JP3571968B2

JP3571968B2 - グランドアンカー診断方法

Info

Publication number: JP3571968B2
Application number: JP24901999A
Authority: JP
Inventors: 建生孫; 隆久塩月; 良仁今枝
Original assignee: 株式会社青木建設
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 1999-09-02
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2019-09-02
Also published as: JP2001074706A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、グランドアンカー診断方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、グランドアンカーの定着部の健全度、緊張力、損傷部の位置を診断する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
グランドアンカーは、構造部材を用いて土留め構造物や建物からの引っ張り力を地盤に伝達させ、建造物の基礎や斜面、擁壁、大型地下構造物の安定、地すべり抑止などを行うことを目的とする工法である。
【０００３】
グランドアンカーを新設する際の品質が低いと、定着部と地盤との分離が生じ、これが原因で緊張力に緩みが生じる。また、施工後、時間の経過とともに、地すべり、斜面変形などの地盤の変動が原因で定着部と地盤の分離が発生したり、また、地下に浸透する雨水や涌き水の影響により自由部にさびや欠損が発生じたりすることがあり、これらが構造物の安全性を脅かすものとなる。防災上、新設施工時や、施工後において、定期的なグランドアンカーの診断を行う必要がある。
【０００４】
従来、グランドアンカーの診断方法として、緊張力の測定が行われてきた。緊張力の測定は、引っ張り材にひずみゲージを設置し、測定されるひずみの値から緊張力を算出する方法と、ロードセルにより荷重を測定し、荷重の値から緊張力を算出する方法とが、代表的である。前者の方法に関しては、引っ張り材がＰＣ鋼棒である場合以外、ひずみゲージの設置が困難であり、ＰＣ鋼線、より線、または繊維系の素材に対して適用することは不可能である。また、後者の方法に関しては、定量的な測定が不可能であり、なによりも設置の状態に依存する誤差が大きいことから、実用的とは言い難い。さらには、それぞれの方法を実施するためには、測定を行うために大掛かりな装置が必要となることから、実施のためのコストや時間的制約が大きく、また、測定環境によっては実施が不可能であることなどが問題となっている。
【０００５】
この問題を解決すべく超音波パルスによる緊張力診断法が提案されている（特開平７−１１３２３１）。超音波による緊張力診断法は、超音波が金属棒中を伝播するときに、金属棒に対する引っ張り応力が大きくなると、超音波の伝播速度が低くなるという現象に基づくものであり、小型の測定装置で容易に行うことが可能であるという特長を持つ。しかしながら、引っ張り応力の増大に伴う伝播速度の変化が非常に小さく、その変化が引っ張り材の直径に比例することから、伝播速度が測定可能となる条件が制約され、引っ張り材がＰＣ鋼線、より線、繊維系の新素材などである場合には適用不可能である。また、グランドアンカーの自由部が、測定の誤差の原因になることも問題となっており、以上を考慮すると、この方法も実用的とは言いがたい。
【０００６】
一方で、防災に対する取り組みに対する関心が高まっており、アンカーの診断においても、引っ張り応力による診断だけではなく、自由長や固定長、定着具合、定着部の欠損位置、損傷度など、多岐にわたる診断項目を明らかにすることが可能となる診断方法が求められている。グランドアンカーは地中埋設物であるという性質上、定着部と地盤の分離の様子や自由部のさびや欠損を、掘りおこすことなく、目視によって確認することはできない。ボーリング孔を削孔し、孔中にボアホールカメラなどを設置し、地盤中を確認する方法もあるが、非常に多くの時間と労力を必要とするという問題がある。
【０００７】
そこでこの出願の発明は、以上のとおりの従来技術における欠点を克服し、容易、かつ、正確にグランドアンカーを診断可能な、新しいグランドアンカー診断方法を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、打撃装置を用いてアンカー頭部又はアンカー頭部近傍を打撃し、アンカー頭部又はアンカー頭部近傍に設置した振動センサーにより、アンカーの軸水平方向の振動に関する経時変化を測定し、次いで、この測定された信号を周波数解析することにより、アンカーの持つ固有振動周波数を求め、この固有振動周波数より算出されたアンカーの軸水平方向の剛性を算出し、あらかじめ計算された健全なアンカーの軸水平方向の剛性との比較によりアンカー定着部の健全度を診断することを特徴とするグランドアンカー診断方法を提供する。
【００１１】
この出願の発明は、第２には、診断対象とするアンカーの引張り材として、ＰＣ鋼線、ＰＣ鋼より線、多重ＰＣ鋼より線、ＰＣ鋼棒、炭素繊維、アラミド繊維のいずれかを使用することを特徴としてもいる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この出願の発明のグランドアンカー診断方法は、例えば、図１に例示した装置を用いて実施される。打撃装置（１）をアンカー頭部またはアンカー頭部近傍（２）に打ちつけ、その振動を振動センサー（３）で受信し、信号はアンプ（４）で増幅され、計測記録装置（５）によって測定および記憶がなされる。さらに、この計測記録装置（５）は、コンピュータ（６）に接続してもよく、このコンピュータ（６）により、データの解析を行うことができる。振動センサーには、例えば高感度の圧電センサーなどが用いられる。
【００１３】
打撃装置を用いて打撃をする際の打撃個所や振動センサーの設置個所は、アンカーの種類によって異なり、アンカー頭部を保護するキャップを外せる場合には、アンカー頭部を保護するキャップを外し、アンカー頭部に振動センサーを設置し、アンカー頭部近傍を打撃する。アンカー頭部を保護するキャップを外せない場合には、アンカー頭部近傍、例えば支圧板や台座に振動センサーを設置し、振動センサー近傍のアンカー頭部を打撃する。また、アンカー頭部が構造物のコンクリートにより覆われている場合には、コンクリート表面に振動センサーを設置し、振動センサー近傍のコンクリート表面を打撃する。
【００１４】
この出願の発明のグランドアンカー診断方法において、第１の実施形態として、振動センサーにより測定されるのは、アンカーの軸水平方向の振動に関する経時変化である。このとき、この測定信号を周波数解析することにより、測定対象であるアンカーの軸水平方向の固有振動周波数が求められる。この軸水平方向の固有振動周波数より求められる固有角周波数ωにより、例えば、次式（Ｉ）
【００１５】
【数１】
【００１６】
ｍ：単位長さあたりの密度
Ｅ：動的弾性係数
Ａ：断面積
によりアンカーの軸水平方向の剛性Ｋ_ｄを算出することが可能である。アンカーの軸水平方向の剛性Ｋ_ｄはアンカーの固定状態の優劣、すなわち定着部の健全度をあらわすものであり、あらかじめ理論計算もしくは実験によりプロファイルされた健全なアンカーの軸水平方向の剛性Ｋ_ｄと測定データからの算出値とを比較することによって、アンカー定着部の健全度が判断される。
【００１７】
この出願の発明のグランドアンカー診断方法において、第２の実施形態として、振動センサーにより測定されるのは、アンカーの軸垂直方向の振動に関する経時変化である。このとき、この測定信号を周波数解析することにより、測定対象であるアンカーの軸垂直方向の固有振動周波数が求められる。アンカーの軸垂直方向の固有振動周波数は、アンカーの軸水平方向の固有振動周波数と比較して非常に小さいため、両者の分離は簡単に行うことが可能である。例えば、自由長部が長さ１０ｍのアンカーに関しては、アンカーの軸垂直方向の固有振動周波数は、アンカーの軸水平方向の固有振動周波数の約１／１００以下である。
【００１８】
アンカーの軸垂直方向の固有振動周波数により、アンカーの緊張力を導出する方法の例を以下に示す。固有振動周波数より求められる固有角周波数ω、アンカーの弾性係数Ｅ、アンカーの断面２次モーメントＩ、アンカーの単位長当たりの質量ｍ、および、アンカーの緊張力Ｎから以下の式（ＩＩ）（ＩＩＩ）によりａおよびｑを求める。
【００１９】
【数２】
【００２０】
【数３】
【００２１】
さらに、ａおよびｑから、次式（ＩＶ）（Ｖ）によりδおよびεを求める。
【００２２】
【数４】
【００２３】
【数５】
【００２４】
δおよびεとアンカー長Ｌとの間には次式（ＶＩ）
【００２５】
【数６】
【００２６】
が成立し、これをδ又はεについて解き、さらにqについて解くことによりアンカーの緊張力に関する診断が可能となり、さらにアンカー緊張力に関して診断することができる。
さらに、この出願の発明のグランドアンカー診断方法において、第３の実施形態として、固有振動周波数による損傷部の位置を推定することも可能である。まず、振動センサーにより測定されるアンカーの軸水平方向及び軸垂直方向の振動に関する経時変化を周波数解析することにより、測定対象であるアンカーの軸水平方向及び軸垂直方向の振動固有振動周波数を求める。損傷によりアンカーの固有振動周波数が変化することを利用し、測定対象であるアンカーの固有振動周波数とあらかじめ算出しておいた正常なアンカーの固有振動周波数とを、高次の固有振動モードわたり、比較することにより、アンカーの損傷部の位置を把握することが可能となる。具体的には、測定対象であるアンカーの固有振動周波数／正常なアンカーの固有振動周波数変化率として定義し、各固有振動モードにおける周波数を周波数変化率の分布を繰り返し演算により理論数値計算の結果と適合させることにより、損傷部位の推定がなされる。結果的に、この損傷部の位置の観点からアンカーの健全度を診断することができる。
【００２７】
この出願の発明のアンカー診断方法においては、診断対象であるアンカーの引張り材としては、従来多く用いられてきたＰＣ鋼棒に限定されるものではなく、従来のＰＣ鋼棒以外にも、ＰＣ鋼線、ＰＣ鋼より線、多重ＰＣ鋼より線、炭素繊維、アラミド繊維などあらゆる材料が使用可能であり、したがって、診断対象をこれらＰＣ鋼棒以外の引張り材で構成されたアンカーに対しても広げることができる。
【００２８】
この出願の発明は、以上の特徴を持つものであるが、以下に実施例を示し、さらに具体的に説明する。
【００２９】
【実施例】
実施例１
この出願の発明のグランドアンカー診断方法により、酸性水湧水および斜面の変位が原因となって損傷したアンカーの診断を実施した。
【００３０】
診断対象のアンカーはより線構造であり、自由長部の長さが７ｍ、定着部の長さが１０ｍ、直径がφ１５０ｍｍである。診断の際の打撃方法はハンマー打撃であり、センサーには高感度圧電センサーを、また、計測記憶装置にはディジタルオシロスコープを用い、プリアンプおよびメインアンプにより増幅した信号を測定した。
【００３１】
図２は、測定される振動の経時変化であり、時刻ａからｂまでの間は反射波による信号成分が卓越する時間帯である。時刻ｂからｃは振動による信号成分が支配的な時間帯であり、図３は、時刻ｂからｃの時間帯に関して、フーリエ変換による周波数解析を行った結果である。ピークＡは、アンカーの軸水平方向の固有振動周波数における基本モードを、またピークＢはアンカーの軸垂直方向の固有振動周波数における基本モードを示すものであり、アンカーの軸垂直方向の固有振動周波数と軸水平方向の固有振動周波数とは、異なる周波数帯域を有し、両者の分離および検出が容易に行われることを示している。
実施例２
これは、請求項３にある損傷位置の特定に関する実施例であり、アンカーの自由長の長さを１０ｍ、断面の損傷率を０．６６７に設定した場合において、損傷位置が軸水平方向の高次固有振動周波数変化率に与える影響に関して、数値シミュレーションを行った結果について示す。ここで、損傷がそれぞれ、アンカーの頭部から、５ｍ、７．５ｍ及び９．６ｍの各位置にあると設定したものである。
【００３２】
図４は、損傷がアンカー頭部から５ｍの位置、すなわち損傷がアンカーの自由長の中央にある場合における、各振動モードの周波数変化率である。振動モードに関して１次毎の周期で、周波数変化率が変化していることがわかる。図５は、このときの自由長における固有振動モード（破線）と正常な場合の固有振動モード（実線）を示したもので、アンカーの損傷が自由長の真中にあるために、波形の分布が左右対称となり、また、アンカーの損傷が固有振動周波数に影響を与えることがわかる。
【００３３】
図６は、損傷がアンカー頭部から７．５ｍの位置にある場合における、各振動モードの周波数変化率である。図４と比較して、周波数変化率に関する振動モード毎の変化の周期が異なることがわかる。図７は、このときの自由長における固有振動モード（破線）と正常な場合の固有振動モード（実線）を示したもので、アンカーに損傷があることによって、波形の分布が非対称となり、固有振動周波数に影響を与えることがわかる。
【００３４】
図８は、損傷がアンカー頭部から９．６ｍの位置、すなわち、自由長と定着部の境界にある場合における、各振動モードの周波数変化率である。このとき、高次の振動モードに移行するに連れて、周波数変化率が滑らかに変化する様子がわかる。図９は、このときの自由長における固有振動モード（破線）と正常な場合の固有振動モード（実線）を示したもので、図６と同様に、損傷があることによって、波形の分布が非対称となり、固有振動周波数に影響を与えることがわかる。
【００３５】
以上より、アンカーの損傷部の位置が、各固有振動レベルにおける固有振動周波数に影響し、これを利用することにより、損傷部の位置を推定することが可能であると考えられる。
【００３６】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明によれば、アンカー軸水平方向の振動に関する経時変化の測定に基づくアンカーの剛性やアンカー軸垂直方向の振動に関する経時変化の測定に基づく緊張力の測定によって、アンカーの固定状態の優劣を診断することが可能となると共に、アンカーの軸水平方向及び軸垂直方向の振動に関する経時変化の測定に基づく固有振動数の測定から健全なアンカーの測定基準値との対比によって、アンカーを構成する各部位の境界およびアンカーの老朽化による亀裂や破損箇所の位置を検出し、アンカーの健全度を診断することが可能となる。この出願の発明は、防災に関して貢献するものであり、施工時や施工後の定期的な品質管理に対して有効な手法として、その応用開発が期待される。さらに、診断対象を従来使用できなかったＰＣ鋼棒以外の引張り材で構成されたアンカーに対しても広げることが可能となった。
以上のように、この出願の発明によって、地下構造物であるグランドアンカーを表面から叩くだけで、アンカーの剛性の計算からアンカーの固定部の固定状態が把握でき（請求項１）、またアンカーの緊張力の計算からも、アンカーの固定状態が把握でき（請求項２）、さらに、損傷と認めれば、高次固有振動数の計算値が計算値に対する変化率から、アンカーの損傷位置まで特定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方法とその装置構成を示した概略図である。
【図２】この発明の実施例において測定された振動の経時変化を示す図である。
【図３】この発明の実施例において測定された振動の経時変化データを周波数解析した結果を示す図である。
【図４】この発明の実施例において、損傷がアンカー頭部から５ｍの位置にある場合の各振動モードの周波数変化率を示した図である。
【図５】この発明の実施例において、損傷がアンカー頭部から５ｍの位置にある場合の各振動モードを示した図である。
【図６】この発明の実施例において、損傷がアンカー頭部から７．５ｍの位置にある場合の各振動モードの周波数変化率を示した図である。
【図７】この発明の実施例において、損傷がアンカー頭部から７．５ｍの位置にある場合の各振動モードを示した図である。
【図８】この発明の実施例において、損傷がアンカー頭部から９．６ｍの位置にある場合の各振動モードの周波数変化率を示した図である。
【図９】この発明の実施例において、損傷がアンカー頭部から９．６ｍの位置にある場合の各振動モードを示した図である。
【符号の説明】
１打撃装置
２アンカー頭部近傍
３振動センサー
４アンプ
５計測記録装置
６コンピュータ

Claims

打撃装置を用いてアンカー頭部又はアンカー頭部近傍を打撃し、アンカー頭部又はアンカー頭部近傍に設置した振動センサーにより、アンカーの軸水平方向の振動に関する経時変化を測定し、次いで、この測定された信号を周波数解析することにより、アンカーの持つ固有振動周波数を求め、この固有振動周波数より算出されたアンカーの軸水平方向の剛性を算出し、あらかじめ計算された健全なアンカーの軸水平方向の剛性との比較によりアンカー定着部の健全度を診断することを特徴とするグランドアンカー診断方法。
請求項１において、診断対象とするアンカーの引張り材として、ＰＣ鋼線、ＰＣ鋼より線、多重ＰＣ鋼より線、ＰＣ鋼棒、炭素繊維、アラミド繊維のいずれかを使用することを特徴とするグランドアンカー診断方法。