(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫入ロッドに荷重を負荷するとともに必要に応じて回転を付加して地中に貫入する過程で試験データを得る貫入試験機であって、
貫入ロッド貫入時に貫入ロッドに作用する回転トルクを貫入ロッドの等価半径で除した値を等価摩擦抵抗力とするとともに、貫入ロッドの貫入速度と回転速度の比から貫入ロッド貫入時に土の抵抗に応じて貫入ロッドに作用する等価摩擦抵抗力の作用方向を求め、これらから等価摩擦抵抗力のスラスト方向分力を求める制御ユニットを備えていることを特徴とする貫入試験機。
【請求項２】
貫入ロッドは継ぎ足し可能なロッド部を有し、制御ユニットは前記ロッド部の総重量を求め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】
制御ユニットは、貫入ロッドの貫入を一旦停止してから所定時間経過後に貫入ロッドを回転させて回転トルクを計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の貫入試験機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土地の地耐力を調査する貫入試験を行うための貫入試験機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、建造物の建築予定地等の地耐力を調査するためには、貫入試験機が使用されている。この貫入試験機は、特開平８−２９２１４１号公報、特開平９−１１１７４５号公報等によって公知のものであるので、その細部にわたる説明は省略するが、大略、次のような構成で成る。
【０００３】
図４及び図５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、継ぎ足し可能に構成された棒状のロッド部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。
【０００４】
前記載荷台４の後部には、スプロケット８が回転可能に設けられている。このスプロケット８は、支柱３に配置されたチェーン部材３ａに常時噛合しており、このスプロケット８がチェーン部材３ａに沿って回転することで載荷台４が昇降するように構成されている。また、スプロケット８は、パウダブレーキ９の作動により制動されるようになっており、これにより載荷台４の下降にブレーキがかけられるように構成されている。
【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貫入試験を自動で行う。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、この荷重によって貫入ロッド７が地中に貫入されるとともに、１ＫＮの荷重のみで貫入ロッドが貫入しない場合は、貫入ロッド７に回転が付与され、回転貫入が行われる。なお、前述の荷重は、スプロケットがパウダブレーキによって制動されることで、載荷台４の下降にブレーキがかけられることにより調整される。
【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、貫入条件の変更が行われる。この貫入条件が変更された時と、貫入ロッド７が２５０ｍｍ貫入する毎とに、制御ユニットにより試験データが取得される。
【０００７】
試験データは、前回試験データを取得した位置からの貫入ロッド７の貫入量、その間の貫入ロッド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）及びその間の荷重値で成る。地盤が固ければ、半回転数が多くなるため、この半回転数により貫入深さ毎の地盤強度を知り、その土地の地耐力を調べることができる。
【０００８】
なお、荷重変更の原理、試験方法の詳細等、貫入試験機１′の詳細については、前掲の特開平８−２９２１４１号公報、特開平９−１１１７４５号公報、日本工業規格Ａ１２２１等を参照されたい。ちなみに、特開平８−２９２１４１号公報、特開平９−１１１７４５号公報の貫入試験機では、貫入ロッドに負荷される荷重が最大１００ｋｇｆとなっているが、その後の日本工業規格Ａ１２２１の改訂により、貫入ロッドに負荷する荷重は最大１ＫＮになっている。よって、上記従来例は、この最新の荷重値を採用した形式で説明してある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
スウェーデン式サウンディング試験及びこれに準じた貫入試験のように、貫入ロッド７に荷重をかけて回転貫入する貫入試験においては、貫入ロッド７を地中に貫入すると、図６に示すように、貫入ロッド７には土の抗力ｎによる周面摩擦が働くため、この周面摩擦によって貫入ロッド７先端のスクリューポイント７ｂ等に作用する荷重が減じられてしまい、スクリューポイント７ｂ等に適正な荷重を負荷できなくなる。しかも、この周面摩擦は、貫入ロッド７の貫入量が増すほど大きくなるため、深い所ほどスクリューポイント７ｂ等に負荷される荷重が実際よりも少なくなってしまう。従って、貫入量が増すほど、実際よりも半回転数が多くなってしまい、地盤強度が高いと判定されてしまう等の問題が発生している。
【００１０】
【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、貫入ロッドに荷重を負荷するとともに必要に応じて回転を付加して地中に貫入する過程で試験データを得る貫入試験機であって、貫入ロッド貫入時に貫入ロッドに作用する回転トルクを貫入ロッドの等価半径で除した値を等価摩擦抵抗力とするとともに、貫入ロッドの貫入速度と回転速度の比から貫入ロッド貫入時に土の抵抗に応じて貫入ロッドに作用する等価摩擦抵抗力の作用方向を求め、これらから等価摩擦抵抗力のスラスト方向分力を求める制御ユニットを備えていることを特徴とするものである。
【００１１】
前記貫入ロッドは継ぎ足し可能なロッド部を有し、制御ユニットは前記ロッド部の総重量を求めるものであることが望ましい。また、前記制御ユニットは、貫入ロッドの貫入を一旦停止してから所定時間経過後に貫入ロッドを回転させて回転トルクを計測するものであることが望ましい。
【００１２】
【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、上記従来の技術で紹介した試験機１′の構成に加え、貫入ロッド７に作用する周面摩擦による損失を補正する構成を有している。ここでは、上記試験機１′と同じ構成については説明を省略し、周面摩擦による損失を補正する構成を中心に説明を行う。
【００１３】
本貫入試験機１の制御ユニット１０は、試験機全体の制御を行う制御部１１と、貫入ロッド７の貫入速度ｖｓ及び回転移動速度ｖｒを検出可能な速度検出部１２と、モータ６の負荷電流値を検出する電流検出部１３と、この電流検出部１３によって検出された負荷電流値に対する貫入ロッド７の回転トルクを格納したトルクテーブル及び正規の半回転数を格納した半回転数テーブル等が予め登録された記憶部１４と、各種情報を表示する表示部１５と、貫入試験実施に必要な各種パラメータ及び命令信号等の各種制御情報を手動入力可能な操作部１６とを備えている。
【００１４】
前記速度検出部１２は、スプロケット８の歯の回転移動速度から貫入ロッドの貫入速度ｖｓを取得するとともに、モータ６の出力軸の回転速度から貫入ロッド７のロッド部７ａ周面の回転移動速度ｖｒを取得するように構成されている。また、前記記憶部１４に登録された半回転数テーブルは、図２に示すように、載荷台４の装備重量により貫入ロッド７に負荷される荷重が１ＫＮである時に試験データとして取得される半回転数に対する、１ＫＮを超える各荷重での相関的な半回転数データａ１１〜ａｉｊと１ＫＮ未満の各荷重での相関的な半回転数データｂ１１〜ｂｉｊとを保持している。
【００１５】
これらの半回転数データは、土の抵抗、ロッド部７ａの重量等によりスクリューポイント７ｂに実際に負荷されている荷重が１ＫＮ以外になっている場合に、正しく１ＫＮの荷重が負荷されていると仮定した時の半回転数を表している。よって、ａ１１〜ａｉｊは、対応する荷重１ＫＮでの半回転数よりも多い値となり、ｂ１１〜ｂｉｊは、対応する荷重１ＫＮでの半回転数よりも少ない値となる。
【００１６】
上記貫入試験機１は、従来同様に貫入試験を行い、貫入条件が変更された時と、貫入ロッドが２５０ｍｍ貫入する毎とに、その間の貫入量、半回転数、荷重値で成る試験データを取得する。ただし、回転貫入中は、試験データの取得と同時に、その間の貫入ロッド７の平均貫入速度ｖｓと平均回転移動速度ｖｒとが速度検出部１２によって取得されるとともに、貫入ロッド７の地表からの総貫入量に基づいてロッド部７ａの継ぎ足し本数が制御部１１によって取得される。
【００１７】
また、速度検出部１２による速度取得の直後、パウダブレーキ９の作動により載荷台４の下降を一時停止させて（載荷台４の装備重量による荷重を０にして）貫入ロッド７の貫入を一旦停止し、それから所定時間経過後、モータ６の負荷電流値が電流検出部１３によって検出される。これら貫入速度ｖｓ、回転移動速度ｖｒ及び負荷電流値は制御部１１に送られ、制御部１１は、トルクテーブルから負荷電流値に対応する回転トルクＴを取得する。また、これと同時に制御部１１は、ロッド部７ａの継ぎ足し本数と予め登録されているロッド部７ａの１本当たりの重量とから継ぎ足されたロッド部７ａの総重量を取得する。
【００１８】
載荷台４が停止した瞬間には、スクリューポイント７ｂと土との食い付きが増すことがあり、これによってモータ６の負荷電流値が一時的に増加することがある。しかしながら、前述のように載荷台４を一時停止して所定時間経過後にモータ６の負荷電流値を検出するようにすると、そのような過大な負荷電流値を検出することなく、平準化された回転トルクに対応する負荷電流値を検出することができる。つまり、スクリューポイント７ｂにかかる回転抵抗をできるだけ減らし、ロッド部７ａに作用している周面摩擦による回転トルクＴを得ることができるのである。
【００１９】
前述の貫入ロッド７の回転トルクＴは、図３（ａ）に示すように、等価摩擦抵抗力Ｆ０（土の等価抗力Ｎと摩擦係数μとの積）にロッド部７ａの等価半径ｒを乗じた値にほぼ等しい。この等価摩擦抵抗力Ｆ０は、貫入ロッド７が回転貫入されている時には、図３（ｂ）に示すように、作用点の移動方向に向く等価摩擦抵抗力Ｆ（｜Ｆ｜＝｜Ｆ０｜）として作用するため、この等価摩擦抵抗力Ｆのスラスト方向分力（以下、荷重抵抗力Ｐ１という）がスクリューポイント７ｂに負荷される荷重を減じる要素、すなわち荷重の損失値として作用する。この荷重抵抗力Ｐ１は、数１に示す数式によって求めることができる。この数１からも明らかなように、本発明の実施の形態では、貫入速度ｖｓ、回転移動速度ｖｒ及び回転トルクＴが荷重の損失値を求めるための損失値演算基礎データとなっている。
【００２０】
【数１】
0003898867.tif 000002
【００２１】
前記等価摩擦抵抗力及び等価抗力は、貫入ロッド７の周面各部に作用している摩擦抵抗力又は土の抗力が一点に集中したとみなした力を指し、また、等価半径は、貫入ロッド７の撓み箇所、変形箇所等を考慮して、これらを一定とみなした半径を指す。なお、ロッド部７ａが横断面六角形状等の非円形断面のものである場合にも、これを円形とみなした等価半径を用いれば、数１に示す数式により荷重抵抗力Ｐ１を求めることができる。
【００２２】
また、スクリューポイント７ｂには、載荷台４の装備重量に基づく荷重Ｐ０（＝１ＫＮ）に加え、ロッド部７ａの継ぎ足し本数に応じた重量が追加荷重Ｐ２として負荷される。このため、スクリューポイント７ｂに実際に負荷されている正味荷重Ｐｒは数２によって求めることができる。
【００２３】
【数２】
0003898867.tif 000003
【００２４】
制御部１１は、数１の数式から荷重抵抗力Ｐ１を求めるとともに、数２の数式から正味荷重Ｐｒを求める。続いて、制御部１１は、正味荷重Ｐｒと試験データ中の半回転数とを照合して半回転数テーブルから正規の半回転数を取得し、これを試験データ中の半回転数と置き換える。そして、制御部１１は、この正規の半回転数を含む試験データ及び、この試験データに対応する回転トルクＴ、貫入速度ｖｓ、回転移動速度ｖｒ及び追加荷重Ｐ２を記憶部１４に設けられた試験データ記憶領域に書き込む。
【００２５】
本貫入試験機１は、回転貫入時に取得される半回転数を前述のようにして補正しつつ、所望の深度まで貫入ロッド７を貫入し、試験データ、損失値演算基礎データ及び追加荷重Ｐ２を取得する。この試験データ等から貫入深さ毎の地盤強度を知ることができ、その土地の地耐力を知ることができる。
【００２６】
なお、以上の説明では、正確な回転トルクＴを求めるため、試験データ取得毎に載荷台４を一時停止させる（荷重を０（ゼロ）にする）動作を行っているが、荷重はそのままにモータ６の負荷電流値を取得し、それから回転トルクＴを求めてもよい。また、回転トルクＴは、既知のトルクセンサを用いて検出してもよい。さらに、貫入速度ｖｓ及び回転移動速度ｖｒとしては、試験データ取得時の瞬間的な速度を検出してもよい。
【００２７】
また、荷重の損失に合わせて、半回転数テーブルから正規の半回転数を取得するようにしているが、荷重の損失分を追加するようにしてもよい。具体的には、予め２ＫＮの荷重が負荷できる装備重量に載荷台４を構成するとともに、パウダブレーキを倍の制動力を発揮できるものに変更し、１ＫＮより大きい荷重を負荷できるように構成すればよい。このように荷重の損失分を追加するようにしても、得られる効果は同じである。
【００２８】
さらに、制御ユニットで正味荷重Ｐｒを求め、これに応じて半回転数の補正を行っているが、制御ユニットに損失値演算基礎データ及びロッド部の継ぎ足し本数を試験データとともに記憶していき、後でこれをパーソナルコンピュータ等の別の処理装置に読み込んで正味荷重Ｐｒを求め、試験データの半回転数を正規の半回転数に補正するようにしても得られる効果は同じである。
【００２９】
また、前述のような試験データ又は荷重の補正を全く行わずに貫入試験を行う場合、正味荷重Ｐｒが１ＫＮよりも大きくなるポイント、つまり、追加荷重Ｐ２が荷重抵抗力Ｐ１よりも大きくなるポイントでは、半回転数が正規の半回転数よりも少なくなるため、そのポイントは実際よりも地盤強度が弱いと判断される。このような判断が下されると、そのポイントには、地盤改良工事等で十分な補強措置が施されるため、試験結果は実際と異なっていても安全性は逆に高まることになる。このことに鑑みて、前述の試験データ又は荷重の補正にあたっては、１ＫＮに満たない正味荷重Ｐｒが求められた時にのみ半回転数を補正するようにしてもよい。また、追加荷重Ｐ２を無視し、荷重Ｐ０から荷重抵抗力Ｐ１を減じた正味荷重Ｐｒ（この場合、Ｐｒ＝Ｐ０−Ｐ１，Ｐｒ≦１ＫＮ）に応じて半回転数を補正するようにしても、地盤強度が実際よりも高いと判定されてしまうという課題を解決することはできる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の貫入試験機によれば、荷重の損失、ロッドの重量等を求めることによりスクリューポイントに負荷されている正確な荷重を求めることができ、これに応じて試験データを補正し、正確な地盤強度を知ることができる等の利点がある。この結果、深い位置においても正確な試験データを得ることが可能になり、大規模なシステムによる地盤調査を実施せずとも、今まで以上に深い位置まで正確に調査を行うことが可能になる等の利点がある。
【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】半回転数テーブルの概略を示す説明図である。
【図３】貫入ロッドに作用する等価摩擦抵抗力等を表す説明図である。
【図４】従来の貫入試験機の説明図である。
【図５】図３のＡ−Ａ線に係る要部拡大一部切欠断面図である。
【図６】貫入ロッドを地中に貫入した時の状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１  貫入試験機
４  載荷台
５  チャック
６  モータ
７  貫入ロッド
７ａ  ロッド部
７ｂ  スクリューポイント
８  スプロケット
９  パウダブレーキ
１０  制御ユニット
１１  制御部
１２  速度検出部
１３  電流検出部
１４  記憶部
【図１】
0003898867.tif 000004
【図２】
0003898867.tif 000005
【図３】
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【図４】
0003898867.tif 000007
【図５】
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【図６】
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