(57)【要約】【課題】本発明は、急速載荷試験の目標載荷時間約０．０５乃至０．２秒を達成し、試験精度向上を可能とする杭の急速載荷試験装置を提供する。【解決手段】本発明の杭の急速載荷試験装置は、重錘５を慣性マス４上に落下させ、慣性マス４を介して杭頭５１に落下衝撃荷重を作用させて急速載荷試験を行う杭５０の急速載荷試験装置１であって、杭頭５１と慣性マス４との間に、線形或いは非線形特性を持った弾性体１１と、減衰要素１２とを組み合わせた荷重伝達装置３を配置し、荷重伝達装置３における弾性体１１の弾性作用及び減衰要素１２の減衰作用の組み合わせにより、重錘５を落下させたときの落下衝撃時に杭頭５１に大きな荷重を目標載荷時間与えることができるようにしたものである。【選択図】図１
2004317364.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重錘を慣性マス上に落下させ、慣性マスを介して杭頭に落下衝撃荷重を作用させて急速載荷試験を行う杭の急速載荷試験装置であって、
杭頭と慣性マスとの間に、線形或いは非線形特性を持った弾性体と、減衰要素とを組み合わせた荷重伝達装置を配置し、
荷重伝達装置における弾性体の弾性作用及び減衰要素の減衰作用の組み合わせにより、前記重錘を落下させたときの落下衝撃時に杭頭に大きな荷重を長い時間与えることができるようにしたことを特徴とする杭の急速載荷試験装置。
【請求項２】
重錘を慣性マス上に落下させ、慣性マス、衝撃荷重検出手段を介して杭頭に落下衝撃荷重を作用させて急速載荷試験を行う杭の急速載荷試験装置であって、
前記衝撃荷重検出手段により衝撃荷重の検出を行うようにしたことを特徴とする杭の急速載荷試験装置。
【請求項３】
前記荷重伝達装置における前記弾性体は、金属系、ゴム系、油圧系、粘弾性系の要素の単独又は複数の組み合わせにより構成されるものであることを特徴とする請求項１又は２記載の杭の急速載荷試験装置。
【請求項４】
前記荷重伝達装置における減衰要素は、粘性系、摩擦系、弾塑性系の要素の単独又は複数の組み合わせにより構成されるものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の杭の急速載荷試験装置。
【請求項５】
前記慣性マスは、鋼材からなり、重錘との接触部に緩衝材を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の杭の急速載荷試験装置。
【請求項６】
前記重錘を落下させたときの落下衝撃時に杭頭に与えられる載荷時間は、０．０５秒又はそれ以上であ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杭の急速載荷試験装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木、建築構造物の施工の際に使用される杭の急速載荷試験装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
土木、建築構造物の施工に際して、杭の支持力を正確に知ることは極めて重要である。そのため、従来においては、この種の試験として、所謂静的載荷試験やハンマー打撃による所謂衝撃載荷試験が行われている。
しかしながら、前者の静的載荷試験は、かなり正確な試験データを得ることはできるが、試験データ取得までに長時間を要し、更に試験設備が大がかりになるため試験費用が大きくなる。従って、試験し得る杭の数量も限られてくる。
また、後者の衝撃載荷試験は、前者に比べて時間的、費用的には有利であるが、得られるデータは動的抵抗成分が含まれるため、解析により杭の支持力評価のための静的抵抗成分を考察する必要がある。従って、杭の支持力は波動の影響を除去する必要があること、また、載荷時間が０．０１乃至０．０２秒と極めて短いため測定値から正確に杭の支持力を推定することが困難である。
【０００３】
これに対して、杭の正確な支持力の把握と経済的、合理的な試験方法として静的載荷試験と衝撃載荷試験の中間に位置する所謂急速載荷試験が注目されている。この急速載荷試験は、静的試験での載荷時間概ね３０分と、衝撃載荷試験の載荷時間概ね０．０１乃至０．０２秒との中間を目指すもので、載荷時間としては約０．０５乃至０．２秒を目標としている。
【０００４】
現在行われている急速載荷試験としては、例えば、杭と重錘（モンケン）の間にコイルばねを定置し、重錘を落下させることで衝撃荷重を与える所謂「スードスタティック」試験、坑頭に反力体を配置し高圧ガスや火薬の爆発燃焼力により反力体を急速に打ち上げ、その時の慣性反力を杭頭に作用させることにより衝撃を与える所謂「スタナミック」試験等がある。
【０００５】
また、最近ではスードスタティック試験方式のコイルばねの代わりに、クッション材を用いた所謂「ＦＭ（Ｆａｌｌｉｎｇ  Ｍａｓｓ）」試験等も行われているが、いずれにしても載荷時間が目標値に達していない。
更に、スタナミック試験の場合、燃焼火薬の監督官庁への使用届手続きで４週間程度の日数を要するために、作業現場においてスピィーディな対応が困難である等の問題もある。
【０００６】
特許文献１には、重錘と杭頭との間に高分子化合物等からなる緩衝材を配置した急速載荷試験装置が開示されている。しかし、特許文献１の急速載荷試験装置の場合、簡略な構成ではあるものの、高分子化合物等からなる緩衝材による高周波の荷重成分の発生を抑制することを目的としており、上述した載荷時間の目標値を達成することは難しい。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−３０３５７０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した従来の実情に鑑み開発されたものであり、その目的とするところは、従来技術で解決されなければならない急速載荷試験で一番重要で、且つ、難しい事項は、長い載荷時間を確保しつつ杭頑に大きな衝撃荷重を伝達することであることを考慮し、急速載荷試験の目標載荷時間約０．０５乃至０．２秒を達成し、試験精度向上を可能とするとともに、試験時間短縮、費用低減、及び環境への配慮も良好な杭の急速載荷試験装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明に係る杭の急速載荷試験装置は、重錘を慣性マス上に落下させ、慣性マスを介して杭頭に落下衝撃荷重を作用させて急速載荷試験を行う杭の急速載荷試験装置であって、杭頭と慣性マスとの間に、線形或いは非線形特性を持った弾性体と、減衰要素とを組み合わせた荷重伝達装置を配置し、荷重伝達装置における弾性体の弾性作用及び減衰要素の減衰作用の組み合わせにより、前記重錘を落下させたときの落下衝撃時に杭頭に大きな荷重を長い時間与えることができるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
請求項２記載の発明に係る杭の急速載荷試験装置は、重錘を慣性マス上に落下させ、慣性マス、衝撃荷重検出手段を介して杭頭に落下衝撃荷重を作用させて急速載荷試験を行う杭の急速載荷試験装置であって、前記衝撃荷重検出手段により衝撃荷重の検出を行うようにしたことを特徴とするものである。
請求項１、２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の作用に加えて、衝撃荷重検出手段により衝撃荷重の検出を行い、衝撃荷重の解析に供することができる。
【００１１】
請求項３記載の発明に係る杭の急速載荷試験装置は、請求項１又は２記載の急速載荷試験装置において、前記荷重伝達装置における前記弾性体が、金属系、ゴム系、油圧系、粘弾性系の要素の単独又は複数の組み合わせにより構成されるものであることを特徴とする。
請求項３記載の発明によれば、前記弾性体を、金属系、ゴム系、油圧系、粘弾性系の要素の単独又は複数の組み合わせとした構成で、請求項１又は２記載の発明の作用を発揮させることができる。
【００１２】
請求項４記載の発明に係る杭の急速載荷試験装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の急速載荷試験装置において、前記荷重伝達装置における減衰要素が、粘性系、摩擦系、弾塑性系の要素の単独又は複数の組み合わせにより構成されるものであることを特徴とする。
請求項４記載の発明によれば、前記減衰要素を、粘性系、摩擦系、弾塑性系の要素の単独又は複数の組み合わせとした構成で、請求項１乃至３のいずれかに記載の発明の作用を発揮させることができる。
【００１３】
請求項５記載の発明に係る杭の急速載荷試験装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の急速載荷試験装置において、前記慣性マスが、鋼材からなり、重錘との接触部に緩衝材を備えることを特徴とする。
請求項５記載の発明によれば、慣性マスの重錘との接触部に配置した緩衝材の緩衝作用をも加えた構成で請求項１乃至４のいずれかに記載の発明の作用を発揮させることができる。
【００１４】
請求項６記載の発明に係る杭の急速載荷試験装置は、請求項１乃至５のいずれかに記載の急速載荷試験装置において、前記重錘を落下させたときの落下衝撃時に杭頭に与えられる載荷時間は、０．０５秒又はそれ以上であることを特徴とする。
請求項６記載の発明によれば、前記重錘を落下させたときの落下衝撃時に杭頭に与えられる載荷時間を０．０５秒又はそれ以上として請求項１乃至５のいずれかに記載の発明の作用を発揮させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１乃至図４は本発明の実施の形態１に係る杭（試験杭）５０の急速載荷試験装置１を示すものである。
この急速載荷試験装置１は、地面ＧＬに打ち込まれた杭５０の杭頭５１に対して落下衝撃荷重を作用させて急速載荷試験を行うものであり、杭頭５１上に配置した衝撃荷重検出手段である円柱状のロードセル２と、このロードセル２上に配置した荷重伝達装置３と、この荷重伝達装置３上に配置した例えば四角柱状の慣性マス４と、この慣性マス４の上方に配置され該慣性マス４に対して落下衝撃を与える例えば四角柱状の重錘５とを有している。
【００１６】
前記ロードセル２、荷重伝達装置３、慣性マス４及び重錘５は、ロードセル２上に垂直状態に立設けた垂直軸体（真矢）６を中心として同心的に下から順に配置している。
前記杭頭５１とロードセル２の下端との間には、例えば四角板状の台座７を介在させ、杭頭５１とロードセル２の上端との間には、例えば四角板状の台座８を介在させている。
【００１７】
前記荷重伝達装置３は、図４にも示すように、線形或いは非線形特性を持ったコイルバネからなる弾性体１１と、この弾性体１１の回りに垂直軸体６に関して９０度間隔で垂直配置した合計４個の例えば油圧シリンダからなる減衰要素１２とを組み合わせて構成している。
【００１８】
前記各減衰要素１２の下端側は、図３にも示すように、前記台座８に対して水平配置に取り付けた下部取り付け治具１３により支持され、また、減衰要素１２の上端側は、図２にも示すように、前記慣性マス４の側壁に水平配置に取り付けた上部取り付け治具１４により支持され、これにより、４個の減衰要素１２は前記台座８及び慣性マス４の外側で前記弾性体１１を囲む状態で垂直配置している。
【００１９】
前記慣性マス４は、例えば鋼材からなり、重錘５との接触部、すなわち慣性マス４の上面に板状の例えばゴム材等からなる緩衝材１５を備えている。
【００２０】
前記荷重伝達装置３における弾性体１１としては、前記コイルバネを用いる他、金属系（例えばコイルバネ、皿バネ等）、ゴム系（例えば発泡ウレタン等）、油圧系、粘弾性系の各要素の単独又は複数の組み合わせにより構成することができる。
【００２１】
また、前記減衰要素１２は、油圧シリンダの他、粘性系ダンパー、摩擦系ダンパー、弾塑性系ダンパーの各要素の単独又は複数の組み合わせにより構成することができる。
【００２２】
本実施の形態に係る急速載荷試験装置１により急速載荷試験を行う際には、重錘５を慣性マス４上に落下させ、慣性マス４、ロードセル２を介して杭頭５１に落下衝撃荷重を作用させて杭５０に対する急速載荷試験を行う。
これにより、荷重伝達装置３における弾性体１１の弾性作用及び減衰要素１２の減衰作用の組み合わせにより、更には慣性マス４の重錘５との接触部に配置した緩衝材１５の重錘５に対する緩衝作用により、前記重錘５を落下させたときの落下衝撃時に杭頭５１に大きな荷重を長い時間（例えば、０．０５乃至０．２秒）与えることができる。本実施の形態に係る急速載荷試験装置１では、本装置１により重錘５を落下させたときの落下衝撃時に杭頭５１に与えられる大きな荷重の時間、すなわち載荷時間は、例えば、０．０５乃至０．２秒、或いは０．０５秒又はそれ以上である。
【００２３】
ここで、本実施の形態に係る急速載荷試験の一例について説明する。
例えば、重錘５の重量をｍ１＝２０００ｋｇ（２ｔｆ）、慣性マス４の重量をｍ２＝２０００ｋｇ（２ｔｆ）（本実施の形態）、ｍ２＝１００ｋｇ（０．１ｔｆ）（慣性マス４が無いとした場合）としたとき、慣性マス４を使用した場合と、慣性マス４を使用しない場合の載荷荷重及び載荷時間（周波数）について以下に説明する。
重錘５が自由落下したときの衝突直前の速度ｖ１は、ｖ１＝√（２ｇＨ）（ｍ／ｓ）で表される。ここにｇは重力加速度、Ｈは落下距離である。
重錘５が慣性マス４と衝突するとき、反発係数ｅ＝０．５６（但し鋼鉄と鋼鉄の場合）とすると、重錘５、慣性マス４の衝突後の速度ｖ１’、ｖ２’は、質量保存の法則により、下記数１、数２で各々表すことができる。
【数１】
2004317364.tif 000003
【数２】
2004317364.tif 000004
【００２４】
前記重錘５の落下距離Ｈを５ｍとして、重錘５、慣性マス４の衝突直前の速度ｖ１、ｖ２、衝突直後の速度ｖ１’、ｖ２’から、杭５０（杭頭５１）に対する載荷荷重及び載荷時間（周波数）を計算すると、図７に示すようになる。
図７に示す結果から明らかなように、載荷時間（周波数）を慣性マス４を使用した場合と、使用しない場合とで同じ（＝１０Ｈｚ（０．１秒））とした場合には、慣性マス４を使用した場合の載荷荷重Ｆは９９ｔｆ、慣性マス４を使用しない場合の載荷荷重Ｆは９ｔｆとなり、慣性マス４を使用した方が使用しない場合に比べ１１倍の載荷荷重Ｆを杭５０（杭頭５１）に付与することができる。
逆に、杭５０（杭頭５１）に付与する載荷荷重Ｆを、慣性マス４を使用した場合と、使用しない場合とで同じ（９９ｔｆ）にしようとすると、載荷時間（周波数）は慣性マス４を使用した場合には１０Ｈｚ（０．１秒）であるのに対して、慣性マス４を使用しない場合には１０６Ｈｚ（約０．０１秒）となり、慣性マス４を使用した方が使用しない場合に比べ約１０倍長い載荷時間を得ることができる。
【００２５】
そして、前記ロードセル２により杭頭５１に作用する衝撃荷重の検出を行って、図示していないがデータ処理手段に送ることで衝撃荷重のデータ解析を行うことが可能となる。
【００２６】
このように本実施の形態１では、重錘５の衝撃を受けると同時に荷重伝達装置３を介して杭頭５１に長い時間を掛けて大きな衝撃荷重を与えることができ、前述した従来技術では達成することができなかった載荷時間が長く、高精度の急速載荷試験が可能な急速載荷試験装置１を提供することができる。
【００２７】
また、本実施の形態１では、杭５０と慣性マス４との間に前記荷重伝達装置３を配置した簡略な構成であることから、試験時間の短縮、試験費用の低減を図ることができ、繰り返し試験も可能であり、機動性も持ち合わせ、更には爆薬等を用いないことから環境への配慮も良好な急速載荷試験装置１を提供できる。
【００２８】
（実施の形態２）
図５、図６は、本発明に係る実施の形態２を示すものであり、本実施の形態２に係る杭の急速載荷試験装置は、基本的構成は実施の形態１の場合と同様であるが、前記荷重伝達装置３に代替して、１個又は２以上の複数個、例えば４個のコイルバネからなる弾性体２１を例えば四角柱状の減衰要素２２内に埋設した構成の荷重伝達装置３Ａを用いることが特徴である。
図５中の符号８ａは慣性マス４の下端との間に配置する台座である。
【００２９】
この荷重伝達装置３Ａを用いて構成した急速載荷試験装置によっても、前述した実施の形態１の急速載荷試験装置１と同様な作用、効果を発揮させることができる。
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば以下の各効果を奏する。
請求項１記載の発明によれば、簡略な構成でありながら、重錘を落下させたときの落下衝撃時に杭に大きな荷重を長い時間与えることが可能となり、高精度の荷重試験を行うことができ、試験時間の短縮、試験費用の低減を図ることができ、繰り返し試験も可能であり、機動性も持ち合わせ、更には爆薬等を用いないことから環境への配慮も可能な急速載荷試験装置を提供できる。
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、衝撃荷重検出手段により衝撃荷重の検出を行い、衝撃荷重の解析に供することができる急速載荷試験装置を提供できる。
請求項３記載の発明によれば、前記弾性体を、金属系、ゴム系、油圧系、粘弾性系の要素の単独又は複数の組み合わせとした構成で、請求項１又は２記載の発明の効果を奏する急速載荷試験装置を提供できる。
請求項４記載の発明によれば、前記減衰要素を、粘性系、摩擦系、弾塑性系の要素の単独又は複数の組み合わせとした構成で、請求項１乃至３記載の発明の効果を奏する急速載荷試験装置を提供できる。
請求項５記載の発明によれば、慣性マスの重錘との接触部に配置した緩衝材の緩衝作用をも加えた構成で、請求項１乃至４記載の発明の効果を奏する急速載荷試験装置を提供できる。
請求項６記載の発明によれば、前記重錘を落下させたときの落下衝撃時に杭頭に与えられる載荷時間を０．０５秒又はそれ以上として請求項１乃至５記載の発明の効果を奏する急速載荷試験装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る杭の急速載荷試験装置を示す概略構成図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る杭の急速載荷試験装置における荷重伝達装置のみを実線で示す概略構成図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る杭の急速載荷試験装置における荷重伝達装置を示す概略部分断面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る載荷試験結果を示す表である。
【符号の説明】
１    急速載荷試験装置
２    ロードセル
３    荷重伝達装置
３Ａ  荷重伝達装置
４    慣性マス
５    重錘
６    垂直軸体
７    台座
８    台座
８ａ  台座
１１    弾性体
１２    減衰要素
１３    下部取り付け治具
１４    上部取り付け治具
１５    緩衝材
２１    弾性体
２２    減衰要素
５０    杭
５１    杭頭
ＧＬ    地面
【図１】
2004317364.tif 000005
【図２】
2004317364.tif 000006
【図３】
2004317364.tif 000007
【図４】
2004317364.tif 000008
【図５】
2004317364.tif 000009
【図６】
2004317364.tif 000010
【図７】
2004317364.tif 000011