JP3987441B2

JP3987441B2 - 地盤の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置

Info

Publication number: JP3987441B2
Application number: JP2003027807A
Authority: JP
Inventors: 正樹上浦; 悦夫関根; 晴樹岡野; 高弘藤生
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP2004239701A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、道路や軌道等の地盤の剛性を測定する装置に関し、特に、重錘を落下させ、その衝撃力を利用して地盤の剛性を測定する重錘落下式の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地盤の剛性を測定する方法としては、古くから平板載荷試験といわれる方法が知られている。これは、地盤上に置かれる直径３０ｃｍの円形載荷板に荷重を与え、荷重の大きさと載荷板（地盤）の変位との関係から地盤の剛性を測定する方法であり、地盤の剛性を評価する値として、荷重強さ（載荷荷重を載荷板の面積で除した値）〜変位曲線から得た変位０．１２５ｃｍの時の荷重強さを０．１２５ｃｍで除して得られる値（Ｋ値）を求めている。然し、平板載荷試験では、載荷板に与える荷重の反力を受ける重機等の大きな反力装置が必要で、試験時間も数時間を要する。
【０００３】
そこで、重錘落下式の剛性測定装置を用いて地盤の剛性をより簡便に測定することも従来行われている。この剛性測定装置は、地盤に載荷板を介して載置される荷重計上に重錘を落下させて、重錘による衝撃力を荷重計と載荷板とを介して地盤に伝達し、この衝撃力に対する地盤からの反力を荷重計で検出すると共に、変位検出手段で地盤の変位を検出するように構成されている。そして、地盤の剛性を評価するＫ値として、平板載荷試験と同様に、地盤変位が所定値である時の荷重強さ（荷重計による地盤反力の計測値を載荷板の面積で除した値）を前記所定値で除した値を求めている。
【０００４】
また、重錘落下式の剛性測定装置では、急激な衝撃によるデータ波形の乱れや衝撃力によるバウンド等で地盤反力の計測値がばらつくことを防止するため、衝撃力の伝達経路に緩衝材を配置し、地盤に重錘の衝撃力が緩衝材で緩衝されつつ伝達されるようにしている。そして、従来は、緩衝材としてゴム材を用いている。
【０００５】
ここで、地盤反力は、緩衝材による緩衝作用の影響で山形の波形を描くようにして変化し、この波形のピーク値を地盤反力の計測値として上記Ｋ値を求めている。この場合、測定条件を整えるには、各種剛性の地盤において反力波形の立ち上がり開始からピークまでの時間（ピーク時間）が所定範囲に収まるようにし、更に、緩衝材が線形変形域（弾性域）で緩衝作用を営んでいる状態でピークに達するようにすることが望まれる。
【０００６】
然し、ゴム材の変形特性は基本的に非線形であって、弾性域が狭いため、地盤の剛性に応じて頻繁にゴム材を取り換えることが必要になり、更に、同質、同形状のゴム材であっても、個々のゴム材で特性に差を生じ、得られるデータがばらつきやすく、非常に扱いにくいものであった。また、地盤の剛性測定は屋外で行うのが殆どであるが、ゴム材は気温の影響を受けやすいため、気温によってデータがばらつくことがあり、更に、ゴム材は比較的早い段階から経年劣化を生じ、耐久性の面でも問題があった。
【０００７】
そこで、上記の問題を解消するために、弾性域が広く、気温の影響も受けにくく、耐久性にも優れたコイルばねを緩衝材として用いることが考えられている。然し、道路や軌道等の施工現場では、地盤の剛性が場所毎に大きく異なるため、コイルばねの弾性域をもってしても対応できず、ゴム材ほどではないにしろ、地盤状況に応じてばね定数の異なるコイルばねに取り換えざるを得なくなる。即ち、地盤反力が大きくなる高剛性の地盤ではばね定数の大きなコイルばねを用い、地盤反力が小さくなる低剛性の地盤ではばね定数の小さなコイルばねを用いることが必要になる。
【０００８】
また、本願発明者は、地盤に伝達される衝撃力を当初は低く抑えて、地盤を安定させることがより正確なデータを得るために有効であることを知見するに至った。
【０００９】
なお、本出願に関連する先行技術文献としては例えば次のようなものがある。
【００１０】
【特許文献】
特許第２５０６２８２号
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑み、広範囲の剛性の地盤に緩衝材を取り換えずに対処でき、更に、測定精度も向上し得るようにした地盤の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置を提供することをその課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の地盤の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置は、上記課題を解決するために、重錘を落下させ、該重錘による衝撃力を緩衝材を介して地盤に伝達して、この衝撃力に対する地盤からの反力と地盤の変位とに基づいて地盤の剛性を測定する装置において、前記緩衝材として、ばね定数の異なる上下複数のコイル部分を有する複合コイルばねを用いることを基本的な特徴とする。
【００１３】
そして、第１発明では、比較的（相対的に）低剛性の地盤の測定に適したコイル部分と、該低剛性の地盤よりも高剛性の地盤の測定に適したコイル部分との少なくとも２つのコイル部分を有する複合コイルばねを緩衝材として用い、前記高剛性の地盤の測定に適したコイル部分のばね定数を、前記低剛性の地盤の測定に適したコイル部分のばね定数よりも大きく設定しておく。このようにすることにより、低剛性の地盤では、ばね定数の小さなコイル部分が緩衝作用を営む状態で反力波形がピークになり、高剛性の地盤では、ばね定数の大きなコイル部分が緩衝作用を営む状態で反力波形がピークになる。そして、高剛性の地盤で反力が大きくなっても、ばね定数の大きなコイル部分の緩衝作用により反力波形の立ち上がりが急になるため、ピーク時間は低剛性の地盤と同様に所定範囲に収まる。従って、広範囲の剛性の地盤に緩衝材を取り換えずに対処できる。
【００１４】
また、第２発明では、地盤からの反力の立ち上がり当初の所定期間、複数のコイル部分のうちの最小のばね定数のコイル部分による緩衝作用が営まれ、その後他のコイル部分による緩衝作用を受けつつ地盤からの反力がピークに達するように複合コイルばねを構成する。これによれば、地盤に伝達される衝撃力が当初は低く抑えられる。そのため、地盤を安定させてより正確なデータを得ることができ、測定精度が向上する。上記した比較的剛性の低い地盤の測定に適した比較的小さなばね定数のコイル部分と、比較的剛性の高い地盤の測定に適した比較的大きなばね定数のコイル部分との２つのコイル部分を有する複合コイルばねを用いる場合、高剛性の地盤では、比較的小さなばね定数のコイル部分（最小のばね定数のコイル部分）の緩衝作用により、地盤に伝達される衝撃力を当初は低く抑えることができる。また、比較的小さなばね定数のコイル部分よりも更にばね定数の小さなコイル部分を付加することにより、低剛性の地盤でも、地盤に伝達される衝撃力を当初は低く抑えることができる。
【００１５】
尚、上記した複合コイルばねは、ばね定数の異なるそれぞれ独立した複数のコイルばねを繋ぎ合わせて構成することができ、この場合、各コイルばねが上記各コイル部分となる。また、不等ピッチコイルばねで複合コイルばねを構成しても良く、この場合、ピッチの異なる各部分で上記各コイル部分が構成される。
【００１６】
また、本発明では、「地盤」は、路盤、路面、地面、舗装面等を総称的に意味するものである。そして、本発明の剛性測定装置は、例えば鉄道等の枕木の下の路盤や、道路、構造物の建設前の更地、構造物内の地面、空港の路面等の剛性を測定する場合に適用可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、地盤の剛性を測定する重錘落下式剛性測定装置を示している。この装置は、円板状の載荷板１を介して地盤Ａ上に載置される荷重計２と、荷重計２上に落下させる重錘３と、重錘３を荷重計２の上方で係脱可能に係止する係止機構４とを備えている。
【００１８】
荷重計２は、金属製の円筒状の起歪体５と、その上下両端に装着した天板部材６及び底板部材７とを備えるロードセル状のものであり、底板部材７の下面に載荷板１が固着されている。起歪体５の内周面には、図示省略したひずみゲージが貼着されており、荷重計２に作用する上下方向の荷重で発生する起歪体５のひずみにより、ひずみゲージを介して荷重に応じた荷重信号が出力される。
【００１９】
また、荷重計２の内部には、底板部材７の中心部に位置させて上下方向の加速度を検出する加速度センサ８が固定されている。そして、加速度センサ８から出力される加速度信号を荷重信号と共に外部のデータ処理装置９に送信し、加速度センサ８で検出された加速度を２回積分することで地盤Ａの上下方向の変位を求めるようにしている。尚、加速度センサ８に代えて速度センサを設け、速度センサで検出された速度を１回積分することにより地盤Ａの上下方向の変位を求めることも可能である。
【００２０】
荷重計２の天板部材６上には円板状の補助板１０が固設されており、この補助板１０に立設したガイドロッド１１に前記重錘３を上下動自在に外挿している。重錘３は、その上端部に固定したノブ１２を把持して持ち上げられるようになっている。
【００２１】
前記係止機構４は、ガイドロッド１１に位置調整自在に取り付けられる支持部材１３に軸１４を介して揺動可能に軸着された操作レバー１５を備えており、この操作レバー１５の下端に、重錘３の上端部に固定した筒体１６の上端のフランジ１６ａに係合する係止片１７を設けて、重錘３を上方位置に係止できるようにしている。操作レバー１５は、係止片１７がフランジ１６ａに係合する方向にばね１８で付勢されている。そして、操作レバー１５の上部を把持して、図の矢印Ｐの向きに操作レバー１５を揺動させることにより、係止片１７がフランジ１６ａから離脱して、重錘３が荷重計２に向けて落下するようにしている。
【００２２】
重錘３が荷重計２に落下すると、重錘３による衝撃力が荷重計２と載荷板１とを介して地盤Ａに伝達され、この衝撃力に対する地盤Ａからの反力を荷重計２が受けて、この反力が計測されると共に、地盤Ａの変位が計測される。
【００２３】
また、地盤Ａに対する衝撃力の伝達経路には、地盤Ａに急激な衝撃が加わらないように、本発明の重錘落下緩衝装置を構成する緩衝材が配置されている。本実施形態では、荷重計２上の補助板１０の上面に、ガイドロッド１１を囲うようにして後記詳述する複合コイルばね１９から成る複数の緩衝材を配置している。これら緩衝材の緩衝作用により地盤Ａの反力と変位は、図４に例示する如く、山形の波形を描くように変化する。そして、反力と変位のピーク値をそれぞれの計測値とし、変位の計測値が所定値ｚｓになるように重錘３の質量や落下高さを調整して、この時の荷重強さ（反力の計測値を載荷板１の面積で除した値）を前記所定値ｚｓで除して地盤の剛性を評価する値（Ｋ値）を求める。但し、重錘３の質量や落下高さを調整しても、前記所定値に正確に一致した変位を得ることは困難である。そこで、重錘３の質量や落下高さを変化させて、前記所定値を挟む変位を得るような測定を行い、比例配分でＫ値を求めている。また、変位の所定値ｚｓは、直径３０ｃｍの載荷板を用いて行う平板載荷試験の０．１２５ｃｍを基準にしており、載荷板１の直径が３０ｃｍでないときは、載荷板１の直径をφｓとして、０．１２５ｃｍに直径３０ｃｍの載荷板との直径比（φｓ／３０）を乗じた値を変位の所定値ｚｓに設定している。
【００２４】
ここで、測定条件を整えるには、各種剛性の地盤において変位の計測値が所定値ｚｓになるような測定を行った時の反力波形の立ち上がり開始からピークまでの時間（ピーク時間ＴＰ）が所定範囲（６〜１０ｍｓｅｃ程度）に収まるようにし、更に、緩衝材が線形変形域（弾性域）で緩衝作用を営んでいる状態でピークに達するようにすることが望まれる。
【００２５】
そこで、本実施形態では、緩衝材として、図２に示す如く、上側の第１のコイル部分１９ａと、これよりもばね定数の大きな下側の第２のコイル部分１９ｂとを有する複合コイルばね１９を用いている。尚、第１と第２のコイル部分１９ａ，１９ｂは上下逆に配置しても良い。このような複合コイルばね１９を用いると、地盤反力が比較的小さな領域では、図２（ｂ）に示す如く、主として第１のコイル部分１９ａが弾性変形してこれによる緩衝作用が営まれ、地盤反力が大きくなって第１のコイル部分１９ａが完全に圧縮された後、図２（ｃ）に示す如く、第２のコイル部分１９ｃのみが弾性変形してこれによる緩衝作用が営まれる。そのため、高剛性の地盤での測定を行うと、地盤反力は、図４に示す如く、立ち上がり当初の所定期間、第１のコイル部分１９ａによる緩衝作用で緩やかに上昇し、その後第２のコイル部分１９ｂによる緩衝作用を受けつつ急上昇してピークに達するような波形を描く。
【００２６】
ここで、第１のコイル部分１９ａのばね定数は、比較的剛性の低い地盤での測定に適した比較的小さな値、即ち、比較的剛性の低い地盤において変位の計測値が所定値ｚｓになるような測定を行った時に、第１のコイル部分１９ａが緩衝作用を営む状態で反力波形がピークになり、且つ、ピーク時間ＴＰが所定範囲に収まるような値に設定されている。また、第２のコイル部分１９ｂのばね定数は、比較的剛性の高い地盤での測定に適した比較的大きな値、即ち、比較的剛性の高い地盤において変位の計測値が所定値ｚｓになるような測定を行った時に、第１のコイル部分１９ａが緩衝作用を営む状態で反力波形がピークになり、且つ、ピーク時間ＴＰが所定範囲に収まるような値に設定されている。そのため、広範囲の剛性の地盤に緩衝材を取り換えずに対処できる。更に、高剛性の地盤における測定では、地盤に伝達される衝撃力が第１のコイル部分１９ａの緩衝作用により当初は低く抑えられるため、地盤を安定させてより正確なデータを得ることができ、測定精度が向上する。低剛性の地盤では、地盤自体の緩衝作用も得られるため、当初の衝撃力を緩衝材で低く抑えなくてもよいが、必要であれば、第１のコイル部分１９ａよりもばね定数の小さなコイル部分を複合コイルばね１９に付加すればよい。
【００２７】
尚、上記実施形態では、第１と第２の各コイル部分１９ａ，１９ｂをそれぞれ独立したコイルばねで構成し、これら２つのコイルばねを溶接等で繋ぎ合わせて複合コイルばね１９を製作している。然し、複合コイルばね１９はこれに限られるものではなく、例えば、図３に示すように、不等ピッチコイルばねで複合コイルばね１９を構成してもよい。この場合、ピッチの狭い部分がばね定数の小さな第１のコイル部分１９ａ、ピッチの広い部分がばね定数の大きな第２のコイル部分１９ｂになる。
【００２８】
また、上記実施形態では、ガイドロッド１１を囲うようにして複数の複合コイルばね１９を配置したが、コイル径を大きくした単一の複合コイルばねをその内周空間にガイドロッド１１が遊挿されるように配置することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる剛性測定装置の一実施形態の全体構成を示す図。
【図２】（ａ）図１の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置の緩衝材として用いた複合コイルばねを示す図、（ｂ）複合コイルばねの低荷重状態を示す図、（ｃ）複合コイルばねの高荷重状態を示す図。
【図３】複合コイルばねの他の実施形態を示す図。
【図４】図１の剛性測定装置で測定した地盤の反力と変位の波形を示す図。
【符号の説明】
Ａ…地盤２…荷重計３…重錘１９…複合コイルばね１９ａ…ばね定数の小さなコイル部分１９ｂ…ばね定数の大きなコイル部分

Claims

重錘を落下させ、該重錘による衝撃力を緩衝材を介して地盤に伝達して、この衝撃力に対する地盤からの反力と地盤の変位とに基づいて地盤の剛性を測定する装置において、
前記緩衝材として、ばね定数の異なる上下複数のコイル部分を有する複合コイルばねを用い、複合コイルばねは、低剛性の地盤の測定に適したコイル部分と、該低剛性の地盤よりも高剛性の地盤の測定に適したコイル部分との少なくとも２つのコイル部分を有し、その２つのコイル部分の相互作用によって高剛性の地盤から低剛性の地盤まで広範囲の剛性の地盤の剛性測定を可能としたことを特徴とする地盤の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置。
重錘を落下させ、該重錘による衝撃力を緩衝材を介して地盤に伝達して、この衝撃力に対する地盤からの反力と地盤の変位とに基づいて地盤の剛性を測定する装置において、
前記緩衝材として、ばね定数の異なる上下複数のコイル部分を有する複合コイルばねを用い、複合コイルばねは、地盤からの反力の立ち上がり当初の所定期間、前記複数のコイル部分のうちの最小のばね定数のコイル部分による緩衝作用が営まれ、その後他のコイル部分による緩衝作用を受けつつ地盤からの反力がピークに達するように構成されていることを特徴とする地盤の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置。
前記複合コイルばねは、前記各コイル部分となるそれぞれ独立した複数のコイルばねを繋ぎ合わせて構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の地盤の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置。
前記複合コイルばねは、不等ピッチコイルばねで構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の地盤の剛性測定装置における重錘落下緩衝装置。