JP3703900B2 - 杭打施工管理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、構造物構築の基礎工事で実施する杭打の施工管理を行う杭打施工管理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鋼管杭及びコンクリート杭などにハンマーを載荷しハンマー内のラムを油圧力又はディーゼル機関の爆発力である高さまで押し上げて、この高さよりラムを落下させてラムの落下エネルギーにより杭打ちを行う場合、杭が一定量貫入し硬い地盤層に到達すると杭の貫入と併せて上方へ反動するリバウンド現象が生じ、このラムの質量と落下高の積で求まる１打撃当りの打撃エネルギーに対する貫入量及びリバウンド量は杭の支持力管理の目安となっている。またラムの落下高は、杭打ち対象となる杭の種類、杭径、ラムの質量、地盤状況等によって選択されるが、１本の杭打ち作業中においても杭の貫入度合によってラムの落下高を変更しながら工事を実施する場合もある。従来このような杭打工事において貫入量・リバウンド量の測定は、杭が硬い地盤層に到達し支持力が得られた段階でラムの落下高を一定としハンマー直下にて杭の表面に記録紙を張り付け、人が鉛筆等の筆記具を押し当てて直接記録する人力測定方式が採用されている。
【０００３】
また、この人力測定に替わり、杭表面に適当な段階で貼った小片のターゲットシートを船上等に設置したＣＣＤカメラで計測する装置等が試みられているが、いずれも杭打ち作業を一時的に中断する必要があり、貫入量・リバウンド量の測定を杭打ち作業中連続して行うことができなかった。
【０００４】
人力測定による方法は、変位量を測定すべき杭に直接接触させた記録ペンによることである。図７はその測定方法を概略的に示す図である。図７において、１は杭、２はハンマー、３はラム、４は地盤、５は地盤支持層、６は記録紙、７は記録ペンを示す。杭１の側面に記録紙６を貼り付け、鉛筆などの記録ペン７を記録紙６に接触させて人間が直接保持する。次に杭１をハンマー２に内蔵されているラム３を高さＨから落下させて強く叩いたとき、杭の変位する量は記録紙６上に記録されるので、その量をスケールにより測定する。図８は記録紙上の記録例を示す図で横軸に時間、縦軸に変位量を取っている。図８に示すように強打された杭１は地盤４中に貫入し地盤支持層５に達した付近においては反発してリバウンドする。ラム３の１回当りの強打によるｌ１を最大変位量とすると、Ｋをリバウンド量、Ｓを貫入量といいｌ１＝Ｋ＋Ｓの関係にあり、杭打工事においてはこのリバウンド量Ｋと貫入量Ｓを用いて杭の支持力を求め施工管理基準としており、杭の支持力算出式の一例を次式に示す。この接触型は簡単明瞭であるが後述するように解決すべき多くの課題があるため、非接触型が研究された。
【０００５】

ここで
Ｒｕ：動的極限支持力
ｅｆ：機械効率
ｗｈ：ラム重量
Ｈ ：ラム落下高
Ｓ ：貫入量
Ｋ ：リバウンド量
【０００６】
非接触型の一例は杭表面に貼り付けたターゲットシートを一定距離離れた場所からＣＣＤカメラで撮像し、ハンマー内のラムの落下により杭を強打した時のターゲットシートの動きすなわち杭の挙動を計測するものである。図９はその測定装置を概略的に示す図である。図９において、１〜５は図７の測定対象と同一のものであり８はターゲットシート、９はハロゲン光源、１０はＣＣＤカメラ、１１はカメラコントローラ、１２は計測演算装置、１３はペンレコーダを示す。図９のように構成された装置では杭１の側面にターゲットシート８を貼り付け、ハロゲン光源９で十分なコントラストが得られるように照明してその画像をＣＣＤカメラ１０で撮像し、カメラコントローラ１１から出力される撮像信号を計測演算装置１２で処理して、概略１ｍｓ毎にターゲットシート８の撮像位置を求めこの位置に対応したアナログ電圧を出力し、これをペンレコーダ１３で記録し杭の変位量を求めることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
接触型ではハンマーで杭を強打するとき、作業者は適当な段階で杭に記録紙を張り付け、記録ペンを保持する必要があり、作業の途中に頭上から物が落下する危険が大きく、また船上の作業では足場が不安定となってより危険が増す問題があり、そのため作業者の危険性が極めて大きかった。また作業者による記録後スケールを用いて貫入量、リバウンド量を読みとり杭の支持力を計算して求めるため現場での作業に迅速性がなく、記録結果及び読みとり値に作業者の個人差による誤差が含まれるといった欠点がある。
【０００８】
一方非接触型では、作業の危険性は改善されるが打込み杭毎にターゲットシートとなるものを正確に取り付ける現場作業を必要とするため杭打ち作業の中断が必要であること、また杭の打込み測定範囲がターゲットシートとＣＣＤカメラ間の距離及び視野で限定されるため杭の打込み長全体にわたって連続した計測ができないといった欠点がある。
【０００９】
この発明は、前述の従来の課題を改善し、杭の打込み方向の変位量を非接触で、リアルタイムに且つ高精度でしかも容易に測定可能とし、さらに人手をわずらわすことなく、杭の打撃回数、貫入量、リバウンド量、支持力、杭の全打ち込み長さ等のデータを連続して取得し杭打施工管理を行える装置を提供することを目的とする。
【００１０】
この発明は、船上での計測のようにセンサ部が杭に対して相対的に上下動揺している場合でも、動揺成分をキャンセルして精度良く計測可能とすることを目的としている。
【００１１】
またこの発明は、船上での計測のように杭とセンサ部間の相対距離が大きく変動してセンサ部の計測領域から外れる場合でも、杭とセンサ部間の相対距離変動に対応してセンサ部の位置を追従制御することで、安定した計測を可能とすることを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる杭打施工管理装置は、レーザ光のドップラ効果を利用して杭との相対速度及び相対変位を測定するためのセンサ部と信号処理部、さらにこの速度信号、変位信号をもとにハンマーの打撃による打撃波形データを取得し、このデータからハンマーの打撃間隔、杭の貫入量、リバウンド量を抽出して、打撃エネルギー、打撃回数を演算すると共に杭の支持力、杭の全打ち込み長さを演算し、表示及び出力するデータ処理部とを具備し、装置設置部の動揺による杭との相対上下動によって発生する変位測定誤差を、打撃前後の速度値を抽出してその間の時間で台形積分することにより装置自身の動揺による変位量を求め、元の計測変位データから減算することで測定対象物の真の変位変化を求めるものである。
【００１５】
また、この発明に係わる杭打施工管理装置は、打撃による杭の貫入速度を検出するための閾値を設け、上記速度データがこの閾値を越えた瞬間を打撃タイミングとして検出し、この前後の速度データ及び変位データを打撃波形として抽出している。
【００１６】
この発明に係わる杭打施工管理装置は、打撃タイミングより一定時間前の変位データを一定時間平均して変位零値とし、また前記打撃タイミングより一定時間後の変位データを一定時間平均して変位終了値として、変位終了値から変位零値を減算した値を貫入量としている。
【００１７】
また、この発明に係わる杭打施工管理装置は、打撃タイミングから一定時間後までの変位データから変位最大値を求め、この変位最大値から前記変位終了値を減算した値をリバウンド量としている。
【００１８】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示したものであり、１〜６は従来の測定対象と同一のものである。１４は杭１の速度に比例したドップラ信号を検出するセンサ部、１５、１６はセンサ部１４から照射されるレーザビーム、１７は照射レーザビーム１５、１６が杭１で反射された散乱光、１８はセンサ部で検出したドップラ信号から杭１の速度及び変位を演算出力する信号処理部、１９、２０は各々信号処理部１８から出力される速度及び変位のアナログ電圧信号、２１はこの速度及び変位信号を処理してハンマー２内のラム３の落下エネルギー、打撃回数、杭１の貫入量、リバウンド量、支持力等を演算処理するデータ処理部であり、２２は計測結果を出力するためのプリンターである。なお、データ処理部２１を構成している２３、２４はアナログ電圧信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器、２５はＡ／Ｄ変換したデータを蓄積するためのメモリー、２６は速度及び変位データから各種演算を行う機能、入力機能及び表示機能を持つ演算処理部である。また図６は杭１に対するセンサ部１４の設置条件を示したものであり、センサ部１４の計測領域は照射レーザビーム１５、１６の交差領域で与えられ照射レーザビーム１５、１６の交点を中心として前後Δｌの範囲であるため、センサ部１４は杭１に対し測定基準距離ｌの位置に設置される。なお通常測定基準距離ｌは１ｍ、計測領域Δｌは１４０ｍｍ程度の値である。
【００１９】
上記のように構成された杭打施工管理装置においては、センサ部１４から交差角φで照射される２つのレーザビーム１５、１６の散乱光１７をセンサ部１４で受光し電気信号に変換するとドップラー効果により次式に示す杭１の移動速度Ｖに比例したドップラ周波数ｆｄの周波数信号が得られる。
【００２０】
ｆｄ＝（２Ｖ／λ）・ｓｉｎ（φ／２） （２）
ここで
Ｖ：杭１の移動速度
λ：レーザ光の波長
φ：２つのレーザビーム１４、１５の交差角
【００２１】
センサ部１４で得られたドップラ周波数信号は信号処理部１８で杭１の移動する速度データ１９及びこの時間積分として求まる変位データ２０に変換処理出力される。ここで図２は信号処理部１８から出力される速度データ１９及変位データ２０の時間軸波形を示す図である。また図３はデータ処理部２１の処理フローを示すフローチャートであり、図中のＳ１〜Ｓ１６はフローチャートの各ステップを示しており、これに基づきデータ処理手順を説明する。ステップＳ１で処理を起動し、ステップＳ２で測定年月日、工事名、施工場所等の工事情報と図２に示した演算開始時間α、演算終了時間β、変位零点平均時間ａ、貫入量平均時間ｂ、立上り判定レベルｅ、ラム重量ｗｈ、及びあらかじめハンマーにより定まるラム落下高Ｈと毎分当たりの打撃回数の関係テーブル等の測定条件を入力する。ここで、例えば油圧方式のハンマー２ではラム落下高Ｈが数段階切替えられる機構となっており、ラム３が杭を打撃した時刻から油圧力でラム３を高さＨだけ押し上げてその後ラム３が高さＨだけ落下して再度杭を打撃する時刻までに要する時間はこのラム落下高Ｈに一対一に対応した時間となるため、ラム落下高Ｈと毎分当たりの打撃回数は一対一の関係にありハンマーの性能諸元として予め示されている。
【００２２】
次に測定開始キーを押すとステップＳ３で測定処理が開始され、ステップＳ４で信号処理部１８から出力される速度データ１９及変位データ２０をＡ／Ｄ変換器２３、２４でデジタル値に変換してメモリー２４に読み込み、ステップＳ５で図２に示す速度波形からラム３の打撃タイミングを速度の立上り判定レベルｅを越えた速度タイミングで検出し、ステップＳ６ではステップＳ５を通過した毎に打撃回数カウンタを更新して打撃回数を積算カウントし、ステップＳ７で前回の打撃タイミング時刻から今回の打撃タイミング時刻を引いて打撃間隔時間Δｔｎを求め、ステップＳ８で打撃間隔時間Δｔｎの逆数を演算し毎分当たりの打撃回数を求めラム落下高Ｈと毎分当たりの打撃回数の関係テーブルよりラム落下高Ｈを決定しラム落下高Ｈとラム重量ｗｈを乗算して打撃エネルギーを演算する。続いてステップＳ９で打撃タイミングより演算開始時間α前の変位データを変位零点平均時間ａだけ平均した値を変位の零点Ｆ₀ とし、ステップＳ１０で打撃タイミングから打撃タイミングより演算終了β後までの変位データから最大値を求めこれより変位の零点Ｆ₀ を減算した値を最大変位量Ｆｍａｘとし、ステップＳ１１で打撃タイミングより演算終了時間β後の変位データを貫入量平均時間ｂだけ平均した値から変位の零点Ｆ₀ を減算した値を貫入量Ｆｓとするとともにこれを一打撃毎に累積加算して杭の累積貫入量ΣＦｓを求め、ステップＳ１２で最大変位量Ｆｍａｘから貫入量Ｆｓを減算した値をリバウンド量Ｆｋとする。上記貫入量Ｆｓ、リバウンド量Ｆｋ及び打撃エネルギーＨ×ｗｈを用いてステップＳ１３で前述で示した支持力算出式の一例である（１）式の演算を実施して支持力を求め、ステップＳ１４で以上の処理によって求まった累積打撃回数ｎ、打撃間隔Δｔｎ、貫入量Ｆｓ、累積貫入量ΣＦｓ、リバウンド量Ｆｋ、支持力を表示出力し、ステップＳ１５で測定終了キーが押されていなければ以上の処理を繰り返し一打撃毎に表示出力データがリアルタイムにて更新される。なおステップＳ１５で測定終了キーが押されていれば測定を終了し、ステップＳ１６で上記一連のデータ処理で得られたデータを集計し帳票としてまとめプリントアウト出力する。
【００２３】
本構成の杭打施工管理装置によれば、ラム３の落下衝撃による打撃波形を１打撃毎に検出し、この打撃波形の回数を数えることにより打撃回数ｎを求め、この打撃波形の発生する時間間隔Δｔｎをもとにラム３の落下エネルギーを演算し、打撃波形の変位データ２０から貫入量Ｆｓとリバウンド量Ｆｋを求め、さらにこの貫入量Ｆｓの積算値を求めることにより杭１の累積貫入量ΣＦｓを求め、貫入量Ｆｓ、リバウンド量Ｆｋ、ラム３の落下エネルギーから杭の支持力を演算し表示出力をおこなうので、杭打作業の開始から終了まで連続して一打撃毎の累積打撃回数、打撃間隔、貫入量、累積貫入量、リバウンド量、支持力等のデータをリアルタイムで計測可能であり、これらのデータの集計作業も自動化することが可能である。
【００２４】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２を示す動揺補正処理説明図であり、図４（ｂ）はセンサ部１４の上下等の動揺によって発生する変位変化量が実際の打撃による変位変化に重畳した場合の変位波形を示すもので図４（ａ）はこのときの速度波形を示している。ここで動揺成分による変位変化量（シフト量）は、演算開始時刻ｔｓｔにおける速度値Ｖｓｔと演算終了時刻ｔｅｎｄにおける速度値Ｖｅｎｄを直線で結び次式に示すように台形積分することで近似的に求めることがでる。
【００２５】
Ｆｅｃ＝（１／２）・（Ｖｓｔ＋Ｖｅｎｄ）・（ｔｅｎｄ−ｔｓｔ） （３）
ここで
Ｆｅｃ：動揺変位補正値
【００２６】
したがって変位量に動揺成分が重畳した場合であっても、動揺変位補正値Ｆｅｃを演算して減算することにより精度良い計測が実現できる。なおこの動揺補正方式では動揺周期３Ｈｚ、動揺振幅±２５ｍｍの条件下において、演算開始時刻ｔｓｔ〜演算終了時刻ｔｅｎｄまでの時間間隔が０．４秒以下であれば±１ｍｍの精度で補正可能である。
【００２７】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３を示したものであり、図中１〜２１は実施の形態１と同一のものである。２７は超音波の往復時間により距離を求める超音波距離計で代表される非接触な距離計、２８は上記距離計２７の出力と測定基準距離ｌとの差から制御信号を出力するコントローラ、２９は上記コントローラ２８の出力を受けてセンサ部１４及び距離計２７を杭１に対し前後に移動させるリニアアクチュエータ、３０は杭打船、３１は海水である。
【００２８】
以上の構成の杭打施工管理装置において、杭１とセンサ部１４の相対距離が測定基準距離ｌから変化すると、距離計２７の測定距離出力を受けてコントローラ２８は測定基準距離ｌに対する変位量が零となるよう制御信号をリニアアクチュエータ２９に与え、常に杭１とセンサ部１４の相対距離が測定基準距離ｌに一致するよう動作して、波浪により杭打船３０から杭１を海水３１中に打ち込む際に杭１とセンサ部１４の相対距離が大きく変動しても安定した計測が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を有する。
【００３０】
この発明によれば、レーザ光のドップラー効果を利用しているので非接触で杭の移動する速度及び変位を人手をわずらわすことなく自動計測ができ、速度及び変位を連続して取得できるため杭打施工管理に必要な打撃回数、杭支持力、累積貫入量等を連続してリアルタイムで表示出力することが可能となり、またデータ処理部に杭打施工管理データが全て集まり打ち込み記録等の集計作業も自動化できるので、現在人力等によってほとんど行われている杭打施工管理の作業の安全化、省力化に大きな効果が得られる。
【００３１】
またこの発明によれば、船上での計測のようにセンサ部が杭に対して相対的に動揺している場合でも動揺成分をキャンセルすることができ、計測精度を向上させ、適用範囲を拡大させる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１を示す杭打施工管理機の構成図である。
【図２】 この発明の実施の形態１の動作波形図である。
【図３】 この発明の実施の形態１のフローチャートである。
【図４】 この発明の実施の形態２の動作波形図である。
【図５】 この発明の実施の形態３を示す杭打施工管理機の構成図である。
【図６】 この発明で適用するセンサ部の測定範囲を示す概要図である。
【図７】 従来の記録ペン式リバウンド量計測方法を示す構成図である。
【図８】 従来の動作波形を示す図である。
【図９】 従来の非接触式リバウンド量計測装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１ 杭、２ ハンマー、３ ラム、４ 地盤、５ 地盤支持層、６ 記録紙、７ 記録ペン、８ ターゲットシート、９ ハロゲン光源、１０ ＣＣＤカメラ、１１ カメラコントローラ、１２ 計測演算装置、１３ ペンレコーダ、１４センサ部、１５ 照射レーザビーム、１６ 照射レーザビーム、１７ 散乱光、１８ 信号処理部、１９ 速度信号、２０ 変位信号、２１ データ処理部、２２ プリンター、２３ Ａ／Ｄ変換器１、２４ Ａ／Ｄ変換器２、２５ メモリー、２６ 演算処理部、２７ 距離計、２８ コントローラ、２９ リニアアクチュエータ、３０ 杭打船、３１ 海水。

Claims (4)

1. 所定場所にハンマーにより地盤中に打ち込まれて貫入する杭にレーザ光を照射しその散乱光を受光して杭の貫入速度に比例したドップラ信号を検出するセンサ部と上記ドップラ信号から杭の貫入速度及び変位を演算出力する信号処理部とで構成されるレーザドップラー速度計と、上記レーザドップラー速度計の出力データからハンマーの杭への打撃波形を検出して打撃回数を検出する手段、上記打撃波形の発生する時間間隔を検出しその時間間隔より打撃エネルギーを求める手段、上記信号処理部から出力される変位データからハンマー打撃毎の杭の貫入量と杭のリバウンド量を検出する手段、上記貫入量、リバウンド量、打撃エネルギーとから杭の支持力を求める手段とを有するデータ処理部とを具備し、装置設置部の動揺による杭との相対上下動によって発生する変位測定誤差を、打撃前後の速度値を抽出してその間の時間で台形積分することにより装置自身の動揺による変位量を求め、元の計測変位データから減算することで測定対象物の真の変位変化を求めることを特徴とする杭打施工管理装置。
2. 前記打撃波形を検出する手段は打撃による杭の移動速度を検出するための閾値を設け、上記速度データがこの閾値を越えた瞬間を打撃タイミングとして検出し、この前後の速度データ及び変位データを打撃波形として抽出することを特徴とする請求項１記載の杭打施工管理装置。
3. 前記貫入量を検出する手段は打撃タイミングより一定時間前の変位データを一定時間平均して変位零値とし、また前記打撃タイミングより一定時間後の変位データを一定時間平均して変位終了値として、変位終了値から変位零値を減算した値を貫入量とすることを特徴とする請求項１記載の杭打施工管理装置。
4. 前記リバウンド量を検出する手段は打撃タイミングから一定時間後までの変位データから変位最大値を求め、この変位最大値から前記変位終了値を減算した値をリバウンド量とすることを特徴とする請求項１記載の杭打施工管理装置。

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