JPH09228370A - 杭打施工管理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 杭の変位量を非接触で、リアルタイムに且つ
高精度でしかも容易に測定可能とし、打撃回数、杭支持
力、杭打ち込み長さ等のデータを連続して取得できる装
置を提供する。 【解決手段】 レーザ光のドップラ効果を利用して杭と
の相対速度及び相対変位を測定するためのセンサ部１４
と信号処理部１８、さらにこの速度信号、変位信号をも
とにハンマー２の打撃による打撃波形データを取得し、
このデータからハンマー打撃毎の杭１の打撃間隔、貫入
量、リバウンド量を抽出して、打撃エネルギー、打撃回
数を演算すると共に杭の支持力、杭の全打ち込み長さを
演算し、表示及び出力するデータ処理部２１とを具備し
たものである。

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、構造物構築の基
礎工事で実施する杭打の施工管理を行う杭打施工管理装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】鋼管杭及びコンクリート杭などにハンマ
ーを載荷しハンマー内のラムを油圧力又はディーゼル機
関の爆発力である高さまで押し上げて、この高さよりラ
ムを落下させてラムの落下エネルギーにより杭打ちを行
う場合、杭が一定量貫入し硬い地盤層に到達すると杭の
貫入と併せて上方へ反動するリバウンド現象が生じ、こ
のラムの質量と落下高の積で求まる１打撃当りの打撃エ
ネルギーに対する貫入量及びリバウンド量は杭の支持力
管理の目安となっている。またラムの落下高は、杭打ち
対象となる杭の種類、杭径、ラムの質量、地盤状況等に
よって選択されるが、１本の杭打ち作業中においても杭
の貫入度合によってラムの落下高を変更しながら工事を
実施する場合もある。従来このような杭打工事において
貫入量・リバウンド量の測定は、杭が硬い地盤層に到達
し支持力が得られた段階でラムの落下高を一定としハン
マー直下にて杭の表面に記録紙を張り付け、人が鉛筆等
の筆記具を押し当てて直接記録する人力測定方式が採用
されている。

【０００３】また、この人力測定に替わり、杭表面に適
当な段階で貼った小片のターゲットシートを船上等に設
置したＣＣＤカメラで計測する装置等が試みられている
が、いずれも杭打ち作業を一時的に中断する必要があ
り、貫入量・リバウンド量の測定を杭打ち作業中連続し
て行うことができなかった。

【０００４】人力測定による方法は、変位量を測定すべ
き杭に直接接触させた記録ペンによることである。図７
はその測定方法を概略的に示す図である。図７におい
て、１は杭、２はハンマー、３はラム、４は地盤、５は
地盤支持層、６は記録紙、７は記録ペンを示す。杭１の
側面に記録紙６を貼り付け、鉛筆などの記録ペン７を記
録紙６に接触させて人間が直接保持する。次に杭１をハ
ンマー２に内蔵されているラム３を高さＨから落下させ
て強く叩いたとき、杭の変位する量は記録紙６上に記録
されるので、その量をスケールにより測定する。図８は
記録紙上の記録例を示す図で横軸に時間、縦軸に変位量
を取っている。図８に示すように強打された杭１は地盤
４中に貫入し地盤支持層５に達した付近においては反発
してリバウンドする。ラム３の１回当りの強打によるｌ
１を最大変位量とすると、Ｋをリバウンド量、Ｓを貫入
量といいｌ１＝Ｋ＋Ｓの関係にあり、杭打工事において
はこのリバウンド量Ｋと貫入量Ｓを用いて杭の支持力を
求め施工管理基準としており、杭の支持力算出式の一例
を次式に示す。この接触型は簡単明瞭であるが後述する
ように解決すべき多くの課題があるため、非接触型が研
究された。

【０００５】 ここで Ｒｕ：動的極限支持力 ｅｆ：機械効率 ｗｈ：ラム重量 Ｈ ：ラム落下高 Ｓ ：貫入量 Ｋ ：リバウンド量

【０００６】非接触型の一例は杭表面に貼り付けたター
ゲットシートを一定距離離れた場所からＣＣＤカメラで
撮像し、ハンマー内のラムの落下により杭を強打した時
のターゲットシートの動きすなわち杭の挙動を計測する
ものである。図９はその測定装置を概略的に示す図であ
る。図９において、１〜５は図７の測定対象と同一のも
のであり８はターゲットシート、９はハロゲン光源、１
０はＣＣＤカメラ、１１はカメラコントローラ、１２は
計測演算装置、１３はペンレコーダを示す。図９のよう
に構成された装置では杭１の側面にターゲットシート８
を貼り付け、ハロゲン光源９で十分なコントラストが得
られるように照明してその画像をＣＣＤカメラ１０で撮
像し、カメラコントローラ１１から出力される撮像信号
を計測演算装置１２で処理して、概略１ｍｓ毎にターゲ
ットシート８の撮像位置を求めこの位置に対応したアナ
ログ電圧を出力し、これをペンレコーダ１３で記録し杭
の変位量を求めることができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】接触型ではハンマーで
杭を強打するとき、作業者は適当な段階で杭に記録紙を
張り付け、記録ペンを保持する必要があり、作業の途中
に頭上から物が落下する危険が大きく、また船上の作業
では足場が不安定となってより危険が増す問題があり、
そのため作業者の危険性が極めて大きかった。また作業
者による記録後スケールを用いて貫入量、リバウンド量
を読みとり杭の支持力を計算して求めるため現場での作
業に迅速性がなく、記録結果及び読みとり値に作業者の
個人差による誤差が含まれるといった欠点がある。

【０００８】一方非接触型では、作業の危険性は改善さ
れるが打込み杭毎にターゲットシートとなるものを正確
に取り付ける現場作業を必要とするため杭打ち作業の中
断が必要であること、また杭の打込み測定範囲がターゲ
ットシートとＣＣＤカメラ間の距離及び視野で限定され
るため杭の打込み長全体にわたって連続した計測ができ
ないといった欠点がある。

【０００９】この発明は、前述の従来の課題を改善し、
杭の打込み方向の変位量を非接触で、リアルタイムに且
つ高精度でしかも容易に測定可能とし、さらに人手をわ
ずらわすことなく、杭の打撃回数、貫入量、リバウンド
量、支持力、杭の全打ち込み長さ等のデータを連続して
取得し杭打施工管理を行える装置を提供することを目的
とする。

【００１０】この発明は、船上での計測のようにセンサ
部が杭に対して相対的に上下動揺している場合でも、動
揺成分をキャンセルして精度良く計測可能とすることを
目的としている。

【００１１】またこの発明は、船上での計測のように杭
とセンサ部間の相対距離が大きく変動してセンサ部の計
測領域から外れる場合でも、杭とセンサ部間の相対距離
変動に対応してセンサ部の位置を追従制御することで、
安定した計測を可能とすることを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係わる杭打施
工管理装置は、レーザ光のドップラ効果を利用して杭と
の相対速度及び相対変位を測定するためのセンサ部と信
号処理部、さらにこの速度信号、変位信号をもとにハン
マーの打撃による打撃波形データを取得し、このデータ
からハンマーの打撃間隔、杭の貫入量、リバウンド量を
抽出して、打撃エネルギー、打撃回数を演算すると共に
杭の支持力、杭の全打ち込み長さを演算し、表示及び出
力するデータ処理部とを具備したものである。

【００１３】また、この発明に係わる杭打施工管理装置
は、センサ部の上下等の動揺によって発生する変位変化
量を、打撃開始前の速度値と打撃終了後の速度値を直線
で結び打撃時間に相当する時間台形積分することにより
求め、杭の打撃時の計測変位データから減算する動揺補
正アルゴリズムをデータ処理部に備えたものである。

【００１４】この発明に係わる杭打施工管理装置は、杭
とセンサ部間の距離を検出する距離検出器と、上記距離
検出器の出力で杭とセンサ部間の距離を測定基準距離に
等しく保つサーボ機構を設けたものである。

【００１５】また、この発明に係わる杭打施工管理装置
は、打撃による杭の貫入速度を検出するための閾値を設
け、上記速度データがこの閾値を越えた瞬間を打撃タイ
ミングとして検出し、この前後の速度データ及び変位デ
ータを打撃波形として抽出している。

【００１６】この発明に係わる杭打施工管理装置は、打
撃タイミングより一定時間前の変位データを一定時間平
均して変位零値とし、また前記打撃タイミングより一定
時間後の変位データを一定時間平均して変位終了値とし
て、変位終了値から変位零値を減算した値を貫入量とし
ている。

【００１７】また、この発明に係わる杭打施工管理装置
は、打撃タイミングから一定時間後までの変位データか
ら変位最大値を求め、この変位最大値から前記変位終了
値を減算した値をリバウンド量としている。

【００１８】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１を示した
ものであり、１〜６は従来の測定対象と同一のものであ
る。１４は杭１の速度に比例したドップラ信号を検出す
るセンサ部、１５、１６はセンサ部１４から照射される
レーザビーム、１７は照射レーザビーム１５、１６が杭
１で反射された散乱光、１８はセンサ部で検出したドッ
プラ信号から杭１の速度及び変位を演算出力する信号処
理部、１９、２０は各々信号処理部１８から出力される
速度及び変位のアナログ電圧信号、２１はこの速度及び
変位信号を処理してハンマー２内のラム３の落下エネル
ギー、打撃回数、杭１の貫入量、リバウンド量、支持力
等を演算処理するデータ処理部であり、２２は計測結果
を出力するためのプリンターである。なお、データ処理
部２１を構成している２３、２４はアナログ電圧信号を
デジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器、２５はＡ／Ｄ
変換したデータを蓄積するためのメモリー、２６は速度
及び変位データから各種演算を行う機能、入力機能及び
表示機能を持つ演算処理部である。また図６は杭１に対
するセンサ部１４の設置条件を示したものであり、セン
サ部１４の計測領域は照射レーザビーム１５、１６の交
差領域で与えられ照射レーザビーム１５、１６の交点を
中心として前後Δｌの範囲であるため、センサ部１４は
杭１に対し測定基準距離ｌの位置に設置される。なお通
常測定基準距離ｌは１ｍ、計測領域Δｌは１４０ｍｍ程
度の値である。

【００１９】上記のように構成された杭打施工管理装置
においては、センサ部１４から交差角φで照射される２
つのレーザビーム１５、１６の散乱光１７をセンサ部１
４で受光し電気信号に変換するとドップラー効果により
次式に示す杭１の移動速度Ｖに比例したドップラ周波数
ｆｄの周波数信号が得られる。

【００２０】 ｆｄ＝（２Ｖ／λ）・ｓｉｎ（φ／２） （２） ここで Ｖ：杭１の移動速度 λ：レーザ光の波長 φ：２つのレーザビーム１４、１５の交差角

【００２１】センサ部１４で得られたドップラ周波数信
号は信号処理部１８で杭１の移動する速度データ１９及
びこの時間積分として求まる変位データ２０に変換処理
出力される。ここで図２は信号処理部１８から出力され
る速度データ１９及変位データ２０の時間軸波形を示す
図である。また図３はデータ処理部２１の処理フローを
示すフローチャートであり、図中のＳ１〜Ｓ１６はフロ
ーチャートの各ステップを示しており、これに基づきデ
ータ処理手順を説明する。ステップＳ１で処理を起動
し、ステップＳ２で測定年月日、工事名、施工場所等の
工事情報と図２に示した演算開始時間α、演算終了時間
β、変位零点平均時間ａ、貫入量平均時間ｂ、立上り判
定レベルｅ、ラム重量ｗｈ、及びあらかじめハンマーに
より定まるラム落下高Ｈと毎分当たりの打撃回数の関係
テーブル等の測定条件を入力する。ここで、例えば油圧
方式のハンマー２ではラム落下高Ｈが数段階切替えられ
る機構となっており、ラム３が杭を打撃した時刻から油
圧力でラム３を高さＨだけ押し上げてその後ラム３が高
さＨだけ落下して再度杭を打撃する時刻までに要する時
間はこのラム落下高Ｈに一対一に対応した時間となるた
め、ラム落下高Ｈと毎分当たりの打撃回数は一対一の関
係にありハンマーの性能諸元として予め示されている。

【００２２】次に測定開始キーを押すとステップＳ３で
測定処理が開始され、ステップＳ４で信号処理部１８か
ら出力される速度データ１９及変位データ２０をＡ／Ｄ
変換器２３、２４でデジタル値に変換してメモリー２４
に読み込み、ステップＳ５で図２に示す速度波形からラ
ム３の打撃タイミングを速度の立上り判定レベルｅを越
えた速度タイミングで検出し、ステップＳ６ではステッ
プＳ５を通過した毎に打撃回数カウンタを更新して打撃
回数を積算カウントし、ステップＳ７で前回の打撃タイ
ミング時刻から今回の打撃タイミング時刻を引いて打撃
間隔時間Δｔｎを求め、ステップＳ８で打撃間隔時間Δ
ｔｎの逆数を演算し毎分当たりの打撃回数を求めラム落
下高Ｈと毎分当たりの打撃回数の関係テーブルよりラム
落下高Ｈを決定しラム落下高Ｈとラム重量ｗｈを乗算し
て打撃エネルギーを演算する。続いてステップＳ９で打
撃タイミングより演算開始時間α前の変位データを変位
零点平均時間ａだけ平均した値を変位の零点Ｆ₀ とし、
ステップＳ１０で打撃タイミングから打撃タイミングよ
り演算終了β後までの変位データから最大値を求めこれ
より変位の零点Ｆ₀ を減算した値を最大変位量Ｆｍａｘ
とし、ステップＳ１１で打撃タイミングより演算終了時
間β後の変位データを貫入量平均時間ｂだけ平均した値
から変位の零点Ｆ₀ を減算した値を貫入量Ｆｓとすると
ともにこれを一打撃毎に累積加算して杭の累積貫入量Σ
Ｆｓを求め、ステップＳ１２で最大変位量Ｆｍａｘから
貫入量Ｆｓを減算した値をリバウンド量Ｆｋとする。上
記貫入量Ｆｓ、リバウンド量Ｆｋ及び打撃エネルギーＨ
×ｗｈを用いてステップＳ１３で前述で示した支持力算
出式の一例である（１）式の演算を実施して支持力を求
め、ステップＳ１４で以上の処理によって求まった累積
打撃回数ｎ、打撃間隔Δｔｎ、貫入量Ｆｓ、累積貫入量
ΣＦｓ、リバウンド量Ｆｋ、支持力を表示出力し、ステ
ップＳ１５で測定終了キーが押されていなければ以上の
処理を繰り返し一打撃毎に表示出力データがリアルタイ
ムにて更新される。なおステップＳ１５で測定終了キー
が押されていれば測定を終了し、ステップＳ１６で上記
一連のデータ処理で得られたデータを集計し帳票として
まとめプリントアウト出力する。

【００２３】本構成の杭打施工管理装置によれば、ラム
３の落下衝撃による打撃波形を１打撃毎に検出し、この
打撃波形の回数を数えることにより打撃回数ｎを求め、
この打撃波形の発生する時間間隔Δｔｎをもとにラム３
の落下エネルギーを演算し、打撃波形の変位データ２０
から貫入量Ｆｓとリバウンド量Ｆｋを求め、さらにこの
貫入量Ｆｓの積算値を求めることにより杭１の累積貫入
量ΣＦｓを求め、貫入量Ｆｓ、リバウンド量Ｆｋ、ラム
３の落下エネルギーから杭の支持力を演算し表示出力を
おこなうので、杭打作業の開始から終了まで連続して一
打撃毎の累積打撃回数、打撃間隔、貫入量、累積貫入
量、リバウンド量、支持力等のデータをリアルタイムで
計測可能であり、これらのデータの集計作業も自動化す
ることが可能である。

【００２４】実施の形態２．図４はこの発明の実施の形
態２を示す動揺補正処理説明図であり、図４（ｂ）はセ
ンサ部１４の上下等の動揺によって発生する変位変化量
が実際の打撃による変位変化に重畳した場合の変位波形
を示すもので図４（ａ）はこのときの速度波形を示して
いる。ここで動揺成分による変位変化量（シフト量）
は、演算開始時刻ｔｓｔにおける速度値Ｖｓｔと演算終
了時刻ｔｅｎｄにおける速度値Ｖｅｎｄを直線で結び次
式に示すように台形積分することで近似的に求めること
がでる。

【００２５】 Ｆｅｃ＝（１／２）・（Ｖｓｔ＋Ｖｅｎｄ）・（ｔｅｎｄ−ｔｓｔ） （３） ここで Ｆｅｃ：動揺変位補正値

【００２６】したがって変位量に動揺成分が重畳した場
合であっても、動揺変位補正値Ｆｅｃを演算して減算す
ることにより精度良い計測が実現できる。なおこの動揺
補正方式では動揺周期３Ｈｚ、動揺振幅±２５ｍｍの条
件下において、演算開始時刻ｔｓｔ〜演算終了時刻ｔｅ
ｎｄまでの時間間隔が０．４秒以下であれば±１ｍｍの
精度で補正可能である。

【００２７】実施の形態３．図５はこの発明の実施の形
態３を示したものであり、図中１〜２１は実施の形態１
と同一のものである。２７は超音波の往復時間により距
離を求める超音波距離計で代表される非接触な距離計、
２８は上記距離計２７の出力と測定基準距離ｌとの差か
ら制御信号を出力するコントローラ、２９は上記コント
ローラ２８の出力を受けてセンサ部１４及び距離計２７
を杭１に対し前後に移動させるリニアアクチュエータ、
３０は杭打船、３１は海水である。

【００２８】以上の構成の杭打施工管理装置において、
杭１とセンサ部１４の相対距離が測定基準距離ｌから変
化すると、距離計２７の測定距離出力を受けてコントロ
ーラ２８は測定基準距離ｌに対する変位量が零となるよ
う制御信号をリニアアクチュエータ２９に与え、常に杭
１とセンサ部１４の相対距離が測定基準距離ｌに一致す
るよう動作して、波浪により杭打船３０から杭１を海水
３１中に打ち込む際に杭１とセンサ部１４の相対距離が
大きく変動しても安定した計測が可能となる。

【００２９】

【発明の効果】この発明は、以上説明したように構成さ
れているので、以下に記載されるような効果を有する。

【００３０】この発明によれば、レーザ光のドップラー
効果を利用しているので非接触で杭の移動する速度及び
変位を人手をわずらわすことなく自動計測ができ、速度
及び変位を連続して取得できるため杭打施工管理に必要
な打撃回数、杭支持力、累積貫入量等を連続してリアル
タイムで表示出力することが可能となり、またデータ処
理部に杭打施工管理データが全て集まり打ち込み記録等
の集計作業も自動化できるので、現在人力等によってほ
とんど行われている杭打施工管理の作業の安全化、省力
化に大きな効果が得られる。

【００３１】またこの発明によれば、船上での計測のよ
うにセンサ部が杭に対して相対的に動揺している場合で
も動揺成分をキャンセルすることができ、計測精度を向
上させ、適用範囲を拡大させる効果がある。

【００３２】さらにこの発明によれば、船上での計測の
ようにセンサ部と杭の相対距離が大きく変動するような
場合においても、常にセンサ部と杭の相対距離が一定と
なるよう制御することができ、安定した計測を可能とす
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示す杭打施工管理
機の構成図である。

【図２】 この発明の実施の形態１の動作波形図であ
る。

【図３】 この発明の実施の形態１のフローチャートで
ある。

【図４】 この発明の実施の形態２の動作波形図であ
る。

【図５】 この発明の実施の形態３を示す杭打施工管理
機の構成図である。

【図６】 この発明で適用するセンサ部の測定範囲を示
す概要図である。

【図７】 従来の記録ペン式リバウンド量計測方法を示
す構成図である。

【図８】 従来の動作波形を示す図である。

【図９】 従来の非接触式リバウンド量計測装置を示す
構成図である。

【符号の説明】

１ 杭、２ ハンマー、３ ラム、４ 地盤、５ 地盤
支持層、６ 記録紙、７ 記録ペン、８ ターゲットシ
ート、９ ハロゲン光源、１０ ＣＣＤカメラ、１１
カメラコントローラ、１２ 計測演算装置、１３ ペン
レコーダ、１４センサ部、１５ 照射レーザビーム、１
６ 照射レーザビーム、１７ 散乱光、１８ 信号処理
部、１９ 速度信号、２０ 変位信号、２１ データ処
理部、２２ プリンター、２３ Ａ／Ｄ変換器１、２４
Ａ／Ｄ変換器２、２５ メモリー、２６ 演算処理
部、２７ 距離計、２８ コントローラ、２９ リニア
アクチュエータ、３０ 杭打船、３１ 海水。

フロントページの続き (72)発明者 石塚 浩次 神奈川県横浜市泉区白百合３丁目23番15号 (72)発明者 小池 敦美 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定場所にハンマーにより地盤中に打ち
   込まれて貫入する杭にレーザ光を照射しその散乱光を受
   光して杭の貫入速度に比例したドップラ信号を検出する
   センサ部と上記ドップラ信号から杭の貫入速度及び変位
   を演算出力する信号処理部とで構成されるレーザドップ
   ラー速度計と、上記レーザドップラー速度計の出力デー
   タからハンマーの杭への打撃波形を検出して打撃回数を
   検出する手段、上記打撃波形の発生する時間間隔を検出
   しその時間間隔より打撃エネルギーを求める手段、上記
   信号処理部から出力される変位データからハンマー打撃
   毎の杭の貫入量と杭のリバウンド量を検出する手段、上
   記貫入量、リバウンド量、打撃エネルギーとから杭の支
   持力を求める手段とを有するデータ処理部とを具備した
   ことを特徴とする杭打施工管理装置。
2. 【請求項２】 装置設置部の動揺による杭との相対上下
   動によって発生する変位測定誤差を、打撃前後の速度値
   を抽出してその間の時間で台形積分することにより装置
   自身の動揺による変位量を求め、元の計測変位データか
   ら減算することで測定対象物の真の変位変化を求めるこ
   とを特徴とする請求項１記載の杭打施工管理装置。
3. 【請求項３】 被測定物体である杭と上記センサ部間の
   距離変動に対し、相対距離を常に一定になるよう上記セ
   ンサ部の位置を制御し得るサーボ機構と上記杭とセンサ
   部間の距離を検出し得る距離検出器とを設けたことを特
   徴とする請求項１記載の杭打施工管理装置。
4. 【請求項４】 前記打撃波形を検出する手段は打撃によ
   る杭の移動速度を検出するための閾値を設け、上記速度
   データがこの閾値を越えた瞬間を打撃タイミングとして
   検出し、この前後の速度データ及び変位データを打撃波
   形として抽出することを特徴とする請求項１記載の杭打
   施工管理装置。
5. 【請求項５】 前記貫入量を検出する手段は打撃タイミ
   ングより一定時間前の変位データを一定時間平均して変
   位零値とし、また前記打撃タイミングより一定時間後の
   変位データを一定時間平均して変位終了値として、変位
   終了値から変位零値を減算した値を貫入量とすることを
   特徴とする請求項１記載の杭打施工管理装置。
6. 【請求項６】 前記リバウンド量を検出する手段は打撃
   タイミングから一定時間後までの変位データから変位最
   大値を求め、この変位最大値から前記変位終了値を減算
   した値をリバウンド量とすることを特徴とする請求項１
   記載の杭打施工管理装置。