JP4515848B2 - 埋設管の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、埋設管の劣化状態を検査する埋設管の検査方法に関する。

下水管路や農水管路においては、埋設管の経年に伴う腐食摩耗や破損により陥没や漏水などの事故が増加してきている。このため適切な劣化度診断とその調査結果に基づく、適切な修繕・更新が望まれている。

下水管路や農水管路の診断調査においては、一般に、修繕・改築工事の順番及び工事方法を決定するために、調査流域を構成する要素区域間の劣化進行度の順位付け、及び定量的な劣化レベルの進行度の把握が必要となる。

このため、従来では、目視やＴＶカメラを用いて外観調査を行い、必要となればコアを抜いて物性を調査するという方法が一般に行われている。しかし、このような手法では、目に見える劣化しか捉えることができず、管外周や内部の劣化については見逃されてしまい、劣化現象を適切に定量的に把握することが困難であった。また、定量的なデータを集めるためにはコアを大量に抜く必要があり、下水管路や農水管路の強度を損ねたり、作業に手間がかかるという欠点がある。

一方、コンクリート構造物で行われている検査方法の応用も考えられている。例えば、弾性波を利用したひび割れ幅及び深さを予測するシステムが提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。しかし、この検査システムによれば、弾性波の伝播エネルギや、弾性波のカウント数（所定以上の振幅のカウント数）の減少を利用しているため、埋設管が埋設されている周囲状況の影響を受けやすく、検査精度が悪いという問題がある。
特開平１０−１４２２００号公報 特開平０９−２６９２１５号公報

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、下水管路や農水管路等を構築している埋設管の劣化度合を、埋設環境に影響されずに高精度で検査することが可能な埋設管の検査方法を提供することを目的とする。

本発明の検査方法は、埋設管の劣化状態を管内部から検査する方法であって、供試管に外部から加える荷重とそれによって発生する供試管の変位との関係を示す荷重−変位曲線から得られるパラメータと、前記供試管に衝撃弾性波試験を行うことにより得られる衝撃弾性波試験データとの相関関係を求めておき、検査対象管に対して衝撃弾性波試験を行って、検査対象管の衝撃弾性波測定データを採取し、その実測の衝撃弾性波測定データを、前記荷重−変位曲線から得られるパラメータと衝撃弾性波試験データとの相関関係を基に評価して、検査対象管の劣化度合を定量的に判定することを特徴としている。

また、荷重−変位曲線から得られるパラメータとして、荷重−変位曲線の計測点における傾きの角度とひび割れ発生点における傾きの角度の比率を用いるようにしてもよい。

本発明において、前記衝撃弾性波試験データ及び実測の衝撃弾性波データとして、衝撃弾性波試験を行って管体の伝播波を測定し、この伝播波について周波数スペクトルを解析し、その周波数スペクトルにおける一定の周波数領域に対する低周波成分の面積比を用いることが好ましい。

本発明を以下に詳細に説明する。

まず、鉄筋コンクリート管などの管体にひび割れが発生すると剛性が低下する。その管体の剛性を評価する方法として、一般に、荷重−変位曲線（または応力−歪曲線）などの力−変形曲線を測定する方法が知られている。また、他の方法として衝撃振動試験がある。そして、本発明では、そのような力−変形曲線と衝撃弾性波試験の測定結果との間に相関があることを見出したものであり（詳細は後述する）、上記したように、力−変形曲線と衝撃弾性波試験の試験データとの相関関係を予め求めておき、検査対象管（既設の埋設管）の衝撃弾性波試験を行った際の実測の衝撃弾性波測定データを、上記力−変形曲線と衝撃弾性波試験の試験データとの相関関係を基に評価することにより、検査対象管の劣化度合を定量的に把握することを特徴としている。

ここで、本発明において、力−変形曲線と衝撃弾性波試験の試験データの相関を求める際の具体的な試験方法として、例えば、管体に線荷重を加えることにより発生する変位（または歪）を計測して荷重−変位曲線（または応力−歪曲線）を得る載荷試験と、その荷重−変位計測過程において、所定のステップごとに管体への線荷重を除荷して下記の衝撃弾性波試験を実施するという方法を採用する。

−衝撃弾性波試験−
本発明において、供試管及び検査対象管に実施する衝撃弾性波試験は以下のようにして行う。

［入力方法］
入力装置としてはハンマや鋼球またはインパルスハンマなどによる打撃具が使用できるが、打撃は常に同じ力で加えることが望ましいので、例えばシュミットハンマや、バネ、ピストン等を用いて一定の力でハンマ、鋼球等を打ち出す方法、または一定の高さから鋼球等を落下させる方法が望ましい。インパルスハンマを使用した際は、入力情報の数値データを計測しておき、解析時に反映させることができるようにしておくことが望ましい。

特に、最大ピークの強度を評価する際の入力装置としては、例えばインパルスハンマのような入力情報を数値化できる打撃具や、一定の力で打撃を行うことができる打撃具を使用するのが望ましい。

［受信方法］
受信子としては加速度センサやＡＥセンサ及び振動センサ等が使用できる。受信子のセット方法としては、テープや接着剤等で固定してもよいし、手や押さえ治具等を使って圧着させてもよい。

これらの入力装置や受信装置は、水や酸性水、塩基性水に接触することがあるためステンレスなどの耐食性に優れた材料で形成されていることが望ましい。

［計測方法」
インパルスハンマなどで管体内面に弾性波を入力し、一方で管内にセットした受信子により、管体を伝播した伝播波を計測し、記録装置により波形記憶を行わせる（受信データの計測）。入射位置と受信子の位置は、検査対象管の管長の１／４以上離して設置するのが望ましい。これは、亀裂などの劣化による管全体の振動現象の変化が捉えやすいからである。また、入射位置と受信位置は相対的な位置が同じになるように設置するのが望ましい。

［低周波面積比の算出］
算出方法としては、例えば、以下の２つの方法がある。

（１）計測した波形データをＦＦＴし、周波数スペクトルを描かせる。この周波数スペクトル分布において、一定の周波数区間に対する低周波成分の面積比（低周波面積比＝［低周波成分（例えば０〜５ｋＨｚ）の面積］／［一定区間成分（例えば０〜１０ｋＨｚ）の面積］を求める。

（２）計測した入力と受信のデータについて、入力（打撃側）と出力（受信側）の関係を考慮した周波数スペクトルを描かせる。この周波数スペクトル分布において、一定の周波数区間に対する低周波成分の面積比（低周波面積比＝［低周波成分（例えば０〜５ｋＨｚ）の面積］／［一定区間成分（例えば０〜１０ｋＨｚ）の面積］を求める。この（２）の解析法を採用する場合、インパルスハンマの打撃力（入力情報）を数値化しておく必要がある。ここで、入力と出力との関係を考慮した周波数スペクトルとは、例えば、入力のフーリエスペクトルをＡ（ｆ）、出力のフーリエスペクトルをＢ（ｆ）、伝達関数（周波数応答関数）をＨ（ｆ）とすると、Ｈ（ｆ）＝Ｂ（ｆ）／Ａ（ｆ）の関係で表され、このＨ（ｆ）を描かせたのがここでの周波数スペクトルの分布となる。

そして、本発明では、以上の載荷試験で得られた荷重−変位曲線と、衝撃弾性波試験で得られた低周波面積比との相関を求めて、例えば図８に示すような［低周波面積比］−［荷重−変位曲線における傾きの角度比率］の関係を得る（詳細は後述する）。この図８に示すように、［低周波面積比］と［荷重−変位曲線における傾きの角度比率］とは比例の関係（直線関係）にあり、従って、検査対象管（埋設管）に衝撃弾性波試験を実施して上記した低周波面積比を求め、その実測の低周波面積比を、［低周波面積比］−［荷重−変位曲線における傾きの角度比率］の関係を基に評価することによって検査対象管の劣化度合（破壊状態）を定量的に把握することができる。

なお、本発明に用いる衝撃弾性波試験の試験データとしては、低周波面積比のほか、共振周波数比、受振波形振幅値、受振波形エネルギー、ピーク周波数、周波数重心、あるいは、波形減衰時間などであってもよい。

ここで、本発明の検査方法を適用する埋設管としては、例えば、コンクリート管、鉄筋コンクリート管、陶管、金属管、樹脂管またはＦＲＰＭ管（モルタルとＦＲＰの複合管）などが挙げられる。また、埋設管の断面形状としては、例えば円形、卵形、矩形、馬蹄形などが挙げられる。

本発明の埋設管の検査方法によれば、供試管に外部から加える力とそれによって発生する供試管の変形との関係を示す力−変形関係から得られるパラメータと、前記供試管に衝撃弾性波試験を行うことにより得られる衝撃弾性波試験データとの相関関係を予め求めておき、検査対象管（埋設管）に対して衝撃弾性波試験を行って、検査対象管の衝撃弾性波測定データを採取し、その実測の衝撃弾性波測定データを、前記前記力−変形関係から得られるパラメータと衝撃弾性波試験データとの相関関係を基に評価して検査対象管の劣化状態を検査するので、検査対称管が埋設されている周囲状況に影響されずに、劣化度合を高精度で定量的に判定することが可能となり、これによって改築・修繕の方法・優先順位を決定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜実施例１＞
まず、この例に用いる供試管と各試験方法について説明する。

−供試管−
ＪＩＳ Ａ ５３７２のＢ型１種の規格に基づいた、呼び径２５０ｍｍ（管長：２ｍ）のコンクリート製ヒューム管（日本ヒューム管製の製品）を用いた。

−線荷重による載荷試験（外圧試験）−
図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、供試管Ｐの軸方向に沿って伸びる形状の線荷重１を供試管Ｐに対して上方から載荷した。また、図２に示すように、供試管Ｐの内部に高感度変位計２を鉛直方向に沿って配置して、供試管Ｐに線荷重１を加えたときの供試管Ｐの変位を計測して荷重−変位曲線を得た。

ここで、線荷重１の載荷は連続的に行うのではなく、所定のステップごとに線荷重１の除荷（図１（ｂ）参照）を行って線荷重１の載荷を間欠的に実施した。具体的には、線荷重１の載荷を開始した後、ひび割れが発生するまでの弾性領域において１度除荷を行なって下記の衝撃弾性波試験を実施した後に再載荷を行い、次に、ひび割れが発生した時点で除荷を行って衝撃弾性波試験を実施した後に再載荷を行った。そして、ひび割れが発生した以後は、高感度変位計２によって計測される変位が、［変位＝２．４ｍｍ」、［変位＝４．３ｍｍ」、［変位＝６．３」、［変位＝９．４」、［変位＝１２．６」、［変位＝２０．３」となった時点で、それぞれ、線荷重１の除荷を行なって下記の衝撃弾性波試験を実施した後に再載荷を行った。

−衝撃弾性波試験−
この実施例において衝撃弾性波試験は以下のようにして行った。

［入射及び受信位置］
入射装置と受信装置を図３に示す位置に配置して弾性波の入射及び伝播波の受信を行った。

［使用機器］
入射装置：インパルスハンマ
受信子：振動センサＧＨ−３１３Ａ（キーエンス製）の雄ねじ部に、直径１０ｍｍ、高さ１５ｍｍの円柱物をねじ込んで使用した。なお、受信子は手で押しつけてセットした。

受信用アンプ：キーエンス製ＧＡ−２４５
データロガー（記録装置）：キーエンス製ＮＲ−２０００
［周波数面積の算出］
上記入射装置（インパルスハンマ）の打撃力から入力フーリエスペクトルＡ（ｆ）を求めるとともに、上記した受信子で受信・記録した伝播波の波形データから出力フーリエスペクトルＢ（ｆ）を求め、それら入力フーリエスペクトルＡ（ｆ）と出力フーリエスペクトルＢ（ｆ）を用いて、入力と出力との間の伝達関数（周波数応答関数）Ｈ（ｆ）（Ｈ（ｆ）＝Ｂ（ｆ）／Ａ（ｆ））を求めて、入力と出力との関係を考慮した周波数スペクトルを各計測点ごとに描いた。それら周波数スペクトル分布を図４（ａ）〜（ｃ）及び図５（ａ）〜（ｆ）に示す。

次に、各計測点で得られた周波数スペクトル分布の０〜５ｋＨｚまでの周波数領域と、０〜１０ｋＨｚまでの周波数領域とを求め、それらを用いて、下記の式にて低周波面積比を算出した。その算出した低周波面積比と、載荷試験の各計測点での計測結果との関係を下記の表１及び図６に示す。

低周波面積比＝［低周波成分（０〜５ｋＨｚ）の面積］／［一定区間成分（０〜１０ｋＨｚ）の面積］

−周波数面積と荷重−変位曲線との相関について−
まず、衝撃弾性波試験で得られた周波数スペクトルのファクタとしては、前記したように低周波面積比（＝［低周波成分（０〜５ｋＨｚ）の面積］／［一定区間成分（０〜１０ｋＨｚ）の面積］を用いる。

また、荷重−変位曲線において用いるファクタは、荷重−変位曲線における各計測点での傾きの角度（見かけ上の剛性）とするが、この例では、荷重−変位曲線における各計測点での傾きの角度比率を用いる。

ここで、荷重−変位曲線における各計測点での傾きの角度比率は、［計測点における傾きの角度］／［ひび割れ発生点における傾きの角度］と規定する。また、計測点における傾きの角度とは、図７に示す荷重−変位曲線において、各計測点に引いた直線の傾きの角度を指す。

そして、以上のようにして求めた周波数スペクトル分布の低周波面積比を横軸とし、荷重−変位曲線における各計測点での傾きの角度比率を縦軸として各計測点での結果をプロットしたところ、図８に示すように、周波数面積比と荷重−変位曲線における各計測点での傾きの角度比率とは比例関係（直線関係）にあることが判明した。なお、図１のグラフの傾きは、ｙ＝−３．８９ｘ＋２．１９である。ただし、ｘ：周波数面積比、ｙ：荷重−変位曲線における各計測点での傾きの角度比率である。

また、ひび割れが発生した時点での周波数面積比＝０．３１を１００％とし、最大荷重における周波数面積比＝０．４１を０％として、管体の劣化進行状態を残存強度率で表すと、Ａ＝−１０００ｘ＋４１０となる。ただし、ｘ：周波数面積比、Ａ：残存強度率（％））である。

以上のことから、衝撃弾性波試験で得られた低周波面積比と管体の状態（残存強度率）とを関係づけることができる。従って、検査対象管（埋設管）について、衝撃弾性波試験を実施することにより得られた周波数スペクトル分布から低周波面積比を求め、その実測の低周波面積比（ｘ）を、上記した残存強度推定関数（Ａ＝−１０００ｘ＋４１０）を用いて、残存強度率（％）に換算することによって、検査対象管の劣化度合を数値で把握することが可能になる。これによって、改築・修繕の方法・優先順位を決定することができる。

−劣化度合の判定処理−
劣化度合の判定処理の具体的な例を、図９に示すフローチャートを参照しながら説明する。なお、この例では、上記した図８、表１及び残存強度推定関数（Ａ＝−１０００ｘ＋４１０）を用いて判定を行う。

ステップＳ１：上記した衝撃弾性波試験の計測方法により、検査対象管の伝播波を計測する。なお、計測条件等は、前記した供試管Ｐの場合と同じとする。

ステップＳ２：計測した波形データをＦＦＴし、周波数スペクトル分布を算出する。なお、周波数スペクトル分布の算出方法は、前記した供試管Ｐの場合と同じとする。

ステップＳ３：ステップ２で算出した周波数スペクトル分布から、周波数スペクトル分布の０〜５ｋＨｚまでの周波数領域と、０〜１０ｋＨｚまでの周波数領域とを求め、それらを用いて、低周波面積比（＝［低周波成分（０〜５ｋＨｚ）の面積］／［一定区間成分（０〜１０ｋＨｚ）の面積］を算出する。

ステップＳ４：ステップＳ３で算出した低周波面積比が０．３１以下（≦０．３１）であるか否かを判断し、低周波面積比が０．３１以下である場合、健全（残存強度率＝１００％）と判定する（ステップＳ７）。一方、低周波面積比が０．３１を超えている場合はステップＳ５に進む。

ステップＳ５：低周波面積比が、０．３１＜［低周波面積比］≦０．４１である場合、クラックが発生しているものと判定し（ステップＳ８）、残存強度推定関数（Ａ＝−１０００ｘ＋４１０）を用いて、残存強度率Ａ（％）を算出する（ステップＳ９，Ｓ１０）。一方、低周波面積比が０．４１を超えている場合（０．４１＜［低周波面積比］）、破壊（残存強度＝０％）と判定する（ステップＳ６）。

以上のように、この例では、検査対象管（埋設管）の状態を百分率の数値で判定することができるので、検査対象管の劣化度合を正確に把握することが可能になる。これにより、例えば、検査対象管にクラックが発生している場合、そのクラックによる強度劣化の進行状態を数値（％）で把握することが可能となるので、改築・修繕の方法・優先順位を決定する際の判定基準が明確になる。

なお、以上の実施例では、供試管に高感度変位計を配置して荷重−変位曲線を描いているが、これに限られることなく、供試管にストレインゲージを貼り付けて応力−歪曲線を描くようにしてもよいし、他の外圧試験にて供試管の力−変形曲線を描くようにしてもよい。

また、以上の実施例では、衝撃弾性波試験の試験データとして、周波数面積比を採用しているが、これに限られることなく、共振周波数、受振波形振幅値、受振波形エネルギー、ピーク周波数、周波数重心、あるいは、波形減衰時間などの試験データを採用してもよい。

本発明の検査方法は、下水管路や農水管路などの埋設管において、修繕・改築工事の順番及び工事方法を決定するに際して、調査流域を構成する要素区域間の劣化進行度を正確に把握するのに有効に利用できる。

本発明で実施する載荷試験方法の説明図である。 供試管への高感度変位計の配置を示す図である。 衝撃弾性波試験を行う際の管体への計測機器の配置を示す図である。 載荷計測過程において各計測点で計測した伝播波の波形データに基づく周波数スペクトル分布を示す図である。 同じく周波数スペクトル分布を示す図である。 載荷試験の各計測点での計測結果と低周波面積比との関係を示すグラフである。 荷重−変位曲線を示す図である。 低周波面積比と荷重−変位曲線における各計測点での傾きの角度比率との関係を示すグラフである。 劣化度合の判定処理の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ｐ 供試管
１ 線荷重
２ 高感度変位計

Claims (3)

1. 埋設管の劣化状態を管内部から検査する方法であって、供試管に外部から加える荷重とそれによって発生する供試管の変位との関係を示す荷重−変位曲線から得られるパラメータと、前記供試管に衝撃弾性波試験を行うことにより得られる衝撃弾性波試験データとの相関関係を求めておき、検査対象管に対して衝撃弾性波試験を行って、検査対象管の衝撃弾性波測定データを採取し、その実測の衝撃弾性波測定データを、前記荷重−変位曲線から得られるパラメータと衝撃弾性波試験データとの相関関係を基に評価して、検査対象管の劣化度合を定量的に判定することを特徴とする埋設管の検査方法。
2. 請求項１記載の埋設管の検査方法において、
   荷重−変位曲線から得られるパラメータとして、荷重−変位曲線の計測点における傾きの角度とひび割れ発生点における傾きの角度の比率を用いることを特徴とする埋設管の検査方法。
3. 請求項１記載の埋設管の検査方法において、
   前記衝撃弾性波試験データ及び実測の衝撃弾性波データとして、衝撃弾性波試験を行って管体の伝播波を測定し、この伝播波について周波数スペクトルを解析し、その周波数スペクトルにおける一定の周波数領域に対する低周波成分の面積比を用いることを特徴とする埋設管の検査方法。