JP2017211266A - 地盤・岩盤歪み計測装置及び地盤・岩盤歪み計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ボーリング孔を小径にすることができる地盤・岩盤歪み計測技術を提供する。【解決手段】図（ａ）に示すように、地盤５０にボーリングマシーンでボーリング孔５１を開ける。図（ｂ）に示すように、ボーリング孔５１に線状鋼材１１、歪み計２０及び電気配線１４を挿入する。図（ｄ）に示すように、張力を付与したままで、ボーリング孔５１へグラウト５５を充填する。そして、電気配線１４の基部を演算部１５に接続する。【効果】１本の線状鋼材に複数の歪み計を設けるが、電気配線は１本で済むため、電気配線でボーリング孔が塞がる心配はない。本発明により、ボーリング孔を小径にすることができる地盤・岩盤歪み計測装置が提供される。【選択図】図６

Description

本発明は、地盤や岩盤の内部に発生する歪みを計測する技術に関する。

防災の観点から、地盤や岩盤の異常を監視することは意義がある。監視装置として光ファイバーセンサが知られている（例えば、特許文献１（図４）参照）。

特許文献１の技術は、１本の光ファイバーで複数箇所の歪みを検出するものである。
しかし、光ファイバーセンサは、極めて高価である。その上、ファイバー内を進む光波の歪みを検出するため、検出精度は、１００μｍ程度に留まる。岩盤の僅かな歪みを検出するためには１０μｍ以下、好ましくは数μｍの検出が求められる。

加えて、光ファイバーは石英ガラスで構成されるため、僅かな表面傷でも光ファイバーの破断に繋がる。そして、表面にコンタミ（汚れ）が付着すると、光がコンタミに吸収され、通信損失が発生する。したがって、光ファイバーは、クリーンな環境では使用可能であるが、地盤内や岩盤内のような汚れ易い箇所には不向きである。

そこで、光ファイバーに代わる計測装置が各種提案されてきた（例えば、特許文献２（図１、図２）参照）。
特許文献２の図２に示されるように、測点（Ｓ１）（括弧付き数字は、特許文献２に記載された符号を示す。以下同様）に配置されるセンサ（１）から電気配線（５）が計測器（１０２）まで延ばされる。測点（Ｓ２）〜（Ｓ５）についても同様であり、この例では５本の電気配線（５）が計測器（１０２）まで延ばされる。

特許文献２の図１に示されるように、地盤層（５１）内に１本のガイド管（３１）を設け、このガイド管（３１）に測点（Ｓ１）〜（Ｓ５）を設定し、測点（Ｓ１）〜（Ｓ５）に各々センサを設ける。すると、合計５本の電気配線（５）がガイド管（３１）の内又は外に沿って延ばされる。

地盤によっては、計測対象深さが５０ｍに達し、０．５ｍ毎に２０個以上の測点を設けることが要求される。すると、２０本もの電気配線（５）をガイド管（３１）に沿って設ける必要がある。
仮に、電気配線（５）をガイド管（３１）に収納すると、ガイド管（３１）内が電気配線（５）で一杯になるため、ガイド管（３１）を極端に大径化する必要がある。
又は、電気配線（５）をガイド管（３１）の外に配置すると、ガイド管（３１）は小径で済むが、ガイド管（３１）を挿入するボーリング孔が電気配線（５）で一杯になるため、ボーリング孔を極端に大径化する必要がある。
何れにおいても、特許文献２の技術は、測点が多数になる場合は、採用が難しい。

防災対策が急がれる中、光ファイバーセンサに代わる歪み計を用いつつボーリング孔を小径にすることができる地盤・岩盤歪み計測装置が望まれる。

特開２０００−０４６５２８号公報 特開２００２−３６５０４８号公報

本発明は、光ファイバーセンサに代わる歪み計を用いつつボーリング孔を小径にすることができる地盤・岩盤歪み計測技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、地盤又は岩盤内部の歪みを計測する地盤・岩盤歪み計測装置であって、
前記地盤又は岩盤に開けたボーリング孔の深さに対応する長さの線状鋼材と、この線状鋼材に所定のピッチで取り付けた複数の歪み計と、これらの歪み計に電気的に接続し前記線状鋼材に沿って延ばされる１本の電気配線と、この電気配線の末端に接続され前記歪み計からの情報に基づいて歪みを演算する演算部とからなることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、歪み計は、線状鋼材に沿って延びるケースと、このケースの一端を線状鋼材に機械的に連結する第１クランプと、ケースの他端を線状鋼材に機械的に連結する第２クランプと、ケース内に配置され且つ第１クランプの近傍位置に固定される第１弦ホルダーと、ケース内に配置され且つ第２クランプの近傍位置に固定される第２弦ホルダーと、第１弦ホルダーと第２弦ホルダーに掛け渡された弦と、ケース内に配置されると共に電気配線の枝配線に接続され弦を自由振動させると共に自由振動に基づく交流電圧の周波数を検知するコイルとを備えていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、線状鋼材をボーリング孔の中心に保持するセンターリング部材を、線状鋼材に付設したことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、地盤又は岩盤内部の歪みを計測する地盤・岩盤歪み計測方法であって、
請求項１〜３のいずれか１項記載の地盤・岩盤歪み計測装置を準備する工程と、
前記地盤又は前記岩盤にボーリング孔を開ける工程と、
前記ボーリング孔に前記線状鋼材及び前記歪み計を挿入する工程と、
前記線状鋼材の先端をグラウトで前記地盤又は前記岩盤に定着する工程と、
定着後に、撓みが無くなるように前記線状鋼材に張力を付与する工程と、
張力を付与したままで、前記ボーリング孔へグラウトを充填する工程と、
前記複数の歪み計の一つを作動させ当該歪み計に基づき歪みを演算し、演算後に次の歪み計を作動させて歪みを演算する要領で、複数箇所の歪みを順次求める工程と、からなることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、１本の線状鋼材に複数の歪み計を設けるが、電気配線は１本で済むため、電気配線でボーリング孔が塞がる心配はない。
よって、本発明により、光ファイバーセンサに代わる歪み計を用いつつボーリング孔を小径にすることができる地盤・岩盤歪み計測装置が提供される。

請求項２に係る発明では、歪み計の要部はケースに収められている。ケースで保護されるため、ケース内の歪み計の要部が汚れたり傷んだりする心配がない。

請求項３に係る発明では、線状鋼材にセンターリング部材を付設したので、深いボーリング孔の中心近傍に線状鋼材を埋設することができる。

請求項４に係る発明は、地盤・岩盤歪み計測方法であって、ボーリング孔に線状鋼材及び複数の歪み計を挿入し、グラウトで固めるだけで、計測が可能となり、施工費用を大幅に下げることができる。

本発明に係る地盤・岩盤歪み計測装置の基本構成図である。 図１の２部拡大図である。 図２の３−３線断面図である。 図１の４−４矢視図である。 １本の電気配線の基本構成図である。 本発明に係る地盤・岩盤歪み計測方法を説明する図である。 複数箇所の歪みを順次求める工程を説明するフロー図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

図１に示すように、地盤・岩盤歪み計測装置１０は、線状鋼材１１と、この線状鋼材１１に所定ピッチで取り付けられ歪みを検知する複数の歪み計２０と、これらの歪み計２０に接続される枝配線１３を有し線状鋼材１１に沿って配索される１本の電気配線１４と、この電気配線１４の末端に接続され歪み計２０からの情報に基づいて歪みを演算する演算部１５とからなる。好ましくは、歪み計２０を挟むようにしてセンターリング部材４０、４０を線状鋼材１１に付設する。

線状鋼材１１は、複数本の鋼線を撚って作製した鋼ケーブルが好適であるが、鋼棒又は同等品であってもよい。線状鋼材１１の長さは、例えば４５ｍで、取り付けられる歪み計２０の総数は２０であるが、説明を簡便にするために、本例では歪み計２０の総数を５とした。

図２に示すように、歪み計２０は、線状鋼材１１に沿って延びるケース２１と、このケース２１の一端を線状鋼材１１に機械的に連結する第１クランプ２２と、ケース２１の他端を線状鋼材１１に機械的に連結する第２クランプ２３と、ケース２１内に配置され且つ第１クランプ２２の近傍位置に固定される第１弦ホルダー２４と、ケース２１内に配置され且つ第２クランプ２３の近傍位置に固定される第２弦ホルダー２５と、第１弦ホルダー２４と第２弦ホルダー２５に掛け渡された弦２６と、ケース２１内に配置されると共に電気配線１４の枝配線１３に接続され弦２６を自由振動させると共に自由振動に基づく交流電圧の周波数を検知するコイル２７とを備えている。弦２６及びコイル２７はケース２１で保護されているため、土砂などで汚れる心配はない。

弦２６はピアノ線が好適である。第１クランプ２２と第２クランプ２３の間隔Ｌ１を広げて、弦２６にテンションを掛けておく。コイル２７は弦２６の中央に配置する。コイル２７にパルス電流を流して弦２６を一度引きつける。その後、通電を止める。すると、弦２６は自由振動を開始する。弦２６とコイル２７の間隔が広くなったり狭くなったりするため、コイル２７に電磁誘導による交流電圧が発生する。この交流電圧の周波数と弦２６の振動数が同じになる。

外力により、線状鋼材１１が局部的に延ばされ、第１クランプ２２と第２クランプ２３の間隔Ｌ２が僅かに広がると、ケース２１が長手方向に僅かに延ばされ、第１クランプ２２と第２クランプ２３の間隔Ｌ１が僅かに広がる。すると、弦２６のテンションが高まる。この後に、弦２６を自由振動させると、振動数が高まる。逆に、間隔Ｌ１が僅かに狭くなると、振動数が低くなる。振動数の変化から歪み量を演算することができる。歪みの計測精度は１．０μｍ程度である。

図３に示すように、第１クランプ２２は、ケース２１に固定した金属製のクランプ片３１と、このクランプ片３１にボルト３２、３２で締結されるキャップ３３とからなる。クランプ片３１に半円溝３１ａが形成されている。キャップ３３にも半円溝３３ａが形成されている。半円溝３１ａ、３３ａの半径は、線状鋼材１１の半径に対応している。
なお、線状鋼材１１は、エポキシ樹脂などによる被覆３６を被せる。被覆３６で線状鋼材１１の発錆や腐食を防止することができる。その上、被覆３６はグラウトとの接着性がよいので、グラウトに対して線状鋼材１１が滑ることを防止する役割を果たす。

線状鋼材１１にクランプ片３１を当て、キャップ３３を被せると、クランプ片３１とキャップ３３との間に隙間３５が開くように、クランプ片３１とキャップ３３の形状が決定されている。
ボルト３２、３２を締めると、隙間３５が小さくなり、半円溝３１ａ、３３ａが線状鋼材１１の外周面に強く当たる。接触面の摩擦係数μとボルト３２、３２の締め付け力Ｆとの積（μＦ）が摩擦力となる。図２において、摩擦力で線状鋼材１１と第１クランプ２２が一体的に移動する。
第２クランプ２３についても同様である。

図４に示すように、センターリング部材４０は、想像線で示すボーリング孔５１より小径の第１半割円板４１及び第２半割円板４２と、これらを連結する締結ボルト４３、４３とからなる。
第１半割円板４１及び第２半割円板４２とボーリング孔５１との間４４からモルタル（グラウト）を流す込むことができる。このときに、モルタルの圧力で線状鋼材１１がボーリング孔５１の中心から大きくオフセットする心配があるが、センターリング部材４０のセンターリング作用により、その心配は無くなり、線状鋼材１１はほぼポーリング孔５１の中心に保たれる。

好ましくは、第１半割円板４１に電気配線１４を嵌めるＵ溝４５を設ける。
締結ボルト４３、４３を締めることで、線状鋼材１１の任意の位置にセンターリング部材４０を固定することができる。
なお、センターリング部材４０は、円板の他、球体、十文字板など任意の形状にすることができる。

１本の電気配線１４の基本構成を図５で説明する。
図５に示すように、電気配線１４は、例えば３芯配線である。第１芯線４６と第２芯線４７から１番コイル２７Ａ（Ａは１番を示す添え字である。）に枝配線１３が延びている。この枝配線１３に第１スイッチ部４８Ａが設けられる。
同様に、第１芯線４６と第２芯線４７から２番〜５番コイル２７Ｂ〜２７Ｅに枝配線１３が延び、第２〜第５スイッチ部４８Ｂ〜４８Ｅが設けられる。
第３芯線４９は、信号線であり、第１〜第５スイッチ部４８Ｂ〜４８Ｅのうちの一つを選択的に接続状態にする。
よって、電気配線１４で、コイル２７Ａ〜２７Ｅの一つにパルス電流を通電し、その後にコイル２７に発生する交流電流を取り出すことができる。すなわち、２０個ものコイル２７を１本の電気配線１４でカバーすることができる。

次に、本発明の地盤・岩盤歪み計測方法を説明する。
先ず、図１に示す地盤・岩盤歪み計測装置１０を準備する。
次に、図６（ａ）に示すように、地盤５０にボーリングマシーンでボーリング孔５１を開ける。地盤５０は、岩盤、ダム堤体、コンクリート駆体、コンクリート構造物の何れであってもよい。

図６（ｂ）に示すように、ボーリング孔５１に１本の線状鋼材１１、複数の歪み計２０及び１本の電気配線１４を挿入する。ただし、線状鋼材１１の基部及び電気配線１４の基部は孔口５３から外へ延ばしておく。なお、図面を簡単にするために、以下、センターリング部材（図１、符号４０）は省略する。
挿入後に、線状鋼材１１の先端をグラウト５２で地盤５０に定着する。

図６（ｃ）に示すように、定着後に、撓みが無くなるように線状鋼材１１に張力を付与する。例えば、孔口５３に板５３を被せ、線状鋼材１１の基部にナット５４をねじ込み、これを締める。線状鋼材１１は先端がグラウト５２で定着されているため、ナット５４が締まるに連れて線状鋼材１１のテンション（張力）は高まる。

図６（ｄ）に示すように、張力を付与したままで、ボーリング孔５１へグラウト５５を充填する。そして、電気配線１４の基部を演算部１５に接続する。演算部１５により、最初の弦長を測定する。
演算部１５で実施する演算工程、すなわち、複数箇所の歪みを順次求める工程を図７に基づいて説明する。

図７のステップ（以下、ＳＴと記す。）０１で、計測指令が発せられる。具体的には、１時間毎や１日毎などに演算部１５内で計測指令が発せられる。
すると、ＳＴ０２で、ｎに「１」が代入される。
ＳＴ０３で、演算部は１番コイルに通電する。１０ｍｓ程度通電すると、弦がコイルに引き寄せられる。この時点で通電を停止する（ＳＴ０４）。この停止により弦が自由振動を開始する。
ＳＴ０５で１番コイルに発生する交流電圧を計測する。演算部は交流電圧の周波数から弦長（図２、Ｌ１）を演算する（ＳＴ０６）。

演算部は、（最初の弦長−計測した弦長）／最初の弦長の計算式により、歪みΔε１を計算する（ＳＴ０７）。
演算部は、Δε１が正常値（許容値、管理値又はしきい値であってもよい。）を超えているか否かを判定する（ＳＴ０８）。超えていれば異常（地盤内部の歪みが大きくなった）であるから、警報を発する（ＳＴ０９）。

ＳＴ０８で否であれば、正常と判断する。ＳＴ１０でｎがコイルの総数（この例では５個）と同じあるか否かを調べる。ｎが１であればＳＴ１０は否となる。
ＳＴ１１で、ｎにｎ＋１を代入する。今はｎが１であったので、ｎは（１＋１）＝２となり、２に代わる。ＳＴ０３に戻り、２番コイルについてＳＴ０３〜ＳＴ１１を実施する。次に、３番コイルについてＳＴ０３〜ＳＴ１１を実施し、次に、４番コイルについてＳＴ０３〜ＳＴ１１を実施し、次に、５番コイルについてＳＴ０３〜ＳＴ１０を実施する。
５番コイルでの演算、評価が終わるとＳＴ１０がｙｅｓとなり、このフローを終了する。

歪み計２０の総数が５であれば、５×１０ｍｓの２倍に当たる１００ｍｓ（０．１秒）程度で一巡の演算が完了する。これを１時間１回又は１日１回実施する。

尚、本発明の地盤・岩盤歪み計測技術は、地盤や岩盤は無論のこと、ダム堤体やその他のコンクリート構造物に広く適用できる。
すなわち、ダム堤体にボーリング孔を開け、このボーリング孔に線状鋼材と電気配線と歪み計を挿入し、グラウトで固めることで、ダム堤体の内部歪みを計測することができる。

コンクリート製の建築駆体にボーリング孔を開け、このボーリング孔に線状鋼材と電気配線と歪み計を挿入し、グラウトで固めることで、建築駆体の内部歪みを計測することができる。

従来の技術では１００μｍ程度の検出精度であったものが、本発明の地盤・岩盤歪み計測技術によれば、１μｍの歪み変位を計測できるため、従来の技術では検出できない、ごく初期の異常を検出することができる。
繰り返し地震を受けた地盤・岩盤・コンクリート駆体であれば、歪みの履歴、蓄積を詳細に計測することができ、地震後の対策がより効果的に打ち出すことができる。

尚、請求項１での歪み計は、振動弦方式に限定するものではない。すなわち、弦とコイルの代わりに、歪みに応じて電気信号を発生する圧電素子、歪みゲージ、その他の同等品であってもよい。

本発明は、地盤や岩盤の歪みを計測する計測装置に好適である。

１０…地盤・岩盤歪み計測装置、１１…線状鋼材、１３…枝配線、１４…電気配線、１５…演算部、２０…歪み計、２１…ケース、２２…第１クランプ、２３…第２クランプ、２４…第１弦ホルダー、２５…第２弦ホルダー、２６…弦、２７…コイル、４０…センターリング部材、５０…地盤、５１…ボーリング孔、５２、５５…グラウト。

Claims (4)

1. 地盤又は岩盤内部の歪みを計測する地盤・岩盤歪み計測装置であって、
   前記地盤又は岩盤に開けたボーリング孔の深さに対応する長さの線状鋼材と、この線状鋼材に所定のピッチで取り付けた複数の歪み計と、これらの歪み計に電気的に接続し前記線状鋼材に沿って延ばされる１本の電気配線と、この電気配線の末端に接続され前記歪み計からの情報に基づいて歪みを演算する演算部とからなることを特徴とする地盤・岩盤歪み計測装置。
2. 前記歪み計は、前記線状鋼材に沿って延びるケースと、このケースの一端を前記線状鋼材に機械的に連結する第１クランプと、ケースの他端を前記線状鋼材に機械的に連結する第２クランプと、前記ケース内に配置され且つ前記第１クランプの近傍位置に固定される第１弦ホルダーと、前記ケース内に配置され且つ前記第２クランプの近傍位置に固定される第２弦ホルダーと、前記第１弦ホルダーと前記第２弦ホルダーに掛け渡された弦と、前記ケース内に配置されると共に前記電気配線の枝配線に接続され前記弦を自由振動させると共に前記自由振動に基づく交流電圧の周波数を検知するコイルとを備えていることを特徴とする請求項１記載の地盤・岩盤歪み計測装置。
3. 前記線状鋼材を前記ボーリング孔の中心に保持するセンターリング部材を、前記線状鋼材に付設したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地盤・岩盤歪み計測装置。
4. 地盤又は岩盤内部の歪みを計測する地盤・岩盤歪み計測方法であって、
   請求項１〜３のいずれか１項記載の地盤・岩盤歪み計測装置を準備する工程と、
   前記地盤又は前記岩盤にボーリング孔を開ける工程と、
   前記ボーリング孔に前記線状鋼材及び前記歪み計を挿入する工程と、
   前記線状鋼材の先端をグラウトで前記地盤又は前記岩盤に定着する工程と、
   定着後に、撓みが無くなるように前記線状鋼材に張力を付与する工程と、
   張力を付与したままで、前記ボーリング孔へグラウトを充填する工程と、
   前記複数の歪み計の一つを作動させ当該歪み計に基づき歪みを演算し、演算後に次の歪み計を作動させて歪みを演算する要領で、複数箇所の歪みを順次求める工程と、からなることを特徴とする地盤・岩盤歪み計測方法。

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