JP3893069B2

JP3893069B2 - 自動貫入試験機および貫入試験方法

Info

Publication number: JP3893069B2
Application number: JP2002051757A
Authority: JP
Inventors: 政昭安枝; 光典塩見; 直也波多野
Original assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Current assignee: Nitto Seiko Co Ltd
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP2003253659A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に貫入ロッドを貫入する際に貫入ロッドを伝播される振動を検出しつつ貫入試験を行う自動貫入試験機および貫入試験方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建造物の建築予定地等の地耐力を知るためには、例えば標準貫入試験、オランダ式二重管コーン貫入試験、スウェーデン式サウンディング試験、ボーリング試験等の各種貫入試験が行われている。これらの貫入試験は、それぞれ専用の地盤調査機を用いて行われており、そのような地盤調査機の中でも特に一般的なのが、特開平８−２９２１４１号公報等によって公知の貫入試験機である。この貫入試験機は、大略、次のような構成で成る。
【０００３】
図５および図６に示すように、従来の貫入試験機１′は、所定重量の錘２を載荷可能かつ支柱３に沿って昇降可能な昇降台４を有し、この昇降台４には、チャック５が配置されている。このチャック５は、回転駆動源の一例であるチャック駆動用モータ６の駆動を受けて回転するようになっており、このチャック５には、貫入ロッド７が一体に回転するように保持されている。貫入ロッド７は、継ぎ足し可能な棒状のロッド部７１と、このロッド部７１先端に取り付けられたドリル状のスクリューポイント７２とで成る。
【０００４】
また、前記支柱３には直線状に延びてチェーン部材８が設けられており、このチェーン部材８には、前記昇降台４に回転可能に取り付けられたスプロケット９が噛合している。このスプロケット９の回転をセンサ９ａで検出することにより、その信号から昇降台４の下降量、すなわち貫入ロッド７の貫入量（貫入深さ）を割り出せるようになっている。この貫入ロッド７の貫入量の割り出し方法については、特開平９−１１１７４５号公報によっても公知となっているものである。
【０００５】
前記スプロケット９は伝達軸９ｂ、一方向クラッチ１０、ベベルギアＧ１，Ｇ２を介して昇降用モータ１１に連結される構造になっており、この昇降用モータ１１が駆動するのを受けて回転するように構成されている。この昇降用モータ１１の駆動は、一方向クラッチ１０の作用により、昇降台４が上昇する方向にスプロケット９を回転させる場合のみスプロケット９に伝達される。この構造により、貫入ロッド７を地中に貫入している時に昇降用モータ１１をスプロケット９に回転伝達がされない方向に駆動してスプロケット９に対して一方向クラッチ１０を空転させ、昇降用モータ１１の減速比等で昇降台４の下降動作が制限されないようにできる。また、前記スプロケット９と一体に回転する伝達軸９ｂには、ブレーキ手段の一例としてパウダブレーキ１２が連結されており、このパウダブレーキ１２によりスプロケット９に段階的に制動力を与えられるようになっている。貫入ロッド７を地中に貫入している時には、前述の一方向クラッチ１０の空転動作により貫入ロッド７に昇降台４の装備重量に基づく荷重が掛けられるが、この時、パウダブレーキ１２の作動によりスプロケット９に所定の制動力を与えてスプロケット９の回転を制動することにより、昇降台４の装備重量による荷重を迅速かつ正確に、しかもきめ細かく変更することができるようになっている。
【０００６】
上記貫入試験機１は、日本工業規格Ａ１２２１のスウェーデン式サウンディング試験方法に準じたサウンディング試験を自動で行う。試験では、貫入ロッド７に昇降台４の装備重量とパウダブレーキ１２によって与えられる制動力とに基づく荷重（２５０Ｎ毎に増減、最大１ＫＮ）が負荷されるとともに、必要に応じて貫入ロッド７に回転が付与され、これにより貫入ロッド７が地中に貫入される。
【０００７】
貫入ロッド７が地中に貫入していく過程で、貫入ロッド７の貫入速度は土質に応じて変化するため、この貫入速度ができるだけ一定になるよう、回転の付与／停止、荷重の変更等の貫入条件の変更が行われる。この貫入条件の変更の度に、その間の貫入ロッド７の貫入量、貫入ロッド７の半回転数（貫入ロッド７の一回転を２としてカウントした回転数）及び荷重値が、試験データとして制御ユニット（図示せず）によって取得される。制御ユニットは、この試験データから１ｍ当たりの半回転数（以下、Ｎｓｗ値という）を求める。このＮｓｗ値により貫入深さ毎の地盤強度（その土地の硬軟、締まり具合等）を判定し、その土地の地耐力を知ることができる。なお、貫入試験機１′の詳細な構造、動作、作用効果等については、前述の特開平８−２９２１４１号公報と同様であるので、同公報を参照されたい。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の自動貫入試験機による試験においては、試験中、貫入ロッドを伝達されてくるスクリューポイントと土との摩擦音を作業者が耳で聴取して記録することが行われている。これは土質によって変化する摩擦音を記録しておくことで、各貫入深さにおける土質を推定し、これをＮｓｗ値に基づいて判定される地盤強度と照合することで地盤強度の信頼性を高めるために行われているものであるが、実際には、試験現場における周囲の雑音、作業者毎の感性の違い等により、得られる音に違いが生じていた。そこで、最近では特願２０００−３５７９７に示されるように貫入試験機にマイクを設けておき、このマイクによって音を取得するもの、特願２００１−２７９８４４に示されるように貫入ロッドに取り付けたセンサで音を検出し、この検出信号を無線送信するもの等が提案され、より精度の高い音の検出手法・検出構造が検討されるに至っている。
【０００９】
しかし、上記した音の各種検出手段においては、次のような問題がある。まず、マイクにより音を検出する構造の場合、貫入ロッドを伝播された音は一旦空中伝播されることとなるため、これにより音が減衰して本来の音を得られなくなる。また、周囲の様々な帯域の雑音が取り込まれるため、肝心の貫入ロッドを伝播された音を識別できなくなる。さらにマイクの周波数特性により収集できる音の周波数帯域が制限される。一方、貫入ロッドに直接取り付けたセンサの検出信号を無線送信する構造の場合には、送信機、受信機等が必要になり、それぞれに回路基板が必要となって構造が複雑になるとともに、無線送受信のための制御等、装置の制御が複雑になる等の問題が発生していた。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に回転可能に設けられたチャックと、このチャックを回転させる回転駆動源と、前記チャックに着脱可能かつ一体に回転可能に保持された貫入ロッドとを備える自動貫入試験機において、前記貫入ロッドまたは前記貫入ロッドと一体に回転可能な回転部位に常時当接するように付勢して設けられた軸状の接触部材と、この接触部材に取り付けられて前記貫入ロッドまたは回転部位から接触部材に伝達される振動を検出する振動検出手段とを備えていることを特徴とするものである。なお、前記振動検出センサは、スクリューポイントから貫入ロッドまたは前記貫入ロッドと一体に回転可能な回転部位を通じて接触部材に伝達される摩擦音による振動を検出するものであることが望ましい。また、前記貫入ロッドが自沈する時に土の抵抗によるスクリューポイントの回転を許容する手段を有することが望ましい。
【００１１】
また本発明は、回転駆動源の駆動を受けて回転可能に設けられたチャックに貫入ロッドを保持し、この貫入ロッドに必要に応じて変更される荷重を負荷するとともに、必要に応じて回転を付与して地中に貫入し、前記貫入ロッドを伝播される振動を貫入ロッドまたは前記貫入ロッドと一体に回転可能な回転部位に常時当接するように付勢して配置された軸状の接触部材に取り付けられた振動検出手段を通じて検出し、前記検出された振動に基づいて土質を判定することを特徴とするものでもある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１ないし図３において、１は自動貫入試験機であり、上記従来の技術の欄で紹介した特開平８−２９２１４１号公報に開示されている貫入試験機と基本的な構造を同じくするものである。従って、ここでは貫入ロッド７を伝播される音を検出するために追加された構造に関連する部分について詳細に説明を行うこととする。
【００１３】
本自動貫入試験機１において、ロッド部７１を保持するチャック５は、昇降台４に固定された上下２分割構造の軸受ケース５１と、この軸受ケース５１内に軸受を介して回転自在に配置された回転スリーブ５２と、この回転スリーブ５２上部に一体に連結されたロッド保持スリーブ５３と、このロッド保持スリーブ５３に沿って摺動可能に設けられたストッパ部材５４と、このストッパ部材５４を常時上方に付勢するばね５５と、ストッパ部材５４の上方位置を規制する係止部材５６とを備えている。
【００１４】
前記回転スリーブ５２とロッド保持スリーブ５３とは、貫入ロッド７のロッド部７１が挿通可能な挿通穴５７を有し、ロッド保持スリーブ５３の上部には、ロッド部７１外周面に等分配置された３本の係止溝７３（１本は図示せず）にそれぞれ係止する鋼球５８を収納する収納穴５３ａが横断面を３等分する位置にそれぞれ設けられている。これら収納穴５３ａは前記ストッパ部材５４によって常時閉塞されるようになっており、これにより鋼球５８をロッド部７１の係止溝７３に係止させ、チャック５に貫入ロッド７を保持できるように構成されている。また、ストッパ部材５４の上部内周面５４ａは、前記鋼球５８の動作を許容できるように大径に構成されており、ストッパ部材５４をばね５５の付勢に逆らって押し下げることにより、鋼球５８を移動自在にしてロッド部７１を取り外せるように構成されている。
【００１５】
前記回転スリーブ５２下部には、一体に回転するようにスプロケット５９が取り付けられている。一方、昇降台４に配置されたチャック駆動用モータ６の出力軸６ａには一方向クラッチ１３を介してスプロケット１４が連結されている。そして、これらスプロケット１４，５９には無端チェーン１５が巻き掛けられ、チャック駆動用モータ６の駆動をチャック５に伝達できるようになっている。
【００１６】
前記一方向クラッチ１３は、チャック駆動用モータ６がスクリューポイント７２をねじ込む方向に回転させるよう駆動した時、この駆動をスプロケット１４に伝達するように構成されている。従って、スクリューポイント７２をねじ込む方向の回転がチャック５側から伝達された場合には、一方向クラッチ１３が出力軸６ａに対して空転する。つまり、この場合、チャック５および貫入ロッド７は、チャック駆動用モータ６の機械的構造による回転抵抗を受けずに自在に回転することができるのである。このため、貫入ロッド７が荷重のみで地中に貫入する、所謂自沈時において、スクリューポイント７２が土の抵抗を受けて回転するのを許容することができる。
【００１７】
また、ロッド保持スリーブ５３下部の円周面は全周に渡って表面を滑らかに加工されており、後記音響検出機構１６の接触部材１８が常時当接する検出面５３ｂに構成されている。この検出面５３ｂは、前記軸受ケース５１の上部およびロッド保持スリーブ５３のフランジ部５３ｃによって覆われるとともに、オイルシール、オーリングなどのゴム製のリング部材６０によってシールされ、グリース等の潤滑剤が封入されている。この潤滑剤により、検出面５３ｂの防錆が図られるとともに、接触部材１８とロッド保持スリーブ５３との摩擦音の低減が図られている。
【００１８】
また、前記軸受ケース５１には、音響検出機構１６が取り付けられている。この音響検出機構１６は、軸受ケース５１に固定されたブラケット部材１７と、このブラケット部材１７上部に摺動可能に設けられた軸状の接触部材１８と、この接触部材１８に一体的に貼付された振動検出手段の一例である振動検出センサ１９とを有している。この音響検出機構１６の前記接触部材１８は、ばね２０により常時軸受ケース５１側に付勢されており、その先端部は軸受ケース５１を貫通して前記ロッド保持スリーブ５３の前記検出面５３ｂに常時当接するように構成されている。なお、接触部材１８は軸受ケース５１、ブラケット部材１７にそれぞれ樹脂製のブッシュ２１，２２を介して案内される構造になっており、この樹脂製のブッシュ２１，２２により、ブラケット部材１７、軸受ケース５１を伝播される例えばチャック駆動用モータ６の駆動による振動等の雑音要素が吸収され、これが接触部材１８に伝達されないようになっている。また、接触部材１８の先端面は球面形状に加工してあり、検出面５３ｂとの接触面積を小さくして、ここでの摩擦音の発生を抑えるように構成されている。
【００１９】
試験データを得ながら貫入ロッド７を地中に貫入していく貫入試験の最中、ロッド部７１には先端のスクリューポイント７２と土との接触によって発生する摩擦音（振動；以下、摩擦音振動という）が伝播される。この摩擦音振動は、スクリューポイント７２の接している土質により異なるものである。このロッド部７１を伝播された摩擦音振動は、鋼球５８、ロッド保持スリーブ５３を介し、ロッド保持スリーブ５３の検出面５３ｂに当接している接触部材１８に伝播される。そして、この摩擦音振動による接触部材１８の振動が振動検出センサ１９によって検出され、制御ユニット２３に出力される。この時、昇降用モータ１１が駆動している場合には、ロッド保持スリーブ５３と貫入ロッド７とが一体に回転するが、この時にも、接触部材１８はロッド保持スリーブ５３の検出面５３ｂに常時当接し続ける。このため、ロッド部７１を伝播される摩擦音振動は、ロッド保持スリーブ５３から接触部材１８に確実に伝達され、振動検出センサ１９によって検出される。しかも、検出面５３ｂは滑らかに仕上げられ、潤滑剤により潤滑性が高められているため、回転するロッド保持スリーブ５３と接触部材１８との摩擦音は無視できる程度に十分小さくなる。従って、振動検出センサ１９によって検出される摩擦音振動は、極めて精度の高いものとなる。
【００２０】
振動検出センサ１９による摩擦音振動の検出信号は、制御ユニット２３に送られ、Ａ／Ｄ変換部２３ａでディジタル信号に変換されるとともに、増幅部２３ｂを通って所定レベルに増幅された後、演算処理部２３ｃに送られる。演算処理部２３ｃにおいては、所定区間の検出信号を解析することにより、当該区間の土質が判定される。このようにして判定された土質情報は、スプロケット９の回転から算出される貫入ロッド７の貫入深さと対応させて記憶部２３ｄに記録される。なお、この時、後の再演算を可能とするため、振動検出センサ１９から送られた元の信号も貫入深さに対応させて順次記憶部２３ｄに記録される。
【００２１】
また、制御ユニット２３においては、従来同様、貫入ロッド７に負荷される荷重の変更、回転の付与・停止が行われる度にそれまでの荷重値および前回の試験データ取得以降の貫入ロッド７の半回転数が試験データとして取得されるとともに、これからＮｓｗ値が求められ、これらがその時の貫入ロッド７の貫入深さに対応させて記憶部２３ｄに記録される。
【００２２】
貫入試験終了後、作業者は、制御ユニット２３の入出力インターフェイス２３ｅにパソコン（図示せず）を接続することで、制御ユニット２３に記録された貫入深さに対応する土質情報、試験データ、Ｎｓｗ値等をパソコンに取り込むことができる。そして、これらに基づいて試験を行ったポイントにおける地層構成を最終的に判定することができる。なお、制御ユニット２３には、振動検出センサ１９による検出信号が貫入ロッド７の貫入深さに対応させてそのまま記録されているため、これをパソコンに取り込んで各深度における摩擦音を再確認することも可能となる。これにより、制御ユニット２３で判定された土質をチェックし、判定土質の信頼性を高めることができる。
【００２３】
なお、以上の説明においては、チャック５のロッド保持スリーブ５３に音響検出機構１６の接触部材１８を常時当接させる構造について説明したが、接触部材１８がチャック５の上方に突出するロッド部７１の円周面に当接するよう、音響検出機構１６を配置してもよい。また図４に示すように、ロッド部７１の同軸線上に軸状の接触部材１８′を配置し、この接触部材１８′がばね２０′の付勢によりロッド部７１の上端面に常時当接するように構成した音響検出機構１６′を設けてもよい。これらの場合には、接触部材が当接するロッド部７１の各表面を滑らかに仕上げておくとよい。このように本発明の技術的思想に基づく構造によれば、従来のような無線送受信手段によらずとも、貫入ロッド７、チャック５におけるロッド保持スリーブ５３等の貫入ロッド７と一体に回転する回転部位から摩擦音振動を検出することが可能となるのであり、送受信機を必要としないため、回路構造等も極めて簡易となる。
【００２４】
貫入ロッド７と一体に回転するチャック５の回転部位に接触部材１８を当接させる点に関し、回転駆動されているチャック５において、貫入ロッド７と一体的に回転する部位と昇降台に固定配置されている部位とでは、摩擦音振動のレベルに大きな差が生じることが実験的に確認されているところである。すなわち、貫入ロッド７と一体的に回転する部位から得られる摩擦音振動はロッド部７１で検出した摩擦音振動と遜色ないレベルであるのに対し、昇降台４に固定配置されている部位から得られる摩擦音振動は減衰の著しいレベルとなってしまうのである。これは、これらの部位の間に介在している軸受の影響によるものと考えられ、軸受の鋼球が転動することにより、この部分で摩擦音振動の伝播特性が低下するためと考えられる。このような背景の下、上述のようにチャック５におけるロッド保持スリーブ５３等の回転部位に接触部材１８を当接させる構造にすることによっても、貫入ロッド７に接触部材１８を直接当接させる構造と何ら遜色ないレベルの精度の高い摩擦音振動の検出が可能である。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、貫入ロッドまたは貫入ロッドと一体に回転する回転部位から摩擦音振動を検出することが可能となる。このため、例えば昇降台に固定されている部位等から摩擦音振動を検出する場合に比べてスクリューポイントで発生した摩擦音振動をより正確に検出することが可能となる。また、従来のようにマイクを用いる場合比べて周囲の雑音要素の混入も防止することが可能である。さらに、従来のような無線送受信手段によらずとも摩擦音振動の検出が可能となるため、摩擦音振動の検出にかかる回路基板、制御方法を簡略化することができ、以て土質判定機能の付加により高機能化を果たした自動貫入試験装置を比較的安価に提供できる等の利点がある。その一方で、貫入ロッドが自沈する時に土の抵抗により回転しようとするスクリューポイントの回転を許容する手段を設けているため、自沈時にスクリューポイントを回転させながら自然に貫入することができる。従って、自沈時にも摩擦音を適正に発生させることが可能となり、これを検出して正確に土質を判定することができるとともに、自沈が起こる地層の試験データを正確に取得して当該地層を正確に知ることができる等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自動貫入試験機の要部拡大断面図である。
【図２】本発明に係る自動貫入試験機の全体概略説明図である。
【図３】本発明に係る自動貫入試験機のチャック近傍を示す要部拡大断面図である。
【図４】本発明に係る自動貫入試験機の他の実施の形態の要部拡大断面図である。
【図５】従来の自動貫入試験機の正面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ線に係る要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１自動貫入試験機
２錘
３支柱
４昇降台
５チャック
５２回転スリーブ
５３ロッド保持スリーブ
６チャック駆動用モータ
７貫入ロッド
７１ロッド部
７２スクリューポイント
７３係止溝
８チェーン部材
９スプロケット
１０一方向クラッチ
１１昇降用モータ
１２ブレーキ手段
１３一方向クラッチ
１４スプロケット
１５無端チェーン
１６音響検出機構
１８接触部材
１９振動検出センサ
２３制御ユニット

Claims

支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に回転可能に設けられたチャックと、このチャックを回転させる回転駆動源と、前記チャックに着脱可能かつ一体に回転可能に保持された貫入ロッドとを備える自動貫入試験機において、
前記貫入ロッドまたは前記貫入ロッドと一体に回転可能な回転部位に常時当接するように付勢して設けられた軸状の接触部材と、この接触部材に取り付けられて前記貫入ロッドまたは回転部位から接触部材に伝達される振動を検出する振動検出手段とを備えていることを特徴とする自動貫入試験機。
振動検出手段は、スクリューポイントから貫入ロッドまたはスクリューポイントから貫入ロッドまたは前記貫入ロッドと一体に回転可能な回転部位を通じて接触部材に伝達される摩擦音による振動を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の自動貫入試験機。
貫入ロッドが自沈する時に土の抵抗によるスクリューポイントの回転を許容する手段を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動貫入試験機。
回転駆動源の駆動を受けて回転可能に設けられたチャックに貫入ロッドを保持し、この貫入ロッドに必要に応じて変更される荷重を負荷するとともに、必要に応じて回転を付与して地中に貫入し、
前記貫入ロッドを伝播される振動を貫入ロッドまたは前記貫入ロッドと一体に回転可能な回転部位に常時当接するように付勢して配置された軸状の接触部材に取り付けられた振動検出手段を通じて検出し、
前記検出された振動に基づいて土質を判定することを特徴とする貫入試験方法。