| '18/11/19 | ||
| 砂の原位置凍結サンプリング 目次 | ||
| 吉見 吉昭 |
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ボーリング孔の底からチューブを地中に押し込んで土の試料を採取する「チューブサンプリング法」は，粘土からは乱さない（不撹乱）試料を採取できる可能性がありますが，砂の場合はそれを持ち上げることすら困難な場合があるほどで，ましてや，原位置における砂の強度・変形特性を保持した高品質の試料を採取することはできません。一方
という試みがなされたことがありましたが，いずれも不十分であったり，あまりに高価であったために定着しませんでした。
そこで図１のような二重管を用いて，下端の開いた内管から供給された冷媒が，底の閉じた外管と内管の間を通って上部から排出される間に，周囲の地盤から熱を奪って凍結する方法を考案しました。そして凍結管の挿入によって砂が乱れる恐れのある範囲を避けてその外側から供試体を採取すれば，砂の原位置における密度と強度を保持し，さらに供試体成型まで，その状態を保つことができると考えました。凍結膨張によって発生した余剰間隙水を外側に追い出しながら凍結すれば，少なくとも密度を変えないという必要条件を満たす可能性は高いと思われましたが，果たして強度・変形特性も変えずにすむかどうかは，さらによく確かめる必要がありました。凍結・融解の影響を実験と解析によって詳しく調べたのが，当時東工大の大学院生だった畑中宗憲博士でした（竹中技術研究所主任研究員と千葉工大教授を歴任後退職）。
一次元凍結実験
円盤形供試体の曲面の周囲を断熱し，底面から冷やして，凍結膨張による余剰水を上から追い出す一次元凍結実験を行って，拘束圧・相対密度・砂の種類・冷媒温度・飽和度・塩分含有率・供試体高さの影響を調べたところ，拘束圧と細粒分含有率の影響だけを考慮すればよいことがわかりました。例えば，細粒分5％の場合，鉛直有効応力が30kPaを超えると，膨張ひずみを0.1%以下におさえることができました。この応力は，地下水位深さが1mの場合，地表面からの深さ2.2mに相当するので，通常の調査深さがこれより大きいことを考えると，何ら制約となりません。凍結供試体は円柱形に成形した後で解凍し，水で飽和させてから液状化試験を行うことになるので，凍結・解凍の影響を調べたところ，せん断強度とダイレイタンシー特性の変化は無視できることがわかりました。
半径方向凍結の実験と解析
鉛直凍結管を用いて半径方向に凍結を行う図1のような場合については，未凍結領域の砂の応力が凍結砂に押されて変化する可能性があります。解析と室内実験によってこの問題を検討した結果，容器壁による水平拘束のない現場では，鉛直拘束圧が15kPaを超えれば，その影響は無視できることがわかりました。建設省建築研究所の大岡弘博士のご協力を得て，実大規模に近い直径100cm，深さ290cmのタンクを用いて，まず砂を詰めてから中央に凍結管を設置する場合について，図1と同様な凍結実験を行いました。半径方向の凍結前後の密度変化を詳細に調べたところ，凍結管設置による砂の乱れを反映して，凍結管の表面から管径にほぼ等しい範囲で，ゆるい砂では密度が増え，密な砂では逆に密度が減るけれども，その外側では変化しないことがわかりました。
原位置凍結
予備実験の後，横浜市の埋立地で現場凍結実験を行いましたが，資金不足のため，すべて手作業の人海戦術でした。その手順は
というものでした。冷媒はバケツで運び，供給側と排出側の液面差を一定にして循環させましたが，夜を徹して行われた16時間にわたる過酷な肉体労働は，今では高齢になった吉見研究室卒業生の語り草になっています。直径40cmほどに凍結した長さ4.4mと5.8mの砂の柱は，東亜建設工業の半沢秀郎・広瀬誠・松田栄一の三氏のご協力により，クレーンで引き抜きましたが，長いほうの柱の引抜きにはキャパシティーぎりぎりの力が必要で，辛うじて成功しました。後で考えると，埋立て後間もない，非常にゆるい砂でなかったら摩擦抵抗が大き過ぎたために，また，液体窒素を使っていたら下部が太くなったために引き抜けなかったかもしれません。
もう一つの原位置凍結実験で印象に残っている例は，新潟駅の南側で行ったものでした。この時は，丁寧にボーリングした穴に約10mの深さまで凍結管を挿入し，冷媒として液体窒素を用い，直径約60cmの砂を凍結しました。凍結砂の周りを，先端に歯をつけた鋼管ケーシングでコアリングして，摩擦を切った後で，凍結管と砂をいっしょに引き抜く方法を採用しました。㈱東京ソイルリサーチの大槻朝雄社長（当時）の全面的なご協力を得て，かなりの装備が整えられましたが，異常な暑さに対して，ドリリング液（ベントナイトを入れた不凍液）の冷却が追いつかなくなったので，砂が融けるのではないかと心配しました。真夜中近くになって，やっとの思いで，凍結部分の下までケーシングを貫通でき，凍結砂柱を引き揚げることに成功しました。この時は，時松孝次博士（その後東工大教授を経て東京ソイルリサーチ常務取締役），大原淳良氏（東京ソイルリサーチ）などの方々に大変なご苦労をかけました。せっかく凍った砂の上部は若干融けましたけれども，融けずにすんだ下部に重要な試料が残っていたことは幸運でした。半径方向の密度分布を測定したところ，前述した室内実験結果と同様，凍結管の表面からほぼ管径以上離れれば密度の変化が無視できることが確認できました。
原位置凍結試料とチューブ試料の液状化強度の比較
図2はせん断応力と有効応力の比を縦軸に，所定のひずみ振幅に対応する液状化までの繰返し回数を横軸にプロットした一種のS-N曲線（疲労破壊曲線）に相当する非排水完全両振り繰返し三軸試験の結果で，◆印は凍結試料，■印は付近から採取されたチューブ試料のものです。それまでとくに強いとは考えられていなかった換算N値（N1）＝32という砂が，これほど高い液状化強度をもつことは驚きであって，当時はこのデータの信憑性を疑った人が少なからずいたかもしれません。新潟の砂は信濃川が運んできた，細粒分（シルトと粘土）の少ない細砂で，10mという深さでは，かなりの数の強い地震を経験して，多くの繰返しせん断履歴を受けてきたことが，このような安定した構造をもたらしたのでしょう。一方チューブ試料では，密度が低くなるとともに，液状化強度が大幅に低下していることがわかります。「不撹乱試料」と呼ばれることもあったチューブ試料が，実は乱されていることがこれで判明しました。参考までに図2の点線は，砂をもみほぐした後，湿った状態でチューブと等しい密度に突き固めた再構成試料ですが，その液状化強度は，原位置凍結試料とチューブ試料の中間にあります。
図3は，運輸省港湾技術研究所が行なったゆるい埋立砂の試料に対する液状化試験結果ですが，図2とは逆に，密度が大幅に上がったチューブ試料のほうが，原位置凍結試料より強くなっています。したがって，ゆるい砂の場合は，チューブ試料を不撹乱試料と誤認すると，液状化強度を大幅に過大評価してしまいます。図2，3の結果は，別のページに示した液状化強度とＮ値の関係図に含まれています。
原位置凍結法を用いて砂の不撹乱試料を採取するための条件は，つぎの通りです。
わが国でこれまでに行われた原位置凍結サンプリングは，砂，礫，およびシラス（主として南九州に分布する火山噴出砂）に対して実施され，2004年の時点で凍結長さの総計が720mを超えていました。また，設計用が64％を占めていたことは，実務的な調査法として採用されたことを示しています。砂の場合は，凍結領域の外周部からコアリングによって径150mmほどの試料を採取するのがふつうで，これから径50～70mmの供試体を切り出します。礫の場合は，直径300mmのコアをダイヤモンドビットのついたロータリー式サンプラーで採取し，そのまま供試体として用います。なお，原位置凍結試料を用いて求めた液状化強度に対する細粒分の影響に関する研究については，後藤茂博士（当時清水建設技術研究所）のご協力を得ました。
おわりに
原位置凍結サンプリング法の唯一の問題点は高価なことですが，私はかねがね「硬度10の材料が必要なら高価でもダイヤモンドを使わざるをえないのと同様，砂の不撹乱試料が必要なら，高価でも原位置凍結サンプリング法を使わざるをえない。」と主張してきました。大規模ダム，超高層建物などの場合は調査費用が過大とは言えません。最近はコストダウンのために，種々の工夫がなされているようですが，品質を犠牲にしては元も子もなくなると懸念しています。ここでは，液状化強度を例にとって，原位置凍結サンプリング法の意義を強調しました。
「原位置凍結地盤凍結法による非粘性土の不撹乱試料採取技術の開発」に対して，土質工学会（地盤工学会の前身）から，畑中宗憲（前出），大岡弘（前出），牧原依夫（当時東京ソイルリサーチ）の三氏と連名で，昭和60年度技術賞を受けることができました。上記は『未来材料』2004年7月号掲載の拙著「研究余録―砂地盤の原位置における液状化強度を求めて―」に加筆したものです。
原位置凍結サンプリングの実務に関する資料は下記のURLで閲覧できます。
http://www.tokyosoil.co.jp/pdf/techreport/c-02.pdf
参考文献