JPS63307339A - 電磁波による土の締固め度合の測定方法および装置 - 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、電磁波を用いて土の締固め度合を測定する方
法および装置に関するものである。

［従来技術とその問題点１ 一般に、締固めは、盛土中の空隙を減らして、有害な沈
下を防いで盛土の支持力を増し、また／り而の安定を図
るために行なわれる。

従来、盛土を締固めるには、選定された盛土材に適した
締固め工法により各層ごとに一様な薄い層に敷き広げて
所定の回数ずつ締固めを行い、所要の締固め度合を得る
ようにしている。

ところで、締固め度合は、目で見ただけでは判らないの
で、施工中宮に管理を厳重にしなければならず、所要の
締固め度合になっているがどうかを調べなければならな
い。

従来の締固め試験としては、砂置換法、ＲＩ（ラノオア
イソトープ）法、ＣＢ　Ｒ（ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ　ｂ
ｅａｒ−ｉｎｇ　ｒａｔｉｏ）法等が主に採用されてい
る。

上記砂置換法は、地盤に穿った六の体積を砂によって置
換し、土の体積を間接的に測って地盤の密度を測定する
方法である。しかしながら、本方法は測定時開が長くて
測定点を敗多く測定できないのみならず、地盤仕上げ面
を破壊してしまう等の問題点があった。

また、上記ＲＩ法は、ガンマ線が土の中を透過する際に
土粒子中に吸収される割合が土の密度と一定の関係にあ
るという原理を利用した測定法である。しかしながら、
ガンマ＃１等の放射線は、被曝障害等の問題点があって
、放射線の管理が大変であるばかりでなく、土中に放射
線を発する鋼棒を貫入する手間と測定に手間がかかる等
の問題７αがあった。

さらに、上記ＣＢＲ法は、直径５０−の貫入棒を０．２
５ｃｍ貫入する時の荷重を１．３７０ｋｒｔ’ｍッて百
分率で表わし、土の締固め度合を測定する方法である。

しかしながら、本方法も準備が大がかりとなるばかりで
なく、表面の強度に影響され易いという問題点があった
。

上記いずれの方法も測定が非連続的であるため、全体を
横通無くしがも正確に把握することが小米ないのみなら
ず、多数の地点をリアルタイムで測定できない。

従って、ムラのない均質な仕上がりの締固め施工背理を
期待できない等の問題点があった。

［発明の目的１ 本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされた
もので、その目的とするところは、非破壊的で同一箇所
を繰返して測定出来、測定時間も極めて短く１Ｊフルタ
イムの測定が可能で、多数の箇所での測定が小米、高品
質で均一に締固められた土構造物の施工が可能となる電
磁波による土の締固め度合の測定方法および装置を提供
することにある。

［発明の構成１ 本発明の電磁波による土の締固め度合の測定方法は、締
固め中の土中に電磁波を透過せしめて土中伝搬速度を測
定すると共に土の含水比を測定し、これら測定値と予め
求めてある土粒子の比重と比誘電率により、上記上の乾
燥密度を算出し、更に該算出した乾燥密度と予め求めて
ある最大乾燥密度により締固め度合を算出することを特
徴とするものである。

また、本発明の電磁波による土の締固め度合の測定装置
は、車輪により台車を締固め中の土の上を自動走行せし
め、該台車上に近赤外線水分計とパルス送受信機と信号
処理器とプロセッサと締固め度合不足表示装置を搭載す
ると共に、該台車の下側に赤外線センサーと電磁波の送
受信アンテナを土ｉ表面に向けて取付け、該赤外線セン
サーにより測定した土の含水率の信号を近赤外線水分計
を介してプロセッサに送ると共に、上記送信アンテナか
ら土中に電磁波を発射せしめて、その反射波を受信アン
テナにより受信して電磁波の土中伝搬速度の信号を得、
該（＝号を上記パルス送受信機と信号処理器を介して上
記プロセッサに送り、該プロセッサにより上記含水率と
土中伝搬速度の測定値と予めインプットしておいた土粒
子の比重と比誘電率から土の乾燥密度を計算すると共に
該算出した乾燥密度と予めインプットしておいた最大乾
燥密度により土の締固め度合を算出し、該算出した締固
め度合が所定の値より不足していれば上記表示装置によ
り不足表示をするようにしたことを特徴とするものであ
る。

［実施例１ 以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明する。

まず、ｐＡ１図に示すように、所定の厚み（ｄ）を有す
る土１の」二側に送信アンテナ２を配置し、下側に受信
アンテナ３を配置すると共に、これらのアンテナ２，３
をパルス送受信器４に接続して、電磁波の伝搬速度の測
定実験装置を構成する。

本装置において、最初にに記送信アンテナ２と受信アン
テナ３との間に土を置かないで、送信アンテナ２からＩ
ＧＨｚのインパルスを発射し、ｄＯの距離の空気中を伝
搬させて受信アンテナ３により受信する。この受信信号
を増幅器５により増幅して周波数変換器６およびオシロ
スコープ７を通して、ＸＹプロッター８により、第２図
に示すように、エアウェーブ（イ）の波形を得る。

次に、Ｐめ決めておいた乾燥密度と含水率を満足する上
記上１を、送信アンテナ２および受信アンテナ３の開に
置き、同様の電磁波（ＩＧＨｚのインパルス）を土１中
に透過させて、ＸＹプロッター８により透過波（ロ）を
得る。

ｆＪｒＪ２図から明らかなように、土１中を透過させた
場合の透過波（ロ）は、エアウェーブ（イ）に比べてΔ
Ｌの時間だけ遅延する。この遅延時開Δｔから式（１）
を使って土１中を透過する電磁波の伝搬速度Ｖｓを求め
ることができる。

ただし、Ｃは光速で２　、９９８　Ｘ　１０８Ｉｎ７ｓ
ｅｃ。

ｄは土１の厚み、ｄｏは送受信アンテナ２，３間の距離
である。

一般に土は導電率σがσ＝：＝ｉｏ−２と小さいので土
中の電磁波の伝搬速度Ｖｓと比誘電率ＩＥｒとの間には
式（２）のような近似式が成り立つ。

従って、Ｌ記式（１）により求められたＶｓを上記式（
２）に代入すると、上記上１の比誘７１率Ｅｒを算出す
ることができる。

一方、従来から土の比誘電率Ｅｒの体定式として、次の
式（３）が提案されている。

ここで、Ｅｉは土を土粒子Ｓ、水ｗ１空気ａの３成分に
分けた場合の各成分の比誘電率であり、φｉは上記各成
分の容積率である。

子（Ｅｉ）＝Ｅ、　　ｆｆ−（ｌＥｉ）＝　１　／Ｅ、
　　＋（Ｅｉ）＝Ｊ”！丁および、ｆ（Ｅ　ｉ）＝　ｌ
ｏｇＥ　の４種類が提案されている。

本発明者等は、標準砂、関東ローム、土丹の３種類の土
について、その比誘電率を実測すると共に、上記４つの
提案式から算出した値と上記実測値との偏差状態を求め
、ｆ５３図に示すように、まとめてみた。その結果、（
−（Ｅｉ）＝、７’ｊＭの式が実測に最も適合している
ことが確認された。

従って、上記式（３）は Ｅｒ”Σ、Ｆτ了・φ：＝ｆ正；φφＳ＋バー・φＷ十
狸・φａ　　　・・・・・・・・・（４）と表わすこと
ができる。

上記式（４）において、φＳは土粒子の容積率、φ…は
水分の容積率、φａは空気の容積率であり、各々、次の
式（５）のように表わされる。

φＳ＝γｄ−Ｇｓ−’ φ田＝田・ｒｄ　　　　　　　　・・・・・・・・・＜
５）φａ＝　１　　ｒｄ（Ｇｓ−’＋ｗ） ただし、ｒｄは土の乾燥密度、Ｇｓは土粒子の比重、御
は含水比である。

上記式（５）を式（４）の各項に代入して、式（４）を
式（２）の左辺に置き換えて、土の乾燥密度　ｄについ
てｇ埋すると、次式（６）を導くことができる。

・・・・・・・・・（６） ところで、水の比誘電率Ｅｗは、従来の研究によれば、
Ｅｗ＝８１であるので、上記式（６）は、次式（７）の
ように書き直すことができる。

従って、土の乾燥密度γｄは、電磁波の土中伝搬速度Ｖ
ｓと、土粒子の比重Ｇｓと土粒子の比誘電率Ｅｓと含水
比ばから求めることができる。

このうち、土粒子の比誘率Ｅｓと比重Ｇｓは、室内試験
により予め求めておくことができるので、結局、現場に
おいては電磁波の伝搬速度Ｖｓと含水比−のみを測定す
れば良いことになる。

第４図は、上記式（７）による乾燥密度と伝搬速度との
関係を示すグラフであって、上記式（７）の分母である
（ＪＦ；　−１）Ｇ　ｓ−’　＋　８　ｗをＡに置き代
えて変形した次の式（８）について、 Ａを１から９に変化させた場合の軌跡を示すと共に、第
１図に示す実験から得られた結果を折線で示したもので
ある。

本グラフにおいて、実測結果の折線は式（８）から求め
た軌跡と近似した傾向を示しており、！１図に示す実験
装置による実測結果が理論と一致することが実証される
。

従って、土粒子の比誘電率Ｅｓと含水比−が正しく与え
られれば、乾燥密度γｄと電磁波の伝搬速度Ｖｓは１対
１の相関を持ち、電磁波の伝搬速度Ｖｓが実測されれば
乾燥密度ｆｄが算出できることになる。

尚、！５４図において、実際の締固めを行なった現場の
土について、比誘電率Ｅｓ＝４として、（７）式に最大
乾燥密度、最適含水比を代入して伝搬速度Ｖｓを算出し
、プロットしてみたところ、黒点群のようになり、実Ｍ
Ａがある程度勾配を持った範囲内に収まることが判り、
上記式（７）、即ち、本発明方法が実用に供し得るもの
であることが確認できた。

第５図は、以上説明した土の締固め度合を求める管理シ
ステムの７０−図であって、締固め土の比重Ｇｓと土粒
子の比誘電率Ｅｓを予め決定しておいて、締固め作業現
場において電磁波の土中伝搬速度Ｖｓと土の含水比−を
測定することで式（７）により乾燥密度ｆｄを求め、さ
らに予め決定した最大乾燥密度ｆｄ輸ａｘとの比の百分
率から締固め度合りを求め、これを予定した締固め度合
値と比較して、不足する場合には、再度締め固め作業を
行って、電磁波の土中伝搬速度Ｖｓと土の含水比−を再
測定し、所定の締固め度合になるまで繰り返す。

第６図は、本発明の土の締固め度合の測定装置の一実施
例を示すもので、車輪１０により自動走行可能な台車１
１上に近赤外線方式の非接触水分計１２とパルス送受信
機１３と信号処理器１４とプロセッサ１５と締固め度合
不足表示装置１６を搭載し、赤外線センサー１７により
土１の含水率を測定すると共に、送信アンテナ１８から
発射した電磁波の反射波を受信アンテナ１９により受信
して上記プロセッサ１５により土の乾燥密度を計算し、
締固め度合が不足していれば、表示装置１６により不足
表示をして所定の締固め度合になるまで締固め作業を繰
り返し行なうようにする。

［発明の効果］ （１）電磁波による土中伝搬速度の測定時間が数秒と極
めて短時間である。

（２）電磁波による測定のため数多くのポイントを連続
的に測定することができる。

（３）多くのデータを累積することにより、信頼性を向
上せしめることが容易である。

（４）高品質の均一化された締固め施工が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電磁波の伝搬速度を求めるための実験装置の概
念図、第２図はその測定データを示す波形図、第３図は
３種の土の比誘電率の実測値と従来の提案式から求めた
値との偏差状態を示す図、第４図は乾燥密度と伝搬速度
との関係を示すグラフ、ｔｊ４Ｓ図は土の締固め度合を
求める管理システムの７０−図、第６図は締固め度合の
測定装置の一実施例を示す概念図である。 １・・・土、２・・・送信アンテナ、３・・・受信アン
テナ、４・・・パルス送受信器、５・・・増幅器、６・
・・周波数変換器、７・・・オシロスコープ、８・・・
ＸＹ７”ロッ９−１１０・・・車輪、１１・・・台車、
１２・・・非接触水分計、１３・・・パルス送受信機、
１４・・・信号処理器、１５・・・プロセッサ、１６・
・・締固め度合不足表示装置、１７・・・赤外線センサ
ー、１８・・・送信アンテナ、１９・・・受信アンテナ
。 特許出願人　！Ｒ設省土木研究所長 同　　　東急建設株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）締固め中の土中に電磁波を透過せしめて土中伝搬
   速度を測定すると共に土の含水比を測定し、これら測定
   値と予め求めてある土粒子の比重と比誘電率により、上
   記土の乾燥密度を算出し、更に該算出した乾燥密度と予
   め求めてある最大乾燥密度により締固め度合を算出する
   ことを特徴とする電磁波による土の締固度合の測定方法
   。
2. （２）車輪により台車を締固め中の土の上を自動走行せ
   しめ、該台車上に近赤外線水分計とパルス送受信機と信
   号処理器とプロセッサと締固め度合不足表示装置を搭載
   すると共に、該台車の下側に赤外線センサーと電磁波の
   送受信アンテナを土壌表面に向けて取付け、該赤外線セ
   ンサーにより測定した土の含水率の信号を近赤外線水分
   計を介してプロセッサに送ると共に、上記送信アンテナ
   から土中に電磁波を発射せしめて、その反射波を受信ア
   ンテナにより受信して電磁波の土中伝搬速度の信号を得
   、該信号を上記パルス送受信機と信号処理器を介して上
   記プロセッサに送り、該プロセッサにより上記含水率と
   土中伝搬速度の測定値と予めインプットしておいた土粒
   子の比重と比誘電率から土の乾燥密度を計算すると共に
   該算出した乾燥密度と予めインプットしておいた最大乾
   燥密度により土の締固め度合を算出し、該算出した締固
   め度合が所定の値より不足していれば上記表示装置によ
   り不足表示をするようにしたことを特徴とする電磁波に
   よる土の締固度合の測定装置。