JP2008175613A - 地盤挙動の分析方法、装置及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】地盤の全体的な挙動を表現して地盤全体としての健全性を判断することができると共に地盤の部分的な挙動を表現して地盤の部分的な異常も判断することができるようにする。
【解決手段】地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データを用いて主成分分析を行い、主成分分析の結果得られる第一主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての第一主成分の主成分得点を算出し、主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動を分析するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、地盤挙動の分析方法、装置及びプログラムに関する。さらに詳述すると、本発明は、例えば地盤の切り取り斜面や自然斜面の維持管理に適用して好適な地盤挙動の把握及び分析を行う技術に関する。

切り取り斜面や重要構造物周辺の自然斜面の挙動を把握することは、崩壊を事前に予知・予測して設備被害や公衆災害を軽減するための基礎データの整備として重要であると共に、地盤の挙動に基づいて当初設計の確認・変更を行ういわゆる情報化施工においても欠くことができない。地盤の挙動は、主に地表面や地中の変位を種々の機器を用いて計測した結果を分析することによって把握することが通常である。

従来の地盤の変位挙動の監視並びに予測解析を行う装置としては、例えば地盤・構造物挙動監視装置がある（特許文献１）。この地盤・構造物挙動監視装置は、図５に示すように、被監視点に設置されるターゲット１０１と、監視点から被監視点のターゲット１０１までの距離並びに水平方向及び鉛直方向の角度を経時的に計測する測距手段１０２並びに測角手段１０３と、測距手段１０２及び測角手段１０３の測定データから被監視点の各ターゲット１０１の座標値を算出して経時的な変位挙動の監視を行う監視装置１０４とを備えるものである。そして、監視装置１０４は、測距手段１０２及び測角手段１０３の測定データから被監視点の座標値を算出し、この座標値データから被監視点ごとの変位挙動を求めると共にこの変位を管理基準値と比較して被監視点ごとの変位レベルを判定する。また、監視装置１０４は、時系列に蓄積した座標値データを用いて変位挙動の予測解析を行う。

特開平９−２１６３６号

しかしながら、地盤の変位挙動の傾向は地盤周囲の気温変化や地盤の日照状況や地盤の形状等によって地盤ごとに異なるので、計測によって得られる地盤の変位データは計測の時期や地盤によって多様な変動傾向を有する。さらに、地盤の変位データは複数時点のデータであって計測対象地盤内の複数地点のデータであるので多変量データである。このため、特許文献１の地盤・構造物挙動監視装置では、被監視点ごとの変位挙動を求めて被監視点ごとの変位レベルを判定するようにしているので、地盤挙動の分析に困難性を伴うと共に多大な労力を必要とする。また、特許文献１の地盤・構造物挙動監視装置は、地盤の変位挙動を計測した多変量データ相互の関係を容易に把握することができるとは言えず、地盤の全体的な挙動を表現することができる方法とは言い難い。

また、特許文献１の地盤・構造物挙動監視装置では、被監視点ごとの変位を管理基準値と比較するようにしているので被監視点単位でみた場合の地盤の部分的な異常を判断することはできても、地盤の全体的な挙動からみた場合の地盤全体としての健全性を判断することはできない。

そこで、本発明は、地盤挙動の分析に多大な労力を必要とすることなく、地盤の全体的な挙動を表現して地盤全体としての健全性を判断することができ、尚かつ地盤の部分的な挙動を表現して地盤の部分的な異常も判断することができる地盤挙動の分析方法、装置及びプログラムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１記載の地盤挙動の分析方法は、地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データを用いて主成分分析を行い、主成分分析の結果得られる第一主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての第一主成分の主成分得点を算出し、主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動を分析するようにしている。

また、請求項２記載の地盤挙動の分析方法は、地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データを用いて主成分分析を行うステップと、主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定するステップと、管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出するステップと、管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動の分析を行うステップとを有するようにしている。

また、請求項３記載の地盤挙動の分析装置は、地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データを用いて主成分分析を行う手段と、主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定する手段と、管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出する手段と、管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動の分析を行う手段とを有するようにしている。

また、請求項４記載の地盤挙動の分析プログラムは、地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データ及び前記一定期間とは異なる期間の変位データが記録されたデータベースにアクセス可能なコンピュータに、前記一定期間の変位データを用いて主成分分析を行う処理と、主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定する処理と、管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出する処理と、管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動の分析を行う処理とを行わせるようにしている。

したがって、この地盤挙動の分析方法、装置及びプログラムによると、主成分分析を行って地盤の複数地点且つ複数時点の変位データの集合全体としての状態を表す指標である主成分得点を算出して地盤全体としての総合評価がされるので、地盤の全体的な挙動を表現すると共にこれに基づいて地盤全体としての状態を分析することができる。さらに、地盤に部分的な変位が生じた場合も部分的な現象が反映された主成分得点が算出されて地盤において部分的に生じた現象の評価もされるので、地盤の部分的な挙動を表現すると共にこれに基づいて地盤の部分的な状態を分析することができる。

具体的には、地盤挙動の分析を行う期間の主成分得点が時間的変化の全体の趨勢からみて一旦特異な変動をした後に比較的短期間のうちに全体の趨勢に合った変動に戻る場合には分析対象の地盤に部分的な変位が生じていると考えられる。また、大きくなる向き又は小さくなる向きのどちらか一方の向きの主成分得点の変動が長期間続く場合には分析対象の地盤に全体的な変位が生じていると考えられる。

本発明の地盤挙動の分析方法、装置及びプログラムによれば、変位データの集合全体としての状態を表す指標である主成分得点を算出して地盤全体としての総合評価をするようにしているので、被監視点ごとの変位を求めて被監視点ごとに変位挙動を評価する場合と比べて分析の労力を省力化することができる。また、地盤の複数地点且つ複数時点の変位データ全体を用いて主成分得点を算出して地盤全体としての総合評価がされるので、地盤の全体的な挙動を表現することが可能であり、これに基づく地盤全体としての状態の分析を行って地盤全体としての健全性を判断することができ、地盤の維持管理の精度の向上を図ることができる。さらに、地盤の部分的な現象が反映された主成分得点が算出されて地盤の部分的な評価がされるので、地盤の部分的な挙動を表現することが可能であり、これに基づく地盤の部分としての状態の分析を行って地盤の部分的な異常の有無を判断することができ、この点からも地盤の維持管理の精度の向上を図ることができる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に、本発明の地盤挙動の分析方法、装置及びプログラムの実施形態の一例を示す。この地盤挙動の分析方法は、地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データを用いて主成分分析を行い、主成分分析の結果得られる第一主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての第一主成分の主成分得点を計算し、主成分得点の推移に基づいて地盤の全体的な挙動及び部分的な挙動を分析するようにしている。

そして、上記地盤挙動の分析方法は、図１に示すように、地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データの読み込みを行うステップ（Ｓ１）と、読み込んだ変位データを用いて主成分分析を行うステップ（Ｓ２）と、主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定するステップ（Ｓ３）と、管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出するステップ（Ｓ４）と、管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の維持管理を行うステップ（Ｓ５）とからなる処理構成により実現される。

また、上記地盤挙動の分析方法は、本発明の地盤挙動の分析装置として実現される。本発明の地盤挙動の分析装置は、地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データの読み込みを行う手段と、読み込んだ変位データを用いて主成分分析を行う手段と、主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定する手段と、管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出する手段と、管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の維持管理を行う手段とを有する。

上述の地盤挙動の分析方法並びに地盤挙動の分析装置は、本発明の地盤挙動の分析プログラムをコンピュータ上で実行することによっても実現される。本実施形態では、地盤挙動の分析プログラムをコンピュータ上で実行する場合を例に挙げて説明する。

地盤挙動の分析プログラム１７を実行するための本実施形態の地盤挙動の分析装置の全体構成を図２に示す。この地盤挙動の分析装置１０は、制御部１１、記憶部１２、入力部１３、表示部１４及びメモリ１５を備え相互にバス等の信号回線により接続されている。また、地盤挙動の分析装置１０にはデータサーバ１６が通信回線等により接続されており、その通信回線等を介して相互にデータや制御指令等の信号の送受信（出入力）が行われる。

制御部１１は記憶部１２に記憶されている地盤挙動の分析プログラム１７により地盤挙動の分析装置１０全体の制御並びに主成分分析を用いた地盤挙動の分析に係る演算を行うものであり、例えばＣＰＵである。記憶部１２は少なくともデータやプログラムを記憶可能な装置であり、例えばハードディスクである。入力部１３は少なくとも作業者の命令を制御部１１に与えるためのインターフェイスであり、例えばキーボードである。表示部１４は制御部１１の制御により文字や図形等の表示を行うものであり、例えばディスプレイである。メモリ１５は制御部１１が各種制御や演算を実行する際の作業領域であるメモリ空間となる。また、データサーバ１６は少なくともデータを記憶可能なサーバである。

地盤挙動の分析装置１０の制御部１１には、地盤挙動の分析プログラム１７を実行することにより、地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データの読み込みを行うデータ読込手段１１ａと、読み込んだ変位データを用いて主成分分析を行う主成分分析実行手段１１ｂと、主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定する基準主成分選定手段１１ｃと、管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出する主成分得点算出手段１１ｄと、管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の維持管理を行う維持管理手段１１ｅとが構成される。

本発明の地盤挙動の分析方法の実行にあたっては、まず、制御部１１のデータ読込手段１１ａは、Ｓ２の処理である主成分分析に用いる分析対象の地盤の変位データの読み込みを行う（Ｓ１）。

本実施形態では、地盤の変位データとして、観測点から被観測点までの距離データであって複数の被観測点ごとの複数時点の距離データの前の時点の計測値との差分のデータが用いられる。

なお、分析に用いるデータは、連続して計測されているデータの場合には例えば一時間や一日など所定時間内の平均をとることにより複数時点のデータとしても良いし、間隔をあけて計測されているデータの場合にはそのまま複数時点のデータとしても良いし若しくは当該計測間隔よりも長い時間例えば一時間や一日など所定時間内の平均をとることにより複数時点のデータとしても良い。

そして、本実施形態では、観測点から被観測点までの距離データとして、地盤の地表面に相互に間隔をあけて設定された被観測点に標点（ターゲットとも呼ばれる）が設置されると共に、観測点に設置した光波測距儀を用いた光波測量によって得られる標点までの距離データが用いられる。なお、観測点から被観測点までの距離データの計測方法は、光波測量に限定されるものではなく、二地点間の距離を計測できる方法であればどのような方法であっても良い。

また、分析に用いるデータは、地盤地表面の動きのデータである観測点から地盤地表面の被観測点までの距離の差分のデータに限定されるものではなく、地盤の挙動に関するデータであればどのようなデータであっても良い。例えば、地盤内部の動きのデータでも良い。具体的には、地盤に設けられた観測孔内に挿入された傾斜計を用いた地中変化計測によって得られる観測孔の傾斜の差分のデータでも良い。

分析に用いるデータの収集について、被観測点の数や計測期間の長さは、作業者が適宜設定すれば良く、例えば分析対象の地盤の大きさにより被観測点の数を適宜設定したり、データ収集の手間と地盤挙動の分析の重要度や目的とに基づいて計測期間の長さを適宜設定したりすることが考えられる。

なお、被観測点は少なくとも二地点以上あれば良いが、被観測点が設定されていない場所における部分的な地盤の変位は観測できないことになり、また、被観測点の密度が高いほど分析の精度は向上するので、被観測点の設定の密度は高い方が望ましい。また、被観測点は等間隔に設定されるようにしても良いし、不等間隔に設定されるようにしても良い。また、変位データの時点数は被観測点のそれぞれについて少なくとも二時点以上必要である。

本実施形態では、地盤の変位データは地盤の変位データベース１８としてデータサーバ１６に記憶される。しかしながら、地盤の変位データベース１８は、データサーバ１６に記憶されていることに限られるものではなく、記憶部１２に記憶されているようにしても良いし、ＭＯ（Ｍagneto−Ｏptical）ディスクやＣＤ（Ｃompact Ｄisc）等の記憶媒体に記憶されているようにしても良い。なお、地盤の変位データベース１８が地盤挙動の分析装置１０とは別の記憶媒体に記憶されている場合には、地盤挙動の分析装置１０に付属する若しくは接続された当該記憶媒体の読込装置（図示せず）を介して地盤の変位データが読み込まれる。

データ読込手段１１ａは、データサーバ１６に記憶されている地盤の変位データベース１８から、Ｓ２の処理である主成分分析に用いる一定期間（以下、データ計測期間と呼ぶ）の地盤の変位データを読み込み、読み込んだデータをメモリ１５に記憶させる。

地盤の変位データベース１８からのデータ計測期間に対応する地盤の変位データの読み込みは、データ計測期間の始期及び終期を地盤挙動の分析プログラム１７上に予め規定しておくと共に当該期間内のデータをデータ読込手段１１ａが読み込むようにしても良いし、データ計測期間の始期及び終期を作業者が指定すると共にこれらから特定される期間内のデータをデータ読込手段１１ａが読み込むようにしても良い。

作業者がデータ計測期間の始期及び終期を指定する場合には、データ読込手段１１ａが、Ｓ１の処理の段階でデータ計測期間の始期及び終期の指定を要求する内容のメッセージを表示部１４に表示し、入力部１３を介して入力された作業者の指定の始期及び終期から特定される期間をデータ計測期間として当該期間内のデータを読み込むようにする。

次に、制御部１１の主成分分析実行手段１１ｂは、Ｓ１の処理で読み込まれてメモリ１５に記憶された地盤の変位データを用いて主成分分析を行う（Ｓ２）。

主成分分析自体は周知の手法であるのでここでは詳細については省略する（例えば、田中・脇本：多変量統計解析法，現代数学社，１９８３年）。

本発明における主成分分析の合成変量Ｚは数式１で表される。

ここに、Ｚ：合成変量，ａ：重み係数，ｘ：変位データ値，ｉ：観測時点，ｋ：変位データの識別子（本実施形態では標点の番号），ｐ：変位データの個数（ここでは標点の箇所数）。

数式１で表される合成変量ｚの分散Ｖは数式２で表される。

ここに、Ｖ：分散，ｚ：合成変量，ｎ：観測時点の数，ａ：重み係数，ｘ：変位データ値，ｉ：観測時点又は変位データの識別子，ｊ：変位データの識別子，ｐ：変位データの個数，ｓ_ｉｊ：ａ_ｉとａ_ｊとの共分散。また、合成変量ｚ及び変位データ値ｘの上付線は平均を表す。

そして、主成分を求める問題は、合成変量ｚの分散Ｖ(ｚ)を数式３の制約条件のもとで最大化する問題となる。

この問題は、Ｌａｇｒａｎｇｅの未定乗数法により数式４に表す固有値問題となる。なお、λは未定乗数を表す。

数式４より得られる未定乗数λは固有値を示し、固有値（λ_１，λ_２，…，λ_ｐ）は固有ベクトル上の分散値を示す。数式５で表される固有ベクトルは数式１の重み係数ａと等しい。そして、分散値の最も大きな固有ベクトルから順に第一主成分，第二主成分，…，第ｐ主成分となる。また、固有ベクトルをもとに計算した合成変量ｚは主成分得点となる。

主成分分析実行手段１１ｂは、メモリ１５から標点ごとの観測時点別の変位データを読み込み、主成分分析を行う。具体的には、標点ｋごとの観測時点ｉ別の変位データ値ｘ_ｋｉを読み込むと共に数式１から４を用いて主成分分析を行い、重み係数ａ_ｋ、第Ｐ主成分ごとの固有値並びに寄与率を算出する（ただし、Ｐ＝１，２，…，ｐ）。さらに、数式１を用いて第Ｐ主成分ごとの主成分得点を算出する。なお、数式１から４は地盤挙動の分析プログラム１７上に予め規定される。

ここで、主成分分析を行う際、標点ごとの観測時点別変位データをそのまま用いるようにしても良いし、観測時点別変位データについての標点別の分散を比べたときに標点別分散の最小値と最大値との差が大きく数式３に示す分散・共分散行列による主成分分析を行うと分散の小さな標点の重みが小さくなる場合には変量の平均値をゼロ、分散を１として標準化した相関行列を用いるようにしても良い。

主成分分析実行手段１１ｂは、主成分分析の結果得られる重み係数ａ_ｋ，第Ｐ主成分ごとの主成分得点、固有値及び寄与率をメモリ１５に記憶させる。

次に、制御部１１の基準主成分選定手段１１ｃは、Ｓ２の処理でメモリ１５に記憶された主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分の選定を行う（Ｓ３）。

管理基準主成分の選定は、分析対象の地盤の主要な変位を捉えていることや維持管理の目的や内容に対応した変位を捉えていることを観点にして行う。具体的には、地盤の主要な変位を捉えている主成分を管理基準主成分として選定したり、例えば年間の気温の変動による地盤挙動の分析とそれに基づく対応とを維持管理の目的とする場合には地盤変位の季節変動を捉えている主成分を管理基準主成分として選定したりする。

そして、管理基準主成分の選定は、Ｓ２の処理の結果得られる主成分ごとの主成分得点の変動傾向と寄与率の大きさとに基づいて行う。例えば、主成分分析の結果寄与率が最も大きく地盤の変位の多くを捉えている即ち地盤の主要な変位を捉えている第一主成分を管理基準主成分とすることが考えられる。

なお、管理基準主成分は一つに限られるものではなく、複数の主成分を管理基準主成分として選定するようにしても良い。具体的には例えば、地盤の主要な変位を捉えている第一主成分に加えて、主成分得点の変動傾向から地盤が不安定化する一定の向きの変位を捉えていると考えられる主成分或いは地盤変位の季節変動を捉えていると考えられる主成分も管理基準主成分とするようにしても良い。また、第一主成分から順に各主成分の寄与率の累積が例えば五割を超えるまでの範囲の主成分を全て管理基準主成分として選定するようにしても良い。

また、管理基準主成分として第一主成分以外の主成分を選定するようにしても良い。具体的には例えば、主成分得点の変動傾向から、第一主成分は地盤変位の季節変動を捉えていると考えられ、第二主成分は地盤が不安定化する一定の向きの変位を捉えていると考えられる場合には、第二主成分を地盤の安定性管理としての管理基準主成分として選定するようにしても良い。

なお、管理基準主成分の選定は、主成分ごとの寄与率の大きさに基づいて行われるように地盤挙動の分析プログラム１７上に予め規定しておいても良いし、作業者がＳ２の処理の結果を見て行うようにしても良い。作業者がＳ２の処理の結果を見て管理基準主成分の選定を行う場合には、制御部１１の基準主成分選定手段１１ｃがＳ２の処理の結果と共に管理基準主成分の指定を要求する内容のメッセージを表示部１４に表示し、入力部１３を介して入力された作業者の指定の主成分を管理基準主成分として用いるようにする。

基準主成分選定手段１１ｃは、主成分ごとに管理基準主成分に選定されたか否かをメモリ１５に記憶させる。

次に、制御部１１の主成分得点算出手段１１ｄは、Ｓ２の処理でメモリ１５に記憶された主成分分析の結果及びＳ３の処理でメモリ１５に記憶された管理基準主成分の選定情報に基づいて管理基準主成分の主成分得点の算出を行う（Ｓ４）。

具体的には、まず、主成分得点算出手段１１ｄは、データサーバ１６に記憶されている地盤の変位データベース１８からＳ５の処理である地盤の維持管理のために地盤挙動の分析を行う期間（以下、分析対象期間と呼ぶ）の地盤の変位データを読み込み、読み込んだデータをメモリ１５に記憶させる。

なお、分析対象期間はデータ計測期間とは重複しない範囲で設定される。また、分析対象期間はデータ計測期間より前の期間であっても良いし後の期間であっても良い。具体的には例えば、比較的最近の一定期間をデータ計測期間とすると共に当該期間より前の期間を分析対象期間とすることによって過去の特定の期間における地盤の変位挙動の分析を行うようにしても良いし、過去の一定期間をデータ計測期間とすると共に当該期間より後の期間を分析対象期間とすることによって比較的最近の地盤の変位挙動の分析を行うようにしても良い。

地盤の変位データベース１８からの分析対象期間に対応する地盤の変位データの読み込みは、分析対象期間の始期及び終期を地盤挙動の分析プログラム１７上に予め規定しておくと共に当該期間内のデータを主成分得点算出手段１１ｄが読み込むようにしても良いし、分析対象期間の始期及び終期を作業者が指定すると共にこれらから特定される期間内のデータを主成分得点算出手段１１ｄが読み込むようにしても良い。

作業者が分析対象期間の始期及び終期を指定する場合には、主成分得点算出手段１１ｄが、Ｓ４の処理の段階で分析対象期間の始期及び終期の指定を要求する内容のメッセージを表示部１４に表示し、入力部１３を介して入力された作業者の指定の始期及び終期から特定される期間を分析対象期間として当該期間内のデータを読み込むようにする。

続いて、主成分得点算出手段１１ｄは、標点ｋごとの重み係数ａ_ｋをメモリ１５から読み込むと共に、分析対象期間の標点ｋごとの観測時点ｉ別の変位データ値ｘ_ｋｉをメモリ１５から読み込む。そして、標点ｋごとの重み係数ａ_ｋと観測時点ｉ別の変位データ値ｘ_ｋｉとを用いて数式１により分析対象期間の観測時点ｉ別の管理基準主成分ごとの主成分得点を算出する。なお、主成分得点算出手段１１ｄは、Ｓ３の処理でメモリ１５に記憶された管理基準主成分の選定情報に基づいていずれの主成分が管理基準主成分に選定されているか判断する。

主成分得点算出手段１１ｄは、算出した分析対象期間の観測時点ｉ別の管理基準主成分ごとの主成分得点をメモリ１５に記憶させる。

次に、制御部１１の維持管理手段１１ｅは、Ｓ４の処理でメモリ１５に記憶された管理基準主成分ごとの主成分得点（以下、管理基準主成分得点と呼ぶ）に基づいて分析対象の地盤の維持管理を行う（Ｓ５）。

具体的には、維持管理手段１１ｅは、分析対象期間の観測時点ｉ別の管理基準主成分得点をメモリ１５から読み込み、それら主成分得点を時系列データの推移としてみたときの特異変化時点若しくは期間を抽出する。

特異変化時点や期間の抽出方法は、管理基準主成分得点を時系列データの推移としてみたときに全体の趨勢から大きく外れて特異な変化を示す時点や期間を特定できる方法であれば良く、例えば、管理基準主成分得点の変化の速度や変化量の絶対値から特定することなどが考えられる。

管理基準主成分得点の変化の速度から特定する場合には、具体的には、所定の期間内に一定量以上の変化が生じて全体の趨勢からみて変化の速度が大きく増加した場合にその時点を特異変化時点と特定したり、更にその変化が継続する場合には特異変化期間と特定したりすることが考えられる。また、管理基準主成分得点の変化量の絶対値から特定する場合には、具体的には、分析対象期間開始時点の管理基準主成分得点を基準値としてこの基準値からの変化量が一定量以上となった場合にその時点を特異変化時点と特定したりすることが考えられる。

なお、管理基準主成分得点の特異変化時点や期間を抽出する指標としては、管理基準主成分得点の変化の速度及び変化量の絶対値の二つの指標を併用するようにしても良いし、どちらか一方の指標のみを用いるようにしても良い。

また、管理基準主成分得点の特異変化時点や期間の抽出は、作業者がＳ４の処理の結果である管理基準主成分得点の時系列の推移を見て特定するようにしても良い。この場合には、制御部１１の維持管理手段１１ｅがＳ４の処理の結果を表示部１４に表示し、この管理基準主成分得点の時系列の推移に基づいて作業者が全体の趨勢から大きく外れて特異な変化を示す時点や期間を特定するようにしても良い。

なお、Ｓ３の処理において複数の管理基準主成分が選定された場合には、主成分得点の時系列の推移からみた特異変化時点や期間の抽出は選定された管理基準主成分ごとに行う。

以上のようにして管理基準主成分得点の特異変化時点や期間が抽出される場合には分析対象の地盤に異常が生じていると考えられるので更に詳細な地盤状況の調査を行ったり地盤の安定化のための補強工事を行ったりすることができ、また、特異変化時点や期間が抽出されない場合には分析対象の地盤が安定していることを確認したりすることができ、これにより地盤の維持管理を行うことが可能となる。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、分析対象期間とされた期間に既に収集されたデータを用いて地盤挙動の分析のための主成分得点を算出するようにしているが、これに限られず、最新の地盤の変位データを収集すると共に収集したデータを用いて主成分得点の算出を逐次行うようにしても良い。これにより、ほぼ現在の状況に基づく地盤挙動の分析を行うことが可能となり、地盤の維持管理として異常の早期発見と対応策の検討を行って災害の発生を未然に防ぐ可能性を高めることができる。

本発明を実際の地盤挙動の分析及び維持管理に適用した実施例を図３及び図４を用いて説明する。なお、本実施例では、傾斜地盤を対象とし、その傾斜地盤が一定の向きに変位することによる崩壊防止を目的とする維持管理を想定した。

本実施例では、斜面挙動の分析のためのデータとして、分析対象の地盤を見渡せる位置に固定して設置された光波測距儀並びに地盤地表面全体に間隔をあけて設置された９個の標点を用いた光波測量によって一年四ヶ月に亘り計測された光波測距儀と標点との間の斜距離のデータを用いた。

また、本実施例の斜距離データは一日あたり少なくとも一回の計測を行って収集したデータであり、一日に複数回の計測をしていた場合には一日の平均値を算出して当該日のデータとすることにより日毎のデータとした。そして、日毎の斜距離データを基に前日の計測値との差分を算出してその差分を地盤の変位データとして用いた。

本実施例では、斜距離データを計測した一年四ヶ月のうちの後半一年間をデータ計測期間に設定した（Ｓ１）。

そして、データ計測期間として設定した一年間の斜距離の差分データを用いて主成分分析を行い、重み係数、主成分ごとの固有値及び寄与率並びに主成分得点を算出した（Ｓ２）。

第二主成分までの固有値、寄与率及び累積寄与率として表１に示す結果が得られた。この結果から、第一主成分の寄与率は７割を超えており、第一主成分によって分析対象の傾斜地盤の主要な変位の傾向は概ね捉えられていると考えられた。

また、データ計測期間における観測時点別の主成分得点については図３に示す結果が得られた。第一主成分得点は時間の経過とともに連続的に増加する傾向を示し、第一主成分は一定の向きへの地盤の連続的な変位を示す成分であると考えられた。また、第二主成分得点は一年を周期として増減を繰り返しており、具体的には気温の上昇に合わせて大きくなる傾向と気温の下降に合わせて小さくなる傾向とが一年を周期として連続しており、第二主成分は季節変動を示す成分であると考えられた。

そして、以上のように、第一主成分が対象地盤の主要な変位の傾向を概ね捉えていると考えられたこと、及び、本実施例は傾斜地盤が一定の向きに変位することによる崩壊防止を維持管理の目的としているところ第一主成分が一定の向きへの地盤の連続的な変位を捉えていると考えられたことから第一主成分を管理基準主成分として選定した（Ｓ３）。

続いて、データ計測期間より前の四ヶ月間を分析対象期間に設定して当該四ヶ月間の日毎の変位データを用いて管理基準主成分として選定した第一主成分の主成分得点を数式１によって計算し、図４に示す結果が得られた（Ｓ４）。なお、本実施例では利用データの制約上データ計測期間より前の四ヶ月間を分析対象期間に設定したが、傾斜地盤の崩壊防止を目的とする維持管理を行う場合にはデータ計測期間より後の比較的最近のデータを用いて分析を行うことが望ましい。

図４から、分析対象期間における第一主成分の主成分得点は全体の趨勢としては微増しているものの急激な変化が長期間継続するという傾向はないことから、分析対象期間において地盤の変状、すなわち本実施例においては管理基準主成分として選定した第一主成分は地盤の一定の向きへの連続的な変位を表しているので分析対象の傾斜地盤の一定の向きへの変位が急激に進行しているとは考えられなかった。そして、現地における実際の地盤状態の確認においても分析対象期間に地盤の変状が急激に進行したという事実は認められなかった。

この結果から、本発明の方法によれば地盤の全体的な挙動を捉えられることが確認された。

また、地盤の一部が特異な挙動を示した場合の主成分得点の推移を確認するため、一部の標点の位置をずらす操作、及び一部の標点のデータを欠落させる操作を行った。

一部の標点の位置をずらす操作は、具体的には、地盤地表面に設置された９個の標点の中から２〜３個の標点を選んで一旦取り外すと共に元の位置と僅かにずらして再度設置することを一定の期間に亘って繰り返し実施することにより行った。これにより、取り外しと再度設置とが実施された期間において計測値の差分のデータが大きくなり、特定の期間において地盤の一部が大きく変位する状況が模擬された。

また、一部の標点のデータを欠落させる操作は、具体的には、１個の標点の一日分の斜距離データを地盤の変位データベース１８から取り除くことにより行った。これにより、データが取り除かれた日に係る計測値の差分のデータが大きくなり、一時的に地盤の一部が大きく変位する状況が模擬された。なお、この操作は二回行った。

そして、一部の標点をずらす操作をした期間に対応する期間が図４においてＰｄ１として示す期間であり、期間Ｐｄ１において第一主成分得点はその前後の期間とは不連続な推移を示した。

また、一部の標点のデータを欠落させる操作をした時点（即ち日）に対応する時点が図４においてＰｔ１及びＰｔ２として示す時点であり、時点Ｐｔ１及びＰｔ２において第一主成分得点はその前後の期間とは明らかに不連続な変動を示した。

なお、期間Ｐｄ１における主成分得点の変動は、本実施例における一部の標点の位置をずらす操作によるもの、すなわち限定的な期間に地盤が部分的に変動したことによるものである。また、時点Ｐｔ１及びＰｔ２における主成分得点の変動は、本実施例における一部の標点のデータを欠落させる操作によるもの、すなわち一時的に地盤が部分的に変動したことによるものである。

これらの結果から、本発明の方法によれば地盤の部分的な変位も捉えられることが確認された。

なお、主成分得点が大きくなる向き又は小さくなる向きのどちらか一方の向きに長期間変動を続ける場合、すなわち期間Ｐｄ１のような変動が長期間継続する場合には、地盤が全体的に一定の向きに変位し続けていると考えられる。

本発明の地盤挙動の分析方法の実施形態の一例を説明するフローチャートである。 実施形態の地盤挙動の分析方法をプログラムを用いて実施する場合の地盤挙動の分析装置の機能ブロック図である。 実施例のデータ計測期間の主成分得点の推移を示す図である。 実施例の分析対象期間の主成分得点の推移を示す図である。 従来の地盤・構造物挙動監視装置を説明する図である

符号の説明

１０ 地盤挙動の分析装置
１１ 制御部
１２ 記憶部
１３ 入力部
１４ 表示部
１５ メモリ
１６ データサーバ
１７ 地盤挙動の分析プログラム
１８ 地盤の変位データベース

Claims (4)

1. 地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データを用いて主成分分析を行い、該主成分分析の結果得られる第一主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての第一主成分の主成分得点を算出し、該主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動を分析することを特徴とする地盤挙動の分析方法。
2. 地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データを用いて主成分分析を行うステップと、前記主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定するステップと、前記管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出するステップと、前記管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動の分析を行うステップとを有することを特徴とする地盤挙動の分析方法。
3. 地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データを用いて主成分分析を行う手段と、前記主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定する手段と、前記管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出する手段と、前記管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動の分析を行う手段とを有することを特徴とする地盤挙動の分析装置。
4. 地盤の地表面若しくは地中の複数地点における一定期間の変位データ及び前記一定期間とは異なる期間の変位データが記録されたデータベースにアクセス可能なコンピュータに、前記一定期間の変位データを用いて主成分分析を行う処理と、前記主成分分析の結果に基づいて管理基準主成分を選定する処理と、前記管理基準主成分の重み係数及び前記一定期間とは異なる期間の変位データを用いて前記一定期間とは異なる期間についての管理基準主成分の主成分得点を算出する処理と、前記管理基準主成分の主成分得点の推移に基づいて地盤の挙動の分析を行う処理とを行わせることを特徴とする地盤挙動の分析プログラム。
   
   

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