JP6172503B2 - 半割コア用弾性波速度測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、コアリングにより得られた試料を半割した半割コアの力学的特性を測定する半割コア用弾性波速度測定装置に関する。
地盤のサンプリング調査は基礎の設計や施行に必要となる地盤情報を得る目的で土の観察や室内試験に供する試料を採取するために行われる。従来から様々なサンプリング方法が提案されているが、地盤深部の調査を行う場合にはコアリングにより円柱状の試料を採取するのが一般的である。
このようなコアリングにより得られた試料に関し、ベンダーエレメントを用いることにより、試料中を伝搬するＳ波の速度を測定する方法が知られている。例えば、特許文献１（特開２００４−５３５８６号公報）には、地盤改良の実施工に先立ち、評価対象の地盤特性と同等仕様の供試体を作成し、該供試体に対してＳ波速度と強度とを求める室内試験を行ってＳ波速度と強度との関係を定式化し、求めた回帰曲線に、実施工が進行する地盤に設置したベンダーエレメントを用いて求めたＳ波速度の測定結果を適用して原位置での地盤強度を推定することを特徴とする地盤特性の評価方法が開示されている。
特開２００４−５３５８６号公報
ところで、コアリングは条件さえ整えば高品質の試料が採取可能であるが、採取できる試料の量が限られることから、その用途は慎重に検討される。迅速な調査が必要な場合、試料の保存、運搬が困難な場合などには、採取したコア試料を現場で半割することで半割コアとなし、その半割面でコア試料を観察したり、水分量を測定したり、といったことが行われていた。
しかしながら、従来、上記のような半割コアによって、現場において、力学的な特性値を求める簡便な方法がなく、問題であった。
この発明は、上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、コアリングにより得られた試料を半割した半割コアの弾性波速度を測定する半割コア用弾性波速度測定装置であって、前記半割コアに埋設されるＳ波発振用ベンダーエレメント及びＰ波発振用ベンダーエレメントが配された発振基台部を有する発振ロッドと、前記半割コアに埋設されるＳ波受振用ベンダーエレメント及びＰ波受振用ベンダーエレメントが配された受振基台部を有する受振ロッドと、前記Ｓ波発振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波発振用ベンダーエレメントに入力する信号を発生する信号発生部と、前記Ｓ波受振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波受振用ベンダーエレメントで受信した信号を取得するデータ取得部と、からなり、前記発振ロッドには、前記Ｓ波発振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波発振用ベンダーエレメントが複数設けられると共に、前記受振ロッドには、前記Ｓ波受振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波受振用ベンダーエレメントが複数設けられることを特徴とする。
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の半割コア用弾性波速度測定装置において、前記発振ロッドには、前記Ｓ波発振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波発振用ベンダーエレメントが交互に設けられると共に、前記受振ロッドには、前記Ｓ波受振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波受振用ベンダーエレメントが交互に設けられることを特徴とする。
また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の半割コア用弾性波速度測定装置において、前記発振ロッドには、前記Ｓ波発振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波発振用ベンダーエレメントが交互に設けられると共に、前記受振ロッドには、前記Ｓ波受振用ベンダー
エレメント及び前記Ｐ波受振用ベンダーエレメントが交互に設けられることを特徴とする。
エレメント及び前記Ｐ波受振用ベンダーエレメントが交互に設けられることを特徴とする。
本発明に係る半割コア用弾性波速度測定装置は、あらかじめＳ波発振用ベンダーエレメント及びＰ波発振用ベンダーエレメントが配された発振基台部を有する発振ロッドと、Ｓ波受振用ベンダーエレメント及びＰ波受振用ベンダーエレメントが配された受振基台部を有する受振ロッドと、を有しており、前記発振ロッドと、前記受振ロッドとを半割コアにセットすることで、試料の弾性波速度を現場で簡便に測定することが可能となる。
また、本発明に係る半割コア用弾性波速度測定装置によれば、半割コア試料について、所定間隔毎のＳ波速度及びＰ波速度を迅速に測定することが可能である。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係る半割コア用弾性波速度測定装置３００で用いる発振ロッド１００及び受振ロッド２００の斜視図である。
本発明の実施形態に係る半割コア用弾性波速度測定装置３００において、採取したコア試料を現場で半割することで得られる半割コアに直接装着するプローブとしては、発振ロッド１００及び受振ロッド２００が用いられる。
発振ロッド１００における、アクリルなどの合成樹脂で形成された発振基台部１１０には、長手方向に、Ｓ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1乃至Ｓ6）及びＰ波発振用ベンダーエレメント（Ｐ1乃至Ｐ5）が交互に、それぞれ発振基台部１１０に片持ち支持された状態で配置されている。
それぞれのＳ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1乃至Ｓ6）及びＰ波発振用ベンダーエレメント（Ｐ1乃至Ｐ5）には、発振リード線１２０が取り付けられており、それぞれのベンダーエレメントに独立して電圧を印加することができるようになっている。
Ｓ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1乃至Ｓ6）同士は互いに距離ｄの間隔で、発振基台部１１０に配置されており、Ｐ波発振用ベンダーエレメント（Ｐ1乃至Ｐ5）同士も互いに距離ｄの間隔で、発振基台部１１０に配置されている。また、隣り合うＳ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1乃至Ｓ6）の中間に、Ｐ波発振用ベンダーエレメント（Ｐ1乃至Ｐ5）が配置されるようになっている。
なお、発振ロッド１００に設けるＳ波発振用ベンダーエレメントの数、及びＰ波発振用ベンダーエレメントの数は、本実施形態に限定されることなく、任意とすることができる。
また、受振ロッド２００における、アクリルなどの合成樹脂で形成された受振基台部２１０には、長手方向に、Ｓ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1乃至Ｓ'6）及びＰ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）が交互に、それぞれ受振基台部２１０に片持ち支持された状態で配置されている。
それぞれのＳ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1乃至Ｓ'6）及びＰ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）には、受振リード線２２０が取り付けられており、それぞれのベンダーエレメントで発生する電圧を取り出すことができるようになっている。
Ｓ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1乃至Ｓ'6）同士は互いに距離ｄの間隔で、受振基台部２１０に配置されており、Ｐ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）同士も互いに距離ｄの間隔で、受振基台部２１０に配置されている。また、隣り合うＳ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1乃至Ｓ'6）の中間に、Ｐ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）が配置されるようになっている。
なお、受振ロッド２００に設けるＳ波受振用ベンダーエレメントの数、及びＰ波受振用ベンダーエレメントの数は、本実施形態に限定されることなく、任意とすることができる。
発振ロッド１００に用いるＳ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1乃至Ｓ6）及びＰ波発振用ベンダーエレメント（Ｐ1乃至Ｐ5）、受振ロッド２００に用いるＳ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1乃至Ｓ'6）及びＰ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）の全てのベンダーエレメントに共通のものを用いても構わない。しかし、発振側のＳ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1乃至Ｓ6）及びＰ波発振用ベンダーエレメント（Ｐ1乃至Ｐ5）には、シリーズ型（直列結線）のものを、また、受振側のＳ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1乃至Ｓ'6）及びＰ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）にはパラレル型（並列結線）のものをもちいることがより好ましい。
これは、ベンダーエレメントには、圧電セラミックの貼り合わせ方によって、パラレル型（並列結線）とシリーズ型（直列結線）があり、分極方向が同一方向となるように貼り合わせたパラレル型の場合、同じ印加電圧に対して、分極方向が１８０度異なる方向に貼り合わせたシリーズ型よりも大きく振動する特性を有しているため発振用に好適であり、一方、シリーズ型の場合、同じ振動に対してパラレル型よりも生じる電圧が高くなるので受振側に好適だからである。
発振ロッド１００及び受振ロッド２００に設けられているベンダーエレメントの概要について、図２を参照して説明する。
ベースエレメントとは、圧電セラミックの薄板を２枚貼り合わせた振動子５２の呼称であり、土などの試料中の弾性波速度測定を目的として使用される。
ベンダーエレメントで用いられる圧電セラミックの材質としては、通称ＰＺＴと呼ばれ、一般に強誘電体のチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）と反強誘電体のジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ
Ｏ3）の固溶体で成分は［Ｐｂ（Ｚｒ−Ｔｉ）Ｏ3］である。
Ｏ3）の固溶体で成分は［Ｐｂ（Ｚｒ−Ｔｉ）Ｏ3］である。
上記のような圧電セラミックは、高電界印加により結晶軸の方向を特定の方向に揃える分極処理を行うと圧電性を発現する。分極処理を施された圧電セラミックは、応力を加えると電気分極を生じ電界が発生し（正効果）、逆に電界を加えて電気分極を起こさせるとひずみが生じる（逆効果）特性を有している。
ベンダーエレメントは厚み方向に分極された圧電セラミックを弾性補強、かつ電極の役割を果たすニッケルやリン青銅のシム材の両面に貼り合わせた構造となっている。また、圧電セラミックの表面には銀電極やニッケル電極がコーティングされている。さらに、防水・絶縁のためにエポキシ樹脂などコーティングが施されている。
図２は、上記のようなベンダーエレメントを利用した地盤のＳ波速度の測定方法の一例を示している。また、図３はベンダーエレメントの原理を説明する図である。図２に示したように、ベンダーエレメント５０Ｓ、５０Ｒを所定距離Ｌだけ離れた地盤内に埋設し、一方のベンダーエレメント５０ＳからＳ波を発信させ、もう他方のベンダーエレメント５０ＲでＳ波を受信し、そのベンダーエレメント間の距離ＬをＳ波の伝搬時間（遅延時間）で除すことにより、対象試料中のＳ波速度Ｖｓを算定するものである。
すなわち、この埋設されたベンダーエレメント５０が試料から所定の振動を受けて片持ち梁が変位する（撓む）と、圧電効果によりその変位方向（図３：素子内矢印方向）に電気分極が生じ、その先端撓み量（ｕ）に比例した電圧（Ｖ）が、撓み方向に応じた極性を伴って発生する。したがって、同一形状のベンダーエレメント５０を、振動子５２同士が対向するように試料内に配置し、一方のベンダーエレメント５０の振動子５２Ｓを発振部とし、他方のベンダーエレメント５０の振動子５２Ｒを受振部とし、両者間の試料を媒体として波動（Ｓ波）を伝播させ、この２つの振動子５２Ｓ、５２Ｒ間の距離に対して波動の到達時間を求めることで、この試料位置でのＳ波速度（Ｖs）を算出することができる
。なお、図３各図では振動子５２の先端５２ｂ近傍に接続するように回路が示されているが、実際には電源からのリード線は片持ち支持部内で振動子５２の端子（図示せず）に接続されている。
。なお、図３各図では振動子５２の先端５２ｂ近傍に接続するように回路が示されているが、実際には電源からのリード線は片持ち支持部内で振動子５２の端子（図示せず）に接続されている。
なお、ベンダーエレメントの発振周波数はその自由端長の二乗に反比例するので、試料の剛性を考慮して自由端長（片持ち支持部からベンダーエレメント先端部までの長さ）を設定することにより、データ取得に最適な発振周波数を選択する。
次に、本発明で用いる発振ロッド１００及び受振ロッド２００を用いた半割コアＣの弾性波速度測定の具体的な方法について説明する。
図４は発振ロッド１００及び受振ロッド２００の半割コアＣに装着した状態を示す図であり、図５は本発明の実施形態に係る半割コア用弾性波速度測定装置３００のブロック図である。
図４に示すように、発振ロッド１００及び受振ロッド２００は、発振ロッド１００のＳ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1乃至Ｓ6）及びＰ波発振用ベンダーエレメント（Ｐ1乃
至Ｐ5）のそれぞれと、受振ロッド２００のＳ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1乃至Ｓ'6）及びＰ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）のそれぞれとが互いに、半割コ
アＣに埋設された状態で対向するように、半割コアＣの平面部にセットする。
至Ｐ5）のそれぞれと、受振ロッド２００のＳ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1乃至Ｓ'6）及びＰ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）のそれぞれとが互いに、半割コ
アＣに埋設された状態で対向するように、半割コアＣの平面部にセットする。
図６は本発明の実施形態に係る半割コア用弾性波速度測定装置３００で発振ロッド１００及び受振ロッド２００がセットされた状態の断面を示す図である。
図６（ａ）は発振ロッド１００のＳ波発振用ベンダーエレメントと受振ロッド２００の
Ｓ波受振用ベンダーエレメントとが対向した状態を示している。
Ｓ波受振用ベンダーエレメントとが対向した状態を示している。
また、図６（ｂ）は発振ロッド１００のＰ波発振用ベンダーエレメントと受振ロッド２００のＰ波受振用ベンダーエレメントとが対向した状態を示している。
また、図５において、信号発生部１５０は、ベンダーエレメントに印加する電圧を発生する、例えば、ファンクションジェネレータなどであり、発振側切換部１６０は、当該信号発生部１５０で発生された電圧を、発振ロッド１００におけるどのベンダーエレメントに印加するかを切り換えるものである。図５の例では、信号発生部１５０で発生された信号は、発振側切換部１６０によって、Ｓ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1）が選択され
、これに信号が印加される状態を示している。
、これに信号が印加される状態を示している。
また、受振側切換部２６０は、受振ロッド２００のどのベンダーエレメントで、受信を行うかを切り換えるものであり、図５の例では、受振側切換部２６０によって、Ｓ波受振用ベンダーエレメント（Ｓ'1）が選択され、これにより弾性波の受信を行う状態を示している。
受振側切換部２６０からの出力は、直流アンプなどの信号増幅部２７０で増幅され、データログ機能付きオシロスコープなどのデータ取得部２８０によって記録される。また、データ取得部２８０では、信号発生部１５０で出力された信号を記録するようにしておいてもよい。
以上のような構成において、発振側切換部１６０で発振させるベンダーエレメントを順次Ｓ1→Ｐ1→Ｓ2→・・・のように選択しつつ、受振側切換部２６０で受信させるベンダ
ーエレメントも順次Ｓ'1→Ｐ'1→Ｓ'2→・・・のように選択して、それぞれ対向するベンダーエレメント間で、弾性波が伝搬する際の、送受の振動をデータ取得部２８０で記録する。
ーエレメントも順次Ｓ'1→Ｐ'1→Ｓ'2→・・・のように選択して、それぞれ対向するベンダーエレメント間で、弾性波が伝搬する際の、送受の振動をデータ取得部２８０で記録する。
図７は本発明の実施形態に係る半割コア用弾性波速度測定装置３００によって取得されるデータの一例を示す図である。発振側切換部１６０によって、Ｓ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1）が選択され、受振側切換部２６０によって、Ｓ波受振用ベンダーエレメン
ト（Ｓ'1）が選択された状態で、図７が記録された場合には、半割コアＣのＳ1とＳ'1と
が埋設された層でのＳ波速度をＶｓ＝Δｘ／ΔＴによって求めることができる。
ト（Ｓ'1）が選択された状態で、図７が記録された場合には、半割コアＣのＳ1とＳ'1と
が埋設された層でのＳ波速度をＶｓ＝Δｘ／ΔＴによって求めることができる。
本実施形態では、ベンダーエレメントＳ1−Ｓ'1間、ベンダーエレメントＰ1−Ｐ'1間、ベンダーエレメントＳ2−Ｓ'2間、ベンダーエレメントＰ2−Ｐ'2間、ベンダーエレメントＳ3−Ｓ'3間、ベンダーエレメントＰ3−Ｐ'3間、ベンダーエレメントＳ4−Ｓ'4間、ベン
ダーエレメントＰ4−Ｐ'4間、ベンダーエレメントＳ5−Ｓ'5間、ベンダーエレメントＰ5
−Ｐ'5間、ベンダーエレメントＳ6−Ｓ'6間における弾性波が伝搬する際の、送受の振動
をデータ取得部２８０で記録することができる。すなわち、本実施形態では、半割コアＣについて、長さｄ毎のＰ波速度（５点）およびＳ波速度（６点）を迅速に測定することが可能である。
ダーエレメントＰ4−Ｐ'4間、ベンダーエレメントＳ5−Ｓ'5間、ベンダーエレメントＰ5
−Ｐ'5間、ベンダーエレメントＳ6−Ｓ'6間における弾性波が伝搬する際の、送受の振動
をデータ取得部２８０で記録することができる。すなわち、本実施形態では、半割コアＣについて、長さｄ毎のＰ波速度（５点）およびＳ波速度（６点）を迅速に測定することが可能である。
以上のような本発明に係る半割コア用弾性波速度測定装置３００では、あらかじめＳ波発振用ベンダーエレメント（Ｓ1乃至Ｓ6）及びＰ波発振用ベンダーエレメント（Ｐ1乃至
Ｐ5）が配された発振基台部を有する発振ロッド１００と、Ｓ波受振用ベンダーエレメン
ト（Ｓ'1乃至Ｓ'6）及びＰ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）が配された受振基台部を有する受振ロッド２００と、を有しており、前記発振ロッド１００と、前記受振ロッド２００とを半割コアＣにセットすることで、試料の弾性波速度を現場で簡便に測定することが可能となる。
Ｐ5）が配された発振基台部を有する発振ロッド１００と、Ｓ波受振用ベンダーエレメン
ト（Ｓ'1乃至Ｓ'6）及びＰ波受振用ベンダーエレメント（Ｐ'1乃至Ｐ'5）が配された受振基台部を有する受振ロッド２００と、を有しており、前記発振ロッド１００と、前記受振ロッド２００とを半割コアＣにセットすることで、試料の弾性波速度を現場で簡便に測定することが可能となる。
また、本発明に係る半割コア用弾性波速度測定装置３００によれば、半割コアＣ（試料）について、所定間隔毎のＳ波速度及びＰ波速度を迅速に測定することが可能である。
５０・・・ベンダーエレメント
５２・・・振動子
１００・・・発振ロッド
１１０・・・発振基台部
１２０・・・発振リード線
１５０・・・信号発生部
１６０・・・発振側切換部
２００・・・受振ロッド
２１０・・・受振基台部
２２０・・・受振リード線
２６０・・・受振側切換部
２７０・・・信号増幅部
２８０・・・データ取得部
３００・・・半割コア用弾性波速度測定装置
Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6・・・Ｓ波発振用ベンダーエレメント
Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4、Ｐ5・・・Ｐ波発振用ベンダーエレメント
Ｓ'1、Ｓ'2、Ｓ'3、Ｓ'4、Ｓ'5、Ｓ'6・・・Ｓ波受振用ベンダーエレメント
Ｐ'1、Ｐ'2、Ｐ'3、Ｐ'4、Ｐ'5・・・Ｐ波受振用ベンダーエレメント
Ｃ・・・半割コア
５２・・・振動子
１００・・・発振ロッド
１１０・・・発振基台部
１２０・・・発振リード線
１５０・・・信号発生部
１６０・・・発振側切換部
２００・・・受振ロッド
２１０・・・受振基台部
２２０・・・受振リード線
２６０・・・受振側切換部
２７０・・・信号増幅部
２８０・・・データ取得部
３００・・・半割コア用弾性波速度測定装置
Ｓ1、Ｓ2、Ｓ3、Ｓ4、Ｓ5、Ｓ6・・・Ｓ波発振用ベンダーエレメント
Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、Ｐ4、Ｐ5・・・Ｐ波発振用ベンダーエレメント
Ｓ'1、Ｓ'2、Ｓ'3、Ｓ'4、Ｓ'5、Ｓ'6・・・Ｓ波受振用ベンダーエレメント
Ｐ'1、Ｐ'2、Ｐ'3、Ｐ'4、Ｐ'5・・・Ｐ波受振用ベンダーエレメント
Ｃ・・・半割コア
Claims (2)
- コアリングにより得られた試料を半割した半割コアの弾性波速度を測定する半割コア用弾性波速度測定装置であって、
前記半割コアに埋設されるＳ波発振用ベンダーエレメント及びＰ波発振用ベンダーエレメントが配された発振基台部を有する発振ロッドと、
前記半割コアに埋設されるＳ波受振用ベンダーエレメント及びＰ波受振用ベンダーエレメントが配された受振基台部を有する受振ロッドと、
前記Ｓ波発振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波発振用ベンダーエレメントに入力する信号を発生する信号発生部と、
前記Ｓ波受振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波受振用ベンダーエレメントで受信した信号を取得するデータ取得部と、からなり、
前記発振ロッドには、前記Ｓ波発振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波発振用ベンダーエレメントが複数設けられると共に、
前記受振ロッドには、前記Ｓ波受振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波受振用ベンダーエレメントが複数設けられることを特徴とする半割コア用弾性波速度測定装置。 - 前記発振ロッドには、前記Ｓ波発振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波発振用ベンダーエレメントが交互に設けられると共に、
前記受振ロッドには、前記Ｓ波受振用ベンダーエレメント及び前記Ｐ波受振用ベンダーエレメントが交互に設けられることを特徴とする請求項１に記載の半割コア用弾性波速度測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2013058321A JP6172503B2 (ja) | 2013-03-21 | 2013-03-21 | 半割コア用弾性波速度測定装置 |
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