地中音による地すべり予測に関する基礎研究
建設設計工学研究室

土佐 啓幸

指導教官

宮木 康幸
鳥居 邦夫

1. はじめにり着目する音源に近づけ，ノイズから遠ざける

日本は国土の約８割近くが山地で占められために，単管パイプを用いずに，センサを地中ており，昔から種々の自然災害の中でも，山地に直接埋めることを考えた．また，どの位の深に由来する災害の比率が高い．最近は土砂災害

さまでセンサを地中に埋めることによって，降が著しく目立つようになり，日本全国の各地に雨の影響をノイズレベルにまで抑えることが危険箇所が数多く存在するため，斜面監視体制できるか，実験により検証した．の開発や強化が必要とされ，現在，日本では次に，昨年度の模型実験において，地すべり様々な方法を用いた斜面監視を行っている．の誘因である地下水流の変化をセンサで捉え

我が研究室では，CCD カメラを用いた斜面られるかを検討した．その結果，水平方向に流監視システムを開発している．このシステムの速を変化させると，100Hz 以下の周波数領域で特徴として，変動することがわかった．今年度は，地表面も・ 比較的広い面積を監視することが可能．

しくは地中に変動が現れた場合に，植物の根が・ 無人での自動監視が可能．

切れる音が発生することに着目し，この根切れなどが挙げられる．しかし，欠点としては，音の特性を調べ，地すべりの予測につながるか・ 斜面の地表だけが監視の対象となっている． どうかを検討した．
・ 夜間や気象条件などの外的な影響を受けやすい．などが挙げられる．

3. 計測機器について本研究で使用する計測機器を図 1 に示す．感

そこで，平成 12 年度から音響的手法を用い知した振動をセンサは電圧の変化としてとらた地すべり予測システムが考えられた．音響的える．この電圧はアナログ信号となり，アンプ手法の利点としては，地表面の変動が現れる前により増幅し，A/D コンバータによってデジタに斜面の内部変動の音を計測して，地すべりをル値に変換し処理され，ハードディスクに記録予測できることが考えられる．

している．

2. 研究概要
昨年度の地すべり現場計測において，センサを単管パイプに取り付けた場合のノイズ対策

センサ

アンプパソコンA/D 変換ボードとして，スポンジを表面に巻いた三角コーンを上からかぶせて使用していた．しかし，この対策方法では，気象，特に降雨の影響により地中音から地すべり予測を行うことは困難であることがわかった．そこで，今年度はセンサをよ

図1

計測機器

4. 計測方法の改善

散水ノズル

昨年度の現場計測より，従来の計測方法では，気象，特に降雨の影響によって地中音から地すべり予測を行うことは困難なのではないかと1m

水道いうことがわかった．

50cm
地面

10cm〜40cm

50cm

4.1. 新しい計測方法の提案

10cm 間隔

今年度は，センサをより着目する音源に近づ

センサ

け，地上から発せられるノイズから遠ざけるた

図3

めに，樹木や単管パイプなどのセンサを取り付

実験状況

ける媒体を介せずに，センサを地中に直接埋めセンサは，10cm，20cm と 10cm 間隔で 40cmることを考案した．
この計測方法を図 2 に示す．

まで埋め，その深さでの降雨音を計測し，FFT解析を行った．また，今回の実験では，センサを 40cm の深さに埋めたときに簡単な防音対策

従来の計測方法

として，センサ真上の地面に現場計測のときに使用していた三角コーンを用いて，降雨音の計単管パイプ

雨

センサ測も行った．実験結果を図 4 に示す．
風12地面

最大振幅10近似曲線

新しい計測方法

電圧（V）

8最大振幅（ノイズ）6最大振幅（三角コーン）

4音源

y = 17.61e -0.0745x
R2 = 0.8999

200

図2102030

4050深さ（cm）

新旧計測方法図4最大振幅

4.2. 降雨の影響について“降雨の音を拾って地中音の判別をすることが困難である”という従来の計測方法の最大の問題点について，センサを直接地中に埋める

このグラフは，各深さにおける降雨音の最大振幅をプロットしたものである．
近似曲線よりノイズと同等の最大振幅となという新たな計測方法で，どの位の深さまで地る深さを推定すると，中に埋めたら，降雨音の影響をノイズレベルにy = 17.61e −0.0745 xまで抑えられるか実験により検証した．実験状

ノ イ ズ の 最 大 振 幅 は ， 0.192919V で あ る ．

況を図 3 に示す．

x = 60 を代入すると，水の流量は，70ml/sec とした．これは，水がきれいにシャワー状になる最低流量である．これを時間降雨量に換算すると約 1000mm という，猛烈な雨となる．

y = 17.61e −0.0745×60= 0.201587 ≈ 0.192919となる．
したがって，地中に 60cm の深さでセンサを埋めることによって，降雨の影響はほぼ無くな0.09るものと考えられる．また，三角コーンを防音

0.08
0.07

対策として用いると，さらに降雨の影響を少な0.06
電圧（V）くすることができる．

0.05
0.04
0.03

5. 草の根切れ音について

0.02
0.01

地すべりの前兆現象として，頭部において亀226
237247183
194204215

140151161
17296.9108118
1295464.775.486.2裂が入ったり，末端部でせり出したりといった

1121.7
32.5
43.2

0.24

0
周波数（Hz）
植物１

現象がある．そこで，草や木の根が断ち切られ図7て音が発生することが考えられる．

植物２

植物３

FFT 解析結果

本研究では，この植物の根切れ音に着目し，その特性を調べ，地すべりの予測につながるかそれぞれの植物の根切れ音について比較す
ると，80Hz 付近と 100Hz 付近で共通して卓越どうかを検討した．

することがわかる．これは，平成 12 年度に行
5.1. 根切れ音の特性

われた地すべり現場において計測された根切地中を伝わる草の根切れ音の特性を調べるために実験を行った．実験状況を図 5 に示す．

れ音と思われる音の特性と非常によく似ている（図 8 参照）．

15cm0.2

対象植物

0.180.16

地面

0.120.1
0.08
0.06
0.040.02160012508001000630500400315250200160125801006350402531.520016センサ
図 5 実験状況

12.51cm4cm

電圧（V）

0.14周波数（Hz）

高さ約 30cm の３種類の植物（図 6 参照）を

図8

現場計測結果地面から抜き，それぞれの波形について FFT解析を行った．解析結果を図 7 に示す．

したがって，草の根切れ音から地すべり予測を行うことは，一つの判断基準として，有効なのではないかと考えられる．
根切れ音は，ノイズと比較すると衝撃波に近い．したがって，波形は矩形波に似ているため，傾きを求めると無限大に近い大きな値になることが考えられる．そこで，ノイズおよび，植物１〜植物３それぞれの波形について傾きを植物 1 植物 2

図6

植物 3

対象植物求め，その最大値を表１に示す．

表1

傾きの最大値

単位：V/sec

植物１植物２植物３

ノイズ

1.72×104

7.44×1032.25×103

3.41×10グラフより，2.0m までは草の根切れ音の特徴がわかり，判別可能であるといえる．
それぞれの FFT 解析値について，その最大値と距離の関係ついて示したグラフを図 11 に表を見ると，ノイズと植物では傾きが比べも示す．のにならないほど大きくなっていることがよ

0.02

くわかる．したがって，波形より根切れ音とノ0.018

イズの区別を行う際には，非常に有効な手段でFFT 解析結果最大値
（ノイズ）

0.014
電圧（V）はないかと考えられる．

FFT 解析結果最大値

0.016

0.012
0.010.008
0.006

5.2. センサの計測有効範囲

0.004

音源からセンサまでの距離を変化させ，草の0.0020

根切れ音と確認できる有効範囲を実験により検証した．実験状況を図 9 に示す．
0.5〜4.0m0図 11

対象植物

0.5

11.5

22.5
距離（ｍ）

33.5

44.5

FFT 解析値の最大値と距離の関係

グラフより，3m 以上になるとノイズと変わらない値になっていることがわかる．したがって，草の根切れ音と確認できるセンサの有効範

地面

囲は半径 2m 以内が妥当であると考えられる．

5cm

6. 木の根切れ音について
センサの有効範囲が半径 2m 以内では，実際

センサ

図9の地すべり現場の規模を考えると，これをカバ

実験状況ーするために，非常に多くのセンサが必要にな高さ約 30cm の同種類の植物とセンサまでのることが想像される．そこで，木の根切れ音に距離を，0.5m，1.0m，2.0m，3.0m，4.0m と着目し，草と比較して，根の太さや強さの違い離していき，それぞれの植物の根切れ音を計測から，エネルギーが非常に大きいため，センサし，FFT 解析を行った．解析結果を図 10 に示の有効範囲が広がるのではないかと考え，これす．

を検証した．実験状況を図 11 に示す．
0.020.018

5m0.0160.0123m

地面

0.010.008

1m

10cm

0.006
0.004
0.002

センサ３

図 12

周波数（Hz）
0.5m

図 101.0m

2.0m

センサ２

3.0m

4.0m

FFT 解析結果

センサ１228
239250

163
174
185
196
207
217

97.9
109120130141152

32.7
43.6
54.4
65.3
76.2
87

0
0.12
1121.9

電圧（V）

0.014

実験状況

木の根

３種類の木の根（図 13 参照）を地面から引き抜き，それぞれの波形について FFT 解析を0.006行った．白い円は，根を引き抜いた際の破断箇0.005

所である．
電圧（V）

0.004

0.003
0.002

0.001

269282295

205
218231244
257

141
154
167
180
192

89.9
103116
128

25.8
38.6
51.4
64.277.10.15130周波数（Hz）

図 15
根１根２

図 13

FFT 解析結果（3m）

根３0.006

木の根0.005

また，表 2 に木の根の太さと，引張強さにつ地中から引き抜くときの強さを示す．

0.004
電圧（V）

いて，表 3 に本研究で用いた草の根の太さと，

0.003
0.002

0.001

表 2 木の根の太さおよび引張強さ
2.82.4強さ（N）

235176176

表 3 草の根の太さおよび引張強さ
根の太さ

太くても 0.2mm〜0.1mm 位

強さ

平均 30N

269282
295

3205
218
231
244257

破断面の太さ（mm）

0141
154167180
192

389.9103116
128

225.8
38.6
51.4
64.2
77.1

10.15
13根 No.

周波数（Hz）

図 16FFT 解析結果（5m）

解析結果より，木の根からセンサまでの距離が短いと高い周波数が卓越し，離れるにつれ，低い周波数が卓越することがわかる．
それぞれの FFT 解析値について，その最大各根の解析結果について，似た結果が得られたため，根２の解析結果を図 14〜16 に示す．

値と距離の関係ついて示したグラフを図 17 に示す．
0.005

0.006

FFT 解析結果最大値

0.0045
0.005

近似曲線

0.004

FFT 解析結果最大値（ノイズ）

0.0035
電圧（V）

0.003

0.002

y = 0.0052e -0.2043x
R2 = 0.9523

0.003
0.00250.002
0.0015
0.001

0.001

0.00050

周波数（Hz）

図 14

FFT 解析結果（1m）0257
269282295180192
205
218231244103116128141154167

38.6
51.4
64.277.189.900.151325.8電圧（V）0.004

図 17123距離（m）

456

FFT 解析値の最大値と距離の関係

ノイズと区別がつくセンサの有効範囲は，グ常によく似ている．したがって，草の根切れ音

ラフより，半径 5m 以上でも有効であることがから地すべり予測を行うことは，一つの判断基わかる．

準として，有効なのではないかと考えられる．
また，根切れ音は，ノイズ等と比較すると衝近似曲線より，ノイズと同等の最大値となる距離を推定すると，

y = 0.0052e −0.2043 x

撃波に近いため，この２つの波形は傾きの大きさが比べものにならないほど異なった．したがノイズの FFT 解析値の最大値は 0.00089V より， って，波形から根切れ音とノイズの判別を行う

x = 9 を代入すると，−0.2043×9

y = 0.0052e= 0.000827 ≈ 0.00089となる．

際には，非常に有効な手段ではないかと考えられる．
最後に，草の根の根切れ音と確認できるセン
サの有効範囲は半径 2m 以内である．

したがって，センサの有効範囲は半径 9m 以内が妥当であると考えられる．

7.3. 木の根切れ音について

地すべりを予測する際には，木の根切れ音に

木の根切れ音は草の根切れ音と比較して，根着目することにより，一つのセンサが負担するの太さや強さの違いから，エネルギーが非常に面積が広がるため，現場を広範囲に計測するこ

大きく，センサの有効範囲が広がり，今回の実とができる．

験では，ノイズとの区別ができるセンサの有効範囲は半径 9m 以内であることがわかった．地7. まとめ
今年度の研究成果を以下に示す．

すべりを予測する際には，木の根切れ音に着目することにより，一つのセンサが負担する面積が広がるため，現場を広範囲に計測することが7.1. 降雨音の影響についてできる．

センサを直接地面に埋めるという新しい計測方法により，着目する音源に近づけることが参考文献できた．また，「降雨音の影響によって地中音1)Gazi Jubayet Jalil：音響的手法の地滑り予から地すべり予測を行うことは困難」という，知システムへの応用に関する基礎研，長岡

従来の計測方法の最大の問題点が，センサを地技術科学大学大学院工学研究科修士論文，面から 60cm 程度の深さまで埋めることによっ平成 13 年て，降雨の影響をノイズレベルにまで抑えられ2)

丹羽康修：地中音による地すべり予知シる．また，三角コーンを防音対策として用いるステムの開発のための振動基礎研究，長岡と，さらに降雨の影響を少なくすることができ技術科学大学大学院工学研究科修士論文，

る．

平成 14 年
3)

7.2. 草の根切れ音について
草の根切れ音について，80Hz 付近と 100Hz付近で卓越していることがわかった．これは，
平成 12 年度に行われた地すべり現場において計測された根切れ音と思われる音と特性が非上畑吉紀：模型実験を用いた地中音による地すべり予測に関する基礎研究，長岡技術科学大学大学院工学研究科修士論文，平成 15 年