(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テストすべき地盤アンカー張力部材あるいはその要素に負荷インパルスを離れたところから与えることを可能にするシステムであって、
機械的エネルギを効率的に伝達するために、前記張力部材あるいはその要素に対して固定可能な衝撃受け部材と、
前記衝撃受け部材に協働し、前記張力部材あるいはその要素を囲み、それらに対する軸方向の相対移動に対して拘束された管状部材と、
前記管状部材に同軸的に配置され、前記管状部材に沿って摺動可能であり、離間した初期位置から前記衝撃受け部材に向かって案内された環状ウェイトと、
前記ウェイトに特定の駆動力を与えて前記初期位置から移動させ、かつ前記衝撃受け部材に衝突して前記負荷インパルスを発生させて、前記張力部材あるいはその要素に作用的に伝達させる、前記張力部材あるいはその要素から離れて作動可能なパワー手段と、
前記張力部材あるいはその要素の前記負荷インパルスに対する振動レスポンスを検出し、かつ前記レスポンスを示す電気信号を発生させるためのセンサ手段と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記パワー手段は、前記環状ウェイトが前記管状部材に沿って駆動されるための駆動力の大きさを変えるために作用する請求項１のシステム。
【請求項３】
前記パワー手段は、前記環状ウェイトが前記管状部材に沿って駆動される距離を変えるために作用する請求項１または２のシステム。
【請求項４】
前記管状部材に同軸的な相対的に大きい管状部材をさらに備え、前記環状ウェイトが前記相対的に大きい管状部材の内径と実質的に同じ外径を有する請求項１〜３のシステム。
【請求項５】
前記パワー手段が、水圧または空気源に接続するためのバルブを備える請求項１〜４のシステム。
【請求項６】
前記パワー手段が電力源に接続するためのスイッチを備える請求項１〜４のシステム。
【発明の詳細な説明】
本発明は地盤アンカーテストシステムに関する。特に、本発明は地盤アンカーに対して負荷インパルスを与えるシステム、およびこのような負荷インパルスを与えた後の振動レスポンスを処理するシステムに関する。
公知の地盤アンカーがトンネル、坑道、擁壁、乾ドック、ダム等の構造物の支持に使用されている。アンカーの張力部材の主要なものは、剛性金属ロッドタイプと撚り線金属ワイヤ束タイプの２種に大別される。アンカー張力部材を地中に固定する際には、まずボーリングにより地中に孔を穿つ。次に、アンカー張力部材をボーリング孔に挿入し、その地表から離間した所定長の部分を、樹脂、セメントモルタル等により地盤に固定する。アンカー張力部材のその他の部分も、その後地盤に固定されてもよい。さらにアンカー張力部材には、地盤に対する張力装置が装着され、これによってアンカーには、適度の大きさまでポストテンションが与えられる。張力装置は、張力部材が剛性金属ロッドタイプか撚り線金属ワイヤ束タイプかによって適宜変更すべきである。
いくつかの理由により、アンカーのポストテンションは、時間の経過とともに変化させてもよい。例えば、地盤の緩やかな変位、地震による地盤の急激な変位、アンカーの劣化、固着力の低下、その他である。このポストテンションの変化（一般的には低下）は、当該構造物の支持を局部的に低下させ、多くのアンカーに影響が及んだときには、ついには良好な支持状態が失われる。従って、地盤アンカーの良好な状態が維持されているか否かを評価する必要がある。
国際公開第９５／２７８３１号公報には、地盤アンカーの種々の固定方法に加えて、地盤アンカーに欠陥が存在しないことを評価する方法が開示されている。ロッドタイプのアンカーの端面にインパルスプレートが固定され、好ましくは、このインパルスプレートには、アンカーに負荷インパルスを与えるインパルス伝達装置が設けられる。インパルス伝達装置はバネの張力に抗しつつ手動によりウェイトを駆動し、そこでウェイトをロックし、さらに手動によりウェイトを開放する。このときバネのエネルギによってウエイトが駆動されてインパルスプレートに衝突し、アンカー張力部材に振動を生じさせる。ここで生じる振動レスポンスは、アンカー寿命の中の以前の状態における、アンカー固定個所からの基準レスポンスと比較され、アンカーの状態の変化が判定される。
しかし、地盤アンカーのテストは、作業し易い場所や近づき安い場所では行われないということが認識されるであろう。従って、インパルス伝達装置の手動操作は困難かつやっかいなものであり、多大の作業時間を要する。さらにこの公知のインパルス伝達装置は、撚り線金属ワイヤ束タイプのアンカー張力部材には適用できない。事実、耐震性を特に考慮したより長尺の地盤アンカーが必要なことがあるが、たとえば１０ｍあるいはそれ以上の地盤アンカーをテストする場合、公知の装置ではアンカー張力部材を充分に振動させることができず、所要の振動レスポンスを発生し得ないことが判明した。このためより大きな負荷インパルスを与える必要がある。しかし、印加される負荷インパルスはアンカー張力部材を充分に振動させるような適正値である必要があるが、負荷インパルスがアンカーに潜在的損傷を与えるほど過大とならないよう注意しなければならない。
従って、インパルス伝達装置は使用法が単純であり、種々の用途に適用できるように多様な大きさの負荷インパルスを生成でき、撚り線金属ワイヤ束タイプのアンカーの負荷インパルス生成に使用し得るものであることが必要である。
地盤アンカーが良好であることを評価するための前記方法は、地盤アンカーの評価のために、振動レスポンスを基準振動レスポンスと単純に比較する。地盤アンカーを、次の張力の変化の程度という尺度で、より明確な評価が可能ならば有益である。特に、例えば１０％以内の正確な変化評価が得られれば有効である。国際公開第９５／２７８３１号公報の地盤アンカーの良好さの評価方法はこのような用途には適用できない。
さらに、アンカーが長くなると、精度が著しく低下し、従って、短いアンカーのための技術は甚だしく有効性が低下する。特に、長い地盤アンカーでは、アンカー張力部材の振動レスポンスを識別することが次第に困難になる。従って、長いアンカー張力部材の振動レスポンスの識別性能の改良を要する。
本発明の目的は、より長尺の地盤アンカーに好適な負荷レスポンスを伝達し得るインパルス伝達装置を備えた、地盤アンカーテスト装置であって、取扱い性が良好であるとともに、伝達負荷インパルスの大きさを容易に変化させ得る地盤アンカーテスト装置を提供することにある。
また本発明の目的は、アンカー張力部材振動レスポンスの評価分解能が充分改良され、特により長尺の地盤アンカーに関して、評価分解能を改良した地盤アンカーの良好性の評価方法を提供することにある。
本発明の第１の特徴によると、地盤アンカーテスト装置は、地盤アンカー張力部材あるいはテストすべき部材に接続可能なインパルス伝達装置を有し、このインパルス伝達装置は、
地盤アンカーに装着するためのアタッチメントと、
可動ウエイトと、
テストされる地盤アンカーの軸の略延長線上に沿った方向に可動ウエイトを案内するガイドと、
可動ウエイトを前記方向に移動させる駆動力を伝達する駆動手段と、
を備える。
好適な実施例においては、駆動力は可変である。
好ましくは、駆動力は流体によって供給される。
一実施例において、流体は加圧空気である。
好ましくは、ガイドは、テストされるアンカー張力部材を包囲する内側シリンダと、これと同軸の外側シリンダとを備え、可動ウエイトは、外側シリンダ内径と略等しい外径と、内側シリンダ外径と略等しい中心孔径の環状ウエイトである。
本発明の第２の特徴によれば、地盤アンカーの良好性評価方法が提供され、その評価方法は、
（ａ）テストされる地盤アンカー張力部材に負荷インパルスを伝達するステップと、
（ｂ）伝達された負荷インパルスに対する、アンカーの振動レスポンス信号を監視するステップと、
（ｃ）振動レスポンス信号を調整するステップと、
（ｄ）調整された振動レスポンス信号を人工ニューラルネットワークに適用するステップと、
を備える。
好ましくは、ステップ（ｃ）は主成分分析、ウェーブレット変換、およびより高次の周波数解析の１つあるいは複数の手法を用いた統計解析を含む。
好ましくは、本発明に係る方法はさらに、調整されたレスポンス信号の特徴を示す、人工ニューラルネットワークの出力を保持するステップ（ｅ）を備える。
好ましくは、ステップ（ａ）〜（ｅ）は複数の異なる張力を地盤アンカーに与えて、繰り返し実行され、ステップ（ｅ）で保持された出力を定量的に特徴づける。
他の好ましい実施例では、人工ニューラルネットワークは調整された入力振動レスポンス信号と測定された特徴とが比較される。
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。添付図面において、
図１は本発明を具現化する地盤アンカー良好性テストシステムの概要を示す。
図２は本発明を具現化するインパルス伝達装置を示す。
図３は張力を与えない状態の撚り線金属ワイヤ束タイプのアンカーにおける典型的な加速度計レスポンス信号を示す。
所望の支持力を発揮するために、地盤アンカーを使用し、このアンカーの張力Ｔを、対象構造物の支持に好適な所定値Ｔmaxまで高める。その後、Ｔ（ｔ）の値を時間の関数とし、Ｔmaxから変化させる。本発明の地盤アンカー良好性テストシステムは、Ｔ（ｔ）の値のＴmaxからの偏差に基づく評価を可能にする。
図１を参照すると、ボーリング孔３が表面５から岩盤４に穿孔される。３０ｍの長さの地盤アンカー張力部材２がボーリング孔に挿入される。次に、セメントモルタルが注入され、アンカー張力部材２の所定長端部１を岩盤４に固着する。アンカー張力部材２の残りの部分と岩盤との隙間には、公知の方法でモルタルを充填してもよい。岩盤表面５において、アンカーにはアンカー張力装置６が設けられる。アンカー張力部材の上方には、アンカー張力部材が装着されたインパルスプレート８に対して負荷インパルスを伝達するインパルス伝達装置７が設けられている。インパルスプレート８はインパルス伝達装置の一部としてもよい。インパルスプレートには加速度計９が装着され、アンカーの振動レスポンスを検出する。なお加速度計９は地盤アンカー自体に直接装着してもよい。
加速度計の出力は解析ユニット１５の入力に接続されている。この入力に入力された信号はデータ取得ステージ１０に接続され、このステージは統計解析ステージ１１に接続されている。統計解析ステージ１１の出力は、メモリ１３にアクセス可能な、人工ニューラルネットワーク１２に接続されている。解析ユニット１５はマイクロプロセッサ１７によって制御され、ディスプレイ１６および、キーボード１４等の入力装置１４に接続されている。
図１のシステムの動作は以下のとおりである。ボーリング孔３が穿孔され、アンカー張力部材２が設置固定セットされる。次に張力装置およびインパルス伝達装置７が、インパルスプレート８とともにアンカー張力部材２に装着される。さらにアンカー張力部材にＴmaxの１０％の張力が与えられる。この時点で、マイクロプロセッサ１７は負荷伝達装置７を作動して適性な負荷を衝撃プレート８に与え、有効な振動レスポンスを生じさせる。マイクロプロセッサ１７はデータ取得ステージ１０を制御し、所定のトリガポイントが生じたときに、加速度計９からの振動信号を取得する。トリガポイントが生じたときは、入力信号はサンプリングされ、ノイズおよび不要な信号属性を除去するためにフィルタにかけられる。
データ取得ステージの出力はディスプレィ１６において時間軸および周波数空間について表示される。これによってユーザはユニットで識別するのに好適なデータを選択し得る。
さらにデータ取得ステージ１０の出力は、一連の演算、統計プロセッサを用いた統計解析ステージ１１で処理される。この前処理では、いくつかの手法、例えば主成分分析、ウエーブレット変換、およびより高次の周波数解析が用いられる。この信号前処理により、振動レスポンス信号の特徴に関連した詳細情報を最大限抽出し、不要な情報およびノイズを最小化する。従って、後続の人工ニューラルネットワークにおける、振動レスポンス信号のクラス分けの動作をはるかに精密なものとすることができる。
統計ステージ１１の出力は次に人工ニューラルネットワークに接続される。本実施例の人工ニューラルネットワークは多層パーセプトロンであり、バックプロパゲーションと呼ばれる監視付き学習アルゴリズムを用いる。これにより、他の手段では定義不能な、線形分離不能の複雑な関係の入力をクラス分けできる。クラス分けおよび信号に関する情報はメモリ１３に格納される。
マイクロプロセッサ１７はインパルス伝達装置７を制御して２０個のパルス列が、引っ張り荷重を受けたアンカーに与えられる。最適な振動レスポンス信号が選択され、ニューラルネットワークによって処理されて、その地点のアンカーについてＴmaxの１０％にクラス分けされる。
次に、アンカーの張力はさらにＴmaxの１０％だけ増やされ、２０個の負荷パルスが繰り返しかけられる。張力がＴmaxの８０％に達したとき、負荷パルスの印加の前に、張力増加はＴmaxの２％に減らされる。最終的に張力はＴmaxになり、アンカーは適正に構造物を支持する。張力増加を２％から変更することも可能である。
従って、人工ニューラルネットワークは、対象となるアンカーおよび張力に基づいてクラス分けされた信号を含む。パルス印加は同一地点の同一のアンカーについて多数実行され、振動レスポンス信号のクラス分けがより正確になるような学習を行う。
本発明のシステムによるクラス分けによってサンプルを抽出すると、クラス分けは改善され、その後の地盤アンカーの性能変化をより正確に検出し得る。
例えば６カ月の期間の経過後、プレテンションが与えられた状態のアンカーに対して以上のシステムが再度使用される。２０個の負荷パルス列のアンカーへの印加が繰り返され、その地点のそのアンカーについてクラス分けされ、人工ニューラルネットワークに設けられたメモリ１３に格納された振動レスポンス信号との比較によって、テストされたアンカーの張力が最適地Ｔmaxから変化したか否か判定し得る。前記プリプロセスステップの適用により、テスト対象の地盤アンカーの状態判定は、従来方法よりはるかに優れたものとなり、特に、例えば１０ｍ以上の地盤アンカーに有効である。
以上のように、アンカーのプレテンションのクラス分け、評価を行うためには、地盤アンカー張力部材に対し負荷パルスＩを印加する必要がある。しかし、負荷インパルスＩはＴmaxの２０％以下にする点が重要である。さもないとアンカーに欠陥が生じる可能性がある。インパルスＩはＴmaxの５％〜２０％が好適であることが見出されている。しかし対象アンカーのためのIの値はＴmaxに応じて変化するであろう。従って、負荷インパルス伝達装置が印加する負荷インパルスＩの値を容易に変化させ得ることは重要である。さらに、前述のように、振動レスポンス信号のより正確なクラス分けを可能とするためには、２０個の負荷インパルスをアンカーに印加し、対応する個数の信号を得る必要がある。さらに、１０ｍを越える長尺アンカーのためには、アンカーに印加する負荷インパルスは有効な振動レスポンスが得られる程度に大きくなければならない。最後に、負荷インパルス伝達装置は、撚り線金属ワイヤ束におけるワイヤ自体に負荷インパルスを印加するべきである。
プリテンションの増加により、張力の振動レスポンス信号の制振効果が高められることが見出されている。プリテンションレベルの範囲において、最初の６個のピークの正の制振エンベロープを比較すれば、レスポンス信号の減衰率がプリテンションとともに増加することが明らかである。これによって種々のプリテンションレベルを識別することが可能である。さらに、レスポンス信号の高速フーリエ変換によって、プリテンションに応じて周波数の主成分が変化することが示される。
図２は本発明を具現化するインパルス伝達装置を示し、この装置は撚り線金属ワイヤ束タイプ地盤アンカーのワイヤに、負荷インパルスを伝達し得る。この装置は剛性金属ロッドタイプのアンカーに容易に適用可能である。すなわち、ねじ部を有するアタッチメントを装置に装着し、このアタッチメントによって装置をアンカー張力部材に螺合する。
図２を参照すると、装置は外側シリンダ２８を有し、この外側シリンダ２８には、一端に第１円形エンドプレート２５、他端に第２円形エンドプレート３３が設けられている。外側シリンダ２８は装置の中心軸Ｏを設定し、第１、第２円形エンドプレート２５、３３の対向面に形成された円形溝（図示せず）によってその位置決めを行う。中空の内側シリンダ３４がこの中心軸に沿って延在し、第１、第２円形エンドプレートの対向面にさらに形成された円形溝２７、３５それぞれによって所定位置に保持されている。この実施例では、内側シリンダ３４の内径はテストすべきアンカーの張力部材２０の直径に対応している。内側シリンダの外径は、内側シリンダに沿って摺動する環状ウエイト３１の中央孔の直径に略対応している。環状ウエイト３１の外径は、外側シリンダ２８の内径に略対応している。従って、環状ウエイトは内側シリンダによって案内されて摺動し得るとともに、内側シリンダ、外側シリンダ両者に対して気密シールが略形成される。
第１エンドプレート２５にはアンカーアタッチメント２２が形成されている。本実施例では、このアタッチメントは第１プレートに一体形成された筒状であり、プレート表面から突出している。図示するように、筒状アタッチメントは中心軸上に、第１エンドプレート表面から離間するに従って内径が広がる孔を有する。第１エンドプレートの中心には、アンカー張力部材２０が挿通される開口３７が穿設され、筒状アタッチメントの孔は開口に連なっている。第１エンドプレートには、装置軸の周囲に複数の貫通孔２６が穿設され、排気口とされている。
第２エンドプレート３３も、アンカー張力部材２０が挿通される開口３６が中央に形成されている。第２エンドプレートには、装置軸の周囲に複数の貫通孔３２が穿設され、給気口とされている。
また第１、第２エンドプレートは外側シリンダの内径を越えて半径方向に張り出し、その位置に複数の周縁貫通孔３８が設けられている。両端にねじ部が形成された一連のロッド２９が、両エンドプレートの貫通孔３８に挿通されている。各ロッドの両端ねじ部にはナット２４が螺合され、このナットの締め付けによって、両エンドプレートが所定位置に締め付け固定されている。ロッドの周囲には外側スリーブ３０が嵌装されている。
使用時には、テストすべき撚り線金属ワイヤ束タイプアンカーのワイヤ上に装置を取り付ける。次に、軸方向内側に向かう面に凹凸が形成されたテーパウエッジ２３の組が、アンカー張力部材アタッチメント２２に挿入される。テーパウエッジ２３は、アンカー張力部材アタッチメント２２の外周面のねじに螺合するねじ付カラー２１によって、第１エンドプレート２５に押しつけられる。これによって、装置は撚り線金属ワイヤ束タイプアンカーのワイヤを把持し、装置はアンカーと協働して負荷インパルスをアンカーに印加する。
給気口には、切替バルブ（図示せず）を介して、マイクロプロセッサ１７で制御される圧縮空気源が接続されている。負荷インパルスをアンカーに与えると、マイクロプロセッサは切替バルブを制御して圧縮空気を給気口から導入する。圧縮空気は、ウエイトを第２エンドプレート近傍から第１エンドプレートに向かって高速移動させ、第１エンドプレートに衝突させる。このときウエイトは内側シリンダによって案内される。外側シリンダ内に既に存在した空気は排気口から排出される。
環状ウエイト３１の第１エンドプレートへの衝突は負荷インパルスの力を生じさせ、この力は、地中の固着個所から離れた位置でアンカー張力部材に機能的に伝達される。次にウエイトは第１エンドプレートではね返る可能性があるが、ウエイトの第２プレートへの衝突を防止するためには、環状ウエイト３１と第２エンドプレート３５の間に圧縮ばね（図示せず）を配置し、はね返ったウエイトを静止させる。このばねを除去すれば、ストローク長を容易に変更し得る。
衝突力の最大値は以下の式で見積ることができる。
0003875729.tif 000002
ここに、ｍは摺動ウエイトの質量、１はストローク長、Ｐは導入される空気圧、Ａは環状ウエイトの軸に対して垂直な面積、Frictionはウエイトに対する乾燥摩擦、Δｔは衝突時間である。
図３は、張力がない状態の撚り線金属ワイヤ束タイプアンカーの典型的な加速度計レスポンス信号を示す。このとき装置に適用されたパラメータは以下のとおりである。
ｍ＝２ kg
ｌ＝１４０ mm
Ｐ＝２ Bar
Ａ＝５×１０-3 ｍ2
Δｔ＝０．１ ms
このようなウエイトを動作させれば、少なくとも１０ｍ〜３０ｍの範囲のアンカーからの好適な振動レスポンスを得るのに充分な、負荷パルスをアンカーに印加し得る。さらに負荷パルスの大きさは、Ｐの値を制御することで容易に変更し得るので、装置の用途はきわめて広い。またｍの値を変えることによっても性能を変更し得る。アンカー張力部材の直径は変化し、これにともなって内側シリンダ、アンカーアタッチメント、ウエイトが変化するので、ｍおよびＡの値は変化する傾向にあることは理解されるであろう。
有利なことに、装置は容易に分解でき、異なる寸法の内側シリンダ、異なる質量のウエイト、他のアンカーアタッチメント（例えば、ねじ部を有する剛性金属ロッドタイプアンカーのためのアンカータッチメント２２）を使用でき、またストロークを変更し得る。
さらに、駆動力によってウエイトを駆動することにより、装置を設置した後に、離れた場所から装置を操作し得る。従来に比較して、アンカーの測定およびテストのために複数の負荷パルスを印加することが著しく容易である。また本発明のアンカーアタッチメントを使用すれば、撚り線金属ワイヤ束タイプアンカーのワイヤに負荷パルスを印加することに装置を適用し得る。
本発明は種々の形態をとることができ、当業者にとってその複数の詳細な実施例は自明であることはいうまでもない。例えば、負荷インパルス伝達装置でウエイトの駆動に液体を使用し、さらには電力を使用することは容易に発明し得る。
【図１】
0003875729.tif 000003
【図２】
0003875729.tif 000004
【図３】
0003875729.tif 000005