JPS6183710A - コ−ン貫入試験機 - 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、コーン貫入試験機に係り、とくに土の静的貫
入抵抗を測定するためのコーン貫入試験機に関する。

〔従来の技術〕

コーン貫入試験機は、正式には「オランダ式二重管コー
ン試験機Ｊ　　（Ｊ　Ｉ　Ｓ　　Ａ１２２０−１９７６
　）と呼ばれ、又通称はダッチコーンと呼ばれる土の静
的貫入抵抗測定機である。この種のコーン貫入試験機は
、一般に、先端が円錐体に形成された円柱状のコーンを
本体とし、このコーン本体を外力によって土中へ静的に
貫入し、この際に生じる種々の貫入抵抗から、当該地盤
の支持力９強さ、密度（締まり具合）等を測定しようと
するもので、比較的小型の手動ジヤツキ式のものと比較
的大型の油圧式とに大別されている。

そして、手動ジャ、キ式は、前記コーン本体内の先端部
にプルービングリングを挿入し、ゲージの読みで測定す
るという手法が採られており、又大型の油圧式のものは
、油圧をブルドン管等で測定することにより貫入抵抗を
検知するという手法が採られている。

一方、従来のかかる測定法においては、先端の貫入抵抗
を、総てコーン本体圧入用のロンドの上方部にて検出し
ていることから、貫入深度が深くなった場合にはコーン
本体の側面周囲の摩擦が大きく影響し、本来、コーン本
体の先端部にて検知すべき貫入抵抗を正確に検知し得な
いという欠点があった。

このため、昨今においては、上記従来例の有する欠点を
解消するものとして電気コーンの開発が進められている
。この電気コーンは、コーン本体の土への貫入時に生じ
るコーン本体先端部の部分的な撓みを利用し、これを歪
ゲージによって或いは差動トランスを用いて検知しよう
とするものである。

そして、当該電気コーンについては、最近は単に貫入抵
抗を測定するだけでなく、−回の貫入試験で、例えば、
コーン本体の周面摩擦の測定および貫入時の過剰間隙水
圧を測定して多くの土質定数を検知するという、所謂三
成分コーンへと、その開発が進められている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、かかる従来例の電気コーンにおいては、
最も一般的なものといわれている５００ｋｇｆ；２ｔｆ
用のものであっても、最小測定値としてはその１１５０
〜１／１００程度が限界であり、測定範囲ダイナミック
レンジが狭いという不都合があった。すなわち、測定範
囲拡大の方法としては、検出部の変位量を充分に大きく
とり最小変位量を大きくするという方法があるが、歪ゲ
ージタイプは、大変形に対しては正確な値を検知できな
いという本質的欠点があり、又、差動トランスタイプの
ものは変形量の大きいものには適しているが、検出用コ
イルを含めて小型化に難点があった。

このため、従来技術においては、測定範囲が広く且つ三
成分（貫入抵抗１周面摩擦抵抗９貫入時の過剰間隙水圧
）を検出できるＪＩＳ規格に合ったコーン貫入試験機が
無いことから、土質調査に際しては数種類の容量をもっ
た試Ｕ機を予め準備しなければならないという不都合が
生じていた。

これを更に具体的に説明すると、例えば地盤が軟弱な埋
立地等では、貫入抵抗が数ｋｇ　ｆから故１゜ｋ、　ｆ
であることから、通常の測定レンジが３００ｋｇ　ｆか
ら５００　ｋ、　ｆの試験機では測定不可能である。又
、埋立て地盤には、軟弱な粘性層のほかに砂層がシーム
状に存在している場合が多い。この場合、砂層の貫入抵
抗は数百に、　ｆにもなり、これがため小容量の測定機
では対応できず、これがため、容量大の試験の備えがな
い場合は例え当該砂層の下に軟弱層が続いていても調査
を中断せざるを得ない状況となっていた。

本発明は、かかる従来技術の有する不都合を勘案し、小
型で測定範囲が広く且つ構造が簡単なコーン貫入試験機
を提供することを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで、本発明ではロンド支持部と、このロ、７ド支持
部に印加される静圧力を先端コーンへ伝達する圧縮部材
とを有し、前記先端コーン部分から測定地盤へ全体的に
貫入して当該地盤の表面および内部の貫入抵抗を測定す
る構造のコーン貫入試験機において、前記圧縮部材を、
加圧変形部と固定本体部とにより形成するとともに、当
該固定本体部と前記ロッド支持部との係合部分に貫入抵
抗検出手段を装備し、前記貫入抵抗検出手段を磁石と磁
気感応素子とを備えた構成とするとともに、前記ロッド
支持部と前記圧縮部材の固定本体部との係合部分の内、
一方に磁石を固着し、これに対応する他方に磁気感応素
子を固着する等の構成を採り、これによって前記目的を
達成しようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の第１実施例を第１図ないし第６図に基づ
いて説明する。

まず、第１図は本発明に係るコーン貫入試験機（以下、
単に「ダフチコーン」という）のコーン本体部を示す断
面図である。この図において、１はロッド連結部を示し
、２は円筒状に形成されたフリクションマントルを示し
、３は先端コーンを示す。

前記ロッド連結部１は、第１図における上端部の直径が
３６朋φに形成されたヘッド部ＩＡと、内部が段付の空
洞を成し且つ外部が図に示す如く下方へ行くに従い二段
階にわたって細く形成された足部ＩＢとから成り、この
足部ＩＢの先端に、圧縮部材４を介して前記先端コーン
３が固着されている。この先端コーン３は、図に示す如
く円錐体を成し、その頂角αは６０°、外形は３６鶴φ
に形成されている。また、この先端コーン３と前記ロッ
ド連結部１のヘッド部ＩＡとの間には、外径３６ｉｎφ
の円筒状のフリクションマントル２が配設されている。

このフリクションマントル２は、前記ロッド連結部１の
足部ＩＢを覆うように配設され、その上部が引張部材５
の本体部５Ａに係止され、又その下部が環状のポーラス
メタル６を介して前記先端コーン３に固着され一体化さ
れている。

また、前記ロッド連結部１の足部ＩＢの中段部分に、周
面摩擦抵抗検出手段２０が設けられ、また同じくロッド
連結部１の足部ＩＢの先端部分に貫入抵抗検出手段３０
が装備されている。更に前記ロッド連結部ｌの足部ＩＢ
の先端部分は、圧縮部材４内に遊挿された状態となって
おり、この圧縮部材４の第１図における上端部中央に小
型圧力計７が装備されている。

そして、図示しないロッドの静圧力が前記ロッド連結部
ｌに印加されると、その圧力（矢印Ａ）は当該ロッド連
結部１の足部ＩＢの中央の押圧段部ＩＣから前記圧縮部
材４．先端コーン３へと伝えられ、これにより全体が一
体的に地盤へ貫入されるようになっている。

この場合、前記円筒状のフリクションマントル２には貫
入時に周縁摩擦が作用し、前記引張部材５の本体部５Ａ
が図の上方へ（Ｃ方向）へ押し上げられることとなるが
、この当該引張部材５に生じる引張力を、後述するよう
に周面摩擦抵抗検出手段２０が検出し得るようになって
いる。

また、前記ロッド連結部ｌのヘッド部ｌＡと前記引張部
材５の本体部５Ａとの間には、図に示す如く間隙りが形
成され、この間隔り部分にＲＴＶゴム等のゴム材８が充
填されている。同時に前記ロッド連結部１の足部ＩＡの
先端面と前述した圧縮部材４の内底面４Ａとの間にも間
隙りが設けられている。このため、前記圧縮部材４には
効率よく可逆性ある圧縮歪が生じるようになっており、
この圧縮歪を、後述するように貫入抵抗検出手段３０が
検出し得るようになっている。

ここで、前記引張部材５および周面摩擦検出手段２０．
更には圧縮部材４および貫入抵抗検出手段３０について
更に詳細に説明する。

前記引張部材５は、全体的には円筒状に形成され、上端
部が前述した如く本体部５Ａをなしており、また下端部
５Ｂが前述したロッド連結部ｌの足部ＩＡの中段にねじ
止めによって固着されている。そして、この引張部材５
の中央部の外側周囲が全体的に切除されて薄く加工され
て伸縮部５Ｃを形成しており、これがため、前述した如
くフリクションマントル２に生じる矢印Ｃ方向の周面摩
振力が本体部５Ａを介して当該引張部材５に伝達され、
その伸縮部５Ｃが前記周面摩擦力に応じて充分の大きさ
で伸び変形し得るようになっている。

一方、この引張部材５の前記本体部５Ａの内面側には、
１８０°隔ててフェライトマグネット等の磁石２１Ａ、
２１Ｂが装備され、この各磁石２１Ａ。

２１Ｂに各々対応して磁気感応素子としてのホール素子
２２Ａ、２２Ｂが前記ロッド連結部１の足部ＩＢに後述
する如く装備されている。そして、このホール素子２２
Ａ、２２Ｂと磁石２１Ａ。

２１Ｂおよび前記引張部材５とにより周面摩擦検出手段
２０が形成され、前記引張部材５の変形に伴う磁石２１
Ａ、２１Ｂの位置ずれを、ホール素子２２Ａ、２２Ｂに
よって後述する如く能率よく検知し得るようになってい
る。

また、前記圧縮部材４は、第１図に示すように上段部が
円筒状で比較的細長く形成された加圧変形部４Ｂをなし
、下段部が前述した先端コーン３および環状ポーラスメ
タル６を固定するための固定本体部４Ｃをなし、この固
定本体部４Ｃの第１図における下端面と前記先端コーン
３との間には僅かな間隔が設けられている。また前記ポ
ーラスメタル６を介して浸透してくる過剰間隙水圧を前
述した水圧計７が検知するための通水貫孔３Ｂが前記先
端コーン３に設けられている。そして、前記加圧変形部
４Ｂはその上端に貫入圧力が印加された場合には地盤か
らの反力の大小に応じて全体的に外周方向に膨出変形す
るようになっている。

一方、この圧縮部材４の固定本体部４Ｂの内面側には、
図に示す如く１８０°隔ててフェライトマグネット等の
磁石３１Ａ、３１Ｂが装備され、この各磁石３１Ａ、３
１Ｂに各々対応してホール素子３２Ａ、３２Ｂが前記ロ
ッド連結部１の足部ＩＡの先端部に装備されている。こ
のホール素子３２Ａ、３２Ｂと磁石２１Ａ、２１Ｂおよ
び前記圧縮部材４とにより貫入抵抗検出手段３０が形成
され、前記加圧変形部４Ｂの変形に伴う磁石３１Ａ、３
１Ｂの位置ずれを、前記ホール素子３２Ａ３２Ｂによっ
て後述する如く効果的に検知し得るようになっている。

尚２６は防水用のシール部材を示す。

ところで、第２図に詳細に示されているように、貫入抵
抗検出部３０の一方のホール素子３２Ａはマグネット３
１Ａに対してほぼ中央に、また、他方のホール素子３２
Ｂはマグネット３１Ａに対して上端側にロッド連結部Ｉ
の足部ＩＡに装備されている。周面摩擦検出部２０の場
合も同様である。

これは、該ホール素子３２Ａ、３２Ｂで発生する電圧に
、位置の変化に対し位相差（本実施例では９０°）を持
たせるようにしたためである。位相差を持たせるのは、
後述するように発生した電圧の差を取ることによって、
センサの直線性を拡大でき、圧縮部１４Ａの微小変形に
対して十分な出力特性を得ることができ、温度による変
化分をキャンセル（消去）できるからである。ホール素
子３２Ａ、３２Ｂの出力は、それぞれ第５図に示す０Ｕ
ＴＰＵＴＩ、０ＵＴＰＵＴ２のように形状は同じで変位
Ｘに対しＬだけ位相をもった曲線となる。後述する差動
増幅器により０ＵＴＰＵＴＩと０ＵＴＰＵＴ２の差をと
ると同図における曲線の頂部および裾野の曲線部分が消
却され直線が得られる。この場合、０ＵＴＰＵＴＩおよ
び２は厳密には完全な正弦波又は余弦波ではないが、一
応、正弦波又は余弦波の一部と考えられるためフーリエ
級数に分解して両者の差をとると、高調波が消去されて
直線となる。第３図は理想状態下における二つの正弦波
の位相差をとったもので、最も直線性の良いのは９０度
の位相差がある正弦波すなわち正弦波と余弦波の場合で
ある。

次に、前記ホール素子３２Ａ、３２Ｂで取り出された電
圧を処理するための電気的構成を第４図に基づいて説明
する。

この図において、３２Ａ、３２Ｂは前記ホール素子を示
す。このホール素子３２　Ａ、　　３２　Ｂｃ、＝ハ、
予め出力信号を得るだめの所定の電流１ｃがそれぞれ流
されており、この被制御電流Ｉｃに直角な方向に磁界を
加えると、電流と磁界の両者に直角な方向に電圧差が生
ずる。この電圧差Ｖ）Ｉは、ＶＨ＊ＫＨ−１ｃ　・Ｂ　
（ＫＨは比例定数、Ｂは磁束密度） で表わされ、電流［ｃを一定とすれば磁束密度に比例し
た電圧差を得ることができる。

この電圧ＶＨは、図に示すようにマイナス側が反転増幅
回路２８Ａ、２８Ｂの反転入力端子と接続されるように
なっており、ここで反転増幅されるようになっている。

具体的には、反転入力端子に加えられる入力電圧（ホー
ル素子３２Ａ、３２Ｂの出力電圧）をＶ３、出力電圧を
■。、ホール素子３２Ａ又はホール素子３２Ｂのマイナ
ス側端子と反転増幅回路２８Ａ又は反転増幅回路２８Ｂ
の反転入力端子との間の合成抵抗をＲｔとすると、 Ｖｏ　＝　　（Ｒｔ　／Ｒｚ　）　　・ＶＩのように反
転増幅される。

即ち、前記ホール素子３２Ａは、ダッチコーン２が土中
に圧入されると、磁束密度がしだいに弱くなる方向に移
動するから、該ホール素子３２Ａのマイナス端子側から
は第４図（３）に示す電圧変化が得られ、反転増幅回路
２８Ａによって、０ＵＴＰＵＴ１から第４図（５）に示
すような出力が得られる。

一方、前記ホール素子３２Ｂはダッチコーン２が土中に
圧入されると、磁束密度がしだいに強くなる方向に移動
するから、該ホール素子３２Ｂのマイナス端子側からは
第４図（２）に示す電圧変化が得られ、反転増幅回路２
８Ｂによって、０ＵＴＰＵＴ２から第４図（４）に示す
ような出力が得られる。

この第４図（４）、　　（５）に示す出力は、第５図に
詳細に示されている。

この第５図は、一定の条件下で実験を行なったときの実
験データであり、縦軸に出力電圧横軸にホール素子の移
動距離を示している。

なお、第４図に示す４０Ａ、４０Ｂは、オフセット電圧
を補正するゼロ調整を行うためのオフセット回路を示す
。

以上のようにして、反転増幅された出力電圧は、次に差
動増幅回路４２で差動増幅される。これを更に詳細に説
明すると、第４図に示されているように、前記反転増幅
回路２８Ａの出力は差動増幅回路４２の非反転入力端子
に、また反転増幅回路２８Ｂの出力は差動増幅回路４２
の反転入力端子に、それぞれ接続されている。

この差動増幅回路４２は、非反転入力端子に加えられる
入力端子をｖ７、反転入力端子に加えられる入力端子を
■２、出力電圧を■。とすると、■。＝　（Ｒ３／Ｒ，
）　　・　（ＶＩ　　　ＶＩ）となるように、入力端子
の差を正確に増幅する増幅回路である。したがって、０
ＵＴＰＵＴ３にはＲ，／Ｒ，・　（ＯＵＴＰＵＴＩ−Ｏ
ＵＴＰＵＴ２）となる出力電圧が得られる。

このＯＵＴ　Ｐ　ＵＴ　３の出力は第６図の実験データ
（実験ではＲ３／Ｒ，＝１０となるようにＲ１とＲ４の
抵抗を決め、出力電圧が１０倍になるように構成されて
いる）に示してあり、この図から明らかなように、例え
ば直線部（変位置）　　１．２１ｍに対して０Ｐ＝３Ｖ
　（±１．５Ｖ）の出力が得られ、２．５ｍｖ／μｍと
微少変形に対して十分な出力特性を得ることができる。

即ち、ホール素子というセンサを２つ使用し、この各ホ
ール素子で得られた出力電圧を差動させることによって
、センサの分解能が上げられ、センサの直線性が拡大さ
れ、測定範囲が広がったということが理解できる。一方
、温度特性についても素子単体で−０，０６％／Ｃ’　
　（Ｉｃ＝６ｍＡ、ＩＫＧ時）とかなり良い特性である
が、二組のホール素子を差動させたことから、理論的に
は温度変化分をキャンセルできるので、さらに温度特性
を向上させることができる。

なお、上記実施例において、精密度をそれほど必要とし
ない場合には特に位相差を９０°としなくても良い。

また、前記ホール素子３２Ａ、３２Ｂで得られた出力電
圧も第４図に示した電気回路と同様な回路で処理するこ
とによって、測定範囲の広いコーンの周面摩擦抵抗を測
定することができる。

以上のようにこの第１実施例によると１．十分な精度と
測定レンジの広い直線性が得られることが明らかとなっ
た。

変形部材の変形量を塑性ひずみが生しない範囲で十分に
大きくするには、材質としては磁気を応用するため非鉄
金属である必要があることからアルミ類、燐青銅、ステ
ンレス等が考えられ、また変形量を大きくする方法とし
ては変形部材に溝を切り込む方法等がある。

次に、本発明の第２実施例を第７図に基づいて説明する
。

第７図は、第２実施例に関するダンチコーンの部分断面
図である。第１実施例と相違する点は図に示すようにマ
グネット５１Ｂを１つにし、一方のホール素子支持材１
４に２つのホール素子５２Ａ、５３Ａを装備した点にあ
る。

このようにしても前述した第１実施例と略同−の作用効
果を有するほか、磁石５０Ｂを１個としたことから、２
個の磁石の場合の経済的変化によるホール素子の出力差
という不都合を防止することができるという利点がある
。

なお、上記各実施例においては、貫入抵抗検出手段と周
面摩擦検出手段の両方を装備した場合の試験機を例示し
たが、いづれか一方のみを装備した試験機であってもよ
い。又、外形寸法については必ずしも３６朋φに限定す
るものではない。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によると、ロッド支持部と、この
ロッド支持部に印加される静圧力を先端コーンへ伝達す
る圧縮部材とを有し、前記先端コーン部分から測定地盤
へ全体的に貫入して当該地盤の表面および内部の貫入抵
抗を測定する構造のコーン貫入試験機において、前記圧
縮部材を、加圧変形部と固定本体部とにより形成すると
ともに、当該固定本体部と前記ロッド支持部との係合部
分に貫入抵抗検出手段を装備し、前記貫入抵抗検出手段
を磁石と磁気感応素子とを備えた構成とするとともに、
前記ロッド支持部と前期圧縮部材の固定本体部との係合
部分の内、一方に磁石を固着し、これに対応する他方に
磁気感応素子を固着するという構成を採用したことから
、小型化が可能となり、しかも歪ゲージの微少変位を対
象としたものとは異なり、具体的な大きさの変位量を比
較的広範囲のものであっても効果的に検出し得ることか
ら測定レンジを拡大することができ、更に特許請求の範
囲第３項記載の如く構成すると測定レンジの大幅な拡大
および温度特性の改善を図り得るという従来にない優れ
たコーン貫入試験機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例におけるコーン本体部分を
示す断面図、第２図は第１図の一部をなす貫入抵抗検出
手段部分を示す拡大部分断面図、第３図はホール素子の
設置位置を説明するための説明図、第４図はホール素子
で得られた電圧を差動増幅するための電気的構成図、第
５図及び第６図は第４図を説明するための説明図、第７
図は本発明の第２実施例を示す拡大部分断面図である。 ■−・−・−・・ロッド支持部、３−・先端コーン、４
−−圧縮部材、４　Ｂ−−−−一加圧変形部、４　Ｃ−
−−−−固定本体部、３０−・−貫入抵抗検出手段、３
１Ａ。 ３１Ｂ、　　５１Ｂ−−−−一磁石、３２Ａ、３２Ｂ、
５２Ａ、５３Ａ−一・−磁気感応素子としてのホール素
子、４２−・−・差動増幅器としての差動増幅回路。 第１図 第２図 第３図 第６図 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）、ロッド支持部と、このロッド支持部に印加され
   る静圧力を先端コーンへ伝達する圧縮部材とを有し、前
   記先端コーン部分から測定地盤へ全体的に貫入して当該
   地盤の表面および内部の貫入抵抗を測定する構造のコー
   ン貫入試験機において、前記圧縮部材を、加圧変形部と
   固定本体部とにより形成するとともに、当該固定本体部
   と前記ロッド支持部との係合部分に貫入抵抗検出手段を
   装備し、 前記貫入抵抗検出手段を磁石と磁気感応素子とを備えた
   構成とするとともに、前記ロッド支持部と前記圧縮部材
   の固定本体部との係合部分の内、一方に磁石を固着し、
   これに対応する他方に前記磁気感応素子を固着したこと
   を特徴とするコーン貫入試験機。
2. （２）、前記磁気感応素子をホール素子としたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のコーン貫入試験機
   。
3. （３）、ロッド支持部と、このロッド支持部に印加され
   る静圧力を先端コーンへ伝達する圧縮部材とを有し、前
   記先端コーン部分から測定地盤へ全体的に貫入して当該
   地盤の表面および内部の貫入抵抗を測定する構造のコー
   ン貫入試験機において、前記圧縮部材を、加圧変形部と
   固定本体部とにより形成するとともに、当該固定本体部
   と前記ロッド支持部との係合部分の二箇所に貫入抵抗検
   出手段を装備し、 前記各貫入抵抗検出手段を磁石と磁気感応素子とを備え
   た構成とするとともに、前記ロッド支持部と前記圧縮部
   材の固定本体部との係合部分の内、一方に磁石を固着し
   、これに対応する他方に磁気感応素子を固着し、 前記二箇所に装備した貫入抵抗検出手段の内の一方は正
   信号を又他方は負信号を出力するとともに、これら各信
   号を差動増幅する増幅器を設けたことを特徴とするコー
   ン貫入試験器。