JP3023508B1 - 打診音による弾塑性体の物性評価方法 - Google Patents

打診音による弾塑性体の物性評価方法

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JP3023508B1 JP11019062A JP1906299A JP3023508B1 JP 3023508 B1 JP3023508 B1 JP 3023508B1 JP 11019062 A JP11019062 A JP 11019062A JP 1906299 A JP1906299 A JP 1906299A JP 3023508 B1 JP3023508 B1 JP 3023508B1
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
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Abstract

【要約】 【課題】 弾塑性体をハンマー等で打診し、その打診音
波形を捕らえ、とくにその初期成分の振動特性を分析す
ることで、弾塑性体の性質や条件を定量的に評価できる
打診音による物性評価方法を提供する。 【解決手段】弾塑性体の供試体Sに鋼球2を落下させ、
マイクロフォン3で打診音波形を捕らえる。この波形を
アンプ4で増幅した後にデータ記録器5に集録し、その
振動特性を波形分析器6で分析する。その分析データに
応じて弾塑性体の性質や条件を定量的に評価表示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、弾塑性体の物性評
価方法に関し、とくに弾塑性体の供試体をハンマー等で
打叩して生じた打診音の波形を分析することにより、そ
の物性を評価する方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来技術の一例として、岩盤を対象に地
質調査を実施したり、なんらかの工事を実施しようとす
る場合には、岩盤の性質や条件を合理的に評価する必要
がある。そのため、複雑な様相を呈する岩盤の性質や条
件を簡潔な形で表現する手段として、岩盤分類が行われ
る。この岩盤分類に良く用いられる分類要素には、一軸
圧縮強度、割れ目間隔、弾性波速度、RQD、スレーキ
ング特性などがある。また、簡易な指標を用いた分類要
素の一つとして、ハンマー打診による岩石強さの判定が
ある。この判定はすべての岩盤調査の段階で行われ、定
性的な表現で岩盤分類に用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ハンマー打診による岩
石強さの判定は、現場的に簡易な方法であるので、定性
的な分類要素として、利用価値が極めて高いというメリ
ットがある。しかしながら、この判定結果は、定性的な
表現に止まり定量的ではなく、判定者の経験と勘に依存
し、個人差による誤差が生じるという問題があった。本
発明は、上記のような実状に鑑みてなされたものであ
り、ハンマーの打診音を音圧波形として捉え、その振動
特性を分析することにより、岩盤の性質や条件を定量的
に評価できることを見い出し、本発明をするに至った。
すなわち、本発明は、評価の際の個人差を無くし定量的
な判定から得られる打診音による弾塑性体の物性評価方
法を提供することを目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、弾塑性体の供試体をハンマー等で打診
し、この打診音を波形信号に変換し、この波形信号のう
ち初期成分の振動特性を分析して応答音圧パルス勾配を
得て、この応答音圧パルス勾配を判定指標とすることに
より弾塑性体の物性を評価することを特徴とする。
【0005】
【発明の実施の形態】モルタルブロックのような弾塑性
体をハンマーで叩けば、打診音が反射的に生じる。この
打診音の主な発生機構は、ハンマーと被打診物との衝突
時の急激な弾塑性変形による音響放射と、その後のハン
マーと被打診物に各々生じる自由振動や内部共振による
音響放射とに分けられる。前者の成分は、被打診物の材
質的特性を主に反映し、後者の成分は、ハンマーや被打
診物の形状寸法及び境界条件等の物理的特性に強く支配
されていると思われる。そこで本発明者らは鋭意研究の
結果、打診音の波形のうち、とくに前者の成分に注目し
て、初期成分の振動特性の分析を行なった。その分析結
果から、岩盤分類の定量的な判定指標の一つとして、打
診音による岩盤評価方法を提案する。
【0006】本発明で言う弾塑性体の供試体には、岩
盤、岩石、コンクリートに加えて、その他の自然鉱物又
は人工鉱物が含まれる。例えば、供試体の性質や条件と
しては、例えば、弾性係数、一軸圧縮強度、割れ目間
隔、単位体積重量などがあげられる。
【0007】実際の測定手順は、図11に示すように、
まず岩石等の供試体Sをハンマー2で打診し、発生した
打診音をマイクロフォン3で電気的な波形信号として捕
らえる。次いで、この波形信号をアンプ4等で増幅した
後、これをデータ信号としてデータ記録器5に集録す
る。集録されたデータ信号の参考例として、新第三紀鮮
新世の砂岩CH級〜CM級、D級の波形を、それぞれ図
12(a)、(b)に示す。このような波形を対象にし
て、その振動特性を波形分析器6で分析することによ
り、供試体Sの性質や条件の評価が可能になり、その結
果は出力表示器7より定量的なグラフ及び数値として出
力される。
【0008】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図1に示すように、供試体Sとして人工的に岩石
を製作してマット1の上に載置し、供試体Sの表面にハ
ンマー手段として鋼球2を落下させ、マイクロフォン3
で打診音波形を捕らえ、アンプ4で増幅した後にデータ
記録器5に集録し、その振動特性を波形分析器6で分析
することで、打診音波形と供試体Sの基本的性質の関係
を、出力表示器7により表示するようにしたものであ
る。尚、8は落下点近くの供試体S上に設置され、上下
方向加速度を測定する加速度計である。
【0009】図1では、サイズ300mm×300mm
×200mmの供試体Sを打診し、打診音波形、すなわ
ち、音圧の時刻歴変化と、供試体表面での上下方向加速
度の時刻歴とを同時に測定した。打診は、供試体Sの中
央部付近に鉛直上方から、大きさの異なる4種類の鋼球
2を落下させて行なった。それぞれの落下高さhは、供
試体Sに与えるエネルギーが一定になるように設定し
た。供試体Sとしては、セメントモルタルと、セメント
ベントナイトモルタルの合計14種類(M1〜M7、B
1〜B7)を製作した。各供試体Sの成分配合を表1に
示す。また、前記各供試体Sと同じ成分配合の円柱状供
試体を製作した。この円柱状供試体から得られた物理量
と力学的特性を、表2に示す。さらに、前記4種類の鋼
球2の大きさ等を表3に示す。
【0010】
【表1】
【0011】
【表2】
【0012】
【表3】
【0013】この実験では、上記14種類の供試体につ
いて、4種類の鋼球2を各10回ずつ合計560(14
×4×10)回落下させて打診した。これらのうち供試
体(M7、B4)の2例を、それぞれ図2(a)〜
(e)、図3(a)〜(e)に示す。図2中及び図3
中、(a)は音圧原波形図、(c)はその周波数解析と
してのパワースペクトル図である。また、同図中の
(b)は供試体表面での上下方向加速度波形図、(d)
はそのパワースペクトル図である。これらの図から
(c)と(d)双方のパワースペクトルの卓越振動数は
ほぼ一致していることが判る。
【0014】被打診物の材質特性は、主に音圧原波形の
初期の部分に反映されると考えられ、同図中の(e)示
すにように、初期の音圧原波形の中でも、とくに立ち上
がりの勾配に着目した。この立ち上がりの勾配は、音圧
の時間的変化に相当するもので、空気の音速度約340
m/sと鋼球2の音速度約5000m/sの違いから、
音圧原波形の初期の部分には、打診直後に鋼球2中に最
初に伝播してくる音波、すなわち、「被打診物の材質特
性を含んだ音圧」が現れてくると考えられる。被打診物
固有の材質特性を特異的に示唆するシグナルとして、音
圧原波形の初期部分の立ち上がりの勾配を、以下、「応
答音圧パルス勾配」という。
【0015】図1に示した鋼球を用いた実験から得られ
た140個の音圧波形について、周波数解析を行って、
パワーの大きいものから順番にpawer1、pawe
r2、…と名付け、4個の卓越振動数をとった。この卓
越振動数と応答音圧パルス勾配との関係を図4に示す。
また、この中で最もパワーの大きなpawer1だけ取
り出したものを図5に示す。これらの図より明らかなよ
うに、打診音の卓越振動数と応答音圧パルス勾配との間
には、密接な関係があると言える。したがって、応答音
圧パルス勾配は、打診音の振動数特性を表現する指標の
一つになり得ると考えられる。
【0016】一般に供試体の物性値としては、単位体積
重量、縦波伝播速度、静ポアソン比、一軸圧縮強度、弾
性係数、動弾性係数等があるが、落下エネルギー一定条
件下での供試体の各物性値と応答音圧パルス勾配との相
関関係を、図6、図7、図8のグラフに示す。同グラフ
では、横軸に応答音圧パルス勾配をとり、縦軸に供試体
の各物性値をとっている。尚、グラフ中Rは相関係数を
表す。ここに、静ポアソン比は一軸圧縮強度の1/3の
応力状態における値であり、動弾性係数は単位体積重
量、縦波伝播速度及び静ポアソン比の値を用いて計算し
た。これらのグラフから明らかなように、供試体の各物
性値と応答音圧パルス勾配との相関関係に程度の差が若
干あるものの、総じて応答音圧パルス勾配は、供試体の
物性値を評価する指標の一つになり得ると考えられる。
【0017】上記の実験結果は、供試体をマットに載せ
た状態で打診したものである。そこで、次に供試体をマ
ット上ではなく砂土槽の中に埋め込んで、境界条件を変
えた打診音実験を試みた。ここでは、供試体(B4)を
一例として、これをマットに載置した場合と、砂土槽の
中に埋め込んだ場合とで比較し、両方の実験結果から得
られた音圧原波形図、パワースペクトル図、音圧原波形
の初期の部分の拡大図を、それぞれ図9中及び図10中
の(a)、(b)、(c)に示す。
【0018】これらの図から明らかなように、音圧原波
形の初期部分は似ているものの、それ以降は境界条件に
よって大きく変わることが判る。また、音圧原波形の振
動数特性は、卓越振動数のパワーやピークの鮮明度に差
が生じることが判る。その一方で、応答音圧パルス勾配
は変化が少なく、ほぼ一定であるといえる。
【0019】以上のように、岩盤分類の指標の一つであ
るハンマー打診音について、音圧原波形の立ち上がり部
分を分析することで、得られた応答音圧パルス勾配を一
つの指標として、岩石や岩盤の力学的性質や物性値を定
量的に評価することができ、極力個人差のない信頼度の
高い客観的判定データが得られる。
【0020】尚、本実施例では供試体として、セメント
モルタル又はセメントベントナイトモルタルを配合した
ものを用いて、これを鋼球で打診したが、これと異なる
成分配合の岩石等をハンマーで打診しても、上記と同様
の実験結果が得られ、岩石等の性質や物性値を正確に定
量評価できた。
【0021】
【発明の効果】本発明によれば、弾塑性体の物性評価に
おいて、打診音の波形のうち初期成分の振動特性を分析
して、固有の材質特性を特異的に示唆する応答音圧パル
ス勾配を得て、これを判定指標とするようにしたので、
判定結果に個人差が生じるおそれないことはもとより、
境界条件に左右されずに、岩盤の力学的性質や物性値
例えば単位体積重量、縦波伝播速度、静ポアソン比、一
軸圧縮強度、弾性係数、動弾性係数等の定量的評価を的
確に行うことができる。加えて、簡単な手順で岩盤を評
価できるので、地質調査や土木工事等を行う際に広範に
実施でき、現場に熟練の判定者がいなくても、岩盤の基
本的材質特性を簡単に客観評価できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る測定装置を示す概念構成図であ
る。
【図2】本実施例に係る供試体M7の波形図を示し、
(a)は音圧波形図、(c)はそのパワースペクトル
図、(b)は供試体表面での上下方向加速度波形図、
(d)はそのパワースペクトル図、(e)は音圧原波形
の初期部分の拡大図である。
【図3】本実施例に係る供試体B4の波形図を示し、
(a)は音圧原波形図、(c)はそのパワースペクトル
図、(b)は供試体表面での上下方向加速度波形図、
(d)はそのパワースペクトル図、(e)は音圧原波形
の初期部分の拡大図である。
【図4】本実施例に係る音圧波形の卓越振数と応答音圧
パルス勾配との関係を示す特性図である。
【図5】本実施例に係る音圧波形の最大パワー卓越振動
数と応答音圧パルス勾配との関係を示す特性図である。
【図6】本実施例に係る供試体の各物性値と応答音圧パ
ルス勾配の相関関係を示すグラフであり、(a)は同勾
配と単位体積重量の関係図、(b)は同勾配と縦波伝播
速度の関係図である。
【図7】本実施例に係る供試体の各物性値と応答音圧パ
ルス勾配の相関関係を示すグラフであり、(c)は同勾
配と静ポアソン比の関係図、(d)は同勾配と一軸圧縮
強度の関係図である。
【図8】本実施例に係る供試体の各物性値と応答音圧パ
ルス勾配の相関関係を示すグラフであり、(e)は同勾
配と弾性係数の関係図、(f)は同勾配と計算で求めた
動弾性係数の関係図である。
【図9】マットに載せた供試体B4の波形図を示し、
(a)は音圧原波形図、(b)は音圧パワースペクトル
図、(c)は音圧原波形の初期部分の拡大図である。
【図10】砂土槽に埋めた供試体B4の波形図を示し、
(a)は音圧原波形図、(b)は音圧パワースペクトル
図、(c)は音圧原波形の初期部分の拡大図である。
【図11】本発明に係る測定評価装置を概念的に説明す
る構成図である。
【図12】データ記録器に集録したデータ波形参考図を
示し、(a)は新第三紀鮮新世の砂岩CH級〜CM級の
打診音波形図、(b)は砂岩D級の打診音波形図であ
る。
【符号の説明】
1 マット 2 鋼球(ハンマー) 3 マイクロフォン 4 アンプ 5 データ記録器 6 波形分析器 7 出力表示器 8 加速度計 S 供試体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 29/12 G01N 3/30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】弾塑性体の供試体をハンマー等で打診し、
    この打診音を波形信号に変換し、この波形信号のうち初
    期成分の振動特性を分析して応答音圧パルス勾配を得
    て、この応答音圧パルス勾配を判定指標とすることによ
    弾塑性体の物性を評価することを特徴とする打診音に
    よる弾塑性体の物性評価方法。
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