JP5086781B2 - 打撃貫入試験装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロッドを打撃して地中に貫入し、そのポイントの地層構造や地盤強度を調査する打撃貫入試験装置に関する。

従来から、宅地建設予定地等の地盤調査においては、ロッドに３種類の錘を負荷して自沈させ自沈停止時にはそれ以上の負荷をかけずに試験用ロッドを回転駆動するいわゆるスウェーデン式サウンディング試験と、ハンマーを自由落下させ試験用ロッドを打撃して地中に貫入させ試験を行うオートマチックラムサウンディングと、このオートマチックラムサウンディング試験と同様の試験方法であって、この試験装置を小型化したミニラムサウンディング試験とが知られている。

前記スウェーデン式サウンデイング試験は、所定荷重による貫入と回転貫入により原位置を測定する試験であり、いわゆる住宅地等の地盤の静的貫入抵抗を測定して、その土質の硬軟等を判定し住宅等の建築地の地盤状況を把握することを目的としている。この試験方法は、装置及び操作が容易で迅速にできることから、深さが１０ｍ内程度の比較的浅い地盤を対象として、特に戸建住宅地の地盤調査方法として普及している。

一方、前記オートマチックラムサウンディング試験は動的コーン貫入試験として知られており、試験方法としては、所定の重さのハンマーを所定の高さから落下させることによりロッドを地中に貫入させ、このロッドが地中に２０ｃｍ貫入するのに要する打撃回数を計測する。この打撃回数からＮ値を求め、このＮ値から地盤の硬軟を判断するものである。この試験を自動化した装置として、特許文献１に示す自走式打撃貫入試験装置（以下、この自走式打撃貫入試験装置を単に打撃貫入試験装置という。）が知られている。この打撃貫入試験装置は、作業者が操縦可能な自走機を有しており、この打撃貫入試験装置にはハンマ装置を昇降自在に案内するリーダが地面に対して垂直に取付けられている。このハンマ装置の下部には試験用ロッドが取付けられており、この試験用ロッドの後端をハンマが打撃することによって、試験用ロッドの先端が地面に貫入するようになっている。また、この打撃貫入試験装置においては、２０ｃｍ貫入毎の打撃回数は制御装置を介して自動的に表示されるようになっており、作業者が打撃数をカウントする必要がないので、作業者によるカウントミスが発生しないという効果がある。

特開２００３−２１３６６１号公報

前記打撃貫入試験装置においてはロッドが２０ｃｍ貫入するまで打撃を続けるため、貫入不可能な硬い地層に到達しても、打撃を続けるため作業効率が悪いという問題があった。また、ロッドが自沈してしまうような軟弱な地層に達した場合、この境界を判別する手段がなく、地盤の正確な地層を判定することができない問題もあった。

前記課題を解決することを目的として、本発明の打撃貫入試験方法は、貫入ロッドに所定回数の打撃を加え、その貫入量から地盤性状を判定する打撃貫入試験方法において、１打撃毎の貫入量を検出して蓄積し、この蓄積された検出データに基づいて地盤性状を判定することを特徴とする。なお、１打撃毎の貫入量の変動から地盤性状を判定することが望ましい。

前記課題を解決することを目的として、本発明の打撃貫入試験装置は、ハンマを昇降可能に案内する打撃ユニットと、このハンマによる打撃を受けて地中に貫入する貫入ロッドと、前記ハンマによる１打撃毎の貫入ロッドの貫入量を検出する貫入量検出手段と、この貫入量検出手段により検出された１打撃毎の貫入量を蓄積し、この蓄積された検出データに基づいて地盤性状を判定する制御ユニットとを備えることを特徴とする。

前記課題を解決することを目的として、本発明の打撃貫入試験装置は、ハンマを昇降可能に案内する打撃ユニットと、このハンマによる打撃を受けて地中に貫入する貫入ロッドと、この貫入ロッドを支持する昇降台と、この昇降台に所定の荷重を付与する荷重変更手段と、前記ハンマによる１打撃毎の貫入ロッドの貫入量を検出する貫入量検出手段と、この貫入量検出手段により検出された１打撃毎の貫入量に応じて前記貫前記荷重変更手段および前記打撃ユニットの作動を制御する制御ユニットとを備えることを特徴とする。

また、前記制御ユニットが、前記貫入量検出手段により検出された１打撃の貫入量が予め設定された最小貫入量に満たない場合、前記打撃ユニットによる打撃を休止することが望ましい。あるいは、前記制御ユニットが、前記貫入量検出手段により検出された１打撃の貫入量が予め設定された最大貫入量を超える場合、前記打撃ユニットによる打撃を一旦休止するとともに、前記貫入ロッドに付与される荷重を減ずるべく前記荷重変更手段を制御することが望ましい。

前記制御ユニットが、１打撃毎の貫入量を表示する表示部を備えることが望ましい。

さらに、本発明の打撃貫入試験装置においては、前記貫入ロッドに負荷される荷重を変更可能な荷重変更手段を備えているので、貫入ロッドには昇降台あるいは打撃ユニットの質量による荷重が負荷されず、貫入ロッドの地中への打撃貫入に応じて昇降台を追従させるのに必要最小限の荷重のみが負荷される。そのため試験地盤が軟弱な場合でも、打撃ユニットの質量による荷重で貫入ロッドが地中に貫入するのを防止することができ、自沈地盤であるか否かを正確に判定することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。図１において、１は打撃貫入試験装置であり、ベースユニット１０に打撃ユニット２０を搭載して構成されている。前記ベースユニット１０は、スタンド１８に立設された第１支柱１１を有し、この第１支柱１１には、昇降台１２が昇降自在に案内されている。この昇降台１２には、前記第１支柱１１の背面側に位置してスプロケット１３が回転可能に設けられており、このスプロケット１３は、第１支柱１１の背面に鉛直方向に直線的に延びて取り付けられたチェーン部材１１ａに噛合している。また、このスプロケット１３は、図２に示すように、荷重変更手段の一例であるパウダクラッチ１４とワンウェイクラッチ１５を内蔵したクラッチ機構を介してユニット昇降モータ１６に連結されており、このユニット昇降モータ１６の駆動を受けて回転できるように構成されている。

前記ワンウェイクラッチ１５は、昇降台１２を上昇させる方向にスプロケット１３を回転させるようユニット昇降モータ１６が駆動（以下、この駆動を正駆動という）した時、このユニット昇降モータ１６の駆動をスプロケット１３に伝達し、これとは逆にユニット昇降モータ１６が駆動（以下、この駆動を逆駆動という）した時には空転するようになっている。

前記パウダクラッチ１４は、封入された磁性パウダを励磁することにより、この励磁電圧に応じた回転抵抗を安定的に発生することのできるクラッチである。このパウダクラッチ１４は、ユニット昇降モータ１６側の駆動軸とスプロケット１３側の駆動軸との間に介在し、ユニット昇降モータ１６側からスプロケット１３側へ伝達されるトルクを制御するように構成されている。

前記打撃ユニット２０は、図１に示すように、エレベータユニット３０と、ハンマユニット４０とから構成される。

前記エレベータユニット３０は、前記ベースユニット１０の前記昇降台１２上に着脱可能に連結固定されるテーブル３１を有し、このテーブル３１には第２支柱３２が立設している。この第２支柱３２は、長手方向中央部分が空洞に構成されており、この空洞部（図示せず）の上下にはそれぞれスプロケット（図示せず）が回転可能に設置されている。そして、これらスプロケットには、無端循環移動部材の一例として、環状の無端チェーン３５が巻き掛けられ噛合している。上側のスプロケットは、第２支柱３２に回転自在に軸支されており、下側のスプロケットは、テーブル３１に設けられたハンマ操作モータ３６の駆動によって回転するようになっている。これにより、無端チェーン３５はハンマ操作モータ３６の駆動を受けて循環送りされる構成となっている。この無端チェーン３５の所定位置には、当該無端チェーンの所定位置に突出し係止部材（図示せず）が一体に固定されている。前記第２支柱３２には、詳細を後述するハンマ４４の爪４８の上方移動路上に位置して解除部材（図示せず）が固定されている。

前記ハンマユニット４０は、図３（ａ），（ｂ）および（ｃ）に示すように、前記テーブル３１にシリンダホルダ３１ａを介して挿通自在でかつ昇降台１２を貫通するように取付けられた中空軸状のロッドシリンダ４１を有し、このロッドシリンダ４１には、軸状の貫入ロッド２が挿入され案内されている。このロッドシリンダ４１の上部にはノッキングヘッド４２が取付けられており、このノッキングヘッド４２は、貫入ロッド２の上端部を一体的に覆う形状を成し、後記するハンマ４４により貫入ロッド２が直接打撃されるのを防止し、貫入ロッド２の破損を防止するためのものである。一方、前記ロッドシリンダ４１の下部にはこの周面を覆うようにして荷重受け部材４５が取付けられており、この荷重受け部材４５は当該ロッドシリンダ４１と一体となって昇降するとともに、前記昇降台１２に載置された全てのユニットの荷重を受けるように構成されている。

また、ハンマユニット４０は、図１に示すように、前記ロッドシリンダ４１を挟んで前記第２支柱３２と平行に延びて立設されたガイドレール４３を有する。このガイドレール４３には、前記ノッキングヘッド４２の上方に位置してハンマ４４が昇降自在に案内されえている。このハンマ４４は、前記無端チェーン３５に固定された係止部材と係合可能な爪４８を備えており、当該無端チェーン３５の循環送りに伴って上昇するようになっている。その後、このハンマ４４が上昇して前記爪４８が前記解除部材に当接すると、当該爪４８と係止部材との係合が解かれ、当該ハンマ４４は自重により落下し、ノッキングヘッド４２を打撃するように構成されている。

本打撃貫入試験装置の作動を制御するための制御ユニット５０は、演算処理部５１に接続された貫入量検出部５２と、昇降モータ駆動部５３と、ハンマ操作モータ駆動部５４と、パウダークラッチ制御部５５と、記憶部５６と、表示部５７と、入力部５８とを備えている。前記貫入量検出部５２は、回転するスプロケット１３の回転角度を貫入量検出手段の一例であるロータリエンコーダ１７によって検出し、これから貫入ロッド２の貫入量を算出するように構成されている。この貫入量検出部５２によって検出された貫入量が０の場合、前記演算処理部５１は、前記ハンマ操作モータ駆動部５４に対して停止指令信号を送るように構成されている。この停止指令信号によって、ハンマ操作モータ３６への電力供給が遮断され、このモータ３６は停止して、ハンマユニット４０による打撃が中止される。

また、前記記憶部５６には前記入力部５８から入力される前記パウダークラッチ１４に負荷する負荷電流値、あるいは１打撃当たりの前記貫入ロッド２の限界貫入量が予め記憶され、試験中、１打撃当たりの貫入ロッド２の貫入量が当該限界貫入量を越えた場合、前記演算処理部５６は、ハンマ操作モータ駆動部５４に停止指令信号を送るとともに、前記パウダークラッチ制御部５５にに対して励磁指令信号を送るように構成されている。この停止指令信号によって、ハンマ操作モータ３６への電力供給が遮断され、ハンマユニット４０による打撃が中止される一方、パウダクラッチ１４は所定のクラッチ力を発揮するように励磁され、昇降台１２およびこれに載置されるハンマユニット４０等の質量によってこれらが下降する方向に回転しようとするスプロケット１３に常時回転負荷を与え、貫入ロッド２にかかる荷重を軽減するようになっている。

次に本打撃貫入試験装置の作用を述べる。
本打撃貫入試験装置１は、前記特許文献１（特開２００３−２１３６６１号公報）に概要が示されているオートマチックラムサウンデイング試験と同様の試験方法であって、これの試験装置を小型化して行うミニラムサウンデイング方法で貫入試験を行うものであり、ハンマ４４でノッキングヘッド４２を打撃することにより貫入ロッド２に推進力を付与し、これにより貫入ロッド２を地中に貫入するものである。そして、貫入ロッド２が地中に２０ｃｍ貫入するのに要する打撃回数を計測し、これからＮ値を算出し、このＮ値から地盤の硬軟を判定するものである。Ｎ値の算出式は、
砂質地盤の場合：Ｎ＝Ｎｄｍ／２
粘性地盤の場合：Ｎ＝（Ｎｄｍ／２）−０．１６Ｍｖ
Ｎ：補正された打撃回数
Ｎｄｍ：測定された打撃回数
Ｍｖ：回転トルク（Ｎ・ｍ）
である。ここで回転トルクＭｖについては、貫入ロッド２が地中に２０ｃｍ貫入する毎に一旦打撃を止め、手動で貫入ロッド２を回して回転し始めるトルクを測定する。

貫入試験を行うには、試験位置に本打撃貫入試験装置１を設置し、まず制御ユニット５０によりユニット昇降モータ１６を正駆動して昇降台１２を上昇させ、次にハンマ昇降モータ３６を無端チェーン３５のハンマ４４側が上昇するように駆動して、係止部材をハンマ４４の爪４８に当接させ、ハンマ４４を爪４８が解除部材に接しない位置まで適度に上昇させる。続いて、スタンド１８に取付けられたガイド（図示せず）の穴の中心にコーン４の中心が合うようにして貫入ロッド２を地表に立て、再度ユニット昇降モータ１６を逆駆動して昇降台１２を下降させながら、ロッドシリンダ４１に貫入ロッド２を挿通させる。ロッドシリンダ４１に挿通した貫入ロッド２は、昇降台１２が下降することにより、ノッキングヘッド４２に当接し、ノッキングヘッド４２とロッドシリンダ４１とを一体に上方に押し上げる。このようにしてロッドシリンダ４１が完全に押し上げられるまで昇降台１２を下降させる（ユニット昇降モータ１６の逆駆動を続ける）。なお、ユニット昇降モータ１６は駆動停止時に駆動軸を回転不能に固定するロック機構を備えているため、昇降台１２は前記下降位置で保持される。

次に、無端チェーン３５のハンマ４４側が下降するようにハンマ操作モータ３６を駆動し、これによりハンマ４４を下降させ、ノッキングヘッド４２に載置する。そして、制御ユニット５０の記憶部５６にこの位置を試験原点（貫入量０ｍｍ）として設定すとともに、所定の前記限界貫入量および前記パウダークラッチ１４に負荷する負荷電流値を設定する。ここまでのユニット昇降モータ１６およびハンマ操作モータ３６の正逆駆動は、制御ユニット５０に備えられた各モータのマニュアル駆動ボタンを作業者が操作することにより行われる。以降は、貫入ロッド２を継ぎ足す時以外、制御ユニット５０による自動制御によって、各モータが駆動される。

続いて、制御ユニット５０に備えられた試験開始ボタンによって試験開始のスタート信号が入力されると、ユニット昇降モータ１６が逆駆動してワンウェイクラッチ１５は空転する。また、パウダクラッチ１４の励磁が解かれ、スプロケット１３の回転負荷が解除される。これによりスプロケット１３は回転自在となり、貫入ロッド２には昇降台１２に装備されている打撃ユニット等の質量による荷重がかかる。なお、ここで、パウダクラッチ１４は記憶部５６に予め設定された負荷電流値によって、所定のクラッチ力を発揮するように励磁し、昇降台１２等の質量によってこれらが下降する方向に回転しようとするスプロケット１３に常時回転負荷を与え、貫入ロッド２にかかる荷重を軽減するようになっている。例えば、昇降台１２等の質量による荷重でスプロケット１３が回転したときに生じる軸トルクよりも若干低く、これとは逆方向の回転負荷トルク（クラッチ力）が生じるよう、パウダクラッチ１４を励磁する。これにより、貫入ロッド２には昇降台１２に装備された打撃ユニット２０等の質量による荷重が負荷されず、後述する貫入ロッド２の地中への打撃貫入に応じて昇降台１２を追従させるのに必要最小限の荷重（例えば、質量１Ｋｇに相当する９．８Ｎの荷重）のみが負荷される。このようにすれば、試験地盤が軟弱な場合にも、打撃ユニット２０等の質量による荷重で貫入ロッド２が地中に貫入してしまうのを防止することができる。

続いてハンマ操作モータ３６が駆動し、無端チェーン３５および係止部材が一体に前面側（ハンマ４４側）を上昇移動するように循環送りされ、その後、ハンマ４４が上昇して爪４８の斜面が解除部材に当接し、なおもハンマ４４が上昇すると、解除部材に当接した爪はハンマ４４側に回動して係止部材から外れる。このハンマ４４は自重で落下し、ノッキングヘッド４２を打撃する。このとき、貫入ロッド２とこれを保持するロッドシリンダ４１は、図３（ａ）に示す位置から図３（ｂ）に示す位置に下降して、当該貫入ロッド２は地中に貫入する。この時、図３（ｂ）に示すように、貫入ロッド２には、上述のように昇降台１２や打撃ユニット２０等の質量による荷重がかかっているため、昇降台１２等は、図３（ｃ）に示すように、貫入ロッド２が貫入するのに追従して一体に下降することができる。その後ノッキングヘッド４２を打撃したハンマ４４は、再び循環移動してくる係止部材に係止して再び上昇する。

上述のようにして、無端チェーン３５を循環送りすることにより、ハンマ４４による打撃を切り返し、貫入ロッド２を地中に貫入する。この貫入ロッド２の貫入量は、スプロケット１３の回転角度をロータリエンコーダ１７によって検出し、このロータリエンコーダ１７の信号から割り出される。また、打撃回数は、ハンマ４４の上昇位置と下降位置とにそれぞれに設けられた近接センサ（図示せず）でハンマ４４を検出し、これら近接センサの信号に基づいて計数される。一例を挙げると、上昇側の近接センサが所定時間内にＯＮ／ＯＦＦし、その後所定時間内に下降側の近接センサがＯＮ／ＯＦＦすれば打撃１回とカウントする。制御ユニット５０は、このようにして貫入ロッド２が地中に２０ｃｍ貫入する毎に、これに要した打撃回数を求め、これを記憶部５６に記憶する。また、貫入ロッド２が２０ｃｍ貫入する毎にハンマ操作モータ３６の駆動を停止して打撃が止められ、制御ユニット５０の入力部５８に手動で測定した前記回転トルクＭｖを入力し、制御ユニット５０の記憶部５６に記憶される。なお、本発明の打撃貫入試験装置１においては、２０ｃｍ貫入当たりの打撃回数に加え、１打撃当たりの貫入量も算定して記憶し、表示部５７に表示するものである。

このような構成から本打撃貫入試験装置１においては、２０ｃｍ以下の幅のよりきめ細かい地盤硬軟を判定することができるとともに、作業者は前記制御ユニット５０の表示部５７を見るだけで、地盤の状況を知ることができる。また、前記制御ユニット５０の構成により、打撃貫入不可能な硬い地盤に到達して１打撃当たりの貫入量が０として検出され場合、この時点で打撃貫入試験が自動停止され、作業者は打撃貫入不可能な硬い地盤に到達したことをいち早く知ることができるとともに、試験時間を短縮することも可能となる。さらに、自沈地層に到達し、前記１打撃当たりの貫入量が予め設定された限界貫入量を超えた場合においても、前記制御ユニット５０の構成により、打撃貫入試験から自沈貫入試験に切換えることができるので、打撃試験と貫入試験を一連して行うことができ、試験時間を短縮することも可能となる。

本発明に係る打撃貫入試験装置の正面側斜視図である。 図１のＡ−Ａ線要部拡大断面図である。 図１のＢ−Ｂ線要部拡大断面図であり、本発明の打撃貫入試験装置の動作説明図でもある。

符号の説明

１ 打撃貫入試験装置
２ 貫入ロッド
４ コーン
１０ ベースユニット
１１ 第１支柱
１１ａ チェーン部材
１２ 昇降台
１３ スプロケット
１４ パウダクラッチ
１５ ワンウェイクラッチ
１６ ユニット昇降モータ
１７ ロータリエンコーダ
１８ スタンド
１９ ガイド
２０ 打撃ユニット
３０ エレベータユニット
３１ テーブル
３１ａ シリンダホルダ
３２ 第２支柱
３５ 無端チェーン
３６ ハンマ操作モータ
４０ ハンマユニット
４１ ロッドシリンダ
４２ ノッキングヘッド
４３ ガイドレール
４４ ハンマ
４５ 荷重受け部材
４８ 爪
５０ 制御ユニット
５１ 演算処理部
５２ 貫入量検出部
５３ 昇降モータ駆動部
５４ ハンマ操作モータ駆動部
５５ パウダークラッチ制御部
５６ 記憶部
５７ 表示部
５８ 入力部

Claims (4)

1. ハンマを昇降可能に案内する打撃ユニットと、
   このハンマによる打撃を受けて地中に貫入する貫入ロッドと、
   この貫入ロッドを支持する昇降台と、
   この昇降台に所定の荷重を付与する荷重変更手段と、
   前記ハンマによる１打撃毎の貫入ロッドの貫入量を検出する貫入量検出手段と、
   この貫入量検出手段により検出された１打撃毎の貫入量に応じて前記荷重変更手段および前記打撃ユニットの作動を制御する制御ユニットと
   を備えることを特徴とする打撃貫入試験装置。
2. 前記制御ユニットが、前記貫入量検出手段により検出された１打撃の貫入量が予め設定された最小貫入量に満たない場合、前記打撃ユニットによる打撃を休止することを特徴とする請求項１に記載の打撃貫入試験装置。
3. 前記制御ユニットが、前記貫入量検出手段により検出された１打撃の貫入量が予め設定された最大貫入量を超える場合、前記打撃ユニットによる打撃を一旦休止するとともに前記貫入ロッドに付与される荷重を減ずるべく前記荷重変更手段を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の打撃貫入試験装置。
4. 前記制御ユニットが、１打撃毎の貫入量を表示する表示部を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の打撃貫入試験装置。

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