JPH0621852B2 - 土質判別装置 - 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、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て装置としては、標準貫
入試験機、オランダ式あるいはスウェーデン式貫入試験
機などがあるが、いずれの試験機もロッドを土中に貫入
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で
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、土の粒径の判別には、貫入試験に伴い土の試料を
採取して、その試料を室内で試験する方法が一般に採ら
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かなりの時
間と手間がかかる、などの欠点がある。このため、ロッ
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
られるようになってきた。

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。図において、１は探査用ロッド
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位可能なように装着された先端
コーン部１bからなる。２はマイクロホンで、先端コー
ン部１bに内蔵されている。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、後端はロッド本体部分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および荷重セ
ンサ３から処理装置５へ信号を伝送する信号線である。

このように構成された貫入部を、ロッド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が受ける貫入抵抗を荷重センサ３で検出し、これに
より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、ロッド１が土中に貫入されるときに
は、先端コーン部１bと土あるいは土粒子相互の摩擦、
土粒子の破砕などにより、土の粒径によって違った音が
発生する。例えば、粘性土の場合にはほとんど聞き取れ
ないほど微弱な音であるが、砂の場合にはジャリジャ
リ、礫の場合にはガリガリといったような音である。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(a)(b)(c)は、粘土、砂、礫のそれぞれに貫入し
たときに発生する音をマイクロホンで捕え、出力信号を
周波数分析した結果を示す。この図では、土の種類（粒
径）による違いは、発生する音の大きさ（図では縦軸）
に表われている。ここで、音の大きさは土の強度の影響
も受けるが、それよりもむしろ土の粒径による違いの方
が大きく、例えば、砂よりも粘土の方が貫入抵抗は大き
い場合でも、音の大きさとしては砂の方が大きくなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のように、マイクロホン２で検出される音の大きさ
を、荷重センサ３で検出される貫入抵抗の影響分だけ補
正すれば、精度良く土の粒径を判別することが可能であ
る。

ところが、マイクロホンで検出されるような音が発生す
るのは粒径にして0.1mm程度以上の土に貫入したときで
あり、これ以下の粒径の土に貫入したときには、ノイズ
レベルに埋もれ検出できない。したがって、このような
粒径の小さい土に対しては、上記従来技術による土質判
別装置は適用できない場合がある。例えば、泥土加圧式
のシールド掘進機を用いるシールド工法において、確実
に施工を行なうためには、掘進機のカッターホイール後
方の撹拌室内に充満した掘削土砂を、塑性流動性と止水
性とがある良好な泥土状態に維持する必要がある。この
ため、掘削土砂にベントナイトなどを含む粘性付与液
（作泥材）を注入するが、掘削土砂の粒径に応じて注入
する作泥材の濃度、流量を変えている。このとき、作泥
材を注入しなくても塑性流動性、止水性を維持する土質
が粒径にして0.074mm （シルトと砂の境界）以下であ
る。したがって、作泥材を注入するか否かを判断するた
めには、0.074mm付近の粒径の判別を必要とする。

以上、シールド工法に応用する場合を例にとって、0.1m
m以上の粒径しか判別できない従来の土質判別装置の問
題点について述べたが、土の透水性に関連する地盤安定
工法などでも、同様に0.1 mm以下の土の粒径の判別が必
要とされる。

本発明は上記の点にかんがみ、0.1mm以下の土の粒径ま
で精度良く判別できる土質判別装置を提供することを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、ロッド先端部にＡＥ（アコースティック・
エミッション）センサをその受感面がロッド先端部の金
属表面に密着した状態で内蔵する探査用ロッドと、該探
査用ロッドを土中に貫入させる貫入装置と、ロッド貫入
時に発生する振動を受けて前記ＡＥセンサから出力され
る信号を処理し、土質情報として出力する処理装置とを
備えた構成とすることで達成される。

また、ロッド先端部にＡＥセンサをマイクロホンまたは
加速度センサとともに内蔵させ、ロッド貫入時に発生す
る振動を受けて前記各センサから出力される信号を処理
装置で処理し、土質情報として出力させるようにしても
よい。

〔作用〕

ＡＥセンサは、ＡＥ（アコースティック・エミッショ
ン）と呼ばれる、固体中を伝播する微弱な超音波を検出
するための専用のセンサであり、近年材料試験や非破壊
検査などの分野に利用されつつある。このＡＥセンサを
内蔵した探査用ロッドを土中に貫入させると、ロッド先
端部表面と土あるいは土粒子相互の摩擦、土粒子の破砕
などによる振動がロッド先端部の金属中を伝播し、ロッ
ド先端部の内部の金属表面に取付けられたＡＥセンサで
検出され、電気信号に変換される。このＡＥセンサで捕
えた振動（固体伝播音）の信号を処理して、その振幅な
どから土の粒径を判別するわけであるが、ここで、マイ
クロホンによる音の検出と、ＡＥセンサによる固体伝播
音（ＡＥ）の検出について比較してみる。

まず、マイクロホンで検出される音の経路としては、ロ
ッド先端部の外部での土粒子の破砕あるいは土粒子相互
の摩擦により発生する衝撃音あるいは振動がロッド先端
部表面を介してロッド先端部構成する金属中を伝播する
経路と、ロッド先端部表面での土との摩擦による振動が
ロッド先端部を構成する金属中を伝播する経路の２種類
があるが、いずれの経路をとっても、ロッド先端部の金
属中を伝播してきた振動は、マイクロホンの受感面前方
にある金属表面（第２図Ａ部）に達し、金属表面を振動
させる。さらに、この金属表面の振動が圧力波（縦波）
となって一旦空中を伝播し、これをマイクロホンの受感
面で検出しているわけである。

これに対し、ＡＥセンサで検出される固体伝播音の経路
は、ロッド先端部を構成する金属中を伝播するまでは上
記と同じであるが、この金属中を伝播してきた振動（固
体伝播音）が直後ＡＥセンサの受感面が検出される。し
たがって、一旦空中を伝わって検出される音とは違い、
減衰が少なく、直接土粒子の摩擦あるいは破砕による振
動を検出できる。また、ＡＥセンサは、金属結晶の格子
がずれた程度の現象も検出できるぐらい感度が良い。以
上のことから、微粒径の土によって発生する微弱な振動
もＡＥセンサで確実に検出することができる。

第４図(a)(b)(c)は、粘土、砂、礫のそれぞれに貫入し
たときに発生する固体伝播音（図ではＡＥと記す）をＡ
Ｅセンサで捕え、出力信号を周波数分析した結果を示す
ものである。図から、マイクロホンによる音の検出では
ノイズレベルに埋もれ空押し時と同様の分析結果になる
粘土に対しても、粘土への貫入による微弱なＡＥを検出
していることが分かる。また、マイクロホンで音を検出
する場合と同様に、土の粒径によってＡＥの大きさ（縦
軸）が大きく異なることが分かる。

以上のように、ＡＥセンサを用いることにより、ロッド
貫入時に微弱な振動しか発生しない粘土に対しても、そ
の粒径の判別が可能となることが分かる。

ところが、マイクロホンで音を検出する場合には、粒径
が大きいほど音の大きさが大きくなるのに対し、ＡＥを
検出する場合には、第４図に見られるように、礫よりも
砂に貫入したときの方が、ＡＥの大きさ（縦軸）が大き
くなっている。第５図は土の粒径とＡＥの大きさとの関
係を表した図である。なお、同図には土の粒径とマイク
ロホンで検出される音の大きさとの関係も付記した（い
ずれも縦軸に貫入抵抗で補正し基準化したパワースペク
トルのピーク値をとり、横軸に平均粒径をとって示
す）。図から、マイクロホンで音を検出する場合は、粒
径が0.1mm以下になるとノイズレベルに埋もれ検出不可
能であるが、0.1mm以上の粒径に対しては、対数上で音
の大きさが比例関係にあり、音の大きさから容易に粒径
を判別できる。これに対し、ＡＥを検出する場合は、数
mmの粒径をピークして、それ以上の粒径ではＡＥの大き
さが小さくなっている。これは、ＡＥの周波数が数百k
Ｈzと可聴周波数域の音に対して100倍近く高いことによ
る。換言すれば、ＡＥはこのような非常に高い周波数を
持った現象だからである。

第６図は、礫に貫入したときのＡＥ信号の生波形を示す
ものである。図で、突発的に非常に大きな振幅を持った
波形が表われているが、このときには、礫のかみ合いが
はずれるか、あるいは礫が破砕している。しかし、突発
的な大振幅以外は、礫とロッド先端部との摩擦による小
さな振幅しか発生していない。第６図で示した生波形の
振幅（ＡＥの大きさ）を一定時間で平均すると、突発的
な大振幅の時間が極端に短いために小振幅の方に近い値
となる。１mm程度の粒径の砂では、かみ合いのはずれ、
破砕による突発的な大振幅の発生頻度が多いので、平均
値としては、大振幅の部分で引き上げられ、大振幅と小
振幅の中間程度となる。以上のことから、ＡＥの大きさ
は、礫よりも砂の方が大きくなってしまう。ちなみに、
マイクロホンで音を検出する場合も第６図で示したよう
な突発的な大振幅はあるが、その幅（時間）が長く、か
つマイクロホン前方の金属表面の振動が圧力波となって
一旦空中を伝播するものであるから、突発的な大振幅が
引き金となって減衰振動し、大振幅がわずかづつ減衰し
ながらもある時間繰り返される。このことから、平均し
ても突発的な大振幅の影響を強く受け、砂よりも大きな
音となる。

以上のように、ＡＥの検出による土質判別は、粒径の小
さい範囲では音の検出よりも有効であるが、粒径の大き
い範囲では逆に音の検出の方が良い。そこで、これら２
種類のセンサを組合わせて使用すると、広い範囲の粒径
を精度良く判別することが可能となる。

なお、上記説明ではＡＥセンサとマイクロホンの組合わ
せについて述べたが、マイクロホンの代わりに加速度セ
ンサを用いてもよい。すなわち、マイクロホンはロッド
先端部の金属表面の振動を一旦空気を介して捕えるのに
対し、加速度センサは金属表面の振動を直接捕える違い
はあるが、その内部振動系の応答特性はマイクロホンの
それに近く、結果として加速度センサで検出する振動加
速度と土の粒径との関係は、マイクロホンで検出する音
の大きさと土の粒径との関係とほぼ同じになる。

〔実施例〕

第１図は本発明に係る土質判別装置の一実施例を示すも
ので、図中、第２図と同一の機能を有する構成部分には
同一符号を付してある。

同図において、６はＡＥセンサで、探査用ロッド１の先
端コーン部１bに内蔵され、センサ受感面が先端コーン
部１bのＡ部の金属表面に密着した状態に取付けられて
いる。ＡＥセンサは、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛磁
器）などを検出素子とする高感度の圧電型センサで、形
状、共振周波数などにより多くの種類のものが市販され
ており、これらの中から本発明の使用目的に合ったもの
を選択することができる。なお、本実施例においても、
第２図に示したものと同様に、ロッド本体部分１aと先
端コーン部１bとの間に荷重センサ（ロードセル）３が
装備されている。

このように構成された探査用ロッド１を、油圧シリンダ
等の貫入装置により、土中に一定速度で貫入させると、
先端コーン部１bと土あるいは土粒子相互の摩擦、土粒
子の破砕などによる振動が先端コーン部１bを構成する
金属中を伝播し、ＡＥセンサ６で検出される。この固体
伝播音（ＡＥ）を検出するＡＥセンサ６の出力信号と貫
入抵抗を検出する荷重センサ３の出力信号を信号線４に
よって外部に配置した処理装置５に送り、ここで各信号
を処理し、ＡＥの大きさ、貫入抵抗などの土質情報とし
て表示させる。

第５図に示した土の粒径とＡＥの大きさとの関係から、
貫入時のＡＥの大きさが判明すれば、土の粒径を0.1mm
以下まで精度良く判別することができる。

第７図は本発明に係る土質判別装置の他の実施例を示す
もので、図中、第１図、第２図と同一機能を有する部分
には同一符号を付してある。

本実施例は探査用ロッド１の先端コーン部１b にＡＥセ
ンサ６をマイクロホン２とともに内蔵させた例であり、
マイクロホン２は先端コーン部1bの外表面から内部の空
間に伝わる音を検出し、ＡＥセンサ６は前述したように
先端コーン部１bの金属中を伝わる固体伝播音（ＡＥ）
を検出する。

このように構成された探査用ロッド１を土中に貫入し、
このときマイクロホン２で検出した音の大きさとＡＥセ
ンサ６で検出したＡＥの大きさを処理装置５から読み取
ることにより、前述したように粒径の大きい範囲から粒
径の小さい範囲まで精度良く土質を判別することが可能
となる。

〔発明の効果〕

以上のように、貫入部にＡＥセンサを内蔵した本発明の
土質判別装置は、貫入時の固体伝播音（ＡＥ）の検出に
より、従来行なわれていたマイクロホンによる音の検出
あるいは加速度センサによる振動加速度の検出ではノイ
ズレベルに埋もれ判別できなかった0.1mm以下の土の粒
径まで精度良く判別することを可能にし、また貫入部に
ＡＥセンサとマイクロホンあるいは加速度センサを組合
わせて内蔵した本発明の土質判別装置は、固体伝播音
（ＡＥ）の検出のみでは困難な数mm以上の土の粒径の判
別を、マイクロホンによる音の検出あるいは加速度セン
サによる振動加速度の検出で補完し、広い範囲の土の粒
径の判別を可能にするという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は貫入部にＡＥセンサを内蔵した本発明の一実施
例の要部断面図、第２図は音を利用した従来の土質判別
装置の要部断面図、第３図は音を利用した土質判別の説
明図、第４図ないし第６図は本発明のＡＥ信号による土
質判別の説明図で、第４図はＡＥ信号の周波数分析結果
を示す図、第５図は土の粒径とＡＥの大きさとの関係を
示す図、第６図は礫貫入時のＡＥ信号の生波形を示す
図、第７図は貫入部にＡＥセンサとマイクロホンを組合
わせて内蔵した本発明の他の実施例の要部断面図であ
る。 １……探査用ロッド、１a……ロッド本体部分、１b……
先端コーン部、２……マイクロホン、３……荷重セン
サ、４……信号線、５……処理装置、６……ＡＥセン
サ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロッド先端部にＡＥ（アコースティック・
   エミッション）センサをその受感面がロッド先端部の金
   属表面に密着した状態で内蔵する探査用ロッドと、該探
   査用ロッドを土中に貫入させる貫入装置と、ロッド貫入
   時に発生する振動を受けて前記ＡＥセンサから出力され
   る信号を処理し、土質情報として出力する処理装置とを
   備えてなる土質判別装置。
2. 【請求項２】ロッド先端部にマイクロホンまたは加速度
   センサとともに、ＡＥ（アコースティック・エミッショ
   ン）センサをその受感面がロッド先端部の金属表面に密
   着した状態で内蔵する探査用ロッドと、該探査用ロッド
   を土中に貫入させる貫入装置と、ロッド貫入時に発生す
   る振動を受けて前記各センサから出力される信号を処理
   し、土質情報として出力する処理装置とを備えてなる土
   質判別装置。