(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の振動センサと、前記振動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を調査地に設置し、レイリー波の分散特性からインバージョン法によって地盤の速度構造を推定する方法であって、
浅層部から深層部までを任意の層数及び層厚に設定した初期モデルを基にして、インバージョンにより第１のモデルを推定し、該第１のモデルの浅層部を固定した地盤モデルを基にして再度、インバージョンを行って第２のモデルを推定し、前記第２のモデルにおいて前記浅層部の次の層を固定した地盤モデルを基にして、さらにインバージョンを行い、この処理を最下層まで繰り返すことにより地盤の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】
浅層部から深層部への固定は、１回のインバージョンで１層づつ増やしていく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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤の地下の速度構造を推定する方法に係り、特に、調査地近隣の地盤データベースがある場合は、これを用いて効率よく、しかも精度よく所望の深度まで地盤速度構造を推定することができ、地盤データベースが無い場合でも効率よく、精度よく推定できる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、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、その震動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、地下の地盤構造から計算される理論上の周波数と位相速度の関係（以下、理論分散特性という）と、前記した観測分散特性を比較して、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ているが、最近では遺伝的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・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るが、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下速度構造の推定」に記載されている。この例では、非線形最小２乗法により地下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】
ところで、前記の地盤速度構造の推定方法は、非線形最小２乗法によるインバージョン法により地下の速度構造を推定するため、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虞があった。この点については、物理探査学会第９５回学術講演会論文集（１９９６）７６〜８０頁の「平滑化制約付き最小二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。
【０００６】
従って、前記した推定方法では、初期モデル（初期地下速度構造）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とがほぼ一致して得られる解が必ずしも正しいとは限らず、また、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点がある。さらに、既存の地図等から情報を得るにしても、その具体的な手段は不明であり、特に調査地が複雑な地形内にある場合、どのような情報を採用するかが不明確であった。
【０００７】
構造物を建築する際、ボーリング等の地盤調査を実施することが通例であり、そのデータは莫大な量に上る。しかしながら、その深度は構造物の規模に対して深くなる傾向にあるが、例えば住宅では浅い範囲に留まる例も多い。しかし、耐震・免震設計においては、例えばＳ波速度で４００ｍ／ｓを超える工学的基盤までの地盤構造が必要となるが、地盤調査は時間や手間がかかるため、必ずしもそこまで調査されているとは限らない。
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地下速度構造を推定することができる方法を提供することにある。
【０００８】
【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、複数の振動センサと、前記振動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を調査地に設置し、レイリー波の分散特性からインバージョン法によって地盤の速度構造を推定する方法であって、前記調査地近隣の地盤データベースのデータが存在する深度までは、そのデータを使用し、前記深度から所望の基盤層までの間は、Ｓ波速度と層数を複数に分割したモデルを追加し、前記モデルより分散特性を求めて地盤構造を推定することを特徴とする。そして、探索範囲を既知範囲に対して広めに設定して、インバージョンを行うことが好ましい。
【０００９】
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、前記基盤層の深さを、得られた分散特性の所望の最大位相速度における波長の１／８乃至１／５の範囲に設定することを特徴としている。さらに、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他の態様としては、基盤層は工学的基盤であり、基盤層までの層数を８乃至１２とすることを特徴としている。
【００１０】
この推定方法によれば、地盤データベースのデータのある範囲までは、このデータを使用し、これより深い深度より基盤層まではモデルを追加して、このモデルを逆解析して分散特性を求めるため、精度の高い地盤の速度構造を、短時間で効率よく推定することができる。基盤層の深さは、得られた分散特性の所望の最大位相速度における波長の１／８乃至１／５の範囲から、未知である基盤深度として設定するので、正確な速度構造を求めることができる。また、基盤層までの層数を８乃至１２とすることにより、速度構造の精度は高くなる。
【００１１】
本発明の地盤速度構造の他の推定方法は、複数の振動センサと、前記振動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を調査地に設置し、レイリー波の分散特性からインバージョン法によって地盤の速度構造を推定する方法であって、浅層部から深層部までを任意の層数及び層厚に設定した初期モデルを基にして、インバージョンにより第１のモデルを推定し、該第１のモデルの浅層部を固定した地盤モデルを基にして再度、インバージョンを行って第２のモデルを推定し、前記第２のモデルにおいて前記浅層部の次の層を固定した地盤モデルを基にして、さらにインバージョンを行い、この処理を最下層まで繰り返すことにより地盤の速度構造を推定することを特徴とする。
【００１２】
このように構成された本発明の地盤速度構造の推定方法は、ほぼ正解値に近い表層から順次固定して、インバージョンを繰り返して行うので、正確な速度構造を推定することができる。また、１回のインバージョンで表層の１層を固定して、次のインバージョンを行うことにより、より正確な地盤の速度構造を推定できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る地盤速度構造の推定方法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である。図１において、推定システム１０は複数の振動センサ１１〜１４より構成されるセンサアレイ１５と、該振動センサからの測定データを入力する解析装置２０と、解析装置２０にデータを入力する入力装置２１と、解析装置２０からの解析データを出力する出力装置２２と、解析装置２０に接続された地盤データベース２３とから構成される。
【００１４】
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Ｒを変えて、順次計測を行い、複数の分散特性を合成し、広い周波数範囲とする。なお、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。
【００１５】
解析装置２０は、例えば地盤の深度、層厚及びＳ波速度の関係からなる地盤の速度構造を逆解析法（インバージョン法）により求めるものであり、入力装置２１を介して解析が行われる。先ず、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を決定し、解析装置２０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モデルを修正する逆解析を行い、当該地盤の速度構造を推定し、出力装置２２に結果を出力するものである。出力装置２２はプリンタ、ディスプレイ等で構成される。
【００１６】
前記の如く構成された本実施形態の推定システム１０を使用して、地盤速度構造の推定する方法について以下に説明する。複数の振動センサ１１〜１４は、調査対象地盤の常時微動の表面波を検出する。ここではセンサアレイ１５の半径Ｒを３ｍから５０ｍの範囲で変更して計測する。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。このように得られた分散特性は周波数範囲が狭いので、センサアレイ１５の半径Ｒを変更して得られた各分散特性を合成し、幅広い周波数範囲の分散特性を作成する。
【００１７】
次に解析装置２０により、地下の速度構造をインバージョン法により求める作業を行う。地盤データベース２３のデータの一例は、図２に示すように、Ｓ波速度は表層から第３層まで、層厚は表層と第２層のデータが存在するが、目的とするＳ波速度が４００ｍ／ｓの工学的基盤までは達していない。図２のデータに対し、図３に示すような、工学的基盤まで至る地盤速度構造の初期値モデルを設定する。すなわち、工学的基盤のＳ波速度を４００ｍ／ｓとし、Ｓ波速度については第４層から基盤までを、層厚については第３層から基盤までを、それぞれ等間隔で設定した初期値モデルとする。具体的には、第３層から第８層の層厚を５ｍとし、第４層から第８層のＳ波速度を３３０（ｍ／ｓ）から３７０（ｍ／ｓ）まで、１０（ｍ／ｓ）間隔に設定している。
【００１８】
本実施形態では、インバージョン（逆解析）には遺伝的アルゴリズム法を用いる。このとき、地盤データベース２３のデータが存在する層に関しては、層厚及びＳ波速度の探索範囲をモデルに対して±２５％に、例えば層厚３．６ｍに対し２．７〜４．５ｍと設定し、Ｓ波速度１２０ｍ／ｓに対して９０〜１５０ｍ／ｓと設定する。それ以上深層のデータが存在しない部分については探索範囲を±５０％に、例えば層厚５．０ｍに対して２．５〜７．５ｍと設定した。探索範囲を狭く設定すると、局所解に陥る可能性があるために±５０％と設定した。
【００１９】
このように設定した初期値モデルにより、インバージョンを独立して５回実施し、各層毎のＳ波速度及び層厚を、それぞれ平均して求めた層構造を図４に示す。なお、図４には推定の検証のために実施したＰＳ検層結果も併せて示している。図４から明らかなように、ＰＳ検層の結果と、本発明に係る推定方法による結果とはよく一致しており、本発明によれば、表層の地盤データベースを用いて初期値モデルを作成することにより、短時間で、正確に地盤の速度構造を推定できる。
【００２０】
ここで、工学的基盤までの全層数がインバージョンに与える影響について述べる。前記した例では、全層数を９層として、インバージョンにより図４に示す層構造を求めた。一方、図５に示すように、全層数を５層として前記と同様に作業により求めた場合の結果を、同様に図６に示している。層数が少ない場合には、Ｓ波速度は追従しているものの基盤位置が浅くなる傾向にある。すなわち、図６において、ＰＳ検層がＳ波速度４００ｍ／Ｓの位置は、深さ約４４ｍであるのに対し、推定結果では深さ３７ｍ程度と推定される。これは探索範囲を変えても、シミュレーションによって同様の結果が得られている。逆に、層数を多くしすぎると計算時間が増大するため、現実的には８層から１２層程度が妥当であることが判明した。
【００２１】
次に、前記した方法により、観測して得られた周波数と位相速度との関係である、観測分散特性から、おおよその基盤深度を推定する方法を以下に説明する。図７〜１０は、それぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ地点における微動探査によって得られた観測分散特性と、この分散特性から位相速度と波長の関係を算出し、基盤層の深さを最大位相速度における波長の１／５及び１／８として換算して、推定の検証のために実施したＰＳ検層もしくは反射法と比較した図である。なお、図７〜１０において、横軸の位相速度はＳ波速度とほぼ等しいとして共通に図示してある。これらの図から明らかなように、目的とする工学的基盤では、最大位相速度における波長のほぼ１／５〜１／８の範囲にあることが分かる。なお、工学的基盤まで至っていないＤ地点では、最下層の層を基盤とみなすと前記の範囲にあることが分かる。このように、最大位相速度における波長の１／５〜１／８の範囲から、基盤層の位置を容易に推定することができる。
【００２２】
図１１は、前記した波長の１／５〜１／８の範囲として、波長の１／６とした例を示している。すなわち、図１１（ａ）に示すような分散曲線が得られたとして、目的とする工学的基盤は、分散特性の４００ｍ／ｓに相当する波長の１／６である４８ｍとなり、ＰＳ検層より得られている工学的基盤の深度４５ｍとほぼ同程度である。この例からも明らかなように、前記した範囲により、分散特性から所望の基盤深度が類推できるため、精度のよいモデル設定が可能となる。
【００２３】
次に、本発明の地盤速度構造の第２の推定方法について、図１２を参照して説明する。図１２は第２の推定方法の処理を示すフローチャートである。ステップＳ１の微動観測で、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、ステップＳ２で解析装置２０により解析され、図１３に示すような調査地盤のレイリー波の分散特性が導出される。前記した方法と同様に、１つのセンサアレイで得られる分散特性は周波数範囲が狭いので、センサアレイ１５の大きさを変えて得られた各分散特性を合成し、幅広い周波数範囲の分散特性を得る。
【００２４】
次に、解析装置２０により地下の速度構造をインバージョン法により推定する操作を行う。ステップＳ３で、図１４に示す浅層部から深層部までを任意の層数及び層厚とした初期モデルを設定する。このとき、分散特性がほぼ平坦となる高周波側の位相速度を第１層のＳ波速度とすることが適当であり、Ｓ波速度と層厚の探索範囲は設定値に対して±５０％に設定し、その探索範囲を図１４（ｂ）に示している。
【００２５】
ステップＳ４で、図１４に示す初期モデルを基にしてモデルの表層からｉ層までを固定して逆解析（インバージョン）を行い、ステップＳ５で逆解析を指定回数終了したかを判断する。ステップＳ５で例えば指定回数、１０回終了すると、ステップＳ６で各層ごとにＳ波速度、層厚を平均化し、新しいモデル（第１のモデル）を作成する。図１５は、前記のように作成した第１のモデルの深度−Ｓ波速度関係図を示している。なお、このインバージョンは遺伝アルゴリズムを用いている。
【００２６】
前記のようにして推定した第１のモデルにおいて、浅層部（第１層）を固定した図１６に示す地盤モデルを基にして再度、インバージョンを行い、指定回数終了した後、再度ステップＳ６で各層ごとにＳ波速度、層厚を平均化し、新しいモデル（第２のモデル）を作成する。第２のモデルにおいて前記浅層部の次の層を固定して、さらにインバージョンを行い、この処理を繰り返し、最下層までインバージョンを行い、ステップＳ７で最下層であるかを判断して、最下層の場合、ステップＳ８で結果を出力して処理を終了する。前記の処理により推定された最下層までの地盤の速度構造と、ステップＳ２で導出された分散曲線とを比較し、得られた速度構造が適正かを確認する。
【００２７】
このように、モデルを基にして逆解析を指定回数行って平均化することにより新しいモデルを作成し、前記の新しいモデルの表層部を固定して逆解析を行い、この処理を最下層まで繰り返すことにより、工学的基盤までの地盤の速度構造を推定することができる。この推定方法によれば、高周波側の表層部から順次固定して逆解析をするため、精度の高い推定結果を、短時間で行うことができる。
なお、前記の例では、表層部から１層づつ固定する方法について述べたが、これに限られるものでなく、例えば２層づつ固定して逆解析を行うようにすることもできる。
【００２８】
【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は、表層部の地盤データベースを使用し、このデータを元にして逆解析を行うので、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。基盤層の深さは、得られた分散特性の所望の最大位相速度における波長の１／８乃至１／５の範囲に設定することから、正確な速度構造を求めることができる。工学的基盤までの層数を、８乃至１２とすることにより、基盤層の深さを正確に求めることができる。
【００２９】
調査対象地点におけるレイリー波の分散特性を求めてインバージョン法で地盤の速度構造を推定する際に、ほぼ正解値に近い表層から順次固定して、インバージョンを繰り返して行うので、正確な速度構造を推定することができる。また、１回のインバージョンで１層づつ固定することにより、より正確な地盤の地下速度構造を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地盤速度構造の推定方法を実施する推定システムのブロック図。
【図２】（ａ）は浅層部のみ示された地盤データベースの深度−Ｓ波速度関係図、（ｂ）は（ａ）のデータを示す図。
【図３】（ａ）は図２の深層部に層数９の初期値モデルを付加した深度−Ｓ波速度関係図、（ｂ）は（ａ）のデータを示す図。
【図４】ＰＳ検層と層数を９として推定した結果とを示す深度−Ｓ波速度関係図。
【図５】（ａ）は図２の深層部に層数５の初期値モデルを付加した深度−Ｓ波速度関係図、（ｂ）は（ａ）のデータを示す図。
【図６】ＰＳ検層と層数を５として推定した結果とを示す深度−Ｓ波速度関係図。
【図７】（ａ）はＡ地点における観測分散曲線、（ｂ）は同地点のＰＳ検層による測定値と波長との関係を示す深度−Ｓ波速度関係図。
【図８】（ａ）はＢ地点における観測分散曲線、（ｂ）は同地点の反射法による測定値と波長との関係を示す深度−Ｓ波速度関係図。
【図９】（ａ）はＣ地点における観測分散曲線、（ｂ）は同地点のＰＳ検層による測定値と波長との関係を示す深度−Ｓ波速度関係図。
【図１０】（ａ）はＤ地点における観測分散曲線、（ｂ）は同地点のＰＳ検層による測定値と波長との関係を示す深度−Ｓ波速度関係図。
【図１１】（ａ）は分散特性を示す曲線の一例、（ｂ）は（ａ）の分散曲線から計算される１／６波長の曲線とＰＳ検層の測定値とを示す深度−Ｓ波速度関係図。
【図１２】本発明の第２の推定方法の処理を示すフローチャート。
【図１３】観測によって得られた分散特性の線図。
【図１４】（ａ）は初期モデルの深度−Ｓ波速度関係図、（ｂ）は（ａ）のデータを示す図。
【図１５】１回目のインバージョンによって推定された深度−Ｓ波速度関係図。
【図１６】図１５データに対し、２回目のインバージョンのための層厚の探索範囲のデータを示す図。
【符号の説明】
１０  推定システム
１１〜１４  振動センサ
１５  センサアレイ
２０  解析装置
２３  地盤データベース
【図１】
0004263840.tif 000002
【図２】
0004263840.tif 000003
【図３】
0004263840.tif 000004
【図４】
0004263840.tif 000005
【図５】
0004263840.tif 000006
【図６】
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【図７】
0004263840.tif 000008
【図８】
0004263840.tif 000009
【図９】
0004263840.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0004263840.tif 000016
【図１６】
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