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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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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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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」

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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」

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地盤沈下

地盤沈下は、地表面の相対的な沈下現象のことを示しており、主たる原因としては、地球内部の運動いわゆる地殻変動によって生じるものと、人工的又は自然的原因によって生じるものとがあります。私たちの日常生活で話題となる地盤沈下の多くは、ほとんどが海岸近くの沖積平野に集中しています。

地殻変動による地表面の変状には、地震の前後や火山活動によって生ずるものがあります。最近では1995年の兵庫県南部地震や1999年の台湾・集集地震での大規模な地盤の隆起や沈下が記憶に新しいことと思います。

沖積平野地域における地盤沈下は、地盤中の液体(多くは地下水)を抽出(揚水)することによって生じる圧密沈下によるものや、盛土などの荷重を新たにのせることによって生じる圧密沈下によるものが主体と考えられます。

圧密とは、水をたっぷり含んだスポンジを両手で抑えると、水がしぼり出されてその分だけスポンジが収縮するような現象のことです。つまり、水が強制的に排除されたり、排除するような力(荷重)が加わると、スポンジのように柔らかい地盤で構成されている地域では圧密により地盤沈下が生じます。

私達の地盤を構成している土は、土粒子とその間の間隙とで構成されており、砂よりも粘土のほうの間隙がはるかに大きく、しかもその間隙は水で満たされています。さらに、地盤の生成された時代が新しいほど間隙はより大きくなります。このように、地盤のつくられた時代が新しく(埋立地や造成盛土を含む)、かつ、その土が粘土に近く、間隙が水で満たされているような地盤は圧密沈下の発生しやすい状況にあります。

地盤沈下が生じると、地表面の構造物も一緒に沈下していくために水路が流れにくくなったり、構造物が傾いたりします。このため構造物が沈まないように長い杭で支えとやると、逆に建物が抜け上った状態となります。このように、地盤沈下は周辺地表面との沈下量に差が生じるため、私達の生活環境に影響を及ぼすこととなります。なお、都市部での過剰な地下水汲み上げにより発生する広域沈下と呼ばれている現象は全国の平野部で多く見られましたが、地下水汲み上げ量の規制を強化したことによってかなり沈静化しています。

建物(杭基礎)と外構との不同沈下
(撮影:都宮和久)
建物(杭基礎)と外構との不同沈下の事例写真

軟弱地盤上の道路の変形(凹凸)
(撮影:都宮和久)
軟弱地盤上の道路の変形(凹凸)事例写真

建物と外周構造物との不同沈下の事例写真建物と外周構造物との不同沈下
沈下により階段部分にブロックが継ぎ足しされ、新しい階段とされている。右側の斜路部擁壁には約30cmの沈下が生じている。

橋梁との取り付け部の沈下の事例写真橋梁との取り付け部の沈下
堤防部分が沈下しコンクリート壁や護岸ブロックに亀裂や変状が発生している。

「株式会社ウエスコ 伊藤徹」

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液状化

液状化とは、地盤が地震などの急速な繰り返し載荷を受けたときに、あたかも液体のようになってしまい、支持力を失う現象のことです。従来は、飽和している緩い砂地盤で発生しやすいといわれてきましたが、1995年の兵庫県南部地震などでは、礫質土あるいは細粒分の多い土での液状化も報告されています。

その発生メカニズムは、次のように考えられています。

図 液状化のメカニズム

平常時
液状化のメカニズム。平常時の地盤の状態模式図
地震時
液状化のメカニズム。地震発生中の地盤の模式図
地震後
液状化のメカニズム。地震後の地盤の模式図
  1. 地盤が地震動を受けると、土粒子はより安定化するために体積収縮しようとします。
  2. ところが、地震時のように短時間の急速載荷の場合、砂地盤といえども土粒子間の排水が許されない状態となり、地盤の体積は一定に保たれたままとなります。そのため、体積収縮しようとする土粒子の移動は、間隙水圧の上昇に転化されます。
  3. この間隙水圧の上昇によって、土粒子間の有効応力が減少し、地盤のせん断抵抗が失われます。地震時に見られる噴砂や噴水などの現象は、液状化に起因するものと考えられています。

このような液状化現象は、構造物に多大な被害をもたらすため、事前に地盤状況を十分確認し、それに対応した設計が必要です。

兵庫県南部地震の時に六甲アイランドで見られた噴砂跡の写真

 

兵庫県南部地震(1995年1月)時に六甲アイランドで見られた噴砂跡

 

「復建調査設計株式会社 藤本 睦」

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土・地盤を分類する

土木や建築では、丈夫で安全な構造物を作るためには地盤がどんな土で出来ているか知る必要がある。土の強さや変形特性は土の種類毎に整理され、その情報を利用するためにはボーリングなどの地盤調査を行い、土を分類する必要がある。

土を分類する

構造物を作る土地においてボーリング調査を行うことで、N値と代表的な土の試料を得ることが出来る。土は観察により、粘土、シルト、砂、礫あるいは粘土質砂などと分類する。

基本的な分類方法は、地盤工学では「地盤材料の工学的分類方法(地盤工学会基準:JGS 0051)」に基準化されている。地盤材料は図-1に示すように、粒径に応じて砂粒子(あるいは砂分)とか礫粒子(あるいは礫分)と表される。なお、土壌学や地学とは多少の違いがある。

土質材料の工学的分類体系の図

この方法は観察と土質試験値(含有率、塑性図)が必要であるが、ボーリング調査では土質試験を行いながら土を分類することは少なく、通常は目視観察により土の分類を行いボーリング柱状図を作成する。

  1. 分類する試料
    通常、φ66mmのコアチューブではφ50mm以下で採取され、標準貫入試験ではφ35mm以下で採取されるため、主として土質材料を対象とした分類となる。
  2. φ50mm以上の粗礫や玉石
    採取されたコア長で粒径を推定し、φ75mm以上あれば、「玉石まじり」とする。
  3. 細粒分の含有率を推定する。
    • 15%以下なら、細粒分まじり
    • 15%以上なら、細粒分質
    • 50%以上なら、細粒土
  4. 礫分(砂分)の含有率を推定する。
    • 15%以下なら、礫混じり(砂混じり)
    • 15%以上なら、礫質(砂質)
    • 50%以上なら、礫(砂)
  5. 以下のように、分類する
    • 細粒分(粘性あり)15%以下、礫分15%以下⇒粘土、礫まじり砂
    • 細粒分(粘性なし)15%以上、礫分15%以下⇒礫まじりシルト質砂
    • 細粒分(有機質土)15%以下、砂分15%以上⇒有機質土混じり砂礫

地盤を分類する

地形と地盤は密接な関係がある。地形を読むことにより、地盤とその地盤がどんな土から構成されているかを推定することができる。

地形は大略、山地、丘陵地、台地(段丘)、平地(低地)に区分でき、平地(低地)以外の地形(地盤)では支持力や沈下などの問題は少ないが、地すべり、斜面崩壊、土石流などの災害現象の問題が大きい。一方、平地では支持力や沈下などの問題はもとより、洪水、津波、液状化などの災害現象の問題も大きい。

表-1 地形区分とその地盤の問題点
地形 支持力|沈下 災害
山地 少ない あり
丘陵地 少ない あり
台地 少ない あり
平地 あり あり

ここでは支持力や沈下の問題がある低地地盤について、問題のある地盤を区分する。

平地(低地)は谷出口から河口までの地形とすれば、大略、扇状地、氾濫原、三角州に区分でき、そのうち氾濫原や三角州では軟弱地盤を形成していることが多い。

表-2 平地の微地形と地盤
地形 特徴 地盤構成
扇状地   谷口から扇状の緩傾斜地 礫~砂
氾濫原 自然堤防 旧河道や現河道沿いの微高地 礫~砂
旧河道跡 周辺の平地よりやや低く、細長い平地


粘土・シルト


礫~砂

後背低地 自然堤防の背後地 粘土・シルト
三角州 三角州 河口付近の低地で、流路は枝分かれ 砂~粘土・シルト
潟湖跡地 砂州の背後地 粘土・シルト
砂州 海岸に細長く岸と平行に延びた砂地形(例、米子~境港市の弓ヶ浜)

軟弱地盤とは軟らかい粘土や緩い砂で構成され、地盤沈下や地震時に液状化のし易い地盤である。したがって、平地で家を建てるなら、支持力や沈下の問題の少ない扇状地が良いであろう。また自然堤防は以前から集落のある地形であり、木造建築のような軽い建物ならば候補地に挙げられよう。

「アサヒコンサルタント株式会社 福田 正昭」

参考文献
地盤工学編:土質試験の方法と解説、pp.214~221、2000

 

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サンプリング

構造物の設計に必要な地盤の力学特性を調べるための一手法として、乱れの少ない試料を用いた室内力学試験が行われています。(乱れの少ない試料とは、土の構造と力学特性を出来るだけ原位置に近い状態で採取したものをいいます。)本編では、ボーリング孔を利用した乱れの少ない試料を採取するためのサンプリング方法を紹介します。

地盤は、粘性土,砂質土,礫混り土,岩,地盤改良土など様々な状態で存在しており、乱れの少ない試料を採取するためには、地盤の状態に適合したサンプラーを選定することが重要です

シンウォールチューブサンプラー
軟らかい粘性土の採取に用いられています。サンプリングチューブを地盤に静的に押し込み、試料を採取します。
ロータリー式二重管サンプラー
硬さが中位から硬い粘性土の採取に用いられています。先端にビットの付いた外管で地盤を回転切削し、回転しない内管を地盤に押し込み試料を採取します。
ロータリー式三重管サンプラー
主に砂質土の採取に用いられています。先端にビットの付いた外管で地盤を回転切削し、回転しない内管を地盤に押し込み、さらに内側のチューブに試料を採取します。
凍結サンプリング
液体窒素などを用いて地盤を凍結させて、コアリングにより試料を採取する方法です。通常の採取方法では困難な細粒分の少ない砂質土や礫混り土から採取する場合に用いられています。高品質の試料を採取できますが、他のサンプリングよりもコスト高となります。
GPサンプリング
単管のサンプラーに高濃度潤滑剤を充填し、回転切削し試料を取り込みます。循環水を使用しないため試料の表面を洗い流さずに採取できる方法です。凍結サンプリングと同程度の高品質試料を採取できる比較的新しいサンプリング方法です。

表 サンプリング手法の種類と適用地盤
サンプリング手法の種類と適用地盤の表

各種サンプラーの例の図
図 各種サンプラーの例

サンプリング試料の写真

「基礎地盤コンサルタンツ株式会社 久賀 真一」

参考文献
地盤調査の方法と解説 地盤工学会、平成16年6月発行

 

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