(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平もしくは上向きに設けられたボアホール内に挿入してボアホールの孔壁沿いを伝播する波動の速度を測定するための棒状の測定体であって、
前記棒状の測定体には発振子と受振子とがそれぞれ所定の距離をおいて配設され、
前記発振子及び受振子は非圧縮性液体を充填して内部に保持しうる覆体で覆われ、
前記覆体には外部から前記非圧縮性液体を注入する注入口が設けられ、
前記覆体の内側に非圧縮性液体を注入して前記覆体を膨張せしめて、前記覆体を、前記発振子とボアホールの孔壁、及び、前記受振子とボアホールの孔壁に密着させ得るように構成されていることを特徴とする測定体。
【請求項２】
棒状の測定体には、２つの受振子とこれらの受振子を挟んで配設された２つの発振子とがそれぞれ所定の距離をおいて配設されていることを特徴とする請求項１に記載の測定体。
【請求項３】
覆体は、発振子と受振子とを個別に覆う独立した覆体から構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定体。
【請求項４】
覆体は、内側の第１ゴム膜と外側の第２ゴム膜とを備え、前記第１ゴム膜と第２ゴム膜との間に非圧縮性液体を保持するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の測定体。
【請求項５】
水平もしくは上向きに設けられたボアホールに、発振子と受振子とを挿入して、前記発振子と前記受振子とを所定の距離をおいて配設する第１工程と、
前記発振子とボアホールの孔壁との間、及び前記受振子とボアホールの孔壁との間にゴム膜からなる液体保持手段を配設する第２工程と、
第２工程の後に、前記液体保持手段の内側に非圧縮性液体を注入して前記液体保持手段を膨張せしめて、前記液体保持手段を、前記発振子とボアホールの孔壁、及び、前記受振子とボアホールの孔壁に密着させる第３工程と、
第３工程の後に、前記発振子で発生させた振動を、前記液体保持手段の非圧縮性液体を介して孔壁に伝播させ、さらに孔壁から前記液体保持手段の非圧縮性液体を介して受振子に到達させて、受振子への到達時間を計測することによって、孔壁沿いに伝播する波動の速度を測定する第４工程と
を備えていることを特徴とするボアホール内の波動伝播速度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ボアホールを利用して岩盤の力学的性質を調べる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ボアホールを利用して岩盤の力学的性質を調べる技術に、速度検層法がある。この方法では、図８に示したように、ボーリングして設けたボアホール１００内に清水１１０を満たし、その清水中に超音波発振子や火薬等の発振源１２０と、少なくとも２つの受振子１３０，１４０を設置して、前記発振源１２０から発生したＰ波の波動がボアホール１００内の清水１１０を介して孔壁に伝達し、孔壁沿いを伝播して、孔壁から再びボアホール１００内の清水１１０を介して前記各受振子１３０，１４０に到るまでの、Ｐ波の初動の到達時間の差（ｔ２−ｔ１）と、前記各受振子１３０，１４０の間隔Ｌとから、Ｐ波の伝播速度Ｖｐを求める方法である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述したような従来の速度検層法では、ボアホールを水平に設ける場合や上向きに設ける場合には、ボアホール内に清水を充満させることができないために、適用不可能であるという問題があった。
また、下向きのボアホールで清水を満たすことが基本的に可能な条件であっても、ボアホールの孔壁に亀裂が発達して透水性が大きくなっている場合には、清水が岩盤側へ浸透するためにボアホール内の清水の水位を維持することが難しくなり、適用が困難になるという問題があった。
【０００４】
さらに、断層等の存在で岩盤の状態が悪い場合には、ボアホール内の清水によって、孔壁周辺の未固結の土砂や粘土がボアホール内へ流出して孔壁の崩壊が発生するなどの問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、ボアホールを水平に設ける場合や上向きに設ける場合であっても、発振子及び受振子と孔壁との間のＰ波の伝播経路に清水を満たすことを可能にして、速度検層法を適用可能にする技術の提供を目的としてなされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる請求項１の測定体は、水平もしくは上向きに設けられたボアホール内に挿入してボアホールの孔壁沿いを伝播する波動の速度を測定するための棒状の測定体であって、前記棒状の測定体には発振子と受振子とがそれぞれ所定の距離をおいて配設され、前記発振子及び受振子は非圧縮性液体を充填して内部に保持しうる覆体で覆われ、前記覆体には外部から前記非圧縮性液体を注入する注入口が設けられ、前記覆体の内側に非圧縮性液体を注入して前記覆体を膨張せしめて、前記覆体を、前記発振子とボアホールの孔壁、及び、前記受振子とボアホールの孔壁に密着させ得るように構成されている。
【０００７】
請求項２の測定体には、２つの受振子とこれらの受振子を挟んで配設された２つの発振子とがそれぞれ所定の距離をおいて配設されている。
請求項３の測定体の覆体は、それぞれ発振子と受振子とを個別に覆う独立した覆体から構成されている。
請求項４の覆体は、内側の第１ゴム膜と外側の第２ゴム膜とを備え、前記第１ゴム膜と第２ゴム膜との間に非圧縮性液体を保持するように構成されている。
【０００８】
請求項５のボアホール内の波動伝播速度測定方法は、水平もしくは上向きに設けられたボアホールに、発振子と受振子とを挿入して、前記発振子と前記受振子とを所定の距離をおいて配設する第１工程と、前記発振子とボアホールの孔壁との間、及び前記受振子とボアホールの孔壁との間にゴム膜からなる液体保持手段を配設する第２工程と、第２工程の後に、前記液体保持手段の内側に非圧縮性液体を注入して前記液体保持手段を膨張せしめて、前記液体保持手段を、前記発振子とボアホールの孔壁、及び、前記受振子とボアホールの孔壁に密着させる第３工程と、第３工程の後に、前記発振子で発生させた振動を、前記液体保持手段の非圧縮性液体を介して孔壁に伝播させ、さらに孔壁から前記液体保持手段の非圧縮性液体を介して受振子に到達させて、受振子への到達時間を計測することによって、孔壁沿いに伝播する波動の速度を測定する第４工程とを備えている。
【０００９】
なお、前記第１工程と第２工程は同時でもよい。同時でない場合は、ボアホールに発振子と受振子とを挿入した後に、例えばドーナツ状の覆体を適当な位置に挿入して、非圧縮液体を注入すればよい。
また、前記液体保持手段は、前記発振子とボアホールの孔壁との間における液体保持手段と、前記受振子とボアホールの孔壁との間における液体保持手段とは、独立した別個の液体保持手段であってもよい。
【００１０】
なお、基本的には、図７の（ａ）に示したように、１組の発振子と受振子とを備えていればよい。（請求項１）
また、図７の（ｂ）に示したように、２組の発振子と受振子とを備えていればさらによい。（請求項２）
また、図７の（ｃ）に示したように、独立した覆体で発振子と受振子とを覆ってもよい。（請求項３）
さらに、図７の（ｄ）に示したように、発振子と受振子とを２重の構造の覆体で覆ってもよい。（請求項４）
また、図７の（ｅ）に示したように、１組の発振子と受振子とを覆う覆体と、別の１組の発振子と受振子とを覆う覆体とを別に設けてもよい。（請求項３）
また、何れの場合でも、覆体の少なくとも外側（孔壁に接触する側）をゴム膜とすることによって、孔壁の凹凸に応じて変形して密着させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明にかかるボアホール内の波動伝播速度測定体及び測定方法を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
図１において、
１は棒状の測定体であり、
筒状の内ゴム１０の先端と後端はそれぞれプラグ１１ａ，１１ｂで塞がれ、内部には絶縁体のシリコンオイル１２が充填されている。
前記内ゴム１０には環状の超音波発振子２１と、環状の超音波受振子３１，３２と、超音波発振子２２とがそれぞれ所定の間隔をおいて配設されている。
【００１３】
前記シリコンオイル１２内には、それぞれ前記各超音波受振子３１，３２に接続された増幅器４１，４２が配設されている。
各超音波発振子と超音波受振子との間には筒状の中ゴム５１，５２，５３，５４，５５が配設されている。
前記超音波発振子２１，２２は測定体１の軸に垂直な方向への超音波振動を発振するように構成され、前記各超音波受振子３１，３２は前記同様に測定体１の軸に垂直な方向からの超音波振動を検出するように構成されている。
【００１４】
前記各超音波受振子３１，３２において検出された超音波振動は電気エネルギーに変換されて、Ｓ／Ｎ比を改善するために、近接して設けられた増幅器４１，４２によって適正な信号レベルに増幅されて出力される。
【００１５】
６は筒状のゴム膜６ａ，６ｂを２重に重ねた覆体であり、先端と後端とは前記プラグ１１ａ，１１ｂで塞がれている。
７は前記後端のプラグ１１ｂを貫通して設けられた注入口であり、注入ポンプとホース７１で接続するように構成されている。
８はケーブルであり、前記超音波発振子２１，２２への送信ケーブルと前記増幅器４１，４２からの受信ケーブルを含んでいる。
【００１６】
このケーブル８は分析処理装置へ接続されるように構成されている。
【００１７】
なお、前記覆体６は請求項１、３、４の覆体、及び請求項５の液体保持手段に相当する構成であり、特に、外側のゴム膜６ａと内側のゴム膜６ｂとは、それぞれ請求項４の第１ゴム膜と第２ゴム膜に相当するものである。
また、清水は請求項１、４、５の非圧縮性液体に相当するものである。
前記ゴム膜は、孔壁の凹凸に応じて自由に変形するために伸縮性および可撓性のある非透水性の膜体であれば、天然ゴム、合成ゴムに限らず、種々の膜体を使用することが可能であるが、好ましくは、Ｐ波の伝播速度が、内部に注入された非圧縮性液体における速度と近いものが好ましい。
【００１８】
また、清水に代えてシリコンオイル等の液体を使用することも可能であるが、この場合、前記ゴム膜におけるＰ波の伝播速度と近い伝播速度が得られる液体が好ましい。
さらには、液体における伝播速度と孔壁沿いの伝播速度とは差が大きいほうが測定が容易になる。
【００１９】
図４は分析処理装置９と測定体１内の各発振子及び受振子の構成を説明する構成図である。
測定体１の超音波受振子３１，３２はＦＥＴによる増幅器４１，４２によって増幅され、それらの信号Rx1,Rx2 はケーブル８を介して分析処理装置９の入力回路９１へ入力される。
【００２０】
ケーブル８を介して供給される１２Ｖの直流電圧は、昇圧回路によって直流５００Ｖまで昇圧されてコンデンサへ充電されるように構成されている。そして、、サイリスタのゲートへ分析処理装置９からのトリガー信号Trig-1,Trig-2 が入力されると、前記コンデンサの電荷は急激に放電されるので、その放電エネルギーによって超音波発振子２１，２２は励振され、Ｐ波が発生するように構成されている。
【００２１】
分析処理装置９の入力回路９１は、入力された前記信号Rx1,Rx2 をそれぞれ更に増幅し、ローパスフィルターによって周波数の高い不要な成分を除去した後、Ａ／Ｄコンバータによってサンプリングしてデジタル信号に変換してメモリに一旦保存するように構成されている。
ＣＰＵ９３はメモリに保存されたデータを分析して伝播速度の算出処理等を行う。
【００２２】
また、分析処理装置９の出力回路９２は、ＣＰＵ９３の制御によって前記超音波発振子２１，２２をそれぞれ励振するためのトリガー信号Trig-1,Trig-2 を生成してケーブル８を介して測定体１側へ出力する。
そして、前記ＣＰＵ９３には、表示装置、データ保存等のための磁気ディスク装置、プリンタ、キーボード等のデータ入出力装置を備えている。
【００２３】
上記構成の測定体１を用いた速度検層法の実施手順を、図１，２，３を適宜参照しつつ以下に説明する。まず、覆体６に清水が注入されていない状態の棒状の測定体１をケーブル８で分析処理装置９と接続し、水平方向や上向きに設けられたボアホールＢＨの測定対象の深さまで挿入する。
【００２４】
次に、注入ポンプＰを作動させてホース７１を経由した清水を、注入口７から前記覆体６に注入する。
【００２５】
前記覆体６に注入された清水Ｗは、外側のゴム膜６ａと内側のゴム膜６ｂとの間に充満して、外側のゴム膜６ａを孔壁へ向かって膨張させる。
そして、図２，３に示したように、外側のゴム膜６ａは、孔壁に押しつけられて孔壁の凹凸に従って変形する。
従って、発振子２１，２２及び受振子３１，３２と孔壁との間には、覆体６と清水Ｗが介在した状態となる。なお、前記ゴム膜６ａ，６ｂを直接伝わるＰ波の速度はおよそ1500m/s であって、清水Ｗでの速度と殆ど同じであるので、超音波の伝播経路に介在している前記ゴム膜６ａ，６ｂは等価的に清水６に置き換えることができる。
【００２６】
図２，３のように外側のゴム膜６ａを膨張させた状態で、超音波発振子２１を励振させると、発生したＰ波は超音波発振子２１に密着している内側のゴム膜６ｂを通過して清水Ｗに伝わり、清水Ｗから外側のゴム膜６ａを通過して孔壁に伝わる。
そして、孔壁沿いに伝播したＰ波の一部は二つの超音波受振子３１，３２にて検出される。このとき、超音波受振子３１，３２で検出されるＰ波の初動は、それぞれ最短時間で伝播してきた波動であるので、それらの到達時間の差と、それらの間隔から孔壁沿いに伝播するＰ波の伝播速度を算出することができる。
【００２７】
即ち、図５に示したように、超音波受振子３１で受信した波形Ｒ１における初動の検出時間ｔ１と、超音波受振子３２で受信した波形Ｒ２における初動の検出時間ｔ２との時間差（ｔ２−ｔ１）を算出すると、二つの超音波受振子３１，３２の間隔Ｌに基づいて、孔壁沿いに伝播するＰ波の伝播速度Ｖｐを以下の式で算出することができる。
【００２８】
【数１】
0004110227.tif 000002
【００２９】
図５によれば、ｔ１＝96.00 μｓ，ｔ２＝180.50μｓ，Ｌ＝30.00 ｃｍと測定されるので、Ｖｐ＝3550（ｍ／ｓ）と算出される。
なお、清水を横断する時間は、二つの超音波受振子にとって同じであるので、その影響は排除することができる。
【００３０】
なお、図５の波形Ｒ３，Ｒ４は後方の超音波発振子２２で発生させたＰ波を超音波受振子３１，３２で検出した波形である。従って、波形Ｒ３における初動の検出時間ｔ３と波形Ｒ４における初動の検出時間ｔ４と前記間隔Ｌとに基づいて、上記同様に伝播速度Ｖｐ’を以下の式で算出することによって、同一深度における往復方向での伝播速度を算出して、測定結果の信頼性を向上させることができるのである。
【００３１】
【数２】
0004110227.tif 000003
【００３２】
図５によれば、ｔ３＝149.00μｓ，ｔ４＝84.00 μｓ，Ｌ＝30.00 ｃｍと測定されるので、Ｖｐ＝3529（ｍ／ｓ）と算出される。
従って、往復での測定結果は0.6 ％程度の僅差に納まっていることが確認でき、信頼性の高い測定結果であることが明らかである。
なお、図６に、他の岩盤における波形の例を示した。
【００３３】
このようにして求めた伝播速度Ｖｐに基づいて、硬質岩石よりなる岩盤の等級区分と伝播速度との相関関係を参照することによって、ボアホールの測定した深さにおける周囲の岩盤の等級を判定することができるのである。
この相関関係は、地盤工学会等の研究に基づいたものを適宜採用するとよい。
【００３４】
前記測定体１には、超音波発振子２１，２２と超音波受振子３１，３２とが共に配設されているので、発振子と受振子とを別に設置する必要がなく、測定作業が迅速に行える。
また、前記測定体１においては、清水Ｗは覆体６内に保持されているので、ボアホールが下向きに限らず、水平方向でも上向きでも適用できる。
【００３５】
また、前記測定体１には、二つの受振子３１，３２を挟んで二つの発振子２１，２２が配設されているので、往復方向の伝播速度を測定することができ、信頼性の高い測定結果を得ることができる。
また、清水と孔壁との間には外側のゴム膜６ａが介在しているので、ボアホールの孔壁に亀裂が発達して透水性が大きくなっている場合であっても、清水が岩盤側へ浸透して減少することがなく、清水の補給等の作業が不必要となる。
【００３６】
さらに、断層等の存在で岩盤の状態が悪い場合であっても、ボアホール内の清水によって孔壁周辺の未固結の土砂や粘土がボアホール内へ流出することがないので、孔壁の崩壊等の問題が発生しない。従って、孔壁の状態を変化させることがなく、孔壁へ悪影響を与えることなく測定ができる。
【００３７】
【発明の効果】
このようにして、本発明にかかる請求項１の測定体では、棒状の測定体に発振子及び受振子が配設されているとともに、発振子及び受振子と孔壁との間の覆体に清水が保持されるので、水平方向や上向きのボアホールであっても、注入された非圧縮性液体が前記覆体にて保持される。従って、下向きに限らず、水平方向や上向きのボアホールであっても、前記非圧縮性液体を注入して速度検層法が適用可能となった。
【００３８】
そして、本発明にかかる請求項２の測定体では、２つの受振子を挟んで２つの発振子が配設されているので、伝播速度を往復で測定でき、速度検層法の信頼性を向上させることが可能になった。
【００３９】
そして、本発明の請求項３の測定体では、発振子と受振子とは独立した覆体によって個別に覆われているので、発振子と受振子の間の距離を大きくしても非圧縮性液体の量は少なくすることができる。
そして、本発明にかかる請求項４の測定体では、棒状の測定体に発振子及び受振子が配設されているとともに、第１ゴム膜と第２ゴム膜との間に清水が保持されるので、水平方向や上向きのボアホールであっても、注入された非圧縮性液体が覆体にて保持される。従って、下向きに限らず、水平方向や上向きのボアホールであっても、非圧縮性液体を注入して速度検層法が適用可能となった。
【００４０】
そして、本発明の請求項５の測定方法では、水平もしくは上向きに設けられたボアホールに発振子と受振子とを挿入して、ボアホールの孔壁と発振子の間、及びボアホールの孔壁と受振子の間に配設した液体保持手段に、非圧縮性液体を注入することによって、前記液体保持手段を膨張せしめてそれぞれを孔壁に密着させるので、水平方向や上向きのボアホールであっても、注入された前記非圧縮性液体が保持される。従って、水平方向や上向きのボアホールであっても、前記非圧縮性液体を注入して速度検層法が適用可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる測定体の実施の形態の断面図である。
【図２】前記測定体の使用状態を説明する断面図である。
【図３】前記測定体による波動伝播速度の測定を説明する構成図である。
【図４】前記測定体と分析処理装置の構成を説明する構成図である。
【図５】前記測定体による波形の検出例である。
【図６】前記測定体による波形の検出例である。
【図７】測定体の種々の構成例を示す構成図である。
【図８】従来の測定体による波動伝播速度の測定原理を説明する説明図である。
【符号の説明】
１    棒状の測定体
２１，２２  超音波発振子
３１，３２  超音波受振子
９    分析処理装置
６    覆体
６ａ  外側のゴム膜，第１ゴム膜
６ｂ  内側のゴム膜，第２ゴム膜
７    注入口
Ｗ    清水，非圧縮性液体
【図１】
0004110227.tif 000004
【図２】
0004110227.tif 000005
【図３】
0004110227.tif 000006
【図４】
0004110227.tif 000007
【図５】
0004110227.tif 000008
【図６】
0004110227.tif 000009
【図７】
0004110227.tif 000010
【図８】
0004110227.tif 000011