(57)【要約】【課題】打撃作業における正確な打撃データ測定を実現する打撃測定機能を有する自動貫入試験機の提供。【解決手段】貫入ロッド７を地中に貫入していく途中、貫入ロッド７がれき等に突き当たった場合、貫入ロッド７を打撃して貫入が試みられる。この打撃による衝撃は、衝撃検出部１６のセンサによって検出され、この衝撃信号は増幅部２３ａによって増幅され、マイコン２３ｂに送られる。マイコン２３ｂは、衝撃信号の入力を受けて打撃回数を加算するとともに、衝撃信号のピーク値から打撃力を求める。この打撃回数、打撃力は記憶部２３ｃに記憶されるとともに、表示部２３ｅに表示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に回転可能に設けられたチャックと、このチャックに着脱可能かつ一体に回転可能に保持される貫入ロッドとを備えた自動貫入試験機において、
前記貫入ロッドを打撃する時に当該貫入ロッドに与えられる打撃による衝撃を検出可能な検出手段と、
前記検出手段が検出した衝撃信号から打撃データを求める制御手段と
を備えていることを特徴とする打撃測定機能を有する自動貫入試験機。
【請求項２】
制御手段は、求めた打撃データを記憶する記憶部を有することを特徴とする請求項１に記載の打撃測定機能を有する自動貫入試験機。
【請求項３】
制御手段は、求めた打撃データを表示する表示部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の打撃測定機能を有する自動貫入試験機。
【請求項４】
制御手段は、検出手段からの衝撃信号をそれぞれ異なるゲインで増幅する複数の増幅部と、これら増幅部で増幅された衝撃信号から最適な衝撃信号を選択する演算処理部とを有していることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の打撃測定機能を有する自動貫入試験機。
【請求項５】
演算処理部は、選択した衝撃信号から打撃力を求めるよう構成されていることを特徴とする請求項４に記載の打撃測定機能を有する自動貫入試験機。
【請求項６】
演算処理部は、衝撃信号に基づいて打撃回数を求めるよう構成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の打撃測定機能を有する自動貫入試験機。
【請求項７】
演算処理部は、衝撃信号から得られる打撃力を積算し、当該打撃作業によって貫入ロッドに与えられた打撃力の合計を求めるよう構成されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６の何れかに記載の打撃測定機能を有する自動貫入試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貫入ロッドを打撃して地中に貫入する際に、貫入ロッドに与えられる打撃による衝撃を検出して打撃データを得る打撃測定機能を有する自動貫入試験機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建造物の建築予定地等の地耐力を知るためには、例えば標準貫入試験、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行われている。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おり、そのような地盤調査機の中でも特に一般的なのが、特許文献１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７および図８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昇降台４を有し、この昇降台４には、チャック５が配置されている。このチャック５は、回転駆動源の一例であるチャック駆動用モータ６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。この貫入ロッド７は、端部に形成されたねじ部によって継ぎ足し可能に構成された棒状のロッド部７１と、このロッド部７１先端に取り付けられたドリル状のスクリューポイント７２とで成る。
【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、前記昇降台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９ａで検出することにより、その信号から昇降台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、特許文献２によって公知となっているものである。
【０００５】
前記スプロケット９は伝達軸９ｂ、一方向クラッチ１０、ベベルギアＧ１，Ｇ２を介して昇降用モータ１１に連結される構造になっており、この昇降用モータ１１が駆動するのを受けて回転するように構成されている。この昇降用モータ１１の駆動は、一方向クラッチ１０の作用により、昇降台４が上昇する方向にスプロケット９を回転させる場合のみスプロケット９に伝達される。この構造により、貫入ロッド７を地中に貫入している時に昇降用モータ１１をスプロケット９に回転伝達がされない方向に駆動してスプロケット９に対して一方向クラッチ１０を空転させれば、昇降用モータ１１の減速比等で昇降台４の下降動作が制限されないようにできる。また、前記スプロケット９と一体に回転する伝達軸９ｂには、パウダブレーキ１２が連結されており、このパウダブレーキ１２によりスプロケット９に様々な強さの制動力を与えられるようになっている。
【０００６】
貫入ロッド７を地中に貫入している時には、前述の一方向クラッチ１０の空転作用により、貫入ロッド７には昇降台４等の総質量に基づく荷重が負荷される。この時、パウダブレーキ１２の作動によりスプロケット９を制動することで、貫入ロッドに負荷される荷重を迅速かつ正確に、しかもきめ細かく変更することができるようになっている。
【０００７】
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に昇降台４等の総質量による荷重（単位：Ｎ）から、パウダブレーキ１２によって与えられる制動力（単位：Ｎ）を差し引いた荷重（制動力の調整により２５０Ｎ毎に増減、最大１ＫＮ）が負荷されるとともに、必要に応じてチャック駆動用モータの駆動により貫入ロッド７に回転が付与されて、貫入ロッド７が地中に貫入される。
【０００８】
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の貫入量、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）及び荷重値が、試験データとして制御ユニット（図示せず）によって取得される。制御ユニットは、この試験データから１ｍ当たりの半回転数（以下、Ｎｓｗ値という）を求める。このＮｓｗ値により貫入深度毎の地盤強度（その土地の硬軟、締まり具合等）を判定し、その土地の地耐力を知ることができる。
【０００９】
【特許文献１】特開平８−２９２１４１号公報
【特許文献２】特開平９−１１１７４５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の自動貫入試験機による試験においては、スクリューポイントが岩盤、れき等に当たって貫入できなくなる場合、貫入ロッドを打撃する作業が行われる。この打撃作業は、通常、貫入ロッドの地表に突出しているねじ部分に打撃キャップを取り付け、これを作業者がハンマ等で打撃することにより行われる。この打撃作業においては、打撃回数および当該打撃によって貫入ロッドが貫入した貫入量が記録されていた。このように、従来の打撃作業は全て人手によるものであるため、打撃回数のカウントミス、記録ミスなどの不具合が発生していた。また、打撃力は測ることができないので、打撃作業を行った結果、貫入ロッドが貫入を続けられるようになった場合、あるいは貫入ロッドが貫入せず試験を中止することになった場合の何れにおいても、それがどの程度の打撃力を与えた結果に導かれた結論なのかを評価することができない等の問題も発生していた。
【００１１】
【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、打撃作業における正確な打撃データ測定を実現する打撃測定機能を有する自動貫入試験機の提供を目的とする。この目的を達成するため、本発明は、支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に回転可能に設けられたチャックと、このチャックに着脱可能かつ一体に回転可能に保持される貫入ロッドとを備えた自動貫入試験機において、前記貫入ロッドを打撃する時に当該貫入ロッドに与えられる打撃による衝撃を検出可能な検出手段と、前記検出手段が検出した衝撃信号から打撃データを求める制御手段とを備えていることを特徴とする。なお、前記制御手段は、求めた打撃データを記憶する記憶部を有することが望ましい。また、前記制御手段は、求めた打撃データを表示する表示部を有することが望ましい。
【００１２】
また、前記制御手段は、検出手段からの衝撃信号をそれぞれ異なるゲインで増幅する複数の増幅部と、これら増幅部で増幅された衝撃信号から最適な衝撃信号を選択する演算処理部とを有しているものであってもよい。この場合、前記演算処理部は、選択した衝撃信号から打撃力を求めるよう構成されていることが望ましい。また、前記演算処理部は、衝撃信号に基づいて打撃回数を求めるよう構成されていることが望ましい。さらに、前記演算処理部は、衝撃信号から得られる打撃力を積算し、当該打撃作業によって貫入ロッドに与えられた打撃力の合計を求めるよう構成されていることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１ないし図３において、１は自動貫入試験機であり、上記従来の技術の欄で紹介した貫入試験機１′と基本的な構造を同じくするものである。
【００１４】
本自動貫入試験機１において、ロッド部７１を保持するチャック５は、図２および図３に示すように、昇降台４に固定された上下２分割構造の軸受ケース５１と、この軸受ケース５１内に軸受を介して回転自在に配置された回転スリーブ５２と、この回転スリーブ５２上部に一体に連結されたロッド保持スリーブ５３と、このロッド保持スリーブ５３に沿って摺動可能に設けられたストッパ部材５４と、このストッパ部材５４を常時上方に付勢するばね５５と、ストッパ部材５４の上方位置を規制する係止部材５６とを備えている。
【００１５】
前記回転スリーブ５２とロッド保持スリーブ５３とは、貫入ロッド７のロッド部７１が挿通可能な挿通穴５７を有し、ロッド保持スリーブ５３の上部には、横断面を３等分する位置に収納穴５３ａが形成してある。この収納穴５３ａには、ロッド部７１外周面に等分配置された３本の係止溝７３（１本は図示せず）にそれぞれ嵌合する鋼球５８が収納されている。また、収納穴５３ａは前記ストッパ部材５４によって常時閉塞されるようになっており、これにより鋼球５８をロッド部７１の係止溝７３に嵌合した状態に保ち、チャック５に貫入ロッド７を保持するようになっている。また、ストッパ部材５４の上部内周面５４ａは、前記鋼球５８の動作を許容できるよう大径に構成されており、ストッパ部材５４をばね５５の付勢に逆らって押し下げることで、鋼球５８を移動自在にし、チャック５によるロッド部７１の保持を解除できるようになっている。
【００１６】
前記回転スリーブ５２下部には、一体に回転するようにスプロケット５９が取り付けられている。一方、昇降台４に配置されたチャック駆動用モータ６の出力軸６ａには一方向クラッチ１３を介してスプロケット１４が連結されている。そして、これらスプロケット１４，５９には無端チェーン１５が巻き掛けられ、チャック駆動用モータ６の駆動をチャック５に伝達できるようになっている。
【００１７】
前記一方向クラッチ１３は、チャック駆動用モータ６がスクリューポイント７２をねじ込む方向に回転させるよう駆動した時、この駆動をスプロケット１４に伝達するように構成されている。従って、スクリューポイント７２をねじ込む方向の回転がチャック５側から伝達された場合には、スプロケット１４は一方向クラッチ１３の作用で出力軸６ａに対して空転する。つまり、この場合、チャック５および貫入ロッド７は、チャック駆動用モータ６の機械的構造から生じる回転抵抗を受けずに自在に回転することができる。このため、貫入ロッド７が荷重のみで地中に貫入する、所謂自沈時において、スクリューポイント７２が土の抵抗を受けて回転するのを許容することができる。
【００１８】
また、ロッド保持スリーブ５３下部の円周面は全周に渡って表面を滑らかに加工されており、後記衝撃検出部１６の接触部材１８が常時当接する検出面５３ｂに構成されている。この検出面５３ｂは、前記軸受ケース５１の上部およびロッド保持スリーブ５３のフランジ部５３ｃによって覆われるとともに、オイルシール、オーリングなどのゴム製のリング部材６０によってシールされ、グリース等の潤滑剤が封入されている。この潤滑剤により、検出面５３ｂの防錆が図られるとともに、接触部材１８とロッド保持スリーブ５３との摩擦音の低減が図られている。
【００１９】
また、前記軸受ケース５１には、衝撃検出部１６が取り付けられている。この衝撃検出部１６は、図３に示すように、軸受ケース５１に固定されたブラケット部材１７と、このブラケット部材１７上部に摺動可能に設けられた軸状の接触部材１８と、この接触部材１８に貼付された検出手段の一例であるセンサ１９とを有している。この衝撃検出部１６の前記接触部材１８は、ばね２０により常時軸受ケース５１側に付勢されており、その先端部は軸受ケース５１を貫通して前記ロッド保持スリーブ５３の前記検出面５３ｂに常時当接するように構成されている。なお、接触部材１８は軸受ケース５１、ブラケット部材１７にそれぞれ樹脂製のブッシュ２１，２２を介して案内される構造になっており、この樹脂製のブッシュ２１，２２により、ブラケット部材１７、軸受ケース５１を伝播される振動等が吸収され、これが接触部材１８に伝達されないようになっている。また、接触部材１８の先端面は球面形状に加工してあり、検出面５３ｂとの接触面積を小さくして、ここでの摩擦音の発生を抑えるように構成されている。
【００２０】
前記センサ１９は、制御ユニット２３に接続されている。この制御ユニット２３は、図１に示すように、センサ１９が接続される増幅部２３ａと、これら増幅部２３ａからの信号を処理する演算処理部の一例であるマイコン２３ｂと、各種データを記憶するための記憶部２３ｃと、前記マイコン２３ｂに打撃開始信号および打撃終了信号等の各種指令信号を入力可能な入力部２３ｄと、マイコン２３ｂからの指令を受けて情報を表示する表示部２３ｅと、パソコン（図示せず）等の外部演算処理ユニットとのデータの授受を行う入出力インターフェイス２３ｆとを備えている。なお、この制御ユニット２３は、前記チャック駆動用モータ６、昇降用モータ１１、パウダブレーキ１２の各駆動制御部も有するが、これらについては図示を省略してある。
【００２１】
試験データを得ながら貫入ロッド７を地中に貫入していく貫入試験中、スクリューポイント７２が強固に締まった土層、れき、岩盤等に突き当たると、貫入ロッド７はそれ以上貫入できなくなる。この場合、チャック駆動用モータ６の駆動を一旦停止するとともに、制御ユニット２３の入力部２３ｄから打撃開始信号を入力し、打撃データの収集モードにする。この打撃データの収集モードにおいては、昇降用モータ１１がスプロケット９に回転伝達がされない方向に駆動して一方向クラッチ１０の空転作用を生じさせる。これにより、続く打撃作業により貫入ロッド７が貫入した場合、これに昇降台４を追従させてスプロケット９に回転を生じさせ、打撃に伴う貫入量を計測することが可能になる。
【００２２】
打撃データの収集モードにした後、ロッド部７１の上部おねじ部７１ａに打撃キャップ（図示せず）を嵌合し、これをハンマ等で打撃して、貫入ロッド７の貫入が試みられる。この打撃による衝撃信号は、チャック５を通じてセンサ１９によって検出され、増幅部２３ａで増幅された後、ディジタル変換されてマイコン２３ｂに取り込まれる。
【００２３】
１回の打撃でマイコン２３ｂに取り込まれる衝撃信号の波形は、図４に示すように、一定時間で区切って抽出できるものである。マイコン２３ｂは、この衝撃信号の入力を受け、打撃回数を１加算する処理を行うとともに、衝撃信号のピーク値（最大値）から打撃力を割り出す。こうして、打撃による衝撃信号が入力される度に、打撃回数が加算されるとともに打撃力が求められる。この打撃回数と打撃力とは、試験データ（打撃に伴う貫入量を含む）と関連付けて打撃作業毎に記憶部２３ｃに準備されたデータベーステーブルに記憶される。また、表示部２３ｅには、当該打撃作業における打撃力の合計値、打撃回数および当該打撃に伴う貫入量がそれぞれ表示される。
【００２４】
なお、打撃の強さは打撃毎に異なるため、増幅部２３ａのゲインを超える電圧レベルの衝撃信号がマイコン２３ｂに入力されることもある。この場合、増幅部２３ａのゲインで飽和した衝撃信号がマイコン２３ｂで処理されることになるが、このような衝撃信号が入力された場合、マイコン２３ｂは近似値演算を行い、例えば衝撃信号の波形の傾きからピーク値を導く。
【００２５】
打撃により貫入ロッド７が貫入する場合は、入力部２３ｄから打撃終了信号を入力して打撃データの収集モードを終了させた後、再度パウダブレーキ１２、昇降用モータ１１、チャック駆動用モータ６が各駆動制御されて貫入試験が続行される。また、打撃を行っても貫入ロッド７が貫入しない場合には、入力部２３ｄから打撃終了信号を入力して打撃データの収集モードを終了させた後、貫入試験が中止される。何れにせよ、記憶部２３ｃに記憶され、また表示部２３ｅに表示される打撃回数、打撃力および打撃に伴う貫入量から、どの程度の打撃が行われた結果、どの程度貫入ロッド７が貫入したかを正確に把握することができる。このため、打撃結果の客観的評価が可能になる。また打撃作業中には、表示部２３ｅに表示される打撃回数と打撃力の合計値とを確認できることから、例えば、予め打撃回数と打撃力の目標値を定めておき、この目標値を基準に打撃を行うといったような、打撃作業の標準化を図ることも可能になる。
【００２６】
貫入試験終了後、作業者は制御ユニット２３の入出力インターフェイス２３ｆにパソコンを接続し、記憶部２３ｃに記憶された試験データ、打撃データ等をパソコンに取り込むことができる。そして、これらに基づき、試験を行ったポイントにおける地層構成を判定することが可能になる。
【００２７】
以上の説明においては、衝撃信号から打撃力と打撃回数を求めるようにしたが、予め設定した閾値を超える衝撃信号が入力された場合は打撃があったと判断し、打撃データとして打撃の有無、打撃回数等を求めるようにしてもよい。
【００２８】
図５は、本発明の他の実施の形態を示したものである。この自動貫入試験機１″の制御ユニット２４は、ゲインの異なる３つの増幅部２４ａ，２４ｂ，２４ｃを並列に接続し、これらをマイコン２４ｄに接続する構成になっている。また、この制御ユニット２４にも記憶部２４ｅ、入力部２４ｆ、表示部２４ｇ、および入出力インターフェイス２４ｈが設けられており、前述の制御ユニット２３同様に作用する。
【００２９】
この自動貫入試験機１″において、センサ１９で検出された衝撃信号は、各増幅部２４ａ〜２４ｃでほぼ同時に増幅され、マイコン２４ｄに取り込まれる。各増幅部２４ａ〜２４ｃのゲインは、大・中・小の関係にあり、マイコン２４ｄは、各増幅部２４ａ〜２４ｃで増幅された衝撃信号の中から最適なゲインで増幅された衝撃信号を採用する。例えば、貫入ロッド７が比較的強く打撃された場合は、図６（ａ）に示すように、小レベル・中レベルの各ゲインで増幅された衝撃信号は飽和する。このため、飽和していない大レベルのゲインで増幅された衝撃信号が採用される。また、図６（ｂ）に示すように、小レベルのゲインで増幅された衝撃信号にのみ飽和が起こっている場合は、中レベルのゲインで増幅された衝撃信号が採用される。つまり、マイコン２４ｄは小レベルのゲインで増幅された衝撃信号、中レベルのゲインで増幅された衝撃信号、大レベルのゲインで増幅された衝撃信号の順にスキャンし、飽和していないゲインの衝撃信号を採用する。そして、前述のマイコン２３ｂ同様に打撃回数を加算するとともに、採用した衝撃信号のピーク値と、その衝撃信号が増幅されたゲインとに応じて打撃力を割り出す。このように、複数の異なるゲインで増幅された衝撃信号の中から最適なゲインで増幅された衝撃信号を採用すると、打撃の強さが変化しても常にディジタル変換時の情報落ち、丸め誤差等が少ない衝撃信号を得ることができ、極めて正確な打撃力の割り出し、打撃回数の検出が可能になる。
【００３０】
万一、打撃力が非常に強く、増幅部２４ｃ（大レベルのゲイン）で増幅された衝撃信号でも飽和している場合には、マイコン２４ｄは、前述のように近似値演算により増幅部２４ｃで増幅された衝撃信号からピーク値を導き、これから打撃力を求める。
【００３１】
以上の各実施形態の説明では、打撃データとして打撃回数と打撃力とを得るようにしたが、打撃データとして打撃回数のみ、あるいは打撃力のみを得るようにしてもよい。また、センサ１９と増幅部２３ａとの間に対数回路（図示せず）を設け、衝撃信号（電圧値）の対数を取り、これを増幅部２３ａで増幅した後、マイコン２３ｂで演算処理するようにしてもよい。このように対数回路を用いて衝撃信号を対数化することにより、衝撃信号のレベルの差（打撃力の大きさの違い）が小さくなり、増幅部２３ａでの飽和が起きなくなる。よって、上記他の実施の形態で紹介したような、複数の異なるゲインの増幅部を設ける必要もなくなる。さらに、センサ１９は打撃キャップ等、打撃による衝撃を検出できる他の部位に設けてもよく、このようにすることによっても同様の効果が得られる。また、検出手段としては、振動検出用の前記センサ１９以外に、集音マイク、歪みゲージ等を用いることが可能である。さらに前述の各実施形態においては、衝撃信号のピーク値から打撃力を求めたが、衝撃信号の波形から面積を求め、この面積から打撃力を割り出す等、衝撃信号の特徴量に基づいて打撃力等の打撃データを得るようにしてもよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、打撃作業時に打撃力、打撃回数等の打撃データを自動的に取得することが可能になる。よって、人為的なミスによる打撃データの収集ミスを防止することができ、打撃データを正確に得ることが可能になる。また、打撃回数のカウントのほかに打撃力を割り出すこともできるため、どの程度の打撃が行われたかを確認することが可能になり、打撃作業の結果に対する客観的な比較評価が可能になる等の利点もある。さらに、複数の異なるゲインの増幅部で衝撃信号を増幅し、これらの内から最適なゲインで増幅された衝撃信号を使って打撃データを求めるようになっているため、高精度の打撃データを得ることができる等の利点もある。また、打撃回数、打撃力および貫入量を正確に計測することができるため、打撃作業における換算Ｎ値を求めて土質判定の指標にすることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自動貫入試験機の全体説明図である。
【図２】本発明に係る自動貫入試験機の要部拡大断面図である。
【図３】本発明に係る自動貫入試験機の要部拡大断面図である。
【図４】貫入ロッドを打撃した時の衝撃信号の一例を示す説明図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の自動貫入試験機の全体説明図である。
【図６】本発明の他の実施の形態の自動貫入試験機における衝撃信号の増幅状態を示す説明図である。
【図７】従来の自動貫入試験機の正面図である。
【図８】図７のＡ−Ａ線に係る要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１  自動貫入試験機
２  錘
３  支柱
４  昇降台
５  チャック
５２  回転スリーブ
５３  ロッド保持スリーブ
６  チャック駆動用モータ
７  貫入ロッド
７１  ロッド部
７２  スクリューポイント
７３  係止溝
８  チェーン部材
９  スプロケット
１０  一方向クラッチ
１１  昇降用モータ
１２  パウダブレーキ
１３  一方向クラッチ
１４  スプロケット
１５  無端チェーン
１６  衝撃検出部
１８  接触部材
１９  センサ
２３  制御ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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