JP6034591B2 - Portable cone penetration test method - Google Patents
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Description
本発明は、ポータブルコーン貫入試験方法に関する。 The present invention relates to a portable cone penetration test method.
従来から、地盤強度を測定する貫入試験の一例としてはポータブルコーン貫入試験方法が知られている(非特許文献1)。このポータブル貫入試験方法は、主に粘性土や腐植土等の軟弱地盤に対して施工されるものであり、作業者が人力で、ロッドの先端にコーンを備えて成る貫入ロッドを静的に地中へ貫入し、その貫入抵抗を測定する。コーンは所定速度(10mm/s)で定速貫入され、所定深度(100mm)到達毎に、ロッドに取り付けられた荷重計の値が読み取られる。そして、作業者が荷重値Dの深さ分布図に基づいて地盤性状を評価する。 Conventionally, a portable cone penetration test method is known as an example of a penetration test for measuring ground strength (Non-Patent Document 1). This portable penetration test method is mainly applied to soft ground such as cohesive soil and humus soil, and the operator manually inserts the penetration rod with a cone at the tip of the rod statically. Penetration inside and measure the penetration resistance. The cone is penetrated at a constant speed (10 mm / s), and the value of a load meter attached to the rod is read every time a predetermined depth (100 mm) is reached. Then, the worker evaluates the ground properties based on the depth distribution diagram of the load value D.
しかしながら、上記ポータブルコーン貫入試験方法では、計測深度が深くなるにつれてロッドの周面摩擦が増加する。このため、地中深部ほど本来の荷重値よりも高い値を計測し、正確な測定結果が得られていなかった。 However, in the portable cone penetration test method, the friction on the circumferential surface of the rod increases as the measurement depth increases. For this reason, a value higher than the original load value was measured in the deep underground, and an accurate measurement result was not obtained.
上記課題に鑑みて本発明は、ロッドの周面摩擦を考慮したポータブルコーン貫入試験方法の提供を目的とする。 In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a portable cone penetration test method that takes into consideration the peripheral friction of the rod.
ロッドの先端にコーンを備えて成る貫入ロッドを無回転状態で地中へ定速貫入し、測定深度到達毎の貫入抵抗を測定するポータブルコーン貫入試験方法において、
貫入ロッドの周面摩擦が全ての測定深度において均一になるよう、測定深度到達前に一時的に貫入ロッドを回転させてから貫入抵抗を測定するポータブルコーン貫入試験方法による。
In the portable cone penetration test method, which penetrates the penetration rod with a cone at the tip of the rod into the ground at a constant speed without rotation, and measures the penetration resistance every time the measurement depth is reached,
According to the portable cone penetration test method in which the penetration resistance is measured after the penetration rod is temporarily rotated before reaching the measurement depth so that the peripheral friction of the penetration rod is uniform at all measurement depths .
前記ポータブルコーン貫入試験方法により周面摩擦の影響を除去した状態で地盤性状を判定することができる。さらにスウェーデン式サウンディング貫入試験方法を併用し、双方の測定値の相関関係に基づいて地盤性状を判定することが好ましい。 The ground property can be determined in a state where the influence of peripheral friction is removed by the portable cone penetration test method. Furthermore, it is preferable to use the Swedish sounding penetration test method in combination and determine the ground properties based on the correlation between the two measured values.
また、前記貫入ロッドの回転数は、土質あるいは測定深度に応じて予め設定されていることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the rotation speed of the penetration rod is set in advance according to the soil quality or the measurement depth.
また、前記貫入ロッドの回転数は、回転負荷トルクの変動に基づいて決定されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the rotation speed of the penetrating rod is determined based on fluctuations in rotational load torque.
本発明のポータブルコーン貫入試験方法によれば、貫入抵抗測定前に貫入ロッドを回転させてから貫入抵抗を測定する。このように、ロッドの周面に付着した土砂を取り除き、周面摩擦を除去することで、コーンの貫入抵抗を精度良く検出することができる。 According to the portable cone penetration test method of the present invention, the penetration resistance is measured after the penetration rod is rotated before the penetration resistance measurement. In this manner, the penetration resistance of the cone can be detected with high accuracy by removing the earth and sand adhering to the circumferential surface of the rod and removing the circumferential friction.
また、前記ポータブルコーン貫入試験方法による測定値とスウェーデン式サウンディング貫入試験方法による測定値との相関を分析することで、作業者の主観や経験に頼ることなく、地盤性状の多角的かつ定量的な評価が可能となる。 In addition, by analyzing the correlation between the measurement value by the portable cone penetration test method and the measurement value by the Swedish sounding penetration test method, it is possible to make a multifaceted and quantitative analysis of the ground properties without depending on the subjectivity and experience of the operator. Evaluation is possible.
また、前記貫入ロッドの回転数は、土質あるいは測定深度に応じて予め設定されているので、これら固有の周面摩擦が均一に除去され、コーンの貫入抵抗を検出することができる。 Further, since the rotational speed of the penetrating rod is set in advance according to the soil quality or measurement depth, the inherent peripheral friction is uniformly removed, and the penetration resistance of the cone can be detected.
また、前記貫入ロッドの回転数は、貫入ロッドの回転負荷トルクの変動に基づいて決定されるので、固有の周面摩擦がより均一に除去される。 Further, since the rotational speed of the penetrating rod is determined based on the fluctuation of the rotational load torque of the penetrating rod, the inherent circumferential friction is more uniformly removed.
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。図1において、1は、本発明のポータブルコーン貫入試験方法を実現する自動貫入試験機である。この自動貫入試験機1は、支柱2に沿って昇降可能な昇降台3を有しており、この昇降台3には、所定重量の錘3aと、回転用モータ6の駆動を受けて回転可能なチャック5と、昇降台3を昇降操作させるための昇降用モータ8とが載荷されている。前記チャック5には、ロッド4aの先端に円錐形状のコーン4bを備えて成る貫入ロッド4が保持されており、昇降台3の下降に伴い地中へ貫入する。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In FIG. 1,
図2に示すように、前記昇降台3は、支柱2に沿って垂直に配された案内チェーン2aに沿って回転するスプロケット2bを有しており、このスプロケット2bが案内チェーン2aに沿って回転することで、昇降台3が昇降する。この昇降台3および昇降台3に載荷された総重量により、前記貫入ロッド4には1KNの荷重が負荷される。
As shown in FIG. 2, the
図3に示すように、前記スプロケット2bは、遊星歯車機構11を介して伝達軸12と一体に回転するように連結されている。一方、前記昇降用モータ8の正逆転可能な駆動軸8aの先端には駆動歯車13が一体に回転するように取付けられ、この駆動歯車13には、中間歯車14および伝達歯車15が順に噛合している。このうち、伝達歯車15は、中空の円柱を成しており、その内部には、一方向クラッチ16が圧入されている。この一方向クラッチ16の外輪は伝達歯車15と一体に回転し、内輪は伝達軸12に回転自在に支持されている。一方向クラッチ16の作用により、昇降台3が上昇しようとする方向にスプロケット2bを回転させるよう昇降用モータ8が駆動(便宜上、この駆動を正転駆動とする)したとき、昇降用モータ8の駆動が伝達軸12へ伝達される。このため、(昇降台3の総重量に基づく荷重1KN)−(昇降用モータ8の出力トルクに応じた上昇力)で決定される荷重が貫入ロッド4に負荷される。一方、これとは逆に昇降用モータ8が駆動(便宜上、この駆動を逆転駆動とする)すると、一方向クラッチ16は空転する。このため、昇降用モータ8の駆動が伝達軸12に伝達されない状態を創出でき、貫入ロッド4には昇降台3の総重量に基づく1KNの荷重が負荷される。
As shown in FIG. 3, the
また、前記伝達軸12には、ロータリエンコーダ17が取付けられており、スプロケット2bの回転に伴うパルス信号を出力する。そして、詳細を後述する制御ユニット50のメイン制御装置80が、当該パルス信号を処理し、昇降台3の昇降量、昇降速度を検出することで、貫入ロッド4の貫入量、貫入速度を算出する。
A
前記昇降用モータ8は、インダクションモータであり、詳細を後述するインバータ制御装置60によって駆動制御される。この昇降用モータ8の駆動軸8aの後端には、主動プーリ18が一体に回転可能に取付けられている。この主動プーリ18から所定の間隔をおいた位置には従動プーリ19が配置されており、これらプーリ18,19には無端ベルト20が巻き掛けられている。そして、従動プーリ19には、ロータリエンコーダ21が取付けられており、昇降用モータ8の駆動軸8aの回転に伴うパルス信号を検出するように構成されている。
The elevating
図4に示すように、前記チャック5は、軸受45,46,47,48によって回転自在に支持された中空のチャック軸31と、このチャック軸31にマシンキー(図示せず)を介して挿入されるフランジ型のスリーブ32とから構成されている。このスリーブ32は、ばね33によって上方へ常時付勢されており、チャック軸31の外周面を摺動しながら移動可能に構成されている。一方、円周方向へはチャック軸31と一体に回転するように構成されている。また、チャック軸31にはその外周を3等分する位置に鋼球34を収納可能な収納孔が穿設されている。この鋼球34が貫入ロッド4の外周面に形成された係合溝4cと嵌合し、貫入ロッド4を保持する。さらに、スリーブ32の上部の内径はチャック軸31の内径より大径に形成されており、スリーブ32をばね33の付勢に逆らって手動で押下げると、鋼球34が貫入ロッド4の係合溝4cから外れる。この状態でスリーブ32とともにチャック軸31を回転し、鋼球34を貫入ロッド4の係合溝4cが形成されていない位置まで移動させると、スリーブ32から手を離しても貫入ロッド4とチャック軸31との係合が解かれた状態となるため、貫入ロッド4を取り外すことができる。
As shown in FIG. 4, the
前記昇降台3には回転用モータ6が載荷されている。この回転用モータ6もインダクションモータであり、詳細を後述するインバータ制御装置70によって駆動制御される。この回転用モータ6の駆動軸6aの先端には、一方向クラッチ35を介して主動スプロケット36が取付けられている。一方、チャック軸31の下端には従動スプロケット37が取付けられており、これらスプロケット36,37に無端チェーン38を巻き掛けて回転用モータ6の回転駆動をチャック軸31へ伝達することで、貫入ロッド4が回転する。また、回転用モータ6の駆動軸6aの後端には、ロータリエンコーダ7が取り付けられており、駆動軸6aの回転に伴うパルス信号を出力する。そして、詳細を後述する制御ユニット50のメイン制御装置80が、当該パルス信号を処理し、貫入ロッド4の回転数を算出する。
A rotating
図5に示すように、前記チャック軸31には荷重センサの一例としてワッシャ型ロードセル39が挿入されている。このワッシャ型ロードセル39は、センサ本体40の下面に円周方向に対して等間隔に成形される受圧部41と、センサ本体40の上面に円周方向に対して等間隔に成形される支持部42と、センサ本体40に貼付けられる歪みゲージ43とから構成されている。この構成により、貫入ロッド4に実際にかかるスラスト荷重がチャック軸31を支持するアンギュラ玉軸受45,46および円筒ころ軸受47を介して受圧部41へ伝達され、これに応じて支持部42が受圧板44に対して支点となりセンサ本体40に歪みが生じる。この歪みを歪みゲージ43が検出することにより、貫入ロッド4にかかる荷重を検出することができる。ワッシャ型ロードセル39による検出値は、詳細を後述する制御ユニット50のメイン制御装置80へ出力される。
As shown in FIG. 5, a washer
図6に示すように、自動貫入試験機1の制御ユニット50は、昇降用モータ8を駆動制御するインバータ制御装置60と、回転用モータ6を駆動制御するインバータ制御装置70と、これらインバータ制御装置60、70へ各種駆動指令を発するとともに、前記ロータリエンコーダ7,17及びワッシャ型ロードセル39から出力された検出値に基づく演算を実行するメイン制御装置80と、各種駆動パラメータが格納されている記憶装置90と、I/0インターフェイス100とから構成されている。
As shown in FIG. 6, the
前記インバータ制御装置60は、昇降用モータ8にロータリエンコーダ21を組み合わせたベクトル制御方式により、昇降用モータ8の速度制御、トルク制御及び位置制御を兼用可能な駆動システムに構成されている。
The
そこで、自動貫入試験1を用いてポータブルコーン貫入試験を行う場合には、前記インバータ制御装置60は、速度制御を実行する。その構成としては、コンバータ回路61が三相交流電源(図示せず)を直流に変換し、平滑用コンデンサ62で平滑化された直流電圧をインバータ回路63が交流電圧に変換することで、可変の電圧・周波数が昇降用モータ8へ与えられる。そして、演算回路65(MPU)がロータリエンコーダ21の出力に基づくフィードバック制御を実行し、昇降用モータ8の回転数を可変しながら、負荷変動の影響を受けても回転数を一定に保つ。これにより、貫入ロッド4の定速貫入を実現することができる。
Therefore, when the portable cone penetration test is performed using the
一方、自動貫入試験1を用いてスウェーデン式サウンディング貫入試験を行う場合には、前記インバータ制御装置60は、トルク制御を実行する。その構成としては、演算回路65(MPU)が電流検出器64の出力に基づくモータ電流のフィードバック制御を実行し昇降用モータ8の出力トルクを制御することで、昇降用モータ8が試験荷重に対応する上昇力を出力し、(昇降台3の総重量に基づく荷重1KN)−(昇降用モータ8の出力トルクに応じた上昇力)で決定される試験荷重が貫入ロッド4に負荷される。なお、インバータ制御装置60は、速度制限値及びトルク制限値を設定できるものであり、これら設定値を超えない範囲で駆動制御を実行する。
On the other hand, when the Swedish sounding penetration test is performed using the
前記インバータ制御装置70は、インバータ制御装置60と同様の構成であり、コンバータ回路71、平滑用コンデンサ72、インバータ回路73、電流検出器74、演算回路75を備え、回転用モータ6にロータリエンコーダ7を組み合わせたベクトル制御方式により、回転用モータ6の速度制御、トルク制御及び位置制御を兼用可能な駆動システムに構成されている。この構成により、貫入ロッド4の回転速度、トルク、回転数を駆動制御するとともに、電流検出器74の負荷電流値に基づいて貫入ロッド4の回転負荷トルクを検出する。
The
前記メイン制御装置80は、ポータブルコーン貫入試験を行う場合、次の操作を実行するように構成されている。まず、前記インバータ制御装置60へ下降速度指令(地盤工学会基準に準じて10mm/s)を発する。そして、ロータリエンコーダ17で貫入ロッド4の貫入深度を監視しながら、測定深度毎(盤工学会基準に準じて100mm毎)に、ワッシャ型ロードセル39の検出値Qc(単位:kN)を読み込む。ただし、測定深度到達前(例えば、測定深度到達の2mm前)には、メイン制御装置80は、前記インバータ制御装置60へ下降停止指令を発するとともに、ロッド4aの周面摩擦を除去すべく、前記インバータ装置70へ回転指令を発する。このときの貫入ロッド4の回転数については、土質あるいは測定深度別にフィールド試験を繰り返した結果得られた最適な値が予め設定されている。回転終了後には、前記インバータ制御装置60へ再度下降速度指令を発し、測定深度到達時のワッシャ型ロードセル39の検出値Qc(単位:kN)を読み込む。この検出値Qcをコーン4bの底面積(単位:m2)で除することで、コーン貫入抵抗qc(単位:kN/m2)を算出する。所定の深度まで測定が完了すると、測定深度毎のコーン貫入抵抗qcがモニタ表示あるいはプリントアウトされる。
The
なお、回転指令時の前記貫入ロッド4の回転数は、貫入ロッド4の回転負荷トルクの変動に基づいて決定してもよい。この方法では、所定の回転負荷トルクに落ち着いたとき、あるいは回転負荷トルクの変動が小さくなったとき、周面摩擦が除去できたものと推測できるので、これらを契機に回転停止指令を発する。このように、周面摩擦の除去を確認することで、より均一かつ高精度なコーン貫入抵抗qcの検出が可能となる。
The rotation speed of the penetrating
一方、上記自動貫入試験1を用いてスウェーデン式サウンディング貫入試験を行う場合は、コーン4bをスクリューポイント(図示せず)に取り替える。また、スウェーデン式サウンディング貫入試験には、自沈貫入試験及び回転貫入試験がある。自沈貫入試験は、貫入ロッド4を回転させずに、50N,150N,250N,500N,750N,1KNの試験荷重を段階的に付与して貫入ロッドの貫入量を測定するものである。前記メイン制御装置80は、当該スウェーデン式サウンディング貫入試験の自沈貫入試験を行う場合、次の操作を実行するように構成されている。まず、前記インバータ制御装置60へ目標の試験荷重に対応するトルク指令を発するとともに、ワッシャ型ロードセル39の検出信号に基づくフィードバック制御を実行する。このフィードバック制御では、目標の試験荷重と実際に貫入ロッドに負荷されている荷重との偏差を算出し、この偏差に基づいてメイン制御装置80へ補正トルク指令値を発する。このように、目標の試験荷重を負荷した状態で、メイン制御装置80は、ロータリエンコーダ17から出力されるパルス信号に基づいて貫入量を演算するように構成される。
On the other hand, when the Swedish sounding penetration test is performed using the
続いて、スウェーデン式サウンディング貫入試験の回転貫入試験は、貫入ロッド4に最大荷重(1KN)を負荷した状態で、貫入ロッドを所定深度(25cm)貫入させるのに要した貫入ロッドの回転数を測定するものである。前記メイン制御装置80は、当該回転貫入試験を行う場合、次の操作を実行するように構成されている。まず、前記インバータ制御装置60へ逆転駆動指令を発し、一方向クラッチ16の空転により、貫入ロッド4には昇降台3の総重量に基づく1KNの荷重が負荷される。そして、前記インバータ制御装置70へ回転指令を発し、ロータリエンコーダ17で貫入深度を監視しながら、所定深度(25cm)貫入させるのに要した貫入ロッド4の回転数をロータリエンコーダ7から出力されるパルス信号に基づいて演算する。
Subsequently, the rotational penetration test of the Swedish sounding penetration test measured the number of revolutions of the penetration rod required to penetrate the penetration rod at a predetermined depth (25 cm) with the maximum load (1 KN) applied to the
以上の方法によって、スウェーデン式サウンディング貫入試験では、試験荷重(Wsw)における貫入量1mあたりの半回転数(Nsw)が測定される。このWsw及びNswに基づき、スウェーデン式サウンディング貫入試験による一軸圧縮強さqu(単位:kN/m2)が次の換算式で求められる。
qu=45Wsw+0.75Nsw・・・・・(換算式)
With the above method, in the Swedish sounding penetration test, the number of half revolutions (Nsw) per 1 m of penetration amount at the test load (Wsw) is measured. Based on the Wsw and Nsw, the uniaxial compressive strength qu (unit: kN / m 2 ) by the Swedish sounding penetration test is obtained by the following conversion formula.
qu = 45Wsw + 0.75Nsw (conversion formula)
図7は、A現場のスウェーデン式サウンディング貫入試験による一軸圧縮強さquと、ロッド4aの回転を伴う本発明のポータブルコーン貫入試験(以下、回転式と標記することがある)及びロッドの回転を伴わない従来のポータブルコーン貫入試験(以下、無回転式と標記することがある)によるコーン貫入抵抗qcとの関係を散布図で示したものである。そして、これらの相関を求めた結果、回転式の相関係数R1は0.680、無回転式の相関係数R2は0.446となった。また、回転式による試料数18の標本相関係数r1を検定表(図示せず)から読み取ったところ、回転式の相関係数R1は、有意水準0.01%の値より大きい結果となった(R1>r1)。一方、無回転式による試料数14の標本相関係数r2を検定表から読み取ったところ、無回転式の相関係数R2は、有意水準0.01%の値より小さい結果となった(R2<r2)。
FIG. 7 shows the uniaxial compressive strength qu according to the Swedish sounding penetration test at the site A, the portable cone penetration test of the present invention (hereinafter sometimes referred to as rotary type) with the rotation of the
以上の結果から、回転式コーン貫入抵抗pcと、スウェーデン式サウンディング貫入試験による一軸圧縮強さquとの間に高度に有意な相関があることが解る。一方、無回転式では相関関係がないことが解る。よって、回転式では、無回転式よりも検出値のばらつきが小さく、精度良く貫入抵抗の検出が行えている。ところが、他のB現場では、「回転式コーン貫入抵抗pcと、スウェーデン式サウンディング貫入試験による一軸圧縮強さquとの間に相関がない」と判断できる地盤もあった。この結果から、B現場がスウェーデン式サウンディング貫入試験及びポータブルコーン貫入試験の検査対象地盤ではなく、他の特殊土質であることが推測できる。従来、地盤性状の判定は、測定値を記録した分布図を読み取る方法であり、作業者の経験に委ねられていたものが、本発明のように各試験の測定値の相関を分析することで、多角的かつ定量的に地盤性状を判定できるようになる。 From the above results, it can be seen that there is a highly significant correlation between the rotary cone penetration resistance pc and the uniaxial compressive strength qu from the Swedish sounding penetration test. On the other hand, it can be seen that there is no correlation in the non-rotating type. Therefore, the rotational type has a smaller variation in detection values than the non-rotational type, and the penetration resistance can be detected with high accuracy. However, at the other site B, there was a ground where it could be judged that “there is no correlation between the rotary cone penetration resistance pc and the uniaxial compressive strength qu by the Swedish sounding penetration test”. From this result, it can be inferred that the B site is not the ground to be inspected in the Swedish sounding penetration test and the portable cone penetration test, but other special soils. Conventionally, the determination of ground properties is a method of reading a distribution map in which measured values are recorded, and what has been left to the operator's experience is to analyze the correlation of measured values of each test as in the present invention. It becomes possible to determine the ground properties in a multifaceted and quantitative manner.
1 自動貫入試験機
2 支柱
2a 案内チェーン
2b スプロケット
3 昇降台
3a 錘
4 貫入ロッド
4a ロッド
4b コーン
4c 係合溝
5 チャック
6 回転用モータ
7 ロータリエンコーダ
6a 駆動軸
8 昇降用モータ
8a 駆動軸
11 遊星歯車機構
12 伝達軸
13 駆動歯車
14 中間歯車
15 伝達歯車
16 一方向クラッチ
17 ロータリエンコーダ
18 主動プーリ
19 従動プーリ
20 無端ベルト
21 ロータリエンコーダ
31 チャック軸
32 スリーブ
33 ばね
34 鋼球
35 一方向クラッチ
36 主動スプロケット
37 従動スプロケット
38 無端チェーン
39 ワッシャ型ロードセル
40 ロードセル本体
41 受圧部
42 支持部
43 歪みゲージ
44 受圧板
45,46 アンギュラ玉軸受
47,48 円筒ころ軸受
50 制御ユニット
60、70 インバータ制御装置
61、71 コンバータ回路
62、72 平滑用コンデンサ
63、73 インバータ回路
64、74 電流検出器
65、75 演算回路(MPU)
80 メイン制御装置
90 記憶装置
100 I/0インターフェイス
DESCRIPTION OF
80
Claims (4)
貫入ロッドの周面摩擦が全ての測定深度において均一になるよう、測定深度到達前に一時的に貫入ロッドを回転させてから貫入抵抗を測定することを特徴とするポータブルコーン貫入試験方法。 In the portable cone penetration test method, which penetrates the penetration rod with a cone at the tip of the rod into the ground at a constant speed without rotation, and measures the penetration resistance every time the measurement depth is reached,
A portable cone penetration test method, wherein the penetration resistance is measured after the penetration rod is temporarily rotated before reaching the measurement depth so that the circumferential friction of the penetration rod becomes uniform at all measurement depths .
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