JP2015183435A - 地盤災害検出装置、地盤災害検出方法及び地盤災害通報システム - Google Patents

Abstract

【課題】大きなコストを必要とせず、長期間、高精度且つ迅速に、地盤災害の有無を把握することができる地盤災害検出装置を提供し、さらに、該地盤災害検出装置を用いた地盤災害検出方法及び地盤災害通報システムを提供する。
【解決手段】地中に埋設される中空パイプ状の本体部材１０と、該本体部材１０の内壁に、周方向に等間隔で３箇所以上配設された圧電素子２０ａ〜２０ｃを有し、それぞれの前記圧電素子２０ａ〜２０ｃが、前記本体部材１０の変形による応力を受けて電気信号を出力することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、地すべり、土砂崩れ、液状化、地盤沈下、火砕流等の地盤災害の有無について、大きなコストを必要とせず、高精度且つ迅速に把握でき、予測することもできる地盤災害検出装置、地盤災害検出方法及び地盤災害通報システムに関する。

地すべり、土砂崩れ、液状化、地盤沈下、火砕流等の、自然災害により発生する地盤に関する災害は、一旦発生すると人々に甚大な被害を及ぼすこととなる。そのため、被害を最小限に留めるべく、地盤災害の予測や検出、防止等について、種々の技術が開発されている。

ただし、従来の地盤災害監視システム、例えば、ワイヤセンサを、地盤災害のおそれのある場所に架設し、架設したワイヤが振動又は破断することで地盤災害の発生を検出する技術や、光センサを用いて、土石流等が光センサの経路を遮断することによって地盤災害の発生を検出する技術については、実現するためのコストが大きくなり、広範囲に渡って採用することが困難であった。これらの技術を採用する場合、大規模且つ複雑な施設を設ける必要があること、また、監視のため常時電気を使用し、定期的にメンテナンスを行う必要があることから、コストが高騰することとなる。

そのため、長期間使用でき、比較的コストを抑えることができる点から、圧電センサに着目し、圧電センサを用いて地盤災害の検出を行う技術が開発されている。
例えば、特許文献１には、地中に埋設されるハウジングと、前記ハウジング内に設けられたセンサ部と、を含み、前記センサ部が、筐体としてのセンサケースと、前記センサケース内に設けられ、前記ハウジングの埋設姿勢の変化に伴って移動する移動錘と、前記センサケース内における前記移動錘の少なくとも１つの移動端に設けられ、前記移動する移動錘が衝突することによって姿勢変化信号としての電気信号を出力する圧電素子と、を具備する土砂災害センサが開示されている。

また、特許文献２には、電気エネルギを機械エネルギに変換するセンサ素子であって、圧電素子と、一方の面に前記圧電素子を備え他方の面が検知面となる振動板と、前記振動板の圧電素子の周囲に空間を形成すると共に、前記振動板の検知面が外面となるように該振動板を支持するケースと、前記振動板の検知面側に位置し該検知面を押圧可能に突出した突起を有して前記ケースに弾性支持される可撓部材と、を具備するセンサ素子が開示されている。

特開２００２−３１２８６８号公報 特開２０１０−４８７４４号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、支柱が傾斜した際、硬球が圧電センサに衝突し、その力を検出するものであることから、一度支柱が傾斜すると、それ以降の地盤災害の状態（例えば、同方向にさらに傾斜した場合など）は検出することはできないという問題があった。

また、特許文献２の技術では、センサ部分の構成が複雑であることから長期間の使用が困難であり、センサ素子が上からの応力のみを検出する構成であることから、地すべり以外の地盤災害、例えば、地盤沈下や土砂崩れのような地盤災害の検出については十分に行うことができない、という問題があった。

さらに、引用文献１及び２のいずれにおいても、従来の地盤災害監視システムでは、地盤災害が発生した後、一定期間経過した後、外部へ通報が行われることが一般的であり、実際の災害が発生する前に検知することはできなかった。

上記課題を鑑みて、本発明の目的は、大きなコストを必要とせず、長期間、高精度且つ迅速に、地盤災害の有無を把握でき、予測することもできる地盤災害検出装置を提供し、さらに、該地盤災害検出装置を用いた地盤災害検出方法及び地盤災害通報システムを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、地中に埋設された中空パイプ状の本体部材の内壁に、周方向に等間隔で配設した圧電素子によって、前記本体部材に外圧がかかった際、それぞれの前記圧電素子が、前記本体部材の変形による応力を受けて電気信号を出力することで、地盤災害によって発生したあらゆる方向の応力及びその強度を把握することができ、さらに、従来の技術に比べて低コストで且つメンテナンスが容易になることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下の通りである。
（１）地中に埋設される中空パイプ状の本体部材と、
該本体部材の内壁に、周方向に等間隔で３箇所以上配設された圧電素子とを有し、
前記本体部材に外圧がかかった際、それぞれの前記圧電素子が、前記本体部材の変形による応力を受けて電気信号を出力することを特徴とする地盤災害検出装置。

（２）前記圧電素子は、さらに、地盤のひび割れによって生じた振動についても検知し、電気信号を出力することを特徴とする上記（１）に記載の地盤災害検出装置。

（３）前記圧電素子は、前記本体部材の延在方向にも複数配設されることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の地盤災害検出装置。

（４）前記本体部材の形状は、円筒パイプ状であることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の地盤災害検出装置。

（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の地盤災害検出装置を地中に複数埋設し、前記圧電素子が出力した電気信号に基づいて地盤災害の状態を予測することを特徴とする地盤災害検出方法。

（６）前記地盤災害検出装置は、傾斜地に埋設することを特徴とする上記（５）に記載の地盤災害検出装置。

（７）前記地盤災害検出装置は、地中1〜20mの深さ範囲に埋設することを特徴とする請求項（５）又は（６）に記載の地盤災害検出方法。

（８）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の地盤災害検出装置と、
該地盤災害検出装置の圧電素子から出力された電気信号を解析する解析装置と、
該解析結果に基づいて、外部へ通報を行うための通報装置とを備えることを特徴とする地盤災害通報システム。

本発明によれば、長期間、高精度且つ迅速に、地盤災害の有無を把握することができる地盤災害検出装置を比較的低コストで実現でき、さらに、該地盤災害検出装置を用いた地盤災害検出方法及び地盤災害通報システムを提供することすることが可能となる。

本発明に従う地盤災害検出装置の一実施形態について、その一部を模式的に示した斜視図である。 本発明に従う地盤災害検出装置の別の実施形態について、その一部を模式的に示した斜視図である。 地盤災害による応力を受けた際の地盤災害検出装置の動きを説明するため、地盤災害検出装置の断面を模式的に示した図である。 本発明の地盤災害検出装置が地盤に埋設された状態を示す模式図である。 本発明に従う地盤災害通報システムのフローを模式的に示した図である。 本発明に従う地盤災害検出装置の地盤に対する埋設方向を説明するための図である。

＜地盤災害検出装置＞
本発明に従う地盤災害検出装置について、必要に応じて図面を用いて説明する。
本発明による地盤災害検出装置は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、地中に埋設される中空パイプ状の本体部材１０と、該本体部材１０の内壁に、周方向に等間隔で３箇所以上配設された圧電素子２０（図１では、２０ａ〜２０ｃの３箇所）を有する。

そして、本発明は、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、前記本体部材１０に外圧がかかった際（図３（ａ）、（ｂ））、それぞれの前記圧電素子２０ａ〜２０ｃが、前記本体部材１０の変形による応力を受けて電気信号を出力する（図３（ｃ））ことを特徴とする。

本発明による地盤災害検出装置１は、出力された電気信号の内容（出力強度、出力時間、出力間隔等）から、地盤災害検出装置１にかかる応力の種類、大きさ、方向等の把握が可能となり、地盤災害の高精度且つ迅速な検出を実現する。
また、地盤災害検出装置に含まれる圧電素子２０は、比較的安価に入手が可能であり、ワイヤセンサや光センサ等を用いる場合とは異なり、電源を必要とせず、長期間使用することが可能であることから、設置及びメンテナンスのコストを低減することもできる。

ここで、「地盤災害の検出」とは、地すべり、土砂崩れ、液状化、地盤沈下、火砕流等の、自然災害により発生する地盤に関する災害について、災害の発生や、災害の大きさ等の災害の状態を、圧電素子から得られた電気信号の情報に基づいて予測検出することをいう。

（本体部材）
前記地盤災害検出装置１の本体部材１０は、図１に示すように、地中に埋設される中空パイプ状の部材のことである。図３に示すように、該本体部材１０に地盤災害による外圧がかかった際、該本体部材１０は変形し、前記圧電素子２０へと応力を与える。

前記本体部１０の形状は、地盤災害による外圧を受けて、その大きさ及び方向を前記圧電素子２０へと伝えやすいという点から、中空パイプ状であることが必要である。また、前記本体部材１０は、中空パイプ状であれば、図１に示すように、円筒パイプ状であっても、図２に示すように、矩形パイプ状であっても構わないが、地盤災害による外圧の方向をより精度良く前記圧電素子２０へと伝えることができる点から、図１のような円筒パイプ状とすることが好ましい。

また、前記本体部材１０を構成する素材については、地盤災害による外圧を受けて応力を前記圧電素子２０へと伝えることができるものであれば特に限定はされず、例えば、鋼、ステンレス、銅、鉛、真鍮、アルミニウム、ポリ塩化ビニル等が挙げられる。ただし、地中に埋設し、地盤災害による外圧を受けても耐えうるという点から、かかる素材はステンレス鋼又は塩化ビニルであることが好ましい。

また、前記本体部材１０の大きさについても限定はされず、地盤災害検出装置を埋設する場所や対象とする地盤災害の種類を考慮して、適宜選択することが可能である。
例えば、広い範囲での地盤災害を検出する場合、地下深い部分での地盤災害を検出する場合、深さ方向に複数の圧電素子を配設する場合等には、前記本体部材１０のサイズは大きく（例えば、延在長さ3〜20m、内径20mm以上）することが好ましい。

（圧電素子）
本発明の地盤災害検出装置は、図１に示すように、前記本体部材１０の内壁に、周方向に等間隔で３箇所以上（図１では３箇所）配設された圧電素子２０ａ〜２０ｃを有する。該圧電素子２０によって、前記本体部材１０の変形によって生じた応力を電気信号に変換し、出力することができる。

ここで、前記圧電素子は、前記本体部材１０の内壁において周方向に等間隔で配設する必要があるが、これは、前記本体部材１０の変形によって生じた応力の方向を正確に把握するためである。特に前記圧電素子２０の数が周方向に３箇所又は４箇所の場合には、数が多くないため、等間隔に配設しなければ前記地盤災害の外力によって生じた応力の方向を十分に把握できない場合がある。

なお、前記圧電素子２０ａ〜２０ｃを、「周方向に等間隔で３箇所以上配設する」とは、前記本体部材１０の延在方向の配設位置に関わらず、周方向における間隔が等間隔であり、３箇所以上配設することを意味する。例えば、図１（ａ）に示すように、前記本体部材１０の延在方向の同一位置において、前記本体部材１０の周方向に等間隔で３箇所配設しても良いし、図１（ｂ）に示すように、前記本体部材１０の延在方向の位置は異なるが、前記本体部材１０の周方向に等間隔で３箇所配置するような構成であっても良い。なお、図１（ｂ）は、前記圧電素子２０ａ〜２０ｃの配設位置を説明するために、便宜的に前記本体部材１０の一部に穴を開けて内部を示しているが、実際の前記本体部材１０は、図１（ａ）に示す本体部材１０と同様、穴は開いていない。

また、前記本体部材１０の内壁に周方向に配設される前記圧電素子２０の数は、３以上であれば本願発明の効果を奏することが可能であるが、より高精度に地盤災害の検出することができる点からは、４以上とすることが好ましく、６以上とすることがより好ましい。

さらに、前記本体部材１０の延在方向に配設される前記圧電素子２０の数は、限定されず、その用途によって適宜選択することができる。
前記本体部材１０の延在方向に少なくとも１つあれば本発明の効果を奏することは可能であるが、例えば、地中の深さと本体部材にかかる外圧との関係を知りたい場合等には、前記本体部材１０の延在方向に複数（例えば2〜100）の前記圧電素子２０を配設することもできる。

なお、前記圧電素子２０の種類については、前記本体部材１０の変形によって生じた応力を電気信号に変換し、出力することができるものであれば特に限定はされない。ここで、前記圧電素子とは、素子の表面に応力を加えると素子の表面に正負の電荷を生じる現象（圧電特性）を呈する物質のことをいう。例えば、前記電気信号を効率よく発生させることができる点からは、前記圧電素子は、チタン酸バリウム、PZT系のセラミック材料、水晶、PZN-PT、ポリフッ化ビニリデン及びその共重合体、ポリシアン化ビニリデン、シアン化ビニリデン−ビニルアセテート共重合体、奇数ナイロン、並びに、生体高分子のうちの少なくとも一種を含むことが好ましい。ここで、PZT系のセラミック材料とは、PZT（PbZrO₃及びPbTiO₃の固溶体）単体か、使用目的に応じてドーパントとして微量成分（Pb,MnやNbなどの酸化物）や少量の複合ペロブスカイト型化合物が加えられたものをいう。また、PZN-PTとは、Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃及びPbTiO₃の固溶体のことをいう。さらに、生体高分子とは、生体内に存在する高分子有機化合物のことをいう。

さらに、前記圧電素子２０の材料を成型する際に、助剤（バインダ）を用いることもできる。該バインダは、前記圧電素子材用を焼結する際に形が崩れないようにつなぎの役目を果たしたり、衝撃から圧電材料を保護するための緩衝材としての役目を果たしたり、緻密な成型体を形成できるようにするためのものであり、その種類は特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、圧電素子の形状や設置状態によって、押出用、ドクターブレード用、焼結用（乾式成型、湿式成型）等を適宜選択することができる。具体的には、ゴムや樹脂、紙、繊維、ガラス、セメント等が挙げられる。

さらにまた、前記圧電素子２０を前記本体部材１０に配設する方法については、前記本体部材１０が圧電素子２０へ付与する応力を阻害しないものであれば特に限定されない。例えば、特定の接合部材（図示せず）を設け、前記本体部材１０との接合を行うこともできるし、特定の接着剤を用いたり、前記バインダに接着成分を含有させることで、前記本体部材１０と接合させることも可能である。

また、前記圧電素子２０は、さらに、地盤のひび割れによって生じた振動についても検知し、電気信号を出力することが好ましい。地盤のひび割れによって生じた振動についても検出することで、実際に地盤災害が発生する前に警報を発したり、防止策を講じることが可能となり、地盤災害による被害をさらに抑えることが可能となる。

＜地盤災害検出方法＞
本発明の地盤災害検出方法は、上述した本発明の地盤災害検出装置を地中に複数埋設し、前記圧電素子が出力した電気信号に基づいて地盤災害の状態を予測することを特徴とする。
本発明の地盤災害検出装置を用いることで、地盤災害によって発生したあらゆる方向の応力及びその強度を把握することができ、さらに、従来の技術に比べて低コストで且つメンテナンスが容易になるという効果を奏する。

前記地盤災害検出装置１の埋設状態については、例えば図４に示すように、地盤災害の発生しやすい場所、例えば、丘陵の斜面や、土砂崩れや地すべりで土砂が落ちてきてくる平地に複数の地盤災害検出装置１を埋設することができる。
その中でも、前記地盤災害検出装置１は、図４に示すように、傾斜地に埋設することが好ましい。地震や降雨、火山活動に起因した地すべり、土砂崩れ、火砕流の発生が多く、それらの検出を行うことができれば安全性の点から非常に有用だからである。

なお、前記地盤災害検出装置１の地盤に対する埋設方向については、特に限定されない。例えば、傾斜部などの地盤の表面に沿った方向（矢印Ａ）に応力がかかると思われる場合には、図６（ａ）に示すように、地盤表面と垂直に配設することができ、傾斜部の下に位置する平坦部のように、地盤表面の上下方向（矢印Ｂ）に応力がかかると考えられる場合には、図６（ｂ）に示すように、地盤表面と平行に配設することもできる。

さらに、前記地盤災害検出装置１の地中埋設の深さについては、検出した地盤災害の種類や、地盤の状態に基づいて任意に選択することができるが、一般的な地盤では、地中1〜20mの深さ範囲に埋設することが好ましい。
さらにまた、前記地盤災害検出装置１の単位面積当たりの数については特に限定されない。例えば、広い範囲での地盤災害を検出する場合には、100m²あたり1個以上とすることもできるし、細かい地盤の状態を把握する場合には1m²あたり1個以上とすることもできる。

＜地盤災害通報システム＞
本発明の地盤災害通報システムは、図５に示すように、上述した本発明の地盤災害検出装置１と、該地盤災害検出装置の圧電素子２から出力された電気信号を解析する解析装置２と、該解析結果に基づいて、外部へ通報を行うための通報装置３とを備えることを特徴とする。
かかるシステムによれば、地盤災害によって発生したあらゆる方向の応力及びその強度を把握することができるとともに、地盤災害が発生した際には、必要に応じて外部へ通報することが可能となる。その結果、甚大な被害の発生を抑制することが可能となる。

前記解析装置２については、前記出力された電気信号を解析し、地盤災害の状態（地盤災害の有無、種類、大きさ等）を把握することができるものであれば特に限定されない。例えば、図３に示すように、出力された電気信号の電圧が正又は負のいずれであるか、その大きさがどの程度であるか、などから発生した地盤災害の状態を把握することができる。

また、前記通報装置３については、前記解析装置２から送られた解析結果に基づいて外部へ通報を行うための装置であり、外部へ通報する方法については特に限定はされない。例えば、ベル等の音声による通報、インターネット回線を通じた特定施設への通報、光や画面等の視覚的な通報が挙げられる。

以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は下記の実施例に何ら限定されるものではない。

（実施例）
図４に示すように、人工的に作製した丘陵地に、本発明の地盤災害検出装置１を埋設した。
なお、地盤災害検出装置１の本体部材１０は、ステンレス製で、内径：30mm、延在長さ：3ｍのものを用いた。また、圧電素子２０は、PZT系のセラミック材料とゴムとを混合し、直方体状にしたものを本体部材の内壁に接合した。地盤災害検出装置１は、地盤の表面に垂直な方向及び平行な方向に複数（10m²あたり1個）埋設し、埋設深さは1〜20mであり、各地盤災害検出装置１をの埋設深さを変化させた。

（評価）
上述した丘陵地に、人為的に地すべりを発生させた際に、地すべりを検出できたか否かについて調査を行った。

その結果、地すべりを発生させる前の地盤のひび割れの検出、及び、地すべりの発生について、電気信号を受信し、地すべりの検出は可能であった。
また、地すべりの大きさや方向についても、電気信号の出力された圧電素子の場所や、電気信号の強弱から判定可能であることがわかった。

本発明によれば、長期間、高精度且つ迅速に、地盤災害の有無を把握することができる地盤災害検出装置を比較的低コストで実現でき、さらに、該地盤災害検出装置を用いた地盤災害検出方法及び地盤災害通報システムを提供することすることが可能となる。その結果、地盤災害の監視を従来に比べて高精度且つ低コストに実現できることとなり、産業上有用である。

１ 地盤災害検出装置
２ 解析装置
３ 通報装置
１０ 本体部材
２０ａ〜ｄ 圧電素子

Claims (8)

1. 地中に埋設される中空パイプ状の本体部材と、
   該本体部材の内壁に、周方向に等間隔で３箇所以上配設された圧電素子とを有し、
   前記本体部材に外圧がかかった際、それぞれの前記圧電素子が、前記本体部材の変形による応力を受けて電気信号を出力することを特徴とする地盤災害検出装置。
2. 前記圧電素子は、さらに、地盤のひび割れによって生じた振動についても検知し、電気信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の地盤災害検出装置。
3. 前記圧電素子は、前記本体部材の延在方向にも複数配設されることを特徴とする請求項１又は２に記載の地盤災害検出装置。
4. 前記本体部材の形状は、円筒パイプ状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の地盤災害検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の地盤災害検出装置を地中に複数埋設し、前記圧電素子が出力した電気信号に基づいて地盤災害の状態を予測することを特徴とする地盤災害検出方法。
6. 前記地盤災害検出装置は、傾斜地に埋設することを特徴とする請求項５に記載の地盤災害検出方法。
7. 前記地盤災害検出装置は、地中1〜20mの深さ範囲に埋設することを特徴とする請求項５又は６に記載の地盤災害検出方法。
8. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の地盤災害検出装置と、
   該地盤災害検出装置の圧電素子から出力された電気信号を解析する解析装置と、
   該解析結果に基づいて、外部へ通報を行うための通報装置とを備えることを特徴とする地盤災害通報システム。
   
   

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