式コーン貫入試験をCPTUと呼んでいますが、ここではCPTと呼びます。
 CPTの特徴は以下の通りです。
  • CPTは、先端抵抗qc、周面摩擦fs、間隙水圧uの三つの地盤力学特性値が連続で得られます。
  • この地盤力学特性値から地盤の土質区分、N値、細粒分含有率Fc、非排水せん断強度Cu、先行圧密応力σ'p、せん断抵抗角φ’などの地盤定数が精度よく推定可能です。
  • データの連続性により、地盤の不均質な堆積構造が探知でき、層厚数cmの狭在層でも十分に探知できます。
  • プローブ内には傾斜計、温度計が内蔵されており、貫入時の鉛直度のチェックや、貫入中の温度補償が可能です。
  • CPTは砂質土、粘性土、有機質土、火山灰といった広範な土質に適用でき、ダブルサウンディングにより玉石や砂礫地盤への適用が可能となりました。

 図-1に示したCPTコーンのプローブは、円錐形の先端コーン、先端コーンの上に間隙水圧を測定する多孔質のフィルター、さらにその上部にはプローブ側方の周面摩擦を測定するスリーブから構成されています。

 CPTはこのプローブを20±5mm/sの速度で地中に静的圧入し、先端抵抗力度qc(MPa),周面摩擦力度fs(kPa),間隙水圧u(kPa)を測定・記録する試験法です。測定間隔の規定はありませんが、約1秒間隔(20±5mm)でデータを収集するものが一般的となっています。

図-1 CPTコーンプローブ
②測定データ
 電気式コーンのプローブには、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する必要があります。
 …(式1)
ここで、qt=補正先端抵抗(kPa)
    qc=先端抵抗(kPa)
    u=間隙水圧(kPa)
    AN=有効断面積(c㎡)
    AT=コーン断面積(c㎡)
図-2 先端抵抗補正概念図

 測定データの例を表-1に示します。

 データは約20mm毎に測定され、深度毎に補正先端抵抗qt,周面摩擦fs,間隙水圧uの3成分に加え、測定システムによっては傾斜角(2軸),温度が記録されます。
 以降、補正先端抵抗qtを先端抵抗と呼びます。
表-1 測定データの例
③測定データの読み方(粘性土と砂質土の区分)

 電気式コーンの測定データは以下の傾向が見られることから、簡易に土質の性状を知ることができます。

  • 砂質土では、粒径が大きいため先端抵抗qtは高くなり、透水性が高いため間隙水圧uは静水圧以下と低くなります。

  • 粘性土では、粒径が小さいため先端抵抗qtは低くなり、透水性が低いため間隙水圧uは過剰間隙水圧が発生して静水圧より高くなります。

 以上のことから、CPTの測定データの深度分布と簡易に土質を分類した結果例を図-3に示します。CPTの測定データから土質を把握することができるのは、CPTの優れた点の一つと言えます。

図-3 測定データから土質を分類した例
1.規準化先端抵抗Qt

 規準化先端抵抗は、測定した先端抵抗qtから測定深度での総土被り圧σvoを差し引いた先端抵抗値に換算し、有効土圧で除した地盤の強さを表す指標です。砂質土は高い値となり、粘性土は低い値となります。

 

         …(式2)

 

 ここで、Qt:規準化先端抵抗

     qt:先端抵抗(MPa)

     σvo:総土被り圧(MPa)

     σ'vo:有効土被り圧(MPa)

2.規準化周面摩擦比Fr

 規準化周面摩擦比は、測定した周面摩擦fsから、先端抵抗qtから総土被り圧σvoを差し引いた原位置での先端抵抗値で除した地盤の粘性を表す指標です。砂質土は低い値となり、粘性土は高い値となります。有機質土は特に大きな値を示します。

 

         ×100(%) …(式3)

 

 ここで、Fr:規準化周面摩擦比

     fs:周面摩擦(MPa)

     qt:先端抵抗(MPa)

     σvo:総土被り圧(MPa)

 

3.基準化間隙水圧比Bq

 規準化間隙水圧比は、測定した間隙水圧uから静水圧uoを差し引き原位置での間隙水圧値に換算し、先端抵抗qtから総土被り圧σvoを差し引いた原位置での先端抵抗値で除した過剰間隙水圧比を表す指標です。透水性の高い砂質土はゼロ付近の低い値となり、透水性の低い粘性土は高い値となります。

 

         …(式4)

 

 ここで、u:間隙水圧(MPa)

     uo:静水圧(MPa)

     qt:先端抵抗(MPa)

     σvo:総土被り圧(MPa)

④測定データの解析(土質分類)

 Robertson(1990)(文献1)らはCPTの詳細なデータ分析から、規準化先端抵抗Qtと、規準化周面摩擦比Frおよび規準化間隙水圧Bqを用いた土質分類図を提案しました。現在、地盤工学会基準で採用されている最も一般的な土質分類方法です。

図-4 測定データの解析
  • 総土被り圧 σvo
 
                …(式5)
 
  • 有効土被り圧 σ'vo
 
                …(式6)
 
  • 静水圧 uo
 
                …(式7)
 
  ここで、γt:土の単位体積重量(kN/m )
      γw:水の単位体積重量(kN/m )
      x:深度(m),hw:地下水面深度(m)
4.土質性状分類(Qt-Fr
 規準化先端抵抗Qtと規準化周面摩擦比Frの関係から土質性状分類を行うチャートを図-5に示します。
 測定データから算定したQtとFrを土質性状分類図にプロットし、プロットした領域の番号が土質性状タイプを示す番号となります。この図は、砂質土のQtが粘性土に比べて大きくなる性質や、粘性土は粘着力の影響で砂質土に比べてFrが大きくなる性質を利用しています。有機質土の場合、Frは最も大きな値を示します。
 このQtーFr関係図は、砂質土領域のSBT=6,7でQtが大きくなると、有効せん断抵抗角φ’が大きくなることを示しており、SBT=1,2,3,4の粘性土でQtとFrが小さくなると鋭敏比が大きくなることを示しています。また、グラフ中央の点線に分布する地盤は正規圧密な土であることを示しており、正規圧密よりQtとFrが大きくなる土層は過圧密比(OCR),生成年齢(Aging)が大きくなることを示しています。
図-5 土質性状分類図(Qt-Fr
5.土質性状分類(Qt-Bq
 規準化先端抵抗Qtと基準化間隙水圧比Bqの関係から土質性状分類を行うチャートを図-6に示します。
 測定データから算定したQtとBqを土質性状分類図にプロットし、プロットした領域の番号が土質性状タイプを示す番号となります。この図は、砂質土のQtが粘性土に比べて大きくなる性質や、透水性の低い粘性土は砂質土に比べてBqが大きくなる性質を利用しています。このQtーBq関係図は、SBT=8,9のような硬質砂質土や硬質粘性土の分類はできません。
 SBT=3の粘性土でQtが小さくBqが大きくなると鋭敏比が大きくなることを示しています。また、Qtが大きくBqが小さくなると過圧密比(OCR)が大きくなることを示しています。
図-6 土質性状分類図(Qt-Bq
5.土質性状分類の結果例
 土質性状分類の解析結果例を図-7図-8に示します。Qt-Frの判定とQt-Bqの判定にほとんど差はなく、柱状図とも良い相関が見られます。
図-7 土質性状分類結果の例(Qt-Fr
図-8 土質性状分類結果の例(Qt-Bq
参考文献
  1. 地盤工学会:地盤調査の方法と解説,第6編第7章 電気式コーン貫入試験,平成25年3月.