JP4153622B2

JP4153622B2 - 地盤振動測定方法及び測定システム

Info

Publication number: JP4153622B2
Application number: JP19605499A
Authority: JP
Inventors: 洋一佐藤
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-07-09
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2019-07-09
Also published as: JP2001021665A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤の地下構造を調査する際に用いられる地盤振動測定方法及び測定システムに係り、特に、地表に設置された複数の振動センサの出力を補正して精度の良い調査を行うことができる地盤振動測定方法及び測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、地盤の地下構造を調査する方法として、ボーリング孔を用いる方法や、反射法のような地震探査法がある。また、最近では、表面波を用いる地盤振動測定方法が提案されている。この地盤振動測定方法は、比較的深層部の調査では常時振動を用い、宅地等の浅層部の調査では起震機等を用いて地盤を振動させ、振動の上下成分であるレイリー波を観測して周波数−波数スペクトル法や空間自己相関法によって周波数と位相速度との関係（観測分散特性）を得るものである。
【０００３】
そして、地盤の地下構造モデルから計算される理論上の周波数と位相速度との関係（理論分散特性）と、前記の観測分散特性とを比較し、地盤の地下構造モデルの修正を繰り返すことにより、位相速度に対する地盤の地下構造を推定するインバージョン法が用いられる。
【０００４】
このようなインバージョン法による地下構造の調査を行う場合は、地表面に複数個の振動センサを設置し、複数個のセンサにより地盤振動を同時に測定し、各振動センサ間の波の位相速度の関係を基に地盤の地下構造の調査を行っている。そして、この種の地盤振動測定方法においては、複数の振動センサ間でもともと有している誤差を少なくするために、各振動センサの固有周期を一定にすることが要求されており、同一形式の振動センサを同時に使用することが推奨されている論文も有る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記のような地盤振動測定方法においては、同一形式の振動センサを使用しても各振動センサに固有の微妙な特性の違いが有り、振動センサは振動に追従する振動部材の方向によって特性の差が大きくなる場合があり、これらの特性の差は各振動センサ間の位相誤差となって現れる。
【０００６】
地盤に振動としてレイリー波が加えられる場合、レイリー波の位相速度は、任意の距離を有する各振動センサ間の位相差を基準として算出されるため、前記した特性の差はそのまま測定の誤差となる。前記した振動センサの固有の特性及び方向による特性を解消することが高精度な測定を可能にするが、前記の論文にはその点に対する開示はされていない。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、振動センサによる出力から、各周波数において、ある波数ベクトルでの正確な波数スペクトルを求めて正確な位相速度を得ることにより、正確な地盤の地下構造を調査することができる地盤振動測定方法及び測定システムを提供することある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る地盤振動測定方法は、測定対象エリアの円周上の複数地点のそれぞれに、感度軸に沿う指向性を有する振動センサを該感度軸が円周の中心に向くように設置し、前記複数の振動センサの各周波数において、ある波数ベクトルでの波数スペクトルを求めるときに、前記複数の振動センサ間の前記指向性に対する位相誤差に基づく補正データを用いて補正して求め、この波数スペクトルを最大とするピーク波数ベクトルからその周波数における位相速度を算出することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る地盤振動測定システムは、測定対象エリアの円周上の複数地点に、その感度軸が円周の中心に向くように設置された指向性を有する複数の振動センサと、前記各振動センサ間の前記指向性に対する位相誤差を前記振動センサにより取得する位相誤差取得手段と、前記振動センサの各周波数において、ある波数ベクトルでの波数スペクトルを求めるときに、前記位相誤差に基づく補正データを用いて補正して求める補正手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
このように構成された本発明の地盤振動測定方法及び測定システムは、測定対象エリアに例えばレイリー波の振動を加えると、設置された複数の振動センサのコイルと磁石との相対変位によりコイルから電気信号が出力される。複数の振動センサからの出力は、その振動センサの振動部材の方向が異なると感度軸のずれが生じ、その結果、振動センサ間の特性の違い、すなわち位相誤差が生じるが、この指向性によって生じる位相誤差を取得して、振動センサの各周波数において、ある波数ベクトルでの波数スペクトルを求めるときに、前記位相誤差に基づく補正データを用いて補正して求めることができるので、正確な波数スペクトルを得ることができる。
【００１１】
このようにして得られた複数の振動センサからの正確な波数スペクトルより、この波数スペクトルを最大とするピーク波数ベクトルから、その周波数での位相速度を算出する。そして、このようにして得られた正確な位相速度から、精度の良い地盤の地下構造を測定調査することができる。
また、振動センサを円周上の複数地点に設置し、振動センサの感度軸を円周の中心に向けることにより、複数の振動センサを目的の方向に極めて容易に精度良く設置することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る地盤振動測定方法及び測定システムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に係る地盤振動測定方法に用いる振動センサの一実施形態の斜視図、図２は、図１の概略構成図である。図１、２において、振動センサ１０は常時微動を検出するものであり、ベース板１１ａ、このベース板１１ａより垂直に立設された支柱１１ｂ、及び支柱１１ｂの上部より水平方向に延設された上板１１ｃから構成されるセンサ本体１１と、センサ本体１１のベース板１１ａの上面に固着された永久磁石１２と、支柱１１ｂに可撓性を有する板ばね１３により一端が支持され上板１１ｃより吊りばね１４により吊り下げられて水平方向に支持された振動部材１５と、この振動部材１５の先端に固定されており永久磁石１２と対向するコイル１６とから構成される。
【００１３】
振動センサ１０は、支柱１１ｂより延設された振動部材１５の方向を感度軸１０Aとしており、この感度軸１０Aの方向に沿う指向性を有するものである。振動センサ１０は、図において上下方向すなわち吊りばね１４方向の振動に対して振動部材１５が振動し、検知するものである。振動センサ１０は測定対象エリアの複数地点のそれぞれに設置されるものである。
【００１４】
前記の如く構成された本実施形態の振動センサ１０の動作について、以下に説明する。振動センサ１０にレイリー波の鉛直成分の振動が到達すると、コイル１６とセンサ本体１１の永久磁石１２との間で相対変位が生じ、コイル１６を通過する永久磁石１２からの磁束が時間的に変化することにより電気信号に変換される。周波数―波数スペクトル法では、このようにして測定した電気信号の各周波数ｆにおいて、ある波数ベクトルｋでの波数スペクトルP（ｆ，ｋ）を次の式（１）により求め、これを最大とするピーク波数ベクトルｋｐから次の式（２）により、その周波数での位相速度ｃを算出する。
【００１５】
【数１】

【００１６】
【数２】
ｃ＝２πｆ／|ｋｐ| (2)
【００１７】
式（１）から明らかなように、波数スペクトルは全数の振動センサの中で２個のセンサの組み合わせをまず考え、そのセンサ間の複素クロススペクトル値と複素平面における回転に寄与する位相差項を掛け合わせ、これを全数の振動センサの組み合わせについて求めて合計する。なお、前記した位相差項は、式（１）でｅｘｐ（ｉｋｒjl）と表されている部分である。
【００１８】
この位相差項は、例えば２個の振動センサが地表面において所定の距離を有して離れて配置されているために、レイリー波の到達時間に差が有ることにより生じるものであり、この位相差項を複素平面での回転分だけを考えて位相差θで表現することとする。しかしながら、このように考えても、もともと誤差となる位相誤差θｓがこれに重畳するため、図３（ａ）に示されるように、見かけの位相差がθ′＝θ＋θｓとなり、波数スペクトルが不正確なものとなってしまう。なお、図３（ａ）において、横軸は実軸、縦軸は虚軸で実際のレイリー波と、位相誤差θｓが重畳した見かけのレイリー波を示す。
【００１９】
例えば、図３（ｂ）のように、２個の振動センサ１０、２０を４５度の角度で設置する場合、２個の振動センサの感度軸１０A、２０Aのなす角（配置角度）は４５度となり、この配置において２個の振動センサにレイリー波を加えると、極めて隣接して配置したとしても２個の振動センサにはレイリー波の周波数に対して変化する位相誤差θｓが生ずる。この位相誤差θｓは、レイリー波の周波数に対して変化するものであり、位相誤差取得手段３１により２個の振動センサの周波数を比較して得られる。図４（ａ）はこの関係を示している。
【００２０】
このように、２個の振動センサの配置角度により変化して誤差となる位相誤差θｓを位相誤差取得手段３１により定量化しておく。すなわち、振動センサが空間的に離れていることで生じる位相差θを無くすために、振動センサの方向が実際の配置と同一となるように、例えば２個の振動センサを極めて隣接して配置する。そして、２個の振動センサに例えばレイリー波を入力すると、図４に示されるように、２個の振動センサ間の向き（感度軸間の角度＝配置角度）により変化する位相誤差θｓを測定することができる。図４の（ａ）は前記したとおり配置角度＝４５度の場合の位相誤差θｓを示し、（ｂ）は配置角度＝９０度、（ｃ）は配置角度＝１３５度、（ｄ）は配置角度＝１８０度の場合の位相誤差θｓを示している。
【００２１】
なお、位相誤差θｓの定量化は、２個のセンサを極めて隣接して配置して行う他に、共通するスパイクを地面に貫入し、複数の振動センサをその上に配置して行うようにしてもよく、多数の振動センサを同時に行うようにしてもよい。また、振動センサに入力する振動はレイリー波に限らず、他の振動試験装置等で発生させた波を用いるようにしてもよい。さらに、位相誤差θｓの定量化は、前記したように予め定量化しておくようにしても、実際の配置で測定した後、補正のための位相誤差を取得するようにしてもよい。
【００２２】
このようにして位相誤差θｓの定量化のデータを取得した後、前記した式（１）に対して位相誤差θｓに基づく補正を行う。すなわち、波数スペクトルを求める際に、式（３）に示すように、式（１）に位相誤差θｓに基づく補正データであるｅｘｐ（-ｉθｓ）を用いて掛け合わせて補正することにより、振動センサにレイリー波が到達することによる純粋な位相差のみが寄与する波数スペクトルを求めることができる。波数スペクトルの補正手段３２は、Ｐ（ｆ，ｋ）を計算するときに、式（１）に対し、補正項ｅｘｐ（-ｉθｓ）を掛け合わせるものである。
【００２３】
【数３】

【００２４】
このようにして正確な波数スペクトルを波数スペクトル算出手段３３により求め、この波数スペクトルを最大とするピーク波数ベクトルｋｐをピーク波数ベクトル算出手段３４により算出し、その周波数での正確な位相速度ｃを、式（２）を用いて位相速度算出手段３５により算出することができる。そして、この正確な位相速度から正確な地盤振動測定をすることができ、地下速度構造を正しく測定することができ、地盤の地下構造を精度良く調査することができる。
【００２５】
以上、詳細に説明した本発明に係る地盤振動測定方法及び測定システム３０を図５のブロック図に示す。図５は、振動センサ１０と振動センサ２０との間の指向性に対する位相誤差θｓを位相誤差取得手段３１により取得し、振動センサ１０から波数スペクトルを求めるときに、位相誤差θｓに基づく補正データを補正手段３２から波数スペクトル算出手段３３に供給して掛け合わせ、ピーク波数ベクトル算出手段３４により波数スペクトルを最大とするピーク波数ベクトルｋｐを算出し、位相速度算出手段３５により正確な位相速度ｃを算出することができることを示している。
【００２６】
次に、測定対象エリアの４つの地点に振動センサを設置した他の実施形態について、図６に基づいて詳細に説明する。図６は他の実施形態の平面図である。この実施形態は４個の振動センサ２１〜２４を使用し、３個の振動センサ２１、２２、２３を半径Rの円周上に設置し、その感度軸２１A、２２A、２３Aを円周の中心に向け、１個の振動センサ２４を円周の中心に設置し、その感度軸２４Aを１個の振動センサ２１の方向に向けている。
【００２７】
このように４個の振動センサを設置する場合、振動センサ２４と２１間の向きは１８０度となり、振動センサ２４と２２間の向きは６０度となり、振動センサ２４と２３間の向きは３００度となる。また、外周の３個の振動センサ２１、２２、２３を設置するときは、円周の中心から円周上の振動センサの設置点まで糸やひも等で結び、円周上にて各振動センサの感度軸の向きを糸に沿って中心方向に容易に向かせることができ、４個の振動センサを目的の方向に極めて容易に精度良く設置することができる。なお、感度軸の矢印方向と逆の方向を円周の中心に向けるようにしても、同様の効果を奏する。
【００２８】
この実施形態においても、前記した実施形態と同様に４個の振動センサ間の配置角度（指向性）に対する位相誤差を定量化しておき、この位相誤差を４個の振動センサの各周波数において、ある波数ベクトルでの波数スペクトルを求めるときに、前記位相誤差に基づく補正データを用いて掛け合わせて補正して求めることができるので、正確な波数スペクトルを得ることができる。
【００２９】
このように、４個の振動センサの周波数出力より、レイリー波が伝達することによる純粋な位相差のみが寄与する波数スペクトルを求めることができ、この波数スペクトルを最大とするピーク波数ベクトルから正確な位相速度を算出することができ、精度の良い地盤の地下構造を測定調査することができる。
【００３０】
なお、振動センサのコイルは、空芯のコイルの例を示したが、小さな鉄芯を有するものや、プラスチック等の支持板にプリント配線されたもの等、適宜用いることができる。また、レイリー波を測定に使用する場合は、本実施形態のように上下方向に振動可能な振動部材を有する振動センサを使用するが、ラヴ波を使用して左右方向に振動可能な振動部材を有する振動センサを使用するように構成してもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の地盤振動測定方法及び測定システムは、複数の振動センサの各周波数において、ある波数ベクトルでの波数スペクトルを求めるときに、前記複数の振動センサ間の指向性に対する位相誤差に基づく補正データを用いて補正して求め、この波数スペクトルを最大とするピーク波数ベクトルからその周波数における正確な位相速度を算出することができるので、正確な地盤振動測定を行え、精度の良い地盤の地下構造を調査することができる。
【００３２】
また、振動センサを、測定対象エリアの円周上の複数地点に設置し、振動センサの感度軸を円周の中心に向けることにより、複数の振動センサを目的の方向に極めて容易に精度良く設置することができ、精度の良い地盤の地下構造を調査することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地盤振動測定方法及び測定システムに用いる振動センサの一実施形態の斜視図。
【図２】図１の概略構成図。
【図３】（ａ）は２個の振動センサの配置位置が異なることによる位相差と、位相誤差の関係を示す概念図、（ｂ）は２個の振動センサ間の配置例を示す平面図。
【図４】２個の振動センサ間の向きによる位相誤差の関係を示し、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ２個の振動センサ間の向きが４５度、９０度、１３５度、１８０度の場合の位相誤差を示す補正データの線図。
【図５】本発明に係る地盤振動測定方法及び測定システムを示すブロック図。
【図６】本発明の他の実施形態の平面図。
【符号の説明】
１０、２０、２１、２２、２３、２４振動センサ
１０A、２０A、２１A、２２A、２３A、２４A 感度軸
１１センサ本体
１２永久磁石
１３板ばね
１４吊りばね
１５振動部材
１６コイル
３０測定システム
３１位相誤差取得手段
３２補正手段
３３波数スペクトル算出手段
３４ピーク波数ベクトル算出手段
３５位相速度算出手段

Claims

測定対象エリアの円周上の複数地点のそれぞれに、感度軸に沿う指向性を有する振動センサを該感度軸が円周の中心に向くように設置し、前記複数の振動センサの各周波数において、ある波数ベクトルでの波数スペクトルを求めるときに、前記複数の振動センサ間の前記指向性に対する位相誤差に基づく補正データを用いて補正して求め、この波数スペクトルを最大とするピーク波数ベクトルからその周波数における位相速度を算出することを特徴とする地盤振動測定方法。
測定対象エリアの円周上の複数地点に、その感度軸が円周の中心に向くように設置された指向性を有する複数の振動センサと、前記各振動センサ間の前記指向性に対する位相誤差を前記振動センサにより取得する位相誤差取得手段と、前記振動センサの各周波数において、ある波数ベクトルでの波数スペクトルを求めるときに、前記位相誤差に基づく補正データを用いて補正して求める補正手段とを備えることを特徴とする地盤振動測定システム。