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第38回地盤工学研究発表会（秋 田）2003 年 7 月

縦方向に断面の変化のある杭に適用できる衝撃載荷試験の基礎的研究（その１杭打ち

衝撃荷重システムの再開発）

載荷試験㈱ジオトップ○正会員 小嶋英治
正会員 本間裕介
正会員 渡辺基弘㈱東京測振１．はじめに
当社は 1995 年から衝撃載荷試験を行ってきたが、保有の衝撃載荷試験器のハードが老朽化したため、ハードおよびソフトの再開発を行った。
衝撃載荷試験 1),2),3)は、①軸方向の力と速度（粒子速度）を求める、②軸方向の力を進行波と後退波とに分離する、③軸方向力の力の後退波から、波形マッチングを行い、杭の抵抗を同定し杭の支持力を算定する、方法である。本システムでひずみおよび加速度を測定している理由は、①の軸方向の力および速度を求めるためである。なお、センサーとして速度計を用いず加速度計を用いているのは、衝撃載荷試験に耐えられる、手ごろな速度計がないためで、速度は加速度を数値積分して求めている。
ハード（写真１参照）の開発にあたっては、縦方向に断面の変化のある杭に適用できるように、サンプリングタイムを小さくすることを心掛けた。また縦方向に断面の変化のあることにより、杭周面で加速度およびひずみのばらつく時の対策として、測定システムの多チャンネル化を目指した。
本システムのソフトは以下の３種類で構成されている。
すなわち、①測定時に用いる、波のモニタリングソフト（写真１参照）、②測定波の一次処理（デジタルフィルター処理 4）、データの再サンプリングなど）、進行波・後退波・CASE 法の作図、③波形マッチングと呼ばれる、杭の周面および先端のバネおよび減衰を同定する解析用ソフト、である。
２．ハードの仕様とモニタリングソフト
衝撃載荷試験測定システム（8ch 仕様：加速度計 4ch、ひずみ計 4ch）の回路ブロックを図１に示す。AD 変換は1ch 当たり、分解能 12bit、サンプリングタイム 15μsec〜8msec の可変、データ個数 65,536 以内で、トリガーは任意の加速度チャンネル選択、プレトイガー57,344 ポイント以内、ポストトリガー65,536 ポイント以内、トリガーレベル 0〜100％で指定、である。内蔵されている AD変換機の最速のサンプリングタイムは 10μsec であるが、安定性を考慮して 15μsec に抑えて使用している。
パソコンから、本システムのアンプ倍率、トリガー情報などを設定し、設定終了後、本システムをトリガー待ちにする。杭打機などを用いて杭に打撃を与え、杭に設置した加速度計が設定トリガーレベルを超えると、本システムにより加速度およびひずみのデータが AD 変換され、パソコンにデータが収録される。次に、モニタリングソフトを稼動させ、パソコンのディスプレーに加速度・ひずみ・軸方向力の進行波および後退波・CASE 法を作図する。加速度およびひずみのデータの良否を確認し、データが良好であれば、パソコンにデータを収録する。

正会員 二見智子
正会員 桑山晋一

チェック入力加速度アンプＣＨ１,３,５,７

歪み計アンプＣＨ２,４,６,８- 1923 -

Ａ／Ｄ*４
１２ｂｉｔ

データＡ／Ｄ*４１２ｂｉｔ

データ

データライン

レンジ、フィルタコントロール

FIFO
メモリ

データ

データ

ＦPGA
ロジック

ＣＰＵ

写真１ZERO
TRG

トリガ

ERR

ＵＳＢ出力

図１DATA READY

データ

ＲＳ−２３２Ｃ出力

ハードの回路ブロック図

衝撃載荷試験測定システム(HITTOP8)

写真２

周面自由杭の実験

３．波形マッチング解析ソフト
波形マッチング解析 1),2),3)における、杭の周面および先端の地盤抵抗モデルに Smith モデル 1),2),3)を採用している。
図２に杭先端および杭周面の力学モデルを、図３に杭・地盤におけるモデル化を、図４に波形マッチング解析のフロ―を示す。ここで、F(t)、V(t)は、測定したひずみおよび加速度から求めた、杭頭における軸方向の加速度と速度（粒子速度）の時刻暦で、Z は杭体のインピーダンスである。なお、加速度から速度の変換は数値積分による。
F(t)↓・F(t)↑は、F(t)および Z･V(t)を用いて分離した、測定から求めた進行波・後退波である。波形マッチング解析では、杭の周面および先端抵抗に剛性および減衰を仮定し、計算進行波 F(t)’↓・計算後退波 F(t)’↑を求める。測定から求めた後退波 F(t)↑と計算後退波 F(t)’↑とが合致（波形マッチング）するまでこれを繰り返す。ここで、波形マッチングに後退波 F(t)↑を用いるのは、後退波に杭周面および先端の抵抗および減衰の情報が含まれているからである。F(t)↑と F(t)’↑が合致すれば、仮定した杭の周面および先端抵抗の剛性および減衰が妥当であり、かつ収束したと判断し解析を終了する。
４．衝撃試験機の較正
本測定システムは、ひずみと加速度測定システムから構成されている。
本加速度の測定システムでは、杭の衝撃試験用のため、±5000G・±500G 等の大加速度用のセンサーを使用している。このような大きな加速度用のセンサーの較正に振動台等を用いることは容易ではない。そこで、較正された他の測定システムと、本システムの測定システムを容易に比較できるようにするために、本システムの加速度システムの 2 チャンネル分を、外部入力切替可（図１のハードの回路ブロック図でチェックと記入した個所）とし、切替た内蔵アンプを 1 倍とした。この仕様により、別系統の測定システムで本システムの AD を使用することが可能となり、較正された他の測定システムと比較することで、容易に較正できるシステムとなっている。
一方、ひずみ測定システムは、ひずみ較正器を用いて容易に較正できる。そこで、ひずみの測定システムには特別な較正用のシステムは組み込んでいない。
加速度メーカの較正値によれば、加速度計は入荷時期が同じであればばらつきはほとんどないが、入荷時期の異なったものでは±2％程度のばらつきがある。また、ひずみ計の感度のばらつきは小さいことが知られている。しかし、本システムでは全てのチャンネルごとにセンサーの較正値を入力できるシステムをとっている。
５．まとめ
本論文は衝撃載荷試験システムのハードおよびソフトの概要を紹介したものである。そのハードおよび波形マッチング解析フローの妥当性は、同名論文のその２、その３で、シンプルな杭・地盤のモデルを用い、衝撃載荷試験（写真２参照）の結果から検討する。
測定システムの多チャンネル化は、縦方向に変化のある杭だけでなく、多点の測定点を用いた衝撃載荷試験法に適用できるシステムとなっている。

frスライダー杭反力k− QPuQP
ダッシュポット(a)

地盤力学モデル

図２

塑性領域(b)

弾性領域

塑性領域

変位‑反力モデル

杭先端および杭周面の力学モデル

加速度計
スタート

歪ゲージ

計測したひずみ・加速度からF(t)とZ・V(t)を求める。

杭の周面抵抗と先端抵抗を仮定する。

fr

杭の差分モデルからu(t)を求める。
杭頭 ← F(t)杭中間、杭先端の計算

F(t)↓=
1/2{F(t)＋Z・V(t)｝F(t)↑=
1/2{F(t)‑Z・V(t)｝u(t)からV'(t)・F'(t)を求める

fr

F'(t)↑=1/2{F'(t)‑Z・V'(t)｝No

fr

F'↑(t)とF↑(t)は一致するか

Yes

fr

ストップ

図３

杭・地盤のモデル化図４

波形マッチング解析
プログラムのフロー

参考文献
1)地盤工学会：杭鉛直載荷試験方法・同解説、pp.227-244
2002.5.
2)松本樹典：波動理論の杭への応用における理論的背景、杭の打ち込み性および波動理論の杭への応用に関するシンポジウム発表論文集、土質工学会、pp.7-21、1989.
3)境友昭：波動理論の基礎 ―杭打ち解析のプログラム―
杭の打ち込み性および波動理論の杭への応用に関するシンポジウム発表論文集、土質工学会、pp.23-33、1989.
4)斎藤正徳：漸化式デジタル・フィルターの自動設計、物理探査、31巻、pp.240-263、1979.
謝辞
測定時に用いるモニタリングソフトの開発にあたっては、早稲田大学理工学総合研究センターの山田眞教授の御教示を頂きました。感謝の意を表します。

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