JP2014178281A - 土壌の粒度解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】土壌の粒度を特定するまでの所要時間及び設備コストを削減する。
【解決手段】土壌を、粒径の範囲が決められた複数の土粒子群のそれぞれに分級し、これら各土粒子群の重量を求める。続いて、各々の土粒子群を撮像した結果に基づき、各々の土粒子群における粒度を特定する。続いて、各土粒子群の重量と各土粒子群における粒度に基づいて、土壌全体の粒度を特定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、土壌の粒度解析方法に関する。

工事で使用される材料は、その用途に応じた品質管理が行われる。この品質管理の一つとして、材料の粒度管理がある。特許文献１には、コンクリート骨材を測定板上に散布して撮影し、画像解析により粒度分布を測定する技術が記載されている。

特開２００８−２６８０５１号公報

ところで、建設工事で土材料を使用する際には、通常、ＪＩＳ Ａ １２０４に規定される「土の粒度試験方法」によって土の粒度分析が実施されている。しかし、この「土の粒度試験方法」では、試料を２４時間炉乾燥した後、ふるい分けによって試験を実施するため、少なくとも２日間の試験時間を必要とするとともに、炉乾燥装置などの特殊な機器及び１５種類以上の目開きが異なるふるいが必要となるため、設備の整った試験室でしか試験を行うことができず、設備コストも高くなるという問題があった。

そこで、本発明は、土壌の粒度を特定するまでの所要時間及び設備コストを削減することを目的とする。

本発明は、土壌を、粒径の範囲が決められた複数の土粒子群のそれぞれに分級し、これら各土粒子群の重量を求める分級工程と、各々の前記土粒子群を撮像した結果に基づき、各々の前記土粒子群における粒度を特定する部分粒度特定工程と、前記分級工程により求めた各土粒子群の重量と、前記部分粒度特定工程により特定した各土粒子群における粒度に基づいて、前記土壌全体の粒度を特定する全体粒度特定工程とを備える土壌の粒度解析方法を提供する。

また、前記分級工程において分級した複数の前記土粒子群のうち、少なくとも、最も粒径が小さい土粒子群については、前記部分粒度特定工程の前に乾燥させる乾燥工程を備えるようにしてもよい。これにより、湿潤状態により粒径が誤認識されるという可能性を小さくすることができる。

また、前記全体粒度特定工程において特定した粒度と、土壌に対して要求される粒度の範囲とを比較した状態で表示する表示工程を備えるようにしてもよい。これにより、要求される粒度との比較が簡単になる。

本発明によれば、土壌の粒度を特定するまでの所要時間及び設備コストを削減することができる。

実施形態による土の粒度試験の概要を示すフロー図である。 コンピュータの構成を示す図である。 実施例による土の粒度試験の詳細な手順を示すフロー図である。 試料の撮影を説明するための図である。 粒度試験の結果の一例を示す図である。 粒径加積曲線の一例を示す図である。 ヒストグラムの一例を示す図である。 実施例による粒度試験の結果と、比較例による粒度試験の結果とを示す図である。 実施例による粒度試験の結果に基づいて作成された粒径加積曲線と、比較例による粒度試験の結果に基づいて作成された粒径加積曲線とを示す図である。 実施例による粒度試験の結果に基づいて作成されたヒストグラムと、比較例による粒度試験の結果に基づいて作成されたヒストグラムとを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。まず、本実施形態による土壌の粒度解析方法を用いた土の粒度試験の概要について説明する。図１は、本実施形態による土の粒度試験の概要を示すフロー図である。図１に示すように、この粒度試験は、大きく分けて、採取工程、分級工程、分取工程、乾燥工程、撮影工程、部分粒度特定工程、全体粒度特定工程という手順で実施される。

まず、採取工程において、地山から湿潤状態の土壌を試料として採取する（ステップＳ１）。続いて、分級工程において、採取した試料を２〜４種類のふるいによって分級し、分級した各試料の重量を測定する（ステップＳ２）。続いて、分取工程において、分級した各試料から試験に必要な分量を分取する（ステップＳ３）。ここで、最も小さい粒径の試料については、乾燥工程において、電子レンジを用いて試料を乾燥させる（ステップＳ４）。その他の試料については、乾燥工程は行わない。続いて、撮影工程において、分取した各試料をデジタルカメラ２０により撮影する（ステップＳ５）。

続いて、部分粒度特定工程において、撮影した画像の解析により、分級した各試料の粒度を特定する（ステップＳ６）。この粒度とは、土粒子径の分布状態を重量百分率で表したものをいう。続いて、全体粒度特定工程において、特定した各試料の粒度をその重量比率に基づいて統合し、試料の全粒径範囲の粒度を特定する（ステップＳ７）。この部分粒度特定工程及び全体粒度特定工程は、コンピュータ１０によって行われる。

図２は、コンピュータ１０の構成を示す図である。このコンピュータ１０は、例えば工事現場の事務所に設置されたパーソナルコンピュータである。コンピュータ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）を有する制御部１１と、液晶パネルやその駆動回路を有する表示部１２と、タッチパネルや操作ボタンを有する入力部１３と、制御部１１によって実行されるプログラムや制御部１１によって用いられる各種のデータを記憶した記憶部１４とを備えている。また、記憶部１４には、画像解析を行うための画像解析ソフトウェアが記憶されている。

（実施例）
次に、本実施形態による土の粒度試験について、実施例を挙げて具体的に説明する。図３は、本実施例による土の粒度試験の詳細な手順を示すフロー図である。ここでは、粒径が３００ｍｍ以下の粒度分布が良好な試料を用いた場合における粒度試験の詳細な手順について説明する。

まず、作業者は、地山から湿潤状態の土壌を試料として１０〜１５ｋｇ程度採取する（ステップＳ１１）。続いて、作業者は、目開きが２６．５ｍｍのふるいと目開きが２ｍｍのふるいとを用いて、ステップＳ１１で採取した試料を分級する（ステップＳ１２）。具体的には、作業者は、まず目開きが２６．５ｍｍのふるいを使用して、採取した試料を、粒径が２６．５ｍｍ以上の土粒子群（以下、「第１の試料」という）と粒径が２６．５ｍｍ未満の土粒子群とに分級する。続いて、作業者は、目開きが２ｍｍのふるいを使用して、目開きが２６．５ｍｍのふるいを通過した土粒子群を、さらに粒径が２ｍｍ以上２６．５ｍｍ未満の土粒子群（以下、「第２の試料」という）と粒径が２ｍｍ未満の土粒子群（以下、「第３の試料」という）とに分級する。

第１の試料については、以下の手順で粒度試験が進められる。まず、作業者は、はかりなどの計測機器で第１の試料の全重量を測定する（ステップＳ１３）。続いて、作業者は、第１の試料をデジタルカメラ２０で撮影する（ステップＳ１４）。図４は、試料の撮影を説明するための図である。この撮影には、デジタルカメラ２０の他に、縦１ｍ×横１ｍの白色板によって構成される撮影台２１と、デジタルカメラ２０を支持するカメラスタンド２２とが用いられる。作業者は、まずカメラスタンド２２によって撮影台２１全体が撮影できる位置にデジタルカメラ２０を固定して、撮影台２１をデジタルカメラ２０で撮影する。続いて、作業者は、撮影台２１の上に定規を置いて、定規をデジタルカメラ２０で撮影する。続いて、作業者は、第１の試料を撮影台２１上に散在させ、これをデジタルカメラ２０で撮影する。

続いて、作業者は、例えばデジタルカメラ２０とコンピュータ１０とを有線又は無線で接続することによって、デジタルカメラ２０で撮影された画像を表す画像データをコンピュータ１０に取り込む。制御部１１は、作業者の操作により画像解析ソフトウェアを実行して、デジタルカメラ２０から取得した画像データに基づく画像解析を行うことにより、第１の試料の粒度を特定する（ステップＳ１５）。この粒度は、例えば第１の試料の土粒子径に対応する通過質重量百分率によって表される。この通過重量百分率は、対象の粒径より小さい粒径の土粒子の重量を第１の試料の全重量で除した値を百分率で表すことによって求められる。この土粒子径は、例えば特開２００８−２６８０５１号公報に開示されているように、画像データに対して２値化処理を行った後、撮影された土粒子の画像の面積を算出し、算出した面積を真円に置き換えた等価円の直径を求めることによって測定される。なお、ステップＳ１４で撮影された撮影台２１の画像及び定規の画像は、画像解析のキャリブレーション（例えば、２値化処理の閾値の補正や基準スケールの校正）に用いられる。

第２の試料については、以下の手順で粒度試験が進められる。まず、作業者は、はかりなどの計測機器で第２の試料の全重量を測定する（ステップＳ１６）。続いて、作業者は、ＪＩＳで規定された四分法によって、第２の試料から１００〜２００ｇ程度の分量を分取する（ステップＳ１７）。続いて、作業者は、分取した第２の試料をデジタルカメラ２０で撮影する（ステップＳ１８）。ここでは、上述したステップＳ１４と同様に、図４に示す撮影台２１、カメラスタンド２２及びデジタルカメラ２０を用いて、第２の試料を撮影する。ただし、撮影台２１は、縦１５ｃｍ×横２０ｃｍ程度の大きさがあればよく、透明なパネルを有するバックライト付のものであってもよい。このとき、作業者は、第２の試料を１０〜２０ｇ程度の分量毎に分けて撮影を行う。

続いて、作業者は、例えばデジタルカメラ２０とコンピュータ１０とを有線又は無線で接続することによって、デジタルカメラ２０で撮影された画像を表す画像データをコンピュータ１０に取り込む。制御部１１は、上述したステップＳ１５と同様に、作業者の操作により画像解析ソフトウェアを実行して、デジタルカメラ２０から取得した画像データに基づく画像解析を行うことにより、第２の試料の粒度を特定する（ステップＳ１９）。

第３の試料については、以下の手順で粒度試験が進められる。まず、作業者は、はかりなどの計測機器で第３の試料の全重量を測定する（ステップＳ２０）。続いて、作業者は、ＪＩＳで規定された四分法によって、第３の試料から５〜２０ｇ程度の分量を分取する（ステップＳ２１）。続いて、作業者は、地盤工学会基準（ＪＧＳ ０１２２−２００９）に規定される「電子レンジを用いた土の含水比試験方法」によって、分取した第３の試料を電子レンジで加熱、乾燥させる（ステップ２２）。例えば、６００Ｗの電子レンジを用いた場合には、第３の試料を１０分程度加熱する。続いて、作業者は、上述したステップＳ１８と同様に、図４に示す撮影台２１、カメラスタンド２２及びデジタルカメラ２０を用いて、乾燥した第３の試料を撮影する（ステップＳ２３）。このとき、作業者は、第３の試料を０．５ｇ程度の分量毎に分けて撮影を行う。

続いて、作業者は、例えばデジタルカメラ２０とコンピュータ１０とを有線又は無線で接続することによって、デジタルカメラ２０で撮影された画像を表す画像データをコンピュータ１０に取り込む。制御部１１は、上述したステップＳ１５と同様に、作業者の操作により画像解析ソフトウェアを実行して、デジタルカメラ２０から取得した画像データに基づく画像解析を行うことにより、第３の試料の粒度を特定する（ステップＳ２４）。

次に、制御部１１は、ステップＳ１５、Ｓ１９及びＳ２４で特定した第１の試料の粒度、第２の試料の粒度及び第３の試料の粒度をその重量比率に基づいて統合し、試料の全粒径範囲の粒度を特定する（ステップＳ２５）。この粒度は、例えば試料の各土粒子径に対応する通過質重量百分率によって表される。この通過重量百分率は、対象の粒径より小さい粒径の土粒子の重量を全体の重量で除した値を百分率で表すことによって求められる。

続いて、制御部１１は、ステップＳ２５で特定した全粒径範囲の粒度に基づいて、粒度試験の結果を作成して出力する（ステップＳ２６）。図５は、粒度試験の結果の一例を示す図である。例えば、制御部１１は、全粒径範囲の粒度に基づいて粒径加積曲線Ｃ１を作成し、作成した粒径加積曲線Ｃ１を表示部１２に表示させる（表示工程）。このとき、制御部１１は、土材料に対して要求される粒度の範囲である基準範囲Ｒを粒径加積曲線Ｃ１とともに表示部１２に表示させる。この基準範囲Ｒは、例えば土材料の用途に応じて決められる。

例えば、各粒径に対応する通過重量百分率が図５に示すような値である場合には、半対数グラフの対数目盛に粒径を、算数目盛に通過重量百分率をとることによって、図６に示すような粒径加積曲線Ｃ１が作成される。図６に示す例では、粒径加積曲線Ｃ１は、基準範囲Ｒ内に収まっている。これは、土壌の粒度が、土材料に対して要求される粒度の範囲を満たしていることを意味する。このように、粒径加積曲線Ｃ１と基準範囲Ｒとを比較した状態で表示することにより、作業者は、土壌の粒度が、土材料に対して要求される粒度の範囲を満たしているか否かを容易に判断することができる。また、作業者がこの判断をより簡単に行えるように、制御部１１は、粒径加積曲線Ｃ１が基準範囲Ｒ内に収まっているか否かを判定し、その判定結果を表示部１２に表示させてもよい。

また、制御部１１は、粒径加積曲線Ｃ１から粒度組成を求め、この粒度組成に基づいてヒストグラムを作成し、作成したヒストグラムを表示部１２に表示させてもよい。この粒度組成は、粒径に応じて定められた粒径区分毎に、土粒子径の分布状態を重量百分率で表したものをいい、例えば各粒径区分に対応する重量百分率によって表される。この重量百分率は、各粒径区分に属する土粒子の重量を全体の重量で除した値を百分率で表すことによって求められる。例えば、各粒径区分に対応する重量百分率が図５に示すような値である場合には、横軸に粒径、縦軸に重量百分率をとることによって、図７に示すようなヒストグラムが作成される。

さらに、制御部１１は、粒径加積曲線Ｃ１から粒度分布の特徴を表す値を算出し、算出した値を表示部１２に表示させてもよい。この粒度分布の特徴を表す値には、例えば図５に示す最大粒径Ｄｍａｘ、通過重量百分率が１０％、３０％、５０％及び６０％のときの粒径である１０％粒径Ｄ１０、３０％粒径Ｄ３０、５０％粒径Ｄ５０及び６０％粒径Ｄ６０、均等係数Ｕｃ、曲率係数Ｕｃ’が含まれる。この均等係数Ｕｃは、以下の式（１）によって求められる。

また、曲率係数Ｕｃ’は、以下の式（２）によって求められる。

道路や河川築堤のために用いられる盛土材の品質管理の項目には、最大粒径や細粒分含有率（粒径が０．０７５ｍｍ以下の土粒子の含有率）が含まれている場合がある。また、地盤改良材の品質管理の項目には、粒度範囲や細粒分含有率（粒径が０．０７５ｍｍ以下の土粒子の含有率）が含まれている場合がある。したがって、上述したように粒径加積曲線Ｃ１、ヒストグラム、最大粒径Ｄｍａｘ等の情報を表示することにより、作業者が品質管理に必要な情報を容易に把握することができる。

次に、本実施例による土の粒度試験の精度を調べるために本願発明者らが行った実験について説明する。この実験では、比較例として、本実施例による土の粒度試験と同様の試料を用いて、ＪＩＳ Ａ １２０４に規定される「土の粒度試験方法」を用いた粒度試験を行い、双方の試験の結果を比較した。図８は、本実施例による粒度試験の結果と、比較例による粒度試験の結果とを示す図である。図９は、本実施例による粒度試験の結果に基づいて作成された粒径加積曲線Ｃ１と、比較例による粒度試験の結果に基づいて作成された粒径加積曲線Ｃ２とを示す図である。図１０は、本実施例による粒度試験の結果に基づいて作成されたヒストグラムと、比較例による粒度試験の結果に基づいて作成されたヒストグラムとを示す図である。図８〜図１０では、本実施例による粒度試験の結果と比較例による粒度試験の結果の間に大きな差異は見られなかった。この実験によれば、本実施例による土の粒度試験が十分な精度を有することが分かった。

以上説明したように、本実施形態では、試料を分級してから、分級した各々の試料について撮影及び画像解析を行っている。通常、土には大小様々な粒径の土粒子が混ざっているため、例えば試料を分級せずに撮影して画像解析を行おうとしても、試料の粒径範囲が測定可能範囲を超えてしまって画像解析ができないか、画像解析ができても著しく精度が悪くなる場合がある。しかし、本実施形態によれば、試料を分級してから、分級した各々の試料について撮影及び画像解析を行っているため、画像解析により、粒径が３００ｍｍ〜０．７５ｍｍまでの試料について粒度の測定を実現することができる。

また、本実施形態によれば、最も小さい粒径以外の粒径の試料（例えば、粒径が２６．５ｍｍ以上の試料及び粒径が２ｍｍ以上２６．５ｍｍ未満の試料）については、試料を乾燥させずに粒度試験を行うため、粒度試験に要する時間が短くなる。なお、これらの試料については、一般的に自然に水が切れるくらい粒径が大きいため、乾燥させなくても粒度試験に大きな支障はない。

また、本実施形態では、最も小さい粒径の試料（例えば、粒径が２ｍｍ未満の試料）については、試料を乾燥させることにより、土粒子を個々に分離してから撮影を行っている。最も小さい粒径の試料は、湿潤状態のままだと複数の土粒子がくっついて見かけ上粒径が大きくなる場合があるため、画像解析において粒径が誤認識される恐れがある。しかし、本実施形態によれば、最も小さい粒径の試料については、試料を乾燥させてから撮影するため、画像解析において粒径が誤認識される可能性を小さくすることができる。

そして、この乾燥工程では電子レンジを用いるから、炉乾燥装置などの特殊な機器を必要とせず、土の粒度試験を行うための設備コストが削減される。また、このような特殊な機器を使用しないことにより、土の粒度試験を、設備の整った試験室ではなく、例えば工事現場に設置された事務所で実施することができる。この場合、土の粒度試験の実施頻度を増やすことができるため、土材料の品質管理の精度を高めることができる。

（変形例）
本発明は上述した実施形態に限定されず、次のような変形が可能である。また、以下の変形例を相互に組み合わせてもよい。
（変形例１）
上述した実施例で説明したふるいの目開きの大きさは一例であり、ふるいの目開きの大きさは、例えば試料の特性に応じて選択すればよい。

（変形例２）
上述した実施形態では、最も小さい粒径の試料（例えば、粒径が２ｍｍ未満の試料）を乾燥させていたが、この試料の乾燥は必須ではない。例えば試料の粒径や含水率によっては、最も小さい粒径の試料についても試料を乾燥させなくてもよい。反対に、最も小さい粒径以外の粒径の試料についても、撮影前に試料を乾燥させてもよい。

（変形例３）
上述した実施例では、図６に示す粒径加積曲線Ｃ１、図７に示すヒストグラム、図５に示す土の粒度試験の結果などの情報を表示部１２に出力していたが、例えばコンピュータ１０にプリンターが接続されている場合には、コンピュータ１０はこれらの情報をこのプリンターによって媒体に印刷して出力させ得るようにしてもよい。

（変形例４）
画像解析の方法は、実施例で説明した方法に限らず、その他の周知の方法を採用することができる。

１０ コンピュータ、１１ 制御部、１２ 表示部、１３ 入力部、１４ 記憶部、２０ デジタルカメラ、２１ 撮影台、２２ カメラスタンド。

Claims (3)

1. 土壌を、粒径の範囲が決められた複数の土粒子群のそれぞれに分級し、これら各土粒子群の重量を求める分級工程と、
   各々の前記土粒子群を撮像した結果に基づき、各々の前記土粒子群における粒度を特定する部分粒度特定工程と、
   前記分級工程により求めた各土粒子群の重量と、前記部分粒度特定工程により特定した各土粒子群における粒度に基づいて、前記土壌全体の粒度を特定する全体粒度特定工程と
   を備える土壌の粒度解析方法。
2. 前記分級工程において分級した複数の前記土粒子群のうち、少なくとも、最も粒径が小さい土粒子群については、前記部分粒度特定工程の前に乾燥させる乾燥工程を備える
   請求項１記載の土壌の粒度解析方法。
3. 前記全体粒度特定工程において特定した粒度と、土壌に対して要求される粒度の範囲とを比較した状態で表示する表示工程を備える
   請求項１または２に記載の土壌の粒度解析方法。

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