JP2021076493A - 測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】計測器と増幅器とを接続する通信ケーブルを短くすることが可能な測定システムを提供する。【解決手段】地盤Ｇに打ち込まれる杭Ｐを打撃した際の状態を計測する急速載荷試験システム１である。そして、複数の計測器（１１Ａ−１１Ｅ）と、杭Ｐに緩衝機構５を介して吊り下げられるコントローラ２と、計測器とコントローラとを接続する通信ケーブル１４とを備えている。また、コントローラは、通信ケーブルが接続される複数の増幅器と、演算処理部と、記憶部と、無線通信手段とを有している。【選択図】図１

Description

本発明は、地盤に打ち込まれる構造体を打撃した際の状態を計測する測定システムに関するものである。

自由落下させた重錘や油圧ハンマなどで杭頭を打撃した際の載荷荷重と杭の変位量とを計測することで、杭の支持力を測定する急速載荷試験などの杭の載荷試験方法が知られている（特許文献１，２など参照）。

急速載荷試験では、杭頭に荷重計となるロードセルを設置し、その上にゴムなどの緩衝材を載置して重錘やハンマなどで打撃する。重錘などによる打撃によって杭頭に作用する荷重の大きさは、ロードセルから出力された出力値が通信ケーブルを通ってロードセル用のアンプ（増幅器）に送られ、さらに通信ケーブルを介してパソコンに送られることでモニタに作用荷重として表示される。このような構成とするには、アンプやアナログ／デジタル変換器やパソコンなどの精密機器は、杭の打撃による影響を受けない位置に設置しておく必要があるため、杭から20m以上離れた場所に設置されることになる。

特許第６５２８０３７号公報 特許第４６７５７５６号公報

しかしながら、通信ケーブルが長くなると、ノイズの影響を受けやすくなる上に、長い通信ケーブルが現場を錯綜することになり、作業効率を低下させたり、通信ケーブルが誤って切断されたりするおそれがある。

これに対して本発明は、計測器と増幅器とを接続する通信ケーブルを短くすることが可能な測定システムを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の測定システムは、地盤に打ち込まれる構造体を打撃した際の状態を計測する測定システムであって、複数の計測器と、前記構造体に緩衝機構を介して吊り下げられるコントローラと、前記計測器と前記コントローラとを接続する通信ケーブルとを備え、前記コントローラは、前記通信ケーブルが接続される複数の増幅器と、演算処理部と、記憶部と、無線通信手段とを有していることを特徴とする。

ここで、前記構造体は杭であって、前記計測器のうちの２つは、前記杭の杭頭に設置されるロードセルと、前記杭の周面に取り付けられる加速度センサである構成とすることができる。さらに、前記計測器として、前記杭の変位量を計測する変位計を備えていることが好ましい。

また、前記計測器の１つが箱体に収容された状態で前記構造体に取り付けられていて、前記緩衝機構として略平行に配置されるコイルばね及びダンパの上端が前記箱体に固定されるとともに、前記コイルばね及びダンパの下端が前記コントローラに固定される構成とすることができる。

このように構成された本発明の測定システムでは、複数の計測器が、構造体に緩衝機構を介して吊り下げられるコントローラに通信ケーブルによって接続される。このコントローラは、複数の増幅器と、無線通信手段とを有している。

この結果、増幅器を計測器の近くに配置することができるようになり、計測器と増幅器とを接続する通信ケーブルを短くすることが可能になる。通信ケーブルを短くできれば、ノイズの影響を抑えることができる上に、作業効率を向上させることができる。

本発明の実施の形態の急速載荷試験システムの概略の全体構成を示した説明図である。 本発明の実施の形態の急速載荷試験システムの全体構成を説明するブロック図である。 コントローラが緩衝機構を介して吊り下げられた状態を示した説明図である。 急速載荷試験システムによって記録される測定データを説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の測定システムとなる急速載荷試験システム１の全体構成を示した説明図である。また、図２は、急速載荷試験システム１の全体構成を説明するブロック図である。

本実施の形態では、この急速載荷試験システム１を使って、地盤Ｇに打ち込まれる構造体としての杭Ｐを打撃した際の状態を計測する。
本実施の形態では、杭Ｐの杭頭Ｐ１を、自由落下させた重錘Ｗや油圧ハンマなどで打撃する場合について説明する。このような杭頭Ｐ１の打撃は、杭Ｐの打ち込み時のほか、急速載荷試験時、衝撃載荷試験時などに行われる。

急速載荷試験は、静的載荷試験と衝撃載荷試験の欠点を解消するために考案された杭Ｐの試験方法で、この方法によれば載荷時間を衝撃載荷試験の約１０倍に当たる0.05〜0.2秒程度にすることで弾性波動の伝播による影響をなくし、静的載荷試験に近い信頼性の高い試験結果を得ることができる。

急速載荷試験では、杭頭Ｐ１に計測器となるロードセル１１Ｂを介してゴムなどの緩衝材Ｄを載置し、その上に重錘Ｗを自由落下させて杭Ｐを打撃する。このように緩衝材Ｄを重錘Ｗと杭頭Ｐ１との間に介在させることによって、載荷時間を長くすることができる。例えば油圧式のロードセル１１Ｂによって、この緩衝材Ｄを介した杭頭Ｐ１の衝撃荷重が測定される。

一方、杭Ｐの上下方向（鉛直方向）の変位量を、計測器であるレーザ変位計１１Ｃ（変位計）で計測する。このレーザ変位計１１Ｃは、杭Ｐから離隔して設置される緩衝支持台１２の杭Ｐ側に張り出された先端に取り付けられる。この位置は、杭Ｐを打撃した際に発生する振動が地盤Ｇを介して伝搬する位置であるため、緩衝機構を備えた緩衝支持台１２にレーザ変位計１１Ｃは取り付けられる。

レーザ変位計１１Ｃは、例えばレーザ光が下方に向けて照射されるように取り付けられる。これに対して杭Ｐのレーザ変位計１１Ｃ側の周面Ｐ２には、レーザ変位計１１Ｃの反射板１３が取り付けられる。この反射板１３は、周面Ｐ２に対して略直交する方向に張り出される。

レーザ変位計１１Ｃは、反射板１３よりも上方に配置され、下方の反射板１３に向けてレーザ光が照射される。反射板１３で反射されたレーザ光は、レーザ変位計１１Ｃの受光レンズ（図示省略）に入射される。

レーザ変位計１１Ｃは、三角測量を応用した三角測距方式によって変位量を計測する。上述したようにレーザ変位計１１Ｃを設置した場合は、反射板１３の上下方向（鉛直方向）の変位量を計測することができる。そして、この反射板１３の上下方向の変位量は、反射板１３が取り付けられた杭Ｐの変位量とすることができる。

さらに、杭Ｐの周面Ｐ２には、計測器として加速度センサ１１Ａが取り付けられる。この加速度センサ１１Ａには、例えば３軸方向の加速度が検出できる３軸加速度センサを使用することことができる。打撃によって杭Ｐが動き出すと、この加速度センサ１１Ａによって打ち込み加速度が検出される。また、検出された加速度を２回積分することによって、杭Ｐの変位量とすることもできる。

さらに、杭Ｐの周面Ｐ２には、計測器として杭体内歪計１１Ｄを取りけることができる。杭体内歪計１１Ｄは、杭頭Ｐ１付近の周面Ｐ２に取り付けられ、打撃によって杭Ｐに発生する弾性変位の計測に使用される。

その他にも、様々なセンサ１１Ｅを計測器として杭Ｐに取り付けることができる。例えば間隙水圧計や加速度計や応力計などを、地盤Ｇに埋め込まれる杭Ｐの周面Ｐ２に取り付けることができる。

本実施の形態の急速載荷試験システム１は、これらの複数の計測器によって検出された測定値を、ノイズの影響を極力抑えた状態で収集することができる。そして、収集された測定値は、杭Ｐから離隔した位置に配置されて、無線によって接続されるパーソナルコンピュータであるノートパソコン４によって解析される。

要するに、本実施の形態の急速載荷試験システム１は、複数の計測器（１１Ａ−１１Ｅ）と、杭Ｐに緩衝機構５を介して吊り下げられるコントローラ２と、計測器（１１Ａ−１１Ｅ）とコントローラ２とを接続する通信ケーブル１４と、ノートパソコン４とによって主に構成される。

コントローラ２は、図２に示すように、通信ケーブル１４が接続される複数の増幅器（３Ａ−３Ｅ）と、増幅器にそれぞれ接続される複数のアナログ／デジタル変換器（３１Ａ−３１Ｅ）と、演算処理部となるマイコン２１と、モニタ２２と、記憶部２３と、時計ユニット２４と、無線通信手段となる無線通信ユニット２５と、バッテリ２６とを備えている。

増幅器には、加速度センサ１１Ａが接続されるアンプ３Ａ、ロードセル１１Ｂが接続されるロードセルアンプ３Ｂ、レーザ変位計１１Ｃが接続されるアンプ３Ｃ、杭体内歪計１１Ｄが接続される歪ゲージアンプ３Ｄ、その他のセンサ１１Ｅ用のアンプ３Ｅなどがある。要するに、複数の計測器（１１Ａ−１１Ｅ）が接続可能な複数チャンネルとなっている。

そして、各種計測器（１１Ａ−１１Ｅ）によって検出された検出値は、増幅器（３Ａ−３Ｅ）によって増幅されるとともに、アナログ／デジタル変換器であるＡ／Ｄ変換器３１Ａ−３１Ｅでアナログデータからデジタルデータに変換される。ここで、説明として分かりやすくするために、増幅器とＡ／Ｄ変換器とを別のブロックで記載したが、各種計測器（１１Ａ−１１Ｅ）によって検出された検出値が増幅器（３Ａ−３Ｅ）によって増幅されるとともに、Ａ／Ｄ変換器３１Ａ−３１Ｅで同時にアナログデータからデジタルデータに変換される構成とすることもできる。

Ａ／Ｄ変換器３１Ａ−３１Ｅを通過した後のデータは、マイクロコンピュータであるマイコン２１に送られて、計測器（１１Ａ−１１Ｅ）の測定値として扱われることになる。

コントローラ２に設けられるモニタ２２には、例えばタッチパネル式の液晶画面が使用できる。モニタ２２には、各種操作用のタッチボタン、計測器によって測定された測定結果となる数値やグラフ、各種モードやステータスを示す表示部などを必要に応じて設けることができる。

また、記憶部２３としては、ＳＤメモリーカードやＵＳＢメモリなどのフラッシュメモリや超小型のハードディスなどが使用できる。さらに、コントローラ２には、計測時刻などを記録させるための時計ユニット２４が搭載される。そして、コントローラ２の各構成要素は、搭載されたバッテリ２６によって動作する。このバッテリ２６には、例えば充電式のニッケル水素バッテリが使用できる。

無線通信ユニット２５を送受信機とする無線通信手段としては、無線ＬＡＮ（Ｗｉ−Ｆｉ（登録商標））や赤外線通信などが使用できる。また、数mから数十m程度の距離の情報機器間で、電波を使って情報をやり取りさせる近距離無線通信なども使用できる。例えば、Bluetooth（登録商標）やZigBee（登録商標）などの近距離無線通信規格の無線通信が利用できる。

このように構成されるコントローラ２は、重錘Ｗによって打撃される杭Ｐに取り付けられる。このため、打撃の際の衝撃力やその後に続く振動からコントローラ２を保護するために、緩衝機構５を介して取り付けられる。

図３は、コントローラ２が緩衝機構５を介して吊り下げられた状態を例示した説明図である。この例では、コントローラ２は、加速度センサ１１Ａが収容された箱体１５に吊り下げられる。

この箱体１５は、上縁や側縁などに設けられたフランジ状の固定部１５１にドリルねじをねじ込むなどして杭Ｐの周面Ｐ２に固定される。そして、緩衝機構５は、例えば略平行に配置されるコイルばね５１，５１とダンパ５２とによって構成することができる。

コイルばね５１，５１は、主に衝撃力などの振動周波数の高い成分を緩和させるために配置される。一方、油圧シリンダなどによって構成されるダンパ５２は、振動周波数の低い成分を低減させるために配置される。

すなわち、重錘Ｗ等で杭頭Ｐ１を打撃すると、杭Ｐは高い周波数領域の動きをするが、コイルばね５１，５１とダンパ５２とによって懸架されたコントローラ２は慣性力によって元の位置に止まろうとし、動く場合でも高い周波数領域の動きには追従せずに低い周波数の周期（１／数秒）で振動する。そして、この低い周波数の周期の振動も、ダンパ５２によって制限されることになる。

詳細には、コイルばね５１の上端５１１とダンパ５２の上端５２１とを箱体１５の下部に固定し、コイルばね５１の下端５１２とダンパ５２の下端５２２とをコントローラ２を収容するケース２０の上部に固定する。

これらのケース２０、加速度センサ１１Ａが収容される箱体１５、緩衝機構５のダンパ５２、通信ケーブル１４及び接続用の端子部などは、雨や泥や土ぼこりなどにさらされても故障しないように、防水及び防塵機能を備えている。また、ロードセル１１Ｂ、レーザ変位計１１Ｃ、杭体内歪計１１Ｄ、センサ１１Ｅなども、防水及び防塵機能を有するものが使用される。

このようにしてコントローラ２を杭Ｐに隣接して配置できると、短い通信ケーブル１４によって計測器（１１Ａ−１１Ｅ）とコントローラ２とを接続することができる。また、コントローラ２からは、無線通信ユニット２５によって、杭Ｐから離れた場所にあるノートパソコン４に測定データを送ることができる。

次に、本実施の形態の急速載荷試験システム１を使った測定方法を、図１−図４を参照しながら説明する。
まず、急速載荷試験を行う杭Ｐに対して、必要に応じて周面Ｐ２に杭体内歪計１１Ｄやセンサ１１Ｅを取り付ける。杭体内歪計１１Ｄやセンサ１１Ｅは、急速載荷試験の必須測定項目ではないため、測定を行いたい場合にだけ設置すればよい。

また、杭Ｐの周面Ｐ２には、反射板１３を取り付ける。そして、その反射板１３の上方に配置されるように、レーザ変位計１１Ｃを緩衝支持台１２に取り付ける。一方、杭頭Ｐ１には、ロードセル１１Ｂを設置する。また、そのロードセル１１Ｂの上には、緩衝材Ｄを載せる。

そして、加速度センサ１１Ａが収容された箱体１５を、固定部１５１を使って杭Ｐの周面Ｐ２に固定する。固定された箱体１５の下部には、緩衝機構５によって吊り下げられたコントローラ２を取り付ける。

このような配置関係であれば、各種計測器（１１Ａ−１１Ｅ）とコントローラ２との距離が近くなるので、短い通信ケーブル１４によって接続を行うことができる。コントローラ２の無線通信ユニット２５によって無線通信が行える範囲内には、試験の制御及び解析用のノートパソコン４を設置する。

測定の開始は、ノートパソコン４からスタート信号を無線でコントローラ２の無線通信ユニット２５に送信することで行われる。このスタート信号を受けたコントローラ２では、測定を開始して、接続された加速度センサ１１Ａとロードセル１１Ｂからのアナログ信号を、内蔵のアンプ３Ａ及びロードセルアンプ３Ｂ並びにＡ／Ｄ変換器３１Ａ，３１Ｂを通してデジタルデータとして取り込ませる。

このようにして収集される測定値は、マイコン２１のメモリに書き込みが続けられ、メモリ容量の上限に達したときに、データはゼロアドレスから再び上書きされる。すなわち、リングメモリ（リングバッファ）となっている。

そして、重錘Ｗが落とされた衝撃を受けて、加速度センサ１１Ａの信号がトリガーレベルとなる上限を超えた時に、現在書き込んでいるメモリのアドレスをスタートアドレスとして記憶し、そこから決められた測定データ数のアドレスまでを測定データとして記憶部２３に書き出すことで測定が終了する。

この詳細について、図４を参照しながら説明する。図４には、ロードセル１１Ｂからの信号波形と、加速度センサ１１Ａからの信号波形とが並べて示されている。本実施の形態で説明する急速載荷試験では、ロードセル１１Ｂで測定される打撃荷重と、加速度センサ１１Ａによって測定される杭頭加速度から、杭Ｐの耐荷重を算出する。

まず、上記したスタート信号によって測定が開始されると、２つの信号波形は次々とメモリに書き込まれて待機状態になる。
このように測定データがリングメモリによって記録されている状態のときに、重錘Ｗによって杭頭Ｐ１が打撃されると、ロードセル１１Ｂの信号波形には、山となる箇所が発生することになる。

また、加速度センサ１１Ａの信号波形にも、起伏が発生することになる。そして、予め設定しておいたトリガーレベルを加速度センサ１１Ａの測定値が最初に超えたときに、そのアドレスをスタートアドレスとして記憶し、それ以前の測定データとそれ以後の測定データとを記憶部２３に記録させる。

さらに、記憶部２３に記録される測定データは、無線通信ユニット２５によってノートパソコン４に無線送信される。記憶部２３及び無線送信させる測定データについては、マイコン２１のメモリに記憶されたアドレスと時間が特定されている。ここで、スタートアドレスを起点にして記憶させる前後の測定データ数は、予め設定されている。

このようにして得られるスタートアドレス前後の測定データは、急速載荷試験の測定結果としてノートパソコン４に転送される。そして、転送された測定データは、ノートパソコン４のモニタに波形表示され、急速載荷試験結果となるように解析処理される。

次に、本実施の形態の急速載荷試験システム１の作用について説明する。
このように構成された本実施の形態の急速載荷試験システム１は、複数の計測器（１１Ａ−１１Ｅ）が、杭Ｐに緩衝機構５を介して吊り下げられるコントローラ２に通信ケーブル１４によって接続される。このコントローラ２は、複数の増幅器（３Ａ−３Ｅ）と、それらに接続されるＡ／Ｄ変換器３１Ａ−３１Ｅと、無線通信ユニット２５とを有している。

この結果、増幅器（３Ａ−３Ｅ）を計測器（１１Ａ−１１Ｅ）の近くに配置することができるようになり、計測器（１１Ａ−１１Ｅ）と増幅器（３Ａ−３Ｅ）とを接続する通信ケーブル１４を短くすることが可能になる。通信ケーブル１４を短くできれば、ノイズの影響を抑えることができる。さらに、長いケーブルを取り回しながらの接続作業を行わなくてもよくなるので、作業効率を向上させることができる。

また、コントローラ２は、記憶部２３と無線通信ユニット２５との両方を備えているので、測定データをリアルタイムでノートパソコン４のモニタによって確認することができる。さらに、通信状態が悪くて無線通信ユニット２５とノートパソコン４との間で正常なデータの送受信が行われなかったとしても、記憶部２３に記録された測定データを取り出すことで、データの欠損を防ぐことができる。

以上、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は、この実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。
例えば、前記実施の形態では、構造体が杭Ｐである場合において急速載荷試験に使用する例について説明したが、これに限定されるものではなく、鋼矢板や支柱が構造体であっても本発明の測定システムを適用することができる。

また、前記実施の形態では、レーザ変位計１１Ｃも計測器としてコントローラ２に接続させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、変位計は別系統の計測装置とすることもできる。

１ ：急速載荷試験システム（測定システム）
１１Ａ ：加速度センサ（計測器）
１１Ｂ ：ロードセル（計測器）
１１Ｃ ：レーザ変位計（計測器）
１１Ｄ ：杭体内歪計（計測器）
１１Ｅ ：センサ（計測器）
１４ ：通信ケーブル
１５ ：箱体
２ ：コントローラ
２１ ：マイコン（演算処理部）
２３ ：記憶部
２５ ：無線通信ユニット（無線通信手段）
３Ａ，３Ｃ，３Ｅ：アンプ（増幅器）
３Ｂ ：ロードセルアンプ（増幅器）
３Ｄ ：歪ゲージアンプ（増幅器）
３１Ａ−３１Ｅ ：Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）
５ ：緩衝機構
５１ ：コイルばね
５１１ ：上端
５１２ ：下端
５２ ：ダンパ
５２１ ：上端
５２２ ：下端
Ｇ ：地盤
Ｐ ：杭（構造体）
Ｐ１ ：杭頭
Ｐ２ ：周面

Claims (4)

1. 地盤に打ち込まれる構造体を打撃した際の状態を計測する測定システムであって、
   複数の計測器と、
   前記構造体に緩衝機構を介して吊り下げられるコントローラと、
   前記計測器と前記コントローラとを接続する通信ケーブルとを備え、
   前記コントローラは、前記通信ケーブルが接続される複数の増幅器と、演算処理部と、記憶部と、無線通信手段とを有していることを特徴とする測定システム。
2. 前記構造体は杭であって、前記計測器のうちの２つは、前記杭の杭頭に設置されるロードセルと、前記杭の周面に取り付けられる加速度センサであることを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
3. 前記計測器として、前記杭の変位量を計測する変位計を備えていることを特徴とする請求項２に記載の測定システム。
4. 前記計測器の１つが箱体に収容された状態で前記構造体に取り付けられていて、
   前記緩衝機構として略平行に配置されるコイルばね及びダンパの上端が前記箱体に固定されるとともに、前記コイルばね及びダンパの下端が前記コントローラに固定されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の測定システム。

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