JP5128378B2 - 自動貫入試験機 - Google Patents

Description

本発明は、地盤に貫入する貫入ロッドの負荷トルクを検出して、この負荷トルクに基づいて試験地盤における地層の評価を行う自動貫入試験機に関するものである。

従来から、地盤の土質を判定する方法の一つとして、非特許文献１に示すスウェーデン式サウンディング試験方法が知られている。この試験は、ロッドの先端に取付けられたスクリューポイントを地盤に貫入する際、その抵抗を計測することで地盤の硬軟を計測するものである。貫入方法は、備え付けの錘により最大１ＫＮまで６段階の荷重を加えて荷重のみで自沈貫入を行う荷重段階と、最大荷重１ＫＮにおいてもロッドが貫入しない場合に、その荷重下でロッドないしスクリューポイントを回転させて回転貫入を行う回転段階の２段階で行われる。貫入抵抗に対する計測項目は、荷重段階では、スクリューポントが所定深度貫入した時点での荷重（Ｗｓｗ）、回転段階では貫入量１ｍ当りに換算されたスクリューポイントの半回転数（Ｎｓｗ）である。この半回転数は、スクリューポイントの一回転を２回として計数した回転回数である。

日本工業規格Ａ１２２１ スウェーデン式サウンディング試験方法

一般に地層の構成としては、非常に硬く締まっていることが多い砂質層や砂礫と、含水比の異なる粘土質で構成される洪積層や沖積層とに大別される。しかしながらスェーデン式サウンディング試験は、前述の荷重（Ｗｓｗ）と半回転数（Ｎｓｗ）とを試験データとして得るものであって、各深度における土質を得る試験ではない。そのため、このスェーデン式サウンディング試験では、粘土質で構成される洪積層と沖積層とを明確に識別することができない。特にこの沖積層は非常に軟弱であり、不同沈下を起こす可能性がある。また、沖積層以外にも特に含水比の高い地層としては腐植土層がある。この腐植土層は、沖積層の上層に存在することが多く、さらに繊維質を多く含むことから、スェーデン式サウンディング試験では腐植土層と沖積層とを明確に識別することができない。この腐植土層は、沖積層よりもさらに軟弱であるため地盤沈下を起こす可能性がある。そのため、これら洪積層と沖積層と、並びに沖積層と腐植土層とを区別することができず、正確な地盤の土質判定を行うことができない問題があった。

上記課題を解決することを目的として、本発明の自動貫入試験機は、地中に回転貫入する貫入ロッドと、前記貫入ロッドに回転力を付与するモータと、前記モータの回転駆動を所定の減速比で前記貫入ロッドへ伝達する遊星歯車機構と、前記遊星歯車機構を内包するハウジングと、前記ハウジングの内周面と前記遊星歯車機構のインターナルギアの外周面とを梁で固定し、当該梁の両側面に歪みゲージを貼り付けて成るトルクセンサと、を備えることを特徴とする。

また、前記ハウジングが上下に分離した構造を成し、この間にフランジを介在させ、当該フランジの内周面に前記梁が一体成形されていることが好ましい。

本発明の自動貫入試験機によれば、モータの回転駆動と貫入ロッドに作用する回転反力との合力によって、遊星歯車機構のインターナルギアが円周方向に回転しようとする。そうすると、インターナルギアを支持する梁が歪むため、この歪みを歪みゲージで検出することにより、トルクを検出することができる。このような構成のトルクセンサは、部品点数が少なく、かつ高精度のトルク検出を実現することができる。

また、前記トルクセンサが、前記インターナルギアの直径延長線上で当該インターナルギアの外周面を支持する前記梁と、当該梁の側面に貼付けられる前記歪みゲージとから成るので、スラスト荷重に対する耐久性に優れたものとなる。ひいては、円周方向に作用する曲げモーメントによる応答性に優れたものとなり、貫入ロッドに作用する回転トルクを精度良く検出することができる。

また、前記トルクセンサが検出した回転負荷トルクと、これに起因する回転貫入エネルギとから土質を判定する制御ユニットを備えるので、総合的、多角的に地層を評価することができる。

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は自動貫入試験機であり、支柱２に沿って昇降可能な昇降台３と、この昇降台３に回転可能に設けられたチャック１０と、このチャック１０を回転駆動するチャック用モータ１１と、前記チャック１０に保持される貫入ロッド４と、前記昇降台３を支柱２に沿って昇降させる昇降ユニット４０とを有する。

前記支柱２は、脚部５に立設されており、その背面には、案内路の一例としてチェーン部材６が直線上に配置固定されている。このチェーン部材６には、詳細を後述する昇降ユニット４０のスプロケット４４が噛合する。

前記チャック１０は、図２に示すように、昇降台３に回転可能に配置されており、貫入ロッド４が挿通可能かつ回転可能に支持された中空スリーブ１２を備えている。この中空スリーブ１２は、貫入ロッド４に形成された長溝４ａに係合する剛球１３が配置されるとともに、中空スリーブ１２の下部にはスプロケット１４が設けられている。前記剛球１３は、ばね１５で常時付勢されたスライドスリーブ１６によって常時中空スリーブ１２の中空穴部１２ａに突出する位置に支持されており、この状態で貫入ロッド４の長溝４ａに係合する。なお、スライドスリーブ１６をばね１５の付勢に抗して押し下げると、剛球１３は動作可能となり、貫入ロッド４の保持を解くことができる。

前記チャック用モータ１１の出力軸１１ａには遊星歯車機構２０を介して第２出力軸２６が連結されている。この第２出力軸２６の下部にはスプロケット１７が一体に固定されており、このスプロケット１７と前記中空スリーブ１２の下部に設けられたスプロケット１４とは環状チェーン１８を巻き掛けて連結されている。チャック側のスプロケット１４の歯に対向する位置には、このスプロケット１４が回転する時の歯の通過を検出してＯＮ／ＯＦＦする近接センサ（図示せず）が取付けられている。この近接センサの信号は制御ユニット（図示せず）に取得され、制御ユニットは、貫入ロッド４の半回転数を算出するとともにチャック用モータ１１の駆動を制御するように構成されている。

前記遊星歯車機構２０はフランジ１９に収容されており、このフランジ１９の上方には前記チャック用モータ１１が配置してある。また、前記遊星歯車機構２０は、図３に示すように、前記チャック用モータ１１の出力軸１１ａと一体に回転するように取付けられた太陽ギア２１と、この太陽ギア２１と噛合し、かつ当該太陽ギア２１を中心としてその周囲を自転しつつ公転する複数の遊星ギア２２，２３，２４と、リング状に形成され内歯を有するインターナルギア２５とから構成されている。このインターナルギア２５は、その内歯が前記複数の遊星ギア２２，２３，２４と噛合して、これら遊星ギア２２，２３，２４の自転および公転を案内するように構成されている。これら遊星ギア２２，２３，２４の下面には前記第２出力軸２６が当該遊星ギア２２，２３，２４と一体に回転可能に取付けられて、この第２出力軸２６と前記チャック用モータ１１の出力軸１１ａとは同一軸線上に配置されている。また、前記遊星ギア２２，２３，２４の間には、それぞれキャリア２７，２８，２９が介在しており、これらキャリア２７，２８，２９は前記第２出力軸２６に一体成形されている。

前記フランジ１９の内周面には、内方を向いた梁３１，３２が当該フランジに一体成形されており、これら梁３１，３２は前記インターナルギア２５を挟んで互いに対向するように位置している。これら梁３１，３２には前記インターナルギア２５が固定されており、前記遊星ギア２２，２３，２４の回転に伴って回転しないようになっている。この梁３１の側面には前記インターナルギア２５が貫入ロッド４による回転反力を受け、この回転反力が当該梁３１に作用する方向で互いに対向するようにして歪みゲージ３３，３４が取付けられており、同様にもう一方の梁３２にも歪みゲージ３５、３６が取付けられている。これら合計４個の歪みゲージと２個の梁によって前記トルクセンサ３０が構成され、これら４個の歪みゲージはホイートストンブリッジ回路に組み込まれている。そして、これら合計４個の歪みゲージ３３，３４，３５，３６が当該梁３１，３２の捻れに応じた歪みを電気信号として検出するように構成されおり、これら歪みゲージ３３，３４，３５，３６の信号から制御部において貫入ロッド４の負荷トルクが算出されるようになっている。つまり、本自動貫入試験機１においては、これら４個の歪みゲージ３３，３４，３５，３６を組み込んだホイストーンブリッジ回路により抵抗値を測定する所謂４アクティブケージ法を採用している。

前記昇降ユニット４０は、図４に示すように、前記スプロケット４４を回転駆動する昇降用モータ４１と、このスプロケット４４の回転を制御するブレーキ手段４２とを備えている。このスプロケット４４は、昇降用モータ４１と一方向クラッチ４３および前記ブレーキ手段４２を介して連結されており、一方向クラッチ４３の作用で、昇降台３を上昇させる方向にスプロケット４４を回転させるよう昇降用モータ４１が駆動した時、これらがスプロケット４４に伝達されるようになっている。一方、逆方向にスプロケット４４を回転させるように昇降用モータ４１を駆動したときはには一方向クラッチ４３は空転を生じる。このため、スクリューポイント７が地盤に接している状態で昇降用モータ４１が逆駆動すると、貫入ロッド４には、昇降台３等の質量による荷重が負荷される。この荷重は、ブレーキ手段４２がスプロケット４４を制動する力を変更することで０Ｎから１ＫＮまで自在に変更することができる。なお、前記ブレーキ手段４２としてはパウダークラッチまたはパウダブレーキであるこが望ましい。

以下、本発明の自動貫入試験機の作用を述べる。本貫入試験機１では、貫入ロッド３の先端を地表に接する位置から貫入試験をスタートする。この位置では制御ユニットに備えられたマニュアル操作ボタンを押して昇降用モータ４１を逆駆動し、昇降台３を下降させる。この位置からスタート信号を押してスタート信号を与えると、制御ユニットは自動で貫入ロッド４の地中への貫入を開始する。すなわち、制御ユニットは試験スタート信号の入力を受けて、昇降用モータ４１を逆駆動するとともに、チャック用モータ１１を回転させる。これにより、貫入ロッド４に昇降台３等の質量による荷重を負荷して、貫入ロッド４を回転させながら地中に貫入する。

試験中、制御ユニットはブレーキ手段４２を制御し、貫入ロッド４に負荷される荷重を最小荷重５０Ｎから１５０Ｎ、２５０Ｎ、５００Ｎ、７５０Ｎ、１０００Ｎの順に増加させる。そして、各荷重下での貫入ロッド４にかかる回転負荷トルクと、貫入ロッド４の半回転数、貫入量および回転速度の増分を求めて記憶する。これを貫入ロッド４が２５ｃｍ貫入する区間を単位区間として、この単位区間毎に行う。ここで、貫入ロッド４に作用する回転負荷トルクは、前記トルクセンサ３０から得る。

前記トルクセンサ３０は、前述のとおり前記梁３１，３２と歪みゲージ３３，３４，３５，３６とから構成されており、合計４個の歪みゲージが当該梁の捻れに応じた歪みを電気信号として検出するように構成されている。具体的には、前記チャック用モータ１１が回転すると、この出力軸１１ａに取付けられた太陽ギア２１が回転する。この太陽ギア２１が回転すると、これと噛合している遊星ギア２２，２３，２４も回転し、これら遊星ギア２２，２３，２４は、前記梁３１，３２に固定されたインターナルギア２５の内歯に噛合して案内される。これら遊星ギア２２，２３，２４の回転反力はインターナルギア２５によって受け止められるので、当該遊星ギア２２，２３，２４の回転力は、前記第２出力軸２６に伝達され、前記環状チェーン１８を介して、貫入ロッド４に伝達される。このとき貫入ロッド４の回転反力は、前記環状チェーン１８及び第２出力軸２６を介してインターナルギア２５に伝達され、当該インターナルギア２５によって受け止めらる。このインターナルギア２５は、前記梁３１，３２に固定されているので、当該インターナルギア２５によって受け止められた前記貫入ロッド４の回転反力は、当該梁３１，３２に曲げモーメントとして伝達される。すると、これら梁３１，３２が歪み、この歪みを前記歪みゲージ３３，３４ならびに歪みゲージ３５，３６が電気信号として検出して、これを制御ユニットに送信する。

また、貫入ロッド４の貫入量の増分は、スプロケット４４の回転を検出するロータリエンコーダ４５の信号からスプロケット４４の回転回数を算出し、これにスプロケット４４の一回転当りの貫入量を乗じることで算出することができる。また、制御ユニットは、この貫入量の増分を積算することでスクリューポイント７の貫入深度を算出して記憶するとともに、単位時間当りの貫入量からスクリューポイント７の貫入速度を割り出す。制御ユニットは、以上の処理を繰り返し行って所定の深度までスクリューポイント７を貫入する。

前記スクリューポイント７に負荷される各荷重Ｗと回転負荷トルクＴによる貫入時のエネルギは、δＥ＝πＴδｎ＋Ｗδｓと表すことができる。ここでδｎは各荷重下での半回転数（半回転数の増分）、δｓは各荷重かでの貫入量の増分である。また、右辺のπＴδｎは回転付加による貫入エネルギ、Ｗδｓは荷重による貫入エネルギであり、つまりエネルギδＥは、荷重にる貫入エネルギと回転による貫入エネルギの総和で表される。

本発明の貫入試験機においては、貫入ロッド４の回転負荷トルクを検出可能なトルクセンサ３０と、当該貫入ロッド４に所定の荷重を付与する昇降ユニット４０を備えている。これにより、前述の回転付加による貫入エネルギと、荷重による貫入エネルギとの総和を算出することができるので、これらエネルギの総和を解析することで、含水比の異なる粘土質で構成される洪積層と沖積層と腐植土層とを判定することができる。

本発明に係る貫入試験機の正面図である。 本発明に係る貫入試験機の要部拡大断面図である。 図２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る。

符号の説明

１ 自動貫入試験機
２ 支柱
３ 昇降台
４ 貫入ロッド
４ａ 長溝
５ 脚部
６ チェーン部材
７ スクリューポイント

１０ チャック
１１ チャック用モータ
１１ａ 出力軸
１２ 中空スリーブ
１２ａ 中空穴部
１３ 剛球
１４ スプロケット
１５ ばね
１６ スライドスリーブ
１７ スプロケット
１８ 環状チェーン
１９ フランジ

２０ 遊星歯車機構
２１ 太陽ギア
２２ 遊星ギア
２３ 遊星ギア
２４ 遊星ギア
２５ インターナルギア
２６ 第２出力軸
２７ キャリア
２８ キャリア
２９ キャリア
３０ トルクセンサ
３１ 梁
３２ 梁
３３ 歪みゲージ
３４ 歪みゲージ
３５ 歪みゲージ
３６ 歪みゲージ

４０ 昇降ユニット
４１ 昇降用モータ
４２ ブレーキ手段
４３ 一方向クラッチ
４４ スプロケット
４５ ロータリエンコーダ

Claims (2)

1. 地中に回転貫入する貫入ロッドと、
   前記貫入ロッドに回転力を付与するモータと、
   前記モータの回転駆動を所定の減速比で前記貫入ロッドへ伝達する遊星歯車機構と、
   前記遊星歯車機構を内包するハウジングと、
   前記ハウジングの内周面と前記遊星歯車機構のインターナルギアの外周面とを梁で固定し、当該梁の両側面に歪みゲージを貼り付けて成るトルクセンサと、
   を備えることを特徴とする自動貫入試験機。
2. 前記ハウジングが上下に分離した構造を成し、この間にフランジを介在させ、当該フランジの内周面に前記梁が一体成形されていることを特徴とする請求項１に記載の自動貫入試験機。

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