(57)【要約】  【課題】基礎杭に対して特別な加工や大掛かりな装置を配置する必要がなく、高精度に基礎杭の支持力測定を可能とする。  【解決手段】加速度計３，３を取り付けたハンマー２と、前記加速度計３，３からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置４とからなる測定装置１を用い、前記ハンマー２の衝突初速度を変化させた各ケースにて基礎杭の頭部に打撃を与え、前記加速度計３，３により計測された加速度に基づく解析処理により、基礎杭５の支持力を求める。解析処理は、基礎杭５の静的抵抗力Ｆsと、ハンマー２が基礎杭５に衝突する際の初速度Ｖ０との関係を、ハンマー２の衝突初速度を変化させた各ケースについて整理し、前記基礎杭５の静的抵抗力Ｆsと初速度Ｖ０との比例関係が変化する遷移点若しくはその近傍値をもって基礎杭５の支持力とする。【選択図】  図３
2005024498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度計を取り付けたハンマーと、前記加速度計からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置とからなる測定装置を用い、前記ハンマーの衝突初速度を変化させた各ケースにて基礎杭の頭部に打撃を与え、前記加速度計により計測された加速度に基づく解析処理により、基礎杭の支持力を求めることを特徴とする基礎杭の支持力測定方法。
【請求項２】
前記解析処理は、前記加速度計によって計測された加速度にハンマー質量を乗じて得られる打撃力波形と、前記加速度を時間積分して得られる速度波形とを得て、
前記打撃力波形に対して地盤と基礎杭との動的摩擦効果による動的抵抗成分の補正を行うことにより基礎杭の静的抵抗力を求め、
前記基礎杭の静的抵抗力と、ハンマーが基礎杭に衝突する際の初速度との関係を、ハンマーの衝突初速度を変化させた各ケースについて整理し、前記基礎杭の静的抵抗力と初速度との比例関係が変化する遷移点若しくはその近傍値をもって基礎杭の支持力とする請求項１記載の基礎杭の支持力測定方法。
【請求項３】
加速度計を取り付けたハンマーと、前記加速度計からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理が可能な演算処理装置とからなることを特徴とする請求項１、２いずれかに記載の基礎杭の支持力測定方法のための測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基礎杭の支持力を簡易かつ高精度に測定可能な基礎杭の支持力測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
基礎杭の支持力を測定する方法としては、下記特許文献１に記載される静的載荷試験法、動的載荷試験法（衝撃載荷試験法ともいわれる）、急速載荷試験法および先端載荷試験法等が知られている。
【０００３】
このうち、前記静的載荷試験法は、図４に示されるように、試験対象の基礎杭３１の周囲に反力杭３２を打設して、この反力杭３２による載荷フレームを組んだ上でジャッキ３３により前記基礎杭３１の支持力を測定する方法であり、前記動的載荷試験法は、図５に示されるように、基礎杭４１の頭部に緩衝ブロック４２を設置し、その上方よりハンマー４３を落下させ、このハンマー４３の衝撃時加速度に基づいて前記基礎杭３１の波動解析を行うことにより支持力を推定評価する方法である。
【０００４】
また、急速載荷試験法は、図６に示されるように、反力体５２を火薬により爆発させ、その反力を基礎杭５１の頭部に０．２秒程載荷し、頭部の変位をレーザ（図示せず）により計測するとともに、載荷荷重をロードセル５３により計測して、この計測データに基づいて一次元波動理論により前記基礎杭５１の支持力を推定評価する方法である。さらに、図示はしないが、先端載荷試験法は、予め基礎杭の先端にジャッキを埋設しておき、この基礎杭先端部の支持力を測定する方法である。
【特許文献１】特開平１０−１５３４９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した各種試験法の中で、静的載荷試験法が最も精度の高い方法であるが、載荷荷重を確保するための反力装置、載荷装置などの大掛かりな載荷装置が必要となるとともに、試験に時間と費用を要する問題があった。
【０００６】
同様に、前記先端載荷試験法も、基礎杭先端にジャッキと計測装置とを埋め込む必要があり、時間や費用が高く付くようになる。また、急速載荷試験法は、火薬を爆発させる必要があることから、都市部では振動や騒音を伴い適用し難い上、支持力を解析により推定評価するものであるため、精度が十分でないなどの問題があった。
【０００７】
一方、前記動的載荷試験法は、これら３種類の方法に比して簡便かつ低コストで実施可能な方法であるが、急速載荷試験法同様に波動解析が必要で精度が不十分になる問題があるとともに、基礎杭の頭部に力および速度を測定するセンサーを取り付けなければならず、ある程度の手間を要さざるを得なかった。
【０００８】
そこで本発明の主たる課題は、基礎杭に対して特別な加工や大掛かりな装置を配置する必要がなく、高精度に基礎杭の支持力測定が可能な測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、加速度計を取り付けたハンマーと、前記加速度計からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置とからなる測定装置を用い、前記ハンマーの衝突初速度を変化させた各ケースにて基礎杭の頭部に打撃を与え、前記加速度計により計測された加速度に基づく解析処理により、基礎杭の支持力を求めることを特徴とする基礎杭の支持力測定方法が提供される。
【００１０】
上記請求項１記載の発明においては、加速度計を取り付けたハンマーと、前記加速度計からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置とからなる測定装置を用いるようにし、基礎杭に対して特別な加工や大掛かりな装置を配置する必要がないため、基礎杭の支持力を簡単に測定することが可能となる。
【００１１】
請求項２に係る本発明として、前記解析処理は、前記加速度計によって計測された加速度にハンマー質量を乗じて得られる打撃力波形と、前記加速度を時間積分して得られる速度波形とを得て、
前記打撃力波形に対して地盤と基礎杭との動的摩擦効果による動的抵抗成分の補正を行うことにより基礎杭の静的抵抗力を求め、
前記基礎杭の静的抵抗力と、ハンマーが基礎杭に衝突する際の初速度との関係を、ハンマーの衝突初速度を変化させた各ケースについて整理し、前記基礎杭の静的抵抗力と初速度との比例関係が変化する遷移点若しくはその近傍値をもって基礎杭の支持力とする請求項１記載の基礎杭の支持力測定方法が提供される。
【００１２】
請求項３に係る本発明として、加速度計を取り付けたハンマーと、前記加速度計からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理が可能な演算処理装置とからなることを特徴とする請求項１、２いずれかに記載の基礎杭の支持力測定方法のための測定装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
以上詳説のとおり本発明によれば、基礎杭に対して特別な加工や大掛かりな装置を配置する必要がなく、高精度に基礎杭の支持力測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔装置構成〕
【００１５】
基礎杭の支持力測定装置１は、図１に示されるように、加速度計３、３を取り付けたハンマー２と、前記加速度計３、３からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置４とからなる測定装置であり、前記ハンマー２を種々の高さから落下させることにより、前記ハンマーの衝突初速度を変化させた各ケースにて基礎杭５の頭部に打撃を与え、前記加速度計３、３により計測された加速度に基づいた解析処理により、基礎杭の支持力を求めるものである。
【００１６】
前記加速度計３、３は１個配置とすることでもよいが、基礎杭の打撃時にハンマーの回転による雑音信号を除去するために、対向する面にそれぞれ計２個取り付けるのが望ましい。なお、符号６は各加速度計３、３からの配線を集合するための配線中継具である。
【００１７】
前記解析処理は、具体的には、下記の手順により行われる。
(1)前記加速度計３、３によって計測された加速度にハンマー質量を乗じて得られる打撃力波形と、前記加速度を時間積分して得られる速度波形とを得る。
(2)前記打撃力波形に対して地盤と基礎杭５との動的摩擦効果による動的抵抗成分の補正を行うことにより基礎杭５の静的抵抗力を求める。
(3)前記基礎杭５の静的抵抗力と初速度との関係を、ハンマー２の衝突初速度を変化させた各ケースについて整理し、前記基礎杭５の静的抵抗力と初速度との比例関係が変化する遷移点若しくはその近傍値をもって基礎杭の支持力（降伏支持力）とする。
【００１８】
以下、さらに具体的に本発明の解析原理について詳述する。
前記ハンマー２によって基礎杭５を打撃した時の運動方程式は、下式(1)の連立微分方程式で表される。
【００１９】
【数１】
2005024498.tif 000003
ここで、ｍはハンマーの質量、ｘはハンマーの変位、ｋはクッションのバネ係数、Ｚは杭の機械インピーダンス、またｙは杭の変位である。
【００２０】
上式(1)の内、ハンマー２の加速度は測定できる量、質量は既知である。すなわち、式(1)中のｋ（ｘ−ｙ）は測定する必要もなく、ハンマーの加速度が測定されれば決定可能ということになる。
【００２１】
次いで、Ｚ・（ｄｙ／ｄｔ）は杭に作用する打撃力を示しており、これが−ｋ（ｘ−ｙ）と等しいことは、力の作用する方向が違っているものの、絶対値はｍ・ｄ２ｘ／ｄｔ２）と等しいことを意味している。すなわち、ハンマー２の質量とハンマー２の加速度が得られれば、基礎杭５に作用する打撃力は、ハンマー２の質量とハンマー２の加速度との積に等しいということになる。これまでは、杭頭部での打撃力は、杭頭部に取り付けたひずみゲージなどで測定していたが、ハンマーの加速度を測定することによって杭に作用した力が測定できることになる。
【００２２】
図２に実際に測定した打撃力波形例を示す。図中、打撃力が立ち上がった最初のステップ部(図中、「ハンマー落下時の打撃力」と表記)は、ハンマー２が基礎杭５と衝突したことによって発生した最初の打撃力であり、この部分には、基礎杭５に作用する地盤の貫入抵抗（杭が地盤に貫入しようとする時に作用する地盤からの抵抗力、すなわち杭の支持力）はない。つまり、杭頭に発生した打撃力は、まさに杭中に出発したばかりだからである。
【００２３】
次いで、図中「杭の反力との合成力」と表記している部分であるが、３個のピーク状の波形が見られる。この時間では、杭頭に発生した打撃力が杭を１往復して再び杭頭に到達しており、ハンマー２から基礎杭５に伝達される打撃力と、基礎杭５が地盤から受けた反力、すなわち貫入抵抗が合成されたものである。３個の明瞭なピークが見られるのは、例示波形の場合には波動が基礎杭５中を少なくとも３往復する時間の間、ハンマー２から杭への打撃力が作用したからに他ならない。ピークの値が低減しているのは、ハンマー２の持つ打撃力が低減していること、また、ハンマー２及び基礎杭５の速度が低減し、基礎杭５の速度に比例する抵抗力、すなわち地盤と杭の間の粘性による抵抗力が減少するからである。
【００２４】
以上の観点から、ハンマー２に取り付けた加速度計３，３によって得られる加速度にハンマー質量を乗じて得られる打撃力Ｆ(t)に対して、下式(2)に示すように、地盤と基礎杭５との動的摩擦効果による動的抵抗成分cＺＶ(t)の補正を行うと、基礎杭５の静的な支持力Ｆs(t)が得られることになる。
【００２５】
【数２】
2005024498.tif 000004
ここで、ｃは比例係数、Ｚは基礎杭５の機械インピーダンス、Ｖ(t)は基礎杭５の運動速度である。
【００２６】
前記比例計数ｃは例えば、図２において「杭の反力との合成力」としている時刻と、別の時刻のＦs(t)の値がほぼ等しくなる条件の比例係数として推定することも可能であるが、実用的には地盤性状毎の比例計数をデータベース化しておき、経験値として与えるようにするのがよい。仮に、砂地盤であれば比例係数ｃは０．２程度、粘土地盤であれば比例係数ｃは０．３〜０．４程度である。
【００２７】
一方、前記基礎杭５の運動速度Ｖ(t)は、ハンマー２で測定した加速度を時間積分して求めることができる。但し、図２に加速度を時間積分して得られた速度波形を示すが、これは基礎杭５に作用する減速加速度を積分したものであり、実際の基礎杭５の速度Ｖ(t)は下式(3)となる。
【００２８】
【数３】
2005024498.tif 000005
ここで、Ｖmaxはハンマーで測定した加速度を時間積分して速度とした時の最大値、Ｖｍ(t)はハンマー２で測定した加速度を時間積分して求めた速度（図２の速度波形）である。
【００２９】
以上より、上式(2)により静的抵抗力Ｆs(t)を計算し、その最大値Ｆs(max)をその条件での地盤の静的抵抗力Ｆsとする。
〔基礎杭の支持力算定〕
【００３０】
ハンマー２に取り付けた加速度計３，３によって杭に作用する動的な抵抗力、及び地盤と基礎杭との動的摩擦効果による動的抵抗成分の補正を行うことにより基礎杭の静的抵抗力を求めることはできるが、杭の支持力測定では、降伏点あるいは極限抵抗の決定がなされなければならない。
【００３１】
ところで、ハンマー２の衝突初速度Ｖ０と、基礎杭５に発生する打撃力Ｆの間には比例関係があり、下式(4)が成立する。
【００３２】
【数４】
2005024498.tif 000006
ここで、Ｆは打撃力、Ｖ０はハンマーが杭と衝突する時の初速度、ｍはハンマー２の質量、ｋはクッションのバネ係数、φは任意の関数（三角関数又は双曲線関数等）である。
【００３３】
上式(4)において、基礎杭５が打撃力Ｆに対して十分に抵抗できる範囲では、発生する打撃力Ｆは、ハンマー２の初速度Ｖ０に比例する。そして、打撃力Ｆを徐々に上げていき、基礎杭５が降伏して所定の打撃力Ｆに耐えられなくなると、結果的に発生する力（力は、作用・反作用の釣り合いで生じる）は、ハンマーの速度との比例関係に変化が起こるようになる。
【００３４】
従って、図３に示すように、前記ハンマーの衝突初速度を変化させた複数回の打撃試験によって、横軸にハンマーの初速度Ｖ０を取り、基礎杭５の静的抵抗力Ｆs(max)を横軸に取り、この各打撃試験の結果をグラフ上にプロットする。ハンマーの速度が小さい範囲では、ハンマーの初速度は静的抵抗力に比例する。この範囲は、杭の支持力の範囲内であることを示している。
【００３５】
これに対して、ハンマー２の初速度Ｖ０を徐々に大きくするとハンマーの初速度Ｖ０と基礎杭５の静的抵抗力Ｆsとの比例関係に変化が表れ傾きが小さくなる。その遷移点が降伏支持力（杭の支持力）である。
【００３６】
ハンマー２が基礎杭５と衝突する時の初速度Ｖ０は、ハンマー２の落下高さをコントロールすることによって可能である。具体的にはハンマー２の落下高さを例えば０．１mから順次上げて行き、落下高さを変えた各ケースにおいて、その打撃での初速度Ｖ０と、計算された静的抵抗力Ｆsとを求めてグラフ上にプロットする。降伏点（遷移点）を超えたかどうかの判定を行う方法としては、例えば、測定されたデータセットを対象として、ハンマーの衝突初速度を独立変数（説明変数）、静的抵抗力を従属変数（被説明変数）とする線形回帰式を算出し、その従属変数側の切片（Ｙ軸値）が測定された静的抵抗力Ｆsの最大値の５％以上となった時点で降伏点を通過した可能性があると判断することができる。
【００３７】
すなわち、図３中に測定データの回帰式を示しているが、降伏点を超えた測定データが多くなるほど、回帰式の勾配（傾き）は徐々に小さくなるため、切片が静的抵抗力Ｆsの最大値の５％以上となった時点を以て、試験を終了し、グラフから基礎杭５の支持力（静的抵抗力）を決定するようにすればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、新設した基礎杭または既設の基礎杭の健全度測定などに好適に使用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明に係る支持力測定装置１の構成図である。
【図２】加速度計３によって測定された打撃波形例図である。
【図３】ハンマー初速度Ｖ０と静的抵抗力Ｆｓ(t)との相関図である。
【図４】従来の静的載荷試験法を示す図である。
【図５】従来の動的載荷試験法を示す図である。
【図６】従来の急速載荷試験法を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…支持力測定装置、２…ハンマー、３…加速度計、４…演算処理装置、５…基礎杭
【図１】
2005024498.tif 000007
【図２】
2005024498.tif 000008
【図３】
2005024498.tif 000009
【図４】
2005024498.tif 000010
【図５】
2005024498.tif 000011
【図６】
2005024498.tif 000012