JP7456973B2 - 針貫入測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、針貫入測定装置に関する。

地盤等（例えば、岩盤や地盤改良体等）の強度などを確認する場合には、地盤等から採取したボーリングコアに対して、一軸圧縮試験を行うのが一般的である。しかしながら、ボーリングコアを不攪乱の状態で採取するためには熟練した技術を要する。また、採取したボーリングコアに対して一軸圧縮試験を行うには時間と手間がかかる。
そのため、非特許文献１には、地盤等の強度などを簡易に確認できる針貫入試験が開示されている。針貫入試験は、地盤等に貫入針を貫入し、貫入針の貫入長さＬと針貫入時の荷重Ｐを測定し、針貫入長さに対する荷重Ｐの比率である針貫入勾配Ｎｐ（＝Ｐ／Ｌ）を求め、この針貫入勾配から一軸圧縮強さを推定するものである。このような針貫入試験を実施するための装置として、非特許文献１には、携行型形式の試験機と机上型形式の試験機が開示されている。このうち、携行型試験機では、貫入針を保持する針チャック部が持ち手部分の内部に設けられたコイルばねと接続されており、貫入針を供試体に貫入する際の荷重に比例してコイルばねが圧縮される。持ち手部分を保持した状態で貫入針を供試体に押し当て、貫入針が供試体に貫入した際のコイルバネの縮みから貫入時の最大荷重を検出する。机上型試験機は、架台に載置された供試体に対して、機械的に制御された貫入針を貫入するものである。また、特許文献１には、地盤から採取したボーリングコアに対して針を貫入して硬さを測定する装置として、ボーリングコアを収納したコア箱を配置するコア箱配置部と、コア箱配置部の上方に配設された針貫入試験機と、針貫入試験機を昇降移動操作する操作部とが設けられた針貫入試験装置が開示されている。

非特許文献１の携行型試験機を利用した針貫入試験は、手作業による測定であるため、貫入針の貫入速度や貫入角度にばらつきが生じるおそれがある。また、貫入過程での荷重変化を把握することが難しいことから、異物接触の影響や強度の変化を適切に把握できないおそれがある。
非特許文献１の机上型試験機を利用した針貫入試験は、架台への供試体の設置に手間がかかる。また、測定対象物が改良土の場合、養生期間を経て強度が発現されるため、所定の養生期間（例えば、材齢７日、材齢２８日等）が経過した供試体ごとに測定を行う場合がある。その際には、供試体を多数準備する必要があり、供試体の作成に手間がかかる。また、複数の供試体に対して測定を行う場合、供試体ごとにばらつきが生じるおそれがある。
特許文献１の針貫入試験装置は、原地盤から採取してコア箱に収納されたボーリングコアのみを対象としており、測定対象が限定されている。そのため、例えば改良地盤の地表面や岩盤の露頭等では測定することができない。また、ボーリングコアの採取には手間がかかる。

地盤工学会基準、基準番号：ＪＧＳ３４３１－２０１２、規格・基準名：針貫入試験方法

特開２０２０－００３３３５号

本発明は、測定対象の形状や位置等に限定されることなく、針貫入時の速度や角度にばらつきが生じることがないように測定することで、簡易かつ定量的に針貫入試験を実施することを可能とする針貫入測定装置を提案することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明は、測定対象に貫入針を貫入させて前記測定対象の硬さを測定する針貫入測定装置である。本発明の針貫入測定装置は、把持部を有する装置本体と、前記装置本体に設けられた貫入機構と、前記装置本体の側面に設けられた位置決め部材とを有している。前記貫入機構は、前記装置本体に対して進退可能に設けられた前記貫入針と、前記貫入針を移動させるための動力を供給する動力源と、前記貫入針を前記測定対象に貫入させたときの貫入深さおよび貫入抵抗荷重を測定する測定手段とを備えている。また、前記貫入針は、把持部を把持して前記測定対象に前記装置本体を押し当てた状態で、前記装置本体の前記測定対象側の面に対して垂直方向に進退する。さらに、前記位置決め部材は、前記貫入針と同一方向に進退可能である。
かかる針貫入測定装置によれば、把持部を保持して所定の位置に装置本体を押し当てた状態で針貫入試験を実施できるため、測定対象の形状、位置、向きが限定されない。また、把持部を保持するハンディタイプであるため、取り扱いやすい。さらに、貫入針は、装置本体に対して垂直方向に移動するとともに、動力源により移動するため、貫入角度および貫入速度にばらつきが生じ難い。そのため、貫入針の貫入深さや貫入抵抗荷重を精度良く測定することが可能となる。

また、前記装置本体の側面に、前記貫入針と同一方向に進退可能に設けられた位置決め部材を備えているため、測定対象が円柱状の供試体の場合であっても、地面に対して直接測定する場合であっても、位置決め部材を利用することで、同一の装置を利用して測定することができる。
なお、前記測定手段の測定結果を外部端末に送信する通信手段を備えていれば、測定結果を外部端末（パソコンやサーバーなど）に転送できるので、離れた場所においてもリアルタイムでデータを管理できる。
さらに、針貫入測定装置が、前記測定手段の測定結果を記録するデータ記録手段を備えていれば、外部端末などに測定結果を転送せずとも、データを保存できる。

本発明の針貫入測定装置によれば、測定対象の形状や位置等に限定されることなく、針貫入時の速度や角度にばらつきが生じることがないように測定することで、簡易かつ定量的な針貫入試験を実施することが可能となる。

本発明の実施形態に係る針貫入測定装置を利用した針貫入試験の測定状況を示す斜視図である。 針貫入測定装置を示す図であって、（ａ）は横断図、（ｂ）は縦断図である。 円柱状の供試体に対する針貫入試験の測定状況を示す斜視図である。

本実施形態では、原位置において地盤に固化材を混合してなる改良地盤Ｇの強度を確認する場合について説明する。本実施形態では、図１に示すように、携行型の針貫入測定装置１を利用して、測定対象地盤（改良地盤Ｇ）に対して貫入針３２を貫入させて硬さを測定する針貫入試験を行う。図１は、本実施形態の針貫入測定装置１の使用状況を示す図である。図２に針貫入測定装置１を示す。図２（ａ）は図１のＸ－Ｘ断面図、図２（ｂ）はＹ－Ｙ断面図である。
針貫入測定装置１は、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、装置本体２と貫入機構３と通信手段４とデータ記録手段５とを備えていて、測定者が携行可能な大きさと重さを有している。

装置本体２は、貫入機構３を支持する筐体である。本実施形態の装置本体２は、側面を囲う側板２１，２１，…と、上面を覆う天板２２とにより平面視矩形状の箱型を呈している。本実施形態の装置本体２の下面は開口しているが、貫入針３２を挿通するための開口が形成された底板を設けてもよい。各側板２１，２１，…の高さは同一であり、装置本体２の底面は平らである。

装置本体２には、把持部６が形成されている。本実施形態の把持部６は、天板２２の上面に両端が固定された門型の部材からなる。本実施形態の把持部６は、測定者が片手で握ることが可能な太さ（幅および厚さ又は外径）を有している。把持部６は、Ｃ字状またはコ字状を呈しており、把持部６の両端は天板２２に固定されている。

また、装置本体２の対向する一対の側板２１，２１の外面（側面）には、位置決め部材７が設けられている。位置決め部材７は、側板２１に沿って上下方向（装置本体２の下面と直交する方向）に進退可能である。本実施形態の位置決め部材７の下端部には、弧状の凹部７１が形成されている。位置決め部材７は、下降可能であり、凹部７１の頂点と側板２１の下端面との高さが一致する（あるいは同等となる）位置まで下降すると、それ以上の下降が停止されるように構成されている。また、位置決め部材７は、側板２１よりも下側に突出させた際に、任意の位置で固定することが可能に構成されている。

貫入機構３は、装置本体２に収納されている。貫入機構３は、装置本体２に対して進退可能な駆動部３１と、駆動部３１に支持された貫入針３２と、駆動部３１（貫入針３２）を移動させるための動力を供給する動力源３３と、貫入針３２を測定対象（改良地盤Ｇ）に貫入させたときの貫入深さおよび貫入抵抗荷重を測定する測定手段３０とを備えている。
駆動部３１は、動力源３３の動力より、側板２１の内面に設けられたレール３４に沿って上下に移動する。レール３４は、装置本体２の対向する一対の側板２１，２１の互いに対向する面にそれぞれ形成されており、装置本体２の底面に直交する方向に延設されている。駆動部３１の側面には、レール３４と係合する係合部材３５が配置されている。すなわち、駆動部３１および貫入針３２は、レール３４に沿って係合部材３５が摺動することで、装置本体２の底面に対して直交する方向に移動する。駆動部３１の駆動を制御するスイッチ３６は、把持部６に設けられている。針貫入試験を行う際には、測定者が把持部６を握った状態で、スイッチ３６を操作することにより、測定を開始させる。
貫入針３２は、駆動部３１の下端から突出している。貫入針３２は、駆動部３１の進行方向に沿って延設されている。貫入針３２には、例えばもめん針２号（φ０．８４ｍｍまたは０．８９ｍｍ、長さ５４．５±１．４ｍｍ）を使用することができる。
動力源３３は、装置本体２内に収納されたモーターである。本実施形態の動力源３３は、ギヤ３７に接続された出力軸３８を有している。駆動部３１の側面には、ギヤ３７と歯合するラック３９が形成あるいは固定されていて、駆動部３１と動力源３３は、ギヤ３７とラック３９を介して連結されている。動力源３３を駆動させると、出力軸３８を介してギヤ３７が回転し、ギヤ３７の回転力がラック３９を介して伝達されることで、駆動部３１および貫入針３２がレール３４に沿って摺動する。これにより貫入針３２が、規定の速度で装置本体２の下端から進退して、測定対象面（改良地盤Ｇ）に貫入・引抜きが行われる。

測定手段３０は、いわゆるロードセルであって、貫入針３２を測定対象（本実施形態では改良地盤Ｇ）へ貫入する際の貫入抵抗荷重を測定する。測定手段３０は駆動部３１の内部に設けられている。測定手段３０には、通信手段４およびデータ記録手段５に至るケーブル（図示せず）が接続されている。
データ記録手段５は、測定手段３０からケーブルを介して電気信号として送信された測定結果（貫入針３２の貫入深さや貫入抵抗荷重等）を記録する。本実施形態のデータ記録手段５は、装置本体２内に設けられているが、データ記録手段５の配置は限定されるものではなく、例えば、装置本体２外に設けられていてもよい。また、データ記録手段５はいわゆるパーソナルコンピュータやタブレット端末等であってもよい。
測定手段３０の測定結果は、通信手段４を介してパーソナルコンピュータ、タブレット端末、スマートフォン等の外部端末に送信される。通信手段４は、装置本体２内に設けられている。

針貫入測定装置１を利用した針貫入試験では、まず、測定者が把持部６を持って所定の位置に針貫入測定装置１を配置する。本実施形態では、図１に示すように、改良地盤Ｇの所定の位置に、針貫入測定装置１を載置する。針貫入測定装置１を所定の位置に配置したら、把持部６を介して装置本体２の底面（下端面）を改良地盤Ｇ（測定対象面）に押し当てた状態で、スイッチ３６を操作して、動力源３３を起動させる。動力源３３が起動すると、駆動部３１が下降して、貫入針３２が改良地盤Ｇ（装置本体２の下端）に対して垂直に貫入し、貫入針３２の貫入深さおよび貫入抵抗荷重が測定される。貫入針３２は、例えば２０ｍｍ／ｍｉｎの貫入速度により改良地盤Ｇに貫入させる。そして、貫入針３２の貫入深さが１０ｍｍに達した際の貫入抵抗荷重、あるいは、貫入抵抗荷重が最大に達した時点の貫入深さを測定する。貫入深さおよび貫入抵抗荷重の測定値は、データ記録手段５に記録されるとともに、通信手段４を介して外部端末に送信される。外部端末では、測定結果をリアルタイムで確認できる。
針貫入試験が終了したら、針貫入測定装置１を移動させて、他の測定箇所において同様に針貫入試験を行う。
なお、外部端末では、貫入針３２の貫入長さＬに対する荷重Ｐの比率である針貫入勾配Ｎｐ（＝Ｐ／Ｌ）を求め、この針貫入勾配から改良地盤Ｇの一軸圧縮強さを推定する。

針貫入試験を、改良地盤Ｇ等から採取した供試体ＴＰに対して実施する場合には、図３に示すように、位置決め部材７を装置本体２の下端よりも下側に突出させて、凹部７１に供試体ＴＰを挿入した状態（凹部７１を供試体ＴＰに押し当てた状態）で、針貫入試験を行う。このとき、貫入針３２は、供試体ＴＰの表面（測定面）に対して垂直に貫入（進退）する。

本実施形態の針貫入測定装置１によれば、把持部６を保持して所定の位置に装置本体２を押し当てた状態で針貫入試験を実施できるため、測定対象の形状、位置、向きが限定されない。また、測定者が把持部６を保持した状態で測定を行うため、貫入針３２の測定対象への貫入時に必要な反力が確保されている。
また、把持部６を保持するハンディタイプであるため、取り扱いやすい。
地盤面に対して、直接針貫入試験を実施できるため、ボーリングコア等を採取することなく原地盤に対して測定できる。そのため、ボーリングを行う手間と、地盤に形成されたボーリング孔の補修に要する手間を省略できる。
また、貫入針３２は、装置本体２に対して垂直方向に移動するとともに、動力源３３により移動するため、再現性が高く、貫入角度および貫入速度にばらつきが生じ難い。そのため、貫入針３２の貫入深さや貫入抵抗荷重を精度良く測定することが可能となる。

また、装置本体２の側面に、貫入針３２と同一方向に進退可能に設けられた位置決め部材７を備えているため、測定対象が円柱状の供試体ＴＰの場合であっても、地面や露頭等の比較的平坦な面に対して直接測定する場合であっても、同一の装置を利用して測定することができる。
供試体ＴＰに対しては、位置決め部材７の凹部７１に供試体ＴＰを挿入した状態で測定するため、供試体ＴＰ（測定面）に対してズレ難く、測定面に対して略垂直に貫入針３２に貫入させることができる。
また、位置決め部材７の装置本体２の下端からの突出長を調節することで、異なる形状（外径）の供試体ＴＰに対して測定可能である。

また、測定手段３０の測定結果を外部端末に送信する通信手段４を備えているため、測定結果をパーソナルコンピュータやサーバーに転送でき、離れた場所においてもリアルタイムでデータを管理できる。
また、針貫入測定装置１が、測定手段３０の測定結果を記録するデータ記録手段５を備えていれば、外部端末へ測定結果を転送せずとも、データを保存できる。
測定結果は電気信号で取得され、デジタル変換した値を測定結果として得られるため、バネの伸縮量の読み値を測定結果とする従来の測定方法において懸念される人為的な読取誤差を抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、測定対象物が改良地盤Ｇ（地表面）である場合について説明したが、測定対象物は改良地盤Ｇに限定されるものではなく、例えば、自然地盤、岩盤の露頭等であってもよい。
また、前記前記実施形態では、装置本体２を測定対象（改良地盤Ｇの表面または供試体ＴＰ）上に設置した状態で、貫入針３２を上下動させることで、針貫入試験を行うものとしたが、貫入針３２の貫入方向は限定されるものではない。例えば、斜面に露出した岩盤（露頭）に対して針貫入試験を行う場合には、針貫入測定装置１を斜面に押し当てて、貫入針３２を横移動させることで測定対象に貫入させてもよい。また、例えば立坑の掘削により露出した地山面（掘削壁面）に対して、針貫入測定装置１を横向きに押し当てた状態で測定してもよい。

位置決め部材７は、装置本体２の側面に進退可能である必要はなく、例えば、装置本体２の側面に着脱可能であってもよい。このとき、位置決め部材７の突出長が変化可能となるように、装置本体２の側面に対して複数個所に固定できるようにしてもよい。
また、位置決め部材７は、必要に応じて設置すればよい。例えば、測定対象が円柱状の供試体ＴＰのみである場合には、装置本体２に供試体ＴＰの外面形状に応じた形状の凹部７１を形成しておくことで、位置決め部材７を省略してもよい。

貫入針３２の移動機構は前記実施形態で示したものに限定されるものではなく、例えば、レール３４に動力源３３の出力軸３８に連結されたギヤ機構が設けられており、動力源３３を駆動させると、ギヤ機構を介して駆動部３１に動力が伝達し、駆動部３１がレール３４に沿って移動するようにしてもよい。
前記実施形態では、把持部６として、Ｃ字状またはコ字状の部材の両端を装置本体２の上面に固定するものとしたが、把持部６の構成は限定されるものではなく、例えば、一端のみが装置本体２の上面に固定された鉤型の部材であってもよい。また、把持部６は、装置本体２の側面に形成されていてもよい。
通信手段４およびデータ記録手段５は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。

１ 針貫入測定装置
２ 装置本体
３ 貫入機構
３１ 駆動部
３２ 貫入針
３３ 動力源
４ 通信手段
５ データ記録手段
６ 把持部
７ 位置決め部材
Ｇ 改良地盤（測定対象）
ＴＰ 供試体（測定対象）

Claims (3)

1. 測定対象に貫入針を貫入させて前記測定対象の硬さを測定する針貫入測定装置であって、
   把持部を有する装置本体と、前記装置本体に設けられた貫入機構と、前記装置本体の側面に設けられた位置決め部材と、を有し、
   前記貫入機構は、前記装置本体に対して進退可能に設けられた前記貫入針と、前記貫入針を移動させるための動力を供給する動力源と、前記貫入針を前記測定対象に貫入させたときの貫入深さおよび貫入抵抗荷重を測定する測定手段と、を備えており、
   前記貫入針は、前記把持部を把持して前記測定対象に前記装置本体を押し当てた状態で、前記装置本体の前記測定対象側の面に対して垂直方向に進退し、
   前記位置決め部材は、前記貫入針と同一方向に進退可能であることを特徴とする、針貫入測定装置。
2. 前記測定手段の測定結果を外部端末に送信する通信手段をさらに備えていることを特徴とする、請求項１に記載の針貫入測定装置。
3. 前記測定手段の測定結果を記録するデータ記録手段をさらに備えていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の針貫入測定装置。

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