JP2023100326A - 着底判定システムおよび着底判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシングパイプを着底させたい着底層を確実に判定できる着底判定システムおよび着底判定方法を提供する。
【解決手段】着底判定システムは、バイブロハンマの振動により海底の軟弱層に貫入されるケーシングパイプが、軟弱層の下層の支持地盤である着底層に着底したことを判定する着底判定システムであって、バイブロハンマを支持する支柱に取り付けられ、バイブロハンマから伝達される振動を検出するセンサと、ケーシングパイプの海底への貫入中にセンサにより検出される振動の周波数特性を繰り返し算出し、算出した周波数特性がバイブロハンマの固有の第１のピーク周波数に加えて、固有のピーク周波数より高い第２のピーク周波数を含むことを検出した場合、ケーシングパイプの先端の着底層への到達を判定する判定部とを有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、着底判定システムおよび着底判定方法に関する。

バイブロハンマによりケーシングパイプに振動を与えて地盤に貫入し、ケーシングパイプを引き戻しながら砂を投入し、投入した砂を締め固めるサンドコンパクションパイル工法が知られている（例えば、特許文献１参照）。オーガロッドの地盤への貫入時の振動データをフーリエ変換することで得られるスペクトラムデータの周波数帯域毎の最大値を平均化した平均値が大きく変化した場合に、支持地盤層があると判定する手法が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００７－３０９０９１号公報 特開２０００－１９２６１号公報

一般に、海底の軟弱層を締め固めた砂杭で置き換えるサンドコンパクションパイル工法では、バイブロハンマを操作するオペレータ等がケーシングパイプの先端位置の時間変化を示すオシログラフを読み取ることで、ケーシングパイプを着底させたい着底層への到達を判定している。例えば、オシログラフは、ケーシングパイプの移動量の時間変化に基づいて生成され、表示画面等に表示される。

ケーシングパイプを着底させたい着底層が土丹層または硬質な砂礫地盤などの場合には、オシログラフにより着底判定が可能であるが、自動では判定できないという問題がある。一方、例えば、着底層が、Ｎ値が"５"程度の洪積粘土層または礫混じり粘土層などで、軟弱層の貫入速度と区別が付きにくい場合、オシログラフによる着底判定が難しい場合がある。

さらに、バイブロハンマを動作させる電動機の負荷電流値またはケーシングパイプの吊り荷重値をモニタリングすることで、着底判定を実施する場合、負荷電流値または荷重値は、ケーシングパイプの周面の摩擦の影響および機械設備の仕様に依存して変化する。このため、着底判定の判定基準を海底の地盤の状況および機械設備の仕様により調整する必要があり、着底判定を確実に実施することが難しい。

上記の課題に鑑み、本発明は、海底の地盤の状況および機械設備の仕様に依存せず、ケーシングパイプを着底させたい着底層を確実に判定できる着底判定システムおよび着底判定方法を提供することを目的とする。

一つの観点によれば、着底判定システムは、バイブロハンマの振動により海底の軟弱層に貫入されるケーシングパイプが、前記軟弱層の下層の支持地盤である着底層に着底したことを判定する着底判定システムであって、前記バイブロハンマを支持する支柱に取り付けられ、前記バイブロハンマから伝達される振動を検出するセンサと、前記ケーシングパイプの海底への貫入中に前記センサにより検出される振動の周波数特性を繰り返し算出し、算出した周波数特性が前記バイブロハンマの固有の第１のピーク周波数に加えて、前記固有のピーク周波数より高い第２のピーク周波数を含むことを検出した場合、前記ケーシングパイプの先端の前記着底層への到達を判定する判定部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、海底の地盤の状況および機械設備の仕様に依存せず、ケーシングパイプを着底させたい着底層を確実に判定できる着底判定システムおよび着底判定方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態における着底判定システムが搭載されるサンドコンパクション船の一例を示す図である。 図１の着底判定システムにおける計測装置のハードウェアの概要を示す図である。 図２の着底判定システムの動作の一例を示すフロー図である。 図２の制御装置が表示画面に表示する加速度データと加速度データの周波数特性の一例を示す図である。 図３のステップＳ４０において、ケーシングパイプの先端が軟弱層に貫入されたときの周波数特性の一例を示す図である。 図３のステップＳ６０におけるピーク周波数の抽出処理の例を示す図である。 図３のステップＳ７０、Ｓ８０による基準周波数でのスペクトルより大きいスペクトルの抽出処理と、抽出したスペクトルのカウント処理との一例を示す図である。 図３のステップＳ９０による着底層への到達判定処理の一例を示す図である。 本発明の第２の実施形態における着底判定システムの動作の一例を示すフロー図である。 図９のステップＳ３０Ａで表示されるスカログラムの一例を示す図である。 図１のケーシングパイプの先端の海中での位置と経過時間との関係を示すオシログラフの一例を示す図である。 図２の制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。

以下、図面を用いて実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態における着底判定システムの一例を示す図である。例えば、着底判定システムは、海上サンドコンパクションパイル工法により海底の軟弱地盤に砂杭を打設する締め固め装置を装備したサンドコンパクション船（台船）に設置される。

締め固め装置は、船上に立設されたリーダマスト１０と、リーダマスト１０に沿って上下方向に移動可能に配置されるケーシングパイプ１２とを有する。リーダマスト１０は、バイブロハンマ１６を支持する支柱の一例である。また、締め固め装置は、ケーシングパイプ１２の上端に設置されたホッパー１４、バイブロハンマ１６およびショックアブソーバ１８を含む砂杭打設機構部２０と、砂杭打設機構部２０に取り付けられたガイドローラ２２とを有する。砂杭打設機構部２０は、吊下ワイヤＷによりケーシングパイプ１２とともに吊り下げられる。

ガイドローラ２２は、リーダマスト１０の砂杭打設機構部２０側に設けられるスライドガイド２４に接触した状態で案内され、上下方向に移動する砂杭打設機構部２０とともに移動する。特に限定されないが、リーダマスト１０は、下方がトラス構造を有し、上方が筒構造を有する。

また、サンドコンパクション船には、ケーシングパイプ１２の先端が海底の軟弱層を通過して軟弱層より堅い支持地盤である着底層に到達したことを検出する着底判定システムが設置される。着底判定システムは、リーダマスト１０の下方に取り付けられるセンサユニット３０、計測装置４０および制御装置５０を有する。以下では、着底判定システムは、着底判定システムＳＹＳとも称される。

例えば、センサユニット３０は、リーダマスト１０において、サンドコンパクション船の甲板上の１ｍから２ｍの高さの作業床の位置に取り付けられる。このため、作業者等は、リーダマスト１０に登ることなくセンサユニット３０をリーダマスト１０に取り付けることができ、安全に取り付け作業を実施することができる。

例えば、制御装置５０は、サンドコンパクション船の操船室内に設置される。センサユニット３０と計測装置４０とはケーブルＣＡＢＬにより接続される。例えば、計測装置４０と制御装置５０とは、無線で接続される。なお、計測装置４０と制御装置５０とは、有線で接続されてもよい。

センサユニット３０は、リーダマスト１０のトラス構造部に固定されるアングルＡＮＧＬと、アングルＡＮＧＬに間隔を置いて取り付けられる加速度センサＳＮＳ（ＳＮＳ１、ＳＮＳ２、ＳＮＳ３）とを有する。例えば、各加速度センサＳＮＳ１－ＳＮＳ３は、クランプＣＬＭＰによりアングルＡＮＧＬとともにトラス構造部に固定される。

加速度センサＳＮＳ１－ＳＮＳ３は、船の長手方向、船の幅方向および上下方向の加速度をそれぞれ検出する３軸加速度センサとして機能する。各加速度センサＳＮＳ１－ＳＮＳ３は、計測した加速度信号をケーブルＣＡＢＬを介して計測装置４０に送信する。

計測装置４０は、各加速度センサＳＮＳ１－ＳＮＳ３から受信する加速度信号を所定周期でサンプリングすることで加速度データ（振幅データ）を生成し、生成した加速度データを制御装置５０に送信する。なお、センサユニット３０は、船の上下方向の加速度を検出する加速度センサＳＮＳのみを有してもよい。

例えば、制御装置５０は、ＰＣ（Personal Computer）等のコンピュータ装置である。なお、制御装置５０は、タブレット等の携帯端末でもよい。制御装置５０は、計測装置４０から受信する加速度データに基づいて、ケーシングパイプ１２の先端が軟弱層の下層の支持地盤である着底層に到達したか否かを検出する。制御装置５０は、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達したと判定した場合、着底層への到達を示す着底情報を外部に出力する。例えば、制御装置５０は、表示画面、アラーム音（音声を含む）およびランプの発光の少なくともいずれかにより着底情報を外部に出力する。これにより、締め固め装置を動作させるオペレータ等は、オシログラフ等を読み取ることなく、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を認識することができる。

図１に示す締め固め装置では、まず、ワイヤＷにより吊り下げられたケーシングパイプ１２の先端を自重により海底（軟弱層の表面）に貫入させる。この後、バイブロハンマ１６を上下方向に振動させ、ケーシングパイプ１２の先端を軟弱層に押し込んでいく。例えば、ケーシングパイプ１２内のシルトを抜いた後、ケーシングパイプ１２の先端に所定量の砂を投入することで、閉塞効果により砂を蓋として機能させてもよい。この場合、この後にケーシングパイプ１２内にシルトが入り込むことなく、バイブロハンマ１６の振動によりケーシングパイプ１２を軟弱層に貫入することができる。

以下では、例えば、バイブロハンマ１６の振動周波数がほぼ９～１０Ｈｚであるとして説明する。これは、バイブロハンマ１６の振動周波数は機種に依存することなく、ほぼ９～１０Ｈｚであるためである。したがって、制御装置５０は、着底判定に使用する基準周波数を、軟弱層の硬度に応じて決める必要はなく、バイブロハンマ１６の振動周波数とすることができる。換言すれば、本発明による着底判定方法は、ケーシングパイプ１２を貫入する海底地盤の地質によらず、常に一定の基準周波数を使用して実施することができる。

ケーシングパイプ１２の先端は、バイブロハンマ１６の振動により軟弱層に貫入されていき、軟弱層の下に位置する、軟弱層より硬い着底層に到達する。さらに、ケーシングパイプ１２の先端は、着底層の上部に貫入される。ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達すると、着底層からの振動の反射等により、バイブロハンマ１６の固有の基準周波数に加えて、基準周波数より高い周波数成分を含む振動が、バイブロハンマ１６に伝達される。

バイブロハンマ１６の固有の振動および基準周波数より高い周波数の振動は、ガイドローラ２２およびスライドガイド２４を介してリーダマスト１０に伝達される。そして、リーダマスト１０に伝達された振動は、リーダマスト１０に取り付けられた加速度センサＳＮＳにより加速度として検出される。

後述するように、制御装置５０は、加速度センサＳＮＳにより検出された加速度の特性の変化に基づいて、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達し、さらに着底層に貫入され始めたことを検出する。

図２は、図１の着底判定システムＳＹＳにおける計測装置４０のハードウェアの概要を示す図である。計測装置４０は、ひずみ測定ユニット４０ａ、無線ユニット４０ｂおよびバッテリーユニット４０ｃを有する。

ひずみ測定ユニット４０ａは、ケーブルＣＡＢＬを介して加速度センサＳＮＳ１－ＳＮＳ３からそれぞれ受信する加速度信号を加速度データに変換し、変換した加速度データを無線ユニット４０ｂに出力する。なお、センサユニット３０が上下方向の加速度を検出する加速度センサＳＮＳのみを有する場合、ひずみ測定ユニット４０ａは、１つの加速度センサＳＮＳから受信する加速度信号を加速度データに変換し、変換した加速度データを無線ユニット４０ｂに出力する。

例えば、ひずみ測定ユニット４０ａは、加速度信号を５００Ｈｚから２０００Ｈｚのサンプリング周波数で加速度データに変換する。加速度信号のサンプリング周波数は、バイブロハンマ１６の振動周波数（例えば、９Ｈｚ）より十分に大きい。このため、リーダマスト１０に伝達されるバイブロハンマ１６の振動の基準周波数および基準周波数より高い周波数の振動の加速度データを精度よく検出することができる。

無線ユニット４０ｂは、ひずみ測定ユニット４０ａから受信する加速度データを制御装置５０に送信する。バッテリーユニット４０ｃは、ひずみ測定ユニットおよび無線ユニット４０ｂに電力を供給する。なお、計測装置４０にＡＣ（Alternating Current）電源等の外部電源を供給可能な場合、計測装置４０は、バッテリーユニット４０ｃを持たなくてもよい。

図３は、図２の着底判定システムＳＹＳの動作の一例を示すフロー図である。図３に示すフローは、例えば、ケーシングパイプ１２の先端を海中に入れたことに基づいて開始される。例えば、図３に示すフローは、図２の制御装置５０が着底判定プログラムを実行することにより実現される。すなわち、図３は、着底判定方法および着底判定プログラムの一例を示す。図３の処理を実施する制御装置５０は、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定する判定部の一例である。

まず、ステップＳ１０において、制御装置５０は、計測装置４０を介して加速度データの受信を開始し、受信した加速度データをメモリ等に格納する。次に、ステップＳ２０において、制御装置５０は、受信した加速度データの高速フーリエ変換（ＦＦＴ：Fast Fourier Transform）による解析（以下、ＦＦＴ解析）を開始し、加速度データの周波数特性を算出する。これ以降、制御装置５０は、加速度データの受信と加速度データのＦＦＴ解析による周波数特性の算出とを図３に示す処理が終了するまで繰り返し実施する。

次に、ステップＳ３０において、制御装置５０は、図４に例示するように、加速度データの時間変化を示すグラフと、ＦＦＴ解析により算出された加速度データの周波数特性を示すグラフとを表示画面に表示する。なお、制御装置５０は、加速度データの時間変化を示すグラフと、周波数特性を示すグラフとを表示画面に表示しなくてもよい。

次に、ステップＳ４０において、制御装置５０は、ＦＦＴ解析により基準周波数のピークが出現したか否かの判定を繰り返し実施し、基準周波数のピークが出現した場合、処理をステップＳ５０に移行する。

例えば、制御装置５０は、ケーシングパイプ１２の先端を軟弱層に貫入後、１分間、基準周波数のピークの出現を判定する。なお、砂杭の打設時にオシログラフを使用する場合、制御装置５０は、ケーシングパイプ１２の先端が軟弱層の所定深さの任意の深さ範囲にあるときに基準周波数のピークの出現を判定してもよい。オシログラフを利用する場合、制御装置５０は、ケーシングパイプの移動量に応じて判断されるケーシングパイプ１２の先端の海中での深度を示す深度情報をオシログラフの生成装置から取得する。

図１で説明したように、基準周波数は、バイブロハンマ１６の振動周波数（例えば、９Ｈｚ）である。ステップＳ５０において、制御装置５０は、取得した基準周波数の周波数値Ｆｖとリニアスペクトル等のスペクトル値Ｓｖとをメモリ等に記憶する。以下では、周波数値およびスペクトル値は、単に周波数およびスペクトルとも称される。

次に、ステップＳ６０において、制御装置５０は、ＦＦＴ解析の結果に基づいて、基準周波数Ｆｖより高いピーク周波数を抽出する抽出処理を実施する。例えば、制御装置５０は、ケーシングパイプ１２の先端が、想定される着底層から所定距離だけ離れた位置に到達したことに基づいて、ピーク周波数の抽出処理を開始する。例えば、サンプリングピッチが５００Ｈｚで、２秒に１回のデータ抽出処理を行う場合、２秒間で１０００個のデータを取得できるため、解析データ数として１０２４個（２の１０乗）を選択する。

次に、ステップＳ７０において、制御装置５０は、ステップＳ６０で抽出したピーク周波数のうち、スペクトルＳｖより大きいスペクトルがあるか否かを判定する。制御装置５０は、スペクトルＳｖより大きいスペクトルがある場合、処理をステップＳ８０に移行し、スペクトルＳｖより大きいスペクトルがない場合、処理をステップＳ６０に戻す。

ステップＳ８０において、制御装置５０は、スペクトルＳｖより大きいスペクトルの個数ｍ（着底判定指数）をカウントする。

次に、ステップＳ９０において、制御装置５０は、カウントした個数ｍに基づいて、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達したか否かを判定する。例えば、制御装置５０は、カウントした個数ｍが予め設定された第１の基準個数以上の場合、着底層への到達を判定してもよい。また、制御装置５０は、カウントした個数ｍが第１の基準個数以上と判定した回数が基準回数以上の場合、着底層への到達を判定してもよい。

制御装置５０は、着底層への到達を判定した場合、処理をステップＳ１００に移行し、着底層へ到達していないことを判定した場合、処理をステップＳ６０に戻す。着底層への到達の判定処理の例は、図８に示される。

なお、制御装置５０は、ステップＳ８０による個数ｍのカウントを実施せず、基準周波数より高い周波数を有するピーク周波数を検出した場合、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定してもよい。あるいは、制御装置５０は、ステップＳ８０による個数ｍのカウントを実施せず、基準周波数より高いピーク周波数のスペクトル値が基準周波数のスペクトル値より大きいことを検出した場合、着底層への到達を判定してもよい。

さらに、制御装置５０は、ステップＳ８０による個数ｍのカウントを実施せず、基準周波数より高い周波数を有する複数のピーク周波数を検出した場合、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定してもよい。

ステップＳ１００において、制御装置５０は、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達したこと示す着底情報（着底層への到達）を、例えば、表示画面に表示するために出力し、図３の処理を終了する。

図４は、図２の制御装置５０が表示画面に表示する加速度データと加速度データの周波数特性の一例を示す図である。例えば、制御装置５０は、加速度センサＳＮＳ１－ＳＮＳ３毎に加速度データの時間変化を示すグラフを表示し、所定時間の経過毎に、加速度データの周波数特性（スペクトル）のグラフを表示する。ここでは、加速度データおよびリニアスペクトルを示し、単位はｍ／ｓ^２である。

図４では、加速度データから変換される周波数特性の説明を分かりやすくするために、加速度データ（加速度振幅）のグラフは、着底層の到達判定にかかわりなく、所定時間（３６０秒）が経過するまで表示されている。

例えば、制御装置５０は、予め作業者等が指定した加速度センサＳＮＳにより取得される加速度データの周波数特性をグラフとして表示する。図４の例では、制御装置５０は、上下方向（リーダマスト１０の高さ方向）の振動を検出する加速度センサＳＮＳが取得する加速度データの周波数特性を取得する。図４では、時間Ｔ１（３０秒）および時間Ｔ２（２４０秒）での周波数特性が例示される。

０秒から時間Ｔ１までは、ケーシングパイプ１２の先端が海底に届く前の加速度データが示される。ケーシングパイプ１２の先端が海底（軟弱層）への貫入を開始した時間Ｔ１（３０秒）では、軟弱層に貫入されたケーシングパイプ１２の先端の振動は、軟弱層に吸収され、軟弱層からケーシングパイプ１２への振動の反射はほとんどない。

したがって、時間Ｔ１でのスペクトルの波形は、バイブロハンマ１６の振動周波数である９Ｈｚ付近のみにピークを有する。換言すれば、スペクトルのピーク周波数がバイブロハンマ１６の振動周波数のみの場合、制御装置５０は、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に届いていないと判定できる。

一方、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に届いた時間Ｔ２（２４０秒）以降では、ケーシングパイプ１２の先端は、軟弱層より硬い着底層内で振動する。このため、ケーシングパイプ１２の先端の振動の一部は、着底層に吸収されず、着底層からの振動の反射としてケーシングパイプ１２の先端に伝達され、さらに、バイブロハンマ１６、ガイドローラ２２およびリーダマスト１０まで伝達される。このとき、着底層から伝わる振動の周波数として、基準周波数（＝９Ｈｚ）より高い複数の周波数のピークが出現する。また、基準周波数より高い複数の周波数のピーク値（スペクトル値）のいくつかは、基準周波数のピーク値よりも大きくなる。

図５は、図３のステップＳ４０において、ケーシングパイプ１２の先端が軟弱層に貫入されたときに算出される周波数特性の一例を示す図である。制御装置５０は、基準周波数Ｆｖ（例えば、９Ｈｚ）を取得した場合、基準周波数ＦｖとスペクトルＳｖ（例えば、０．１５ｍ／ｓ^２）との値をメモリ等に記録する。なお、図５は、図４の時間Ｔ１での周波数特性を示すが、制御装置５０は、基準周波数Ｆｖを抽出するまでステップＳ４０の取得処理を繰り返し実施し、周波数特性をそれぞれ算出する。

図６は、図３のステップＳ６０におけるピーク周波数の抽出処理の例を示す図である。例えば、制御装置５０は、基準周波数Ｆｖより高いピーク周波数をスペクトルが大きい順に、予め設定されたサンプル数ｎ（この例ではｎ＝"５"）だけ抽出する。そして、制御装置５０は、抽出したピーク周波数の値Ｆｎ（Ｆ１－Ｆ５）とスペクトルの値Ｓｎ（Ｓ１－Ｓ５）とをメモリ等に記録する。基準周波数Ｆｖは、第１のピーク周波数の一例であり、基準周波数Ｆｖより高いピーク周波数は、第２のピーク周波数の一例である。

図７は、図３のステップＳ７０、Ｓ８０による基準周波数ＦｖでのスペクトルＳｖより大きいスペクトルの抽出処理と、抽出したスペクトルのカウント処理との一例を示す図である。制御装置５０は、図６で抽出した５個のピーク周波数のうち、スペクトルが基準周波数ＦｖでのスペクトルＳｖより大きいピーク周波数の個数ｍをカウントする。

図７に示す例では、制御装置５０は、スペクトルＳｖより大きいスペクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３のピーク周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３の個数ｍ（この例では、３個）をカウントする。例えば、ピーク周波数は、それぞれＦ１＝６５Ｈｚ、Ｆ２＝３８Ｈｚ、Ｆ３＝８４Ｈｚであり、スペクトルは、それぞれＳ１＝０．６５ｍ／ｓ^２、Ｓ２＝０．２２ｍ／ｓ^２、Ｓ３＝０．１９ｍ／ｓ^２である。スペクトルＳ２、Ｓ１、Ｓ３の末尾の数値は、スペクトルの大きさ順を示す。

そして、制御装置５０は、所定の時間間隔で、図６に示したピーク周波数の抽出処理と、図７に示した個数ｍのカウントとを繰り返し実施する。制御装置５０は、スペクトルＳｖより大きいスペクトルの個数ｍが所定の閾値Ｖｔｈである第１の基準個数以上の場合、着底層への到達を判定してもよい。例えば、第１の基準個数は３個である。

なお、制御装置５０は、式（１）に示すように、５個のピーク周波数のスペクトルＳｎのうち、スペクトルＳｖに係数αを乗じた値より大きいスペクトルを抽出し、抽出したスペクトルの個数ｍをカウントしてもよい。例えば、図７では、係数αは"１．０"に設定される。
Ｓｎ＞α×Ｓｖ ‥ （１）

図８は、図３のステップＳ９０による着底層への到達判定処理の一例を示す図である。制御装置５０は、図８に示すように、スペクトルＳｖより大きいスペクトルＳｎの出現個数ｍの時間変化のデータ（出現個数ｍの分布データ）を生成する。制御装置５０は、例えば、２秒毎のＦＦＴ解析で得られる出現個数ｍのデータを分布データに順次追加していく。

次に、制御装置５０は、第１の所定時間毎の出現個数ｍの平均値ｍ_ａｖｅを算出する。そして、制御装置５０は、平均値ｍ_ａｖｅが"１"以上となる時間が第２の所定時間継続する場合、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達したと判定する。特に限定されないが、図８に示す例では、第１の所定時間は３０秒であり、第２の所定時間は６０秒である。平均値ｍ_ａｖｅの"１"は、第２の基準個数の一例である。

また、図８に示す例では、制御装置５０は、平均値ｍ_ａｖｅが"１"以上となる時間が６０秒以上継続したことを、経過時間＝１２０秒で判定する。そして、制御装置５０は、判定した経過時間から６０秒（すなわち、第２時間）遡った経過時間を着底層への到達時間とする。これにより、ケーシングパイプ１２の先端は、着底層への到達が判定された場合に、既に６０秒間、着底層に貫入しているため、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を、より確実にすることができる。この結果、締め固め装置による砂杭の着底層への到達の信頼性を向上することができる。

この後、制御装置５０は、図３のステップＳ１００に示したように、表示画面等に表示するために、着底層への到達を示す着底情報を出力する。

以上、この実施形態では、制御装置５０は、バイブロハンマ１６からリーダマスト１０に伝達される振動の周波数特性を算出し、バイブロハンマ１６の基準周波数Ｆｖより高い周波数でのスペクトルを算出する。そして、制御装置５０は、基準周波数Ｆｖより高いピーク周波数でのスペクトルの検出に基づいて、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定する。これにより、締め固め装置を動作させるオペレータ等は、オシログラフ等を読み取ることなく、制御装置５０による判定結果に基づいて、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を認識することができる。

制御装置５０は、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達したと判定した場合、着底層への到達を示す着底情報を外部に出力する。これにより、締め固め装置を動作させるオペレータ等は、オシログラフ等を読み取ることなく、着底情報の認知に基づいてケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を認識することができる。

例えば、バイブロハンマ１６の振動周波数は、バイブロハンマ１６の機種により決まっている。したがって、制御装置５０は、着底判定に使用する基準周波数を、軟弱層の硬度に応じて決める必要はなく、バイブロハンマ１６の振動周波数とすることができる。換言すれば、本発明による着底判定方法は、ケーシングパイプ１２を貫入する海底地盤の地質および機械設備の仕様に依存せず、常に一定の基準周波数を使用してケーシングパイプ１２を着底させたい着底層を確実に判定することができる。

例えば、制御装置５０は、基準周波数Ｆｖより高いピーク周波数のスペクトル値が基準周波数Ｆｖのスペクトル値より大きいことを検出した場合、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定することができる。または、制御装置５０は、基準周波数Ｆｖより高い複数のピーク周波数のスペクトル値が基準周波数Ｆｖのスペクトル値より大きいことを検出した場合、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定することができる。

さらに、制御装置５０は、基準周波数Ｆｖのスペクトル値より大きいスペクトル値で、基準周波数Ｆｖより高いピーク周波数の個数が、第１の基準個数以上の場合、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定することができる。また、制御装置５０は、第１の基準個数以上であると判定した回数が基準回数以上の場合、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定することができる。

または、制御装置５０は、第１の基準個数以上の第２のピーク周波数の個数の第１の所定時間当たりの平均値を算出し、算出した平均値が第２の基準個数以上であると判定した場合、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定することができる。さらに、制御装置５０は、平均値が第２の基準個数以上であるとの判定が、第１の所定時間より長い第２の所定時間継続する場合、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定することができる。

図９は、本発明の第２の実施形態における着底判定システムの動作の一例を示すフロー図である。図３と同様の処理については、詳細な説明を省略する。図９の動作を実施する着底判定システムＳＹＳは、第１の実施形態の着底判定システムＳＹＳの機能に加えて、ウェーブレット解析を実施する機能を有する。

この実施形態の着底判定システムＳＹＳの構成は、図２に示した着底判定システムＳＹＳの構成と同様である。また、この実施形態の着底判定システムＳＹＳは、図１と同様に、締め固め装置を装備したサンドコンパクション船に設置される。図９のフローは、図３のステップＳ２０、Ｓ３０の代わりにステップＳ２０Ａ、３０Ａが実施され、新たにステップＳ９２Ａ、Ｓ９４Ａが実施されることを除き、図３の動作フローと同様である。

ステップＳ１０の後、ステップＳ２０Ａにおいて、制御装置５０は、受信した加速度データのＦＦＴ解析とともに、ウェーブレット解析を開始し、ウェーブレット解析により振動の周波数特性の時間変化を算出する。これ以降、制御装置５０は、加速度データの受信と加速度データのＦＦＴ解析およびウェーブレット解析とを図３に示す処理が終了するまで継続する。

次に、ステップＳ３０Ａにおいて、制御装置５０は、図４に例示した加速度データの時間変化を示すグラフおよび加速度データの周波数特性を示すグラフとともに、ウェーブレット解析により得られた周波数特性の時間変化を示すスカログラムの表示を開始する。なお、制御装置５０は、加速度データの時間変化を示すグラフと、周波数特性を示すグラフと、スカログラムとを表示画面に表示しなくてもよい。この後、制御装置５０は、図３と同様に、ステップＳ４０からステップＳ８０の処理を実施する。

制御装置５０は、ステップＳ９０で着底層への到達を判定した後、ステップＳ９２Ａにおいて、ウェーブレット解析により得たスカログラムのデータに基づいて、卓越周波数の変化を抽出する。

次に、ステップＳ９４Ａにおいて、制御装置５０は、卓越周波数の変化に基づいて、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達したか否かを再判定する。制御装置５０は、スカログラムのデータが着底層への到達を示す場合、処理をステップＳ１００に移行し、着底層への到達が疑われる場合、処理をステップＳ６０に戻す。

例えば、制御装置５０は、スカログラムのデータが軟弱層の貫入中を示す卓越周波数から着底層の貫入中を示す卓越周波数に変化している場合、着底層への到達を判定する。一方、制御装置５０は、スカログラムのデータが軟弱層の貫入中を示す卓越周波数から着底層の貫入中を示す卓越周波数に変化していない場合、着底層に到達していないと判定する。

そして、制御装置５０は、ステップＳ１００において、着底層への到達を示す着底情報を表示画面等に出力し、図９の処理を終了する。このように、制御装置５０は、ステップＳ９０とステップＳ９４Ａとによる二重の判定に基づいて、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達したか否かを判定する。これにより、着底層への到達判定の精度を向上することができる。また、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に貫入したことを確実に判定することができる。

図１０は、図９のステップＳ３０Ａで表示されるスカログラムの一例を示す図である。ケーシングパイプ１２の先端が軟弱層を貫入中の場合、スカログラムは、卓越周波数がバイブロハンマ１６の振動周波数とほぼ同じ１０Ｈｚであることを示す。このとき、卓越周波数の帯域幅は狭い。

一方、ケーシングパイプ１２の先端が着底層を貫入中の場合、スカログラムは、卓越周波数がバイブロハンマ１６の振動周波数と異なる６５Ｈｚになりつつあることを示す。なお、ケーシングパイプ１２の先端が着底層を貫入中の場合、バイブロハンマ１６の振動周波数に近い１０Ｈｚは、スカログラムに現れているが、６５Ｈｚおよび４０Ｈｚに比べて強度が小さい。また、スカログラムに現れてる１０Ｈｚの帯域幅は、ケーシングパイプ１２の先端が軟弱層を貫入中の帯域幅とほぼ同じである。

したがって、制御装置５０は、卓越周波数が、バイブロハンマ１６の振動周波数からバイブロハンマ１６の振動周波数より高い周波数に変化したことを検出した場合、または、変化しつつあることを検出した場合、着底層への貫入を判定することができる。

以上、この実施形態においても、上述した実施形態と同様に、制御装置５０は、バイブロハンマ１６からリーダマスト１０に伝達される振動のピーク周波数のスペクトル値に基づいて、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を判定することができる。これにより、締め固め装置を動作させるオペレータ等は、オシログラフ等を読み取ることなく、制御装置５０による判定結果に基づいて、ケーシングパイプ１２の先端の着底層への到達を認識することができる。

さらに、この実施形態では、制御装置５０は、スカログラムから判定される卓越周波数が、バイブロハンマ１６の振動周波数からバイブロハンマ１６の振動周波数より高い周波数に変化したことに基づいて、着底層への貫入を判定することができる。あるいは、制御装置５０は、スカログラムから判定される卓越周波数が、バイブロハンマ１６の振動周波数からバイブロハンマ１６の振動周波数より高い周波数に変化しつつあることを検出したことに基づいて、着底層への貫入を判定することができる。

また、制御装置５０は、スペクトルＳｖより大きいスペクトルの個数ｍ（着底判定指数）とスカログラムとによる二重の判定に基づいて、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達したか否かを判定する。これにより、着底層への到達判定の精度を向上することができ、ケーシングパイプ１２の先端が着底層に貫入したことを確実に判定することができる。

図１１は、図１のケーシングパイプ１２の先端の海中での位置と経過時間との関係を示すオシログラフの一例を示す図である。図１１に示すオシログラフは、ケーシングパイプの移動量に応じて判断されるケーシングパイプ１２の海中での先端位置（深さ）の時間変化を示す。

図１１に示す例では、軟弱層の表面は水深２０ｍであり、着底層の表面は３３ｍである。軟弱層への貫入中に先端位置が浅くなっているのは、シルト抜き処理の実施を示す。シルト抜き処理の後、ケーシングパイプ１２の先端に砂を入れて閉塞効果により砂を蓋として機能させ、軟弱層への貫入が継続される。

ケーシングパイプ１２の軟弱層への貫入速度はほぼ一定である。ケーシングパイプ１２の先端が軟弱層を通過し、着底層に到達すると貫入速度は急速に低下する。従来、締め固め装置を操作するオペレータ等が、表示装置に表示されるオシログラフを読み取って、着底層への到達を判定している。

ケーシングパイプ１２の先端が着底層に到達した後、ケーシングパイプ１２は所定量だけ着底層に貫入される。この後、砂杭の打設処理が開始される。砂杭の打設処理では、まず、ケーシングパイプ１２内に所定量の砂が投入された後、ケーシングパイプ１２が所定の長さ引き抜かれる。次に、バイブロハンマ１６を振動させてケーシングパイプ１２の先端で砂を着底層に向けて押圧することで、砂杭を部分的に形成する。この後、ケーシングパイプ１２内への砂の投入と、ケーシングパイプ１２の所定量の引き抜きと、バイブロハンマ１６による砂の押圧とが繰り返され、軟弱層内に砂杭が形成される。

図１２は、図２の制御装置５０のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。制御装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１、ＲＯＭ（Read Only Memory）５２、ＲＡＭ（Random Access Memory）５３および外部記憶装置５４を有する。また、制御装置５０は、入力インタフェース部５５、出力インタフェース部５６、無線インタフェース部５７および通信インタフェース部５８を有する。例えば、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、外部記憶装置５４、入力インタフェース部５５、出力インタフェース部５６、無線インタフェース部５７および通信インタフェース部５８は、バスＢＵＳを介して相互に接続される。

ＣＰＵ５１は、ＯＳ（Operating System）および着底判定プログラム等の各種プログラムを実行し、制御装置５０の全体の動作を制御する。ＣＰＵ５１は、着底判定プログラムを実行するコンピュータの一例である。

ＲＯＭ５２は、ＣＰＵ５１により実行される着底判定プログラムを含む各種プログラムおよび各種パラメータ等を保持する。ＲＡＭ５３は、ＣＰＵ５１により実行される各種プログラムや、プログラムで使用するデータ等を記憶する。外部記憶装置５４は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）等であり、ＲＡＭ５３に展開される各種プログラムを記憶する。

入力インタフェース部５５には、制御装置５０を操作するオペレータ等からの入力を受け付けるマウスまたはキーボード等の入力装置６０が接続可能である。出力インタフェース部５６には、表示画面を有する表示装置、スピーカー、ライトまたはプリンタ等の各種出力装置７０が接続可能である。制御装置５０が、ノートパソコンまたはタブレット等の携帯端末の場合、入力装置６０および出力装置７０の一部は、制御装置５０に内蔵されていてもよい。

無線インタフェース部５７は、例えば、図２の無線ユニット４０ｂとの間で無線通信を実施する。通信インタフェース部５８は、制御装置５０をネットワーク等に接続する。

以上、各実施形態に基づき本発明の説明を行ってきたが、上記実施形態に示した要件に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することができ、その応用形態に応じて適切に定めることができる。

１０ リーダマスト
１２ ケーシングパイプ
１４ ホッパー
１６ バイブロハンマ
１８ ショックアブソーバ
２０ 砂杭打設機構部
２２ ガイドローラ
２４ スライドガイド
３０ センサユニット
４０ 計測装置
４０ａ ひずみ測定ユニット
４０ｂ 無線ユニット
４０ｃ バッテリーユニット
５０ 制御装置
５１ ＣＰＵ
５２ ＲＯＭ
５３ ＲＡＭ
５４ 外部記憶装置
５５ 入力インタフェース部
５６ 出力インタフェース部
５７ 無線インタフェース部
６０ 入力装置
７０ 出力装置
ＡＮＧＬ アングル
ＢＵＳ バス
ＣＡＢＬ ケーブル
ＣＬＭＰ クランプ
ＳＮＳ（ＳＮＳ１、ＳＮＳ２、ＳＮＳ３） 加速度センサ
ＳＹＳ 着底判定システム
Ｗ 吊下ワイヤ

一つの観点によれば、着底判定システムは、バイブロハンマの振動により海底の軟弱層に貫入されるケーシングパイプが、前記軟弱層の下層の支持地盤である着底層に着底したことを判定する着底判定システムであって、前記バイブロハンマを支持する支柱に取り付けられ、前記バイブロハンマから伝達される振動を検出するセンサと、前記ケーシングパイプの海底への貫入中に前記センサにより検出される振動の周波数特性を繰り返し算出し、算出した周波数特性が前記バイブロハンマの固有の第１のピーク周波数に加えて、前記固有の第１のピーク周波数より高い複数の第２のピーク周波数を含むことを検出し、検出した複数の前記第２のピーク周波数のうち、スペクトル値が前記第１のピーク周波数のスペクトル値より高い第２のピーク周波数の個数が第１の基準個数以上の場合、前記ケーシングパイプの先端の前記着底層への到達を判定する判定部とを有することを特徴とする。

Claims (10)

1. バイブロハンマの振動により海底の軟弱層に貫入されるケーシングパイプが、前記軟弱層の下層の支持地盤である着底層に着底したことを判定する着底判定システムであって、
   前記バイブロハンマを支持する支柱に取り付けられ、前記バイブロハンマから伝達される振動を検出するセンサと、
   前記ケーシングパイプの海底への貫入中に前記センサにより検出される振動の周波数特性を繰り返し算出し、算出した周波数特性が前記バイブロハンマの固有の第１のピーク周波数に加えて、前記固有のピーク周波数より高い第２のピーク周波数を含むことを検出した場合、前記ケーシングパイプの先端の前記着底層への到達を判定する判定部と
   を有することを特徴とする着底判定システム。
2. 前記判定部は、前記第２のピーク周波数のスペクトル値が前記第１のピーク周波数のスペクトル値より大きいことを検出した場合、前記着底層への到達を判定すること
   を特徴とする請求項１に記載の着底判定システム。
3. 前記判定部は、複数の前記第２のピーク周波数を検出した場合、前記着底層への到達を判定すること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の着底判定システム。
4. 前記判定部は、複数の前記第２のピーク周波数のうち、スペクトル値が前記第１のピーク周波数のスペクトル値より高い第２のピーク周波数の個数が第１の基準個数以上の場合、前記着底層への到達を判定すること
   を特徴とする請求項３に記載の着底判定システム。
5. 前記判定部は、スペクトル値が前記第１のピーク周波数のスペクトル値より高い第２のピーク周波数の個数が前記第１の基準個数以上であると判定した回数が基準回数以上の場合、前記着底層への到達を判定すること
   を特徴とする請求項４に記載の着底判定システム。
6. 前記判定部は、前記第１の基準個数以上の第２のピーク周波数の個数の第１の所定時間当たりの平均値を算出し、算出した平均値が第２の基準個数以上であると判定した場合、前記着底層への到達を判定すること
   を特徴とする請求項４に記載の着底判定システム。
7. 前記判定部は、前記平均値が第２の基準個数以上であるとの判定が、前記第１の所定時間より長い第２の所定時間継続する場合、前記着底層への到達を判定すること
   を特徴とする請求項６に記載の着底判定システム。
8. 前記判定部は、前記センサが検出した振動の周波数特性の時間変化をウェーブレット解析により算出し、算出した振動の周波数特性と合わせて、前記ケーシングパイプの先端の前記着底層への到達を判定すること
   を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の着底判定システム。
9. 前記判定部は、前記ウェーブレット解析により得られるスカログラムのデータに基づいて、卓越周波数が前記第１のピーク周波数から前記第２のピーク周波数に変化したことを検出した場合、ウェーブレット解析による前記着底層への到達を判定することを特徴とする請求項８に記載の着底判定システム。
10. バイブロハンマの振動により海底の軟弱層に貫入されるケーシングパイプが、前記軟弱層の下層の支持地盤である着底層に着底したことを判定する着底判定方法であって、
    前記バイブロハンマを支持する支柱に取り付けられるセンサにより、前記バイブロハンマから伝達される振動を検出し、
    前記ケーシングパイプの海底への貫入中に前記センサにより検出される振動の周波数特性を繰り返し算出し、算出した周波数特性が前記バイブロハンマの固有の第１のピーク周波数に加えて、前記固有のピーク周波数より高い第２のピーク周波数を含むことを検出した場合、前記ケーシングパイプの先端の前記着底層への到達を判定すること
    を特徴とする着底判定方法。

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