JP2013234426A

JP2013234426A - ポータブルコーン貫入試験方法

Info

Publication number: JP2013234426A
Application number: JP2012105430A
Authority: JP
Inventors: Shuhei Sasaki; 修平佐々木; Kazunori Isono; 和則磯野
Original assignee: Sumitomo Forestry Co Ltd; Nitto Seiko Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Forestry Co Ltd; Nitto Seiko Co Ltd
Priority date: 2012-05-02
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2013-11-21
Anticipated expiration: 2032-05-02
Also published as: JP6034591B2

Abstract

【課題】
ロッドの周面摩擦を考慮したポータブルコーン貫入試験方法の提供。
【解決手段】
ロッド４ａの先端にコーン４ｂを備えて成る貫入ロッド４を無回転状態で定速貫入し、測定深度到達時の貫入抵抗を測定するポータブルコーン貫入試験方法において、測定深度到達前に一時的に貫入ロッド４を回転させてから、測定深度到達時の貫入抵抗を測定する。このポータブルコーン貫入試験方法によれば、ロッド４ａの周面に付着した土砂を取り除き、周面摩擦を除去することで、コーンの貫入抵抗を精度良く検出することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポータブルコーン貫入試験方法に関する。

従来から、地盤強度を測定する貫入試験の一例としてはポータブルコーン貫入試験方法が知られている（非特許文献１）。このポータブル貫入試験方法は、主に粘性土や腐植土等の軟弱地盤に対して施工されるものであり、作業者が人力で、ロッドの先端にコーンを備えて成る貫入ロッドを静的に地中へ貫入し、その貫入抵抗を測定する。コーンは所定速度（１０ｍｍ／ｓ）で定速貫入され、所定深度（１００ｍｍ）到達毎に、ロッドに取り付けられた荷重計の値が読み取られる。そして、作業者が荷重値Ｄの深さ分布図に基づいて地盤性状を評価する。

地盤工学会基準ＪＧＳ１４３１

しかしながら、上記ポータブルコーン貫入試験方法では、計測深度が深くなるにつれてロッドの周面摩擦が増加する。このため、地中深部ほど本来の荷重値よりも高い値を計測し、正確な測定結果が得られていなかった。

上記課題に鑑みて本発明は、ロッドの周面摩擦を考慮したポータブルコーン貫入試験方法の提供を目的とする。

本発明は、ロッドの先端にコーンを備えて成る貫入ロッドを無回転状態で地中へ定速貫入し、測定深度到達時の貫入抵抗を測定するポータブルコーン貫入試験方法において、測定深度到達前に一時的に貫入ロッドを回転させてから、測定深度到達時の貫入抵抗を測定する。

前記ポータブルコーン貫入試験方法により周面摩擦の影響を除去した状態で地盤性状を判定することができる。さらにスウェーデン式サウンディング貫入試験方法を併用し、双方の測定値の相関関係に基づいて地盤性状を判定することが好ましい。

また、前記貫入ロッドの回転数は、土質あるいは測定深度に応じて予め設定されていることが好ましい。

また、前記貫入ロッドの回転数は、回転負荷トルクの変動に基づいて決定されることが好ましい。

本発明のポータブルコーン貫入試験方法によれば、貫入抵抗測定前に貫入ロッドを回転させてから貫入抵抗を測定する。このように、ロッドの周面に付着した土砂を取り除き、周面摩擦を除去することで、コーンの貫入抵抗を精度良く検出することができる。

また、前記ポータブルコーン貫入試験方法による測定値とスウェーデン式サウンディング貫入試験方法による測定値との相関を分析することで、作業者の主観や経験に頼ることなく、地盤性状の多角的かつ定量的な評価が可能となる。

また、前記貫入ロッドの回転数は、土質あるいは測定深度に応じて予め設定されているので、これら固有の周面摩擦が均一に除去され、コーンの貫入抵抗を検出することができる。

また、前記貫入ロッドの回転数は、貫入ロッドの回転負荷トルクの変動に基づいて決定されるので、固有の周面摩擦がより均一に除去される。

本発明に係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の斜視図である。本発明に係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の側面図である。図２のＡ−Ａ線拡大一部切欠断面図である。本発明に係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機のチャックの構成を示す要部拡大一部切欠断面図である。本発明に係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の荷重センサの構成を示す図である。本発明に係る貫入試験方法を実施する自動貫入試験機の制御ユニットによる各モータの駆動システムブロック図である。ポータブルコーン貫入試験方法及びスウェーデン式サウンディング貫入試験方法による測定値をプロットとした散布図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図１において、１は、本発明のポータブルコーン貫入試験方法を実現する自動貫入試験機である。この自動貫入試験機１は、支柱２に沿って昇降可能な昇降台３を有しており、この昇降台３には、所定重量の錘３ａと、回転用モータ６の駆動を受けて回転可能なチャック５と、昇降台３を昇降操作させるための昇降用モータ８とが載荷されている。前記チャック５には、ロッド４ａの先端に円錐形状のコーン４ｂを備えて成る貫入ロッド４が保持されており、昇降台３の下降に伴い地中へ貫入する。

図２に示すように、前記昇降台３は、支柱２に沿って垂直に配された案内チェーン２ａに沿って回転するスプロケット２ｂを有しており、このスプロケット２ｂが案内チェーン２ａに沿って回転することで、昇降台３が昇降する。この昇降台３および昇降台３に載荷された総重量により、前記貫入ロッド４には１ＫＮの荷重が負荷される。

図３に示すように、前記スプロケット２ｂは、遊星歯車機構１１を介して伝達軸１２と一体に回転するように連結されている。一方、前記昇降用モータ８の正逆転可能な駆動軸８ａの先端には駆動歯車１３が一体に回転するように取付けられ、この駆動歯車１３には、中間歯車１４および伝達歯車１５が順に噛合している。このうち、伝達歯車１５は、中空の円柱を成しており、その内部には、一方向クラッチ１６が圧入されている。この一方向クラッチ１６の外輪は伝達歯車１５と一体に回転し、内輪は伝達軸１２に回転自在に支持されている。一方向クラッチ１６の作用により、昇降台３が上昇しようとする方向にスプロケット２ｂを回転させるよう昇降用モータ８が駆動（便宜上、この駆動を正転駆動とする）したとき、昇降用モータ８の駆動が伝達軸１２へ伝達される。このため、（昇降台３の総重量に基づく荷重１ＫＮ）−（昇降用モータ８の出力トルクに応じた上昇力）で決定される荷重が貫入ロッド４に負荷される。一方、これとは逆に昇降用モータ８が駆動（便宜上、この駆動を逆転駆動とする）すると、一方向クラッチ１６は空転する。このため、昇降用モータ８の駆動が伝達軸１２に伝達されない状態を創出でき、貫入ロッド４には昇降台３の総重量に基づく１ＫＮの荷重が負荷される。

また、前記伝達軸１２には、ロータリエンコーダ１７が取付けられており、スプロケット２ｂの回転に伴うパルス信号を出力する。そして、詳細を後述する制御ユニット５０のメイン制御装置８０が、当該パルス信号を処理し、昇降台３の昇降量、昇降速度を検出することで、貫入ロッド４の貫入量、貫入速度を算出する。

前記昇降用モータ８は、インダクションモータであり、詳細を後述するインバータ制御装置６０によって駆動制御される。この昇降用モータ８の駆動軸８ａの後端には、主動プーリ１８が一体に回転可能に取付けられている。この主動プーリ１８から所定の間隔をおいた位置には従動プーリ１９が配置されており、これらプーリ１８，１９には無端ベルト２０が巻き掛けられている。そして、従動プーリ１９には、ロータリエンコーダ２１が取付けられており、昇降用モータ８の駆動軸８ａの回転に伴うパルス信号を検出するように構成されている。

図４に示すように、前記チャック５は、軸受４５，４６，４７，４８によって回転自在に支持された中空のチャック軸３１と、このチャック軸３１にマシンキー（図示せず）を介して挿入されるフランジ型のスリーブ３２とから構成されている。このスリーブ３２は、ばね３３によって上方へ常時付勢されており、チャック軸３１の外周面を摺動しながら移動可能に構成されている。一方、円周方向へはチャック軸３１と一体に回転するように構成されている。また、チャック軸３１にはその外周を３等分する位置に鋼球３４を収納可能な収納孔が穿設されている。この鋼球３４が貫入ロッド４の外周面に形成された係合溝４ｃと嵌合し、貫入ロッド４を保持する。さらに、スリーブ３２の上部の内径はチャック軸３１の内径より大径に形成されており、スリーブ３２をばね３３の付勢に逆らって手動で押下げると、鋼球３４が貫入ロッド４の係合溝４ｃから外れる。この状態でスリーブ３２とともにチャック軸３１を回転し、鋼球３４を貫入ロッド４の係合溝４ｃが形成されていない位置まで移動させると、スリーブ３２から手を離しても貫入ロッド４とチャック軸３１との係合が解かれた状態となるため、貫入ロッド４を取り外すことができる。

前記昇降台３には回転用モータ６が載荷されている。この回転用モータ６もインダクションモータであり、詳細を後述するインバータ制御装置７０によって駆動制御される。この回転用モータ６の駆動軸６ａの先端には、一方向クラッチ３５を介して主動スプロケット３６が取付けられている。一方、チャック軸３１の下端には従動スプロケット３７が取付けられており、これらスプロケット３６，３７に無端チェーン３８を巻き掛けて回転用モータ６の回転駆動をチャック軸３１へ伝達することで、貫入ロッド４が回転する。また、回転用モータ６の駆動軸６ａの後端には、ロータリエンコーダ７が取り付けられており、駆動軸６ａの回転に伴うパルス信号を出力する。そして、詳細を後述する制御ユニット５０のメイン制御装置８０が、当該パルス信号を処理し、貫入ロッド４の回転数を算出する。

図５に示すように、前記チャック軸３１には荷重センサの一例としてワッシャ型ロードセル３９が挿入されている。このワッシャ型ロードセル３９は、センサ本体４０の下面に円周方向に対して等間隔に成形される受圧部４１と、センサ本体４０の上面に円周方向に対して等間隔に成形される支持部４２と、センサ本体４０に貼付けられる歪みゲージ４３とから構成されている。この構成により、貫入ロッド４に実際にかかるスラスト荷重がチャック軸３１を支持するアンギュラ玉軸受４５，４６および円筒ころ軸受４７を介して受圧部４１へ伝達され、これに応じて支持部４２が受圧板４４に対して支点となりセンサ本体４０に歪みが生じる。この歪みを歪みゲージ４３が検出することにより、貫入ロッド４にかかる荷重を検出することができる。ワッシャ型ロードセル３９による検出値は、詳細を後述する制御ユニット５０のメイン制御装置８０へ出力される。

図６に示すように、自動貫入試験機１の制御ユニット５０は、昇降用モータ８を駆動制御するインバータ制御装置６０と、回転用モータ６を駆動制御するインバータ制御装置７０と、これらインバータ制御装置６０、７０へ各種駆動指令を発するとともに、前記ロータリエンコーダ７，１７及びワッシャ型ロードセル３９から出力された検出値に基づく演算を実行するメイン制御装置８０と、各種駆動パラメータが格納されている記憶装置９０と、Ｉ／０インターフェイス１００とから構成されている。

前記インバータ制御装置６０は、昇降用モータ８にロータリエンコーダ２１を組み合わせたベクトル制御方式により、昇降用モータ８の速度制御、トルク制御及び位置制御を兼用可能な駆動システムに構成されている。

そこで、自動貫入試験１を用いてポータブルコーン貫入試験を行う場合には、前記インバータ制御装置６０は、速度制御を実行する。その構成としては、コンバータ回路６１が三相交流電源（図示せず）を直流に変換し、平滑用コンデンサ６２で平滑化された直流電圧をインバータ回路６３が交流電圧に変換することで、可変の電圧・周波数が昇降用モータ８へ与えられる。そして、演算回路６５（ＭＰＵ）がロータリエンコーダ２１の出力に基づくフィードバック制御を実行し、昇降用モータ８の回転数を可変しながら、負荷変動の影響を受けても回転数を一定に保つ。これにより、貫入ロッド４の定速貫入を実現することができる。

一方、自動貫入試験１を用いてスウェーデン式サウンディング貫入試験を行う場合には、前記インバータ制御装置６０は、トルク制御を実行する。その構成としては、演算回路６５（ＭＰＵ）が電流検出器６４の出力に基づくモータ電流のフィードバック制御を実行し昇降用モータ８の出力トルクを制御することで、昇降用モータ８が試験荷重に対応する上昇力を出力し、（昇降台３の総重量に基づく荷重１ＫＮ）−（昇降用モータ８の出力トルクに応じた上昇力）で決定される試験荷重が貫入ロッド４に負荷される。なお、インバータ制御装置６０は、速度制限値及びトルク制限値を設定できるものであり、これら設定値を超えない範囲で駆動制御を実行する。

前記インバータ制御装置７０は、インバータ制御装置６０と同様の構成であり、コンバータ回路７１、平滑用コンデンサ７２、インバータ回路７３、電流検出器７４、演算回路７５を備え、回転用モータ６にロータリエンコーダ７を組み合わせたベクトル制御方式により、回転用モータ６の速度制御、トルク制御及び位置制御を兼用可能な駆動システムに構成されている。この構成により、貫入ロッド４の回転速度、トルク、回転数を駆動制御するとともに、電流検出器７４の負荷電流値に基づいて貫入ロッド４の回転負荷トルクを検出する。

前記メイン制御装置８０は、ポータブルコーン貫入試験を行う場合、次の操作を実行するように構成されている。まず、前記インバータ制御装置６０へ下降速度指令（地盤工学会基準に準じて１０ｍｍ／ｓ）を発する。そして、ロータリエンコーダ１７で貫入ロッド４の貫入深度を監視しながら、測定深度毎（盤工学会基準に準じて１００ｍｍ毎）に、ワッシャ型ロードセル３９の検出値Ｑｃ（単位：ｋＮ）を読み込む。ただし、測定深度到達前（例えば、測定深度到達の２ｍｍ前）には、メイン制御装置８０は、前記インバータ制御装置６０へ下降停止指令を発するとともに、ロッド４ａの周面摩擦を除去すべく、前記インバータ装置７０へ回転指令を発する。このときの貫入ロッド４の回転数については、土質あるいは測定深度別にフィールド試験を繰り返した結果得られた最適な値が予め設定されている。回転終了後には、前記インバータ制御装置６０へ再度下降速度指令を発し、測定深度到達時のワッシャ型ロードセル３９の検出値Ｑｃ（単位：ｋＮ）を読み込む。この検出値Ｑｃをコーン４ｂの底面積（単位：ｍ^２）で除することで、コーン貫入抵抗ｑｃ（単位：ｋＮ／ｍ^２）を算出する。所定の深度まで測定が完了すると、測定深度毎のコーン貫入抵抗ｑｃがモニタ表示あるいはプリントアウトされる。

なお、回転指令時の前記貫入ロッド４の回転数は、貫入ロッド４の回転負荷トルクの変動に基づいて決定してもよい。この方法では、所定の回転負荷トルクに落ち着いたとき、あるいは回転負荷トルクの変動が小さくなったとき、周面摩擦が除去できたものと推測できるので、これらを契機に回転停止指令を発する。このように、周面摩擦の除去を確認することで、より均一かつ高精度なコーン貫入抵抗ｑｃの検出が可能となる。

一方、上記自動貫入試験１を用いてスウェーデン式サウンディング貫入試験を行う場合は、コーン４ｂをスクリューポイント（図示せず）に取り替える。また、スウェーデン式サウンディング貫入試験には、自沈貫入試験及び回転貫入試験がある。自沈貫入試験は、貫入ロッド４を回転させずに、５０Ｎ，１５０Ｎ，２５０Ｎ，５００Ｎ，７５０Ｎ，１ＫＮの試験荷重を段階的に付与して貫入ロッドの貫入量を測定するものである。前記メイン制御装置８０は、当該スウェーデン式サウンディング貫入試験の自沈貫入試験を行う場合、次の操作を実行するように構成されている。まず、前記インバータ制御装置６０へ目標の試験荷重に対応するトルク指令を発するとともに、ワッシャ型ロードセル３９の検出信号に基づくフィードバック制御を実行する。このフィードバック制御では、目標の試験荷重と実際に貫入ロッドに負荷されている荷重との偏差を算出し、この偏差に基づいてメイン制御装置８０へ補正トルク指令値を発する。このように、目標の試験荷重を負荷した状態で、メイン制御装置８０は、ロータリエンコーダ１７から出力されるパルス信号に基づいて貫入量を演算するように構成される。

続いて、スウェーデン式サウンディング貫入試験の回転貫入試験は、貫入ロッド４に最大荷重（１ＫＮ）を負荷した状態で、貫入ロッドを所定深度（２５ｃｍ）貫入させるのに要した貫入ロッドの回転数を測定するものである。前記メイン制御装置８０は、当該回転貫入試験を行う場合、次の操作を実行するように構成されている。まず、前記インバータ制御装置６０へ逆転駆動指令を発し、一方向クラッチ１６の空転により、貫入ロッド４には昇降台３の総重量に基づく１ＫＮの荷重が負荷される。そして、前記インバータ制御装置７０へ回転指令を発し、ロータリエンコーダ１７で貫入深度を監視しながら、所定深度（２５ｃｍ）貫入させるのに要した貫入ロッド４の回転数をロータリエンコーダ７から出力されるパルス信号に基づいて演算する。

以上の方法によって、スウェーデン式サウンディング貫入試験では、試験荷重（Ｗｓｗ）における貫入量１ｍあたりの半回転数（Ｎｓｗ）が測定される。このＷｓｗ及びＮｓｗに基づき、スウェーデン式サウンディング貫入試験による一軸圧縮強さｑｕ（単位：ｋＮ／ｍ^２）が次の換算式で求められる。
ｑｕ＝４５Ｗｓｗ＋０．７５Ｎｓｗ・・・・・（換算式）

図７は、Ａ現場のスウェーデン式サウンディング貫入試験による一軸圧縮強さｑｕと、ロッド４ａの回転を伴う本発明のポータブルコーン貫入試験（以下、回転式と標記することがある）及びロッドの回転を伴わない従来のポータブルコーン貫入試験（以下、無回転式と標記することがある）によるコーン貫入抵抗ｑｃとの関係を散布図で示したものである。そして、これらの相関を求めた結果、回転式の相関係数Ｒ１は０．６８０、無回転式の相関係数Ｒ２は０．４４６となった。また、回転式による試料数１８の標本相関係数ｒ１を検定表（図示せず）から読み取ったところ、回転式の相関係数Ｒ１は、有意水準０．０１％の値より大きい結果となった（Ｒ１＞ｒ１）。一方、無回転式による試料数１４の標本相関係数ｒ２を検定表から読み取ったところ、無回転式の相関係数Ｒ２は、有意水準０．０１％の値より小さい結果となった（Ｒ２＜ｒ２）。

以上の結果から、回転式コーン貫入抵抗ｐｃと、スウェーデン式サウンディング貫入試験による一軸圧縮強さｑｕとの間に高度に有意な相関があることが解る。一方、無回転式では相関関係がないことが解る。よって、回転式では、無回転式よりも検出値のばらつきが小さく、精度良く貫入抵抗の検出が行えている。ところが、他のＢ現場では、「回転式コーン貫入抵抗ｐｃと、スウェーデン式サウンディング貫入試験による一軸圧縮強さｑｕとの間に相関がない」と判断できる地盤もあった。この結果から、Ｂ現場がスウェーデン式サウンディング貫入試験及びポータブルコーン貫入試験の検査対象地盤ではなく、他の特殊土質であることが推測できる。従来、地盤性状の判定は、測定値を記録した分布図を読み取る方法であり、作業者の経験に委ねられていたものが、本発明のように各試験の測定値の相関を分析することで、多角的かつ定量的に地盤性状を判定できるようになる。

１自動貫入試験機
２支柱
２ａ案内チェーン
２ｂスプロケット
３昇降台
３ａ錘
４貫入ロッド
４ａロッド
４ｂコーン
４ｃ係合溝
５チャック
６回転用モータ
７ロータリエンコーダ
６ａ駆動軸
８昇降用モータ
８ａ駆動軸
１１遊星歯車機構
１２伝達軸
１３駆動歯車
１４中間歯車
１５伝達歯車
１６一方向クラッチ
１７ロータリエンコーダ
１８主動プーリ
１９従動プーリ
２０無端ベルト
２１ロータリエンコーダ
３１チャック軸
３２スリーブ
３３ばね
３４鋼球
３５一方向クラッチ
３６主動スプロケット
３７従動スプロケット
３８無端チェーン
３９ワッシャ型ロードセル
４０ロードセル本体
４１受圧部
４２支持部
４３歪みゲージ
４４受圧板
４５，４６アンギュラ玉軸受
４７，４８円筒ころ軸受
５０制御ユニット
６０、７０インバータ制御装置
６１、７１コンバータ回路
６２、７２平滑用コンデンサ
６３、７３インバータ回路
６４、７４電流検出器
６５、７５演算回路（ＭＰＵ）
８０メイン制御装置
９０記憶装置
１００Ｉ／０インターフェイス

Claims

ロッドの先端にコーンを備えて成る貫入ロッドを無回転状態で地中へ定速貫入し、測定深度到達時の貫入抵抗を測定するポータブルコーン貫入試験方法において、
測定深度到達前に一時的に貫入ロッドを回転させてから、測定深度到達時の貫入抵抗を測定することを特徴とするポータブルコーン貫入試験方法。
前記ポータブルコーン貫入試験方法による測定値とスウェーデン式サウンディング貫入試験方法による測定値との相関に基づいて地盤性状を判定することを特徴とする請求項１に記載のポータブルコーン貫入試験方法。
前記貫入ロッドの回転数は、土質あるいは測定深度に応じて予め設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のポータブルコーン貫入試験方法。
前記貫入ロッドの回転数は、回転負荷トルクの変動に基づいて決定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のポータブルコーン貫入試験方法。