JP6425086B2

JP6425086B2 - 水底地盤貫入深度計測装置

Info

Publication number: JP6425086B2
Application number: JP2015015465A
Authority: JP
Inventors: 西尾　伸也; 伸也西尾
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2015-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: JP2016138432A

Description

本発明は、例えば大水深域の水底地盤調査等で用いられるコーン貫入試験（ＣＰＴ）用の貫入プローブを用いて水底地盤貫入深度を計測するための水底地盤貫入深度計測装置に関する。

近年、メタンハイドレートは石油・天然ガスに代わる次世代資源として脚光を浴びている。日本周辺海域にも、日本の天然ガスの年間消費量の１００倍のメタンハイドレートが賦存しており、それを安全にしかも経済的に産出する技術の開発が求められている。その中で、特にメタンハイドレート及びメタンハイドレート堆積地盤の物性把握は重要課題として位置づけられている。

通常、試料の物性を調べるためには、サンプリングした試料を実験室に運搬して室内試験を行うことが一般的である。しかし、メタンハイドレートは低温高圧条件では安定しているが、常温常圧条件では容易に水とガスに分解する性質を有しているため、海底地盤から採取した堆積土試料はサンプリング時の応力解放の影響を受けてハイドレート分解に伴うガス発生及び溶存ガスの体積増加による構造的な乱れが発生する可能性が指摘されている。即ち、応力解放による乱れの影響を受けない高品質な特性値を把握することが重要である。
また、メタンハイドレートが存在するのは水深３００ｍ以上の海底地盤である。従来、このような条件では、コーン圧入、引き抜き装置、データ収録装置等を搭載したユニットおよび信号ケーブルの上げ下ろしや操作を行うためには大きなウインチを有する掘削船や掘削リグが不可欠であり、調査には多大な費用と時間を要するため、大水深域での測定例は極めて少ないのが現状である。

このような問題を解決するために特許文献１に記載された水底コーン試験機が提案されている。特許文献１では、原位置応力状態の下でメタンハイドレート及びメタンハイドレート堆積地盤の力学的物性を把握するために、大水深域での適用が可能なコーン貫入試験機を提案した。このコーン貫入試験機１の貫入プローブ２は図７に示すように、重錘を固定したベースの下面に長さの異なるロッド３を複数固定した。先端にコーン４を設けたロッド３の内部には圧力検知部として圧力センサ５及びロードセル６が設置され、更にデータ記録手段を含む計測回路７と電池８が内蔵されている。

そして、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、調査船１０の船上のウインチ１１を用いてワイヤＷを介して貫入プローブ２を水底地盤に貫入し、圧力センサ５によって水底の堆積地盤の貫入抵抗を測定している。測定後、貫入プローブ２を船上に引き上げてデータ記録手段から貫入抵抗の計測データをダウンロードしている。

特開２００８−２２３３７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたコーン貫入試験機１は貫入抵抗計測時における水底地盤への貫入深度を計測することができないため、貫入抵抗の深度方向の変化を正確に測定して評価することができなかった。即ち、深度測定手段として、水圧から換算した水深に基づいて貫入深度を計測する手段が知られているが、従来の大水深用の水圧計（現行では耐圧２０ＭＰａ、推進２０００ｍ相当）では水深計測の分解能が不足しており、十分な精度で貫入深度を計測できなかった。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、貫入プローブによって精度良く水底地盤内への貫入深度を測定できるようにした水底地盤貫入深度計測装置を提供することを目的とする。

本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置は、水底地盤へ貫入する貫入プローブと、貫入プローブの長手方向に相対移動可能に設けられていて水底地盤の表面に留まる水底検知部材と、水底検知部材に設けた標点と、貫入プローブに取り付けられていて貫入プローブを水底地盤に貫入する際に一体に移動して標点を撮影する撮影手段と、撮影手段と標点との距離の変化から貫入プローブの水底地盤への貫入深度を計測する計測手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、貫入プローブを海や湖等の水底地盤に貫入すると水底検知部材が水底地盤の表面に留まり、この状態から更なる貫入プローブの貫入に応じて水底検知部材に設けた標点を撮影手段で撮影することで撮影手段と標点との距離の変化に応じた三次元位置情報を取得でき、この三次元位置情報に基づいて計測手段によって貫入プローブの水底地盤への貫入深度を演算できる。また、計測した貫入深度に基づいて貫入速度や貫入深度に応じた貫入抵抗を計測・演算できる。
なお、本発明において水底検知部材に設けた標点とは、水底検知部材に直接取り付けた標点と水底検知部材から特定距離だけ上方の位置で水底検知部材に連結された他の部材上に設置した標点とを含むものとする。他の部材上に標点を取り付けた場合には標点が水底検知部材から離れているために撮影の際に海底や湖底の土埃等の悪影響を受けることが少なくなる利点がある。

また、貫入プローブには異なる方向に複数のアーム部が張り出すフレームが設けられ、複数のアーム部にそれぞれ撮影手段を取り付けてもよい。
複数のアーム部に撮影手段を設けることで確実に標点を撮影して各三次元位置情報に基づいて貫入プローブの水底地盤への貫入深度を演算できる。

また、標点は撮影手段に対向する位置に設けられた発光部を有していてもよい。
標点を発光部としたことで、大水深域の海底でも確実に標点を撮影できる。

また、水底検知部材は水底地盤の表面に留まるプレートを有していてもよい。
貫入プローブを水底地盤に貫入させる際、貫入プローブと一体に降下する水底検知部材のプレートが水底地盤の表面位置に載置されて留まることで、貫入プローブだけを水底地盤内に貫入させて標点と撮影手段との相対距離を貫入深度に応じて変化させることができる。

本発明に係る水底地盤貫入深度計測装置は、貫入プローブを水底地盤に貫入させる際、撮影手段と標点との間の距離の変化から計測手段によって貫入プローブの水底地盤への貫入深度を精度良く計測することができる。そのため、水底地盤の貫入深度に応じた貫入抵抗の変化を正確に計測し評価することができる。

本発明の実施形態による水底地盤貫入深度計測装置を用いて水中深度を測定する状態を示す説明図である。図１に示す貫入プローブのロッドに設けた水平十字フレームと水中ビデオカメラを示す平面図である。図１に示す貫入プローブの海底検知リングと標点を示す拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。貫入深度と貫入抵抗の測定手段を示すブロック図である。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は水底地盤貫入深度計測装置による貫入深度測定工程を示す動作図である。実施形態による水底地盤貫入深度計測装置で測定した水底地盤貫入深さとコーン先端抵抗値との関係を示すグラフである。従来の貫入プローブを示す縦断面図である。（ａ）は従来の貫入プローブを用いた水底地盤貫入深度計測方法を示す図、（ｂ）は同図（ａ）で用いた貫入プローブの側面図である。

以下、本発明の実施形態による水底地盤貫入深度計測装置について図１乃至図５に基づいて説明するが、上述した従来技術と同一または同様の部材、部品には同一の符号を用いて説明を省略する。
本実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０は海底や湖底等の水底地盤への貫入プローブ２１の貫入深度や貫入抵抗を計測する装置であり、特に大水深域の海底地盤や湖底地盤内の表層から数メートルの範囲における貫入深度や貫入抵抗を計測することができる。この表層領域は海底の表層に存在するメタンハイドレートの堆積深度である。

本実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０において、貫入プローブ２１は先端に設けたコーン２２と筒状の長尺中空部２３とからなるプローブ２４と、このプローブ２４の後端側に連結した長尺のロッド２５とを備えている。
図１及び図２に示すように、ロッド２５の上端部にはロッド２５の長手方向に直交する水平方向にフレームとして十字フレーム２７が固定されている。十字フレーム２７の上部にはウエイト２８が取り付けられ、更にロッド２５の上端にはワイヤＷが連結されている。また、十字フレーム２７は例えば長さ１０００ｍｍ〜１５００ｍｍ程度の長さの各アーム部２７ａが９０度間隔で配設され、その先端部には後述する標点３３を撮影するための水中ビデオカメラ２９がそれぞれ取り付けられている。水中ビデオカメラ２９は図示しない耐圧ハウジング内に収納され、例えば鉛直下向きに設置されている。

また、貫入プローブ２１の下端側、例えば長尺中空部２３の先端側位置(図５（ａ）参照)には水底検知部材３０が固定されている。図３（ａ）、（ｂ）に示す水底検知部材３０は、中央孔を有するリング状のプレート３１とその上部に設置された例えば略円筒状の水底検知リング３２とを備えている。プレート３１は貫入プローブ２１を海底に貫入させた際、水底検知部材３０が海底地盤に貫入することを抑止して海底の表面に止めることができ、停止するプレート３１及び水底検知リング３２に対して貫入プローブ２１をプレート３１の中央孔を通して海底地盤の表層内に貫入可能としている。

また、プレート３１の上面には、水底検知リング３２の外周側に所定間隔、例えば９０度間隔で標点３３として発光部、例えば発光用ＬＥＤが４個（またはそれ以上）設置されている。標点３３である発光用ＬＥＤは例えば直径１０〜２０ｍｍ程度の球状を形成しており、電池を内蔵している。各標点３３は上方に設置された水中ビデオカメラ２９に対向する位置に配設されていることが好ましい。
また、長尺中空部２３内には、上述した従来技術と同様に、圧力検知部として圧力センサ５及びロードセル６が設置され、更にデータ記録手段を含む計測回路７と電池８が内蔵され、貫入プローブ２１を海底地盤に挿入する際の貫入抵抗を測定できるようにしている。

図４は貫入プローブ２１の貫入深度と貫入抵抗を測定する測定手段３４を示すブロック図であり、各水中ビデオカメラ２９でそれぞれ対向する標点３３を撮影することで基準位置から合焦位置までのレンズ移動量を測定して、水中ビデオカメラ２９の位置を基準とする標点３３までの距離データを算出し、計測回路７に設けた計測手段３５に入力して標点３３の三次元位置情報を取得することができる。計測手段３５では、各水中ビデオカメラ２９による標点３３の三次元位置情報に基づいて貫入プローブ２１の長手方向における水中ビデオカメラ２９と標点３３との距離の変化を演算して、随時、水底地盤からの貫入プローブ２１の貫入深度を計測できる。
また、測定手段３４では、上述した圧力検知部としての圧力センサ５及びロードセル６によって貫入プローブ２１の貫入深度に応じた貫入抵抗を測定している。そして、貫入深度や貫入抵抗等の情報を計測回路７のデータ記録手段３６にそれぞれ記憶することができる。
なお、水中ビデオカメラ２９の位置を基準とする標点３３の三次元位置情報を計測する計測手段３５は、貫入抵抗を記憶するデータ記録手段３６とは別個に設置してもよい。

本実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０は上述した構成を備えており、次に図５を中心に海底地盤における貫入深度計測方法について説明する。
本実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０では、調査船１０の船上のウインチ１１を用いてワイヤＷを介して、図５（ａ）に示すように貫入プローブ２１を海底地盤に向けて降下させていく。このとき、４個の水中ビデオカメラ２９で水底検知部材３０のプレート３１に設けた各標点３３をそれぞれ撮影する。貫入プローブ２１が海底地盤に貫入する前の段階では水中ビデオカメラ２９と標点３３との距離は変化せず、レンズは基準位置にある。

図５(ｂ)、（ｃ）に示すように、貫入プローブ２１が海底地盤に貫入すると、コーン２２の近傍に固定した水底検知部材３０はプレート３１が海底地盤の表面に停止し、貫入プローブ２１だけがプレート３１の中央孔を通して海底地盤内に進入していく。その際、水中ビデオカメラ２９が貫入プローブ２１と一体に降下するので、水中ビデオカメラ２９に対する標点３３の距離が変化する。

そして、貫入プローブ２１の海底地盤への貫入に応じて、各水中ビデオカメラ２９で撮影する標点３３の合焦位置の変化に基づく基準位置からのレンズの移動量を、水中ビデオカメラ２９から標点３３までの距離の三次元位置情報として計測手段３５で取得する。計測手段３５では、上記三次元位置情報に基づいて貫入プローブ２１の長手方向における各水中ビデオカメラ２９から標点３３までの距離の変化を演算し、貫入プローブ２１の海底地盤内への貫入量を演算する。この場合、貫入プローブ２１の貫入量は４個の水中ビデオカメラ２９で撮影して得られた各貫入量に基づいて、例えば平均値をとるなどして得られる。
しかも、貫入プローブ２１の海底地盤からの貫入量と貫入時間との関係から貫入速度も演算できる。
また、貫入プローブ２１の海底地盤への貫入によるコーン２２の先端の貫入抵抗を圧力検知部としての圧力センサ５及びロードセル６で測定できる。そのため、貫入プローブ２１の海底地盤内への貫入量と貫入抵抗とを精度良く測定できる。

なお、図６は本実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０によって計測した大水深域における貫入プローブ２１の貫入深度とコーン２２の先端の貫入抵抗との関係を示す測定結果のグラフの一例である。図６（ａ）は通常の堆積地盤の測定値であり、同図（ｂ）はメタンハイドレートが海底地盤の深度２ｍ以深に堆積する地盤での測定値である。
本実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０によれば、海底地盤の貫入深度と貫入深度の変化に対応する貫入抵抗の変化とを正確に評価できるため、堆積地盤の強度特性やメタンハイドレート堆積深度の推定が可能である。

上述のように、本実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０によれば、海底地盤内に貫入する貫入プローブ２１に設けた十字フレーム２７の水中ビデオカメラ２９によって水底地盤の表面に留まる水底検知部材３０に設けた標点３３を撮影することで、水中ビデオカメラ２９を基準とする標点３３との相対距離の変化に対応する三次元位置情報を取得できる。この三次元位置情報に基づいて、計測手段３５によって貫入プローブ２１の貫入深度と貫入速度を高い分解能で精度良く計測できる。
そのため、海底地盤の深度変化に応じた貫入抵抗を正確に評価できるので、海底地盤内におけるメタンハイドレート堆積深度や一般の堆積地盤の強度特性を精度良く推定することができる。

また、上述した従来型のコーン貫入試験機１では深部までの調査が可能であるが、表層のみの調査を行う場合でも深部調査と同様の費用と時間が必要であった。これに対し、本実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０では、海底地盤の表層型ハイドレート調査だけでなく海底や湖底等の表層地盤の力学特性が求められる調査にも広く上述した効果を発揮できる。

なお、本発明による水底地盤貫入深度計測装置は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や置換等が可能であり、これらの場合も本発明の技術的範囲に含まれる。以下に本発明の変形例について上述した実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明する。
例えば、上述した実施形態による水底地盤貫入深度計測装置２０では、貫入プローブ２１の十字フレーム２７に９０度間隔で４個の水中ビデオカメラ２９を固定すると共に水底検知部材３０に９０度間隔で４個の標点３３を対向して設け、連続して撮影して水中ビデオカメラ２９と標点３３との距離を測定するようにしたが、水中ビデオカメラ２９と標点３３の数は各４個に限定されるものではなく、１または複数個、例えば５個以上設置してもよく、また等間隔に設置しなくてもよい。また、水中ビデオカメラ２９と標点３３の数は同数でなくてもよく、この場合、各水中ビデオカメラ２９でいずれかの標点３３を撮影できればよい。

また、標点３３は必ずしも海底や湖底の地盤に停止させる水底検知部材３０のプレート３１上に設置しなくてもよく、例えば水底地盤から特定距離だけ上方の位置で水底検知部材３０に連結された他の部材上に設置してもよい。この場合には、標点３３がプレート３１から離れているために撮影の際に海底や湖底の土埃等の悪影響を受けることが少なくなる。
また、計測手段３５は長尺中空部２３の計測回路７に設けなくてもよく、例えば水中ビデオカメラ２９の近傍または内部に設置してもよい。

なお、上述した実施形態では、貫入プローブ２１に十字フレーム２７を設けて各アーム部２７ａの先端側に水中ビデオカメラ２９を取り付けたが、標点３３を直接撮影可能であれば十字フレーム２７を設けずに貫入プローブ２１に直接水中ビデオカメラ２９を取り付けてもよい。また、フレームは十字フレーム２７に代えてロッド２５から１または多数方向にアーム部２７ａが延びる構成を採用してもよい。
また、撮影手段は水中ビデオカメラ２９に限定されるものではなく、スチールカメラ等でもよい。いずれの場合も撮影時の合焦位置における基準位置からのレンズの移動量によって撮影手段と標点３３との距離を測定できる。

２０水底地盤貫入深度計測装置
２１貫入プローブ
２５ロッド
２７十字フレーム
２９水中ビデオカメラ
３０水底検知部材
３１プレート
３３標点
３５計測手段

Claims

水底地盤へ貫入する貫入プローブと、
前記貫入プローブの長手方向に相対移動可能に設けられていて水底地盤の表面に留まる水底検知部材と、
前記水底検知部材に設けた標点と、
前記貫入プローブに取り付けられていて前記貫入プローブを水底地盤に貫入する際に一体に移動して前記標点を撮影する撮影手段と、
前記撮影手段と標点との距離の変化から前記貫入プローブの水底地盤への貫入深度を計測する計測手段と、
を備えたことを特徴とする水底地盤貫入深度計測装置。
前記貫入プローブには異なる方向に複数のアーム部が張り出すフレームが設けられ、前記複数のアーム部にそれぞれ前記撮影手段を取り付けた請求項１に記載された水底地盤貫入深度計測装置。
前記標点は前記撮影手段に対向する位置に設けられた発光部を有している請求項１または２に記載された水底地盤貫入深度計測装置。
前記水底検知部材は水底地盤の表面に留まるプレートを有している請求項１から３のいずれか１項に記載された水底地盤貫入深度計測装置。