打込み杭の動的変位計測システムについて

長野工菜高等専門学校紀要 ･ 約1 8 号 ( 1 9 8 7 ) 1 0 5

打込 み杭 の動的変位計測 システ ムについて

服部秀人 小林清 峯村賢次 宮下 秀樹* * * *

"A System for Measuring Displacements of Driven Piles.''

Hideto HATTORI Kiyoshi KOBAYASHI Kenji MINEMURA  and Hideki MIYASHITA

I nexe c ut i onma na ge mentoff o und a t i onpi l e s ,t hebe a r i ng c a pa c i t yofadr i ven pi l ei sus ua l l y e s t i mat e dbyt hepi l edr i vi ng f or mul a,as s umi ng t ha tt l l eVa l ue sof s e t t l ementa ndr ebo undoft hepi l ear eme a s ur e dpr e c i s el y.Too bt a i nt ho s eva l ue s

var i o usme a s ur i ngme t ho dsa r eus ed .Onei st ol l S et her e c or di ngpape rs t uckont he s ur f a c e oft hepi l eand mar k

,a ndt heot he ri st ous ei ns t r ume nt ss uc h asan e l e ct r o･ Opt i c a ldi s pl a c eme ntme t e rorahi gh‑ s pe e dc ame r a.

Ho we ver ,t he me t ho ds me nt i oned a bo vei nvol ve s ever alpr obl e msi nt er msof s a f e t y,r e l i a bi l i t y,wor ka bi l i t yoroper a t i ona bi l i t y.So,t heaut ho r sde vi s e das ys t e m t hatdi s pl a yspi l edi s pl a c e me nti nt hef or m ofwave ss i mul t a ne o us l ywi t h t hepr o･

gr e s soft hewor kbyi nt e gr at i nga c c e l er a t i o nt hr o ugha na l ogueci r c ui t s .

Ⅰ n t hi sr e por t ,an o ut l i neoft hi sme a s ur l ng S ys t em a ndanexa mpl eme a s ur e･

ment satt hej o bs i t ea r ede s cr i bed.

1 . は じ め に

基礎杭の施工において,坑の打止め管理を行 う場合,我が国では,杭の貫入量 とリバ ウン ド 量を計測 して支持力を推定する方法が一般に用い られている･支持力推定式 の妥当性は種々 検討 されてお り(1)〜(5),計算式 自体の信析性は高い と言える(6).しか し, それには大 きな前提 がある.す なわち,杭の質入量 とリバ ウン ド量が正 しく得 られているとい うことであ る∴ こ れ ら諸星の計測には,従来,杭 に貼付 した記録紙に入閣が直接印を付ける方法･光学式計測 法お よび高速度 カメラによる方法等が用い られているが,後述のごとく,種々問題があって, 貫入孟および リバ ウソ ド量の計測技術の実用性 と信析性の向上が重要な課題 となっているの である.

* 土木工学科 助教授 榊 土木工学科 技官 榊* 電気工学科 技官

***

( 抹)守谷商会 技術研究所主任

原稿受付 昭和62 年

月30 日 .

106 服部秀人 ･小林 清 ･峯村貿次 ･宮下秀樹

筆者 らは,杭頭に取付けた加速度計 より得 られ る加速度波形を,アナグロ積分回路を用い て積分 し, リアルタイムに杭頭変位を計測す るシステムを考案 した.そして,本 システムの 実用上の問題点を調べるために現場計測を実施 したので, ここにその結果を報告する.

2.

杭の打止 め管理の概要

2‑1杭の勤的支持力算定について(6)

杭 の貫入量, リノくウソ ド畳などを用いて動的支持力を算定す る方法は,施工現場で広 く採 用 されている. この算定には,‑ソマ‑に よる打撃エネルギーと打込仕事 とのつ り合い条件 に基づ く

,

とがある.後者の波動理論に基づ く方法が現象を より良 く説明できると言われている.

現在実用に供 されている波動理論に基づ く解析法には次のようなものがある.

(

②

③ 道路橋示方書式

Smi thは,‑ソマ‑と杭をバネ と質点に置換 して杭の動的な挙動を求める解析法を提案 し た. しか し, この数値解析法は,杭体の応力を検討す るには適当であ るが,杭 の支持力を知 るためには不便であると言われている.杭頭の力 と速度を境界値 とした Gobleらの Case Methodは,キャップ, クッション等の動的性質など杭頭における境界条件を明確にするこ

とが困難であることか ら,算出される支持力は信頼性の低いものになる恐れがある.

道路橋示方書式は,杭頭の変化 (リバ ウソ ド測定量)を境界値 とした実用式である.杭頭 で実測 した応力波形 と高速 カメラによる変位波形をもとに波動方程式を解いて,式(

1 )

Rd AE(S+K.+2K｡)

2e.I +̲

凹 e

右辺第

1

, e｡ ,e

S

K. ,K

2‑2変位計測の信頼性向上の必要性

式

( 1 )

また,杭の打止め管理のための変位計測は,現場で必ず行われる実物大の動的貫入試験 と

打込み杭の動的変位計測システムについて

1 0 7

3.

リバウン ド計測 システム

杭 の動的支持力を算定す るためのデータ計測には,①ひずみ と加速度を計測す る方法 と,

②変位を直接測定す る方法 とがある.ひずみや加速度の代 りに, これ らの積分値である変位 を直接測定すれば,一般に精度が高い と言われている(5). しか し,変位を直接測定す ること は不動点 の確保,作業 の簡便性あるいは現象の高速性 などに よる技術的な問題が多 い.

3‑2変位計測例

近藤 らは光学式変位計に よるシステムを開発 した(7).杭 に姑付 した ターゲ ッ トの明暗を光 学的に捉 えるものである.宇郡 らは高速度 カメラを用 いて杭頭変位を計測 している(1)〜(5).打 込み時の振動を避け るために,杭か ら

30m程度離れて不動点を確保 しなければな らない とい

3‑3加速 度のアナ ログ積分による変位計測

筆者 らは,以上 の諸手法 の問題点を補 うために,杭頭の加速度波形をアナ ログ的に積分処 理を行ない, リアルタイムに変位を計測す る手法を考案 した. システムを図

1

図 1

加速度計を杭 に取付け るだけで,後は適 当に離れた場所 で変位波形が読み取れ るので,安 全かつ迅速に計測作業を進め ることができる.

4.

アナ ログ積分器

各部 の電流は

h‑(Ⅴ,‑Ⅴ)/R｡

Il‑C

l

d

t

基 本 回 路

108

服部秀人 ･小林 清 ･峯村賢次 ･宮下秀樹

と表わ され る.上式 よ り,

･‑vo‑÷ SILdt

‑忘

となる.Ⅴほイマジナル シ ョー トによ りV‑0 であ り,結局 出力電圧 Ⅴ｡は,

Ⅵ ‑一定 恒

とな り,入力電圧V'を積分 した値に比例す る.

実用 の積分器回路を図3に示す. この回路では コソデ ソサ CEに抵抗 REに よる負帰還を 併用 して動作点を安定化 し,オ フセ ッ ト補償を している. また各部 のコソデ ソサおよび抵抗 等 の素子値 の選択に よ り,回路の発振防止を行い, また増幅度,使用周波数範囲等を適切な 値 に選定 している.

Ill(1川)

図 3 積 分

器 回 路

るが, ここでは, ミラー輯分器を2段 カ スケー ドに接続 し,抗体に取付け られた 加速度計の出力を積分 回路への入力 とし て印加 し

, 1

+ 1 0

(dB†o)

∫

4

I J O

ほゞ 14‑300Hzの帯域で右下が りの こ う配 (‑20dB/dc)を有す る直線性を示

止 一

l

1

⁰

^{l 2}

図 4

す.2段にカスケー ド接続 した場合で も, ほゞ 15‑150Hzの帯域で直線性が得 られた. こ の ‑20dB/dcのこ う配が積分要素のゲイ ン特性を示 している.

抗体 の動的な主要動 の周波数は約100Hz前後であ り,本回路は測定範囲を満足 している.

5.

現 場 計 測

本 システムの実用試験を試みたのは,長野県上水内郡豊野町 の浅川排水秩場建設現場であ

打込み杭 の動 的変位

計

る. 同排 水機 場建 設 に伴 い,約

本の誠礎 杭が打 たれ.それ らの一 部 に実 用試 験 を実 施 した.木

捌 i, 千 仙川 の 氾 ^{樫 原 に化 l l T.し,} 図 5 に 示 す よ うな土質 性状 の地場 で あ る.

使 用 した杭 は

帆 杭 打 ち機

山r t

級) デ ィーゼル ‑ ソマ ーで あ る･

5‑2計 測

方 法

図 6

に セ ソサ ー 収イ 1 日喝を示 す . 杭 所 か ら 2 mの l t ' L ̲ I r

,2 脚 の

w速 皮 計

収大

伸 のひずみ ゲー ジを取 付 け , 加速 度披 形 と応 力故 形を 伺

I H 川

計 測 した. 計測 した杭 の

を図 7 に示 す .木研 兜 で試 作 した 加 速度 計取付 治具 を図 8 に示 す .

≠400100

∩=23本

Ac‑683.7cm2 Ec=LI.0×105kg/cm2 As‑ 4.0cm2 E‑4.09×105kg/cm2 Es‑2.0×108kg/cm2

図

̲加進取計

標

高 土 質 土 質

名

早 称

〜I.Bl

lと7.91 シんト2²91I¹¹L5^{l8348 54E55L}

)26.,A 招砂

)〜4.9

. t t . ●

J b . . L

図

5土 質 柱 ^材国

出gJ州A

｣20｣図8^{加速度計取付}

^{治 具}

110

服部秀人 ･小林 約

糾 寸野次 ･ ' l r : ･ ; 下

慣性 力 を小 さ くす るため怪丑 の アル ミニ ウム令47 . を用 いた.加 辿

計をはめ込 んだ加速度 計 治具を ガムテ ープで杭 表面 に密茄 させ た･ひ ず: : J A〆‑ ジは

剤で仙付 した. 計測状況 を写 LT ･1に示す･加速度計取付位 匠が地面 よ F )

m= 〔/ Uまで打込 まれた後,‑ n‑ 人品 と リバ

ウソ ド丑 を計測す る記録紙 を杭 に

L h ' 付 し.

6.

計測結果 と考 察 6 ‑1 計 測結果

記斑紋 を杭 にJ h l

付 して こ 川 u

. 光

9 に示 す. デ ィ

ル‑ ソ ′ 一に . tる

の

rr 人 Ut :

‑ 如

J l . A . じ,

は ピ ソ/くウソ トし,紺 , J

‑

の1 ' 1 ‑ 人｣ L ; Lが生 じた よ うに記銀 され てい る.

図1 0 に計測汲形 を/ ‑ J < す.杭 の同一断面 に 榔対 して取付 けた 2 仰 の加速度 計

, b の 波形 を

変換 して,数値も1 1 7 ' 分 に よ り速 度 と変位 を求めた ものであ る. a , b の他 の差異 よ り,杭 が鉛 直方 向にのみ運動 して い るのではない こ とが分 る.

図 11は,遮断周波数 1 60 Hz の p‑パ ス フ ィル ターを通 して計測 した加速度波 形を デ ィジタル処理 した ものであ る. 図1 0

の加速度波形は 同一 の打噂 に よる ものでは ないが,図 9 に示 され る一速 の打撃 の中か

林 シス ノ .Z ､I . T .る 刑 洲 と

州 ･ にデータを採取 した.

(a)

図

計測波形 ( デ ィジタル処理)

打込み

杭の動的変l t ' / . " hl u

(a)

111

.oZJ.029 1JS^.lllILJ+7

くb)

図

計測 波形

ら得 られた ものであ る.図9の 3祝･

各打撃 ごとのTr人並 がほ ゞ一定 :W･

であ ることを考 えると,図10に 見 られ る高周波 の影響は変位 に は表われていない と見 ることが で きる.

加速度計a, bの数値群分結 果を平均 して図

1 2

1

0 .0 4 s ec

4cm

l ii

してい ると考 え られ る.

図1

3

次に,ひずみ ゲージに よる応 力波形 と加速度波形 との対応関

.^{81 .8175 ,825 .8325 .飢 (so￠)}

.61 .8175

. 肱

図1 2 平 均 値

図13 アナログ出力結

果

HlE;

服部秀人 ･小林 清 ･峯村賢次 ･宮下秀樹

0.01

s

‥･.l･̲‑ I." .

･

1 1 1 1

(

プ

(160 l lz r 以上 カ

図

係を図14に示す. フィルターで拓周波成分をカットしていない左図の加速度aの波形には, 明 らかに,ひずみ波形 と対応 しない試周波成分が表われている.図10の加速度波形a, bに も同様な高周波が見 られ る. これは,加速度計 と加速度計取付治具のTf見に基づ く慣性力に よるもの と考えられ る･両者の質量は,合わせて約60gf/gである.打鰐時における抗体の 加速度は300g程度であったので,約 18kgfのtFr性力が加速度計を姑付 したガムテープに 作用 し,高周波が発生 したものと考えられ る. しか し,図14の右図に見 られ るとお り,高周 波を除去 した主要動については,ひずみ波 と加速度波の位相が きれいに一致 してお り,加速 度計が杭 と一体 となって運動 していることが分 る. また,高周波の形轡について,図10,ll の説明の所で前述 した ようにこの高周波はほ とん ど変位波形に影響を及ぼさない.'

6‑2.計測(=よ LJ確認された成果と今後の課題 以上の考察に より,次のようなことが結論 され る.

( 1 )

( 2 )

( 3 )

また,計測方法を含めて,本 システムは次のようなことが らを改善すべ きであると考 える.

( 1 )

3 )

4

(2) 積分器に よる変位 と数値処理による変位 との比較をもとに,両者の対応性を検討する 必要がある.

7.

あ と が き

今回試みた計測 シズテムは,改善が多々必要ではあるが,アナ ログ積分に よる .)アルタイ

打込み杭の動的変位計測システムについて

11 3

られ ることは周知 の とお りである.

将来, より精度の高い,信頼性 のあるデ‑タ採取が可能 となれば,杭の周面摩擦や地盤 の バネ定数を考慮 した,支持機構の解 明が可能 となるので,今按,更に計測技術 の向上を 目指

したい と考える.

謝辞 現場計測に種 々便宜をおはか りいただいた,長野県長野地方事務所防災第一課 の尾 崎俊之主査な らびに西松 ･大本 ･守谷共同企業体 の土岐 崇所長,畔上謙治主任,込山 草 主任,(秩)守谷商会技術研究所 の柳沢洋一所長は じめ関係各位に心か ら感謝 申 し上げ ます.

また,計測方法について ご指導いただいた (秩)大林組技術研究所 の近藤次郎氏, テス トデ ータの処理でお世話になった本校電気工学科 大浮幸造先生 な らびに, 卒業研究で ご協力い ただいた (秩)名工建設 の丸山 剛氏に深 く感謝 申し上げ ます.

考 考 文 献

(I)宇部,冬木 :波動理論に基づいた杭の動的支持力算定式の提案,第14回土質工学研究発表会,1979 (2)宇部,冬木 :波動理論に基づいた杭の打止め管理式,第15回土質工学研究発表会,1980

(3)宇部,冬木 :打込み杭のリ,.'ウソド測定値の補正方法,第16回土質工学研究発表会,1981

( 4 )

(5)宇郡,冬木他 :杭打ち公式に関する技動論的考察,第18回土質工学研究発表会,1983 (6)土質工学会 :杭基礎の設計法とその解説

(7) 近藤他 :光学式変位計による打込み杭の挙動計測,大林組技術研究所報No.27,1983 (8)岩下他 :打込み杭施工管理システムの基礎研究,第21回土質工学研究発表会,1986