(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動検知センサと、前記複数の振動検知センサの出力を解析する解析装置とを備える推定システムにより、予め求めた地盤種別ごとのセンサ間隔と探査深度との関係式を使用して地盤の地下構造を推定する方法であって、
該方法は、対象地盤の地盤種別を決める第１のステップと、対象地盤の目標の探査深度を決める第２のステップと、決められた探査深度と前記関係式から決められた対象地盤の地盤種別に基づいてセンサ間隔を決める第３のステップと、前記第３のステップで決められたセンサ間隔により複数の振動検知センサを地盤上に設置して微動観測を行う第４のステップと、前記微動観測により得られたデータを前記解析装置に入力して分散特性を算出する第５のステップと、前記分散特性を基に逆解析により地盤の地下構造を推定する第６のステップとを備えることを特徴とする地盤構造推定方法。
【請求項２】
前記関係式は、目標の探査深度が同じ場合にはセンサ間隔は第１種地盤＜第２種地盤＜第３種地盤の関係となり、センサ間隔が同じ場合には目標の探査深度は第１種地盤＞第２種地盤＞第３種地盤の関係となることを特徴とする請求項１記載の地盤構造推定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤の地下構造を推定する方法に係り、特に、予め推定システムにより得られた分散特性から振動検知センサの間隔を最適に設定し、効率よく地盤構造を推定することができる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の振動検知センサを地表面に配置して、常に存在する微振動である常時微動を収録する微動アレイ観測では、複数の振動センサで地表面に伝わる表面波を計測している。表面波の波長と地盤を進行する深さとは密接な関係があり、波長が短いほど地表面付近を進行し、逆に波長が長いほど地表面から深層部まで進行することがわかっている。そのため、より深くまでの地盤構造を推定するためには、より長い波長を持つ波を検知する必要が生じる。
【０００３】
このとき、地表面に配置した複数の振動センサでは、収録された波の時間的変化あるいはセンサ間の周波数の関係を算出しているため、センサ間隔が広いほど、より長い波長を持つ波を検知することができる。微動観測では、振動センサで収録された微動データを周波数解析により、周波数と位相速度の関係（以下、分散特性という）を導き、地盤構造に固有の特性を示す、この分散特性を用いることで地盤の層構造の推定が可能となる。
【０００４】
従来、この種の微動観測による地盤構造の推定方法としては種々の文献があり、例えば振動センサの配置間隔と分散特性の関係を紹介したものがある。この場合は、地盤構造の推定を行う振動センサの配置間隔は、分散特性の関係のみにより決定され、決定された配置間隔で振動センサを配置して微動データを計測し、前記した方法により地盤の地下構造が推定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記した推定方法は、分散特性の関係によりセンサ間隔が決定されるが、地盤は多種多様のものがあるため、センサ間隔が対象地盤に最適な間隔とは異なることがある。このため、前記した推定方法では、対象地盤の正確な地下構造の推定が短時間で効率よく行えないという問題点があった。
【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、予め求められた地盤種別ごとのセンサ間隔と探査深度との関係式から、調査しようとする対象地盤と目標の探査深度に最適のセンサ間隔を決定し、このセンサ間隔で振動検知センサを配置して、短時間で効率的に、しかも地盤の地下構造を精度よく推定できる地盤構造推定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成すべく、本発明に係る地盤構造推定方法は、複数の振動検知センサと、前記複数の振動検知センサの出力を解析する解析装置とを備える推定システムにより、予め求めた地盤種別ごとのセンサ間隔と探査深度との関係式を使用して地盤の地下構造を推定する方法であって、該方法は、対象地盤の地盤種別を決める第１のステップと、対象地盤の目標深度を決める第２のステップと、決められた深度と前記関係式から決められた対象地盤の地盤種別に基づいてセンサ間隔を決める第３のステップと、前記第３のステップで決められたセンサ間隔により複数の振動検知センサを地盤上に設置して微動観測を行う第４のステップと、前記微動観測により得られたデータを前記解析装置に入力して分散特性を算出する第５のステップと、前記分散特性を基に逆解析により地盤の地下構造を推定する第６のステップとを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る地盤構造推定方法の好ましい具体的な態様としては、前記関係式は、目標の探査深度が同じ場合にはセンサ間隔は第１種地盤＜第２種地盤＜第３種地盤の関係となり、センサ間隔が同じ場合には目標の探査深度は第１種地盤＞第２種地盤＞第３種地盤の関係となることを特徴としている。
【０００９】
このように構成された本発明の地盤構造推定方法によれば、予め求めた関係式から、地盤種別と目標の探査深度に最適なセンサ間隔を決定でき、そのセンサ間隔で振動検知センサを配置するため、短時間で効率よく、正確な地盤の地下構造を推定することができる。また、実際の微動アレイ観測の前に、振動検知センサの配置計画を容易とすることができる。前記関係式は、目標の探査深度が同じ場合、センサ間隔は第１種地盤＜第２種地盤＜第３種地盤の関係に設置すればよく、センサ間隔が同じ場合、目標の探査深度は第１種地盤＞第２種地盤＞第３種地盤の関係となり、探査深度の判断が容易となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る地盤構造推定方法を実施する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、微動探査により地盤の地下構造を推定する推定システムの一実施形態のブロック図、図２は振動センサの配置図である。図１、２において、調査目的地の地表面には複数の振動検知センサ１〜４が設置されている。振動検知センサ１〜４は、図２に示すように正三角形上に振動検知センサ１、２、３が設置されると共に、振動検知センサ４が３つの振動検知センサの中心位置に設置され、センサアレイ５を構成している。
【００１１】
センサアレイ５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は、その深度に合わせたアレイサイズが必要となる。センサアレイ５のサイズは、センサアレイを構成する振動検知センサ１〜４の間隔ａ、ｂで定義される。振動検知センサ１〜４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。
【００１２】
振動検知センサ１〜４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６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、複数の振動検知センサ１〜４から構成されるセンサアレイ５、そのデータ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。
【００１３】
解析装置１０は、振動検知センサ１〜４からの微動観測による微動データよりレイリー波の分散特性を算出し、その分散特性から地盤の地下構造を推定するものである。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。
【００１４】
ここで、建築基準法施行令で定められている地盤種別の分類について表１に示す（建築基準法施行令、告示、昭５５建告第１７９８号第２）。地盤の工学的性質は、地層の形成過程によって最も大きく影響を受け、これらの性質ごとに地盤種別と呼ばれる分類がなされている。地盤種別は硬い地盤、軟らかい地盤、両者の中間のものと３種類に分類される。第１種地盤は硬く、主に山地あるいは岩盤がむき出しになったところ、第２種地盤は普通の平地あるいは台地、住宅が立ち並んでいるところ、第３種地盤は水田や河川のそば等、軟らかいところであり、このように地形的あるいは土地条件によって、おおよその地盤種別の区分は可能である。しかし、複雑な地形では人的な判断に大きく影響されるため、定量的に区分でき、誰にでも判断できる明確な方法が必要となる。後述する表２に記載されている地盤周期は、対象となる地盤において地震動の応答スペクトルの値が、ある周期近傍に渡って著しく卓越すると考えられる周期を示している。地盤周期（＝卓越周期Ｔｇ）は、１点の常時微動の周期頻度曲線等から求められるため、容易に計測、解析することができる。微動データは様々な振動波が混合しているので、微動のような時間変化のデータはフーリエ変換により周波数（周期の逆数）と強度（頻度）の関係に変換できる。常時微動の周期頻度曲線は、こういった計算により導くことができる。
【００１５】
【表１】
0004195171.tif 000002
【００１６】
また、建築基準法施行令による地盤種別と卓越周期の分類を表２に示す。（建築基準法施行令、通達、昭５６住指発第９６号）
【００１７】
【表２】
0004195171.tif 000003
【００１８】
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以下に説明する。先ず、予めセンサ間隔と探査深度との関係を求める。例えば、前記した推定システムにより、振動検知センサ１〜４は調査地盤の地表面に設置され、常時微動を計測する。振動検知センサ１〜４の測定データはデータ収録装置６に収録され、解析装置１０に入力される。解析装置１０は前記測定データから図３に示される位相速度の分散特性を算出する。そして、この分散特性より振動検知センサ１〜４の間隔ごとに最大の波長を図４のようにプロットして、センサ間隔（Ｌ）と最大波長（λ）との関係式を得る。前記の最大波長（λ）は、得られる分散特性の最大の位相速度÷その時の周波数で得ることができる。この図４に示される最大波長の近似曲線を引き、センサ間隔（Ｌ）と得られる最大波長（λ）の関係式を導く。この関係式を式１に示す。
λ＝２８．６７５×Ｌ0.709            （１）
【００１９】
この後、ＰＳ検層等から得られた地盤層構造から理論的に分散特性を導き、工学的基盤の探査深度（Ｄ）と位相速度４００ｍ／ｓ時の波長（λ）との関係を、図５に示すように地盤種別ごとに導き、式２、式３、式４に示される分散特性の波長（λ）と探査深度（Ｄ）との関係式を得る。
第１種地盤の場合    Ｄ＝０．０５３２×λ1.369      （２）
第２種地盤の場合    Ｄ＝０．１５７３×λ1.049      （３）
第３種地盤の場合    Ｄ＝０．００３６×λ1.549      （４）
【００２０】
そして、式１と式２、式３、式４との関係から、センサ間隔（Ｌ）と探査深度（Ｄ）との間に、第１種地盤の場合、式５に示す関係を、第２種地盤の場合、式６に示す関係を、第３種地盤の場合、式７に示す関係を求め、これらの関係から図６に示す曲線ａ、ｂ、ｃを求めた。
Ｄ＝５．２６×Ｌ0.971      （５）
Ｄ＝５．３２×Ｌ0.744      （６）
Ｄ＝０．６５２×Ｌ1.10     （７）
【００２１】
このようにして得られた図６に示される関係を用いて、調査地点における地盤の地下構造を推定する。なお、このようにして求められた関係は、近隣の地盤を調査するときに、何度でも活用することができる。図７に示す地盤構造を推定するフローチャートに基づいて説明する。図７において、先ず、第１ステップＳ１として、調査地点の対象地盤が、表１に示される地盤種別のどれに当たるかを調べる。全ての地盤は前記した３種類の地盤種別に分類することができ、ほとんどの場合、地形を見るだけで地盤種別を決めることができる。目視で判断しにくい場合は、卓越周期Ｔｇを測定して表２を用いて決めることができる。
【００２２】
そして、第２ステップＳ２として、対象地盤にて推定したい目標深度を決める。次に、第３ステップＳ３として、探査深度（Ｄ）とセンサ間隔（Ｌ）を示す図６の関係に基づいて、センサアレイ５のサイズを決める。例えば、対象地盤が第３種地盤で、目標深度が６０ｍの場合、図６の探査深度の６０ｍの横線と第３種地盤の曲線ｃとの交点よりセンサ間隔Ｌ＝約６０ｍを得ることができる。このように、事前にセンサ間隔を決めることができるため、センサの配置計画を容易に行うことができる。
【００２３】
このようにして得られたセンサ間隔Ｌ＝６０ｍを、センサアレイ５の１辺として正三角形の各頂点および中心上に振動検知センサ１〜４を配置する。次いで、第４ステップＳ４として、前記のように得られた間隔のセンサアレイ５により微動観測を行う。この微動観測による測定データは、解析装置１０に入力され、第５ステップＳ５として、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、つまり分散特性が算出される。そして、この分散特性を基に、第６ステップＳ６として、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。
【００２４】
前記のようにして推定された地盤の地下構造は、予め求められた探査深度（Ｄ）とセンサ間隔（Ｌ）との関係から振動検知センサ１〜４を配置しているため、対象地盤と目標深度に最適なセンサ間隔となっており、地盤の地下構造を短時間で効率的に推定することができ、しかも精度の高い推定が可能となる。また、図６に示される関係は、近隣の地盤の地下構造を推定するときに、何度でも使用することができ、一度関係を求めておけば、再度効率よく、精度よく、地盤の地下構造を推定することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上の説明から理解できるように、本発明の地盤構造推定方法は、予め求めたセンサ間隔と探査深度との関係から、対象地盤と目標の探査深度に最適なセンサ間隔を決めることができ、このセンサ間隔で配置したセンサアレイにより短時間で効率よく、しかも精度よく地盤の地下構造を推定することができる。また、微動観測の前に、振動検知センサの配置計画を容易に立てることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地盤構造推定方法を実施する推定システムの一実施形態のブロック図。
【図２】図１の振動検知センサの配置図。
【図３】地盤構造の推定システムにより求められた分散特性図。
【図４】図３の分散特性図より各センサ間隔ごとに得られた最大の波長をプロットし、近似曲線を引いた特性図。
【図５】地盤層構造から理論的に分散特性を導き、探査深度と波長との関係を地盤種別ごとに導いた特性図。
【図６】図４と図５の関係から、センサ間隔と探査深度との関係を求めた関係図。
【図７】本発明に係る地盤構造推定方法の一実施形態のフローチャート。
【符号の説明】
１〜４  振動検知センサ
５  センサアレイ
１０  解析装置
【図１】
0004195171.tif 000004
【図２】
0004195171.tif 000005
【図３】
0004195171.tif 000006
【図４】
0004195171.tif 000007
【図５】
0004195171.tif 000008
【図６】
0004195171.tif 000009
【図７】
0004195171.tif 000010