JP4382383B2 - Input wave calculation system and input wave calculation method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、杭などの棒状体に力を作用したときに棒状体に発生する入力波に関するものである。特に、本発明は、基礎杭などの載荷試験、基礎杭及び構造物の健全試験などに使用する入力波に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、杭の鉛直載荷試験は、杭の鉛直支持力を実験から確認する方法で、(社)地盤工学会の「杭の鉛直載荷試験方法・同解説(平成14年5月)」では、以下の6通りの方法、A)押込み試験方法、B)先端載荷試験方法、C)引抜き試験方法、D)鉛直交番載荷試験方法、E)急速載荷試験方法、F)衝撃載荷試験方法が、明記されている。この内のA)〜D)は静的試験方法で、E)、F)は動的載荷試験方法である。
【0003】
本発明に特に関係する上記F)の衝撃載荷試験の手順は、a)杭頭からx0離れた位置の軸方向力(軸力)と速度(粒子速度)を求める、b)軸方向力F(x0、t)を進行波Fd(x0、t)と後退波Fu(x0、t)とに分離する、c)軸方向力の後退波から、波形マッチングを行い、杭の抵抗を同定し杭の支持力を算定する。
【0004】
上記波形マッチングとは、杭と地盤をモデル化し、波動論に基づいて算定した計算波形が測定波形と一致するように地盤の抵抗・減衰定数などを同定し、杭先端や周面の支持力を求める方法である。衝撃載荷試験方法は他の試験方法に比べ、実験準備が容易で、経費が低価格で、手軽に行える載荷試験方法である。
【0005】
以下に、参考文献を列挙する。
1)地盤工学会:杭鉛直載荷試験方法・同解説、pp.227−244,2002.5。
2)松本樹典:波動理論の杭への応用における理論的背景、杭の打ち込み性および波動理論の杭への応用。
に関するシンポジウム発表論文集、土質工学会、pp.7−21、1989。
3)境友昭:波動理論の基礎−杭打ち解析のプログラム−杭の打ち込み性および波動理論の杭への応用に関するシンポジウム発表論文集、土質工学会、pp.23−33、1989。
4)西村真二:衝撃載荷試験におけるシグナルマッチング解析の要件、第36回地盤工学研究発表会講演集、pp.1645−1646,2001。
5)小嶋英治・二見智子・本間裕介・桑山晋一・渡辺基弘:縦方向に断面の変化のある杭に適用できる衝撃載荷試験の基礎的研究、その1〜その3、第38回地盤工学研究発表会講演集に投稿、2003。
【0006】
従来、衝撃載荷試験における入力波(打撃力)の評価方法は、主に二通りの方法が採用されている。このどちらの方法も、満足な結果を得ることができなかった。
【0007】
(1)測定点の軸方向力の進行波を入力波として評価する方法
オランダ応用科学研究所建設工学研究所(TNO)の動的載荷システム(FPDS−3)では、測定点の、軸方向力を進行波と後退波に分離し、進行波を入力波と評価していた。地盤工学会の基準(参考文献1参照)はこの方法を採用している(参考文献4を参照)。
【0008】
(2)測定点の軸方向力を入力波と評価する方法
動的載荷システムdWAVE((有)ソフト・プライム製)では、測定点の軸方向力を入力波と評価していた。杭頭のひずみおよび加速度の測定はできないので、工学的判断で、何メートルあるいは何十メートルの杭に対して、杭頭から若干下の距離の軸方向力を入力波としても大差ないと考えられていた。
【0009】
従来の衝撃載荷試験では、杭頭に発生した入力波に基づき振動方程式を解くが、肝心の杭頭の入力波が次の理由で測定することが出来ない。i)杭頭では荷重の分布が一様になっていない。ii)センサが取り付けられない(ひずみゲージが貼れない。また、加速度計が破壊する恐れがある。)。そこで、杭頭から所定距離x0離れた点を測定点とする。(社)地盤工学会の学会基準では、杭頭から杭径の1.5倍以上離れたところを測定点とするように推奨している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
<イ>本発明は、棒状体に付与された入力波を正確に求めることにある。
<ロ>また、本発明は、棒状体に付与された入力波を正確に求めるシステム、又は方法を提供することにある。
<ハ>また、本発明は、杭に入力された入力波を正確に求めることにある。
【0011】
本発明は、棒状体に付与する力によって生じる入力波を算出する入力波算出システムにおいて、センサと算出装置を備え、センサは、棒状体端部から所定距離離れた位置に取り付けられ、算出装置は、棒状体端部に付与する力によって生じたセンサの測定値から進行波と後退波を求め、該進行波をセンサの位置から棒状体端部付近まで戻した端部進行波と、該後退波をセンサの位置から棒状体端部付近まで進めた端部後退波とを求め、該端部進行波と該端部後退波を合成して棒状体端部の入力波を算出することを特徴とする、入力波算出システムにある。
【0012】
また、本発明は、棒状体端部から所定距離離れた位置にセンサが取り付けられ、棒状体に付与する力によって生じる入力波を算出する入力波算出方法において、
棒状体端部に付与する力によって生じたセンサの測定値から進行波と後退波を求めるステップと、該進行波をセンサの位置から棒状体端部まで戻した端部進行波と該後退波をセンサの位置から棒状体端部まで進めた端部後退波とを算出するステップと、該端部進行波と該端部後退波を合成し、棒状体端部の入力波を算出するステップと、からなることを特徴とする、入力波算出方法にある。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【0014】
<イ>入力波算出システム、又は入力波算出方法
入力波算出システム、又は入力波算出方法は、杭、柱、コンクリート構造物などの棒状体に力を付与した時に棒状体に入力される力、即ち入力波を求めることができるものを含んだシステム、又は方法である。棒状体に付与する力の方向は、棒状体の軸方向、軸方向に直交する方向、棒状体の曲げ方向、又は、棒状体のねじれ方向がある。軸方向の場合、棒状体に縦波が発生し、軸方向に直交する方向の場合、棒状体に横波が発生する。棒状体の曲げ方向は、軸方向に直交する方向に力をかけて、軸が曲がる方向である。棒状体のねじれ方向は、軸を回転して棒状体をねじる方向である。棒状体に付与する力の種類は、衝撃力、打撃力、引張力、発破などによる爆破力、起振機による繰り返し力など、棒状体に入力波が発生するものなら良い。
【0015】
入力波算出システム、又は入力波算出方法は、棒状体に入力された入力波を求めることができるものであれば、どのようなものでもよい。入力波算出システム、又は入力波算出方法は、例えば、基礎杭などの杭の衝撃載荷試験、急速載荷試験、また、構造物の健全試験などの解析に適用することができる。この解析の例としては、有限要素法、薄層要素法、境界要素法、差分解析法、特性曲線に基づく波動伝播解析法、骨組み解析法、質点系などの数値解析法などがある。
【0016】
本発明は、入力波算出システム、又は入力波算出方法の他に、プログラムで表現されてコンピュータで実施することができる。そのプログラムは、記録媒体に格納されて流通可能である。
【0017】
<ロ>測定装置による測定
棒状体1の端部で軸方向に力fを作用する例を図1に示す。力fが作用した棒状体端部11の作用位置(x=0)に生じた入力波FI(t)は、力の分布が一様でないなどの理由により、直接測定することができない。そこで、力の作用位置から離れた位置で、力の分布がほぼ均一になった位置(x0)で発生する波を測定する。この波は、作用位置から棒状体1中を遠ざかる進行波Fdと、作用位置へ戻る後退波Fuがある。ここで、力の分布がほぼ均一とは、測定精度によって均一の程度が異なるが、棒状体1のある位置の断面(棒状体の軸に直交する面)において、力の分布(力の方向及び大きさ)がほぼ揃っている状態である。
【0018】
なお、棒状体1とは、力の伝播が放射状に広がらず、ほぼ一定の向に伝播するような物体であり、例えば、柱状体、中空の筒状体、多数の穴を有する柱状体などがある。棒状体1の断面は、どのような形状でもよく、例えば円形、楕円形、角形、多角形などがある。また、棒状体1の材質は、力が伝播するものであれば良く、コンクリート、鋼材、プラスチック、無機材料など、また、これらが混合した物体がある。
【0019】
進行波Fdと後退波Fuの測定は、種々の測定方法があり、加加速度計、加速度計、速度計、変位計、歪み加速度計、歪み速度計、歪み計などの測定装置を同一種類、複数個組み合わせたり、又は、複数種類を組み合わせて行うことができる。例えば、歪みセンサなどの歪み測定装置と速度センサなどの速度測定装置の組み合わせ、歪み測定装置と加速度センサなどの加速度測定装置の組み合わせ、又は、歪みを複数箇所で測定する歪み測定装置の組み合わせがある。測定装置は、棒状体1に直接取り付けて測定するもの、又は、棒状体1から離間して間接的に測定するものなどがある。
【0020】
測定装置の組み合わせの例として、同一種類の測定装置を複数個組み合わせる場合と複数種類の測定装置を組み合わせる場合がある。同一種類の測定装置を複数個組み合わせる場合は、複数の測定装置は棒状体1の軸方向に沿って所定間隔を開けて配置され、好ましくは、軸に平行な同一線上に配置される。又は、複数種類の測定装置を組み合わせる場合は、複数種類の測定装置は、棒状体端部11から同一距離で、好ましくは、近傍に配置される。
【0021】
同一種類の測定装置を複数個組み合わせる場合において、好ましくは、棒状体端部11から同一距離に複数の同一種類の測定装置を配置する。これらの同一種類の測定装置は、好ましくは、棒状体1の周囲に均等な間隔を開けて配置される。例えば、2つの同一種類の測定装置は、棒状体1の軸対称の位置に配置される。これらの測定装置の測定値は、平均される。
【0022】
複数種類の測定装置を組み合わせる場合において、好ましくは、複数の同一種類の測定装置は、棒状体端部11から同一距離の棒状体1の周囲に均等な間隔を開けて配置される。例えば、2つの同一種類の測定装置は、棒状体1の軸対称の位置に配置される。これらの測定装置の測定値は、平均される。
【0023】
<ハ>進行波と後退波の算出
棒状体端部11で軸方向に力fを作用した場合の進行波と後退波の測定の一例として、歪み測定装置と加速度測定装置が使用される。進行波と後退波の算出の手順は、まず、(I)棒状体端部11に力fを作用する。(II)棒状体1の測定位置(例えば棒状体端部から所定距離x0だけ離間した位置)において、歪み測定装置により軸方向力F(x0、t)=Ap・E・ε(x0、t)を求め、また、加速度測定装置により加速度αを求め、加速度αを積分して速度V(x0、t)を求める。(III)測定して求めた軸方向力F(x0、t)とZ・V(x0、t)から式1、式2のように、進行波Fd(x0、t)と後退波Fu(x0、t)を算出する。式中のApは測定位置での棒状体の断面積を示し、Eは測定位置での棒状体1のヤング係数を示し、ε(x0、t)は測定位置での歪みを示し、Zはインピーダンスを示している。なお、本明細書において、力や速度などのベクトルの表記は、ベクトル表記が望ましいが、表記を簡単にするために、1次元として表記している。なお、棒状体端部11で軸方向に直交する力fを付与する場合、軸方向に直交する方向力F(x0、t)=Ap・G・ε(x0、t)とする。ここでGは、せん断弾性係数である。
【0024】
【式1】
【0025】
【式2】
【0026】
<ニ>棒状体端部の軸方向力の算出
棒状体端部11の軸方向力F(0、t)は、棒状体端部(x=0)における進行波Fd(x0、t+t0)と後退波Fu(x0、t−t0)を合成したものである。端部進行波Fd(x0、t+t0)は、測定位置(x0)における進行波Fd(x0、t)を棒状体端部(x=0)まで戻したものである。端部後退波Fu(x0、t−t0)は、測定位置(x0)における後退波Fu(x0、t)を棒状体端部(x=0)まで進めたものである。即ち、棒状体端部(x=0)から所定距離(x0)離れた棒状体内部の位置に生じた進行波Fd(x0、t)と後退波Fu(x0、t)を求め、棒状体端部11まで進行波を戻した端部進行波Fd(x0、t+t0)と棒状体端部11まで後退波を進めた端部後退波Fu(x0、t−t0)とを求め、端部進行波と端部後退波を合成し、式3から棒状体端部(x=0)の軸方向力F(0、t)を算出する。
【0027】
棒状体端部11のインピーダンスと速度による力の波形は、式4のようにして求められる。ここで、Fd(x0、t+t0)は、所定距離x0にある進行波Fd(x0、t)を棒状体端部11に戻した波であり、Fu(x0、t−t0)は、後退波Fu(x0、t)を棒状体端部11に進めた波である。ここで、t0=x0/VLであり、VLは棒状体1中を伝播する伝播速度である。なお、式3と式4の代わりに、t⇒t+αとした式5と式6を使用しても良い。ここでαは、任意の値である。
【0028】
【式3】
【0029】
【式4】
【0030】
【式5】
【0031】
【式6】
【0032】
<ホ>入力波の算出
入力波FI(t)は、棒状体端部(x=0)に力fを作用し、力が棒状体1中に入力したものであり、式7のように、入力波FI(t)は、棒状体端部11の軸方向力F(0、t)と等しくなる。これは、棒状体端部11が自由面であるから、後退波が棒状体端部11で全反射し進行波となる時に逆位相となり、後退波と進行波が打ち消し合い、棒状体端部11には、入力波しか存在しなくなる。このようにして、棒状体端部(x=0)に力fが作用し、棒状体端部11から所定距離(x0)離れた測定位置における進行波と後退波が求まると、棒状体端部11から入射した入力波FI(t)を算出することができる。
【0033】
【式7】
【0034】
<ヘ>入力波算出システムの構成
入力波算出システムは、例えば図2に示すように、歪みセンサ22からの信号を受信する歪み形アンプ52と、加速度センサ21からの信号を受信する加速度アンプ51と、これらのアンプをA/D変換するA/D変換器53、54、これらA/D変換器からのデータをデータライン55を介してFIFOメモリ57又はFPGAロジック58に入れ、CPU59でデータ処理する算出装置5を備えている。算出装置5は、測定された進行波を測定位置から棒状体端部11付近まで戻した端部進行波と、測定された後退波を測定位置から棒状体端部11付近まで進めた端部後退波とを求め、該端部進行波と該端部後退波を合成して棒状体端部11の入力波を算出する。
【0035】
<ト>入力波算出プログラムと記録媒体
入力波算出プログラムは、算出装置で入力波を算出するものであり、例えば図3に示すように、杭を例に取ると、杭頭から下方の位置x0で測定した歪みと加速度からF(x0、t)とZ・V(x0、t)を求める(S1)。F(x0、t)とZ・V(x0、t)から進行波Fd(x0、t)と後退波Fu(x0、t)の分離を行う(S2)。これから杭頭から位置x0の測定後退波Fd(x0、t)を求める(S3)。また、入力波FI(t)を求める(S4)。杭仕様、杭長、断面積、ヤング係数などを入力する(S11)。杭体のモデル化を行う(S12)。地盤条件を入力する(S13)。地盤のモデル化を行う(S14)。杭−地盤系のモデル化を行う(S15)。測定入力波と杭−地盤系のモデルにより、波動伝播計算を行う(S16)。杭頭から位置x0の計算後退波F’u(x0、t)を求める(S17)。測定後退波Fd(x0、t)と計算後退波F’u(x0、t)の波形を比較する(S18)。一致しない場合、地盤パラメータを修正し(S19)、ステップS16に飛ぶ。一致すると、静的抵抗成分を評価する(S20)。静的な荷重変位量曲線を求める(S21)。杭の差分モデルは、例えば図4のようなモデルとする。この入力波算出プログラムをCD、ハードディスク、メモリカードなどの記録媒体に記録する。このモデルは、動的抵抗成分をダッシュポット32で、また、静的抵抗成分をばね33とスライダ34で、モデル化したものである。なお、図3のフローチャートにおいて、本発明は、ステップS4の測定入力波として、FI(t)を使用する。それに対して、従来の「測定点の軸方向力の進行波を入力波として評価する方法(地盤工学会の基準)」では、F(x0、t)を使用し、従来の「測定点の軸方向力を入力波と評価する方法」では、Fd(x0、t)を使用する点で本発明と相違している。
【0036】
以下、杭における入力波算出の実施例を説明する。
【0037】
<イ>測定条件
杭頭(棒状体端部)に力fを付与して、杭に発生する進行波と後退波、及び杭頭に発生した入力波を確認するために、図5に示すようにシンプルなモデルを製作した。杭3の周面を自由面とするために、地盤4中に先端を閉鎖した鋼管41をソイルセメント埋設工法で打設し、その中に杭3を立て込んだ。杭3と鋼管41の間には空洞42が形成されている。杭頭に力fを付与する衝撃装置には、重錘3kNのものを用い、落下高さは800mmとした。また、杭3は杭長8mのB種の直杭(Φ400)を用い、歪センサ22と加速度センサ21のセンサ2の配置は杭頭から800mm(x0)離れた位置とした。センサ2からの測定信号は、アンプ51、52に入力され、A/D変換器53、54を介してCPU59で処理され、進行波、後退波及び入力波が求められた。
【0038】
<ロ>後退波と進行波の算出
後退波と進行波の算出は、歪センサ22と加速度センサ21による測定値から軸方向力F(x0、t)と速度V(x0、t)を求める。この測定値から式1、式2のようにして進行波(下降波)と後退波(上昇波)を算出する。直接測定できない杭頭の軸方向力は、杭頭の位置での進行波と後退波を足し合わせたもので、式3のようにして求められる。杭頭の入力波FI(t)は、杭頭の軸方向力F(0、t)と等しいので、式7から求めることができる。
【0039】
<ハ>測定波形
測定位置x0で測定した波形を図6に示す。測定した軸方向力F(x0、t)は、図6(A)に示す。分離した進行波Fd(x0、t)は、図6(B)に示す。分離した後退波Fu(x0、t)は、図6(C)に示す。杭頭の入力波FI(t)は、図6(D)に示す。
【0040】
<ニ>波形マッチング解析
波形マッチング解析は、杭と地盤をモデル化し、波動理論に基づいて算出した計算波形が測定波形と一致するように解析の入力定数を同定し、杭先端や周囲の抵抗などを求める解析方法である。この波動理論に入力波FI(t)を入れて求めた計算後退波を図6(E)の実線に示す。測定位置(x0)における測定後退波形を図6(E)の破線で示す。この図6(E)から、計算後退波と測定後退波(図6(E)の破線)とを比較すると、殆ど完全に一致していることが示されている。この結果から、測定値から算出した杭頭の入力波は、正確な値であると考えられる。
【0041】
<ホ>波形マッチングの参考例
従来の二通りの評価方法(「測定点の軸方向力の進行波を入力波として評価する方法」と「測定点の軸方向力を入力波と評価する方法」)で得られた入力波を用いてマッチングを行った例を示す。
【0042】
1つは、「測定点の軸方向力の進行波を入力波として評価する方法(地盤工学会の基準)」であり、測定位置(x0)での進行波を入力波と評価する方法であり、この入力波から計算した計算後退波を図7(A)に示す。この図のように、計算後退波は、時間の経過と共に波形が大きくなり、測定後退波とマッチングさせることができない。その理由は、入力波として反射して戻ってくる波を含めた図6(B)の波を使用していることによる。それに対して、本発明は、入力波として図6(D)の一波を利用している。
【0043】
他の1つは、「測定点の軸方向力を入力波と評価する方法」であり、この入力波から計算した計算後退波を図7(B)に示す。この図でも、計算後退波は、時間の経過と共に波形が大きくなり、測定後退波とマッチングさせることができない。その理由は、上記と同様に、入力波として反射して戻ってくる波を含めた図6(A)の波を使用していることによる。
【0044】
それに対して、本発明は、図6(E)に示すように、複数の山と谷でマッチングが取れており、従来の衝撃載荷試験においてマッチングが取れなかった原因が解明できた。
【0045】
<ヘ>杭を地中に埋設した際の波形
本発明の実施例では、図5に示すようにシンプルなモデルを用いたので、測定波形が図6や図7のように明確になるが、実際には、測定波が図8のように明確にならない。このように、実際の図8の波形を見ただけでは、マッチングが合っているように見えていた。図8(A)は、地中に埋設した杭を本発明の方法で測定して求めた入力波FI(t)であり、本発明の実施例の測定波である図6(D)に対応する。図8(B)は、地中に埋設した杭を従来の測定点の軸力の進行波を打撃力として評価する方法(地盤工学会の基準)で使用する入力波Fd(x0、t)であり、本発明の実施例の測定波である図7(A)に対応する。
【0046】
このように、1回しか打撃しない場合でも、従来の方法では、入力波に反射して戻ってきた波が加わり、図8(B)の波形になっていると考えられる。これを明確にするために図5のシンプルなモデルで実験を行った。
【0047】
図8で使用した杭は、節杭(Φ600−450、L=7m)をソイルセメント埋設工法で打設したものである。杭頭は衝撃装置で打撃して、杭に入力波を付与している。
【0048】
従来の図8(B)の入力波の曲線Fd(x0、t)は、0.02秒付近で、かなり大きな負の値になっており、引張力が働いていることを示している。しかし、入力波は、杭頭を打撃して得られたものであるので、引張力が働くことは不自然である。それに対して、本発明の図8(A)の入力波の曲線FI(t)は、常に正であり、自然法則に合っていると考えられる。
【0049】
【発明の効果】
本発明は、次のような効果を得ることができる。
<イ>本発明は、棒状体に付与された入力波を正確に求めることができる。
<ロ>また、本発明は、棒状体に付与された入力波を正確に求めるシステム、又は方法を提供することができる。
<ハ>また、本発明は、杭に入力された入力波を正確に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】入力波の測定の原理図
【図2】入力波算出システムの説明図
【図3】入力波算出プログラムの説明図
【図4】杭の差分モデルの説明図
【図5】杭のモデルによる入力波の測定図
【図6】杭のモデルにおける波形図
【図7】従来の入力波と測定波のマッチングの説明図
【図8】参考ための本発明と従来の実際の入力波の対比説明図
【符号の説明】
1・・・棒状体
11・・棒状体端部
2・・・センサ
21・・加速度センサ
22・・歪みセンサ
3・・・杭
31・・杭頭
4・・・地盤
41・・鋼管
42・・空洞
5・・・算出装置
51・・加速度アンプ
52・・歪み計アンプ
53、54・・A/D変換器
59・・CPU[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an input wave generated in a rod-shaped body when a force is applied to a rod-shaped body such as a pile. In particular, the present invention relates to an input wave used for a loading test for a foundation pile, a soundness test for a foundation pile and a structure, and the like.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, the vertical loading test of a pile is a method of confirming the vertical bearing capacity of the pile from the experiment. The “Pile vertical loading test method / comment (May 2002)” of the Japan Geotechnical Society, 6) A) indentation test method, B) tip loading test method, C) pull-out test method, D) lead orthogonal load loading test method, E) rapid loading test method, F) impact loading test method are specified. ing. Among these, A) to D) are static test methods, and E) and F) are dynamic loading test methods.
[0003]
Procedure shock loading test the F) particularly relevant to the present invention, a) the axial force of the x 0 away from the pile head seek (axial force) and speed (particle velocity), b) an axial force F (X 0 , t) is separated into traveling wave F d (x 0 , t) and backward wave F u (x 0 , t), c) waveform matching is performed from the backward wave of axial force, Identify the resistance and calculate the bearing capacity of the pile.
[0004]
The above-mentioned waveform matching models the pile and the ground, identifies the resistance and damping constant of the ground so that the calculated waveform calculated based on the wave theory matches the measured waveform, and determines the bearing capacity of the pile tip and peripheral surface. It is a method to seek. Compared to other test methods, the impact load test method is a load test method that is easy to prepare for an experiment, is inexpensive, and can be easily performed.
[0005]
References are listed below.
1) Geotechnical Society: Pile vertical loading test method and explanation, pp. 227-244, 2002.5.
2) Matsumoto, J .: Theoretical background in the application of wave theory to piles, pile driveability, and application of wave theory to piles.
Proceedings of symposium presentations, Geotechnical Society, pp. 7-21, 1989.
3) Tomoaki Sakai: Basics of wave theory-pile driving analysis program-Proceedings of symposium on pile driveability and application of wave theory to piles, Geotechnical Society, pp. 23-33, 1989.
4) Shinji Nishimura: Requirements for signal matching analysis in impact loading test, Proceedings of the 36th Geotechnical Research Conference, pp. 1645-1646, 2001.
5) Eiji Kojima, Tomoko Futami, Yusuke Honma, Junichi Kuwayama, Motohiro Watanabe: Fundamental study of impact loading test applicable to piles with longitudinal cross-sectional changes,
[0006]
Conventionally, there are mainly two methods for evaluating an input wave (blowing force) in an impact loading test. Neither of these methods yielded satisfactory results.
[0007]
(1) Method of evaluating the traveling wave of the axial force at the measurement point as an input wave In the dynamic loading system (FPDS-3) of the Dutch Institute of Applied Science (TNO), the axial force at the measurement point Were separated into traveling waves and backward waves, and traveling waves were evaluated as input waves. The method of the Geotechnical Society (see Reference 1) employs this method (see Reference 4).
[0008]
(2) Method for Evaluating Axial Force at Measurement Point as Input Wave In the dynamic loading system dWAVE (manufactured by Soft Prime), the axial force at the measurement point is evaluated as an input wave. Since the strain and acceleration of the pile head cannot be measured, it is considered from engineering judgment that the axial force at a distance slightly below the pile head is not much different as input waves for piles of several meters or tens of meters. It was.
[0009]
In the conventional impact loading test, the vibration equation is solved based on the input wave generated at the pile head, but the input wave at the core pile head cannot be measured for the following reason. i) The load distribution is not uniform at the pile head. ii) The sensor cannot be attached (the strain gauge cannot be attached, and the accelerometer may be destroyed). Accordingly, the measuring point a point a predetermined distance x 0 from the pile head. According to the standards of the Society of Geotechnical Engineers, it is recommended that the measurement point should be at a distance of 1.5 times the pile diameter from the pile head.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
<A> The present invention is to accurately obtain an input wave applied to a rod-shaped body.
<B> The present invention also provides a system or method for accurately obtaining an input wave applied to a rod-shaped body.
<C> Further, the present invention is to accurately obtain an input wave input to a pile.
[0011]
The present invention relates to an input wave calculation system that calculates an input wave generated by a force applied to a rod-shaped body, and includes a sensor and a calculation device, the sensor is attached at a position away from the end of the rod-shaped body by a predetermined distance, The traveling wave and the backward wave are obtained from the measured value of the sensor generated by the force applied to the end of the rod-shaped body, the traveling wave is returned from the sensor position to the vicinity of the rod-shaped body end , and the backward traveling wave The end receding wave which is advanced from the sensor position to the vicinity of the end of the rod-shaped body, and the input wave at the end of the rod-shaped body is calculated by synthesizing the end traveling wave and the end receding wave. In the input wave calculation system.
[0012]
Further, the present invention provides an input wave calculation method for calculating an input wave generated by a force applied to a rod-shaped body , in which a sensor is attached at a position away from the end of the rod-shaped body by a predetermined distance .
Determining a retraction wave traveling wave from the measured values of the sensor caused depending on the force applied to the rod-like body end, end traveling wave and the backward wave returned to the traveling wave from the position of the sensor to the rod-like body end A step of calculating an end receding wave from the sensor position to the end of the rod-shaped body, a step of combining the end traveling wave and the end receding wave, and calculating an input wave of the end of the rod-shaped body; The input wave calculation method is characterized by comprising:
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
<I> Input wave calculation system or input wave calculation method The input wave calculation system or input wave calculation method is a force input to a rod-shaped body when a force is applied to the rod-shaped body such as a pile, a column, or a concrete structure, That is, a system or method that includes a device that can determine an input wave. The direction of the force applied to the rod-shaped body includes an axial direction of the rod-shaped body, a direction orthogonal to the axial direction, a bending direction of the rod-shaped body, or a twisting direction of the rod-shaped body. In the case of the axial direction, a longitudinal wave is generated in the rod-shaped body, and in the case of a direction orthogonal to the axial direction, a transverse wave is generated in the rod-shaped body. The bending direction of the rod-shaped body is a direction in which the axis is bent by applying a force in a direction orthogonal to the axial direction. The twisting direction of the rod-shaped body is a direction in which the rod-shaped body is twisted by rotating the shaft. The type of force applied to the rod-shaped body may be any as long as an input wave is generated in the rod-shaped body, such as impact force, impact force, tensile force, blasting force due to blasting, and repeating force by a vibrator.
[0015]
The input wave calculation system or the input wave calculation method may be anything as long as the input wave input to the rod-like body can be obtained. The input wave calculation system or the input wave calculation method can be applied to, for example, an analysis such as an impact loading test, a rapid loading test, or a soundness test of a structure such as a foundation pile. Examples of this analysis include a finite element method, a thin layer element method, a boundary element method, a difference analysis method, a wave propagation analysis method based on a characteristic curve, a frame analysis method, and a numerical analysis method such as a mass system.
[0016]
In addition to the input wave calculation system or the input wave calculation method, the present invention can be expressed by a program and implemented by a computer. The program can be stored in a recording medium and distributed.
[0017]
<B> An example in which the force f is applied in the axial direction at the end of the measuring
[0018]
The rod-shaped
[0019]
There are various measurement methods for measuring the traveling wave Fd and the backward wave Fu , and the same type of measuring device such as an accelerometer, an accelerometer, a speedometer, a displacement meter, a strain accelerometer, a strain speedometer, and a strain meter. These can be combined or a plurality of types can be combined. For example, there is a combination of a strain measuring device such as a strain sensor and a speed measuring device such as a velocity sensor, a combination of a strain measuring device and an acceleration measuring device such as an acceleration sensor, or a combination of strain measuring devices that measure strain at a plurality of locations. . Examples of the measuring device include a device that is directly attached to the rod-shaped
[0020]
As an example of a combination of measuring devices, there are a case where a plurality of measuring devices of the same type are combined and a case where a plurality of measuring devices are combined. When a plurality of measuring devices of the same type are combined, the plurality of measuring devices are arranged at predetermined intervals along the axial direction of the rod-shaped
[0021]
When a plurality of measuring devices of the same type are combined, a plurality of measuring devices of the same type are preferably arranged at the same distance from the rod-like
[0022]
In the case of combining a plurality of types of measuring devices, preferably, the plurality of the same types of measuring devices are arranged at equal intervals around the rod-shaped
[0023]
<C> Calculation of traveling wave and backward wave As an example of the measurement of the traveling wave and backward wave when force f is applied in the axial direction at the
[0024]
[Formula 1]
[0025]
[Formula 2]
[0026]
<D> Calculation of the axial force at the end of the rod-shaped body The axial force F (0, t) at the end of the rod-shaped
[0027]
The waveform of the force due to the impedance and speed of the rod-like
[0028]
[Formula 3]
[0029]
[Formula 4]
[0030]
[Formula 5]
[0031]
[Formula 6]
[0032]
<E> Calculation of Input Wave The input wave F I (t) is a force f applied to the end of the rod-shaped body (x = 0), and the force is input into the rod-shaped
[0033]
[Formula 7]
[0034]
<F> Configuration of Input Wave Calculation System The input wave calculation system includes, for example, a
[0035]
<G> The input wave calculation program and the recording medium input wave calculation program calculate an input wave by a calculation device. For example, as shown in FIG. 0 distortion and the acceleration measured in F (x 0, t) and determining the Z · V (x 0, t ) (S1). The traveling wave F d (x 0 , t) and the backward wave F u (x 0 , t) are separated from F (x 0 , t) and Z · V (x 0 , t) (S2). From this, the measured backward wave F d (x 0 , t) at the position x 0 is obtained from the pile head (S3). Further, an input wave F I (t) is obtained (S4). Pile specifications, pile length, cross-sectional area, Young's modulus, etc. are input (S11). The pile body is modeled (S12). A ground condition is input (S13). The ground is modeled (S14). The pile-ground system is modeled (S15). Wave propagation calculation is performed using the measured input wave and the pile-ground model (S16). A calculated backward wave F ′ u (x 0 , t) at the position x 0 is obtained from the pile head (S17). The waveforms of the measured backward wave F d (x 0 , t) and the calculated backward wave F ′ u (x 0 , t) are compared (S18). If not, the ground parameter is corrected (S19), and the process jumps to step S16. If they match, the static resistance component is evaluated (S20). A static load displacement curve is obtained (S21). The pile difference model is, for example, a model as shown in FIG. This input wave calculation program is recorded on a recording medium such as a CD, a hard disk, or a memory card. In this model, a dynamic resistance component is modeled by a
[0036]
Hereinafter, an embodiment of calculating an input wave in a pile will be described.
[0037]
<I> Measurement conditions To apply force f to the pile head (end of rod-like body) and confirm the traveling wave and backward wave generated in the pile and the input wave generated in the pile head, as shown in FIG. Made a simple model. In order to make the peripheral surface of the pile 3 a free surface, a steel pipe 41 whose tip was closed in the
[0038]
<B> Calculation of Backward Wave and Traveling Wave The backward wave and traveling wave are calculated by calculating the axial force F (x 0 , t) and velocity V (x 0 , t) from the measured values by the
[0039]
Shows a waveform measured by <c> measured waveform measurement location x 0 in FIG. The measured axial force F (x 0 , t) is shown in FIG. The separated traveling wave F d (x 0 , t) is shown in FIG. The separated backward wave F u (x 0 , t) is shown in FIG. The input wave F I (t) of the pile head is shown in FIG.
[0040]
<D> Waveform matching analysis Waveform matching analysis models piles and ground, identifies the input constants of the analysis so that the calculated waveform calculated based on wave theory matches the measured waveform, and the resistance of the pile tip and surroundings, etc. This is an analysis method for obtaining. The calculated backward wave obtained by putting the input wave F I (t) into this wave theory is shown by the solid line in FIG. A measurement backward waveform at the measurement position (x 0 ) is indicated by a broken line in FIG. FIG. 6E shows that the calculated backward wave and the measured backward wave (broken line in FIG. 6E) almost completely match. From this result, it is considered that the input wave of the pile head calculated from the measured value is an accurate value.
[0041]
<E> Reference example of waveform matching Two conventional evaluation methods ("Method to evaluate the traveling wave of the axial force at the measurement point as an input wave" and "Method to evaluate the axial force at the measurement point as an input wave" The example which matched using the input wave obtained by () is shown.
[0042]
One is a “method for evaluating the traveling wave of the axial force at the measurement point as an input wave (standard of the Geotechnical Society), and a method for evaluating the traveling wave at the measurement position (x 0 ) as an input wave. There is a calculated backward wave calculated from this input wave as shown in FIG. As shown in this figure, the calculated backward wave becomes larger with time and cannot be matched with the measured backward wave. The reason is that the waves shown in FIG. 6B including the waves reflected and returned as the input waves are used. On the other hand, the present invention uses one wave of FIG. 6D as an input wave.
[0043]
The other one is “a method for evaluating the axial force at the measurement point as an input wave”, and a calculated backward wave calculated from this input wave is shown in FIG. Also in this figure, the calculated backward wave becomes larger with time and cannot be matched with the measured backward wave. The reason is that, as described above, the waves shown in FIG. 6A including the waves reflected and returned as the input waves are used.
[0044]
On the other hand, as shown in FIG. 6 (E), in the present invention, matching was achieved at a plurality of peaks and valleys, and the cause of failure in matching in the conventional impact loading test could be clarified.
[0045]
<F> Waveform when the pile is buried in the ground In the embodiment of the present invention, since a simple model is used as shown in FIG. 5, the measured waveform becomes clear as shown in FIG. 6 and FIG. Actually, the measurement wave is not clear as shown in FIG. Thus, just looking at the actual waveform of FIG. FIG. 8A is an input wave F I (t) obtained by measuring a pile buried in the ground by the method of the present invention, and FIG. 6D is a measured wave of the embodiment of the present invention. Correspond. FIG. 8B shows an input wave F d (x 0 , t) used in a method of evaluating a traveling wave of an axial force at a conventional measurement point as a striking force for a pile buried in the ground (standard of the Geotechnical Society). And corresponds to FIG. 7A which is a measurement wave of the embodiment of the present invention.
[0046]
In this way, even when hitting only once, it is considered that the conventional method adds a wave reflected and returned to the input wave, resulting in the waveform of FIG. In order to clarify this, an experiment was conducted with the simple model of FIG.
[0047]
The pile used in FIG. 8 is a knot pile (Φ600-450, L = 7 m) placed by a soil cement burying method. The pile head is struck with an impact device to give an input wave to the pile.
[0048]
The curve F d (x 0 , t) of the input wave in FIG. 8 (B) in the prior art has a fairly large negative value around 0.02 seconds, indicating that the tensile force is working. . However, since the input wave is obtained by hitting the pile head, it is unnatural that the tensile force works. On the other hand, the curve F I (t) of the input wave in FIG. 8A of the present invention is always positive and is considered to meet the natural law.
[0049]
【The invention's effect】
The present invention can obtain the following effects.
<A> The present invention can accurately determine the input wave applied to the rod-shaped body.
<B> The present invention can also provide a system or method for accurately obtaining an input wave applied to a rod-shaped body.
<C> In addition, the present invention can accurately determine the input wave input to the pile.
[Brief description of the drawings]
[Fig. 1] Principle of input wave measurement [Fig. 2] Illustration of input wave calculation system [Fig. 3] Illustration of input wave calculation program [Fig. 4] Illustration of differential model of pile [Fig. Fig. 6 Waveform diagram of the pile model. Fig. 7 Explanatory diagram of matching between the conventional input wave and the measured wave. Fig. 8 The present invention for reference and the conventional actual input wave. Comparison diagram [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (5)
センサと算出装置を備え、
センサは、棒状体端部から所定距離離れた位置に取り付けられ、
算出装置は、棒状体端部に付与する力によって生じたセンサの測定値から進行波と後退波を求め、該進行波をセンサの位置から棒状体端部付近まで戻した端部進行波と、該後退波をセンサの位置から棒状体端部付近まで進めた端部後退波とを求め、該端部進行波と該端部後退波を合成して棒状体端部の入力波を算出することを特徴とする、入力波算出システム。In the input wave calculation system for calculating the input wave generated by the force applied to the rod-shaped body,
A sensor and a calculation device,
The sensor is attached at a position away from the end of the rod-shaped body by a predetermined distance,
The calculation device obtains a traveling wave and a backward wave from the measured value of the sensor generated by the force applied to the end of the rod-shaped body, and an end traveling wave that returns the traveling wave from the position of the sensor to the vicinity of the rod-shaped body end; Obtaining an end receding wave that advances the receding wave from the position of the sensor to the vicinity of the end of the rod-shaped body, and combining the end traveling wave and the end receding wave to calculate an input wave at the end of the rod-shaped body An input wave calculation system characterized by
棒状体端部に付与する力は、棒状体のほぼ軸方向、棒状体の軸方向とほぼ直交する方向、棒状体の曲げ方向、又は、棒状体のねじれ方向とすることを特徴とする、入力波算出システム。In the input wave calculation system according to claim 1 ,
The force applied to the end of the rod-shaped body is the substantially axial direction of the rod-shaped body, the direction substantially perpendicular to the axial direction of the rod-shaped body, the bending direction of the rod-shaped body, or the twisting direction of the rod-shaped body. Wave calculation system.
棒状体端部に付与する力によって生じたセンサの測定値から進行波と後退波を求めるステップと、
該進行波をセンサの位置から棒状体端部まで戻した端部進行波と該後退波をセンサの位置から棒状体端部まで進めた端部後退波とを算出するステップと、
該端部進行波と該端部後退波を合成し、棒状体端部の入力波を算出するステップと、からなることを特徴とする、入力波算出方法。In the input wave calculation method for calculating the input wave generated by the force applied to the rod-shaped body, the sensor is attached at a position away from the end of the rod-shaped body,
Obtaining a traveling wave and a backward wave from the measured value of the sensor generated by the force applied to the end of the rod-shaped body;
Calculating an end traveling wave obtained by returning the traveling wave from the position of the sensor to the end of the rod-shaped body and an end retreating wave obtained by advancing the backward wave from the position of the sensor to the end of the rod-shaped body;
And a step of synthesizing the end traveling wave and the end receding wave to calculate an input wave at the end of the rod-like body.
該進行波をセンサの位置から棒状体端部まで戻した端部進行波と該後退波をセンサの位置から棒状体端部まで進めた端部後退波とを算出する手順と、A procedure for calculating an end traveling wave in which the traveling wave is returned from the sensor position to the end of the rod-shaped body and an end receding wave in which the backward wave is advanced from the sensor position to the end of the rod-shaped body;
該端部進行波と該端部後退波を合成し、棒状体端部の入力波を算出する手順と、をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。A program for causing a computer to execute a procedure for synthesizing the end traveling wave and the end receding wave to calculate an input wave at the end of the rod-shaped body.
該進行波をセンサの位置から棒状体端部まで戻した端部進行波と該後退波をセンサの位置から棒状体端部まで進めた端部後退波とを算出する手順と、A procedure for calculating an end traveling wave in which the traveling wave is returned from the sensor position to the end of the rod-shaped body and an end receding wave in which the backward wave is advanced from the sensor position to the end of the rod-shaped body;
該端部進行波と該端部後退波を合成し、棒状体端部の入力波を算出する手順と、をコンピュータに実行させるプログラムを記録したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体。A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for causing a computer to execute a procedure for synthesizing the edge traveling wave and the edge backward wave to calculate an input wave at the end of the rod-like body.
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