JPH02248837A - 土質判別装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、土質、特に土の粒径などをリアルタイムで判
別できる土質判別装置に係り、一般の土質調査に適用で
きることは勿論、シルード工法等において地山の土質変
化をリアルタイムで検知して施ニジステムにフィードバ
ック可能なＪｌ！ｌ上場監視装置などとしても利用可能
な土質判別装置に関する。

［従来の技術］ 現在位置でのリアルタイムの土質調査を目的とした装置
としては、＋＊＊貫入試験機、オランダ式あるいはスエ
ーデン式貫入試験機などがあるが。

何れの試験機も、探査用のロッドを土中に貫入させると
き、あるいは土中で回転させるときの土の抵抗を測定す
るものであるため、土の強度しか判別できないものであ
った。

しかしながら、軟弱地盤の安定化制御、シールド工法に
おける土質に応じた作泥材の注入制御等においては、土
の強度だけでなく、土の粒径なとも問題になることが多
い。

一方、従来の土の粒径判別手法は、貫入試験時に土の試
料を採取し、このサンプリングされた試料を室内で試験
・評価する方法が一般的に採られていた。しかしながら
、この方法によると。

■サンプリング時に試料を乱してしまう、（例えば、薄
い地層の試料を採取するときには他の地層の土が混入す
る。） ■サンプリングしてから試験、評価するまでに、時間と
手間がかかる。

という欠点がある。

このため、最近はロッド貫入時に発生する現象のうち、
土の抵抗だけでなく他の現象も測定して。

土の強度に加えて土の粒径などを含めた土の性質を、現
在位置でリアルタイムに判別する手法が採られつつある
。

第１１図は、その一つである振動加速度を利用した土質
判別装置の貫入部を示す図である。同図において、５０
は探査用ロッドで、パイプ状の本体部５１と、該本体部
５１の先端に配置された円錐形のコーン５２を備えてい
る。５３は上記コーン５２内に配置された加速度センサ
、５４は歪ゲージを備えた荷重センサ（ロードセル）で
、該荷重センサ５４の一端は前記コーン５２の後端に、
他端は前記本体部５１の段部５１ａに各々密着するよう
に配設されている。このように形成された貫入部は、前
記探査用ロッド５０の後端に結合された油圧シリンダ等
の貫入装置５５によって、土中に一定速度で貫入される
。このとき、前記コーン５２に加わる貫入抵抗を前記荷
重センサ５４で検出すれば、従来の貫入試験法と同様に
土の強度を評価することが出来る。また、探査用ロッド
５０を土中に貫入させたときには、コーン５２と土、あ
るいは土同志の摩擦や、土粒子の破砕等により、土の粒
径によって異なる振動（振動加速度、音。

アコ−ステイク・エミッションなどを含む）が発生する
０例えば、判り易い「音」で言うと、粘土の場合は殆ん
ど聞きとれない程微弱な音であるが。

砂の場合はシャリシャリ、礫（レキ）の場合はガリガリ
といったような音が発生する。そして、これと同様に土
の粒径毎に異なる波形の振動加速度も発生しており、こ
の振動加速度をコーン５２に内蔵した前記加速度センサ
５３で検出し、その波形を解析すれば、土の粒径を成る
程度判別することが可能である。

第１２図は、上記した加速度センサ５３からの出力信号
を処理する装置の１例を示している。同図に示すように
、前記加速度センサ５３からの出力信号は、処理装置５
６内のアンプ５７で増幅された後、実効値変換器５８で
実効値に変換され、Ａ／Ｄ変換器５９を介してデジタル
信号としてマイクロコンピュータ６０に送出される。ま
た、前記荷重センサ５４からの出力信号も、アンプ６１
、Ａ／Ｄ変換器５９を介してマイクロコンピュータ６０
に送出される。そして、マイクロコンピュータ６０は、
加速度センサ５３の出力信号の波形特性データ（振動特
性データ）と荷重センサ５４の出力信号に基づく貫入抵
抗データとの関係により、土の粒径、或いは粒度といっ
た土質情報を演算し。

これを表示器６２に表示させるようになっている。

なお、加速度センサ５３の代りに、音を検出するマイク
ロホン、アコースティック・エミッション（ＡＥ）を検
出するＡＥセンサなどの振動センサが設けられることも
ある。

第１３図は前記マイクロコンピュータ６０で実行される
土質情報の算出処理を説明するためのグラフ図である。

同図の縦軸は振動加速度の実効値レベルＶｍｅａｎを、
横軸は貫入抵抗Ｆをそれぞれ表わしている。同図から明
らかなように、どの土質においても、貫入抵抗Ｆの増加
と共に振動加速度の実効値レベルＶｍｅａｎが略直線的
に増加し、その実効値レベルの増分（図における直線の
傾き）が土質によって異なり、土の粒径が大きい程傾き
が大きくなっている。

従って、予め土の粒径毎に定められた振動加速度の実効
値レベルＶｍｅａｎと貫入抵抗Ｆとの関係を実験により
求めておけば（第１３図では数例だけを表示したが、例
えば、粒径の０．１ｍｍ毎に、或いは０　、０５ｍｍ毎
に実験値を求めておけばよい）、実効値レベルＶｉｅａ
ｎと貫入抵抗Ｆが与えられた時１図示の関係から土の粒
径Ｄ　ｓｏを容易に求めることができる。また、実効値
レベルＶｍｅａｎと貫入抵抗Ｆとの交点上に粒径Ｉ）ｓ
ｏが乗らない場合には、最も近似する粒径が算出される
。

斯る粒径算出方法は、粒径が大になる程振動加速度の振
幅が大きくなること、並びに粒径による振動の変化と土
の締り具合（密度、拘束圧）との間に、粒径で定まる一
定の関係（第１３図示の関係）があることを知見した本
願発明者等の研究成果によるもので、特願昭６２−１１
２６１０号。

特願昭６２−１１２６１１号、特願昭６３−８４１４３
号、特願昭６３−８４１４４号にその詳細が示されてお
り、振動の実効値の変動分を累積する方法などによって
も同様に土の粒径を求めることが出来る。また、特願昭
６３−８４１４４号において提案したように、求められ
た粒径と振動センサの出力信号の波形特性値との関係か
ら土の粒度、すなわち粒子の大きさの分布状態をも求め
ることが出来る。

［発明が解決しようとする課題］ 上述したような土質判別装置によれば、振動センサで検
出される振動出力を、土の密度、締り具合等の土の強度
を反映する貫入抵抗によって、この土の強度による影響
分を好ましい形で補正でき、土の粒度などを成る程度の
精度で判別できる。

ところで、原地盤の土には各種の大きさの土粒子が存在
し、探査用ロッドの貫入に伴いロッド先端部の土は、例
えば、粘土→礫→砂というように変化する。このような
変化が急激に起り１例えば礫→粘土に変化した場合には
、粒径の大きな礫では粒径の小さな粘土に較べ、振動セ
ンサの出力レベルが１０２〜１０１倍程度に大きいため
、振動センサの出力を増幅するアンプの増幅率が礫にお
いて最適な増幅率であると、粘土での振動出力信号は小
さ過ぎてノイズに埋れ、粘土に固有の有効な振動成分を
検出できないという問題がある。また１反対に、振動セ
ンサの出力を増幅するアンプの増幅率が粘土において最
適なものであると、礫での振動出力信号がアンプのフル
スケールを超えて、これまた礫での信号が検出できない
という問題があった。すなわち、従来は粒径に応じて振
動センサの出力信号を最適な増幅率で増幅することにつ
いては何等考慮が払われておらず、粘土から礫までの広
い粒径範囲の総べてにわたって、精度のよい粒径判別な
どを行うことが難しいという問題があった。

従って、本発明の解決すべき技術的課題は上記した従来
技術のもつ問題点を解消することにあり。

その目的とするところは、粒径の小さな土から粒径の大
きな土までの広い粒径範囲にわたって、精度のよい粒径
判別などが可能な土質判別装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記した目的を達成するため、土中に貫入され
る探査用ロッドと、該探査用ロッドを土中に貫入させる
ための貫入装置と、前記探査用ロッド先端部近の振動を
捉えるため探査用ロッドに内蔵された少くとも１種類の
振動センサと、前記探査用ロッド先端にかかる貫入抵抗
を検知するため探査用ロッドに内蔵された荷重センサと
、ロッド貫入時に発生する前記振動センサの出力信号の
波形特性値と前記荷重センサの出力信号に基づく貫入抵
抗との関係により少くとも土の粒径を判別する演算処理
装置とを具備した土質判別装置において、前記振動セン
サの出力信号を最適な増幅率で増幅した信号のみを用い
て土の粒径判別処理に利用するように、構成される。

また１本発明においては好ましくは、前記荷重センサに
よる貫入抵抗値に基づき、前記振動センサ用のアンプの
増幅率を制御する増幅率制御手段を設け、該増幅率制御
手段によって前記振動センサ用のアンプの増幅率を土の
粒径判別処理に最適な増幅率に制御するようにされる。

また、本発明においては好ましくは、前記振動センサの
出力信号を複数に分岐して各々増幅率の異なるアンプに
送出して増幅し、この複数のアンプの各出力のうち、ア
ンプの最大出力を超えずまたＡ／Ｄ変換器の入力範囲を
超えないで、且つ最も増幅率の大きい信号を、土の粒径
判別処理に利用するようにされる。

［作　用］ 本発明は上述のようになっており、例えば貫入抵抗値に
基づき振動センサ用のアンプの増幅率を可変制御して、
該アンプで増幅される振動出力信号レベルを、後段で実
行される波形信号処理に最適な信号レベルとするように
される。そして、この最適な信号レベルとなった振動出
力信号の、例えば、実効値の平均値と、荷重センサから
得られる貫入抵抗との関係によって、土を代表する粒径
が判別される。

或いは、振動センサの出力信号を複数に分岐して各々増
幅率の異なる（例えば、１倍、１０倍。

１００倍、１０００倍）アンプに送出して増幅し、この
複数のアンプの各出力のうち、アンプの最大出力を超え
ずまたＡ／Ｄ変換器の入力範囲を超えないで、且つ最も
増幅率の大きい信号を抽出する。

そして、この最適増幅率で増幅された振動出力信号の、
例えば、実効値の平均値と、荷重センサから得られる貫
入抵抗との関係によって、同様に土を代表する粒径が判
別される。

斯様にすることによって、例えば粘土での振動出力の増
幅率は、礫におけるそれよりも相対的に大きくされ、粘
土に固有の振動情報がノイズに埋もれることなく確実に
検出され、また、反対に礫での振動出力の増幅率は、粘
土におけるそれよりも相対的に小さくされて、アンプの
フルスケールを超えることがないものとされ、広い粒径
範囲にわたって精度のよい粒径判別が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第１０図を参照して説
明する。

第１図〜第９図は本発明の第１実施例に係り、第１図は
土質判別装置のブロック図である。第１図において、ｌ
は探査用ロッド、２は振動センサたる加速度センサ、３
は荷重センサである。上記探査用ロッド１は、第２図に
示すように細長い金属製の本体部４と、該本体部４の先
端に取付けられた円錐形の金属製のコーン５とを備えて
おり、該コーン５の直径は約３５〜４０ｍｍ、コーン５
の先端角αは約６０°程度のものに設定されている。

上記コーン５には、前記加速度センサ２が該センサの周
波数応答特性を満足する絶縁アダプタ６を介して取付け
られており、土中への貫入時におけるコーン５の振動加
速度を検出するようになっている。前記荷重センサ（ロ
ードセル）３は図示せぬ歪ゲージを備え、コーン５の後
端と前記本体部４先端側の段部４ａとに各々密着するよ
うに取付けられており、土中への貫入時においてコーン
５にかかる貫入抵抗を検出するようになっている。

そして、前記探査ロッド１は、後端を油圧シリンダ等に
よりなる貫入装置７（第１図）によって押圧され、先端
のコーン５を土中に一定速度（例えば１　ｃｍ／５ｅｅ
）で貫入されるようになっている。

前記加速度センサ２の出力信号はアンプ８に入力される
。該アンプ８は、増幅率制御手段２６からの制御信号に
よって増幅率が１例えば１〜１０００倍程度の間で複数
段階に切替え可能なものとして構成されており、増幅率
を必要に応じて切替えて加速度センサ２からの出力信号
を増幅し、後段の実効値変換器９に送出する。また、該
アンプ８において選択された増幅率を示す信号が、後述
する演算処理装置１１の実効値演算処理手段１３に送出
される。前記荷重センサ３の出力信号はアンプ１２で増
幅されて後段に送出されると共に。

その貫入抵抗を表わす信号レベルが前記増幅率制御手段
２６に供給され、増幅率制御手段２６はこれにより前記
アンプ８の増幅率を変化させる。すなわち１貫入抵抗値
が大きな礫などにおいては。

アンプ８の増幅率は相対的に小さく選択設定され、貫入
抵抗が小さな粘土などにおいては、アンプ８の増幅率は
相対的に大きく設定される。

前記アンプ８で所定の増幅率で増幅された加速度信号は
、図示していないが必要に応したデータレコーダに取込
まれた後、実効値変換器９によって実効値に変換され、
然る後、Ａ／Ｄコンバータ１０によってデジタル信号に
変換され、演算処理装置ＨＩＩに送出される。ここで、
アンプ８の増幅率を表わす信号も図示していないが必要
に応じてデータレコーダに取込むこともできる。また、
前記荷重センサ３の出力信号はアンプ１２で増幅され、
同じく図示していないが必要に応じてデータレコーダに
取込まれた後、適当なサンプリングレートでＡ／Ｄコン
バータ１０によってデジタル信号に変換され、演算処理
装置１Ｗ１１に送出される。

上記演算処理装置１１は、実効値演算処理手段１３、粒
径判別手段１４、粒度判別手段１５．土質分類判別手段
１６等を具備し、実効値に変換された加速度センサ２の
出力信号を演算処理した波形特性値と、荷重センサ３に
よって検出された貫入抵抗値とにより、各種テーブルを
参照して後述する如く、土の粒径、粒度、土質分類を判
別する。

前記粒径判別手段１４は第１テーブル１７を具備し、こ
の実施例においては該第１テーブル１７には、後述する
ように予めケーススタデイされた土の平均粒径Ｄｓｏの
各種毎に定められる、加速度センサ２の出力信号の実効
値の平均値と貫入抵抗との関係が格納されている。なお
、第１テーブル１７には、土の平均粒径Ｄ　ｓｏの各種
毎に定められる上記実効値の累積振幅値と貫入抵抗との
関係、或いは実効値の（最大値−平均値）と貫入抵抗と
の関係を格納しておいても良い。

前記粒度判別手段１５は、均等係数判別手段１８、粒径
加積曲線演算手段１９を備え、均等係数判別手段１８に
は第２テーブル２０が設けられている。上記第２テーブ
ル２０には、土の粒子の大きさの分布状態を表わす指標
の１つたる土の均等係数Ｃｕ、すなわち１通過質量百分
率１０％に対応する粒径ＤＩｏと１通過質量百分率６０
％に対応する粒径Ｄ６０との比で表わされる土の均等係
数Ｃｕ　＝　Ｄ　ｂｏ　／　Ｄ　ｔｏと、前記加速度セ
ンサ２の出力信号の実効値の標準偏差／平均値、或いは
実効値の（最大値−平均値）／（平均値−最小値）との
関係が収納されている。

また、前記土質判別手段１６は第３テーブル２１を具備
し、該第３テーブル２１には、土を構成する粘土分（粒
径０．Ｏ０５＋＋＋ｍ以下）、シルト分（粒径０．００
５〜０．０７４ｍａ＋）　、砂分（粒径０．０７４ｍｍ
以上）の各々が全体質量に占める割合より定まる第９図
に示した如き土質分類に関するデータが格納されている
。

前記した実効値演算処理手段１３では、実効値に変換さ
れた前記加速度センサ２の出力信号を、前記アンプ８か
ら送出される前記した増幅率を表わす信号を参照して演
算処理し、所定時間（例えば１秒）内の実効値の平均値
を算出しこれを前記粒径判別手段１４に送出すると共に
、実効値の標準偏差／平均値、或いは実効値の（最大値
−平均値）／（平均値−最小値）を演算し、これを前記
均等係数判別手段１８に送出する。なおここで、実効値
演算処理手段１３は、アンプ８から送出される前記した
増幅率を表わす信号を参照して、増幅率の如何に拘らず
各実効値レベルが、加速度センサ２が検出した時点の出
力レベルにおいて評価できるような演算処理を行なって
いる。なおまた、参考までに述べると、上述した平均か
らのバラツキを示す標準偏差は、次のように表わされる
。

但し、Ｘは測定値、Ｘは平均値、ｎは測定値（データ）
の数、（ｎ　−１）は自由度である。

前記粒径判別手段１４は、実効値演算処理手段１３から
与えられた前記実効値（振動加速度の実効値）の平均値
と、前記荷重センサ３から前記アンプ１２．Ａ／Ｄコン
バータ１０を介して与えられた貫入抵抗とによって、前
記第１テーブル１７の内容を参照して土の平均粒径Ｄ　
ｓｏを判別する。

また、前記均等係数判別手段１８は、実効値演算処理手
段１３から与えられた前記実効値の標準偏差／平均値、
或いは実効値の（最大値−平均値）／（平均値−最小値
）により、前記第２テーブル２０の内容を参照して前記
均等係数Ｃｕを判別する。さらに、前記粒径加積曲線演
算手段１９は、粒径判別手段１４及び均等係数判別手段
１８によって与えられた平均粒径Ｄ　ｓｏと均等係数Ｃ
ｕとによって粒径加積曲線を近似計算する。さらにまた
、前記土質分類判別手段１６は１粒径加積曲線演算手段
１９から与えられた演算結果によって、粘土分、シルト
分、砂分の質量比率を算出すると共に、前記第３テーブ
ル２１を参照して土質分類を決定する。

なお、ここで前記した演算処理装置１１は実際にはマイ
クロコンピュータで構成され、各種■／○インターフェ
ス、主制御プログラム並びに各種固定データなどを格納
したＲＯＭ、各種フラグ並びにデータなどを読み書きす
るＲＡＭ、全体の制御を司どるμＣＰＵ　（マイクロセ
ントラルプロセッサユニット）等を具備し、予め定めら
れたプログラムと計測情報に基づき、粒径１粒度、土質
分類の判別処理を実行する。また、演算処理装置１１の
演算処理結果は、例えば、ＣＲＴデイスプレィ型の表示
器２２、プリンタ２３などの出力装置へ必要に応じて送
出され、オペレータ等に土質情報をリアルタイムで視認
させるようになっている。

さらに、演算処理装置１１は磁気ディスク駆動装置など
の外部メモリ２４とも接続され、必要なデータを記憶も
しくは取出せるようになっている。

さらにまた、演算処理装置１１の演算処理結果は、例え
ばシールド工法等を管理・制御する施工管理システム２
５にもリアルタイムで供給され、施工管理シスム２５は
、この現場の土質情報によって次の施工段階を最も好適
なものにするよう制御、指示するようになっている。

以下第３図〜第９図を参照しつつ更に説明を続ける。

第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、土質の異なる粘土、
砂、礫のそれぞれの土中に、前記探査用ロッド１を貫入
させた時に前記加速度センサ２から得られる出力信号を
、各々前記アンプ８において異なる増幅率で増幅し、実
効値変換器９で実効値に変換した後の波形データを示し
ている。（なお、これらは何れも１秒間のデータが示さ
れている。）同図から明らかなように、粘土、砂、礫の
順で振動加速度の実効値（以下単に振動加速度と呼ぶ）
の変動振幅は大きくなっており、土の粒径が大きいほど
振動加速度の振幅が大きくなっている。また、礫に貫入
させた場合の振動加速度の波形は。

粘土、砂のそれに比して変動が激しく、特に突発的な大
加速度を発生させたものとなっている。この突発的な大
加速度は、礫の噛み合いが外れたとき、或いは破砕した
発生する現象で、礫が大きくなるにつれて突発的な大加
速度の発生時間間隔は長くなる。従って、前記Ａ／Ｄコ
ンバータ１０で実効値変換後のアナログデータをサンプ
リングする際には、充分長いサンプリング時間１例えば
、０．５秒程度以上の時間が必要である。

以上のように、振動加速度の振幅は土の粒径によって大
きく異なり、粒径が大きいほど振幅は大きくなる。但し
、同一の土でも締り具合が違うと、振動加速度のレベル
が異なり、同様に振幅も異なることが考えられる。第４
図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）はこの点を検証するため、同
じ砂を用い、密度或いは拘束圧を変えて探査用ロッド１
を貫入させたときの振動加速度（実効値）の波形を示す
ものである。同図から明らかなように、密度或いは拘束
圧が増加すると、振幅が大きくなっていることが判る。

また、これに伴って荷重センサ３で検出される貫入抵抗
も増加している。従って１粒径による振幅の変化に対し
、土の締り具合などによる影響を貫入抵抗で補正してや
れば、精度良く粒径を判別することが可能となる。

この補正方法は、第５図に示し且つ前述した先願でも述
べられているように１貫入抵抗と振動加速度の平均値と
の間に１粒径（平均粒径Ｄ　ｓｏ　）によって定まる一
定の相関関係があることに基づきなされるものである。

なお、第５図では縦軸及び横軸が共に対数目盛で表わさ
れている。この第５図で注目すべき点は、どの土質（粒
径）においても貫入抵抗の増加と共に、振動加速度の平
均値も直線的に増加し、その増分（図における直線の傾
き）が粒径によって異なり、土の粒径が大きくなるほど
傾きが大きくなることである。

従って、土の平均粒径ＯＳＯ毎の振動加速度の平均値と
貫入抵抗との関係を実験によってケーススタデイして把
握しておき（第５図では代表例を３つのみ示しであるが
、例えば、粒径の０．１ＩＩＩｌ毎、或いは０．０５＋
ｅｍ毎にケーススタデイしておけば良い）、これを前記
した第１テーブル１７に格納しておけば、振動加速度の
平均値（前記実効値演算処理手段１３の出力）と貫入抵
抗が与えられれば、前記粒径判別手段１４は直ちに正確
な粒径を判別し、これを出力することが出来る。すなわ
ち。

第５図の如き粒径毎に異なる直線の傾きを予め求めてお
き、これを第１テーブル１７に保持しておけばよく、こ
の傾きと土の粒径との関係によって、平均粒径Ｄ　ｓｏ
がリアルタイムで求められることになる。なお、傾きに
のらない値が算出された場合には、最も近似する平均粒
径Ｄｓｏが割り当てられるのは自明であろう。

なおここで、振動加速度の累積振幅値と貫入抵抗との関
係によっても、或いは、振動加速度の（最大値−平均値
）と貫入抵抗との関係によっても、平均粒径Ｄ　ｓｏ毎
に各々定まる第５図と略同様の相関関係があり、これを
前記した第１テーブル１７に格納しておいても良い、勿
論、この場合は、前記実効値演算処理手段１３は、これ
に見合って振動加速度の累積振幅値、または振動加速度
の（最大値−平均値）を演算し、これを前記粒径判別手
段１４に供給することになる。

ここで、前述したように荷重センサ３の出力レベルによ
ってアンプ８の増幅率を変化させることの有用性につい
て説明する。第５図によると、どの土質（粒径）におい
ても貫入抵抗の増加と共に振動加速度の平均値も増加し
ている。そこで、該実施例においては１例えば貫入抵抗
が５０Ｋｇｆ程度では、アンプ８のフルスケールを超え
ず、またＡ／Ｄコンバータ１０の入力範囲を超えない、
約ＩＧ相当が最大になるようにアンプ８の増幅率を設定
し、また貫入抵抗が５００Ｋｇｆ程度では、同様に約１
０Ｇが最大となるようにアンプ８の増幅率を設定するこ
とによって、未知の土質（粒径）の土であっても最適な
増幅率で増幅した振動加速度信号を波形処理に利用する
ことが出来る。一方、貫入に伴なう急激な土質変化によ
って振動加速度のレベルは急激に変化するのに較べ、貫
入抵抗の変化は緩やかである。よって１例えば１秒毎に
アンプ８の増幅率を、その直前の１秒間の貫入抵抗の値
で可変設定しても充分な効果がある。

次に土の粒度を求める手法について説明する。

土の粒度を表わす方法として、一般的には第６図に示す
ような片対数グラフを用い、対数目盛に粒径を、通常算
術目盛に粒径別の粒子量の全体に対する質量百分率をと
って、その関係を粒径加積曲線と呼ばれる曲線で表わす
ことによって行なっている。また、この粒径加積曲線の
勾配による各種の粒径の混り方を表わす方法として、一
般的には、通過質量百分率１０％に対応する粒径Ｄ＋ｏ
と、通過質量百分率６０％に対応する粒径Ｄ６ｏとの比
たる前記した均等係数Ｃｕ　（＝　Ｄ　６０　／　Ｄ　
１ｏ　）を用いている。従って、土の平均粒径ＯＳＯと
上記均等係数Ｃｕが判明すれば、これに基づき近似の粒
径加積曲線を求めることが出来、土を粒径及び粒度によ
って識別可能となる。なお第６図で、（ａ）。

（ｂ）、（Ｃ）でそれぞれ示す粒径加積曲線は、実験で
用いた砂（均等係数Ｃｕ＝２．１）、粘土（均等係数Ｃ
ｕ＝１６．２）、砂礫（均等係数Ｃｕ＝２０．０）のそ
れを表わしている。

第７図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第６図で示した粒径
加積曲線（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の砂、粘土、砂礫から
なるそれぞれの土中に前記探査用ロッド１を貫入したと
きの前記加速度センサ２の出力信号を実効値レベルに変
換した後の波形を示している。同図から明らかなように
、砂よりも均等係数Ｃｕが大きい粘土及び砂礫では、砂
における波形とは異なり、平均レベルよりも相当に大き
な突発的な大加速度がランダムに発生していることが判
る。従って、粘土や砂礫のような均等係数Ｃｕの大きな
土に探査用ロッドｌを貫入したときに発生する、突発的
な大加速度の大きさや頻度を注目すれば均等係数Ｃｕを
予測できる。すなわち、振動加速度の標準偏差／平均値
、或いは、振動加速度の（最大値−平均値）／（平均値
−最小値）に着目すれば、後述するように均等係数Ｃｕ
が算出できる。

なお、以下の説明は、振動加速度の標準偏差／平均値を
例にとって行なうが、振動加速度の（最大値−平均値）
／（平均値−最小値）の場合も路間等である。

第８図は、縦軸に実効値に変換された振動加速度の標準
偏差／平均値を、横軸に均等係数Ｃｕをとっており、縦
軸及び横軸共に対数目盛で示している。同図から明らか
なように、前記した振動加速度のレベルが定常的で均等
係数Ｃｕの小さい砂に較べて、突発的な大加速度が発生
し、振動加速度の波形レベルの変動が大きく均等係数Ｃ
ｕの大きい粘土や砂礫では、上述した標準偏差／平均値
が大きくなることが判る。また、同図で砂、粘土。

砂礫に示した実線の長さはデータのバラツキの範囲を示
し、０印は複数のデータの平均を示しており、Ｏ印の各
プロットは図示点線で示した一定の傾きの直線にほぼ集
っている。よって、均等係数Ｃｕが大きくなればなるほ
ど、振動加速度の標準偏差／平均値が大きくなって、こ
れが一定の傾きの直線上にほぼ乗るので、この関係を前
記第２テーブル２０に格納しておけば、前記均等係数判
別手段１８は、振動加速度の標準偏差／平均値を与えら
れることによって均等係数Ｃｕを判定することが出来る
。この際、上記標準偏差／平均値のデータは複数個のデ
ータを平均化したものとすることが望ましく、この処理
は前記実効値演算処理手段１３で容易になされることは
当業者には自明である。また、第８図では３つの代表例
のみを示したが、例えば、均等係数Ｃｕが１だけ増加す
る毎の実験値を予めケーススタデイして、この既知デー
タが前記第２テーブル２０に記憶される。なお、この一
連の処理では、粒径を反映する振動加速度の平均値で標
準偏差を割っているため、土の粒径や締り具合によって
第８図に示される関係が異なることはない。

そして、上述してきたようにして、土の平均粒径Ｄ　ｓ
ｏ　、並びに均等係数Ｃｕが演算・判別されると、前記
粒径船積曲線を示す第６図のグラフに、平均粒径Ｄ　ｓ
ｏを対応位置にプロットしく第６図の０印参照）、求め
られた均等係数Ｃｕに基づく勾配で０印を通る直線（第
６図の２点鎖線参照）を描けば、直線近似された概略の
粒径船積曲線が得られることになる。よって、前記粒径
船積曲線演算手段１９は、与えられた平均粒径Ｄ　ｓｏ
と均等係数Ｃｕに基づき、上記した手法で粒径船積曲線
を近似計算することになる。斯くして、粒度を示す近似
の粒径船積曲線及びこれを適宜加工した粒度情報は、求
められた平均粒径Ｄ　ｓｏと共に、前記演算処理装置１
１から必要に応じ、前記表示器２２、プリンタ２３．外
部メモリ２４．施工管理システム２５等へ出力される。

なお、粒径と均等係数ＣＵとの関係から粒径船積曲線を
直線近似させるに際し、与えられる粒径は必ずしも平均
粒径ｎｓｏでなくても良く、例えば、Ｄ３ｏを求めて、
これと演算された均等係数Ｃｕの推定値とからでも求め
ることが出来る。

上記のようにして近似の粒径船積曲線が求められると、
土の粘土分、シルト分、砂分の全体質量に対する質量％
が演算でき、前記土質分類判別手段１６は、前記した第
３テーブル２１の内容を参照して、第９図に示した土の
分類に多用される三角座標による土質分類を決定する。

第１０図は本発明の第２実施例に係る土質判別装置のブ
ロック図である。同図において、前記第１実施例と同等
の構成要素には同一符号を付して、その説明は重複を避
けるため省略する。同図において、３０は、前記加速度
センサ２の出力を増幅するためのアンプ群で、加速度セ
ンサ２からの出力信号は、該アンプ群３０中の各々異な
る増幅率をもつアンプに分岐して入力される。この実施
例においては、アンプ群３０は、例えば増幅率がそれぞ
れ１倍、１０倍、１００倍、１０００倍の４つのアンプ
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを備えたものよりなっ
ていて、各アンプ３０ａ〜３０ｄにおいて異なる増幅率
で増幅された振動加速度信号は、実効値変換器３１によ
って各々独立して実効値に変換される。然る後、実効値
変換器３１から送出される各実効値信号は、Ａ／Ｄコン
バータ３２によって適当なサンプリングレートでデジタ
ル信号に各々変換されて、最適信号選択手段３３に送ら
れる。最適信号選択手段３３では、送出されてきた各信
号を比較・検討し、各アンプ３０ａ〜３０ｄの最大出力
を超えていず、また、Ａ／Ｄコンバータ３２の入力範囲
を超えず、且つ最も増幅率の大きな振動加速度の実効値
信号のみを選択し、これを前記演算処理袋ｒＩｌｌｌの
実効値演算処理手段１３に供給する。さらにまた、最適
信号選択手段３３は、上記の如く選択した信号の増幅率
を表わす信号も、前記実効値演算処理手段１３に送出す
る。そして、実効値演算処理手段１３は選択・送出され
てきた実効値信号を、該信号の増幅率を表わす信号を参
照して、以下は前記第１実施例と全く同様の手法で、粒
径、粒度、土質分類の判別がなされる。

上述した第１．第２実施例においては、加速度センサ２
で検出した振動加速度を、アンプのフルスケール並びに
Ａ／Ｄコンバータの入力範囲を超えない範囲で、それぞ
れの振動加速度のレベルに応じた最適増幅率で増幅した
ものを、粒径判別などの処理に利用しているので１貫入
抵抗が小さく且つ粒径が小さい粘土などの土であっても
、信号レベルの小さな加速度振動がノイズに埋れること
なく検出・識別でき、確実に粒径判別などを行うことが
出来る。また１貫入抵抗が大きく且つ粒径が大きな礫な
どであっても、信号レベルがアンプの最大出力並びにＡ
／Ｄコンバータの入力範囲を超えて測定不能になるとい
う事態を回避でき、総じて広い粒径範囲にわたって精度
の良い粒径判別が可能となる６ なお、ここで前述してきた両実施例においては、加速度
センサ２の出力信号を実効値に変換する例を示した。こ
うする所以は、実効値を用いると時間に対する振動振幅
の変動を的確に捉える上で。

加速度センサ２の出力信号を主波形に出来るだけ追従し
たなめらかな波形に変換して周波数を低くし、サンプリ
ング数を少くしてデータ処理速度を高めるためである。

しかしながら、加速度センサ２の出力信号主波形を直接
Ａ／Ｄ変換しても、同様の処理を行うことが可能である
。また、振動センサとして加速度センサ２を用いている
が、マイクロホン、ＡＥ　（アコーカテイツク・エミッ
ション）センサ等の他の振動センサを用いた場合でも、
同様の原理で、土の粒径、粒度、土質分類を求め得る。

さらにまた、加速度センサとＡＥセンサのように異種の
ものを複数個組合せて使用することも可能である。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、土の粒径などの土
質情報をリアルタイムで判別可能な土質判別装置におい
て、粘土から礫までの広い粒径範囲の総べでにわたって
精度の良い粒径判別などが可能で、土木工事の施工管理
等に用いて、迅速な最適施工条件の設定を可能にする装
置を提供でき。

その産業的価値は多大である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９図は本発明の第１実施例に係り、第１図は
土質判別装置のブロック図、第２図は探査用ロッドの先
端部分の断面図、第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は各種
土質における振動加速度の実効値波形図、第４図（ａ）
、（ｂ）、（ｃ）は同一土質における土の締り具合等に
よる波形変化を説明するための振動加速度の実効値波形
図、第５図は土質別の振動加速度の実効値の平均値と貫
入抵抗との関係を示すグラフ図、第６図は粒径船積曲線
を示すグラフ図、第７図（ａ）、　（ｂ）、　Ｃｃ、）
は各々均等係数の異なる土質に貫入したときの実効値に
変換された振動加速度の波形を示すグラフ図、第８図は
振動加速度の標準偏差／平均値と均等係数との関係を示
すグラフ図、第９図は三角座標による土質分類を示すグ
ラフ図、第１０図は本発明の第２実施例に係る土質判別
装置のブロック図、第１１図〜第１３図は従来例に係り
、第１１図は探査用ロッドの先端部分の断面図、第１２
図は処理装置のブロック図、第１３図は振動加速度の実
効値レベルと貫入抵抗との関係を土質別に示すグラフ図
である。 １・・・・・・探査用ロッド、２・・・・・・加速度セ
ンサ（振動センサ）、３・・・・・・荷重センサ、４・
・・・・・本体部。 ５・・・・・・コーン、６・・・・・・絶縁アダプタ、
７・・・・・・貫入装置、８・・・・・・アンプ、９・
・・・・・実効値変換器、１０・・・・・・Ａ／Ｄコン
バータ、１１・・・・・・演算処理装置、１２・・・・
・・アンプ、Ｉ３・・・・・・実効値演算処理手段、１
４・・・・・・粒径判別手段、１５・・・・・・粒度判
別手段、１６・・・・・・土質分類判別手段、１７・・
・・・・第１テーブル、１８・・・・・・均等係数判別
手段、１９・・・・・・粒径船積曲線演算手段、２０・
・・・・・第２テーブル、２１・・・・・・第３テーブ
ル、２２・・・・・・表示器、２３・・・・・・プリン
タ、２４・・・・・・外部メモリ、２５・・・・・・施
工管理システム、２６・・・・・・増幅率制御手段、３
０・・・・・・アンプ群、３０ａ〜３０ｄ・・・・・・
アンプ、３１・・・・・・実効値変換器、３２・・・・
・・Ａ／Ｄコンバータ、３３・・・・・・最適信号選択
手段。 第 図 Ｍ（秒） 式（秒） 時間（秒） ｒｄ：乾燥密度 ｐ　：拘束圧 （Ｇ） 第 図 貫入抵抗（ｋｇｆ） 第 図 均等係数Ｃｕ 第 図 シルト分 （Ｚ＞ 第 １ｉ 図 第 図 第１３図 礫 大 貫入抵抗Ｆ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）土中に貫入される探査用ロッドと、該探査用ロッ
   ドを土中に貫入させるための貫入装置と、前記探査用ロ
   ッド先端付近の振動を捉えるため探査用ロッドに内蔵さ
   れた少くとも１種類の振動センサと、前記探査用ロッド
   先端にかかる貫入抵抗を検知するため探査用ロッドに内
   蔵された荷重センサと、ロッド貫入時に発生する前記振
   動センサの出力信号の波形特性値と前記荷重センサの出
   力信号に基づく貫入抵抗との関係により少くとも土の粒
   径を判別する演算処理装置とを具備した土質判別装置に
   おいて、前記振動センサの出力信号を最適な増幅率で増
   幅した信号のみを用いて土の粒径判別処理に利用するよ
   うにしたことを特徴とする土質判別装置。
2. （２）請求項１記載において、前記荷重センサによる貫
   入抵抗値に基づき、前記振動センサ用のアンプの増幅率
   を制御する増幅率制御手段を設け、該増幅率制御手段に
   よつて前記振動センサ用のアンプの増幅率を土の粒径判
   別処理に最適な増幅率に制御するようにしたことを特徴
   とする土質判別装置。
3. （３）請求項１記載において、前記振動センサの出力信
   号を複数に分岐して各々増幅率の異なるアンプに送出し
   て増幅し、この複数のアンプの各出力のうち、アンプの
   最大出力を超えずまたＡ／Ｄ変換器の入力範囲を超えな
   いで、且つ最も増幅率の大きい信号を、土の粒径判別処
   理に利用するようにしたことを特徴とする土質判別装置
   。