JP4596147B2

JP4596147B2 - 既存杭の非破壊検査方法

Info

Publication number: JP4596147B2
Application number: JP2005144025A
Authority: JP
Inventors: 和彦磯田
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: JP2006322734A

Description

本発明は、既存杭の非破壊検査方法に関し、特に、既存構造物が存在する状態で既存杭の健全性を検査する非破壊検査方法に関する。

近年、環境問題への関心の高まりとともに、既存杭を再利用する試みが増えてきた。特に、場所打ちコンクリート杭はサイズも大きく撤去するのも困難であるため、再利用できる効果は大きい。
一方、既存杭を再利用する場合には、既存杭の健全性を確認する必要があるが、通常、既存構造物を解体する前に新設構造物を設計することが多いため、杭を露頭させてから行う従来のインテグリティ試験では対応することができない。

ここで、インテグリティ試験（ＩｎｔｅｇｒｉｔｙＴｅｓｔ）とは、杭頭部に加速度計を設置し、ハンマーで杭頭部を軽打して弾性波を発生させ、弾性波の反射性状から杭長や欠損部を検出する試験方法である。

そこで、特許文献１では、基礎スラブ本体が存在する状態で基礎杭の位置を把握したい範囲に対してメッシュ状に調査範囲を細分化し、メッシュの交点上に加速度計を設置して、ハンマーにより加速度計近傍の基礎スラブ本体を打撃し、加速度計より検出された波形について周波数分析を行い、ある周波数成分が際だって多く見られた場合に、基礎スラブ本体の下部に基礎杭が存在しないものとして判定する方法が開示されている。
また、特許文献２では、地中に打ち込まれた杭で支えられる構造物の周囲に複数のＡＥセンサを設置し、杭の破損箇所で発生したＡＥ信号をＡＥセンサにより検出し、検出信号を処理装置へ入力して破損箇所の位置と破損度を処理装置に算出させる方法が開示されている。
特開２００２−１８１９５１号公報（第２−３頁、第１−６図）特開平９−２１８１８２号公報（第３−５頁、第１−１３図）

しかしながら、特許文献１に記載された発明の場合、基礎スラブをメッシュ状に細分化してメッシュの交点上に加速度計を設置するという、非常に手間の掛かる方法であるうえ、杭長や断面欠損など基礎杭の健全性については明らかにできないという問題がある。
また、特許文献２に記載された発明の場合、固体が変形あるいは破損する際に生じる音を弾性波として捉える必要があるため、構造物の周囲に複数のＡＥセンサを常時、設置しておかなければならないという問題がある。また、地盤を伝わる弾性波を検出するものであるため、弾性波が不確定要素の大きな地盤の影響を大きく受け、信頼性に著しく欠ける結果が得られるおそれがある。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、既存構造物が存在する状態で既存杭の健全性を検査できる、簡便で信頼性の高い非破壊検査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る既存杭の非破壊検査方法は、フーチングを介して既存構造物を支持する既存杭の健全性を、当該既存構造物が存在する状態で検査する非破壊検査方法であって、前記フーチングを下方に穿孔して前記既存杭の杭頭部上に第一の加速度計を設置するとともに、前記フーチング上または前記フーチングに近接する基礎梁もしくは基礎スラブ上に第二の加速度計を設置する第一の工程と、前記フーチングの上面を打撃して、前記第一の加速度計および前記第二の加速度計で反射波を計測する第二の工程と、前記第一の加速度計および前記第二の加速度計により計測された反射波をそれぞれ周波数領域に変換して、前記既存杭のみの周波数応答を抽出する第三の工程と、
前記周波数応答を時間領域に変換して、前記既存杭のみの時間応答を求め、当該時間応答より前記既存杭の健全性を検査する第四の工程とを備えることを特徴とする。

本発明では、フーチングの上面を打撃することにより発生する反射波を、既存杭の杭頭部上に設置した第一の加速度計と、フーチング上またはフーチングに近接する基礎梁もしくは基礎スラブ上に設置した第二の加速度計により計測するため、当該反射波は、既存杭の応答に加えてフーチングの応答を含んだものとなる。そのため、第一の加速度計および第二の加速度計により計測された反射波を時間領域から周波数領域に変換し、既存杭とフーチングの周波数特性の違いに着目して既存杭のみの周波数応答を抽出する（［発明を実施するための最良の形態］において詳述する。）。そして、既存杭のみの周波数応答を時間領域に変換して得られた、既存杭のみの時間応答を用いて、従来のインテグリティ試験と同様に、杭長や欠損部の有無を確認するものである。

また、本発明に係る既存杭の非破壊検査方法では、前記第三の工程において、前記第一の加速度計および前記第二の加速度計により計測された反射波をそれぞれ積分した後、周波数領域に変換してもよい。
本発明では、計測された反射波を積分して不要な高周波成分を除去することにより、既存杭の健全性の判断が容易となる。

本発明では、フーチングの上面を打撃することにより発生する反射波を、既存杭の杭頭部上に設置した第一の加速度計と、フーチング上またはフーチングに近接する基礎梁もしくは基礎スラブ上に設置した第二の加速度計により計測し、計測された反射波を時間領域から周波数領域に変換して、既存杭のみの周波数応答を抽出した後、既存杭のみの周波数応答を時間領域に変換して得られた、既存杭のみの時間応答を用いることにより、既存構造物が存在した状態で、既存杭の杭長や欠損部の有無を確認することができる。その結果、設計者は安心して既存杭を利用した設計を行うことができる。特に、既存場所打ち杭が大口径あるいは拡底杭の場合、撤去するのは極めて困難であり、既存杭を再利用することで資源を有効活用できるとともに、解体撤去時の騒音・振動問題を回避でき、工期短縮および工費削減を図ることができる。

以下、本発明に係る既存杭の非破壊検査方法について図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る既存杭の非破壊検査方法を示し、（ａ）は立断面図、（ｂ）はＡ−Ａ矢視断面図である。
既存構造物１の柱４は、フーチング２を介して杭（既存杭）３に支持されており、フーチング２、２同士は、基礎スラブ６と一体化された基礎梁５で連結されている。

既存構造物１が存在する状態で、フーチング２の上面から下方に向けて穿孔し、穿孔された孔９を利用して杭頭部３ａ上に第一の加速度計７を設置する。この際、フーチング２に設ける孔９は柱４や基礎梁５を避けたほうが良いが、必ずしも垂直である必要はなく、鉛直方向に対して傾斜して設けてもよい。また、孔９は、第一の加速度計７が設置できる程度の小さな穴でよく、フーチング２内の鉄筋を切断せずに穿孔することができ、躯体の損傷を最小限に抑えることができる。
一方、フーチング２の上面には第二の加速度計８を設置しておく。

次いで、ハンマー１０でフーチング２の上面を打撃し、第一の加速度計７および第二の加速度計８で反射波を計測する。
なお、打撃入力がフーチング２上からなので、ハンマー１０打撃だけでなく、より重量の大きい重錘を使用してもよく、杭長が長い場合に有効である。

第一の加速度計７および第二の加速度計８により計測された加速度応答波形（反射波）は、それぞれ積分して速度応答波形に変換した後、ＦＦＴ（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）などを用いて周波数領域に変換する。一般に加速度応答波形は、不要な高周波成分を多く含んでいるので、速度応答波形に変換したほうがデータ処理が容易である。

図２は、フーチング２および杭３の入出力関係を示したものである。
フーチング２の上面を打撃すると、その打撃入力はフーチング２から杭３に伝わり、フーチング２および杭３は、それぞれ振動する。その際、フーチング２と杭３が連結されているため、フーチング２と杭３との間で相互作用が発生する。このため、第一の加速度計７で計測される加速度応答波形は、杭３のみの加速度応答波形と、フーチング２と杭３の相互作用による加速度応答波形とが混在した波として計測される。同様に、第二の加速度計８で計測される加速度応答波形は、フーチング２のみの加速度応答波形と、フーチング２と杭３の相互作用による加速度応答波形とが混在した波として計測される。

図３は、計測された加速度（速度）応答波形の周波数応答を示したものである。
フーチング２と杭３の相互作用が弱い場合、その周波数応答は図３（ａ）のようになる。フーチング２と杭３は、それぞれ周波数帯域が異なっているため、容易に杭３のみの周波数応答を抽出することができる。
一方、フーチング２と杭３の相互作用が強い場合、その周波数応答は図３（ｂ）のようになる。この場合、フーチング２と杭３の周波数帯域は、大幅にラップしているため、杭３のみの周波数応答を容易に抽出することはできない。

そこで、フーチング２と杭３の相互作用が強い場合について、杭３のみの周波数応答を抽出する方法について説明する。
杭３の時刻歴応答ｙ_ｐおよびフーチング２の時刻歴応答ｙ_ｓは、インパルス応答関数を用いて（１）式および（２）式で表わすことができる。なお、添字Ｐは杭を、Ｓは構造体のフーチングを表わしている。

ここに、ｈ_ｐ：杭３のインパルス応答関数、ｈ_ｓ：フーチング２のインパルス応答関数、ｈ_ｐｓ、ｈ_ｓｐ：杭３とフーチング２の相互作用によるインパルス応答関数、ｘ：打撃入力、ｔ：時間である。

（１）式および（２）式を周波数領域に変換すると、杭３の周波数応答Ｙ_ｐおよびフーチング２の周波数応答Ｙ_ｓは（３）式および（４）式で表わすことができる。

ここに、Ｈ_ｐ：杭３の周波数応答関数、Ｈ_ｓ：フーチング２の周波数応答関数、Ｈ_ｐｓ、Ｈ_ｓｐ：杭３とフーチング２の相互作用による周波数応答関数、Ｘ：打撃入力の周波数応答、ω：周波数である。

ここで、インパルス応答関数とは、単位衝撃力を構造体に加えた際に、当該構造体に生じる時刻歴応答波形をいう。また、周波数応答関数とは、入力Ｘが構造体に作用して出力Ｙが生じる場合、入力Ｘに対する出力Ｙの比を周波数ごとに求めたものである。
インパルス応答関数と周波数応答関数は、フーリエ変換および逆フーリエ変換の関係にあり、インパルス応答関数をフーリエ変換すると周波数応答関数となり、周波数応答関数を逆フーリエ変換するとインパルス応答関数となる。

杭３とフーチング２の結合度が剛に近い場合、Ｈ_ｐｓ（ω）＝Ｈ_ｓｐ（ω）＝１とみなすことができる。そこで、（３）式においてＨ_ｐｓ（ω）＝１とすることにより、杭３の周波数応答関数Ｈ_ｐは（５）式のように求めることができる。
なお、杭３とフーチング２の結合度が緩くなると、Ｈ_ｐｓ（ω）およびＨ_ｓｐ（ω）は周波数特性を持つようになると考えられるが、これは計測データを解析する過程で推定することになる。

（５）式からわかるように、フーチング２と杭３の相互作用が強い場合は、打撃入力ｘも併せて計測しておく必要がある。

杭３のみの周波数応答が抽出されると、杭３のみの周波数応答を時間領域に変換して、杭３のみの時間応答を求める。そして、従来のインテグリティ試験と同様に、当該時間応答より杭３の健全性を検査する。
図４は、杭３のみの時間応答を示したものである。図中、Ｖ_１は欠損部Ｃからの反射波を示し、Ｖ_２は杭３の先端部からの反射波を示している。杭体内での弾性波速度が既知であれば、反射波の到達時間から杭長を推定することができ、また杭３に欠損部Ｃなどの異常箇所があれば、その部分からも弾性波が反射するため、異常箇所の有無および位置を検出することができる。

本実施形態による既存杭の非破壊検査方法では、フーチング２の上面を打撃することにより発生する反射波を、杭頭部３ａ上に設置した第一の加速度計７と、フーチング２上に設置した第二の加速度計８により計測し、計測された反射波を時間領域から周波数領域に変換して、杭３のみの周波数応答を抽出した後、杭３のみの周波数応答を時間領域に変換して得られた、杭３のみの時間応答を用いることにより、既存構造物１が存在した状態で、杭長や杭３の欠損部Ｃの有無を確認することができる。その結果、設計者は安心して既存杭を利用した設計を行うことができる。特に、既存場所打ち杭が大口径あるいは拡底杭の場合、撤去するのは極めて困難であり、既存杭を再利用することで資源を有効活用できるとともに、解体撤去時の騒音・振動問題を回避でき、工期短縮および工費削減を図ることができる。
また、本実施形態による既存杭の非破壊検査方法は、第一の加速度計７と第二の加速度計８を設置してフーチング２の上から打撃する簡便な方法なので、杭体の全数検査が容易に行え、既存杭に関する信頼性の高いデータ（杭長および断面欠損）が既存構造物１の解体前に得られる。しかも、既存構造物１内で作業できるため、天候に左右されない。

以上、本発明に係る既存杭の非破壊検査方法の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、上記の実施形態では、フーチング上に加速度計を設置したが、基礎梁または基礎スラブ上に加速度計を設置してもよい。また、上記の実施形態では、杭頭部上とフーチング上に加速度計を１台づつ設置しているが、複数台設置してもよい。要は、本発明において所期の機能が得られればよいのである。

本発明に係る既存杭の非破壊検査方法を示し、（ａ）は立断面図、（ｂ）はＡ−Ａ矢視断面図である。フーチングおよび杭の入出力関係を示す模式図である。計測された加速度（速度）応答波形の周波数応答を示し、（ａ）はフーチングと杭の相互作用が弱い場合、（ｂ）はフーチングと杭の相互作用が強い場合を示す。杭のみの時間応答の図である。

符号の説明

１既存構造物
２フーチング
３杭（既存杭）
３ａ杭頭部
４柱
５基礎梁
６基礎スラブ
７第一の加速度計
８第二の加速度計
９孔
１０ハンマー
Ｃ欠損部

Claims

フーチングを介して既存構造物を支持する既存杭の健全性を、当該既存構造物が存在する状態で検査する非破壊検査方法であって、
前記フーチングを下方に穿孔して前記既存杭の杭頭部上に第一の加速度計を設置するとともに、前記フーチング上または前記フーチングに近接する基礎梁もしくは基礎スラブ上に第二の加速度計を設置する第一の工程と、
前記フーチングの上面を打撃して、前記第一の加速度計および前記第二の加速度計で反射波を計測する第二の工程と、
前記第一の加速度計および前記第二の加速度計により計測された反射波をそれぞれ周波数領域に変換して、前記既存杭のみの周波数応答を抽出する第三の工程と、
前記周波数応答を時間領域に変換して、前記既存杭のみの時間応答を求め、当該時間応答より前記既存杭の健全性を検査する第四の工程とを備えることを特徴とする既存杭の非破壊検査方法。
前記第三の工程において、
前記第一の加速度計および前記第二の加速度計により計測された反射波をそれぞれ積分した後、周波数領域に変換することを特徴とする請求項１に記載の既存杭の非破壊検査方法。