JP4408913B2 - 貫入試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、コーンを地中に貫入しつつデータを取得し、地質調査を行う貫入試験に関する。

建設予定地等の原位置試験において、コーンペネトロメーターテスト（ＣＰＴ）と言われる電気式静的コーン貫入試験が行われる。このようなコーン貫入試験において、特許文献１にあるような油圧式の貫入試験装置が使用される。この貫入試験装置は、先端にコーンを取り付けたロッドの後端を油圧シリンダにより押圧し、所定の速度で地中へ鉛直に貫入していく装置である。
特許第２９３１２８５号公報

上記の貫入試験装置では、地盤によってはコーン貫入に２０ｋＮ（約２ｔｆ）を超える圧力が油圧シリンダによりかけられることがある。従来の貫入試験装置は、自重によってその反力に対抗しているが、場合によっては反力で貫入試験装置が浮き上がってしまうことがあり、試験にならない場合があった。

本発明はこの点に着目したもので、反力対抗機構を設けた貫入試験装置を提案するものである。

本発明による貫入試験装置は、先端にコーンを取り付けたコーンロッドの後端を押圧して前記コーンを地中へ貫入する油圧シリンダを設置したフレームと、前記コーンの貫入位置を挟んで対称位置に二本配置され、前記フレームの水平面部を垂直方向に貫通するオーガスクリューと、前記二本のオーガスクリューの後端をそれぞれ把持して回転させるように、二個設けられ、前記水平面部を貫通して下方へ先端側が突出した前記オーガスクリューを回転させるモータと、該モータを支持して上下動させるための支柱と、前記オーガスクリューに設けられ、前記モータにより前記オーガスクリューを回転させて地中へ進入させたときに前記水平面部の上面に当接するストッパと、を含んで構成されることを特徴とする。

本発明の貫入試験装置によれば、モータにより地中に進入させたオーガスクリュー及びこれに設けられてフレーム上面に当接するストッパが、コーン貫入時に貫入試験装置を浮き上がらせようとする反力に対抗して装置を押さえ込む反力対抗機構として作用する。そのオーガスクリューの進入深さによって、２０ｋＮ以上になる油圧シリンダの圧力から発生する反力にも十分耐え得る反力対抗機構が形成されるので、電気式静的コーン貫入試験などのコーン貫入試験を円滑に実施可能な貫入試験装置が提供される。

図１〜図３に、貫入試験装置の好適な実施形態を図示している。

本実施形態の貫入試験装置は、無限軌道により走行する走行装置Ｖに取り付けられ、自走できるようになっている。走行装置Ｖは、前方に突出した二本のアームＶ１を備えており、このアームＶ１に、貫入試験装置のフレーム１が軸支され、垂直方向へ回動可能になっている。より詳細には、フレーム１の上面に、アームＶ１の間隔に対応させて二つの支持壁１ａが立設され、当該各支持壁１ａの下部に、対応するアームＶ１の先端部分がピボットピンにて軸支されている。そして、この軸支されたフレーム１を回動させる油圧シリンダを利用したアクチュエータＶ２が、支持壁１ａに対応させて二本、走行装置Ｖに備えられている。アクチュエータＶ２のピストンアーム先端は、対応する支持壁１ａの上部に軸支されており、当該アクチュエータＶ２が伸縮することで、アームＶ１に軸支されたフレーム１が回動するようになっている。

貫入試験装置のフレーム１は、上面が概略平坦に形成されており、そのほぼ中央に、試験に要する各種センサを仕込んだコーンＣの貫入位置となる垂直方向貫通孔が形成されている。そして、該コーンＣの貫入位置を挟んで対称位置に、油圧シリンダ２が二本、上方へ立設されている。各油圧シリンダ２は、そのピストンロッド２ａの先端をフレーム１の上面に固定して立設されており、コーンＣを先端に取り付けたコーンロッドＣ１の後端を把持して押圧するための押圧部２ｂが、当該二本の油圧シリンダ２に固定され、間に架け渡されている。この押圧部２ｂが、油圧シリンダ２の伸縮動作に従って上下することにより、コーンロッドＣ１の後端が押圧されて一定の速度で地中へ貫入され、また引き抜かれる。このときのコーンロッドＣ１は、貫入深さに応じて継ぎ足し可能である。当該コーンＣによる測定データは、走行装置Ｖに搭載された解析用の電子機器（コンピュータ等）へ送られて記憶される。なお、コーンＣの内部やこれに関連した電子機器及び押圧部２ｂの詳細については、ここでは省略する。

フレーム１の最も外側の部位となる長手方向両端部１ｂは、コネクティングピン１ｃの抜き差しにより着脱可能で、上から見た形状がほぼＵ字状となる部品となっており、オーガスクリュー３の着脱作業に際して取り外すことができるようになっている。フレーム１に取り付けた両端部１ｂの上面はフレーム１に続く概略平坦で、当該両端部１ｂが水平面部となると共に、当該Ｕ字状の両端部１ｂで囲まれた内側には、垂直方向への貫通孔が形成されることになり、ここを通してオーガスクリュー３が貫通し、下方へ突出する。

この両端部１ｂにより形成されるフレーム１の最も外側の水平面部を前記貫通孔により貫通して配置されるオーガスクリュー３は、先端側のスクリュー部分がフレーム１の下方へ突出し、後端が対応する油圧モータ４のチャック４ａに装着される。本実施形態の場合、オーガスクリュー３の後端に延長ロッド３ａが接続され、該延長ロッド３ａの後端がチャック４ａにボルトで取り外し可能に固定されている。この延長ロッド３ａは深さに応じて継ぎ足し可能であるし、延長ロッド３ａを使用しない場合もあり得る。

このようにフレーム１の両端部１ｂの部分を貫通する二本のオーガスクリュー３は、コーンＣの貫入位置を挟んで対称位置に二本配置されることになり、そして、該二本のオーガスクリュー３を把持してそれぞれ回転させるように、モータ４も二個設けられている。これら二個のモータ４は、油圧シリンダ２よりも外側で且つ両端部１ｂよりも内側のフレーム１上面に立設された二本の支柱５に支持されている。より詳細には、各支柱５は、ラックギヤ５ａを垂直方向に延設した断面Ｔ字状（Ｔ形鋼部材）のレール部５ｂを外側の側面に備えており、該レール部５ｂのフランジ部分に係止すると共にラックギヤ５ａに噛み合うピニオンギヤを内部に備えたモータフレーム５ｃが、モータ４を支持している。そのラックアンドピニオン機構により、モータ４を上下動させられる仕組みとしてある。

また、本実施形態の場合、この支柱５に対し、フレーム１に立設した上述の支持壁１ａがボルト固定されており、支持壁の１ａの固定をより強いものにしてある。

オーガスクリュー３の延長ロッド３ａとの接続部分には、延長ロッド３ａの外周に被せるようにして、管の下端にフランジを形成したハット形のストッパ６が、延長ロッド３ａの接続用ボルトで一緒に留められている（すなわち取り外し可能）。モータ４によりオーガスクリュー３を回転させて地中へ進入させると、当該ストッパ６がフレーム１の水平面部の上面に当接し、これにより、フレーム１が下方へ押さえ付けられることになる。すなわち、オーガスクリュー３により、コーンＣの貫入位置の両側で均等に、フレーム１が浮き上がらないように抑えられる。延長ロッド３ａには、ストッパ６を取り付けるためのボルト孔が軸方向へ多数配列されているので、ストッパ６の取り付け位置を適宜選択することができるようになっている。

この他、本実施形態では、フレーム１から前方へ二本のアーム７を延長してその先端に筒部７ａを設けてあり、該筒部７ａに挿入されて垂直方向へスライドし、高さを変えられるようにした補助支持脚８をさらに設けている。この補助支持脚８は筒部７ａにボルト止めされて地面ないしは地面に置いた鉄板等に当接し、荷重を支える補助となる。さらに、フレーム１の下面にも補助支持脚９が設けられ、接地するようになっている。

上記のような貫入試験装置は、図３に示すように、フレーム１及びこれに配設されている支柱５等を倒した状態で、原位置試験の現場へ移動する。そして、原位置試験の現場においてアクチュエータＶ２を作動させて、倒してあったフレーム１等を起こし、作業を開始する。まず最初に、フレーム１の両端部１ｂを取り外した状態で、延長ロッド３ｂ及びストッパ６をボルトにて接続したオーガスクリュー３を、モータ４のチャック４ａに装着してボルトで留める。継いで、両端部１ｂをフレーム１に嵌め込んで、コネクティングピン１ｃを差し込み固定する。これにより、図１及び図２に示すようにオーガスクリュー３は、フレーム１の下方へ先端部のスクリューが突出した地面螺入可能な状態となる。

続いて、支柱５に設けたラックアンドピニオン機構によりモータ４を下げつつ、モータ４を回転させると、オーガスクリュー３のスクリュー部分が地面に当たり地中へ螺入し始め、この後は、モータ４により回転するオーガスクリュー３の推進力で徐々に地中深くへオーガスクリュー３が進入していく。そして、ストッパ６がフレーム１の上面に当接するまでオーガスクリュー３を進めたところで、モータ４を停止させる。

このオーガスクリュー３の設置後、押圧部２ｂに、先端にコーンＣを取り付けたコーンロッドＣ１の後端を把持させて垂下し、その付属配線等をセットする。そして、油圧シリンダ２を操作して所定の圧力で押圧部２ｂを降下させ、一定の貫入速度で地中へ貫入しつつ、データを取得する。

このコーンＣの貫入に伴って、貫入試験装置を浮き上がらせようとする反力が生じるが、地中に進入させたオーガスクリュー３及びこれに設けられてフレーム１上面に当接するストッパ６が、その反力に対抗して装置を押さえ込む反力対抗機構として作用するので、貫入試験装置の浮き上がりは防止される。したがって、電気式静的コーン貫入試験を円滑に実施可能である。

上記の例は、コーンＣの貫入位置の両側二箇所にオーガスクリュー３を打ち込んで反力対抗するものであるが、より強い反力に耐え得る反力対抗構造を形成することも可能である。その例を図４及び図５に示して説明する。

本実施形態のモータ４は、オーガスクリュー３に対して着脱可能になっているので、一本のオーガスクリュー３を一箇所に設置した後にこれを外し、別の場所にさらなるオーガスクリュー３を設置することが可能となっている。すなわち、まず、最初の場所で、上述のようにして二本の第１のオーガスクリュー３を地中に螺入する。ただしこのときは、ストッパ６がフレーム１上面に当接するまで螺入させる必要はない。図示の例では、ストッパ６は、延長ロッド３ｂの最後端部分に取り付けてある。螺入後、モータ４のチャック４ａからオーガスクリュー３（延長ロッド３ａ）を取り外し、モータ４は邪魔にならないように上昇させる。そして、コネクティングピン１ｃを引き抜いてフレーム１の両端部１ｂを取り除き、オーガスクリュー３をフレーム１から外した状態で、貫入試験装置を後退させる。

設置した第１のオーガスクリュー３から所定間隔離した場所（次に作業する桁材の長さ分）まで貫入試験装置を後退させたところで、上述同様にして、二本の第２のオーガスクリュー３をモータ４により回転させて地中に進入させる。そして、第１のオーガスクリュー３のときと同じく、モータ４及びフレーム１から第２のオーガスクリュー３を外す。当該第２のオーガスクリュー３のストッパ６も、最後端部分に取り付けられている。

続いて、フレーム１が第１のオーガスクリュー３と第２のオーガスクリュー３との間に位置するように貫入試験装置を前進させ、該フレーム１に両端部１ｂを取り付ける。そして、フレーム１を間に置いた第１及び第２のオーガスクリュー３の後端、ストッパ６の下に、桁材１０を架け渡してストッパ６により上方へ動かないように固定すると共に該桁材１０の下面をフレーム１の水平面部の上面に当接させる。言い換えると、フレーム１の上に桁材１０を載せてストッパ６にて上方へ動かないように抑えている。

桁材１０は、この例では、オーガスクリュー３を両脇から挟み込むＨ形鋼部材１１を用いて構成されており、該オーガスクリュー３を挟持したＨ形鋼部材１１の上部どうしをボルト＆ナット１２にて締め込んで固定してある。

このように、コーンＣの貫入位置両側に、それぞれ第１及び第２のオーガスクリュー３を設置して桁材１０を架け渡し、該桁材１０にてフレーム１を押さえ込む反力対抗構造とすることで、合計四本のオーガスクリュー３で反力に対抗する構造を得られるので、より大きな反力に耐え得る構造を得ることができる。

本発明の貫入試験装置を示した正面図。 図１の貫入試験装置の側面図。 図１の貫入試験装置の移動時の状態を示した側面図。 本発明の貫入試験装置のための反力対抗構造を説明する斜視図。 本発明の貫入試験装置のための反力対抗構造を説明する斜視図。

符号の説明

１ フレーム
１ａ 支持壁
１ｂ 端部
１ｃ コネクティングピン
２ 油圧シリンダ
２ａ ピストンロッド
２ｂ 押圧部
３ オーガスクリュー
３ａ 延長ロッド
４ モータ
４ａ チャック
５ 支柱
５ａ ラックギヤ
５ｂ レール部
６ ストッパ
７ アーム
７ａ 筒部
８ 補助支持脚
９ 補助支持脚
１０ 桁材
１１ Ｈ形鋼部材
１２ ボルト＆ナット

Claims (9)

1. 先端にコーンを取り付けたコーンロッドの後端を押圧して前記コーンを地中へ貫入する油圧シリンダを設置したフレームと、
   前記コーンの貫入位置を挟んで対称位置に二本配置され、前記フレームの水平面部を垂直方向に貫通するオーガスクリューと、
   前記二本のオーガスクリューの後端をそれぞれ把持して回転させるように、二個設けられ、前記水平面部を貫通して下方へ先端側が突出した前記オーガスクリューを回転させるモータと、
   該モータを支持して上下動させるための支柱と、
   前記オーガスクリューに設けられ、前記モータにより前記オーガスクリューを回転させて地中へ進入させたときに前記水平面部の上面に当接するストッパと、
   を含んで構成されることを特徴とする貫入試験装置。
2. 前記油圧シリンダは、前記コーンの貫入位置を挟んで対称位置に、そのピストンロッド先端を前記フレームに固定して二本立設され、
   前記コーンロッド後端を押圧する押圧部が当該二本の油圧シリンダに固定されていることを特徴とする請求項１記載の貫入試験装置。
3. 前記支柱は、前記油圧シリンダの外側の前記フレーム上に、前記二個のモータをそれぞれ支持するように二本立設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の貫入試験装置。
4. 前記水平面部は、前記フレームの最も外側の部位に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の貫入試験装置。
5. 前記フレームを支持するアームが備えられた走行装置をさらに含むことを特徴とする請求項４記載の貫入試験装置。
6. 前記アームは、前記フレームを垂直方向回動可能に軸支し、
   該軸支されたフレームを回動させるためのアクチュエータが前記走行装置に備えられていることを特徴とする請求項５記載の貫入試験装置。
7. 前記走行装置に、前記コーンにより測定されたデータを解析する電子機器が搭載されていることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の貫入試験装置。
8. 前記モータが前記オーガスクリューに対して着脱可能になっていると共に、
   前記フレームの最も外側の部位で前記水平面部となる両端部が上面視ほぼＵ字状の部品として着脱可能にしてあり、該両端部で囲まれた内側に、前記オーガスクリューを貫通させる貫通孔が形成されることを特徴とする請求項４〜７のいずれか１項に記載の貫入試験装置。
9. 請求項８に記載の貫入試験装置のための反力対抗構造であって、
   前記モータにより回転させて地中に進入させた後に、前記モータ及び前記フレームから外した二本の第１のオーガスクリューと、
   該第１のオーガスクリューから所定間隔離した場所で、前記モータにより回転させて地中に進入させた後に、前記モータ及び前記フレームから外した二本の第２のオーガスクリューと、
   これら第１及び第２のオーガスクリューの後端に架け渡して上方へ動かないように固定され、当該第１及び第２のオーガスクリュー間に配置した前記フレームの水平面部の上面に当接する桁材と、
   を含んで構成されることを特徴とする反力対抗構造。

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