わかりやすい地質百科

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)

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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)

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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」

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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」

 

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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」

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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」

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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」

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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)

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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」

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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」

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