JP5951218B2

JP5951218B2 - コンクリート製枕木のクラック検知法及び装置

Info

Publication number: JP5951218B2
Application number: JP2011229713A
Authority: JP
Inventors: 原　徹; 原　　徹
Original assignee: 金川典代
Priority date: 2011-10-19
Filing date: 2011-10-19
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2031-10-19
Also published as: JP2013088305A

Description

本発明は、例えばコンクリート製枕木のようなコンクリート製構造物のクラックを検知する方法及びその装置に関するものである。

鉄道軌道においては、コンクリート製の板を設置してその上にレールを敷く軌道スラブが多く施設されているが、従来からの路盤にバラスト（砕石や砂利）を敷き、枕木で支持する構造の道床であるバラスト軌道は未だに主流である。このバラスト軌道では、耐久性を考慮して、従来からの木製の枕木から、狂いが生じ難く寿命が長いとして、芯にピアノ線や鋼棒が入ったプレストレスト・コンクリート（ＰＣ）製の枕木に変更されるのが主流となっている。

一方、超音波を用いてコンクリート構造物の厚さを計測する方法は提案されている（例えば、特許文献１参照）。この提案は、コンクリート構造物の片面に超音波発信器と超音波受信機とを設置し、発信器からコンクリート体内に超音波を送波し、コンクリート構造物の対面で反射する反射波を受信器により受波してコンクリート体の厚さを算出するものである。

特開平５−３３２７５８号公報

さて、寿命が長いとされていたＰＣ製枕木であるが、ＰＣ製枕木のレールに対向する裏面領域にクラックが入り、更には、枕木の表面の中央部にクラックが入り、５０年という予定されていた耐久年数を経る遙か前に使用できなくなる場合が発生する事例が確認されている。

表面の中央部にクラックが入ったものの殆ど全てのＰＣ製枕木には、レールに対向する裏面領域にクラックが入っていること、また、枕木が敷設されたバラストの状況から判断するとこれらクラックの形成については次の図８に示す通りであろうと思われた。図８は枕木のクラックの形成工程を示す説明図である。ａ図に示す通り、レール１はＰＣ製枕木２の両縁部に敷設されており、ＰＣ製枕木２は路盤に畝状に盛り立てたバラスト３上に埋設される。レール１には２５〜４５トンの重量の鉄道車両の通過によってレール１に下向きに荷重がかかる。

ｂ図に示す通り、鉄道車両の通過を続けると、レール１への荷重はその下の枕木２にかかり、枕木２を撓ませ、レール１に対向する枕木２の裏面に空隙４をバラスト３に形成させることになる。

ｃ図に示す通り、鉄道車両の通過を長期の間続けると、レール１に対向する枕木２の裏面に形成された空隙４により、空隙のない状態では枕木２の下面全体で分散していた鉄道車両の通過による荷重は空隙４の部分が分散しなくなるばかりか、空隙４の両端部分で荷重に対向する反力が生じることになり、空隙４の領域内にクラック５が発生するに至る。

ｄ図に示す通り、鉄道車両の通過を更に長期の間続けると、空隙４は更に大きくなり、枕木２の両端部での反力が充分ではなくなる。この場合に鉄道車両の通過による荷重によって枕木２の両端部は下方に荷重が係ることになる。枕木２自体では両端に下向きの荷重が係ることとなるため、枕木２の表面側の中央部にクラック６が発生するに至る。

このようなクラック５，６の発生を防止するためには、枕木の再敷設工事を定期的に行わなければならず、その際に既に敷設されていた枕木を敷設しなおすのか、或いは、新たな枕木に変更するのかの判断も行わなければならない。このため、実際に敷設されている枕木について、表面にクラック６が発生したものは再敷設工事の初期の段階で判断できるが、枕木のレールに対向した裏面に発生したクラック５について、工事の前にクラックの有無が判断できる検知法が望まれていた。

本発明は、枕木等のコンクリート製の構造物のクラック、特に裏面側に発生したクラックを表面側から判断することの可能な検知方法を得ることを目的とし、更に、クラックの有無を検知するための装置を得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係るコンクリート製枕木のクラック検知法は、縦波を発信する超音波発信器をコンクリート製枕木の表面に当接固定させ、
超音波受信器をコンクリート製枕木の表面に当接固定させて、コンクリート製枕木の裏面で反射する前記発信器の超音波の反射波を受信し、
前記超音波受信器で受信した反射波を解析して反射裏面領域にクラック発生の有無を検知するに当たり、
前記クラック発生の有無の検知が、クラック発生のない同種のコンクリート製枕木での反射裏面領域の反射波を予め計測しておき、予め計測しておいた反射波と被検コンクリート製枕木の反射波とを比較してクラックの有無を判断することを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係るコンクリート製枕木のクラック検知法は、請求項１に記載の超音波発信器が、前記コンクリート製枕木の反射裏面領域に対して斜めに超音波を導入するようにコンクリート製枕木の表面側に配置され、
前記超音波受信器が、斜めに導入された超音波を反射裏面領域で反射される反射波を受信可能な位置に配置されることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明に係るコンクリート製枕木のクラック検知装置は、コンクリート製枕木の表面に当接固定させ、縦波を発信する超音波発信器と、
コンクリート製枕木の表面に当接固定させて、前記コンクリート製枕木の裏面で反射する前記発信器の超音波の反射波を受信する超音波受信器と、
前記超音波受信器で受信した反射波を解析して反射裏面領域にクラック発生の有無を検知する解析装置とを備え、
前記解析装置が、予め計測しておいたクラック発生のない同種のコンクリート製枕木での反射裏面領域の反射波と、被検コンクリート製枕木の反射波との波形を比較してクラックの有無を判断することを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明に係るコンクリート製枕木のクラック検知装置は、請求項３に記載の超音波発信器が、前記コンクリート製枕木の反射裏面領域に対して斜めに超音波を導入するようにコンクリート製枕木の表面側に配置され、
前記超音波受信器が、斜めに導入された超音波を反射裏面領域で反射される反射波を受信可能な位置に配置されていることを特徴とするものである。

本発明は、枕木等のコンクリート製の構造物のクラック、特に裏面側に発生したクラックを表面側から判断することが可能となるという効果がある。

コンクリート製枕木のクラック検知試験の構成を示す説明図である。図１のコンクリート製枕木のクラックの状態を示す説明図である。図２のａ図の状態で受信器に受信された反射波の波形図である。図２のｂ図の状態で受信器に受信された反射波の波形図である。図２のｃ図の状態で受信器に受信された反射波の波形図である。図２のｄ図の状態で受信器に受信された反射波の波形図である。コンクリート製枕木のクラック検知装置の一実施例の概要を示す説明図である。コンクリート製枕木のクラックの形成工程を示す説明図である。

本発明においては、超音波発信器をコンクリート構造物の表面に当接させ、超音波受信器をコンクリート構造物の表面に当接させてコンクリート構造物の裏面で反射する前記発信器の超音波の反射波を受信し、超音波受信器で受信した反射波を解析して反射裏面領域にクラック発生の有無を検知するものであるため、コンクリート製の構造物のクラック、特に裏面側に発生したクラックを表面側から判断することが可能となる。

例えば、図８のに示す通り、２５〜４５トンの重量の鉄道車両の頻繁な通過によって、レールに対向する枕木の裏面に空隙が形成され、この空隙の両端部分で鉄道車両の荷重に対向する反力が生じることになり、空隙の領域内にクラックが発生する。この目視できない裏面側に発生するクラックを検知することができる。

本発明の超音波発信器及び超音波受信器は、同一のデバイス上に搭載させてもよく、又は、各々個別のデバイスとしてもよい。しかしながら、検証する反射裏面領域に対して斜めに超音波を導入する方が圧倒的に感度が向上する。このため、超音波発信器及び超音波受信器は各々個別のデバイスとし、尚且つ、超音波発信器をコンクリート構造物の反射裏面領域に対して斜めに超音波を導入するようにコンクリート構造物の表面側に配置し、超音波受信器を斜めに導入された超音波を反射裏面領域で反射される反射波を受信可能な位置に配置するものがよい。

例えば、被検コンクリート構造物がコンクリート製枕木であれば、レールの載置部分に対向する裏面がクラック発生の有無を検知する反射裏面領域内に含まれるため、枕木に載置されているレールを跨ぐように超音波発信器及び超音波受信器の各々のデバイスを配するように設置すればよい。

本発明の超音波発信器の超音波は、縦波を発信するものであればよい。その周波数は２０ｋＨｚ〜２ＭＨｚの範囲で、好ましくは、３０ｋＨｚ〜１．５ＭＨｚを用いて被検コンクリート構造物の裏面で反射した反射波を超音波受信器で検出した。これは、コンクリート探査での反射波の周波数成分は１００−２００ＫＨｚにピークがあり、低い方は５０ＫＨｚから、高い方は０．５ＭＨｚにわたって分布していることが、経験上確認されているからである。被検コンクリート構造物、特に、芯にピアノ線や鋼棒が入ったプレストレスト・コンクリート（ＰＣ）製の枕木としては、１．５ＭＨｚ程度までの反射があること、枕木は薄く、反射波の周波数分布が全体的に高い方にシフトすると考えられることからも上記の範囲とした。

そして、被検コンクリート構造物の反射裏面領域にクラックが無く、均一な裏面の状態であれば、発信器の超音波は遮られずに反射裏面領域に到達し、均一な裏面の状態であればあるほど殆ど乱反射せずに反射が行われるため、裏面を示す鋭い大きな反射波が受信器で検出されることになる。

この反射裏面領域においてクラックが形成されると、コンクリート構造物内にクラックに起因する境界面が形成されることになり、発信器からの超音波が反射裏面領域に至る前に遮られたり、反射裏面領域で反射された反射波が遮られることとなり、裏面を示す鋭い大きな反射波の波形が小さく細かくなる。

従って、好ましいクラック発生の有無の検知としては、クラック発生のない同種のコンクリート構造物での反射裏面領域の反射波を予め計測しておき、予め計測しておいた反射波と被検コンクリート構造物の反射波とを比較して、反射波の波形が小さく細かくなっているか否かで判断すればよい。

具体的には、モニター上の受信器で受信した反射波を予め計測しておいた反射波と比較して、特に裏面距離に相当する反射波のピーク高さを比較することにより、作業者の判断でクラックの有無を判断してもよいが、解析手段によって、裏面距離に相当する反射波のピーク高さが予め測定しておいたモデル反射波と比較して、閾値を下回った際にクラックが有ることを機械的に判断させてもよい。

従って、本発明のクラック検知装置は、コンクリート構造物の表面に当接させる超音波発信器と、コンクリート構造物の表面に当接させてコンクリート構造物の裏面で反射する発信器の超音波の反射波を受信する超音波受信器と、超音波受信器で受信した反射波を解析して反射裏面領域にクラック発生の有無を検知する解析装置とを備えるものである。これにより、裏面側に発生したクラックを表面側から判断することの可能な検知する装置を得ることができる。

本発明の検知装置において、好ましい態様としては、超音波発信器がコンクリート構造物の反射裏面領域に対して斜めに超音波を導入するようにコンクリート構造物の表面側に配置され、超音波受信器が斜めに導入された超音波を反射裏面領域で反射される反射波を受信可能な位置に配置される。これにより、検証する反射裏面領域に対して斜めに超音波を導入し、この領域における超音波の反射波を受信することにより、圧倒的に感度が向上するため、クラックの発生の有無を確実に検知することができる。

本発明の検知装置において、好ましい態様としては、解析装置が、予め計測しておいたクラック発生のない同種のコンクリート構造物での反射裏面領域の反射波と、被検コンクリート構造物の反射波との波形を比較してクラックの有無を判断するものである。具体的には、解析装置によって、裏面距離に相当する反射波のピーク高さを予め測定しておいたモデル反射波と測定した被検物の該当する反射波のピーク高さを比較して、例えば、設定された閾値を下回った際にクラックが有ることを機械的に判断等させたりすることにより、大量のコンクリート製構造物のクラックの有無を判別可能となる。

実施例１．コンクリート製枕木のクラック検知試験
コンクリート製枕木のクラックの形成及びその検知を検証した。図１はコンクリート製枕木のクラック検知試験の構成を示す説明図である。図１に示す通り、プレストレスト・コンクリート（ＰＣ）製枕木１１の表面にレールを載置する箇所に対向する裏面の両端部を支持するように一組の支持片１２を配置した。ＰＣ製枕木１１の表面のレールを載置する箇所に油圧ジャッキ１３を配置し、所定の荷重をかけることとした。

ＰＣ製枕木１１の表面のレールを載置する箇所を跨ぐように、超音波発信器１４と超音波受信器１６とがＰＣ製枕木１１の表面に設置される。超音波発信器１４の超音波の入射方向は一組の支持片１２の間のレールを載置する箇所に対向する裏面１８に向かう方向に調整され、超音波受信器１６は裏面で反射される反射波を受信するように受信方向を裏面１８に調整した。

計測は油圧ジャッキ１３でＰＣ製枕木１１に荷重を加えた状態で行った。即ち、油圧ジャッキ１３でＰＣ製枕木１１に所定の荷重を加えた状態で、発信器制御手段１５の制御により超音波発信器１４の振動子を駆動し、超音波受信器１６で裏面１８で反射した反射波を受信し、解析手段を備えたモニター１７で反射波を確認した。

図２は図１のコンクリート製枕木のクラックの状態を示す説明図である。図３は図２のａ図の状態で受信器に受信された反射波の波形図である。図４は図２のｂ図の状態で受信器に受信された反射波の波形図である。図５は図２のｃ図の状態で受信器に受信された反射波の波形図である。図６は図２のｄ図の状態で受信器に受信された反射波の波形図である。図３〜図６において、破線は受信器で計測されたオリジナルの反射波であり、実線はオリジナルの反射波にフィルタをかけたものである。

このフィルターは、波線のオリジナルデータを強調して表示するためのアナログフィルターであり、本実施例ではコンクリートの反射成分に絞った設定を行った。詳しくは、４００ＭＨｚ以上の区域成分をカットし、５０ＭＨｚ以下の低域成分をカットした。尚、フィルターの中心検出周波数は２００ＭＨｚに設定した。

図３は、油圧ジャッキ１３で１０００ｋｇの荷重を加えた状態で、発信器制御手段１５の超音波の反射波を超音波受信器１６で受信し、解析手段を備えたモニター１７で反射波を確認したものである。図２のａ図に示す通り、ＰＣ製枕木の裏面１８にクラックの形成はなく、図３に示した通り、計測された反射波は鋭いピークを示しており、破線で示した反射波で最も鋭いピークのものの路程は１８９ｍｍあった。この路程は実際のＰＣ製枕木の厚さ１８７ｍｍとよく一致していた。

図４は、図３に引き続き、油圧ジャッキ１３で１６０００ｋｇの荷重を加えた状態で、発信器制御手段１５の超音波の反射波を超音波受信器１６で受信し、解析手段を備えたモニター１７で反射波を確認したものである。図２のｂ図に示す通り、ＰＣ製枕木の裏面１８の略中央部に１つのクラック２１が確認された。図４に示した通り、計測された反射波は鋭いピークが示されているものの、図３と比較するとピーク自体が小さく、少なくなっていた。破線で示した反射波で最も鋭いピークのものの路程は１９２ｍｍであった。この路程は実際のＰＣ製枕木の厚さよりも若干大きくなっていた。

図５は、図４に引き続き、油圧ジャッキ１３で２００００ｋｇの荷重を加えた状態で、発信器制御手段１５の超音波の反射波を超音波受信器１６で受信し、解析手段を備えたモニター１７で反射波を確認したものである。図２のｃ図に示す通り、ＰＣ製枕木の裏面１８の略中央部のクラック２１の他に、一方の支持片１２の近くに別のクラック２２が確認された。図５に示した通り、計測された反射波は更に小さく、少なくなっていた。破線で示した反射波で最も鋭いピークのものの路程は１９１ｍｍであった。この路程は実際のＰＣ製枕木の厚さよりも大きくなっていた。

図６は、図５に引き続き、油圧ジャッキ１３で２２０００ｋｇの荷重を加えた状態で、発信器制御手段１５の超音波の反射波を超音波受信器１６で受信し、解析手段を備えたモニター１７で反射波を確認したものである。図２のｄ図に示す通り、ＰＣ製枕木の裏面１８の略中央部のクラック２１及び別のクラック２２の他に、他方の支持片１２の近くに更に別のクラック２３が確認された。図６に示した通り、計測された反射波は更に更に小さく平坦になっていた。破線で示した反射波で最も鋭いピークのものの路程は３７０ｍｍであった。この路程は実際のＰＣ製枕木の厚さよりも更に大きくなっていた。

以上のように、クラックが形成されるに従い、多数あった鋭いピークの反射波が小さく細かくなり、更には平坦となることが確認された。これは、クラックによって入射された超音波や反射波が遮られたり、乱反射するためであることが推認された。

実施例２．コンクリート製枕木のクラック検知装置
実施例１の結果を踏まえて、コンクリート製枕木のクラック検知装置を提案する。図７はコンクリート製枕木のクラック検知装置の一実施例の概要を示す説明図である。ａ図に示す通り、本実施例のクラック検知装置７０は、超音波発信器７４と超音波受信器７６とがレール底部の幅以上の１５ｃｍ以上の間隔で保持するように横木フレーム７１で保持されている。横木フレームの中央部にはグリップ７２が設置されている。

超音波発信器７４は円筒状の発信器シャフト７３の下端部に複数のクリップ７７で固定されている。クリップ７７をシャフト７３に固定するリング部材７８からは、発信器７４を駆動するためのケーブル７９が導出され、図示しない発信器制御手段に導通されている。

同じく超音波受信器７６は円筒状の受信器シャフト７５の下端部に複数のクリップ７７で固定されている。クリップ７７をシャフト７５に固定するリング部材７８からは、受信器７５で受信した反射波の信号を伝達するためのケーブル７９が導出され、図示しない表示装置や解析装置に反射波の信号を伝達する。ｂ図に示す通り、クリップ７７は後端部に配されたバネで先端部が常にシャフト側壁方向に付勢されており、この先端部で発信器７４及び受信器７６を固定している。

シャフト７３，７５の各々の上部には、横木フレーム７１の各々の端部が貫通する貫通孔８０が各々貫通されており、シャフト７３，７５を横木フレーム７１に沿って移動させることができる。尚、横木フレーム７１の両端には各々、エンドキャップ８１が装着され、各々のシャフト７３，７５が横木フレーム７１から脱落することを防止している。また、横木フレーム７１の両端部には各々目盛８２が記載されており、横木フレーム７１の中央部からの距離が計測できるようになっている。

ｃ図に示す通り、各々のシャフトの上端にはキャップ８３が固着されており、シャフト７３，７５内に配されたピストン８４をキャップ８３で端部を押さえるバネ８５で横木フレーム７１を押圧する。これにより、各々のシャフト７３，７５の横木フレーム７１に沿った移動が抑制され、不用意に移動することが防止される。

１１…プレストレスト・コンクリート（ＰＣ）製枕木、
１２…支持片、
１３…油圧ジャッキ、
１４…超音波発信器、
１５…発信器制御手段、
１６…超音波受信器、
１７…モニター、
１８…裏面、
２１…クラック、
２２…クラック、
２３…クラック、
７０…クラック検知装置、
７１…横木フレーム、
７２…グリップ、
７３…発信器シャフト、
７４…超音波発信器、
７５…受信器シャフト、
７６…超音波受信器、
７７…クリップ、
７８…リング部材、
７９…ケーブル、
８０…貫通孔、
８１…エンドキャップ、
８２…目盛、
８３…キャップ、
８４…ピストン、
８５…バネ、

Claims

縦波を発信する超音波発信器をコンクリート製枕木の表面に当接固定させ、
超音波受信器をコンクリート製枕木の表面に当接固定させて、コンクリート製枕木の裏面で反射する前記発信器の超音波の反射波を受信し、
前記超音波受信器で受信した反射波を解析して反射裏面領域にクラック発生の有無を検知するに当たり、
前記クラック発生の有無の検知が、クラック発生のない同種のコンクリート製枕木での反射裏面領域の反射波を予め計測しておき、予め計測しておいた反射波と被検コンクリート製枕木の反射波とを比較してクラックの有無を判断することを特徴とするコンクリート製枕木のクラック検知法。
前記超音波発信器が、前記コンクリート製枕木の反射裏面領域に対して斜めに超音波を導入するようにコンクリート製枕木の表面側に配置され、
前記超音波受信器が、斜めに導入された超音波を反射裏面領域で反射される反射波を受信可能な位置に配置されることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート製枕木のクラック検知法。
コンクリート製枕木の表面に当接固定させ、縦波を発信する超音波発信器と、
コンクリート製枕木の表面に当接固定させて、前記コンクリート製枕木の裏面で反射する前記発信器の超音波の反射波を受信する超音波受信器と、
前記超音波受信器で受信した反射波を解析して反射裏面領域にクラック発生の有無を検知する解析装置とを備え、
前記解析装置が、予め計測しておいたクラック発生のない同種のコンクリート製枕木での反射裏面領域の反射波と、被検コンクリート製枕木の反射波との波形を比較してクラックの有無を判断することを特徴とするコンクリート製枕木のクラック検知装置。
前記超音波発信器が、前記コンクリート製枕木の反射裏面領域に対して斜めに超音波を導入するようにコンクリート製枕木の表面側に配置され、
前記超音波受信器が、斜めに導入された超音波を反射裏面領域で反射される反射波を受信可能な位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載のコンクリート製枕木のクラック検知装置。