JP2520077B2

JP2520077B2 - 重錘落下式孔内振源

Info

Publication number: JP2520077B2
Application number: JP27227892A
Authority: JP
Inventors: 公雄小倉
Original assignee: OYO CHISHITSU KK
Current assignee: OYO CHISHITSU KK
Priority date: 1991-11-08
Filing date: 1992-09-16
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPH05203759A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、重錘落下方式の孔内振
源に関し、更に詳しく述べると、多数の弾性部材と板材
とを交互に積層した積層体に、上方から重錘を落下さ
せ、弾性部材の変形により孔壁に弾性波を発生させる高
出力の孔内振源に関するものである。この孔内振源は、
孔内水を有する孔内での速度検層システムの他、広範囲
にわたる地盤の振動特性を立体的に解析するトモグラフ
ィーなどに有効な装置である。

【０００２】

【従来の技術】地盤の振動特性は、各種建築構造物の耐
震設計上の重要な基礎データとなっている。地下地盤の
弾性的性質等を調査するには、地盤中に掘削したボーリ
ング孔内での弾性波（Ｐ波やＳ波）伝播速度を直接測定
するＰＳ速度検層システムが用いられている。この速度
検層は、振源から受振器に到る弾性波の到達時間を波形
記録として求める技術である。

【０００３】孔内振源は、従来から種々開発され使用さ
れている。代表的な例としては、特公昭５８−５２１９
１号公報、特公昭６１−４３６６９号公報、特公昭６２
−１４７９１号公報、特公昭６２−１４７９２号公報な
どに記載されている装置がある。いずれにしても基本的
には、孔軸に直交する方向に移動自在の可動体（ハン
マ）と、その可動体を駆動する駆動機構を備えた構造で
ある。この振源を、孔内水を有するボーリング孔内に設
置し、可動体を瞬間的に駆動することによって孔軸に直
交する一方向の孔壁面に加振力を作用させる。駆動機構
としては、通常、電磁ソレノイドが用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この種の従来
の電磁ハンマ方式の孔内振源は、電磁ソレノイドによる
駆動であり、一般にボーリング孔径は比較的小さく、振
源の外径を大きくできないため加振力に限界があり、適
用範囲が限られている。例えば振源と受振器を一連のプ
ローブに組み込み、このプローブを孔壁に固着させるこ
となくボーリング孔内に挿入して、各深度でＰＳ検層を
行うような場合は有効である。しかし、二つのボーリン
グ孔を使用する孔間速度測定のような場合には、振動の
伝播範囲が狭く適用し難い。

【０００５】近年、二つのボーリング孔間での弾性波速
度を測定し、コンピュータによるデータ処理を駆使して
地下地盤の広い範囲にわたって振動特性を立体的に表現
する（断層映像化する）トモグラフィーの技法が導入さ
れつつある。その場合、まず一方のボーリング孔を起振
孔、他方のボーリング孔を受振孔とし、起振孔に振源を
設置し、受振孔に多連式の受振器を挿入して、振源の設
置位置（深度）を変えながら、次に起振孔と受振孔を交
換して、弾性波速度の測定を行う。ところが上記のよう
な従来の電磁ハンマ方式の孔内振源では、ボーリング孔
間距離が十ｍ程度以内の場合しか信号が到達しえないた
め、多数のボーリング孔を掘削する必要が生じ、実用に
供しえない。

【０００６】加振力の大きな従来公知の振源としては火
薬がある。火薬を使用すると、ボーリング孔間距離が数
百ｍ程度でも弾性波は到達する。しかし火薬の使用はボ
ーリング孔壁の崩壊を招く問題がある。ボーリング孔深
部から浅部へ向かって起振点を順次移動させていくこと
で実施し得たとしても、起振孔と受振孔を交換して測定
を行う場合、すでに起振孔が崩壊しているため、それを
受振孔としては使用できず、結局、必要な測定は実施不
可能である。また火薬は使用上の制約が多く、特に都市
部では、火薬類の使用は殆ど不可能である。

【０００７】本発明の目的は、上記のような従来技術の
欠点を解消し、小さなボーリング口径でも大きな起振力
が得られ、高周波成分を含むため分解能が高く、安全で
且つ使い易い孔内振源を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る重錘落下方
式の孔内振源は、弾性部材と板材を交互に多数積層した
積層体と、その積層体の上方に位置し該積層体に向かっ
て落下する重錘とを具備している。典型的には図１に概
略構成を示すように、筒状ケーシング１０と、弾性部材
１４と板材１６を交互に多数積層して筒状ケーシング１
０の下方に設けた積層体１８と、該積層体１８の上部に
位置し筒状ケーシング１０内を上下動自在のピストン部
材２０と、筒状ケーシング１０内で上方からピストン部
材２０に向かって落下する重錘２２とを具備している。
筒状ケーシング１０の下方を延長して、その周壁面に例
えば軸方向に細長いスリット状などの形状の開口部１２
を設けて積層体１８を保持してもよいし、筒状ケーシン
グの下方に複数本のガイドロッドを設け、板材に形成し
た穴に遊嵌させて各板材の面内の動きを規制する構造で
もよい。

【０００９】ここで弾性部材は例えばバネ性を有する波
座金（ウエーブ・ワッシャ）やゴム状物質からなるリン
グ（例えばＯリングやゴムブッシュ）等からなり、該弾
性部材と金属製円環板とを交互に十〜数十枚程度積層し
た構造とする。筒状ケーシング内の上端には、重錘の引
上げ保持・解放機構を設ける。自然落下を利用した方式
でもよいが、重錘に下向きの弾撥力を付与するスプリン
グ機構を組み込んで強制落下させると、より一層起振力
が高くなり好ましい。

【００１０】重錘は、直接ピストン部材の上面に直接落
下するように構成してもよいが、ピストン部材の上部に
液体溜まりを設け、その液体を介して重錘の落下衝撃力
をピストン部材に伝達するように構成してもよい。その
場合、重錘の落下はスプリングやゴム膜等で受けるのが
よい。

【００１１】

【作用】図１のＡに示す状態から重錘２２がピストン部
材２０上に落下すると、Ｂに示すように、その衝撃力で
弾性部材１４が急激に変形し、弾性部材１４と板材１６
からなる積層体１８は軸方向に収縮する。これによって
板材１６間の孔内水が開口部１２を通って外向き（白抜
き矢印方向）に押し出され、孔壁（図示せず）に弾性波
が発生する。

【００１２】特に重錘をスプリング力で下向きに付勢す
ると、それが自然落下の力に加わるため、ピストン部材
に当たる衝撃力が一層強力になり、起振力も増大するた
め好ましい。更に本装置では、筒状ケーシングに形成す
る開口部の位置を、相対向する２方向にしたり、１方向
のみにすると、鋭い指向性を有する振動が発生する。ま
たピストン部材の上部に液体溜まりを設けて、その液体
を介して重錘の落下力をピストン部材に伝達するように
構成すると、重錘が直接ピストン部材に衝突せず、その
変形などの発生を防止できる。

【００１３】

【実施例】図２は本発明に係る重錘落下式孔内振源の一
実施例を示す全体説明図である。本装置は外側が長尺円
筒状のケーシング３０で囲まれ、該ケーシング３０の下
部周壁面には軸方向に延びるスリット３２を複数本形成
してある（図３参照）。ケーシング３０の中心には案内
棒３４が位置し下端で固定され、ケーシング３０の下端
は端栓３６で封止する。ケーシング３０内の下部端栓３
６上にバネ部材として機能する波座金３８と金属製の円
環板４０とを交互に多数枚（十〜数十枚）積層して収容
する。これら波座金３８と円環板４０との積層状況の詳
細を図４に分解斜視図として示す。図示の如く波座金３
８は、弾性薄肉円環板に波を付けた形状をなし、軸方向
荷重を円周で平均に受けるため小さいスペースの緩衝用
として有効な機構部品であり、一般にスペーサ用バネと
して広く利用されているものである。この実施例では市
販品をそのまま使用している。前記スリット３２の軸方
向の形成範囲はほぼこの積層体の収容位置（高さ）に対
応している。案内棒３４は、波座金３８と円環板４０の
中心孔を貫通し、それらの円周方向の位置決めと変位の
際の案内の機能を果たす。積層体の上部にピストン４２
を設置する。このピストン４２は周囲にＯリングシール
４４を備え、ケーシング３０内で軸方向に摺動自在であ
る。

【００１４】ケーシング３０の上端部にはモータ等を備
えた巻上げ機構４６が設けられる。該巻上げ機構４６か
らは、下端に開閉自在のフック４８を取り付けたワイヤ
５０を下ろし、そのフック４８で重錘５２の上端把持部
５４を掴み離し可能にしている。重錘５２は中心の縦貫
孔５６を貫通する振れ止め軸５８によって上下方向の移
動の際に案内される。振れ止め軸５８の上方寄り位置に
はフック開放用の突起６０を設け、また周囲には重錘５
２に下向きの弾撥力を付与するためのコイルスプリング
６２を設けている。

【００１５】次に本装置の動作について説明する。フッ
ク４８で重錘５２の上端把持部５４を掴み、巻上げ機構
４６を駆動してワイヤ５０を巻き上げる。重錘５２は振
れ止め軸５８に案内されて上昇し、やがて重錘５２はコ
イルスプリング６２の下端に達する。更に巻き上げ動作
が継続すると、重錘５２は該コイルスプリング６２の弾
撥力に抗して上昇する。フック４８の上部がフック開放
用の突起６０にまで達した後、更に上昇しようとする
と、該突起６０とフック４８とのカム作用によってフッ
ク４８の下端が開く。これによって重錘５２はフック４
８から解放され、コイルスプリング６２の弾撥力と自重
でピストン４２上に落下する。その衝撃で積層されてい
る各波座金３８は偏平に変形し、積層体は軸方向に収縮
する。その際、円環板４０の間に存在していた孔内水
は、スリット３２を通って外向きに放出れさ、周囲の孔
壁に大きな加振力を与える。

【００１６】試作品を用いた予備実験の結果によれば、
波座金と円環板を交互に６０枚積層し、重さ１．２kgの
重錘を１ｍの高さから自然落下させたところ、約１２Ｊ
の加振エネルギーが観測された。しかも振動波形には従
来の電磁ハンマ方式の振源に比べて高周波成分が多く含
まれていることも分かった。周波数が高いことは分解能
が向上することを意味している。孔間速度測定では、約
３ｍ離れた二つの孔について、起振孔の深度５ｍの位置
に本装置を設置し、受振孔の深度３５ｍの位置に受振器
を設置して観測を行った結果、充分良好な信号を検出で
きることが確認された。因に従来の電磁ハンマ方式の振
源では、同じ条件では利得を最大にしても信号は検出で
きなかった。更にスプリング力を加味した強制落下の場
合は約６００Ｊの加振エネルギーが発生した。上記の予
備実験から勘案すると、孔間距離が数十〜数百ｍであっ
ても、充分、孔間速度測定が可能であると推定される。

【００１７】図５は、２本のボーリング孔間の弾性波速
度を測定し、広い地下地盤にわたって振動特性を立体的
に表現する（断層映像化する）トモグラフィーの説明図
である。一方のボーリング孔７０を起振孔、他方のボー
リング孔７２を受振孔とし、起振孔に本発明の孔内振源
７４を挿入し、受振孔に多連式の受振器７６を挿入す
る。地表の起振制御装置７７で孔内振源７４の動作を制
御して起振すると、弾性波は破線で示すように伝播し各
受振器７６に達する。受振測定装置７８で各受振器７６
からの信号を記録する。起振孔での振源位置（深度）を
順次移動させて起振し、受振孔で弾性波を観測する。次
いで起振孔と受振孔を交換して、同様の測定を行う。こ
の観測結果をコンピュータ処理することにより、立体的
に地盤の振動特性を解析する。上記のように本発明の孔
内振源では、ボーリング孔間距離が数十〜数百ｍ程度で
も弾性波が到達するため、少数のボーリング孔で広い地
盤の振動特性を把握できることになる。

【００１８】図６は本発明の他の実施例を示す概略構成
図である。Ａ，Ｂいずれもピストン部材の上部に液体溜
まりを設け、その液体を介して重錘の落下衝撃力をピス
トン部材に伝達する構成である。これによって重錘が直
接ピストン部材に衝突せず、ピストン部材の変形を防
ぎ、ケーシング内でのピストン部材の摺動に悪影響が及
ばないようにしている。スリットを有するケーシング内
に波座金と円環板の積層体を収容する点は、前記の実施
例と同様である。

【００１９】図６のＡではケーシング８０内に多数の波
座金８１と円環板８２との積層体を収容し、下端に下部
液体溜め８３と気体室８４を設け、ピストン部材８５の
上部に上部液体溜め８６を設ける。ピストン部材８５の
中央を貫通するように案内棒８７を設け、その鍔部にス
プリング８８を取り付けて重錘８９を受けるようにす
る。落下してきた重錘８９は、上部液体溜め８６の液体
（例えば水）に衝撃を与える。液体は非圧縮性であるた
め、その落下衝撃力は液体を介してピストン部材８５に
伝達され、該ピストン部材８５を押し下げる。これによ
って波座金８１が偏平に変形し、内部の孔内水を外部に
放出させ、孔壁に弾性波を発生させる。この点は前記実
施例の場合と同様である。重錘８９の落下の際の落下衝
撃力は案内棒８７とケーシング８０で受け、その後の重
錘８９の降下によってピストン部材８５に当たらないよ
うにスプリング８８で受けることになる。気体室８４中
の気体（例えば空気）は、その圧縮によりピストン部材
８５の降下を吸収する機能を果たす。

【００２０】図６のＢではケーシング９０内に多数の波
座金９１と円環板９２との積層体を収容し、下端に下部
液体溜め９３と気体室９４を設け、ピストン部材９５の
上部に上部液体溜め９６を設ける。上部液体溜め９６の
上面はゴム膜９７で覆い、それで重錘９９を受けるよう
にする。落下してきた重錘９９は、ゴム膜９７を介して
上部液体溜め９６の液体（例えば水）に衝撃を与える。
その落下衝撃力はピストン部材９５に伝達され、該ピス
トン部材９５を押し下げ、波座金８１が偏平に変形し、
内部の孔内水を外部に放出させる。

【００２１】図６に示す各実施例の場合、気体室を設け
る代わりに、独立気泡の圧縮体（例えばスポンジのよう
なもの）を下部液体溜めに設置し、圧縮体内部の独立気
泡の変形を利用してピストン部材の降下を吸収すること
も可能である。特に、重錘落下性能の向上のため、ケー
シング上部空間を真空にするような場合は、上記のよう
な独立気泡の圧縮体を下部液体溜めに設置する構成が好
ましい。

【００２２】図７は本発明の更に他の実施例の要部説明
図である。開口部を有するケーシングに代えて、各円環
板４１の周辺位置に複数（ここでは３個）の穴４３を穿
設して、その穴４３に、その穴径よりも遙に小径のガイ
ドロッド４３を挿通する構成としている。これによって
各円環板４１をその面内での移動が規制されるように保
持する（図７のＡ）。また図７のＢに示すように、波座
金に代えて、ゴム状物質からなるリング３９を用いても
よい。このリング３９は、Ｏリングのように断面円形で
もよいし、ゴムブッシュのように断面矩形でもよい。重
錘落下の衝撃によって収縮変形し、その後元の形状に復
帰しうるような材料であれば使用可能である。このよう
なリング３９は、全周にわたって高さが一定であるか
ら、波座金の場合のような開口部を有するケーシングや
ガイドロッドは必ずしも設けなくてもよい。周囲に小孔
をもたない単なる円環板４０を用い、中央部を貫通する
案内棒のみでも綺麗な積層状態を維持できる。

【００２３】本発明は上記のような構成のみに限定され
るものではない。弾性部材としては上記波座金やゴム製
リングに代えて板バネなどであってもよい。ケーシング
の周壁面に形成する開口部の形状や形成位置なども、発
生させる振動の指向性などに応じて適宜変更してよい。
案内棒の有無や形状、ピストン部材の形状なども、装置
構成に応じて適宜変更できる。重錘の掴み離し機構、引
上げ保持・解放機構、重錘に下向きの弾撥力を付与する
スプリング機構なども、装置構成に応じて適宜変更して
よい。

【００２４】

【発明の効果】本発明は上記のように、多数の板材と弾
性部材を交互に積層し、重錘を落下させて衝突させ、弾
性部材の変形により板材間の孔内水を外方へ放出させ振
動を発生させるよう構成したから、重錘重量や落下距離
を大きくしたりスプリングなどで駆動することで落下エ
ネルギーを大きくでき、その結果、小さなケーシング口
径でも大きな起振力を発生させるとができる。また発生
する振動は高周波成分を多く含むため、分解能が向上す
る。それ故、孔間速度測定などを行う場合、孔間距離を
大きくとることができ、少数のボーリング孔を掘削する
だけで、広い地盤にわたっての地盤振動特性を正確に把
握することが可能となる。また火薬などを使用しないた
め、安全で且つ使い易く、孔壁を破壊する虞もなく、例
えばトモグラフィーの技法には最適な孔内振源である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る重錘落下式孔内振源の概略構成
図。

【図２】本発明に係る孔内振源の一実施例を示す説明
図。

【図３】そのケーシングの一部破断斜視図。

【図４】波座金と円環板の積層状況を示す分解斜視図。

【図５】本発明の孔内振源の使用状態の一例を示す説明
図。

【図６】本発明の他の実施例を示す説明図。

【図７】本発明の更に他の実施例の要部説明図。

【符号の説明】

１０筒状ケーシング１２開口部１４板材１６バネ部材１８積層体２０ピストン部材２２重錘

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】弾性部材と板材とを交互に多数積層した
積層体と、該積層体の上方に位置し該積層体に向かって
落下する重錘とを具備し、前記板材の間に存在している
孔内水に衝撃を与え、該孔内水を外向きに放出させて孔
壁に弾性波を発生させる形式の重錘落下式孔内振源。
【請求項２】筒状ケーシングと、弾性部材と板材とを
交互に多数積層して該筒状ケーシング下方に設けた積層
体と、該積層体の上部に位置し筒状ケーシング内を上下
動自在のピストン部材と、筒状ケーシング内で上方から
前記ピストン部材に向かって落下する重錘とを具備し、
前記板材の間に存在している孔内水に衝撃を与え、該孔
内水を外向きに放出させて孔壁に弾性波を発生させる形
式の重錘落下式孔内振源。
【請求項３】周壁面下部に開口部を有する筒状ケーシ
ングと、弾性部材と板材とを交互に多数積層して該筒状
ケーシング内下部に収容した積層体と、該積層体の上部
に位置し筒状ケーシング内を摺動自在のピストン部材
と、筒状ケーシング内で上方から前記ピストン部材に向
かって落下する重錘とを具備し、前記板材の間に存在し
ている孔内水に衝撃を与え、該孔内水を外向きに放出さ
せて孔壁に弾性波を発生させる形式の重錘落下式孔内振
源。
【請求項４】弾性部材がバネ性を有する波座金であ
り、該波座金と金属製の円環板とを交互に十〜数十枚積
層した請求項１、２又は３記載の孔内振源。
【請求項５】弾性部材がゴム状物質からなるリング状
体であり、該リング状体と金属製の円環板とを交互に十
〜数十枚積層した請求項１、２又は３記載の孔内振源。
【請求項６】筒状ケーシング内の上端に重錘の引上げ
保持・解放機構と、重錘に下向きの弾撥力を付与するス
プリング機構を設けた請求項２又は３記載の孔内振源。
【請求項７】ピストン部材の上部に液体溜まりを設
け、その液体を介して重錘の落下衝撃力をピストン部材
に伝達する請求項１、２又は３記載の装置。