(57)【要約】【課題】  地盤の深さ方向の水分量（飽和率）の分布を導出する。【解決手段】  電熱線４により地盤１に熱を与えて深さ方向の複数個所で深度に応じた温度上昇量を光ファイバケーブル３でそれぞれ計測し、計測された温度上昇量に基づいて深度に応じた飽和率を求めることで、地盤１の深さ方向の飽和率の分布を導出する。【選択図】  図１
2011174768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤の深さ方向に沿って設置され、深さ方向の複数個所の温度を測定する長尺状の温度検出手段と、
前記長尺状の温度検出手段に沿って設置され、地盤を昇温させる長尺状の昇温手段と、
前記昇温手段に作動信号を出力すると共に、昇温された地盤の温度情報が前記温度検出手段から入力され、深さ方向の複数個所の温度上昇量を計測する温度上昇量検出手段と、
前記温度上昇量検出手段により検出された深さ方向の複数個所の温度上昇量に基づいて深さ方向の水分量を求めると共に、深さ方向の水分量の分布を導出する水分量導出制御手段とを備えた
ことを特徴とする地盤の深さ方向における水分量測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の地盤の深さ方向における水分量測定装置において、
前記長尺状の温度検出手段は、光の反射波に基づいて所定位置の温度を検出する光ファイバケーブルである
ことを特徴とする地盤の深さ方向における水分量測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の地盤の深さ方向における水分量測定装置において、
前記長尺状の昇温手段は、通電されることにより発熱する電線であり、
前記光ファイバケーブル及び前記電線が一つの外被材で覆われて測定ケーブルとされ、
前記測定ケーブルが螺旋状に巻かれて前記地盤の深さ方向に設置される
ことを特徴とする地盤の深さ方向における水分量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の深さ方向の水分量の分布を求めることができる地盤の深さ方向における水分量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種プラントや工場、倉庫、航空施設、鉄道施設、道路施設、公共施設等の大規模設備や大規模施設を建設する場合、地盤の状態を知ることは重要であり、現在の状態のみならず気象状況の変化で将来的に予想される状態変化の可能性等を含めて地盤の状態を把握することが必要である。地盤は大きく分けて土、水、空気で構成され、土の種類（成分や粒子の大きさ等）や状態等によって地盤全体の状態は様々である。
【０００３】
土壌の水分の状態を熱伝導率の変化により把握する技術が従来から知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１の技術では、熱電対を用いて試料に熱を与え、熱に対する温度の経時変化を見て熱伝導率を求め、水分が上昇することにより熱伝導率が増大することを確認し、試料の水分の状態を把握している。
【０００４】
熱伝導率に基づいて試料と同じ土壌の水分の状態を把握することで、地表の熱収支や凍結対策に対する指標を得ることができ、農業、土木の分野で有用である。この技術を用いて、大規模設備や大規模施設が構築される地盤の水分を把握することに適用することが考えられる。
【０００５】
しかし、従来から知られている技術は、熱電対を用いて試料に熱を与えているので、試料のサンプルを増やしても、土壌の表面近くの水分を把握できるだけであり、深さ方向に対しては熱伝導率を求めることができない。大規模設備や大規模施設が構築される地盤は、深い範囲で安定した状態が長期に亘り求められているので、地盤の深さ方向に対しても水分の状態を把握する必要がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】土木試験所月報、１９８１年２月、Ｎｏ．３３３、１ページから１０ページ、北野雅治、仁平勝行
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、地盤の深さ方向の水分量の分布を測定することができ、深い範囲の地盤の水分の状態を把握することができる地盤の深さ方向における水分量測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の地盤の深さ方向における水分量測定装置は、地盤の深さ方向に沿って設置され、深さ方向の複数個所の温度を測定する長尺状の温度検出手段と、前記長尺状の温度検出手段に沿って設置され、地盤を昇温させる長尺状の昇温手段と、前記昇温手段に作動信号を出力すると共に、昇温された地盤の温度情報が前記温度検出手段から入力され、深さ方向の複数個所の温度上昇量を計測する温度上昇量検出手段と、前記温度上昇量検出手段により検出された深さ方向の複数個所の温度上昇量に基づいて深さ方向の水分量を求めると共に、深さ方向の水分量の分布を導出する水分量導出制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に係る本発明では、昇温手段により地盤に熱を与えた状態で、長尺状の温度検出手段により地盤の深さ方向の複数個所で深度に応じた温度上昇量をそれぞれ計測し、水分量導出制御手段により、計測された温度上昇量に基づいて深度に応じた水分量を求めて地盤の深さ方向の水分量の分布を導出することができる。
【００１０】
この結果、地盤の深さ方向の水分量の分布を測定することができ、深い範囲で地盤の水分の状態を把握することができる。
【００１１】
そして、請求項２に係る本発明の地盤の深さ方向における水分量測定装置は、請求項１に記載の地盤の深さ方向における水分量測定装置において、前記長尺状の温度検出手段は、光の反射波に基づいて所定位置の温度を検出する光ファイバケーブルであることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に係る本発明では、光ファイバケーブルを用いて温度計測を行うことで、温度上昇量及び計測位置を簡単に求めることができ、深さ方向の正確な複数位置の温度上昇量を容易に求めることができる。
【００１３】
また、請求項３に係る本発明の地盤の深さ方向における水分量測定装置は、請求項２に記載の地盤の深さ方向における水分量測定装置において、前記長尺状の昇温手段は、通電されることにより発熱する電線であり、前記光ファイバケーブル及び前記電線が一つの外被材で覆われて測定ケーブルとされ、前記測定ケーブルが螺旋状に巻かれて前記地盤の深さ方向に設置されることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に係る本発明では、光ファイバケーブル及び電線が一つの外被材で覆われることで、電線と光ファイバケーブルが一体化され、最小限の電流の供給で地盤に熱を与えた場合であっても、温度上昇量を確実に計測することができる。また、電熱線を用いたことにより、地盤の深い場所まで的確に温度を上昇させることができる。また、測定ケーブルが螺旋状に巻かれたことで、温度上昇量を計測する深さ方向の分解能を上げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の地盤の深さ方向における水分量測定装置は、地盤の深さ方向の水分量の分布を測定することができ、深い範囲の地盤の水分の状態を把握することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施例に係る地盤の深さ方向における水分量測定装置の概略構成図である。
【図２】地盤に設置した状態の水分量測定装置の要部外観図である。
【図３】測定ケーブルの外観図である。
【図４】測定ケーブルの断面図である。
【図５】他の例の測定ケーブルの断面図である。
【図６】深さと温度上昇量の関係を表すグラフである。
【図７】深さと温度上昇量の関係を表すグラフである。
【図８】飽和率と温度上昇量の関係を表すデータグラフである。
【図９】深さ方向の飽和率の分布を表すグラフである。
【図１０】深さ方向の飽和率の分布を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
不飽和地盤には、土粒子、水、空気が存在し、それぞれ熱の伝導率が異なる。このため、地盤に熱を与えて温度変化（温度上昇量）を測定することで、地盤内の水分量の割合（水分量）である飽和率が推定できると考えられる。本発明はこのような知見に基づいてなされたもので、加熱が可能で地盤の深さ方向の複数個所の温度測定が可能な測定ケーブルを用い、地盤の深さ方向における温度上昇を測定して深さ方向の飽和率の分布を導出（推定）するものである。
【００１８】
図１から図４に基づいて本発明の一実施例に係る地盤の深さ方向における水分量測定装置を説明する。以下の説明では、地盤の空隙中の水分量の割合（水分量）を飽和率と称してある。
【００１９】
図１には水分量測定装置を説明するための概略構成、図２には測定ケーブルが地盤に埋め込まれた状態における水分量測定装置の要部外観、図３には測定ケーブルの外観状態、図４には測定ケーブルの断面視状態を示してある。また、図５には他の実施例に係る測定ケーブルの断面視状態を示してある。
【００２０】
図１に示すように、地盤１には深さ方向に沿って、所定の深さ（例えば、数十ｍ）にわたり測定ケーブル２が設置（埋設）されている。測定ケーブル２には、長尺状の温度検出手段としての光ファイバケーブル３が備えられると共に、光ファイバケーブル３に沿って長尺状の昇温手段としての電熱線４（電線）が備えられている。
【００２１】
光ファイバケーブル３の地上側の端部は温度上昇量計測制御手段としての温度測定装置５が備えられ、温度測定装置５は、光ファイバケーブル３に対する光の反射波に基づいて、複数の所定計測位置での温度がそれぞれ計測される。電熱線４の地上側の端部は温度上昇量計測制御手段としての電流発生装置６が備えられ、電流発生装置６により電熱線４が通電される。電熱線４が通電されることにより電熱線４が発熱し、光ファイバケーブル３に沿った方向の地盤１の温度を上昇させる。
【００２２】
つまり、電流発生装置６により電熱線４が通電されて（作動信号を出力）発熱し、電熱線４の発熱により地盤１の温度が深さ方向にわたり昇温される。昇温された地盤１の温度情報が光ファイバケーブル３を通して温度測定装置５に入力され、温度測定装置５では、深さ方向の複数個所での温度上昇量が計測される。
【００２３】
そして、温度測定装置５の情報は水分量導出制御手段である飽和率導出制御手段７に送られる。飽和率導出制御手段７には温度上昇量に応じた水分量のデータ（飽和率のデータ）が記憶され、飽和率導出制御手段７では、地盤１の深さ方向の複数個所で深度に応じて計測された温度上昇量に基づいて飽和率が求められる。これにより、深度に応じた飽和率の情報が得られ、地盤１の深さ方向の飽和率の分布が導出される。
【００２４】
飽和率のデータは、地盤１に応じた試料に対し、水を含ませた状態で温度上昇量の平均値を求め、水を含ませることを繰り返すことで人工的に飽和率を徐々に増加させ、飽和率を人工的に増加させた毎の温度上昇量の平均値を求め、平均値を各飽和率での温度上昇量とすることで温度上昇量と飽和率の関係としている。このため、地盤１に応じた試料に対し、温度上昇量と飽和率との関係を的確にデータ化することができる。
【００２５】
図２に示すように、地盤１にはガイド棒１１が深さ方向に延びて埋められ、測定ケーブル２はガイド棒１１に支えられた状態で螺旋状に巻かれて地盤１の深さ方向に埋設される。
【００２６】
図３、図４に示すように、測定ケーブル２は、光ファイバケーブル３及び電熱線４が一緒に外被材１２に覆われた長尺状のケーブルとされ、長尺状のケーブルが螺旋状に巻かれることで光ファイバケーブル３及び電熱線４が外被材１２と共に螺旋状に巻かれている。このため、測定ケーブル２が地盤１に埋められた時に光ファイバケーブル３による温度検出の分解能を高くすることができる。
【００２７】
また、電熱線４が光ファイバケーブル３と共に外被材１２に覆われているので、電熱線４と光ファイバケーブル３が一体化され、最小限の電流の供給で地盤に熱を与えた場合であっても、温度上昇量を確実に計測することができる。また、電熱線４を用いたことにより、地盤１の深い場所まで的確に温度を上昇させることができる。
【００２８】
測定ケーブルとしては、図５に示すように、光ファイバケーブル３と電熱線４を個別の外被材１３、１４で覆う構成とすることも可能である。光ファイバケーブル３と電熱線４を個別に覆うことで、一方に断線等が生じた場合、外被材１３もしくは外被材１４を剥がすことで、断線した光ファイバケーブル３もしくは電熱線４を交換することができる。
【００２９】
測定ケーブルとしては、螺旋状に巻かれた光ファイバケーブル３の中心部に直線状に電熱線４を通し、光ファイバケーブル３及び電熱線４を一つの外被材で覆う構成にしたり、螺旋状に巻かれた光ファイバケーブル３と直線状の電熱線４を個別の外被材で覆う構成にすることも可能である。また、昇温手段としては、電熱線４に代えて熱媒（例えば、湯）を循環させる循環チューブを用いることも可能である。熱媒を循環させることにより、地盤１を安定して一定の温度に維持することができる。また、測定ケーブル２を螺旋状に巻回して埋設した例を挙げて説明したが、必要箇所だけを巻回して埋設したり、直線状態にして埋設する等、螺旋状以外の状態で埋設することも可能である。
【００３０】
上述した水分量測定装置では、地盤１に熱を与えて地盤１の深さ方向の複数個所で深度に応じた温度上昇量をそれぞれ計測し、計測された温度上昇量に基づいて深度に応じた飽和率を求めることで、地盤１の深さ方向の飽和率の分布を導出するので、深さ方向における水分の状態を把握して地盤１の飽和率を求めることができる。
【００３１】
地盤１の深さ方向の飽和率の分布を把握することで、地域における地盤の深い範囲の水分の状態を把握することが可能になる。このため、例えば、深い箇所まで飽和率は低いが、天候等により飽和率の変化が起きやすい地盤である、飽和率は比較的高いが、天候等により飽和率の変化が生じにくい地盤である等、地盤の特性（例えば、地滑りの可能性の高低）を把握することができる。地盤の特性が把握できることにより、大規模設備や大規模施設等を構築する際の検討・評価を的確に行うことができる。
【００３２】
図６から図１０に基づいて、上述した水分量測定装置により、深さ方向の飽和率の分布を求めた際の検証結果を説明する。図６から図１０に示した結果は、地盤試料としてＲＣ-１０砂（ＲＣ砂）及び洗砂を用い、地盤試料の深さと温度上昇量、温度上昇量と飽和率、深さ方向の飽和率の分布を検証したものである。
【００３３】
図６にはＲＣ砂の深さと温度上昇量の関係を表すグラフ、図７には洗砂の深さと温度上昇量の関係を表すグラフ、図８には飽和率と温度上昇量の関係を表すデータグラフを示してある。そして、図９にはＲＣ砂の温度上昇量に応じて飽和率のデータを当てはめて得られる深さ方向の飽和率の分布を表すグラフ、図１０には洗砂の温度上昇量に応じて飽和率のデータを当てはめて得られる深さ方向の飽和率の分布を表すグラフを示してある。
【００３４】
図６、図７で求めた関係は、上述した飽和率測定装置を、深さ２ｍ程度の地盤試料（ＲＣ砂、洗砂）に設置し、地盤試料に熱を与えて深さ毎の温度上昇量を求めたもので、図中点線は自然状態での関係、図中実線は人工的に降雨状態を作り地盤試料の飽和率が高くなる状態での関係である。
【００３５】
図６に示すように、ＲＣ砂は、浅い領域で自然状態の時に温度上昇量が多く、降雨状態の時に温度上昇量が少ない。０.５ｍよりも深くなると、自然状態の時と降雨状態の時の温度上昇量は、１０℃前後の温度上昇量で略同様な傾向を示している。図７に示すように、洗砂は、浅い領域で自然状態の時に温度上昇量が多く、降雨状態の時に温度上昇量が少ない。０.５ｍよりも深くなると、１０℃よりも低い温度上昇量で、自然状態の時の温度上昇量が高い状態で変化している。
【００３６】
一方、図８は、地盤試料（ＲＣ砂、洗砂）に応じて求められた、温度上昇量に対する飽和率のデータを示してある。データは、前述したように、水を撒いて人工的に所定の飽和率の状態を作り、人工的な飽和率を変化させた時の温度上昇量の平均値をプロットして較正したものである。
【００３７】
図８中△印はＲＣ砂の状況であり、○印は洗砂の状況である。図に示すように、洗砂に比べてＲＣ砂の温度上昇量が高い状態を維持し、洗砂及びＲＣ砂の両方の地盤試料で、飽和率が高くなるに従って温度上昇量が低くなる関係になっている。
【００３８】
図６、図７及び図８の結果を用い、水分量測定装置により、深さに応じた温度上昇量を求め（図６、図７）、得られた温度変化量を飽和率として置き換えることにより（図８）、地盤試料（ＲＣ砂、洗砂）毎に深さに応じた飽和率を導出することができる。
【００３９】
図６、図７及び図８の結果に基づいて得られた地盤試料（ＲＣ砂、洗砂）毎の飽和率の深さ方向の分布の結果を図９、図１０に示してある。
【００４０】
図９にはＲＣ砂の飽和率の分布、図１０には洗砂の飽和率の分布を示してある。図中○印は自然状態での５０ｃｍ毎の飽和率を示し、図中△印は人工的に作った降雨状態での５０ｃｍ毎の飽和率を示してある。また、図中実線は自然状態での２.７ｃｍ毎の飽和率の状況であり、図中点線は人工的に作った降雨状態での２.７ｃｍ毎の飽和率の状況である。図９、図１０に示した状態が、地盤試料に応じた深さ方向の飽和率の分布となる。
【００４１】
上述したように、地盤試料としてＲＣ砂及び洗砂を用い、飽和率測定装置により地盤試料に熱を与えて深さ毎の温度上昇量を求め、図８に示したデータを適用することで、図９、図１０に示したように、地盤試料の深さ方向における飽和率の分布を得ることが確認できた。
【００４２】
上述したように、本実施例の地盤の深さ方向における水分量測定装置を用いることにより、地盤に熱を与えて深さ毎に温度上昇を求めることで、深さ方向の飽和率（水分量）の分布を導出することができ、深い範囲の地盤の水分の状態を把握することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、地盤の深さ方向の水分量を把握する地盤の深さ方向における水分量測定装置の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  地盤
２  測定ケーブル
３  光ファイバケーブル
４  電熱線
５  温度測定装置
６  電流発生装置
７  飽和率導出制御手段
１１  ガイド棒
１２、１３、１４  外被材
【図１】
2011174768.tif 000003
【図２】
2011174768.tif 000004
【図３】
2011174768.tif 000005
【図４】
2011174768.tif 000006
【図５】
2011174768.tif 000007
【図６】
2011174768.tif 000008
【図７】
2011174768.tif 000009
【図８】
2011174768.tif 000010
【図９】
2011174768.tif 000011
【図１０】
2011174768.tif 000012