JP2007024728A

JP2007024728A - 地盤調査装置

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Publication number: JP2007024728A
Application number: JP2005208843A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Taji; 陽一田地; Takeyoshi Fukutake; 毅芳福武; Yasuhiro Shamoto; 康広社本
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2005-07-19
Publication date: 2007-02-01

Abstract

【課題】センサの移動が規制されることに起因して、模型地盤に生じる変位から乖離した計測結果を得る虞れを低減することができる地盤調査装置を提供する。
【解決手段】地盤調査装置には、模型地盤に従って変形する弾性体３１の中に地盤の変位を計測するセンサを収容した経時計測手段３０と、実際の盛土（構造物）の大きさＮに対して１／Ｎの大きさの盛土（模型構造物）、及び模型地盤を備える模型ユニットと、通常の重力場の重力加速度に比してＮ倍の加速度を回転によって模型ユニットに作用させる加速度付与ユニット（加速度付与手段）とを設けてある。
【選択図】図４

Description

本発明は、模型地盤の変位を計測する地盤調査装置に関するものである。

近年、地盤の力学特性を評価する場合には、模型実験が利用されるときがある。模型実験を利用すれば、例えば構造物の１／Ｎの模型構造物を模型地盤の上に建て、模型構造物を建てたことによる模型地盤の変位を計測し、それによって、構造物を建てることによる実際の地盤の変位を予想することができる。

このような模型実験を利用する装置の中には、例えば複数のビーズを釣糸によってつないだ変位計測手段を備える地盤調査装置があった。この地盤調査装置は、上記複数のビーズを、重力による加速度が作用する方向に沿って一定の間隔で模型地盤の中に埋めてから、例えば模型地盤の表面に盛土（模型構造物）を形成した後、模型地盤の中に埋めてあるビーズを掘り出し、盛土を形成したことによって生じるビーズの変位を計測するものである。この地盤調査装置によれば、計測結果に基づき、実際に盛土を形成することによって、実際の地盤に生じる変位を予想することができる。

しかしながら、複数のビーズを釣糸でつないだものを用いて模型地盤の変位を計測する地盤調査装置では、模型地盤の中に埋めてあるビーズを掘り出して各ビーズの変位を計測しなければならないので、模型地盤の変位を複数回にわたって計測することができない問題があった。従って、上記地盤調査装置では、盛土の形成にともなう模型地盤の変位を経時的に計測することができなかった。

そこで、従来、盛土の形成にともなう模型地盤の変位を経時的に計測することができるよう、経時計測手段を備える地盤調査装置があった。経時計測手段は、図１５に示すように、プラスチック製の板材１の上に加速度計２を取り付けたものを複数（図示例では７つ）用意し、板材１と板材１とを蝶番３によって連結したものである。この経時計測手段４は、上記複数の加速度計２を、重力による加速度が作用する方向に沿って一定の間隔で模型地盤の中に埋めてある。この地盤調査装置は、盛土を設けている最中、加速度計２によって加速度を出力し、その加速度に基づいて加速度計の変位を算出し、それにより、盛土を形成している最中の模型地盤の変位を複数回にわたって計測することができる（例えば、非特許文献１参照）。

関口宏二磯田将大野康年小山忠雄松尾淳東畑郁生著，「薬液浸透注入によるタンク基礎地盤の液状化対策効果に関する３次元振動台実験」第１１回日本地震工学シンポジウム講演会講演集，p.1021−1026，2002年

ところで、上記経時計測手段４は、板材１の上に加速度計２を取り付けたものを複数用意し、板材１と板材１とを蝶番３によって連結し、上記複数の加速度計２を、重力加速度が作用する方向に沿って一定の間隔で模型地盤の中に埋めるものである。よって、盛土を設けることによって模型地盤が変位した際、蝶番３が回動することによって加速度計２が移動するものの、加速度計２の移動は蝶番３の回動方向によって規制されるので、模型地盤に生じる変位から乖離した計測結果が得られる虞れがある。

本発明は、上記実情に鑑みて、センサの移動が規制されることに起因して、模型地盤に生じる変位から乖離した計測結果を得る虞れを低減することができる地盤調査装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１にかかる発明は、模型地盤の変位を計測する地盤調査装置において、模型地盤に従って変形する弾性体の中に変位を計測するセンサを収容した経時計測手段を設けたことを特徴とする。

また、請求項２にかかる地盤調査装置は、上記請求項１において、実際の構造物の大きさＮに対して１／Ｎの大きさの模型構造物、及び模型地盤を備える模型ユニットと、通常の重力場（重力加速度が９．８１ｍ／ｓｅｃ²である場）の重力加速度に比してＮ倍の加速度を回転によって模型ユニットに作用させる加速度付与手段とを設けたことを特徴とする。

請求項１にかかる発明によれば、模型地盤に従って変形する弾性体の中に変位を計測するセンサを収容した経時計測手段を設けたので、センサの移動が蝶番の回動方向によって規制されることがない。よって、センサの移動が規制されることに起因して、模型地盤に生じる変位から乖離した計測結果を得る虞れを低減した地盤調査装置を提供することができる。

請求項２にかかる地盤調査装置によれば、実際の構造物の大きさＮに対して１／Ｎの大きさの模型構造物、及び模型地盤を備える模型ユニットと、通常の重力場（重力加速度が９．８１ｍ／ｓｅｃ²である場）の重力加速度に比してＮ倍の加速度を回転によって模型ユニットに作用させる加速度付与手段とを設けたので、応力の相似則を満足する態様で模型実験を行うことができる。よって、模型地盤に加わる自重による応力が、実際の地盤に加わる自重による応力に比して小さいことに起因して、実際の地盤に生じる変位から乖離した計測結果を得ることはない。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる地盤調査装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の実施の形態における地盤調査装置の概要を示したものである。この地盤調査装置は、加速度付与ユニット（加速度付与手段）１０と、模型ユニット２０とで構成してある。

加速度付与ユニット１０は、回転軸１０ａを中心に回転可能なアーム１１を備えている。加速度付与ユニット１０は、アーム１１の一方の端のユニット保持部１３で模型ユニット２０を保持しており、アーム１１の他方の端に模型ユニット２０とほぼ同じ重量の錘を取り付けてあり、バランスを取りながら模型ユニット２０を回転することで、模型ユニット２０に加速度を作用させるよう構成してある。

ユニット保持部１３は、通常、載置台１４に模型ユニット２０を載置し、該模型ユニット２０の下方向が重力の方向となる態様で模型ユニット２０を保持するものであるが、アーム１１が回転軸１０ａを中心として回転する場合には、模型ユニット２０の上下方向と、回転によって生じる加速度が作用する方向とが合致する態様で模型ユニット２０を保持するものである。

このような加速度付与ユニット１０の回転速度は、予め設定されたものから適宜選択可能となっている。本実施の形態では、模型ユニット２０が例えば１分間におよそ１２５回、回転する速度に設定されているものとする。

模型ユニット２０は、試験容器２１と経時計測手段３０と模型地盤２２と盛土形成手段４０とを備えている。

試験容器２１は、図２及び図３に示すように、上面が開口した直方体状の箱体であって、載置台１４の上に載置してある。試験容器２１の底には、矩形状の孔２１ａを設けてある。

経時計測手段３０は、図４及び図５に示すように、模型地盤２２に従って変形する弾性体３１の中に複数（図示例では５つ）の加速度計（センサ）３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅを設けたものである。弾性体３１は、適度に柔らかい材料、例えばシリコンゴムを用い、平断面が上記試験容器２１の孔２１ａに対応する矩形状を成す態様で柱状に形成してある。弾性体３１の一つの側部３１ａには、長手方向に沿って、上記加速度計３２の外形形状に対応した凹部Ｈを複数（図示例では５つ）設けてある。これらの凹部Ｈは、側部３１ａから、その側部３１ａに対向する側部３１ｂに向けて形成してある。そして、その凹部Ｈに加速度計３２をはめ込んである。このように加速度計３２を凹部Ｈにはめ込むことにより、加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅは、弾性体３１の長手方向において、弾性体３１の一方の端から所定距離、離れた位置に配置してあり、弾性体３１の短手方向において、弾性体３１の一つの側部３１ａと加速度計３１の一つの側部Ｓとが同一の平面を形成するよう配置してある。加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅには、例えば長手方向と直交する方向の加速度を計測するものを用いてある。

このような経時計測手段３０には、弾性体３１を補強する補強部材３３を取り付けてある。より具体的には、弾性体３１を補強するため、例えばアルミニウムを用い、上記弾性体３１の短手方向の幅（側部３１ａの幅）とほぼ同じ幅を有する板材を用いて形成した補強部材３３を弾性体３１に取り付けてある。このように補強部材３３を弾性体３１に取り付けると、補強部材３３と加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅとがそれぞれ接触することとなる。

このように構成した経時計測手段３０は、他方の端を試験容器２１の孔２１ａに入れ、重力による加速度が作用する方向に沿って加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅを並べるよう、試験容器２１の底に取り付けてある。このように経時計測手段３０を試験容器２１に取り付けると、加速度計３０は、重力が作用する方向と直交する方向の加速度を計測することとなる。

模型地盤２２は、図２及び図３に示すように、経時計測手段３０を埋める態様で試験容器２１の内部に収容してある。より具体的には、模型地盤２２は、弾性体３１の一方の端側に配置した加速度計３２ａが地表に相当する位置となる態様で、経時計測手段３０の他方の端側を埋めるよう試験容器２１の内部に収容してある。このように模型地盤２２を試験容器２１に収容すると、模型地盤２２の地表から加速度計３２ａまでの距離が０ｍとなり、地表から加速度計３２ｂまでの距離が１．２ｍとなり、地表から加速度計３２ｃまでの距離が３．６ｍとなり、地表から加速度計３２ｄまでの距離が６．０ｍとなり、地表から加速度計３２ｅまでの距離が８．４ｍとなる。模型地盤２２を試験容器２１に収容した後、補強部材３３を弾性体３１から取り外し、取り外した補強部材３３を試験容器２１の外部に出す。

盛土形成手段４０は、後述するように、模型地盤２２の上に盛土（模型構造物）を形成するものであって、図６に示すように、試験容器２１の上方に、試験容器２１の開口２１ｂを覆う態様で配置してある。そのような盛土形成手段４０は、取付板４１とホッパー４２と、切出手段４３と、ホッパー移動手段４５とを備えている。

取付板４１は、試験容器２１の開口２１ｂよりも大きい矩形状に形成してあり、上記開口２１ｂとほぼおなじ大きさの貫通孔４１ａを備えており、その貫通孔４１ａと開口２１ｂとが一致する態様で試験容器２１の上に配置してある。

ホッパー４２は、内部に土４２ａを収容するものであって、上記貫通孔４１ａとほぼ同じ幅を有する直方体状に形成してある。そのようなホッパー４２の下部には吐出口４２ｂを設けてある一方、ホッパー４２の内部には吐出口４２ｂに土４２ａを導くよう傾斜板４２ｃを設けてある。吐出口４２ｂの長さは、取付板４１の貫通孔４１ａの幅とほぼ同一である。

切出手段４３は、第１駆動手段４３ａと第１駆動ベルト４３ｂと切出ローラ４３ｃとを備えている。第１駆動手段４３ａは、モータであって、駆動した場合に第１駆動ベルト４３ｂを介して切出ローラ４３ｃを回転するものである。切出ローラ４３ｃは、上記吐出口４２ｂの近傍であって、吐出口４２ｂの上方に配置してある。この切出ローラ４３ｃは、少なくとも上記貫通孔４１ａの幅よりも長く形成してあり、一方の端（図６中、手前側の端）に上記第１駆動ベルト４３ｂをかけまわしてある。切出手段４３は、第１駆動手段４３ａを駆動した場合、第１駆動ベルト４３ｂを介して切出ローラ４３ｃを回転することによって、吐出口４２ｂを通してホッパー４２の内部からホッパー４２の外部に土４２ａを吐出するよう構成してある。

ホッパー移動手段４５は、第２駆動手段４５ａと、第２駆動ベルト４５ｂと、一対の回転ローラ４５ｃ，４５ｄと、タイミングベルト４５ｅと、レール４５ｆとを備えている。

第２駆動手段４５ａは、モータであって、駆動した場合に第２駆動ベルト４５ｂ、回転ローラ４５ｃ，４５ｄ、タイミングベルト４５ｅを介してホッパー４２及び切出手段４３を、図６中、左右方向へ移動するものである。

回転ローラ４５ｃ，４５ｄは、２つで１組を構成してある。それらの回転ローラ４５ｃ，４５ｄにおいて、一方の回転ローラ４５ｃは、取付板４１の一方の端の上部に取り付けてあり、他方の回転ローラ４５ｄは、取付板４１の他方の端の上部に取り付けてある。回転ローラ４５ｃは、少なくとも上記貫通孔４１ａの幅よりも長く形成してあり、一方の端（図６中、手前側の端）に上記第２駆動ベルト４３ｂをかけまわしてある。回転ローラ４５ｄは、上記貫通孔４１ａの幅とほぼ同じ長さに形成してある。

タイミングベルト４５ｅは、上記貫通孔４１ａの幅とほぼ同じ幅に形成してあって、一方の回転ローラ４５ｃと他方の回転ローラ４５ｄとに架け渡してある。このようなタイミングベルト４５ｅの一部には、ホッパー４２と切出手段４３とを取り付けてある。

レール４５ｆは、貫通孔４１ａの近傍であって、貫通孔４１ａに沿って配置してあり、ホッパー４２の移動を案内するものである。

このように構成してある盛土形成手段４０の作用を説明する。先ず、第１駆動手段４３ａを正駆動、又は逆駆動することによって、ホッパー４２を所要の位置に移動する。その後、第１駆動手段４３ａを駆動しながら第２駆動手段４５ａを駆動することによって、開口４２ｃから土４２ａを吐出しながら、ホッパー４２を移動することで、例えば模型地盤２２の表面に四角錘台状の盛土４６を形成する。

以上のような構成を有する地盤調査装置は、次のようにして、盛土を形成することで生じる模型地盤２２の変位を計測する。

先ず、加速度付与ユニット１０を駆動し、図７に示すように、アーム１１を回転軸１０ａを中心として例えば時計回りに回転させ、それにより、アーム１１の一方の端に取り付けた模型ユニット２０も時計回りに回転させる。

アーム１１を回転させると、ユニット保持部１３は、回転による加速度が作用する方向と、模型ユニット２０の上下方向とが合致する態様で模型ユニット２０を保持する。

このときの模型ユニット２０の回転速度は、模型ユニット２０のスケール（実際の構造物の大きさと模型構造物の大きさとの比）に基づいて設定された速度に設定してある。この実施の形態では、後述するように、実際に形成しようとしている盛土の大きさに比して１／６０の大きさの盛土４６を設けるので、模型ユニット２０に、通常の重力場（重力加速度が９．８１ｍ／ｓｅｃ²である場）の重力加速度に比して６０倍の加速度（およそ６０ｇ（５８８．６ｍ／ｓｅｃ²））が作用するよう、模型ユニット２０を１分間に１２５回、回転する速度に設定してある。なお、模型ユニット２０に作用させる設定加速度は、６０ｇに限られず、模型ユニット２０のスケールに対応し、予め設定されたものから適宜変更可能である。

模型ユニット２０に回転による加速度が作用している状態で、図８に示すように、経時計測手段３０が法尻部となるよう、盛土形成手段４０によって模型地盤２２の上に盛土４６を形成する。このように形成する盛土４６の大きさは、実際に形成しようと計画している盛土の大きさの１／６０である。

また、盛土４６の形成を開始すると、一定時間毎に、加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅで加速度を検出する。

この地盤調査装置では、盛土４６の形成によって、模型地盤２２が変位した場合、模型地盤２２に従って弾性体３１が変形し、その変形により加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅの位置が変わる。例えば、図９に２点鎖線で示すように、盛土４６を形成する前、計測する加速度が０であった加速度計３２ｅが、図９に実線で示すように、模型地盤２２の変位によって経時計測手段３０が変形すると、その変形により加速度計３２ｅの位置が変わる。加速度計３２ｅは、その変形に相当する加速度（この例では６０ｇ×ｓｉｎθ）を計測する。そして、加速度計３２ｅ（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）で計測した加速度から、加速度計３２ｅ（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ）の変位を算出する（設定加速度ｘと計測加速度ａとを用い、θ＝ｓｉｎ^-1（ａ／ｘ）によってθを算出する）。換言すれば、加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅによって、加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅの変位を計測する。

以上説明したように、本発明にかかる地盤調査装置によれば、模型地盤２２に従って変形する弾性体３１の中に変位を計測する加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅを収容した経時計測手段３０を設けたので、加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅの移動が蝶番の回動方向によって規制されることがない。よって、加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅの移動が規制されることに起因して、模型地盤２２に生じる変位から乖離した計測結果を得る虞れを低減した地盤調査装置を提供することができる。

しかも、この地盤調査装置によれば、実際の盛土の大きさＮに対して１／Ｎの大きさの盛土４６、及び模型地盤２２を備える模型ユニット２０と、通常の重力場の加速度に比してＮ倍の加速度を回転によって模型ユニット２０に作用させる加速度付与ユニット２０とを設けたので、応力の相似則を満足する態様で模型実験を行うことができる。よって、模型地盤２２に加わる自重による応力が、実際の地盤に加わる自重による応力に比して小さいことに起因して、実際の地盤に生じる変位から乖離した計測結果を得ることはない。

なお、上述した実施の形態には、加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ
を５つ備える地盤調査装置で説明した。しかし、この発明はそれに限られず、例えば模型地盤２２の深さ、又は計測間隔に対応して加速度計の数を変更させても良い。もちろん、加速度計の数は、単数でも良く、５つ以外の複数でも良い。

さらに、上述した実施の形態では、模型構造物として盛土４６を形成するもので説明した。しかし、この発明はそれに限られず、ビル、橋等の模型構造物を形成しても良い。加えて、模型構造物を形成するものに限られず、基礎工事における掘削によって形成する孔に相当するものを模型地盤２２に形成し、その孔を形成することによって生じる模型地盤２２の変位を計測しても、同様の作用・効果を奏することができる。

次に、この実施の形態に係る地盤調査装置の加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅによって計測した変位と、複数のビーズを釣糸によってつないだ変位計測手段５０を備える地盤調査装置によって計測した変位とを比較する実験を行ってみた。

この実験は、図１０および図１１に示すように、上記経時計測手段３０及び変位計測手段５０を備える地盤調査装置を用い、それぞれの計測手段３０，５０によって計測した変位を比較したものである。この実験では、図１１に示すように、盛土４６を形成した場合に、盛土４６から経時計測手段３０の加速度計３２までの距離Ｌｃと、盛土４６から変位計測手段５０のビーズ５１までの距離Ｌｄとが同一となるよう、試験容器２１の一方の端から加速度計３２までの距離Ｌａと、試験容器２１の一方の端からビーズ５１までの距離Ｌｂとが同一となる態様で経時計測手段３０および変位計測手段５０を配置してある。さらに、この実験では、経時計測手段３０によって、盛土４６の形成を開始した時（ｔ＝０（ｓｅｃ））から、盛土４６の形成を終了した時（ｔ＝16000（ｓｅｃ））までの変位を複数回にわたって計測する一方、変位計測手段５０によって、盛土４６の形成を終了した時（ｔ＝16000（ｓｅｃ））の変位を計測したものである。

なお、変位計測手段５０は、図１２に示すように、直径２ｍｍのビーズ５１を１９個、釣糸５２によってつないだものである。

経時計測手段３０を備える地盤調査装置の計測結果を図１３に示す。図１３に示すように、上記経時計測手段３０を備える地盤調査装置は、ｔ＝０，4000，8000，12000，16000（ｓｅｃ）におけるそれぞれの変位を計測できた。

一方、変位計測手段５０を備える地盤調査装置の計測結果を図１４に示す。変位計測手段５０は、模型地盤２２の中に埋めてあるビーズ５１を掘り出して各ビーズ５１の変位を計測しなければならないので、複数回にわたてって計測することができず、図１４に示すように、一度（ｔ＝16000（ｓｅｃ））しか計測することができない。

変位計測手段５０において計測したビーズ５１の変位に対し、経時計測手段３０において加速度計３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅで計測した変位を比較すると、地表付近で２０％程度過小評価し、深さ５ｍ〜１０ｍ付近では最大で３０％程度過大評価しているが、ほぼ同様の結果を得ることができた。

本発明の実施の形態における地盤調査装置の概要を示した平面図である。図１における矢視Ｉからの側面図である。図２における矢視ＩＩからの平面図である。地盤調査装置が備える経時計測手段を示す斜視図である。図４における矢視ＩＩＩからの断面平面図である。地盤調査装置が備える盛土形成手段の概要を示した側面図である。地盤調査装置が備える模型ユニットを回転させている場合を示す説明図である。模型ユニットを回転させながら盛土を形成している状態を示す説明図である。地盤調査装置が備える経時計測手段が変形した場合に計測する加速度を示す説明図である。この発明による地盤調査装置及び複数のビーズを釣糸によってつないだ変位計測手段を備える地盤調査装置によって地盤の変位を計測している場合を示す説明図である。図１０における矢視ＩＶからの平面図である。図１１における矢視Ｖからの側面図である。この発明による地盤調査装置によって計測した地盤の水平変位と深さとの関係を示したグラフである。この発明による地盤調査装置によって計測した地盤の水平変位と深さとの関係を示すとともに、複数のビーズを釣糸によってつないだ変位計測手段を備える地盤調査装置によって計測した地盤の水平変位と深さとの関係を示したグラフである。従来の地盤調査装置が備える経時計測手段を示す斜視図である。

符号の説明

１０加速度付与ユニット（加速度付与手段）
２０模型ユニット
２１加速度計（センサ）
２２模型地盤
３０経時計測手段
３１弾性体
４６盛土（模型構造物）

Claims

模型地盤の変位を計測する地盤調査装置において、
模型地盤に従って変形する弾性体の中に変位を計測するセンサを収容した経時計測手段を設けたことを特徴とする地盤調査装置。
実際の構造物の大きさＮに対して１／Ｎの大きさの模型構造物、及び模型地盤を備える模型ユニットと、
通常の重力場の重力加速度に比してＮ倍の加速度を回転によって模型ユニットに作用させる加速度付与手段と
を設けたことを特徴とする請求項１に記載の地盤調査装置。