土壌水分計付貫入抵抗試験機を 用いた表層崩壊発生危険箇所の 推定手法の検討 小杉賢一朗 山川陽祐 正岡直也 水山高久堤大三 多田泰之
同様の地形を呈する斜面でも, 表層崩壊が発生する部分としない部分があり, 崩壊位置の正確な予測は容易でない 2004 年高知県大川村
地形からは水の集中が起こりえない, 凸型斜面で発生する表層崩壊も, 決して少なくない これらの表層崩壊の予測は非常に難しい 2004 年三重県宮川村
崩壊斜面を踏査すると, 岩の割れ目などからの湧水が頻繁に見つかり, 実は水が集まりやすい場所であったことが分かる このような, 土層の内部に隠された集水性の高い部位の存在は, 崩壊が発生する以前に, 地形から直接判断することは出来ない 2004 年三重県宮川村
1993 年鹿児島吉松町 ( 地頭薗先生提供 )
研究の背景 表層崩壊の予測精度を向上させるためには, 土層の内部構造, 特に土層内の水の集中に関する情報を得ることが不可欠 水の集中に関する情報を得るには, 斜面土壌水分の空間分布を計測することが有効
研究の背景 ( つづき ) 従来の土壌水分計測方法 1 土壌サンプリング + 秤量法手間と時間がかかる かつ, 破壊的計測 2 土壌水分計の埋設データの空間分解能がセンサーの数に規定 ( 一点数万 ~ 数十万円 ) 測器の設置に手間と時間がかかる 機動性 3 非接触計測技術 ( 電気探査, 地中レーダーなど ) 土壌水分以外の特性が計測値に影響する ( キャリブレーションが難しい )
研究の概要 目標 崩壊発生斜面や緑化対象斜面で頻繁に行われている貫入試験に着目 貫入試験機のロッドの先端に小型の土壌水分計を取り付け, 貫入抵抗を測定しながら土壌水分の鉛直分布を計測する測器を開発 斜面の土層構造と水分分布を同時に迅速に把握 表層崩壊発生危険箇所の予測精度の向上
貫入試験機 ( 長谷川式土壌貫入計 ) 2 kg の錘を高さ 50 cm から落下させ, その衝撃で金属ロッドを土層内に貫入させる 貫入の し難さ ( 貫入抵抗値 ) から, 土壌硬度や土層の厚さを計測する 0 錘 2 kg 50 cm 土層 10 20 30 Depth (cm) 先端コーン直径 20 mm 角度 60 基岩 40 50 0 50 100 150 200 N c 10 cm 貫入するのに何回錘を落とす必要があるか ( 長谷川式貫入計の N h 値は,N c 値のおよそ 2 倍 )
TDR 式水分計の原理 同軸ケーブル 電磁波 : 時間 t で往復 土壌 センサー : 長さ L(10~30 cm) の金属棒 κ 1 / 2 soil = ct 2L λ シーリング 比誘電率 :κ 水 :80 土粒子 :3~5 空気 :1
水分計付貫入試験機 (CPMP:Combined Penetrometer-Moisture Probe) 16 mm 20 mm Steel rod 2 mm 16 mm Acrylic column Plastic ring 12 mm Coaxial cable (50 Ω) 42 mm 4 mm 72 mm Plastic ring 3.5 mm 20 mm 15 mm Conductor wire Ground wire 60 20 mm Cone 12 mm 3 mm Stainless wire φ = 0.55 mm 0.5 mm Groove CPMP 先端部の様子 CPMP 全体の様子 計測性能 貫入抵抗値 :100 drop/10cm 以上 ; 最大貫入深 :500 cm
0 深さ よくわかるCPMP 講座 by 正岡直也 比誘電率 貫入抵抗のそれぞれの鉛直分布が得られる 比誘電率 ( 水分 ) 貫入抵抗 ( 硬さ )
砂防堰堤堆砂地での検証実験 貫入試験痕に沿って土層を掘削 既成の水分計で含水率の鉛直分布を計測
林地斜面での検証実験
まとめ :CPMP の改良 水分計付貫入試験機 (CPMP) の改良を行った結果, 実用に堪えうる強度を持つに至った また, 深度 5m までの計測が可能になった CPMP により計測された貫入抵抗値は, 既往測器による計測値と良好に一致し, 土壌の乾燥密度と高い相関を示した CPMP により計測された土壌含水率は, 秤量法による実測値や既往測器による計測値と良好な一致を示した CPMP は, 斜面土層内の水分分布を迅速かつ詳細に計測する上で, 有用な測器である
電気探査との比較 滋賀県南部の花崗岩を母材とする森林斜面 河道脇の平坦部 ~ 平行斜面
電気探査との比較 Electric resistivity survey 15 CPMP Vertical distance (m) 10 5 0 Ground surface Stream Soil-bedrock interface -5 Geology : granite 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Holizontal distance (m)
Vertical distance (m) 15 Dielectric constant 10 5 0-5 Dielectric constant CPMP 比誘電率の空間分布 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 0 a b c d e f g h Horizontal distance (m) 0 10 20 30 40 50 60 i j k 0 10 20 30 40 50 60 l m n o p q 0 10 20 30 40 50 60 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 Depth (cm) 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 a b c d e 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Penetration resistance (drop/10cm) f Penetration resistance Dielectric constant
Vertical distance (m) 15 Dielectric constant 10 5 0-5 a Dielectric constant b c d e f g h 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 0 Horizontal distance (m) 0 10 20 30 40 50 60 i j k 0 10 20 30 40 50 60 l m n o p q 0 10 20 30 40 50 60 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 Depth (cm) 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 100 g i k m o 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Penetration resistance (drop/10cm) q Penetration resistance Dielectric constant
Vertical distance (m) 15 10 5 0-5 Electric resistivity 電気探査比抵抗の空間分布 Soil-bedrock interface 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Horizontal distance (m) 10000 7000 5000 4000 3500 3000 2600 2200 1800 1500 1200 900 700 500 400 300 200 100 (ohm-m)
Vertical distance (m) 15 10 5 0-5 15 10 5 0-5 Dielectric constant CPMP 比誘電率の空間分布 Electric resistivity 電気探査比抵抗の空間分布 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Horizontal distance (m) 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 10000 7000 5000 4000 3500 3000 2600 2200 1800 1500 1200 900 700 500 400 300 200 100 (ohm-m)
まとめ : 電気探査との比較 CPMP では, 電気探査では把握が難しい土層 - 基岩境界面や地下水面の位置を正確に把握することが可能である 電気探査では,CPMP の計測が不能な基岩内部の特徴を把握することが可能である 表層崩壊の対象となる土層の詳細な構造を CPMP で解明し, その下の岩盤環境の大まかな特徴を電気探査で把握する
地中レーダー (Ground Penetrating Radar) との比較 送信アンテナ受信アンテナ - 振幅値 + 地表面 地中物性境界面 地中物性境界面 κ a κ b 記録時間 κ c 反射係数 : R = κ κ 1 1 + κ κ 2 2 測定記録 ( 反射波形 )
地中レーダー (Ground Penetrating Radar) との比較 地表面 アンテナ 走査方向 測定データ 時間 深度 地中物性不連続面 異物 ( 空洞 水みち等 ) V = c / κ 電磁波伝播速度 空気中での光の速度 比誘電率
地中レーダー (Ground Penetrating Radar) との比較 200MHz アンテナ使用探査深度 ~3 m
Reflection time(ns) 地中レーダー (Ground Penetrating Radar) との比較 A B C D E F 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 0 Ground surface Dielectric constant 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 0 10 20 30 40 50 60 A B C D E 地中レーダー反射振幅の空間分布 比誘電率 (κ) を 9.0 と仮定 0 10 20 30 40 50 60 F Depth(m) Depth (cm) 100 200 300 Penetration resistance Dielectric constant Ground water table 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Penetration resistance (drop/10cm) 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
15 10 5 0-5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Reflection time(ns) CPMP 比誘電率の空間分布 Ground surface 地中レーダー反射振幅の空間分布 Depth(m) 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
まとめ : 地中レーダーとの比較 地中レーダーでは,CPMP や電気探査に比べて簡便で迅速な探査が可能である 地中レーダーでは, 地下水面が存在する地点では大きな反射振幅が得られる傾向があった 但し, 地下水面の深さや基岩面の深さを把握することは不可能である 地中レーダーによる探査結果の解釈に,CPMP の計測結果を応用する