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技術 杭打設管理システム

出願人 調和工業株式会社日本製鉄株式会社
発明者 加藤努高橋洋敬鈴木勇吉北村卓也森安俊介久保田一男武野正和
出願日 2017年6月27日 (3年0ヶ月経過) 出願番号 2017-124842
公開日 2019年1月17日 (1年5ヶ月経過) 公開番号 2019-007260
状態 特許登録済
技術分野 測量一般 杭、矢板の設置・撤去及びそれらの付属品
主要キーワード 動周面 騒音規制値 消費出力 油圧式モータ 周波数計測装置 電動式モータ ウォータージェット装置 簡易式
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図面 (7)

課題

打設中のバイブロハンマ振動振幅及び/又は周波数を連続的に又は随時計測可能としリアルタイムで的確な打設管理を行う。

解決手段

バイブロハンマ1による杭の打設を管理するための杭打設管理システムにおいて、打設中のバイブロハンマ1の振動の振幅を連続的に又は随時計測可能な振幅計測装置と、打設中のバイブロハンマ1の振動の周波数を連続的に又は随時計測可能な周波数計測装置と、を有し、杭2の打設中に前記振幅計測装置及び前記周波数計測装置により計測された振幅及び周波数に基づいて杭2の打設管理を行う。

概要

背景

バイブロハンマによる杭打設工法では、打設前に予め杭を打ち込む地点土質調査を行い、土層深度方向の各層毎の地盤条件を基に杭の設計支持力を算出している。また、杭の打設中には、杭の深度管理及び支持力管理が行われている。打設中の管理システムとしては、レーザー変位計を利用したもの(特許文献1)やトータルステーション(特許文献2)を利用したものが知られている。貫入深度及び貫入速度変位速度)と、電動式モータ油圧式モータ消費出力とを計測し、これらに基づいて杭の支持力を算出し、打止め時点を判定する。さらに、ジェット併用バイブロハンマ工法では、ジェット噴射の停止並びに流動性固化材噴射の開始及び停止の時点を判定する。

杭の打設前及び打設中の双方において、杭の支持力の算出には、動的支持力管理式(詳細は後述)が用いられている。動的支持力管理式は、杭の支持力を複数のパラメータを基に算出する式である。複数のパラメータとして、消費出力、杭の貫入速度(変位速度)、地盤N値杭長等を含む。

杭の打設前における支持力算出では、各パラメータの数値は、予め計測した地盤データの数値や設計値としての定数が用いられる。その場合、振幅は、バイブロハンマの偏心モーメントとバイブロハンマ及び杭の総質量の各定数を用いて計算され、周波数は規定振動数値に基づく目安値が用いられる。

杭の打設中における支持力算出では、杭の貫入速度(貫入深度の時間軸計測値から算出)とモータの消費出力については、打設の進行に合わせて連続的に又は必要な時点で計測した計測値を用いることができる。

概要

打設中のバイブロハンマの振動の振幅及び/又は周波数を連続的に又は随時計測可能としリアルタイムで的確な杭の打設管理を行う。バイブロハンマ1による杭の打設を管理するための杭打設管理システムにおいて、打設中のバイブロハンマ1の振動の振幅を連続的に又は随時計測可能な振幅計測装置と、打設中のバイブロハンマ1の振動の周波数を連続的に又は随時計測可能な周波数計測装置と、を有し、杭2の打設中に前記振幅計測装置及び前記周波数計測装置により計測された振幅及び周波数に基づいて杭2の打設管理を行う。

目的

本発明は、バイブロハンマによる杭打設管理システムにおいて、打設中のバイブロハンマの振動の振幅及び/又は周波数を連続的に又は必要に応じて随時計測可能とし、リアルタイムで的確な杭の支持力管理と打設制御(以下では、支持力管理と打設制御を打設管理と総称する)を行うことを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

バイブロハンマによる打設を管理するための杭打設管理システムにおいて、打設中のバイブロハンマの振動振幅を連続的に又は随時計測可能な振幅計測装置と、打設中のバイブロハンマの振動の周波数を連続的に又は随時計測可能な周波数計測装置と、を有し、杭の打設中に前記振幅計測装置及び前記周波数計測装置により計測された振幅及び周波数に基づいて杭の打設管理を行うことを特徴とする杭打設管理システム。

請求項2

前記計測された振幅及び周波数に基づいて、杭の動周面抵抗力及び/又は杭の動先端抵抗力を算出し、算出された値に基づいて前記打設管理を行うことを特徴とする請求項1に記載の杭打設管理システム。

請求項3

前記計測された振幅及び周波数に基づいて、バイブロハンマの振動角速度、振動加速度起振力力積及び/又はこれらを基に導出される所定の値を算出し、算出された値に基づいて前記打設管理を行うことを特徴とする請求項1に記載の杭打設管理システム。

請求項4

前記振幅計測装置が、バイブロハンマの振動部又は杭に貼付され所定の図形が描かれた振幅計測シート(41)と、杭の打設中に前記振幅計測シート(41)の動画像撮影するべく前記杭から離れて設置されたカメラ(40)と、を有し、撮影された前記動画像における振動による前記図形のぶれの大きさに基づいて前記振幅を取得することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の杭打設管理システム。

請求項5

前記カメラ(40)が、杭の打設中に前記振幅計測シート(41)を指向し続けるように自動追尾装置(43)に固定されていることを特徴とする請求項4に記載の杭打設管理システム。

請求項6

前記周波数計測装置が、前記杭から離れて設置された騒音計(50)を有し、前記騒音計(50)により取得された音波波形FFT解析することにより前記周波数を取得することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の杭打設管理システム。

請求項7

前記騒音計(50)が、杭の打設中にバイブロハンマを指向し続けるように自動追尾装置(53)に固定されていることを特徴とする請求項6に記載の杭打設管理システム。

請求項8

前記周波数計測装置が、前記杭の近傍の地表に設置された地盤振動計であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の杭打設管理システム。

請求項9

打設中の杭の貫入深度を計測するべくバイブロハンマの非振動部に取付けられたプリズム(31)と、前記プリズム(31)をターゲットとする自動追尾式トータルステーション(30)と、をさらに有し、杭の打設中に前記トータルステーション(30)により計測された貫入深度に基づいて前記打設管理を行うことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の杭打設管理システム。

請求項10

ジェット併用バイブロハンマ工法に適用される場合、ウォータージェット及び/又は流動性固化材噴射の開始と終了の時点、流動性固化材の噴射の総量及び各貫入深度における噴射量を制御することにより前記打設管理を行うことを特徴とする請求項9に記載の杭打設管理システム。

請求項11

杭の打設中に前記振幅、前記周波数及び前記貫入深度が同期して計測されることを特徴とする請求項9又は10に記載の杭打設管理システム。

請求項12

打設中のバイブロハンマの消費出力を計測する消費出力計測装置をさらに有し、杭の打設中に前記振幅、前記周波数及び前記消費出力が同期して計測されることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の杭打設管理システム。

請求項13

バイブロハンマが偏心モーメント可変及び/又は振動数可変である場合、バイブロハンマの偏心モーメント及び/又は振動数を変更することにより前記打設管理を行うことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の杭打設管理システム。

請求項14

前記振幅計測装置が、バイブロハンマの振動部又は杭に貼付され所定の図形が描かれた振幅計測シート(41)と、杭の打設中に前記振幅計測シート(41)の動画像を撮影するべく前記杭から離れて設置されたカメラ(40)と、を有するとともに、撮影された前記動画像における振動による前記図形のぶれの大きさに基づいて前記振幅を取得し、前記周波数計測装置が、前記杭から離れて設置された騒音計(50)を有するとともに、前記騒音計(50)により取得された音波波形をFFT解析することにより前記周波数を取得し、さらに、打設中の杭の貫入深度を計測するべくバイブロハンマの非振動部に取付けられたプリズム(31)と、前記プリズム(31)をターゲットとする自動追尾式のトータルステーションと、を有するとともに、杭の打設中に前記トータルステーションにより計測された貫入深度に基づいて前記打設管理を行い、かつ、前記カメラ(40)及び前記騒音計(50)が、前記トータルステーションに固定されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の杭打設管理システム。

請求項15

前記騒音計(50)により計測された騒音値が、所定の騒音規制値を超える場合には、バイブロハンマの振幅及び/又は振動数を変更することにより振動エネルギーを調整して騒音を抑制することを特徴とする請求項6、7又は14に記載の杭打設管理システム。

請求項16

前記地盤振動計により計測された地盤振動の周波数及び/又は振幅により算出された地盤振動の大きさが、所定の振動規制値を超える場合には、バイブロハンマの振幅及び/又は振動数を変更することにより振動エネルギーを調整して地盤振動を抑制することを特徴とする請求項8に記載の杭打設管理システム。

技術分野

0001

本発明は、バイブロハンマによる打設中に得た計測データを基にリアルタイムで杭の支持力管理等の打設管理を行う杭打設管理システムに関する。

背景技術

0002

バイブロハンマによる杭打設工法では、杭の打設前に予め杭を打ち込む地点土質調査を行い、土層深度方向の各層毎の地盤条件を基に杭の設計支持力を算出している。また、杭の打設中には、杭の深度管理及び支持力管理が行われている。打設中の管理システムとしては、レーザー変位計を利用したもの(特許文献1)やトータルステーション(特許文献2)を利用したものが知られている。貫入深度及び貫入速度変位速度)と、電動式モータ油圧式モータ消費出力とを計測し、これらに基づいて杭の支持力を算出し、打止め時点を判定する。さらに、ジェット併用バイブロハンマ工法では、ジェット噴射の停止並びに流動性固化材噴射の開始及び停止の時点を判定する。

0003

杭の打設前及び打設中の双方において、杭の支持力の算出には、動的支持力管理式(詳細は後述)が用いられている。動的支持力管理式は、杭の支持力を複数のパラメータを基に算出する式である。複数のパラメータとして、消費出力、杭の貫入速度(変位速度)、地盤N値杭長等を含む。

0004

杭の打設前における支持力算出では、各パラメータの数値は、予め計測した地盤データの数値や設計値としての定数が用いられる。その場合、振幅は、バイブロハンマの偏心モーメントとバイブロハンマ及び杭の総質量の各定数を用いて計算され、周波数は規定振動数値に基づく目安値が用いられる。

0005

杭の打設中における支持力算出では、杭の貫入速度(貫入深度の時間軸計測値から算出)とモータの消費出力については、打設の進行に合わせて連続的に又は必要な時点で計測した計測値を用いることができる。

先行技術

0006

特開2004−270157号公報
特開2011−202450号公報

発明が解決しようとする課題

0007

しかしながら、バイブロハンマの(すなわち杭の)振動の振幅と周波数については、それらを貫入深度及び消費出力と同時に任意の時点で計測することは困難であった。一般的にはバイブロハンマに加速度センサを取り付けて計測するが、加速度センサ及びその信号線が振動によって損傷し易いという問題がある。その他の計測法としては、振動部分に貼着した紙に鉛筆で線を引いて振幅を計測したり、同調振動計により作業者の手を介在させて振動数を計測したりするマニュアル的な方法のみが行われている。これらの方法の場合、バイブロハンマと杭の近傍でなければ計測データを得られず、杭から離れた箇所に設置した制御装置にリアルタイムで計測データを送ることは困難である。

0008

このような現状から、従来、杭の打設中の支持力管理については、打設前に算出したものをそのまま用いるか、あるいは、打設中に改めて支持力を算出する場合にも振幅と周波数については打設前の支持力算出と同じく設計値を用いて行っていた。打設中にリアルタイムで支持力管理を行うと謳っているシステムでも、実際にリアルタイムで計測しているパラメータは、貫入深度と消費出力のみである。

0009

従って、従来の打設中の支持力算出においては、貫入深度及び消費出力の計測値に同期した振幅及び周波数の計測値を用いることはできなかった。また、打設中にバイブロハンマの振動エネルギー不足した場合に、振動エネルギーを直ちにかつ的確に回復させるべくバイブロハンマを制御するような打設制御も不可能であった。

0010

同様に、振幅及び/又は周波数を用いて算出される打設中の振動加速度起振力力積動周面抵抗力、動先端抵抗力、偏心モーメントについても、従来は、貫入深度及び消費出力の計測値に同期した振幅及び/又は周波数の計測値を用いることはできなかった。

0011

上記の現状に鑑み、本発明は、バイブロハンマによる杭打設管理システムにおいて、打設中のバイブロハンマの振動の振幅及び/又は周波数を連続的に又は必要に応じて随時計測可能とし、リアルタイムで的確な杭の支持力管理と打設制御(以下では、支持力管理と打設制御を打設管理と総称する)を行うことを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

上記の目的を達成するために、本発明は、以下の構成を提供する。括弧内の数字は、後述する図面の符号であり、参考のために付する。

0013

・ 本発明の態様は、バイブロハンマによる杭の打設を管理するための杭打設管理システムにおいて、
打設中のバイブロハンマの振動の振幅を連続的に又は随時計測可能な振幅計測装置と、
打設中のバイブロハンマの振動の周波数を連続的に又は随時計測可能な周波数計測装置と、を有し、
杭の打設中に前記振幅計測装置及び前記周波数計測装置により計測された振幅及び周波数に基づいて杭の打設管理を行うことを特徴とする。
・ 上記態様において、前記計測された振幅及び周波数に基づいて、杭の動周面抵抗力及び/又は杭の動先端抵抗力を算出し、算出された値に基づいて前記打設管理を行うことを特徴とする。
・ 上記態様において、前記計測された振幅及び周波数に基づいて、バイブロハンマの振動角速度、振動加速度、起振力、力積及び/又はこれらを基に導出される所定の値を算出し、算出された値に基づいて前記打設管理を行うことを特徴とする。
・ 上記態様において、前記振幅計測装置が、バイブロハンマの振動部又は杭に貼付され所定の図形が描かれた振幅計測シート(41)と、杭の打設中に前記振幅計測シート(41)の動画像撮影するべく前記杭から離れて設置されたカメラ(40)と、を有し、
撮影された前記動画像における振動による前記図形のぶれの大きさに基づいて前記振幅を取得することを特徴とする。
・ 上記態様において、前記カメラ(40)が、杭の打設中に前記振幅計測シート(41)を指向し続けるように自動追尾装置(43)に固定されていることを特徴とする。
・ 上記態様において、前記周波数計測装置が、前記杭から離れて設置された騒音計(50)を有し、
前記騒音計(50)により取得された音波波形FFT解析することにより前記周波数を取得することを特徴とする。
・ 上記態様において、前記騒音計(50)が、杭の打設中にバイブロハンマを指向し続けるように自動追尾装置(53)に固定されていることを特徴とする。
・ 上記態様において、前記周波数計測装置が、前記杭の近傍の地表に設置された地盤振動計であることを特徴とする。
・ 上記態様において、打設中の杭の貫入深度を計測するべくバイブロハンマの非振動部に取付けられたプリズム(31)と、前記プリズム(31)をターゲットとする自動追尾式のトータルステーション(30)と、をさらに有し、
杭の打設中に前記トータルステーション(30)により計測された貫入深度に基づいて前記打設管理を行うことを特徴とする。
・ 上記態様において、ジェット併用バイブロハンマ工法に適用される場合、ウォータージェット及び/又は流動性固化材の噴射の開始と終了の時点、流動性固化材の噴射の総量及び各貫入深度における噴射量を制御することにより前記打設管理を行うことを特徴とする。
・ 上記態様において、杭の打設中に前記振幅、前記周波数及び前記貫入深度が同期して計測されることを特徴とする。
・ 上記態様において、打設中のバイブロハンマの消費出力を計測する消費出力計測装置をさらに有し、
杭の打設中に前記振幅、前記周波数及び前記消費出力が同期して計測されることを特徴とする。
・ 上記態様において、バイブロハンマが偏心モーメント可変及び/又は振動数可変である場合、バイブロハンマの偏心モーメント及び/又は振動数を変更することにより前記打設管理を行うことを特徴とする。
・ 上記態様において、前記カメラ(40)と前記騒音計(50)が前記プリズムをターゲットとする自動追尾式のトータルステーションに固定されていることを特徴とする。
・ 上記態様において、前記騒音計(50)により計測された騒音値が、所定の騒音規制値を超える場合には、バイブロハンマの振幅及び/又は振動数を変更することにより振動エネルギーを調整して騒音を抑制することを特徴とする。
・ 上記態様において、前記地盤振動計により計測された地盤振動の周波数及び/又は振幅により算出された地盤振動の大きさが、所定の振動規制値を超える場合には、バイブロハンマの振幅及び/又は振動数を変更することにより振動エネルギーを調整して地盤振動を抑制することを特徴とする。

発明の効果

0014

本発明の杭打設管理システムによれば、杭の打設中の振動の振幅と周波数(角速度)を連続的に又は随時計測することにより、リアルタイムに的確な打設管理を行うことが可能となる。また、地盤の振動数又は振動加速度と、騒音値とを常時把握して、振動規制値及び騒音規制値を超えないようにリアルタイムに適切な打設管理を行うことが可能となる。

図面の簡単な説明

0015

図1は、杭打設管理システムをバイブロハンマ単独による杭打設工法に適用した一実施例を概略的かつ模式的に示した構成図である。
図2は、杭打設管理システムをジェット併用バイブロハンマ工法に適用した一実施例を概略的かつ模式的に示した構成図である。
図3は、杭打設管理システムをジェット併用バイブロハンマ工法に適用した別の実施例を概略的かつ模式的に示した構成図である。
図4(a)は、図1及び図2システム構成中に示した振幅計測シートの一例を示す図であり、(b)はこれを用いた計測原理を説明する図である。
図5は、本発明の杭打設管理システムによる、杭打設中データ計測及びデータ処理の流れの一例を概略的にまとめたものである。
図6は、本発明の杭打設管理システムによる、杭打設中のデータ計測及びデータ処理の流れの別の例を概略的にまとめたものである。

実施例

0016

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。本発明は、バイブロハンマによる杭の打設を管理するための杭打設管理システムに係るものである。本発明は、いずれのバイブロハンマ工法にも適用可能であり、例えば、バイブロハンマ単独による杭の打設工法又はジェット併用バイブロハンマ工法に対して好適に適用される。

0017

本発明における杭には、バイブロハンマ工法を適用されるいずれの杭も含まれ、例えば鋼管杭鋼管矢板鋼矢板H形鋼杭等である。以下では、本発明による杭打設管理システムを杭の打込みに適用した例として説明するが、杭の引抜きにも適用可能であり、「杭の打設」には杭の引抜きも含まれるものとする。また、杭の打込み及び引抜きの方向は、鉛直方向であっても鉛直に対して傾斜した方向であってもよい。

0018

図1は、杭打設管理システムをバイブロハンマ単独による杭打設工法に適用した一実施例を概略的かつ模式的に示した構成図である。

0019

バイブロハンマ1は、起振機11と、杭2を把持するチャック装置12と、起振機1を吊り下げ緩衝装置13とを有し、緩衝装置13はクレーンフック7(クレーンは図示せず)により吊り下げられる。起振機11は、動力装置60により駆動される。図示の電動式バイブロハンマの場合、動力装置60は電動式モータであり、電動式モータを駆動する電流及び電圧を計測する電流計及び電圧計61を備える。本例では、電流計及び電圧計61による計測データは、送信器62により無線送信することができる。油圧式バイブロハンマの場合は、動力装置60は油圧式モータであり、モータ圧力を計測する油圧ユニットを備える。

0020

杭2の貫入深度を計測する計測装置として、トータルステーション30が、杭2から離れた位置に設置されている。杭2とトータルステーション30の間の距離は任意であり、例えば、杭2が海域に、トータルステーション30が陸地にあってもよい。比較的近い距離の場合は、杭打設時の振動の影響がトータルステーション30に及ばないように設置する。

0021

トータルステーション30のターゲットであるプリズム31は、好適には全方位プリズムである。プリズム31は、障害物が介在しないようにバイブロハンマ1の上部の緩衝装置13に取り付けられることが好ましい。トータルステーション30は、プリズム31を
自動的に追尾する機能(自動追尾機能)とプリズム31までの直線距離仰角を測定する機能(測距・測角度機能)を有し、杭2の打設中にプリズム31を指向し続けることにより、杭2の貫入深度を計測する。時間軸において連続的又は随時計測が可能である。計測データは送信器32により無線送信することができる。

0022

さらに、バイブロハンマの振動の振幅を計測する振幅計測装置の一例として、カメラ40が、杭2から離れた位置に設置されている。杭2とカメラ40の間の距離の設定については、上述したトータルステーション30と同様である。

0023

カメラ40は、好適にはCCDカメラであり動画像を撮影可能である。カメラ40のターゲットである振幅計測シート41は、バイブロハンマ1の振動部である起振機11、チャック装置12又は杭2に貼着されている。振幅計測シート41は、バイブロハンマ1の振動の振幅を計測するためのものであり、表面に所定の図形が描かれている(詳細は図4で説明する)。カメラ40は、杭の打設中に振幅計測シート41の動画像を撮影する。撮影された動画像データは送信器42により無線送信することができる。

0024

カメラ40は、プリズム31を自動的に追尾する自動追尾装置43に固定されている。これにより、杭2の打設中にカメラ40が振幅計測シート41を指向し続けることができる。好適には、自動追尾装置43として、トータルステーション30とは別に第2のトータルステーションを利用する。その場合、トータルステーションの測距・測角度機能は使用せず、自動追尾機能のみを使用することになる。

0025

さらに、バイブロハンマの振動の周波数を計測する周波数計測装置の一例として、騒音計50が、杭2から離れた位置に設置されている。杭2と騒音計50の間の距離の設定についても、上述したトータルステーション30と同様である。加えて、バイブロハンマ以外の動力装置等の暗騒音の影響が及ばないように設定する。

0026

騒音計50は、杭2の打設中にバイブロハンマ1の発生音音波51を受信して電気信号に変換する。計測した音波波形データは送信器52により無線送信することができる。音波波形データは、その後FFT高速フーリエ変換解析されることで周波数が得られる。

0027

騒音計50は、プリズム31を自動的に追尾する自動追尾装置53に固定されている。これにより、騒音計50が杭2の打設中にバイブロハンマ1を指向し続けることができる。好適には、自動追尾装置53として、トータルステーション30及び上記第2のトータルステーションとは別に第3のトータルステーションを利用する。その場合、トータルステーションの測距・測角度機能は使用せず、自動追尾機能のみを使用することになる。

0028

周波数計測装置の別の例として、図示しないが、杭2の近傍の地表に地盤振動計を設置し、地盤振動数を計測してもよい。計測された地盤振動数は、バイブロハンマの振動の周波数と一致しており、これをバイブロハンマの振動の周波数の計測データとする。

0029

トータルステーション30、カメラ40及び騒音計50は、いずれもリアルタイムで計測値又は動画像を得ることが可能である。従って、杭2の打設中、時間軸において連続的に又は随時、計測又は撮影を行うことができる。また、これらにより得られた計測データ及び動画像データは、直ちに送信器32、42、52により無線送信することができる。

0030

制御装置8は、適宜の場所に設置されている。制御装置8は、主な機能として例えば、受信部81、演算部82、操作部83、送信部84を有する。図1では、制御装置8を一つの装置として示しているが、必要に応じて各機能(又は各機能の一部)を分離したり別の場所に配置したりしてもよい。

0031

受信部81は、トータルステーション30、カメラ40、騒音計50及び動力装置60の各送信器から無線送信される各データを受信することができる。本システムでは、データを無線送受信することが好適であるが、本発明はデータを有線送受信することを除外するものではない。制御装置8は、杭打設中、互いに同期した複数のデータ、すなわち杭の貫入深度データ、振幅計測シートの動画像データ、音波波形データ及び電流・電圧(油圧・流量)計測データを取得できる。

0032

データ処理部82は、受信部81が取得した各データの処理すなわち演算、判定、記憶等を行う。データ処理部82は、通常、パーソナルコンピュータ等のコンピュータで構成される。

0033

データ処理部82は、例えば以下のような演算を行う(詳細は図5図6で説明する)。
トータルステーション30から連続的に受信した杭の貫入深度データに基づいて、時間当たりの貫入深度の変化から貫入速度(変位速度)を算出する。
カメラ40から取得した振幅計測シート41の動画像データに基づいて、動画像における振幅計測シート41に描かれた所定の図形の振動によるぶれの大きさから振動の振幅を読み取り、取得する(詳細は図4で説明する)。
騒音計50から取得した音波波形データに対してFFT(高速フーリエ変換)解析を行うことにより、バイブロハンマの振動の周波数を取得し角速度を算出する。(なお、騒音計50からは同時に騒音値も得られる。地盤振動計から周波数を取得する場合、同時に地盤振動の振幅も得られ、地盤振動の大きさを算出できる。)
動力装置60から取得した計測データから消費出力を算出する。電動式モータの場合、電流値電圧値データから電力出力を算出する。油圧式モータの場合、油圧値流量値データから油圧出力を算出する。

0034

データ処理部82は、算出したパラメータを基に、更なる別のパラメータを算出し、それらに基づいて杭の打設状況を把握するとともに、騒音計を用いる場合は騒音状況も、地盤振動計を用いる場合は地盤振動状況も把握し、現在のバイブロハンマの駆動条件を変更すべきか否かを判定する。変更すべき場合はその変更内容を決定し、操作部83に指示を送る。

0035

操作部83は、データ処理部82による指示に基づいてバイブロハンマの駆動条件を変更する操作を行う。例えば、図1のバイブロハンマ単独の杭打設においては、データ処理部82が、計画された杭の打止め時点を判定して杭の打止め時の支持力を算出し、操作部83がバイブロハンマによる打込みを終了させるようにバイブロハンマ1の動力装置60を制御する。なお、操作部83による制御は、自動制御でもよく、作業者の手動操作による制御でもよい。また、操作部83による制御は、有線又は無線信号ラインを介して行われてもよい。

0036

本発明では、各計測データを同期して連続的に又は随時得ることができ、それらに基づいてリアルタイムに判定及び制御を行うことで、的確な杭の打設管理を行うことができる。特に、振幅と周波数を、貫入深度や消費出力と同期して計測可能とした点が有用である。従来は、特に振幅と周波数については、杭打設中に連続的に又は随時得ることが困難であったため、杭打設中も設計値を用いて演算を行っていたので、杭打設管理における正確さが不十分であった。好適にはさらに、低騒音及び低振動とする管理も行うことができる。

0037

送信部84は、例えば、クレーン等のオペレータ装置9にデータ処理部82による処理結果を無線送信する。受信部91で受信した処理結果は、表示部92に表示される。オペレータは、これにより杭打設状況をリアルタイムで知ることができる。

0038

図2は、杭打設管理システムをジェット併用バイブロハンマ工法に適用した一実施例を概略的かつ模式的に示した構成図である。図1と同じ又は類似の構成要素については、同じ符号を付している。図2については、主として図1とは異なる部分のみ説明する。

0039

ジェット併用バイブロハンマ工法では、杭2に複数の導水管21が取り付けられている。地表には、動力装置60の他に、ウォータージェットと流動性固化材を送出する装置(実際は別個の装置)70が設置されている。杭2の打設は例えば次のように行う。バイブロハンマ1を駆動するとともに導水管21の先端からウォータージェットを噴射し、杭を支持層に打ち込む。その後、ウォータージェットをセメントミルク等の流動性固化材に切替え、杭2から切り離した導水管21を引き上げながら該導水管21の先端から流動性固化材を噴射することにより、根固めと杭周面の強化を行う。別の例として、導水管21を杭から切り離さずに、所定の深度で流動性固化剤を噴射して根固めと杭周面の強化を行う場合もある。

0040

図2において、杭打設管理システムの各計測装置の構成については、図1に示した構成と同じである。ジェット併用工法においては、制御装置8における制御内容が、バイブロハンマ単独工法における制御内容にさらに追加される。

0041

制御装置8のデータ処理部82は、計測データを基に演算により取得したパラメータに基づいて、ウォータージェット及び/又は流動性固化材の噴射の開始と終了の時点、流動性固化材の噴射の総量及び各貫入深度における噴射量を判定し、それにより操作部83に指示を送る。操作部83は、指示に従ってバイブロハンマ1の動力装置60及びウォータージェット/流動性固化材の送出装置70を制御する。

0042

図3は、杭打設管理システムをジェット併用バイブロハンマ工法に適用した別の実施例を概略的かつ模式的に示した構成図である。図1及び図2と同じ又は類似の構成要素については、同じ符号を付している。

0043

図3の実施例において、図1及び図2の実施例と異なる点は、カメラ40と騒音計50が、プリズム31を追尾するトータルステーション30上に固定されている点である。固定手段は、例えば取付けフレーム留め具組合せであり任意である。一般的に、プリズム31と振幅計測シート41の各々の取付け位置は、それらからトータルステーション30までの距離に比べれば極めて近傍に位置するので、1つのトータルステーションで双方を追尾することが可能である。より正確に振幅計測シート41を指向するために、指向角度微調整できる様にカメラ40を据え付けてもよい。騒音計50については問題なく計測できる。この構成では、トータルステーション30が1つでよいので、システムを簡略化できる。

0044

図4(a)は、図1及び図2のシステム構成中に示した振幅計測シートの一例を示す図であり、(b)はこれを用いた計測原理を説明する図である。

0045

図4(a)に示すように、振幅計測シート41は、例えば紙製又は樹脂製の薄いシートであり、表面に所定の図形が描かれている。一例として、図形は、三角形41aの各辺を構成する直線と、目盛りとしての等間隔の複数の直線と、目盛りの読み取り数値を示す複数の数字とから構成されている。三角形41aの底辺が杭の打込み方向と垂直であり、高さが杭の打込み方向と平行である。

0046

図4(b)に示すように、杭の打設中、振幅計測シート41は、バイブロハンマ1と一体に振動する。三角形41aは、図1及び図2に示したカメラ40により遠方から撮影され、その動画像が計測データとして記録される。三角形41aの動画像は、振動による変位に起因して最上位置での三角形41a’と最下位置での三角形41a”が残像としてぶれて見える。ぶれの大きさは振動の振幅Aに比例しており、三角形41a’の底辺と三角形41a”の斜辺との交点Pの頂点Oからの距離と比例している。従って、交点Pの位置を読み取ることで振動の振幅Aを計測することができる。この振幅Aは実発生振幅の大きさを表し、図示された振幅Aは6.5mmを示す。

0047

従って、目盛りの数字は、その読み取り値がそのまま振幅の数値に一致するように付することが好適である。なお、目盛り及びその数字は、動画像を作業者が目で見て確認する場合は必要であるが、コンピュータに動画像を取り込んでプログラム処理によりOPの長さを読み取る場合は、振幅計測シート41の図形は、三角形41aのみ(厳密には底辺と斜辺のみ)でもよい。原理的には所定の角度をなす2本の直線があればよい。

0048

図5は、本発明の杭打設管理システムによる、杭打設中のデータ計測及びデータ処理の流れの一例を概略的にまとめたものである。図6は、特に貫入速度を求める場合の杭打設中のデータ計測及びデータ処理の流れの一例を概略的にまとめたものである。

0049

第1の計測装置は、打設中の杭の貫入深度を計測するためにプリズムとトータルステーションを有し、直接的な計測データとして杭の位置を計測する。杭の位置は、データ処理において貫入深度の計測値として用いられる。

0050

第2の計測装置は、打設中の杭(バイブロハンマ)の振幅を計測するために振幅計測シートとカメラを有し、直接的な計測データとして動画像を撮影する。上述した通り、動画像データから振幅A(単位:mm)が計測値として読み取られる。

0051

第3の計測装置は、打設中の杭(バイブロハンマ)の周波数を計測するために例えば騒音計を有し、直接的な計測データとして音波波形を計測する。上述した通り、音波波形をFFT解析することにより周波数f(単位:Hz)が計測値として得られる。

0052

第4の計測装置は、打設中の杭の消費出力を計測するものであり、図5に示す電動式モータの場合は電流計・電圧計であり直接的な計測データとして電流値・電圧値を計測する。また、図6に示す油圧式モータの場合は油圧ユニットであり直接的な計測データとしてモータ圧力P(単位:MPa)を計測する。

0053

このようにして打設中にリアルタイムで得られた計測値を用いて、制御装置のデータ処理部は、以下のような演算を行うことができる。

0054

電動式モータの場合は、電流値・電圧値から電力出力を算出する。油圧式モータの場合は、油圧値・流量値から油圧出力を算出する。これにより消費出力Pw(単位:kW)を算出する。

0055

杭の打設中の振幅と周波数の計測値が得られれば、以下の各パラメータを算出できる。

0056

・式1による角速度ω(単位:sec−1)の算出
ω=2πf (式1)
打設中にバイブロハンマの周波数を計測することによって、バイブロハンマが振動数可変である場合、バイブロハンマの振動数を変更することにより、打設管理を行うことができる。

0057

・式2による図5の変位速度Vv(単位:m/sec)の算出、図6の貫入速度V(単位:m/sec)の算出
Vv=2・A・f×10−3 (式2)
杭の貫入速度Vは、通常最終根入れ時10mm/sec以下となることを目安とし、1〜10cmの貫入に要する時間を計測して算定する。

0058

・式3による振動加速度a(単位:m/sec2)の算出
a=A・ω2×10−3 (式3)

0059

・式4による振動加速度ηG(重力加速度倍数)の算出
ηG=a/G (式4)
G:重力加速度(9.8m/sec2)

0060

・式5による起振力Po(単位:N)の算出
Po=A・(Wv+Wp)・ω2×10−3 (式5)
Wv(単位:kg):バイブロハンマ(非振動部除く)の振動質量
Wp(単位:kg):杭の質量

0061

・式6による力積I(単位:kg・sec)の算出
I=A・(Wv+Wp)・ω/G×10−3 (式6)

0062

・式7による偏心モーメントK(単位:kg・m)の算出
K=A・(Wv+Wp)×10−3 (式7)
打設中にバイブロハンマの偏心モーメントを計測することによって、バイブロハンマが偏心モーメント可変である場合、バイブロハンマの偏心モーメントを変更することにより、打設管理を行うことができる。

0063

・式8による杭の極限支持力R(単位:kN)の算出
上記で算出された変位速度Vvと消費出力Pw(単位:kW)から、動的支持力管理式である式8により杭の極限支持力Rを算出できる。
R=α・Pw/Vv+N・U・L/ef (式8)
α:先端抵抗に係る補正係数
N:杭周面地盤の平均N値
U(単位:m):杭の周長
L(単位:m):地中に打込まれた杭の長さ
ef:周面抵抗に係る補正係数

0064

・式9による動的極限支持力Ru(単位:kN)の算出
バイブロハンマの場合、式8の他にも簡易式として式9等がある。上記で算出された貫入速度Vと消費出力Pwから、式9により動的極限支持力Ru(単位:kN)を算出できる(一例として、油圧式可変超高周波バイブロハンマSR−45型調和工業株式会社製)の場合)。
Ru=10.2・Pw/(αV+M) (式9)
Pw=P×δ
V:杭の貫入速度(cm/sec)
α:速度ロス係数
M:機械能力係数
P:モータ圧力(MPa)
δ:圧力変換係数

0065

打設中の計測値である変位速度Vv又は貫入速度Vと消費出力Pwとを用いて杭の極限支持力R又はRuを算出することにより、正確な値が得られる。

0066

さらに式8の第1項は、振動時の動的先端抵抗力を表している。動的先端抵抗力は、杭先端地盤の抵抗力と、杭周辺地盤粘着力及び摩擦力とを合わせた土の全抵抗力として扱われ、これを振動力により低減させることにより、杭を土中に貫入することが可能となる。動的先端抵抗力は、動周面抵抗力と動先端抵抗力を合わせた抵抗力である。

0067

・式10による動周面抵抗力Tv(単位:kN)の算出
Tv=μi・U・ΣLi・fi (式10)
μi:振動加速度による土質毎の杭の周面抵抗力低減率
μi=δi+(1−δi)e−βηG
δi:経験的な起振力による土質毎の低減係数
e:自然対数の底
β:杭の周面抵抗力低減係数
U(単位:m):鋼管杭及び鋼管矢板の場合は外周長、鋼矢板及びH形鋼杭の
場合は全周長
Li(単位:m):杭の地中への打込み長
fi(単位:kN/m2):土質毎の杭の周面抵抗力度
式10のδiにおける土質は、砂質土シルトローム粘土に分けられ、それぞれ常数が定められている。βにおける杭は、木杭コンクリート杭鋼杭(鋼管杭等)に分けられ、それぞれ常数が定められている。

0068

式10中、ηGは式4で算出した動力加速度の倍数であり、すなわちη・G=a/9.8である。よって、式3の振動加速度aを用いることにより、打設中の計測値に基づいてTvを算出することができる。

0069

杭を貫入するためには、動周面抵抗力が起振力より小さくなければならない。動周面抵抗力の方が大きくなると杭を貫入できなくなる。その場合、例えば起振力を大きくするために、振幅を大きくするように制御を行う。

0070

・式11による動先端抵抗力Rv(単位:kN)の算出
Rv=ev・λi・At (式11)
ev:バイブロハンマの力積による先端抵抗低減率
ev=e−α√I
α:杭の先端抵抗力低減係数
λi(単位:kN/m2):土質毎の杭の先端抵抗力度
λi=σi・Nmax
σi:土質毎の杭の先端抵抗係数
Nmax:土質毎の最大N値
At(単位:m2):杭の先端純断面積
式11のαにおける杭は、木杭、コンクリート杭、鋼杭(鋼管杭等)に分けられ、それぞれ常数が定められている。

0071

式11中、Iは力積である。よって式6の力積Iを用いることにより、打設中の計測値に基づいてRvを算出することができる。

0072

杭を貫入するためには、動先端抵抗力がWfより小さくなければならない。Wf(単位:N)は、バイブロハンマ全装備質量と杭質量の和を力に換算した値である。動先端抵抗力の方が大きくなると杭を貫入できなくなる。その場合、例えば力積を大きくするために、微調整しつつ周波数を大きくする等の制御を行う。

0073

・その他
騒音計により計測された騒音値が、所定の騒音規制値(例えば敷地境界線において騒音値の規制値85dB)を超える場合には、振幅又は振動数を調整することにより、振動エネルギーを調整して騒音を抑制する。

0074

また、地盤振動計により計測された地盤振動の周波数及び/又は振幅により算出された地盤振動の大きさが、所定の振動規制値(例えば敷地境界線において地盤振動の規制値75dB)を超える場合には、振幅及び/又は振動数を変更することにより振動エネルギーを調整して地盤振動を抑制する。

0075

なお、上述したデータ処理及び打設管理は一例であり、打設中の振幅と周波数(角速度)を連続的に又は随時計測することにより、リアルタイムに的確な打設管理を行うことが可能となる。

0076

1バイブロハンマ
11起振機
12チャック装置
13緩衝装置
2杭
21導水管
7クレーンフック
8制御装置
9オペレータ
30トータルステーション
31プリズム
32送信器
40カメラ
41振幅計測シート
42 送信器
43自動追尾装置
50騒音計
51音波
52 送信器
53 自動追尾装置
60動力装置
61電流計・電圧計
63 送信器
70 ウォータージェット装置

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