JP7450454B2 - 土質評価方法 - Google Patents

Description

この発明は、地盤改良工事等において、その工事現場の土質を評価するための土質評価方法に関する。

地盤改良や土質改良のための工事、杭や地中連続壁を形成するための工事等の様々な建設工事においては、地盤を形成する土砂の粒度、含水比、土の種類等の土質情報を把握することが重要である。例えば、地盤改良や土質改良のための工事においては、粒度による粘性土や砂質土の違いや含水比は、添加剤の種類や添加量、及び、発現する強度等に大きく影響する。また、杭や地中連続壁を形成するための工事においては、掘削に伴って生じた土砂が、掘削時の孔壁安定性を保つために使用される泥水（安定液）に混入するため、土質が泥水の性状に大きく影響する可能性がある。このように、土質情報は工事設計を行う上で最も重要な情報の一つといえる。

従来、これらの土質を評価するために、ボーリング等により土を一定量採取して、土粒子密度、粒度分布、含水比等を測定する方法が採用されてきた。この方法は、地盤工学会等で測定方法が規定されており、広範に利用されているが、測定結果の判明に日数を要する（通常１～７日間程度）。このため、土質情報をタイムリーに得ることが難しく、作業現場内で平面方向又は深度方向に亘って土質が変化する場合は、ボーリング調査等による評価結果と実際の土質の間に差異が生じ、施工に支障をきたす虞があった。

この土質情報を作業現場で簡便にかつ迅速に得るために、例えば下記特許文献１に示す構成においては、シールド掘削機による掘削土を直接採取して礫分を選別除去したのち撹拌・分散し、この分散した試料をレーザー回折式粒度試験装置で計測して粒度を測定している。

特開平７－２２４５８８号公報

特許文献１に係る各装置においては、計測に先立って、選別除去、撹拌・分散の各処理を行う必要があるため、これらの各処理が非常に煩雑である。また、この方法では、粒度に関する情報しか得ることができず、建設工事のための土質情報としては不十分である。

そこで、この発明は、作業現場において必要十分な土質情報を簡便かつ迅速に取得することを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明においては、
試料土に向けて特定の偏光状態に偏光させたレーザー光を照射する照射工程と、
前記試料土によって反射され、前記特定の偏光状態から変化した偏光状態のレーザー光を検出する検出工程と、
予めデータとして保有する土質情報と前記偏光状態に係る情報との間の対応関係に基づいて、前記検出工程において検出されたレーザー光の偏光状態に係る情報から前記試料土の土質情報を分別評価する評価工程と、
を備えた土質評価方法を構成した。

このようにすると、予めデータとして保有する土質情報を充実させておくことによって、検出工程によって検出されたレーザー光の偏光状態から、前記データに対応する種々の土質情報を簡便かつ迅速に取得することができる。また、試料土に直接レーザー光を当てるだけでよく、上記の特許文献１に記載されているように試料土を撹拌・分散させる等の処理が不要であるため、土質評価のための作業をスムーズに進めることができる。

前記構成においては、
前記試料土による反射後のレーザー光の光路中に、特定の偏光成分のレーザー光のみを通過させる検光子が設けられており、前記検光子をその光軸周りに回転させたときの通過光量の周期的変化に基づいてその偏光状態が検出され、
前記偏光状態に係る情報が、前記周期的変化から導出される楕円偏光の方位角、又は、受光強度の少なくとも一方である構成とするのが好ましい。

このようにすると、楕円偏光の方位角、又は、受光強度の少なくとも一方から、試料土の土質情報を定量的に評価することができる。

前記各構成においては、前記土質情報が、前記試料土の種類、粒度、又は、含水比の少なくとも１つである構成とするのが好ましい。

このようにすると、試料土の種類、粒度、又は、含水比という工事に大きな影響を与える土質情報に基づいて、工事設計を合理的に行うことができ、その工事の信頼性を一層高めることができる。

上記のように、この発明は、予めデータとして保有する土質情報と、試料土によって反射されたレーザー光の偏光状態に係る情報から、前記データに対応する必要十分な土質情報を簡便かつ迅速に取得することができる。

この発明に係る土質評価方法に用いられる土質評価装置の構成の一実施形態を示す概略図 図１に示す土質評価装置を用いて土の種類の評価を行った結果を示す図 図１に示す土質評価装置を用いて真砂土の粒度評価を行った結果を示す図 図１に示す土質評価装置を用いて標準砂の粒度評価を行った結果を示す図 図１に示す土質評価装置においてレーザー光の照射角度を変更した状態を示す概略図 図５に示す土質評価装置を用いて土の含水比評価を行った結果を示す図 図５に示す土質評価装置を用いて泥水の比重評価を行った結果を示す図 図５に示す土質評価装置の変形例を示す概略図

この発明に係る土質評価方法に用いられる土質評価装置の構成の一実施形態を図１に示す。この土質評価装置は、レーザー光源１、光ファイバー２、偏光子３、検光子４、光検出デバイス５、及び、評価手段６を主要な構成要素とする、回転検光子型のエリプソメトリー測定装置である。

レーザー光源１は、連続発振（ＣＷ）する半導体レーザー（Ｏｍｉｃｒｏｎ社製ＬｕｘＸ７８５、波長７８５ｎｍ、出力１２０ｍＷ）である。このレーザー光源１からは、直線偏光のレーザー光Ｌが出射される。レーザー光源１は、上記に限定されず、他の半導体レーザーや、ヘリウムネオンレーザー等の他の種類のレーザー光源１を使用できる場合もある。

レーザー光源１から出射したレーザー光Ｌは、光ファイバー２の一端に入射する。この光ファイバー２は、偏光状態を保持しないマルチモードファイバーである。このため、レーザー光源１から出射した直線偏光は、この光ファイバー２を通ることによりその偏光状態が失われ、ランダム偏光として光ファイバー２の他端から出射する。

光ファイバー２の他端から出射したレーザー光Ｌは、レンズ（図示せず）によってコリメート（光束を平行化）された後に、偏光子３を通過する。この偏光子３は、グランレーザー方解石偏光子である。レーザー光Ｌが偏光子３を通過すると、光ファイバー２から出射したランダム偏光から直線偏光成分のみが取り出される。この直線偏光成分は、垂直及び水平方向に対して４５度傾斜した偏光特性を有し、かつ、シャーレに入れられた試料土Ｓの表面に対して６０度の入射角で入射するように光学系が調整されている。

試料土Ｓに上記の入射角で入射したレーザー光Ｌは、その一部がこの試料土Ｓによって反射され、この反射光は検光子４を通過する。この検光子４は、偏光子３と同じくグランレーザー方解石偏光子である。この検光子４は、特定の偏光成分のレーザー光Ｌのみを通過させる光学部品である。この検光子４は、回転機能を有するマウント台に取り付けられており、その光軸周りに自在に回転させることができる。

検光子４を通過したレーザー光Ｌは、光検出デバイス５に入射する。この実施形態においては、光検出デバイス５として、波長７８５ｎｍのレーザー光Ｌの検出に適したＳｉ－ＰＩＮフォトダイオードを採用した。この光検出デバイス５の種類は、使用するレーザー光源１の種類（波長）に対応して適宜変更することができる。

光検出デバイス５には、評価手段６が接続されている。この評価手段６は、光検出デバイス５で検出されたレーザー光Ｌの強度を記録するオシロスコープと、土質情報とレーザー光Ｌの偏光状態に係る情報との間の対応関係を予めデータとして保有するデータ格納部と、から構成される。この土質情報には、試料土Ｓの種類、粒度、又は、含水比の少なくとも１つが含まれる。また、偏光状態に係る情報として、検光子４をその光軸周りに回転させたときの通過光の周期的変化から導出される楕円偏光の方位角、又は、受光強度の少なくとも一方が含まれる。この方位角とは、周期的に変化する受光強度が最大又は最小となるときの検光子４の回転角である。

上記の土質評価装置においては、一般的には反射率が低い試料土Ｓの表面からの微弱な反射光を光検出デバイス５によって検出しなければならず、この光検出デバイス５において十分な検出感度が得られないことがある。この場合、検光子４の前又は後ろにレンズを設け、反射光を光検出デバイス５の受光面に集光することによって検出感度を高めることができる。

上記の土質評価装置を用いた土質評価方法について、図１において用いた符号を参照しつつ説明する。この土質評価方法は、照射工程、検出工程、及び、評価工程を主要な構成要素とする。

照射工程は、試料土Ｓに向けて特定の偏光状態に偏光させたレーザー光Ｌを照射する工程である。この実施形態においては、既述のように、垂直及び水平方向に４５度傾斜した直線偏光を、試料土Ｓの表面に対して６０度の入射角で入射させている。

検出工程は、試料土Ｓによって反射され、前記特定の偏光状態から変化した偏光状態のレーザー光Ｌを検出する工程である。この実施形態においては、既述のように、試料土Ｓに対し前記特定の偏光状態として直線偏光を入射している。この直線偏光は、試料土Ｓの表面の影響を受けて、偏光状態が楕円偏光に変化する。この楕円偏光に変化したレーザー光Ｌは検光子４に入射し、その偏光状態は検光子４の光軸周りの回転に連動する受光強度の周期的変化として検出される。この周期的変化に基づいて、受光強度が最大又は最小となったときの検光子４の回転角である楕円方向の方位角、及び、受光強度（最大受光強度、又は、最小受光強度）が、偏光状態に係る情報として取得される。

この検出工程においては、０度から１８０度の範囲において検光子４を４度刻みで回転させて受光強度を測定した。

評価工程は、予めデータとして保有する土質情報と偏光状態に係る情報との間の対応関係に基づいて、検出工程で検出されたレーザー光Ｌの偏光状態に係る情報から試料土Ｓの土質情報を分別評価する工程である。この実施形態においては、土質情報として、試料土Ｓの種類、粒度、及び、含水比を採用している。この評価工程においては、データとして保有する土質情報と検出工程で検出された偏光情報を作業者が対比することによって試料土Ｓの土質情報を分別評価してもよいが、前記対比をデータ処理装置によって自動化することにより、試料土Ｓの土質情報を一層迅速に得ることができる。

上記の土質評価方法によって、土質情報の一つである試料土Ｓの種類を評価したときの評価結果を図２に示す。この評価で用いた試料土Ｓは、いずれも乾燥状態のカオリナイト、笠岡粘土、真砂土、及び、標準砂の４種類である。光検出デバイス５による受光強度の周期的変化から、いずれの試料土Ｓにおいても、反射光の偏光状態は楕円偏光であることが確認できた。

この楕円偏光の方位角（ここでは、最大受光強度となる方位角）は、図中に矢印で示すように、カオリナイトが約４４度、笠岡粘土が約４８度、真砂土が約４０度、標準砂が約６６度であった。すなわち、この４種類の試料土は、方位角が４２度近傍の粘土系（カオリナイト、笠岡粘土）と、方位角が６０度を超える砂系（標準砂）に大別できる。真砂土は、砂系よりもむしろ粘土系に近い方位角を示すことが確認できた。また、最大受光強度は、最大がカオリナイトで、笠岡粘土、真砂土、標準砂の順に小さくなった。この最大受光強度の大小は、各試料土Ｓの色調（白色系、濃色系）や粒度の違い等に関連している可能性がある。この土質情報と、偏光状態に係る情報としての各試料土Ｓの方位角や最大受光強度等とを予め対応付けてデータとして保有しておくことにより、未知の試料土Ｓについての偏光状態に係る情報（方位角や最大受光強度等）から、その試料土Ｓの種類を特定することができる。

上記の土質評価装置（土質評価方法）によって、土質情報の一つである試料土Ｓの粒度を評価したときの評価結果を図３及び図４に示す。この評価で用いた試料土Ｓは真砂土（図３）と標準砂（図４）であり、これらの試料土Ｓの初期（未粉砕）のもの（粒径が約２．５ｍｍ以下）、中粉砕したもの（粒径が約２５０μｍ以下）、及び、完全粉砕したもの（粒径が約１００μｍ以下）を用いた。光検出デバイス５による受光強度の周期的変化から、いずれの試料土Ｓにおいても、反射光の偏光状態は楕円偏光であることが確認できた。

真砂土についての楕円偏光の方位角は、図３中に矢印で示すように、初期のもの及び中粉砕したものがほぼ同程度の約４０度、完全粉砕したものが約４８度であった。また、最大受光強度は、初期のもので最も小さく、粉砕が進んで粒径が小さくなるほど大きくなった。このように、試料土Ｓが真砂土の場合、初期のものと中粉砕したものは方位角のみで区別することは難しいが、最大受光強度に関する情報を併用することによって、その粒度を判定することができる。

標準砂についての楕円偏光の方位角は、図４中に矢印で示すように、初期のものが約６６度、中粉砕したものが５６度、完全粉砕したものが５２度であった。また、最大受光強度は、初期のもので最も小さく、中粉砕及び完全粉砕のものはそれよりも大きかったが、中粉砕と完全粉砕の間で顕著な差は生じなかった。このように、試料土Ｓが標準砂の場合、中粉砕のものと完全粉砕のものを最大受光強度のみで確実に区別できない虞があるが、方位角に関する情報を併用することによって、その粒度を判定することができる。

上記においては、乾燥状態の試料土Ｓについて評価を行ったが、実際の測定環境では、試料土Ｓに水分が含まれることが多い。この場合、試料土Ｓの表面の水分によって入射したレーザー光がそのまま反射し、反射光に試料土Ｓ自体の偏光情報が反映されないことがある。そこで、水分が含まれる試料土Ｓに対しては、図５に示す土質評価装置を使用した。この土質評価装置は、基本的な構成は図１に示すものと共通するが、偏光子３を通過した直線偏光成分が、垂直方向に振動する偏光成分（偏光角度が０度）のみからなる偏光特性を有し、かつ、シャーレに入れられた試料土Ｓの表面に対して水のブリュースタ角である５３．１度の入射角で入射するように光学系が調整されている点で相違する。このように光学系を調整することにより、水の表面からの反射を極力抑制することができ、試料土Ｓ自体の偏光情報を効率的に得ることができる。

図５に示す土質評価装置（土質評価方法）によって、土質情報の一つである試料土の含水比を評価したときの評価結果を図６に示す。この評価では、乾燥状態のカオリナイト、水に浸漬させたカオリナイト（カオリナイト水）、及び、水を測定対象とした。光検出デバイス５による受光強度の周期的変化から、いずれの測定対象においても、反射光の偏光状態は楕円偏光であることが確認できた。

各測定対象の楕円偏光の方位角（ここでは、最小受光強度となる方位角）は、図６中に矢印で示すように、乾燥状態のカオリナイトが約８０度、カオリナイト水が約９６度、水が約７３度であった。上記のように入射光の偏光角度を０度とするとともに、その入射角を水のブリュースタ角とすることにより、水を含有する測定対象においてその水の影響を最小限にして、その表面情報を得ることが可能である。さらに、方位角と最小受光強度に関する情報を併用することによって、含水比の評価精度を向上できる可能性がある。

図５に示す土質評価装置（土質評価方法）は、各種工事の際に孔壁を安定させるための泥水（安定液）の管理に適用することができる。この土質評価装置によって、比重の異なる泥水を評価したときの評価結果を図７に示す。光検出デバイス５による受光強度の周期的変化から、いずれの測定対象においても、反射光の偏光状態は楕円偏光であることが確認できた。泥水についての楕円偏光の方位角（ここでは、最小受光強度となる方位角）は、図７中に矢印で示すように、比重１．０２の泥水が約７６度、比重１．０５の泥水が約７５度で、いずれも水の方位角（約７３度）とは差がみられた。また受光強度は、泥水の比重が大きくなるほど増加することが確認できた。このように、図５に示す土質評価装置は、幅広い測定対象に適用可能であるといえる。

図５に示した構成においては、レーザー光源１からのレーザー光Ｌを光ファイバー２によって偏光子３に導く構成としたが、図８に示すように、レーザー光源１を偏光子３の直前に設けて、光ファイバー２を介さずにレーザー光Ｌを偏光子３に入射する構成とすることもできる。このようにすると、光ファイバー２の結合ロス、光ファイバー２を通過する際に生じる偏光解消による偏光ロス等がないため、光検出デバイス５による受光強度が向上し、評価精度の向上が期待できる。なお、図８の構成においては、レーザー光源１から出射したレーザー光Ｌの偏光状態を整えるために、レーザー光源１と偏光子３の間に１／２波長板７を設けるのが好ましい。

上記の実施形態は、いずれの点においても例示に過ぎず、作業現場において必要十分な土質情報を簡便かつ迅速に取得する、というこの発明の課題を解決し得る限りにおいて、上記で説明した構成要素に、適宜変更を加えることができる。

例えば、上記においては、偏光状態に係る情報として、楕円偏光の方位角と受光強度（最大受光強度、又は、最小受光強度）に基づいて試料土の評価を行ったが、方位角又は受光強度の一方のみに基づいて前記評価を行うことができる場合もある。また、方位角及び受光強度以外の偏光状態に係る情報を評価に採用できる可能性もある。また、回転検光子型のエリプソメトリー測定装置は土質評価装置の一例として挙げたのに過ぎず、例えば、回転補償子型、位相変調型等のように回転検光子型以外の測定方式、あるいは、単色レーザーの代わりにランプ光源等の広帯域光源を利用した分光エリプソメトリー方式の土質評価装置（土質評価方法）を採用することもできる。

１ レーザー光源
２ 光ファイバー
３ 偏光子
４ 検光子
５ 光検出デバイス
６ 評価手段
７ １／２波長板
Ｌ レーザー光
Ｓ 試料土

Claims (1)

1. 試料土（Ｓ）に向けて直線偏光状態に偏光させたレーザー光（Ｌ）を照射する照射工程と、
   前記試料土（Ｓ）によって反射され、前記直線偏光状態から変化した偏光状態のレーザー光（Ｌ）を検出する検出工程と、
   予めデータとして保有する土質情報と前記偏光状態に係る情報との間の対応関係に基づいて、前記検出工程において検出されたレーザー光（Ｌ）の偏光状態に係る情報から前記試料土（Ｓ）の土質情報を分別評価する評価工程と、
   を備え、
   前記試料土（Ｓ）による反射後のレーザー光（Ｌ）の光路中に、特定の偏光成分のレーザー光（Ｌ）のみを通過させる検光子（４）が設けられており、前記検光子（４）をその光軸周りに回転させたときの通過光量の周期的変化に基づいてその偏光状態が検出され、
   前記偏光状態に係る情報が、前記周期的変化から導出される楕円偏光の方位角、又は、受光強度の少なくとも一方であり、
   前記土質情報としての前記試料土（Ｓ）の種類、粒度、又は、含水比の１つ又は２つが既知のときに、他の土質情報を評価することが可能な土質評価方法。

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