特開 2021-116601 土中水分計測センサ及び静電容量型水分計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-116601(P2021-116601A)

(43)【公開日】2021年8月10日

(54)【発明の名称】土中水分計測センサ及び静電容量型水分計

(51)【国際特許分類】

   E02D 17/20 20060101AFI20210712BHJP

   E02D 1/08 20060101ALI20210712BHJP

   G01N 27/22 20060101ALI20210712BHJP

【ＦＩ】

   E02D17/20 106

   E02D1/08

   G01N27/22 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2020-10720(P2020-10720)

(22)【出願日】2020年1月27日

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 令和元年７月１８日に「第５４回 地盤工学研究発表会」にて発表。令和元年１２月１６日に「ジオシンセティックス技術情報」にて発表。

(71)【出願人】

【識別番号】000201490

【氏名又は名称】前田工繊株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100082418

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 朔生

(74)【代理人】

【識別番号】100167601

【弁理士】

【氏名又は名称】大島 信之

(74)【代理人】

【識別番号】100201329

【弁理士】

【氏名又は名称】山口 真二郎

(72)【発明者】

【氏名】辻 慎一朗

(72)【発明者】

【氏名】久保 哲也

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 修二

【テーマコード（参考）】

2D043

2D044

2G060

【Ｆターム（参考）】

2D043AA07

2D043AC03

2D043BA10

2D044CA00

2D044EA07

2G060AA14

2G060AC01

2G060AF10

2G060AG03

2G060AG15

2G060CA01

2G060EA06

2G060JA03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】グリッド状の一体構造によって土工構造物の内部に平面的な検出エリアを設定可能な土中水分計測センサとこれを利用した静電容量型水分計を提供する。
【解決手段】土中水分計測センサ１は、並列配置した複数の線材１１であって、略平行な第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂを含む複数の線材１１を複数の間隔保持材１２で連結してなるグリッド部１０と、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの内部に延在する線状の導電部２０からなる。又、導電部２０の外周の少なくとも一部を被覆する補強部３０とを備える。静電容量型水分計は、土中水分計測センサ１と第一検知線材１１ａの導電部２０及び第二検知線材１１ｂの導電部２０と電気的に接続する解析装置を備え、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの間に位置する検出エリア内の静電容量を検出し、この静電容量に基づいて検出エリアにおける水分量を測定する測定部を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２本の電極間に発生する静電容量に基づいて土中の水分を計測する、静電容量型水分計において、解析装置に接続して用いる、土中水分計測センサであって、
並列配置した複数の線材であって、略平行な第一検知線材及び第二検知線材を含む複数の線材を、複数の間隔保持材で連結してなる、グリッド部と、
前記第一検知線材及び前記第二検知線材の内部に延在する線状の導電部であって、それぞれ前記解析装置と電気的に接続可能な２本の導電部と、
前記第一検知線材及び前記第二検知線材内において、前記導電部の外周の少なくとも一部を被覆する補強部と、を備えることを特徴とする、
土中水分計測センサ。

【請求項2】

前記導電部の破断強度が、前記補強部の破断強度より小さいことを特徴とする、請求項１に記載の土中水分計測センサ。

【請求項3】

前記導電部が、炭素繊維からなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の土中水分計測センサ。

【請求項4】

前記間隔保持材が、前記第一検知線材及び前記第二検知線材の延在方向と略平行する追従面を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の土中水分計測センサ。

【請求項5】

前記第一検知線材又は前記第二検知線材の先端付近において、前記導電部を露出させたことを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の土中水分計測センサ。

【請求項6】

前記グリッド部が、合成樹脂製のネット体の内部に複数の補強線材を挿入してなるジオグリッドであることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の土中水分計測センサ。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載の土中水分計測センサと、
前記第一検知線材の前記導電部及び前記第二検知線材の前記導電部と電気的に接続する解析装置と、を備え、
前記解析装置が、前記第一検知線材及び前記第二検知線材へ正負の電流を送る送電部と、
前記第一検知線材及び前記第二検知線材の間に位置する検出エリア内の静電容量を検出し、この静電容量に基づいて前記検出エリアにおける水分量を測定する測定部と、を有することを特徴とする、
静電容量型水分計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は土中水分計測センサ及び静電容量型水分計に関し、特にグリッド状の一体構造によって、土工構造物の内部に平面的な検出エリアを設定可能な、土中水分計測センサ、及びこれを利用した静電容量型水分計に関する。

【背景技術】

【0002】

盛土等の土工構造物は土を主材料とするため、集中豪雨等によって排水能力を上回る多量の水の浸入を受けると、土のせん断強度が低下することで変状をきたし、崩壊することがある。しかし、崩壊の予兆は土工構造物の外観からは把握することができないため、土工構造物内の水分量を継続的にモニタリングし、飽和度の変化や水位の変化などを分析することで、土工構造物の健全性を評価する方法が採用されている。
土壌水分をモニタリングするための従来技術には、絶縁した正負の電極間の土中の静電容量を算出し、この静電容量から土中の水分量を計測する、静電容量型水分計がある。特許文献１には、一対の電極の一方を円筒状に構成し他方をその内部に配置したセンサ部を、土工構造物内に鉛直方向に埋設して、水分量を計測する、静電容量型水分計が開示されている。
この他、土工構造物内に埋設する間隙水圧計や、ボーリング調査によって水位を測定する方法などが存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１２−１２２９０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術には以下の問題点がある。
＜１＞長大な土工構造物の健全性評価のためには、土工構造物内の平面的な領域における平均水分量を把握する必要がある。しかし、従来技術の水分計等では局所的な水分量しか計測できず、これを面状に展開するためには多大なコストと設備維持負担がかかる。
＜２＞静電容量型水分計を面状に展開するには、正負の電極の間隔を一定に保持しつつ、土工構造物内に水平方向に配置する必要がある。しかし、２本の電極を地中に埋設する場合、電極の蛇行、ズレ、傾き、沈下等によって所定の電極間隔を維持できず、検出精度が著しく低下するおそれがある。
＜３＞土中の水分量は、土工構造物の健全性評価のための重要な要素であるが、より正確かつ確実な評価のためには、土工構造物の物理的な変状等も含めて多面的にモニタリングすることが望ましい。しかし、従来技術の水分計等は水分量測定機能しか備えないため、他の測定装置を別途設置する必要があり、設備コストと設備維持負担が大きい。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の土中水分計測センサは、並列配置した複数の線材であって、略平行な第一検知線材及び第二検知線材を含む複数の線材を、複数の間隔保持材で連結してなる、グリッド部と、第一検知線材及び第二検知線材の内部に延在する線状の導電部であって、それぞれ解析装置と電気的に接続可能な２本の導電部と、第一検知線材及び第二検知線材内において、導電部の外周の少なくとも一部を被覆する補強部と、を備えることを特徴とする。
本構成によれば、グリッド状の一体構造によって、土工構造物内の広範な範囲にわたる平均水分量を、高い精度で測定することができる。

【0006】

本発明の土中水分計測センサは、導電部の破断強度が、補強部の破断強度より小さくてもよい。
本構成によれば、水分量の測定に加え、土工構造物の変状を検知することができる。

【0007】

本発明の土中水分計測センサは、導電部が、炭素繊維からなっていてもよい。
本構成によれば、高い導電性と耐久性を確保することができる。

【0008】

本発明の土中水分計測センサは、間隔保持材が、第一検知線材及び第二検知線材の延在方向と略平行する追従面を有していてもよい。
本構成によれば、グリッド部が土の挙動に追従して変形しやすくなることで、変状検知機能の感度を向上させることができる。

【0009】

本発明の土中水分計測センサは、第一検知線材又は第二検知線材の先端付近において、導電部を露出させてもよい。
本構成によれば、導電部を周囲の土に接触させてアースを取ることができる。

【0010】

本発明の土中水分計測センサは、グリッド部が、合成樹脂製のネット体の内部に複数の補強線材を挿入してなるジオグリッドであってもよい。
本構成によれば、簡易な構造でありながら、高い耐久性と地盤追従性を発揮することができる。

【0011】

本発明の静電容量型水分計は、土中水分計測センサと、第一検知線材の前記導電部及び第二検知線材の導電部と電気的に接続する解析装置と、を備え、解析装置が、第一検知線材及び第二検知線材へ正負の電流を送る送電部と、第一検知線材及び第二検知線材の間に位置する検出エリア内の静電容量を検出し、この静電容量に基づいて検出エリアにおける水分量を測定する測定部と、を有することを特徴とする。
本構成によれば、土工構造物の内部に平面的な検出エリアを設定することで、広範な範囲にわたる平均水分量を測定し、土工構造物の健全性を適切に評価することができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明の土中水分計測センサ及び静電容量型水分計は、以上の構成より、次の効果のうち少なくとも一つを備える。
＜１＞土工構造物の内部に平面的な検出エリアを画設することで、広範な範囲にわたる平均水分量を測定することができる。これによって、土工構造物の健全性をより適切に評価することができる。
＜２＞正負の電極を組み込んだグリッド状の一体構造によって、電極間の間隔を一定に保持することができる。これによって、土の変位の影響による電極のズレ、傾き、沈下等を防ぎ、高い検出精度を維持することができる。
＜３＞地盤に設置して上部を埋め戻すだけで設置でき、設置後にはグリッド状の構造が周囲の土と噛み合うことで、土工構造物内に確実に位置決めすることができる。
＜４＞土中水分計測センサが、土工構造物の変状検知機能を兼ね備えるため、土工構造物の多面的なモニタリングが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明に係る土中水分計測センサの説明図。

【図2】本発明に係る静電容量型水分計の説明図。

【図3】本発明に係る静電容量型水分計の試験状況の説明図。

【図4】本発明に係る静電容量型水分計の試験結果。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照しながら本発明の土中水分計測センサ及び静電容量型水分計
について詳細に説明する。
なお、土中水分計測センサの説明において、線材の延在方向を長さ方向、間隔保持材の延在方向を幅方向、長さ方向及び幅方向と直交する方向を上下方向として説明する。

【実施例1】

【0015】

[静電容量型水分計]
＜１＞全体の構成（図２）。
本発明の静電容量型水分計Ａは、自然地盤や盛土などの土工構造物の土中に配置し、２列の電極間の静電容量から土中の水分を計測する水分計である。
静電容量型水分計Ａは、土中水分計測センサ１と、これと電気的に接続した解析装置２と、を少なくとも備える。

【0016】

＜２＞土中水分計測センサ（図１）。
土中水分計測センサ１は、土中に配置するセンサ要素である。
土中水分計測センサ１は、グリッド部１０と、導電部２０と、補強部３０と、を少なくとも備える。
土中水分計測センサ１は、土中に配置した状態において、後述する第一検知線材１１ａと第二検知線材１１ｂに挟まれた仮想面に上下方向に一定の厚みを加えた範囲を検出エリアとして、検出エリア内の土中の静電容量を検出することができる。
本例では、土工構造物として盛土を採用し、土中水分計測センサ１を盛土内に設置する場合について説明するが、これに限らず、例えば自然地盤に埋め戻して使用したり、舗装道路の路盤上に埋設して使用することもできる。

【0017】

＜２．１＞グリッド部。
グリッド部１０は、土中定置機能を備える構成要素である。
グリッド部１０は、並列配置した複数の線材１１を、複数の間隔保持材１２で連結してなる格子状の構造からなる。
土中水分計測センサ１の設置時、グリッド部１０を地中に水平方向に配置すると、グリッド部１０の格子状構造が周囲の土粒子と噛み合うことで、土中に安定的に位置決めすることができる。

【0018】

＜２．１．１＞ジオグリッド。
本例ではグリッド部１０として、ジオグリッドを採用する。
ジオグリッドとは、合成樹脂製のネット体の内部に補強線材を挿入してなる土工構造物の補強材である。
詳細には、ジオグリッドの並列する複数の線材１１の内部に挿入した補強線材を補強部３０とし、複数の線材１１の内、平行する任意の２列を第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂとして、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの補強部３０内に導電部２０を挿入する。

【0019】

＜２．１．２＞線材。
線材１１は、センサ機能と、グリッド部１０の位置決め機能を兼備する構成要素である。
複数の線材１１の内、所定の検出エリアの幅に対応する距離だけ離間した２本の内部に導電部２０を挿入し、これを第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂとする。
第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂは絶縁性を備える素材からなる。
第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂは平行に配置する。
第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの一端から導電部２０を延伸して、それぞれ解析装置２と電気的に接続する。
なお、本例における第一検知線材１１ａと第二検知線材１１ｂの区分は説明の便宜上のものであって、両者の配置や正負の電極は反対であってもよい。

【0020】

＜２．１．３＞間隔保持材。
間隔保持材１２は、第一検知線材１１ａと第二検知線材１１ｂの間隔保持機能と、土中追従機能を兼備する構成要素である。
間隔保持材１２は、複数の線材１１を、長さ方向の複数の位置で接続し、線材１１間の間隔を一定に保持する。
本例では、間隔保持材１２は、第一検知線材１１ａと第二検知線材１１ｂの延在方向と略平行する追従面１２ａを備える。
土中水分計測センサ１を土中に配置した状態において、追従面１２ａが土によって上下から挟持されることで、グリッド部１０が土の挙動に追従して変形しやすくなり、導電部２０による変状検知機能の感度が高くなる。

【0021】

＜２．２＞導電部。
導電部２０は、導電機能と、土工構造物の変状検知機能を兼備する構成要素である。
導電部２０は、複数の線材１１の内、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの内部に長手方向にわたって連続して延在する。
２本の導電部２０はそれぞれ、後述する解析装置２と電気的に接続する。
本例では導電部２０として、炭素繊維製のケーブルを採用する。炭素繊維は導電性と高い耐腐食性を兼ね備えるため、導電部２０に至適である。
ただし導電部２０は、炭素繊維に限られず、他の導電性繊維を採用してもよい。
導電部２０のアースを取る場合には、第一検知線材１１ａ又は第二検知線材１１ｂの先端付近において導電部２０を露出させて、設置時に導電部２０を周囲の土と接触させる。

【0022】

＜２．３＞補強部。
補強部３０は、導電部２０の保護機能と、グリッド部１０の補強機能を兼備する構成要素である。
補強部３０は、少なくとも第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの内部に長手方向にわたって連続して延在し、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂ内において、導電部２０の外周の少なくとも一部を被覆する。これによって、導電部２０を温度変化や腐食から保護する。
本例では補強部３０として、アラミド繊維製の補強線材を採用する。アラミド繊維の糸量は、ジオグリッドの設計引張強度を満たす量に設定する。
本例では、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂ以外の線材１１も含む全ての線材１１内に補強部３０を挿入する。

【0023】

＜２．４＞土工構造物の変状検知機能。
本例では、導電部２０と補強部３０の素材及び糸量の組み合わせにより、線材１１内の糸量における導電部２０の破断強度σ^Ｃを、線材１１内の糸量における補強部３０の破断強度σ^Ｒより小さく設定する。この構成によって、土工構造物の変状検知機能を発揮することができる。
具体的には以下のように機能する。
土工構造物内に変状が生じた場合、土中に噛み込まれたグリッド部１０が土に追従して変形することで、グリッド部１０に強い引張力が付与される。
この引張力がジオグリッドの設計引張強度に近づくと、アラミド繊維製の補強部３０に先立って、これより破断強度の小さい炭素繊維製の導電部２０が破断する。これは土工構造物内にジオグリッドの設計上の想定以上の引張力が作用していることを意味し、このまま変状が進めばジオグリッドの補強部３０が破断して崩壊に至る可能性がある。
本例では、静電容量型水分計Ａにおいて導電部２０の断線を電気的に認識することで、補強部３０が破断する前に、土工構造物が不安定な状態にあることを検知し、警報の発報、避難勧告、通行止め等の防災措置に寄与させることができる。

【0024】

＜３＞解析装置。
解析装置２は、土中水分計測センサ１を介して検出エリア内の静電容量を検出して、これに基づいて水分量を測定する装置である。
解析装置２は、土中水分計測センサ１の第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂと電気的に接続する。
解析装置２は、送電部２ａと、測定部２ｂと、を少なくとも備える。

【0025】

＜３．１＞送電部。
送電部２ａは、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂと電気的に接続し、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂへ正負の電流を出力する。

【0026】

＜３．２＞測定部。
測定部２ｂは、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂと電気的に接続し、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの間に位置する検出エリア内の静電容量（カウント値）を検出して、この静電容量に基づいて検出エリアにおける水分量を測定する。
具体的には、例えば第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの間の電位差が所定量に達するまでの時間に基づいて、測定エリア内における土の誘電率を算出し、これに基づいて水分量を測定する。
なお、測定部２ｂの構造や機能は公知なので、ここでは詳述しない。

【0027】

＜４＞静電容量型水分計の使用方法。
静電容量型水分計Ａの使用方法について、土中水分計測センサ１を盛土内に設置する例を説明する。
所定の埋設位置まで盛土を巻き出し、巻き出した土の上に土中水分計測センサ１を配置する。土中水分計測センサ１の２本の導電部２０にはケーブルを接続し、ケーブルを盛土の外部に引き出しておく（図２）。
盛土上に配置した土中水分計測センサ１の上部に、残りの土を盛土して、土中水分計測センサ１を埋設する。すると、グリッド部１０の格子体が埋め戻した土と噛み合い、盛土内に面状の検出エリアが画設される。
水分量を計測する場合には、土中水分計測センサ１のケーブルを解析装置２に接続する。解析装置２の電源を入れて、送電部２ａから第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂへ正負の電流を出力する。
すると、第一検知線材１１ａ及び第二検知線材１１ｂの間に電荷が蓄積し、第一検知線材１１ａと第二検知線材１１ｂの電位差が拡大してゆく。測定部２ｂによって、この電位差を検出し、検出エリアにおける平均水分量を測定する。
なお、解析装置２は、盛土付近に常設して常時モニタリングとしてもよいし、巡回時に土中水分計測センサ１とケーブル接続して、定期的にモニタリングしてもよい。

【0028】

＜５＞測定試験。
本発明の静電容量型水分計Ａによって水分量の測定試験を行った。
砂質土を充填した深さ７０ｃｍの土槽に長さ２ｍ、電極間距離２８ｍｍの土中水分計測センサ１を設置し、上部に２０ｃｍの土を盛って埋設して（図３）、約１０ヶ月の計測を行った。
図４は、平成３０年１０月における試験結果を示すグラフである。
このグラフによれば、土中水分計測センサ１による計測結果が、従来技術の誘電率型水分計（ＡＤＲセンサ）と近似する傾向が得られ、本発明の土中水分計測センサ１が水分センサとして有効に機能することが確認できた。

【符号の説明】

【0029】

１ 土中水分計測センサ
１０ グリッド部
１１ 線材
１１ａ 第一検知線材
１１ｂ 第二検知線材
１２ 間隔保持材
１２ａ 追従面
２０ 導電部
３０ 補強部
２ 解析装置
２ａ 送電部
２ｂ 測定部
Ａ 静電容量型水分計

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】