JPH0472182B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、土質、特に土の粒径を判別する装置
に係り、一般の土質調査あるいはシールド工法に
おける地山の土質変化の検知などに利用できるも
のである。

〔従来の技術〕

現位置での土質調査を目的とした装置として
は、標準貫入試験機、オランダ式あるいはスエー
デン式貫入試験機などがあるが、いずれの試験機
も、ロツドを土中に貫入させるとき、あるいは土
中で回転させるときの土の抵抗を測定する方法に
よるため、土の強度しか判別できない。

これに対し、地盤の液状化、軟弱地盤の安定
化、シールド工法における土質に応じた作泥材の
注入制御などにおいては、土の強度だけでなく、
土の粒径、粒度なども問題となる場合が多い。

従来、土の粒径を判別するには、貫入試験に伴
い土の資料を採取して、その試料を室内で試験す
る方法が一般に取られていたが、(1)サンプリング
時に試料を乱してしまう（例えば、薄い地層の試
料を採取するときには他の地層の土が混入する）。
(2)サンプリングから試験して評価するまでに時間
と手間がかかるという欠点がある。このため、ロ
ツド貫入時に発生する現象のうち、土の抵抗だけ
でなく、他の現象も測定して、土の強度のほか、
粒径、粒度なども含めた土の性質を、現位置で即
座に判別する方法が採られるようになつてきた。

第２図は、その一つである音を利用した土質判
別装置の貫入部の断面図である。図中、１は探査
用ロツドであり、パイプ状をした本体部分１ａ
と、本体部分１ａの先端に前後方向に微小変異可
能なように装着された先端コーン部１ｂとで構成
されている。２′は先端コーン部１ｂの内部に取
付けられたマイクロホン、３は荷重センサ（ロー
ドセル）であり、円筒状をした荷重センサ３の前
端は先端コーン部１ｂに、後端はロツド本体部分
１ａの内奥部にそれぞれ固着されている。４はマ
イクロホン２′と荷重センサ３から後述する処理
装置に至る信号線である。

このように構成された貫入部を、ロツド１の後
端に結合された油圧シリンダ等の貫入装置（図示
せず）により、土中に一定速度で貫入させる。こ
のとき、先端コーン部１ｂに加わる貫入抵抗を荷
重センサ３で検出すれば、従来の貫入試験方法と
同様に土の強度を評価することができる。また、
ロツド１を土中に貫入させるときには、先端コー
ン部１ｂと土あるいは土粒子相互の摩擦や、土粒
子の破砕などにより、土の粒径によつて異なつた
音が発生する。例えば、粘性土の場合にはほとん
ど聞きとれないほど微弱な音であるが、砂の場合
にはジヤリジヤリ、礫の場合にはガリガリという
音を聞くことができる。したがつて、これらの音
を先端コーン部１ｂに内蔵したマイクロホン２′
で検出して、その波形を解析すれば、土の粒径を
判別することが可能である。

第３図マイクロホン２′の出力信号を処理する
処理装置の一例を示す。図において、マイクロホ
ン２′の出力は処理装置５内のプリアンプ５１で
増幅され、その一部はさらにログアンプ５２で対
数圧縮されて、音圧すなわち音の大きさとして音
圧表示器５３に表示される。また、残りの一部は
パルス計数器５４で一定音圧レベルを越える音に
ついてだけ振動周波数に比例する電圧に変換さ
れ、パルス表示器５５に単位時間当りのパルス数
として表示される。

この処理装置５から出力される音圧およびパル
ス数と土質との関係を第４図に示す（鉄道技研速
報No.71−1003より転載）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第４図において、土質の種類は下へ行くほど土
の粒径が大きくなつており、それとともに音圧お
よびパルス数は大きくなる関係にある。これによ
り、土質の大よその判別は可能である。

しかし、全体的には土の粒径が大きくなるにつ
れ音圧、パルス数共に大きくなる傾向にあるもの
の、例えば小石まじりシルト質砂とゆるい礫まじ
り粗砂とを比較してみると、ゆるい礫まじり粗砂
の方が粒径は大きいにもかかわらず、音圧ではむ
しろ小さくなる場合もある。また、ゆるいシルト
質細砂としまつたシルト質細砂とでは、ほぼ同じ
粒径であるにもかかわらず、土の締まり具合、す
なわち土の強度の影響を受けて音圧、パルス数共
に差が見られる。以上のように、粒径と音圧、パ
ルス数が必ずしも対応関係にはない、あるいは土
の強度の影響を受けるため、荷重センサ３で検出
される貫入抵抗と合わせて総合的に判断しなけれ
ばならず熟練を要する、などの問題点がある。

なお、上記従来技術の説明では、貫入部にマイ
クロホンを内蔵した場合について述べたが、第３
図でマイクロホン２′は先端コーン部１ｂのマイ
クロホン受感面に対向したＢ部の金属表面の振動
が圧力波（縦波）となつて一旦空中を伝播したも
のを検出しているものであり、加速度センサを用
いてＢ部の金属表面の振動を直接検出しても全く
同じ結果が得られる。要するに、土粒子の摩擦、
破砕に起因した振動を検出するセンサを先端コー
ン部１ｂに装備すれば、第４図と同様の結果が得
られるが、それとともに上述したような問題点が
発生する。

本発明の目的は、探査用ロツドに内蔵した振動
センサと荷重センサの出力信号を組合わせて処理
することにより、より制度良く、かつ直接土の粒
径を表示できる土質判別装置を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の構成を第１図によつて説明すると、先
端付近に振動センサ２と荷重センサ３を内蔵する
探査用ロツド１と、該探査用ロツド１を土中に貫
入させる油圧シリンダ等の貫入装置６と、探査用
ロツド１の貫入時に発生する振動を検出する振動
センサ２から出力信号と貫入抵抗を検出する荷重
センサ３から出力信号を処理して土質情報を出力
する処理装置７を備えており、処理装置７内の波
形特性地変換手段ａは振動センサ２の出力信号を
波形特性値に変換し、累積振幅演算手段ｂはその
実効値の時間的な変動の振幅を積算して累積振幅
として出力し、粒径判別手段ｂは土質により定ま
る前記累積振幅と貫入抵抗との関係から、前記累
積振幅と貫入抵抗が与えられたときに土の粒径を
判別し、表示器ｅはその判別された土の粒径を表
示するものである。

〔作用〕

次に本発明の原理を、振動センサとして加速度
センサを用い、波形特性値として実効値を採用し
た場合を例にとつて説明する。

第５図ａ，ｂ，ｃは、粘土、砂、礫のそれぞれ
の土質の地中に探査用ロツド１を貫入させたとき
の、加速度センサの出力信号からの生波形が後述
する実効値変換器によつて実効値レベルに変換さ
れた生波形を締すものであり、いずれも１秒間の
データを示した。この図から、粘土、砂、礫では
振動加速度の実効値の時間的な変動の振幅が大き
く異なつており、土の粒径が大きいほど振幅は大
きくなつていることが分かる。また、礫に貫入さ
せた場合の振動加速度の実効値波形は、粘土、砂
の場合に比べて変動が激しく、特に突発的な大加
速度を発生する。この突発的な大加速度は、礫の
かみ合いがはずれたとき、あるいは破砕したとき
に発生する現象である。このような突発的な実効
値の変動は、礫が大きくなるにつれて、その時間
的間隔が長くなるので、後述するようにＡ／Ｄ変
換器で実効値変換後のアナログデータのサンプリ
ングを行なう場合には、十分長いサンプリング時
間、例えば0.5秒程度以上の時間が必要である
（あるいは、実効値波形を表示して、操作者がそ
の波形に合わせてサンプリング時間を随時変更し
てもよい）。以上のように、振幅加速度の実効値
の変動の振幅は、土の粒径によつて大きく異な
り、粒径が大きいほど振幅は大きくなる傾向があ
る。ただし、従来技術の説明でも述べたように、
同一の土でも締まり具合によつて実効値レベルは
異なり、同様に振幅も異なることが考えられる。
第６図ａ，ｂ，ｃはこの点を検証するため、同じ
砂を用い、密度あるいは拘束圧を変えて、探査用
ロツド１を貫入させたときの振動加速度の実効値
波形を示すものである。この図から、密度あるい
は拘束圧が増加するとともに、振幅が大きくなつ
ていることが分かる。また、これに伴つて、荷重
センサ（ロードセル）３で検出される貫入抵抗も
増加している。したがつて、粒径による振幅の変
化に対し、土の締まり具合などによる影響を貫入
抵抗で補正してやれば、制度良く土の粒径を判別
することが可能となる。

発明者らはこの補正方法を探求した結果、貫入
抵抗と、ある一定時間（この場合１秒）の振動加
速度の実効値の振幅を積算した値（以下、累積振
幅と呼ぶ）との間に、土質によつて定まる第７図
に示すような関係があることを見出した。第７図
は縦軸（加速度の累積振幅Ａ）、横軸（貫入抵抗
Ｆ）共に対数目盛をとつて示したものである。こ
の図で注目すべき点は、どの土質においても、貫
入抵抗の増加とともに累積振幅が直線的に増加
し、その累積振幅の増分（図における直線の傾
き）が土質によつて異なり、土の粒径が大きいほ
ど傾きが大きくなることである。

したがつて、予め土の粒径毎に定められた累積
振幅Ａと貫入抵抗Ｆとの関係を実験値により求め
ておけば（第７図では代表的３つの例だけを表示
したが、たとえば、粒径の0.1mm毎にあるいは
0.05mm毎に実験値を求めておけば良い）、累積振
幅Ａと貫入抵抗Ｆが与えられたとき、図示の関係
から土の粒径D₅₀を容易に求めることができる。
また、累積振幅Ａと貫入抵抗Ｆとの交点上に粒径
D₅₀が乗らない場合には、最も近い直線上の点を
選んで、粒径を決定し、実験値を求めなかつた粒
径とすることによつて、近似の粒径を求めること
ができ、実使用上の問題はない。

また、第７図において累積振幅Ａと貫入抵抗Ｆ
との関係を表わす直線を延長していくと、ほぼ同
じ点に集まつていることが分かる。

したがつて、どの土質においても貫入抵抗Ｆと
累積振幅Ａが判明すれば、図中の両者の交点を通
る直線の延長がある１点に集まることから、その
直線の傾きが容易に求められる。

第７図において、累積振幅Ａは次式で与えられ
る。

Ａ＝_o 〓ⁱ⁼¹ a_i ……(1) ここに、a_i：加速度実効値の振幅 また、累積振幅Ａと貫入抵抗Ｆの関係は次式で
表わされる。

Ａ＝KF^b ……(2) ここに、Ｋ：定数 ｂ：直線の傾きを表わす係数 したがつて、Ａ、Ｆの値が与えられると、式(2)
から傾きｂが求められる。

第８図は、傾きｂと土の平均粒径D₅₀の関係を
実験により求めたものである。傾きｂが判明すれ
ば、図示の関係から平均粒径D₅₀が容易に求めら
れる。

この場合、信号処理に加速度実効値の累積振幅
をとつたのは下記の理由からである。例えば、第
５図の礫への貫入時の実効値波形に見られるよう
に、礫のかみ合いがはずれたとき、あるいは破砕
したときに発生する突発的な大加速度に対し、通
常は砂と同程度の小加速度しか発生していない。
また、大加速度を発生するのは上述のような原因
によるものであるから、礫の粒径が大きくなるに
つれて、突発的な大加速度発生の時間間隔が長く
なる。したがつて、このような変動に単に平均化
すると、小加速度の方が卓越し、砂との有意な差
が得られなくなる。これに対し、累積振幅をとつ
た場合は、加速度実効値の絶対値（レベル）では
なく、変動のみに注目しているため、大加速度が
発生したときの大振幅が確実に反映され、粒径が
大きくなるにつれて累積振幅が大きくなり、それ
だけ判別精度が向上する。

以上、振動加速度の実効値の累積振幅と貫入抵
抗との関係から土の粒径を求める方法について述
べたが、これらの演算をマイクロコンピユータ
（以下、マイコンと略す）等で処理することによ
り、土の粒径に相当する信号を表示器ｅに送り、
直接粒径を表示させることができる。

上記説明では、加速度センサで振動を検出する
例について述べたが、マイクロホン、AE（アコー
ステイツク・エミツシヨン）センサなどの他の振
動を検出するセンサを用いた場合でも、同様の原
理で土の粒径を判別することが可能である。

また、上記説明では、波形特性値として実効値
を採用した例について述べたが、実効値を用いた
のは、時間に対する振動振幅の変動を適格にとら
える上で、振動センサの出力信号を生波形に出来
るだけ追従したなめらかな波形に変換して周波数
を低下させ、サンプリング数を少なくしデータ処
理速度を速めるためである。しかし、振動センサ
の出力信号生波形をＡ／Ｄ変換し絶対値を求める
または振動センサの出力信号生波形をＡ／Ｄ変換
し、ピーク値を取り、その絶対値を求めることに
より、実効値の代りにこれらの絶対値を用いて、
その絶対値の時間的変動の振幅を積算し累積振幅
を求めても、これらの累積振幅と貫入抵抗との間
に前記第７図と同様の関係が成立し、前記と同様
の原理で土の粒径を判別することが可能である。
本発明では、これら実効値、絶対値を総称して波
形特性値と呼ぶ。

また、土質情報としては、土の粒径だけでな
く、貫入抵抗などの他の情報も随時表示器ｅに表
示させることが可能である。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第９図〜第１１図に
より説明する。

第９図は、本実施例における探査用ロツドの先
端付近の断面であり、第２図と同一の機能、名称
の構成部分には同一符号を付してある。第２図と
異なる点は、振動を検出するセンサとして加速度
センサ２を内蔵している点だけであり、加速度セ
ンサ２は、その受感部が先端コーン部１ｂのＢ部
の金属表面に密着するように取付けられている。

第１０図は加速度センサ２および荷重センサ
（ロードセル）３の出力信号を処理する処理装置
７の具体的構成を示す。図において、加速度セン
サ２からの出力信号はアンプ７１で増幅され、そ
の増幅信号は公知の実効値変換器（実効値変換手
段）７２で実効値レベルに変換される。一方、荷
重センサ３からの出力信号はアンプ７３で増幅さ
れる。これら２種類のアナログ信号はＡ／Ｄ変換
器７４に入り、適当なサンプリングレートでデジ
タル信号に変換される。このデイジタル化された
２種類の信号はマイコン７５内で演算処理され、
その結果得られた土の粒径に相当する信号が表示
器７６に送られる。

第１１図にマイコン７５内での演算処理のフロ
ーチヤートを示す。図中、１０１は演算開始時の
初期設定のステツプ、１０２，１０３は振動加速
度の実効値と貫入抵抗の入力データを読み込むス
テツプ、１０４は前記の式(1)により振動加速度の
実効値の累積振幅Ａを演算するステツプ、１０５
はあらかじめマイコンに記憶させてある第７図の
土の粒径ごとに定められた累積振幅Ａと貫入抵抗
Ｆの関係から与えられた累積振幅Ａと貫入抵抗Ｆ
に対応する土の平均粒径D₅₀をテーブルルツクア
ツプにより求めるステツプ、１０６は土の粒径
D₅₀を表示器に出力するステツプ、１０７は測定
終了を判断するステツプであり、１０４，１０５
のステツプはそれぞれ第１図の累積振幅演算手段
ｂ、粒径判別手段ｃに相当する。

第１２図はマイコン７５内での演算処理のフロ
ーチヤートの他の例を示すもので、第１１図と同
一機能、名称のステツプには同一符号を付してあ
る。ステツプ１０５ａは前記の式(2)により累積振
幅Ａと貫入抵抗Ｆから第７図の直線の傾きｂを演
算するステツプ、１０５ｂはあらかじめマイコン
に記憶させてある第８図の傾きｂと土の平均粒径
D₅₀の関係から、与えられた傾きｂに対応する土
の平均粒径D₅₀をテーブルルツクアツプにより求
めるステツプであり、１０５ａ，１０５ｂのステ
ツプは第１図の粒径判別手段ｃに相当する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、土の粒径による振動波形の実
効値の振幅の変化に対し、土の締まり具合、拘束
圧（土被り）などによる影響を荷重センサで検出
した貫入抵抗で補正し、精度良く、かつ直接土の
粒径を表示することができる。また、このための
演算は簡単なもので、既座に処理することがで
き、リアルタイムで土の粒径を判別することが可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を示す概念図、第２図は
音を利用した従来の土質判別装置の貫入部の要部
断面図、第３図は上記従来例の処理装置のブロツ
ク図、第４図は上記処理装置の出力と土質との関
係の説明図、第５図〜第８図は本発明の原理説明
図で、第５図は各種土質における振動加速度実効
値波形の一例を示す図、第６図は土の締まり具合
などの影響の説明図、第７図は土質別の貫入抵抗
と振動加速度実効値の累積振幅との関係の説明
図、第８図は上記関係の直線の傾きと土の平均粒
径との関係の説明図、第９図は本発明を一実施例
における貫入部の要部断面図、第１０図は上記実
施例の処理装置のブロツク図、第１１図、第１２
図は上記実施例の演算処理のフローチヤートであ
る。 １……探査用ロツド、１ｂ……先端コーン部、
２……振動センサ（加速度センサ）、３……荷重
センサ（ロードセル）、６……貫入装置、７……
処理装置、７２……実効値変換器、７５……マイ
コン、７６……表示器、１０４……累積振幅演算
手段に相当するステツプ、１０５，１０５ａ，１
０５ｂ……粒径判別手段に相当するステツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 先端付近に振動センサと荷重センサを内蔵す
   る探査用ロツドと、該探査用ロツドを土中に貫入
   させる貫入装置と、ロツド貫入時に発生する振動
   を検出する前記振動センサからの出力信号と貫入
   抵抗を検出する前記荷重センサからの出力信号を
   処理して土質情報を出力する処理装置とで構成さ
   れる土質判別装置において、前記処理装置が前記
   振動センサの出力信号を波形特性値に変換する波
   形特性値変換手段と、その波形特性値の時間的な
   変動の振幅を積算し、累積振幅として出力する累
   積振幅演算手段と、前記累積振幅と貫入抵抗が与
   えられたとき、土質により定まる前記累積振幅と
   貫入抵抗との関係から、土の粒径を判別する粒径
   判別手段と、その判別された土の粒径を表示する
   表示器を有することを特徴とする土質判別装置。 ２ 前記土の粒径を判別する粒径判別手段が、予
   め粒径毎に定められた累積振幅と貫入抵抗との関
   係を記憶したテーブルと、前記累積振幅と貫入抵
   抗が与えられたとき、前記テーブルから土の粒径
   を求める手段とを備えたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の土質判別装置。 ３ 前記土の粒径を判別する粒径判別手段が、予
   め定められた貫入抵抗に対する累積振幅の増分と
   粒径との関係を記憶したテーブルと、前記累積振
   幅と貫入抵抗が与えられたとき、貫入抵抗の増加
   に対する前記累積振幅の増分を求める累積振幅増
   分演算手段と、累積振幅の増分に基づいて前記テ
   ーブルから土の粒径を求める手段とを備えたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の土質判
   別装置。