(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽量発泡樹脂成形部材からなる外被ブロックの表面をくり抜いて形成された凹所内に、圧電振動子の根元を埋設支持するベースブロックを、該ベースブロック全体と前記圧電素子の先端までが前記凹所内に位置するように収容し、前記凹所内に、前記圧電振動子の先端がわずかに露出ないし突出する深さまで軟質材料を充填して振動子保護層を形成したことを特徴とするせん断波速度測定用ベンダーエレメント。
【請求項２】
前記充填された軟質材料は、ヤング係数が１００ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１に記載のせん断波速度測定用ベンダーエレメント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はせん断波速度測定用ベンダーエレメントに係り、改良地盤やコンクリート等の硬質材料内でのせん断波速度を確実に測定できるようにしたせん断波速度測定用ベンダーエレメントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地盤のせん断波速度を測定するセンサとして、圧電セラミックス振動子の一種であるベンダーエレメントが知られている。たとえばその設置位置に応じて図１０（ａ），（ｂ）に示したような種々のタイプのベンダーエレメント５０が提案されている。図１０（ａ）は、基本タイプである直方体状のアクリル製ベースブロック５１の上面に圧電セラミックス製の振動子５２が固着されたものを示している。この振動子５２は図１１各図内に符号を付したように、その一端５２ａがベースブロック５１に固定支持された梁長さ（ｌ）のバイモルフタイプの片持ち梁形状をなし、２枚の振動子５２を板厚（ｔ）となるように一体的に積層した構造からなる。図１０（ｂ）は、中間点に測定設置されるベンダーエレメント５０を示している。同図に示したように、ベースブロック５１の上面５１ａに発振部としての振動子５２Ｓが、下面５１ｂには受振部としての振動子５２Ｒが固着されている。
【０００３】
図１２は、この種のベンダーエレメントを利用した地盤のせん断波速度の測定方法を示している。図１２に示したように、ベンダーエレメント５０Ｓ，５０Ｒを所定距離Ｌだけ離れた地盤内に埋設し、一方のベンダーエレメント５０Ｓからせん断波を発信させ、もう他方のベンダーエレメント５０Ｒでせん断波を受信し、そのベンダーエレメント間の距離Ｌをせん断波の伝搬時間（遅延時間）で除すことにより、対象地盤のせん断波速度を算定するものである。
【０００４】
すなわち、この埋設されたベンダーエレメント５０が地盤から所定の振動を受けて片持ち梁が変位する（撓む）と、圧電効果によりその変位方向（図１１：素子内矢印方向）に電気分極が生じ、その先端撓み量（ｕ）に比例した電圧（Ｖ）が、撓み方向に応じた極性を伴って発生する。したがって、同一形状のベンダーエレメント５０を、振動子５２同士が対向するように地盤内に配置し、一方のベンダーエレメント５０の振動子５２Ｓを発振部とし、他方のベンダーエレメント５０の振動子５２Ｒを受振部とし、両者間の地盤を媒体として波動（Ｓ波）を伝播させ、この２つの振動子５２Ｓ、５２Ｒ間の距離に対して波動の到達時間を求めることで、この地盤位置でのせん断波速度（Ｖs）を算出することができる。なお、図１１各図では振動子５２の先端５２ｂ近傍に接続するように回路が示されているが、実際には電源からのリード線はベースブロック５１内で振動子５２の端子（図示せず）に接続されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のベンダーエレメントを用いて改良地盤やコンクリート等の硬質材料のせん断波速度を測定する場合は、測定の都度、対象の改良地盤等の硬質材料の表面に受信用と発信用の一組のベンダーエレメントを設置して測定を行わなければならない。このとき測定されるせん断波速度はベンダーエレメントの設置状態によって変動しやすく、安定した測定精度を得ることが難しい。また、測定の都度、ベンダーエレメントを設置する測定方法では、ベンダーエレメント設置の再現性が確保されず、同一の改良地盤のせん断波速度を経時的に繰り返して測定する場合、必然的にせん断波速度測定結果の再現性が確保できない。
【０００６】
この場合、改良地盤におけるベンダーエレメントによる測定の再現性を高めるために、改良地盤が硬化する前にベンダーエレメントを改良地盤中にあらかじめ埋設しておき、せん断波速度測定を行うことも考えられる。ところが、従来のベンダーエレメントを改良地盤中にそのまま埋設すると、改良地盤の硬化の進行に伴い、ベンダーエレメントの周囲の振動が周囲の改良地盤によって拘束され、振動子が十分に振動できず、せん断波速度測定ができなくなるおそれがある。
また、上述したように、従来のベンダーエレメントを改良地盤中にそのまま埋設すると、改良地盤の硬化とともに振動を発信できなくなるため、原位置の改良地盤中を鉛直方向に伝播するせん断波速度を測定することはできなかった。
さらに、計測終了後に環境面での配慮及びベンダーエレメントの反復利用を可能にすることも含め、容易に回収できるようにすることが求められている。
以上のような技術的背景により、改良地盤中にあらかじめベンダーエレメントを埋設する場合に、改良地盤が硬化した後でも振動子が振動を発信できるようなベンダーエレメントの開発が求められていた。
【０００７】
そこで、本発明の目的は上述した従来の技術が有する問題点を解消し、改良地盤や硬化コンクリート等の硬質材料の硬化が進行した状態において確実に振動子が振動して発信することができ、また計測後に容易に回収できるようにしたせん断波速度測定用ベンダーエレメントを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は軽量発泡樹脂成形部材からなる外被ブロックの表面をくり抜いて形成された凹所内に、圧電振動子の根元を埋設支持するベースブロックを、該ベースブロック全体と前記圧電素子の先端までが前記凹所内に位置するように収容し、前記凹所内に、前記圧電振動子の先端がわずかに露出ないし突出する深さまで軟質材料を充填して振動子保護層を形成したことを特徴とする。
【００１３】
また、前記圧電振動子を被覆するために充填された軟質材料は、ヤング係数が１００ＭＰａ以下を示す材料であることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のせん断波速度測定用ベンダーエレメントの実施の形態および参考例について、添付図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、参考例としての基本形状のベンダーエレメント１０の構造例を模式的に示した平面図、同図（ｂ），（ｃ）である。同図に示したように、直方体状のアクリル製ベースブロック１１の上面のほぼ中央部に、根元部が埋設された状態で圧電セラミックス振動子（以下、振動子１２と記す。）が取り付けられている。さらに、ベースブロックから張り出した振動子１２の周りには振動子保護層が形成されている。この振動子保護層２０はたとえば軟質材料としての合成ゴムブロックで構成され、ベースブロック１１の表面に接着されている。この振動子保護層２０は、振動子１２の先端部分だけが露出した構造となっている。このような構造のベンダーエレメント１０は、改良地盤や硬化コンクリートをはじめとする硬質材料中に埋設された際、振動子１２が振動子保護層２０で覆われているため、硬質材料によって振動子１２の振動が妨げられることがない。これにより改良地盤、コンクリート等、種々の硬質材料においてせん断波速度測定が可能となる。
【００１５】
振動子保護層２０の材質としては、軟質材料であってベンダーエレメント１０を埋設する硬質材料よりも相対的に剛性が低く、かつ振動子１２の振動発生を妨げない程度の剛性を有し、具体的にはヤング係数が１００ＭＰａ以下を示す材料を想定している。たとえばシリコーンゴム、熱可塑性エラストマー、発泡ポリスチレン、発泡ポリウレタンフォームの他、天然ゴム、海綿、寒天、ゼラチン等の天然材料を成形加工することも可能である。なお、以下の記載において振動子保護層２０を構成する部分が、樹脂成形品のような既製成形品である場合、保護層部材２１と呼び、未固化状態の固化材料で振動子１２を覆って保護層を構成するような場合、未固化状態の材料を指して保護層材料２２と呼ぶ。
【００１６】
図２〜図５は、ベンダーエレメント１０に設けられた振動子保護層２０の他の参考例について示している。図２各図は、振動子保護層２０をベースブロック１１に確実に形成できるようにしたものを示している。図２（ｂ）に示したように、振動子保護層２０は振動子１２の周囲に形成されるとともに、ベースブロック１１形成された凹所１１ｂに収容されている。たとえば保護層部材２１が樹脂成形品である場合、振動子１２を囲むようにし、その根元部を図２（ｂ）に示したように凹所１１ｂに固着することでベースブロック１１に確実に固定することができる。また、十分な柔軟性を備えた成形品の場合、図２（ｃ）に示したように、ベースブロック１１上面に形成されたあり溝状の凹所１１ｃに嵌着させて固定しても良い。
【００１７】
振動子保護層２０の大きさは、保護層として使用する材料（保護層材料２２）の要求されている剛性に応じて、およびベンダーエレメント１０を埋設する硬質材料の剛性に応じて適宜設定することが好ましい。
【００１８】
図３各図は、振動子１２があらかじめベースブロック１１に取り付けられたベンダーエレメント１０において、振動子１２の周囲に種々の手段により、未固化で不定形の軟質材料を付着させた後に固化させて所定形状の振動子保護層２０を形成するようにした変形例を示している。たとえば図３（ｂ）に示した振動子保護層２０は、未固化状態の保護層材料２２を振動子１２の側面に塗着して断面が略三角形状となるようにした適用例を示している。この保護層材料２２が液状体等で表面張力が大きい場合には、図３（ｃ）のように半球状の保護層２０を形成することができる。
【００１９】
図４，図５各図はベースブロック１１上面を完全に覆う程度の大きさの板状保護層材料で振動子保護層２０を形成するようにした変形例、及びベンダーエレメント１０全体を保護層材料で被覆するようにした変形例を示した平面図、断面図である。たとえば板状の保護層部材２１でベースブロック１１上面全体を覆うことにより、ベンダーエレメント１０が埋設される硬質材料の影響を確実に遮断することができる。また、保護層材料２２でベンダーエレメント１０全体を被覆して一体成形することにより、せん断波速度測定終了後、硬質材料内に埋設されたベンダーエレメント１０を硬質材料中から容易に回収することができる。
【００２０】
図４（ｂ）は、板状の保護層部材２１がベースブロック１１上面に固着されたタイプを示している。また、図４（ｃ）は、ベースブロック１１の側面、上面を覆うように、図４（ｄ）は、ベースブロック１１の全面を覆うように、未固化の保護層材料２２を用いて一体成形した例を示している。図４（ｂ）のベンダーエレメント１０では、振動子１２が取り付けられたベースブロック１１に、あらかじめ板状に成形された保護層部材２１を後付すればよい。図４（ｃ），（ｄ）の場合には、振動子１２が取り付けられたベンダーエレメント１０を所定の金型（図示せず）内に設置し、その周囲に未固化の保護層材料２２を充填して成形して部材の一体化を図ることが好ましい。図５（ａ）〜（ｃ）は板状保護層部材２１として既製円板部材を取り付ける場合、あるいは半球状の金型を使用して保護層材料２２で振動子保護層２０をベンダーエレメント１０の周囲に一体成形した例を示している。この場合にも図４各図に示した場合と同様の製造方法を適用させることができる。なお、図４（ｃ），（ｄ）の場合にも、既製の保護層部材を組み立てるようにしてベースブロック１１の周囲を覆ってもよい。
【００２１】
図６〜図８は、ベンダーエレメントの硬質材料内への埋設を容易にするとともに、せん断波速度測定後に、硬質材料中からベンダーエレメントを容易に回収できるようにした本発明のいくつかの実施の形態を示している。
【００２２】
図６（ａ），（ｂ）には振動子１２を組み込んだベースブロック１１全体を、振動子１２の先端１２ａが露出するように保護層２０で被覆し、さらに保護層２０全体が外被ブロック３０の凹所内に収容されたベンダーエレメント１０が示されている。ベンダーエレメント１０は図６（ｂ）に示したように、振動子１２を支持するベースブロック１１が外被ブロック３０内に収容されることで、他の実施の形態におけるベースブロック１１のみで構成されたベンダーエレメント１０に対して比較的大きな部材として構成されている。このためベンダーエレメント１０を埋設する際の作業性が向上すると共に、測定終了後にベンダーエレメント１０の回収を容易に行えるというメリットもある。
【００２３】
図７（ａ）〜（ｃ）は図６（ａ）に示したベンダーエレメント１０の製作工程を示した断面図である。以下、各図を参照してこのベンダーエレメント１０の製作手順について説明する。図７（ａ）はあらかじめ所定寸法に孔ぐり加工された外被ブロック３０の断面図である。この外被ブロック３０は、本実施の形態では発泡ポリスチレンブロックを加工して製作されており、断熱性、緩衝性に富むため硬質材料中に埋設された場合にも内部のベンダーエレメント１０を適度に保護することができる。また、本実施の形態ではブロックをくり抜いた形成された□形の孔の底部に樹脂製底板３２が取り付けられ、凹所３１が形成されている。そして凹所３１内部に保護層材料２２と同等の固化時性状を示し、比較的早く固化する軟質樹脂材料２３が所定深さまで充填されている。そしてこの軟質樹脂材料２３が凹所３１内で固化開始し十分な粘性が出てきた段階で図７（ｃ）に示したように、ベースブロック１１を所定深さまで押し込んで取り付ける。このときベースブロック１１が所定深さに保持されるように、軟質樹脂材料２３で満たされる底板３２上に図示しないコマ状の小片を取り付けておくことも好ましい。この状態で軟質樹脂材料２３を固化させ、さらに凹所３１の上部のベースブロック１１及び振動子１２の周囲に、振動子１２の上端がわずかに突出する程度まで保護層材料２２を充填する。このとき保護層材料２２、軟質樹脂材料２３及び外被ブロック３０の接着性がよいため、ベースブロック１１を、柔軟な材料で取り囲んだ状態で外被ブロック３０の凹所３１内に収容させることができる（図６（ａ））。
【００２４】
図８各図は、外被ブロック３０を用いたベンダーエレメント１０の変形例を示したものである。図８（ａ）に示したように、底板を不要とするために、凹所３１を外被ブロック３０のみで形成するようなブロックを製作し、その凹所３１内に軟質樹脂材料２３を充填してベースブロック１１を固定し、さらに保護層材料２２で充填した変形例を示している。これにより安価なベンダーエレメント１０を提供することができる。図８（ｂ）には、凹所３１の底面３３から支持突起３４を形成し、その突起３４上にベースブロック１１を接着し、さらにわずかに隙間があるベースブロック１１の底部、側面、上面に、保護層材料２２で完全に充填でき、ベースブロック１１全体を被覆するようにすることができる。この変形例では図４（ｃ）のベンダーエレメント１０の特性に近似した性能が得られる。図８（ｃ）は外被ブロック３０の凹所３１の底面３３に直接ベースブロック１１を接着してベースブロック１１を凹所３１内に固定し、その周囲に保護層材料２２を充填した変形例を示している。この構造は、図４（ｂ）に示したベンダーエレメント１０の特性に近似した性能が得られる。図８（ｄ）には凹所３１の底面積と、ベースブロック１１の底面積がほぼ等しくなるように凹所３１を形成した外被ブロック３０が示されている。この変形例では、ベースブロック１１を凹所３１にはめ込むように取り付け、その上面に保護層材料２２を充填するようになっている。外被ブロック３０を使用した変形例中もっとも安価なベンダーエレメント１０とすることができる。この場合にも振動子１２が保護層２０で確実に被覆されているので、その感度、性能は同等のものが得られる。
【００２５】
なお、外被ブロック３０としては上述の発泡ポリスチレンの他、硬質発泡ポリウレタン等、加工が容易な軽量発泡樹脂材料を使用することができる。
【００２６】
上述の各変形例で示したように、振動子保護層２０は、少なくとも振動子１２の先端１２ａが表面からわずかに露出ないし突出するように形成することが好ましい。その先端１２ａの露出量あるいは突出量はベンダーエレメント１０を埋設する硬質材料の剛性や、想定される振動媒体としての特性によって適宜決定することが好ましい。このように、振動子１２の先端部１２ａを露出させて硬質材料にわずかに埋設させることにより、振動子１２から発生した振動が直接、硬質材料に伝播されるので、せん断波速度測定の精度を向上させることができる。
【００２７】
以上に述べたように、本発明のベンダーエレメント１０を用いることにより、従来測定できなかった、原位置の改良地盤中を鉛直方向に伝播するせん断波速度を精度良く測定することが可能となる。また、この軟質材料からなる振動子保護層２０を有する構造は受信側のベンダーエレメント１０にも適用できる。
【００２８】
図９は、本発明によるベンダーエレメントの有効性を検討するため、コンクリート中に埋設したベンダーエレメントから発信された振動波と、比較例としてのコンクリート中に埋設させない露出状態で通常のベンダーエレメントから発信された振動波を比較したものである。両者の受信波の波形は、所定の経過時間内においてほぼ一致していることがわかる。これにより、本発明によるベンダーエレメントを用いることにより、硬質材料の中に埋設して使用される振動子においても、その振動を確実に発信させることが可能であることが確認された。
【００２９】
【発明の効果】
以上に述べたように、ベンダーエレメントを改良地盤やコンクリートをはじめとする硬質材料の中に埋設して使用する場合にも、所定の振動を発信・受信させることができる。また、硬質材料中に埋設することによって、ベンダーエレメントの位置を常に一定にすることができ、かつベンダーエレメントの設置の再現性が完全に確保され、精度の高いせん断波速度の測定を行うことができる。さらに、振動子の先端部分を硬質材料に突出させることにより、振動子から発生した振動が確実に硬質材料に伝達され、せん断波速度測定の精度が向上するという効果を奏する。また、せん断波速度の測定終了後、ベンダーエレメントを硬質材料内から容易に取り出せることができるため、リサイクル使用も行うことできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  基本形状としてのせん断波速度測定用ベンダーエレメントの参考例を示した平面図、断面図。
【図２】  せん断波速度測定用ベンダーエレメントの参考例を示した平面図、断面図。
【図３】  せん断波速度測定用ベンダーエレメントの参考例を示した平面図、断面図。
【図４】  せん断波速度測定用ベンダーエレメントの参考例を示した平面図、断面図。
【図５】  せん断波速度測定用ベンダーエレメントの参考例を示した平面図、断面図。
【図６】  せん断波速度測定用ベンダーエレメントの一実施の形態を示した平面図、断面図。
【図７】  図６に示したせん断波速度測定用ベンダーエレメントの製作工程を示した工程説明図。
【図８】  図６のせん断波速度測定用ベンダーエレメントの変形例を示した断面図。
【図９】  本発明のせん断波速度測定用ベンダーエレメントの埋設時における振動特性を示した振動特性図。
【図１０】  従来のせん断波速度測定用ベンダーエレメントの一例を示した斜視図。
【図１１】  図１０に示したせん断波速度測定用ベンダーエレメントの起電原理を示した模式説明図。
【図１２】  図１０に示したせん断波速度測定用ベンダーエレメントによる測定状況の一例を示した説明図。
【符号の説明】
１０  ベンダーエレメント
１１  ベースブロック
１２  振動子
２０  振動子保護層
２２  保護層材料
２３  軟質樹脂材料
３０  外被ブロック
３１  凹所
【図１】
0003800521.tif 000002
【図２】
0003800521.tif 000003
【図３】
0003800521.tif 000004
【図４】
0003800521.tif 000005
【図５】
0003800521.tif 000006
【図６】
0003800521.tif 000007
【図７】
0003800521.tif 000008
【図８】
0003800521.tif 000009
【図９】
0003800521.tif 000010
【図１０】
0003800521.tif 000011
【図１１】
0003800521.tif 000012
【図１２】
0003800521.tif 000013