JP6427349B2 - 液路式変位計 - Google Patents

Description

本発明は、液路式変位計に関するものであり、具体的には、短時間での正確な鉛直変位計測を可能とする液路式変位計の技術に関する。

構造物における鉛直方向の変位を計測する装置として、開水路式変位計が存在する。開水路式変位計は、水面が大気に開放された状態のいわゆる開水路によって基本構造をなし、この開水路に沿って所定間隔で設けた一連の測点で変位計測を行うものである。また、各測点には、浮子を浮かべた水槽と、浮子の鉛直方向移動量を検知する渦電流センサとが設置されている。水槽は構造物と連結しており、構造物の沈下や隆起に伴って同様に沈下、隆起の動きを示す。例えば、構造物沈下に伴って、或る測点の水槽が沈下した場合、水槽沈下に関わらず水位一定である水面上の浮子天端と、水槽と共に沈下する渦電流センサとの間の鉛直距離が、沈下前の状態から変化する。この変化量から当該測点の変位量と測点間の相対変位量を検出することが出来る。

このような開水路式変位計は、温度、湿度等の環境変化に対して安定した計測結果が得られる特性を有しており、長期にわたる安定的な変位計測が必要な状況に、よく適用されてきた。開水路式変位計の従来技術としては、例えば、不動点間に設置され貯留液体の上部に空間を有する液路と、液路の中間に可撓部を介して複数構成された変位計測部と、液路に沿って設けられ貯留液体に浮遊し各変位計測部内を通るフロート体と、フロート体の両端部を浮動自在に支持する第１および第２の支持部と、各変位計測部内に設けられフロート体の対向位置に対応して水平離間距離を計測する非接触変位センサとからなる開水路型水平変位計（特許文献１参照）などが提案されている。

特開２０１３−１８１９７３号公報

しかしながら、従来の開水路式変位計は、構造物の挙動に応じた水槽内水面の揺動が収束するまで、正確な計測が困難であるため、アンダーピニング工法適用時で荷重移行作業中などの構造物の変位計測など、短時間で計測結果を得る必要がある状況には不向きであった。一方、そうした短時間での計測を行うべく、ダイヤルゲージ変位計等の計測機器を設置する場合、既存の開水路式変位計とは別の計測機構を付加することになり、導入・運用のコストや手間の増加につながっていた。

そこで本発明は、短時間での正確な鉛直変位計測を可能とする液路式変位計の技術の提供を目的とする。

上記課題を解決する本発明の液路式変位計は、複数の液槽が液路にて連結されて構成され、前記液槽または前記液路の少なくともいずれかの箇所に、液面の揺動を抑制する揺動抑制材が設けられた液路式変位計であって、前記液路は、前記複数の液槽のうち端部に位置する液槽から端部側へ突出しており、前記揺動抑制材が、前記液路における前記突出した部分の先端に更に設けられていることを特徴とする。

これによれば、例えば測定対象の構造物に鉛直変位が生じた場合、この鉛直変位に伴って、液路式変位計の該当箇所の液槽で水面揺動が生じるが、その水面揺動を適宜通過させる揺動抑制材においてエネルギーの吸収がなされるため、揺動抑制材が設置されていない場合と比較して迅速に水面揺動を収束させることが出来る。
また、前記揺動抑制材が、液路の突出部先端に更に設けられるので、液路中で伝播する水面揺動が液路端部に達した際、これを揺動抑制材が適宜受け止めてエネルギーを吸収して、他方の液路端部に向けた水面揺動の反射を抑制し、液路式変位計における短時間での鉛直変位計測を更に精度の良いものと出来る。

つまり本発明によれば、構造物で生じた鉛直変位に伴う液路式変位計での水面揺動を迅速に収束させ、落ち着いた水面において、液路式変位計における短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。従って、長期計測時および短期計測時のいずれの状況にも本発明の液路式変位計を適用可能となり、従来のような、計測時間の長短による変位計測システム切り替えや、そうした変位計測システム間での計測値の整合作業や誤差調整などの煩雑な作業が不要となる。また、変位計測システムの一本化、および変位計測に伴う各種作業の低減が図れることで、変位計測システムの導入及び運用にかかるコストも抑制出来る。

なお、上述の液路式変位計において、前記揺動抑制材は、複数の線状材が絡み合わされて構成されたものであるとしてもよい。

これによれば、揺動抑制材において、上述の水面揺動に伴う液体移動を面ではなく線、すなわち各線状材で受け止めて水面揺動のエネルギーを適宜吸収しつつ、線状材の径と比べて十分大きな線状材間の開口を介し、上述の液体を効率良く受け入れて通過させることが可能となる。従って、水面揺動を短時間で落ち着かせつつ、構造物等での変位に対応した水位変化を液路中で精度良く伝播させることが可能となり、液路式変位計における短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。

また、上述の液路式変位計において、前記揺動抑制材は、ナイロン不織布であるとしてもよい。

これによれば、上述の揺動抑制材を、入手容易で低コストなナイロン不織布で構成することが可能であり、短時間での正確な鉛直変位計測を可能とする液路式変位計を、低コストかつ簡便に導入可能となる。

本発明によれば、液路式変位計における短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。

本実施形態における液路式変位計の全体構造例１を示す平面図である。 本実施形態における液路式変位計の全体構造例１を示す側断面図である。 本実施形態の液路式変位計の水槽における揺動抑制材の設置構造例を示す平面図である。 本実施形態の液路式変位計の水槽における揺動抑制材の設置構造例１を示す断面図である。 本実施形態の液路式変位計の水槽における揺動抑制材の設置構造例２を示す断面図である。 本実施形態の液路式変位計における揺動抑制材の構造例を示す図である。 本実施形態の液路式変位計の水槽における揺動抑制材の他の設置構造例を示す平面図である。 本実施形態の液路式変位計に関する水面揺動の時間推移シミュレーション結果の例１を示す図である。 本実施形態の液路式変位計に関する水面揺動の時間推移シミュレーション結果の例２を示す図である。 本実施形態における液路式変位計の全体構造例２を示す平面図である。 本実施形態における液路式変位計の全体構造例２を示す側断面図である。

以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本実施形態における液路式変位計たる開水路式変位計１００（以下同様）の全体構造例１を示す平面図であり、図２は本実施形態における開水路式変位計１００の全体構造例１を示す断面図である。なお、説明のため、図１、２における水槽１１については、その内部に備わる揺動抑制材３０とセンサ収納部１９を透過的に示している。

本実施形態における開水路式変位計１００は、長期にわたる安定的な変位計測を従来通りに実行可能であると共に、短時間での正確な鉛直変位計測をも可能とする変位計である。こうした開水路式変位計１００は、所定間隔で設けた複数の測点１０に配置した液槽たる水槽１１を液路たる水路２０にて連結し構成した開水路２５から構成されている。また複数の測点１０のうち、いずれか１つの測点の水槽１１は鉛直変位が生じない堅固な基礎２等に固定され、測点間の相対変位量の算定時における基準点１０Ｂとなっている。また、水槽１１は変位計測対象である構造物１と一体に連結しており、この構造物１の沈下や隆起といった鉛直変位に伴って同様に沈下、隆起の動きを示す。

ここで、各測点１０の水槽１１にはセンサ収納部１９が設置され、更に、測点１０の水槽１１または水路２０の少なくともいずれかの箇所には揺動抑制材３０が設置されている。図１、２の例では、各水槽１１に揺動抑制材３０が設置された構成となっている。この揺動抑制材３０の設置がなされた開水路式変位計１００の構造例を図３にて示す。図３は、本実施形態の開水路式変位計１００の水槽１１における揺動抑制材３０の設置構造例を示す平面図、図４は本実施形態の開水路式変位計１００の水槽１１における揺動抑制材３０の設置構造例を示す断面図である。ここでは、揺動抑制材３０が水槽１１内に設置された構造について示す。また図４の断面図は、図３に示す開水路２５をＡ−Ａ方向から見た場合の断面図である。

図３、４にて示すように、上述の水槽１１には水路２０が連結されており、互いに連通する内空１８、２１において蓄えた水１２の水面１３を同じくしている。また、水槽１１の内空１８には、箱状のセンサ収納部１９が設けられており、その天端１５には渦電流センサ１６が設置されている。渦電流センサ１６は、センサ収納部１９における水面１３の浮子１４と所定の離間距離をとって、浮子１４の鉛直方向移動量を検知するセンサである。こうした渦電流センサ１６における変位計測の一般的概念については既存技術と同様である。

なお、各水槽１１に備わる上述のセンサ収納部１９は、図４にて示すように、水槽１１に連結した水路２０の開口２２Ａのうち水１２の占める領域２１Ａの所定部分２３Ａを覆って、水路２０と水槽１１との間の水１２の伝播経路を所定割合（例：１５％）だけ阻害している。或いは、図５にて示すように、水槽１１に連結した水路２０の開口２２Ａに所定面積の板材２３を当接させて、水路２０の開口２２Ａのうち水１２の占める領域２１Ａの所定割合（例：５０％）を覆い、水路２０と水槽１１との間の水１２の伝播経路を一部阻害することも想定出来る。なお、図４、５にて例示した上述の構成については、後述の水面揺動の時間推移に関するシミュレーションにおける条件として採用する。

また本実施形態における上述の水槽１１の内空１８のうち、センサ収納部１９以外の領域１８Ａには、水槽底部１８Ｂから少なくとも水面１３上の所定高さまで、領域１８Ａの断面を塞ぐ揺動抑制材３０が設置されている。この揺動抑制材３０は、図６にて例示するように、ナイロン繊維などの線状材３１が組み合わされて所定厚みを成した部材であり、例えばナイロン不織布を採用出来る。ナイロン不織布は入手容易で低コストであり、また所望の形状及びサイズへの切り取りなど取り扱いが容易な素材であり、揺動抑制材３０を低コストかつ簡便に構成できることとなる。

上述した揺動抑制材３０においては、ナイロン繊維等の線状材３１の径と比較して、線状材３１の間に存在する開口３２の開口幅と高さは十分大きく、開口３２に対する線状材３１は面ではなく線とみなせるものである。従って、水面揺動に伴って、水路２０の開口２２Ａから水槽１１内に伝播移動してきた水１２は、水槽内空１８における揺動抑制材３０に衝突する際、面として受け止められることがない。そのため、水面揺動がその伝播元に向けて反射される割合が小さく、水１２が開口３２に流入して揺動抑制材３０内を円滑に透過することになる。

例えば、構造物１での変位に伴って水槽１１等で生じた水面揺動により伝播移動する水１２は、上述の水槽１１と隣接する他水槽の内空１８の揺動抑制材３０に到達し、この揺動抑制材３０における線状材３１、すなわち面ではなく線で適宜受け止められつつ、（線状材３１の径と比べて十分大きな）開口３２に流入する。開口３２を介して揺動抑制材３０内に流入した水１２は、揺動抑制材３０内で絡み合っている線状材３１に更に衝突してエネルギーを減じつつも、上述の開口３２同様の径を備えた内部経路３３を辿り、円滑に揺動抑制材３０を通過する。

こうして揺動抑制材３０は、開水路２５を伝播移動する水１２に関し、そのエネルギーを適宜吸収して水面揺動を落ち着かせると共に、水槽内空１８における当該揺動抑制材３０前後で生じる伝播タイムラグを最小限に留めて円滑に通過させることが可能である。このように、少ないタイムラグで水１２の伝播がなされることは、構造物１の変位に伴う水位変化を開水路２５中で素早く伝播させることにつながる。以上のように、水面揺動の短時間での沈静化と、開水路２５での迅速かつ精度良好な水位変化の伝播とが合わせて確立されることで、本実施形態の開水路式変位計１００において短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。この効果は、特にアンダーピニング工法適用時で荷重移行作業中などの構造物１の変位計測時など、急な鉛直変位に伴う大きな水面揺動が生じやすい状況において顕著なものとなる。

なお、上述のように揺動抑制材３０を水槽１１に設置する場合のみならず、水路２０に設置するとしてもよい。また揺動抑制材３０を、開水路２５における水槽１１や水路２０に加えて、該当開水路２５の端部２６、２７に更に設けるとしてもよい（図７参照）。この場合、開水路２５中で伝播する水面揺動が一方の開水路端部２６に達した際、これを開水路端部２６の揺動抑制材３０が適宜受け止めてエネルギーを吸収し、他方の開水路端部２７に向けた水面揺動の反射を抑制することが出来る。これによれば、開水路２５における水面揺動が端部２６、２７を起点に繰り返し反射されて長時間沈静化せず、過大な計測時間と精度不良の計測結果が生じるといった事態を回避し、開水路式変位計１００における短時間での鉛直変位計測を更に精度の良いものと出来る。

ここで、揺動抑制材３０を備えない従来型の開水路式変位計と、揺動抑制材３０を備える本実施形態の開水路式変位計１００とに関し、それぞれ水面揺動の時間推移をシミュレーションした例を示す。まず、比較するケースとしては以下の５ケースを採用した。

・ケース１（従来型）：各測点１０の水槽１１内には揺動抑制材３０は備わっていない構成。なお、水槽１１に連結した水路２０の開口２２Ａのうち、水１２の占める領域２１Ａの１５％がセンサ収納部１９によって阻害されている。

・ケース２（従来型）：各測点１０の水槽１１内には揺動抑制材３０は備わっていない構成。なお、水槽１１に連結した水路２０の開口２２Ａのうち、水１２の占める領域２１Ａの５０％が所定の板材等によって覆われ阻害されている。

・ケース３（本実施形態）：各測点１０の水槽１１内に揺動抑制材３０を設けている。なお、水槽１１に連結した水路２０の開口２２Ａのうち、水１２の占める領域２１Ａの１５％がセンサ収納部１９によって阻害されている。

・ケース４（本実施形態）：各測点１０の水槽１１内と、開水路端部２６、２７のそれぞれとに揺動抑制材３０を設けている。なお、水槽１１に連結した水路２０の開口２２Ａのうち、水１２の占める領域２１Ａの１５％がセンサ収納部１９によって阻害されている。

・ケース５（本実施形態）：各測点１０の水槽１１内に揺動抑制材３０を設けている。なお、水槽１１に連結した水路２０の開口２２Ａのうち、水１２の占める領域２１Ａの５０％が所定の板材等によって阻害されている。

また、想定した鉛直変位の条件は、開水路端部２６に最寄りの測点１０が１０秒かけて３ｍｍ隆起することとした。他方、その他の測点１０や水路２０らは変位しないものとした。こうした条件の鉛直変位を想定した場合、測点１０の隆起に伴って隆起した水槽１１内の水１２の水面揺動が、水路２０及び揺動抑制材３０を介して他の測点１０に伝播し、時間経過と共に水面１３は平坦化されると考える。

以上の条件を上述のケース１〜５のそれぞれに適用した場合の結果を図８に示す。図８の例の場合、上述のような隆起が生じはじめた時刻ｔ＝０から約１０秒後の時点で、各ケースにて変位は３ｍｍに達し、その後、ケース１、２の従来型の開水路式変位計に関しては、おおよそｔ＝３０秒、１分１０秒、１分４０秒、２分１０秒、２分４０秒、３分１０秒、３分４０秒、４分１０秒、の各時点で変位量が大きく変動する結果となり、最終的に、例えば変位量の振幅が０．１ｍｍ程度まで沈静化するのに６分ほど要している。

一方、ケース３〜５の本実施形態の開水路式変位計１００に関しては、おおよそｔ＝３０秒、１分１０秒の各時点で変位量が変動するものの、約２分以内で変位量の振幅が０．１ｍｍ程度まで沈静化している。つまり、揺動抑制材３０を備えた本実施形態の開水路式変位計１００であれば、従来型の開水路式変位計と比較して数分の１の時間で水面揺動が沈静化出来ることとなる。

なお、上述した鉛直変位の条件を、開水路端部２６に最寄りの測点１０が１分かけて約１ｍｍ隆起する条件に変更し、上述のケース１およびケース４に適用した場合の結果を図９に示す。図９の例の場合、隆起が生じはじめた時刻ｔ＝０から約１分後の時点で、各ケースにて変位は０．９ｍｍに達し、その後、ケース１の従来型の開水路式変位計に関しては、おおよそｔ＝１分２０秒、１分４０秒、２分１０秒、２分４０秒、の各時点で変位量が変動する結果となり、最終的に変位量の振幅が０．１ｍｍ程度まで沈静化するのに３分ほど要している。一方、ケース４の本実施形態の開水路式変位計１００に関しては、おおよそｔ＝１分１０秒の時点で変位量が変動するものの、約１分３０秒以内で変位量の振幅が０．１ｍｍ程度まで沈静化している。つまり、穏やかな変位に関しても、揺動抑制材３０を備えた本実施形態の開水路式変位計１００の方が、従来型の開水路式変位計と比較して約半分程度で水面揺動が沈静化出来ることとなる。

また本実施形態では、液槽たる水槽に連結した液路すなわち水路の開口が板材２３によって１５％、あるいは５０％阻害されているものを使用したが、全く阻害されていないものにおいても揺動抑制材が効果を現すことは言うまでも無い。

また本実施形態における液路式変位計としては、図１０、１１にて例示するように、所定高さを備えた縦型の液槽１１の各間を、揺動抑制材３０の備わる液路２０で連結し構成した液路式変位計１００を想定することも出来る。こうした構成において、ある液槽１１にて生じた液面揺動に伴う液１２の圧力変動は、液路２０を介して隣の液槽１１に伝播しようとするが、液路２０中の揺動抑制材３０によってエネルギーの吸収がなされるため、揺動抑制材が設置されていない場合と比較して迅速に水面揺動を収束させることが出来る。

以上、本実施形態によれば、構造物で生じた鉛直変位に伴う開水路式変位計での水面揺動を迅速に収束させ、落ち着いた水面において、開水路式変位計における短時間での正確な鉛直変位計測が可能となる。

本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これ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変更可能である。

１ 構造物
２ 基礎
１０ 測点
１０Ｂ 基準点
１１ 水槽（液槽）
１２ 水（液）
１３ 水面（液面）
１４ 浮子
１５ 水槽内天端
１６ 渦電流センサ
１７ ベース部
１８ 水槽内空
１８Ａ 水槽内空のうちセンサ収納部以外の領域
１８Ｂ 水槽底部
１９ センサ収納部
２０ 水路（液路）
２１ 水路内空
２１Ａ 水路開口のうち水の占める領域
２２Ａ 水路開口
２５ 開水路
２６、２７ 開水路端部
３０ 揺動抑制材
３１ 線状材
３２ 開口
３３ 内部経路
１００ 開水路式変位計（液路式変位計）

Claims (3)

1. 複数の液槽が液路にて連結されて構成され、前記液槽または前記液路の少なくともいずれかの箇所に、液面の揺動を抑制する揺動抑制材が設けられた液路式変位計であって、
   前記液路は、前記複数の液槽のうち端部に位置する液槽から端部側へ突出しており、
   前記揺動抑制材が、前記液路における前記突出した部分の先端に更に設けられていることを特徴とする液路式変位計。
2. 前記揺動抑制材は、複数の線状材が絡み合わされて構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の液路式変位計。
3. 前記揺動抑制材は、ナイロン不織布であることを特徴とする請求項１または２に記載の液路式変位計。

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