JP2003194636A - 杭の動的載荷装置、杭の動的載荷法および動的載荷試験法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 杭の動的載荷試験を制御性良く容易で安価に
実施して、複雑な解析処理を必要とすることなく、杭の
支持力を信頼性良く推定する。 【解決手段】 磁歪材１１に励磁コイル１２が施された
磁歪素子１０を杭２１の杭頭に接続し、励磁コイル１２
に供給する電流を制御することで、磁歪素子１０に発生
する歪みを杭２１に伝達して、杭２１に周波数および振
幅を制御して振動を励起し、杭周辺の地盤に伝達される
振動を検出することで、容易に杭２１の支持力を推定す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、構造物の基礎と
なる基礎杭の動的載荷装置、基礎杭の支持力を推定する
ための動的載荷法、および動的載荷試験法に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】土に歪みが与えられたとき、その大きさ
が１０^−４以下、比較的軟らかい土の場合は１０^−５の
領域では土は弾性体として扱うことができ、それを越え
る歪みが与えられると、土は塑性的性質が卓越してく
る。地盤に打設された杭への載荷荷重が小さく杭に発生
する歪みが微小な場合、接触する地盤に発生する歪みも
微小であるため、地盤は弾性体として扱える。この場
合、荷重を除去することで杭および地盤の歪みは解消し
て元の状態に戻り、このときの荷重は極限支持力を超え
ていない範囲となる。載荷荷重を大きくすると、杭に発
生する歪みは大きくなり接触する地盤にも大きな歪みが
発生する。これにより、地盤の塑性的性質が卓越してく
ると、杭に接触した地盤は塑性変形を生じ、荷重を除去
しても地盤の塑性変形は解消せず杭は元の位置に戻らな
い。このときの荷重は極限支持力を超える範囲となる。

【０００３】従来から、杭の極限支持力（以下、単に支
持力と称す）を診断する方法として、静的載荷試験、動
的載荷試験、および急速載荷試験が行われている。静的
載荷試験法は、測定対象の杭に静的に載荷して、その載
荷重と沈下量との関係から杭の静的な支持力を求める方
法である。図１５は、杭の支持力を測定するための従来
の静的載荷装置１０００の概念を示す図である。図にお
いて、１００１は支持力を測定する試験杭、１００２は
反力杭、１００３は載荷梁、１００４は油圧ジャッキ、
１００５は油圧ジャッキ１００４を制御する制御装置、
１００６はゲージである。なお、ＧＬは地表面を示す。
このような静的載荷装置１０００による静的載荷試験法
について以下に説明する。図に示すように、測定対象の
試験杭１００１の周囲に反力杭１００２を設け、この反
力杭１００２で載荷荷重を支えながら試験杭１００１に
荷重が加えられる。この荷重は、反力杭１００２に支持
された載荷梁１００３と試験杭１００１との間に配置さ
れた油圧ジャッキ１００４により加えられる。油圧ジャ
ッキ１００４は制御装置１００５からの制御量に応じて
試験杭１００１を鉛直方向に載荷し、載荷後、試験杭１
００１の沈下量をゲージ１００６で測定し、載荷量と沈
下量との関係から支持力の診断を行う。

【０００４】このような従来の静的載荷試験法では、信
頼性良く試験杭の支持力を測定できるものであるが、試
験杭に十分な荷重を発生するために相当規模の反力杭の
打設や載荷梁の設置が必要であり、試験設備が大がかり
なものとなる。また、設備の移設にも多大な費用と時間
がかかり、効率が極めて悪く、多数の杭の支持力を測定
するのは、実用上困難であった。

【０００５】一方、従来の動的載荷試験法では、杭頭を
ハンマで打撃することで試験杭に動的に載荷し、杭頭に
設置した振動センサで得られた応答を解析することで試
験杭の支持力を推定するものである。このような動的載
荷試験法は、静的載荷試験法のような大規模の設備が不
要であるが、載荷時間が数ｍ秒と短く、発生する弾性振
動の波長が試験杭の長さに比べて十分に短い。このた
め、振動センサによる検出波形から支持力を推定する段
階において、杭体を一次元弾性体と見なして、波動理論
による複雑な解析処理を必要とする。また、杭頭から得
られる情報は限られているため、支持力の推定値はかな
り変動するものであった。

【０００６】また、従来の急速載荷試験法では、火薬な
どの推進材を爆発させて、その衝撃力を杭頭に載荷する
ことにより、試験杭に荷重を与えるもので、上記のよう
な従来の動的載荷試験法の場合の約１０倍程度の載荷時
間が得られ、より静的な状態で載荷できるものである。
しかしながら推進材の取り扱いに注意が必要で制約が多
く、運用上の課題があるものであった。

【０００７】さらに、上記のような従来の動的載荷試験
法の問題点を改善する方法として、例えば、特開平１０
−１５３５０４号公報に記載された従来の動的載荷試験
法について、図１６に基づいて以下に説明する。この試
験法による動的載荷は、杭頭をハンマで打撃する際、複
数に分割された分割ハンマを一定の間隔で順に落下させ
ることにより任意の周波数で載荷するものである。図１
６に示す動的載荷装置では、アンビル２００１にはガイ
ドシャフト２００２が立設され、ガイドシャフト２００
２の頂部にはフック２００３が設けられている。アンビ
ル２００１は下部に、杭Ｐの頭部に被着されるパイルキ
ャップ２００４を有している。測定器として、荷重を計
測するための荷重計２００５がアンビル２００１と杭頭
との間に配置され、また杭頭の変位を計測するための変
位計２００６がパイルキャップ２００４の側面に配置さ
れている。ハンマは複数に分割された分割ハンマＭ１，
Ｍ２，・・・Ｍｎから成り、各分割ハンマＭの中央には
ガイドシャフト２００２への挿通孔２００７が形成され
ている。

【０００８】次に動作について説明する。フック２００
３にワイヤロープ２００８を懸吊し、ガイドシャフト２
００２に分割ハンマＭをワイヤロープ２００８により保
持する。ワイヤロープ２００８には図示しない止め具が
設けられ、各分割ハンマＭは一定間隔ｄで保持される。
フック２００３を外すことにより、各分割ハンマＭの保
持が同時に解除される。これにより、各分割ハンマＭが
杭頭に順次落下し、杭頭に衝突して荷重を発生させる。
荷重は荷重計２００４により計測され、杭頭の変位は変
位計２００６により計測される。このような載荷方法に
おいては、分割ハンマＭの一定間隔ｄは落下の際の一定
時間間隔を規定し、間隔ｄを変えることにより、落下の
時間間隔を変えることができる。すなわち、荷重全体と
しての周波数を制御することが可能であり、より静的に
近い状態で載荷できるものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような改善された従来の動的載荷試験法の場合でも、連
続的に長時間載荷することは困難であった。また、載荷
荷重の周波数を制御するためにはハンマの間隔を、ハン
マが杭頭に衝突する時の衝撃力を制御するためにはハン
マの質量を調整する必要があり、作業が繁雑となり効率
が悪いものであった。

【００１０】この発明は、上記のような問題点を解消す
るために成されたものであって、杭の載荷試験を制御性
良く容易で安価に実施でき、複雑な解析処理を必要とす
ることなく、杭の支持力を信頼性良く推定できる動的載
荷法および動的載荷試験法を提供することを目的とす
る。また、このような動的載荷が可能になる動的載荷装
置の構造を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る請求項１
記載の杭の動的載荷装置は、磁界により歪みを発生する
磁歪材および該磁歪材に磁界を発生させる励磁コイルで
構成された磁歪素子と、杭頭に上記磁歪素子を接続する
接続機構と、上記磁歪材に電流を供給する電源装置と、
上記電流の周波数および振幅を制御する制御装置とを備
えて、上記磁歪素子に発生する歪みにより杭を励振させ
るものである。

【００１２】またこの発明に係る請求項２記載の杭の動
的載荷装置は、請求項１において、磁歪素子で支持され
た所定の質量の錘を備えたものである。

【００１３】またこの発明に係る請求項３記載の杭の動
的載荷法は、杭頭に接続された磁歪素子の励磁コイルに
電流を供給して、磁界による上記磁歪素子の歪みを、振
動として杭に伝達し、該杭を励振するものである。

【００１４】またこの発明に係る請求項４記載の杭の動
的載荷法は、請求項３において、磁歪素子に所定の質量
の錘を支持させることにより、該錘の質量と上記磁歪素
子のこわさで決定される共振周波数が、杭の共振周波数
に概等しくなるように設定し、該共振周波数あるいはそ
の近傍の周波数による振動で上記杭を励振させるもので
ある。

【００１５】またこの発明に係る請求項５記載の杭の動
的載荷法は、請求項４において、共振周波数あるいはそ
の近傍の周波数による振動で杭を励振させるに先だっ
て、時間と共に周波数が変化する電流を磁歪素子の励磁
コイルに供給して杭を励振し、該杭周辺の地盤あるいは
杭自身に励起された振動を観測して該振動が最大振幅と
なるときの上記電流の周波数により、上記杭の共振周波
数を得るものである。

【００１６】またこの発明に係る請求項６記載の杭の動
的載荷試験法は、請求項３〜５のいずれかに記載の杭の
動的載荷法により試験杭を励振し、該試験杭周辺の地盤
に励起された振動を検出して、上記試験杭の支持力を推
定するものである。

【００１７】またこの発明に係る請求項７記載の杭の動
的載荷試験法は、請求項６において、所定の周波数およ
び振幅の電流を磁歪素子の励磁コイルに供給して試験杭
を励振し、該試験杭周辺の地盤に励起された振動を振動
センサにて検出し、該検出された振動の振幅により上記
試験杭の最大静止周面摩擦力を算出するものである。

【００１８】またこの発明に係る請求項８記載の杭の動
的載荷試験法は、請求項６において、磁歪素子の励磁コ
イルに電流を供給して試験杭を励振し、該試験杭周辺の
地盤に励起される振動の振幅が予め設定された目標値と
なるように上記励磁コイルに供給する電流を制御して、
該制御電流値により上記試験杭の最大静止周面摩擦力を
算出するものである。

【００１９】またこの発明に係る請求項９記載の杭の動
的載荷試験法は、請求項６において、時間と共に振幅が
変化する電流を磁歪素子の励磁コイルに供給して試験杭
を励振し、該試験杭周辺の地盤に励起された振動の振幅
の変化を振動センサにて観測し、上記試験杭の最大静止
周面摩擦力を算出するものである。

【００２０】またこの発明に係る請求項１０記載の杭の
動的載荷試験法は、請求項３記載の杭の動的載荷法によ
り、時間と共に周波数が変化する電流を磁歪素子の励磁
コイルに供給して試験杭を励振し、該試験杭自身および
該試験杭周辺の地盤に励起された振動をそれぞれ振動セ
ンサにより検出し、該各振動センサによる検出信号から
伝達関数を演算して上記試験杭の支持力を推定するもの
である。

【００２１】またこの発明に係る請求項１１記載の杭の
動的載荷試験法は、試験杭の近傍に打設された参照杭の
支持力を静的載荷試験法により求める第１の手順と、請
求項３〜５のいずれかに記載の杭の動的載荷法により上
記参照杭を励振し、該参照杭周辺の地盤に励起された振
動を検出する第２の手順と、該第１の手順により得た上
記参照杭の支持力と、上記第２の手順により得た振動の
検出信号とを関連づけて記憶する第３の手順と、上記第
２の手順と同様の方法で上記試験杭を励振させて、地盤
に励起された振動を検出する第４の手順と、上記第３の
手順にて記憶された情報を参照して、上記第４の手順に
より得た振動の検出信号に基づいて上記試験杭の支持力
を推定する第５の手順とを備えたものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】実施の形態１．以下、この発明の
実施の形態１を図について説明する。図１はこの発明の
実施の形態１による磁歪素子の構成を示す図であり、図
２は図１に示す磁歪素子を用いた杭の動的載荷装置の構
成を示す図である。図において、１０は磁歪素子で、磁
歪材を加工したコア１１と励磁コイル１２とで構成され
る。１３はコア１２の端面を示す。また、２１は試験
杭、２２は磁歪素子１０を試験杭２１の杭頭に接続する
接続機構、２３は励磁コイル１２に供給する電流を制御
する制御装置、２４は電源装置である。なお、ＧＬは地
表面を示す。

【００２３】ところで、磁歪材は、外部磁界の大きさに
依存した歪みを磁束の向きに発生する特性を有し、その
応答速度は、数十μ秒以下である。また金属系の磁歪材
では鋼のヤング率に匹敵するヤング率を有するほど材料
強度の強い材料も存在し、大きな外力が加えられても十
分な耐性を有する震動源を得ることが可能である。図１
に示すように、磁歪材をπ型あるいは角型に加工したコ
ア１１にトロイダル状の励磁コイル１２を施して磁歪素
子１０を構成する。励磁コイル１２に電流を流すと、電
流の向きと交差する方向に磁界が誘導され、磁界の方向
にコア１１が歪む。電流の振幅や周波数を変化させると
それに応じた歪みがコア１１に発生するため、コア端面
１３を矢印の方向に対象物に圧接させると、コア１１に
発生した歪みが振動として対象物に伝達される。

【００２４】図２に示すように、コア１１に励磁コイル
１２を施した磁歪素子１０は、接続機構２２を介して試
験杭２１に接合される。一方、制御装置２３は電源装置
２４に出力電流を制御する信号を出力し、その制御信号
に応じて、電源装置２４は出力電流の周波数や振幅を変
化させる。電源装置２４の出力電流は、励磁コイル１２
に供給され、振幅や周波数に応じた歪みが磁歪素子１０
に発生し、この磁歪素子１０に発生した歪みは振動とし
て試験杭２１に伝達され、試験杭２１に振動を励起す
る。すなわち、制御装置２３により、試験杭２１で発生
する振動を任意に制御可能となる。なお、磁歪材を加工
したコア１１は、試験杭２１の大きさや長さ、計画され
る動的載荷試験の規模に応じて、必要な加振帯域、振動
振幅、必要な耐荷重等の条件を満たすように設計され
る。

【００２５】この実施の形態によると、磁歪素子１０の
励磁コイル１２に電流を供給して、磁歪素子１０に発生
する歪みを振動として試験杭２１に伝達することで、試
験杭２１を励振し、これによって試験杭２１に載荷す
る。また、励磁コイル１２に供給される電流は、制御装
置２３により印加時間、周波数、振幅を任意に制御でき
る。このため、試験杭２１に発生する振動も任意に制御
可能となり、試験杭２１への載荷荷重の周波数や大きさ
を容易に制御できる。またこのような、試験杭２１への
載荷荷重の周波数や大きさを容易に制御できる動的載荷
装置を、磁歪素子１０を用いることで簡便な装置構成で
安価に提供できる。また、接続機構２２を工夫すること
で、容易に移設でき、効率良く信頼性の高い動的載荷、
および動的載荷試験を実施できる。

【００２６】実施の形態２．図３はこの発明の実施の形
態２による杭の動的載荷装置の構成を示す図である。図
に示すように、図２で示す上記実施の形態１による動的
載荷装置の磁歪素子１０上に所定の重さの錘３１を設け
て、磁歪素子１０で錘３１を支持するようにした。とこ
ろで、対象物に振動を励起する場合、共振周波数では共
振のＱ値で決まる倍率の振幅を発生することができ、こ
の共振周波数を中心にした周辺周波数で、振幅の大きな
振動をより効率的に発生することができる。磁歪素子１
０の共振周波数Ｆｓは、素子の有効長Ｌｓ、金属の音響
伝播速度Ｖとすると、以下の式で求められる。 Ｆｓ＝Ｖ／（２・Ｌｓ） 一般に金属の音響伝播速度Ｖは５０００ｍ／ｓｅｃであ
り、例えばＬｓ＝２ｍとすると、共振周波数Ｆｓ＝１２
５０Ｈｚとなる。このとき磁歪素子１０自身には振幅の
大きな振動を効率的に発生するものであるが、磁歪素子
１０に比して格段と長い試験杭２１には、効率よく伝達
して励振することができない。

【００２７】この実施の形態では、磁歪素子１０で所定
の重さの錘３１を支持するようにしたため、錘３１を支
持した状態の磁歪素子１０の共振周波数の波長を、試験
杭２１の長さに匹敵する程度に長くして、効率的に大き
な振動を試験杭２１に発生させることができる。錘３１
を支持した磁歪素子１０の共振周波数Ｆ０は、錘３１の
質量Ｍと磁歪素子１０のこわさＫｍとで決定され、以下
の式で求められる。 Ｆ０＝（Ｋｍ／Ｍ）^１／２／２π なお、Ｋｍ＝Ｅ・Ｓ／Ｌ Ｅ：磁歪素子１０のヤング率 Ｓ：磁歪素子１０の断面積 Ｌ：磁歪素子１０の有効長 例えば、磁歪素子１０のヤング率Ｅ＝２１・１０
^１０（Ｎ・ｍ^−２）、断面積Ｓ＝７２００ｍｍ^２、有効
長Ｌ＝２ｍ、錘３１の質量Ｍ＝３０００ｋｇとすると、
共振周波数Ｆ０＝８０Ｈｚとなり、波長は約２０ｍとな
り、試験杭２１の長さに匹敵する程度の長さとなる。

【００２８】この実施の形態では、動的載荷装置の磁歪
素子１０で錘３１を支持する構造としたため、磁歪素子
１０の共振周波数の波長を試験杭２１の長さに匹敵させ
る程度に長くできて、大きな振動を効率的に試験杭２１
に発生させることができる。このため、必要な電源の容
量や規模を縮小でき、より簡便で安価な動的載荷装置を
実現できる。

【００２９】実施の形態３．次に、上記実施の形態２で
示した動的載荷装置を用いて試験杭の支持力を推定する
ための動的載荷試験法を図４に基づいて説明する。図４
に示すように、制御装置２３から所定の制御信号が電源
装置２４に与えられ、その制御信号に応じて電源装置２
４は励磁コイル１２に電流を供給する。これにより磁歪
素子１０には歪みによる振動が所定の周波数と振幅で発
生して、この振動を接続機構２２を介して試験杭２１の
杭頭に伝達して試験杭２１を励振する。試験杭２１に伝
達された振動は、さらに試験杭２１の周面から周囲の地
盤に伝播し、地盤に設置された振動センサ４１で検出す
る。振動センサ４１では、検出した振動を電気信号に変
換し、増幅装置４２にて適切な信号増幅を行った後、演
算処理装置４３にて、振動検出時に混入する外来雑音を
除去するフィルタリング処理や、入力信号のデジタル変
換処理を行った後、所定の演算処理にて振幅を求める。
また、増幅器４２の出力信号をオシロスコープ等の計測
装置４４に直接取り込んでもよく、同様に振幅を求める
ことができる。

【００３０】ところで、杭周面の拘束力が大きいとき
は、杭より地盤に伝達される振動の伝達効率は上がり、
逆に拘束力が小さいときは、杭より地盤に伝達される振
動の伝達効率は下がる。従って、磁歪素子１０を用いて
所定の周波数と振幅の基準振動を試験杭２１に励起し、
試験杭２１周辺の地盤の固定点に設置された基準の振動
センサ４１にて地盤の振動を検出すれば、杭周面の拘束
力に比例した振幅値が得られる。

【００３１】次に、このように得られた振幅値から、杭
の支持力を決定する重要なパラメータである最大静止周
面摩擦力を算出し、これに基づいて杭の支持力を推定す
る。最大静止周面摩擦力およびその算出方法について以
下に説明する。杭周面における最大静止周面摩擦力は、
地盤の杭周面の拘束力に比例するもので、最大静止周面
摩擦力が大きいと、地盤を弾性体として扱える歪みの限
界も大きくなるため、歪みの発生の原因となる載荷荷重
の限界値も大きくなり、杭の支持力は大きくなる。所定
の周波数と振幅の基準振動を杭のモデルに励起すること
で地盤の固定点にて振動を検出して得た振幅値は、図５
に示すように、最大静止周面摩擦力と一定の相関関係を
有するものである。このため、両者の関係を実績データ
などから予め求めておいて、それを参照することで、試
験杭２１に同様の方法で基準振動を励起させ基準の振動
センサ４１にて地盤の振動を検出して得た振幅値から、
試験杭２１の最大静止周面摩擦力を求める。

【００３２】このように、磁歪素子１０の励磁コイル１
２に所定の制御信号により電流を供給することで、試験
杭２１への載荷荷重の周波数や大きさを容易に制御でき
て、制御性良く基準振動を発生させることができ、地盤
の振動を検出して得た振幅値から最大静止周面摩擦力を
算出することができる。このため、試験杭２１の載荷試
験を制御性良く容易で安価に実施でき、複雑な解析処理
を必要とすることなく、試験杭２１の支持力を信頼性良
く推定できる。

【００３３】実施の形態４．次に、この発明の実施の形
態４による動的載荷試験法を図６に基づいて説明する。
図６に示すように、制御装置２３からの制御信号に応じ
て電源装置２４は励磁コイル１２に電流を供給し、磁歪
素子１０には歪みによる振動が発生して、この振動を接
続機構２２を介して試験杭２１の杭頭に伝達して試験杭
２１を励振する。試験杭２１に伝達された振動は、さら
に試験杭２１の周面から周囲の地盤に伝播し、地盤に設
置された振動センサ４１で検出する。振動センサ４１で
は、検出した振動を電気信号に変換し、増幅装置４２に
て適切な信号増幅を行った後、演算処理装置４３にて、
所定の演算処理にて振幅を求める。信号比較装置６１で
は、予め目標設定装置６２にて設定された目標値と、演
算処理装置４３にて求められた振幅とを比較し、振幅が
目標値に一致するように、制御装置２３は制御信号を電
源装置２４へ出力する。すなわち、検出された振幅が目
標値よりも小さい場合は、電源装置２４から励磁コイル
１２に供給される励磁電流の振幅を大きくし、検出され
た振幅が目標値よりも大きい場合は、励磁電流の振幅を
小さくすることで、一定の振幅が得られるようにフィー
ドバック制御する。

【００３４】このように、地盤に設置された振動センサ
４１で検出される振動の振幅が一定となる制御を行い、
電源装置２４から出力される励磁電流値を検出器を備え
て検出する。励磁電流値が大きいときは、試験杭２１よ
り地盤に伝達される振動の伝達効率が悪い状態であり、
励磁電流値が小さいときは、試験杭２１より地盤に伝達
される振動の伝達効率が良い状態である。このため、励
磁電流値と最大静止周面摩擦力との関係を予め求めてお
けば、検出された上記励磁電流値から容易に試験杭２１
の最大静止周面摩擦力を求めることができる。このた
め、上記実施の形態３と同様に、試験杭２１の載荷試験
を制御性良く容易で安価に実施でき、複雑な解析処理を
必要とすることなく、試験杭２１の支持力を信頼性良く
推定できる。

【００３５】なお、この実施の形態では、電源装置２４
から出力される励磁電流値を検出器を備えて検出した
が、制御装置２３から出力される制御信号の振幅制御値
を検出して励磁電流値を把握しても良い。また、上記実
施の形態３、４では上記実施の形態２で示した動的載荷
装置を用いたが、上記実施の形態１で示した動的載荷装
置を用いても同様の方法で杭の支持力を信頼性良く推定
できる。

【００３６】実施の形態５．次に、この発明の実施の形
態５による動的載荷法を図７に基づいて説明する。上記
実施の形態２では、動的載荷装置を、磁歪素子１０で錘
３１を支持する構造として、磁歪素子１０の共振周波数
の波長を試験杭２１の長さに匹敵させる程度に長くし、
大きな振動を効率的に試験杭２１に発生させるものを示
した。この実施の形態では、上記実施の形態２による動
的載荷装置における錘３１を分割して、各分割錘の数を
自由に変更して重さを調節できる錘７１を構成する。そ
して、錘７１の重さを調節することで、錘７１を支持し
た状態の磁歪素子１０の共振周波数を、試験杭２１の共
振周波数に一致させる。

【００３７】上述したように、錘７１を支持した磁歪素
子１０の共振周波数Ｆ０は、錘７１の質量Ｍと磁歪素子
１０のこわさＫｍとで決定され、以下の式で求められ
る。 Ｆ０＝（Ｋｍ／Ｍ）^１／２／２π なお、Ｋｍ＝Ｅ・Ｓ／Ｌ Ｅ：磁歪素子１０のヤング率 Ｓ：磁歪素子１０の断面積 Ｌ：磁歪素子１０の有効長 また、試験杭２１の長さ方向の縦振動の共振周波数Ｆ１
は、試験杭２１の長さＬ１、試験杭２１を伝播する弾性
波の音響伝播速度Ｖとすると、以下の式で求められる。 Ｆ１＝Ｖ／（２・Ｌ１） これらの式により、錘７１を支持した状態の磁歪素子１
０の共振周波数を、試験杭２１の共振周波数に一致させ
るためには、錘７１の質量Ｍは、以下のように決定され
る。 Ｍ＝Ｋｍ／（２π・Ｆ１）^２

【００３８】このように、錘７１の質量Ｍを設定するこ
とで、錘７１を支持した状態の磁歪素子１０の共振周波
数を、試験杭２１の共振周波数に容易に一致させること
ができる。この一致した共振周波数、あるいはその周辺
周波数にて試験杭２１が励振するように、電源装置２４
から出力される励磁電流を制御して、より効率的に大き
な振動を制御性良く試験杭２１に発生させることができ
る。このため、動的載荷装置を、より小型で軽量化でき
簡略化が図れる。

【００３９】なお、この実施の形態５で示した動的載荷
法を、上記実施の形態３、４に適用して試験杭２１の動
的載荷試験を行うと、より効率的な動的載荷試験が行え
る。すなわち、錘７１の質量Ｍを所定の値に設定するこ
とで、錘７１を支持した磁歪素子１０の共振周波数を試
験杭２１の共振周波数に一致させ、この共振周波数を用
いて試験杭２１を励振させて動的載荷試験を行う。

【００４０】実施の形態６．上記実施の形態５では、錘
７１を支持した磁歪素子１０の共振周波数が試験杭２１
の共振周波数に一致するように、錘７１の質量Ｍを設定
したが、試験杭２１の共振周波数を予め求める必要があ
る。この実施の形態では、試験杭２１の共振周波数を、
実際に試験杭２１を励振させて求める方法を、図８に基
づいて以下に示す。図８に示すように、制御装置２３か
らの制御信号に応じて電源装置２４は励磁コイル１２に
電流を供給する。このとき、励磁電流の振幅は固定し、
周波数は時間と共に変化させる。これにより磁歪素子１
０には歪みによる振動が発生して、この振動を接続機構
２２を介して試験杭２１の杭頭に伝達して試験杭２１を
励振する。この試験杭２１に伝達された振動を、杭頭に
設置された振動センサ８１で検出する。振動センサ８１
では、検出した振動を電気信号に変換し、増幅装置４２
にて適切な信号増幅を行った後、周波数解析装置８２に
入力する。周波数解析装置８２では、振動検出時に混入
する外来雑音を除去するフィルタリング処理や、入力信
号のデジタル変換処理を行った後、フーリエ変換処理を
行い、振幅が最大となる周波数を求める。

【００４１】図９に、励磁コイル１２に供給される励磁
電流の時間軸波形９１と、振動センサ８１で検出された
振動のフーリエ変換結果９２とを示す。このように、時
間と共に周波数を変化させた励磁電流により試験杭２１
を励振させると、周波数が試験杭２１の共振周波数に一
致した瞬間に、最大の振幅で試験杭２１が振動する。従
って、このときの周波数を周波数解析装置８２により求
めることで、試験杭２１の共振周波数を求めることがで
きる。このため、試験杭２１の長さＬ１が不明な場合、
また、地盤の影響や打設の状態によって、長さＬ１と音
響伝播速度Ｖとから演算される共振周波数に誤差が含ま
れる場合にも、容易に実際の共振周波数が得られる。

【００４２】なお、この実施の形態では、杭頭に振動セ
ンサ８１を設置したが、試験杭２１の周辺の地盤に励起
される振動を検出しても良く、同様の効果が得られる。
また、このように試験杭２１の共振周波数を求めた後、
動的載荷試験を行うには、錘７１を支持した磁歪素子１
０の共振周波数を、試験杭２１の共振周波数に一致する
ように、錘７１の質量Ｍを調節し、この共振周波数を用
いて試験杭２１を再度励振させて動的載荷試験を行う。

【００４３】実施の形態７．次に、この発明の実施の形
態７による動的載荷試験法を説明する。制御装置２３か
らの制御信号に応じて電源装置２４は励磁コイル１２に
電流を供給するが、このとき励磁電流の振幅を時間と共
に大きくなるように変化させる。これにより磁歪素子１
０に発生する振動を接続機構２２を介して試験杭２１に
伝達して、試験杭２１に時間と共に大きくなる振動を励
振する。このように、励磁電流の振幅を時間と共に大き
くすると、試験杭２１に励起される振動も時間と共に振
幅が大きくなるが、やがて、杭接触面の地盤が弾性体と
しての限界を超えた歪みに到達したとき、接触面での振
動の伝達状態が変化する。

【００４４】図１０、図１１は、この実施の形態による
動的載荷試験法の動作を説明する図であり、特に図１０
は、杭接触面の地盤が弾性体として機能している状態
で、電源装置２４から供給される励磁電流の電流波形１
０１と、試験杭周辺の地盤の固定点にて検出される振動
センサの出力波形１０２と、杭頭の固定点にて検出され
る振動センサの出力波形１０３と、掃引時間制御信号の
波形１０４とを示す。また、図１１は、杭接触面の地盤
が弾性体としての限界を超えた歪みに到達し、接触面で
の振動の伝達状態が変化する状態で、試験杭周辺の地盤
の固定点にて検出される振動センサの出力波形１１１
と、杭頭の固定点にて検出される振動の出力波形１１２
とを示す。

【００４５】励磁電流の振幅を時間と共に大きくしたと
き、例えば振幅が変化する時間を制御する掃引時間制御
信号１０４をトリガに、振動センサで検出される振動を
観測すると、振幅が比較的小さく杭接触面の地盤が弾性
体として機能するとき、図１０に示すように、杭頭の振
動波形１０３および地盤の振動波形１０２は共に時間と
共に大きくなり、励磁電流の電流波形１０１とほぼ比例
関係にあることがわかる。励磁電流の振幅が更に大きく
なるように変化させると、図１１に示すように、杭頭の
振動波形１０３は大きくなって行くが、地盤の振動波形
１０２は、杭接触面の地盤が弾性体としての限界を超え
て接触面での振動の伝達状態が変化した時点で、比例関
係が変化する。この変化点は、振幅の包落線の変化や位
相の変化として検出されるため、振動の伝達状態が変化
する歪みの大きさ、すなわち、地盤を弾性体として扱え
る歪みの限界値を容易に得ることができ、この値より試
験杭２１の最大静止周面摩擦力を求め、試験杭２１の支
持力を推定できる。このため試験杭２１の載荷試験を制
御性良く容易で安価に実施でき、複雑な解析処理を必要
とすることなく、試験杭２１の支持力を信頼性良く推定
できる。

【００４６】実施の形態８．次に、この発明の実施の形
態８による動的載荷試験法を示す。制御装置２３からの
制御信号に応じて電源装置２４は励磁コイル１２に電流
を供給して、これにより磁歪素子１０に発生する振動を
接続機構２２を介して試験杭２１に振動を励振する。こ
の試験杭２１の振動は杭周面を介して周辺の地盤に伝達
する。杭周面と地盤の接触面は、図１２に示す理論モデ
ルが考えられており、変位に比例する成分１２１、速度
に比例する成分１２２、および弾塑性を表す成分１２３
で構成される。

【００４７】この実施の形態では、上記理論モデルの各
パラメータを推定し、これにより試験杭２１の支持力を
推定するもので、図１３に基づいて以下に説明する。図
１３に示すように、制御装置２３からの制御信号に応じ
て電源装置２４は励磁コイル１２に電流を供給する。こ
のとき、励磁電流の周波数は時間と共に変化させる。こ
れにより磁歪素子１０には歪みによる振動が発生して、
この振動を接続機構２２を介して試験杭２１の杭頭に伝
達して試験杭２１を励振する。この試験杭２１に伝達さ
れた振動を、杭頭に設置された振動センサ８１で検出す
る。また、試験杭２１に伝達された振動は、さらに試験
杭２１の周面から周囲の地盤に伝播し、地盤に設置され
た振動センサ４１で検出する。各振動センサ４１、８１
では、検出した振動を電気信号に変換し、増幅装置４２
にて適切な信号増幅を行った後、それぞれ伝達関数演算
装置１３１に入力される。伝達関数演算装置１３１で
は、入力された２つの信号からそれらの伝達関数を演算
する。演算された伝達関数より、各周波数における両者
の位相または振幅の関係が求められ、これにより、上記
理論モデルの各パラメータを推定することができる。

【００４８】このため、複雑な解析を必要とせず、理論
モデルの各パラメータを容易に推定することができ、こ
れに基づいて試験杭２１の支持力が推定できる。また、
励磁電流を時間と共に周波数が変化するものとしたた
め、広い周波数帯域で振動エネルギを試験杭２１および
地盤に与えることができ、各周波数における応答を得る
ことができ、効率的で正確な観測が行え、信頼性良く理
論モデルの各パラメータを推定することができる。

【００４９】なお、振動センサを地中または地表または
その双方に複数個設置して、各センサ間の伝達関数を求
めれば、上記理論モデルの各パラメータの推定は更に信
頼性が高まる。

【００５０】実施の形態９．次に、この発明の実施の形
態９による動的載荷試験法を図１４のフローチャートに
基づいて説明する。まず、第１のステップ１４１にて、
支持力を推定する試験杭２１の近傍に参照杭を打設し、
この参照杭の支持力を、図１５で示した静的載荷装置１
０００を用いた静的載荷試験法により求める。次に、第
２のステップ１４２にて、上述した実施の形態１、２に
よる動的載荷装置により、上記参照杭を励振し、参照杭
周辺の地盤に励起された振動を検出する。次に、第３の
ステップ１４３にて、第１のステップ１４１により得た
参照杭の支持力と、第２のステップ１４２により得た振
動の検出信号とを関連づけて記憶し、支持力と振動検出
信号とを対応づけたデータベース１４４を構築する。次
に、第４のステップ１４５にて、第２のステップ１４２
と同様の方法で、この動的載荷試験法の対象である試験
杭２１を励振させて、地盤に励起された振動を検出し、
この検出信号に基づいてデータベース１４４を検索して
対応する支持力を抽出し、この支持力を試験杭２１の支
持力と推定する。

【００５１】このように、参照杭を試験対象となる試験
杭２１の近傍に打設すれば、地層構造や地下水の状態な
ど地下構造がほぼ近似するため、周辺の地盤ではほぼ近
似した応答が観測される。このため、参照杭の支持力を
予め、例えば図１５で示した静的載荷装置１０００を用
いた静的載荷試験法により求め、これを基準として上述
したように試験杭２１の支持力を推定すると、複雑な地
層構造や地盤の非線形要素が影響する場合でも容易に信
頼性良く試験杭２１の支持力を推定することができる。

【００５２】なお、上記実施の形態１〜９では磁歪素子
１０を用いて試験杭２１を励振したが、周波数および振
幅を任意に制御できる振動源であれば、同様の効果が得
られる。

【００５３】

【発明の効果】この発明に係る請求項１記載の杭の動的
載荷装置は、磁界により歪みを発生する磁歪材および該
磁歪材に磁界を発生させる励磁コイルで構成された磁歪
素子と、杭頭に上記磁歪素子を接続する接続機構と、上
記磁歪材に電流を供給する電源装置と、上記電流の周波
数および振幅を制御する制御装置とを備えて、上記磁歪
素子に発生する歪みにより杭を励振させるため、杭に発
生する振動を任意に制御可能な動的載荷装置を、簡便な
装置構成で安価に提供でき、効率良く信頼性の高い動的
載荷、および動的載荷試験を実施できる。

【００５４】またこの発明に係る請求項２記載の杭の動
的載荷装置は、請求項１において、磁歪素子で支持され
た所定の質量の錘を備えたため、効率的に大きな振動を
杭に発生させることができ、より簡便で安価な動的載荷
装置を実現できる。

【００５５】またこの発明に係る請求項３記載の杭の動
的載荷法は、杭頭に接続された磁歪素子の励磁コイルに
電流を供給して、磁界による上記磁歪素子の歪みを、振
動として杭に伝達し、該杭を励振するため、杭に発生す
る振動を任意に制御可能で信頼性の高い動的載荷、およ
び動的載荷試験を実施できる。

【００５６】またこの発明に係る請求項４記載の杭の動
的載荷法は、請求項３において、磁歪素子に所定の質量
の錘を支持させることにより、該錘の質量と上記磁歪素
子のこわさで決定される共振周波数が、杭の共振周波数
に概等しくなるように設定し、該共振周波数あるいはそ
の近傍の周波数による振動で上記杭を励振させるため、
より効率的に大きな振動を制御性良く杭に発生させるこ
とができ、信頼性の高く、効率性の良い動的載荷、およ
び動的載荷試験を実施できる。

【００５７】またこの発明に係る請求項５記載の杭の動
的載荷法は、請求項４において、共振周波数あるいはそ
の近傍の周波数による振動で杭を励振させるに先だっ
て、時間と共に周波数が変化する電流を磁歪素子の励磁
コイルに供給して杭を励振し、該杭周辺の地盤あるいは
杭自身に励起された振動を観測して該振動が最大振幅と
なるときの上記電流の周波数により、上記杭の共振周波
数を得るため、杭長が不明な場合にも、杭の共振周波数
を容易に信頼性良く得ることができる。

【００５８】またこの発明に係る請求項６記載の杭の動
的載荷試験法は、請求項３〜５のいずれかに記載の杭の
動的載荷法により試験杭を励振し、該試験杭周辺の地盤
に励起された振動を検出して、上記試験杭の支持力を推
定するため、試験杭の載荷試験を制御性良く容易で安価
に実施でき、複雑な解析処理を必要とすることなく、試
験杭の支持力を信頼性良く推定できる。

【００５９】またこの発明に係る請求項７記載の杭の動
的載荷試験法は、請求項６において、所定の周波数およ
び振幅の電流を磁歪素子の励磁コイルに供給して試験杭
を励振し、該試験杭周辺の地盤に励起された振動を振動
センサにて検出し、該検出された振動の振幅により上記
試験杭の最大静止周面摩擦力を算出するため、試験杭の
載荷試験を制御性良く容易で安価に実施でき、複雑な解
析処理を必要とすることなく、試験杭の支持力を信頼性
良く確実に推定できる。

【００６０】またこの発明に係る請求項８記載の杭の動
的載荷試験法は、請求項６において、磁歪素子の励磁コ
イルに電流を供給して試験杭を励振し、該試験杭周辺の
地盤に励起される振動の振幅が予め設定された目標値と
なるように上記励磁コイルに供給する電流を制御して、
該制御電流値により上記試験杭の最大静止周面摩擦力を
算出するため、試験杭の載荷試験を制御性良く容易で安
価に実施でき、複雑な解析処理を必要とすることなく、
試験杭の支持力を信頼性良く確実に推定できる。

【００６１】またこの発明に係る請求項９記載の杭の動
的載荷試験法は、請求項６において、時間と共に振幅が
変化する電流を磁歪素子の励磁コイルに供給して試験杭
を励振し、該試験杭周辺の地盤に励起された振動の振幅
の変化を振動センサにて観測し、上記試験杭の最大静止
周面摩擦力を算出するため、試験杭の載荷試験を制御性
良く容易で安価に実施でき、複雑な解析処理を必要とす
ることなく、試験杭の支持力を信頼性良く確実に推定で
きる。

【００６２】またこの発明に係る請求項１０記載の杭の
動的載荷試験法は、請求項３記載の杭の動的載荷法によ
り、時間と共に周波数が変化する電流を磁歪素子の励磁
コイルに供給して試験杭を励振し、該試験杭自身および
該試験杭周辺の地盤に励起された振動をそれぞれ振動セ
ンサにより検出し、該各振動センサによる検出信号から
伝達関数を演算して上記試験杭の支持力を推定するた
め、試験杭の載荷試験を制御性良く容易で安価に実施で
き、複雑な解析処理を必要とすることなく、杭周面と地
盤の接触面における理論モデルを構成する各パラメータ
を推定して、試験杭の支持力を信頼性良く確実に推定で
きる。

【００６３】またこの発明に係る請求項１１記載の杭の
動的載荷試験法は、試験杭の近傍に打設された参照杭の
支持力を静的載荷試験法により求める第１の手順と、請
求項３〜５のいずれかに記載の杭の動的載荷法により上
記参照杭を励振し、該参照杭周辺の地盤に励起された振
動を検出する第２の手順と、該第１の手順により得た上
記参照杭の支持力と、上記第２の手順により得た振動の
検出信号とを関連づけて記憶する第３の手順と、上記第
２の手順と同様の方法で上記試験杭を励振させて、地盤
に励起された振動を検出する第４の手順と、上記第３の
手順にて記憶された情報を参照して、上記第４の手順に
より得た振動の検出信号に基づいて上記試験杭の支持力
を推定する第５の手順とを備えたため、試験杭の載荷試
験を制御性良く容易で安価に実施でき、地層構造や地盤
の悪影響を受けることなく、容易に信頼性良く試験杭の
支持力を推定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１による磁歪素子の構
成を示す図である。

【図２】 この発明の実施の形態１による動的載荷装置
の構成を示す図である。

【図３】 この発明の実施の形態２による動的載荷装置
の構成を示す図である。

【図４】 この発明の実施の形態３による動的載荷試験
法を説明する図である。

【図５】 この発明の実施の形態３による最大静止周面
摩擦力の特性を示す図である。

【図６】 この発明の実施の形態４による動的載荷試験
法を説明する図である。

【図７】 この発明の実施の形態５による動的載荷法を
説明する図である。

【図８】 この発明の実施の形態６による共振周波数の
求め方を説明する図である。

【図９】 この発明の実施の形態６による共振周波数の
求め方を説明する図である。

【図１０】 この発明の実施の形態７による動的載荷試
験法の動作を説明する図である。

【図１１】 この発明の実施の形態７による動的載荷試
験法の動作を説明する図である。

【図１２】 この発明の実施の形態８による杭周面と地
盤の接触面における理論モデルを説明する図である。

【図１３】 この発明の実施の形態８による動的載荷試
験法を説明する図である。

【図１４】 この発明の実施の形態９による動的載荷試
験法の動作を説明するフローチャートである。

【図１５】 従来の静的載荷装置を説明する図である。

【図１６】 従来の動的載荷装置を説明する図である。

【符号の説明】

１０ 磁歪素子、１１ 磁歪材（コア）、１２ 励磁コ
イル、２１ 試験杭、２２ 接続機構、２３ 制御装
置、２４ 電源装置、３１ 錘、４１ 振動センサ、４
３ 演算処理装置、４４ 計測装置、６１ 信号比較装
置、６２ 目標設定装置、７１ 分割錘、８１ 振動セ
ンサ、８２ 周波数解析装置、１３１ 伝達関数演算装
置、１０００ 静的載荷装置。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁界により歪みを発生する磁歪材および
   該磁歪材に磁界を発生させる励磁コイルで構成された磁
   歪素子と、杭頭に上記磁歪素子を接続する接続機構と、
   上記磁歪材に電流を供給する電源装置と、上記電流の周
   波数および振幅を制御する制御装置とを備えて、上記磁
   歪素子に発生する歪みにより杭を励振させることを特徴
   とする杭の動的載荷装置。
2. 【請求項２】 磁歪素子で支持された所定の質量の錘を
   備えたことを特徴とする請求項１記載の杭の動的載荷装
   置。
3. 【請求項３】 杭頭に接続された磁歪素子の励磁コイル
   に電流を供給して、磁界による上記磁歪素子の歪みを、
   振動として杭に伝達し、該杭を励振することを特徴とす
   る杭の動的載荷法。
4. 【請求項４】 磁歪素子に所定の質量の錘を支持させる
   ことにより、該錘の質量と上記磁歪素子のこわさで決定
   される共振周波数が、杭の共振周波数に概等しくなるよ
   うに設定し、該共振周波数あるいはその近傍の周波数に
   よる振動で上記杭を励振させることを特徴とする請求項
   ３記載の杭の動的載荷法。
5. 【請求項５】 共振周波数あるいはその近傍の周波数に
   よる振動で杭を励振させるに先だって、時間と共に周波
   数が変化する電流を磁歪素子の励磁コイルに供給して杭
   を励振し、該杭周辺の地盤あるいは杭自身に励起された
   振動を観測して該振動が最大振幅となるときの上記電流
   の周波数により、上記杭の共振周波数を得ることを特徴
   とする請求項４記載の杭の動的載荷法。
6. 【請求項６】 請求項３〜５のいずれかに記載の杭の動
   的載荷法により試験杭を励振し、該試験杭周辺の地盤に
   励起された振動を検出して、上記試験杭の支持力を推定
   する杭の動的載荷試験法。
7. 【請求項７】 所定の周波数および振幅の電流を磁歪素
   子の励磁コイルに供給して試験杭を励振し、該試験杭周
   辺の地盤に励起された振動を振動センサにて検出し、該
   検出された振動の振幅により上記試験杭の最大静止周面
   摩擦力を算出することを特徴とする請求項６記載の杭の
   動的載荷試験法。
8. 【請求項８】 磁歪素子の励磁コイルに電流を供給して
   試験杭を励振し、該試験杭周辺の地盤に励起される振動
   の振幅が予め設定された目標値となるように上記励磁コ
   イルに供給する電流を制御して、該制御電流値により上
   記試験杭の最大静止周面摩擦力を算出することを特徴と
   する請求項６記載の杭の動的載荷試験法。
9. 【請求項９】 時間と共に振幅が変化する電流を磁歪素
   子の励磁コイルに供給して試験杭を励振し、該試験杭周
   辺の地盤に励起された振動の振幅の変化を振動センサに
   て観測し、上記試験杭の最大静止周面摩擦力を算出する
   ことを特徴とする請求項６記載の杭の動的載荷試験法。
10. 【請求項１０】 請求項３記載の杭の動的載荷法によ
    り、時間と共に周波数が変化する電流を磁歪素子の励磁
    コイルに供給して試験杭を励振し、該試験杭自身および
    該試験杭周辺の地盤に励起された振動をそれぞれ振動セ
    ンサにより検出し、該各振動センサによる検出信号から
    伝達関数を演算して上記試験杭の支持力を推定する杭の
    動的載荷試験法。
11. 【請求項１１】 試験杭の近傍に打設された参照杭の支
    持力を静的載荷試験法により求める第１の手順と、請求
    項３〜５のいずれかに記載の杭の動的載荷法により上記
    参照杭を励振し、該参照杭周辺の地盤に励起された振動
    を検出する第２の手順と、該第１の手順により得た上記
    参照杭の支持力と、上記第２の手順により得た振動の検
    出信号とを関連づけて記憶する第３の手順と、上記第２
    の手順と同様の方法で上記試験杭を励振させて、地盤に
    励起された振動を検出する第４の手順と、上記第３の手
    順にて記憶された情報を参照して、上記第４の手順によ
    り得た振動の検出信号に基づいて上記試験杭の支持力を
    推定する第５の手順とを備えたことを特徴とする杭の動
    的載荷試験法。