JP6307348B2 - 地盤改良測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、地盤改良における地盤の撹拌状態を演算する地盤改良測定装置に関する。

地盤改良では、一般的に、改良の対象となっている軟弱な地盤にセメントや薬剤等を注入することで強固な地盤に改良することが行われている。このとき、撹拌状態がどれくらい進んでいるかを確認する必要があるが、撹拌している地盤の地中の状態を確認するのは極めて困難な作業となる。

地盤改良の作業後に非破壊による検査を行うことで、地盤改良が十分に行われたかどうかを検査することが可能であるが、十分でない場合には、再度一からやり直しとなり作業効率が極めて悪いものとなってしまう。そこで、地盤改良の作業中にリアルタイムに地盤の状態を正確にモニタリングする技術が望まれている。

地盤改良における地盤や施工の状態を管理する技術として、例えば、特許文献１−３に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、シリカ粒子のコロイド溶液を主材とし主材にゲル化剤を配合した注入薬液を土砂地盤に注入する土砂地盤改良工法において、主材のシリカ粒子濃度、サンドゲル状態に到るゲル化時間及びサンドゲル状態における電気比抵抗値を設定した、ｐＨ１．５〜２の注入薬液を土砂地盤中に注入して土砂地盤を所定の液状化強度の地盤に改良するものであり、併せて地盤改良域の電気比抵抗値を測定して改良効果を確認することで、施工管理方法を簡潔に実施するものである。

また、特許文献２に示す技術は、地面から地中に貫入される地盤改良機１の中空の本体管２内の先端部に、振動ジャイロ１１を装備するとともに、本体管２の先端部の深度を計測する計測器１４を設け、振動ジャイロ１１により計測される地面の本体管２の貫入位置を基準にした水平面上における本体管２の先端部の変位（方向を含む）と、計測器１４により計測される本体管２の先端部の深度とから、演算処理装置１３により本体管２の先端部の変位を算出して軌跡又は本体管２の傾斜を求めるようにしているものである。

特開２００９−０２４４９３号公報 特開平０８−１０５０３８号公報

特許文献１に示す技術は、ｐＨの測定と電気抵抗の測定により改良効果を確認するが、対象となる地盤に対して薬液が均等に拡散し、また、地盤が十分に撹拌されているかどうかについては正確に確認することができないという課題を有する。

特許文献２に示す技術は、先端部の変位や本体管の傾斜を求めることができるものの、地盤の撹拌の状態や改良の状態を正確に確認できるものではない。

本発明は、撹拌ビットの振動状態の変化と化学反応の反応状態を検出することで、改良中の地盤の撹拌度合いや改良の状態を正確にリアルタイムで把握することができる地盤改良測定装置を提供する。

本発明に係る地盤改良測定装置は、地盤改良における地盤の撹拌を行う撹拌ビットと、前記撹拌ビットに配設され当該撹拌ビットの振動状態の変化を検出する振動検出手段と、撹拌中の地盤における化学反応の反応状態の変化を検出する反応検出手段と、検出された前記振動状態の変化及び前記反応状態の変化に基づいて、前記地盤改良における地盤の撹拌状態を演算する演算手段とを備えるものである。

このように、本発明に係る地盤改良測定装置においては、撹拌ビットの振動状態の変化及び撹拌中の地盤における化学変化の反応状態の変化を検出し、検出結果に基づいて地盤の撹拌状態を演算するため、撹拌ビットの振動の変化（例えば、進行方向に対する振動の大きさの変化）に応じて地盤の撹拌状態を演算しつつ、セメントや薬液が適正に拡散しているかどうかを化学反応の変化から演算して、地盤の撹拌状態を正確にモニタリングすることが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る地盤改良測定装置は、前記反応状態の変化を、ｐＨ変化及び／又は温度変化とするものである。

このように、本発明に係る地盤改良測定装置においては、ｐＨ変化及び／又は温度変化に基づいた撹拌状態の演算を行うため、簡単で且つ正確な演算が可能になるという効果を奏する。

本発明に係る地盤改良測定装置は、前記撹拌ビットの位置情報を取得する位置取得手段と、取得した前記撹拌ビットの位置情報に前記振動状態の変化、前記反応状態の変化及び／又は前記撹拌状態を対応付けて出力する出力制御手段とを備えるものである。

このように、本発明に係る地盤改良測定装置においては、撹拌ビットの位置情報を取得し、その位置情報に対応付けて振動状態の変化、反応状態の変化及び／又は撹拌状態を出力するため、作業領域を確認しながら効率的な作業を行うことができるという効果を奏する。

本発明に係る地盤改良測定装置は、前記演算手段が、所定の箇所を前記撹拌ビットが通過した場合の振動状態と、異なるタイミングにおいて前記所定の箇所を前記撹拌ビットが通過した場合の前記振動状態との変化に基づいて、前記撹拌状態を演算するものである。

このように、本発明に係る地盤改良測定装置においては、所定の箇所を撹拌ビットが通過した場合の振動状態と、異なるタイミングにおいて前記所定の箇所を前記撹拌ビットが通過した場合の前記振動状態との変化に基づいて前記撹拌状態を演算するため、先に撹拌ビットが通過した際の撹拌及び地盤改良が適正に行われているかどうかを、後に撹拌ビットが通過した際の撹拌状態の変化により正確に把握することができるという効果を奏する。

本発明に係る地盤改良測定装置は、前記演算手段が、前記振動状態の変化に基づいて、前記撹拌ビットの周囲における各方向の地盤の状態を演算するものである。

このように、本発明に係る地盤改良測定装置においては、振動状態の変化に基づいて、前記撹拌ビットの周囲における地盤の状態を各方向ごとに演算するため、例えば、所定の方向に撹拌が十分ではない地盤が存在するような場合には、その振動状態により所定の方向を特定して直ちに撹拌ビットの操作による適正な撹拌動作を行うことが可能になるという効果を奏する。

本発明に係る地盤改良測定装置は、前記撹拌ビットが当該撹拌ビットの長手方向の軸を中心に回動しながら地盤を撹拌し、前記演算手段が、地面に対して水平方向の前記撹拌ビットの振動状態の変化に基づいて、前記撹拌ビットの深さ方向に対する傾斜を求めるものである。

このように、本発明に係る地盤改良測定装置においては、撹拌ビットが当該撹拌ビットの長手方向の軸を中心に回動しながら地盤を撹拌し、地面に対して水平方向の前記撹拌ビットの振動状態の変化に基づいて、前記撹拌ビットの深さ方向に対する傾斜を求めるため、撹拌ビットが深さ方向に直進していないことをリアルタイムに検知し、修正することができるという効果を奏する。

第１の実施形態において地盤改良を行う際の重機及び撹拌ビットの側面図である。 第１の実施形態に係る地盤改良測定装置の機能ブロック図である。 第１の実施形態に係る地盤改良測定装置における加速度センサの測定結果の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る地盤改良測定装置におけるｐＨセンサによる測定の出力結果の一例を示す図である。 第１の実施形態に係る地盤改良測定装置における振動の振幅変化とｐＨの変化との関係を示す図である。 第１の実施形態に係る地盤改良測定装置における撹拌ビットの上面図及び側面図である。 第１の実施形態に係る地盤改良測定装置において３軸方向のそれぞれにおいて測定された振動波形の一例を示す図である。 円筒状の本管が本来の埋め込み位置からずれた場合の様子を示す模式図である。 第２の実施形態に係る地盤改良測定装置において本管が傾斜した場合の加速度センサの測定結果の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る地盤改良測定装置について、図１ないし図７を用いて説明する。図１は、地盤改良を行う際の重機及び撹拌ビットの側面図である。地盤改良を行う場合、スラリープラントで生成されたスラリーを地盤改良の対象となっている地盤に送り出し、当該地盤を撹拌して土壌を改良することが行われる。スラリーを地盤に送り出しながら、その地盤を撹拌する際に、図１に示す重機１及びそのアーム１１の先端部に取り付けられた撹拌ビット１２が用いられる。撹拌ビット１２は、重機１のバケットを取り外してアーム１１の先端部に付け替えられており、モータの回転に伴って、所定間隔で配設されている撹拌翼１３を有するチェーンが回動して土壌１４が撹拌される。撹拌ビット１２の側面部には、ポンプから圧送されるスラリーが流通するための配管１５が装着されており、配管１５の先端部から下方に向かってスラリーが噴出される。噴出されたスラリーは、撹拌ビット１２の回転によって撹拌され、土壌に混ざり合うことで土壌１４が改良されて強固な地盤が形成される。

本実施形態に係る地盤改良測定装置は、地中において土壌１４が十分に撹拌され、且つ、スラリーが土壌１４に均等に拡散しているかどうかをリアルタイムにモニタリングすることで、作業の効率化を図ると共に品質の向上を図ることを可能とする。

図１（Ｂ）に拡大図で示すように、本実施形態に係る地盤改良測定装置においては、撹拌ビット１２とアーム１１の接続部分の近傍に加速度センサ１７と、撹拌ビット１２の所定位置（図１（Ｂ）においては、上部、中部、下部の３箇所）にｐＨセンサ１８及び／又は温度センサ１９とを備える。加速度センサ１７は、主に撹拌ビット１２の振動状態を測定する。ｐＨセンサ１８は地中におけるｐＨの測定、温度センサ１９は地中における温度の測定を行う。本実施形態に係る地盤改良測定装置は、これらのセンサから取得した情報を用いて、地中の撹拌状態をリアルタイムにモニタリングする。

なお、撹拌ビット１２の近傍には、当該撹拌ビット１２の位置情報を取得するための位置情報取得手段が配設される。位置情報取得手段としては、例えば、ＧＰＳセンサ、撹拌ビット１２の動きを追従する測量器等を用いるようにしてもよい。また、発明者が開発した技術として知られている工事支援装置（参考文献：特開２０１４−７４３１７号公報）を用いるようにしてもよい。取得した位置情報は、各センサから得られた情報や算出された撹拌情報と対応付けられて出力される。

図２は、本実施形態に係る地盤改良測定装置の機能ブロック図である。地盤改良測定装置２０は、撹拌ビット１２の振動状態を測定する上述した加速度センサ１７と、地中においてスラリーの化学反応の反応状態を測定するｐＨセンサ１８／温度センサ１９と、それらの情報を取得して地盤の撹拌状態を位置情報取得部１６が取得した位置情報と対応付けて演算する演算部２１と、各センサの測定結果や演算部２１の演算結果等を位置情報に対応付けてディスプレイ２３に表示制御する出力制御部２２とを備える。以下、各処理部について具体的に説明する。

図３は、本実施形態に係る地盤改良測定装置における加速度センサの測定結果の一例を示す図である。図３（Ａ）、（Ｂ）は所定の場所を１回目に撹拌した場合（一次撹拌）と、２回目に撹拌した場合（二次撹拌）とにおける振動波形を示しており、図３（Ｃ）は１回の撹拌を時間をかけて行いながら緩急をつけて（少し進んで一旦停まりながら）進んだ場合の振動波形を示している。撹拌ビット１２の振動は、地盤が十分に撹拌されておらず固い状態では振動が強くなり（振幅が大きくなり）、且つ、不安定である。一方、地盤が十分に撹拌されてスラリーと混合された場合は振動が弱く（振幅が小さくなり）、且つ、安定する。すなわち、図３（Ａ）においては、一次撹拌で地盤が十分に撹拌されたため、二次撹拌は弱い振動で安定的な波形が得られている。図３（Ｂ）においては、二次撹拌において一部に振動が強い部分が測定されている。つまり、一次撹拌で一部の地盤が十分に撹拌されていなかったと判断することができる。このような場合には、その周辺領域や作業領域全体について再度撹拌作業を行うようにする。図３（Ｃ）においては、撹拌ビット１２の進行に伴って固い地盤を撹拌して柔らかくし、それを順次繰り返すことで地盤が十分に撹拌されていることが示されている。

なお、一次撹拌と二次撹拌との振動波形を比較する際には、位置情報取得部１６にて取得された位置情報における所定の場所を特定して比較を行う。

上記のように、撹拌ビット１２の振動状態を測定することで、地盤の撹拌状態をある程度予測することができるが、もともと非常に柔らかい等の地盤環境によっては、振動状態だけでは正確性が十分でない場合がある。そこで、本実施形態に係る地盤改良測定装置においては、図１（Ｂ）に示したように、ｐＨセンサ１８／温度センサ１９を用いることでスラリーの化学反応状態を測定し、撹拌状態をより正確にモニタリングする。

図４は、本実施形態に係る地盤改良測定装置におけるｐＨセンサによる測定の出力結果の一例を示す図である。図４の左下の平面詳細図４１は、地盤改良の対象領域と作業済みの領域（着色領域）を示しており、右側のｐＨ測定値４２は、ｐＨの測定結果をレイヤごとに示している。ｐＨ測定値４２の各レイヤは平面詳細図４１と対応しており、作業済みの領域におけるｐＨセンサ１８の結果を色や数値等で示す。図４においては、深度が浅いＡから深度が深いＨまでの８つのレイヤを示している。各レイヤは、例えば１ｍごとの地点を示すようにしてもよい。つまり、この場合、深度１ｍ〜８ｍまでのｐＨの値をモニタリングすることができる。図１に示したように、ｐＨセンサ１８は、撹拌ビット１２の３箇所にしか設置していないため、ｐＨセンサ１８が配置されていない箇所のレイヤについては、一般的に知られている補間処理等により測定値を補うようにしてもよい。平面詳細図４１やｐＨ測定値４２に表示される表示情報は、位置情報取得部１６で取得した位置情報と対応付けて表示される。

なお、各レイヤごとのｐＨ分布を平均した平均分布を別途表示するようにしてもよい。また、温度センサ１９を撹拌ビット１２に設置した場合もｐＨ測定と同様であり、各レイヤごとに温度分布をモニタリングすることができる。さらに、ｐＨや温度の分布は、上述したように、色調の変化や数値で示してもよいし、音声によるアナウンスでスピーカに出力するようにしてもよい。

このようにして得られた、撹拌ビット１２の振動状態とｐＨ分布や温度分布から、地盤の撹拌状態を求める。図５は、振動の振幅変化とｐＨの変化との関係を示す図である。図５のグラフにおいて、実線は振幅の測定値を示し、一点鎖線はｐＨの測定値を示す。図５（Ａ）において、振幅の値はｔ１のタイミングでＳＴ１からＳＴ２に変化している。これは、対象地盤が撹拌済みとなったことを示すものである。また、ｐＨの値はスタート直後の中性から上昇し始めて、アルカリ性に変化している。これは、対象地盤にスラリーが拡散し適正に撹拌されたことを示すものである。すなわち、斜線部分の作業領域（ｔ１以降の作業領域）は、地盤改良が適正になされていると判定することができる。

図５（Ｂ）において、振幅の値はｔ１のタイミングでＳＴ１からＳＴ２に変化している。また、ｐＨの値はスタート直後の中性から上昇し始めて、アルカリ性に変化しているが、ｔ１の時点ではまだ中性であり、ｔ２の時点でアルカリ性に変化している。斜線部分の作業領域（ｔ２以降の作業領域）は、地盤改良が適正になされていると判定することができる。

図５（Ｃ）において、振幅の値はｔ１のタイミングでＳＴ１からＳＴ２に変化している。また、ｐＨの値はスタート直後の中性から上昇し始めているが、最終的にアルカリ性にまで変化しておらず、撹拌が適正になされていないと判定することができる。このような場合は、再度同じ領域を作業することになるものの、リアルタイムに適正判断を行うことができるため、作業の遅れを最小限に止めることが可能となる。

なお、温度センサ１９を撹拌ビット１２に設置した場合もｐＨ測定と同様であり、温度の上昇曲線と振幅の変化とに基づいて、撹拌状態の適正判定を行うことが可能である。

以上のように、振動状態とｐＨ（又は温度）等の化学反応状態との関係性に基づいて、地盤改良の作業をしながら地盤の撹拌状態をリアルタイムに推定して適正判定を行うことができる。

上記のようにして得られた加速度センサ１７の測定結果、ｐＨセンサ１８及び／又は温度センサ１９の測定結果、撹拌状態の演算結果等は、出力制御部２２の制御処理により位置情報と対応付けてディスプレイ２３に表示され、利用者はその表示内容を見て作業領域における撹拌状態をリアルタイムにモニタリングすることができる。なお、測定結果、位置情報等は有線又は無線による通信により演算部２１や出力制御部２２に送信されるようにしてもよい。

本実施形態に係る地盤改良測定装置においては、加速度センサ１７の測定結果に基づいて、撹拌が十分でない領域の方向を特定することができ、特定された方向を重点的に撹拌するように作業を進めることができる。図６は、本実施形態に係る地盤改良測定装置における撹拌ビットの上面図及び側面図である。図６（Ａ）は撹拌ビット１２の上面図、図６（Ｂ）は撹拌ビット１２の側面図である。ここで用いられる加速度センサ１７は、３軸方向の振動を検出することができるものを用いる。つまり、水平方向のｘｙ（図６においてｙ方向は撹拌ビット１２の移動方向と同じ）における振動と、垂直方向のｚにおける振動とを測定する。

図７は、３軸方向のそれぞれにおいて測定された振動波形の一例を示す図である。図７（Ａ）はｘ方向の振動波形、図７（Ｂ）はｙ方向の振動波形、図７（Ｃ）はｚ方向の振動波形の一例である。図７において、進行方向であるｙ方向の振幅が大きく、ｘ方向の振幅は比較的小さい。そして、ｚ方向の振幅も比較的大きくなっている。これらのことから、ｘ方向とｙ方向との間（ｙ方向寄り）に固めの地盤（又は未作業の領域）があり、深さ方向にも固めの地盤（又は未作業の領域）があると推定することができる。つまり、これらの領域の方向を特定することで、固い地盤の領域や未作業の領域を重点的に撹拌して地盤改良の品質を向上させると共に、作業効率を格段に向上させることが可能となる。

なお、撹拌ビット１２の動作中にサンプリングによるｐＨの測定は、構造上の問題やサンプリング過程でのｐＨの変化等の問題を有することから、非常に困難性が高い。そこで、本実施形態においては、ｐＨの測定を異金属間で発生する起電力をｐＨに変換することでｐＨ測定を行うようにしてもよい。使用する金属は撹拌による消耗等を考慮して比較的固い材質のものを用いることが望ましい。また、異金属間の起電力は非常に微弱であることから、防水された増幅回路を用い、雑音の影響を最小限に抑えるためにパルス方式でセンシングを行うことが望ましい。

以上のように、本実施形態に係る地盤改良測定装置によれば、撹拌ビットの振動状態の変化及び撹拌中の地盤における化学変化の反応状態の変化を検出し、検出結果に基づいて地盤の撹拌状態を演算するため、撹拌ビットの振動の変化（例えば、進行方向に対する振動の大きさの変化）に応じて地盤の撹拌状態を演算しつつ、セメントや薬液が適正に拡散しているかどうかを化学反応の変化から演算して、地盤の撹拌状態を正確にモニタリングすることが可能になる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る地盤改良測定装置について、図８及び図９を用いて説明する。本実施形態に係る地盤改良測定装置は、周囲に撹拌羽が付設された円筒状の本管を深さ方向の軸を中心に回動しながら地中に埋め込み、本管にセメント等のスラリーを注入しながら地盤を撹拌して地盤改良を行う場合の撹拌状態を測定するものである。

図８は、円筒状の本管が本来の埋め込み位置からずれた場合の様子を示す模式図である。図８（Ａ）は上面からの模式図、図８（Ｂ）は側面からの模式図である。実線は本管８１が理想的に埋め込まれた場合を示し、破線は本管８１が傾斜して本来埋め込むべき位置からずれた場合を示している。本管８１を地中深く埋め込んでいくと、固い地盤等にぶつかった場合等に、図８に示すように先端部分から傾斜して、そのままの角度で埋め込みが進むことがある。このような場合、地上の撹拌ロッドやガイド（図示しない）に加速度センサやジャイロセンサを設置しても、地中先端部の傾斜が検出されず適正状態として判断されてしまう。本実施形態においては、地中に埋め込まれる撹拌ビット１２に加速度センサ１７を配設し、撹拌ビット１２自体の傾斜を正確に測定する。

図９は、本管が傾斜した場合の加速度センサの測定結果の一例を示す図である。振動が小さく安定している間は、順調に深さ方向に真っすぐ埋め込まれていると判断することができるが、図９に示すように、振動の変化が見られた場合には固い地盤が存在し、撹拌ビット１２が次第に傾斜していると判断することができる。その場合は、深さ方向への進行を一旦中断し、例えば撹拌ビット１２の回転方向を逆回転にすることで、撹拌ビット１２の位置を傾斜が始まった時点まで戻し、再度深さ方向に進んで撹拌することで、撹拌ビット１２の傾きを防止することができる。また、特に、図７において説明したように、ｘｙ方向の振動に変化があった場合には横方向の力が加わっている可能性が高く、撹拌ビット１２が傾斜している可能性が高いと判断することができる。

以上のように、本実施形態に係る地盤改良測定装置によれば、撹拌羽が付設された円筒状の本管を深さ方向の軸を中心に回動しながら地中に埋め込み、本管にセメント等のスラリーを注入しながら地盤を撹拌して地盤改良を行う場合に、撹拌ビットの先端部分の傾斜を確実に検出して修正することが可能になる。

１ 重機
１１ アーム
１２ 撹拌ビット
１３ 撹拌翼
１４ 土壌
１５ 配管
１６ 位置情報取得部
１７ 加速度センサ
１８ ｐＨセンサ
１９ 温度センサ
２０ 地盤改良測定装置
２１ 演算部
２２ 出力制御部
２３ ディスプレイ
４１ 平面詳細図
４２ ｐＨ測定値
８１ 本管

Claims (6)

1. 地盤改良における地盤の撹拌を行う撹拌ビットと、
   当該撹拌ビットの地盤の固さに応じた振動状態の変化を検出する振動検出手段と、
   撹拌中の地盤における化学反応のｐＨ及び／又は温度の変化を検出する反応検出手段と、
   検出された前記振動状態の変化及び前記ｐＨ及び／又は温度の変化に基き、前記地盤改良における撹拌ビットによる薬液の拡散状態を前記振動状態の変化及び前記ｐＨ及び／又は温度の変化の前後の値で演算する演算手段とを備えることを特徴とする地盤改良測定装置。
2. 請求項１に記載の地盤改良測定装置において、
   前記反応状態の変化が、ｐＨ変化及び／又は温度変化であることを特徴とする地盤改良測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の地盤改良測定装置において、
   前記撹拌ビットの位置情報を取得する位置取得手段と、
   取得した前記撹拌ビットの位置情報に前記振動状態の変化、前記反応状態の変化及び／又は前記撹拌状態を対応付けて出力する出力制御手段とを備えることを特徴とする地盤改良測定装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の地盤改良測定装置において、
   前記演算手段が、所定の箇所を前記撹拌ビットが通過した場合の振動状態と、異なるタイミングにおいて前記所定の箇所を前記撹拌ビットが通過した場合の前記振動状態との変化に基づいて、前記撹拌状態を演算することを特徴とする地盤改良測定装置。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の地盤改良測定装置において、
   前記演算手段が、前記振動状態の変化に基づいて、前記撹拌ビットの周囲における各方向の地盤の状態を演算することを特徴とする地盤改良測定装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の地盤改良測定装置において、
   前記撹拌ビットが当該撹拌ビットの長手方向の軸を中心に回動しながら地盤を撹拌し、
   前記演算手段が、地面に対して水平方向の前記撹拌ビットの振動状態の変化に基づいて、前記撹拌ビットの深さ方向に対する傾斜を求めることを特徴とする地盤改良測定装置。
   

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