JP2010117143A - 掘削孔の形状測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超磁歪素子を用いた構成のプローブにより掘削孔の形状を測定する装置を提供する。
【解決手段】地盤１を掘削して設けられた掘削孔２の水又は泥水中へプローブ３を挿入して弾性波を発振させ、弾性波が前記水又は泥水中を伝播し、掘削孔２の壁面２ｂからの反射波を検出することにより掘削孔２の壁面までの距離を測定し、掘削孔２の形状を測定する測定方法であり、プローブ３は超磁歪素子４とコンデンサ型マイクロホン５とを組み合わせた構成とし、前記超磁歪素子４により弾性波を発振し、コンデンサ型マイクロホン５により反射波を受振し、同反射波のピークを検出することにより掘削孔の断面形状等を測定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、地盤に掘削して設けられた掘削孔へプローブを挿入して弾性波を発振させ、掘削孔の壁面からの反射波を検出することによって掘削孔の壁面までの距離を測定し、掘削孔の形状を推定（測定）する技術分野に属し、更に云えば、超磁歪素子を用いた構成のプローブにより掘削孔の形状を測定する方法及び装置に関する。

今日、先端に軸部よりも大きな径の根固め部を有する高支持力杭を使用する支持杭工法が実施され始めている。この高支持力杭工法は、既成杭の外周に充填したコンクリートで形成する根固め部の形状の如何が支持力機構を大きく影響する。したがって、コンクリートを打設する前の地盤を掘削した直後の掘削孔の特に根固め部の形状及び径が適切であることを確認した上で、高支持力杭の構築を進めることが経済性、作業性の観点からも合理的である。しかし、掘削した直後の掘削孔には水又は泥水（ベンナイト液を含有したものも含む）が充填されていることから、掘削孔の形状を測定することは難しく未だ有効な方法及び装置が無く、開示もない。

そのため、掘削孔の形状測定は現状として、完成した既存杭の形状を測定する下記の特許文献１に記載された方法及び装置が援用されている。即ち、既存杭に設けたコア孔へプローブ（弾性波を発振し、その反射波を測定してコンクリート形状などを測定する装置）を挿入し、プローブの超音波発振器により弾性波（超音波）を発振し、杭体外周面からの反射波を受振器により受振して既存杭の形状を測定する方法である。この超音波を発振するプローブを上記掘削孔内へ挿入して、同掘削孔の形状を測定している。

特開２０００−７３３８９号公報

水又は泥水が充填された状態の掘削孔の形状を測定するには、プローブが発振する弾性波パルスの振動周波数をなるべく低くして、発振力の減衰を防止させることが必要である。しかし、上記特許文献１の超音波発信器により発振される弾性波は、超音波であり発信周波数１０ｋＨｚ以下にすることができない。そのため、発振力が弱く、掘削孔内の泥水濃度が高い場合や、掘削孔の径が大きい場合には反射波の検出が困難となっている。現在、上記超音波により測定可能な掘削孔としては、泥水濃度が比較的低い場所打ち工法で、且つ径が小さい掘削孔に限られており、需要度が高い埋め込み杭工法などの他の掘削孔には実施し難いものである。

また、上記条件に適う泥水濃度が低く径の小さい掘削孔であっても、弾性波及びその反射波は拡散する特性の故に、指向性の確保が難しく、様々な方向からの反射波が検出されて杭形状を適切に判断できず、精度の高い高支持力杭の構築の妨げとなっている。

本発明の目的は、地盤を掘削して設けた掘削孔の形状を、泥水濃度が高くてもまた掘削孔の径が大きくても高い精度で測定でき、弾性波及び反射波の指向性を確保でき、精度の高い高支持力杭の構築に寄与する掘削孔の形状測定方法及び装置を提供することにある。

上記従来技術の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る掘削孔の形状測定方法は、
地盤を掘削して設けられた掘削孔の水又は泥水中へプローブを挿入して弾性波を発振させ、弾性波が前記水又は泥水中を伝播し、掘削孔の壁面からの反射波を検出することにより掘削孔の壁面までの距離を測定し、掘削孔の形状を測定する測定方法であって、
プローブは超磁歪素子とコンデンサ型マイクロホンとを組み合わせた構成とし、前記超磁歪素子により弾性波を発振し、コンデンサ型マイクロホンにより反射波を受振し、同反射波のピークを検出することにより掘削孔の断面形状等を測定すること特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載した掘削孔の形状測定方法において、
超磁歪素子から発振する弾性波の発振周波数を１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で可変可能に発振し、その反射波をコンデンサ型マイクロホンにより検出すること特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載した掘削孔の形状測定方法において、
プローブを円周方向に、所定した角度ずつ３６０度回転させて弾性波の発振と反射波のピークの検出を行い、掘削孔の壁面までの距離を測定することを特徴とする。

請求項４に記載した発明に係る掘削孔の形状測定方法は、
地盤を掘削して設けられた掘削孔の水又は泥水中へプローブを挿入して弾性波を発振させ、弾性波が前記水又は泥水中を伝播し、掘削孔の壁面からの反射波を検出することにより掘削孔の壁面までの距離を測定し、掘削孔の形状を測定する測定方法であって、
プローブは超磁歪素子とコンデンサ型マイクロホンとを組み合わせた構成とし、前記超磁歪素子は、超磁歪材料の周りに発振用コイルを巻き、同超磁歪材料と発振板とを連結して成り、同超磁歪素子を筒型形状の発振補助材に内在して、弾性波を一方向に向かって発振し、前記コンデンサ型マイクロホンを筒型形状の受振補助材に内在して、一方向からの反射波を受振することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４に記載した掘削孔の形状測定方法において、
発振補助材及び受振補助材の外周面を吸音効果を有する防振材で覆うことを特徴とする。

請求項６に記載した発明に係る掘削孔の形状測定装置は、
地盤を掘削して設けられた掘削孔の水又は泥水中へプローブを挿入して弾性波が発振され、弾性波が前記水又は泥水中を伝播し、掘削孔の壁面からの反射波が検出されることにより掘削孔の壁面までの距離を測定し、掘削孔の形状などを測定する測定装置であって、
プローブは、１〜１００ｋＨｚの発信周波数で弾性波を発信する超磁歪素子と、その反射波を受振し検出するコンデンサ型マイクロホンとを組み合わせた構成とされていることを特徴とする。

請求項１〜３及び６の発明に係る掘削孔の形状測定方法及び装置によれば、地盤を掘削して設けた所謂コンクリート打設前の掘削孔の水又は泥水中に、プローブを挿入して弾性波を発振させ、掘削孔の外壁面からの反射波を検出して掘削孔の形状を測定するので、精度の高い高支持力杭を合理的に構築できる。特に前記掘削孔へ挿入するプローブは、１〜１００ｋＨｚの周波数で弾性波を発振する超磁歪素子とコンデンサ型マイクロホンを組み合わせた構成で、前記超磁歪素子は１〜１００ｋＨｚの高い周波数を２７０Ｎ以上の高い発振力で発振し、コンデンサ型マイクロホンが広い周波数領域で反射波のピークを検出するので、伝播過程での減衰の問題が無く、反射波をクリアーに検出でき、泥水濃度が高い場合でも、掘削孔の径が大きい場合でも分解能が高く高精度の測定を可能ならしめる。
また、超磁歪素子は、１〜１００ｋＨｚまでを可変可能に発振できるので、掘削孔の径や形状、泥水の濃度に応じて適切な弾性波を発振できるので、より精度の高い杭形状の判断が可能となる。

請求項４及び５に記載した発明によれば、 超磁歪素子は、弾性波を一方向に向かって発振させる筒型形状の発振補助材に内在しており、コンデンサ型マイクロホンは、一方向からの反射波を案内し受振させる筒型形状の受振補助材に内在する構成としたので、弾性波及び反射波の指向性を確実に確保できる。のみならず、発振補助材及び受振補助材の外周面を吸音効果を有する防振材で覆ったので、前記両補助材外で拡散する余計な波動（雑波）を同防振材が吸音し、明りょうな弾性波及び反射波を発受振できるので、高精度の測定値を得ることができる。

本発明は、地盤１を掘削して設けられた掘削孔２の泥水中へプローブ３を挿入して弾性波を発振させ、弾性波が前記泥水中を伝播し、掘削孔２の壁面２ｂからの反射波を検出することにより掘削孔２の壁面２ｂまでの距離を測定し、掘削孔２の形状などを測定する測定装置である。
前記プローブ３は超磁歪素子４とコンデンサ型マイクロホン５とを組み合わせた構成とされ、前記超磁歪素子４により弾性波が発振され、コンデンサ型マイクロホン５により反射波が受振され、同反射波のピークを検出することにより掘削孔２の断面形状等が測定される。

次に、本発明の掘削孔の形状測定方法及び装置を図示した実施例に基づいて説明する。
本発明は、図１に示すように、地盤１を一般的な掘削機によりベントナイト液を含有した水又は泥水を注入しながら掘削して設けた段階の掘削孔２内の形状及び径を、超磁歪素子を用いた構成のプローブ３を挿入して測定することを特長としている。特に掘削孔２内の根固め部２ａの形状を測定して精度の高い高支持力杭を合理的に構築させる。
本発明の掘削孔の形状測定装置は、掘削孔２内へ挿入されるプローブ３と、同プローブ３を掘削孔２の底部の根固め部２ａの測定位置まで案内するロッド６と、前記ロット６及びプローブ３を回転させる回転機構７と、プローブ３及び回転機構７を遠隔操作する操作器８と、前記プローブ３で測定した測定結果を表示する表示部９とで構成されており、上記プローブ３が発振する弾性波と受信する反射波とで掘削孔２の根固め部２ａの半径や形状などを測定する。

図１及び図２に示すプローブ３は、その一側面に超磁歪素子４（超磁歪アクチュエータ）とコンデンサ型マイクロホン５（以下、単にマイクロホンともいう。）が一定距離をあけて配設される構成であることを示している。

上記超磁歪素子４は、既に知られているとおり、超磁歪材料の周りに巻かれた励磁コイルにパルス状電流を通電すると、このパルス状電流の大きさに応じて超磁歪材料が高速応答で大きく弾性変形し、１〜１００ｋＨｚの高い周波数で、且つ２７０Ｎ以上の発振力で弾性波を発振する構成である。

前記弾性波は、掘削孔２内を狭い範囲に広がって伝播し、掘削孔２の壁面２ｂ（地盤１と掘削孔２（水又は泥水）との境界面）で反射し、反射波の圧力（ピーク）がマイクロホン５で検出される。このマイクロホン５は、０〜１００ｋＨｚの広い周波数帯で高精度の圧力検出が可能な構成とされている。

前記超磁歪素子４による弾性波の発振と、マイクロホン５による反射波の初動ピークの検出とにより、弾性波の発振時刻から到達時刻までの伝播時間（Δｔ）を算出できる。すると、泥水中の弾性波の伝搬速度（Ｖｐ）に基づき、下記の式
Ｌ＝Ｖｐ×Δｔ／２
により、プローブ３から掘削孔２の壁面２ｂまでの距離Ｌ（掘削孔の半径）を算出できる。
上記作業を、上記回転機構７によりプローブ３を円周方向に例えば１５度ずつ３６０度回転させて弾性波の発振と反射波の初動ピークの検出を行うと、プローブ３から壁面２ｂまでの距離を全周に亘って測定できる。
図３に上記手法により測定された掘削孔２の断面における測定波形例を示した。
その測定波形は、掘削孔２の中心から弾性波の発振方向に時間軸を取り、各時間軸に対して振幅を取った波形である。各反射波の初動ピークを破線ａで結ぶことにより、掘削孔の根固め部２ａの実際の径を測定できる。

また、前記破線ａに示した掘削孔２の測定径の内側に発生する測定波形の孤立した初動ピークｂは、掘削孔２の崩壊部を示し、隣り合う初動ピークの支点を結ぶ円弧ｃは、掘削孔の断面周縁部の縮小箇所を示している。よって、これらの総合評価で掘削孔２の断面形状を測定できる。

次に、本実施例の掘削孔の形状測定装置を用いて試験孔を測定した結果を図４、図５に基づいて説明する。
使用した試験孔は、直径１ｍ、深さ１ｍとし、水に対して質量比１０％のベントナイト液を混合した高濃度泥水を充填した。
図４に、超磁歪素子４の発振周波数を１０ｋＨｚに設定し、発振力を２７０Ｎに設定した弾性波を発振し、マイクロホン５で直達波と反射波を検出した試験結果を示した。
反射波は、弾性波の発振・受振位置（プローブ３）から壁面２ｂまでの距離を０．９ｍとし、同壁面２ｂに向かって水平方向に弾性波を発振したときの波形であり、横軸を時間（ｍｓ）縦軸を振幅（音圧の変化する幅）としている。なお、弾性波の波長は、３０ｃｍ程度である。
図示の通り発振時刻（０）から０．００１２秒後に反射波ｈと見られる下向きの初動ピークが検出された。視認できる波形は、反射波ｈのみであり直達波は検出されていない。これより高濃度泥水中であっても明瞭な反射波形が観測されることがわかる。

次に、前記初動ピークが掘削孔外周面からの反射波であることを確認するべく、試験孔の外周面で、弾性波の発振方向に正対した位置（以下、正対位置という。）にマイクロホン５を設置して弾性波の直達波を測定した。また、振動エネルギーがどの程度の範囲に拡散するかを確認するため、試験孔の外周面で弾性波の発振方向から３０°ずらした位置（以下、３０°位置という。）にマイクロホン５を設けて弾性波の直達波を測定した結果を図５に示す。
図５は、横軸を時間（単位ｍｓ）、縦軸を振幅とし、正対位置と３０°位置にそれぞれ設けたマイクロホン５で検出した直達波の波形を示す。
正対位置（０°）で検出した直達波ｉは、約０．００６秒の時刻に明瞭なピークが確認され、これが直達波の到達時刻であると考えられる。このピーク値は、図４の時刻０．００１２秒に見られるピークの略１／２に相当し、図４の初動ピークが試験孔外周面からの反射波であることを示している。また、図５に示す３０°位置で検出した直達波ｊは、正対位置で検出した直達波に比べて振動エネルギーが１／５以下であり、弾性波の振動エネルギーは拡散することなく狭い円錐状の範囲に集中していると推定され、図５に示す初動ピークは精度の高い値であるといえる。

したがって、上記したように超磁歪素子４とマイクロホン５とを組み合わせたプローブ３は、超磁歪素子４の超磁歪材料が高速応答で大きく弾性変形し、プローブ３から掘削孔２の半径に応じた高い周波数の弾性波を必要十分な大きさの振動エネルギー（２７０Ｎ）で発振でき、掘削孔２内を伝播する過程で減衰しても、マイクロホン５が反射波の圧力（ピーク）を広い周波数範囲で効率的、且つ高い精度で検出でき、汚泥濃度が高い場合であっても、掘削孔２の半径が大きい場合でも高精度に測定できることが明らかである。

本発明の掘削孔の形状測定装置における測定対象の掘削孔の半径と周波数との関係は、本出願人が特願２００７−２６１５６６号で開示したのと同様で、例えば、半径２．５ｍの大きな半径に対して周波数１０ｋＨｚ（発振力２７０Ｎ以上）という従来の５〜６倍の高い弾性波による測定が可能である。

本発明の掘削孔の形状測定方法及び装置は上記した限りではない。以下にその相違点のみを説明する。実施例２もプローブは超磁歪素子４０とマイクロホン５０とを組み合わせた構成である。
前記超磁歪素子４０は、図６に示すように、発振用コイルを巻いた超磁歪材料４１と発振板４２とを連結した構成とされている。両者は発振板４２の内側面中央部に設けた連結棒４２ａを超磁歪材料４１内へ差し入れ自在に連結されている。
上記構成の超磁歪素子４は、拡散する特性を有する弾性波を一方向に向けて（矢印）発振させる発振補助材１０の底面に設置して内在している。この発振補助材１０は、底面部を有するコ字形状の筒型材であり、超磁歪材料４１を発振補助材１０の底面部に固定して内在する。発振補助材１１は図示の限りではなく、中空部を有するパイプ材を使用し、プローブ３の側面に固定された超磁歪素子４０の発振板４２の外周位置に配置して実施することも好適に実施される。
この発振補助材１０の外周面は、例えばウレタンフォーム等の所謂吸音効果を発揮する防振材１１で覆われている。この同防振材１１により、発振補助材１０外で拡散する不必要な波動（弾性波）を吸収（又は吸音）して、明りょうな弾性波を発振できる。

また、掘削孔２の外周壁面２ｂから来る反射波を受振する上記マイクロホン５０は、図７に示すように、一方向からの反射波を受振させるやはり筒型形状の受振補助材１２に内在され、同受振補助材１２の外周面はウレタンフォームなどの防振材１３で覆われている。
この防振材１３が壁面２ｂから放射上に拡散してくる反射波のうち不必要な波動を吸収（吸音）するので、受振補助材１２は、一方向からくる明りょうな反射波をマイクロホン５０の受振面５０ａへ確実に案内して受振させることができる。
上記の構成の発振補助材１１と受振補助材１２をセットで設けることで、弾性波及び反射波の指向性を確実に確保し、精度の高い測定値を得ることができる。

以上に本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は、実施例の内容に何ら限定されるものでない、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、いわゆる当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。

本発明の掘削孔の形状測定装置の概要を示す立面図である。 掘削孔の根固め部とプローブとを示す拡大図である。 掘削孔の断面における測定波形を示す図である。 弾性波の周波数を１０ｋＨｚにして測定した出力結果を示すグラフである。 弾性波の直達波を測定した結果を示すグラフである。 超磁歪素子と発振補助材との関係を示す拡大図である。 マイクロホンと受振補助材との関係を示す拡大図である。

符号の説明

１ 地盤
２ 掘削孔
３ プローブ
４ 超磁歪素子
５ コンデンサ型マイクロホン

Claims (6)

1. 地盤を掘削して設けられた掘削孔の水又は泥水中へプローブを挿入して弾性波を発振させ、弾性波が前記水又は泥水中を伝播し、掘削孔の壁面からの反射波を検出することにより掘削孔の壁面までの距離を測定し、掘削孔の形状を測定する測定方法であって、
   プローブは超磁歪素子とコンデンサ型マイクロホンとを組み合わせた構成とし、前記超磁歪素子により弾性波を発振し、コンデンサ型マイクロホンにより反射波を受振し、同反射波のピークを検出することにより掘削孔の断面形状等を測定すること特徴とする、掘削孔の形状測定方法。
2. 超磁歪素子から発振する弾性波の発振周波数を１ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの範囲で可変可能に発振し、その反射波をコンデンサ型マイクロホンにより検出すること特徴とする、請求項１に記載した掘削孔の形状測定方法。
3. プローブを円周方向に、所定した角度ずつ３６０度回転させて弾性波の発振と反射波のピークの検出を行い、掘削孔の壁面までの距離を測定することを特徴とする、請求項１又は２に記載した掘削孔の形状測定方法。
4. 地盤を掘削して設けられた掘削孔の水又は泥水中へプローブを挿入して弾性波を発振させ、弾性波が前記水又は泥水中を伝播し、掘削孔の壁面からの反射波を検出することにより掘削孔の壁面までの距離を測定し、掘削孔の形状を測定する測定方法であって、
   プローブは超磁歪素子とコンデンサ型マイクロホンとを組み合わせた構成とし、前記超磁歪素子は、超磁歪材料の周りに発振用コイルを巻き、同超磁歪材料と発振板とを連結して成り、同超磁歪素子を筒型形状の発振補助材に内在して、弾性波を一方向に向かって発振し、前記コンデンサ型マイクロホンを筒型形状の受振補助材に内在して、一方向からの反射波を受振することを特徴とする、掘削孔の形状測定方法。
5. 発振補助材及び受振補助材の外周面を吸音効果を有する防振材で覆うことを特徴とする、請求項４に記載した掘削孔の形状測定方法。
6. 地盤を掘削して設けられた掘削孔の水又は泥水中へプローブを挿入して弾性波が発振され、弾性波が前記水又は泥水中を伝播し、掘削孔の壁面からの反射波が検出されることにより掘削孔の壁面までの距離を測定し、掘削孔の形状などを測定する測定装置であって、
   プローブは、１〜１００ｋＨｚの発信周波数で弾性波を発信する超磁歪素子と、その反射波を受振し検出するコンデンサ型マイクロホンとを組み合わせた構成とされていることを特徴とする、掘削孔の形状測定装置。

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