JPH0588776B2 - - 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、特に土の粒径をリアルタイム
で判別できる土質判別装置に係り、一般の土質調
査は勿論、シールド工法等において土の粒径変化
をリアルタイムで把握し施工にフイードバツク可
能な土質判別装置に関する。

〔従来技術〕

現在位置におけるリアルタイムの土質調査を目
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等がある
が、何れの試験機も、探査用のロツドを土中に貫
入させるとき、或いは土中で回転させるときの土
の抵抗を測定するものであるため、土の強度しか
判別できなかつた。

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
注入制御等においては、土の強度だけでなく、土
の粒径、粒度なども問題となることが多い。特
に、近時は、変化する現場情報を時々刻々検知・
解析し、これを次の施工段階にフイードバツクし
て、安全・確実且つ経済的に工事を進めることが
求められつつあり、急激な土質変化等を迅速・的
確に判別しうる土質判別装置の実現が望まれてい
た。

一方、従来の土の粒径の判別手法は、一般的に
貫入試験時に土の試料を採取し、このサンプリン
グされた試料を室内で試験・評価することによつ
て、土の粒径を判別する方法を採つていたが、 (i) 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）。

(ii) 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、最近は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、土の強度に加えて土の粒径を含めた土の性質
を、現在位置でリアルタイムに判別する手法が採
られつつある。

第９図は、その一つである音を利用した土質判
別装置の貫入部を示す図である。図において、５
０は探査用ロツドで、パイプ状の本体部５１と、
該本体部５１の先端に配置された円錐形のコーン
５２を備えている。５３は、上記コーン５２内に
配置されたマイクロホン、５４は、歪ゲージを備
えた荷重センサ（ロードセル）で、一端が前記コ
ーン５２の後端に、他端が前記本体部５１の先端
側の段部５１ａに各々密着するように配置されて
いる。このように形成された貫入部は、前記探査
用ロツド５０の後端に結合された油圧シリンダ等
の貫入装置５５によつて、土中に一定速度で貫入
される。このとき、前記コーン５２に加わる貫入
抵抗を前記荷重センサ５４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
出来る。また、探査用ロツド５０を土中に貫入さ
せるときには、コーン５２と土、或いは土同志の
摩擦や、土粒子の破砕等により、土の粒径によつ
て異なつた音が発生する。例えば、粘土の場合は
殆んど聞きとれない程度弱な音であるが、砂の場
合はジヤリジヤリ、礫の場合はガリガリといつた
ような音が発生する。従つて、これらの音をコー
ン５２に内蔵した前記マイクロホン５３で検出
し、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１０図は、上記したマイクロホン５２からの
出力信号を処理する装置の一例を示している。同
図において、マイクロホン５２の出力はプリアン
プ５６で増幅された後、ログアンプ５７及びパル
ス計数器５８に供給され、ログアンプ５７ではこ
れを対数圧縮し、音圧、即ち音の大きさとして表
示器５９に表示させる。また、パルス計数器５８
では、一定音圧レベルを超える音についてだけこ
れをカウントし、表示器６０に単位時間当りのパ
ルス数として表示させる。

この処理装置から得られた音圧・パルス数と土
質との関係を示すのが第１１図である（鉄道技研
速報No.71−1003より転載）。

〔発明が解決しようとする課題〕

第１１図において、土質の種類は図示下に行く
ほど土の粒径が大きくなつており、これに略従つ
て音圧及びパルス数も大きくなる関係にある。よ
つて、この関係から土質の大よその判別は可能で
ある。

しかしながら、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マクロ
的傾向があるものの、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見ると、
ゆるい礫まじり粗砂の方が粒径が大きいにもかか
わらず、音圧、パルス数が小石まじりシルト質砂
よりも小さくなる場合がある。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
じ粒径であるにかかわらず、土の締り具合、即ち
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、音圧・パルス数と粒
径とが必ずしも対応関係にはない、或いは土の強
度の影響を受けるため、荷重センサ５４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、等の問題があつた。

なお、前記した従来技術の説明では、マイクロ
ホン５３をコーン５２に内蔵した場合を例にとつ
て説明したが、前記マイクロホン５３は、前記コ
ーン５２における第９図でＡ部の金属表面が空気
圧の変動（縦波）となつたものを検出しており、
従つて、Ａ部の金属表面の振動を直接加速度セン
サで検出しても全く同じ結果となる。また、以上
のような音、加速度のみならず、要は土粒子によ
る摩擦、破砕等に起因する振動を捕える振動セン
サをコーン５２に装備すれば、第１１図に示した
ような結果が得られるが、それと共に上述したよ
うな問題点が発生する。

従つて、本発明の解決すべき技術的課題は上記
した従来技術のもつ問題点を解消することにあ
り、その目的とするところは、土の粒径をより精
度良くリアルタイムで判別できる土質判別装置を
提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は上記目的を達成するため、先端付近に
振動センサと荷重センサを内蔵した探査ロツド
と、該探査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とを処理して土質
判別を行なう装置において、予め土の粒径毎にケ
ーススタデイされた、前記振動センサの最大値と
平均値の差と、前記貫入抵抗との関係を記録した
テーブルの内容を参照して、土の粒径を判別する
演算手段を備えた、構成とされる。

〔作用〕

発明者らは種々検討の結果、振動センサからの
出力信号を実効値に変換し、この実効値の最大値
と平均値の差（以下これを最大差振幅と呼ぶ）
と、貫入抵抗とが、個々の土の平均粒径毎に精度
良い各々特定の関連をもつことを見出した。よつ
て、予め土の平均粒径毎にケーススタデイされて
定められた上記最大差振幅と貫入抵抗との関係を
格納したテーブルを参照することによつて、リア
ルタイムで精度の良い土の粒径判別が可能とな
る。

〔実施例〕

以下本発明の一実施例を第１図〜第８図を参照
して説明する。

第１図は土質判別装置のブロツク図で、図にお
いて、１は探査ロツド、２は振動センサたる加速
度センサ、３は荷重センサである。上記探査ロツ
ド１は、第２図に示すように細長い金属製の本体
部４と、該本体部４の先端に取付けられた円錐形
の金属製のコーン５とを備えており、コーン５の
直径は約35〜40mm、コーン５の先端角αは約60゜
程度のものに設定されている。上記コーン５に
は、前記加速度センサ２が該センサの周波数応答
特性を満足する絶縁アダプタ６を介して取付けら
れており、土中への貫入時におけるコーン５の振
動加速度を検出するようになつている。前記荷重
センサ（先端ロードセル）３は図示せぬ歪ゲージ
を備え、コーン５の後端と前記本体部４先端側の
段部４ａとに各々密着するように取付けられてお
り、土中への貫入時におけるコーン５にかかる貫
入抵抗を検出するようになつている。そして、前
記探査ロツド１は、その後端を油圧シリンダ等よ
りなる貫入装置７によつて押圧され、先端のコー
ン５を土中に一定速度（例えば１cm／sec）で貫
入される。

前記加速度センサ２の出力信号はアンプ８で増
幅され、図示していないが必要に応じデータレコ
ーダに取込まれた後、実効値変換器９によつて実
効値に変換され、然る後、Ａ／Ｄコンバータ１０
によつて適当なサンプリングレートでデジタル信
号に変換され、演算処理装置１１に送出される。
また、前記荷重センサ３の出力信号はアンプ１２
で増幅され、同じく図示していないが必要に応じ
データレコーダに取込まれた後、適当なサンプリ
ングレートでＡ／Ｄコンバータ１０によつてデジ
タル信号に変換され、演算処理装置１１に送出さ
れる。上記演算処理装置１１は、実効値演算処理
手段１３、粒径判別手段１４等を具備し、実効値
に変換された加速度センサ２の出力、並びに荷重
センサ３による貫入抵抗を示す出力によつて、土
の粒径を後述する如く判別する。なお、演算処理
装置は実際にはマイクロコンピユータで構成さ
れ、各種IOインターフエース、主制御プログラ
ム並びに固定データ等を格納したROM、各種フ
ラグ並びに計測データ等を読み書きするRAM、
全体の制御を司どるμCPU等を具備し、後述する
如き予めケーススタデイされた土の平均粒径D₅₀
毎の、貫入抵抗と前記最大差振幅（実効値に変換
された加速度センサの最大値と平均値の差）の関
係を表わしたテーブル１５を具備している。ま
た、演算処理装置１１の演算処理結果は、必要に
応じ表示器１６、プリンタ１７等に出力されてオ
ペレータ等にこれを視認させると共に、外部メモ
リ１８にも取込まれ、該外部メモリ１８からは必
要に応じて記憶データが取出される。

第３図ａ，ｂ，ｃは、土質の異なる粘土、砂、
礫のそれぞれの土中に、前記探査ロツド１を貫入
させた時に前記加速度センサ２から得られる出力
信号を前記実効値変換器９によつて実効値に変換
した後の生波形を示しており、何れも１秒間のデ
ータが示されている。同図から明らかなように、
粘土、砂、礫の順で振動加速度の実効値（以下単
に振動加速度と呼ぶ）の変動振幅は大きくなつて
おり、土の粒径が大きいほど振動加速度の最大差
振幅が大きくなつていることが判る。また、礫に
貫入させた場合の振動加速度の波形は、粘土、砂
のそれに比して変動が激しく、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
噛み合いが外れたとき、或いは破砕したときに発
生する現象で、礫が大きくなるにつれて突発的な
大加速度の発生時間間隔は長くなる。従つて、前
記Ａ／Ｄコンバータ１０で実効値変換後のアナロ
グデータをサンプリングする際には、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。（或いは、前記振動加速度の波形を
表示して、オペレータがその波形に合わせてサン
プリング時間を随時変更するようにしても良い。） 以上のように、振動加速度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、（実効
値変換後の）振動加速度の前記最大差振幅（実効
値の最大値と平均値との差）は大きくなる。但
し、従来例でも述べたように、同一の土でもその
締まり具合が違うと、振動加速度のレベルが異な
り、同様に振幅も異なることが考えられる。第４
図ａ，ｂ，ｃはこの点を検証するため、同じ砂を
用い、密度或いは拘束圧を変えて、探査ロツド１
を貫入させたときの振動加速度（実効値）の波形
を示すものである。同図から明らかなように、密
度或いは拘束圧が増加すると、振幅が大きくなつ
ていることが判る。また、これに伴つて荷重セン
サ３で検出される貫入抵抗も増加している。従つ
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、
精度良く土の粒径を判別することが可能となる。

発明者らはこの点に鑑み種々検討の結果、貫入
抵抗と振動加速度の前記最大差振幅との間に、粒
径（平均粒径D₅₀）によつて定まる第５図示のよ
うな関係があることを見出した。第５図では縦軸
が振動加速度の最大差振幅（実効値の最大値と平
均値の差、第５図の上方に参照図示してある）
を、横軸が貫入抵抗を示しており、両者は各々対
数目盛で示されている。

第５図で注目すべきは、どの土質においても貫
入抵抗の増加と共に、最大差振幅も増加傾向をと
り（図示では直線的なものとなつているが、貫入
抵抗が図示の値以上に増大すると曲線的な増加傾
向を示すものもある。）、土質によつて各々特性カ
ーブが異なることである。また、各特性カーブが
測定範囲内で交わらないことも有意な点である。

従つて、土の平均粒径D₅₀毎の最大差振幅と貫
入抵抗との関係を実験によつてケーススタデイし
て把握しておき（第５図では代表例を３つのみ示
してあるが、例えば、粒径の0.1mm毎、或いは
0.05mm毎にケーススタデイしておけば良い）、こ
れを前記したテーブル１５に格納しておけば、最
大差振幅（前記実効値演算処理手段１３からの出
力）と貫入抵抗が与えられれば、前記粒径判別手
段１４は直ちに正確な粒径を判別し、これを出力
することが出来る。即ち、第５図の如き粒径毎に
異なる特性カーブのデータを予め求めておき、こ
れをテーブル１５に保持しておけば良く、この特
性カーブのデータと土の粒径との関係によつて、
平均粒径D₅₀がリアルタイムで求められることに
なる。第６図は、第５図の特性カーブの直線部の
傾きと土の平均粒径D₅₀との関係を実験によつて
求めたものであり、この第６図における土の平均
粒径D₅₀と傾きの関係によつても平均粒径D₅₀を
求めることができる。そして、第５図もしくは第
６図の関係を参照することによつて、ケーススタ
デイされたデータよりこれと一致もしくは最も近
似する平均粒径が求められることは自明であろ
う。

なお、ここで発明者らは振動加速度の平均値に
着目しても第５図と同様な関係が得られるという
知見を得た。第８図は、この振動加速度と貫入抵
抗との土質別の関係を表わしており、同図から明
らかなように礫と珪砂４号の特性カーブがある貫
入抵抗において交つている。従つて、振動加速度
の平均値と貫入抵抗との関係からでは、礫と珪砂
４号との有意な差がつかないという問題がある。
更に、例えば、前記第３図ｃに示された礫への貫
入時の振動加速度波形で見られるように、礫の噛
み合いが外れたとき、或いは破砕したときには突
発的な大加速度が発生するが、通常は砂と同等の
小加速度しか発生していない。また、大加速度が
発生するのは上述のような理由であるから、礫の
粒径が大きくなるにつれて大加速度発生の時間間
隔が長くなる。従つて、このような変動を単に平
均化すると、小加速度の方が卓越し、砂と礫との
有意な差が得られないのである。

これに対し、本願発明において振動加速度の最
大差振幅に着目した所以は次の通りである。即
ち、振動加速度の最大差振幅による手法では、土
の粒子の噛み合いの外れ、破砕、摩擦等によつて
発生する土の粒径の情報を含む突発的な大加速度
が確実に反映され、砂と礫との有意な差が得られ
るからである。更にまた、前述したように第５図
の土質別の比例関係を示す各特性カーブが、測定
対象となる貫入抵抗の範囲において交わらないか
らである。

第７図は、前記演算処理装置１１内で行なわれ
る演算処理のフローチヤートの１例を示してい
る。図中、Ｓ１は演算開始時の初期設定のステツ
プ、Ｓ２は実効値演算処理のステツプで、一定期
間（例えば１秒間）の振動加速度の平均値を算出
すると共に、この期間内の振動加速度の最大値を
読取り、これと上記平均値との差を演算して最大
差振幅値を算出する。Ｓ３は貫入抵抗を読取るス
テツプ、Ｓ４は、与えられた最大差振幅と貫入抵
抗に基づき土の平均粒径D₅₀をテーブルルツクア
ツプにより求めるステツプ、Ｓ５は求められた平
均粒径D₅₀を表示器１６に表示させるステツプ、
Ｓ６は測定終了を判断するステツプで、Ｓ２での
処理は前記実効値演算処理手段１３での処理に、
また、Ｓ４での処理は前記粒径判別手段１４によ
る処理に相当する。

上記したフローチヤートにおいては、土の平均
粒径D₅₀のみを表示させるようにしているが、貫
入抵抗値を合わせて表示することが出来るし、表
示形態も貫入距離と順次対応して一覧表示する等
の種々の形態をとり得る。また、プリントアウト
することも、外部メモリ１８に必要データを記憶
しておくことも可能であり、更には又、工法を制
御する主制御装置へリアルタイムで情報を送出す
ることも可能である。

なお、ここで前述してきた実施例においては、
加速度センサ２の出力信号を実効値に変換する例
を示した。こうした所以は、実効値を用いると、
時間に対する振動振幅の変動を的確にとらえる上
で、加速度センサ２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
低くし、サンプリング数を少なくしてデータ処理
速度を高めるためである。しかしながら、加速度
センサ２の出力信号生波形を直接Ａ／Ｄ変換して
以後同様の処理を行なうことも可能である。ま
た、振動センサとして加速度センサ２を用いてい
るが、マイクロホン、AE（アコーステイツク・エ
ミツシヨン）センサ等の他の振動センサを用いた
場合でも同様の原理で土の粒径を求めうる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、土の締まり具
合、拘束圧（土被り）等による影響を貫入抵抗で
補正した、精度の良い、且つリアルタイムで土の
粒径を知ることが出来る土質判別装置が提供で
き、その産業的価値は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明の１実施例に係り、第
１図は土質判別装置のブロツク図、第２図は探査
ロツドの先端部分の断面図、第３図ａ，ｂ，ｃは
各種土質における振動加速度の実効値波形図、第
４図ａ，ｂ，ｃは同一土質における土の締まり具
合等による波形変化を説明するための振動加速度
の実効値波形図、第５図は土質別の振動加速度の
実効値の最大値と平均値の差と貫入抵抗との関係
を示すグラフ図、第６図は上記関係の直線の傾き
と土の平均粒径との関係を示すグラフ図、第７図
は処理フローの１例を示すフローチヤート図、第
８図は本発明に至る前提となつた土質別の振動加
速度の平均値と貫入抵抗との関係を示すグラフ
図、第９図〜第１１図は従来例に係り、第９図は
探査ロツドの説明図、第１０図は処理装置のブロ
ツク図、第１１図は音圧・パルス数と各種土質と
の関係を示す説明図である。 １…探査ロツド、２…加速度センサ（振動セン
サ）、３…荷重センサ、４…本体部、５…コーン、
６…絶縁アダプタ、７…貫入装置、８…アンプ、
９…実効値変換器、１０…Ａ／Ｄコンバータ、１
１…演算処理装置、１２…アンプ、１３…実効値
演算処理装置、１４…粒径判別手段、１５…テー
ブル、１６…表示器、１７…プリンタ、１８…外
部メモリ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 先端付近に振動センサと荷重センサを内蔵し
   た探査ロツドと、該探査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とを処
   理して土質判別を行なう装置において、予め土の
   粒径毎にケーススタデイされた、前記振動センサ
   の最大値と平均値の差と、前記貫入抵抗との関係
   を記録したテーブルの内容を参照して、土の粒径
   を判別する演算手段を備えたことを特徴とする土
   質判別装置。