JP3703900B2 - 杭打施工管理装置 - Google Patents
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Description
【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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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