WO2011058911A1

WO2011058911A1 - 地盤調査方法

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Publication number: WO2011058911A1
Application number: PCT/JP2010/069508
Authority: WO
Inventors: 淳一榊原
Original assignee: Ｊｆｅシビル株式会社
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2010-11-02
Publication date: 2011-05-19
Also published as: AU2010319214B2; AU2010319214A1; JPWO2011058911A1; JP5658166B2; MY154749A

Abstract

　地盤の状態を精度よく判定して地盤の誤った解釈を回避する。弾性波１０２を用いて地盤１０４を非破壊で可視化して調査する地盤調査方法において、地盤１０４の既知の位置に受信機１２４と弾性波１０２を発信する発信機１２０とを配置し、発信機１２０から弾性波１０２を発信させ、発信機１２０から受信機１２４に向かう地盤１０４中の経路１０４Ａを伝播してきた弾性波１０２を受信機１２４で受信し、伝播してきた弾性波１０２の減衰率Ｄと速度Ｖとを求めて、減衰率Ｄと速度Ｖのそれぞれに対して減衰率閾値Ｄｓｈ及び速度閾値Ｖｓｈを設け、該減衰率閾値Ｄｓｈと速度閾値Ｖｓｈに対する減衰率と速度の比較により地盤１０４の状態を判定する。

Description

地盤調査方法

　本出願は、２００９年１１月１２日に出願された日本国特許出願第２００９－２５２９２号に基づく優先権を主張する。当該出願のすべての内容はこの明細書中に参照により援用されている。

　本発明は、弾性波（音響波を含む）を用いて地盤を非破壊で可視化して調査する地盤調査方法に係り、特にコンクリート構造物や岩盤を含む地盤内部の構造や局所的なゆるみ、空洞、礫の存在などを一度に広範囲に可視化する方法に関する。

　弾性波（例えば音響波）を用いて地盤を非破壊で可視化して調査する方法に、弾性波トモグラフィと呼ばれる手法がある。弾性波トモグラフィは、弾性波を発生させる手段と弾性波を伝播させるレイアウトによりその方式が分類される。弾性波を発生させる手段から大別すると、発破、機械的に弾性波を発生させる発信機、そしてピエゾ効果や磁歪効果を用いた圧電セラミックスや磁歪材を用いて弾性波を発生させる発信機に分類される。レイアウトから大別すると、地表から発破などを用いる反射法や屈折法、ボーリング孔を用いた孔井間トモグラフィ法がある。

　孔井間トモグラフィには、例えば特許文献１に示す手法がある。これによれば、弾性波速度だけではなく地盤中の固有減衰（粘性減衰と称す）を用いた調査を行うことにより、基礎構造物の設計における地盤調査や地中障害物の調査などに適用することが可能である。

特開平１０－６８７７９号公報

　しかしながら、特許文献１において扱う粘性減衰は、Ｂｉｏｔの理論に基づくものであり、水で飽和した状態の地盤において弾性波の伝播の際の土粒子とその周囲にある水との摩擦により生じる減衰だけを対象としている（図４（Ａ）参照）。これに対して、実際の地盤では粘性減衰だけではなく反射や透過を含んだ状態で減衰が生じている。つまり、実際の地盤の減衰と粘性減衰とでは差があり、実際の地盤による減衰から粘性減衰だけを抜き取って問題とすることに困難があった。このため、地盤の状態を精度よく判定することができないおそれや、ともすれば間違った解釈をするおそれがあった。

　本発明は、前記問題点を解決するべくなされたもので、地盤の状態を精度よく判定して地盤の誤った解釈を回避することが可能な地盤調査方法の提供を目的とする。

　本願の請求項１に係る発明は、弾性波を用いて地盤を非破壊で可視化して調査する地盤調査方法において、前記地盤の既知の位置に受信機と前記弾性波を発信する発信機とを配置し、該発信機から前記弾性波を発信させ、該発信機から前記受信機に向かう前記地盤中の経路を伝播してきた前記弾性波を該受信機で受信し、該伝播してきた該弾性波の減衰率と速度とを求めて、該減衰率と速度のそれぞれに対して1つ以上の減衰率閾値と速度閾値とを設け、該減衰率閾値と速度閾値に対する該減衰率及び速度の比較により前記地盤の状態を判定することとしたものである。

　本願の請求項２に係る発明は、前記地盤の状態を、前記速度に対する前記速度閾値との比較により、砂、シルト、若しくは粘性土の前記地盤の主成分の粒度の違いについて主に判定し、更に、前記減衰率に対する前記減衰率閾値との比較により、気泡若しくは礫を含む状態から前記地盤の締まった状態までの前記地盤の飽和状態の違いについて主に判定することとしたものである。

　本願の請求項３に係る発明は、前記地盤の状態を、砂、ゆるい砂、若しくは砂礫の状態と、硬い粘性土若しくは締まった砂の状態と、気泡を含む粘性土若しくは気泡を含む砂の状態と、ゆるい粘性土若しくは粘性土の状態と、に判定することとしたものである。

　本願の請求項４に係る発明は、前記地盤がコンクリート又は岩盤であり、前記速度閾値により該地盤の亀裂の有無を判定し、前記減衰率閾値により該亀裂の間に存在する地盤構成媒体を判定することとしたものである。

　本願の請求項５に係る発明は、前記弾性波を擬似ランダム信号で変調された単一のキャリア周波数に基づくようにしたものである。

　本願の請求項６に係る発明は、前記擬似ランダム信号と前記受信された弾性波との相関演算を行うことで、前記減衰率と速度とを求めるようにしたものである。

　本願の請求項７に係る発明は、前記発信機と受信機をすべて前記地盤の内部に配置するようにしたものである。

　本発明によれば、地盤の状態を精度よく判定して地盤の誤った解釈を回避することが可能となる。具体的には以下のようなことが可能となる。

　実際の地盤による弾性波の減衰を求めて、それを地盤の状態の判定に用いるので、地盤中の弾性波の速度と組み合わせることで、地盤の状態を正確に判定できる。

　また、擬似ランダム信号を用いた場合には、キャリア周波数に高い周波数を用いても弾性波を遠距離伝播させることができ、結果として精度の高い計測と、暗騒音の影響を受けない計測が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る地盤調査装置を示す概略図同じく地盤と発信機、受信機の配置関係を示す模式図トモグラフィ法により速度と減衰率が地盤の区画ごとに求められることを示す模式図弾性波の主な減衰について説明をするための模式図本発明の第１実施形態に係る弾性波の速度と減衰率から地盤の状態を判定するときのフローチャートを示す図同じく弾性波の速度と減衰率に対して地盤の状態を概略的に示す模式図本発明の第２実施形態に係る弾性波の速度と減衰率の関係から判定可能な地盤の状態を示す模式図本発明の第２実施形態において、実際の測定で得られた速度分布図と減衰率分布図から求められた地盤の断面図図８で得られた速度と減衰率とをプロットしたグラフを示すから判定可能な地盤の状態を示す模式図本発明の第３実施形態に係る弾性波の速度と減衰率の関係を概略的に示す模式図

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

　最初に、主に図１を用いて、第１実施形態に係る地盤調査装置の全体構成について説明する。なお、以下において、実施形態が異なっても、符号を同一で表示する（従来技術含む）。

　地盤調査装置１００は、図１に示す如く、弾性波１０２を発信する発信機（ＳＯＲ）１２０と、地盤１０４中の経路１０４Ａを伝播してきた弾性波１０２を受信する（複数の）受信機（ＲＥＣ）１２４と、受信された弾性波１０２（受信波）に基づいてその間にある地盤１０４の状態を判定する解析装置（ＡＮＥ）１３２と、を有する。更に、地盤調査装置１００は、単一の周波数信号（キャリア周波数）を決定して出力可能な周波数発生器（ＦＮＧ）１１２と、周波数発生器１１２から出力された単一の周波数信号を、位相変換して擬似ランダム信号の一つであるＰＲＢＳ信号（後述）とする位相変換器（ＰＨＣ）１１４と、を備える。なお、解析装置１３２は、複数の受信機１２４で受信された弾性波１０２から、受信機１２４と送信機１２０の間の地盤１０４の断面画像を求めることができる（断面画像の求め方はトモグラフィ法として公知）。

　このため、地盤調査装置１００は、弾性波トモグラフィ装置として、弾性波１０２を用いて地盤１０４を非破壊で可視化して調査することができる。

　以下に、各構成要素について詳細に説明する。

　地盤１０４には、図２に示す如く、紙面の上下方向に向かうボーリング孔１０６が所定の間隔で設けられている（図２では２つ）。１つのボーリング孔１０６（図２の左側）には、１つの発信機１２０が上下方向で所定間隔に移動して、発信することが可能とされている。他のボーリング孔１０６（図２の右側）には複数の受信機１２４が上下方向に所定の間隔で配置されている（即ち、発信機１２０と受信機１２４とは地盤１０４の既知の位置に配置されている）。ボーリング孔１０６に発信機１２０と受信機１２４の全てが配置されている（地盤１０４の内部に配置）。このため、いずれかもしくは両方が地盤１０４の表面に配置されている場合に比べて、受信機１２４は地盤１０４の内部情報をより安定して受信することができる。発信機１２０および受信機１２４については再度後述する。

　周波数発生器（ＦＮＧ）１１２は、任意の周波数（単一の周波数）の連続正弦波信号であるキャリア信号を単一の周波数信号（キャリア周波数）としてデジタル出力することができる。なお、周波数発生器１１２は、弾性波１０２の単一の周波数を選択・決定する周波数決定手段を備えているともいえる。周波数決定手段は、例えば、ＣＰＵを備えた回路で構成することができる。

　位相変換器（ＰＨＣ）１１４は、周波数発生器１１２に接続されている。位相変換器１１４は、周波数発生器１１２から出力された単一の周波数のデジタル信号（単一の周波数信号）を、ＰＲＢＳ符号で位相変換する。そして、擬似ランダム信号の１つであるＰＲＢＳ信号をＤＡ変換器１１６に出力する（即ち、ＰＲＢＳ信号のキャリア周波数が単一の周波数となる）。なお、この出力は、解析装置１３２に対してもなされる。ここで、ＰＲＢＳ符号は、擬似ランダムバイナリシークエンス（Ｐｓｕｄｏ－Ｒａｎｄｏｍ　Ｂｉｎａｒｙ　Ｓｅｑｕｅｎｃｅ）符号のことである。ＰＲＢＳ符号は、例えば、位相変換器１１４内のシフトレジスタとフィードバックによって生成される符号系列のうちその周期が最長になる系列であるＭ系列（最長系列；Ｍａｘｍａｌ－Ｌｅｎｇｔｈ　Ｓｅｑｕｅｎｓｅｓ）を用いている。このため、ＰＲＢＳ符号は（２ⁿ－１）、例えばｎ＝１２のとき４０９５波数であり、排他性が極めて強い。従って、自己相関をとった場合においては、パルス圧縮技術の利点とあいまって、その相関値のピークは高く、Ｓ／Ｎ比が非常に高くなる。このように、位相変換器１１４は、周波数発生器１１２から入力された周波数の単一の周波数信号を、自身の内部で生成されたＰＲＢＳ符号で位相変換している。なお、ＰＲＢＳ符号は外部から導入してもよい。

　ＤＡ変換器（ＤＡＣ）１１６は、位相変換器１１４に接続されて、位相変換器１１４から出力された信号をデジタル値からアナログ値に変換して出力する。

　発信増幅器（ＡＭＰ）１１８は、ＤＡ変換器１１６に接続されて、ＤＡ変換器１１６から出力された信号をアナログ的に増幅して出力する。

　発信機（ＳＯＲ）１２０は、発信増幅器１１８に接続され、発信増幅器１１８から出力された電気的な信号を機械的な振動に変換して発信波としての弾性波１０２を発信・出力する。弾性波１０２はＰＲＢＳ信号に変調された単一のキャリア周波数に基づく。本実施形態では、発信機１２０に圧電セラミックスを用いている。このため、小型でありながら安定して機械的な振動を発生させることができる。このような効果は磁歪材を用いても同様に得ることができる。

　受信機（ＲＥＣ）１２４は、発信機１２０から地盤１０４中の経路１０４Ａを伝播してきた機械的な振動である弾性波１０２を受信波として受信し、電気的な信号に変換する。受信機１２４としては、ハイドロフォンと呼ばれる水中マイクロフォンなどを使用することができる。

　受信フィルタ（ＲＣＦ）１２６は、受信機１２４に接続され、受信機１２４で受信された信号から、例えば、地盤１０４上で発生する交通騒音や工事騒音を取り除く。このため、適切なノイズフィルタを選択することで、受信フィルタ１２６はそれらの騒音の影響を極めて低減することができる。なお、受信フィルタ１２６は必要に応じて、可変の増幅器を具備してもよい。

　ＡＤ変換器（ＡＤＣ）１２８は、受信フィルタ１２６に接続されて、受信フィルタ１２６を通過した信号を、アナログ値からデジタル値に変換する。

　データ記録器（ＤＴＲ）１３０は、ＡＤ変換器１２８に接続されて、ＡＤ変換器１２８から出力された信号を記録する。

　解析装置（ＡＮＥ）１３２は、位相変換器１１４とデータ記録器１３０とに接続され、位相変換器１１４から出力される発信波に係るＰＲＢＳ信号（擬似ランダム信号）とデータ記録器１３０に記録された受信波による信号との相関値を計算する。この（自己）相関演算によって、弾性波１０２の受信機１２４までの到達時間を正確に測定することができる。到達時間が求まることで、弾性波１０２の速度Ｖ（ここではＰ波速度とする）を求めることができる。同時に、相関値を用いて弾性波１０２の発信当初の振幅強度に対する受信波の振幅強度の比率から減衰率Ｄも正確に求めることができる。具体的に、発信波の音圧（振幅強度）をＡＷｉ（ｄＢ）、受信波の音圧をＡＷｏ（ｄＢ）、発信機１２０と受信機１２４との距離をＬ（ｍ）、弾性波１０２のキャリア周波数をｆ（ｋＨｚ）とする。すると、減衰量ＡＴ（ｄＢ）と減衰率Ｄ（ｄＢ／ｋＨｚ／ｍ）とは、それぞれ式（１）、式（２）の如く示すことができる。
　ＡＴ（ｄＢ）　＝ＡＷｉ（ｄＢ）―ＡＷｏ（ｄＢ）（１）
　Ｄ（ｄＢ／ｍ）＝ＡＴ（ｄＢ）／ｆ（ｋＨｚ）／Ｌ（ｍ）（２）

　また、解析装置１３２は、得られた速度Ｖと減衰率Ｄのそれぞれに対して設けられる速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈとを記憶しておく。そして、解析装置１３２は、速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈに対する速度Ｖ（後述する速度Ｖｉｊを含む）及び減衰率Ｄ（後述する減衰率Ｄｉｊを含む）の比較を行い、地盤１０４の状態の具体的な判定（後述）を行うことができる。なお、判定結果は、解析装置１３２に付随する図示しないモニターやプリンタなどで断面画像や速度―減衰率のグラフにプロットされる。若しくは、判定結果は、解析装置１３２に電子データとして格納される。

　また、解析装置１３２は、発信機１２０のボーリング孔１０６の各所定の位置に対応した各受信機１２４の所定の位置で求められたデータ（上記速度Ｖと減衰率Ｄ）を用いて、ボーリング孔１０６、１０６間の地盤の断面画像（トモグラム）を求めることができる。具体的に説明すると、（公知である）トモグラフィ法により、図３に示すボーリング孔１０６、１０６間のメッシュ状に区切られた区画Ａｉｊ（ｉ、ｊ＝０、１、２・・・）毎に、速度Ｖｉｊと減衰率Ｄｉｊを求めることができる。

　このように、解析装置１３２は、相関演算によるパルス圧縮技術を利用した高いＳ／Ｎ比で、地盤１０４中の区画Ａｉｊで構成される経路１０４Ａの状態を判定することが可能である。

　ここで、減衰量ＡＴについて以下に説明する。

　地盤中の減衰量ＡＴは、式（３）に示すように、距離減衰と、粘性減衰と、透過減衰と、散乱減衰との和として表示される。
　減衰量＝距離減衰＋粘性減衰＋透過減衰＋散乱減衰（３）

　距離減衰は、その距離に応じて大きくなる減衰を示している。粘性減衰は、弾性波が通過する際に土粒子ＳＰと水Ｗとの振動が一致しないことで、土粒子ＳＰと水Ｗとの間の摩擦で生じる減衰である（図４（Ａ））。粘性減衰は、多孔質媒体内の波動理論、Ｂｉｏｔ　１９５５などで計算できる。例えば１ｋＨｚ～２０ｋＨｚのキャリア周波数を用いる場合には、粘性減衰は、完全に飽和した地盤１０４において大きな粒径ほど大きく、即ち砂では粘性減衰は大きく粘性土では小さくなる。なお、同多孔質媒体内の波動理論によれば、粘性減衰は地盤の緩みの影響を受けにくい。透過減衰は、密度の異なる物質に弾性波が入射・透過（密度Ｄ１からＤ２への透過）する際に熱エネルギーに変換されて起る減衰である（図４（Ｂ））。透過減衰は、地層境界などで起こり、地盤中の気泡（以下ガスを含む）などの密度の小さな部分を透過すると大きくなる。散乱減衰は、密度の異なる物質に弾性波が入射する際に反射や散乱で生じる減衰である（図４（Ｃ））。散乱減衰は、礫などの弾性波の波長の１／４～１／２より大きな物体が存在する場合に生じ、礫層や転石が多い地盤では大きくなる。

　次に、弾性波１０２の速度Ｖと減衰率Ｄを用いた地盤１０４の状態の判定方法について図５を用いて説明する。その判定結果を図６に示す。

　まず、地盤１０４の既知の位置に受信機１２４と弾性波１０２を発信する発信機１２０とを配置する。

　次に、発信機１２０からＰＲＢＳ信号による弾性波１０２を発信させ、発信機１２０から受信機１２４に向かう地盤１０４中の経路１０４Ａを伝播してきた弾性波１０２を受信機１２４で受信する。

　次に、ＰＲＢＳ信号と受信された弾性波１０２との相関値を計算して、伝播してきた弾性波１０２の速度Ｖと減衰率Ｄを求める。

　次に、速度Ｖと減衰率Ｄとから、公知のトモグラフィ法により各区画Ａｉｊ毎に速度Ｖｉｊと減衰率Ｄｉｊとを求める（ステップＳ８）。そして、速度分布図と減衰率分布図とを求める。

　次に、速度Ｖｉｊの値と減衰率Ｄｉｊの値とをそれぞれ速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｉｊと比較して場合分けする。

　ここで、一般的に速度は地盤の固さや間隙率と良い相関を持ち、地盤が砂では速度が大きく、粘性土では速度が小さくなり、気泡やガス（単に気泡と称す）が混入している地盤では速度は小さくなる。

　また、弾性波の減衰は、上述の如く、粘性減衰や透過減衰や散乱減衰などの和によって生じている。粘性減衰は、水で完全に飽和した地盤において、大きな粒径ほど大きく、即ち砂では粘性減衰は大きく粘性土では小さくなる。透過減衰は、密度の異なる物体を透過する際に起る減衰で、これは地盤中の気泡（以下ガスを含む）などの密度の小さな部分を透過すると大きくなる。散乱減衰は、礫などの弾性波１０２の波長の１／４～１／２より大きな物体が存在する場合に、反射や散乱で生じる減衰であり、礫層や転石が多い地盤では大きくなる。

　このため、減衰率Ｄｉｊと速度Ｖｉｊを組み合わせて場合分けする。即ち、減衰率Ｄｉｊと速度Ｖｉｊのそれぞれに対して減衰率閾値Ｄｓｈと速度閾値Ｖｓｈとを設け、減衰率閾値Ｄｓｈと速度閾値Ｖｓｈとに対する減衰率Ｄｉｊ及び速度Ｖｉｊの比較を行うことで地盤１０４の状態の判定をする。

　まず、速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈとに対して、速度Ｖｉｊが大きく減衰率Ｄｉｊが大きい場合（ステップＳ１０、Ｓ１２でＹｅｓ）には、地盤１０４が気泡を含まない砂層であり礫を含んでいる状態（砂ＳＡ、ゆるい砂ＬＳ、砂礫（礫のみを含む）ＳＣの状態ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ１）（ステップＳ１４）であることが判定される。

　また、速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈとに対して、速度Ｖｉｊが大きく減衰率Ｄｉｊが小さい場合（ステップＳ１０でＹｅｓ、ステップＳ１２でＮｏ）には、地盤１０４が気泡やガスや礫を含まない砂層であり、減衰率Ｄｉｊが更に小さい場合には硬質粘性土の可能性がある状態（硬い粘性土ＴＣ若しくは締まった砂ＴＳの状態ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ２）（ステップＳ１６）であることが判定される。

　また、速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈとに対して、速度Ｖｉｊが小さく減衰率Ｄｉｊが大きい場合（ステップＳ１０でＮｏ、ステップＳ１８でＹｅｓ）には、地盤１０４が気泡やガスを含む粘性土又は礫を含む粘性土である状態（気泡Ｆを含む粘性土ＦＣ若しくは気泡Ｆを含む砂ＦＳの状態ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ３）（ステップＳ２０）であることが判定される。

　また、速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈとに対して、速度Ｖｉｊが小さく減衰率Ｄｉｊが小さい場合（ステップＳ１０、Ｓ１８でＮｏ）には、地盤１０４が気泡やガスを含まない粘性土である状態（ゆるい粘性土ＬＣ若しくは粘性土ＣＲの状態ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ４）（ステップＳ２２）であることが判定される。

　つまり、速度だけでは、図６における砂礫ＳＣ、砂ＳＡ、そして締まった砂ＴＳ、また、ゆるい砂ＬＳ、そして硬い粘性土ＴＣ、また、気泡Ｆを含む粘性土ＦＣ、気泡Ｆを含む砂ＦＳ、そして粘性土ＣＲは、それぞれを区別できない。しかし、減衰率閾値Ｄｓｈを用いることでそれらの状態を区別することが可能となる。

　このように、速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈとを用いて、速度－減衰率の関係から、解析装置１３２は、一義的に地盤１０４の状態を迅速に判定することができる。なお、地盤１０４の状態を断面画像として必ずしも示さないで、図６を作成するのみで地盤１０４の状態の判定や、場所ごとの比較を容易に行うこともできる。

　本実施形態においては、速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈは、それぞれ１．６ｋｍ／ｓ、０．３ｄＢ／ｋＨｚ／ｍとしている。一般的な堆積層で速度と減衰率は、それぞれ、約１．５～１．７ｋｍ／ｓ、約０．１～０．３ｄＢ／ｋＨｚ／ｍであるが、地盤１０４によって異なり、この範囲外に速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈとを設けてもよい。これらの閾値はボーリング情報と比較することで補正することができる。

　このように、本実施形態では、粘性減衰を含めた減衰量ＡＴに基づいた減衰率Ｄから地盤１０４の状態の判定を行うものである。このため、従来（粘性減衰のみを用いる方法や減衰率を用いない方法）に比べてより正確な地盤１０４の状態の判定が可能である。

　なお、地盤が局所的にゆるんでいる場合には速度の変化には現れない微細な気泡が存在していることが多く、速度は変化しないが減衰率のみ大きくなる場合がある。このような関係を利用することで、解析装置１３２は、地盤１０４の緩みをも判定することができる。

　第１実施形態では、速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈとがそれぞれ１つのみ設けられていた。そして、地盤１０４の状態を、砂、ゆるい砂、若しくは砂礫の状態と、硬い粘性土若しくは締まった砂の状態と、気泡を含む粘性土若しくは気泡を含む砂の状態と、ゆるい粘性土若しくは粘性土の状態と、に判定していたが、本発明はこれに限定されない。

　例えば、第２実施形態として速度閾値Ｖｓｈと減衰率閾値Ｄｓｈの少なくともいずれかを複数設けて、更に細かく判定することもできる。その場合には、図６で示された全ての状態を区別することも可能となる。例えば、弾性波１０２の速度Ｖ（以下、ＶｉｊもＶで表示する）の１．５ｋｍ／ｓと１．６ｋｍ／ｓとの間と、１．６ｋｍ／ｓと１．７ｋｍ／ｓとの間と、に速度閾値Ｖｓｈをそれぞれ（計２つ）設ける。そして、弾性波１０２の減衰率Ｄ（以下、ＤｉｊもＤで表示する）の０．０５ｄＢ／ｋＨｚ／ｍと０．１ｄＢ／ｋＨｚ／ｍとの間と、０．１ｄＢ／ｋＨｚ／ｍと０．２ｄＢ／ｋＨｚ／ｍとの間と、０．２ｄＢ／ｋＨｚ／ｍと０．３ｄＢ／ｋＨｚ／ｍとの間と、０．３ｄＢ／ｋＨｚ／ｍと０．５ｄＢ／ｋＨｚ／ｍとの間と、に減衰率閾値Ｄｓｈをそれぞれ（計４つ）設ける。

　従来においても速度Ｖを高精度に計測することで、速度Ｖを３つ（１．５ｋｍ／ｓ、１．６ｋｍ／ｓ、１．７ｋｍ／ｓ）について場合分けすることは可能と考えられる。その場合には、図７において、速度１．５ｋｍ／ｓからゆるい粘性土層Ｇ１が判別できるがその中の転石Ｓは判別することができない。また、速度１．６ｋｍ／ｓからゆるい砂層Ｇ２若しくは締まった粘性土層Ｇ３が判別できるが、そのいずれかは特定できない。また、締まった粘性土層Ｇ３中の気泡（地中ガス）Ｆの存在を判別することができない。また、速度１．７ｋｍ／ｓから締まった砂層Ｇ４、礫層Ｇ５、若しくは硬く締まった粘性土層Ｇ６が判別されるが、そのいずれかは特定できない。

　これに対して、第２実施形態であれば、速度閾値Ｖｓｈに４つの減衰率閾値Ｄｓｈを組み合わせることで、図７で示される地盤１０４をより高精度に判定できる。ゆるい粘性土層Ｇ１においては、減衰率Ｄが０．０５ｄＢ／ｋＨｚ／ｍであるのに対して、同じ速度Ｖであっても転石Ｓの減衰率が大きい（０．２ｄＢ／ｋＨｚ／ｍ）ので、転石Ｓの存在を特定可能である。また、ゆるい砂層Ｇ２と締まった粘性土層Ｇ３では同じ速度Ｖであってもゆるい砂層Ｇ２の方が減衰率Ｄが大きい（０．０５ｄＢ／ｋＨｚ／ｍに対して０．３ｄＢ／ｋＨｚ／ｍ）。このため、ゆるい砂層Ｇ２に対して締まった粘性土層Ｇ３の特定が可能である。また、締まった粘性土層Ｇ３中の気泡Ｆの減衰率Ｄはゆるい砂層Ｇ２よりもはるかに大きい（０．５ｄＢ）ので、気泡Ｆの存在も特定が可能である。更に、締まった砂層Ｇ４と礫層Ｇ５と硬く締まった粘性土層Ｇ６とは同じ速度Ｖであっても、締まった砂層Ｇ４の減衰率Ｄ（０．１ｄＢ）に比べて、礫層Ｇ５の減衰率Ｄが大きく（０．５ｄＢ）、硬く締まった粘性土層Ｇ６の減衰率Ｄが小さい（０．０５ｄＢ）。このため、締まった砂層Ｇ４と礫層Ｇ５と硬く締まった粘性土層Ｇ６の特定も容易に行うことが可能である。

　本実施形態の地盤１０４の状態の判定方法を、実際の東京湾沿いの埋立地において計測して得られた速度分布図と減衰率分布図に当てはめた結果を図８に示す。計測は、ボーリング孔１０６間の距離を６６ｍ、５５ｍとして、その測定深度は６５ｍである。図８（Ａ）で示す図は速度分布図であり、図８（Ｂ）で示す図は減衰率分布図である。それぞれにおいて、判定された地盤１０４の状態をＧ１０からＧ１９で示している。Ｇ１０はゆるい砂層（Ｌｏｏｓｅ　ｓａｎｄ；沖積砂層）であり、Ｇ１１はゆるい粘性土層(Ｃｌａｙ；沖積粘性土層)、Ｇ１２は粘性土と砂の中間の粒子からなるゆるいシルト層（Ｓｉｌｔ；沖積シルト層）、Ｇ１３は砂とシルトとの互層、Ｇ１４は締まった砂層（Ｄｅｎｓｅ　ｓａｎｄ；洪積砂層）、Ｇ１５は締まった粘性土層（Ｈａｒｄ　Ｃｌａｙ；洪積粘性土層）で、Ｇ１６は粘性土層の気泡（Ｓｏｉｌ　ｇａｓ；有機ガス）である。

　これらの構成データを速度―減衰率のグラフに表すと、図９の白抜き丸で示すことができる。ここで、波線の矢印は、主に砂と粘性土の違いを表している。また、実線の矢印は、主に飽和した地層と不飽和の地層の違いを表している。なお、波線の丸で囲んだエリアＨ１は、エリアＨ２と比べて、実線の矢印の線上から外れている。このことから、エリアＨ１とエリアＨ２との間に適切な減衰率閾値Ｄｓｈを設けることで、気泡（有機ガス）の存在を明確に判断することができる。即ち、地盤１０４の状態を、速度Ｖに対する速度閾値Ｖｓｈとの比較により、砂、シルト、若しくは粘性土の地盤１０４の主成分の粒度の違いについて主に判定し、更に、減衰率Ｄに対する減衰率閾値Ｄｓｈとの比較により、気泡若しくは礫を含む状態から地盤１０４の締まった状態までの地盤１０４の飽和状態の違いについて主に判定することで、より正確な地盤１０４の判定が可能となる。

　このように地盤１０４の状態を判別することで、例えば、地盤１０４中の礫を避けてシールドトンネルを掘るといったことも可能となる（例えば礫があるとシールドマシンが止まってしまうおそれがある）。

　また、上記実施形態においては、地盤１０４が、礫、砂、あるいは粘性土などを含むものであったが、本発明はこれに限定されない。例えば、コンクリートなどの人工的にできた床面や基礎構造物など又は岩盤であってもよい。第３実施形態として、地盤１０４がコンクリート又は岩盤である場合について図１０を用いて説明する。

　速度閾値Ｖｓｈ（例えば１．６ｋｍ／ｓ）よりも求められた速度Ｖが大きければ、地盤１０４を亀裂のない岩盤Ｒ２として判定する（ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ２）。速度閾値Ｖｓｈよりも求められた速度Ｖが小さければ、地盤１０４に亀裂があることが判明する。その際に、求められた減衰率Ｄが減衰率閾値Ｄｓｈ（例えば０．３ｄＢ／ｋＨｚ／ｍ）よりも大きければ、亀裂ＣＲ１の間に存在するのが気泡（ガス含む）であると判定できる（ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ３）。求められた減衰率Ｄが減衰率閾値Ｄｓｈよりも小さければ、亀裂ＣＲ２の間に存在するのが水やその他の物質であることを判定することができる（ＣＯＮＤＩＴＩＯＮ４）。このとき、減衰率閾値Ｄｓｈを更に小さな値で別に設けることで、水か例えばコンクリートなどかが特定可能となる。即ち、地盤１０４がコンクリート又は岩盤であり、速度閾値Ｖｓｈにより地盤１０４の亀裂の有無を判定し、減衰率閾値Ｄｓｈにより亀裂の間に存在する気泡や水やコンクリートなどの地盤構成媒体を判定するとしてもよい。例えば岩盤にシールドトンネルを掘る場合や若しくはダムのコンクリート基礎構造物を調べる場合に、内部に亀裂が見つかりその亀裂の内側に水が存在すれば、その水を抜きコンクリートで充填するといったことが必要となる。そのとき、上記の如く２つの減衰率閾値Ｄｓｈを適切に設けることで、亀裂の有無や、亀裂の間にあるのが空気、水、若しくはコンクリートであるのかを判別することができる。このため、シールドトンネルの掘削やコンクリート基礎構造物の評価を行い、その上でその補修程度を迅速に調査できるので、従来に比べてこのような土木作業の更なる効率化を図ることができる。

　なお、地盤１０４の状態の判定に際して、使用する周波数が単一であり、擬似ランダム信号であるＰＲＢＳ信号と受信された弾性波１０２との相関が取られるので、高いＳ／Ｎ比で地盤１０４の解析を行うことができる。そして、図２に示す如く、一度に多くの受信機１２４で弾性波１０２を受信するので、地盤１０４の断面の広範囲な可視化が容易である。又、経路１０４Ａは発信機１２０と受信機１２４との間にあり、地盤１０４の状態の判定においては、基本的に透過波を用いているので、より高いＳ／Ｎ比を確保することができる。

　更に、単一の周波数に対して擬似ランダム符号で変調制御されたＰＲＢＳ信号を用いることで、従来（～２００Ｈｚ程度）よりも高い周波数での発信と受信とが可能となる。上記実施形態では、２０ｋＨｚでの計測が可能となっている。これにより従来の数１０倍以上の計測分解能で地盤１０４の調査が可能である。例えば地盤１０４中の弾性波１０２の速度を２ｋｍ／ｓとすると、従来であれば分解能が５ｍ程度となるが、上記実施形態では０．２ｍ程度の分解能が得られる。なお、暗騒音（地盤１０４上での交通騒音、工事騒音など）の周波数帯域は低いので、暗騒音の影響を受けにくくすることもできる。

　また、弾性波１０２は、周波数が高くなるにつれ、指数関数的に減衰する傾向があり、高い周波数の弾性波１０２を遠距離に伝播させることが困難である。しかし、ＰＲＢＳ信号を用いることで、弾性波１０２のエネルギーを時間軸上に分散させることができるため、従来（数ｍ程度）に比べて高い周波数の弾性波１０２を数１００ｍ伝播させることができる。上記実施形態では、１ｋＨｚで４００ｍ以上、３０ｋＨｚでも２０ｍ以上を伝播させることが確認できている。

　つまり、ＰＲＢＳ信号と相関演算を用いることで、高い周波数を用いながら弾性波１０２を遠距離伝播させることができ、地盤１０４上の騒音（振動を含む）にほとんど影響を受けることなく、精度の高い計測を行って地盤１０４の状態の判定が可能である。

　即ち、上記実施形態によれば、地盤１０４内部の構造や局所的なゆるみ、空洞、礫の存在などを一度に広範囲に可視化することができ、地盤１０４の状態を精度よく判定して地盤１０４の誤った解釈を回避することが可能となる。具体的には以下のようなことが可能となる。実際の地盤１０４における弾性波１０２の減衰を求めて、それを地盤１０４の状態の判定に用いる。このため、地盤１０４中の弾性波１０２の速度Ｖと減衰率Ｄとを組み合わせることができ、地盤１０４の状態を正確に判定できる。

　また、擬似ランダム信号を用いているので、キャリア周波数に高い周波数を用いても弾性波１０２を遠距離伝播させることができる。結果として精度の高い計測と、暗騒音（地盤１０４上での交通騒音、工事騒音など）の影響を受けない計測が可能となる。

　なお、弾性波１０２の代わりに電磁波を用いる方法も考えられる。しかし、電磁波は、水があると吸収されやすいことと、電気ノイズに弱い。即ち、鉄塔があるような場所や都市部、そして地下水や海水などの水面下に対しては、電磁波を用いる手法は適用が困難である（このため、電磁波を用いるトモグラフィ法では、山間部で地下水の水面より上で用いることに用途が限られる傾向がある）。これに対して、上記実施形態では、弾性波１０２を用いているので、上記の制限はなく、電磁波を用いる場合に比べて広く適用することができる。即ち、上記実施形態は、石油や天然ガスの埋蔵場所や、メタンガスなどの腐臭ガス（有機ガス）の場所など、場所が限定されずに調査することもできる。例えば湾岸（東京湾や大阪湾など）において構造物建設のためにくい打ちする際に、腐臭ガスの噴出などの災害の防止にも上記実施形態は有効な手法である。

　本発明について上記実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

　例えば、上記実施形態においては、発信機１２０に圧電セラミックス又は磁歪材を用いることとしていたが、本発明はこれに限定されず、別のものを用いてもよい。

　又、上記実施形態においては、弾性波１０２が擬似ランダム信号で変調された単一のキャリア周波数に基づいていた。擬似ランダム波を用いることで、格段に優れたＳ／Ｎ比で速度Ｖと減衰率Ｄとを求められることが発明者によって実証されているが、必ずしも擬似ランダム波を用いなくてもよい。また、擬似ランダム信号としては、Ｍ系列を用いたＰＲＢＳ信号であったが、本発明はこれに限定されるものではなく、擬似ランダム信号として、Ｇｏｌｄ系列やＢａｒｋｅｒ系列などであってもよい。

　又、上記実施形態においては、擬似ランダム信号と受信された弾性波１０２との相関演算を行っていたが、本発明は必ずしもこれに限定されない。

　又、上記実施形態においては、発信機１２０と受信機１２４とがボーリング孔１０６に配置されていたことで、地盤１０４の極表面の地盤情報や表面から伝わるノイズを最小限にして、精度の高い地盤１０４の状態の把握を可能としていた。即ち、上記実施形態は、従来波線密度の低下を防ぐために地盤１０４の表面に配置されていた受信機１２４を省略することができるが、本発明はこれに必ずしも限定されない。例えば、発信機１２０と受信機１２４のいずれか若しくは両方とも地盤１０４の表面に配置されていてもよい。その際には、発信機１２０と受信機１２４の配置を簡便に行うことが可能となる。

　又、上記実施形態においては、擬似ランダム信号と弾性波１０２との相関をとることで、弾性波１０２の速度Ｖと減衰率Ｄが求められていたが、本発明は弾性波１０２の速度Ｖと減衰率Ｄが求められる手段を限定するものではない。なお、上記実施形態においては、弾性波１０２の速度Ｖと減衰率Ｄから更にトモグラフィ法により区画Ａｉｊごとの速度Ｖｉｊと減衰率Ｄｉｊが求められ、そこから区画Ａｉｊ毎の地盤１０４の状態が判定されていたが、本発明はこれに限定されない。トモグラフィ法の前段階の弾性波１０２の速度Ｖと減衰率Ｄから大まかに地盤１０４の状態の判定を行ってもよい。

　本発明は、弾性波（音響波を含む）を用いて、コンクリート構造物や岩盤を含む地盤内部の構造や局所的なゆるみ、空洞、礫の存在などを一度に広範囲に非破壊で可視化して調査する方法に適用することができる。

　１００…地盤調査装置
　１０２…弾性波
　１０４…地盤
　１０４Ａ…経路
　１０６…ボーリング孔
　１１２…周波数発生器
　１１４…位相変換器
　１１６…ＤＡ変換器
　１１８…発信増幅器
　１２０…発信機
　１２４…受信機
　１２６…受信フィルタ
　１２８…ＡＤ変換器
　１３０…データ記録器
　１３２…解析装置

Claims

　弾性波を用いて地盤を非破壊で可視化して調査する地盤調査方法において、
　前記地盤の既知の位置に受信機と前記弾性波を発信する発信機とを配置し、
　該発信機から前記弾性波を発信させ、
　該発信機から前記受信機に向かう前記地盤中の経路を伝播してきた前記弾性波を該受信機で受信し、
　該伝播してきた該弾性波の減衰率と速度とを求めて、
　該減衰率と速度のそれぞれに対して１つ以上の減衰率閾値と速度閾値とを設け、該減衰率閾値と速度閾値に対する該減衰率及び速度の比較により前記地盤の状態を判定することを特徴とする地盤調査方法。
　前記地盤の状態を、前記速度に対する前記速度閾値との比較により、砂、シルト、若しくは粘性土の前記地盤の主成分の粒度の違いについて主に判定し、
　更に、前記減衰率に対する前記減衰率閾値との比較により、気泡若しくは礫を含む状態から前記地盤の締まった状態までの前記地盤の飽和状態の違いについて主に判定することを特徴とする請求項１に記載の地盤調査方法。
　前記地盤の状態を、砂、ゆるい砂、若しくは砂礫の状態と、硬い粘性土若しくは締まった砂の状態と、気泡を含む粘性土若しくは気泡を含む砂の状態と、ゆるい粘性土若しくは粘性土の状態と、に判定することを特徴とする請求項２に記載の地盤調査方法。
　前記地盤がコンクリート又は岩盤であり、前記速度閾値により該地盤の亀裂の有無を判定し、前記減衰率閾値により該亀裂の間に存在する地盤構成媒体を判定することを特徴とする請求項１に記載の地盤調査方法。
　前記弾性波は擬似ランダム信号で変調された単一のキャリア周波数に基づくことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の地盤調査方法。
　前記擬似ランダム信号と前記受信された弾性波との相関演算を行うことで、前記減衰率と速度とを求めることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の地盤調査方法。
　前記発信機と受信機がすべて前記地盤の内部に配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の地盤調査方法。