JP7090320B2

JP7090320B2 - 演算装置、掘削装置、算出方法、及び、コンピュータプログラム

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Publication number: JP7090320B2
Application number: JP2018086094A
Authority: JP
Inventors: 良一深川
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2018-04-27
Filing date: 2018-04-27
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2038-04-27
Also published as: JP2019190177A

Description

特許法第３０条第２項適用２０１７年１１月１日に「第３８回テラメカニックス研究会プログラム」を配布２０１７年１１月１７日に「第３８回テラメカニックス研究会」にて発表２０１７年１２月７日に「平成２９年度宇宙探査オープンイノベーションフォーラム（東京）開催概要」を配布２０１７年１２月１２日に「平成２９年度宇宙探査オープンイノベーションフォーラム（東京）」にて発表

本開示は、演算装置、掘削装置、算出方法、及び、コンピュータプログラムに関する。

地盤の強度に対して重量のある構造物を支えるために、杭打ち工事が基礎工事として行われる。杭打ち工事は、深く固い地盤まで杭を打ち込む工事である。これにより、地盤が支持層となって、地震や地盤の弱さに対抗して構造物を支える。

杭打ち工事の現場では、固い地盤（支持層）の確認が必要となる。支持層であるか否かを確認するために土の強度特性値を得る方法は、下の２ステップからなる二段階の方法が一般的である。
第１ステップ：標準貫入試験を行って、支持層の特性値を得る。
第２ステップ：支持層に杭を打ち込むためのアースオーガ掘削を行う。

標準貫入試験は、土の物性を原位置で測定する試験であって、ハンマー（おもり）を規定高さから自由落下させ、サンプラーを土中に規定量（３０ｃｍ）貫入させるのに要する打撃回数を測定する試験である。打撃回数は、Ｎ値と呼ばれる、地盤の安定性の推定に用いられる属性値である。

アースオーガ掘削は、オーガ先端に特殊刃先（掘削刃）を取り付けて地盤を掘削する、回転採掘手法である。アースオーガ掘削では、掘削刃の先端部分によって地盤が掘削される。掘削ずりは掘削刃の回転に伴って上方に運搬され、地表に排出される。

アースオーガ掘削では、杭の支持層への到達が判断される。従来、地盤の強度を確認するためには、アースオーガ掘削に先立って標準貫入試験などの地盤調査を行って地盤各層のＮ値を得ておく。その後、アースオーガ掘削におけるモータの負荷電流値やトルク値により掘削抵抗を算出し、掘削抵抗から算出される地盤強度と、事前地盤調査による各層のＮ値と関係に基づいて、掘削穴が支持層に到達しているかを判断することがなされている（特開２００２－３４８８６８号公報）。

特開２００２－３４８８６８号公報

しかしながら、上記の従来の方法では、標準貫入試験及びアースオーガ掘削の両ステップで土の強度特性値が算出され、強度特性値の算出が重複している。

また、Ｎ値が緩やかに上昇する地層の硬軟曖昧な地盤では、杭の支持層への到達の判断が難しい場合がある。また、掘削装置のオペレータの技能差によって、判断の精度が影響を受ける。

ある実施の形態に従うと、演算装置は、掘削端に掘削刃を有するアースオーガヘッドを取り付け可能な掘削機に電気的に接続される演算装置であって、土の強度特性と掘削機の掘削抵抗及び土の貫入深さとの関係を示すモデルを予め記憶しており、対象土の掘削中の掘削機の掘削抵抗を算出し、対象土の掘削中の掘削刃の前記対象土への貫入深さを測定し、掘削抵抗及び掘削刃の貫入深さと、記憶しているモデルとに基づいて、対象土の強度特性値を算出する。

他の実施の形態に従うと、掘削装置は、掘削端に掘削刃を有するアースオーガヘッドを取り付け可能な掘削機と、掘削機に電気的に接続された上記演算装置と、を備える。

他の実施の形態に従うと、算出方法はアースオーガヘッドを取り付けた掘削機で掘削した対象土の強度特性値の算出方法であって、掘削機の掘削抵抗を算出するステップと、アースオーガヘッドの掘削端に取り付けられた掘削刃の対象土への貫入深さを測定するステップと、土の強度特性と掘削機の掘削抵抗及び土の貫入深さとの関係を示すモデルと、掘削抵抗及び掘削刃の貫入深さと、に基づいて、対象土の強度特性値を算出するステップと、を含む。

他の実施の形態に従うと、コンピュータプログラムは、コンピュータに、アースオーガヘッドを取り付けた掘削機で掘削した対象土の強度特性値を算出させるプログラムであって、コンピュータに、掘削機の掘削抵抗を算出するステップと、アースオーガヘッドの掘削端に取り付けられた掘削刃の対象土への貫入深さを測定するステップと、土の強度特性と掘削機の掘削抵抗及び土の貫入深さとの関係を示すモデルと、掘削抵抗及び掘削刃の貫入深さと、に基づいて、対象土の強度特性値を算出するステップと、を実行させる。

図１は、実施の形態にかかる掘削装置の構成を説明するための概略図である。図２は、掘削装置に含まれる演算装置の構成の一例を示した図である。図３は、演算装置の制御部が実行する強度特性値の演算処理を表わしたブロック図である。図４は、掘削刃の貫入深さを説明するための図である。図５は、掘削機のヘッド本体にかかる抵抗を説明するための図である。図６は、排土抵抗及び土の自重による抵抗を求める試験の概要を表した図である。図７は、実施の形態において、制御部で実行される強度特性値の演算処理の流れの一例を表わしたフローチャートである。図８は、発明者らによる実験によって得られた先端回転掘削トルクの値と、掘削刃の貫入深さの値とをプロットしたものである。

［１．演算装置、掘削装置、算出方法、及び、コンピュータプログラムの概要］

（１）本実施の形態に含まれる演算装置は、掘削端に掘削刃を有するアースオーガヘッドを取り付け可能な掘削機に電気的に接続される演算装置であって、土の強度特性と掘削機の掘削抵抗及び土の貫入深さとの関係を示すモデルを予め記憶しており、対象土の掘削中の掘削機の掘削抵抗を算出し、対象土の掘削中の掘削刃の対象土への貫入深さを測定し、掘削抵抗及び掘削刃の貫入深さと、記憶しているモデルとに基づいて、対象土の強度特性値を算出する。

対象土の掘削中の掘削機から得られる情報を用いて対象土の強度特性値を算出できるために、事前に標準貫入試験などの強度試験を行わなくても、掘削によって対象土の強度特性値を得、支持地盤への到達を判断することができる。

（２）好ましくは、強度特性値は、粘着力及び内部摩擦角を含む。すなわち、事前に標準貫入試験などの強度試験を行わなくても、掘削によって対象土の粘着力及び内部摩擦角を得ることができる。そのため、これらの属性を用いて、支持地盤への到達を判断することができる。

（３）好ましくは、演算装置は、算出された掘削抵抗を測定された掘削刃の貫入深さを用いた近似式で表し、近似式の掘削刃の貫入深さの係数と、記憶しているモデルにおける掘削刃の貫入深さの係数とを比較することによって、対象土の強度特性値を算出する。これにより、掘削によって対象土の強度特性値を得ることができる。

（４）好ましくは、演算装置は、算出された掘削抵抗から、排土抵抗及びアースオーガヘッドのスクリュー上の土の自重による抵抗を除いて、強度特性値の算出に用いる。（１）では、排土抵抗及びアースオーガヘッドのスクリュー上の土の自重による抵抗を除いた掘削抵抗、又は、除いていない掘削抵抗、のいずれを用いてもよい。前者の場合、算出される強度特性値の算出精度を向上させることができる。一方、後者の場合、前者ほど算出精度が向上されないものの、算出を容易にすることができる。

（５）本実施の形態に含まれる掘削装置は、掘削端に掘削刃を有するアースオーガヘッドを取り付け可能な掘削機と、掘削機に電気的に接続された、（１）～（４）のいずれか１つに記載の演算装置と、を備える。この掘削装置は、（１）～（４）の演算装置を搭載した装置であるため、（１）～（４）に記載の演算装置と同様の効果を奏する。

（６）本実施の形態に含まれる算出方法は、アースオーガヘッドを取り付けた掘削機で掘削した対象土の強度特性値の算出方法であって、掘削機の掘削抵抗を算出するステップと、アースオーガヘッドの掘削端に取り付けられた掘削刃の対象土への貫入深さを測定するステップと、土の強度特性と掘削機の掘削抵抗及び土の貫入深さとの関係を示すモデルと、掘削抵抗及び掘削刃の貫入深さと、に基づいて、対象土の強度特性値を算出するステップと、を含む。この算出方法は、（１）～（４）の演算装置における算出方法であるため、（１）～（４）に記載の演算装置と同様の効果を奏する。

（７）本実施の形態に含まれるコンピュータプログラムは、コンピュータに、アースオーガヘッドを取り付けた掘削機で掘削した対象土の強度特性値を算出させるプログラムであって、コンピュータに、掘削機の掘削抵抗を算出するステップと、アースオーガヘッドの掘削端に取り付けられた掘削刃の対象土への貫入深さを測定するステップと、土の強度特性と掘削機の掘削抵抗及び土の貫入深さとの関係を示すモデルと、掘削抵抗及び掘削刃の貫入深さと、に基づいて、対象土の強度特性値を算出するステップと、を実行させる。このコンピュータプログラムは、コンピュータを（１）～（４）の演算装置として機能させるものであるため、（１）～（４）に記載の演算装置と同様の効果を奏する。

［２．演算装置、掘削装置、算出方法、及び、コンピュータプログラムの例］

＜掘削装置の構成＞
図１は、本実施の形態にかかる掘削装置１００の構成を説明するための概略図である。図１を参照して、掘削装置１００は、掘削機３を含む。掘削機３は、図示しない操作部などを含む。

掘削機３にはアースオーガヘッド１が着脱可能である。アースオーガヘッド１は、回転可能なヘッド本体２を有する。ヘッド本体２は、固定軸２２を有し、固定軸２２の基端側が掘削機３に取り付けられる。固定軸２２には、軸方向にらせん状に延びるスクリュー２１が設けられている。固定軸２２の掘削端には、掘削刃２３が設けられている。

掘削装置１００は、掘削機３に電気的に接続された演算装置５を含む。演算装置５は、一般的なＰＣ（パーソナルコンピュータ）などからなる。掘削機３は、ヘッド本体２を回転駆動させるための駆動部３１を有する。駆動部３１はモータＭＯを含む。モータＭＯは、電気駆動のモータ、又は、油圧駆動のモータである。

掘削中のモータＭＯの負荷が演算装置５に入力される。以下の例では、モータＭＯが電気駆動のモータであるものとする。この場合、掘削中のモータＭＯの負荷はモータＭＯにかかる負荷電流の値であり、その値を示す電気信号（第１の信号）が演算装置５に入力される。

また、駆動部３１には図示しないエンコーダなどの、固定軸２２の回転量を検出するセンサが接続されている。回転量は、回転距離、回転角度、などである。センサで検出された固定軸２２の回転量は電気信号（第２の信号）に変換されて、演算装置５に入力される。

また、掘削機３は、掘進量を検出する、図示しないセンサを含む。掘進量は、たとえば、固定軸２２の軸方向の進行距離である。センサで検出された掘進量は電気信号（第３の信号）に変換されて、演算装置５に入力される。

＜演算装置＞
掘削装置１００に含まれる演算装置５は、掘削機３によって対象土を掘削中に得られる情報を用いて対象土の強度特性値を算出する。強度特性値は、たとえば、粘着力ｃ及び内部摩擦角φなどである。

図２は、演算装置５の構成の一例を示した図である。図２を参照して、演算装置５は、制御部５１を含む。制御部５１はＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む。制御部５１のＣＰＵは、１又は複数の大規模集積回路（ＬＳＩ）を含む。複数のＬＳＩを含むＣＰＵでは、複数のＬＳＩが協働してＣＰＵの機能を実現する。

演算装置５は、記憶部５２を含む。記憶部５２は、１又は複数のプログラムからなるアプリケーション５３を記憶している。制御部５１のＣＰＵは、記憶部５２に記憶されているアプリケーション５３を読み出して、各種処理を実行可能である。アプリケーション５３は、ＣＤ－ＲＯＭやＤＶＤ－ＲＯＭなどの記録媒体に記録した状態で譲渡することもできるし、サーバコンピュータなどのコンピュータ装置からのダウンロードによって譲渡することもできる。

記憶部５２は、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、又は、ＲＯＭなどの不揮発性のメモリ素子と、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの揮発性のメモリ素子とを含む。不揮発性のメモリ素子は、アプリケーション又はアプリケーション５３の実行に必要なデータなどを記憶する記憶領域を有する。

演算装置５は、入力部５４を含む。入力部５４は、対象土を掘削中の掘削機３から入力される情報を受け付け、入力された情報を制御部５１に入力する。

演算装置５は、表示部５５を含む。制御部５１は、アプリケーション５３に従って表示用データを生成し、表示部５５に表示させる。

＜土の強度特性値の演算処理＞
図３は、制御部５１が実行する強度特性値の演算処理を表わしたブロック図である。図３を参照して、演算処理は測定処理５１１を含む。測定処理５１１は、掘削刃の貫入深さｄを測定する処理である。

掘削刃の貫入深さｄは、掘削刃が土に貫入している深さであり、たとえば、固定軸２２の１回転あたりの掘進量として測定される。制御部５１は、一例として、第３の信号から得られる固定軸２２の掘削機３の掘進量を、第２の信号から得られる固定軸２２の回転量で除することで、１回転あたりの掘進量、すなわち、掘削刃の貫入深さｄを測定する。

他の例として、制御部５１は、第２の信号から固定軸２２の回転を監視し、第３の信号から、固定軸２２が監視の開始点から１回転した時点までの掘削機３の掘進量を測定することで掘削刃の貫入深さｄを測定してもよい。

図４は、掘削刃の貫入深さｄを説明するための図である。図を参照して、掘削刃２３が固定軸２２の中心軸Ｏを中心にして時計回りに回転することによって、掘削刃２３は、図においてＡＥＦＡＤＣで示される三角柱の土を破壊部として掘削する。

平面ＡＢＤＥは水平面であって、辺ＥＤがスクリュー２１の表面上、辺ＦＣが掘削刃２３の先端２３ａに一致している。すなわち、面ＥＦＣＤは、スクリュー２１の表面と一致している。掘削刃の貫入深さｄは、掘削刃２３の先端２３ａに一致した点Ｃから、平面ＡＢＤＥ上の辺ＢＤまでの距離、つまり、図において点Ｃから辺ＢＤに降ろした垂線の長さである。

なお、掘削機３において掘進速度が一定に制御されている場合、設定されている掘進速度に基づいて、たとえば固定軸２２の１回転あたりの掘進量などである掘削刃の貫入深さｄが算出されてもよい。

演算処理は第１演算処理５１２を含む。第１演算処理５１２は、掘削機３の掘削抵抗を算出する処理である。掘削抵抗は、たとえば、固定軸２２の掘削端の回転方向の抵抗（先端回転掘削トルク）Ｍである。先端回転掘削トルクＭを算出するために、制御部５１は、掘削機３から入力された第１の信号が示す負荷電流の値から、たとえば、単位時間当たりの電流値の変化量、又は、電流値と掘削時間との積分値である積分電流値の単位時間当たりの変化量、などを算出し、その値から回転掘削トルクＭ１を算出する。

第１の信号から算出される回転掘削トルクＭ１は、掘削時のヘッド本体２にかかる抵抗に相当する。掘削時のヘッド本体２にかかる抵抗には、掘削端以外の面と周辺地盤との間の摩擦など、先端回転掘削トルクＭ以外の他の抵抗が含まれる場合がある。図５は、ヘッド本体２にかかる抵抗（全抵抗Ｒ）を説明するための図である。図を参照して、全抵抗Ｒは、下の式（１）で表される。
Ｒ＝Ｒｓ＋Ｒｆ＋Ｒｔ …式（１）
ただし、各抵抗Ｒｓ，Ｒｆ，Ｒｔは、下のように定義される。
Ｒｓ：スクリュー２１上の土の自重による抵抗
Ｒｆ：排土抵抗
Ｒｔ：先端掘削抵抗

なお、排土抵抗Ｒｆは、図中の矢印ａで示される、スクリュー２１側面と孔壁との摩擦、矢印ｂで示される、スクリュー２１上の土と孔壁との摩擦、及び、矢印ｃで示される、スクリュー２１上面とスクリュー２１上の土との摩擦、を含む。

そこで、演算装置５は、上記式（１）より、全抵抗Ｒから排土抵抗Ｒｆ及びスクリュー２１上の土の自重による抵抗Ｒｓを減じて先端掘削抵抗Ｒｔを算出することによって（Ｒｔ＝Ｒ－Ｒｆ－Ｒｓ）、回転掘削トルクＭ１から先端回転掘削トルクＭを算出する。

排土抵抗Ｒｆ及びスクリュー２１上の土の自重による抵抗Ｒｓは、一例として試験によって得られる。図６は、抵抗Ｒｆ及び抵抗Ｒｓを求める試験の概要を表した図であって、（Ａ），（Ｂ）,（Ｃ）の順に試験の流れを表している。図を参照して、固定軸２２を回転させて通常の掘削を行う（Ａ）。ある程度、掘削を進めたところで、掘進を停止する（Ｂ）。その状態で掘進せずに回転を継続させる（空回りさせる）ことによって（Ｃ）、固定軸２２の掘削端に設けられた掘削刃２３に掘削土がない状態でスクリュー２１が回転する。つまり、この状態では、ヘッド本体２に対して先端掘削抵抗Ｒｔがかからず、排土抵抗Ｒｆ及びスクリュー２１上の土の自重による抵抗Ｒｓのみかかる。したがって、この状態における抵抗値を測定し、その値を掘進時の全抵抗Ｒから減じることによって、排土抵抗Ｒｆ及びスクリュー２１上の土の自重による抵抗Ｒｓを排した先端掘削抵抗Ｒｔを得ることができる。

そこで、演算装置５は、一例として図６の試験で得られた抵抗値を記憶しておき、第１の信号から算出される回転掘削トルクＭ１に相当する全抵抗Ｒから減じることで、先端回転掘削トルクＭを得る。

強度特性値の演算処理は第２演算処理５１３を含む。第２演算処理５１３は、算出された先端回転掘削トルクＭ、及び、測定された掘削刃の貫入深さｄから、粘着力ｃ及び内部摩擦角φである対象土の強度特性値を算出する処理である。第２演算処理５１３において、制御部５１は、算出された先端回転掘削トルクＭ、及び、測定された掘削刃の貫入深さｄの関係を、下の式（２）で近似する。
Ｍ＝ｆ１（ｃ，φ）ｄ²＋ｆ２（ｃ，φ）ｄ …式（２）

また、制御部５１は、下の式（３）で示される先端回転掘削トルクＭの定式（モデル）を記憶している。先端回転掘削トルクＭの定式は、土の強度特性値の式を係数とした掘削刃の貫入深さｄの関数で表される、式（３）で示される式である。定式は、本願発明者が、Ｍｃｋｙｅｓ及びＡｌｉが１９６７年に発表した「『平刃掘削』における３次元掘削モデルの理論式」を拡張して得た式である。
Ｍ＝Ｄ１（ｃ，φ）ｄ²＋Ｄ２（ｃ，φ）ｄ …式（３）
Ｄ１（ｃ，φ）＝｛γｂ／２・（ｂ／２＋ｂ１）（ｃｏｔα＋ｃｏｔβ）｝／｛ｃｏｔ（α＋δ）＋ｃｏｔ（β＋φ）｝＋（ｂ＋ｂ１）／２・（ｃｏｔα＋ｃｏｔβ）・（Ｋｏ・γ・ｚ・ｔａｎφ＋ｃ）
Ｄ２（ｃ，φ）＝（ｂ／２＋ｂ１）・ｂ（１＋ｃｏｔβｃｏｔ（β＋φ））ｃ／｛ｃｏｔ（α＋δ）＋ｃｏｔ（β＋φ）｝
ただし、各パラメータは下のように定義される。
α：掘削刃と地表面とがなす角（ｄｅｇ）
β：破壊面と地表面とがなす角（ｄｅｇ）
φ：土の内部摩擦角（ｄｅｇ）
δ：土と刃との摩擦角（ｄｅｇ）
γ：土の単位体積重量（ｋＮ／ｍ³）
ｂ：オーガの固定軸の軸径（ｃｍ）
ｂ１：掘削刃幅（ｃｍ）
ｄ：掘削刃の貫入深さ（ｃｍ）
ｚ：掘削深さ（ｍ）
Ｋｏ：静止土圧係数

制御部５１は、上記の式（２）,（３）を用いて、算出された先端回転掘削トルクＭ、及び、測定された掘削刃の貫入深さｄから、粘着力ｃ及び内部摩擦角φを算出する。具体的な算出方法については後述する。

好ましくは、強度特性値の演算処理は、表示処理５１４を含む。好ましくは、表示処理５１４は、第２演算処理５１３によって得られた粘着力ｃ及び内部摩擦角φを、掘削装置１００に含まれる図示しないディスプレイなどの表示装置に表示する処理である。表示装置は、演算装置５に搭載されていてもよいし、掘削機３に搭載されていてもよいし、演算装置５と電気的に接続された、独立した装置であってもよい。

＜処理フロー＞
図７は、本実施の形態において、制御部５１で実行される強度特性値の演算処理の流れの一例を表わしたフローチャートである。図を参照して、始めに、制御部５１は、ある深度（対象位置と称する）の対象土を掘削中の掘削機３から、掘削中に得られる状態を示す信号の入力を受け付ける（ステップＳ１０１）。

制御部５１は、ステップＳ１０１で入力した第１の信号が示す負荷電流の値から単位時間当たりの電流値の変化量を算出し、その値から回転掘削トルクＭ１を算出する。次に、その位置で掘進を停止して固定軸２２を回転させ（空回りさせ）、その状態での掘削機３からの第１の信号より排土抵抗Ｒｆ及びスクリュー２１上の土の自重による抵抗Ｒｓを算出する。そして、回転掘削トルクＭ１を変換することで得られた全抵抗Ｒから抵抗Ｒｆ及び抵抗Ｒｓを減じて、対象位置での先端回転掘削トルクＭを算出する（ステップＳ１０３）。

その後、演算装置５は、対象位置から掘進を開始した掘削機３からの第２、第３の信号から、対象位置からの掘進直後における掘削刃の貫入深さｄを測定する（ステップＳ１０５）。制御部５１は、様々な深度を対象位置として各対象位置で先端回転掘削トルクＭ、及び、掘削刃の貫入深さｄを算出する。

制御部５１は、各対象位置における掘削機３からの信号より算出した先端回転掘削トルクＭ、及び、測定した貫入深さｄの関係を、上記の式（２）で近似する（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７では、一例として、制御部５１は、先端回転掘削トルクＭを縦軸、貫入深さｄを横軸として、各対象位置で算出された先端回転掘削トルクＭ、及び、測定した貫入深さｄで示される点をプロットし、式（２）で表される近似曲線を得る。

制御部５１は、ステップＳ１０７で得られた近似式と、上記の式（３）とのｄ²の係数項を比較する。ここで、パラメータα（掘削刃と地表円とがなす角（ｄｅｇ））、β（破壊面と地表面とがなす角（ｄｅｇ））、及び、δ（土と刃との摩擦角（ｄｅｇ））は既知であるので、他のパラメータを変化させることによって、粘着力ｃ及び内部摩擦角φの値の組み合わせを得る。そして、得られた粘着力ｃ及び内部摩擦角φの値の組み合わせをプロットし、近似曲線Ａを得る（ステップＳ１０９）。

制御部５１は、ステップＳ１０７で得られた近似式と、上記の式（３）とのｄの係数項を比較することで、ステップＳ１０９と同様にして、近似曲線Ｂを得る（ステップＳ１１１）。

制御部５１は、ステップＳ１０９で得られた近似曲線Ａと、ステップＳ１１１で得られた近似曲線Ｂとの交点で示される値を、粘着力ｃ及び内部摩擦角φと決定する（ステップＳ１１３）。制御部５１は、ステップＳ１１３で決定した粘着力ｃ及び内部摩擦角φを図示しない表示装置に表示させる（ステップＳ１１５）。

＜実施の形態の効果＞
掘削装置１００では、様々な深度の対象土を掘削中の掘削機３の状態から算出された掘削抵抗、及び、測定された掘削刃の貫入深さと、予め記憶している、土の強度特性値の式を係数とした掘削刃の貫入深さの関数で表される先端回転掘削トルクＭのモデルと、から対象土の強度特性値を算出することができる。そのため、従来の算出方法のように、標準貫入試験（第１ステップ）及びアースオーガ掘削（第２ステップ）の両ステップで算出する必要がなく、アースオーガ掘削時のみで土の強度特性値を算出することができる。そのため、支持層であるか否かの確認を容易に行うことができる。

［実施例］
図８は、発明者らによる実験によって得られた先端回転掘削抵抗の値と、掘削刃の貫入深さｄ（変位）の値とをプロットしたものである。この実験では、試料として粒径２．０ｍｍ以下、含水比１０％の真砂土を用いた。掘削距離は９００ｍｍで、この真砂土の相対密度は、０～６００ｍｍの深さが７０％、６００～９００ｍｍの深さが１００％であった。この試料を、掘削速度を１０ｍｍ／ｓ、固定軸２２の回転速度を６０ｒ．ｐ．ｍ．、回転継続時間１０ｓとした掘削機３で掘削した場合の掘削機３から掘削中のモータＭＯにかかる負荷電流の値を示す信号を用いて、先端回転掘削抵抗の値と、掘削刃の貫入深さｄの値とを算出した。

図８の曲線は、これらのプロットから、得られた近似曲線（理論線）である。発明者らは、この近似曲線を上記式（２）に示される近似式に当てはめることで、ｄ²の係数項、及び、ｄの係数項を得た。この近似曲線から得られた式（２）と上記の式（３）とのｄ²の係数項、及び、上記の式（３）とのｄの係数項を比較することで、発明者らは、以下の粘着力ｃ及び内部摩擦角φを得た。
ｃ＝２５ｋｐａ
φ＝４０ｄｅｇｒｅｅ

この実験から、掘削中のモータにかかる負荷電流の値から算出された掘削抵抗、及び、測定された掘削刃の貫入深さと、予め記憶している、土の強度特性値の式を係数とした掘削刃の貫入深さの関数で表される、先端回転掘削トルクＭの定式と、から、土の強度特性値を算出することができることが検証された。その結果、これら土の強度特性値を得るためにはアースオーガ掘削のみでよく、標準貫入試験を不要とできることが検証された。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。

１アースオーガヘッド
２ヘッド本体
３掘削機
５演算装置
２１スクリュー
２２固定軸
２３掘削刃
２３ａ掘削刃の先端
３１駆動部
５１制御部
５２記憶部
５３アプリケーション
５４入力部
５５表示部
１００掘削装置
５１１測定処理
５１２第１演算処理
５１３第２演算処理
５１４表示処理

Claims

掘削端に掘削刃を有するアースオーガヘッドを取り付け可能な掘削機に電気的に接続される演算装置であって、
土の強度特性と前記掘削機の掘削抵抗及び前記土の貫入深さとの関係を示すモデルを予め記憶しており、
対象土の掘削中の前記掘削機の掘削抵抗を算出し、
前記対象土の掘削中の前記掘削刃の前記対象土への貫入深さを測定し、
前記掘削抵抗及び前記掘削刃の貫入深さと、前記モデルとに基づいて、前記対象土の強度特性値を算出し、
前記強度特性値は、粘着力及び内部摩擦角を含む、演算装置。
算出された前記掘削抵抗を測定された前記掘削刃の貫入深さを用いた近似式で表し、前記近似式の前記掘削刃の貫入深さの係数と前記モデルにおける掘削刃の貫入深さの係数とを比較することによって、前記対象土の強度特性値を算出する
請求項１に記載の演算装置。
掘削端に掘削刃を有するアースオーガヘッドを取り付け可能な掘削機に電気的に接続される演算装置であって、
土の強度特性と前記掘削機の掘削抵抗及び前記土の貫入深さとの関係を示すモデルを予め記憶しており、
対象土の掘削中の前記掘削機の掘削抵抗を算出し、
前記対象土の掘削中の前記掘削刃の前記対象土への貫入深さを測定し、
算出された前記掘削抵抗を測定された前記掘削刃の貫入深さを用いた近似式で表し、前記近似式の前記掘削刃の貫入深さの係数と前記モデルにおける掘削刃の貫入深さの係数とを比較することによって、前記対象土の強度特性値を算出する、演算装置。
算出された前記掘削抵抗から、排土抵抗及び前記アースオーガヘッドのスクリュー上の土の自重による抵抗を除いて、前記強度特性値の算出に用いる
請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の演算装置。
掘削端に掘削刃を有するアースオーガヘッドを取り付け可能な掘削機と、
前記掘削機に電気的に接続された、請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の演算装置と、を備える
掘削装置。
アースオーガヘッドを取り付けた掘削機で掘削した対象土の強度特性値の算出方法であって、
前記掘削機の掘削抵抗を算出するステップと、
前記アースオーガヘッドの掘削端に取り付けられた掘削刃の前記対象土への貫入深さを測定するステップと、
土の強度特性と前記掘削機の掘削抵抗及び前記土の貫入深さとの関係を示すモデルと、前記掘削抵抗及び前記掘削刃の貫入深さと、に基づいて、前記対象土の強度特性値を算出するステップと、を含み、
前記強度特性値は、粘着力及び内部摩擦角を含む
算出方法。
アースオーガヘッドを取り付けた掘削機で掘削した対象土の強度特性値の算出方法であって、
前記掘削機の掘削抵抗を算出するステップと、
前記アースオーガヘッドの掘削端に取り付けられた掘削刃の前記対象土への貫入深さを測定するステップと、
算出された前記掘削抵抗を測定された前記掘削刃の貫入深さを用いた近似式で表し、前記近似式の前記掘削刃の貫入深さの係数と、土の強度特性と前記掘削機の掘削抵抗及び前記土の貫入深さとの関係を示すモデルにおける掘削刃の貫入深さの係数と、を比較することによって、前記対象土の強度特性値を算出するステップと、を含む
算出方法。
コンピュータに、アースオーガヘッドを取り付けた掘削機で掘削した対象土の強度特性値を算出させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記掘削機の掘削抵抗を算出するステップと、
前記アースオーガヘッドの掘削端に取り付けられた掘削刃の前記対象土への貫入深さを測定するステップと、
土の強度特性と前記掘削機の掘削抵抗及び前記土の貫入深さとの関係を示すモデルと、前記掘削抵抗及び前記掘削刃の貫入深さと、に基づいて、前記対象土の強度特性値を算出するステップと、を実行させ、
前記強度特性値は、粘着力及び内部摩擦角を含む
コンピュータプログラム。
コンピュータに、アースオーガヘッドを取り付けた掘削機で掘削した対象土の強度特性値を算出させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記掘削機の掘削抵抗を算出するステップと、
前記アースオーガヘッドの掘削端に取り付けられた掘削刃の前記対象土への貫入深さを測定するステップと、
算出された前記掘削抵抗を測定された前記掘削刃の貫入深さを用いた近似式で表し、前記近似式の前記掘削刃の貫入深さの係数と、土の強度特性と前記掘削機の掘削抵抗及び前記土の貫入深さとの関係を示すモデルにおける掘削刃の貫入深さの係数と、を比較することによって、前記対象土の強度特性値を算出するステップと、を実行させる
コンピュータプログラム。