JP5097974B2 - Ｐ＆ｓ地震波測定システムおよび測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、地中挿入管を用いたＰ＆Ｓ地震波測定システムおよび測定方法に係り、さらに詳しくは、地中に挿入された管の頂部に垂直方向の打撃を与えることでＰ波を、また、地中挿入管の外周に沿った水平方向の打撃を与えることでＳ波を発生させ、発生した地震波を測定して地盤の状況を知ることが出来るＰ＆Ｓ地震波測定システムおよび測定方法に関する。
近年、耐震建築や、都市土木構造の耐震化の増加に伴い、大深度まで効率よく、経済的に実施可能な速度検層（ＰＳ検層）システムが要請されている。大深度までの速度検層では、深部まで到達可能な弾性波の起振が必要であるが、技術的に困難を伴うため、これまで唯一孔内起振受震方式の速度検層システムのみが実用化されていた。しかし、このシステムには、システム価格が極めて高価であることや、孔内に水が存在しないと実施できないと言う問題があった。
特開２０００−４６９５４号公報号公報
本発明は、安価な従来の浅層用ダウンホール方式の速度検層用機材を利用して、孔内水の有無にかかわらず掘削工程に合わせて大深度までの速度検層を可能とするＰ＆Ｓ地震波測定システムおよび測定方法の提供を目的とする。
本発明は、地中孔に挿入される保護管に内挿され、起振力を伝達するための地中挿入管と、前記保護管と前記地中挿入管の間隔を一定に保つために前記保護管の頂部において前記保護管の内周部と前記地中挿入管の外周部の間に装着される固定具と、前記地中挿入管の頂部に設けられて垂直方向の打撃を受ける垂直方向打撃面と、前記地中挿入管の外周に設けられて前記外周に沿って水平方向の打撃を受ける外周方向打撃面と、前記地中孔の深部に挿入され、前記地中孔の所定位置に固定される地震計と、配線具によって前記地震計と接続される地震波処理用の計測機器と、を含むことを特徴とする。
前記垂直方向打撃面は、前記地中挿入管の頂部に装着され、上下方向に打撃ハンマーをガイドするキャップと、前記キャップ上に載置される重りとからなることを特徴とする。
前記外周方向打撃面は、半円部と半円部の両側から板状となって延びる結合部とからなる一対の打撃用バンドからなり、前記半円部を前記地中挿入管の外周に嵌め付た状態で一対の打撃用バンドの結合部を結合させることにより前記地中管に固定させることを特徴とする。
前記地震計は、弾性材料からなる中空容器に取り付けられた状態で、所定の深度に到達した後、前記中空容器を膨張させて前記地中孔の壁に圧着させることにより固定させることを特徴とする。
また、本発明は、地盤のＰ波を測定する際は、前記地中挿入管の垂直方向打撃面を打撃して前記地中挿入管を振動させて、前記地中挿入管の地中挿入部からのＰ波を地中に伝達させ、地盤のＳ波を測定する際は、前記地中挿入管の外周方向打撃面を打撃して前記地中挿入管を振動させて、前記地中挿入管の地中挿入部からのＳ波を地中に伝達させることを特徴とする。
前記振動による地盤からの反響は、前記地中挿入管の内部を通して地中孔最深部まで挿入される前記地震計によって受信されることを特徴とする。
前記Ｐ波は、前記垂直方向打撃面を落下式ハンマーで打撃することにより発生させ、前記Ｓ波は、前記外周方向打撃面を前記地中挿入管の外周に沿って水平方向に時計周り方向または反時計回りの方向に打撃することにより発生させることを特徴とする。
本発明の方式により、耐震調査に必須のＳ波を含む速度検層が、従来の浅層用ダウンホール方式の速度検層用機材を利用して安価に、また、掘削工程と平衡して効率よく実施できる。
また、従来の板叩き方式に比べて受信器までの距離を短くすることが出来るためＳ波の減衰が小さく、従来補正を必要としていた水平方向に関しても受信方向が同一線上になるため補正が不要となる。
さらに、Ｐ波とＳ波の組み合わせシステムであるため効果的である。
また、従来の板叩き方式に比べて受信器までの距離を短くすることが出来るためＳ波の減衰が小さく、従来補正を必要としていた水平方向に関しても受信方向が同一線上になるため補正が不要となる。
さらに、Ｐ波とＳ波の組み合わせシステムであるため効果的である。
速度検層は、ボーリング孔を利用して、Ｐ波（Ｐｒｉｍａｒｙ ｗａｖｅ）とＳ波（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｗａｖｅ）の２種類の弾性波が地盤中を伝播するときの速度を求める方法である。
地盤中を伝播する弾性波動には、波動の振動方向と進行方向が一致するＰ 波（縦波）と、振動方向が進行方向に対して直角になるＳ 波（横波）の２種類がある。
地下資源、土木事業、建設、防災等の地盤調査に当たっては、人工地震などによる弾性波探査、電気・磁気探査が行なわれる。
地盤中を伝播する弾性波動には、波動の振動方向と進行方向が一致するＰ 波（縦波）と、振動方向が進行方向に対して直角になるＳ 波（横波）の２種類がある。
地下資源、土木事業、建設、防災等の地盤調査に当たっては、人工地震などによる弾性波探査、電気・磁気探査が行なわれる。
弾性波探査は、地中を伝わる弾性波が、密度などの物性の異なる境界で屈折や反射する現象を利用する方法である。
磁気探査は、地球磁場を測定し、地下の磁性体分布を求めて、帯磁率の高い火山岩などの分布を把握する方法である。
電気探査は、地盤に電流を流し、電流の流れにくさの分布状況から地盤性状を把握する方法である。
磁気探査は、地球磁場を測定し、地下の磁性体分布を求めて、帯磁率の高い火山岩などの分布を把握する方法である。
電気探査は、地盤に電流を流し、電流の流れにくさの分布状況から地盤性状を把握する方法である。
弾性波探索での起振法としては、地面をカケヤで叩いたり、火薬を爆発させる方法が用いられる。弾性波探索では、縦波と横波を測定するが、縦波の法が横波より早く到達するので、縦波をＰｒｉｍａｒｙ波（Ｐ波）、横波をＳｅｃｏｎｄａｒｙ波（Ｓ波）と呼んでいる。
上記地面をカケヤで叩く方法や、火薬を爆発させる方法では、Ｓ波は発生し難く、Ｐ波が発生する。
上記地面をカケヤで叩く方法や、火薬を爆発させる方法では、Ｓ波は発生し難く、Ｐ波が発生する。
一般的に、地質は、地表から地下深部に至るに従い表土層、岩塊混じりの風化土層、割れ目に土砂がある強風化層、割れ目が多少砂状となっているが硬質岩石の多い弱風化層、割れ目を多少伴う岩盤から構成されている。Ｐ波の速度は、地表層から岩盤に行くに従い０．５〜４．５Ｋｍ／ｓｅｃの値を示す。
弾性波探索には、反射法地震探査、屈折法地震探査などがある。
反射法地震探査は、人工的に発生させた弾性波が、速度と密度が変化する地層境界面で反射し、再び地表へ戻ってきたところを捉え、 解析することで地下構造を解明する手法である。反射波の到達時間と振幅を処理、解析して地下の速度構造と地層の重なり具合などの地質構造形態を明らかにする。
反射法地震探査は、人工的に発生させた弾性波が、速度と密度が変化する地層境界面で反射し、再び地表へ戻ってきたところを捉え、 解析することで地下構造を解明する手法である。反射波の到達時間と振幅を処理、解析して地下の速度構造と地層の重なり具合などの地質構造形態を明らかにする。
屈折法地震探査は、地中を伝わる弾性波の中で、速度と密度が変化する地層の境界面で屈折し、地層の境界を伝わり、地表に帰ってくる波を利用して地質構造を解明する方法である。
屈折法地震探査は、最も早く到達した波を捉えれば良いことから、比較的小規模のシステムでも観測が可能であり、小さな震源を用いて、浅層地質構造の解析や、逆に大発破を震源として、深部地盤構造の推定を行なう場合に広く利用されている。地層の細かい情報が得られる点では反射法地震探査の方が優れている。
屈折法地震探査は、最も早く到達した波を捉えれば良いことから、比較的小規模のシステムでも観測が可能であり、小さな震源を用いて、浅層地質構造の解析や、逆に大発破を震源として、深部地盤構造の推定を行なう場合に広く利用されている。地層の細かい情報が得られる点では反射法地震探査の方が優れている。
以下、本発明のＰ＆Ｓ地震波測定システムおよび測定方法を図面により説明する。
図１は、Ｐ＆Ｓ地震波測定システムを示す概略図、図２は、垂直方向打撃面の詳細を示す図、図３は、外周方向打撃面の詳細を示す図、図４は、環状の固定具を示す図、図５は、安定化装置の詳細を示す図である。
図１に示すように、本発明のＰ＆Ｓ地震波測定システム１は、地中孔２に挿入される保護管３に内挿され、起振力を伝達するための地中挿入管４と、保護管３と地中挿入管４の間隔を一定に保つために保護管の頂部において保護管の内周部と地中挿入管の外周部の間に装着される環状の固定具５（図４）と、地中挿入管４の頂部において垂直方向の打撃を受ける垂直方向打撃面６と、地中挿入管４の外周に固定され、外周に沿って水平方向に打撃を受ける外周方向打撃面７と、地中挿入管４の内部に挿入され、安定化装置８により地中孔２の所定位置に固定される地震計９と、地震波処理用の計測機器１０と、地震計９と計測機器１０を結ぶ配線具１１とを含んで構成される。
図１は、Ｐ＆Ｓ地震波測定システムを示す概略図、図２は、垂直方向打撃面の詳細を示す図、図３は、外周方向打撃面の詳細を示す図、図４は、環状の固定具を示す図、図５は、安定化装置の詳細を示す図である。
図１に示すように、本発明のＰ＆Ｓ地震波測定システム１は、地中孔２に挿入される保護管３に内挿され、起振力を伝達するための地中挿入管４と、保護管３と地中挿入管４の間隔を一定に保つために保護管の頂部において保護管の内周部と地中挿入管の外周部の間に装着される環状の固定具５（図４）と、地中挿入管４の頂部において垂直方向の打撃を受ける垂直方向打撃面６と、地中挿入管４の外周に固定され、外周に沿って水平方向に打撃を受ける外周方向打撃面７と、地中挿入管４の内部に挿入され、安定化装置８により地中孔２の所定位置に固定される地震計９と、地震波処理用の計測機器１０と、地震計９と計測機器１０を結ぶ配線具１１とを含んで構成される。
垂直方向打撃面６は、図２に示す通り、地中挿入管４の頂部に装着され、上下方向に打撃ハンマー１２をガイドするガイド１３付きキャップ１４と、キャップ１４上に載置される重り１５とからなっている。
外周方向打撃面７は、図３に示す通り、中間部１６を地中挿入管４の外周に合わせて半円状に加工した打撃用バンド１７の２枚の中間部１６を地中挿入管４の外周部に取り付け、両端部１８を重ね合わせてボルト１９で留めたものである。
また、地震計安定化装置８は、図５に示す通り、ゴムあるいは樹脂製の中空容器２０を地震計９に取り付け、地震計９が所定の深度に到達した時点で内部に気体または液体を注入して膨張させ、地震計９を地中挿入管４に圧着させるものである。
外周方向打撃面７は、図３に示す通り、中間部１６を地中挿入管４の外周に合わせて半円状に加工した打撃用バンド１７の２枚の中間部１６を地中挿入管４の外周部に取り付け、両端部１８を重ね合わせてボルト１９で留めたものである。
また、地震計安定化装置８は、図５に示す通り、ゴムあるいは樹脂製の中空容器２０を地震計９に取り付け、地震計９が所定の深度に到達した時点で内部に気体または液体を注入して膨張させ、地震計９を地中挿入管４に圧着させるものである。
実施例では、地中挿入管４として、５〜１５ｍｍ厚×１３５ｍｍ径×１．５ｍの鋼管を使用し、これを１００本結合して地中に約１５０ｍまで挿入した。地中挿入管としては、７０〜２００ｍｍ径の鋼管も使用可能である。
垂直方向打撃面６のキャップ１４は、厚さ２０ｍｍの鋳鉄製で、中心部に直径５０ｍｍ、高さ１．５ｍの鋼管製ガイド１３が固定されている。キャップ１４上には、２０ｋｇのリング状の重りが２個載せられており、垂直方向の打撃を受け止めるようになっている。
外周方向打撃面７は、２０ｍｍ厚×４００ｍｍ×１５０ｍｍの鋼板を加工し、地中挿入管４を挟んで２枚の板を取り付け、ボルト留めしてある
垂直方向打撃面６のキャップ１４は、厚さ２０ｍｍの鋳鉄製で、中心部に直径５０ｍｍ、高さ１．５ｍの鋼管製ガイド１３が固定されている。キャップ１４上には、２０ｋｇのリング状の重りが２個載せられており、垂直方向の打撃を受け止めるようになっている。
外周方向打撃面７は、２０ｍｍ厚×４００ｍｍ×１５０ｍｍの鋼板を加工し、地中挿入管４を挟んで２枚の板を取り付け、ボルト留めしてある
次に、本発明のＰ＆Ｓ地震波測定システムによる測定方法について説明する。
測定に当たっては、地中孔２を掘削し、最深部に１０ｍ程度の裸孔区間を残して保護管３を挿入し、保護管３の内側に、地中挿入管４を挿入する。
そして、地震計９を裸孔区間内の所定深度に安定化装置８で圧着する。
次に、地中挿入管４の地上部の頂部をハンマーで打撃して地中挿入管４の最下部端末を地中の棚部に食い込ませる。
地上部の保護管３の頂部と、保護管３の内部に挿入された地中挿入管４の間は、環状の固定具５で固定する。
その後、地中挿入管４の地上部の頂部にキャップ１４を被せて、２０ｋｇの重り１５を載せ、地中挿入管４の地上部上部のキャップ１４直下に打撃用バンド１７を装着し、地中挿入管４の深部にＰ＆Ｓ波地震計を装着して準備を完了する。
測定に当たっては、地中孔２を掘削し、最深部に１０ｍ程度の裸孔区間を残して保護管３を挿入し、保護管３の内側に、地中挿入管４を挿入する。
そして、地震計９を裸孔区間内の所定深度に安定化装置８で圧着する。
次に、地中挿入管４の地上部の頂部をハンマーで打撃して地中挿入管４の最下部端末を地中の棚部に食い込ませる。
地上部の保護管３の頂部と、保護管３の内部に挿入された地中挿入管４の間は、環状の固定具５で固定する。
その後、地中挿入管４の地上部の頂部にキャップ１４を被せて、２０ｋｇの重り１５を載せ、地中挿入管４の地上部上部のキャップ１４直下に打撃用バンド１７を装着し、地中挿入管４の深部にＰ＆Ｓ波地震計を装着して準備を完了する。
Ｐ波を測定する場合には、地中挿入管４の地上部頂部のキャップ１４を５Ｋｇ程度の金槌で直接打撃するか、６０Ｋｇ程度の打撃ハンマー１２を落下させて垂直方向打撃面６のキャップ１４を打撃する。
前記打撃を与えると同時に地中挿入管４の頂部から孔内地震計までのＰ波到達時間の測定を行なう。
震源で起こった振動は、地面に伝わり、その波を受振器で捉え、取得されたデータはデータ処理される。
前記打撃を与えると同時に地中挿入管４の頂部から孔内地震計までのＰ波到達時間の測定を行なう。
震源で起こった振動は、地面に伝わり、その波を受振器で捉え、取得されたデータはデータ処理される。
Ｓ波を測定する場合には、打撃用バンド１７の両端部１８を５Ｋｇ程度の金槌で時計回りの水平方向に打撃する。
前記時計回りの水平方向に打撃を与えると同時に地中挿入管４の頂部から孔内地震計までのＳ波到達時間の測定を行なう。
次に、打撃用バンド１７の両端部１８を５Ｋｇ程度の金槌で反時計回りの水平方向に打撃する。
前記反時計回りの水平方向に打撃を与えると同時に地中挿入管４の頂部から孔内地震計までのＳ波到達時間の測定を行なう。
Ｐ波の場合と同様、震源で起こった振動は、地面に伝わり、その波を受振器で捉え、取得されたデータはデータ処理される。
前記時計回りの水平方向に打撃を与えると同時に地中挿入管４の頂部から孔内地震計までのＳ波到達時間の測定を行なう。
次に、打撃用バンド１７の両端部１８を５Ｋｇ程度の金槌で反時計回りの水平方向に打撃する。
前記反時計回りの水平方向に打撃を与えると同時に地中挿入管４の頂部から孔内地震計までのＳ波到達時間の測定を行なう。
Ｐ波の場合と同様、震源で起こった振動は、地面に伝わり、その波を受振器で捉え、取得されたデータはデータ処理される。
本発明のＰ＆Ｓ地震波測定システムでは、従来のダウンホール方式が深度３０ｍ程度まで測定可能であったのに対して、１００ｍ以上の大深度でも測定可能である。費用は、孔内起振受振方式の２万円／ｍに比較して安く、ダウンホール方式と同じ１．７万円／ｍ程度と有利である。孔内事故のリスクも孔内起振受振方式に比べて大幅に小さく、ダウンホール方式と比較してもかなり少なく有利である。
１ Ｐ＆Ｓ地震波測定システム
２ 地中孔
３ 保護管
４ 地中挿入管
５ 環状の固定具
６ 垂直方向打撃面
７ 外周方向打撃面
８ 安定化装置
９ 地震計
１０ 計測機器
１１ 配線具
１２ 打撃ハンマー
１３ ガイド
１４ キャップ
１５ 重り
１６ 中間部
１７ 打撃用バンド
１８ 両端部
１９ ボルト
２０ 中空容器
２ 地中孔
３ 保護管
４ 地中挿入管
５ 環状の固定具
６ 垂直方向打撃面
７ 外周方向打撃面
８ 安定化装置
９ 地震計
１０ 計測機器
１１ 配線具
１２ 打撃ハンマー
１３ ガイド
１４ キャップ
１５ 重り
１６ 中間部
１７ 打撃用バンド
１８ 両端部
１９ ボルト
２０ 中空容器
Claims (8)
- 地中孔に挿入される保護管に内挿され、起振力を伝達するための地中挿入管と、
前記保護管と前記地中挿入管の間隔を一定に保つために前記保護管の頂部において前記保護管の内周部と前記地中挿入管の外周部の間に装着される固定具と、
前記地中挿入管の頂部に設けられて垂直方向の打撃を受ける垂直方向打撃面と、
前記地中挿入管の外周に設けられて前記外周に沿って水平方向の打撃を受ける外周方向打撃面と、
前記地中孔の深部に挿入され、前記地中孔の所定位置に固定される地震計と、
配線具によって前記地震計と接続される地震波処理用の計測機器と、
を含むことを特徴とするＰ＆Ｓ地震波測定システム。 - 前記垂直方向打撃面は、前記地中挿入管の頂部に装着され、上下方向に打撃ハンマーをガイドするキャップと、前記キャップ上に載置される重りとからなることを特徴とする請求項１に記載のＰ＆Ｓ地震波測定システム。
- 前記外周方向打撃面は、半円部と半円部の両側から板状となって延びる結合部とからなる一対の打撃用バンドからなり、前記半円部を前記地中挿入管の外周に嵌め付た状態で一対の打撃用バンドの結合部を結合させることにより前記地中管に固定させることを特徴とする請求項１に記載のＰ＆Ｓ地震波測定システム。
- 前記地震計は、弾性材料からなる中空容器に取り付けられた状態で、所定の深度に到達した後、前記中空容器を膨張させて前記地中孔の壁に圧着させることにより固定させることを特徴とする請求項１に記載のＰ＆Ｓ地震波測定システム。
- 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＰ＆Ｓ地震波測定システムを用いてＰ＆Ｓ地震波を測定する方法であって、
地盤のＰ波を測定する際は、前記地中挿入管の垂直方向打撃面を打撃して前記地中挿入管を振動させて、前記地中挿入管の地中挿入部からのＰ波を地中に伝達させ、
地盤のＳ波を測定する際は、前記地中挿入管の外周方向打撃面を打撃して前記地中挿入管を振動させて、前記地中挿入管の地中挿入部からのＳ波を地中に伝達させることを特徴とする地中挿入管を用いたＰ＆Ｓ地震波測定方法。 - 前記振動による地盤からの反響は、前記地中挿入管の内部を通して地中孔最深部まで挿入される前記地震計によって受信されることを特徴とする請求項５に記載の地中挿入管を用いたＰ＆Ｓ地震波測定方法。
- 前記Ｐ波は、前記垂直方向打撃面を落下式ハンマーで打撃することにより発生させることを特徴とする請求項５に記載の地中挿入管を用いたＰ＆Ｓ地震波測定方法。
- 前記Ｓ波は、前記外周方向打撃面を前記地中挿入管の外周に沿って水平方向に時計周り方向または反時計回りの方向に打撃することにより発生させることを特徴とする請求項５に記載の地中挿入管を用いたＰ＆Ｓ地震波測定方法。
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