地質調査手法いろいろ

いろいろな地質調査手法について解説します。

接地抵抗を利用した地下水位簡易測定法

接地抵抗※1を利用した地下水位簡易測定法は、地下水位以浅と以深とで地盤中の接地抵抗の測定値が異なる(地下水位以深は接地抵抗が小さくなる)ことに着目して、地下水位を測定する手法です。従来の地下水位測定法と比較して、‘地下水観測孔の設置を必要としない’、‘粘性土でも放置期間を要せず測定できる’などの特徴を有する技術です。整理方法については、特許出願中※2です。

図1接地抵抗のイメージ※1:接地抵抗
金属の電極と土という互いに異なる性質の電気的接続において、必ず存在する電気抵抗のことです。一般には、アース線からの電気を地面に逃がす際の電気の流れにくさを示す指標値です(図1参照)。
※2:特許使用料
特許出願中の技術であり、測定に当たっては実施契約に基づく特許使用料が必要です。

接地抵抗の測定方法

測定する箇所に接地電極E、補助電極P、補助電極Cを接地して接地抵抗を測定します(図2参照)。地下水位を測定する際には、接地電極Eとなる金属棒を地中に貫入させながら、深度方向の接地抵抗の変化を確認します。
実際の地盤調査では、スウェーデン式サウンディングや簡易動的コーン貫入試験のロッドを接地電極Eとし、貫入させるごとに接地抵抗を測定します(図3参照)。この接地抵抗を深度分布図に整理し、その変化傾向から地下水位を判断します(図4参照)。

図2接地抵抗の測定概念,図3スウェーデン式サウンディングを併用した地下水位測定状況

図4実測例の模式図

接地抵抗値の深度分布による地下水位の評価方法

図5地下水位の評価方法(方法1)
接地抵抗は、地下水位の上下で1/2~1/10 程度変化します。よって、接地抵抗の深度分布が大きく変化する深度を地下水位と判断します(図5参照)。
(方法2)
接地抵抗の理論値は「地下水位が無い一様な地盤」と仮定した場合、式-1 で得られます。これに対して、地下水位がある場合の計測値は小さい値を示すため、理論値の差に着目し、計測値が理論値から大きく乖離した深度を地下水位と判断します(図5参照)。

R=ρ/2πL×Ln(2L/r)    (式-1)
ここに
R:接地抵抗(Ω)
ρ:地下水位より上の大地抵抗率(実測値より設定(Ωm))
L:接地電極の地中部の長さ(m)
r:接地電極半径(m)

地下水位の評価事例

図6接地抵抗を利用した地下水位簡易測定例(ため池堤体での測定事例)

「基礎地盤コンサルタンツ株式会社 久賀 真一」

<参考文献>
・柳浦良行ほか:接地抵抗を応用した地下水位簡易測定法,第50 回地盤工学研究発表会,2015
・千葉久志ほか:接地抵抗を応用した地下水位簡易測定法の実施例,第50 回地盤工学研究発表会,2015
・赤坂幸洋ほか:接地抵抗を利用した地下水位簡易測定法のため池調査への適用事例,第 51 回地盤工学研究発表会,2016.

C.N.S元素分析

原理

C.N.S元素分析装置は、分析対象試料が含有する炭素(C)・窒素(N)・硫黄(S)を定量分析する装置です。元素分析の仕組みは、燃焼法を用いて元素をガス化(CO2・N2およびSO2)させ、カラムを通して段階的に分離させ、検出器で定量化します。各元素の値は、重量パーセントとして得ることができます。原理の一例として、パーキンエルマ社製の分析装置の構成を図-1に示します。

図1 2400II元素分析装置の構成
図1 2400II元素分析装置の構成

分析目的および結果の利用方法

C.N.S元素分析の目的やその利用方法としては以下のような例が挙げられます。

  • 堆積物の堆積環境の推測が可能(淡水成層or海成層、還元的or酸化的など)。
  • CNS成分量の深度方向変化状況を利用し、地層の客観的・定量的対比が可能。
  • CNS成分量変化と地盤の工学的性質の検討が可能。
  • pH=3以下を示すような酸性水を発生させる地盤材料の把握が可能。

結果の利用の例

酸性水発生岩検出の利用例
黄鉄鉱は熱水変質を受けた岩や海成起源の堆積岩に含有される鉱物であるが、その黄鉄鉱は地下の還元的環境から酸化的環境にもたらされる(例えば、トンネル掘削岩など)と、硫酸を発生させます。黄鉄鉱を含有するトンネル掘削岩を盛土材等に適用した場合、その盛土から酸性水が発生するとともに、岩石が保有していた有害重金属の溶出を促進させる場合があります。 図-2は、縦軸が過酸化水素を用いて試料中の黄鉄鉱を強制的に酸化させたときのpH、横軸はCNS元素分析で得られたTS(硫黄含有量)を示しています。このように、CNS元素分析を実施することで、将来的にpH=4以下の酸性水を発生させる可能性の高い地盤材料を、事前に把握することが可能となります。

図-2 硫黄含有量と過酸化水素水pH試験結果

堆積物の堆積環境推定の利用例
既存研究によりTOC(有機炭素量)とTS(硫黄含有量)の関係から、堆積物を淡水成層・海水成層・汽水成層と区分できることがわかっています。これを利用すると図-3に示すように、各地の沖積粘性土の堆積環境が推定でき、地盤の特性把握に役立てることができます。

図-3 堆積環境推定図
図-3 堆積環境推定図

地盤の工学的性質の検討例
軟弱地盤の工学的性質とその地盤の堆積環境は密接に関係していると考えられています。そこで、C.N.S元素量と地盤の主に物理特性との関係を検討した例を図-4に示します。これらより、C.N.S元素分析より、地盤の工学的性質の推測が可能であることが示唆されます。

図-4 TOCと液性限界・塑性指数・強度増加率の関係図
図-4 TOCと液性限界・塑性指数・強度増加率の関係図

なお、C.N.S分析の地盤への適用に関しては、最近の地盤調査・試験法と設計・施工への適用に関するシンポジウム発表論文集(社団法人地盤工学会、地盤調査・試験法の小型・高精度化に関する研究委員会)においても、紹介されています。

((株)エイト日本技術開発 磯野陽子)

鉱物のX線回折分析

原理

X線回折分析は、一般に堆積物に含有しているあるいは基盤岩を構成している鉱物を同定するのに利用されます。原理は、鉱物の結晶内部の原子配列周期とX線の波長とがほぼ同程度であることを利用します。X線が結晶に当ればBraggの条件(図1)で回折が起こり、この現象により鉱物結晶の3次元的な原子配列を把握することができます。結晶の原子配列は鉱物ごとに決まっているので、これより分析試料が保有している鉱物の同定が可能となります。

結果の一例

定方位法で得られた回折図の一例を図2に示します。分析の結果得られた図を回折図といいます。回折図中でとび出た線を回折線といって、その回折線の位置(2θCuK α=角度)から、鉱物の同定を行います。この結果分析した試料には、セリサイト・カオリン鉱物・石英・緑泥石・アルミニウム型バーミキュライトが、含有していることが明らかになりました。この含有鉱物種から分析した試料の、風化・変質状態などの把握を行います。

分析目的および結果の利用方法

X線回折分析の目的やその利用方法としては以下のような例が挙げられます。

  • 岩石種類を判定でき基盤岩の一般的な物性値の把握が可能。
  • 基盤岩の風化や変質程度が把握でき、基盤岩の強度低下の有無や、土木地質的問題点の把握が可能。
  • 地すべりや崩壊の調査では、含有粘土鉱物の種類の把握などから、すべり面や弱線の抽出が可能。
  • トンネル調査では、膨潤性粘土鉱物の有無やその含有量の推測が可能。

分析方法

X線回折分析には定方位法と不定方位法の2つの方法があります。その特徴を以下に整理します。

用途に応じての、使いわけが必要です。

定方位法
鉱物が一定の方向に揃うように試料を水簸し、ガラス板の上などに乾燥させて分析する方法。薬品・加熱処理をほどこすことで、含有する鉱物種の同定を行うことができる定性分析。
不定方位法
試料を粉末にして専用のフォルダにつめて分析する方法。薬品・加熱処理をほどこすことができないので定性分析は不可能であるが、回折線の長さや半価幅などから、鉱物の定量検討が可能。

図1 X線回折の原理
図1 X線回折の原理

図2 X線回折による鉱物鑑定の一例
図2 X線回折による鉱物鑑定の一例。解析データ

((株)エイト日本技術開発 磯野陽子)

物理探査

地盤は、一般的に小石・砂・粘土・水などが多様に混在する土や各種の岩石により複雑に構成されています。光以外の様々な物理現象を仲介として、間接的に地盤の中の物理的性質と状態を地表から調査する手法を「物理探査」といいます。

物理探査法は、対象とする物理量によって「弾性波探査」「電気探査」「電磁探査」「磁気探査」「重力探査」「放射能探査」「地温探査」等に区分されます。下図に電気探査比抵抗法及び弾性波探査屈折法のうち、トモグラフィー的解析を行う高密度電気探査及び高精度弾性波探査屈折法の解析結果例を示します。

地盤調査における物理探査方法の一覧
  方法 物理現象 測定項目 主な利用
弾性波探査 屈折法 弾性実体波 弾性波速度 地盤構成・物性
反射法 弾性実体波 反射係数 地盤構成
音波探査 音波 反射係数 海底地盤構成
常時微動測定 地盤振動 卓越周期 地盤特性
表面波探査 弾性表面波 伝播速度 浅部地盤特性・物性
浅層反射法 弾性実体波 反射係数 地盤構成
弾性波トモグラフィー 弾性実体波 弾性波速度 詳細地盤構成・物性
電気探査 比抵抗法 電流・電位差 見掛け比抵抗 地盤構成・地下水
IP法 電気分極 周波数効果・充電率 熱水変質帯判別
電位法 自然電位 電位差 変質帯判別
比抵抗トモグラフィー 電流・電位差 見掛け比抵抗 詳細地盤構成
電磁探査 MT法 電流・電位 見掛け比抵抗 深部地盤構成
地下レーダー 電磁波 反射係数 深部地盤構成
電磁波トモグラフィー 電磁波 電磁波速度・減衰 詳細地盤構成
その他 磁気探査 静磁気・地磁気 磁気異常 磁性物質分布
重力探査 重力 重力異常 地質構造
放射線探査 放射能 放射線強さ 断層
地温探査 地中熱 地中温度 水みち
リモートセンシング 電磁波 スペクトル 地質構造

解析結果例 高密度電気探査
解析結果例 高密度電気探査

解析結果例 高精度弾性波探査屈折法
解析結果例 高精度弾性波探査屈折法

「宇部興産コンサルタント株式会社 森岡 研三」

N値

土や地盤の硬さを調べるときに、地中に鉄筋のような硬いものを打ち込むと、やわらかい地盤では簡単に入りますが、硬い地盤ではなかなか入りません。このように物体を地盤中に押し込んだり、引き抜いたり、回転させたりするときの抵抗値によって地盤の硬軟状況を調べる方法をサウンディングといいます。

N値は標準貫入試験といわれる代表的なサウンディングによって求めた値で、地盤の硬軟や締り具合を示します。標準貫入試験は、質量63.5kgのハンマーを75cmの高さから自由落下させ、サンプラーを30cm貫入させる試験です。このときの貫入に要する打撃回数(50回を限度とします)をN値といい、N=2、N=30のように表示します。

N値は土の工学的性質の概略値として知ることができるため土木・建築の分野では広く応用されており、構造物設計のための地盤の支持力や強度の評価に用いられています。たとえば、N=30以上の砂礫地盤であれば橋を支えることができると評価します。

貫入試験状況 中央がハンマー
貫入試験状況の写真。中央がハンマー。

貫入試験サンプラー
(二つ割りに開いた 状況-右端が先端)
貫入試験サンプラーを二つ割りに開いた写真。

「株式会社ウェスコ 伊藤 徹」

住宅基礎地盤調査のためのサウンディング

サウンディングは地盤調査法の一種で、やじり等のような抵抗体を地盤中にねじ込む、叩き込む、押し込むなどの方法で実際に地盤を破壊させ、その時に必要な力を測定して地盤の強弱を明らかにすることです。サウンディングには抵抗体の形や地盤の破壊方法によって表に示す多くの方法があります。

戸建住宅地での地盤調査には、費用も安く、建物荷重に必要な地盤の支持力を簡単に求めることのできる、スウェーデン式サウンディング試験が広く用いられています。特に住宅性能保証の点からも、敷地内で数点以上を実施して地盤を評価し、それに応じた建物の基礎構造を決定するのに用いられています。具体的には以下のように行います。

  1. 小規模建築物である
    • 砂礫や玉石のない地盤ではスウェーデン式サウンディング
    • 砂礫や玉石のある地盤では機械ボーリングと標準貫入試験(「N値」参照)
      あるいは簡易動的貫入試験
  2. 調査深度は建物幅の1.5~2倍としますが、良好な地盤が確認できれば浅くてもよい
  3. N値または換算N値を求めます[Wsw(N)、Nsw(回)]
    • 砂ではN=0.002Wsw+0.067Nsw
    • 粘土ではN=0.003Wsw+0.05Nsw
  4. N値から許容支持力を推定します
    • 砂では8N(kN/m2)
    • 粘土では10N(kN/m2)
  5. 許容支持力により適合する基礎構造を選定します
    杭基礎を用いないときには置き換えや地盤改良を行います

スウェーデン式サウンディング試験機器
スウェーデン式サウンディング試験機器の写真

自動式試験機による測定状況
自動式試験機による測定状況の写真

地盤の許容支持力
地盤の長期許容支持力度
[kN/m2]
建物の基礎構造
20未満 基礎杭
20以上30未満 基礎杭又はベタ基礎
30以上 基礎杭、ベタ基礎または布基礎
地盤支持力の目安
地盤 長期許容地耐力
[kN/m2]
備考
(Nsw値)
砂質地盤
  • 密なもの
  • 中位
  •  
  • ゆるい
  • 非常にゆるい
  • 300
  • 200
  • 100
  • 50
  • 30以下
  • 400以上
  • 250~400
  • 125~250
  • 50~125
  • 50以下
粘土質地盤
  • 非常に硬い
  • 堅い
  • 中位
  • 軟らかい
  • 非常に軟らかい
  • 200
  • 100
  • 50
  • 30
  • 20以下
  • 250以上
  • 100~250
  • 40~100
  • 0~40
  • Wsw1000N以下
関東ローム
  • 硬い
  • やや硬い
  • 軟らかい
  • 150
  • 100
  • 50以下
  • 50以上
  • 0~50
  • Wsw1000N以下
サウンディングの種類
名称 貫入・
連続性
測定値・
可能深度
推定値 適用地盤 特徴
標準貫入試験(SPTと略す) 動的

不連続
N
調査深度の制限は基本的にない
qu、φ、γt qa、E 全ての地盤
玉石・砂礫では注意を要す
一般的である
ボーリング併用
JISA1219
大型貫入試験 動的

不連続
Nd
調査深度の制限は基本的にない
N値と同様 全ての地盤 玉石・砂礫では注意を要す 砂礫地盤に有効
一般的ではない
簡易動的コーン貫入試験 動的

連続
Nd
3-5m
N、qc、Nsw 全ての地盤 玉石・砂礫では注意を要す 急傾斜地に有効
小規模住宅基礎地盤調査でも使用している
JGS1433
オートマチィックラムサウンディング 動的

連続
Nd
30m
N値と同様 全ての地盤 玉石・砂礫では注意を要す スウェーデンの規格
最近ではSS試験の替わりに多用されている
鉄研式大型動的コーン貫入試験 動的・
連続
Nd
15m
N値と同様 全ての地盤 玉石・砂礫では注意を要す SPTの補助に利用される
鉄研式中型動的コーン貫入試験 動的

連続
Nd
10m
N値と同様 全ての地盤 玉石・砂礫では注意を要す SPTの補助に利用される
土研式動的コーン貫入試験 動的

連続
Nd
1m
N 全ての地盤 玉石・砂礫では注意を要す 道路路床調査に利用される
スウェーデン式サウンディング試験 (SS試験) 静的

連続
Nsw,Wsw
15m
N、qu 全ての地盤 玉石・砂礫では注意を要す SPTより作業が簡単
人力搬入可能
オランダ式二重管コーン貫入試験 静的

連続
qt
15-30m
c 全ての地盤 玉石・砂礫では注意を要す 周面摩擦の影響を受けない
機材の搬入を要す
ポータブルコーン貫入試験 静的

連続
qc
5m
柔らかい粘土地盤 簡易試験
迅速で簡便な器具
三成分コーン試験 静的

連続
qc
30m
c、間隙圧u 柔らかい粘土・砂質土地盤 信頼度が高い
高価な機材
電気的静的コーン貫入試験 静的

連続
qt
30m
c、間隙圧u 柔らかい粘土・砂質土地盤 信頼度が高い
高価な機材
原位置ベーンせん断試験 静的

不連続
τv
15m
非排水せん断強さc 柔らかい粘土地盤 地盤の強度が直接測定できる
孔内水平載荷試験 静的

不連続
p、r
調査深度の制限は基本的にない
変形係数,非排水せん断強さ 孔壁の自立するあらゆる地盤 推定値の力学的意味が明瞭である
ボーリング併用

地盤工学会:地盤調査法1995に加筆

「株式会社ウエスコ 伊藤徹」

物理検層

ボーリング孔を利用して孔壁周辺の地層の物理的性質を調べる原位置試験のことです。ボーリング調査では地層から試料を採取して直接的に色、岩質、硬軟、割れ目の程度を調査するのに対し、物理検層では、地層の物理的性質のうち、電気的性質、速度伝播性、放射能強度、温度特性等を捉え、間接的に地層の状況を明らかに使用とする調査法です。これらの種類を表に示します。

物理検層は多くの場合、ボーリング孔内に降下する検知器部分、地表で測定記録する器械の部分、これらを結ぶ電線・ケーブル部分とから構成されます。

物理検層方法の一覧表
調査法 求まる物性値 利用方法 適応地質
PS検層
(速度検層)
P波速度(Vp)
波速度(Vs)
岩盤分類(岩級区分、土工区分)
動弾性係数の推定
耐震設計地盤定数
ケーシング内は不可
崩壊性地盤は塩ビパイプで保護する
電気検層
(マイクロ検層)
見かけの比抵抗値
(ρa)
地層の区分
帯水層の判定
断層の検出
ケーシング内は不可
泥水でも測定可
温度検層 孔内温度
(水温)
水温分布
地下水流動箇所
ケーシング内でも可
キャリパー検層 掘削孔径 掘削孔径の変化状態 ケーシング内は不可
密度検層 散乱γ線強度 地層の密度 ケーシング内は散乱補正が必要

電気検層測定器具

電気検層測定器具の写真

電気検層・温度検層測定事例
電気検層・温度検層測定事例グラフ

「株式会社ウエスコ 伊藤徹」

平板載荷試験

平板載荷試験は、載荷板の荷重沈下曲線から地盤反力係数や極限支持力などの地盤の支持特性を求めることを目的とした試験方法です。平板載荷試験から求まる地盤の支持特性は基礎の設計に対して重要な資料となります。

ただし、平板載荷試験結果に影響する地盤の範囲は、深さ方向に対して載荷板の直径の1.5~2.0倍程度(直径30cmの載荷板では、深さ45cm~60cm)であり、実構造物基礎の寸法は、載荷板の寸法より大きいことが多く、その支持特性に影響する深さは、載荷試験の場合に比較して大きくなりがちです。

したがって、載荷試験の結果を基礎の設計等に利用する場合は、このような寸法の違いによる支持特性への影響を十分に考慮して行う必要があります。

平板載荷試験による測定状況
平板載荷試験による測定状況写真1平板載荷試験による測定状況写真2

平板載荷試験結果整理図
平板載荷試験結果整理図の例

「株式会社ソイル・ブレーン 河村志朗」

三成分コーン貫入試験

地盤を調べるとき通常ボーリングが行われますが、より簡便に調べる方法がいくつかあります。その代表的なものがコーン貫入試験です。これは円錐状いわゆるコーン状に先端が尖った棒を地中に押し込むもので、大きな押込み力が必要な場合は固い地盤で、小さな押込み力で貫入する場合は軟らかい地盤であるということが容易に想像できます。

地盤への貫入の仕方に、油圧や手動で徐々に貫入させる場合(静的貫入)と打撃により貫入させる場合(動的貫入)があります。

三成分コーン貫入試験というのは、この静的貫入によるコーン貫入試験のうちで比較的最近開発されたものです。従来のコーン貫入試験は、コーンの貫入に必要な力だけを測定していたのですが、それでは、地盤が砂なのか粘土なのかが分かりません。そこで、三成分コーンでは次の三つの成分をして、地盤の土質を始め強度などを推定するものです。

  1. 先端抵抗
  2. 間隙水圧
  3. 周面摩擦抵抗

三成分コーン貫入試験の特徴を整理すると次のようになります。


長所

  • ボーリングに比べ安価(単価は半分以下)
  • ボーリングに比べ迅速(時間は半分以下)
  • 三つの測定成分を用いることで土質の判定ができる
  • ボーリングでは困難な,軟弱粘土層中の砂の薄層の検知

短所

  • 土を採取できないため,地盤の強度は推定値しか分からない
  • N値20回程度以上の硬い地盤では貫入できない

このような特徴を生かし次のような活用がなされています。いずれも、ボーリングのみの調査に比べて大幅なコスト縮減に結びつけることが可能となります。

  1. 沿岸部の道路,堤防など延長の長い構造物の調査でボーリングの補間
  2. 埋立地のように土質変化が激しい場合の土層構成確認
  3. 谷部の軟弱地盤の層厚確認

(基礎地盤コンサルタンツ株式会社 岩崎公俊)

ボアホールカメラ

ボアホールカメラは、主としてボーリング孔内の状況を観察するためのカメラです。同様の孔内観測システムとして、ボアホールテレビやボアホールスキャナー、ボアホールスコープという言い方をしているものもあります。

このボアホールカメラでは、孔内観察をもとに、以下のような地質調査~解析が可能となります。

ダム
基盤岩の節理、亀裂、断層など不連続面の観測・評価、グラウト計画策定前の岩盤評価やグラウチング効果判定
トンネル
老朽化トンネルのライニング背後の空洞や岩盤緩み状態の確認、新設トンネルの先行予知調査
地下空洞
地下空洞サイトの岩盤評価、掘削に伴う岩盤緩みの挙動モニタリング
斜面安定
切り取り斜面の岩盤緩み評価、地すべり地点の岩盤状態確認
地下ダム
地盤内の空隙の直視による貯水効率の定量的評価
その他
コンクリート構造物内部の点検、井戸内部の変状確認、道路路床構造の点検

ボアホールカメラの構造

ボアホールカメラの構造模式図

ボアホールカメラは、本体と360°展開型プローブから構成されています。

CCDカメラの下に円錐型のミラーがあり、ここに映された孔壁全周をカメラで撮影し、このデータがMO(光磁気ディスク)にディジタル記録される仕組みとなっています。

また、撮影と同時に、撮影された環状の映像は画像処理され、本体のモニタに展開画像が表示されます。このデータをパソコンにより処理することで、次に示すような解析結果を得ることができます。

  • 解析画像
  • 亀裂面シュミットネット
  • 不連続面(亀裂面)一覧表
  • 見掛け傾斜図
  • 亀裂方向散布図
  • 大円(シュミットネット上で亀裂の方向を輪切りに表現した物)
  • ローズダイアグラム(一定方向に含まれる亀裂の割合を示したグラフ)

ボアホールカメラによるボーリング孔の撮影概念図
ボアホールカメラの撮影画像の解析図

「(株)エイトコンサルタント 石田泰則」

温泉調査

温泉調査とは、対象地域に分布する地質やその構造、および熱源などの存在を科学的方法によって詳細に調べ、温泉の有無やその開発方法(主にボーリング)を明らかにする調査のことです。

調査を行う場合、まず・熱、・水、・通り道(あるいは入れ物)の存在を考えなければなりません。温泉は特殊なものではなく、この条件を満たせば、どこにでも存在する普通の地下資源(地熱資源)です。しかし、このうちの1つでも欠けると、温かい温泉を得ることはできません。

地下を深く掘れば、場所によって程度の差はありますが、地温は次第に上昇していきます。このため、地下深部まで地下水が循環するような規模の大きな割れ目、たとえば断層や破砕帯などが主に温泉開発の対象になります。

調査では、地表に分布する地質を調べることが最も重要です。しかし、これだけでは地下深部の断層や破砕帯の様子などはわかりません。そのため、電気探査(図-1)や放射能探査(図-2)など(物理探査)を行ったり、水銀ガスや二酸化炭素などの土中ガス濃度あるいは湧水などの水質を調べたりして(地科学調査)、温泉開発の可能性を探ります。

温泉は浴用ばかりに目がいきますが、実は資源の少ない日本にあとっては重要なクリーンエネルギーの1つなのです。地熱資源は、その利用方法や技術的な面で、最も進んでいる新エネルギーでもあります。このような観点で、温泉の有効利用を進めていくことが、今後増々重要になっていくものと考えられます。

電気探査(比抵抗2次元探査)の測定風景と解析図
電気探査(比抵抗2次元探査)の測定風景写真電気探査(比抵抗2次元探査)の解析図

放射能探査(ガンマ線スペクトル法)の測定風景と解析図
放射能探査(ガンマ線スペクトル法)の測定風景写真放射能探査(ガンマ線スペクトル法)の解析図

「株式会社シマダ技術コンサルタント 岩田 昭夫」

ジオトモグラフィ

ジオトモグラフィは、医学分野で成果を収めているX線CTあるいは超音波CTの原理を応用して、地盤調査法として開発されてきた方法です。これは、文字どおり地を切ってその構造を知ろうとする技術であり、1970年代から開発され、1980年代に大きく進展したものです。

本方法は、図-1に示すように、地表、ボーリング孔および調査坑などに多数の発信点と受信点を配置し、孔-孔(坑)間および孔(坑)-地表間で物理探査的手法により計測を行い、インバージョン解析により物性分布を再構成するものです。探査に用いる媒体は、弾性波、比抵抗、電磁波などが実用化されています。

いずれの場合も、解析結果で得られる2次元画像の精度は、測線・測点配置、測定機器の精度、解析方法などに左右されます。調査に際しては、事前に地質構造の概略を把握し、目的に応じた適切な測線・測点配置を計画する必要があります。

なお、図-2は、地すべり地で実施した比抵抗トモグラフィの解析結果例です。測線ごとの結果を組み合わせて、比抵抗値レベルを色分けで3次元表示したものです。

図-1 ジオトモグラフィの概念図
図-1 ジオトモグラフィの概念図

図-2 探査結果例(比抵抗トモグラフィ)
図-2 探査結果例(比抵抗トモグラフィ)

「復建調査設計株式会社 藤本 睦」

GIS

GISとはGeographic Information System(地理情報システム)の略で、土地に関連する色々なデータを、地図を共通のキーとして管理し、検索・分析及び出力を行う技術のことです。このGISの有効性としては、主に以下のようなことが考えられます。

  • 統一基準でデータを維持管理できる。
  • データの重複、劣化、紛失の防止が図れる。
  • データの改訂、更新が容易である。
  • 容易で迅速な検索が可能である。
  • 他の情報と複合的に表示させ、分析が行える。

この性質から、上下水道・都市計画・ 道路整備などの管理用として利用されます。又、簡 易的なものとしてカーナビなどがあります。

GISデータのレイヤ構造概念図GISは、図形データと属性データの2つから 構成されます。図形データとは、その図形の形状・ 色・大きさなどによって、情報を表現するデータ のことです。この図形データは、属性データに 従って、複数の画層(レイヤ)に分かれて描画されます。又、描画される位置は、各レイヤとも同じ 平面直角座標系に基づいて行われるため、同じ座 標値をもつ図形データは、レイヤが異なっても同 じ位置に描画されることになります。これを概念的に 説明すると次のようになります。レイヤとは、1枚の 透明なフィルムであり、これに図形を描画します。

白地図の上に、必要な図形が描画されたフィルムを複数枚重ね、上から見ることによって、各図形の関係が地図を基にして表現され、総合的な解析が可能となります。図形データは、そのデータ形式から、ベクターモデル及びラスターモデルの2タイプに分類されます。両者それぞれ長所と短所があり、利用目的・精度及び予算によって使い分けられています。通常、属性データを持つ図形はベクターモデルを、背景図としての図形はラスターモデルが使用されます。図形データの特殊なものとして、基図があります。これは、GISにおいて中心的な役割を持つ地図データのことであり、地勢図・数値データ・都市計画図・森林基本図及び航空写真などが利用されます。

属性データとは、非空間・非図形である文字・数字データであり、図形データと関連づけられるデータのことを示します。この記憶されるデータの構造は、ひとつの属性に対して、現実に実在する物をモデル化したものです。ベクターモデルの図形は、固有のコード番号を持つことができ、これを属性データ管理テーブルで記憶することによって、両者の関連付け(リンク)を行うことができます。これによって、図形データに何らかのアクションを起こすことによって、属性情報を表示させることが可能となります。又、逆にある条件を与え、これに満足する属性情報を持つレコードを検索し、このレコードが持つコード番号からベクターモデルの図形を認識させ、色を変えて表示させることも可能となります。

複数の属性データで、同じ項目(フィールド)を持つ場合があります。この場合、両者の関係を定義することによって、相互のテーブルを一つのテーブルとして認識することができ、データの省略化及び複雑な分析が可能となります。これをリレーショナルデータベースと呼びます。近年GISが普及した理由として、ハード面の性能の向上も考えられますが、このリレーショナルデータベースが導入できるようになったところが大きいと考えられます。

「株式会社宇部セントラルコンサルタント 松井 隆澄」

流量測定(地表水)方法

地表水の流量は、流域、降水量、蒸発量や地下水との流出・流入量などによって変化します。このため、流域や降水量などが既知の場合、地表水の流量を測定することで、地下水の流出・流入量を想定することが可能となりますが、地表水の流量は降雨時の土壌の飽和度や中間流出までの時間的な速さなどの要因によっても変化します。

しかし、直接的な測定ができない地下水の流出・流入量を想定し、地質との関連を検討するために、有効な手段となります。特に、岩盤が露出し地下水への流入がほとんどない条件で長期間にわたり降雨がない場合には、地下水の流出のみ(基底流量)となり、地質と地下水量の関係を把握しやすくなります。

地質調査の観点から、地表水の流量測定を行う目的として、

  • 地質区分と水理地質や地下水の関係の把握
  • 地表水の帯水層への涵養量の推定、或いは帯水層から地表への流出量の推定
  • 断層などの地下水の供給源の推定

といった内容が挙げられ、具体的には、

  • トンネルや大規模な切土などを対象とする土木工事で問題となる地下水調査
  • 岩盤地帯での地下水探査

などのような適用事例が考えられます。

小規模な河川や渓流などでの地表水の流量測定方法を簡単に紹介します。

測定手法として、

  1. 直接計量(容積法)
  2. 流速計法
  3. 堰法
  4. 投入試薬の希釈度の測定(塩分希釈法)

が挙げられ、各々の測定方法や適用条件などについてまとめます。

表1 地表水の流量測定手法
測定方法 概要 適用条件 備 考
1.容積法 渓流を土嚢などにより止水しVP管などを通して流下させ流量を直接測定する。 直接的な測定であり精度は高い。流量が多い場合困難である。 簡易な方法では地表水の完全な捕捉が難しい。
2.流速計法 通水断面を測量により作成し、流速計により数ヶ所の流速を測定し流量を求める。 流量が多い場合に適する。逆に水量が少ない場合、測定が難しく精度が悪くなる。流速が通水断面内で大きく変化する条件では精度が悪くなる。  
3.堰 法 河川や渓流の途中に三角堰などを設置しノッチ高を測定する。 岩盤や玉石の分布地での堰の設置は難しい。 砂や礫などの堆積物が分布する場合、地表水が地下へ浸透しやすくなる。 一般に堰は常時設置するため、簡易な構造の場合、豪雨時に破損する可能性がある。
4.塩分希釈法 一定時間、定量の食塩水を継続的に渓流に投入し、下流側にて電気伝導度を測定し、流量を計算にて求める。 流量の多寡によらず比較的簡易に測定可能である。 食塩以外の試薬もあるが、食塩を利用することが多い。

以上が、主要な測定法の概要であり各方法ともいくらかの測定誤差は生じる。現地状況や目的に応じて適切な手法を選択する必要がある。

<<測定状況写真>>

▼写真1 容積法-バケツなどを利用して水量を測定する。
容積法の測定状況写真

▼写真2 流速計法
流速計法の測定状況写真

▼写真3 堰法-三角堰を利用しノッチ高を計測する(写真では自動測定)。
堰法の測定状況写真

▼写真4 塩分希釈法
塩分希釈法の測定状況写真

「(株)エイトコンサルタント 石黒 靖彦」

赤外線法

赤外線カメラ
赤外線カメラの写真

コンクリートの健全部と浮き部の間で生じる温度差を赤外線カメラで撮影することにより、非破壊・非接触でコンクリートの浮きを面的に検出できる技術です。

コンクリート片の落下は、そのまま事故につながる可能性があるため、この前段階である、浮き・剥離の調査は非常に重要です。

コンクリートの表面温度は、外気温の変化に追従し周期的な温度変化が生じています。浮き部は、健全部に比べて暖まりやすく、冷めやすい温度特性であるため、浮き部と健全部で温度差が生じます(日中の場合、浮き部は高温となります。図1参照)。この温度差を赤外線カメラで撮影することで浮き部を検出します。撮影には一日の温度変化の大きな晴天もしくは曇天が適しています。

主な赤外線法の種類

図1 赤外線撮影例(橋脚部、日中)
図1 赤外線撮影例(橋脚部、日中)

図2 赤外線差画像法の解析例
図2 赤外線差画像法の解析例

図3 赤外線画像解析法の解析例(トンネル)
図3 赤外線画像解析法の解析例(トンネル)

赤外線原画像判定法
赤外線原画像からうき・剥離の判定を行う。
現地で赤外線カメラのモニタ画面上で判定する方法
室内で記録された画像を調整して判定する方法
赤外線差画像法(2回撮影法、土木研究所法)
吹きつけのり面の老朽化診断のために土研で開発された方法。同じ対象物を時間帯を変えて2回撮影し、温度変化量の大きさから劣化部を判定する(図2)。
赤外線画像解析法
熱画像をコンピュータで精密に解析する。原画像の目視では判断できない微小な温度変化までも検出するため、温度変化の小さいトンネルでも適用できる。また、うき・剥離のほかにひび割れも検出できる(図3)。
アクティブ法
対象物を人工的に加熱又は冷却して赤外線撮影し、原画像判定を行う。温度環境等の条件の影響を受けにくいが、加熱/冷却に大きな装置とエネルギー、手間を必要とする。

「基礎地盤コンサルタンツ株式会社 久賀 真一」

 

電気伝導度・p.H観測

電気伝導度

電気伝導度は電気の通りやすさを示す指標であり、溶液中に含まれるイオンが電気を運ぶ役割を担うので、これに含まれる電解質の濃度が高くなれば値は高くなります。しかし、伝導率の欠点でもあり長所でもあることは、電荷をもたない物質(ケイ酸)はいくら水に溶け込んでいても伝導率には影響しないことです。1mg/lについての伝導率は、陸水の主成分のうち、最小がHCO3-、最大がMg2+であり、同じmg/lであっても、塩類組成によって伝導率は異なります(表-1参照)。

よって、電気伝導度観測は以下の点で役立ちます。

  1. 流域の大まかな水文地質特性
  2. 地下水系統の異なる水の判定
  3. 水質変化の監視
  4. 異種の水塊における混合等の把握
表-1 主要イオン1mg/lについての伝導率(第3版 水質調査法より引用)
イオン 当量伝導率(25度) 1g当量 1mg/lについての伝導率
Na+ 50.1 23.00 2.18×10-3
K+ 73.5 39.10 1.88×10-3
Mg2+ 53.1 12.16 4.36×10-3
Ca2+ 59.5 22.00 2.78×10-3
Cl- 76.4 35.46 2.15×10-3
SO42- 80.0 48.03 1.67×10-3
CO32- 72.0 30.01 2.40×10-3
HCO3- 44.5 61.02 0.73×10-3
NO3- 71.4 62.01 1.15×10-3

pH

p.H観測は、地下水の性質が塩基性か中性か酸性かを把握する上で重要な水質項目となります。

地下水は、地質、土壌中の二酸化炭素の影響、植物の炭酸同化作用およびバクテリアによる生物体の分解、海水の影響、人為的影響等の因子によって水の性質が変化します。

一般的に、p.Hの指標は、日本各地の観測傾向から、河川中のp.Hで6.6~7.2、浅層地下水で5.6~6.6、深層地下水で6.7~8.0を示すことが言われてます。

p.Hは次に示す種々の条件で値が左右されます。

  1. p.Hの異なる水の混合
  2. 二酸化炭素放出によるpHの上昇
  3. 植物の炭酸同化作用によるp.Hの上昇
  4. 有機物の分解・二酸化炭素の酸化によるp.Hの低下
  5. 硫化物の酸化によるp.Hの低下

観測とデータの整理

写真-1 電気伝導度・p.H観測状況
写真-1 電気伝導度・p.H観測状況

写真-2 左:電気伝導度計:16.28mS/m
右:p.H計:6.34
写真-2 左:電気伝導度計 右:p.H計

図-1 平成13年度の降水量と地下水位、電気伝導度、p.Hの季節変化(Bor.No.B)
図-1 平成13年度の降水量と地下水位、電気伝導度、p.Hの季節変化(Bor.No.B)

表-2 平成13年度における各観測項目の調査概要(Bor.No.B)
観測項目 地下水位標高(m) 電気伝導度(mS/m) p.H
年最大値 96.44 20.5 6.9
年最小値 95.84 12.5 5.4
年較差 0.60 8.0 1.5
年平均 96.12 14.8 6.1

定期的に地下水位、電気伝導度、p.Hの一斉観測を実施し、気象条件による地下水の水質の把握および地下水の涵養・流動的機構を解明します。工事着手前は、年最大値、年最小値、平均値に関する経年変化をグラフで表し、長期的な傾向を考察します。工事中は事前に取得したデータと比較して地下水の汚染実態を評価します。

「株式会社宇部セントラルコンサルタント 植田敏史」

土木材料の色彩の数値化

原理

 岩石や土砂の色彩は、風化作用、熱水変質作用、そのほかの化学的変化や含有物によって左右されている。そのため岩石、土砂の色彩を定量的に表現すれば、風化変質の程度や含有鉱物量などの定量的判断指標に応用できる。
測定は、客観的・定量的測定法として優れ、また軽量で操作が簡便な分光測色計(扶桑プレシジョン製 PRIMO MIRAGE 写真-1)にて行う。当測定器の表色はマンセル系、XYZ系、L*a*b*系が可能で、340-750nm間の分光反射率も得られる。図1に一般的に用いられる、L*a*b*座標系を示す。
風化作用の場合は一般的に風化が進行するにつれて、岩石の色彩が赤褐色系に変化していく。したがって特にa*、b*値は、数値が大きくなるほうに変化する。

分光測色計
写真-1 PRIMO MIRAGE


図-1 L*a*b*座標系

分析目的および結果の利用方法例

 図-2は岩石の色彩(b値)あるいは450nm付近の反射率と、圧縮強度の関係図である。強度が約100MN/m2以上と硬質な試料(古第三紀花崗岩)において、それぞれ良好な関係が認められる。分光測色によって、未風化硬質な岩石の強度特性の把握の可能性を示した例である。
図-3は、セレンを環境基準値以上溶出する試料の判別図である。色彩値a*b*値の分布(分光測色)により、セレン溶出岩の判定がその場で瞬時に把握できる例である(a*b*値が、赤あるいは青線より左側に分布する試料はセレンを基準値以上溶出する岩)。
ともに、岩石の風化あるいは変質に伴う色の変化と物性値の変化がリンクした例といえる。間接的な物性値推定方法のため、適用に制限や工夫が必要であるが、分光測色計は軽量かつ簡易で、その場分析が可能であることから現場作業にも適している。今後も、様々な分野への応用が期待できる。

岩石の色彩(b値)の反射率と、圧縮強度の関係図
図-2 分光測色結果利用例(1)

環境基準値以上溶出する試料の判別図
図-3 分光測色結果利用例(2)

((株)エイト日本技術開発 磯野陽子)

水みち調査

地盤の一部に透水性の高い箇所が存在し、相対的に速い地下水の流動速度を有する区間を地下水流動区間(≒水みち)と言います。水みちの存在を把握することで、河川やため池堤体の健全性評価、土木工事における作業の安全性・経済性評価、地下水保全対策及び地下水汚染対策等に役立てることが出来ます。

水みちの深さ方向の位置を比較的簡便に検出する手法として、トレーサー(地下水と電気抵抗あるいは温度の異なる水)による地下水流動層検層があります。

トレーサーによる地下水流動層検層

  1. ボーリング孔内にトレーサー(食塩水、温水等)を投入します。
  2. トレーサーの濃度・温度の経時変化を定期的(3分後、5分後、10分後、15分後、30分後、60分後、90分、120分後等)に測定します。
  3. トレーサーの濃度・温度(希釈の速さ)の違いより、水みちの存在を検出します(下図参照)。


地下水流動検層結果例
(地盤調査の方法と解説より)


検層機器の例

トレーサーによる地下水流動層検層により、水みちの有無の確認に加え、その水みちの孔内流速の推定が可能となります。

その他の水みち調査手法

  • 他の計測器(孔内流向・流速計、孔内カメラ等)を用いることで、流下方向や実際の流速等、さらに詳細な水みちの情報を得ることが可能です。
  • 調査対象範囲が広域な場合、トレーサー試験、高密度電気探査(別途掲載)及び水質分析等が水みちの存在の絞り込み(初期調査)に際して有効な手法と考えられます。但し、これらの手法の採用にあたっては、事前に現地調査を行い、地盤・地質構造を十分に把握した上で現地調査計画を立案する必要があります。

「株式会社エイト日本技術開発 高津 順」