JP6240026B2 - 物性評価装置 - Google Patents

Description

本発明は、対象物の物性を評価する物性評価装置に関するものである。

施工中のトンネル切羽における岩盤特性を評価する装置として、例えば、特許文献１に記載された物性評価装置が知られている。この物性評価装置は、棒体の先端に連結されたハンマーを対象物に衝突させると、ハンマーが後方へ移動しつつハンマーに設けられた加速度センサーにより加速度波形が取得される。加速度波形の取得後、後方に移動したハンマーは、付勢部により前方へ向かう付勢力が付与されて衝突前の位置に復帰する。

特開２０１３−１５４１２号公報

ところで、特許文献１に記載されたような物性評価装置では、Hertzの弾性論に基づき加速度波形を入力条件として対象物の物性を評価する。このため、対象物へのハンマーの衝突により発生した加速度成分に、対象物への衝突以外の要因で発生する別の加速度成分が加速度波形に重畳されると（図４の（ｂ）部参照）、物性の評価精度が低下するおそれがあった。

そこで、本発明は、Hertzの弾性論に基づいて、対象物の物性を精度良く評価できる物性評価装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面は、対象物の物性を評価する物性評価装置であって、作業者が後端側を保持するための棒体と、加速度センサーと球面形状の打撃面とを有し、打撃面と対象物との衝突方向へ移動可能なように棒体の前端部へ連結されたハンマーと、ハンマーの打撃面が対象物に衝突したときに、加速度センサーから対象物の変形特性を演算するための加速度データを取得する加速度データ取得手段と、対象物へ打撃面が衝突する前にはハンマーに対して衝突方向に沿った付勢力を付与せず、対象物へ打撃面が衝突した後にはハンマーに対して衝突方向に沿った付勢力を付与する付勢部と、を備える。

この物性評価装置によれば、作業者は棒体の後端側を保持した状態で棒体の前端部を対象物に接近させ、棒体の前端部に連結されたハンマーを対象物の評価位置に衝突させる。この衝突により発生した加速度は、ハンマーに取り付けられた加速度センサー及び加速度データ取得手段により加速度波形として取得される。それから、この加速度波形をHertzの弾性論に適用し、対象物の評価位置における変形特性を得ることができる。また、ハンマーが対象物に衝突すると、ハンマーは衝突方向に沿って棒体の後端側へ移動する。このとき、ハンマーには衝突方向に沿って棒体の前端側へ向かう付勢力が付与される。その後、ハンマーを対象物から離間させると、ハンマーは当該付勢力により前方へ移動して初期位置に復帰する。ここで、精度の良い変形特性を得るためには、衝突により生じる加速度成分以外の加速度成分が加速度波形に重畳されることを抑制することが求められる。本発明の物性評価装置によれば、ハンマーが衝突方向に沿って移動可能であり、且つ、対象物へ打撃面が衝突する前には付勢部がハンマーに対して衝突方向に沿った付勢力を付与していない。このため、ハンマーが対象物に衝突した瞬間は、対象物からの反発によるハンマーの動きが許容された状態になり、衝突による加速度成分とは別の加速度成分が生じ難い。このような加速度成分の波形によれば、対象物の物性を精度良く評価できる。

また、付勢部は、棒体の内部に形成されたバネ収容部と、バネ収容部に収容されてハンマーの移動により圧縮される圧縮バネと、を有し、棒体の中心軸方向に沿ったバネ収容部の長さは、棒体の中心軸方向に沿った圧縮バネの長さよりも長くされてもよい。バネ収容部の長さが圧縮バネよりも長いので、バネの両端とバネ収容部との間に隙間を設けることが可能になる。また、バネの両端の何れか一方と、バネ収容部との間に隙間を設けることが可能になる。この隙間によれば、ハンマーが対象物に衝突した瞬間と、ハンマーが後方に移動して圧縮バネの圧縮が開始される時間との間に、所定の時間差が発生する。従って、対象物からの反発によるハンマーの動きが許容された状態を確実に確保できる。

また、ハンマーの軸線は、棒体の中心軸線と一致せず、加速度センサーは、ハンマーの軸線上に配置されていてもよい。ハンマーの軸線が棒体の中心軸線と一致していないので、ハンマーの軸線上に加速度センサーを容易に配置できる。そして、ハンマーの軸線上に加速度センサーが配置されているため、加速度波形を好適に取得することが可能になる。従って、対象物の物性を一層精度良く評価できる。

また、棒体の前端部とハンマーとの間に配置され、棒体の中心軸線とハンマーの軸線とのなす角度を調整可能な角度調整連結部を更に備えていてもよい。角度調整連結部によれば、棒体とハンマーとのなす角度を調整して、対象物の評価位置に対してハンマーを略垂直に衝突させることが可能になる。従って、対象物の評価位置が作業者の位置よりも高い位置又は低い位置であっても、対象物に対して好適な条件でハンマーを衝突させることが可能になる。従って、対象物における評価位置の範囲を拡大することが可能になり、より多くの評価位置における加速度波形を得ることができるため、対象物の物性を一層精度良く評価できる。

本発明によれば、対象物の物性を精度良く評価できる物性評価装置が提供される。

図１は、本発明の一形態に係る物性評価装置及びその使用形態を示す図である。 図２は、物性評価装置の打撃部の断面を示す図である。 図３は、打撃部の動作を示す図である。 図４は、加速度波形の例を示すグラフである。 図５は、本発明の変形例に係る物性評価装置及びその使用形態を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施するための形態を詳細に説明する。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、物性評価装置１は、トンネル９０の切羽面９１における岩盤９２の変形係数を評価するものである。物性評価装置１は、直線状に延在する棒体２と、棒体２の前端部に取り付けられた打撃部３とを備えている。物性評価装置１は、更に、打撃部３で得られる加速度波形（加速度データ）を取得するとともに、当該加速度波形を解析して岩盤９２の変形係数を算出するコンピュータ（加速度データ取得手段）４を備えている。コンピュータ４としては、所定の評価プログラムを格納した市販のパーソナルコンピュータを用いることができる。

棒体２の長さは、切羽からの安全を確保するため２ｍ以上であることが好ましく、棒体２としては、例えば、ステンレス鋼といった金属製のパイプ等が用いられる。棒体２の一端部には、岩盤９２の打撃ポイント９２ａを打撃する打撃部３が取り付けられている。作業者Ａは、棒体２の他端部を保持して、物性評価装置１を使用する。以下、棒体２の延在方向を前後方向として、打撃部３が設けられた側の端部を「前端部」、作業者Ａに保持される側の端部を「後端部」として、「前」、「後」の概念を含む語を位置関係の説明に用いるものとする。

次に、図２を参照し、打撃部３の構成について説明する。打撃部３は、ハンマー６と付勢部７とを有している。

ハンマー６は例えば直径５ｃｍ程度の金属製の球体であり、球面形状をなすハンマー６の前面が、打撃ポイント９２ａに衝突する打撃面６ａを構成する。なお、後述するHertzの弾性論を適用する上では、ハンマー６全体を球形とすることは必須ではなく、少なくとも打撃面６ａが球面形状をなすようにすればよい。また、ハンマー６が金属製であることも必須ではなく、ハンマー６の材料は、ゴム、木、プラスチック、セラミック等であってもよい。

ハンマー６の後面６ｂには、加速度センサー８が取り付けられている。より詳細には、加速度センサー８は、ハンマー６の重心Ｇを通る中心軸線Ａ１上に配置されている。加速度センサー８は、打撃面６ａと打撃ポイント９２ａとの衝突時に、衝突方向における加速度を計測する。すなわち、ハンマー６で打撃ポイント９２ａが打撃されたとき、加速度センサー８は、打撃面６ａと岩盤９２との衝突により発生する加速度波形を検知する。そして、検知された加速度波形は、加速度データとして、データケーブル８ａ等を介してコンピュータ４に送信される。

付勢部７は、主軸９と、主軸９の他端側を収容する付勢ケース１１と、を有している。主軸９は、棒体２の前端側の内部から外部に亘って延在する円柱状の部材であり、主軸９の前端部にはハンマー６が固定されている。例えば、ハンマー６は、主軸９に対してねじ止めされている。

主軸９は、ハンマー６を棒体２に対して相対的に移動可能なように取り付けるものである。主軸９は、前端側に形成された太径部１２と、棒体２内に収容された細径部１３とを有している。細径部１３は、太径部１２よりも小さい直径とされ、細径部１３と太径部１２との境界には段付部１４が形成されている。太径部１２の先端には、ハンマー固定部１６が設けられている。ハンマー６は、ハンマー６の中心軸線（軸線）Ａ１が棒体２の中心軸線Ａ２に対し、中心軸線Ａ２と直交する方向にずれるように配置されている。ここでハンマー６の中心軸線Ａ１とは、岩盤９２に対してハンマー６が衝突する方向と平行であり、岩盤９２と接触するハンマー６上の点とハンマー６の重心点とを通る仮想的な線である。すなわち、ハンマー６の中心軸線Ａ１は、棒体２の中心軸線Ａ２に対して略平行である。また、太径部１２には、円周側面から突出する太径ストッパ１２ａが設けられている。太径ストッパ１２ａは、主軸９の後方への移動限界を規定するものであり、太径ストッパ１２ａが付勢ケース１１の前端面に当接することにより主軸９の後方への移動が制限される。また、主軸９の段付部１４にはフランジを有するスリーブ１７が配置され、ピンにより主軸９の細径部１３に対して固定されている。そして、スリーブ１７には細径ストッパ１４ａが設けられている。細径ストッパ１４ａは、主軸９の前方への移動限界を規定するものである。細径ストッパ１４ａは、付勢ケース１１の長溝１３ａに嵌められてこの溝内で移動可能とされている。

付勢ケース１１は、筒状の形状を有し、棒体２内に挿入されている。付勢ケース１１の円周面には複数のねじ穴１１ａが形成されている。これらねじ穴１１ａに対して、棒体２の外側からねじ１８をねじ込むことにより、付勢ケース１１は棒体２に対して固定される。

付勢ケース１１は、バネケース１９と、バネケース１９の他端側にねじ込まれるソケット２１とを有している。

バネケース１９は、両端が開放された筒状形状を有している。バネケース１９は、主軸９が挿通されるケース軸穴２２を有している。このケース軸穴２２は、主軸９の太径部１２の軸径と略同等の内径を有する前穴部２２ａと、主軸９の細径部１３の軸径よりも大きい内径を有する後穴部２２ｂとを含んでいる。前穴部２２ａと後穴部２２ｂとの内径を比較すると、後穴部２２ｂの内径が前穴部２２ａの内径よりも大きい。

具体的には、前穴部２２ａにおいては、前穴部２２ａと主軸９とを相対的に動かし得るように前穴部２２ａの内径と主軸９の太径部１２の軸径とが設定されている。換言すると、バネケース１９において前穴部２２ａが設けられた部分は、主軸９の軸受けとして機能する。一方、後穴部２２ｂにおいては、後穴部２２ｂと主軸９との間に隙間が設けられている。従って、主軸９は、バネケース１９に対して棒体２の中心軸線Ａ２に沿った方向へ前後に摺動可能である。また、バネケース１９には、バネケース１９の長手方向に沿って延在し、細径ストッパ１４ａが嵌め込まれる長溝１３ａが形成されている。

ソケット２１は、バネケース１９の後穴部２２ｂに形成されためねじにねじ込まれて、主軸９の細径部１３の軸受けとして機能するものである。ソケット２１は、おねじが形成されたソケット本体２１ａと、ソケット本体２１ａの後穴部２２ｂ内に配置された端面から突出した円柱状のソケット筒部２１ｂとを有している。また、ソケット２１には、バネケース１９のケース軸穴２２と連通するソケット軸穴２３が形成されている。さらにソケット軸穴２３は、ソケット軸穴２３と主軸９の細径部１３とを相対的に動かし得るようにソケット軸穴２３の内径と主軸９の細径部１３の軸径とが設定されている。従って、主軸９は、ソケット２１に対して棒体２の中心軸線Ａ２に沿った方向へ前後に摺動可能である。

要するに、主軸９に固定されたハンマー６は、付勢ケース１１が固定されている棒体２に対して棒体２の中心軸線Ａ２に沿った方向へ前後に摺動可能である。

バネケース１９における後穴部２２ｂの内周面と主軸９の円周側面との間には、圧縮コイルバネ（圧縮バネ）２５が収納されている。この圧縮コイルバネ２５は、棒体２の中心軸線Ａ２に沿った方向において、スリーブ１７のフランジとソケット２１との間に配置されている。この圧縮コイルバネ２５は、ハンマー６が岩盤９２に対して衝突する方向、すなわち、ハンマー６を前方に付勢する付勢力を発生させるものである。圧縮コイルバネ２５の前端はスリーブ１７のフランジと対面し、圧縮コイルバネ２５の後端はソケット２１のソケット本体２１ａと対面する。そして、圧縮コイルバネ２５の内径は、スリーブ１７の本体外径よりも大きく、スリーブ１７のフランジ外径よりも小さい。また、圧縮コイルバネ２５の内径は、ソケット本体２１ａの外径よりも小さく、ソケット筒部２１ｂの外径よりも大きい。

ここで、バネケース１９、スリーブ１７及びソケット２１に囲まれた空間がバネ収容部２０を形成している。また、バネ収容部２０の長さは、スリーブ１７とソケット２１との間の距離Ｌ１である。より詳細には、バネ収容部２０の長さは、圧縮コイルバネ２５の前端が当接するスリーブ１７のフランジ面と、圧縮コイルバネ２５の後端が当接するソケット本体２１ａの端面との間の距離である。そして、主軸９が後方に移動すると主軸９に固定されたスリーブ１７も後方に移動する。従って、バネ収容部２０の長さであるスリーブ１７とソケット２１との間の距離Ｌ１は可変である。

そして、圧縮コイルバネ２５の前端が当接するスリーブ１７のフランジと、圧縮コイルバネ２５の後端が当接するソケット２１の端面との間の最大の距離Ｌ１は、圧縮コイルバネ２５の自然長Ｌ２よりも長い。すなわち、長溝１３ａの前端に細径ストッパ１４ａが当接した状態では、スリーブ１７と圧縮コイルバネ２５の前端との間及び／又はソケット２１と圧縮コイルバネ２５の後端との間に隙間Ｓが生じている。従って、長溝１３ａの前端に細径ストッパ１４ａを当接させることにより、圧縮コイルバネ２５の自然長Ｌ２よりも長い距離Ｌ１を確保することができる。一方、この長溝１３ａの後端に細径ストッパ１４ａが当接した状態では、スリーブ１７とソケット２１との間の距離Ｌ１は圧縮コイルバネ２５の自然長Ｌ２よりも短くなる。従って、長溝１３ａの後端に細径ストッパ１４ａが当接するまで棒体２を岩盤９２の方向へ突き当てることにより、圧縮コイルバネ２５が確実を圧縮して付勢力を発生させることができる。

なお、付勢力の発生には、必ずしも長溝１３ａの後端に細径ストッパ１４ａが当接する必要はなく、バネ収容部２０の長さである距離Ｌ１が圧縮コイルバネ２５の自然長Ｌ２よりも短くなる程度に主軸９が後方に移動すればよい。

以上の構成に基づき、作業者Ａは、図１に示されるように、棒体２の後端側を保持し、打撃ポイント９２ａを突く動作によって、ハンマー６で打撃ポイント９２ａを打撃することができる。そして、前述のとおり、打撃時の加速度波形が反映された加速度データが、データケーブル８ａ等を介して加速度センサー８からコンピュータ４に送信される。

コンピュータ４は、予め格納された所定の評価プログラムを実行することにより、上記加速度データ（加速度波形）に基づき、Hertzの弾性論を用いて、岩盤９２の弾性係数を算出する。Hertzの弾性論によれば、球体を弾性体表面に衝突させたときの球体と弾性体平面との接触時間Ｔ_Ｃは、次式（１）で表される。

但し、
Ｅ_１：球体の弾性係数
μ_１：球体のポアソン比
Ｒ ：球体の半径
Ｍ ：球体の質量
Ｅ_２：弾性体の弾性係数
μ_２：弾性体のポアソン比
Ｖ_０：衝突速度
である。

特開２００４−１５０９４６号公報では、以上のようなHertzの弾性論を、コンクリート構造物の剛性の測定に利用することが開示されている。本実施形態では、岩盤９２の変形係数を測定する場合にHertzの弾性論を適用する。すなわち、本実施形態では、上記のHertzの弾性論において、上記球体にハンマー６を当てはめ、上記弾性体に岩盤９２を当てはめる。この場合、式（１）において、Ｅ_１，μ_１，Ｒ，Ｍは既知である。また、岩盤９２のポアソン比μ_２としては、一般的な岩盤のポアソン比として０．２の値を用いればよい。更に、Ｔ_ｃ及びＶ_０は、加速度データで表される加速度波形から算出することができる。従って、加速度データが得られれば、式（１）に基づいて、未知量である岩盤９２の弾性係数（変形係数）Ｅ_２を算出することができる。

次に、物性評価装置１の動作について説明する。図３に示されるように、この説明ではトンネル９０の岩盤９２に物性評価装置１を衝突させたときの動作を説明する。

図３の（ａ）部に示されるように、初期状態では、物性評価装置１は、棒体２の後端部が作業者Ａ（図１参照）に保持されて、ハンマー６が岩盤９２から所定距離だけ離れた位置にある。このとき、ハンマー６は最も前方に突出した状態であり、細径ストッパ１４ａが長溝１３ａの前端に当接している。ハンマー６が最も前方に突出した状態では、スリーブ１７とソケット２１との間の距離Ｌ１が最も長い状態であり、この距離Ｌ１は圧縮コイルバネ２５の自然長Ｌ２よりも長い。従って、圧縮コイルバネ２５の後端とソケット２１との間には隙間Ｓが形成されている。

続いて、作業者Ａが物性評価装置１を岩盤９２に向かって突き出すと、図３の（ｂ）部に示されるように、ハンマー６が岩盤９２に衝突する。ここで、所定質量を有するハンマー６が前方に向かって突き出されると、当初静止しているハンマー６には慣性力が作用して、ハンマー６がその場に居続けようとする。すなわち、突き出す方向に対して逆の方向に見かけ上の力が作用する。物性評価装置１では、前穴部２２ａと太径部１２との摩擦力及びソケット２１のソケット軸穴２３と細径部１３との摩擦力とにより、この力に対抗していると考えられる。従って、前穴部２２ａと太径部１２との間、ソケット軸穴２３と細径部１３との間は、少なくとも０．１ｍｍ以上であればよい。

衝突後、ハンマー６が岩盤９２に跳ね返されて後方に移動することもあるし、衝突した瞬間から更に作業者が棒体２を付き出す状態もあり得る。これらの場合、ハンマー６が固定された主軸９が、棒体２に固定された付勢ケース１１に対して後方に移動する。主軸９が後方に移動すると、主軸９に固定されたスリーブ１７も後方に移動するので、スリーブ１７のフランジとソケット２１との間の距離Ｌ１が縮まる。距離Ｌ１と圧縮コイルバネ２５の自然長Ｌ２とが等しいとき。圧縮コイルバネ２５の後端とソケット２１とが接触して隙間Ｓがなくなる。

このように、ハンマー６が岩盤９２に当接してから、ハンマー６及び主軸９が後方に移動を開始し、圧縮コイルバネ２５の後端がソケット２１に接触する（図３の（ｂ）部の状態）までの間、ハンマー６には岩盤９２に衝突した際に発生する加速度しか作用していない状態が維持される。従って、岩盤９２へのハンマー６の衝突により発生した加速度成分とは別の加速度成分が加速度波形に重畳されることが抑制され、図４の（ａ）部に示されるような加速度波形が得られる。

続いて、図３の（ｃ）部に示されるように、更にハンマー６が棒体２に対して後方に移動すると、スリーブ１７とソケット２１との間の距離Ｌ１が更に縮まり、圧縮コイルバネ２５が圧縮される。圧縮コイルバネ２５の圧縮が始まると、ハンマー６には前方に向かう付勢力Ｆが作用する。しかし、このタイミングでは、変形係数の算出に必要な加速度波形の取得は終了しているため、付勢力Ｆの影響が重畳されたとしても特に問題はない。

そして、作業者が棒体２を後方に移動させると、ハンマー６は圧縮コイルバネ２５の付勢力Ｆにより前方に移動させられる。従って、図３の（ａ）部に示されるように、初期位置に復帰する。

上述した物性評価装置１では、作業者Ａは棒体２の後端側を保持した状態で棒体２の前端部を評価位置に接近させ、棒体２の前端部に連結されたハンマー６を岩盤９２の打撃ポイント９２ａに衝突させる。この衝突により発生した加速度は、ハンマー６に取り付けられた加速度センサー８及びコンピュータ４により加速度波形として取得される。それから、この加速度波形をHertzの弾性論に適用し、岩盤９２の打撃ポイント９２ａにおける変形特性を得ることができる。また、ハンマー６が対象物に衝突すると、ハンマー６は衝突方向に沿って棒体の後端部側へ移動する。

このとき、ハンマー６には衝突方向に沿って棒体２の前端側へ向かう付勢力Ｆが付与される。その後、ハンマー６を岩盤９２から離間させると、ハンマー６は当該付勢力Ｆにより前方へ移動して初期位置に復帰する。ここで、精度の良い変形特性を得るためには、衝突により生じる加速度成分以外の加速度成分が加速度波形に重畳されることを抑制することが求められる。物性評価装置１によれば、ハンマー６が衝突方向に沿って移動可能であり、且つ、岩盤９２へ打撃面６ａが衝突する前には付勢部７がハンマー６に対して衝突方向に沿った付勢力Ｆを付与していない。このため、ハンマー６が岩盤９２に衝突した瞬間は、岩盤９２からの反発によるハンマー６の動きが許容された状態になり、衝突による加速度成分とは別の加速度成分が生じ難い。このような加速度成分の波形によれば、岩盤９２の変形特性を精度良く評価できる。

また、スリーブ１７とソケット２１との距離Ｌ１（バネ収容部２０の長さ）が圧縮コイルバネ２５の自然長Ｌ２よりも長いので、圧縮コイルバネ２５の後端と、バネ収容部２０をなすソケット２１とのとの間に隙間Ｓを設けることが可能になる。この隙間Ｓによれば、ハンマー６が岩盤９２に衝突した瞬間と、ハンマー６が後方に移動して圧縮コイルバネ２５の圧縮が開始される時間との間に、所定の時間差が発生する。従って、岩盤９２からの反発によるハンマー６の動きが許容された状態を確実に確保できる。

また、ハンマー６の中心軸線Ａ１は、棒体２の中心軸線Ａ２と一致していない。そして、加速度センサー８は、ハンマー６の中心軸線Ａ１上に配置されている。ハンマー６の中心軸線Ａ１が棒体２の中心軸線Ａ２と一致していないので、ハンマー６の中心軸線Ａ１上に加速度センサー８を容易に配置できる。そして、ハンマー６の中心軸線Ａ１上に加速度センサー８が配置されているため、加速度波形を好適に取得することが可能になる。従って、岩盤９２の変形係数を一層精度良く評価できる。

また、物性評価装置１では、付勢部７が、棒体２の内部に配置されている。この構成によれば、棒体２の中心軸線Ａ２に直交する面への物性評価装置１の投影面積が小さくなる。すなわち、岩盤９２に衝突させるときに、打撃ポイント９２ａの周囲に存在する岩盤などにぶつかることを低減し得る。従って、変形係数の取得に不要な加速度成分の発生を抑制し得るので、岩盤９２の変形特性を精度良く評価できる。

また、打撃ポイント９２ａの周囲に存在する岩盤などにぶつかることが低減されることにより、物性評価装置１の破損が抑制される。このため、同一の物性評価装置１を特定の施工現場における岩盤９２の評価に使用し続けることが可能になる。従って、トンネル９０の施工において切羽ごとに装置のばらつきによる加速度データのばらつきが低減された加速度データを得ることが可能になる。

以上、本発明の一形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、図５に示されるように、変形例に係る物性評価装置１Ａは、棒体２の前端部とハンマー６との間に配置され、棒体２の中心軸線Ａ２とハンマー６の中心軸線Ａ１とのなす角度Ｍを調整可能な角度調整連結部３１を更に備えていてもよい。角度調整連結部３１によれば、棒体２とハンマー６とのなす角度Ｍを調整して、岩盤９２に対してハンマー６を略垂直に衝突させることが可能になる。従って、岩盤９２における打撃ポイント９２ｂが作業者Ａの位置よりも高い位置又は低い位置であっても、岩盤９２に対して好適な条件でハンマー６を衝突させることが可能になる。従って、岩盤９２における打撃ポイント９２ｂの範囲を拡大することが可能になり、より多くの評価位置における加速度波形を得ることができるため、岩盤９２の変形特性を一層精度良く評価できる。

また、例えば、別の変形例に係る物性評価装置は、バネ収容部２０の長さと圧縮コイルバネ２５の長さとが同じであってもよい。この場合には、バネ定数が比較的小さい圧縮コイルバネ２５が用いることが好ましい。

上記実施形態では、物性評価装置をトンネルの切羽の評価に適用する例を説明しているが、本発明の物性評価装置は、トンネルの側壁コンクリートの評価にも用いることができる。また、トンネル施工においては、発破や機械による掘削の後、切羽だけでなく切羽近傍の側壁部でも岩盤が剥き出しになる。この側壁部に露出した岩盤の評価にも、本発明の物性評価装置を適用することができる。ここで切羽近傍の側壁部とは、切羽よりも手前の側壁の部分であり、切羽から見てトンネル軸方向に所定距離以内である範囲を指す。上記所定距離は、例えば、０．５ｍ〜２．０ｍである。上記のような、トンネル側壁コンクリートや側壁部の岩盤の評価においても、高い位置の打撃を必要とする場合があり、従来であれば、打撃ポイントに作業者の手が届かない場合には、トンネル内に足場を組んで作業しなければならず、手間と時間がかかっていた。ところが、本発明の物性評価装置によれば、作業者の手が届きにくい打撃ポイントを打撃し適切な加速度データが得られるので、作業効率の向上を図ることができる。

また、上記実施形態では、加速度データがデータケーブル８ａを介して加速度センサー８からコンピュータ４に送信されるが、加速度センサー８からコンピュータ４に、無線通信によって加速度データを送信してもよい。この場合、データケーブル８ａが省略され、作業者Ａの行動範囲の制限が軽減される。

また、演算手段を備えたコンピュータ４に代えて、加速度データ（加速度波形）を保存・蓄積可能な電子記憶媒体を採用し、得られた加速度データを電子データとして電子記憶媒体に保存・蓄積していくこととしてもよい。なおこの場合、電子記憶媒体に蓄積された加速度データを、後でまとめてコンピュータでバッチ処理する運用が考えられる。一般的に電子記憶媒体は、演算機能を備えたコンピュータ４に比べて小型・軽量のものが多いので、電子記憶媒体を棒体２に取り付けることも可能である。小型・軽量の電子記憶媒体を採用することにより、作業者Ａによる物性評価装置１の取り扱い負担が軽減される。電子記憶媒体としては、半導体メモリやハードディスク装置等を用いることができる。

以下、物性評価装置１の具体的な実施例について具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に示される寸法等に限定されるものではない。

実施例１では、最大長さが７７ｍｍであるバネ収容部に自然長が７７ｍｍである圧縮コイルバネを配置した物性評価装置を作成した。この圧縮コイルバネのバネ定数は、０．０５ｋｇ／ｍｍとした。実施例１の物性評価装置を利用して加速度波形を取得したところ、図４の（ａ）部に示されるような良好な加速度波形を取得できることが確認できた。

実施例２では、ハンマーを確実に初期位置に復帰可能な物性評価装置を作成した。この物性評価装置は、バネ収容部の最大長さを７７ｍｍに設定し、太径ストッパ及び細径ストッパの位置を調整し主軸の可動範囲を４５ｍｍに設定した。ここで、確実に付勢力を発生させ得る圧縮コイルバネの自然長を検討した。圧縮コイルバネが縮んだときに付勢力を確実に発生させるためは、バネ収容部の最小長さ（最大長さ−可動範囲＝７７ｍｍ−４５ｍｍ＝３２ｍｍ）よりも長く設定する必要がある。そこで、２０ｍｍ程度の余裕を見て実施例２の圧縮コイルバネの自然長を５５ｍｍに設定した。そして、実施例２の物性評価装置を利用して加速度波形を取得したところ、図４の（ａ）部に示されるような良好な加速度波形を取得できることが確認できた。また、ハンマーの位置が初期位置に復帰できることが確認できた。

実施例３では、変形係数の算出に必要な加速度波形に別の加速度波形が確実に重畳されないようにする物性評価装置を作成した。この実施例３では、ハンマーの速度、ハンマーと対象物との接触時間などを利用して、圧縮コイルバネとソケットとの間に形成すべき隙間長さ及び圧縮コイルバネの自然長を算出した。例えば、対象物との最大接触時間を３０ｍｓｅｃとしハンマーの速度を１ｍ／ｓｅｃとすると、ハンマーは加速度波形の取得中にハンマーが後方に３０ｍｍ移動すると予想される。そうすると、圧縮コイルバネの自然長は、４７ｍｍより小さい値（バネ収容部の最大長さ−ハンマーの移動距離＝７７ｍｍ−３０ｍｍ＝４７ｍｍ）にすべきであることがわかった。

１，１Ａ…物性評価装置、２…棒体、３…打撃部、４…コンピュータ（加速度データ取得手段）、６…ハンマー、６ａ…打撃面、７…付勢部、８…加速度センサー、９…主軸、１１…付勢ケース、１２…太径部、１３…細径部、１４…段付部、１６…ハンマー固定部、１７…スリーブ、１９…バネケース、２０…バネ収容部、２１…ソケット、２２…ケース軸穴、２３…ソケット軸穴、３１…角度調整連結部、９０…トンネル、９２…岩盤（対象物）、９２ａ，９２ｂ…打撃ポイント、Ａ…作業者、Ａ１…ハンマーの中心軸線、Ａ２…棒体の中心軸線、Ｆ…付勢力。

Claims (3)

1. 対象物の物性を評価する物性評価装置であって、
   作業者が後端側を保持するための棒体と、
   加速度センサーと球面形状の打撃面とを有し、前記打撃面と前記対象物との衝突方向へ移動可能なように前記棒体の前端部へ連結されたハンマーと、
   前記ハンマーの打撃面が前記対象物に衝突したときに、前記加速度センサーから前記対象物の変形特性を演算するための加速度データを取得する加速度データ取得手段と、
   前記対象物へ前記打撃面が衝突する前には前記ハンマーに対して衝突方向に沿った付勢力を付与せず、前記対象物へ前記打撃面が衝突した後には前記ハンマーに対して衝突方向に沿った付勢力を付与する付勢部と、を備え、
   前記付勢部は、前記棒体の内部に形成されたバネ収容部と、前記バネ収容部に収容されて前記ハンマーの移動により圧縮される圧縮バネと、を有し、
   前記棒体の中心軸線の方向に沿った前記バネ収容部の長さは、前記棒体の中心軸線の方向に沿った前記圧縮バネの長さよりも長い、物性評価装置。
2. 前記ハンマーの軸線は、前記棒体の中心軸線と一致せず、
   前記加速度センサーは、前記ハンマーの軸線上に配置されている、請求項１に記載の物性評価装置。
3. 前記棒体の前端部と前記ハンマーとの間に配置され、前記棒体の中心軸線と前記ハンマーの軸線とのなす角度を調整可能な角度調整連結部を更に備える、請求項１又は２に記載の物性評価装置。

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