JP2017106308A - 地面の締固め状態を求める方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な手段で、締固めプロセス実施中に、締め固めるべき地面の締固め状態の正確な決定可能性をもたらす、地面の締固め状態を求める方法を提供する。【解決手段】ａ）コンパクターローラー１０の振動運動Ｏの少なくとも一つの周期の間に、第１の方向Ｈにおけるコンパクターローラー１０の加速度を表現する第１の加速度値（ａｈ）を繰り返し求める措置；ｂ）それぞれ第１加速度値（ａｈ）と割り当てられた第２加速度値（ａｖ）とから成る加速度値対を用意するために、各第１加速度値（ａｈ）へ割り当てるように、第２の方向Ｖにおけるコンパクターローラー１０の加速度を表現する第２加速度値（ａｖ）を求める措置；及びｃ）少なくとも一つの振動周期について、この振動周期について求められた加速度値対に基づいて、地面の締固め状態を表現する締固め状態値を決定する措置；を有している。【選択図】図１

Description

本発明は、ローラー回転軸周りに回転可能な少なくとも一つのコンパクターローラーを持つソイルコンパクターを用いて、締固めるべき地面の締固め状態を求める方法に関する。

例えば道路建設に敷かれたアスファルトなどの地面を締め固めるためにソイルコンパクターが用いられ、ソイルコンパクターは、１以上のコンパクターローラーの接地面重量、及び、それにより締め固めるべき地面上にほぼ垂直にかけられる負荷を介して、地面の圧縮を行い、それにより締固め度を高める。その際、締固め結果を改善するために、ソイルコンパクターの１以上のコンパクターローラーに振動引起し装置を割り当て、周期的な振動トルクを発生させることにより、コンパクターローラーが、振動引起し装置によりによってそれに応じた周期的な振動運動もしくは振動回転運動、つまりローラー回転軸周りに交互の前後往復回転運動を行うことが知られている。コンパクターローラーのこの振動しながらの回転運動は、コンパクターが前進する際に基本的に存在する、コンパクターローラーのローラー回転軸周りの、コンパクターローラーの回転運動に重畳される。

特許文献１より、振動トルクの発生により生成された、コンパクターローラーの振動回転運動の、とりわけ、把握されたコンパクターローラー軸の水平加速度の、時間的推移から、締固め度を推論することが知られている。

特許文献２には、コンパクターローラーを用いて締め固めるべき地面の締固め度を決定するための方法が開示されている。この方法では、バイブレーション装置により垂直スイング運動を行うコンパクターローラーの垂直加速度を把握する。締固めが増加するとコンパクターローラーの垂直運動が変わるため、コンパクターローラーの垂直加速度の変化は、締め固めるべき地面の締固め状態のための指標として利用することができる。

独国特許第３５９０６１０号明細書 独国特許第３７０７６８４号明細書

本発明の課題は、地面の締固め状態を求める方法を提供することであり、その方法は、簡単な手段で、締固めプロセス実施中に、締め固めるべき地面の締固め状態の正確な決定可能性をもたらすものである。

この課題は本発明により、ローラー回転軸周りに回転可能な少なくとも一つのコンパクターローラーを持つソイルコンパクターを用いて締め固めるべき地面の締固め状態を求める方法により解決され、その際、ソイルコンパクターの少なくとも一つのコンパクターローラーには、このコンパクターローラーにローラー回転軸周りに振動しながらの回転運動を引き起こす振動トルクを発生させるための振動引起し装置が割り当てられており、この方法には以下の措置が含まれる：
ａ）コンパクターローラーの振動運動の少なくとも一つの周期の間、コンパクターローラーの第１の方向における加速度を示す第１の加速度値を繰り返し求める措置、
ｂ）それぞれ第１加速度値及び割り当てられた第２加速度値からなる加速度値対を用意するために、各第１加速度値に割り当てるように、コンパクターローラーの第２の方向における加速度を表現する第２の加速度値を求める措置、
ｃ）少なくとも一つの振動周期について、地面の締固め状態を表現する締固め状態値を、この振動周期について求められた加速度値対に基づいて決定する措置。

本発明は、振動しながらの回転運動が引き起こされたコンパクターローラーを用いた締固めプロセスの実行中、コンパクターローラーの転動に重畳された振動回転運動により、コンパクターローラーが、コンパクターローラー自身により生成された窪み内で周期的に上下運動し、その際、加速が、垂直方向に、もしくは、締め固めるべき地面の平面に対してほぼ直角に行われるという認識に基づいている。そのためコンパクターローラーの垂直加速度は周期的に変わり、このとき垂直加速もしくは垂直運動の頻度は、振動運動の頻度の２倍に対応する。それぞれの振動周期の間に生成された加速度値対は全体として、その振動周期について両方の方向における加速度の変化を反映しており、これら加速度値対により、締め固めるべき地面の締固め状態を推論することができる。

本発明の方法においては望ましくは、措置ｃ）は、締固め状態値を、加速度値グラフにおいて、ある振動周期内で連続する加速度値対により形成された加速度値対曲線により囲まれた面積の面積値として決定することを含んでおり、このとき加速度値グラフは、第１加速度値に割り当てられた第１のグラフ軸、及び、第２加速度値に割り当てられた第２のグラフ軸により定義される。水平方向における加速度の量は、コンパクターローラーにかかる振動トルクによりほぼ決定され、また、垂直加速度は地面がどれほど固いか、及び、コンパクターローラーが締め固めるべき地面にどれほど強くめり込んでそれにより振動運動において上下運動するかにほぼ依存するため、ある振動周期について把握された加速度値対により定義された加速度値対曲線はある面積を表現しており、その面積の量は地面の締固め状態に依存する。

第１の方向は望ましくはほぼ水平方向に相当し、第２の方向は望ましくはほぼ垂直方向に相当する。ここで、本発明において水平方向とは、締め固めるべき地面により広げられた平面に対してほぼ平行である方向として考えることができ、また、垂直方向とは、この地面もしくはこの地面により広げられた平面に対してほぼ直角の方向であると考えることができることを述べておく。

加速度値対曲線により包み込まれた面積の量を、簡単な数学的方法を用いて決定できるようにするため、本発明の方法では措置ｃ）においてさらに以下のことを行う：
− 第１のグラフ軸に沿った加速度値対の順番に基づいて加速度値対の振れを定義し、このとき加速度値対は、第１加速度値対群の加速度値対が加速度値対振れの上部頂点領域をほぼ形成し、第２加速度値対群の加速度値対が加速度値対振れの下部頂点領域をほぼ形成するように、第１加速度値対群、及び、第２加速度値対群に割り当てられる；
− 第１加速度値対群に基づいて上部包絡線が求められ、第２加速度値対群に基づいて下部包絡線が求められる；そして、
− 面積値はほぼ、上部包絡線と下部包絡線との間に取り囲まれた面積として決定される。

以下に本発明を、図を用いてさらに詳しく説明する。

コンパクターローラーにより締め固めるべき地面を側方から見た原則的な図である。 図１に図示されたコンパクターローラーの振動周期について、そこで求められた複数の加速度値対、及び、時間的な順番で求められた加速度値対により広げられた加速度値対曲線を示したグラフである。 図２に対応するグラフであって、このグラフでは、加速度値対振れをわかりやすく示すために、振動周期について求められた加速度値対を他の方法で並べ替えたグラフである。 図３における加速度値対の並べ替えに基づいて、加速度値対振れの上部包絡線及び下部包絡線を示したグラフである。 本発明の方法を用いて求めた締固め状態値の変化を、締め固めるべき地面の通過回数の増加と共に示したグラフである。 本発明の方法を用いて用いた締固め状態値、及び、地面で行われた測定で求められた締固め度の変化を、通過回数にわたって示したグラフである。

図１にはソイルコンパクターのコンパクターローラー１０を側方から見た原理的な図が示されている。ローラードラム１２により取り巻かれた、コンパクターローラー１０の内側空間内には、図では見えない振動引起し装置が設けられており、この振動引起し装置は、コンパクターローラーの回転軸Ｄに平行な軸の周りに回転させるために駆動可能な複数の不平衡質量を有することができる。振動引起し装置により振動トルクを生成し、これにより、コンパクターローラー１０が回転軸Ｄ周りに振動しながらの回転運動Ｏを行うことを引き起こす。締固め動作、つまり、ソイルコンパクターの走行方向Ｆにおける前進運動において、この振動回転運動は、コンパクターローラー１０の転動方向Ｒにおける転動に重畳される。

例えばコンパクターローラー１０のベアリングシェル１４の領域に加速度センサー１６、１８を設けることができる。このとき加速度センサー１６は、コンパクターローラー１０の水平方向Ｈ、つまり、締め固めるべき地面Ｕにより広げられた平面に対してほぼ平行な方向における加速度を把握するために構成することができる。加速度センサー１８は、垂直加速度ａ_ｖ、つまり、水平方向Ｈに対してほぼ直角であり、それにより締め固めるべき地面に対しても直角でありうる垂直方向Ｖにおける加速度を把握するために構成することもしくは配置することができる。両加速度センサー１６、１８から提供された出力信号はデータ把握／評価ユニット２０に伝達することができる。

ここで、加速は、コンパクターローラー１０の他の領域、例えばローラードラム１２の内側でも起こりうることが指摘でき、その際は、座標変換により水平加速度もしくは垂直加速度をそれぞれ計算しなおす必要がある。

水平加速度ａ_ｈ及び垂直加速度ａ_ｖは、振動運動Ｏのそれぞれの周期の間に複数回把握される。走査頻度は、コンパクターローラー１０の振動頻度の少なくとも１０倍である必要があり、それにより、振動運動Ｏの各周期の間に、それぞれ水平加速度ａ_ｈを表現する第１加速度値、及び、垂直加速度ａ_ｖを表現する第２加速度値を持つ少なくとも１０の加速度値対を把握する、もしくは、求める。その際理想的には、それぞれの加速度値対の２つの加速度値は、それぞれ同じ時点で記録された垂直加速度及び水平加速度の値である。

締め固めるべき地面Ｕの上での転動の際、コンパクターローラー１０の下には、図１に図示された窪みＭが形成され、窪みＭは、走行方向Ｆにおいてもしくは走行方向Ｆとは逆においてそれぞれ物質蓄積部Ａ１及びＡ２により包囲されている。コンパクターローラー１０の振動運動において、コンパクターローラー１０は、窪みＭ内で前後往復して振動し、その際、振動トルクにより生成された水平方向Ｈにおける加速度だけではなく、物質蓄積部Ａ１及びＡ２での周期的な転がり上がり及び転がり下りによる垂直方向Ｖにおける加速度も受ける。各振動周期中、コンパクターローラー１０は、２つの物質蓄積部Ａ１及びＡ２のそれぞれにおいて、上に向かって一度、下に向かって一度、運動するため、垂直加速度の頻度は、水平加速度の頻度の２倍に相当する。

図２に示されたグラフもしくは座標系では、第１加速度値つまり水平加速度ａ_ｈには水平軸が、第２加速度値つまり垂直加速度ａ_ｖには、垂直軸が割り当てられている。図２にはそれぞれの加速度値対Ｂ_Ｐが複数図示されており、各加速度値対Ｂ_Ｐは、水平加速度ａ_ｈの値、及び、これに割り当てられた、つまりほぼ同じ時点で記録された垂直加速度ａ_ｖの値により表現されている。図２には、コンパクターローラー１０の振動運動Ｏのある周期における加速度値対Ｂ_Ｐが図示されている。時間的な順番で記録されたもしくは求められた加速度値対Ｂ_Ｐは、その時間的な順番において加速度値対曲線Ｋを定義しており、加速度値対曲線Ｋはほぼ、横に寝かせた「８」の字の形をしている。このような形になるのは、すでに述べたように、振動運動Ｏのある周期の間に、つまり、水平加速度ａ_ｈの両極値の間において、２つの周期の垂直加速度が現れる、つまり、垂直加速度の正負の符号が全部で４回交代するためである。

締固めプロセスにおいて、締め固めるべき地面Ｕの締固め度は、ソイルコンパクターによる通過回数と共に徐々に増加する。締固めが増加すると、コンパクターローラー１０が地面Ｕにめり込むことができる程度は低下し、これは、窪みＭの深さの低下、及び、物質蓄積部Ａ１及びＡ２の高さの低下に相当する。窪みの深さ、及び、物質蓄積部Ａ１及びＡ２の高さが低下すると、地面Ｕの固さは増加する。窪みＭの深さもしくは物質蓄積部Ａ１及びＡ２の高さも、コンパクターローラー１０が振動運動Ｏを行う地面の固さも、振動運動Ｏのそれぞれの周期の間に現れる水平加速度ａ_ｈ及び垂直加速度ａ_ｖの値に影響を与える。加速度値対曲線Ｋにより囲まれた面積は、締固め度が増加すると増加することが分かっており、それはとりわけ、締固めが増加し、それにより地面の固さも増加すると、水平加速度ａ_ｈも増加し、それにより横に寝ている「８」の字の幅も広がるからである。そのため、振動運動Ｏのそれぞれの周期について求められた加速度値対を考慮することにより、とりわけ、図２の加速度値グラフにおいて加速度値対Ｂ_Ｐもしくは加速度値対曲線Ｋにより囲まれた面積の量を決定することにより、締め固めるべき地面Ｕの締固め状態を帰納的に推論することが可能である。

この面積は、さまざまな方法で求めることができる。例えば、図２に図示された加速度値対曲線Ｋを得るには、加速度値対Ｂ_Ｐを時間的な順番で次々に並べ替えるもしくはつなげるのではなく、例えば、水平加速度ａ_ｈの値が最も低い加速度値対から開始して、極小もしくは極大を形成する加速度値対を交互に選び、それにより図３に示したように、想像上の加速度値対振れＳを定義することもできる。その際は、例えば、加速度値対Ｂ_Ｐのその時の順番で、極小、つまり下の頂点領域Ｓ_Ｕ、及び、極大、つまり上の頂点領域Ｓ_Ｏを定義するための加速度値対Ｂ_Ｐを交互に取り上げることができる。例えば、加速度値対Ｂ_Ｐが時間的な順番で用意されることにより、２つの上の頂点Ｓ_Ｏの間に、自身がそれぞれ下の頂点を定義する加速度値対が２つまたは複数存在するような位置関係が生まれた場合には、加速度値対振れＳを求めるという目的のためには、それぞれ、実際に極小を定義する加速度値対Ｂ_Ｐを、もう一方の場合には実際に極大を定義する加速度値対Ｂ_Ｐを、それぞれ取り上げることができる。

全体として加速度値対振れＳを定義する加速度値対は２つのグループに分けられ、つまり、それぞれ上の頂点領域Ｓ_Ｏを定義する加速度値対Ｂ_Ｐを有するグループＧ_１と、下の頂点領域Ｓ_Ｕを定義する加速度値対Ｂ_Ｐを有する第２のグループＧ_２とに分けられる。その際、一番外側にある両方の水平加速度値は好適にはそれぞれ２つのグループＧ_１及びＧ_２に割り当てることができる。

２つのグループＧ_１及びＧ_２にそれぞれ割り当てられた加速度値対Ｂ_Ｐに基づいて、それぞれ相応の数学的方法を用いて、加速度値対振れＳの上の包絡線Ｅ_Ｏ及び下の包絡線Ｅ_Ｕをそれぞれ求める。

すると、本発明において締め固めるべき地面Ｕの締固め状態の指標として求めるべき面積ＦＬの量は、２つの包絡線Ｅ_ＯとＥ_Ｕとの間に取り囲まれた面積として計算することができる。そのためには例えば、台形法による数値積分を用いた面積計算を使用することができる。単位がｍ^２／ｓ^４である面積値は、ＦＤＶＫ値、つまり、ある締固めプロセスにおいて把握もしくは求めることができる、面全体にわたる、動的な締固めコントロールの値を表現している。この値は、扱いやすい、もしくはより良い比較も可能な量を得るために、例えば締固めプロセスのパラメーター、又は、コンパクターローラーの直径又は線荷重、コンパクターローラーの振れる質量又は不平衡モーメントといった機械パラメーターを用いて標準化することができる。

図５には、ＧＰＳ経度で表現された、締め固めるべき地面Ｕの経度領域について、図５ではＦＤＶＫと表示されている、先述の方法で求められた面積ＦＬの量の変化が示されている。この図から明らかにわかることは、通過回数が増加するにつれて、この値が継続的に上方にずれることである。２つの局所的な領域Ｌ_１及びＬ_２には弱い所が現れており、これらの所は、例えば地面の準備が整っていなかったために本質的な締固めが行われなかった所である。

図６には、本発明の方法により記録された面積値ＦＤＶＫと、標準化された測定方法により求められ、動的な変形係数に対応する値Ｅｖｄとの比較が図示されている。これら２つの値は通過回数の増加に伴ってほとんど同様の変化をしており、そこから、本発明の方法を用いて、リアルタイムで、つまり、締固めプロセス実行中に、締め固めるべき地面の実際の締固め度を正確に推論するための量を用意できることが分かる。

最後に、先に図２から図４のグラフもしくは座標系、及びそこに入力された加速度値対 もしくは曲線に関して、面積値を求めることを説明したが、これは実際には、それぞれの加速度値もしくは加速度値対のグラフ内への入力やグラフの評価を必要とするものではなく、数学的な方法に基づいて実行されるものであり、しかしながらそれら数学的な方法は、さまざまなグラフ及びそこに入力された曲線により示すことが可能であるということを述べておく。つまり本発明においては、例えば加速度値対振れの定義は、そのような振れをグラフに描くことを意味するのではなく、もしくはそのことだけを意味するのではなく、相応の、そのような振れを表現する値の点もしくは座標点を決定し、さらなる数学的な加工のために取り上げることを表す。

１０ コンパクターローラー
１２ ローラードラム
１４ ベアリングシェル
１６ 加速度センサー
１８ 加速度センサー
２０ データ把握ユニット／評価ユニット
ａ_ｈ 水平加速度
ａ_ｖ 垂直加速度
Ｂ_Ｐ 加速度対
Ｄ 回転軸
Ｅ_Ｏ 上の包絡線
Ｅ_Ｕ 下の包絡線
ＦＤＶＫ 締固め状態値
ＦＬ 面積
Ｇ_１ 第１グループ
Ｇ_２ 第２グループ
Ｈ 水平方向
Ｋ 加速度対曲線
Ｏ 振動運動
Ｓ 加速度値対スイング
Ｓ_Ｏ 上の頂点領域
Ｓ_Ｕ 下の頂点領域
Ｕ 地面
Ｖ 垂直方向

Claims (4)

1. ローラー回転軸（Ｄ）周りに回転可能な少なくとも一つのコンパクターローラー（１０）を持つソイルコンパクターを用いて締め固めるべき地面（Ｕ）の締固め状態を求める方法であって、該ソイルコンパクターの少なくとも一つのコンパクターローラー（１０）には、このコンパクターローラー（１０）に前記ローラー回転軸（Ｄ）周りに振動しながらの回転運動（Ｏ）を引き起こすための振動トルクを生成するために、振動引起し装置が割り当てられている方法において、この方法は以下の措置：
   ａ）前記コンパクターローラー（１０）の振動運動（Ｏ）の少なくとも一つの周期の間に、第１の方向（Ｈ）におけるコンパクターローラー（１）の加速度を表現する第１の加速度値（ａ_ｈ）を繰り返し求める措置；
   ｂ）それぞれ第１加速度値（ａ_ｈ）及び割り当てられた第２加速度値（ａ_ｖ）から成る加速度値対（Ｂ_Ｐ）を用意するために、各第１の加速度値（ａ_ｈ）へ割り当てるように、第２の方向（Ｖ）における前記コンパクターローラー（１０）の加速度を表現する第２の加速度値（ａ_ｖ）を求める措置：及び
   ｃ）少なくとも一つの振動周期について、この振動周期について求められた加速度値対（Ｂ_Ｐ）に基づいて、地面（Ｕ）の締固め状態を表現する締固め状態値（ＦＤＶＫ）を決定する措置；
   を有していることを特徴とする方法。
2. 前記措置ｃ）が、前記締固め状態値（ＦＤＶＫ）を、加速度値グラフにおいて、ある振動周期において連続する加速度値対（Ｂ_Ｐ）により形成された加速度値対曲線（Ｋ）により囲まれた面積（ＦＬ）の面積値として決定することを含んでおり、該加速度値グラフは、前記第１加速度値（ａ_ｈ）に割り当てられた第１のグラフ軸、及び、前記第２加速度値（ａ_ｖ）に割り当てられた第２のグラフ軸により定義されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の方向（Ｈ）が水平方向（Ｈ）にほぼ対応しており、また、前記第２の方向（Ｖ）が垂直方向（Ｖ）にほぼ対応していることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 前記措置ｃ）において、
   − 前記第１のグラフ軸に沿った加速度値対（Ｂ_Ｐ）の順番に基づいて加速度値対スイング（Ｓ）が定義され、このとき加速度値対（Ｂ_Ｐ）は、第１群（Ｇ_１）の加速度値対（Ｂ_Ｐ）の加速度値対（Ｂ_Ｐ）がほぼ、加速度値対スイング（Ｓ）の上の頂点領域（Ｓ_Ｏ）を形成するように、及び、第２群（Ｇ_２）の加速度値対（Ｂ_Ｐ）の加速度値対（Ｂ_Ｐ）がほぼ、加速度値対スイング（Ｓ）の下の頂点領域（Ｓ_Ｕ）を形成するように、加速度値対（Ｂ_Ｐ）の第１群（Ｇ_１）及び加速度値対（Ｂ_Ｐ）の第２群（Ｇ_２）に割り当てられ、
   − 加速度値対（Ｂ_Ｐ）の前記第１群（Ｇ_１）に基づいて、上の包絡線（Ｅ_Ｏ）が求められ、加速度値対（Ｂ_Ｐ）の前記第２群（Ｇ_２）に基づいて下の包絡線（Ｅ_Ｕ）が求められ、
   − 前記面積値はほぼ、前記上の包絡線（Ｅ_Ｏ）と前記下の包絡線（Ｅ_Ｕ）との間に取り囲まれた面積（ＦＬ）として決定される、
   ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の方法。