JP2017009457A - 地盤構造探査方法及び地盤構造探査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】地面を起振して生じる地盤振動を多数のセンサによって非接触で同時に検出する際に、多数のセンサを均一で低く雑音レベルに抑えた環境に設置して、地盤構造探査を精度良く行うことができるとともに、広範囲の地盤構造探査を効率的に実施することができる地盤構造探査方法及び地盤構造探査装置を提供すること。【解決手段】地面５を起振して生じる地盤振動３を非接触で検出して地盤構造を探査するための地盤構造探査方法であって、地盤振動を発生させる起振手段２０と、少なくとも非接触で振動を検出する複数のセンサからなるセンサ群１３と、少なくとも吸音材からなり地面近傍まで延設された雑音低減手段１５と、を用い、起振手段２０により地盤振動を発生させる起振工程と、雑音低減手段１５によって囲まれた空間内に配置されたセンサ群１３によって、起振工程により発生させた地盤振動を非接触で検出する振動検出工程と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、地面を起振して生じる地盤振動を非接触で検出して地盤構造を探査するための地盤構造探査方法及び地盤構造探査装置に関する。

従来の地盤構造探査では、地盤の振動応答や電磁応答をアレイ状に配列した複数のセンサを用いて測定していた。特に地面を起振して生じる地盤振動を検出する場合は、センサを地面に据え付けて振動を検出する接触による検出法が主で、センサを地面に接触させずに振動を検出する非接触による検出法は極めてまれであった。

接触による検出法は、センサを直接地面に設置するので、地面を起振して生じる地盤振動を確実に検出することができる（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、接触による検出法によって地盤構造探査を行う場合には、設定した探査測線上の地面に複数のセンサの据え付けと撤去を繰り返し行う必要があるため、作業効率と費用の面で課題があった。

一方、非接触による検出法は、センサを地面に接触させないので、センサの取付けと撤去を要することなく地面の起振と地盤振動の測定を連続して行うことが可能となり、短時間で作業を行うことができる。しかしながら、非接触による検出法は、地面を起振して生じる地盤振動によって発生する空気の振動（以下、「漏えい表面波」と記す。）をマイクロフォン等の音圧センサで検出するものであり、漏えい表面波の信号強度が微弱なため、ノイズの影響を受けやすいという問題があり、これまではほとんど採用されてこなかった。たとえば、地面の起振に由来しない周囲の雑音（以下、「背景雑音」と記す。）が大きい場合には、背景雑音に漏えい表面波が埋もれてしまい、漏えい表面波を検出できなくなったり、測定中に近くを車両が通過すると、漏えい表面波に車両の騒音等が重畳して正確な測定が困難になったりするなどの問題があった。このような問題を解決するため、非接触による検出法においては各センサを独立した防音エンクロージャで覆い、背景雑音の影響を受けないようにしていた（例えば、特許文献１参照）。しかし、このような対策をとってもなお、漏えい表面波を分離検出し、それを用いて地盤構造を探査することは技術的に極めて困難であった。

国際公開第２０１２／１００１５３号（Ｆｉｇ．８参照）

Inazaki, T, and Lei, X., (2003): High-frequency seismic measurements using a piezoelectric type accelerometer array, Proceedings of the 16th Annual Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems (SAGEEP2003), CD-ROM, 1253-1262 (doi:10.4133/1.2923130).

特許文献１の非接触による検出法においては、漏えい表面波を解析して地盤構造を精度よく探査するために、多数のセンサを配列し、多数のセンサからの信号を同時に処理する必要がある。ここで、配列されるセンサ同士の最小間隔は地盤構造の解析分解能に影響するため、解析分解能に応じてセンサ同士の間隔を小さくする必要があり、センサ同士の間隔を小さくするためには防音エンクロージャも小さくしなければならない。しかし、防音エンクロージャの大きさが地盤を探査するために設定された漏えい表面波の最小半波長に近づくと、漏えい表面波が防音エンクロージャ内で共鳴を起こすという問題が判明した。この共鳴は、特に波長の短い信号で発生しやすい傾向にあり、共鳴が発生してしまうと各防音エンクロージャ内の背景雑音が周期的に変動し、均一で低レベルの背景雑音下に複数のセンサを設置することができなくなるという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、地面を起振して生じる地盤振動を多数のセンサによって非接触で同時に検出する際に、多数のセンサを均一で低い雑音レベルに抑えた環境に設置して、地盤構造探査を精度良く行うことができるとともに、広範囲の地盤構造探査を効率的に実施することができる地盤構造探査方法及び地盤構造探査装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の地盤構造探査方法は、
地面を起振して生じる地盤振動を非接触で検出して地盤構造を探査するための地盤構造探査方法であって、地盤振動を発生させる起振手段と、少なくとも非接触で振動を検出する複数のセンサからなるセンサ群と、少なくとも吸音材からなり地面近傍まで延設された雑音低減手段と、を用い、前記起振手段により地盤振動を発生させる起振工程と、前記雑音低減手段によって囲まれた空間内に配置された前記センサ群によって、前記起振工程により発生させた地盤振動を非接触で検出する振動検出工程と、を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、センサ群の周囲を囲む雑音低減手段の大きさを最小探査波長から大きく離すことができるので、共鳴を生じることなく、均一で低レベルの背景雑音下にセンサ群を設置でき、精度の良い地盤構造探査を行うことができる。

本発明の地盤構造探査方法は、
前記振動検出工程は、前記複数のセンサの最小離間距離を測定対象とする振動の最小の波長の１／３より小さく、前記複数のセンサの最大離間距離を測定対象とする振動の最大の波長の１／３より大きく設定したセンサ群を用いて振動を検出することを特徴としている。
この特徴によれば、複数のセンサの離間距離は雑音低減手段内で自由に設定できるので、測定対象振動の最小波長から最大波長まで確実に検出できるように複数のセンサを配列できる。

本発明の地盤構造探査方法は、
前記振動検出工程は、前記複数のセンサを整列配置したセンサアレイからなるセンサ群を用いて振動を検出することを特徴としている。
この特徴によれば、複数のセンサは雑音低減手段内で任意の測線に沿って自由に整列配置して地盤探査することができる。

本発明の地盤構造探査方法は、
前記振動検出工程は、前記センサアレイを２列以上配置したセンサ群を用いて振動を検出することを特徴としている。
この特徴によれば、雑音低減手段内で２列以上からなるセンサアレイを任意の測線に沿って配置することによって地盤探査の精度を向上させることができる。

本発明の地盤構造探査方法は、
前記雑音低減手段は、前記センサ群を一括して取り囲むことを特徴としている。
この特徴によれば、雑音低減手段内での共鳴を防ぎ、センサ群全体を低い背景雑音下に配置できる。

本発明の地盤構造探査方法は、
前記振動検出工程によって検出された地盤振動を解析処理する解析手段をさらに用い、前記検出された地盤振動の高周波表面波を抽出してその高次モードを含む表面波分散曲線を求め、該高次モード表面波分散曲線をインバージョン解析して１次元Ｓ波速度層構造を求める解析処理工程を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、地盤の１次元Ｓ波速度層構造を非破壊で求めることができる。

本発明の地盤構造探査方法は、
前記解析処理工程は、前記１次元Ｓ波速度層構造を求める解析を連続して実施し、空間的に補間して２次元Ｓ波速度層構造あるいは３次元Ｓ波速度層構造を求めることを特徴としている。
この特徴によれば、地盤の２次元、３次元Ｓ波速度層構造を非破壊で求めることができる。

前記課題を解決するために、本発明の地盤構造探査装置は、
地面を起振して生じる地盤振動を非接触で検出して地盤構造を探査するための地盤構造探査装置であって、地盤振動を発生させる起振手段と、該起振手段により生じる前記地盤振動を非接触で検出する複数のセンサからなるセンサ群と、地面近傍まで延設された雑音低減手段と、を備え、前記センサ群は前記雑音低減手段によって囲まれた空間内に配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、センサ群の周囲を囲む雑音低減手段の大きさは最小探査波長から大きく離すことができるので、共鳴を生じることなく、均一で低レベルの背景雑音下にセンサ群を設置でき、精度の良い地盤構造探査を行うことができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記雑音低減手段は、吸音材からなり前記センサ群の周囲を囲む壁部及び天井部を備え、底部に開口部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、吸音材によって雑音低減手段内の反響を低減でき、均一で低レベルの背景雑音下でセンサ群は地盤からの振動を確実に検出することができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記雑音低減手段は、防音材からなり前記吸音材の外部を覆う防音部を有することを特徴としている。
この特徴によれば、吸音材の外部を覆う防音材により起振手段からセンサ群への直達音を遮断でき、均一で低レベルの背景雑音下にセンサ群を設置することができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記センサ群は、複数のセンサを縦方向及び横方向に２次元配列されることを特徴としている。
この特徴によれば、雑音低減手段はその中にセンサ群を２次元配列できるので、精度の高い地盤構造を探査することができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記センサ群は、前記複数のセンサを縦方向及び横方向に配列するとともに、地面から異なる高さに配置して３次元配列されることを特徴としている。
この特徴によれば、雑音低減手段はその中にセンサ群を３次元配列できるので、精度の高い地盤構造を探査することができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記センサ群と前記雑音低減手段との間には第１防振部材が配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、起振手段からセンサへの直達音だけでなく、雑音低減手段を介して伝達する振動も減衰させて、探査精度を向上させることができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記複数のセンサは、集音手段を有することを特徴としている。
この特徴によれば、複数のセンサは微弱な振動を確実に検出できる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記起振手段は、地面近接まで延設された雑音減衰手段によって囲まれた空間内に配置されることを特徴としている。
この特徴によれば、起振手段からセンサ群への直達音を減衰させて、探査精度を向上させることができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
少なくとも前記雑音低減手段を支持する支持部材及び該支持部材を移動可能とする移動手段を有する搬送手段をさらに備えることを特徴としている。
この特徴によれば、少なくとも雑音低減手段によって囲まれた空間内に配置されるセンサ群を容易に移動し、広範囲の地盤構造を効率的に探査することできる。

本発明の地盤構造探査装置は、
少なくとも前記雑音低減手段と前記搬送手段との間に第２防振部材が配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、搬送手段からセンサ群へ伝達する振動を減衰させて、探査精度を向上させることができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記支持部材と前記移動手段との間に第３防振部材が配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、地面から搬送手段を介してセンサ群へ伝達する振動を減衰させて、探査精度を向上させることができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記雑音低減手段は、該雑音低減手段と地面との距離を調整するための位置調整手段が配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、雑音低減手段は、搬送手段によって移動される際に地面に接触しないように位置を調整できるとともに、振動測定時には地面との距離を最適な位置に調整することができる。

本発明の地盤構造探査装置は、
前記センサ群は、該センサ群と地面との距離を調整するためのセンサ位置調整手段が配設されることを特徴としている。
この特徴によれば、センサ群は、搬送手段によって移動される際に地面に接触しないように位置を調整できるとともに、振動測定時には地面との距離を最適な位置に調整することできる。

地盤構造探査システムの全体構成を示す図である。 地盤構造探査装置の側面図である。 図２の地盤構造探査装置のＡ−Ａ矢視図である。 図３の地盤構造探査装置のＣ−Ｃ矢視図である。 図２の地盤構造探査装置のＢ−Ｂ矢視図である。 （ａ）はアスファルト舗装道路の地面を起振して測定された波形、（ｂ）は測定された波形の分散曲線、（ｃ）はＳ波速度分から求められた地盤構造を示す図である。 （ａ）はコンクリート舗装道路の地面を起振して測定された波形、（ｂ）は測定された波形の分散曲線、（ｃ）はＳ波速度分から求められた地盤構造を示す図である。

本発明に係る地盤構造探査方法及び地盤構造探査装置につき、図１から図７を参照して説明する。

図１及び図２に示されるように、地盤構造探査システム１は、地盤構造探査装置１０及び解析手段としての地盤振動解析処理部４０から主に構成される。図２から図５に示されるように、地盤構造探査装置１０は、センサユニット１１、起振手段としての起振ユニット２０及び搬送手段３０から主に構成され、センサユニット１１及び起振ユニット２０は搬送手段３０上に設置され自在に移動可能になっている。以下、地盤構造探査装置１０の各構成要素について説明する。

最初に、センサユニット１１について説明する。図３及び図４に示されるように、センサユニット１１は、センサ群１３、センサ位置調整手段１４、雑音低減手段としての防音箱１５、防音箱位置調整手段１６から主に構成される。

センサ群１３は、複数のセンサとしてのマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…をセンサ保持具１２ｂに長手方向に略等しい間隔で整列して取付けられたセンサアレイ１２を探査測線横断方向に２列並べて構成される。本実施例においては、各列のセンサアレイ１２はマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…計２４個から構成される。後述するように互いに隣接するマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…の離間距離である最小離間距離Ｓｍｉｎ（図４参照）は、地盤の最小探査深さを探査するための地盤振動３ａ（図１参照）の波長の１／３より小さく設定され、長手方向に両端のマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…の離間距離である最大離間距離Ｓｍａｘ（図４参照）は、地盤の最大探査深さを探査するための地盤振動３ｃ（図１参照）の波長の１／３より大きく設定されている。このように探査波長に基づいてマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…の最小離間距離及び最大離間距離を設定してセンサ群を構成することにより、地盤の最小探査深さから最大探査深さまでを精度良く探査することができる。

また、本実施例においては、マイクロフォン１２ａ、１２ａ、…は、その先端部から延設して配設される集音手段としての集音フード１２ｃ、１２ｃ、…（図３参照）を備える。マイクロフォン１２ａ、１２ａ、…はラッパ状に形成され下方に開口する集音フード１２ｃ、１２ｃ、…を備えることで、微弱な信号を検出できるようになる。さらに、集音フード１２ｃ、１２ｃ、…はマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…の先端部から延設して配置されているので、万が一、地面５と接触してもマイクロフォンを損傷することを防ぐことができる。

また、地面５を起振して生じる地盤振動３によって発生する漏えい表面波４は微弱なため、センサアレイ１２、１２と地面５との距離ｄ１、ｄ２をセンサ位置調整手段１４、１４によって調整して微弱な漏えい表面波を検出できるようにしている。

図３及び図４に示されるように、センサ位置調整手段１４、１４は、駆動手段１４ａ、１４ａ及び該駆動手段１４ａ、１４ａとセンサアレイ１２、１２を接続する接続部材１４ｃ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｄ、１４ｅ、１４ｅを主に備え、駆動手段１４ａ、１４ａのハンドル１４ｂ、１４ｂを回動操作することにより、センサアレイ１２、１２と地面５との距離ｄ１、ｄ２をセンサ感度が最適になるように調整できるようになっている。

また、センサ位置調整手段１４、１４を支持する支持板１４ｇと防音箱１５との間には第１防振部材としての第１防振ゴム１４ｆが配設されている。該第１防振ゴム１４ｆは、防音箱１５を介してセンサ群１３に伝達するノイズである外部振動を低減する役目を果たしている。

図３及び図４に示されるように、防音箱１５は、主に吸音材からなる吸音部１５ａと該吸音部１５ａの外部を覆う防音材からなる防音部１５ｂから主に構成されており、センサ群１３の四方及び上方を囲い、下方を開放している。また、防音箱１５は、センサアレイ１２、１２全体を一括して囲むことができる大きさになっているので、漏えい表面波の最小半波長に近づくことがなく、漏えい表面波の最小半波長との共鳴を防止することができる。

吸音部１５ａは、吸音材からなりセンサ群１３の周囲を囲む吸音壁部１５ａ１、１５ａ３及び天井部１５ａ２を備え、漏えい表面波４（図１参照）を取り込むため底部に開口部１５ｃを有する。吸音部１５ａは、外部から防音箱１５内へ侵入した音や、開口部１５ｃより取り込んだ漏えい表面波４が防音箱１５内で反響するのを防止している。

吸音部１５ａの材料として、ウレタンフォーム、ガラスウール、ロックウール、吸音性を有する石膏ボート、ベニヤ板等から構成してもよいし、前記材料を２種以上重ね合わせて構成してもよい。また、吸音材の表面に凹凸を設け、吸音性を高めるようにしてもよい。

さらに、図３及び図４に示されるように、吸音部１５ａの外部は、防音部１５ｂによって覆われている。防音部１５ｂは、吸音壁部１５ａ１、１５ａ３及び天井部１５ａ２をそれぞれ覆う防音壁部１５ｂ１、１５ｂ３及び防音天井部１５ｂ２を有し、外部から防音箱１５内へ侵入する音を遮断する。特に、図１に示されるように、防音部１５ｂは、起振ユニット２０からの直達音２（図１参照）の防音箱１５内への侵入を遮断している。

防音部１５ｂを構成する材料は、鉄板、鉛板等の金属板、石膏ボート、樹脂板、制振材料等から構成してもよいし、前記材料を２種以上重ね合わせて構成してもよい。

図２及び図３に示されるように、防音箱位置調整手段１６、１６、…は防音箱１５と搬送手段３０との間に配設され、防音箱１５と地面５との距離Ｃ１、Ｃ２（図３参照）を調整する機能を有する。防音箱位置調整手段１６、１６、…は、エアシリンダ１６ａ、１６ａ、…を有し、該エアシリンダ１６ａ、１６ａ、…はエア供給手段１７からエアホース１７ｅ、１７ｅ、…を介して供給されるエアによって駆動されることで、防音箱１５を上下に移動し、防音箱１５と地面５との距離Ｃ１、Ｃ２を調整できるようになっている。そして、防音箱１５と地面５との距離Ｃ１、Ｃ２（図３参照）を設定した後は、エアシリンダ１６ａ、１６ａ、…に接続されるネジ棒１６ｃ、１６ｃ、…をロックナット１６ｄ、１６ｄ、…によって、防音箱１５と地面５との距離Ｃ１、Ｃ２を固定できる。また、搬送手段３０によって搬送中に、防音箱１５の下端が地面５上の大きな凹凸部に接触しないように、防音箱位置調整手段１６、１６、…を使用して防音箱１５と地面５との距離Ｃ１、Ｃ２を調整することができる。なお、センサ群１３は、防音箱１５の下端部より該防音箱１５内側に配置されているので、万が一、防音箱１５の下端が地面５と接触しても、センサ群１３は損傷することはない。

つぎに、起振手段としての起振ユニット２０について説明する。図２及び図５に示されるように、起振ユニット２０は、地盤を起振する起振装置２１、該起振装置２１を搬送手段３０に取付けるための取付筐体２２、防振部材としての防振ゴム２３、起振装置２１を覆う起振部防音部材２４を主に備える。ここで、取付筐体２２、防振ゴム２３及び起振部防音部材２４が、本発明の雑音減衰手段を構成する。

起振装置２１は、広範囲に亘って所定の力で地面５を繰り返して起振できるように、エア供給手段１７で発生させた圧縮空気によってピストン２１ａを瞬時に作動させ、該ピストン２１ａによって地面５を打撃して起振する。圧力を制御した圧縮空気を利用してピストン２１ａを駆動するので、起振力を所定の範囲に保つことができ、起振力のばらつきによる測定データのばらつきを小さくすることができる。

図５に示されるように、取付筐体２２は、上部フランジ２２ａ、２２ａ、側面を全周覆う壁部２２ｂ、２２ｂ、底部フランジ２２ｃ、２２ｃを有する。底部フランジ２２ｃ、２２ｃは開口部２２ｄを有し、該開口部２２ｄに起振装置２１が取付け板２１ｂを介して取付けられる。取付筐体２２の上部フランジ２２ａ、２２ａは防振ゴム２３、２３を介して搬送手段３０のフレーム３１に取付けられる。防振ゴム２３、２３は、起振装置２１が地面５を起振したときの起振力がフレーム３１を介してセンサ群１３に伝搬するのを減衰させる役目を果たしている。

さらに、取付筐体２２は開口部２２ｅを有し、該開口部２２ｅは起振部防音部材２４によって覆われている。起振部防音部材２４は取付筐体２２及び取付け板２１ｂとともに密閉された空間を構成し、起振装置２１が地面５を起振したときの音が外部に漏れ、センサ群１３に伝達するのを防止する。取付筐体２２、取付け板２１ｂ及び起振部防音部材２４は、遮音性の高い鉄板、鉛板等の金属板、石膏ボート、樹脂板等を使用して箱形に構成される。また、その内部に吸音性の高いウレタンフォーム、ガラスウール、ロックウール、吸音性を有する石膏ボート、ベニヤ板等を取付けて吸音性能を向上させてもよい。

つぎに、搬送手段３０について説明する。図２、図３及び図５に示されるように、支持部材としてのフレーム３１、該フレーム３１の底面部の４隅に取付けられた移動手段としての車輪３２、３２、…及びフレーム３１と車輪３２、３２、…との間に配設された第３防振部材としての第３防振ゴム３３、３３、…から主に構成される。

フレーム３１は平面視にて中央部に開口部を有する枠状に形成される。センサユニット１１の防音箱１５は防音箱位置調整手段１６の第２防振部材としての第２防振ゴム１６ｅを介して搬送手段３０のフレーム３１の上面に取付けられる。また、上述したように、起振ユニット２０も防振ゴム２３を介して搬送手段３０に取付けられているので、センサユニット１１及び起振ユニット２０は、搬送手段３０によって一体に搬送できる。地盤構造探査装置１０は、搬送手段３０によってある測定場所から次の測定場所へ容易に搬送することができるので、広範囲の測定を短時間で実行できる。

搬送手段３０のフレーム３１と車輪３２との間に配設された第３防振ゴム３３は、地面５から車輪３２を介してフレーム３１に伝搬する振動を低減させる。また、フレーム３１と防音箱位置調整手段１６との間に配設された第２防振ゴム１６ｅは、フレーム３１から防音箱位置調整手段１６へ伝達する振動を低減させる。さらに、防音箱１５とセンサ位置調整手段１４との間に配設された第１防振ゴム１４ｆは、防音箱位置調整手段１６及び防音箱１５を介してセンサ位置調整手段１４に伝達する振動を低減させる。このように、センサ位置調整手段１４に取付けられるセンサ群１３は多重に防振されることによって、外部振動の影響を受けることなく漏えい表面波を検出することができる。

つぎに、地盤振動解析処理部４０について説明する。図１に示されるように、地盤振動解析処理部４０は、Ａ／Ｄ変換部４１、解析処理部４２、表示部４３から主に構成される。Ａ／Ｄ変換部４１は、センサユニット１１のセンサ群１３から検出されたアナログ信号を同時に取り込んでデジタル信号に変換する。本実施例においては、センサユニット１１のセンサ群１３からの４８Ｃｈのアナログ信号をサンプリング周波数２００ｋＨｚ、２４ｂｉｔでデジタル信号に変換している。

解析処理部４２は、デジタル信号に変換された複数の信号（本実施例では４８Ｃｈ分の信号）から高周波表面波分散曲線を演算し、該高周波表面波分散曲線からＳ波速度層構造を推定する部分であり、まず１／３波長を見かけ深度とした速度層構造を初期モデルとし、非線形最小二乗法インバージョンにより１００次程度までの高次モードと各モードの最大振幅点群を計算し、特定位置における最適な１次元Ｓ波速度層構造を推定するものである。

これまで、センサを地面に接触させ、地面を起振して生じる地盤振動を直接検出して、１次元Ｓ波速度層構造を推定することは従来行われていたが、微弱な漏えい表面波を非接触で検出して、高周波表面波分散曲線及び高周波表面波の高次モードの分散曲線をインバージョン解析してＳ波速度層構造を求めることは困難であった。

その原因は、漏えい表面波の信号レベルが小さいため、背景雑音の影響で漏えい表面波を正確に検出することが困難であったこと、また、多数のセンサを独立した防音エンクロージャで覆うと各防音エンクロージャ内の背景雑音がばらつくことにあった。この背景雑音のレベルは小さく、背景雑音のばらつきのレベルはさらに小さいため、背景雑音のばらつきの原因を究明することが困難であったが、防音エンクロージャの大きさと漏えい表面波の最小半波長との大きさとを離すことで背景雑音のばらつきを低減できることが判明した。

また、センサ数を増やせば漏えい表面波の検出精度を向上できるが、センサの数を増やすと、装置費用、解析費用が増大してしまう。さらに、必要最小限のセンサをどのように配列すれば、漏えい表面波を精度良く検出できるのかも明らかでなかった。地盤構造探査装置１０においては、複数のセンサの最小離間距離Ｓｍｉｎ（図４参照）を測定対象となる振動の最小の波長の１／３より小さく、複数のセンサの最大離間距離Ｓｍａｘ（図４参照）を測定対象となる振動の最大の波長の１／３より大きく設定することで、漏えい表面波の高次モードの分散曲線を生成できる十分な精度で解析処理できることが判明した。ここで、測定対象となる振動の最小の波長とは、地盤の最小深さを探査するために使用される漏えい表面波の最小波長に対応し、また、測定対象となる振動の最大の波長とは、地盤の最大深さを探査するために使用される漏えい表面波の最大波長に対応する。

以上説明した地盤構造探査システム１を用いて、地盤構造解析を行う方法について説明する。以下の実施例において、センサ群１３は、２４個のマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…からなるセンサアレイ１２を２列配置したものを使用して測定を行っている。また、センサアレイ１２は、複数のマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…の最小離間距離Ｓｍｉｎ（図４参照）を測定対象となる振動の最小の波長の１／３より小さく、複数のマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…の最大離間距離Ｓｍａｘ（図４参照）を測定対象となる振動の最大の波長の１／３より大きく設定している。

図２に示されるように、地盤構造探査装置１０を測定位置に設置する。センサ位置調整手段１４を操作してセンサ群１３を地面５に接触しないように地面５近傍に配置し、さらに防音箱位置調整手段１６を操作して防音箱１５も地面５に接触しないように配置する。防音箱１５はセンサ群１３よりもさらに地面５に近くなるように配置するのが望ましい。

つぎに、図１に示されるように、起振ユニット２０によって地面５を起振し、地盤振動３を発生させる。地面５に接触する空気は地盤振動３によって振動して漏えい表面波４が発生し、該漏えい表面波４はセンサ群１３によって検出される。

漏えい表面波４は、センサ群１３の４８Ｃｈのマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…によって同時に検出される。それぞれのマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…によって検出された漏えい表面波は地盤振動解析処理部４０の解析処理部４２にて、高周波表面波分散曲線を演算し、該高周波表面波分散曲線から１次元Ｓ波速度層構造の推定を行う。

図６は、アスファルト舗装道路を起振し測定された振動を解析した結果であり、明確な漏えい表面波を検出することができる（図６（ａ）参照）。図６（ａ）に示される検出された振動波形には、漏えい表面波４のほかに起振ユニット２０からの直達音２も含んでいる。しかし、漏えい表面波４の速度は直達音２の速度より十分に速いので、この速度差を利用して漏えい表面波４と直達音２とを分離し、漏えい表面波４を選択して解析することができる。該検出波を解析処理して広い周波数帯域で分散曲線を求めることができ（図６（ｂ）参照）、さらにインバージョン解析によりアスファルト舗装道路の１次元Ｓ波速度層構造を推定することができる（図６（ｃ）参照）。

図６（ｂ）は、検出された漏えい表面波を地盤振動解析処理部４０にて周波数ごとの位相速度を求め、４８Ｃｈ分の位相速度分散曲線を求めたものである。４８Ｃｈ分のマイクロフォンを適切に配列することにより、広い周波数帯域で分散曲線を求めることができる。

コンクリート舗装道路の地盤構造を同じように解析した結果を図７に示す。コンクリート舗装道路においても、明確な漏えい表面波を検出することができ（図７（ａ）参照）、該検出波を解析処理して広い周波数帯域で分散曲線を求めることができ（図７（ｂ）参照）、さらにインバージョン解析によりコンクリート舗装道路の１次元Ｓ波速度層構造を推定することができる（図７（ｃ）参照）。

さらに、路面上に設置する測線に沿って、移動しながら１次元Ｓ波速度層構造を複数地点で求め、該複数地点の１次元Ｓ波速度層構造の間を補間することにより、２次元Ｓ波速度層構造を求めることができる。さらに、前記測線と略平行な複数の測線に沿って複数の２次元Ｓ波速度層構造を求め、該複数の２次元Ｓ波速度層構造の間を補間することによって、３次元Ｓ波速度層構造も求めることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、センサユニット１１と起振ユニット２０とが搬送手段３０に取付けられ一体に搬送できるようになっている。しかし、センサユニット１１のみを搬送手段３０に取付けることによって、測定時の起振ユニット２０からの起振力がフレーム３１を介して伝搬するのをさらに低減できる。センサユニット１１と起振ユニット２０とを分離して大きく離せば、漏えい表面波４と直達音２との分離が容易になる。

また、起振ユニット２０は、エア供給手段１７で発生させた圧縮空気によってピストン２１ａを駆動して地面５を打撃するものであったが、これに限らず、人間がハンマで地面５を打撃してもよい。また、圧縮空気の代わりに電磁力を用いてもよい。さらに、起振ユニット２０は地面５を起振するものであったが、地中を起振するものでもよい。

さらに、周囲からセンサ群１３へ振動が伝搬するのを防ぐために、第１防振ゴム１４ｆ（図３）、第２防振ゴム１６ｅ（図３）、第３防振ゴム３３（図５）、防振ゴム２３（図５）を使用したが、防振ゴムに限らず、コイルばねを使用してもよいし、防振ゴムとコイルばねを組合わせたものを使用してもよい。

上記実施例において、センサはマイクロフォンを利用したが、必要な精度で振動を非接触で検出できるものであれば、レーザ等を利用したセンサを使用してもよい。

また、上記実施例において、センサ群１３を構成する各センサアレイ１２、１２と地面５との距離ｄ１、ｄ２は同じ距離となるように配置して２次元配列とした。これに限らず、センサアレイ１２を構成する複数のマイクロフォン１２ａ、１２ａ、…と地面５との距離を異なるように配置したり、各センサアレイ１２、１２の地面５から距離を異なるように配置して、３次元配列としてもよい。

上記実施例において、地盤振動解析処理部４０は、起振工程、振動検出工程及び解析処理工程を一連の作業として測定現場で実施したが、これに限らず検出された振動データは通信手段を介して処理センターに送り、処理センターで処理してもよい。すなわち解析処理工程は、オンサイトであるかオフサイトであるか、オンラインであるかオフラインであるかを問わず行うことができる。

１ 地盤構造探査システム
３ 地盤振動
５ 地面
１０ 地盤構造探査装置
１１ 検出ユニット
１２ センサアレイ
１２ａ マイクロフォン（センサ）
１２ｃ 集音フード（集音手段）
１３ センサ群
１４ センサ位置調整手段
１４ｄ 第１防振ゴム（第１防振部材）
１５ 防音箱（雑音低減手段）
１５ａ 吸音部（吸音材）
１５ｂ 防音部（防音材）
１６ 防音箱位置調整手段（位置調整手段）
１６ｅ 第２防振ゴム（第２防振部材）
２０ 起振ユニット（起振手段）
２１ 起振装置
２２ 取付筐体（雑音減衰手段）
２３ 防振ゴム（雑音減衰手段）
２４ 起振部防音部材（雑音減衰手段）
３０ 搬送手段
３１ フレーム（支持部材）
３２ 車輪（移動手段）
３３ 第３防振ゴム（第３防振部材）
４０ 地盤振動解析処理部（解析手段）

Claims (20)

1. 地面を起振して生じる地盤振動を非接触で検出して地盤構造を探査するための地盤構造探査方法であって、地盤振動を発生させる起振手段と、少なくとも非接触で振動を検出する複数のセンサからなるセンサ群と、少なくとも吸音材からなり地面近傍まで延設された雑音低減手段と、を用い、前記起振手段により地盤振動を発生させる起振工程と、前記雑音低減手段によって囲まれた空間内に配置された前記センサ群によって、前記起振工程により発生させた地盤振動を非接触で検出する振動検出工程と、を備えることを特徴とする地盤構造調査方法。
2. 前記振動検出工程は、前記複数のセンサの最小離間距離を測定対象とする振動の最小の波長の１／３より小さく、前記複数のセンサの最大離間距離を測定対象とする振動の最大の波長の１／３より大きく設定したセンサ群を用いて振動を検出することを特徴とする請求項１に記載の地盤構造探査方法。
3. 前記振動検出工程は、前記複数のセンサを整列配置したセンサアレイからなるセンサ群を用いて振動を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の地盤構造探査方法。
4. 前記振動検出工程は、前記センサアレイを２列以上配置したセンサ群を用いて振動を検出することを特徴とする請求項３に記載の地盤構造探査方法。
5. 前記雑音低減手段は、前記センサ群を一括して取り囲むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の地盤構造探査方法。
6. 前記振動検出工程によって検出された地盤振動を解析処理する解析手段をさらに用い、前記検出された地盤振動の高周波表面波を抽出してその高次モードを含む表面波分散曲線を求め，該高次モード表面波分散曲線をインバージョン解析して１次元Ｓ波速度層構造を求める解析処理工程を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の地盤構造探査方法。
7. 前記解析処理工程は、前記１次元Ｓ波速度層構造を求める解析を連続して実施し，空間的に補間して２次元Ｓ波速度層構造あるいは３次元Ｓ波速度層構造を求めることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の地盤構造探査方法。
8. 地面を起振して生じる地盤振動を非接触で検出して地盤構造を探査するための地盤構造探査装置であって、地盤振動を発生させる起振手段と、該起振手段により生じる前記地盤振動を非接触で検出する複数のセンサからなるセンサ群と、地面近傍まで延設された雑音低減手段と、を備え、前記センサ群は前記雑音低減手段によって囲まれた空間内に配置されることを特徴とする地盤構造探査装置。
9. 前記雑音低減手段は、吸音材からなり前記センサ群の周囲を囲む壁部及び天井部を備え、底部に開口部を有することを特徴とする請求項８に記載の地盤構造探査装置。
10. 前記雑音低減手段は、防音材からなり前記吸音材の外部を覆う防音部を有することを特徴とする請求項８または９に記載の地盤構造探査装置。
11. 前記センサ群は、前記複数のセンサを縦方向及び横方向に２次元配列されることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の地盤構造調査装置。
12. 前記センサ群は、前記複数のセンサを縦方向及び横方向に配列するとともに、地面から異なる高さに配置して３次元配列されることを特徴とする請求項８ないし１０のいずれかに記載の地盤構造調査装置。
13. 前記センサ群と前記雑音低減手段との間には第１防振部材が配設されることを特徴とする請求項８ないし１２のいずれかに記載の地盤構造探査装置。
14. 前記複数のセンサは、集音手段を有することを特徴とする請求項８ないし１３のいずれかに記載の地盤構造探査装置。
15. 前記起振手段は、地面近傍まで延設された雑音減衰手段によって囲まれた空間内に配置されることを特徴とする請求項８ないし１４のいずれかに記載の地盤構造調査装置。
16. 少なくとも前記雑音低減手段を支持する支持部材及び該支持部材を移動可能とする移動手段を有する搬送手段をさらに備えることを特徴とする請求項８ないし１５のいずれかに記載の地盤構造探査装置。
17. 少なくとも前記雑音低減手段と前記搬送手段との間に第２防振部材が配設されることを特徴とする請求項１６に記載の地盤構造探査装置。
18. 前記支持部材と前記移動手段との間に第３防振部材が配設されることを特徴とする請求項１６または１７に記載の地盤構造探査装置。
19. 前記雑音低減手段は、該雑音低減手段と地面との距離を調整するための位置調整手段が配設されることを特徴とする請求項８ないし１８のいずれかに記載の地盤構造探査装置。
20. 前記センサ群は、該センサ群と地面との距離を調整するためのセンサ位置調整手段が配設されることを特徴とする請求項８ないし１９のいずれかに記載の地盤構造探査装置。

Images