(57)【要約】【課題】土質に応じて演算に用いる係数が異なる換算Ｎ値演算等の演算処理を自動的に行う貫入試験機および換算Ｎ値の自動算出方法の提供。【解決手段】本発明は、貫入ロッド７を地中に貫入した時に当該貫入ロッド７を伝播される音を音検出手段１３により検出し、この音検出手段１３によって検出された音に基づいて土質判定部により土質を判定する。従来作業者が聴取する音によって判定していた土質を、前述のように土質判定部により判定処理することにより、その判定結果に応じて演算処理部により換算Ｎ値等の算出に必要な土質係数を取得して換算Ｎ値等を演算することが可能となるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に貫入される貫入部材と、
前記貫入部材が地中に貫入されるのにともなって当該貫入部材を伝播されてくる音を検出可能な音検出手段と、
前記音検出手段によって検出された音に基づいて土質を判定する土質判定部と、
前記土質判定部によって判定された土質に応じて演算処理に必要なデータを選択取得して所定の演算処理を行う演算処理部と
を備えていることを特徴とする貫入試験機。
【請求項２】
演算処理部は、土質に応じて用意される換算Ｎ値の演算に必要な土質係数の内、土質判定部によって判定された土質に応じた土質係数を取得し、これを用いて換算Ｎ値を演算することを特徴とする請求項１に記載の貫入試験機。
【請求項３】
貫入部材を地中に貫入した時に当該貫入部材を伝播される音を音検出手段により検出し、この音検出手段によって検出された音に基づいて土質判定部により土質を判定し、この判定結果に応じて演算処理部により換算Ｎ値の算出に必要な土質係数を取得して換算Ｎ値を演算することを特徴とする換算Ｎ値の自動算出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤の硬軟を調査するための貫入試験を行う場合に演算に土質情報を必要とする換算Ｎ値等の演算処理を自動的に行う貫入試験機および換算Ｎ値の自動算出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
各種生産現場・作業現場等においては、使用機器の作動音、ワークと工具類との接触音等を識別することにより、使用機器の状態、ワークの状態等を知ることが行われている。その具体的な例として、建造物の建築予定地等の地耐力を知るために行われる地盤調査試験について紹介する。この地盤調査試験には、標準貫入試験、オランダ式二重管コーン貫入試験、スウェーデン式サウンディング試験、ボーリング試験等の各種貫入試験があり、これらの貫入試験は、それぞれ専用の地盤調査機を用いて行われているのが現状である。そのような地盤調査機の中でも特に一般的なのが、特開平８−２９２１４１号公報等によって公知の貫入試験機である。この貫入試験機は、大略、次のような構成で成る。
【０００３】
図３および図４に示すように、従来の貫入試験機１′は、所定重量の錘２を載荷可能かつ支柱３に沿って昇降可能な載荷台４を有し、この載荷台４には、チャック５が配置されている。このチャック５は、モータ６（以下、チャックモータ６という）の駆動を受けて回転するようになっており、このチャック５には、貫入ロッド７が一体に回転するように保持されている。貫入ロッド７は、継ぎ足し可能な棒状のロッド部７ａと、このロッド部７ａ先端に取り付けられたドリル状のスクリューポイント７ｂとで成るものであって、特許請求の範囲に記載の貫入部材の一例たるものである。
【０００４】
また、前記支柱３には直線状に延びてチェーン部材８が設けられており、このチェーン部材８には、前記載荷台４に回転可能に取り付けられたスプロケット９が噛合している。このスプロケット９の回転をセンサ１０で検出することにより、その信号から載荷台４の下降量、すなわち貫入ロッド７の貫入量（貫入深さ）を割り出せるようになっている。この貫入ロッド７の貫入量の割り出し方法については、特開平９−１１１７４５号公報によっても公知となっているものである。また、スプロケット９はパウダブレーキ１１によって制動されるように構成されており、このパウダブレーキ１１の制動力の大きさに応じて貫入ロッド７に負荷される荷重が増減される。また、符号１２はスプロケット９を回転駆動し、載荷台４の昇降動作を創出せしめるための昇降モータである。
【０００５】
上記貫入試験機１は、日本工業規格Ａ１２２１のスウェーデン式サウンディング試験方法に準じたサウンディング試験を自動で行う。試験では、貫入ロッド７に載荷台４の装備重量による荷重（２５０Ｎ毎に増減、最大１ＫＮ）が負荷されるとともに、必要に応じて貫入ロッド７に回転が付与され、これにより貫入ロッド７が地中に貫入される。
【０００６】
貫入ロッド７が地中に貫入していく過程で、貫入ロッド７の貫入速度は土質に応じて変化するため、この貫入速度ができるだけ一定になるよう、回転の付与／停止、荷重の変更等の貫入条件の変更が行われる。この貫入条件の変更の度に、その間の貫入ロッド７の貫入深度、貫入ロッド７の半回転数（貫入ロッド７の一回転を２としてカウントした回転数）、荷重値Ｗｓｗが制御ユニット（図示せず）によって取得される。制御ユニットは、得られた半回転数から１ｍ当たりの半回転数（以下、Ｎｓｗ値という）を求める。なお、貫入試験機１′の詳細な構造、動作、作用効果等については、前述の特開平８−２９２１４１号公報と同様であるので、同公報を参照されたい。
【０００７】
従来は、貫入試験終了後、得られた各貫入深度における荷重値Ｗｓｗと半回転数Ｎｓｗと土質係数とを用いて数１により換算Ｎ値と呼ばれる地盤硬度の評価指標値が求められ、各貫入深度における地盤硬度が判定されていた。
【数１】
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数１における土質係数Ａｓｗ、Ｂｓｗはそれぞれ土質に応じて与えられるものであり、これまでの経験則から、次のように定められている。
粘性土の場合：Ａｓｗ＝０．０３，Ｂｓｗ＝０．０５
砂質土の場合：Ａｓｗ＝０．０２，Ｂｓｗ＝０．０６７
この土質係数Ａｓｗ、Ｂｓｗを決定するための土質は、貫入試験中、作業者が都度聴取した貫入ロッドを伝播してくる音によって決定されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の貫入試験機による貫入試験においては、貫入試験中に貫入ロッドを伝播されてくる音は、作業者が都度聴取することによって取得される。このため、作業者の熟練度や日毎のコンディション、あるいは各作業者の身体的な固有特性に応じて得られる音にはばらつきが生じてしまう。また、得られた音は、制御ユニットで極めて綿密かつ高精度に得られるＮｓｗ値および荷重値に比較して著しく詳細さおよび精度が劣る。さらに、貫入試験は、通常屋外で行われるため、例えば貫入試験機に電源を供給するための発電機の作動音など、周囲の騒音が非常に多く、貫入ロッドを伝わる音を作業者が正確に聴取することは非常に困難である。これらのことから、従来は、正しい換算Ｎ値を算出して地盤硬度を判定することができなくなってしまう等の問題が発生していた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題に鑑みて創成されたものであり、地中に貫入される貫入部材と、前記貫入部材が地中に貫入されるのにともなって当該貫入部材を伝播されてくる音を検出可能な音検出手段と、前記音検出手段によって検出された音に基づいて土質を判定する土質判定部と、前記土質判定部によって判定された土質に応じて演算処理に必要なデータを選択取得して所定の演算処理を行う演算処理部とを備えていることを特徴とする。なお、前記演算処理部は、土質に応じて用意された換算Ｎ値の演算に必要な土質係数の内、前記土質判定部によって判定された土質に応じた土質係数を取得し、これを用いて換算Ｎ値を演算することが望ましい。
【００１０】
また、本発明は、貫入部材を地中に貫入した時に当該貫入部材を伝播される音を音検出手段により検出し、この音検出手段によって検出された音に基づいて土質判定部により土質を判定し、この判定結果に応じて演算処理部により換算Ｎ値の算出に必要な土質係数を取得して換算Ｎ値を演算する換算Ｎ値の自動算出方法でもある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施の形態を説明する。図１において、１は貫入試験機であり、その基本的な構成は、上記従来の技術で紹介した特開平８−２９２１４１号公報によって公知の貫入試験機と同様である。よって、ここでは、特開平８−２９２１４１号公報によって公知の貫入試験機と相違する構成について説明することとし、従来の技術の欄で既に紹介した構成部品には同様の符号を付し、その詳しい説明は省略することとする。
【００１２】
本貫入試験機１の載荷台４には音検出手段１３が取り付けられており、この音検出手段１３は、貫入ロッド７を地中に貫入した時に当該貫入ロッド７を伝播する音に応じた電気信号を出力するように構成されている。この音検出手段１３は、貫入ロッド７を伝播してきた音による載荷台４の振動を直接検出するタイプ（以下、直接検出型という）のもの、あるいは貫入ロッド７を伝播する音が空中伝播される際の空気振動を検出するタイプ（以下、間接検出型という）のもの等、様々なタイプのものを選択・採用することができる。ちなみに、直接検出型のものとしては、圧電セラミックセンサ等の圧電素子を利用したセンサや磁歪センサ等が採用でき、また、間接検出型のものとしては、集音マイク等が採用できる。但し、間接検出型の音検出手段１３によって音を検出した場合、周囲の騒音も取り込まれるため、間接検出型のものを採用した場合には、後述の土質判定部１５等に騒音要素を除去する機能を持たせておく必要がある。これに対し、直接検出型のものは貫入ロッド７を伝播する音による貫入試験機自体の振動を検出するものであるため、周囲の騒音の影響を受け難い。このため、本実施の形態では、音検出手段１３として直接検出型の圧電セラミックセンサが採用されており、貫入ロッド７からチャック５を経由して空中伝播することなく載荷台４に伝えられる音響振動を検出するようになっている。
【００１３】
前記音検出手段１３は、貫入試験機１を制御する制御ユニット１４に備えられた土質判定部１５に接続されている。その他、制御ユニット１４は、演算処理部１６、昇降モータ駆動部１７、チャックモータ駆動部１８、パウダブレーキ制御部１９（図面ではＰＢ制御部と表記してある）、速度検出部２０、半回転数検出部２１、記憶部２２、入力部２３を備える。
【００１４】
昇降モータ駆動部１７とチャックモータ駆動部１８は、演算処理部１６からの指令を受けて昇降モータ１２、チャックモータ６の駆動制御を行う。また、パウダブレーキ制御部１９は、演算処理部１６からの指令を受けてパウダブレーキ１１への負荷電流を調節する。これにより、パウダブレーキ１１の発生する制動力が増減され、以て貫入ロッド７に負荷される荷重が変更される。さらに、速度検出部２０は、センサ１０の出力信号（パルス信号）を得て、これから単位時間当たりのパルス数（貫入速度）を求める。また、半回転検出部２１は、回転駆動源６が駆動している時、チャック５の回転回数を検出するように配置されるセンサ手段（図示せず）の信号から貫入ロッド７の半回転数を割り出すように構成されている。さらに、記憶部２２は、土質判定に必要な閾値類、上記土質に応じた土質係数Ａｓｗ，Ｂｓｗ等の各種パラメータ、各種制御プログラム等が予め記憶保持している。また、入力部２３は、試験開始指令入力、試験中断指令入力、任意設定パラメータの入力等を行うための入力ボタンおよびキー（何れも図示せず）を備えて成る。
【００１５】
上記貫入試験機１は、上述の特開平８−２９２１４１号公報に示された貫入試験機と同様の動作により、日本工業規格Ａ１２２１のスウェーデン式サウンディング試験方法に準じた方法でサウンディング試験を行う。その間、上述の通り、貫入ロッド７の貫入条件が変更される毎に貫入量、Ｎｓｗ値、荷重値が取得される。貫入量は、速度検出部２０によってカウントされたセンサ１０のパルス数の総計から、Ｎｓｗ値は、半回転数検出部２１によって割り出された半回転数から、荷重値はパウダブレーキ制御部１９によってパウダブレーキ１１に与えられている負荷電流値から、それぞれ演算処理部１６において演算されるものである。また、スクリューポイント７ｂが各土層に貫入される際、その土層の土質に応じた音（スクリューポイント７ｂと土、砂又は礫等との接触による音）が発生するが、この音（振動）はロッド部７ａを伝播されて載荷台４に至り、音検出手段１３によって検出されて土質判定部１５に送られる。
【００１６】
土質判定部１５は、図２に示すように、音検出手段１３の出力信号（以下、音響データという）群ＳＤについて、前述の貫入量、Ｎｓｗ値および荷重値が取得された区間Ｓ（ｎ）（ｎは任意の正数，以下同じ）における音響データを全てサンプリングする。そして、図２の下段に示すように、各音響データの大きさｆ（ｘ）（ｘは任意の正数）の二乗値とデータ数とで表されるヒストグラムを生成する。さらに、このヒストグラムにおいて、予め設定した閾値を超えている領域の面積Ａ（ｎ）を求め、その面積Ａ（ｎ）がヒストグラム全体の面積に占める割合に応じて、その区間における土質が砂質土であるか粘性土であるかを判定する。一般に砂質土の方が粘性土よりも大きな音を発生するため、前述のヒストグラムおいて閾値Ｔを超える領域の面積が増大する。つまり、ヒストグラムにおいて閾値Ｔを超える領域の面積の全体に占める割合が境界値よりも大きい場合（例えば、１０％以上の場合）には、砂質土と判定され、小さい場合（例えば、１０％未満の場合）には粘性土と判定される。
【００１７】
前述のようにして土質が判定されると、その結果に応じた係数が記憶部２２から演算処理部１６に読み込まれる。また、演算処理部１６には、対応する荷重および１ｍ当たりの半回転数Ｎｓｗも読み込まれ、これらから上記数１を用いて換算Ｎ値が計算され、その結果が記憶部２２に格納される。このように、貫入試験の進行にともなって順次換算Ｎ値が求められ記憶部２２に格納されていく。従って、貫入試験終了後、得られた試験データから換算Ｎ値を求める必要がなく、貫入試験後の作業者の負担を軽減することができる。
【００１８】
なお、以上の説明では、土質に応じて換算Ｎ値の演算に利用する土質係数を決定する例について紹介したが、本発明の技術的思想は、その他、土質に応じて演算に使用するデータを選択する必要がある場合にも適用できるものであって、上記の例に限定されるものではない。また、土質判定部１５による土質判定処理方式については、先に提案されている特願２００１−３２２４９２に記載の方式を音響データの前処理に採用しておくことで、得られる土質判定用の音響データはより高精度のものとなる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は、貫入ロッドを伝播される音を検出する音検出手段と、この音検出手段によって検出された音響データに基づいて土質を判定する土質判定部と、この土質判定部によって判定された土質に応じて演算処理に必要なデータを選択取得して所定の演算処理を行う演算処理部とを備えているものである。このため、周囲の騒音、作業者の熟練度やコンディション等の影響を受けることなく、音検出手段により綿密かつ高精度に音響データを得ることが可能となる。そして、この音響データから土質を判定し、この土質判定結果に応じたデータを選択して正確な演算処理結果を得ることができる。特に換算Ｎ値の演算処理においては、正しい換算Ｎ値を算出して正確な地盤硬度を判定することが可能になるという効果が得られる。また、従来、作業者が貫入試験後に行っていた処理が自動化されるため、試験後における作業者の負担軽減を実現することが可能になる等の利点もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る貫入試験機の概略説明図である。
【図２】土質判定部において生成されるヒストグラムの一例を示す説明図である。
【図３】従来の貫入試験機の正面図である。
【図４】従来の貫入試験機の要部拡大一部切欠断面図である。
【符号の説明】
１　貫入試験機
２　錘
３　支柱
４　載荷台
５　チャック
７　貫入ロッド
７ａ　ロッド部
７ｂ　スクリューポイント
８　チェーン部材
９　スプロケット
１１　パウダブレーキ
１３　音検出手段
１４　制御ユニット
１５　土質判定部
１６　演算処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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