JP2006003323A - ロックボルト軸力分布計測方法及びロックボルト - Google Patents

Abstract

【課題】 管理が簡易で確実に軸力を計測することの可能なロックボルト軸力分布計測方法及びロックボルトを提供すること。
【解決手段】 中実のロックボルト１０の施工時に予めロックボルト１０の露出部である入力部１１から超音波を送信すると共に受信して標点間の受信時間差を求める超音波測定を実施し、後に改めて超音波測定を実施して受信時間差の変化により軸力を算定する。ロックボルトにおける超音波の入射部１１と終端１２との間に超音波を反射する標点を設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナトム工法などの地盤改良工法に用いるロックボルトの軸力を計測するロックボルト軸力分布計測方法及びこれに用いるロックボルトに関する。

ロックボルト軸力分布計測方法としては、例えば特許文献１，２に記載の如き発明が知られている。特許文献１に記載の発明では、異形棒鋼型ロックボルトからなる軸力測定計に測定溝を設け、その底面にストレンゲージを貼付し、リード線を測定溝に配設している。また、特許文献２に記載の発明では、鋼管膨張型ロックボルトの表面にストレンゲージを貼付しその周りを防護パイプ、充填材等でストレンゲージ及び入出力ケーブルを保護している。

いずれの先行発明においても、ストレンゲージを用いて軸力を計測しており、計測部までケーブルを配設しなければならず、トンネル現場での取り扱いは煩雑で測定計としても高価なものとなっていた。

また、ロックボルトとは全く技術分野の異なる参考例であるが、特許文献３に記載の如く超音波によるボルト軸力計測法が知られている。同発明は、軸方向の縦波と横波の伝播時間の比を求め、予め既知の軸力下で求めた縦波と横波の伝播時間の比と軸方向の引張応力との関係から、締結されたボルト全体のボルト軸力を求めている。よって、ロックボルトに適用するという点の示唆もその適用時の実現性等についての開示も全く見受けられない。
実開平４−３８５４１号 特開２００４−３７２２７号 特開平５−２０３５１３号

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、管理が簡易で確実に軸力を計測することの可能なロックボルト軸力分布計測方法及びロックボルトを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るロックボルト軸力分布計測方法の特徴は、中実のロックボルトに作用する軸力を計測するロックボルト軸力分布計測方法であって、前記ロックボルトの施工時に予めロックボルトの露出部である入射部から超音波を送信すると共に受信して標点間の受信時間差を求める超音波測定を実施し、後に改めて超音波測定を実施して受信時間差の変化により前記軸力を算定することにある。

同特徴によれば、ストレンゲージを用いることなく、各標点における超音波の受信時間差の変化により軸力を算定することができる。

また、ロックボルトにおける超音波の前記入射部と終端との間に超音波を反射する標点を設けてもよく、各標点が切欠であってもよい。

さらに、超音波が横波である場合には、ロックボルトの入射部がロックボルトの長手方向に対して傾斜していることが望ましい。

一方、上記ロックボルト軸力分布計測方法に用いることの可能なロックボルトの特徴は、前記超音波が横波である場合において、前記超音波の入射部がロックボルトの長手方向に対して傾斜していることにある。また、超音波の入射部と終端との間に超音波を反射する複数の標点を設けてもよく、表面が平滑で丸断面形状となるようにロックボルトを形成してもよい。

上記本発明に係るロックボルト軸力分布計測方法の特徴によれば、超音波を用いることでストレンゲージの配線等が不要で管理が簡素であり、しかも、確実に軸力を計測することが可能なロックボルト軸力分布計測方法及びロックボルトを提供するに至った。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。図１（ａ）は本発明の軸力計測に用いるロックボルト１０と軸力分布計測装置１とを示す。軸力分布計測装置１は、超音波をロックボルト１０へ送受信する探触子２と、超音波を発信及び受信するパルサー・レシーバー３と、信号を制御すると共に受信信号を処理・表示するＰＣ（パーソナルコンピュータ）４及びモニター５を備えている。

ロックボルト１０は、超音波を入射させる入射部１１と、先端をテーパー状に尖らせた他方の端部１２とを備えている。露出部となる入射部１１は、縦波を入射させる場合、図１（ａ）に示すようにロックボルト１０の一部を平坦に削り込み、平坦面を形成している。この平坦面に探触子２を接触させ、超音波がロックボルト１０内に向けて送受信される。一方、横波を入射させる場合には、図３（ｂ）に示すように、露出部となる入射部１１は、ロックボルト１０を斜めに削り込み、斜面を形成している。この斜面に探触子２が接触し、超音波がロックボルト１０内に向けて送受信される。この斜面はロックボルト１０全体の軸線に対して略４５度程度傾斜し、探触子２から横波の超音波が送信される。端部１２は、先端がテーパー状に尖った終端１２ｂまで鋼材等で一体成形する他、ロックボルト１０の終端１２ａに先端の尖った樹脂製キャップ等１２ｂを接着させるようにしてもよい。

ロックボルト１０の適宜箇所には図２（ａ）（ｂ）に示すように標点として複数の切欠Ｎ１−５が形成されている。

各切欠Ｎ１−５は、それぞれがロックボルト１０の周部にボルト長手方向に垂直に切り込むように可能な範囲で設けられ、異なる長手方向位置において位相が同じ位置に配置されている。また、端部１２はテーパー状で適正な信号が反射されにくいことから、端部１２近傍の切欠Ｎ５は他の切欠Ｎ１−４よりも深く切り込んで、信号の反射が確実となるように構成してある。

ところで、各切欠Ｎ１−５の内部にロックボルト１０の材料と音響インピーダンスの近い材料が浸入すると、各切欠Ｎ１−５からの反射信号が低減する場合も考えられる。したがって、図２（ｃ）に示すように、各切欠Ｎ１−５にはロックボルト１０の材料と音響インピーダンスの異なる材料、例えば、合成樹脂等、超音波の伝播率が低い材料よりなる挿入体１６を充填等により各切欠Ｎ１−５の内部に介在させてもよい。

各切欠Ｎ１−４は図２（ｄ）のように異なる長手方向位置において位相が異なるように配置してもよく、この場合、超音波が中間部の切欠Ｎ１−４及び端部１２のものをより確実に検出することができる。なお、標点は切欠以外に凹部や突起でもよいが、切欠が超音波の反射を最も明瞭に検出することができる。また、ロックボルト１０の強度と後続の切欠からの反射に重大な影響を与えない範囲内で、図２（ｅ）に示すように、ロックボルト１０の外周に切欠Ｎ１−５として全周溝を形成してもよい。

設置に際しては、トンネル壁１００の適宜箇所に形成された挿入孔１０１にセメントミルク、グラウト等の充填材１０２を充填する。充填後、図１（ａ）の如く充填材１０２が充填された挿入孔１０１にロックボルト１０を挿入することにより、ロックボルト１０の挿入孔１０１への定着が完了する。挿入孔１０１にロックボルト１０を挿入した後、モルタル等の充填材１０２を充填してもよい。入射部１１の近傍にはベアリングプレートが介挿され、実質的にトンネル壁１００を支持する。

計測に際しては、図１（ａ）のように入射部１１の面に探触子２を接触媒質を介して接触させ、超音波を入射すると共に受信する。図３（ｂ）の場合は斜面に形成した入射部１１に探触子２を接触させる。

まずは、超音波の発信時刻と図１（ｂ）に示す各標点（Ｎ１−５）から反射してくる反射波の受信時刻の差から伝播時間Ｔ_i（ｉは区間番号）が求められる。次に、隣接する区間の伝播時間の差Ｔ_i−Ｔ_i-1から区間伝播時間が算出できる。上記の手順に基づいて、ロックボルト打設直後に各標点区間ＳＣ１〜５の各区間伝播時間を初期値として計測する。打設後随時に各区間伝播時間を同様に計測して、それぞれ初期値に対する変化率（区間伝播時間変化率ｄＤ）を求める。予め求めておいた軸力と区間伝播時間変化率ｄＤとの相関関係から、各区間の軸力が算定できる。

発明者らの実験によれば、鋼材試験体を伸長させることによる軸力Ｆと、標点間の伸長の程度に相当する伝播時間変化率ｄＤとは一定の相関関係にあることが判明した。縦波の場合はこれらの比例係数ｄＤ／Ｆが横波の場合よりも大きくなり、横波の場合は軸力Ｆと伝播時間変化率ｄＤとはほぼ比例していた。縦波の場合には、軸力Ｆによる試験体の伸長に加え、超音波の伝播速度が軸力Ｆにより低下する影響が積算されている。そして、これらの相関と上記測定した伝播時間変化率ｄＤとを用いることで、ロックボルト１０の軸力Ｆを実質的に求めることが可能である点、実験により確認がなされた。また、図１（ａ）に示す縦波の場合は５ＭＨｚ程度の周波数領域で反射波検出がより良好であったが、図３（ｂ）に示す横波の場合は１ＭＨｚ〜２ＭＨｚ程度の周波数領域で反射波検出がより良好となることが判明した。

なお、上記実施形態では、本発明をロックボルトの軸力分布計測方法として表現したが、本発明はロックボルトの伸長分布計測方法とも表現することができる。

本発明では、横波と縦波との双方を使用でき、また、ロックボルト１０も図３（ａ）の如く表面に凹凸が存在するものと図１（ａ）の如く凹凸がほとんど存在しないものとの双方を使用できる。したがって、本発明には波の種類が２種類と表面の凹凸状態が２種類の合計４種類の組み合わせが考えられる。ただし、表面に凹凸が存在するものでも反射波の計測は可能であるが、図１（ａ）、図３（ｂ）のように、丸棒のような表面に凹凸がほとんど存在しないものの方が、超音波の減衰が少ないため、長尺ロックボルトの軸力分布計測にはより好適である。

なお、上記実施形態において、ロックボルト１０に標点として５カ所の切欠Ｎ１−５を形成したが、標点の数は５カ所に限られるものではなく、ロックボルト１０の強度に影響を与えない範囲内で任意に設定することができる。

本発明は、トンネル施工法の一種である所謂ナトム工法に用いられるロックボルトの軸力を計測するロックボルト軸力分布計測方法として利用することができる。また、トンネル以外の地盤改良のためのロックボルトの軸力分布計測方法にも用いることが可能である。

（ａ）はロックボルトの破砕図及び軸力分布計測装置のブロック図、（ｂ）はロックボルトの全長における切欠位置を示す図である。 （ａ）はロックボルトと切欠との関係を示すボルト軸方向に垂直な平面での断面図、（ｂ）は（ａ）の別実施形態を示す図、（ｃ）はロックボルトと切欠との関係を示すボルト軸方向に沿った断面図、（ｄ）は（ａ）のさらに別の実施形態を示す図、（ｅ）は（ａ）のさらに別の実施形態を示す図である。 （ａ）（ｂ）はロックボルトのさらに別の実施形態を示す破砕図及び軸力分布計測装置のブロック図である。

符号の説明

１：軸力測定装置、２：探触子、３：パルサー・レシーバー、４：ＰＣ、５：モニター、１０：ロックボルト、１１：入射部、１２：端部、１２ａ，１２ｂ：終端、１６：挿入体、１００：トンネル壁 、１０１：挿入孔、１０２：充填材、Ｎ１−５：標点（切欠）、ＳＣ１−５：標点区間、Ｄａ：伝播時間、Ｄｂ：区間伝播時間、ｄＤ：伝播時間変化率

Claims (7)

1. 中実のロックボルト（１０）に作用する軸力を計測するロックボルト軸力分布計測方法であって、前記ロックボルトの施工時に予めロックボルトの露出部である入射部（１１）から超音波を送信すると共に受信して標点の受信時間差を求める超音波測定を実施し、後に改めて前記超音波測定を実施して受信時間差の変化により前記軸力を算定することを特徴とするロックボルト軸力分布計測方法。
2. 前記ロックボルトにおける超音波の前記入射部（１１）と終端（１２）との間に超音波を反射する標点を設けたことを特徴とする請求項１記載のロックボルト軸力分布計測方法。
3. 前記標点が切欠を含むことを特徴とする請求項１又は２記載のロックボルト軸力分布計測方法。
4. 前記超音波が横波であり、前記ロックボルトの入射部（１１）がロックボルトの長手方向に対して傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロックボルト軸力分布計測方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のロックボルト軸力分布計測方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記超音波の入射部（１１）がロックボルトの長手方向に対して傾斜していることを特徴とするロックボルト。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載のロックボルト軸力分布計測方法に用いることの可能なロックボルトであって、超音波の入射部（１１）と終端（１２）との間に超音波を反射する複数の標点を設けたことを特徴とするロックボルト。
7. 請求項１〜４のいずれかに記載のロックボルト軸力分布計測方法に用いることの可能なロックボルトであって、表面が平滑で丸断面形状を有することを特徴とするロックボルト。
   

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