橋梁・道路設計は、広島のNEXCO西日本コンサルタンツ株式会社:事業内容(SBIFT)

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SBIFT:試験の概要・特徴

1-1.原位置せん断摩擦試験の概要

SBIFTは Self Boring typed In-situ Friction Testの略で,原位置せん断摩擦試験の略称です。

自然地盤の応力を緩めることなくセルフボーリングで掘削し,そのボーリング孔を利用してプローブの膨張とせん断により地盤の強度と変形特性を一体的に測定する試験法です。

SBIFTの特徴

  1. 原位置で せん断強度 (c ・φ) ・変形係数 (E) を求める試験法である。
  2. セルフボーリングで掘削するため,地盤の応力開放が少ない。

従来の試験法では困難であった軟弱地盤や礫混じり地盤,強風化軟岩の評価に適用可能

試験の手順

  1. 通常のボーリングにて試験深度の手前までφ116で掘進。
  2. アウターロッドを繋ぎながら、孔底まで吊り入れる。
  3. ボーリングロッドを接続し、ボーリングマシンを用い掘削、送水を行う。
  4. 試験深度までセルフボーリングで掘削。
  5. 試験機器の設置。

SBIFTの設置フロー
図 -SBIFTの設置フロー

セルフボーリング時の挙動
図 -セルフボーリング時の挙動

SBIFTについて詳しく見る

1-2. 試験の状況

[1] 通常のボーリングマシーンを使用して、試験を実施します。

試験風景
写真- 試験風景

[2] 仮設の条件として、測定機器設置ヤードが必要になります。

ボーリング孔より15mの範囲内に1.5m×1.0mの平坦で冠水しないスペースが必要です。

[3] 掘削には、原則として万が一の孔壁崩壊防止の為にケーシングを挿入します。

ケーシングの径はφ116 以上を使用します。SBIFT 測定深度の 0.40 ~ 0.70m 手前までケーシングを挿入します。そこからはSBIFTで自己掘削します。

SBIFTの概略図
図 -SBIFTの概略図

1-3. SBIFTで得られる地盤定数

原位置せん断摩擦試験(SBIFT)の測定原理は壁面への垂直応力qvを作用させ(プローブへ注水し膨らませる),その値を保持したままプローブをジャッキで引き上げせん断強度τを得ます。この二つの応力の相互関係,応力と変位の関係から設計に必要な地盤情報が得ることができます。

孔壁に加える多段階の垂直応力qV,せん断強度τの関係から,試験装置と地盤の接触面での摩擦抵抗として粘着力c,摩擦角φを得ます。この摩擦抵抗は測定装置の粗度により変化しますが,表面に凹凸を設けて十分に粗とすることで地盤が破壊し,地盤のせん断定数c,φに近くなります。

一方,壁面への垂直応力qVと孔壁変位量δv(または体積変化量ΔV)の関係から変形係数Eを推定します(孔内水平載荷試験と同原理)。

原位置せん断摩擦試験(SBIFT)の測定システムの概念図を次に示します。

原位置せん断摩擦試験(SBIFT)の概念図
図 -原位置せん断摩擦試験(SBIFT)の概念図

表 -SBIFTで得られる地盤定数

地盤定数 SBIFT
(直接測定)
N値などからの推定式 既往調査方法
(直接測定)
設計への適用箇所
せん断強度定数 c, φ 粘性土:c=6~10N, qu /2
砂質土:φ=4.8logN1+21
一軸試験
三軸試験
(UU,CD)
主働・受働土圧
ヒービング(粘性土)
杭の周面摩擦力
斜面安定など
変形係数 E E=2800N, E=210cu(粘性土) 孔内水平載荷試験
三軸試験
土留め壁の弾性反力
杭の水平変位と断面力の算定
静止土圧係数 Ko ※1 1- sinφ(砂質土)
0.5~0.8(粘性土)
孔内水平載荷試験 静止土圧
間隙水圧 u ※2 間隙水圧 有効応力解析
(円弧すべり、FEM等)

※1 垂直応力~水平変位量関係の折れ点が不明瞭な場合があります。
※2 見かけの間隙水圧を測定しており、せん断時の測定は困難です。

SBIFTから求めた変形係数

SBIFT試験の境界条件は剛体に作用する変位を想定しており,剛な構造物の設計に用いる変形係数を推定する上では各種の土質試験の中で最も適しています。

従来の孔内水平載荷試験(プレシオメータ,LLT)は横方向K値測定とも呼ばれていた試験ですが,直接K値を求めるのではなく,ある境界条件下での変形係数を求める試験となります。

これらの孔内水平載荷試験は,ゴムを利用した応力一様(等分布荷重方式)の試験で撓み性載荷面を有しますが,SBIFTは金属プレートを利用したひずみ一定(等変位方式)の試験で剛性載荷面を有しているため試験時の変形特性は異なります(次図参照)。

境界条件のモデル図
図 -境界条件のモデル図

SBIFTに用いる補正係数αについて

補正係数αとは,水平方向地盤反力係数(以下,kHという)を算定するために変形係数に乗じる係数であり,「道路橋示方書Ⅳ下部構造編(以下,道示Ⅳという)」では,下表の青背景の範囲について試験方法毎にその数値を決定していますが,SBIFTに関しては特に定められていません。

また,道示Ⅳでは平板載荷試験で求まる地盤反力係数から基礎の設計に用いる変形係数を設定し,この変形係数を基本として他の試験法で得られた変形係数に乗じる補正係数αを定めています。

それに対し,NEXCOでは合理的な基礎の設計のため,杭の水平載荷試験を実施し,実挙動下でのkHとSBIFTの変形係数から求まるkHの関係から,橋梁基礎の設計に用いる補正係数αSBIFTについて検討されました。

その結果,推定に用いる係数αは,NEXCO設計要領第二集より,下表の赤背景の示す係数を用いています。

表 -変形係数E0とα

変形係数E0の推定方法 α
常時 地震時
直径30cmの剛体円板による平板載荷試験の繰り返し曲線から求めた変形係数の1/2 1 2
孔内水平載荷試験で測定した変形係数 4 8
供試体の一軸または三軸圧縮試験から求めた変形係数 4 8
標準貫入試験のN値よりE0=2800N で推定した変形係数 1 2
SBIFTで測定した変形係数※ 2 4

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