JPS63279141A - 土質判別装置 - 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〕 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１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
取られていたが、■）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０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６図中、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、後端はロッ
ド本体部分１ａの内実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。

ロッド１を土中に貫入させるときには、先端コーン部１
ｂ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、土の粒径によって異なった音が発生する。例え
ば、粘性土の場合にはほとんど聞きとれないほど微弱な
音であるが、砂の場合にはシャリシャリ、礫の場合には
ガリガリという音を聞くことができる。したがって、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０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超え
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ＮＱ７１−１
００３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
大きくなっており、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
ましリ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ったシルト質細砂とでは、は
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）となって一
旦空中を伝播したものを検出しているのであり、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、探査用ロッ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
、より精度良く、かつ直接上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図によって説明すると、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ッド１
と、探査用ロッド１を土中に貫入させる油圧シリンダ等
の貫入装置６と、探査用ロッド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
特性値変換手段ａは振動センサ２の出力信号を波形特性
値に変換し、累積振幅演算手段す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１粒径判
別手段す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１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
って説明する。

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ッド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
値変換器によって実効値レベルに変換された生波形を示
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５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っており、土の粒径が大きい
ほど振幅は大きくなっ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
の粒径によって大きく異なり、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って実効値レ
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、８度あるいは拘束圧を変えて、探査用ロ
ッド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、振幅が大きくなっていることが分かる。

また、これに伴って、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。したがって、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、
土質によって定まる第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）共に対数目盛をとって示したも゛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
って異なり、土の粒径が大きいほど傾きが大きくなるこ
とである。

したがって、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０．１ｍ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ＯＳＯ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、実験値を求めなかった粒径とすることによ
って、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、はぼ同じ点に集まって
いることが分かる。

したがって、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１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。

ここに、ａＩ：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＝ＫＦｂ　　　　　・・・・・・（２）ここに、Ｋ：
定数 ｂ：直線の傾きを表わす係数 したがって、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Ｉ）ｓｏ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Ｉ）ｓｏ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った
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、大加速度が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。したがって、
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、砂との有意な差が得られなくなる。これに対し、
累積振幅をとった場合は、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１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ュータ（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　（アコースティック
・エミッション）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
の出力信号を主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
センサの出力信号主波形を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主波形を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ッドの先端付近の
断面図であり、第２図と同一の機能１名称の構成部分に
は同一符号を付しである。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ャー
トを示す。図中、１０１は演算開始時の初期設定のステ
ップ、　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ップ、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
るステップ、１０５はあらかじめマイコンに記憶させで
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Ｉ）ｓｏをテーブルルックアッ
プにより求めるステップ、１０６は土Φ粒径ＯＳａを表
示器に出力するステップ、１０７は測定終了を判断する
ステップであり、　１０４．１０５のステップはそれぞ
れ第１図の累積振幅演算手段す１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ャー
トの他の例を示すもので、第１１図と同一機能、名称の
ステップには同一符号を付しである。ステップ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を演算するステップ、１０５ｂはあ
らかじめマイコンに記憶させである第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Ｄ５Ｇをテーブルルックアップにより
求めるステップであり、１０５ａ、　１０５ｂのステッ
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、かつ直接上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、即座に処理す
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ック図、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図は本発明の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ッ
ク図、第１１図、第１２図は上記実施例の演算処理のフ
ローチャートである。 １・・・探査用ロッド、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
るステップ、１０５゜１０５ａ、　１０５ｂ・・・粒径
判別手段に相当するステップ。

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。