JP3740609B2

JP3740609B2 - 弾性波速度測定方法及び測定システム

Info

Publication number: JP3740609B2
Application number: JP2002248075A
Authority: JP
Inventors: 透安部; 美治浅香
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004085408A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は材料内を弾性波の伝播速度を測定する方法とシステムに関し、特に地盤弾性波速度の測定に際し、基礎地盤が浅い場合や挟み層が介在している地盤における弾性波速度を高い精度で求めるために、地盤の深度方向の弾性波速度を正確に測定するために適用される弾性波測定方法と測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地盤の速度検層等においては、地盤を伝播する弾性波の速度を正確に求める必要がある。地盤内を伝播する弾性波の速度の測定は、図７に示すように、計測装制御部５０内のパルス発生器５１、アンプ５２を介して、地盤内の所定深さに設置された発振センサ６０Ｓからパルス振動を発振し、このパルス振動をその上部深さＬだけ離れた位置に設置された受信センサ６０Ｒで受信して、地盤を伝播する時間Δｔを求め、この時間Δｔから地盤を伝わる弾性波の速度を求める方法が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
伝播時間Δｔを測定するためには、図８に示すように、発振センサ６０Ｓの発振波形と受信センサ６０Ｒの受信波形とを対応付けて経時記録し、発振波形の立上りと受信波形の立上りの位置をそれぞれ波形図上で特定し、その時間差を伝播時間Δｔとしていた。
【０００４】
しかし、この手法では、軟弱な地盤では弾性波が大きく減衰し、弾性波の到達時間を読み取ることが困難となる。また、測定精度が、発振センサ及び受信センサと地盤の接触状態に敏感で、計測に時間と手間がかかる場合が多い。更に、到達時間を読みとるには、波形を直截観察して目的とする弾性波かどうかを判断する必要があるため、測定者によっては測定結果が大きく異なる場合があり、測定に熟練した技術者が必要である。
【０００５】
そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、測定地盤の深さ方向に対して容易かつ正確に弾性波速度の測定が行える弾性波速度の測定方法及び測定システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は地盤内の深度方向に沿った所定深さに、発振部、受振部を備えた計測点を設け、該計測点の発振部から、隣接して埋設された対向する計測点に向けて、正弦波を擬似ランダムバイナリパルスにより位相反転させた弾性波を発生させ、地盤内を伝播させて計測点の受振部で検知し、該検知弾性波と前記発生させた弾性波との相関を求め、該相関に基づいて前記弾性波の伝達時間を求め、この伝達時間をもとに前記隣接した計測点間の弾性波速度を求めるようにしたことを特徴とする。これにより、弾性波が大きく減衰し波形が読み取れない場合でも、弾性波速度を求めることができる。また、自己相関の高い遅延時間が複数有る場合は、それぞれの遅延時間について、弾性波速度を求めることを特徴とする。
【０００７】
このとき、あらかじめ予想される弾性波速度による遅延時間の範囲で自己相関の高い、前記所定の遅延時間を弾性波の伝達時間とし、この伝達時間で、前記隣接して埋設された計測点の対向する発振部と受振部との距離を除算することにより、弾性波速度を求めるようにすることが好ましい。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本発明の弾性波速度測定システムは、正弦波を擬似ランダムバイナリパルスにより位相反転させた弾性波を発生させるＰＲＢＳ発振器と位相変調回路とを有する駆動部と、前記弾性波を地盤中に伝播させる発振部と、地盤中を伝播した前記弾性波を受振し、検知信号として出力する受振部とを有し、地盤内の深度方向に沿った複数点に埋設設置される計測点部材と、前記検知信号の波形と前記駆動部で発生させた弾性波との相関を求め、求められた相関値に基づいて前記弾性波の伝達時間を求める測定部とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の地盤深度方向弾性波速度の測定方法の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は基礎地盤１上に広がる速度検層対象地盤２を示している。この地盤は本実施の形態では所定サイクルの盛立、締固め工程を経て図示した盛土高まで盛り立てられている。この形成地盤中の所定位置には図示したように鉛直方向に沿って所定間隔をあけて弾性波速度の計測点ブロック１０が埋設されている。この計測点ブロック１０は各計測対象層に弾性波発振部Ｓ及び弾性波受振部Ｒを配設するためのベース部材である。各計測点ブロックからは信号線１５が導出され、地上の制御部２０まで延長されている。
【００１０】
本実施の形態では、図２（ａ），（ｂ）に示した２タイプの計測点ブロック１０が使用されている。図２（ａ）は直方体状のアクリル製ベースブロック１１の一面に圧電セラミックス振動子１２（以下、発振部Ｓ及び受振部Ｒの振動子１２を区別して示す場合、符号１２Ｒ、１２Ｓとして区別して記す。）が固着された計測点ブロック１０を示している。この振動子１２は図３各図内に符号を付したように、その一端１２ａがベースブロック１１に固定支持された梁長さｌのバイモルフタイプの片持ち梁形状をなし、２枚の振動子１２を板厚ｔとなるように一体的に積層した構造からなる。
【００１１】
この振動子１２の両面に所定の電圧Ｖを印加すると、逆圧電効果により、片持梁の先端１２ｂで（式１）で示す変位ｕを生じる。
【００１２】
ｕ＝Ｋ・ｄ₃₁・（ｌ／ｔ）²・Ｖ …（式１）
ここで、Ｋ：定数，ｄ₃₁：圧電定数
【００１３】
そして地盤中に振動子面が深度方向と平行となるように埋設された計測点ブロック１０の振動子１２に図３（ａ），（ｃ）に示したように正逆交番電圧Ｖを印加することにより、振動子１２Ｓの近傍地盤にＳ波（弾性波）に相当する交番振動を加えることができる。
【００１４】
一方、この埋設された振動子１２Ｒが地盤から所定の振動を受けて片持ち梁が変位する（撓む）と、圧電効果によりその変位方向（図３：素子内矢印方向）に電気分極が生じ、その撓み量に比例した電圧が発生する。したがって、同一形状の計測点ブロック１０を、振動子１２同士が対向するように地盤内に配置し、一方の計測点ブロック１０の振動子１２Ｓを発振部とし、他方の計測点ブロック１０の振動子１２Ｒを受振部とすることができる。両者間の地盤を媒体として波動（Ｓ波）を伝播させ、この２つの振動子１２Ｓ，１２Ｒ間の距離に対して波動の到達時間ｔを求めることで、この地盤位置での弾性波速度（Ｖs）を算出することができる。なお、図３各図では振動子１２の先端１２ｂ近傍に接続するように回路が示されているが、実際には電源からのリード線はベースブロック１１内で振動子１２の端子（図示せず）に接続されている。
【００１５】
図２（ｂ）は図示したベースブロック１１上下面にそれぞれ振動子１２Ｓ，１２Ｒが固着された中間計測点ブロック１０を示している。この中間計測点ブロック１０は、たとえば図１に示したように、地盤中の中間位置に埋設され、ブロック上面１１ａに設けられた振動子１２Ｓが上方へ進行する波動の発振部として動作するとき、下面１１ｂに設けられた振動子１２Ｒが下方から進行してくる波動の受振部として動作するように回路設計されている。したがって、図１に示したように地盤の鉛直方向に数個の中間計測点ブロック１０Ａ〜１０Ｄを埋設することにより、地盤の深度方向にほぼ一直線に配設された２個の中間計測点ブロック１０Ｂ、１０Ｃにおいて、中間計測点ブロック１０Ｂと、その上方に所定距離だけ離れた中間計測点ブロック１０Ｃとの地盤間において対向した一対の振動子１２Ｓ，１２Ｒが発振部と受振部とを構成し、中間計測点ブロック１０Ｂ、１０Ｃ間において、地盤の深度方向の弾性波速度を連続的に求めることができる。
【００１６】
ここで、一対の振動子１２Ｓ，１２Ｒ間において、発振部で正弦波を発振する回路構成と、受振部までの弾性波の到達時間を求めるための回路構成について図４を参照して説明する。
【００１７】
図４は、制御部２０の内部回路構成を示している。同図に示したように、制御部２０は、振動子１２Ｓを駆動するための駆動部２１と、弾性波の到達時間を求める測定部２２とから構成されている。駆動部２１は、ＰＲＢＳ（擬似ランダムバイナリ数列）発生器２１１と、位相変調回路２１２と、パワーアンプ２１３とから構成されている。ＰＲＢＳ（擬似ランダムバイナリ数列）発生器２１１は、図５（ａ）に例示するような擬似ランダムバイナリパルス列を位相変調回路２１２に出力する。擬似ランダムバイナリパルス列は、通常知られているように、「１」と「０」とをほぼランダムに組み合わせたパルス列である。
【００１８】
位相変調回路２１２は、正弦波発振器を備え、図５（ｂ）に例示するような正弦波信号の位相を、ＰＲＢＳ発生器２１１からの擬似ランダムバイナリパルスの値が「０」の範囲でその前の「１」の範囲との境界縦軸に関して反転するように位相調整してたとえば図５（ｃ）に示すような位相変調信号を生成し、パワーアンプ２１３に出力する。
【００１９】
パワーアンプ２１３は、供給された位相変調信号を増幅して、発振部としての計測点ブロック１０の振動子１２Ｓに印加する。これにより振動子１２Ｓは所定周波数で振動し、振動子１２の周囲地盤２にＳ波に相当する振動の波動が伝播する。一方、位相変調信号は、測定部２２にも供給される。中間計測点ブロック１０の振動子１２Ｓによる波動は所定距離Ｌだけ離れた上方の地盤内に埋設されている計測点ブロック１０まで伝播し、計測点ブロック１０の受振部としての振動子１２Ｒの周囲の地盤を振動させ、地盤振動を介して振動子１２Ｒを振動させる。これによって生じた振動子１２Ｒの変位（撓み）により交番電圧が生じ、その電圧データは測定部２２に出力される。
【００２０】
測定部２２は、アンプ２２２と、相関測定部２２３とを備えている。アンプ２２２は振動子１２Ｒからの信号（伝播信号）を増幅して出力する。相関測定部２２３は、位相変調回路２１２からの位相変調信号と、アンプ２２２で増幅された伝播信号との相関を遅延時間ごとに求める。
【００２１】
弾性波が地盤を伝播するのに要した時間（＝波動到達時間）ｔとして求め、この時間ｔで、送信側測定点ブロック１０と受信側測定点ブロック１０との距離Ｌを除算することにより、伝播速度（Ｌ／ｔ）を求める。
【００２２】
この一連の計測を行うのに際し、ノイズ除去のために公知のフィルタを介在させたり、複数回のサンプリングに対してスタッキング処理を行い、データの精度を高めることが好ましい。
【００２３】
図５（ｅ）に示すように、測定によっては相関値が高い点が複数求められる場合がある。このような場合は、予想される弾性波速度から遅延時間の範囲をあらかじめ限定し、その中で相関度の高い遅延時間の候補点（▲１▼，▲２▼）を複数求め、それぞれについて弾性波速度を求め、測定者が妥当な値を選択することができることとする。
【００２４】
発振弾性波は地盤中を伝播し、受信側中間点ブロック１０の振動子１２Ｒにより検出され、振動子１２Ｒは対応する検出信号を出力する。この検出信号は種々の経路を通過して遅延及び減衰した信号とノイズとの合成信号であり、図５（ｄ）に例示するようにして元の信号から遅延しかつ歪んだ波形となる。検出信号はアンプ２２２により増幅されて、相関測定部２２３に供給される。相関測定部２２３には、位相変調回路２１２から位相変調信号も供給されている。相関測定部２２３は、これら２つの信号の相関度を遅延時間ごとに求める。
【００２５】
このような構成によれば、位相差（遅延時間）から地盤を伝播する時間を求めるため、従来のように波形を直接観察しないで判断することができる。従って、測定者による読み取り誤差は無く、弾性波速度測定に熟練していない者でも、測定動作に従事することができる。また、従来、弾性波の到達時刻が明瞭に判別できないような、軟弱地盤やセンサーと地盤の接触不利な条件下でも、弾性速度を測定することができる。また、計測にかかる時間が大幅に短縮され、測定の手間が大幅に削減される。
【００２６】
図６各図は実際の地盤構成に対応させて計測点ブロック１０Ａ〜１０Ｅを埋設し、各計測点ブロック１０間でのＳ波検層を順次行った状態を示した地盤模式断面図である。なお、同図では図の簡単化のために各計測点ブロック１０と接続された機器およびその配線の図示を省略している。同図（ａ）に示したように、地盤２中には薄い層からなる挟み層３がある。挟み層３の上下境界面には中間計測点ブロック１０Ｃ、１０Ｄが埋設され、この挟み層３部分の弾性波速度が算出されるようになっている。
【００２７】
まず、Ｓ波検層は、検層対象地盤２の下端に設置された計測点ブロック１０Ａの振動子１２Ｓを発振部とし、その上方に埋設された中間計測点ブロック１０Ｂの下面の振動子１２Ｒを受振部として実行される。この地盤間で波動伝播時間を計測した後に、中間計測点ブロック１０Ｂの上面の振動子１２Ｓを発振部とし、挟み層３の下面境界に位置する中間計測点ブロック１０Ｃの下面振動子１２Ｒを受振部として同様のＳ波検層を行う。以後挟み層３、挟み層３の上層の表層４のＳ波検層を行うことにより、数層に区分された地盤全体の弾性波速度を求めることができる。
【００２８】
なお、これらの計測区間の切替はあらかじめ制御部において設定することができる。また、手動操作によって計測区間の切替を行ってもよい。発振部、受振部は前述したように同一構成の振動子を用いているため、計測シーケンスの設定において地表面側から地盤深部に向かって振動を伝播させ、また地表面側から深部に向かって計測するようにすることも可能である。
【００２９】
【発明の効果】
以上に述べたように、送信した信号の遅延時間を変換させながら、送信信号と遅延信号との相関を求めることにより、伝播時間を正確また容易に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による地盤深度方向弾性波速度の測定方法の一実施の形態を示した模式地盤断面図。
【図２】本発明の地盤深度方向弾性波速度の測定方法に用いる計測点ブロックの一実施の形態を示した斜視図。
【図３】圧電振動子の動作状態を示した状態説明図。
【図４】計測機器の回路構成を模式的に示したシステム構成図。
【図５】各部での信号波形の例を模式的に示すタイミングチャート。
【図６】本発明の測定方法によりＳ波検層を行う際の測定状態を示した状態説明図。
【図７】従来の測定方法を示するための概念図。
【図８】従来の測定方法を示するための概念図。
【符号の説明】
２検層対象地盤（地盤）
３挟み層
１０計測点ブロック
１１ベースブロック
１２，１２Ｓ，１２Ｒ振動子
２０制御部
２１駆動部
２２測定部
２１１ＰＲＢＳ発生器
２１２位相変調器
２１３パワーアンプ
２２２アンプ
２２３相関測定部

Claims

地盤内の深度方向に沿った所定深さに、発振部、受振部を備えた計測点を設け、該計測点の発振部から、隣接して埋設された対向する計測点に向けて、正弦波を擬似ランダムバイナリパルスにより位相反転させた弾性波を発生させ、地盤内を伝播させて計測点の受振部で検知し、該検知弾性波と前記発生させた弾性波との相関を求め、該相関に基づいて前記弾性波の伝達時間を求め、この伝達時間をもとに前記隣接した計測点間の弾性波速度を求めるようにしたことを特徴とする弾性波速度測定方法。
あらかじめ予想される弾性波速度による遅延時間の範囲で自己相関の高い、前記所定の遅延時間を弾性波の伝達時間とし、この伝達時間で、前記隣接して埋設された計測点の対向する発振部と受振部との距離を除算することにより、弾性波速度を求めることを特徴とする請求項１に記載の弾性波速度測定方法。
正弦波を擬似ランダムバイナリパルスにより位相反転させた弾性波を発生させるＰＲＢＳ発振器と位相変調回路とを有する駆動部と、
前記弾性波を地盤中に伝播させる発振部と、地盤中を伝播した前記弾性波を受振し、検知信号として出力する受振部とを有し、地盤内の深度方向に沿った複数点に埋設設置される計測点部材と、
前記検知信号の波形と前記駆動部で発生させた弾性波との相関を求め、求められた相関値に基づいて前記弾性波の伝達時間を求める測定部と
を備えたことを特徴とする弾性波速度測定システム。