JP4836180B2 - 変位計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、変位計測装置にかかり、特に地中内の変位を計測する変位計測システムに関するものである。

従来、地中変位の計測についてはいわゆる傾斜計が一般によく利用されている。

しかしながら、傾斜計による変位計測は地中における一定間隔ごとの計測であるため、連続的な計測あるいは任意点での計測ができないとの課題があった。

そのため、光ファイバセンサを用いて任意点の計測が行える装置が別途提案されている（特開２００３−１４４５１）。

しかして、前記の装置はＯＴＤＲまたはＢ−ＯＴＤＲ方式を利用しているため計測精度が悪いという課題があった。

これら従来の提案に対し、前記の光ファイバセンサと前記の傾斜計を両方利用して計測精度を向上させる装置が提案されているが（特開２００５−６１９８５）、コスト高との指摘がある。

この様に、上記従来提案されている計測装置では、
（１）計測精度が良好ではないため、該計測精度を向上させたい場合には、ほかにさらに計測装置を用意しなければならず、そのため計測装置や計測システムが複雑になり、ほかの計測装置の分についてはコスト高となる（特開２００５−６１９８５号公報）。
（２）上記従来提案の計測装置はあくまで２次元変位計測装置にとどまり、いわゆる３次元変位を測定したい場合には、やはり別途ほかの計測装置を必要とせざるを得ない。
（３）尚、いわゆるＦＢＧ方式の光ファイバセンサを利用すれば計測精度の向上が見込めるが、前記ＦＢＧ方式の光ファイバセンサを使用して、従来のＢ−ＯＴＤＲ方式のような装置及び方法（パイプひずみ計のような測定装置及び方法）で測定する構成としなくてはならず、該装置や方法では例えば地盤の変形モードなどの違いを把握できないとの課題があった。
特開２００５−６１９８５号公報

かくして、本発明は前記従来の課題に対処すべく創案されたものであって、いわゆるＦＢＧ方式（ファイバグレーティング方式）の光ファイバセンサのみで、例えば地盤内任意点の３次元変位を精度良く計測でき、しかもそのコストを安価にして構成できる変位計測装置および変位計測システムの提供を目的とするものである。

本発明である変位計測装置は、
掘削されたボーリング孔内に取り付けられ、該ボーリング孔の深さ方向へ向かい連結された、柔軟性を有する複数個の棒状計測基体と、
前記棒状計測基体の外周面上で、棒状計測基体の軸に対して略対称となる２箇所位置に設置された一組の第１ファイバグレーティング部と、前記第１ファイバグレーティング部の設置位置より棒状計測基体の軸回りへ回転させた外周面上の位置で、かつ棒状計測基体の軸に対して略対称となる２箇所位置に設置された一組の第２ファイバグレーティング部と、前記一組の第１ファイバグレーティング部と、前記一組の第２ファイバグレーティング部とをそれぞれ連結する１本の光ファイバと、を備えて形成された計測部と、
前記棒状計測基体の軸方向端部側に設けられ、外周面に前記ボーリング孔内壁に係止する保持部を有し、前記棒状計測基体の各々の端部を、内孔に伸縮許容部となる空隙部を設けて対向方向から挿入できる様にし、前記複数個の棒状計測基体をボーリング孔の深さ方向に連結して保持係止する地中固定部と、
前記棒状計測基体の端部を連結した地中固定部の高さ幅内に設置され、かつ前記棒状計測基体の軸方向へ向かう様設置された、伸縮計用ファイバグレーティング部と、該伸縮計用ファイバグレーティング部に連結された伸縮計用ファイバと、を備えた、
ことを特徴とし、または、
前記第２ファイバグレーティング部は、前記第１ファイバグレーティング部の設置位置より棒状計測基体の軸回りへ略９０度回転させた位置で、かつ前記棒状計測基体の軸に対して略対称となる２箇所位置に設置された、
ことを特徴とし、または、
前記計測部は、前記第１ファイバグレーティング部の設置位置より第２ファイバグレーティング部の設置位置方向に向かって、棒状計測基体の軸回りに回転させた位置に複数個のファイバグレーティング部を設置して構成された、
ことを特徴とし、または、
前記計測部は、前記棒状計測基体の軸方向に向かい間隔をあけて、少なくとも２カ所に設置されて構成された、
ことを特徴とし、または、
前記棒状計測基体は軸方向へ向かい複数個連結され、かつ各々の棒状計測基体に設置された前記計測部も連結された、
ことを特徴とし、または、
前記棒状計測基体を連結した地中固定部には、棒状計測基体の少なくとも軸方向いずれかの端部側に軸方向への伸縮が許容される伸縮許容部が形成された、
ことを特徴とし、または、
前記棒状計測基体を連結する地中固定部は略短筒状に形成され、該地中固定部には、連結する棒状計測基体の軸方向一端側に軸方向外側に向かって開口する嵌合凹部が設けられ、
連結する棒状計測基体側には、前記嵌合凹部へ遊嵌する嵌入部が設けられ、
前記嵌合凹部と嵌入部との間に伸縮許容部が形成された、
ことを特徴とし、または、
地中固定部において、前記嵌合凹部の外周面形状は、前記棒状計測基体より外側へ膨出する膨出部形状として構成された、
ことを特徴とし、または、
地中固定部において、前記嵌合凹部の外周面に、ボーリング孔内に棒状計測基体を保持する保持部が設けられた、
ことを特徴とし、または、
前記棒状計測基体の外周面には軸方向へ向かって軸方向伸縮変位を計測する伸縮用ファイバグレーティング部が設けられた第２計測部が形成された、
ことを特徴とし、または、
前記棒状計測基体は円筒状部材で形成され、中空部内には温度補正用ファイバグレーティング部が設置され、かつ前記温度補正用ファイバグレーティング部は前記光ファイバに接続されている、
ことを特徴とし、または、
前記棒状計測基体は円柱状部材で形成され、外周面上には中空チューブが軸方向へ向かって取り付けられると共に、該中空チューブ内には温度補正用ファイバグレーティング部が設置され、かつ前記温度補正用ファイバグレーティング部についても前記光ファイバに接続されている、
ことを特徴とし、または、
前記軸方向への伸縮許容部が設けられた棒状計測基体からなる構成において、計測値の温度補正が可能な構成とした、
ことを特徴とし、または、
前記棒状計測基体は柔軟性を有する長尺の棒状部材により構成され、該棒状計測基体の軸方向に向かっては間隔をあけて光ファイバに連結された複数のファイバグレーティング部が設置されると共に、軸方向へ向かい間隔をあけて前記光ファイバを固定する固定具が取り付けられ、
前記棒状計測基体を複数個連結した状態と同様の構成に形成可能とした、
ことを特徴とし、または、
前記計測部より計測された計測データを取り込む取込手段と、
取り込まれた計測データを通信回線網を介して送信する送信手段と、
送信された計測データを受信する受信手段と、
予め計測すべき箇所の位置データが入力され、該位置データに基づき計測箇所の変位前画像を描画する描画手段と、
前記計測データに基づき計測箇所の変位後画像を描画する変位後画像描画手段と、を備えたことを特徴とするものである。

本発明による変位計測装置及び変位計測システムであれば、いわゆるＦＢＧ方式（ファイバグレーティング方式）の光ファイバセンサのみで、例えば地盤内任意点の３次元変位を精度良く、かつコストを安価にして計測できるとの優れた効果を奏する。

以下、本発明を図に示す実施例に基づいて説明する。

ここで、ファイバグレーティング型光ファイバセンサ、すなわちファイバグレーティングをセンサとして使用するタイプのセンサ原理につき、若干説明する。

まず、図１０に示すように、光ファイバ１のコア２内に複数のブラッグ回折格子３が形成されている。

そして、ブラッグ回折格子３に入射光４が入射されると、ブラッグ回折格子３の間隔ｘとコア２の屈折率の積に比例する周波数を持つ反射光５が発生する。

しかして、光ファイバ１にひずみが生じると、ブラッグ回析格子３の間隔ｘが変化するため、反射光５の周波数も変化する。そして、ＦＢＧを利用したセンサ、すなわちファイバグレーティングセンサは、この変化量をもとにひずみを計算するものとなる。

ＦＢＧ、すなわちファイバグレーティング６は光ファイバ１のコア２内ブラッグ回析格子３を入射光４を用いてＧｅドープ領域に形成されたもので、格子間隔ｘで決まる特定の波長λの光を反射する特徴を有する。

今、長さLの光ファイバ１が張力を受けてΔLだけ伸張したとき、歪み率をεとして

と定義し、ファイバグレーティング６の格子間隔ｘも同じ比率でのびると仮定すれば、温度が一定のもとでは波長も同じ比率

で変化することとなる。
従って、反射光５の波長を計測することで歪み率εが得られることとなる。

しかして、ファイバグレーティング６を被測定物体に取り付けておけば、その物体の歪みをファイバグレーティングの歪みとして検出することができるのである。

また、ファイバグレーティング６の透過光１９は反射成分が欠落したスペクトルとなるので、欠落した波長を計測しても同様の計測が可能となる。

このように、ファイバグレーティング６は、光ファイバ１のコア２内の屈折率を周期的に変化させたブラッグ回折格子３を有して構成されており、該ファイバーグレーティング波長選択性をひずみ測定に応用したものと言える。

また、ファイバグレーティング型光ファイバセンサの前記ファイバグレーティング６には１mmあたり約２０００個のブラッグ回折格子３が配置可能と言われている。

次に、本発明の実施例を図を参照して説明する。

図１、図２に本発明の基本的構成を示す。

本発明において、棒状計測基体７は柔軟性を要求されており、例えば柔軟性のある円柱状あるいは円筒状をなす金属棒あるいは金属製パイプ等が用いられる。しかしながら、棒状計測基体７はこのような円柱状をなす金属製棒あるいは円筒状をなす金属製パイプに限定されるものではなく、柔軟性があり、複数のファイバグレーティング６が棒状計測基体７の外周面で、かつ軸方向に向かって間隔をおいて複数設置できる部材であればよい。

通常、この棒状計測基体７の長さは、例えば地盤３１の変位計測であれば、計測する地盤３１の深さに対応させて約１０ｍ以上の長さのものが用いられ、かつ当該棒状計測基体７の外周面上には複数のファイバグレーティング６が軸方向へ所定の間隔をおいて設置されるものとなる。

図１は長尺な棒状計測基体７につきその外周面を平面状に展開した図であり、複数のファイバグレーティング部が設けられた１本の光ファイバ１の設置状態（引き回し状態）を平面的に示してある。
図１から理解されるように、前記光ファイバ１は、平面状に展開された棒状計測基体７を示す図１の棒状計測基体７の上側０度の位置から棒状計測基体７の軸方向下方に向かって敷設され、図１の棒状計測基体７の下端で０度の位置を通過すると共に、略半円状に湾曲させて棒状計測基体７の下側１８０度の角度位置から再び軸方向上方に向かって敷設され、棒状計測基体７の上側１８０度の位置から上方外側に突設される。この間において、０度の位置及び１８０度の位置には複数の第１ファイバグレーティング部９が所定の間隔をあけて取り付けられている。

そして、前記突設された光ファイバ１の端部は、コネクタ１６を介して他の光ファイバ１に接続され、さらに接続された他の光ファイバ１は湾曲されて、棒状計測基体７の上側９０度の位置から軸方向下方に向かって再び直線状に下り敷設され、図１の棒状計測基体７の下側９０度の位置８を通過するべく取り付けられる。

しかして、図１の棒状計測基体７の下側９０度の位置を通過した光ファイバ１は、略半円状に湾曲されて、再び棒状計測基体の下側２７０度の位置から、軸方向上方へ向かい、直線状に上り敷設され、棒状計測基体７の上側２７０度の位置を通過して、外側に突設される。この間において、９０度の位置及び２７０度の位置には複数の第２ファイバグレーティング部１０が所定の間隔をあけて取り付けられている。

この突設された光ファイバ１の端部は、コネクタ１６を介して他の光ファイバ１に接続され、該接続された他の光ファイバ１は湾曲されて、棒状計測基体７の外周面に設けられた温度補正用ファイバグレーティング部を収納する中空チューブ１７上端から進入し、当該中空チューブ１７下端部まで敷設されている。

このように、図１、図２から理解されるべく、複数の第１ファイバグレーティング部９、第２ファイバグレーティング部１０及び温度補正用ファイバグレーティング部１２が前記接続されて１本となった光ファイバ１には設けられており、図１、図２に示す実施例では３２箇所、温度補正用のファイバグレーティング部１２が８箇所の合計４０個のファイバグレーティング部が設けられている。

そして、実際の棒状計測基体７の例えば計測すべき地盤３１内への設置は図２のように行われる。

本実施例における棒状計測基体７の長さは１２ｍほどであり、略１．５ｍ間隔でファイバグレーティング部による計測部１１が設けられ、かつ軸方向へ向かい、第１ファイバグレーティング部９及び第２ファイバグレーティング部１０によって構成された２箇所の計測部１１、１１毎にリング状の固定具８が取り付けられ、複数のファイバグレーティング部が取り付けられた光ファイバ１を棒状計測基体７の外周面上に固定し、かつ地盤内のボーリング孔１８に固定するものとしている。

ここで、図１において、数字の「１」と「１６」、「２」と「１５」、「３」と「１４」、「４」と「１３」、「５」と「１２」、「６」と「１１」、「７」と「１０」及び「８」と「９」で示されるファイバグレーティング部が第１ファイバグレーティング部９であり、数字の「１７」と「３２」、「１８」と「３１」、「１９」と「３０」、「２０」と「２９」、「２１」と「２８」、「２２」と「２７」、「２３」と「２６」及び「２４」と「２５」で示されるファイバグレーティング部が第２ファイバグレーティング部１０となっている。

すなわち、一組の第１グレーティング部９が、棒状計測基体７の軸方向略対称となる２箇所位置に設置され、また、第２ファイバグレーティング部１０が、前記第１ファイバグレーティング部９の設置位置より棒状計測基体７の軸回りへ略９０度回転させた位置で、かつ前記棒状計測基体の軸方向略対称となる２箇所位置に設置されるのである。

そして、この第１ファイバグレーティング部９及び第２ファイバグレーティング部１０により計測部１１が構成されているのである。

従って、本実施例では棒状計測基体７の軸方向に所定の間隔をあけて８箇所の計測部１１が構成されていることになる。

すなわち、本実施例では１．５ｍの間隔をおいて軸方向下側に向かって、８箇所の計測部１１が第１ファイバグレーティング部９及び第２ファイバグレーティング部１０により構成されるものとなる。

さらに、温度補正用のファイバグレーティング部１２が図１に示されるように、棒状計測基体７の軸方向へ１．５ｍの間隔をおいて、かつ中空チューブ１７の内部にフリーの状態で８個設けられており、これにより温度変化による計測値の誤差を補正するように構成されている。

ところで、本実施例では１本の光ファイバ１に４０個のファイバグレーティング部を設けてあるが、１本の光ファイバ１では１００個までのファイバグレーティング部の計測が可能となっている。

よって、例えば地盤内深い箇所での変位測定が必要なときにはさらに長尺の棒状計測基体７を使用し、それに１００個以内で多くのファイバグレーティング部を取り付けて計測するか、あるいは従来の棒状計測基体７に新たな棒状計測基体７を継ぎ足して長尺にすると共に、それぞれに敷設してある光ファイバ１、１同士をもコネクタ６を介して連結し、１００個以内で多くのファイバグレーティング部を取り付けた１本の光ファイバ１状にすることが考えられる。

なお、図１７から理解されるように、ＦＢＧ光測定装置２０に光スイッチ３５を接続し、該光スイッチ３５にそれぞれ５系統に分岐して設置した光ファイバ１を接続して構成することもできる。

次に、図１１及び図１２は、棒状計測基体７を複数個連結可能とする機構を示している。
地盤の深さ方向の変位、すなわち略垂直方向の変位を測定する場合も、前記地盤の深さ方向へ向かってボーリング孔１８を掘削し、該ボーリング孔１８内に前記棒状計測基体７を取り付ける。
そして、地盤の深さ方向の変位、すなわち略垂直方向の変位を特に、精度よく正確に測定するためには、棒状計測基体７の軸方向の変位を前記地盤の挙動に自由に追随できるように計測部１１を取り付ける必要がある。

例えば、棒状計測基体７の材質については、計測する地盤の強度に合致した弾性係数のものにするなどが考えられる。しかし、多種多様の地盤強度が存する計測状況において、前記のような材質の棒状計測基体７をいちいち使用するのは困難であり、現実的ではない。そこで以下の機構によって地盤の深さ方向変位の正確な測定を可能としたのである。

ここで、連結すべき棒状計測基体７には、軸方向のいずれかの端部側において、ボーリング孔１８内壁に係止するための地中固定部３７を有するものとする。そして、当該地中固定部３７は例えば略短筒状に形成し、その内孔の径を棒状計測基体７の径とほぼ同一に形成することが考えられる。ついで当該棒状計測基体７の端部を該地中固定部３７内孔に、例えば中間部分まで挿入し、両者を固定することにより、棒状計測基体７と地中固定部３７を一体化させる。

これにより前記地中固定部３７内孔の開口部側には、いわゆる外側に膨出する嵌合凹部４７が形成されるものとなる。したがって、該嵌合凹部４７が形成された地中固定部３７の外周面には、棒状計測基体７の外周面より外側へ膨出する形状で構成されることとなる。

さらに、該嵌合凹部４７が形成された地中固定部３７の外周面には、ボーリング孔１８内壁に棒状計測基体７を保持係止するため必要な摩擦力を発生させる保持部４８が設けられる。ここで、該保持部４８は、必要な摩擦力を得るために、凹凸型、波型、のこぎり型等に加工形成しても構わない。

また前記保持部４８を外側に膨出あるいは収縮する膨出収縮部材で形成しても構わない。すなわち、ボーリング孔１８内に棒状計測基体７を挿入して設置した後、該膨出収縮部材を膨張させて摩擦力を発生させる機構を採用すれば容易に棒状計測基体７をボーリング孔１８内に固定させ、設置することができるからである。

ところで、棒状計測基体７の軸方向他端部は、連結すべきほかの棒状計測基体７における嵌合凹部４７へ挿入される嵌入部４９となる。
図１２は、棒状計測基体７とこの棒状計測基体７に連結される他の棒状計測基体７との嵌合により連結される連結状態を示す。しかして、嵌合凹部４７の底部と嵌入部４９の先端部との間には空隙部が形成され、該空隙部が棒状計測基体７の伸縮を許容する伸縮許容部３６となっている。

また、嵌合凹部４７とこの嵌合凹部４７に挿入された嵌入部４９とには側面側に両者に連通する仮止め用ボルト孔４６が形成されており、棒状計測基体７の設置に際し嵌合凹部４７の仮止め用ボルト孔４６と嵌入部４９の仮止め用ボルト孔４６とを連通させ、該孔にプラスチックボルト４５等を嵌挿して、連結すべき棒状計測基体７同士を繋ぐために、仮止めしておくものとする。

そして、設置後に地盤の深さ方向、すなわち略垂直方向に地盤伸縮等が発生すると、隣接する棒状計測基体７同士の間隔も伸縮することから該プラスチックボルト４５等は容易に折損する。この折損により棒状計測基体７は自在に伸縮できることになり、深さ方向への地盤挙動を精度よく計測できるものとなる。

ここで地盤の深さ方向に変位が発生し、連結された二つの棒状計測基体７における保持部４８、４８間の間隔が変化した場合を考える。すると、前記伸縮許容部３６の機能により、隣接する棒状計測基体７、７間の間隔伸縮量は地盤伸縮量と等しくなると考えられる。よって、複数個連結した棒状計測基体７の伸縮量を測定することにより地盤深さ方向の伸縮量が正確に測定できるのである。

この棒状計測基体７の伸縮量を測定するための接続構造を図１１に示す。図１１から理解されるように、伸縮計用ファイバグレーティング部３８は、隣り合う２個の棒状計測基体７，７につき、例えば１個設置するものである。そして該伸縮計用ファイバグレーティング部３８は、伸縮計用ファイバ４３によって他の伸縮計用ファイバグレーティング部３８と接続されている。該伸縮計用ファイバ４３は棒状計測基体７の外周面を軸方向に沿って敷設されており、棒状計測基体７の長手方向略中央位置で接着部４１により棒状計測基体７に固定されている。ここで、接着部４１の構成については何ら限定されるものではなく、接着剤での固定、結束等の固定などが考えられる。また、接着部４１の位置は、棒状計測基体７の長手方向略中央位置に限定されるものでなく、１個の棒状計測基体７につき１個の接着部４１が形成されていればどこでも構わない。

そして該伸縮計用ファイバグレーティング部３８は、隣り合う２個の棒状計測基体７に形成された前記接着部４１，４１の間であればどこの位置に設置しても構わないものである。

しかして、地盤に変位が発生した場合において、地盤の深さ方向における変位計測は以下のように行われる。

まず、略垂直方向に生じる地盤伸縮により、連結された相隣る棒状計測基体７、７同士の間隔が伸縮することとなる。すると連結されている各棒状計測基体７間にわたり取り付け、固定された伸縮計用ファイバ４３が伸縮するものとなり、該伸縮用ファイバ４３と接続された前記伸縮計用ファイバグレーティング部３８も伸縮し、その結果ひずみが計測される。そして該伸縮計用ファイバグレーティング部３８がそのひずみを伸縮量に換算することにより正確な地盤深さ方向変位計測が図られる。

一方、地盤水平方向の変位については、前述したように計測部１１に設置された第１、第２ファイバグレーティング部において計測される。
すでに述べたように、相隣る棒状計測基体７、７の連結を、一方側棒状計測基体７の嵌合凹部４７へ他方側棒状計測基体７の嵌入部４９を挿入する形で一体化されており、地盤の水平方向変位により水平方向に発生したモーメントは、連結され、一体化された他方側棒状計測基体７に設けられている計測部１１にも正確に伝わることになる。したがって長尺一体の棒状計測基体７を使用した場合と変わらず、全く同様の状態で地盤の水平方向変位が計測できることになる。

図１３は図１１のＡ−Ａ部の断面を示している。
該Ａ−Ａ断面部は、棒状計測基体７外周面に曲げ計測用センサとして、第１ファイバグレーティング部９、第２ファイバグレーティング部１０が接着などにより取り付けられている部分の断面に該当する。そして接着された４本のファイバグレーティング部９、１０を熱収縮チューブ４０で棒状計測基体７に融着させていることを示している。そして、伸縮計用ファイバ４３は前記熱収縮チューブ４０の外周を沿わせる形で設置されるものとなる。

図１４は図１１のＢ−Ｂ部断面を示している。
該Ｂ−Ｂ断面部は、地中固定部３７外周面がボーリング孔１８内壁に係止し、該箇所で棒状計測基体７がボーリング孔１８内壁に固着されている部分の断面に該当する。
地中固定部３７の厚さ部分（地中固定部３７外径と嵌合凹部４７内径の差の部分）は、いわゆるスリーブ部４４として形成される。該スリーブ部４４には、第１、第２ファイバグレーティング部用ファイバ４２と伸縮計用ファイバ４３の貫通孔が穿設されている。そして該貫通孔内には前記の各ファイバ４２，４３がその外周を中空チューブ１７で保護被覆されて貫通敷設されている。

図１５は、やはり図１１のＢ−Ｂ部の断面であって、図１４の変形例を示している。
前記スリーブ部４４の内部には、該スリーブ部４４の軸心部を中心軸として略放射状に、かつ軸心方向へ貫通する複数の既設孔５０が設けられている。ここで、この複数の既設孔５０の数及びその形状については何ら限定されるものではなく、各ファイバ４２，４３の配線、設置が簡単に行えるものであればよい。

このように、図１５に示す実施例において該複数の既設孔５０の既設内部空間を使用することにより、スリーブ部４４内部に新しく各ファイバ配線、設置用の貫通孔を設ける必要がなく、前記各ファイバ４２，４３の設置が簡単に行えるものとなる。

なお、曲げ計測用センサとしての第１ファイバグレーティング部９、第２ファイバグレーティング部１０などのセンサは、該スリーブ部４４内には設置されないが、伸縮計用ファイバグレーティング部３８は該スリーブ部４４内の前記貫通孔内に設置しても構わない。

また、図１３乃至図１５は、断面形状が円となる柱状の棒状計測基体７の場合を示しているが、棒状計測基体７は円柱状に限られず、四角柱等の角柱状のものを使用してもよい。棒状計測基体７が四角柱の場合には、断面形状は、四角形となり、各々４つの各側面上にファイバグレーティング部及びファイバを沿わせて設置することができる。

次に、本発明による変位計測の基本原理につき説明する。

図３において示される変位量ｖと角度θは次の式で決定される。
すなわち、

ここで、P／EI、およびM／EIは、

となり、上記の式から、ひずみεおよび中立軸ｊからの距離yが求まれば、θとυが求まるから、これが計測原理の公式となる。

なお、上記の式において、Ｅはヤング率、Ｉは断面２次モーメント、Ｍはモーメント、ｌは変位計測点ＡＢ間の距離をそれぞれ示す。

さらに、図４乃至図８を参照して説明すると、軸方向端部にある２点の計測点Ａと計測点Ｂ間において、図８から理解されるように、軸対称となる（１）及び（２）のファイバグレーティング６、６を一組として、両ファイバグレーティング６、６の歪みの差から接続材料の曲げひずみが計測できる。よって前記計測原理より計測箇所の変位量と角度が求められる。

そして、これを軸方向へ２箇所以上設置することにより、軸方向において２箇所以上の曲げ歪みを計測することが可能となり、前記の計測原理から計測点Ａ−Ｂ間の相対変位と相対角度が計測できることとなる。そして、各箇所の変位と角度が求まることから、変形モードの違いも把握できる。

次に、上記の方法により図８に示す様に１方向（ファイバグレーティング（１）−（２）の方向）の変位と角度が計測できるが、これを、さらに計測点Ａ−Ｂの軸回りに９０度回転して１組以上設置（ファイバグレーティング（３）及び（４））することにより、少なくとも２方向（ファイバグレーティング（１）−（２）及び（３）−（４）の方向）の変位と角度が計測できることとなる。

さらに、軸方向の変位については、第２計測部３９に設置された伸縮計による計測以外に、伸縮計測点Ａ−Ｂ間における軸方向の伸縮ひずみから計測点Ａ−Ｂ軸方向の伸縮が計測できるため、前記の計測と合わせて３次元変位計測が可能となるのである。

また、上記の方法で変位と角度が計測できることから、複数のファイバグレーティング部で構成した計測部１１を軸方向に間欠的にかつ連続的に複数設置すれば、変位と角度を累積して求めることが可能であり、もって多点（複数箇所）の変位がスムーズに計測できることになる。

なお、前記した温度補正用のファイバグレーティング部１２の設置についてであるが、例えば円筒状をなす金属製パイプ等で構成された棒状計測基体７の中空部内に温度補正用のファイバグレーティング部１２をフリーな状態にして設置しても構わないものである。

ところで、図１１に示した伸縮許容部３６を有する棒状計測基体７からなる変位計測装置は、以下の理由から、前記温度補正用のファイバグレーティング部１２を設けなくとも、計測信号の温度補正が可能となる。

まず、地盤に略垂直方向の変位が発生した場合を考えてみると、前述のとおり連結された相隣る棒状計測基体７、７同士の間隔が伸縮することとなる。しかし、伸縮許容部３６の機能により、前記相隣る棒状計測基体７、７同士の接触は発生せず、各棒状計測基体７に略垂直方向の圧縮力又は引張り力が発生することはない。
そうすると、各棒状計測基体７の軸心方向の伸縮は発生せず、当該伸縮による第１ファイバグレーティング部９及び第２ファイバグレーティング部１０のひずみは発生しない。 すなわち、第１ファイバグレーティング部９及び第２ファイバグレーティング部１０は、地盤に略垂直方向の変位が発生したとしてもその影響は受けないものである。

したがって第１ファイバグレーティング部９及び第２ファイバグレーティング部１０に発生するひずみは、棒状計測基体７の軸心方向の伸縮によるひずみを除いた、地盤水平方向変位により引き起こされる棒状計測基体７の曲げにより生じるひずみと、温度変化により生じるひずみを合成したものとなる。

そして、この合成されたひずみのうち曲げによるひずみは、数５の式により算出することができる。
つまり第１ファイバグレーティング部９及び第２ファイバグレーティング部１０が設置されている計測基体７の断面を示す図８において、時刻ｔ1における各ファイバグレーティング部（１）乃至（４）に検知されるひずみをε11，ε21, ε31, ε41とし、これらの平均ひずみをεt1とした場合、この各ファイバグレーティング部（１）乃至（４）に検知されるひずみのうち曲げによるひずみε’11，ε’21, ε’31, ε’41が、当該式により算出することができる。

また、時刻t1からΔt後の時刻t2における各ファイバグレーティング部に検知されるひずみをε12，ε22, ε32, ε42とし、これらの平均をεt2とすると、数６の式により同様に各ファイバグレーティング部（１）乃至（４）に検知されるひずみのうち曲げによるひずみε’12，ε’22, ε’32, ε’42が算出できる。

一方温度変化は、数７の式により算出することができる。つまり、時刻ｔ1から時刻ｔ2の間の温度変化（温度差）を各時刻における平均ひずみε_tiの差分に温度校正係数αを乗じることによって算出するものである。

以上の結果より、温度差算出が可能となりもって計測信号の温度補正が可能となるものである。
したがって前記温度補正用ファイバグレーティング部１２を設けなくとも、曲げ計測用の第１ファイバグレーティング部９及び第２ファイバグレーティング部１０の計測信号の演算により伸縮計用ファイバグレーティング部３８の計測信号に対する温度補正が可能となる。

時刻t1から時刻t2の間に変化した温度変化（温度差）Ｋ_１２は以下のように示される。

α：温度校正係数

また、図１に示すように、棒状計測基体７の軸方向上下両端には前記複数のファイバグレーティング部を取り付けた光ファイバ１の端部がコネクタ１６あるいは融着接続を介して連結できるよう配置されており、もって該光ファイバ１の端部が他の光ファイバ１と連結できるよう構成されている。

よって、図１に示す棒状計測基体７をより長くしたい場合や、当該棒状計測基体７自体の長さが、連結することを前提にした短いタイプ、例えば２ｍ乃至４ｍ程度の長さの場合などのときは、軸方向へ繋いで長くすると共に、光ファイバ同士もコネクタ１６あるいは融着接続により繋いで長くすれば、長尺の棒状計測基体７と同様の構成にして計測装置を形成することが出来る。

このように、継ぎ足しできるタイプは、遠隔地での計測に適していると言える。すなわち長尺な棒状計測基体７そのものを運搬する必要がないため、運送、運搬に適しているといえるからである。

なお、上記の実施例で、計測部１１は一組の第１ファイバグレーティング部９及び一組の第２ファイバグレーティング部１０で構成したが、この実施例に限定されるものではなく、この第１ファイバグレーティング部９と第２ファイバグレーティング部１０との間で、棒状計測基体の軸回りへ回転させた位置に複数の例えば、一組の第３ファイバグレーティング部、一組の第４ファイバグレーティング部など設置しても構わない。このような場合には詳細な３次元計測が可能となる。

また、３次元計測を必要とせず、簡易な計測でよい場合には、前記計測部１１を例えば一組の第１ファイバグレーティング部９のみで形成しても構わないものである。
次に、本発明の使用状態につき説明する。

例えば、図２に示すように、地盤３１内にボーリング孔１８を掘削し、例えば１．５ｍ間隔で取り付けたファイバグレーティング群による計測部１１を８箇所備えた棒状計測基体７をその中に設置する。

前記したように、複数の計測部１１をその２箇所ごとに固定具８で棒状計測基体７に光ファイバ１と共に固定し、該固定具８の外周に設けたパッカーなどを膨張させて、棒状計測基体７自体についてもボーリング孔１８に固定設置してある。

ここで、光ファイバ１の上端部はＦＢＧ光測定装置２０に連結されており、該光ファイバ１を通じて入射された入射光４は各計測部１１及び温度補正用ファイバグレーティング部１２毎にそれぞれ反射光５を返す。
ＦＢＧ光測定装置２０ではそれぞれの反射光５を測定し、多点位置での３次元変位を測定することになる。

しかして、前記反射光５による計測データ３２はＰＣ２１に取り込まれると共に、該ＰＣ２１の送信部２２によりインターネットなどの通信回線網２３を介してサーバＰＣ２４に送信される。

ここで、サーバＰＣ２４は図１６から理解されるように、受信部２５、送信部２９、制御部３０、保存部２６、表示部３１を有して構成されている。
サーバＰＣ２４ではその受信部２５で前記計測データ３２が取り込まれ、ハードディスクなどの保存部２６に保存される。

ところで、サーバＰＣ２４には、予め変位計測すべき地盤３１の位置データ３３が入力されており、当該位置データ３３に基づいて前記変位計測すべき地盤３１の変位前画像が描画手段２７により描画されている。

続いてサーバＰＣ２４には前記計測データ３２が取り込まれ、該計測データ３２に基づき前記計測すべき地盤３１の変位後の変位後画像が変位後画像描画手段２８により描画、作成される。
描画された変位前画像及び変位後画像は瞬時にディスプレイなどの表示部３４により画像表示され、計測すべき地盤３１においてどのように変位したかがリアルタイムにかつ確実詳細に認識することが出来る。

本発明は、地すべり地や道路・自然斜面の地中変位計測やすべり面検出を精度よく計測できるのみならず、トンネルの内空変位計測、先行変位計測、ゆるみ計測に用いられ、かつ岩盤構造物（斜面、地下空洞など）、岩盤すべり面検出等にも適用される。

本発明による光ファイバの敷設状態を説明した説明図（その１）である。 本発明による変位計測装置の使用状態を説明した説明図である。 本発明による計測の原理を説明する説明図（その１）である。 本発明による計測の原理を説明する説明図（その２）である。 本発明による計測の原理を説明する説明図（その３）である。 本発明による計測の原理を説明する説明図（その４）である。 本発明による計測の原理を説明する説明図（その５）である。 計測部が形成された棒状計測基体の概略を説明する概略構成説明図（その１）である。 計測部が形成された棒状計測基体の概略を説明する概略構成説明図（その２）である。 ファイバグレーティングセンサの原理を説明する説明図である。 棒状計測基体の接続構造を説明する概略構成説明図（その１）である。 棒状計測基体の接続構造を説明する概略構成説明図（その２）である。 図１１のＡ−Ａ部一部断面図である。 図１１のＢ−Ｂ部一部断面図（その１）である。 図１１のＢ−Ｂ部断面図である。 本発明による計測システムの概略構成を説明する構成説明図である。 本発明による光ファイバの敷設状態を説明した説明図（その２）である。

１ 光ファイバ
２ コア
３ ブラッグ回析格子
４ 入射光
５ 反射光
６ ファイバグレーティング
７ 棒状計測基体
８ 固定具
９ 第１ファイバグレーティング部
１０ 第２ファイバグレーティング部
１１ 計測部
１２ 温度補正用ファイバグレーティング部
１６ コネクタ
１７ 中空チューブ
１８ ボーリング孔
１９ 透過光
２０ ＦＢＧ光測定装置
２１ ＰＣ
２２ 送信部
２３ 通信回線網
２４ サーバＰＣ
２５ 受信部
２６ 保存部
２７ 描画手段
２８ 変位後画像描画手段
２９ 送信部
３０ 制御部
３１ 地盤
３２ 計測データ
３３ 位置データ
３４ 表示部
３５ 光スイッチ
３６ 伸縮許容部
３７ 地中固定部
３８ 伸縮計用ファイバグレーティング部
３９ 第２計測部
４０ 熱収縮チューブ
４１ 伸縮計用ファイバ接着部
４２ 第１、第２ファイバグレーティング部用ファイバ
４３ 伸縮計用ファイバ
４４ スリーブ部
４５ プラスチックボルト
４６ 仮止め用ボルト孔
４７ 嵌合凹部
４８ 保持部
４９ 嵌入部
５０ 既設孔

Claims (15)

1. 掘削されたボーリング孔内に取り付けられ、該ボーリング孔の深さ方向へ向かい連結された、柔軟性を有する複数個の棒状計測基体と、
   前記棒状計測基体の外周面上で、棒状計測基体の軸に対して略対称となる２箇所位置に設置された一組の第１ファイバグレーティング部と、前記第１ファイバグレーティング部の設置位置より棒状計測基体の軸回りへ回転させた外周面上の位置で、かつ棒状計測基体の軸に対して略対称となる２箇所位置に設置された一組の第２ファイバグレーティング部と、前記一組の第１ファイバグレーティング部と、前記一組の第２ファイバグレーティング部とをそれぞれ連結する１本の光ファイバと、を備えて形成された計測部と、
   前記棒状計測基体の軸方向端部側に設けられ、外周面に前記ボーリング孔内壁に係止する保持部を有し、前記棒状計測基体の各々の端部を、内孔に伸縮許容部となる空隙部を設けて対向方向から挿入できる様にし、前記複数個の棒状計測基体をボーリング孔の深さ方向に連結して保持係止する地中固定部と、
   前記棒状計測基体の端部を連結した地中固定部の高さ幅内に設置され、かつ前記棒状計測基体の軸方向へ向かう様設置された、伸縮計用ファイバグレーティング部と、該伸縮計用ファイバグレーティング部に連結された伸縮計用ファイバと、を備えた、
   ことを特徴とする変位計測装置。
   
2. 前記第２ファイバグレーティング部は、前記第１ファイバグレーティング部の設置位置より棒状計測基体の軸回りへ略９０度回転させた位置で、かつ前記棒状計測基体の軸に対して略対称となる２箇所位置に設置された、
   ことを特徴とする請求項１記載の変位計測装置。
   
3. 前記計測部は、前記第１ファイバグレーティング部の設置位置より第２ファイバグレーティング部の設置位置方向に向かって、棒状計測基体の軸回りに回転させた位置に複数個のファイバグレーティング部を設置して構成された、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の変位計測装置。
   
4. 前記計測部は、前記棒状計測基体の軸方向に向かい間隔をあけて、少なくとも２カ所に設置されて構成された、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３記載の変位計測装置。
   
5. 前記棒状計測基体は軸方向へ向かい複数個連結され、かつ各々の棒状計測基体に設置された前記計測部も連結された、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４記載の変位計測装置。
   
6. 前記棒状計測基体を連結した地中固定部には、棒状計測基体の少なくとも軸方向いずれかの端部側に軸方向への伸縮が許容される伸縮許容部が形成された、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４又は請求項５記載の変位計測装置。
   
7. 前記棒状計測基体を連結する地中固定部は略短筒状に形成され、該地中固定部には、連結する棒状計測基体の軸方向一端側に軸方向外側に向かって開口する嵌合凹部が設けられ、
   連結する棒状計測基体側には、前記嵌合凹部へ遊嵌する嵌入部が設けられ、
   前記嵌合凹部と嵌入部との間に伸縮許容部が形成された、
   ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６記載の変位計測装置。
   
8. 前記請求項７記載の地中固定部において、前記嵌合凹部の外周面形状は、前記棒状計測基体より外側へ膨出する膨出部形状として構成された、
   ことを特徴とする変位計測装置。
   
9. 前記請求項７記載の地中固定部において、前記嵌合凹部の外周面に、ボーリング孔内に棒状計測基体を保持する保持部が設けられた、
   ことを特徴とする変位計測装置。
   
10. 前記棒状計測基体の外周面には軸方向へ向かって軸方向伸縮変位を計測する伸縮用ファイバグレーティング部が設けられた第２計測部が形成された、
    ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９記載の変位計測装置。
    
11. 前記棒状計測基体は円筒状部材で形成され、中空部内には温度補正用ファイバグレーティング部が設置され、かつ前記温度補正用ファイバグレーティング部は前記光ファイバに接続されている、
    ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９又は請求項１０記載の変位計測装置。
    
12. 前記棒状計測基体は円柱状部材で形成され、外周面上には中空チューブが軸方向へ向かって取り付けられると共に、該中空チューブ内には温度補正用ファイバグレーティング部が設置され、かつ前記温度補正用ファイバグレーティング部についても前記光ファイバに接続されている、
    ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９又は請求項１０記載の変位計測装置。
    
13. 前記軸方向への伸縮許容部が設けられた棒状計測基体からなる構成において、計測値の温度補正が可能な構成とした、
    ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８、請求項９又は請求項１０記載の変位計測装置
    
14. 前記棒状計測基体は柔軟性を有する長尺の棒状部材により構成され、該棒状計測基体の軸方向に向かっては間隔をあけて光ファイバに連結された複数のファイバグレーティング部が設置されると共に、軸方向へ向かい間隔をあけて前記光ファイバを固定する固定具が取り付けられ、
    前記棒状計測基体を複数個連結した状態と同様の構成に形成可能とした、
    ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８，請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２又は請求項１３記載の変位計測装置。
    
15. 前記計測部より計測された計測データを取り込む取込手段と、
    取り込まれた計測データを通信回線網を介して送信する送信手段と、
    送信された計測データを受信する受信手段と、
    予め計測すべき箇所の位置データが入力され、該位置データに基づき計測箇所の変位前画像を描画する描画手段と、
    前記計測データに基づき計測箇所の変位後画像を描画する変位後画像描画手段と、を備えた、
    ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８，請求項９、請求項１０、請求項１１、請求項１２、請求項１３又は請求項１４記載の変位計測装置。

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