(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
調査目的地にて複数の振動センサを有する微動観測装置により地盤の微動探査を行い、その分散特性から参考速度モデルを初期値にして逆解析により地盤速度構造を推定する方法であり、
前記調査目的地周辺の複数の地盤データから複数の理論卓越周期を算出し、前記調査目的地にて計測した観測卓越周期と前記複数の理論卓越周期とを比較して最も近似している理論卓越周期を有する地盤データを選択し、この選択された地盤データを参考速度モデルとして逆解析を行い、前記調査目的地の地盤速度構造を推定することを特徴とする地盤速度構造の推定方法。
【請求項２】
前記観測卓越周期及び理論卓越周期の範囲は、０．１秒から１秒の範囲であることを特徴とする請求項１記載の地盤速度構造の推定方法。
【請求項３】
調査目的地にて微動探査を行なう複数の振動センサと、該複数の振動センサが接続された解析装置と、該解析装置に入力する入力装置と、前記解析装置に接続された出力装置と、前記解析装置に接続された地盤データベースとを備え、
前記解析装置は、前記振動センサからの微動データから観測分散特性を算出する分散特性算出手段と、前記入力装置により入力された複数の地点における前記地盤データベースの地盤データからそれぞれの地点における複数の理論卓越周期を算出する卓越周期算出手段と、前記調査目的地の観測卓越周期を計測する計測手段と、逆解析により地盤の速度構造を算出して前記出力装置へ出力する速度構造算出手段とを有し、
前記複数の理論卓越周期と前記調査目的地の観測卓越周期とを比較し、最も近似している理論卓越周期を有する地盤データを選択して前記速度構造算出手段へ参考速度モデルとして入力し、前記速度構造算出手段において前記参考速度モデルを初期値にして逆解析を行い前記調査目的地の地盤速度構造を算出することを特徴とする地盤速度構造の推定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レイリー波の分散特性から地盤の速度構造を求める逆解析法（インバージョン法）を用いて、調査目的地の地盤の速度構造を推定する方法および推定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地下構造を調査する方法としては、ボーリング孔を用いる方法や、反射法のような地震探査法が知られている。また、これらの方法に加えて、最近ではレイリー波、ラブ波等の表面波を利用する方法が提案され、この方法では、比較的深層部を調査する場合には常時微動を用い、宅地等の浅層部を調査する場合には起震機等を用いてその上下成分であるレイリー波を観測し、周波数−波数スペクトル法や空間自己相関法により周波数と位相速度との関係（以下、観測分散特性という）を得て、地下の地盤速度構造から計算される理論上の周波数と位相速度との関係（以下、理論分散特性という）と、前記の観測分散特性とを比較して地盤モデルの修正を繰り返すことにより、地下の地盤速度構造を推定するインバージョン法が用いられることが多い。
【０００３】
インバージョン法には最小２乗法がよく用いられるが、最近では遺伝アルゴリズムを用いる方法が知られている。このインバージョン法に用いられるパラメータは、Ｐ波速度、Ｓ波速度、密度、層厚の４種類があるが、理論分散特性に大きく影響を与えるのはＳ波速度と層厚であるので、この２種類をパラメータとして計算させることが一般的である。
【０００４】
また、インバージョン法では観測分散特性と理論分散特性を比較する必要があり、その一例が「物理探査」第５０巻、第２号（１９９７）９３−１０６頁の「短周期微動のアレイ観測による盛岡市域の地価速度構造の推定」に記載されている。この従来例では、非線形最小２乗法により地下の地盤速度構造を推定しており、インバージョン法の初期モデル（初期地下速度構造モデル）を設定する場合に、観測分散特性に基づいて表層のＳ波速度の概略と下層の速度のおおよその範囲を推定した上で、既存の地図等から試行錯誤で設定している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、物理探査学会第９5回学術講演会論文集（１９９６）７６−８０頁の「平滑化制約付き非線形最小２乗法によるラブ波位相速度のインバージョン」にも記載されているように、非線形最小２乗法を用いるインバージョン法は、方程式が悪循環になり、解の安定性と一意性の問題が発生する。したがって前記した従来の方法では、初期モデル（初期地下速度構造モデル）を試行錯誤で設定するので、観測分散特性と理論分散特性が略一致して得られる解が必ずしも正しいとは限らず、場合によっては結果を得るまで何回もトライする必要があり、このため多大な時間を要するという問題がある。また、既存の地図等から情報を得るにしても、具体的にどの情報を用いるかは不明であり、特に調査地が複雑な地形内にあるときはどの情報を採用するかが不明確であり、採用した情報により結果が異なることもあった。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、短時間で、正確に地盤の速度構造を推定できる方法を提供することにある。また、前記した方法により短時間で、正確に地盤の速度構造を推定できるシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る地盤速度構造の推定方法は、調査目的地にて複数の振動センサを有する微動観測装置により地盤の微動探査を行い、その分散特性から参考速度モデルを初期値にして逆解析により地盤速度構造を推定する方法であり、前記調査目的地周辺の複数の地盤データから複数の理論卓越周期を算出し、前記調査目的地にて計測した観測卓越周期と前記複数の理論卓越周期とを比較して最も近似している理論卓越周期を有する地盤データを選択し、この選択された地盤データを参考速度モデルとして逆解析を行い、前記調査目的地の地盤速度構造を推定することを特徴とする。この構成によれば、地盤データベースから算出した複数の理論卓越周期のうち、観測卓越周期と最も近似している理論卓越周期を有する地盤データを選んで、この地盤データを初期値として逆解析を行なうため、短時間で正確に地盤の速度構造を推定することができる。
【０００８】
また、本発明に係る地盤速度構造の推定方法の好ましい具体的な態様としては、前記観測卓越周期及び理論卓越周期の範囲は、０．１秒から１秒の範囲であることを特徴としている。この構成によれば、前記の範囲は実際に建築物の耐震設計をする場合に、S波速度で４００ｍ／ｓを越える工学的基盤に相当するため、その範囲で効率的に比較することができ、短時間で正確に地盤速度構造を推定することができる。
【０００９】
本発明に係る地盤速度構造推定システムは、調査目的地にて微動探査を行なう複数の振動センサと、該複数の振動センサが接続された解析装置と、該解析装置に入力する入力装置と、前記解析装置に接続された出力装置と、前記解析装置に接続された地盤データベースとを備え、前記解析装置は、前記振動センサからの微動データから観測分散特性を算出する分散特性算出手段と、前記入力装置により入力された複数の地点における地盤データベースの地盤データからそれぞれの地点における複数の理論卓越周期を算出する卓越周期算出手段と、前記調査目的地の観測卓越周期を計測する計測手段と、逆解析により地盤の速度構造を算出して前記出力装置へ出力する速度構造算出手段とを有し、前記複数の理論卓越周期と前記調査目的地の観測卓越周期とを比較し、最も近似している理論卓越周期を有する地盤データを選択して前記速度構造算出手段へ参考速度モデルとして入力し、前記速度構造算出手段において前記参考速度モデルを初期値にして逆解析を行い、前記調査目的地の地盤速度構造を算出することを特徴としている。この構成によれば、前記した推定方法により、調査目的地の地盤速度構造を短時間に、正確に推定することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る地盤速度構造推定システムの一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明に係る地盤速度構造の推定システムの一実施形態のブロック図、図２は調査目的地Ｐと、周辺の地盤データベースから選定した３地点Ａ、Ｂ、Ｃの位置関係を示す説明図である。図１〜２において、微動観測により地盤振動探査を行なう推定システム１０について説明する。調査目的地Ｐ上において、４個の振動センサ１１〜１４を用意し、これらの振動センサ１１、１２、１３が半径Ｒの円周上の３点に等間隔に設置されると共に、振動センサ１４が円周の中心に設置され、センサアレイ１５を構成している。複数の振動センサは調査対象地盤の常時微動を検出するために配置され、表面波の鉛直成分を同時に検出するものである。センサアレイ１５のサイズは、調査地盤、求めたい深さにより決定されるが、ここでは半径Rを３ｍから５０ｍまでの範囲で適宜に変えて計測する。なお、常時微動とは１Hｚ〜数１０Hｚまでのレイリー波である。
【００１１】
４個の振動センサ１１〜１４により検出された複数箇所の常時微動データは解析装置２０に入力され、解析装置２０にはデータ等を入力する入力装置２１が接続され、解析装置２０からの解析結果を出力する出力装置２２が接続されている。解析装置２０には地盤データベース２３が接続され、地盤データを取り込むことができる。微動観測装置は、複数の振動センサ１１〜１４から構成されるセンサアレイ１５、その出力を解析する解析装置２０、入力装置２１及び出力装置２２から構成される。
【００１２】
解析装置２０は、振動センサ１１〜１４からの微動データよりレイリー波の分散特性を算出する分散特性算出手段３１と、入力装置２１により入力された地盤データベース２３の複数の地盤データから、それぞれの理論卓越周期を算出する卓越周期算出手段３２、調査目的地における観測卓越周期を計測する計測手段３３、逆解析により地盤の速度構造を算出して出力装置２２へ出力する速度構造算出手段３４とを有している。そして、複数の理論卓越周期と調査目的地の観測卓越周期とを比較し、最も近似している理論卓越周期を有する地盤データを選択して入力装置２１により参考速度モデルとして入力し、速度構造算出手段３４により選択された地盤データを初期値として逆解析を行い、調査目的地Ｐの地盤速度構造を算出して推定し、出力装置２２より出力する。なお、卓越周期とは、地盤に特有の周波数特性の内、ピークの周期のことをいう。
【００１３】
振動センサ１１〜１４は、複数個用いて常時微動の表面波の鉛直成分であるレイリー波を同時に検出するものであり、センサアレイ１５の半径Ｒは調査対象の地盤、求めたい深さにより決定される。このとき１つのセンサアレイ１５で得られる分散特性は周波数範囲が狭いため、センサアレイ１５の分散特性を合成して幅広い周波数範囲で分散特性を作成する。実際には、センサアレイ１５の半径を変えて、順次計測を行なう。
【００１４】
解析装置２０は地盤の速度構造を逆解析法（インバージョン法）により算出する前記の速度構造算出手段３４を備え、入力装置２１を介して解析が行われる。この速度構造算出手段３４は、地盤データベース２３などを参考にして初期値のデータベースモデル（参考速度モデル）を決定し、解析装置２０の分散特性算出手段３１にて微動観測により求めた観測分散特性と合致するように参考速度モデルを修正する逆解析を行い、当該地盤の速度構造を算出して推定し、出力装置２２に結果を出力するものである。
【００１５】
図２において、地盤データベース２３から選定した３地点Ａ、Ｂ、Ｃは、調査目的地Ｐの周辺に位置しており、３地点は調査目的地から２００ｍから３００ｍ程度離れて位置しており、これら３地点は例えばボーリング調査により柱状図が得られている。そして、これらの柱状図データは、地盤データベース２３から解析装置２０に入力される。また、調査目的地Ｐに前記したセンサアレイ１５が設置される。
【００１６】
前記の如く構成された本実施形態の地盤速度構造の推定システム１０を使用して、地盤速度構造を推定する方法について以下に説明する。振動センサ１１〜１４により検出された複数箇所の常時微動データは解析装置２０の分散特性算出手段３１により解析され、調査地盤のレイリー波の分散特性が得られる。一つの振動センサから得られる分散特性は周波数範囲が狭いので、複数の振動センサ１１〜１４から得られた複数の分散特性を合成し、幅広い周波数範囲の分散特性を作成する。
【００１７】
地盤データベース２３を用いて、図３に示す調査目的地Pの周辺の３地点Ａ、Ｂ、Ｃを入力装置２１により入力し、３地点の比較的入手しやすいボーリング柱状図を基に、解析装置２０によりＳ波速度を算出する。ここでは、Ｓ波速度の算出式である式（１）に従って、N値、地表面からの深さH、時代係数K1、土質係数K2から換算する。
【００１８】
【数１】
Ｖs＝６８．９×Ｎ0.173×Ｈ0.195×Ｋ1×Ｋ2    （１）
ここで、Vｓ：Ｓ波速度、N：N値、H：地表面からの深さ（ｍ）
K1：時代係数（沖積：1.000、洪積：1.306）
K2：土質係数（粘土：1.000、砂：1.085、礫：1.189）である。
【００１９】
このようにして、Ｓ波速度を算出し、図４に示す地盤速度構造図を求め出力装置２２により出力する。そして、この地盤速度構造から、卓越周期算出手段３２により、Ｓ波の重複反射理論に従って地盤の増幅率（基盤面を１としたときの、地表面での波の振動の大きさ）を各周波数で求め、図５に示す３地点の理論上の卓越周期Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃを算出する。
【００２０】
この重複反射理論は、水平方向に半無限大に広がる複数の水平層からなり基盤層として半無限地盤を有する地盤において、水平変位のみを考え、表層とある１層の振幅の関係を導き出すものであり、全ての層の振幅は計算でき、歪、加速度も変位から求めることができるものである。なお、ここでは理論上の卓越周期を求めているが、３地点Ａ、Ｂ、Ｃにおいて微動計を用いて振動を検出し、フーリエ変換する手順を踏むことによって実測データとしてのパワースペクトルから卓越周期を求めてもよい。
【００２１】
調査目的地Ｐにおいて、地表面で水平方向の常時微動を計測手段３３により計測し、そのパワースペクトルを求めることにより観測卓越周期Ｆｐを計測する。観測卓越周期は、基本的には直交する水平方向（例えば、N−Ｓ、Ｅ−Ｗ方向）で地表面にて振動を計測し、そのスペクトルの相乗平均で得られる。なお、前記した観測卓越周期の計測方法の他に、水平方向と鉛直方向の比のピークを卓越する方法で計測してもよく、水平方向だけを計測してそのパワースペクトルから卓越周期を計測してもよい。このようにして得られた調査目的地Ｐにおける観測卓越周期Fｐを図６に示す。
【００２２】
つぎに、調査目的地Ｐの観測卓越周期Ｆｐと、地盤データベース上の３地点の理論上の卓越周期Ｆａ、Ｆｂ、Ｆｃとを比較し、最も近似しているものを選択し、選択された理論上の卓越周期Ｆｃを有する地盤データを参考速度モデルとして採用する。この参考速度モデルを入力装置２１により入力し、これと前記したレイリー波の分散特性に基づいて、インバージョン法を用いて速度構造算出手段３４により、調査目的地Ｐにおける地盤速度構造を算出して推定し、出力装置２２より出力する。
【００２３】
この場合、微動を計測した調査目的地Ｐと地盤データベース２３の地盤における速度構造は大きく変わらないので、解析装置２０は採用された参考速度モデルに基づいて、インバージョン法の探索範囲を限定して調査目的地Ｐの速度構造を算出して推定する。例えば土質データの各層におけるＳ波速度と層厚を、参考速度モデルの０．５から２倍程度に限定することにより、短時間で正確に地盤の速度構造を推定することができる。
【００２４】
また、堆積等の状況によっては、調査目的地Ｐと地盤データベースの３地点Ａ、Ｂ、Ｃの土質は大きく変わらず、このためＳ波速度は近い値と予想されるが、層厚は大きく変わる可能性もある。この場合は、例えば各層のＳ波速度は参考速度モデルの０．５から２倍程度に限定し、層厚は参考速度モデルの０．３から３倍程度に限定し、層厚の限定範囲をＳ波速度より広くすることにより、短時間で正確に地盤の速度構造を推定することができる。このような判定は、オペレータが調査目的地Ｐと地盤データベースの３地点間の距離、地質状況に応じて総合的に行なう。
【００２５】
よく知られているように地盤構造は地域によって多種多様であり、同一地域内で僅かな距離しか離れていない地点でも、全く異なる構造であることも珍しくない。しかし、ある地盤速度構造が決まれば、伝達しやすい波の周波数が決定されるため、それぞれの地盤特有の周波数特性が定義され、そのピークである卓越周期が存在する。
【００２６】
本発明に係る地盤速度構造の推定方法によれば、調査対象地盤におけるレイリー波の分散特性を求めると共に、調査目的地の近傍の地盤に関する地盤データベースから、卓越周期を基に最適な地盤データを選択してインバージョン法の初期速度構造モデル（参考速度モデル）を求め、これらの調査対象地点におけるレイリー波の分散特性と参考速度モデルに基づいてインバージョン法により調査目的地の地盤速度構造を算出して推定するので、短時間で正確に地盤の速度構造を推定することができる。特に、建築物の耐震設計を行なう場合に、考慮すべきS波速度で４００ｍ／ｓを越える工学的基盤までを調査対象深度とするときには、その卓越周期が０．１秒から１秒の範囲となるため、その範囲で比較することは効率的であり、かつ妥当である。
なお、前記した実施の形態では、調査目的地の周辺のサンプル地を３地点とした例を示したが、これに限られるものでなく、さらに多くのサンプル地から理論卓越周期を算出して比較するようにしてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の地盤速度構造の推定方法によれば、調査目的地から計測した観測卓越周期と、周辺の地盤データベースから算出した複数の理論卓越周期とを比較し、最も近似している理論卓越周期を有する地盤データを選択し、選択された地盤データを参考速度モデルとして逆解析を行なって地盤速度構造を算出して推定するため、地下の地盤速度構造を短時間で、正確に推定することができる。
【００２８】
また、前記した地盤速度構造の測定方法において、卓越周期の範囲は、０．１秒から１秒の範囲にすることにより、地下の地盤速度構造をさらに短時間に、効率よく推定することができる。本発明の地盤速度構造の推定システムによれば、前記した推定方法により、調査目的地の地盤速度構造を短時間に、正確に推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地盤速度構造推定システムの一実施形態のブロック図。
【図２】地盤データベースより選んだ調査目的地周辺の３地点の位置関係を示す平面図。
【図３】図２の３地点の柱状図。
【図４】図２の３地点の地盤速度構造図。
【図５】図２の３地点の理論卓越周期を示す特性図。
【図６】調査目的地の観測卓越周期を示す特性図。
【図７】選択された理論卓越周期の横軸を広い範囲とした特性図。
【符号の説明】
１０  推定システム
１１、１２、１３、１４  振動センサ
１５  センサアレイ
２０  解析装置
２１  入力装置
２２  出力装置
２３  地盤データベース
３１  分散特性算出手段
３２  卓越周期算出手段
３３  計測手段
３４  速度構造算出手段
【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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