JPH11222810A - 光ファイバを用いた杭の軸力分布計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光ファイバを杭に設置し、杭の載荷試験におい
て段階的に荷重を加えたときに発生する軸方向ひずみ分
布を杭全長にわたり連続的に計測し得る光ファイバを用
いた杭の軸力分布計測装置および方法を提供することに
ある。 【解決手段】構造物基礎工事における杭の鉛直支持力お
よび沈下特性の調査、または杭の設計鉛直支持力の妥当
性を確認するための杭の鉛直載荷試験において、光ファ
イバを用いて杭に発生するひずみ分布を計測する工程を
有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、構造物基礎工事に
おける杭の鉛直支持力を求める際に用いられる杭の軸力
分布計測装置および方法に関するものである。本発明
は、構造物基礎工事における杭の鉛直支持力および沈下
特性の調査、または杭の設計鉛直支持力の妥当性を確認
する杭の鉛直載荷試験に利用される。

【０００２】

【従来の技術】構造物基礎工事における杭の鉛直支持力
および沈下特性の調査、または杭の設計鉛直支持力の妥
当性を確認するために杭の鉛直載荷試験が行われている
（土質工学会、“土質工学会準拠 杭の鉛直載荷試験方
法・同解説”、土質工学会）。この載荷試験では、杭の
支持力となる周面摩擦力や先端支持力を調査するために
軸力分布を計測する。ここでは、場所打ちコンクリート
杭の場合について杭の鉛直載荷試験の際に行われている
杭の軸力分布計測手法を簡単に説明するとともに、問題
点を述べる。

【０００３】図１７に従来の載荷試験を行う場所付近の
ボーリング柱状図とＮ値分布、および載荷試験を行う試
験杭の打設深度を示す。ＥＬは試験杭５０′の地表から
の深さを示す。試験杭５０′は、実際に用いられる場所
打ちコンクリート杭と同様の仕様のものとする。載荷試
験では、杭の支持力となる周面摩擦力や先端支持力を調
査するために軸力分布を測定する。場所打ちコンクリー
ト杭の軸力分布は、１断面あたり２点（または４点）の
対象深度にひずみ計や鉄筋計を埋め込んで測定する方法
が用いられている。図１８に実際に試験杭５０に設置し
た鉄筋計５１の位置を示す。図１８（ａ）は横断面図、
図１８（ｂ）は縦断面図である。図中、５２は杭頭沈下
測定用ガス管であり、５３は杭を構成する鉄筋である。
図１８に示された試験杭５０は、図１７に示された試験
杭５０′の杭頭に載荷試験のためにコンクリートを２０
００ｍｍ打ち足したものである。５４が打ち足した部分
である。ここでは、鉄筋計５１を杭頭部、地層の変化
部、杭先端部の深度に、１断面あたり２点の対象深度に
設置した。それぞれの深度は、杭頭部が図１７で示され
た１断面、地層の変化部が２、３断面、杭先端部が４断
面に相当する。このように鉄筋計５１が設置された試験
杭５０に荷重を段階的に加え、各荷重について鉄筋計５
１の計測を行う。各荷重における鉄筋計の値、すなわ
ち、ひずみと深度の関係を図１９に示す。次にコンクリ
ートの弾性係数を求める。鉄筋の弾性係数は一定である
が、コンクリートの弾性係数は、コンクリートの応力−
ひずみ関係が非線形であることから、ひずみ依存性があ
り、一つの値として決めることができない。このため、
試験杭に加えた荷重と発生したひずみの値からひずみの
大きさに応じた弾性係数を求める。杭頭部では周面摩擦
力が作用していないため試験杭に加えられた荷重Ｗと杭
を構成しているコンクリートの断面積Ａｃから応力が求
められる。求められた応力と計測されたひずみεとか
ら、コンクリートの弾性係数Ｅｃを次式から求めること
ができる。

【０００４】 Ｅｃ＝Ｗ／（Ａｃε） （１） 求められたコンクリートの弾性係数Ｅｃと鉄筋の弾性係
数Ｅｓ、杭を構成している鉄筋の断面積Ａｓから、ひず
みεが生じた深度における軸力Ｒは次式より求めること
ができる。

【０００５】 Ｒ＝ε（ＥｃＡｃ＋ＥｓＡｓ） （２） 式（１）および式（２）を用いることにより、載荷荷重
が８００ｔｆのときの軸力分布は図２０のように求める
ことができる。

【０００６】従来行われている杭の鉛直載荷試験方法で
は、場所打ちコンクリート杭の軸力はひずみ計や鉄筋計
を設置した深度の軸力のみの計測となる。そのため、ひ
ずみ計や鉄筋計を設置した深度の間の軸力については直
線分布するとして軸力分布が推定されている。したがっ
て、杭全長にわたる連続した真の軸力分布を求めること
ができないという問題があった。ここでは場所打ちコン
クリート杭の鉛直載荷試験について説明したが、他の鋼
管杭等の鉛直載荷試験についても同様の問題が存在す
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の事情に
鑑みてなされたもので、光ファイバを杭に設置し、杭の
載荷試験において段階的に荷重を加えたときに発生する
軸方向ひずみ分布を杭全長にわたり連続的に計測し得る
光ファイバを用いた杭の軸力分布計測装置および方法を
提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の光ファイバを用いた杭の軸力分布計測方法
は、構造物基礎工事における杭の鉛直支持力および沈下
特性の調査、または杭の設計鉛直支持力の妥当性を確認
するための杭の鉛直載荷試験において、光ファイバを用
いて杭に発生するひずみ分布を計測する工程を有するこ
とを特徴とする。

【０００９】また本発明は、前記光ファイバを用いて杭
に発生するひずみ分布を計測する工程において、前記杭
に光ファイバを設置する第１の工程と、前記光ファイバ
の長さ方向に発生するひずみ分布を計測する第２の工程
とを具備することを特徴とする。

【００１０】また本発明は、前記杭に光ファイバを設置
する第１の工程において、杭として場所打ちコンクリー
ト杭を用い、前記杭の打設時に前記光ファイバをコンク
リートと一緒に埋め込むことを特徴とする。

【００１１】また本発明は、前記杭に光ファイバを設置
する第１の工程において、杭として場所打ちコンクリー
ト杭を用い、前記杭を構成している鉄筋に前記光ファイ
バを貼り付けることを特徴とする。

【００１２】また本発明は、前記場所打ちコンクリート
杭を構成している鉄筋に光ファイバを貼り付ける際に、
前記鉄筋に溝加工を施し前記光ファイバを貼り付け、前
記溝に充填剤を満たし、該ファイバを被覆することを特
徴とする。

【００１３】また本発明は、前記場所打ちコンクリート
杭を構成している鉄筋に溝加工を施し、光ファイバを貼
り付け被覆する際に、エポキシ樹脂で被覆することを特
徴とする。

【００１４】また本発明は、前記場所打ちコンクリート
杭を構成している鉄筋に溝加工を施し、光ファイバを貼
り付け被覆する際に、ウレタン樹脂で被覆することを特
徴とする。

【００１５】また本発明は、前記杭に光ファイバを設置
する第１の工程において、杭として鋼管杭を用い、前記
杭の内面もしくは外面に前記光ファイバを貼り付けるこ
とを特徴とする。

【００１６】また本発明は、前記杭に光ファイバを設置
する第１の工程において、杭としてＰＨＣ杭を用い、前
記杭を構成しているＰＣ鋼棒に前記光ファイバを貼り付
けることを特徴とする。

【００１７】また本発明は、前記光ファイバを用いた杭
の軸力分布計測方法において、光ファイバを用いて杭に
発生するひずみ分布を計測する際に、前記光ファイバに
光パルスを入射し、光パルスによって前記光ファイバの
長さ方向に発生するブリルアン散乱光の前記光ファイバ
の長さ方向における分布を測定し、前記ブリルアン散乱
光から前記光ファイバの長さ方向に沿ったひずみ分布を
計測することを特徴とする。

【００１８】また本発明の光ファイバを用いた杭の軸力
分布計測装置は、杭に設置された光ファイバと、この光
ファイバの長さ方向に発生するひずみ分布を計測するひ
ずみ分布計測装置とを具備することを特徴とするもので
ある。

【００１９】また本発明の光ファイバを用いた杭の軸力
分布計測装置は、杭を構成する溝加工を施した鉄筋と、
鉄筋の溝内に挿入され充填剤で被覆された光ファイバ
と、この光ファイバの長さ方向に発生するひずみ分布を
計測するひずみ分布計測装置とを具備することを特徴と
するものである。

【００２０】また本発明は、前記光ファイバを用いた杭
の軸力分布計測装置において、充填剤として、エポキシ
樹脂を用いることを特徴とするものである。また本発明
は、前記光ファイバを用いた杭の軸力分布計測装置にお
いて、充填剤として、ウレタン樹脂を用いることを特徴
とするものである。

【００２１】また本発明は、前記光ファイバの長さ方向
に発生するひずみ分布を計測するひずみ分布計測装置と
して、光周波数が一定の連続光を発生する連続光発生手
段と、前記連続光を信号光と参照光に分岐する分岐手段
と、前記信号光の光周波数を特定の周期で変換させる光
周波数変換手段と、前記信号光を光パルスに変換する変
換手段と、前記光パルスの偏波面を回転させる第１の偏
波面回転手段と、前記第１の偏波面回転手段から出射さ
れる光パルスを被測定光ファイバへ入射させるととも
に、該被測定光ファイバにおける後方散乱光を出射させ
る光結合手段と、前記参照光の偏波面を回転させる第２
の偏波面回転手段と、前記光結合手段から出射される後
方散乱光と、前記第２の偏波面回転手段から出射させる
参照光とを合波する合波手段と、前記合波手段から出射
される合波光を検波して電気信号に変換し、演算処理に
より測定波形を得る検波演算手段とを具備することを特
徴とするものである。

【００２２】本発明は、光ファイバを杭に設置し、杭に
発生する軸方向ひずみ分布を光ファイバを介して計測す
ることにより、杭に発生する軸方向ひずみを連続的に計
測することができる。したがって、軸方向ひずみ分布を
用いて杭の軸力を連続的に求めることが可能となり、連
続した真の軸力分布を求めることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。 （ａ）実施形態例１ 次に本発明の実施形態例１を図面を用いて説明する。本
実施形態例は、光ファイバと、光ファイバの長さ方向に
発生するひずみ分布を計測する装置とから構成されてい
る。光ファイバの片端に重りを付け、一定張力をかけた
状態で鉄筋かごと一緒にコンクリートを打設するために
地中に掘った穴に入れる。この穴にコンクリートを流し
込み、場所打ちコンクリート杭の施工を行った。光ファ
イバの長さ方向に発生するひずみ分布を計測する装置構
成の概略図を図１５、詳細図を図１６に示す。

【００２４】図１５は後方ブリルアン散乱光を用いて片
端から光ファイバの諸特性を測定するＢＯＴＤＲ（Bril
louin Optical Time Domain Reflectometer ）の構成の
一例を示すブロック図である。図において、２１０はコ
ヒーレント光源であり、スペクトル線幅の狭い連続光を
光方向性結合器２１１へ出射する。光方向性結合器２１
１は、コヒーレント光源２１０から出射された連続光を
測定光と参照光とに分岐して、測定光を光スイッチ２１
２へ、参照光を光方向性結合器２１７へそれぞれ出射す
る。

【００２５】光スイッチ２１２は、光方向性結合器２１
１が出射する連続光をパルス化して光方向性結合器２１
３へ出射する。光方向性結合器２１３は、光周波数変換
器２１４と共にループ回路を構成しており、このループ
回路内において、光周波数変換器２１４が光スイッチ２
１２から出射される光パルスの周波数を所定周波数分シ
フトした後、所定のタイミングでオン／オフ制御を行
い、これを上記のループ回路内で繰り返すことにより、
光周波数が所定周波数分ずつ階段状に周波数掃引され、
かつ、その周波数掃引が連続的に繰り返された疑似的な
連続光を生成する。この連続光は、光方向性結合器２１
３から音響光学素子２１５へ出射される。

【００２６】音響光学素子２１５は、光方向性結合器２
１３から出射された測定光をパルス化して光方向性結合
器２１６へ出射する。光方向性結合器２１６は、音響光
学素子２１５から出射される光パルス信号を被測定光フ
ァイバ２２１へ出射すると共に、被測定光ファイバ２２
１内の後方ブリルアン散乱光を光方向性結合器２１７へ
出射する。

【００２７】光方向性結合器２１７は、光方向性結合器
２１１から出射された参照光と、光方向性結合器２１６
から出射された後方ブリルアン散乱光とをＯ／Ｅ変換器
２１８へ出射する。Ｏ／Ｅ変換器２１８は後方ブリルア
ン散乱光を参照光によりコヒーレント受信し、それを電
気信号に変換して増幅器２１９へ出力する。増幅器２１
９は供給された電気信号を増幅して信号処理回路２２０
へ出力する。

【００２８】信号処理回路２２０は供給された電気信号
を平均化加算処理し、被測定光ファイバ２２１の長手方
向の歪分布、温度分布、損失分布等の特性を測定する。
図１６は光ファイバ特性測定装置の構成の一例を示すブ
ロック図である。図において、１は狭線幅のコヒーレン
ト光を出射するコヒーレント光源であり、例えばＡＴＣ
（自動温度制御）を有する１．５５μｍ帯のＭＱＷ・Ｄ
ＦＢ（多重量子井戸・分布帰還型）半導体レーザなどが
用いられる。２，３，９，１０，１３，１７，２２，２
３は光方向性結合器である。

【００２９】ここで、光方向性結合器２，３，１３，１
７は、入射用ポートを１つ、出射用ポートを２つ有する
１×２の光方向性結合器であり、入射用ポートから入射
された光信号を２つの出射用ポートに分割して出射す
る。また、光方向性結合器９，１０は、入射用ポートを
２つ、出射用ポートを１つ有する２×１の光方向性結合
器であり、それぞれの入射用ポートから入射された光信
号を合成して出射用ポートに出射する。また、光方向性
結合器２２は、３つのポートを有し第１のポートへ入射
された光信号を第２のポートから出射すると共に、第２
のポートへ入射された光信号を第３のポートへ出射す
る。さらに、光方向性結合器２３は、２つの入射用ポー
トと、２つの出射用ポートを有し、２つの入射用ポート
へ入射された光信号をそれぞれ対応する出射用ポートか
ら出射する。

【００３０】８，２１は音響−光スイッチであり、タイ
ミング発生回路１０１からのタイミング信号により入射
される光信号のオン／オフを行う。１１，２０は光増幅
器であり、入射された光信号を増幅する。１２はバンド
パスフィルタであり、５ｎｍの光通過帯域を有する。１
４は光周波数シフタであり、入射される光信号をＲＦ発
振器１５から供給される正弦波信号（２５０〜５００ｍ
Ｖ）の周波数分だけ周波数をシフトする。また、周波数
をシフトするタイミングは、タイミング発生回路１０１
から供給されるタイミング信号に従う。本実施形態例に
おいて、ＲＦ発振器が出力する正弦波信号を１２０ＭＨ
ｚ〜１２２ＭＨｚとする。したがって光周波数シフタ１
４によってシフトされる周波数は１２０ＭＨｚ〜１２２
ＭＨｚとなる。

【００３１】１６は遅延ファイバであり、入射される光
信号を所定時間遅延させる。１８は電界−光スイッチで
あり、タイミング発生回路１０１から供給されるタイミ
ング信号によって入射される光信号のオン／オフを行
う。１９は偏波回転器であり、入射される光パルス信号
を交互に直交する偏波面を持つ光パルスにする。２４は
光−電気変換器であり、供給される光信号を電気信号に
変換する。

【００３２】２５はダミー光源であり、駆動回路２７の
駆動信号に従って、１．５３５μｍの波長の光を出射す
る。２６は検出回路であり、入射される光信号の位相に
対し反転した位相の光信号を検出する。２７は駆動回路
であり、検出回路２６が検出した光信号により駆動信号
を出力し、ダミー光源２５を駆動する。２８は増幅器で
あり、入力された電気信号を増幅する。

【００３３】２９は信号処理器であり、供給された電気
信号に所定の処理を施し、被測定光ファイバの諸特性を
計測する。３０，３１はコネクタであり、被測定光ファ
イバの両端にそれぞれ接続されている。１０１はタイミ
ング発生回路であり、上記の光周波数シフタ１４，音響
−光スイッチ８，２１および電界−光スイッチ１８に対
して、各々必要とするタイミング信号を生成して出力す
る。

【００３４】次に、上記の光ファイバ特性測定装置の動
作について、図１５を参照して説明する。まず、コヒー
レント光源１から出射されたコヒーレント光は光方向性
結合器２において分岐され、光方向性結合器３および光
周波数変換器１００へ出射される。光方向性結合器３へ
出射されたコヒーレント光源１からのコヒーレント光
は、光方向性結合器２３へ出射されると共に、さらに一
部が分岐されて、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time
Domain Analyzer）として使用する場合、プローブ光と
してコネクタ３１に出射される。このプローブ光は、被
測定光ファイバを通過する過程でブリルアン増幅作用を
受け、コネクタ３０から光方向性結合器２２の第２のポ
ートへ入射される。

【００３５】一方、光方向性結合器２で分岐されて光周
波数変換器１００へ出射されたコヒーレント光は、光周
波数変換器１００内で、先ず音響−光スイッチ８に入射
され、パルスに変調される。ここで、音響−光スイッチ
８でパルス化された光パルス信号のパルス幅およびパル
ス周期は、それぞれ遅延ファイバ１６による遅延時間お
よび距離レンジによって定まる。通常、パルス幅は４〜
１０μｓであり、また、パルス周期は例えば距離レンジ
が４０ｋｍであれば８００μｓとなる。

【００３６】音響−光スイッチ８によってパルス化され
た光パルス信号は、光方向性結合器９においてダミー光
源２５から出射される光信号と合波された後、光方向性
結合器１０から光増幅器１１，バンドパスフィルタ１
２，光方向性結合器１３，光周波数シフタ１４，遅延フ
ァイバ１６および光方向性結合器１０によって形成され
るループ回路に入射される。上記のループ回路に入射さ
れた光パルス信号は、まず、光増幅器１１で増幅され、
バンドパスフィルタ１２を通過した後、光方向性結合器
１３へ入射される。

【００３７】この時光方向性結合器１３に入射された光
パルス信号の一部が上記のループ回路から出射されると
共に、残りの光パルス信号は周波数シフタ１４へ出射さ
れる。この時、光方向性結合器１３からループ回路外へ
出射された光パルス信号は、光方向性結合器１７によっ
て一部が分岐されて検出回路２６へ出射される。一方、
周波数シフタ１４へ出射された光パルス信号は、周波数
シフタ１４でタイミング発生回路１０１から供給される
タイミング信号に従って、ＲＦ発振器１５から供給され
る正弦波信号の周波数分だけ光パルス信号の光周波数を
シフトされる。また、周波数シフタ１４によってシフト
された光パルス信号は、遅延ファイバ１６によって、音
響−光スイッチ８から出射される光パルス信号のパルス
幅分だけ遅延されて光方向性結合器１０へ出射される。

【００３８】この遅延された光パルス信号は、光増幅器
１１およびバンドパスフィルタ１２を通過した後、光方
向性結合器１３からその一部が出射される。この時出射
された光パルス信号の光周波数は、前回出射された光パ
ルス信号の光周波数よりもシフトされた周波数分高くな
っている。以下、音響−光スイッチ８から次の光パルス
が入射されるまで同様の動作を繰り返す。これにより、
光周波数変換器１００からは、光パルス列１００ａが出
射される。また、この光パルス列１００ａの各光パルス
内の周波数は、周波数シフタ１４によりシフトされた周
波数ずつ階段状に高くなっていく。

【００３９】また、光パルス列１００ａにおいて、光パ
ルスが出射されていない時は、この光パルス列１００ａ
の反転位相を検出している検出回路２６からの検出信号
により駆動回路２７がダミー光源２５を駆動して、波長
が１．５３５μｍの光が光方向性結合器９，１０を経て
光増幅器１１へ入射される。したがって、光増幅器１１
には常に光信号が入射されることとなり、このため、光
パルス信号を増幅する際に起こり易いパルス信号先端部
における急激な光強度の集中を防止することができる。
また、光増幅器１１から出射されるダミー光源２５から
の光は、バンドパスフィルタ１２によって除去されるの
で、光周波数変換器１００から出射されることはない。

【００４０】電界−光スイッチ１８は、タイミング発生
回路１０１から供給されるタイミング信号によって、光
周波数変換器１００から出射される光パルス列１００ａ
の内、所望の光周波数を持つ光パルスを抽出して偏波回
転器１９に出射する。光周波数偏波回転器１９は、抽出
された光パルスが入射される毎にその偏波面を交互に直
交となるよう制御する。このため、電界−光スイッチ１
８によって抽出される光パルスの偏波依存性ゆらぎ、お
よび、ブリルアン散乱光の偏波依存性を除去することが
できる。

【００４１】偏波回転器１９から出射された光パルス１
００ｂは、光増幅器２０によって光増幅される。この
時、光増幅器２０から出射される光パルス１００ｃは、
光増幅器２０が出射する自然放出光と共に出射される。
これを除去するため、タイミング発生回路１０１から音
響−光スイッチ２１にタイミング信号を供給し、所望の
周波数を有する光パルス以外ではオフとなるように音響
−光スイッチ２１を制御する。このようにして得られた
光パルス１００ｄを、光方向性結合器２２は、第１のポ
ートから入射して、第２のポートからコネクタ３０へ出
射する。

【００４２】また、光方向性結合器２２は、コネクタ３
０へ出射した光パルス１００ｅが被測定光ファイバを通
過する際に発生する後方ブリルアン散乱光を、第２のポ
ートから入射し、第３のポートへ出射する。あるいは、
光方向性結合器２２は、コネクタ３１から入射され、被
測定光ファイバを通過する際ブリルアン増幅作用を受け
たプローブ光も同様に第２のポートから入射し、第３の
ポートへ出射する。これら第３のポートから出射された
各光信号は、信号光として受光回路１０２の光方向性結
合器２３へ入射される。

【００４３】光方向性結合器２３は、光方向性結合器３
から出射された参照光および光方向性結合器２２の第３
のポートから出射された信号光を光−電気変換器２４へ
各々出射する。また、光−電気変換器２４はそれぞれ入
射された参照光および信号光をヘテロダイン受光した後
電気信号に変換して電気増幅器２８へ出力する。

【００４４】この時、参照光の光周波数は、コヒーレン
ト光源１が出射するコヒーレント光の光周波数となる。
そして、その参照光によって光−電気変換器２４で信号
光をヘテロダイン受光し、電気信号に変換した後、さら
に電気増幅器２８で電気的なホモダイン検波を行う。こ
れにより、被測定光ファイバの後方ブリルアン散乱光、
あるいは、被測定光ファイバの後方ブリルアン増幅光が
検出される。

【００４５】さらに信号処理器２９は、電気増幅器２８
から出力される電気信号に対し、信号処理を施す。した
がって、光パルス１００ｅを光方向性結合器２２の第２
のポートからコネクタ３０へ出射する場合は、ＢＯＴＤ
Ｒによる光ファイバの特性測定が可能となり、また、そ
れに加えて被測定光ファイバのコネクタ３１側からプロ
ーブ光を入射する場合はＢＯＴＤＡによる光ファイバの
特性測定が可能となる。

【００４６】図１に本発明に係る載荷試験を行う場所付
近のボーリング柱状図とＮ値分布、および載荷試験を行
う試験杭６０′の打設深度を示す。ＥＬは試験杭６０′
の地表からの深さを示す。試験杭６０′は、実際に用い
られる場所打ちコンクリート杭と同様の仕様のものとす
る。載荷試験では、杭の支持力となる周面摩擦力や先端
支持力を調査するために軸力分布を測定する。場所打ち
コンクリート杭の軸力分布は、１断面あたり２点（また
は４点）の対象深度の鉄筋計もしくはひずみ計で測定す
る方法が用いられている。図２に実際に試験杭６０に設
置した鉄筋計６１と光ファイバ６２の位置を示す。図２
（ａ）は横断面図、図２（ｂ）は縦断面図である。図
中、６３は杭頭沈下測定用ガス管であり、６４は杭を構
成する鉄筋である。図２に示された試験杭６０は、図１
に示された試験杭６０′の杭頭に載荷試験のためにコン
クリートを２０００ｍｍ打ち足したものである。ここで
は、鉄筋計６１を杭頭部、地層の変化部、杭先端部の深
度に、１断面あたり２点の対象深度に設置した。それぞ
れに深度は、杭頭部が図１で示された１断面、地層の変
化部が２，３断面、杭先端部が４断面に相当する。この
試験杭６０に荷重を段階的に加え、各荷重について鉄筋
計６１の計測と光ファイバ６２の長さ方向のひずみ計測
を行う。載荷荷重が８００ｔｆのときのひずみ分布を図
３に、計測されたひずみの値から求められた軸力分布を
図４に示す。図３、図４はともに、実線が光ファイバか
ら求められた値、黒菱形（菱形の内部を黒く塗りつぶし
た記号）が鉄筋計から得られた値を表している。この結
果、ひずみ分布、軸力分布ともに光ファイバの値と鉄筋
計の値がほぼ一致していることがわかる。したがって、
光ファイバを用いて杭の鉛直載荷試験を行うことによ
り、真の軸力分布を連続的に求めることができた。

【００４７】（ｂ）実施形態例２ 次に本発明の実施形態例２を図面を用いて説明する。本
実施形態例は、場所打ちコンクリート杭を構成する鉄筋
に埋め込まれた光ファイバと、光ファイバの長さ方向に
発生するひずみ分布を計測する装置とから構成されてい
る。光ファイバを施工する鉄筋は溝加工が施されてお
り、溝部分に光ファイバが貼り付けられ、その上からエ
ポキシ樹脂によって被覆されている。このような鉄筋を
含んだ鉄筋かごを用いて場所打ちコンクリート杭の施工
を行った。光ファイバの長さ方向に発生するひずみ分布
を計測する装置は実施形態例１と同様の図１５及び図１
６に示すものを用いた。

【００４８】載荷試験を行う場所付近のボーリング柱状
図とＮ値分布、および載荷試験を行う試験杭の打設深度
を示す図は図１と同様である。図５に実際に試験杭６０
に設置した鉄筋計６１と光ファイバ６２の位置を示す。
図５（ａ）は横断面図、図２（ｂ）は縦断面図である。
図中、６３は杭頭沈下測定用ガス管であり、６４は杭を
構成する鉄筋である。図５に示された試験杭６０は、図
１に示された試験杭６０′の杭頭に載荷試験のためにコ
ンクリートを２０００ｍｍ打ち足したものである。ここ
では、鉄筋計６１を杭頭部、地層の変化部、杭先端部の
深度に、１断面あたり２点の対象深度に設置した。それ
ぞれに深度は、杭頭部が図１で示された１断面、地層の
変化部が２，３断面、杭先端部が４断面に相当する。図
６に光ファイバ６２を設置した鉄筋６４の断面図を示
す。図６に示すように、鉄筋６４には溝６５が切られて
おり、光ファイバ６２はこの溝６５の中に貼られてい
る。そして、光ファイバ６２を貼った後に溝の中にエポ
キシ樹脂６６を流し込んで被覆している。この試験杭６
０に荷重を段階的に加え、各荷重について鉄筋計６１の
計測と光ファイバ６２の長さ方向のひずみ計測を行う。
載荷荷重が８００ｔｆのときのひずみ分布を図７に、計
測されたひずみの値から求められた軸力分布を図８に示
す。図７、図８はともに、実線が光ファイバから求めら
れた値、黒菱形が鉄筋計から得られた値を表している。
この結果、ひずみ分布、軸力分布ともに光ファイバの値
と鉄筋計の値がほぼ一致していることがわかる。したが
って、光ファイバを用いて杭の鉛直載荷試験を行うこと
により、真の軸力分布を連続的に求めることができた。
本実施形態例では、光ファイバの被覆にエポキシ樹脂を
用いているが、ウレタン樹脂でも同様の結果を得ること
ができた。

【００４９】（ｃ）実施形態例３ 次に本発明の実施形態例３を図面を用いて説明する。本
実施形態例は、既製の鋼管杭の内面（もしくは外面）に
貼り付けられた光ファイバと、光ファイバの長さ方向に
発生するひずみ分布を計測する装置とから構成されてい
る。光ファイバの長さ方向に発生するひずみ分布を計測
する装置は実施形態例１と同様の図１５及び図１６に示
すものを用いた。

【００５０】載荷試験を行う場所付近のボーリング柱状
図とＮ値分布、および載荷試験を行う試験杭の打設深度
を示す図は図１と同様である。図９に実際に試験杭６０
に設置した歪ゲージ６１′と光ファイバ６２の位置を示
す。図９（ａ）は横断面図、図９（ｂ）は縦断面図であ
る。図中、６３は杭頭沈下測定用ガス管であり、６７は
杭を構成する鋼管である。図９に示された試験杭６０
は、図１に示された試験杭６０′の杭頭に載荷試験のた
めにコンクリートを２０００ｍｍ打ち足したものであ
る。ここでは、歪ゲージ６１′を杭頭部、地層の変化
部、杭先端部の深度に、１断面あたり２点の対象深度に
設置した。それぞれに深度は、杭頭部が図１で示された
１断面、地層の変化部が２，３断面、杭先端部が４断面
に相当する。この試験杭に荷重を段階的に加え、各荷重
について歪ゲージ６１′の計測と光ファイバ６２の長さ
方向のひずみ計測を行う。載荷荷重が８００ｔｆのとき
のひずみ分布を図１０に、計測されたひずみの値から求
められた軸力分布を図１１に示す。図１０、図１１はと
もに、実線が光ファイバから求められた値、黒菱形が歪
ゲージから得られた値を表している。この結果、ひずみ
分布、軸力分布ともに光ファイバの値と歪ゲージの値が
ほぼ一致していることがわかる。したがって、光ファイ
バを用いて杭の鉛直載荷試験を行うことにより、真の軸
力分布を連続的に求めることができた。

【００５１】（ｄ）実施形態例４ 次に本発明の実施形態例３を図面を用いて説明する。本
実施形態例は、既製のＰＨＣ杭のＰＣ鋼棒に貼り付けら
れた光ファイバと、光ファイバの長さ方向に発生するひ
ずみ分布を計測する装置とから構成されている。光ファ
イバの長さ方向に発生するひずみ分布を計測する装置は
実施形態例１と同様の図１５及び図１６に示すものを用
いた。

【００５２】載荷試験を行う場所付近のボーリング柱状
図とＮ値分布、および載荷試験を行う試験杭の打設深度
を示す図は図１と同様である。図１２に実際に試験杭６
０に設置した歪ゲージ６１′と光ファイバ６２の位置を
示す。図１２（ａ）は横断面図、図１２（ｂ）は縦断面
図である。図中、６３は杭頭沈下測定用ガス管であり、
６８はＰＣ杭を構成するＰＣ鋼棒である。図１２に示さ
れた試験杭６０は、図１に示された試験杭６０′の杭頭
に載荷試験のためにコンクリートを２０００ｍｍ打ち足
したものである。ここでは、歪ゲージ６１′を杭頭部、
地層の変化部、杭先端部の深度に、１断面あたり２点の
対象深度に設置した。それぞれに深度は、杭頭部が図１
で示された１断面、地層の変化部が２，３断面、杭先端
部が４断面に相当する。この試験杭に荷重を段階的に加
え、各荷重について歪ゲージ６１′の計測と光ファイバ
６２の長さ方向のひずみ計測を行う。載荷荷重が８００
ｔｆのときのひずみ分布を図１３に、計測されたひずみ
の値から求められた軸力分布を図１４に示す。図１３、
図１４はともに、実線が光ファイバから求められた値、
黒菱形が歪ゲージから得られた値を表している。この結
果、ひずみ分布、軸力分布ともに光ファイバの値と歪ゲ
ージの値がほぼ一致していることがわかる。したがっ
て、光ファイバを用いて杭の鉛直載荷試験を行うことに
より、真の軸力分布を連続的に求めることができた。

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光ファイ
バを用いた杭の軸力分布計測装置および方法では、杭に
設置された光ファイバと、光ファイバの長さ方向に発生
するひずみ分布を計測する装置とから構成されている。
光ファイバを杭に設置し、杭に発生する軸方向ひずみを
光ファイバを介して計測することにより、杭に発生する
ひずみを連続的に計測することができる。したがって、
軸力を連続的に求めることが可能となり、連続した真の
軸力分布を求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る載荷試験を行う場所付近のボーリ
ング柱状図とＮ値分布、および載荷試験を行う試験杭の
打設深度の一例を示す説明図である。

【図２】本発明の実施形態例１を示す横断面図及び縦断
面図である。

【図３】本発明の実施形態例１に係るひずみ分布の一例
を示す特性図である。

【図４】本発明の実施形態例１に係る軸力分布の一例を
示す特性図である。

【図５】本発明の実施形態例２を示す横断面図及び縦断
面図である。

【図６】本発明の実施形態例２に係る鉄筋の一例を示す
拡大断面図である。

【図７】本発明の実施形態例２に係るひずみ分布の一例
を示す特性図である。

【図８】本発明の実施形態例２に係る軸力分布の一例を
示す特性図である。

【図９】本発明の実施形態例３を示す横断面図及び縦断
面図である。

【図１０】本発明の実施形態例３に係るひずみ分布の一
例を示す特性図である。

【図１１】本発明の実施形態例３に係る軸力分布の一例
を示す特性図である。

【図１２】本発明の実施形態例４を示す横断面図及び縦
断面図である。

【図１３】本発明の実施形態例４に係るひずみ分布の一
例を示す特性図である。

【図１４】本発明の実施形態例４に係る軸力分布の一例
を示す特性図である。

【図１５】本発明に係る後方ブリルアン散乱光を用いて
片端から光ファイバの諸特性を測定するＢＯＴＤＲの構
成の一例を示すブロック図である。

【図１６】本発明に係る光ファイバ特性測定装置の構成
の一例を示すブロック図である。

【図１７】従来の載荷試験を行う場所付近のボーリング
柱状図とＮ値分布、および載荷試験を行う試験杭の打設
深度を示す説明図である。

【図１８】従来の杭の軸力分布計測装置を示す横断面図
及び縦断面図である。

【図１９】従来のひずみと深度の関係を示す特性図であ
る。

【図２０】従来の軸力分布を示す特性図である。

【符号の説明】

６０ 試験杭 ６１ 鉄筋計 ６２ 光ファイバ ６３ 杭頭沈下測定用ガス管

フロントページの続き (72)発明者 内山 泰臣 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 成瀬 央 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 島田 明佳 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 大野 博重 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 日下部 祐基 北海道札幌市豊平区平岸１条３丁目１番34 号 北海道開発局開発土木研究所内 (72)発明者 中井 健司 北海道札幌市豊平区平岸１条３丁目１番34 号 北海道開発局開発土木研究所内 (72)発明者 佐藤 昌志 北海道札幌市豊平区平岸１条３丁目１番34 号 北海道開発局開発土木研究所内 (72)発明者 後藤 雪夫 北海道札幌市東区北20条東15丁目３番１号 計測技販株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造物基礎工事における杭の鉛直支持力
   および沈下特性の調査、または杭の設計鉛直支持力の妥
   当性を確認するための杭の鉛直載荷試験において、 光ファイバを用いて杭に発生するひずみ分布を計測する
   工程を有することを特徴とする光ファイバを用いた杭の
   軸力分布計測方法。
2. 【請求項２】 光ファイバを用いて杭に発生するひずみ
   分布を計測する工程において、 前記杭に光ファイバを設置する第１の工程と、 前記光ファイバの長さ方向に発生するひずみ分布を計測
   する第２の工程とを具備することを特徴とする請求項１
   記載の光ファイバを用いた杭の軸力分布計測方法。
3. 【請求項３】 杭に光ファイバを設置する第１の工程に
   おいて、 杭として場所打ちコンクリート杭を用い、前記杭の打設
   時に前記光ファイバをコンクリートと一緒に埋め込むこ
   とを特徴とする請求項２記載の光ファイバを用いた杭の
   軸力分布計測方法。
4. 【請求項４】 杭に光ファイバを設置する第１の工程に
   おいて、 杭として場所打ちコンクリート杭を用い、前記杭を構成
   している鉄筋に前記光ファイバを貼り付けることを特徴
   とする請求項２記載の光ファイバを用いた杭の軸力分布
   計測方法。
5. 【請求項５】 場所打ちコンクリート杭を構成している
   鉄筋に光ファイバを貼り付ける際に、 前記鉄筋に溝加工を施し前記光ファイバを貼り付け、前
   記溝に充填剤を満たし、該ファイバを被覆することを特
   徴とする請求項４記載の光ファイバを用いた杭の軸力分
   布計測方法。
6. 【請求項６】 場所打ちコンクリート杭を構成している
   鉄筋に溝加工を施し、光ファイバを貼り付け被覆する際
   に、エポキシ樹脂で被覆することを特徴とする請求項５
   記載の光ファイバを用いた杭の軸力分布計測方法。
7. 【請求項７】 場所打ちコンクリート杭を構成している
   鉄筋に溝加工を施し、光ファイバを貼り付け被覆する際
   に、ウレタン樹脂で被覆することを特徴とする請求項５
   記載の光ファイバを用いた杭の軸力分布計測方法。
8. 【請求項８】 杭に光ファイバを設置する第１の工程に
   おいて、 杭として鋼管杭を用い、前記杭の内面もしくは外面に前
   記光ファイバを貼り付けることを特徴とする請求項２記
   載の光ファイバを用いた杭の軸力分布計測方法。
9. 【請求項９】 杭に光ファイバを設置する第１の工程に
   おいて、 杭としてＰＨＣ杭を用い、前記杭を構成しているＰＣ鋼
   棒に前記光ファイバを貼り付けることを特徴とする請求
   項２記載の光ファイバを用いた杭の軸力分布計測方法。
10. 【請求項１０】 請求項１〜９のいずれかに記載の光フ
    ァイバを用いた杭の軸力分布計測方法において、 光ファイバを用いて杭に発生するひずみ分布を計測する
    際に、前記光ファイバに光パルスを入射し、光パルスに
    よって前記光ファイバの長さ方向に発生するブリルアン
    散乱光の前記光ファイバの長さ方向における分布を測定
    し、前記ブリルアン散乱光から前記光ファイバの長さ方
    向に沿ったひずみ分布を計測することを特徴とする光フ
    ァイバを用いた杭の軸力分布計測方法。
11. 【請求項１１】 杭に設置された光ファイバと、 この光ファイバの長さ方向に発生するひずみ分布を計測
    するひずみ分布計測装置とを具備することを特徴とする
    光ファイバを用いた杭の軸力分布計測装置。
12. 【請求項１２】 杭を構成する溝加工を施した鉄筋と、 鉄筋の溝内に挿入され充填剤で被覆された光ファイバ
    と、 この光ファイバの長さ方向に発生するひずみ分布を計測
    するひずみ分布計測装置とを具備することを特徴とする
    光ファイバを用いた杭の軸力分布計測装置。
13. 【請求項１３】 充填剤として、エポキシ樹脂を用いる
    ことを特徴とする請求項１２記載の光ファイバを用いた
    杭の軸力分布計測装置。
14. 【請求項１４】 充填剤として、ウレタン樹脂を用いる
    ことを特徴とする請求項１２記載の光ファイバを用いた
    杭の軸力分布計測装置。
15. 【請求項１５】 光ファイバの長さ方向に発生するひず
    み分布を計測するひずみ分布計測装置として、 光周波数が一定の連続光を発生する連続光発生手段と、 前記連続光を信号光と参照光に分岐する分岐手段と、 前記信号光の光周波数を特定の周期で変換させる光周波
    数変換手段と、 前記信号光を光パルスに変換する変換手段と、 前記光パルスの偏波面を回転させる第１の偏波面回転手
    段と、 前記第１の偏波面回転手段から出射される光パルスを被
    測定光ファイバへ入射させるとともに、該被測定光ファ
    イバにおける後方散乱光を出射させる光結合手段と、 前記参照光の偏波面を回転させる第２の偏波面回転手段
    と、 前記光結合手段から出射される後方散乱光と、前記第２
    の偏波面回転手段から出射させる参照光とを合波する合
    波手段と、 前記合波手段から出射される合波光を検波して電気信号
    に変換し、演算処理により測定波形を得る検波演算手段
    とを具備することを特徴とする請求項１１〜１４のいず
    れかに記載の光ファイバを用いた杭の軸力分布計測装
    置。