JPH02196960A - 土の締固め測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は例えば道路建設のために盛土した部分の土或
いは造成地の土の締固め状況を測定する土の締固め測定
装置に関する。

「従来の技術」 道路の建設のために盛土したような場合、この盛土の締
固めが所定の値まで達したか否かを測定する必要がある
。

従来は被測定部所において土を円柱状に切り出してサン
プルを作り、このサンプルを硬さ試験機に掛けて硬さを
測定し、この測定結果によって締固めの程度を測定して
いる。

「発明が解決しようとする課題」 従来は被測定部所から土をサンプルとして切出し、この
サンプルを硬さ試験機に掛けて土の締固めの程度を測定
するものであるから、測定個所の数には限度がある。従
って測定の結果、固さが解る部分は被測定領域内に点在
し、領域全体の締固め状況を正確に把握することができ
ない。

また領域内の測定点の密度を上げるには多くのサンプル
を切出さなくてはならないから、サンプルの切出に手間
が掛かる欠点がある。

この発明の目的は測定装置を被測定点に置くだけでその
部所の締固め状況を測定することができ、然も測定装置
を移動させることによって、移動中の各点における締固
め状況を連続的に測定することができる土の締固め測定
装置を提供しようとするものである。

「課題を解決するための手段」 この発明では、 土の含水比を測定する水分計と、 パルス幅が狭いパルス状の電波を送信アンテナから土中
に向って発射し、この発射された電波の中の地表近（を
伝播して到来する表面伝播波を受信アンテナで受信して
電波の発射から表面伝播波を受信するまでの時間を計測
し、計測した伝播時間と送信アンテナ及び受信アンテナ
との間の距離とから表面伝播波の速度を算出する土中の
電波伝播波速度測定手段と、 水分計によって測定した土の含水比と、土中の電波伝播
速度測定手段によって測定した土中の電波伝播波速度と
、土粒子、水、空気の比誘電率及び土粒子比重とによっ
て土の乾燥密度を算出する乾燥密度算出装置と、 によって土の締固め測定装置を構成したものである。

この発明の構成によれば、表面伝播波の伝播速度を測定
することによって土中における電波伝播速度を求めるこ
とができる。

土中の電波伝播速度が求められることによって水分計で
測定した土の含水比と、土粒子、水、空気の比誘電率及
び土粒子比重とによって土の乾燥密度を求めることがで
きる。

つまり乾燥密度γ、は で求められる。

ここでＣは空気中の電波伝播速度、■、は土中の電波伝
播速度、Ｃ３，Ｃ８，ε、は土粒子、水、空気の比誘電
率、Ｇ、は土粒子比重、Ｗは含水比である。

乾燥密度Ｔ、が求められることによって第７図に示す締
固め曲線を参照すれば締固めの程度を判定することがで
きる。

第７図は文献「土質試験法」２９５頁（土質工学合繊）
に記載された代表的な土の締固め曲線の例を示す、同図
に示す曲線Ａは日本統一土質分類でＳＭ、三角座標分類
で砂として分類される土の締固め曲線の例を示す。

曲線Ｂは日本統一土質分類でＳＣ１三角座標分類で砂質
粘土ロームとして分類される土の締固め曲線、曲＆ｊｌ
Ｃは日本統一土質分類でＣＨ１三角座標分類で粘土とし
て分類される土の締固め曲線、曲線りは日本統一土質分
類でＭＬ、三角座標分類でシルト質粘土ロームとして分
類される土の締固め曲線、 曲線Ｅは日本統一土質分類でＭＨ１三角座標分類でシル
ト質ロームとして分類される土の締固め曲線、 曲線Ｆは日本統一土質分類でＳｖ、三角座標分類で砂質
ロームとして分類される土の締固め曲線を示す。

各曲線において締固め曲線Ａ、Ｂ、Ｃ・・・・・・Ｆに
おいて乾燥密度が最大になる点が締固め度が最も高い状
態にあると規定されている。

従って被測定場所における土質を特定し、この土の乾燥
密度を求めることによって締固めの程度を知ることがで
きる。

「実施例」 第１図にこの発明の概略の構成を示す０図中１００は水
分計、２００は土中の電波伝播速度を測定する電波伝播
速度測定装置、３００は乾燥密度算出装置を示す。

水分計１００は例えばジャパン・センサー・コーーボレ
イションで作られたＩＲＭＭ−１型水分計を用いること
ができる。この水分計は水に影響を受けなルず近赤外線
と、物質に吸収される波長の光を等しく土に向って照射
し、反射して来る両波長の光エネルギ比から土に含まれ
る水分値を算出する方法で含水比を求める近赤外線水分
計である。

土中の電波伝播速度を測定する電波伝播速度測定袋Ｗｔ
２００はパルス幅が狭いパルスを出力するパルサー２０
１と、このパルサー２０１から出力されるパルスを受け
て±４００に向って電波を発射する送信アンテナ２０２
と、送信アンテナ２０２から発射される電波の中の地表
近くを伝播する表面伝播２０８を受信する受信アンテナ
２０３と、受信アンテナ２０３でとらえた受信信号を増
幅し、サンプリング処理して電波の発射時点から所定の
倍率で時間を拡大した信号を得る受信装置ｆ２０４と、
電波の発射時点から、受信時点までの時間を計測する時
間測定装置２０５と、時間測定装置２０６で測定した時
間Ｔと、送信アンテナ２０２及び受信アンテナ２０３と
の間の距離値りとによって表面伝播波２０８の伝播速度
Ｖ、を算出する電波伝播速度算出手段２０６とによって
構成することができる。

電波伝播速度測定装置２００で求めた土中の電波伝播速
度ｖｓを乾燥密度算出装置３００に与え、この乾燥密度
算出装置３００において、水分計１００から与えられる
土の含水比Ｗと土中の電波伝播速度ｖｓとから乾燥密度
Ｔ、を第１式に従って算出する。

尚第１式に示した土粒子、水及び空気の比誘電率ε５．
ε０．ε、及び土粒子比重Ｇ、は場所に依存しない既知
の値であるからキイーボードのような入力手段５００か
ら予め入力する。

電波伝播速度測定装置２００は土中に向って発射した電
波の中で地表面近くを伝播する表面伝播波を利用するも
のであるから送信アンテナ２０２と、受信アンテナ２０
３は可及的に地面近（に設置することが要求される。

このためこの例では絶縁板によって台車６００を形成し
、この台車６００に水分計１００と電波伝播速度測定装
置２００を搭載し、台車６００を構成する絶縁仮に送信
アンテナ２０２と受信アンテナ２０３を被着し、送信ア
ンテナ２０２と受信アンテナ２０３を地面に沿って移動
させるように構成した場合を示す。

第２図にこの発明に用いた土中の電波伝播速度測定袋Ｗ
２Ｏ０の実施例を示す。

送信アンテナ２０２と受信アンテナ２０３は台車６００
を構成する絶縁板６０１の上に被着した三角形の導電板
から成るダイポールアンテナによって構成することがで
きる。送信アンテナ２０２にはパルサー２０１からパル
ス幅が、例えばｌｎａ程度の掻く狭いパルス状の駆動パ
ルスをインピーダンス整合器２１１奄介して与える。

送信アンテナ２０２には上面側をシールドするシールド
カバー２１２を被せる。このシールドカバー２１２は送
信アンテナ２０２がら発射される電波が受信アンテナ２
０３に直接伝わらないようにするために設けられる。こ
のため望ましくはフェライト製のシールドカバーを用い
るとよい。

一方受信アンテナ２０３も三角形の導電板から成るダイ
ポールアンテナによって構成され、ダイポールアンテナ
の還電点に誘起される受信信号をインピーダンス整合器
２１３を介して受信装置２０４に取込む。

受信袋′１１２０４は高周波増幅器２０４Ａと、サンプ
リング回路２０４Ｂとを有し、サンプリング回路２０４
Ｂで受信信号を多数回取込んで、各回毎に受信信号を順
次サンプル点をずらしてサンプリングし、受信信号を周
波数の低い信号に変換する。

受信アンテナ２０３の上面側にもシールドカバー２１４
を被せる。

受信アンテナ２０３に被せるシールドカバー２１４も送
信アンテナ２０２のシールドカバー２１４と同様に送信
アンテナ２１２から発射される電波が受信アンテナ２０
３に直接伝わらないようにシールドすることを目的に設
けられている。

従ってこのシールドカバー２１４も望ましくはフェライ
ト製のシールドカバーを用いるとよい。

サンプリング回路２０３には同期回路２１５からサンプ
リングパルスが与えられ、受信信号を２０４８回程度順
次位相をずらしながらサンプリングすることによって時
間を拡大した低周波の信号に変換する。

このサンプリング動作を第３図を用いて説明する。周期
Ｔ毎に送信アンテナ２０２から電波ＰＸが発射されるも
のとすると、同期回路２１５は電波Ｐｘの発射と同期し
て第３図Ｂに示す周期が比較的短い第１鋸歯状波ＳＷ１
を発生すると共に、電波ＰＸの１売口の発射と同期して
周期の長い第２鋸歯状波ＳＷ！を発生させる。

第１鋸歯状波ＳＷ１の電圧が第２鋸歯状波ＳＷ８の電圧
と一致する毎に第３図Ｃに示すようにサンプリングパル
スＳＰを発生させる。このサンプリングパルスＳＰは電
波発射時点からπ１．π２゜π、ｌ　π、　・（π１〈
π、〈π、　＜１ｃ、　＜−）と順次遅延量が増加する
パルスとなる。第１鋸歯状波Ｓ　Ｗ　＋の周波数を第２
鋸歯状波の周波数に対して例えば２０４８倍に選定する
ことによって、第２ｔＲ歯状波　ＳＷヨの終了までに２
０４８個のサンプリングパルスＳＰを得ることができる
。

このサンプリングパルスＳＰを用いて電波の発射毎に受
信される受信信号をサンプリングすることによって、受
信信号に対するサンプリングの位相を順次ずらすことが
でき、高速に変化する信号を遅い速度で変化する信号に
変換することができる。このサンプリング方式による速
度変換方法は例えばサンプリング式オシロスコープ等に
利用されている。

送信アンテナ２０２から電波が発射されると、シールド
カバー２１２によって送信アンテナ２０２の上面側には
電波が放射されることがなく、地中の方向にだけ電波が
発射される。地中に向かって発射された電波はその一部
が地表近くを伝播し、受信アンテナ２０３に到来する９
図中２０８はこの表面伝播波を示す。

一方地中に発射された電波が埋設物によって反射し、戻
って来る時間は埋設物の深さにもよるが送信アンテナ２
０２と受信アンテナ２０３との間の距離を可及的に小さ
く、例えば２０〜５０Ｃ１０程度に選定すれば表面伝播
波の伝播時間は反射波の伝播時間より長くなることはな
い。

よって第４図に示すように表面伝播波ＳＦの受信時点と
、埋設物からの反射波ＬＰとは時間がずれて受信される
。同期回路２１５において第２鋸歯状波ＳＷ２の周期Ｔ
イを反射波ＬＦの到来タイミングの範囲より長く選定す
ることによって反射波ＬＦもサンプリング回路２０４Ｂ
によって低周波信号に変換することができる。

尚第２図に示す７００は移動距離信号発生器を示す。こ
の例では移動距離信号発生器７００を車輪に組込んだ場
合を示す、この移動距離発生器７００によって送信アン
テナ２０２と受信アンテナ２０３が移動した距離に比例
したパルスを出力させ、この移動距離信号が表示器に入
力されて、表示器に表示させる像に測定位置が移動した
ことを表示させることができる。

第５図に電気的な構成の全体を示す、同期回路２１５に
は基準発振器２１５Ａが設けられ、この基準発振器２１
５Ａから出力される例えば８００にセの基準信号を第１
分周器２１５Ｂと第２分周器２１５Ｃで分周し、第１分
周器２１５Ｂで分周した信号を遅延回路２１５Ｄで所定
時間遅延させてバルサ２０１に与え、第１分周器２１５
Ｂの分周出力信号の周期で送信アンテナ２０２から電波
を発射させる。

分周器２１５Ｂの分周出力は更に遅延回路２１５Ｅを通
して第１鋸歯状波発生器２１５Ｆに与えられ、電波の発
射と同期して第３図Ｂに示した第１鋸歯状波ＳＷ１を発
生させる。

一方分周器２１５Ｃからは第１分周器２１５Ｃの分周出
力の周期より例えば２０４８倍程度長い分周信号を出力
させ、この分周信号を第２鋸歯状波発生器２１５Ｇに与
え、第２鋸歯状波発生器２１５　Ｇから第３図Ｂに示し
た第２鋸歯状波ＳＷ２を発生させる。

第１鋸歯状波Ｓ　Ｗ　＋　と第２鋸歯状波ＳＷ２は一致
検出回路２１５Ｈに与えられ、第１鋸歯状波ＳＷＩが第
２鋸歯状波Ｓ　Ｗ　ｚと一致する毎にサンプリングパル
スを発生させる。

このサンプリングパルスがサンプリング回路２０４Ｂに
与えられ、サンプリング回路２０４Ｂにおいて受信アン
テナ２０３で受信した表面伝播波及び反射波をサンプリ
ングし、低周波信号に変換する。

このようにして低周波信号に変換された表面伝播波はデ
ータセレクタ３０１に入力される。

データセレクタ３０１には受信回路２０４から与えられ
る表面伝播波２０４の他に、第２分周器２１５Ｇから電
波の発射タイミングを示すタイミングパルスと、水分計
１００から含水比計測信号と、移動距離信号発生器７０
０から送信アンテナ２０２及び受信アンテナ２０３の移
動距離に比例した信号を与える。

データセレクタ３０１はこれらの信号を順次選択してイ
ンターフェース３０２を通じてマイクロコンピュータ３
０３に人力すると共に表面伝播波と反射波が存在する場
合は反射波を画像処理装置３０７に与える。

画像処理装置３０７は通常の地中探査装置と同様の動作
によって表面伝播波と反射波を陰８ｉ線管表示器８００
に表示させる。第６図に表示画面の一例を示す、第６図
において縦軸Ｙは時間、横軸Ｘは移動距離、輝線８０７
は電波発射点、輝線８０８は表面伝播波の受信点、ｗ１
１８０９は反射波の受信点をそれぞれ示す。

一方インタフェース３０２を介してマイクロコンピュー
タ３０３には水分計１００の含水比計測信号と、表面伝
播波と電波の発射点を示すタイミングパルスが人力され
る。マイクロコンピュータ３０３はタイミングパルスと
表面伝播波の受信波のプラスのピーク点までの時間を計
測すると共に、この計測値と送信アンテナ２０２と受信
アンテナ２０３との間の距離りとからその地点における
地中の電波伝播速度を算出する。

表面伝播波の速度■ｓが算出されると、この表面伝播波
の速度Ｖ、と予めキイーボード等の人力手段５００から
入力した土粒子、水、空気の比誘電率ε３．ε０．ε、
と、水分計１００の計測値とからその地点の土の乾燥密
度γ４を第１式に従って算出する。

従ってマイクロコンピュータ３０３は第１図に示した時
間測定手段２０５と、速度算出手段２０６と、乾燥密度
算出装置３００を兼ねて構成していると見ることができ
る。

第８図にマイクロコンピュータ３０３における表面伝播
波の伝播速度算出と乾燥密度算出の動作順序を説明する
フローチャートを示す。

マイクロコンピュータ３０３で算出した乾燥密度Ｔ、は
画像処理装置３０７とキャラクタジェネレータ３０５に
送られ、画像信号と文字映像パターンに変換されて例え
ば陰極線管表示器８００に入力され、陰８ｉ線管表示器
８００に乾燥密度Ｔ。

を第６図に示す数字表示部８０１に数字表示させる。

この例では乾燥密度γ４の測定値を台車６００の走行と
共に順次メモリに記憶しておき、カーソル８０４と８０
５で指定した位置の乾燥密度Ｔ１とＴ工を表示するよう
に構成した場合を示す、カーソル８０４と８０５は入力
手段５００に設けたカーソル移動キイーによって左右に
移動できるように画像処理装置、３０７で制御され、画
面上の任意に位置に設定できる。

数字表示部８０１に表示される乾燥密度ｒ＋＋γ２は最
適乾燥密度に対する百分率で表示する。つまり土の乾燥
密度は第７図で説明したように土質によって最適値が異
なっている。従ってマイクロコンピュータ３０３に内蔵
したＲＯＭに各土質の乾燥密度曲線Ａ、Ｂ、Ｃ・・・・
・・Ｆを書込んでおき、被測定地点の土質を人力するこ
とによってこの乾燥密度曲線Ａ、Ｂ、Ｃ・・・・・・Ｆ
の対応する曲線を読出し、測定した乾燥密度と含水比と
によって測定した乾燥密度が曲線上のどこにあるかを規
定し、更に曲線のピーク点における最適乾燥密度の値と
測定した値との比を求め測定値が最適値に対して何％に
対応するかを表示させる。

このとき、表示する％値に対し水分計１００で測定した
含水比が最適値に対して＋側にある場合は乾燥密度の表
示値に十を付けて表示し、含水比が最適値に対して一側
にある場合は乾燥密度の表示値に−を付けて表示する。

第６図に示す表示８０６は測定装置を移動させながら乾
燥密度を連続的に測定した結果を色の帯で表示させたア
ナグロ表示部を示す、このアナグロ表示部８０６はマイ
クロコンピュータ３０３で算出した乾燥密度の％値を画
像処理装置３０７に与え、画像処理装置３０７から表示
器８００に与えられて表示される。

アナグロ表示部８０６では測定した乾燥密度が最適乾燥
密度に対して１００％の場合を赤色で表示し、以下８０
％〜９０％の場合は橙色、７０％〜８０％の場合は黄色
、６０％〜７０％の場合は緑色、５０％〜６０％の場合
はシアン、４０％〜５０％の場合は青色、３０％〜４０
％の場合は薄青色のように表示させる。このようにすれ
ばアナグロ表示部８０６の色を見ることによって乾燥密
度が概略何％程度かを知ることができ、また全体の傾向
を知ることができる。更にこのアナグロ表示部８０６の
各色の部分に先に説明した含水比で決まる十と−の符号
を付すようにしてもよい。

「発明の効果」 上述したようにこの発明によれば土の含水比Ｗと地中の
電波伝播速度Ｖ、を移動しながら測定することができる
から、被測定地域の締固めの程度を連続的に測定し、そ
の測定結果をその場で知ることができる。

この結果土木工事の良否をその場で判定することができ
、また不良位置をその場で指摘することができるため直
ちに手直し等に対応することができ信顛性の高い土木工
事を行なうことができる。

また工期の短縮が達せられる。

更にこの発明では地中の電波伝播速度測定装置は地中に
向って発射した電波の中の、地表面近くを伝播する表面
伝播波を利用して地中の電波伝播速度を測定したから、
地中の電波伝播速度を確実に測定することができる。

換言すれば地中の電波伝播速度を測定する方法としては
地中から反射して来る電波をとらえて、その電波の受信
時間から電波の往復時間を求め、速度を算出する方法が
考えられるが、このようにした場合は第１条件として地
中に電波を反射させる埋設物が存在することと、 第２条件としてその埋設物の埋設深さが既知であること
、 第３条件として埋設物の深さが電波の到達可能な深さで
なくてはならないこと、 等があげられる。

これらの条件が満されない場合は電波伝播速度の測定が
できないことになる。

これに対しこの発明によれば表面伝播波を利用したから
地中の埋設物がなくても、地中の電波伝播速度を測定す
ることができるためこの点で優れている。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による装置の概要を説明するためのブ
ロック図、第２図はこの発明に用いた地中の電波伝播速
度測定装置の概要を説明するための図、第３図は第２図
に示した電波伝播速度測定装置に用いたサンプリング回
路の動作を説明するための波形図、第４図は表面伝播波
と地中がら戻って来た反射波の時間関係を説明するため
の波形図、第５図はこの発明による装置の全体１の構成
を説明するためのブロック図、第６図はこの発明による
装置の表示結果の一例を示す正面図、第７図は代表的な
土の乾燥密度と含水比の関係を表わしたグラフ、第８図
は乾燥密度算出装置の動作順序を説明するためのフロー
チャートを示す。 １００：分水針、２００：電波伝播速度測定装置、２０
１：バルサ−，２０２：送信アンテナ、２０３；受信ア
ンテナ、２０４：受信装置、２０５：時間測定装置、２
０６：速度算出手段、２０８：表面伝播波、３００：乾
燥密度算出装置、４００：地表面、５００：入力手段、
６００：台車。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａ、土の含水比を測定する水分計と、Ｂ、パルス
   幅が狭いパルス状の電波を送信アンテナから土中に向っ
   て発射し、この発射 された電波の中の地表近くを伝播して到来 する表面伝播波を受信アンテナでとらえ、 電波の発射から表面伝播波を受信するまで の時間を計測し、計測した伝播時間と送信 アンテナ及び受信アンテナとの間の距離と から表面伝播波の速度を算出する土中の電 波伝播速度測定手段と、 Ｃ、上記水分計によって測定した土の含水比と、土中の
   電波伝播速度測定手段によって 測定した土中の電波伝播速度と、土粒子、 水、空気の比誘電率及び土粒子比重とによ って土の乾燥密度を算出する乾燥密度算出 装置と、 によって構成したことを特徴とする土の締固め測定装置
   。