JP2015072178A - 水底地盤貫入深度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大水深域の水底地盤へのコーン貫入試験用プローブの貫入深度を精度よく計測するのに適した水底地盤貫入深度計測装置を提供する。【解決手段】水底地盤へのプローブ１２の貫入深度を計測する装置１０であって、プローブ１２の後端側に連結するロッド１４の延在方向に沿って所定間隔でロッド１４に設けた磁気発生部１６と、ロッド１４の外周側においてロッド１４の延在方向に相対移動自在に配置され、ロッド１４がプローブ１２を介して水底地盤に貫入する際には水底地盤の表面位置に留まる水底位置係留部１８と、水底位置係留部１８に設けられ、磁気発生部１６からの発生磁気を検知する磁気検知部２０と、ロッド１４がプローブ１２を介して水底地盤に貫入する際の磁気検知部２０の検知に基づいて、プローブ１２の貫入深度を計測して記録する深度計測部２２とを備えるようにする。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば大水深域の水底地盤調査などで用いられるコーン貫入試験用プローブの地盤貫入深度を計測するための水底地盤貫入深度計測装置に関するものである。

メタンハイドレートは石油・天然ガスに代わる次世代資源として脚光を浴びている。日本周辺海域にも、日本の天然ガスの年間消費量の１００倍のメタンハイドレートが賦存しており、それを安全にしかも経済的に産出する技術の開発が求められている。その中でも、特にメタンハイドレートおよびメタンハイドレート堆積地盤の物性把握は重要課題として位置付けられている。

通常、試料の物性を調べるためには、サンプリングした試料を実験室に運搬して室内試験を行うのが一般的である。しかし、メタンハイドレートは低温高圧条件では安定しているが、常温常圧条件では容易に水とガスに分解する性質を有しているため、採取した堆積土試料はサンプリング時の応力解放の影響を受け、ハイドレート分解に伴うガス発生および溶存ガスの体積増加による構造的な乱れが発生する可能性が指摘されている。すなわち、応力解放による乱れの影響を受けない高品質な特性値を把握することが重要である。

メタンハイドレートが存在するのは水深３００ｍ以深の海底地盤であることから、従来、このような条件では、コーン圧入・引抜き装置、データ収録装置などを搭載したユニットおよび信号ケーブルを海底に降ろし、そこから反力を取りながらコーン貫入試験を行っていた。しかし、そのユニットおよび信号ケーブルの上げ下ろし等の操作を行うためには大きなウインチを有する掘削船や掘削リグが不可欠であり、調査には多大な費用と時間を要するため、こうした大水深域での測定例は極めて少ないのが現状である。

このような問題を解決するため、本発明者は、特許文献１に示されるコーン貫入試験機、および、特許文献２に示される装置を既に提案している。図５に、特許文献１のコーン貫入試験機に用いる貫入プローブを示す。図５に示すように、この貫入プローブ１は、先端部のコーン２と、コーン２の後端側に連結した長尺中空部３とからなる。長尺中空部３内部にはコーン２に作用する水圧を検知する水圧計４ａ、貫入圧力を検知するためのロードセル４ｂと、データを記録するデータロガー５と、バッテリ６とが内蔵されている。

この貫入プローブ１を用いた大水深域コーン貫入試験の概要は図６に示すとおりである。図６の例では、長さ０．６ｍ、外径３６ｍｍの貫入プローブ１の後端側に長さ４ｍのロッド７およびウェイト８を取り付けて行う場合を示している。この試験は、船上のウインチ９を用い、貫入プローブ１を例えば貫入速度０．５ｍ／ｓで水底地盤Ｂに貫入する工程と、貫入圧力を計測した後、貫入プローブ１を船上へ引き上げる工程と、データロガー内の計測データをダウンロードする工程とからなる。

一方、従来の地盤調査用などの深度計測装置として、例えば特許文献３〜５に示すような技術が知られている。

特許第４８６８３６２号公報 特開２０１２−２４２３２８号公報 特開平８−２２６８１２号公報 特公平７−１０４４１７号公報 特開平５−１４１１７４号公報

ところで、大水深域において貫入抵抗計測時の貫入深度は直接計測できないことから、プローブの貫入速度を一定と仮定して経過時間に対応した値を計算し、これを貫入深度とみなしてきた。しかし、このような手法では、貫入抵抗の深度方向の変化を正確に評価することができず、大きな課題となっていた。これに対し、水圧から換算した水深に基づいて貫入深度を計測する手法が有効と考えられるが、従来の大水深用の水圧計（耐圧２０ＭＰａ、水深２０００ｍ相当）では、水深計測の分解能が不足するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大水深域の水底地盤へのコーン貫入試験用プローブの貫入深度を精度よく計測するのに適した水底地盤貫入深度計測装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置は、水底地盤へのプローブの貫入深度を計測する装置であって、前記プローブの後端側に連結するロッドの延在方向に沿って所定間隔で前記ロッドに設けた磁気発生部と、前記ロッドの外周側において前記ロッドの延在方向に相対移動自在に配置され、前記ロッドが前記プローブを介して前記水底地盤に貫入する際には前記水底地盤の表面位置に留まる水底位置係留部と、前記水底位置係留部に設けられ、前記磁気発生部からの発生磁気を検知する磁気検知部と、前記ロッドが前記プローブを介して前記水底地盤に貫入する際の前記磁気検知部の検知に基づいて、前記プローブの貫入深度を計測して記録する深度計測部とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置は、上述した発明において、前記磁気発生部を、前記ロッドの外周面に同軸状に設けたリング型の磁石で構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置は、上述した発明において、前記磁気発生部を、前記ロッドの延在方向に沿って等間隔に設けたことを特徴とする。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置は、上述した発明において、前記水底位置係留部を、前記ロッドの外周側に同軸状に設けたドーナツ状のプレートを含んで構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置は、上述した発明において、前記深度計測部を、前記水底位置係留部に設けたことを特徴とする。

本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置によれば、水底地盤へのプローブの貫入深度を計測する装置であって、前記プローブの後端側に連結するロッドの延在方向に沿って所定間隔で前記ロッドに設けた磁気発生部と、前記ロッドの外周側において前記ロッドの延在方向に相対移動自在に配置され、前記ロッドが前記プローブを介して前記水底地盤に貫入する際には前記水底地盤の表面位置に留まる水底位置係留部と、前記水底位置係留部に設けられ、前記磁気発生部からの発生磁気を検知する磁気検知部と、前記ロッドが前記プローブを介して前記水底地盤に貫入する際の前記磁気検知部の検知に基づいて、前記プローブの貫入深度を計測して記録する深度計測部とを備えるので、水底地盤の表面位置に留まり続ける磁気検知部と、貫入深度に応じて磁気検知部を横切る所定間隔の磁気発生部とによって、大水深域の水底地盤へのプローブの貫入深度を精度よく計測することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置によれば、前記磁気発生部を、前記ロッドの外周面に同軸状に設けたリング型の磁石で構成したので、磁気発生部からの発生磁気をより確実に検知することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置によれば、前記磁気発生部を、前記ロッドの延在方向に沿って等間隔に設けたので、貫入深度の計測を容易にすることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置によれば、前記水底位置係留部を、前記ロッドの外周側に同軸状に設けたドーナツ状のプレートを含んで構成したので、このプレートが水底地盤の表面に当接することで水底位置係留部の水底地盤の内部への貫入をより確実に抑止することができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置によれば、前記深度計測部を、前記水底位置係留部に設けたので、プローブを船上に引き上げた後で貫入深度の計測データを取得することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置の実施例を示すプローブおよびロッドの概略外観図である。 図２−１は、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置の実施例を示すプローブ貫入時の側面断面図である。 図２−２は、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置の実施例を示すプローブ貫入時の平面断面図である。 図３は、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置による貫入深度計測の概念を説明する側面断面図であり、（１）はプローブ貫入前、（２）はプローブ貫入直後、（３）はプローブを貫入してから所定時間経過後の状況を示す図である。 図４は、本発明によるプローブの貫入深度の計測概念図である。 図５は、従来のコーン貫入試験機の貫入プローブの側断面図である。 図６は、従来のコーン貫入試験機の概要を示す図であり、（１）は水底地盤へ貫入する状況の図、（２）は（１）の部分拡大図である。

以下に、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１に示すように、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置１０は、水底地盤へのプローブの貫入深度を計測する装置であって、先端部のコーン２とコーン２の後端側に連結した長尺中空部３とからなるプローブ１２と、このプローブ１２の後端側に連結した長尺状のロッド１４とに対して設けられるものである。

プローブ１２は上記の従来の貫入プローブ１と同様の構成であり、ここでは図示しないが、長尺中空部３内部にはコーン２に作用する水圧を検知する水圧計と、貫入圧力を検知するためのロードセルと、データを記録するデータロガーと、バッテリとが内蔵されている。なお、プローブ１２は、例えば外径３６ｍｍ程度で長さ６００ｍｍ程度のものを用いることが可能である。また、ロッド１４は、例えばプローブ１２と同程度の外径で長さ４０００ｍｍ程度のものを用いることが可能である。ロッド４は、複数本から構成してもよく、例えば長さ２０００ｍｍ程度のロッドを２本連結して用いてもよい。

本発明の水底地盤貫入深度計測装置１０は、リング型磁石１６（磁気発生部）と、水底検知リング１８（水底位置係留部）と、磁気センサー２０（磁気検知部）と、深度計測部２２とをさらに備えている。

リング型磁石１６（磁気発生部）は、ロッド１４の外周面に同軸状に設けられるリング型の磁石であり、ロッド１４の延在方向に沿って等間隔（例えば１００ｍｍ程度の間隔）でロッド１４の外周面に埋設配置されている。ここで、ロッド１４の外径とリング型磁石１６の外径は同一としてある。

水底検知リング１８（水底位置係留部）は、プローブ１２が水底地盤に貫入される前の段階では、プローブ１２の外周側において同軸状に装着される一方で、プローブ１２を水底地盤に貫入していく段階では、水底地盤の表面位置に留まるようにプローブ１２の延在方向に相対移動自在に構成された筒状のものである。ここで、水底検知リング１８の下部（プローブ１２の先端側）には、径外方向に突出するドーナツ状のプレート２４が同軸状に固定してあり、このプレート２４が水底地盤の表面に当接することで水底検知リング１８の水底地盤内部への貫入が抑止される。プローブ１２の貫入深度が大きくなると、水底検知リング１８およびドーナツ状のプレート２４はやがてロッド１４の外周側に位置するようになる。

図２−１および図２−２は、プローブ１２を水底地盤Ｂに貫入した直後の状況を示したものである。図２−１および図２−２に示すように、磁気センサー２０（磁気検知部）は、図外のロッド１４の外周面のリング型磁石１６からの発生磁気を検知する耐圧型のセンサーであり、水底検知リング１８を貫通する小孔に埋設されている。磁気センサー２０の感知面は、内側のプローブ１２側に向けられており、貫入深度が大きくなった場合に図外のロッド１４の外周面に対向可能となっている。ここで、例えば外径が３６ｍｍ程度のロッド１４の外周面と対向した場合に、磁気センサー２０の感知面とリング型磁石１６の対向距離が５ｍｍ程度以内となるよう、水底検知リング１８の内径を４５ｍｍ程度に設定してもよい。

深度計測部２２は、ロッド１４がプローブ１２を介して水底地盤Ｂに貫入する際の磁気センサー２０の検知に基づいて、プローブ１２の貫入深度を計測するものであり、磁気センサー２０とは反対側の水底検知リング１８の外周面に設けられている。深度計測部２２はマイクロコンピュータなどによる耐圧型の演算処理装置で構成され、磁気センサー２０からの検知信号や、計測データを記録する耐圧型のデータロガー２８を有している。深度計測部２２と磁気センサー２０は、信号ケーブル２６を介して接続されている。

上記構成の動作および作用について図３を参照しながら説明する。
まず、図３（１）に示すように、本発明の水底地盤貫入深度計測装置１０が設けられたプローブ１２およびロッド１４を水底地盤Ｂに向けて降ろしていく。図３（２）に示すように、プローブ１２を水底地盤Ｂに貫入すると、プローブ１２は水底地盤Ｂの内部に深く貫入していく一方で、水底検知リング１８はドーナツ状のプレート２４によって水底地盤Ｂの表面位置に留まり続ける。水底検知リング１８に設けられた磁気センサー２０および深度計測部２２も、水底検知リング１８と同様に水底地盤Ｂの表面位置に留まり続ける。

図３（３）に示すように、さらにプローブ１２を貫入していくと、水底検知リング１８はやがてロッド１４の外周面に対向するようになる。磁気センサー２０の位置を横切って通過するリング型磁石１６からの発生磁気が、磁気センサー２０によって検知される。検知した数は深度計測部２２によってカウントされる。深度計測部２２は、既知のリング型磁石１６の配置間隔と、カウントに要した時間とに基づいて、プローブ１２の貫入深度（貫入量）および貫入速度を演算する。演算された貫入深度および貫入速度は、計測データとしてデータロガー２８に記録される。この後、プローブ１２およびロッド１４は図外の船上に引き上げられ、データロガー２８内の計測データは回収・取得されることになる。なお、この計測データは、プローブ１２内のデータロガーに別途記録された貫入圧力の計測データとともに回収される。

このように、本発明によれば、水底地盤Ｂの表面位置に留まり続ける磁気センサー２０と、貫入深度に応じて磁気センサー２０を横切る等間隔のリング型磁石１６とによって、大水深域の水底地盤へのコーン貫入試験用プローブの貫入深度を精度よく計測することができる。

図４は、本発明によるプローブの貫入深度の計測概念を示した図である。図４（１）は通常の堆積地盤、図４（２）はメタンハイドレートが深度２ｍ以深に堆積する地盤でのコーン先端抵抗値の測定を想定したものであり、それぞれ３回ずつ計測している。図４に示すように、貫入抵抗の深度方向の変化を正確に評価でき、堆積地盤の強度特性、メタンハイドレート堆積深度の推定が可能である。

なお、本発明の水底地盤貫入深度計測装置は、大水深域の水底（海底・湖底）地盤の表層数ｍの範囲を主な適用対象としている。これは、まさに水底の地盤表層に存在するメタンハイドレートの堆積深度であり、上述したように、測定例は極めて少ないのが現状であるが、本発明の水底地盤貫入深度計測装置を用いることで今後測定例が増えていくものと思われる。

また、上述した従来型のコーン貫入試験では、さらに深部までの調査が可能であるが、表層のみの調査を行う場合でも、深部調査と同様の費用と時間が必要であった。しかし、本発明の水底地盤貫入深度計測装置は、表層型ハイドレート調査だけではなく、海底・湖底の表層地盤の力学特性が求められる調査に広く効果を発揮することが可能である。

以上説明したように、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置によれば、水底地盤へのプローブの貫入深度を計測する装置であって、前記プローブの後端側に連結するロッドの延在方向に沿って所定間隔で前記ロッドに設けた磁気発生部と、前記ロッドの外周側において前記ロッドの延在方向に相対移動自在に配置され、前記ロッドが前記プローブを介して前記水底地盤に貫入する際には前記水底地盤の表面位置に留まる水底位置係留部と、前記水底位置係留部に設けられ、前記磁気発生部からの発生磁気を検知する磁気検知部と、前記ロッドが前記プローブを介して前記水底地盤に貫入する際の前記磁気検知部の検知に基づいて、前記プローブの貫入深度を計測して記録する深度計測部とを備えるので、水底地盤の表面位置に留まり続ける磁気検知部と、貫入深度に応じて磁気検知部を横切る所定間隔の磁気発生部とによって、大水深域の水底地盤へのプローブの貫入深度を精度よく計測することができる。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置によれば、前記磁気発生部を、前記ロッドの外周面に同軸状に設けたリング型の磁石で構成したので、磁気発生部からの発生磁気をより確実に検知することができる。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置によれば、前記磁気発生部を、前記ロッドの延在方向に沿って等間隔に設けたので、貫入深度の計測を容易にすることができる。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置によれば、前記水底位置係留部を、前記ロッドの外周側に同軸状に設けたドーナツ状のプレートを含んで構成したので、このプレートが水底地盤の表面に当接することで水底位置係留部の水底地盤の内部への貫入をより確実に抑止することができる。

また、本発明に係る他の水底地盤貫入深度計測装置によれば、前記深度計測部を、前記水底位置係留部に設けたので、プローブを船上に引き上げた後で貫入深度の計測データを取得することができる。

以上のように、本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置は、大水深域の水底地盤に対するコーン貫入試験に有用であり、特に、プローブの貫入深度を精度よく計測するのに適している。

１０ 水底地盤貫入深度計測装置
１２ プローブ
１４ ロッド
１６ リング型磁石（磁気発生部）
１８ 水底検知リング（水底位置係留部）
２０ 磁気センサー（磁気検知部）
２２ 深度計測部
２４ ドーナツ状のプレート
２６ 信号ケーブル
２８ データロガー
Ｂ 水底地盤

Claims (5)

1. 水底地盤へのプローブの貫入深度を計測する装置であって、
   前記プローブの後端側に連結するロッドの延在方向に沿って所定間隔で前記ロッドに設けた磁気発生部と、
   前記ロッドの外周側において前記ロッドの延在方向に相対移動自在に配置され、前記ロッドが前記プローブを介して前記水底地盤に貫入する際には前記水底地盤の表面位置に留まる水底位置係留部と、
   前記水底位置係留部に設けられ、前記磁気発生部からの発生磁気を検知する磁気検知部と、
   前記ロッドが前記プローブを介して前記水底地盤に貫入する際の前記磁気検知部の検知に基づいて、前記プローブの貫入深度を計測して記録する深度計測部とを備えることを特徴とする水底地盤貫入深度計測装置。
2. 前記磁気発生部を、前記ロッドの外周面に同軸状に設けたリング型の磁石で構成したことを特徴とする請求項１に記載の水底地盤貫入深度計測装置。
3. 前記磁気発生部を、前記ロッドの延在方向に沿って等間隔に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の水底地盤貫入深度計測装置。
4. 前記水底位置係留部を、前記ロッドの外周側に同軸状に設けたドーナツ状のプレートを含んで構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の水底地盤貫入深度計測装置。
5. 前記深度計測部を、前記水底位置係留部に設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の水底地盤貫入深度計測装置。

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