JP6281148B2 - Permeability test apparatus and permeability test method - Google Patents
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Description
本発明は、地盤の透水係数を測定するための透水試験装置及び透水試験方法に関する。 The present invention relates to a permeability test apparatus and a permeability test method for measuring the permeability coefficient of the ground.
降雨による斜面崩壊を予測する上で、その地盤の透水係数を把握しておくことは重要である。現場で地盤の透水係数を測定する方法としては、ピエゾメータ法やチューブ法等が知られている。ピエゾメータ法は、図8(a)に示すように、土中に埋設した測定用パイプ101の先端に試験区間102を確保するための孔壁103を設けて計測を行う方法であり、チューブ法は、図8(b)に示すように、測定用パイプ101の先端を孔底として計測を行う方法である。両者は、透水係数を求める算出式が若干異なるが、いずれも測定用パイプ101内に水位の変化を測定するための水位計104を備えている。
In predicting slope failure due to rainfall, it is important to understand the hydraulic conductivity of the ground. As a method for measuring the hydraulic conductivity of the ground at the site, a piezometer method, a tube method, and the like are known. As shown in FIG. 8A, the piezometer method is a method in which measurement is performed by providing a hole wall 103 for securing the
また、透水試験方法の種類としては、非定常法や定常法と呼ばれるものがある(例えば、非特許文献1参照)。現場透水試験の一般的な方法である非定常法によるピエゾメータ法では、例えば、図9(a)に示すように、測定対象とする地点をボーリングして試験孔を設け、この試験孔に測定用パイプ101を設置し、その先端に試験区間102を設ける。測定用パイプ101内には、水位測定用のフロート式の水位計104が設置される。そして、測定用パイプ101内に水を投入して一時的に測定パイプ101内の水位を上昇させるか、または測定用パイプ101内の水を汲み上げて一時的に測定用パイプ101内の水位を低下させる。その後、測定用パイプ101内の水位が平衡状態に戻る過程における水位の経時変化を水位計104によって測定することにより透水係数を求める。このような非定常法による透水試験方法は、透水係数が10−4m/s程度以下の比較的透水係数が小さい場合に有効である。
In addition, as a kind of the water permeability test method, there is a method called an unsteady method or a steady method (for example, see Non-Patent Document 1). In the piezometer method based on the unsteady method, which is a general method for in-situ permeability tests, for example, as shown in FIG. 9A, a test hole is bored to provide a test hole, and the test hole is used for measurement. A
一方、定常法によるピエゾメータ法では、例えば、図9(b)に示すように、ポンプ105等を用いて測定用パイプ101内から揚水、または測定用パイプ101内に注水して測定用パイプ101内の水位が一定になったときの揚水流量または注水流量を流量計106等により測定して透水係数を求める。このような定常法による透水試験方法は、透水係数が10−4m/s程度以上に大きい場合に有効である。
On the other hand, in the piezometer method by the steady method, for example, as shown in FIG. 9B, pumping water or the like is injected into the
また、従来、例えば川面の水位を計測する場合に、川面の上方に超音波送受信兼用トランスデューサを設置して、そのトランスデューサから送信された超音波が川面で反射してトランスデューサに戻ってくるまでの往復の伝播時間を計測することにより川面の水位を求めることが行われている。これと同様の原理で超音波を用いて、透水係数を求める方法として、例えば、測定用パイプとマリオット水槽を併用して測定する定水位測定法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1では、マリオット水槽内の水位の変化をマリオット水槽の上方に設置された超音波水位計で測定することにより透水係数を求めている。
Conventionally, for example, when measuring the water level of a river surface, an ultrasonic transmission / reception transducer is installed above the river surface, and the ultrasonic wave transmitted from the transducer is reflected on the river surface and returned to the transducer. The water level of the river surface is calculated by measuring the propagation time of the river. As a method for obtaining a hydraulic conductivity using ultrasonic waves based on the same principle as this, for example, a constant water level measurement method is disclosed in which measurement is performed using a measurement pipe and a Marriott water tank (see, for example, Patent Document 1). . In this
しかしながら、非特許文献1のように、従来の測定用パイプを用いた非定常法や定常法による透水試験方法では、測定用パイプ内の水位計測にはmmの精度が要求され、簡便にはフロート式水位計が用いられているが、測定用パイプ内の水位を正確に測定するためには、測定用パイプが振動したり、あるいは鉛直方向から傾斜した状態で設置されたような場合でも、水位計が測定用パイプの内壁に接触しないように配慮することが重要であり、そのためには測定用パイプの内径を十分に大きくしておく必要がある。それゆえ、一般的には測定用パイプの外径は、50mm以上の太さになっている。従って、測定用パイプを設置する際、大きな径の試験孔を掘削する必要があり、測定用パイプの設置作業に手間が掛かるため、面倒である。
However, as described in Non-Patent
また、特許文献1のように、超音波を用いて水位を計測する場合、超音波はトランスデューサの前面からある程度の広がりを持って開放空間内の前方に放射されるので、超音波伝播軸を中心とする周囲に伝播を乱さない程度の十分な広さの開放空間を必要とする。そのため、マリオット水槽は、その内壁における超音波の反射、散乱の影響が少なくなるように十分大きな内径(特許文献1ではマリオット水槽の内径が9cm)に設定される必要があるので、装置が大型化してしまう。また、測定用パイプ内の水量変化をマリオット水槽の水位変化でもってmmオーダーで精度良く測定するためには、マリオット水槽の内径に対して測定用パイプの内径を数倍大きくすることが望ましく、特許文献1では内径が20cmに設計されている。つまり、特許文献1のように超音波水位計を用いた場合でも、測定用パイプの内径を小さくすることは困難であり、測定用パイプを設置する際、大きな径の試験孔を掘削する必要があるため、測定用パイプの設置作業が面倒である。
Further, as in
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、中空の超音波導波管内に超音波を閉じ込めて伝播させることにより、装置を小型化して、容易に設置作業を行うことができる透水試験装置及び透水試験方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems as described above, and by confining and propagating ultrasonic waves in a hollow ultrasonic waveguide, the apparatus can be reduced in size and installed easily. An object of the present invention is to provide a water permeability test apparatus and a water permeability test method.
上記目的を達成するために、本発明に係る透水試験装置は、一端が密封され、他端が開口された管状の中空部材であって、地盤に掘削された試験孔に開口端側を下側にして挿入され、内部に水が貯留される超音波導波管と、前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられ、前記開口端側に向けて超音波を送信する超音波送信素子と、前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられ、前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を受信する超音波受信素子と、を有する超音波検出器と、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求める演算手段と、を備え、前記超音波導波管は、その内径が前記超音波送信素子から送信される前記音波の波長の4倍以下であって、その外径が前記試験孔に嵌合する径を有し、さらに内部に水を注水または内部の水を汲水するための注水口を前記密封端側の側面に有することを特徴としている。
In order to achieve the above object, a water permeation test apparatus according to the present invention is a tubular hollow member that is sealed at one end and opened at the other end, and has an open end side below a test hole excavated in the ground. An ultrasonic wave guide that is inserted in the inside and stores water therein, and an ultrasonic wave transmission that is provided inside the sealed end side of the ultrasonic wave guide and that transmits the ultrasonic wave toward the open end side The ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmitting element is reflected on the water surface in the ultrasonic wave waveguide and received by the reflected wave that is provided inside the element and the sealed end side of the ultrasonic wave waveguide. An ultrasonic detector comprising: an ultrasonic detector; and a transmission time required for the ultrasonic receiving element to receive the reflected wave after the ultrasonic transmitting element transmits the ultrasonic wave. The water permeability of the ground is measured by measuring the water level in the ultrasonic waveguide over time. Comprising calculating means for determining the number, the, the ultrasound waveguide, it der 4 times or less of the wavelength of the sound wave whose inner diameter is transmitted from the ultrasonic wave transmitting element, an outer diameter the test hole And a water inlet for pouring water inside or pumping water inside is provided on the side surface on the sealed end side .
また、本発明に係る透水試験装置は、前記超音波導波管が、現場の地盤に掘削された試験孔に挿入されるものであって、前記演算手段は、前記地盤の前記透水係数を求めた後、前記超音波受信素子が受信した前記反射波の最大振幅に基づいて前記超音波導波管の前記開口端付近の土中水分量を計測し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記地盤の地下水位を計測することを特徴としている。 Further, in the water permeability test apparatus according to the present invention, the ultrasonic waveguide is inserted into a test hole excavated in the field ground, and the calculation means obtains the water permeability coefficient of the ground. After that, based on the maximum amplitude of the reflected wave received by the ultrasonic receiving element, the amount of moisture in the soil near the opening end of the ultrasonic waveguide is measured, and the ultrasonic transmitting element transmits the ultrasonic wave It is characterized in that the groundwater level of the ground is measured based on the propagation time required for the ultrasonic receiving element to receive the reflected wave after transmission.
また、本発明に係る透水試験装置は、前記超音波導波管内の水面に浮かべられる超音波反射体を備え、前記演算手段は、前記超音波送信素子が前記開口端側に向けて超音波を送信し、該超音波が前記超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を前記超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴としている。 Further, the water permeability test apparatus according to the present invention includes an ultrasonic reflector floated on a water surface in the ultrasonic waveguide, and the calculation means transmits the ultrasonic wave toward the opening end side of the ultrasonic transmission element. The water level in the ultrasonic waveguide is changed over time based on the propagation time required for transmission and reception of the reflected wave that is reflected by the ultrasonic reflector and returned by the ultrasonic receiver. It is characterized in that the permeability coefficient of the ground is obtained by measurement.
本発明に係る透水試験方法は、一端が密封され、他端が開口された管状の中空部材であって、内径が密封端側の内部に設けられる超音波送信素子から送信される超音波の波長の4倍以下であって、外径が地盤に掘削された試験孔に嵌合する径を有し、さらに内部に水を注水または内部の水を汲水するための注水口を前記密封端側の側面に有する超音波導波管を前記試験孔に開口端側を下側にして挿入した状態で内部に水を貯留し、前記超音波送信素子から前記開口端側に向けて前記超音波を送信し、前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられた超音波受信素子により前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記超音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を受信し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴としている。 The water permeability test method according to the present invention is a tubular hollow member having one end sealed and the other end opened, and the wavelength of ultrasonic waves transmitted from an ultrasonic transmission element provided inside the sealed end side. four times I der hereinafter has a diameter whose outer diameter fits into the test hole drilled in the ground, further the sealing end of the water injection port for Kap Shui water injection or the water inside the water therein water was stored inside the ultrasonic waveguide having a side surface side in a state where the opening end side to the test hole and inserted in the bottom, the said ultrasonic waves toward the ultrasonic transmitting element to said open end And the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmitting element is reflected by the water surface in the ultrasonic wave guide by the ultrasonic wave receiving element provided inside the sealed end of the ultrasonic wave waveguide. The reflected wave that is returned is received, and the ultrasonic transmission element transmits the ultrasonic wave, and then the ultrasonic wave is transmitted. Wave receiving element is characterized by determining the permeability coefficient of the ground by over time to measure the water level of the ultrasonic waveguide based on the propagation time required to receive the reflected wave.
また、本発明に係る透水試験方法は、前記超音波導管が、現場の地盤に掘削された試験孔に挿入されるものであって、前記地盤の透水係数を求めた後、前記超音波受信素子が受信した前記反射波の最大振幅に基づいて前記超音波導波管の前記開口端付近での土中水分量を計測し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記地盤の地下水位を計測することを特徴としている。 Further, in the water permeability test method according to the present invention, the ultrasonic conduit is inserted into a test hole excavated on the ground in the field, and after obtaining the water permeability coefficient of the ground, the ultrasonic receiving element Measures the moisture content in the soil near the opening end of the ultrasonic waveguide based on the maximum amplitude of the reflected wave received by the ultrasonic wave, and transmits the ultrasonic wave after the ultrasonic transmission element transmits the ultrasonic wave. The groundwater level of the ground is measured based on the propagation time required for the receiving element to receive the reflected wave.
また、本発明に係る透水試験方法は、前記超音波導波管を前記試験孔に前記開口端側を下側にして内部に水が貯留するように挿入した後、前記超音波導波管内の水面に超音波反射体を浮かべて、前記超音波送信素子から前記開口端側に向けて前期超音波を送信し、前記超音波受信素子により前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を受信し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴としている。 Further, in the water permeability test method according to the present invention, the ultrasonic waveguide is inserted into the test hole so that water is stored inside with the opening end side down, An ultrasonic reflector is floated on the water surface, the previous ultrasonic wave is transmitted from the ultrasonic transmission element toward the opening end side, and the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmission element by the ultrasonic reception element is Based on the propagation time required from the time when the ultrasonic wave is reflected by the ultrasonic reflector and the ultrasonic wave transmission element transmits the ultrasonic wave to the time when the ultrasonic wave reception element receives the reflected wave. The water permeability coefficient of the ground is obtained by measuring the water level in the ultrasonic waveguide over time.
本発明に係る透水試験装置及び透水試験方法によれば、内径が密封端側の内部に設けられた超音波送信素子から送信される超音波の波長の4倍以下である中空の超音波導波管の開口端側を下側にして地盤に掘削された試験孔に挿入し、超音波送信素子から送信された超音波が超音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を密封端側の内部に設けられた超音波受信素子で受信して、超音波導波管内の水位を計測することにより地盤の透水係数を求めている。このように、本発明に係る透水試験装置及び透水試験方法では、超音波を中空の超音波導波管内に閉じ込めて伝播させるため、超音波導波管の内径及び外径を細く設定することができ、地盤に大きな径の試験孔を掘削しなくて済むので、地盤への設置作業を容易に行うことができる。また、超音波は拡散されることなく、超音波導波管内を有効に伝播するため、超音波送信素子から送信する超音波の送信電力を抑えることができるので、消費電力を軽減し、装置を小型化することができる。 According to the water permeation test apparatus and the water permeation test method according to the present invention, the hollow ultrasonic wave guide whose inner diameter is not more than four times the wavelength of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmission element provided inside the sealed end side. Inserted into a test hole excavated in the ground with the open end side of the pipe facing down, the reflected wave returned from the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmission element is reflected by the water surface in the ultrasonic waveguide. It receives with the ultrasonic receiving element provided inside the end side, and measures the water level in the ultrasonic waveguide to obtain the water permeability coefficient of the ground. As described above, in the water permeability test apparatus and the water permeability test method according to the present invention, since the ultrasonic waves are confined and propagated in the hollow ultrasonic wave guide, the inner diameter and the outer diameter of the ultrasonic wave guide can be set thin. In addition, since it is not necessary to excavate a test hole having a large diameter in the ground, the installation work on the ground can be easily performed. In addition, since the ultrasonic wave propagates effectively in the ultrasonic waveguide without being diffused, the transmission power of the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmission element can be suppressed. It can be downsized.
また、超音波導波管の径を細く設定することができるので、地中の深い地点まで挿入することが容易であり、且つ、超音波が拡散されることなく、有効に深い地点まで伝播されるので、深い地点における透水係数の測定にも有効である。従って、現場で場所と深さを変えて地盤の透水係数の3次元分布を計測するような場合にも適している。 In addition, since the diameter of the ultrasonic waveguide can be set thin, it is easy to insert it to a deep point in the ground, and the ultrasonic wave is effectively propagated to a deep point without being diffused. Therefore, it is also effective for measuring permeability coefficient at deep points. Therefore, it is also suitable when measuring the three-dimensional distribution of hydraulic conductivity of the ground by changing the location and depth at the site.
また、本発明に係る透水試験装置及び透水試験方法によれば、地盤の透水係数を求めた後は、超音波受信素子が受信した反射波の最大振幅に基づいて超音波導波管の開口端付近での土中水分量を計測し、超音波送信素子が超音波を送信してから超音波受信素子が反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて地盤の地下水位を計測する。従って、地盤の透水係数を求めた後も、超音波導波管をそのまま試験孔に挿入した状態にしておくことで、超音波導波管を透水係数の計測だけでなく、降雨による土中の水分・水位のモニタリングにも兼用することができるので、設備費や現場の設置費等を軽減することができ、非常に効率的である。 Further, according to the water permeability test apparatus and the water permeability test method according to the present invention, after obtaining the water permeability coefficient of the ground, the open end of the ultrasonic waveguide is based on the maximum amplitude of the reflected wave received by the ultrasonic wave receiving element. The amount of moisture in the soil in the vicinity is measured, and the groundwater level of the ground is measured based on the propagation time required from when the ultrasonic transmission element transmits the ultrasonic wave until the ultrasonic reception element receives the reflected wave. Therefore, after obtaining the hydraulic conductivity of the ground, the ultrasonic waveguide can be inserted into the test hole as it is. Since it can also be used for monitoring moisture and water level, it is possible to reduce equipment costs and installation costs at the site, which is very efficient.
また、本発明に係る透水試験装置及び透水試験方法によれば、超音波導波管内の水面に超音波反射体を浮かべ、超音波送信素子から送信された超音波が、超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を超音波受信素子で受信して、超音波導波管内の水位を計測することにより地盤の透水係数を求めるので、弱い強度の超音波でも精度良く計測を行うことができる。 Further, according to the water permeability test apparatus and the water permeability test method according to the present invention, the ultrasonic reflector is floated on the water surface in the ultrasonic waveguide, and the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmission element is reflected by the ultrasonic reflector. The reflected wave that is returned is received by the ultrasonic receiving element, and the water permeability in the ultrasonic wave guide is measured to determine the hydraulic conductivity of the ground. Therefore, even weak ultrasonic waves can be accurately measured. it can.
以下、本発明に係る透水試験装置1について、図面を参照しつつ説明する。本発明に係る透水試験装置1は、地盤2の透水係数を計測するためのものであって、図1及び図2に示すように、地盤2に掘削された試験孔3に挿入される超音波検出器4と、この超音波検出器4に電気的に接続される測定器5とを備えている。
Hereinafter, a water
超音波検出器4は、図2に示すように、試験孔3に挿入される超音波導波管6と、超音波導波管6の下側に向けて超音波Uを送信する超音波送信素子及び該超音波送信素子から送信された超音波Uが超音波導波管6内の水面で反射して戻ってくる反射波Rを受信する超音波受信素子が一体構成された送受信兼用素子部71を有する超音波トランスデューサ7と、を備えている。
As shown in FIG. 2, the
超音波導波管6は、両端が開口された管状の中空部材であって、その一端側には開口を塞ぐように蓋部材8が取り付けられており、他端側は開口された状態になっている。この超音波導波管6は、内径が超音波トランスデューサ7から送信される超音波Uの波長の4倍以下になるよう設計されている。従って、周波数40kHz(空気中における波長が8.5mm)の超音波Uを超音波トランスデューサ7から送信するような場合には、内径が34mm以下に設計されている超音波導波管6を用いれば良く、例えば、長さが30cm〜2m程度で、内径が略18mm、外径が22mmの真ちゅう製のパイプ等を用いることができる。これにより、超音波Uを超音波導波管6内に閉じ込めて、効率良く伝播させることができる。また、超音波導波管6の内周面は滑らかに形成されており、内部を伝播する超音波がぶつかった時に散乱することなく、一定方向に反射しやすくなっている。尚、超音波導波管6の材質、断面形状、及び長さ等は、本実施形態に限定されるものではなく、透水係数を計測する地盤の深さ等に応じて適宜変更可能であり、少なくとも超音波トランスデューサ7から送信される超音波Uが超音波導波管6内を効率良く伝播できるように、内径が超音波Uの波長の4倍以下になるよう設計されていれば良い。
The
また、超音波導波管6では、その一端側に超音波導波管6の内部の空気を外部へ排出するための空気排出孔61と、超音波導波管6の内部に水を注水したり、超音波導波管6の内部の水を汲み上げたりするためのポンプのホース(不図示)等を挿通させることができる注水口62とが形成されている。空気排出孔61は、超音波導波管6の外部から内部へ向かって上向きに傾斜するように貫通形成されており、降雨時等に超音波導波管6の外部から雨水が内部に浸入し難くい形状になっている。尚、この空気排出孔61は、超音波導波管6の周方向に沿って複数形成されていても良く、複数形成されている場合には、いずれかの空気排出孔61に土等が詰まったような場合でも、他の空気排出孔61から空気を排出することができる。
Further, in the
超音波導波管6の一端側に取り付けられる蓋部材8は、例えば、円板状の真ちゅう製の部材であって、その径は超音波導波管6の外径と同程度に形成されている。この蓋部材8には、その中心部を貫通して、超音波トランスデューサ7の配線72が挿通可能な配線引き出し孔81が形成されるとともに、その内側面を覆うようにアルミ板9が貼り付けられている。これにより、超音波導波管6の一端は、配線引き出し孔81の存在に拘らず、アルミ板9によって密封された状態となっている。また、アルミ板9の下方には、ダンパー材10を介して超音波トランスデューサ7が固定されている。
The
超音波トランスデューサ7は、圧電効果によって電気信号と機械的振動とをエネルギー変換するデバイスであって、図2に示すように、超音波導波管6の密封端側の内部に設けられており、超音波の送信及び受信を行う送受信兼用素子部71と、この送受信兼用素子部71から引き出された配線72とを有している。送受信兼用素子部71は、詳しくは図示しないが、基板上に超音波送信と超音波受信とを兼用する素子が配置されたものであって、所定の周波数の電気信号を与えると、その周波数の超音波を超音波送信素子が出力する一方、所定の周波数の超音波を超音波受信素子が受信すると、その周波数の電気信号を出力するものである。このように構成される超音波トランスデューサ7は、図2に示すように、その送受信兼用素子部71が、蓋部材8の内側面を覆うアルミ板9に対してダンパー材10を介して固定されている。
The
ダンパー材10は、例えば、シリコーンゴム等からなるものであって、超音波トランスデューサ7の振動が超音波導波管6に伝達されるのを防止するとともに、超音波導波管6の振動が超音波トランスデューサ7に伝達されるのを防止するものである。また、送受信兼用素子部71から伸びる配線72は、ダンパー材10とアルミ板9とを挿通され、蓋部材8の配線引き出し孔81を通して超音波導波管6の外部へと引き出されている。尚、本実施形態の超音波検出器4では、超音波導波管6への取り付けスペース等を考慮して、超音波の送信機能と受信機能の両方を備えた1個の超音波トランスデューサ7を用いた例を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば、超音波導波管6の内部における密封端側に、超音波送信素子のみが配置された送信専用の超音波トランスデューサと、超音波受信素子のみが配置された受信専用の超音波トランスデューサとをそれぞれ別々に並べて設けるように構成しても良い。
The
測定器5は、図1に示すように、超音波検出器4に電気的に接続されるものであって、コンピュータ等により構成されており、超音波トランスデューサ7の超音波送信素子が超音波Uを送信してから、超音波Uが超音波導波管6内の水面で反射して戻ってくる反射波Rを超音波トランスデューサ7の超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて超音波導波管6内の水位を経時的に計測することにより地盤2の透水係数を求める演算手段としての機能を有するものである。測定器5は、図3に示すように、各部の動作を制御する制御部51に対して、超音波送信回路52と、超音波受信回路53と、信号処理回路54とがシステムバス55を介して接続されている。
As shown in FIG. 1, the measuring
超音波送信回路52は、超音波トランスデューサ7に対して所定の周波数の電気信号を付与するものである。一方、超音波受信回路53は、超音波トランスデューサ7から所定の周波数の電気信号を受け取って信号処理回路54へ出力するものである。信号処理回路54では、超音波受信回路53から入力された電気信号に基づいて超音波導波管6内の水位を計測し、この水位を経時的に計測した結果に基づいて地盤の透水係数を求める。
The
透水試験装置1では、超音波導波管6が開口端側を下側にして地盤2に予め掘削された試験孔3に挿入された状態で、超音波導波管6の注水口62から内部に水を投入して、一時的に超音波導波管6内の水位を上昇させる。このように超音波導波管6の内部に水が貯留された状態で、制御部51の制御を受けて、超音波送信回路52から超音波検出器4の超音波トランスデューサ7に対して所定の周波数の電気信号が付与され、図2に示すように、所定の周波数の超音波Uが超音波導波管6の開口端側に向けて送信される。この超音波Uは、超音波導波管6の内部を開口端側に向かって伝播し、超音波導波管6内の水面にぶつかって反射される。この水面で反射して戻ってくる反射波Rは、超音波導波管6の内部を密封端側に向かって伝播し、超音波トランスデューサ7の送受信兼用素子部71によって受信される。そして、超音波トランスデューサ7では、この受信した反射波Rに対応する所定周波数の電気信号を配線72を介して測定器5へ出力する。
In the water
測定器5では、超音波受信回路53がこの電気信号を受け取って信号処理回路54へ出力する。信号処理回路54では、制御部51による制御の下、入力された電気信号に基づいて、超音波導波管6内の水位を計測する。より詳細には、信号処理回路54では、超音波トランスデューサ7の超音波送信素子が超音波Uを送信してから、超音波Uが超音波導波管6内の水面で反射して戻ってくる反射波Rを超音波トランスデューサ7の超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて超音波導波管6内の水位を計測する。透水試験装置1では、超音波導波管6の内部への注水を止めた直後から超音波導波管6内の水位が平衡状態に戻るまでの水位の経時変化をこのように超音波の伝播時間に基づいて計測し、得られた水位の計測結果から透水係数を求める。
In the measuring
以下、本実施形態に係る透水試験装置1を用いたピエゾメータ法による透水係数を求める実施例について、図1及び図2を参照しつつ説明する。ここでは、超音波導波管6の密封端側の内部に設ける超音波トランスデューサ7として、周波数40kHz(空気中における波長が8.5mm)の超音波Uを送信する防水型で、外径が14mmの超音波トランスデューサ7を用いている。また、この超音波トランスデューサ7から送信される超音波Uを閉じ込めて効率良く伝播させるために、超音波導波管6として、内径が18mm、外径が22mmの超音波導波管6を用いている。尚、この超音波導波管6は、周波数40kHzの超音波Uを送信した場合に、内径を変えて水面からの反射波形を調べた実験結果において、最もノイズが少ない反射波形が得られた内径に設定したものである。
Hereinafter, the Example which calculates | requires the hydraulic conductivity by the piezometer method using the hydraulic
このような透水試験装置1を用いて透水係数を求める際には、従来の測定用パイプを用いたピエゾメータ法と同様に、予め図2に示すように、測定対象となる地点の地盤2をボーリングして試験孔3を設けて、この試験孔3に超音波導波管6を開口端側を下側に向けて挿入する。この際、図2に示すように、超音波導波管6の先端に試験区間11を設け、この試験区間11が土で埋まらないように、金網(不図示)で保護する。尚、試験区間11の長さLは、試験区間の直径D=22mmに対して、L/D≧4となるように、L=100mmに設定している。
When the permeability coefficient is obtained using such a
そして、超音波導波管6が試験孔3に挿入された状態で、超音波導波管6の注水口62から内部に水を投入して、一時的に超音波導波管6内の水位を上昇させ、注水を止めた直後から超音波導波管6内の水位が平衡状態に戻るまでの水位の経時変化を超音波の伝播時間に基づいて計測し、この計測結果に基づいて、図4に示すような経過時間t(s)と水位差(m)との関係を求める。図4に示す片対数グラフは、透水試験装置1を用いて超音波導波管6内の水位を経時的に計測した結果から求めた平衡水位h0(m)と超音波導波管6内の水位h(m)との水位差s=|h0−h|(m)を縦軸の対数目盛にとり、経過時間t(s)を横軸の算術目盛にとったlogs−t曲線の一例である。透水試験装置1では、この図4中の直線勾配から下記の数式(1)により透水係数kを算出する。本実施例では、試験区間の長さL=100mm、試験区間の孔径D=22mm、超音波導波管6の内径d=18mmに設定しており、下記の数式(1)にこれらの値を代入して計算した結果、透水係数k=1.59×10−5m/sが得られる。
尚、本実施例では、超音波導波管6内に水を注水して、一時的に水位を上昇させた後、超音波導波管6内の水位が平衡状態に戻る過程における水位の経時変化を超音波を用いて計測することにより、透水係数を求めているが、同様にして、超音波導波管6内の水を汲み上げて、一時的に水位を低下させた後、水位が平衡状態に戻る過程における水位の経時変化を超音波で計測することにより透水係数を求めることもできる。また、本実施例では、所謂非定常法を用いて透水係数を求めているが、これに限定されるものではなく、例えば、地盤の透水係数が10−4m/s以上のように大きい場合には、超音波導波管6内の水位を超音波で計測しながら、常に超音波導波管6内の水位が一定になるように水を注水して、その注水量を計測することにより透水係数を求める所謂定常法にも適用することができる。更に、地盤に揚水井を設け、その周囲に本実施形態に透水試験装置1の超音波導波管6を挿入して、揚水井で水を汲み上げて超音波導波管6内の水位の低下過程、および揚水停止後の超音波導波管6内の水位回復過程の水位の経時変化を計測することにより透水係数を求める方法にも適用することができる。
In the present embodiment, water is poured into the
また、本実施例では、周波数40kHzの超音波Uを用いて計測する例を示しているが、この周波数の超音波Uに限定されるものではなく、地盤2の測定深さに応じて、超音波Uの周波数を適宜選択しても良く、本発明に係る透水試験装置1においては、超音波トランスデューサ7から送信される超音波Uが測定深さに応じて、20〜100kHzの間で設定されることが好ましい。尚、一般的に周波数が高くなると空気中を伝播する時に、超音波の減衰が大きくなるが、距離の測定分解能は向上する。従って、地盤2内の深い地点を測定する場合は低い周波数が良く、浅い定点を測定する場合は高い周波数が適している。
In the present embodiment, an example is shown in which the measurement is performed using the ultrasonic wave U having a frequency of 40 kHz. However, the measurement is not limited to the ultrasonic wave U having this frequency. The frequency of the sound wave U may be selected as appropriate. In the water
また、本実施例では、1つの超音波検出器4を地盤に配置している例を示しているが、図5に示すように、実地盤2の測定対象となるエリアに超音波検出器4を複数配置して、それぞれの超音波検出器4を用いて計測を行うことにより透水係数の3次元分布を求めることができる。透水試験装置1aでは、図5に示すように、それぞれの超音波検出器4を異なる位置及び異なる深さに設置している。これにより、それぞれの超音波検出器4で得られた計測結果から、位置及び深さが異なる地盤の透水係数を求めることができるので、そのエリアの透水係数の3次元分布を求めることができる。また、図5に示すように、透水試験装置1aでは、地中の深い地点の透水係数を求める場合には、超音波導波管6の全体が地中に埋まるように挿入されることで、同じ長さの超音波検出器4を用いることができるので、超音波検出器4を埋める深さに応じて様々な長さの超音波導波管6を準備する必要がなく、超音波検出器4の共通化を図ることができ、コストを軽減することができる。また、超音波検出器4では、超音波導波管6の径を細く設定することができるので、従来のように大きな径の試験孔を掘削する必要がなく、地中の深い地点まで挿入することが容易であり、且つ、超音波が拡散されることなく、有効に深い地点まで伝播されるので、深い地点における透水係数の計測に非常に適している。尚、図5では、同じ長さの超音波検出器4を用いた場合を示しているが、これに限定されるものではなく、透水係数を求める地盤の深さに応じて、長さの異なる超音波検出器4を設置するようにしても良い。
In the present embodiment, an example is shown in which one
また、本実施例では、試験区間11を設けた所謂ピエゾメータ法により透水係数の計測を行う例を示しているが、これに限定されるものではなく、透水試験装置1は、所謂チューブ法にも用いることができる。この場合には、図6に示すように、超音波導波管6の先端に試験区間11を確保するための孔壁を設ける必要がないので、設置作業がピエゾメータ法よりも容易になる。
Further, in the present embodiment, an example is shown in which the permeability coefficient is measured by a so-called piezometer method provided with a
チューブ法を用いた場合には、地盤2の透水係数を求めた後も、超音波導波管6をそのまま試験孔3に挿入した状態にしておくことで、透水試験装置1を透水係数の計測だけでなく、降雨による土中の水分・水位のモニタリングにも兼用することができる。つまり、透水試験装置1では、地盤2の透水係数を求めた後、超音波トランスデューサ7が受信した反射波Rの最大振幅に基づいて超音波導波管6の開口端付近での土中水分量を計測することができ、更に超音波トランスデューサ7が超音波Uを送信してから反射波Rを受信するまでに要する伝播時間に基づいて地盤2の地下水位を計測することができる。
When the tube method is used, the
この際、図3に示す信号処理回路54は、地盤2の土中水分量を、反射波Rの最大振幅に基づいて検出する。より詳細に説明すると、土は土粒子部分と間隙部分とから構成されるが、土が乾燥状態の時は間隙部分の多くが空気で占められる。そのため、このような土に超音波Uがぶつかると、土粒子部分にぶつかった超音波Uは反射波Rとして戻ってくるが、間隙部分にぶつかった超音波Uは当該部分を透過するので、反射波Rとして戻ってこない。これにより、反射波Rの最大振幅は小さくなる一方、土が水分を多く含んだ状態の時は間隙部分の多くが水で占められる。そのため、このような土に超音波Uがぶつかると、土粒子部分にぶつかった超音波Uのみならず間隙部分にぶつかった超音波Uも反射波Rとして戻ってくる。これにより、反射波Rの最大振幅が大きくなる。従って、反射波Rの最大振幅を検出することによって、土中水分量を検出することができる。
At this time, the
また、信号処理回路54は、地盤2の地下水位を超音波Uの伝播時間すなわち超音波トランスデューサ7が超音波Uを送信してからその反射波Rを受信するまでの時間に基づいて検出する。より詳細に説明すると、地下水位面が土表面21より低い位置にある間は、超音波トランスデューサ7から送信された超音波Uは、土表面21によって反射される。一方、透水係数の計測後、降雨等によって再び水位が上昇し、図6に示すように、土表面21を越えて高くなると、超音波トランスデューサ7から送信された超音波Uは、土表面21ではなく超音波導波管6内の水面によって反射される。そのため、超音波導波管6内の水面が上昇するに伴って、超音波トランスデューサ7から超音波導波管6内の水面までの距離が短くなるので、超音波Uの伝播時間が徐々に短くなる。従って、超音波Uの伝播時間を検出することによって、地下水位を検出することができる。
Further, the
このように透水試験装置1を用いたチューブ法の場合には、例えば、土壌が飽和状態(地下水位面が土表面21より高い位置にある状態)の時に透水係数を測定しておき、その後、非飽和状態(地下水位面が土表面21より低い位置にある状態)における土壌の水分状態や降雨による地下水位の変化をモニタリングして、斜面崩壊予測のデータとして活用することができる。これにより、両者を測定するための設備費や現場の設置費等を低減することができる。特に、現場で多地点計測を行う場合に有効に利用することができる。
Thus, in the case of the tube method using the
図7は、超音波導波管6内の水面に超音波反射体12を浮かべた超音波検出器4aを示している。超音波導波管6内の水面で反射する超音波Uは、水面の揺らぎで若干乱れるため、反射強度が低下する。これを避けるため、超音波検出器4aでは、図7に示すように、超音波反射体12を超音波導波管6内の水面に浮かべ、超音波トランスデューサ7では、送信した超音波Uが、超音波導波管6内の水面ではなく、超音波反射体12で反射して戻ってくる反射波Rを受信するよう構成されている。また、この場合には、測定器5は、超音波トランスデューサ7の超音波送信素子が超音波Uを送信してから、超音波Uが超音波反射体12で反射して戻ってくる反射波Rを超音波トランスデューサ7の超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて超音波導波管6内の水位を経時的に計測することにより地盤2の透水係数を求めることになる。
FIG. 7 shows the
超音波反射体12としては、例えば、プラスティック等の水面に浮く材料でできた薄い円柱体の上面に、超音波Uを十分に反射する金属等が貼り付けたもの等を用いることができる。金属は空気に比べて音響インピーダンスが2桁以上大きいので、ほぼ100%に近い反射率を示す。従って、このように超音波導波管6内の水面に超音波反射体12を浮かべて測定する場合には、超音波トランスデューサ7から送信する超音波Uの強度が比較的弱い場合であっても、十分な精度で測定を行うことができる。尚、この超音波反射体12を用いる方法により地盤2の透水係数を求めた後、降雨による土中の水分・水位のモニタリングを行う場合には、チューブ法を採用し、地盤2の透水係数の計測後に、一旦、超音波検出器4aの密封端側を開放する。そして、例えば、先端に磁石が取り付けられた太さが超音波導波管6の内径よりも細い長尺の棒部材等を超音波導波管6内に挿入させる。これにより、超音波反射体12は、上面が金属であるので、棒部材の先端の磁石に磁着され、棒部材を引き抜くことにより、超音波反射体12を超音波導波管6内から取り除くことができる。その後、再び超音波導波管6の上側を密封させることで、そのまま土中の水分・水位のモニタリングを行うことができる。
As the
以上のように、本発明に係る透水試験装置1では、細い超音波導波管6を用いることができるので、狭い孔径のボーリングで良く、掘削作業の労力を軽減することができる。そのため、現場の多地点で計測を行う場合に、特に設置が容易になる。また、揚水井の周囲に複数の超音波検出器4を配置するような多孔式による透水係数の計測にも適している。
As described above, in the water
また、透水試験装置1では、超音波導波管6内に超音波を閉じ込めて伝播させるため、従来の開放型のように超音波が拡散しないので、弱い超音波でも効率良く伝播できる。そのため、超音波を送信する超音波トランスデューサの消費電力が少なくて済むので、装置を簡易化することができ、現場でバッテリー駆動による計測を可能にすることができる。また、従来のフロート式水位計を用いた場合には、測定用パイプが傾けて設置されると、測定用パイプの内壁に水位計が接触してしまう虞があるため、正確な測定ができないが、透水試験装置1では、超音波導波管6内に超音波を閉じ込めて伝播させるため、超音波導波管6が多少傾斜して設置される場合でも、測定器5側で鉛直方向の距離補正を行うことで精度良く計測を行うことができる。また、従来のフロート式水位計は、測定用パイプ内の水面に置かれるので、水面が乱れやすくなるが、透水試験装置1では、非接触で計測を行うので、超音波導波管6内の水面が乱れることにより計測精度が低下することを防止することができ、水位の変化をmmの精度で安定的に計測することができる。
Further, in the water
また、透水係数が小さい時には、測定が終了するまでに長時間の計測を行うため、水位の自動計測が重要になるが、透水試験装置1では、超音波検出器4で電気的に計測するため、コンピュータやデータロガーへのデータ転送も容易であり、超音波検出器4から配線72を介して電気信号を時刻とともに記録して測定器5へ出力するので、自動計測が可能である。
In addition, when the hydraulic conductivity is small, since the measurement is performed for a long time before the measurement is completed, automatic measurement of the water level is important. However, in the
尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。 The embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed without departing from the scope of the idea of the present invention.
1、1a 透水試験装置
2 地盤
3 試験孔
4、4a 超音波検出器
5 測定器(演算手段)
6 超音波導波管
7 超音波トランスデューサ(超音波送信素子及び超音波受信素子)
11 試験区間
12 超音波反射体
U 超音波
R 反射波
1, 1a
6
11
Claims (6)
前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求める演算手段と、を備え、
前記超音波導波管は、その内径が前記超音波送信素子から送信される前記超音波の波長の4倍以下であって、その外径が前記試験孔に嵌合する径を有し、さらに内部に水を注水または内部の水を汲水するための注水口を前記密封端側の側面に有することを特徴とする透水試験装置。
An ultrasonic wave guide that is a tubular hollow member that is sealed at one end and open at the other end, and is inserted into a test hole excavated in the ground with the open end side down, and water is stored inside. An ultrasonic transmission element that is provided inside the sealed end side of the ultrasonic waveguide and that transmits ultrasonic waves toward the opening end side, and is provided inside the sealed end side of the ultrasonic waveguide. An ultrasonic receiving element that receives a reflected wave that is reflected from the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transmitting element and reflected by the water surface in the ultrasonic waveguide, and an ultrasonic detector;
By measuring the water level in the ultrasonic waveguide over time based on the propagation time required from when the ultrasonic transmission element transmits the ultrasonic wave to when the ultrasonic reception element receives the reflected wave. Calculating means for determining the hydraulic conductivity of the ground,
The ultrasonic waveguide is I der 4 times or less of the ultrasonic wave of which the inner diameter is transmitted from the ultrasonic transmitting device has a diameter that its outer diameter is fitted to the test hole, Furthermore, the water permeability test apparatus is characterized by having a water injection port for injecting water into the inside or pumping in water inside the side surface on the sealed end side .
前記演算手段は、前記地盤の前記透水係数を求めた後、前記超音波受信素子が受信した前記反射波の最大振幅に基づいて前記超音波導波管の前記開口端付近での土中水分量を計測し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記地盤の地下水位を計測することを特徴とする請求項1に記載の透水試験装置。 The ultrasonic waveguide is inserted into a test hole excavated in the ground of the site,
The calculating means obtains the water permeability coefficient of the ground and then determines the moisture content in the soil near the open end of the ultrasonic waveguide based on the maximum amplitude of the reflected wave received by the ultrasonic receiving element. And measuring the groundwater level of the ground based on the propagation time required from the time when the ultrasonic transmission element transmits the ultrasonic wave to the time when the ultrasonic reception element receives the reflected wave. The water permeability test apparatus according to claim 1.
前記演算手段は、前記超音波送信素子が前記開口端側に向けて超音波を送信し、該超音波が前記超音波反射体で反射して戻ってくる反射波を前記超音波受信素子で受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴とする請求項1又は2に記載の透水試験装置。 An ultrasonic reflector floated on the water surface in the ultrasonic waveguide;
The arithmetic means transmits the ultrasonic wave toward the opening end side of the ultrasonic transmission element, and receives the reflected wave reflected by the ultrasonic reflector and returned by the ultrasonic reception element. The water permeability test apparatus according to claim 1 or 2, wherein a water permeability coefficient of the ground is obtained by measuring a water level in the ultrasonic waveguide with time based on a propagation time required until the time.
前記超音波送信素子から前記開口端側に向けて前記超音波を送信し、
前記超音波導波管の密封端側の内部に設けられた超音波受信素子により前記超音波送信素子から送信された前記超音波が前記超音波導波管内の水面で反射して戻ってくる反射波を受信し、
前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記超音波導波管内の水位を経時的に計測することにより前記地盤の透水係数を求めることを特徴とする透水試験方法。
One end is sealed, a hollow tubular member whose other end is open, I inside diameter der 4 times the ultrasonic wavelength of transmitted from the ultrasonic transmitting element provided within the sealed end, An ultrasonic wave guide having an outer diameter that fits into a test hole excavated in the ground, and further has a water inlet on the side of the sealed end for injecting water or pumping internal water. water was stored inside the open end of the tube to the test holes in a state of being inserted in the lower side,
Transmitting the ultrasonic wave from the ultrasonic transmission element toward the opening end side;
Reflection in which the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic wave transmitting element is reflected by the water surface in the ultrasonic wave waveguide and returned by an ultrasonic wave receiving element provided inside the sealed end side of the ultrasonic wave waveguide Receive waves,
By measuring the water level in the ultrasonic waveguide over time based on the propagation time required from when the ultrasonic transmission element transmits the ultrasonic wave to when the ultrasonic reception element receives the reflected wave. A water permeability test method characterized by obtaining a water permeability coefficient of the ground.
前記地盤の前記透水係数を求めた後、前記超音波受信素子が受信した前記反射波の最大振幅に基づいて前記超音波導波管の前記開口端付近での土中水分量を計測し、前記超音波送信素子が前記超音波を送信してから前記超音波受信素子が前記反射波を受信するまでに要する伝播時間に基づいて前記地盤の地下水位を計測することを特徴とする請求項4に記載の透水試験方法。 The ultrasonic waveguide is inserted into a test hole excavated in the ground of the site,
After obtaining the water permeability coefficient of the ground, based on the maximum amplitude of the reflected wave received by the ultrasonic receiving element, to measure the amount of moisture in the soil near the opening end of the ultrasonic waveguide, The groundwater level of the ground is measured based on a propagation time required from when the ultrasonic transmission element transmits the ultrasonic wave to when the ultrasonic reception element receives the reflected wave. The water permeability test method described.
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