JP4173089B2 - 動的載荷試験方法 - Google Patents

Description

この発明は、動的載荷試験方法に関し、さらに詳細には、例えば杭頭を打撃した際に杭体中を伝播する衝撃波を計測して、その解析データから杭・地盤系の支持力を算定する動的載荷試験方法に関する。

杭の鉛直載荷試験を大きく分類すると、静的載荷試験と動的載荷試験がある。静的載荷試験には、押込み載荷試験、先端載荷試験、引抜き載荷試験、鉛直交番載荷試験があり、動的載荷試験には、急速載荷試験と衝撃載荷試験がある。

急速載荷試験は、急速載荷による押込み力を用いた試験方法で、反力体慣性方式、軟クッション重錘落下方式及び急速ジャッキ方式などに分類される。衝撃載荷試験は、杭頭をハンマー等を用いて打撃し、杭体中を伝播する加速度波形及びひずみ波形を計測してその解析データから杭の支持力を算定する試験方法であり、最も低価格な載荷方法として知られている（非特許文献１参照）。

衝撃載荷試験では、通常、計測のアンプ倍率の設定のため、小さく打撃した後、本試験として杭頭を１回打撃して得られる計測から波形解析、例えば波形マッチング解析により支持力の算定を行っている。しかし、１回の打撃では打撃エネルギーが足りなく、杭先端まで打撃力が届かず、このため杭頭から杭先端部までの間の一部の抵抗しか評価できない場合が多かった。
杭の鉛直載荷試験方法・同解説編集委員会，「地盤工学会基準 杭の鉛直載荷試験方法・同解説−第一回改訂版−」，社団法人地盤工学会，２００２年５月２８日

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、杭などの被打撃体の軸方向力などを精度良く計測することを可能とし、被打撃体の全体にわたって精度の高い支持力を算定することができる動的載荷試験方法を提供することにある。

試験対象とする１本の杭に対して、打撃力を変化させて複数回の打撃を実施してその衝撃波データを解析すると、各回の打撃ごとに杭に作用する抵抗と深度との関係は図１に示すようになる。すなわち、打撃力が小さい場合、打撃１回目では杭頭に近い部分の杭周面の摩擦が切れる。打撃を複数回行うことで、杭頭より下の杭周面摩擦が切れる。これを順次繰り返し、下方の杭周面の摩擦を切る。図１においてＮＦの部分が摩擦の切れた箇所を示す。このように、打撃を複数回行うことにより、最後に杭先端部分の摩擦を切り、衝撃載荷試験を終了する。

杭の摩擦が切れるということは、杭周面の摩擦抵抗や杭先端の剛性が弾性領域から塑性領域に入ったことである。そこで、本試験で得られたデータから波形マッチング解析などを行い、杭周面及び杭先端の最大抵抗を求め、複数回打撃により得られた杭の抵抗のうち同じ箇所の抵抗の最大値を杭のその箇所の終局抵抗と評価することで、杭の終局支持力を評価することができる。

このことを、打撃ごとに得られる反射波で示すと、図２のようになる。すなわち、打撃を複数回行うことで、軸方向力の反射波が変化する。なお、打撃で施工された杭の場合は、施工後時間が経てから求めると、時間とともに摩擦が回復する。例えば、打撃４回目で反射波が図２のようになった場合は、再度打撃を行うと打撃３回目、２回目、１回目のような軸方向力（反射波）が求められる。ここで、経過時間が充分であれば、１回目まで回復できる。これは時間経過とともに摩擦が戻ったことを意味している。

したがって、複数回の打撃を実施して、杭の深度方向で最も卓越した抵抗を個別に抽出し、これを組み合わせると、図３に示すような抵抗と深度との関係が得られる。同様に、図４に示すような、荷重−変位関係が得られる。すなわち、１回の打撃であれば、一部の抵抗を反映した荷重−変位関係しか得られないが、複数回の打撃によって得られた各深度範囲ごとの最大の抵抗を評価することで、終局の荷重−変位関係が得られる。

この発明は、上記のような知見に基づくものであって、次のような手段を採用している。
すなわち、杭などの被打撃体の頭部をハンマー等を用いて打撃し、この被打撃体中を伝播する衝撃波を計測してその解析データから被打撃体・地盤系の支持力を算定する動的載荷試験方法において、
試験対象とする被打撃体に対して複数回の打撃を加えて、各回の打撃ごとに衝撃波を計測し、
各回の打撃で計測された衝撃波に関してそれぞれ波形マッチング解析を行って、深度範囲ごとの被打撃体周面の最大抵抗及びバネ剛性、また被打撃体先端の最大抵抗及びバネ剛性を含む地盤データを得たのち、
各深度範囲及び被打撃体先端に関して各回の打撃で得られた地盤データのうち抵抗が最大となる被打撃体周面の最大抵抗及びバネ剛性、また被打撃体先端の最大抵抗及びバネ剛性をそれぞれ抽出し、これら抽出データから当該被打撃体・地盤系の支持力を算定することを特徴とする動的載荷試験方法にある。

この発明は、杭の衝撃載荷試験方法として特に開発されたものであるが、この発明による技術思想は衝撃載荷試験に限らず、急速載荷試験を含む動的載荷試験一般に適用できる。また、載荷する方向に関しても同様であり、鉛直載荷試験に限らず水平載荷試験についても適用できる。さらに動的な平板載荷試験にも適用できる。さらに被打撃体は杭に限らず、鋼矢板などであっても適用できる。さらに、被打撃体が杭の場合、既製杭、現場打ち杭などの全ての杭を対象としており、工法についても埋込杭、打撃杭など全ての工法によって施工された杭を対象としている。また、杭種もコンクリート杭、鋼管杭、プレストレス杭、異種杭などの全ての杭種を対象としている。

この発明によれば、杭などの被打撃体の頭部に複数回の打撃を加え、各回の打撃ごとに波形データを得る。この結果、計測器のアンプ倍率の調整が可能となり、計測のＳＮ比が改善される。また、１回の打撃では、計測器のアンプ倍率の設定ミスから、計測で波がサチったり（saturation）、小さくなりすぎたりすることがあるが、このような計測失敗の恐れも激減する。このことにより、杭などの被打撃体の軸方向力などを精度良く計測することが可能となり、被打撃体の全体にわたって精度の高い支持力を算定することができる。

図５は、この発明の実施形態を示すブロックチャートである。この発明では、試験対象とする１本の杭に対し、複数回の打撃を実施する（ステップＳ１）。図６は打撃状況を示す模式図である。杭１の頭部付近に２種類のセンサー２を設置する。すなわち、１つは加速度センサーで、もう１つはひずみセンサーである。杭１の頭部をハンマー３などにより打撃し、センサー２，２で検出した加速度データ及びひずみデータをアンプ５及びＡ／Ｄ変換器６を介してコンピューター４に取り込む。コンピューター４は、これらのデータに基づき、図７に示すように、計測した加速度波及びひずみ波から打撃で生じた入力波及び反射波を演算し表示する。

このような衝撃波データ（入力波及び反射波）が得られたら、波形マッチング解析を行う（ステップＳ２）。この波形マッチング解析は、衝撃載荷試験において従来から行われている手法であるが、以下、その概要を説明する。

まず、衝撃載荷試験の解析に通常適用される杭・地盤系モデルについて、図８を参照して説明する。各層（杭長を複数に分割した深度範囲に対応する杭・地盤系の層）及び杭先端部分の抵抗は、バネ１０とスライダー１１による静的な抵抗部分と、ダッシュポット１２による動的な抵抗部分とにモデル化される。このうち、静的な抵抗部分は、バネとスライダーとによって、図９に示すように、完全弾塑性モデルとしてモデル化されている。すなわち、ある一定の変位量まではバネの抵抗に比例して力が大きくなるが、その地盤の極限抵抗に達するとスライダーによって完全に摩擦が切れるモデルとしている。この実施形態では波形マッチング解析により最大の抵抗ｆmax 及びバネ剛性ｋを求めることとなる。

波形マッチング解析は、図７に示される入力波を、図８のようにモデル化した杭・地盤系に入力したと仮定して、杭頭に戻ってくる反射波の波形を計算し、図７に示される実測された反射波形と一致する計算波形を見出す工程を含む。すなわち、計算された反射波と実測された反射波を比較し、もし、両者に違いがあれば、仮定した杭・地盤系のモデルのパラメータ（杭長の分割厚さ、抵抗、バネ剛性ｋ、減衰率）を再設定し、再度反射波形を計算し、両者を比較する。以上のことを繰り返して、計算された反射波形と実測から求めた反射波形を一致させることにより、杭・地盤系モデルを同定する。

実施形態では打撃４回の例が示されている。図１０及び図１１は、これら４回打撃のうちのそれぞれ打撃２回目及び４回目の波形マッチング解析例を示している。打撃２回目は杭周面摩擦がある場合の反射波形であり、打撃４回目は杭周面摩擦が切れて杭先端抵抗のみの場合の反射波形である。この波形マッチング解析の結果、各回の打撃に関しての図８に示した杭・地盤系モデルのパラメータが同定される。この実施形態では、地盤データとして深度範囲ごと及び杭先端の最大の抵抗と地盤のバネ剛性ｋが得られる（ステップＳ３）。表１及び表２は、それぞれ打撃２回目及び４回目に関しての波形マッチング解析の結果、同定されたパラメータ値を示している。

すべての打撃に関しての波形マッチング解析を行ったら（ステップＳ４）、各深度範囲及び杭先端に関して各回の打撃で得られたデータのうち、抵抗が最大となる地盤データ（抵抗及びバネ剛性ｋ）をそれぞれ抽出し、これらの抽出データを組み合わせ・総合する。その結果が表３に示されている。表３において、下線が付されているデータが、各深度範囲に関して抵抗が最大であるものとして抽出されたデータである。この抽出データを総合したものを用いて、荷重伝達法により図４に示したような荷重−変位関係が求められる（ステップＳ５）。

杭頭打撃回数と杭周面の摩擦の切れ具合のイメージ図である。 杭頭打撃回数と軸方向力（反射）のイメージ図である。 深さ方向と複数回の打撃結果から得られた最大抵抗を示す図である。 杭頭の荷重−変位量曲線を示す図である。 実施形態のブロックチャートである。 杭頭の打撃状況を示す模式図である。 入力波及び反射波の一例を示す図である。 杭・地盤系をモデル化して示す図である。 杭・地盤系を完全弾塑性モデルとしてモデル化して示す図である。 波形マッチング解析により一致した実測反射波と計算反射波の一例を示す図である。 波形マッチング解析により一致した実測反射波と計算反射波の他の例を示す図である。

符号の説明

１ 試験杭
２ センサー
３ ハンマー
４ ポータブルコンピューター

Claims (1)

1. 杭などの被打撃体の頭部をハンマー等を用いて打撃し、この被打撃体中を伝播する衝撃波を計測してその解析データから被打撃体・地盤系の支持力を算定する動的載荷試験方法において、
   試験対象とする被打撃体に対して複数回の打撃を加えて、各回の打撃ごとに衝撃波を計測し、
   各回の打撃で計測された衝撃波に関してそれぞれ波形マッチング解析を行って、深度範囲ごとの被打撃体周面の最大抵抗及びバネ剛性、また被打撃体先端の最大抵抗及びバネ剛性を含む地盤データを得たのち、
   各深度範囲及び被打撃体先端に関して各回の打撃で得られた地盤データのうち抵抗が最大となる被打撃体周面の最大抵抗及びバネ剛性、また被打撃体先端の最大抵抗及びバネ剛性をそれぞれ抽出し、これら抽出データから当該被打撃体・地盤系の支持力を算定することを特徴とする動的載荷試験方法。

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