(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動センサで構成され複数のサイズアレイを有するセンサアレイを地表面に設置して地盤の微動を計測する第１のステップと、前記センサアレイの複数のサイズアレイの微動データから複数の位相速度の分散特性を算出する第２のステップと、前記センサアレイの内、複数の同サイズのサイズアレイの微動データから算出される分散特性を平均する第３のステップと、前記第２のステップで得られた分散特性と前記第３のステップで得られた平均された分散特性とを統合する第４のステップと、前記第４のステップで統合された分散特性を用いて地盤の地下構造を推定する地盤構造の推定方法。
【請求項２】
複数の振動センサで構成され複数のサイズアレイを有するセンサアレイを地表面に設置して地盤の微動を計測する第１のステップと、前記センサアレイの複数のサイズアレイの微動データを用いて空間自己相関法より複数の空間自己相関係数を算出する第２のステップと、前記センサアレイの内、複数の同サイズのサイズアレイの微動データから算出される空間自己相関係数を平均する第３のステップと、前記第２のステップで得られた空間自己相関係数と前記第３のステップで得られた平均された空間自己相関係数を統合する第４のステップと、前記第４のステップで統合された空間自己相関係数から分散特性を導き、この分散特性を用いて地盤の地下構造を推定する地盤構造の推定方法。
【請求項３】
複数の振動センサから構成され複数のサイズアレイを有し微動を計測するセンサアレイと、前記複数のサイズアレイで計測した複数の微動データを収録するデータ収録装置と、該データ収録装置からの微動データを解析する解析装置とを備える地盤構造の推定システムであって、
前記解析装置は、サイズアレイごとに前記センサアレイの周波数解析より複数の分散特性を算出すると共に、複数の同サイズのサイズアレイの前記分散特性を平均する算出手段と、複数のサイズアレイで計測した微動データから算出された分散特性、及び平均された分散特性を統合する統合手段とを有し、統合された分散特性から地盤の地下構造を推定することを特徴とする地盤構造の推定システム。
【請求項４】
複数の振動センサから構成され複数のサイズアレイを有し微動を計測するセンサアレイと、前記複数のサイズアレイで計測した複数の微動データを収録するデータ収録装置と、該データ収録装置からの微動データを解析する解析装置とを備える地盤構造の推定システムであって、
前記解析装置は、サイズアレイごとに前記センサアレイの周波数解析より複数の空間自
己相関係数を算出すると共に、複数の同サイズのサイズアレイの前記空間自己相関係数を平均する算出手段と、前記複数のサイズアレイで計測した微動データから算出された空間自己相関係数、及び平均された空間自己相関係数を統合する統合手段とを有し、統合された空間自己相関係数から分散特性を導き、地盤の地下構造を推定することを特徴とする地盤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、地盤の地下の構造を推定する方法及びシステムに係り、特に、計測されたデータから正確に、効率よく地盤の地下構造を推定できる方法及びシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に振動計測による地盤調査は、複数の振動センサを地表面に配置し、地表面に伝わるレイリー波等の表面波を計測して行っている。そして、個々の振動センサで収録された波の時間的変化あるいは振動センサ間の周波数相関により位相速度の分散特性を得たあと、それを用いて逆解析により地盤の地下構造を推定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記の従来技術に記載した推定方法では、微動探査法で得られる分散特性は、その値及び形状が地盤構造に大きく反映しているため非常に重要であり、物理探査学会第４９巻第１号ｐｐ２６−４１に記載されているように、その算出には分散特性の周波数域で最適なアレイサイズを選ぶ必要があるなど多くのノウハウがあり、研究されてきた。しかし、微動探査の観測中に混入する非定常振動が解析後の分散特性に誤差を含むことが多く、その結果、最終的な地盤の地下構造の推定にも誤差が生じていた。
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、微動観測で得られた計測データから位相速度の分散特性を正確に導き、地盤の地下構造を正確に、短時間で推定することができる地盤構造の推定方法及び推定システムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る地盤構造の推定方法は、複数の振動センサで構成され複数のサイズアレイを有するセンサアレイを地表面に設置して地盤の微動を計測する第１のステップと、前記センサアレイの複数のサイズアレイの微動データから複数の位相速度の分散特性を算出する第２のステップと、前記センサアレイの内、複数の同サイズのサイズアレイの微動データから算出される分散特性を平均する第３のステップと、前記第２のステップで得られた分散特性と前記第３のステップで得られた平均された分散特性とを統合する第４のステップと、前記第４のステップで統合された分散特性を用いて地盤の地下構造を推定する。
【０００５】
また、本発明に係る地盤構造の他の推定方法は、複数の振動センサで構成され複数のサイズアレイを有するセンサアレイを地表面に設置して地盤の微動を計測する第１のステップと、前記センサアレイの複数のサイズアレイの微動データを用いて空間自己相関法より複数の空間自己相関係数を算出する第２のステップと、前記センサアレイの内、複数の同サイズのサイズアレイの微動データから算出される空間自己相関係数を平均する第３のステップと、前記第２のステップで得られた空間自己相関係数と前記第３のステップで得られた平均された空間自己相関係数を統合する第４のステップと、前記第４のステップで統合された空間自己相関係数から分散特性を導き、この分散特性を用いて地盤の地下構造を推定する。
【０００６】
本発明に係る地盤構造の推定システムは、複数の振動センサから構成され複数のサイズアレイを有し微動を計測するセンサアレイと、前記複数のサイズアレイで計測した複数の微動データを収録するデータ収録装置と、該データ収録装置からの微動データを解析する解析装置とを備え、前記解析装置は、サイズアレイごとに前記センサアレイの周波数解析より複数の分散特性を算出すると共に、複数の同サイズのサイズアレイの前記分散特性を平均する算出手段と、複数のサイズアレイで計測した微動データから算出された分散特性、及び平均された分散特性を統合する統合手段とを有し、統合された分散特性から地盤の地下構造を推定することを特徴とする。
【０００７】
さらに、本発明に係る他の地盤の推定システムは、複数の振動センサから構成され複数のサイズアレイを有し微動を計測するセンサアレイと、前記複数のサイズアレイで計測した複数の微動データを収録するデータ収録装置と、該データ収録装置からの微動データを解析する解析装置とを備え、前記解析装置は、サイズアレイごとに前記センサアレイの周波数解析より複数の空間自己相関係数を算出すると共に、複数の同サイズのサイズアレイの前記空間自己相関係数を平均する算出手段と、前記複数のサイズアレイで計測した微動データから算出された空間自己相関係数、及び平均された空間自己相関係数を統合する統合手段とを有し、統合された空間自己相関係数から分散特性を導き、地盤の地下構造を推定することを特徴とする。
【０００８】
このように構成された本発明の地盤構造の推定方法及び推定システムは、地盤の微動を計測し、複数の同サイズのセンサアレイにより算出される位相速度の分散特性あるいは空間自己相関係数より求めた分散特性を平均することにより、地表部分に点在する判別不能なノイズ分を効果的に除去することができ、微動観測を改めて行うことなく、複数の計測データから正確な地盤の地下構造を推定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る地盤構造の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、本発明に係る推定システムの一実施形態を示すブロック図、図２は、図１のセンサアレイの配置図である。図１、２において、微動探査により地盤の地下構造を推定するシステムについて説明する。調査目的地地表面には複数の振動センサが設置されている。振動センサ１〜６は、図２に示すように大きい正三角形上に振動センサ１、２、３が設置されると共に、振動センサ４、５、６は大きい正三角形の３辺の略中間位置に設置され、センサアレイ７を構成している。この構成により、センサアレイ７は振動センサ１、２、３で構成される大きい三角形の１つのサイズアレイと、４つの小さい同サイズの三角形のサイズアレイ、すなわち、振動センサ１、４、６で構成されるサイズアレイと、振動センサ２、４、５で構成されるサイズアレイと、振動センサ４、５、６で構成されるサイズアレイと、振動センサ３、５、６で構成されるサイズアレイとから構成される。
【００１０】
センサアレイ７のサイズは、対象とする地盤あるいは、求めたい地盤構造の深さで決定され、目標深度が深いほどセンサアレイのサイズは大きくなるため、目標深度までの地下の構造を推定するために大小複数のアレイサイズが必要となる。また、センサアレイのサイズは、センサアレイを構成する振動センサの間隔で定義される。振動センサ１〜６は常時微動を検出して計測するものであり、常時微動とは、海洋の振動、風や地殻の変動等の自然現象に起因する地球固有の振動の他、交通や工場等の人間活動に起因する人工の振動であり、周波数帯域は１〜３０Ｈｚ程度である。
【００１１】
振動センサ１〜６により計測された複数箇所の常時微動データはデータ収録装置８に入力され、その後、解析装置１０に入力される。解析装置１０にはデータ等を入力する入力装置１１が接続され、解析装置１０からの解析結果を出力する出力装置１２が接続されている。出力装置１２はプリンターや表示装置等が用いられる。推定システムは、複数の振動センサ１〜６から構成されるセンサアレイ７、その出力を解析する解析装置１０、入力装置１１及び出力装置１２から構成される。
【００１２】
解析装置１０は、複数のサイズアレイを有するセンサアレイ７を構成する振動センサ１〜６からの微動観測による微動データよりレイリー波の複数のサイズアレイの分散特性を算出すると共に、複数の同サイズのサイズアレイの分散特性を平均する算出手段１６と、複数の分散特性、及び平均された分散特性を統合する統合手段１７とを備え、統合した分散特性から地盤の地下構造を推定するものである。統合手段１７は、例えば小さいサイズアレイの低周波数帯の特性と、大きいサイズアレイの高周波数帯の特性とを連続させて、
広い周波数帯の特性を短時間で正確に得ることができるものである。地盤の地下構造の推定は、遺伝アルゴリズム法あるいは最小二乗法といった手法により逆解析を行う。
【００１３】
前記の如く構成された本実施形態の地盤構造の推定システムの動作について、図１、２及び図３のフローチャートを参照して以下に説明する。第１のステップとして、センサアレイ７の複数の振動センサ１〜６で地盤の微動を計測する。計測により得られた微動観測の微動データはデータ収録装置８で収録され、解析装置１０に入力される。図２に示すように、センサアレイ７の各サイズアレイごとに、すなわち同サイズの小さい三角形を構成する振動センサ１、４、６からなるサイズアレイと、同様に振動センサ２、４、５からなるサイズアレイと、振動センサ４、５、６からなるサイズアレイと、振動センサ３、５、６からなるサイズアレイとについて、また大きい三角形を構成する振動センサ１、２、３からなるサイズアレイについて、微動データをステップＳ１にて分類する。このように、センサアレイは計測時間短縮のために大小のサイズアレイを組み合わせたものを用いると好都合である。
【００１４】
第２のステップとして、解析装置１０では、ステップＳ１にて分類された微動データは、サイズアレイごとに周波数変換される。そして、ステップＳ２にて、各サイズアレイの微動データを選択し、ステップＳ３にて周波数−波数スペクトル法（Ｆ−Ｋ法）あるいは空間自己相関法（ＳＰＡＣ法）といった解析手法で、調査地盤固有の周波数と位相速度との関係、つまり分散特性を得ることができる。特に、空間自己相関法で分散特性を算出するときに、その算出途中において周波数と空間自己相関係数（ρ特性）を導き算出することができる。
【００１５】
第３のステップとして、複数のサイズアレイから算出される個々の周波数毎の分散特性あるいは分散特性までの算出途中であるρ特性を、同サイズのサイズアレイが複数ある場合には、ステップＳ４にて算出手段１６で平均する。これにより正確な分散特性あるいはρ特性を導くことができる。ρ特性を平均した場合は、これを用いて分散特性を導く。特に、表層付近を反映した小サイズのアレイで得られる特性は、地表に点在する何らかの要因によりノイズ部分を多く含んでいるため、平均することによりノイズ分の影響を少なくでき、正確な分散特性を得ることができる。このようにして４つの同サイズの小さいサイズアレイの微動データを平均して、図４（ｃ）、（ｄ）に示すρ特性図及び分散特性図が得られる。一方、大きいサイズアレイからは平均していない図４（ａ）、（ｂ）に示すρ特性図及び分散特性図が得られる。
【００１６】
第４のステップとして、大小の様々なサイズアレイについて、個々のサイズアレイから求めた分散特性を、ステップＳ５にて統合手段１７により統合し、図４（ｂ）と（ｄ）を統合して、図５に示すような連続した１本の分散特性図を得ることができる。このようにして得られた分散特性から、ステップＳ６にて遺伝アルゴリズム法あるいは最小二乗法といった手法により逆解析を行い、すなわち、ある深さにおけるＳ波速度と層厚の少なくとも一方をパラメータとして、逆解析を行う（インバージョン法）ことで調査地点の地盤の地下構造を推定することができる。このようにして求めた地盤のＳ波速度の地下構造は、地表部分のノイズの影響を小さくできるため極めて精度がよく、建築時の地下部分の設計を効率よく行うことができる。
【００１７】
次に、本発明の他の実施形態を図６に基づき詳細に説明する。図６は本発明に係る推定システムのセンサアレイの他の実施形態を示す配置図である。図６において、センサアレイ２０は正六角形の各頂点に設置した振動センサ２１〜２６と、中心に設置した振動センサ２７とから構成される例を示している。この例では、小さい三角形の同サイズのサイズアレイ（２１−２２−２７、２２−２３−２７、２３−２４−２７、２４−２５−２７、２５−２６−２７、２６−２１−２７）と、大きい三角形の同サイズのサイズアレイ（２１−２３−２５、２２−２４−２６）からの振動データが得られる。
【００１８】
この実施形態においては、第３のステップで６つの小さい三角形の同サイズのサイズアレイの微動データから求めた分散特性を平均し、２つの大きい三角形の同サイズのサイズアレイの微動データから求めた分散特性を平均し、これらの平均された分散特性を第４のステップで統合する。図７（ａ）は６つの小さい三角形のサイズアレイを用いて計測したρ特性を示しており、このρ特性を平均すると図７（ｂ）のようになる。また、図７（ａ）の各ρ特性から位相速度の分散特性を算出すると図７（ｃ）となる。そして、図７（ｄ）に示すように、図７（ｂ）の平均したρ特性から算出した分散特性Ｂ１（実線で示す）と、図７（ｃ）の個々の分散特性Ｂ２（破線で示す）を平均した分散特性は略同一になり、どちらの手法でも分散特性の精度が高いことが判明した。すなわち、このように低周波帯においては、地表のノイズの影響を受けやすいため、複数の同サイズのサイズアレイからの微動データを平均して分散特性を算出することにより、より精度の高い分散特性を得ることができることが判明した。
【００１９】
同様にして、２つの大きい三角形の同サイズのサイズアレイの微動データからρ特性を算出し、ρ特性を平均して求めた分散特性（図示せず）も精度の高いものとなる。この図示していない精度の高い分散特性と、図７（ｄ）の分散特性Ｂ１とを統合して、広い周波数帯において精度の高い分散特性を得ることができる。そして、統合された精度の高い分散特性から、逆解析により地盤の地下構造を正確に推定することができる。その結果、得られた地盤の地下構造は、地表部分のノイズの影響を少なくできるため、精度の高いデータとなり、建築設計時の地下部分の設計を効率よく行うことができる。
なお、前記した実施の形態では、センサアレイを構成するサイズアレイとして正三角形の配置をした例を示したが、正多角形状や円形状に配置したものでもよいことは勿論である。また、空間自己相関係数より分散特性を算出する例を示したが、周波数−波数法より分散特性を求めるようにしてもよいことは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の地盤構造の推定方法及び推定システムは、微動観測を改めて行うことなく、１度の観測で複数の微動データから正確に、しかも短時間で位相速度の分散特性を導くことができ、その結果、より正確な地盤の地下構造を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地盤構造の推定システムの一実施形態を示すブロック図。
【図２】図１の推定システムのセンサアレイの配置図。
【図３】図１の推定システムのフローチャート。
【図４】（ａ）は小サイズのセンサアレイのρ特性図、（ｂ）は（ａ）の分散特性図、（ｃ）は大サイズのセンサアレイのρ特性図、（ｄ）は（ｃ）の分散特性図。
【図５】図４の（ｂ）と（ｄ）を統合した分散特性図。
【図６】センサアレイの他の実施形態を示す配置図。
【図７】（ａ）は図６のセンサアレイの複数のρ特性図、（ｂ）は（ａ）を平均したρ特性図、（ｃ）は（ａ）から求めた複数の分散特性図、（ｄ）は（ｂ）から求めた分散特性と（ｃ）から求めた分散特性を示す分散特性図。
【符号の説明】
１〜６  振動センサ
７  センサアレイ
８  データ収録装置
１０  解析装置
１６  算出手段
１７  統合手段
２０  センサアレイ
２１〜２７  振動センサ
【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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