JP2008020424A - 加速度計を用いた小型ｆｗｄの計測精度向上方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の小型ＦＷＤでは、構造的な問題で、計測した結果にプレート等の慣性力の影響があるため、計測精度の低下を招いてしまう。
【解決手段】 従来のたわみ計やロードセルの代わりに、加速度計を設置する。計測した加速度によって、衝撃力と沈下が求められ、プレートの慣性力が補正できる。これにより、計測の精度向上が期待できる。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は，地盤や舗装の品質や剛性の計測に関するものである。さらに詳しくは，その剛性に対して、簡易な測定又は推測方法に関するものである。

盛土の施工や道路の舗装などにおいては、その剛性を正確的に、かつ効率よく測ることが要求されている。従来の手法としては、平板載荷試験やＣＢＲ試験があるが、作業時間がかかることや反力設備が別途必要となる不便さがある。

近年来、小型ＦＷＤを代表とする動的載荷方法に注目が集まっている（図２は、その概念を示す）。小型ＦＷＤは、人力またはキャリアで持ち運びができる程度の大きさで、重錘を人力または簡易な装置で持ち上げ、落下により衝撃荷重を発生させ、この時に発生する衝撃荷重と載荷点直下のたわみ量（沈下量）とを測定し、その衝撃荷重とたわみ量を用いて、地盤や舗装の剛性を推定する手法である。

現在、小型ＦＷＤの試験手順は、次のとおりである。
（イ） 地盤面は、表面のルーズな材料を取り除き、できるだけ平滑にする。
（ロ） 測定位置の地盤上に小型ＦＷＤを設置する。
（ハ） 重錘を所定の高さから自由落下させ、この時生じる最大荷重Ｐ_ｉと荷重中心の最大沈下量δ_ｉを記録する。
（ニ） １測点での重錘落下高さは、３段階以上に設定する。
（ホ） 落下高さの低い順に試験を行う。
（ヘ） 同じ落下高さから５回以上重錘を落下させる。

上述した手順で得られた荷重と沈下量を、落下高さごとに平均し、荷重Ｐ、載荷板面積Ａと沈下量δから、地盤係数Ｋ_ＦＷＤを求める。
実際の計算においては、各落下高での計測値（最大荷重及び最大沈下）を用い、回帰することで地盤係数を求めるのがほとんどである。

発明が解決しようとする課題

但し，上記した小型ＦＷＤの計測においては、大きな問題点が潜んでいる。すなわち、ロードセルで測った衝撃力Ｐと、実際の地盤に対する衝撃力Ｐ_Ｓとの間においては、ずれが生じていることである。そのために、計測精度に悪影響を与えていると考えている。

重錘、載荷板及び地盤との間の力の関係は、図３のようになる（衝撃力に比べ、自重が無視できる）。載荷板による地盤に対する衝撃力Ｆ_ＰＳは、
で得られる。ただし、
：重錘と載荷板の間の衝撃力である。
：載荷板の慣性力である。Ｍ_２とａ_２（ｔ）は、それぞれ載荷板の質量と加速度である。

静的載荷試験の場合には、載荷板の加速度ａ_２（ｔ）はゼロに限りなく近い、従って、
：すなわちロードセルで計測した力は、地盤に対する圧縮力と等しい。
ただし、動的載荷の場合は、載荷板の加速度ａ_２（ｔ）がかなり高い値となるために、Ｍ_２ａ_２（ｔ）すなわち載荷板の慣性力が無視できなくなっている。この場合に、
：いわば、ロードセルで計測した衝撃力と、実際の地盤に伝わった衝撃力との間には、大きなズレが生じかねない。

したがって、より正確的に地盤の剛性を測るためには、載荷板の慣性力を修正しなければならない。

課題を解決するための手段

数６に示したように、載荷板と重錘との衝撃力Ｆ_ＨＰ（ｔ）と、載荷板の慣性力Ｍ_２ａ_２（ｔ）を精度よく計測することができれば、地盤に対する衝撃力Ｆ_ＰＳを測ることができる。本発明は、其の二つの力を測定する手法である。

その加速度ａ_２（ｔ）を測定するために、たわみセンサーのかわりに、加速度センサーを用いることにする（図１）。

この時、時刻ｔ＋Δｔにおける載荷板の沈下量δ_{Ｐ，ｔ＋Δｔ}は、本時刻の加速度ａ_２（ｔ＋Δｔ）および前時刻ｔにおける加速度とａ_２（ｔ）で求められる。
ただし、ν_ｔは時刻ｔにおける載荷板の速度であり、
で得られる。

初期時刻（ｔ＝０）では、載荷板の沈下や速度がゼロであることから、数６と数７によって、各時刻の載荷板の沈下量を測ることができる。なお、載荷板の剛性が、地盤の剛性よりはるかに大きい場合には、載荷板の沈下量δ_Ｐと地盤の沈下量δはほぼ同じである。なお、実際の積分処理においては、センサーやチャージアンプの不安定性（特に圧縮と引張り特性に差がある）などのために、僅かながら揺らいだり、ずれたりする。したがって，計測した加速度信号を積分して，速度信号に転換する際には，その基線は時間と共にずれていく現象が起こる。すなわち，実際の振動が終わっても，計算した速度は未だ残ってしまう。ゆえに，これを補正しなければならない。

この問題を解決するには、計測した加速度に修正を加えることが必要となって
で表されると仮定する。そこに、次の二つ条件を導入する。
（イ）修正した加速度で積分した速度の終了値は、ゼロとなる。
（ロ）修正した加速度で積分した沈下過程は、修正前の沈下過程に最もよく似ている（最小二乗和が最小となる）。

これによれば、上記数９〜数１０の修正係数β_１とβ_０は、つぎのようになる。
が得られる。

その修正係数β_１とβ_０を用いて、計測した加速度及び積分した沈下量などを修正することができる。

一方、慣性力Ｍ_２ａ_２（ｔ）を求める際には、従来の仕様によれば、ロードセルや周辺の枠等の質量を考慮しなければならない。しかし、これらの加速度過程は、必ずしも載荷板の加速度過程とは一致していない。したがって、これらを修正して精度良くＭ_２を確定することは、容易なことではない。

本発明は，ロードセルのかわりに、重錘にもう一つの加速度センサーをつけることで（図１の）、その問題の解決を図ることに特徴を持つ。

ロードセルをなくすことにより、載荷板の構造がかなり簡素化になった。この場合、慣性力の質量Ｍ_２は、載荷板の質量と加速度センサーの質量のみとなる。なお、加速度センサーの質量は、載荷板よりはるかに小さいために、無視しても差し支えない。

一方、Ｆ_ＨＰ（ｔ）（重錘と載荷板の間の衝撃力）については、ニュートンの第３法則により、重錘が受ける衝撃力とは値的に等しいが、符号が逆である。すなわち、
ただし、Ｍ_１、ａ_１（ｔ）は、重錘（プラス内蔵加速度センサー）の質量と得られた加速度である。

ここで、地盤係数を求めるために必要となる各ファクタが揃ったことになる。本発明は、従来の方法に比べ、次のような特徴を持っている。
（イ）載荷板の慣性力を補正できる：本発明は，載荷板が衝撃を受ける際に発生した慣性力を補正することで、小型ＦＷＤの測定精度の向上に大いに寄与できる。
（ロ）構造が簡素化できる：本発明は、重錘と載荷板にそれぞれ一つずつの加速度センサーを設けることで、大規模なロードセルを省くことが出来る。

本発明の方法を用いて地盤や舗装の剛性を測定する場合には，次の順序で行う。
（イ）地盤面は、表面のルーズな材料を取り除き、できるだけ平滑にする。
（ロ）測定位置の地盤上に本設備（ＥＨ−ＦＷＤ）を設置する。
（ハ）重錘を所定の高さから自由落下させ、この時生じる各時刻での加速度（重錘及び載荷板）を計測する。
（ニ）計測した加速度に対しては、数９〜１３で補正する。
（ホ）補正した加速度を用い、数７〜９で各時刻の荷重Ｐ（ｔ）と沈下量Ｐ（ｔ）を計算する。
（ヘ）重錘の落下高（３段階以上に設定する）を変えて、各落下高さから５回以上重錘を落下させる。

各測定回の荷重Ｐ（ｔ）と沈下量Ｐ（ｔ）で直接的に地盤係数Ｋ_ＦＷＤを計算することができるが、計測の固有誤差を低減するためには、各測定回の最大荷重と最大沈下量を用い、回帰して地盤係数を求めた方が良い（図４参照）。

この打撃過程の各情報を採取するために，信号採取・処理システムを開発した。システムには，ノイズを低減させる処理機能が備わっている。その探査及び解析の流れは，図６のようになる。

発明した本システムを検証するために，現地試験を行った。落下高を調整して、衝撃過程を記録した。図５は、その計測した波形の一例を示した。図中のＣｈ０は、落下球体に埋めたセンサーで計測した加速度信号であり、Ｃｈ１は、載荷板に固定されたセンサーでの計測信号である。

各探査回での最大沈下量と最大衝撃力を、まとめて回帰することで地盤係数を求める。その結果は図４に示すようになった。

これらの検証試験の結果によれば，次のようなことが分かってきた。
（イ） 開発した測定設備は、順調に作動している。
（ロ） 計測した地盤係数も合理的である。

発明の効果

以上，詳しく説明した通り，本発明を用いて地盤材料や舗装の変形特性（剛性）を調査する場合には，効率的に精度よく測定することが可能であることが分った。従来の動的載荷設備にある問題点、すなわち載荷板の慣性力については、上述した修正を行うことで、測定精度の向上が図られた。

本発明による地盤材料剛性迅速測定の小型ＦＷＤの構造概要 従来の小型ＦＷＤの構造概要 載荷板の力状況 解析出力図形例 計測した加速度信号例 計測・処理の流れ

Claims (1)

1. 小型ＦＷＤの載荷板の上で、従来のたわみセンサーとロードセルの代わりに、加速度計を設置する。衝撃力と載荷板の沈下量を数値解析で求めるとともに、従来手法で問題となっている載荷板の慣性力を修正する。これにより、小型ＦＷＤの計測精度を向上することが期待できる。