JP2015059346A

JP2015059346A - 透水試験装置及び透水試験方法

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Publication number: JP2015059346A
Application number: JP2013193946A
Authority: JP
Inventors: 田中　克彦; Katsuhiko Tanaka; 克彦田中; 良一深川; Ryoichi Fukagawa; 将光藤本; Masamitsu Fujimoto; 伸隆平岡; Nobutaka Hiraoka; 雄大黒原; Takehiro Kurohara
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-19
Also published as: JP6281148B2

Abstract

【課題】中空の超音波導波管内に超音波を閉じ込めて伝播させることにより、装置を小型化して、容易に設置作業を行うことができる透水試験装置及び透水試験方法を提供する。
【解決手段】一端が密封され、他端が開口された中空部材であって、内径が密封端側の内部に設けられる超音波送信素子から送信される超音波の波長の４倍以下である超音波導波管６を地盤２に掘削された試験孔３に開口端側を下側にして挿入した状態で内部に水を貯留し、超音波送信素子から開口端側に向けて超音波Ｕを送信し、超音波導波管６の密封端側の内部に設けられた超音波受信素子により超音波Ｕが超音波導波管６内の水面で反射して戻ってくる反射波Ｒを受信し、超音波送信素子が超音波Ｕを送信してから超音波受信素子が反射波Ｒを受信するまでに要する伝播時間に基づいて超音波導波管６内の水位を経時的に計測することにより地盤２の透水係数を求める。
【選択図】図２

Description

本発明は、地盤の透水係数を測定するための透水試験装置及び透水試験方法に関する。

降雨による斜面崩壊を予測する上で、その地盤の透水係数を把握しておくことは重要である。現場で地盤の透水係数を測定する方法としては、ピエゾメータ法やチューブ法等が知られている。ピエゾメータ法は、図８（ａ）に示すように、土中に埋設した測定用パイプ１０１の先端に試験区間１０２を確保するための孔壁１０３を設けて計測を行う方法であり、チューブ法は、図８（ｂ）に示すように、測定用パイプ１０１の先端を孔底として計測を行う方法である。両者は、透水係数を求める算出式が若干異なるが、いずれも測定用パイプ１０１内に水位の変化を測定するための水位計１０４を備えている。

また、透水試験方法の種類としては、非定常法や定常法と呼ばれるものがある（例えば、非特許文献１参照）。現場透水試験の一般的な方法である非定常法によるピエゾメータ法では、例えば、図９（ａ）に示すように、測定対象とする地点をボーリングして試験孔を設け、この試験孔に測定用パイプ１０１を設置し、その先端に試験区間１０２を設ける。測定用パイプ１０１内には、水位測定用のフロート式の水位計１０４が設置される。そして、測定用パイプ１０１内に水を投入して一時的に測定パイプ１０１内の水位を上昇させるか、または測定用パイプ１０１内の水を汲み上げて一時的に測定用パイプ１０１内の水位を低下させる。その後、測定用パイプ１０１内の水位が平衡状態に戻る過程における水位の経時変化を水位計１０４によって測定することにより透水係数を求める。このような非定常法による透水試験方法は、透水係数が１０^−４ｍ／ｓ程度以下の比較的透水係数が小さい場合に有効である。

一方、定常法によるピエゾメータ法では、例えば、図９（ｂ）に示すように、ポンプ１０５等を用いて測定用パイプ１０１内から揚水、または測定用パイプ１０１内に注水して測定用パイプ１０１内の水位が一定になったときの揚水流量または注水流量を流量計１０６等により測定して透水係数を求める。このような定常法による透水試験方法は、透水係数が１０^−４ｍ／ｓ程度以上に大きい場合に有効である。

また、従来、例えば川面の水位を計測する場合に、川面の上方に超音波送受信兼用トランスデューサを設置して、そのトランスデューサから送信された超音波が川面で反射してトランスデューサに戻ってくるまでの往復の伝播時間を計測することにより川面の水位を求めることが行われている。これと同様の原理で超音波を用いて、透水係数を求める方法として、例えば、測定用パイプとマリオット水槽を併用して測定する定水位測定法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、マリオット水槽内の水位の変化をマリオット水槽の上方に設置された超音波水位計で測定することにより透水係数を求めている。

特開２００２−３６５２０１号公報

地盤工学会基準部、「資料「JGS 1314:ボーリング孔を利用した透水試験方法」,「JGS 1315:揚水試験方法」,「JGS 1321:湧水圧による岩盤の透水試験方法」,「JGS 1322:定圧注水による岩盤の透水試験方法」の改正案について」、土と基礎：地盤工学会誌／地盤工学会「土と基礎」編集委員会編、ｐｐ．９５、２００２年１２月

しかしながら、非特許文献１のように、従来の測定用パイプを用いた非定常法や定常法による透水試験方法では、測定用パイプ内の水位計測にはｍｍの精度が要求され、簡便にはフロート式水位計が用いられているが、測定用パイプ内の水位を正確に測定するためには、測定用パイプが振動したり、あるいは鉛直方向から傾斜した状態で設置されたような場合でも、水位計が測定用パイプの内壁に接触しないように配慮することが重要であり、そのためには測定用パイプの内径を十分に大きくしておく必要がある。それゆえ、一般的には測定用パイプの外径は、５０ｍｍ以上の太さになっている。従って、測定用パイプを設置する際、大きな径の試験孔を掘削する必要があり、測定用パイプの設置作業に手間が掛かるため、面倒である。

また、特許文献１のように、超音波を用いて水位を計測する場合、超音波はトランスデューサの前面からある程度の広がりを持って開放空間内の前方に放射されるので、超音波伝播軸を中心とする周囲に伝播を乱さない程度の十分な広さの開放空間を必要とする。そのため、マリオット水槽は、その内壁における超音波の反射、散乱の影響が少なくなるように十分大きな内径（特許文献１ではマリオット水槽の内径が９ｃｍ）に設定される必要があるので、装置が大型化してしまう。また、測定用パイプ内の水量変化をマリオット水槽の水位変化でもってｍｍオーダーで精度良く測定するためには、マリオット水槽の内径に対して測定用パイプの内径を数倍大きくすることが望ましく、特許文献１では内径が２０ｃｍに設計されている。つまり、特許文献１のように超音波水位計を用いた場合でも、測定用パイプの内径を小さくすることは困難であり、測定用パイプを設置する際、大きな径の試験孔を掘削する必要があるため、測定用パイプの設置作業が面倒である。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、中空の超音波導波管内に超音波を閉じ込めて伝播させることにより、装置を小型化して、容易に設置作業を行うことができる透水試験装置及び透水試験方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る透水試験装置は、一端が密封され、他端が開口された管状の中空部材であって、地盤に掘削された試験孔に開口端側を下側にして挿入され、内部に水が貯留される超音波導波管と、前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられ、前記開口端側に向けて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられ、前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を受信する超音波受信素子と、を有する超音波検出器と、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求める演算手段と、を備え、前記超音波導波管は、その内径が前記超音波送信素子から送信される前記音波の波長の４倍以下であることを特徴としている。

また、本発明に係る透水試験装置は、前記超音波導波管が、現場の地盤に掘削された試験孔に挿入されるものであって、前記演算手段は、前記地盤の前記透水係数を求めた後、前記超音波受信素子が受信した前記反射波の最大振幅に基づいて前記超音波導波管の前記開口端付近の土中水分量を計測し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記地盤の地下水位を計測することを特徴としている。

また、本発明に係る透水試験装置は、前記超音波導波管内の水面に浮かべられる超音波反射体を備え、前記演算手段は、前記超音波送信素子が前記開口端側に向けて超音波を送信し、該超音波が前記超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を前記超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴としている。

本発明に係る透水試験方法は、一端が密封され、他端が開口された管状の中空部材であって、内径が密封端側の内部に設けられる超音波送信素子から送信される超音波の波長の４倍以下である超音波導波管を地盤に掘削された試験孔に開口端側を下側にして挿入した状態で内部に水を貯留し、前記超音波送信素子から前記開口端側に向けて前記超音波を送信し、前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられた超音波受信素子により前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記超音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を受信し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴としている。

また、本発明に係る透水試験方法は、前記超音波導管が、現場の地盤に掘削された試験孔に挿入されるものであって、前記地盤の透水係数を求めた後、前記超音波受信素子が受信した前記反射波の最大振幅に基づいて前記超音波導波管の前記開口端付近での土中水分量を計測し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記地盤の地下水位を計測することを特徴としている。

また、本発明に係る透水試験方法は、前記超音波導波管を前記試験孔に前記開口端側を下側にして内部に水が貯留するように挿入した後、前記超音波導波管内の水面に超音波反射体を浮かべて、前記超音波送信素子から前記開口端側に向けて前期超音波を送信し、前記超音波受信素子により前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を受信し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴としている。

本発明に係る透水試験装置及び透水試験方法によれば、内径が密封端側の内部に設けられた超音波送信素子から送信される超音波の波長の４倍以下である中空の超音波導波管の開口端側を下側にして地盤に掘削された試験孔に挿入し、超音波送信素子から送信された超音波が超音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を密封端側の内部に設けられた超音波受信素子で受信して、超音波導波管内の水位を計測することにより地盤の透水係数を求めている。このように、本発明に係る透水試験装置及び透水試験方法では、超音波を中空の超音波導波管内に閉じ込めて伝播させるため、超音波導波管の内径及び外径を細く設定することができ、地盤に大きな径の試験孔を掘削しなくて済むので、地盤への設置作業を容易に行うことができる。また、超音波は拡散されることなく、超音波導波管内を有効に伝播するため、超音波送信素子から送信する超音波の送信電力を抑えることができるので、消費電力を軽減し、装置を小型化することができる。

また、超音波導波管の径を細く設定することができるので、地中の深い地点まで挿入することが容易であり、且つ、超音波が拡散されることなく、有効に深い地点まで伝播されるので、深い地点における透水係数の測定にも有効である。従って、現場で場所と深さを変えて地盤の透水係数の３次元分布を計測するような場合にも適している。

また、本発明に係る透水試験装置及び透水試験方法によれば、地盤の透水係数を求めた後は、超音波受信素子が受信した反射波の最大振幅に基づいて超音波導波管の開口端付近での土中水分量を計測し、超音波送信素子が超音波を送信してから超音波受信素子が反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて地盤の地下水位を計測する。従って、地盤の透水係数を求めた後も、超音波導波管をそのまま試験孔に挿入した状態にしておくことで、超音波導波管を透水係数の計測だけでなく、降雨による土中の水分・水位のモニタリングにも兼用することができるので、設備費や現場の設置費等を軽減することができ、非常に効率的である。

また、本発明に係る透水試験装置及び透水試験方法によれば、超音波導波管内の水面に超音波反射体を浮かべ、超音波送信素子から送信された超音波が、超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を超音波受信素子で受信して、超音波導波管内の水位を計測することにより地盤の透水係数を求めるので、弱い強度の超音波でも精度良く計測を行うことができる。

本発明の実施形態に係る透水試験装置の一例を示す概略模式図である。透水試験装置を構成する超音波検出器の一例を示す概略縦断面図である。透水試験装置を構成する測定器の構成の一例を示すブロック図である。経過時間と水位差との関係を示す片対数グラフである。本発明の実施形態に係る透水試験装置の他の一例を示す概略模式図である。チューブ法により透水係数を求める際の超音波検出器の設置について説明するための概略縦断面図である。透水試験装置を構成する超音波検出器の他の一例を示す概略縦断面図である。従来の現場透水試験方法について説明するための概略模式図であって、（ａ）はピエゾメータ法を示しており、（ｂ）はチューブ法を示している。従来の透水試験方法の種類について説明するための概略模式図であって、（ａ）は非定常法を示しており、（ｂ）は定常法を示している。

以下、本発明に係る透水試験装置１について、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る透水試験装置１は、地盤２の透水係数を計測するためのものであって、図１及び図２に示すように、地盤２に掘削された試験孔３に挿入される超音波検出器４と、この超音波検出器４に電気的に接続される測定器５とを備えている。

超音波検出器４は、図２に示すように、試験孔３に挿入される超音波導波管６と、超音波導波管６の下側に向けて超音波Ｕを送信する超音波送信素子及び該超音波送信素子から送信された超音波Ｕが超音波導波管６内の水面で反射して戻ってくる反射波Ｒを受信する超音波受信素子が一体構成された送受信兼用素子部７１を有する超音波トランスデューサ７と、を備えている。

超音波導波管６は、両端が開口された管状の中空部材であって、その一端側には開口を塞ぐように蓋部材８が取り付けられており、他端側は開口された状態になっている。この超音波導波管６は、内径が超音波トランスデューサ７から送信される超音波Ｕの波長の４倍以下になるよう設計されている。従って、周波数４０ｋＨｚ（空気中における波長が８．５ｍｍ）の超音波Ｕを超音波トランスデューサ７から送信するような場合には、内径が３４ｍｍ以下に設計されている超音波導波管６を用いれば良く、例えば、長さが３０ｃｍ〜２ｍ程度で、内径が略１８ｍｍ、外径が２２ｍｍの真ちゅう製のパイプ等を用いることができる。これにより、超音波Ｕを超音波導波管６内に閉じ込めて、効率良く伝播させることができる。また、超音波導波管６の内周面は滑らかに形成されており、内部を伝播する超音波がぶつかった時に散乱することなく、一定方向に反射しやすくなっている。尚、超音波導波管６の材質、断面形状、及び長さ等は、本実施形態に限定されるものではなく、透水係数を計測する地盤の深さ等に応じて適宜変更可能であり、少なくとも超音波トランスデューサ７から送信される超音波Ｕが超音波導波管６内を効率良く伝播できるように、内径が超音波Ｕの波長の４倍以下になるよう設計されていれば良い。

また、超音波導波管６では、その一端側に超音波導波管６の内部の空気を外部へ排出するための空気排出孔６１と、超音波導波管６の内部に水を注水したり、超音波導波管６の内部の水を汲み上げたりするためのポンプのホース（不図示）等を挿通させることができる注水口６２とが形成されている。空気排出孔６１は、超音波導波管６の外部から内部へ向かって上向きに傾斜するように貫通形成されており、降雨時等に超音波導波管６の外部から雨水が内部に浸入し難くい形状になっている。尚、この空気排出孔６１は、超音波導波管６の周方向に沿って複数形成されていても良く、複数形成されている場合には、いずれかの空気排出孔６１に土等が詰まったような場合でも、他の空気排出孔６１から空気を排出することができる。

超音波導波管６の一端側に取り付けられる蓋部材８は、例えば、円板状の真ちゅう製の部材であって、その径は超音波導波管６の外径と同程度に形成されている。この蓋部材８には、その中心部を貫通して、超音波トランスデューサ７の配線７２が挿通可能な配線引き出し孔８１が形成されるとともに、その内側面を覆うようにアルミ板９が貼り付けられている。これにより、超音波導波管６の一端は、配線引き出し孔８１の存在に拘らず、アルミ板９によって密封された状態となっている。また、アルミ板９の下方には、ダンパー材１０を介して超音波トランスデューサ７が固定されている。

超音波トランスデューサ７は、圧電効果によって電気信号と機械的振動とをエネルギー変換するデバイスであって、図２に示すように、超音波導波管６の密封端側の内部に設けられており、超音波の送信及び受信を行う送受信兼用素子部７１と、この送受信兼用素子部７１から引き出された配線７２とを有している。送受信兼用素子部７１は、詳しくは図示しないが、基板上に超音波送信と超音波受信とを兼用する素子が配置されたものであって、所定の周波数の電気信号を与えると、その周波数の超音波を超音波送信素子が出力する一方、所定の周波数の超音波を超音波受信素子が受信すると、その周波数の電気信号を出力するものである。このように構成される超音波トランスデューサ７は、図２に示すように、その送受信兼用素子部７１が、蓋部材８の内側面を覆うアルミ板９に対してダンパー材１０を介して固定されている。

ダンパー材１０は、例えば、シリコーンゴム等からなるものであって、超音波トランスデューサ７の振動が超音波導波管６に伝達されるのを防止するとともに、超音波導波管６の振動が超音波トランスデューサ７に伝達されるのを防止するものである。また、送受信兼用素子部７１から伸びる配線７２は、ダンパー材１０とアルミ板９とを挿通され、蓋部材８の配線引き出し孔８１を通して超音波導波管６の外部へと引き出されている。尚、本実施形態の超音波検出器４では、超音波導波管６への取り付けスペース等を考慮して、超音波の送信機能と受信機能の両方を備えた１個の超音波トランスデューサ７を用いた例を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、超音波導波管６の内部における密封端側に、超音波送信素子のみが配置された送信専用の超音波トランスデューサと、超音波受信素子のみが配置された受信専用の超音波トランスデューサとをそれぞれ別々に並べて設けるように構成しても良い。

測定器５は、図１に示すように、超音波検出器４に電気的に接続されるものであって、コンピュータ等により構成されており、超音波トランスデューサ７の超音波送信素子が超音波Ｕを送信してから、超音波Ｕが超音波導波管６内の水面で反射して戻ってくる反射波Ｒを超音波トランスデューサ７の超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて超音波導波管６内の水位を経時的に計測することにより地盤２の透水係数を求める演算手段としての機能を有するものである。測定器５は、図３に示すように、各部の動作を制御する制御部５１に対して、超音波送信回路５２と、超音波受信回路５３と、信号処理回路５４とがシステムバス５５を介して接続されている。

超音波送信回路５２は、超音波トランスデューサ７に対して所定の周波数の電気信号を付与するものである。一方、超音波受信回路５３は、超音波トランスデューサ７から所定の周波数の電気信号を受け取って信号処理回路５４へ出力するものである。信号処理回路５４では、超音波受信回路５３から入力された電気信号に基づいて超音波導波管６内の水位を計測し、この水位を経時的に計測した結果に基づいて地盤の透水係数を求める。

透水試験装置１では、超音波導波管６が開口端側を下側にして地盤２に予め掘削された試験孔３に挿入された状態で、超音波導波管６の注水口６２から内部に水を投入して、一時的に超音波導波管６内の水位を上昇させる。このように超音波導波管６の内部に水が貯留された状態で、制御部５１の制御を受けて、超音波送信回路５２から超音波検出器４の超音波トランスデューサ７に対して所定の周波数の電気信号が付与され、図２に示すように、所定の周波数の超音波Ｕが超音波導波管６の開口端側に向けて送信される。この超音波Ｕは、超音波導波管６の内部を開口端側に向かって伝播し、超音波導波管６内の水面にぶつかって反射される。この水面で反射して戻ってくる反射波Ｒは、超音波導波管６の内部を密封端側に向かって伝播し、超音波トランスデューサ７の送受信兼用素子部７１によって受信される。そして、超音波トランスデューサ７では、この受信した反射波Ｒに対応する所定周波数の電気信号を配線７２を介して測定器５へ出力する。

測定器５では、超音波受信回路５３がこの電気信号を受け取って信号処理回路５４へ出力する。信号処理回路５４では、制御部５１による制御の下、入力された電気信号に基づいて、超音波導波管６内の水位を計測する。より詳細には、信号処理回路５４では、超音波トランスデューサ７の超音波送信素子が超音波Ｕを送信してから、超音波Ｕが超音波導波管６内の水面で反射して戻ってくる反射波Ｒを超音波トランスデューサ７の超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて超音波導波管６内の水位を計測する。透水試験装置１では、超音波導波管６の内部への注水を止めた直後から超音波導波管６内の水位が平衡状態に戻るまでの水位の経時変化をこのように超音波の伝播時間に基づいて計測し、得られた水位の計測結果から透水係数を求める。

以下、本実施形態に係る透水試験装置１を用いたピエゾメータ法による透水係数を求める実施例について、図１及び図２を参照しつつ説明する。ここでは、超音波導波管６の密封端側の内部に設ける超音波トランスデューサ７として、周波数４０ｋＨｚ（空気中における波長が８．５ｍｍ）の超音波Ｕを送信する防水型で、外径が１４ｍｍの超音波トランスデューサ７を用いている。また、この超音波トランスデューサ７から送信される超音波Ｕを閉じ込めて効率良く伝播させるために、超音波導波管６として、内径が１８ｍｍ、外径が２２ｍｍの超音波導波管６を用いている。尚、この超音波導波管６は、周波数４０ｋＨｚの超音波Ｕを送信した場合に、内径を変えて水面からの反射波形を調べた実験結果において、最もノイズが少ない反射波形が得られた内径に設定したものである。

このような透水試験装置１を用いて透水係数を求める際には、従来の測定用パイプを用いたピエゾメータ法と同様に、予め図２に示すように、測定対象となる地点の地盤２をボーリングして試験孔３を設けて、この試験孔３に超音波導波管６を開口端側を下側に向けて挿入する。この際、図２に示すように、超音波導波管６の先端に試験区間１１を設け、この試験区間１１が土で埋まらないように、金網（不図示）で保護する。尚、試験区間１１の長さＬは、試験区間の直径Ｄ＝２２ｍｍに対して、Ｌ／Ｄ≧４となるように、Ｌ＝１００ｍｍに設定している。

そして、超音波導波管６が試験孔３に挿入された状態で、超音波導波管６の注水口６２から内部に水を投入して、一時的に超音波導波管６内の水位を上昇させ、注水を止めた直後から超音波導波管６内の水位が平衡状態に戻るまでの水位の経時変化を超音波の伝播時間に基づいて計測し、この計測結果に基づいて、図４に示すような経過時間ｔ（ｓ）と水位差（ｍ）との関係を求める。図４に示す片対数グラフは、透水試験装置１を用いて超音波導波管６内の水位を経時的に計測した結果から求めた平衡水位ｈ_０（ｍ）と超音波導波管６内の水位ｈ（ｍ）との水位差ｓ＝｜ｈ_０−ｈ｜（ｍ）を縦軸の対数目盛にとり、経過時間ｔ（ｓ）を横軸の算術目盛にとったｌｏｇｓ−ｔ曲線の一例である。透水試験装置１では、この図４中の直線勾配から下記の数式（１）により透水係数ｋを算出する。本実施例では、試験区間の長さＬ＝１００ｍｍ、試験区間の孔径Ｄ＝２２ｍｍ、超音波導波管６の内径ｄ＝１８ｍｍに設定しており、下記の数式（１）にこれらの値を代入して計算した結果、透水係数ｋ＝１．５９×１０^−５ｍ／ｓが得られる。

尚、本実施例では、超音波導波管６内に水を注水して、一時的に水位を上昇させた後、超音波導波管６内の水位が平衡状態に戻る過程における水位の経時変化を超音波を用いて計測することにより、透水係数を求めているが、同様にして、超音波導波管６内の水を汲み上げて、一時的に水位を低下させた後、水位が平衡状態に戻る過程における水位の経時変化を超音波で計測することにより透水係数を求めることもできる。また、本実施例では、所謂非定常法を用いて透水係数を求めているが、これに限定されるものではなく、例えば、地盤の透水係数が１０^−４ｍ／ｓ以上のように大きい場合には、超音波導波管６内の水位を超音波で計測しながら、常に超音波導波管６内の水位が一定になるように水を注水して、その注水量を計測することにより透水係数を求める所謂定常法にも適用することができる。更に、地盤に揚水井を設け、その周囲に本実施形態に透水試験装置１の超音波導波管６を挿入して、揚水井で水を汲み上げて超音波導波管６内の水位の低下過程、および揚水停止後の超音波導波管６内の水位回復過程の水位の経時変化を計測することにより透水係数を求める方法にも適用することができる。

また、本実施例では、周波数４０ｋＨｚの超音波Ｕを用いて計測する例を示しているが、この周波数の超音波Ｕに限定されるものではなく、地盤２の測定深さに応じて、超音波Ｕの周波数を適宜選択しても良く、本発明に係る透水試験装置１においては、超音波トランスデューサ７から送信される超音波Ｕが測定深さに応じて、２０〜１００ｋＨｚの間で設定されることが好ましい。尚、一般的に周波数が高くなると空気中を伝播する時に、超音波の減衰が大きくなるが、距離の測定分解能は向上する。従って、地盤２内の深い地点を測定する場合は低い周波数が良く、浅い定点を測定する場合は高い周波数が適している。

また、本実施例では、１つの超音波検出器４を地盤に配置している例を示しているが、図５に示すように、実地盤２の測定対象となるエリアに超音波検出器４を複数配置して、それぞれの超音波検出器４を用いて計測を行うことにより透水係数の３次元分布を求めることができる。透水試験装置１ａでは、図５に示すように、それぞれの超音波検出器４を異なる位置及び異なる深さに設置している。これにより、それぞれの超音波検出器４で得られた計測結果から、位置及び深さが異なる地盤の透水係数を求めることができるので、そのエリアの透水係数の３次元分布を求めることができる。また、図５に示すように、透水試験装置１ａでは、地中の深い地点の透水係数を求める場合には、超音波導波管６の全体が地中に埋まるように挿入されることで、同じ長さの超音波検出器４を用いることができるので、超音波検出器４を埋める深さに応じて様々な長さの超音波導波管６を準備する必要がなく、超音波検出器４の共通化を図ることができ、コストを軽減することができる。また、超音波検出器４では、超音波導波管６の径を細く設定することができるので、従来のように大きな径の試験孔を掘削する必要がなく、地中の深い地点まで挿入することが容易であり、且つ、超音波が拡散されることなく、有効に深い地点まで伝播されるので、深い地点における透水係数の計測に非常に適している。尚、図５では、同じ長さの超音波検出器４を用いた場合を示しているが、これに限定されるものではなく、透水係数を求める地盤の深さに応じて、長さの異なる超音波検出器４を設置するようにしても良い。

また、本実施例では、試験区間１１を設けた所謂ピエゾメータ法により透水係数の計測を行う例を示しているが、これに限定されるものではなく、透水試験装置１は、所謂チューブ法にも用いることができる。この場合には、図６に示すように、超音波導波管６の先端に試験区間１１を確保するための孔壁を設ける必要がないので、設置作業がピエゾメータ法よりも容易になる。

チューブ法を用いた場合には、地盤２の透水係数を求めた後も、超音波導波管６をそのまま試験孔３に挿入した状態にしておくことで、透水試験装置１を透水係数の計測だけでなく、降雨による土中の水分・水位のモニタリングにも兼用することができる。つまり、透水試験装置１では、地盤２の透水係数を求めた後、超音波トランスデューサ７が受信した反射波Ｒの最大振幅に基づいて超音波導波管６の開口端付近での土中水分量を計測することができ、更に超音波トランスデューサ７が超音波Ｕを送信してから反射波Ｒを受信するまでに要する伝播時間に基づいて地盤２の地下水位を計測することができる。

この際、図３に示す信号処理回路５４は、地盤２の土中水分量を、反射波Ｒの最大振幅に基づいて検出する。より詳細に説明すると、土は土粒子部分と間隙部分とから構成されるが、土が乾燥状態の時は間隙部分の多くが空気で占められる。そのため、このような土に超音波Ｕがぶつかると、土粒子部分にぶつかった超音波Ｕは反射波Ｒとして戻ってくるが、間隙部分にぶつかった超音波Ｕは当該部分を透過するので、反射波Ｒとして戻ってこない。これにより、反射波Ｒの最大振幅は小さくなる一方、土が水分を多く含んだ状態の時は間隙部分の多くが水で占められる。そのため、このような土に超音波Ｕがぶつかると、土粒子部分にぶつかった超音波Ｕのみならず間隙部分にぶつかった超音波Ｕも反射波Ｒとして戻ってくる。これにより、反射波Ｒの最大振幅が大きくなる。従って、反射波Ｒの最大振幅を検出することによって、土中水分量を検出することができる。

また、信号処理回路５４は、地盤２の地下水位を超音波Ｕの伝播時間すなわち超音波トランスデューサ７が超音波Ｕを送信してからその反射波Ｒを受信するまでの時間に基づいて検出する。より詳細に説明すると、地下水位面が土表面２１より低い位置にある間は、超音波トランスデューサ７から送信された超音波Ｕは、土表面２１によって反射される。一方、透水係数の計測後、降雨等によって再び水位が上昇し、図６に示すように、土表面２１を越えて高くなると、超音波トランスデューサ７から送信された超音波Ｕは、土表面２１ではなく超音波導波管６内の水面によって反射される。そのため、超音波導波管６内の水面が上昇するに伴って、超音波トランスデューサ７から超音波導波管６内の水面までの距離が短くなるので、超音波Ｕの伝播時間が徐々に短くなる。従って、超音波Ｕの伝播時間を検出することによって、地下水位を検出することができる。

このように透水試験装置１を用いたチューブ法の場合には、例えば、土壌が飽和状態（地下水位面が土表面２１より高い位置にある状態）の時に透水係数を測定しておき、その後、非飽和状態（地下水位面が土表面２１より低い位置にある状態）における土壌の水分状態や降雨による地下水位の変化をモニタリングして、斜面崩壊予測のデータとして活用することができる。これにより、両者を測定するための設備費や現場の設置費等を低減することができる。特に、現場で多地点計測を行う場合に有効に利用することができる。

図７は、超音波導波管６内の水面に超音波反射体１２を浮かべた超音波検出器４ａを示している。超音波導波管６内の水面で反射する超音波Ｕは、水面の揺らぎで若干乱れるため、反射強度が低下する。これを避けるため、超音波検出器４ａでは、図７に示すように、超音波反射体１２を超音波導波管６内の水面に浮かべ、超音波トランスデューサ７では、送信した超音波Ｕが、超音波導波管６内の水面ではなく、超音波反射体１２で反射して戻ってくる反射波Ｒを受信するよう構成されている。また、この場合には、測定器５は、超音波トランスデューサ７の超音波送信素子が超音波Ｕを送信してから、超音波Ｕが超音波反射体１２で反射して戻ってくる反射波Ｒを超音波トランスデューサ７の超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて超音波導波管６内の水位を経時的に計測することにより地盤２の透水係数を求めることになる。

超音波反射体１２としては、例えば、プラスティック等の水面に浮く材料でできた薄い円柱体の上面に、超音波Ｕを十分に反射する金属等が貼り付けたもの等を用いることができる。金属は空気に比べて音響インピーダンスが２桁以上大きいので、ほぼ１００％に近い反射率を示す。従って、このように超音波導波管６内の水面に超音波反射体１２を浮かべて測定する場合には、超音波トランスデューサ７から送信する超音波Ｕの強度が比較的弱い場合であっても、十分な精度で測定を行うことができる。尚、この超音波反射体１２を用いる方法により地盤２の透水係数を求めた後、降雨による土中の水分・水位のモニタリングを行う場合には、チューブ法を採用し、地盤２の透水係数の計測後に、一旦、超音波検出器４ａの密封端側を開放する。そして、例えば、先端に磁石が取り付けられた太さが超音波導波管６の内径よりも細い長尺の棒部材等を超音波導波管６内に挿入させる。これにより、超音波反射体１２は、上面が金属であるので、棒部材の先端の磁石に磁着され、棒部材を引き抜くことにより、超音波反射体１２を超音波導波管６内から取り除くことができる。その後、再び超音波導波管６の上側を密封させることで、そのまま土中の水分・水位のモニタリングを行うことができる。

以上のように、本発明に係る透水試験装置１では、細い超音波導波管６を用いることができるので、狭い孔径のボーリングで良く、掘削作業の労力を軽減することができる。そのため、現場の多地点で計測を行う場合に、特に設置が容易になる。また、揚水井の周囲に複数の超音波検出器４を配置するような多孔式による透水係数の計測にも適している。

また、透水試験装置１では、超音波導波管６内に超音波を閉じ込めて伝播させるため、従来の開放型のように超音波が拡散しないので、弱い超音波でも効率良く伝播できる。そのため、超音波を送信する超音波トランスデューサの消費電力が少なくて済むので、装置を簡易化することができ、現場でバッテリー駆動による計測を可能にすることができる。また、従来のフロート式水位計を用いた場合には、測定用パイプが傾けて設置されると、測定用パイプの内壁に水位計が接触してしまう虞があるため、正確な測定ができないが、透水試験装置１では、超音波導波管６内に超音波を閉じ込めて伝播させるため、超音波導波管６が多少傾斜して設置される場合でも、測定器５側で鉛直方向の距離補正を行うことで精度良く計測を行うことができる。また、従来のフロート式水位計は、測定用パイプ内の水面に置かれるので、水面が乱れやすくなるが、透水試験装置１では、非接触で計測を行うので、超音波導波管６内の水面が乱れることにより計測精度が低下することを防止することができ、水位の変化をｍｍの精度で安定的に計測することができる。

また、透水係数が小さい時には、測定が終了するまでに長時間の計測を行うため、水位の自動計測が重要になるが、透水試験装置１では、超音波検出器４で電気的に計測するため、コンピュータやデータロガーへのデータ転送も容易であり、超音波検出器４から配線７２を介して電気信号を時刻とともに記録して測定器５へ出力するので、自動計測が可能である。

尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。

１、１ａ透水試験装置
２地盤
３試験孔
４、４ａ超音波検出器
５測定器（演算手段）
６超音波導波管
７超音波トランスデューサ（超音波送信素子及び超音波受信素子）
１１試験区間
１２超音波反射体
Ｕ超音波
Ｒ反射波

Claims

一端が密封され、他端が開口された管状の中空部材であって、地盤に掘削された試験孔に開口端側を下側にして挿入され、内部に水が貯留される超音波導波管と、前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられ、前記開口端側に向けて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられ、前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記超音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を受信する超音波受信素子と、を有する超音波検出器と、
前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求める演算手段と、を備え、
前記超音波導波管は、その内径が前記超音波送信素子から送信される前記超音波の波長の４倍以下であることを特徴とする透水試験装置。
前記超音波導波管は、現場の地盤に掘削された試験孔に挿入されるものであって、
前記演算手段は、前記地盤の前記透水係数を求めた後、前記超音波受信素子が受信した前記反射波の最大振幅に基づいて前記超音波導波管の前記開口端付近での土中水分量を計測し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記地盤の地下水位を計測することを特徴とする請求項１に記載の透水試験装置。
前記超音波導波管内の水面に浮かべられる超音波反射体を備え、
前記演算手段は、前記超音波送信素子が前記開口端側に向けて超音波を送信し、該超音波が前記超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を前記超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴とする請求項１又は２に記載の透水試験装置。
一端が密封され、他端が開口された管状の中空部材であって、内径が密封端側の内部に設けられる超音波送信素子から送信される超音波の波長の４倍以下である超音波導波管を地盤に掘削された試験孔に開口端側を下側にして挿入した状態で内部に水を貯留し、
前記超音波送信素子から前記開口端側に向けて前記超音波を送信し、
前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられた超音波受信素子により前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記超音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を受信し、
前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴とする透水試験方法。
前記超音波導波管は、現場の地盤に掘削された試験孔に挿入されるものであって、
前記地盤の前記透水係数を求めた後、前記超音波受信素子が受信した前記反射波の最大振幅に基づいて前記超音波導波管の前記開口端付近での土中水分量を計測し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記地盤の地下水位を計測することを特徴とする請求項４に記載の透水試験方法。
前記超音波導波管を前記試験孔に前記開口端側を下側にして内部に水が貯留するように挿入した後、前記超音波導波管内の水面に超音波反射体を浮かべて、前記超音波送信素子から前記開口端側に向けて前記超音波を送信し、前記超音波受信素子により前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を受信し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴とする請求項４又は５に記載の透水試験方法。