特許 6143225 地盤応力センサおよび土圧検出装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6143225

(24)【登録日】2017年5月19日

(45)【発行日】2017年6月7日

(54)【発明の名称】地盤応力センサおよび土圧検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01L 5/00 20060101AFI20170529BHJP

【ＦＩ】

   G01L5/00 A

【請求項の数】7

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2013-129950(P2013-129950)

(22)【出願日】2013年6月20日

(65)【公開番号】特開2015-4585(P2015-4585A)

(43)【公開日】2015年1月8日

【審査請求日】2016年4月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(73)【特許権者】

【識別番号】000210908

【氏名又は名称】中央開発株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100126561

【弁理士】

【氏名又は名称】原嶋 成時郎

(72)【発明者】

【氏名】内村 太郎

(72)【発明者】

【氏名】王 林

(72)【発明者】

【氏名】西江 俊作

(72)【発明者】

【氏名】▲瀬▼古 一郎

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 実開昭６１−０２８０３１（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００８−１５７８３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４５４３８２０（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ ５／００

Ｅ０２Ｄ １７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

地表から地中に向けて挿入可能で、平面形状が略長方形をした板状の計測本体部と、
地表から地中に向けて挿入可能で、地中への挿入方向に対して反対側の一方が前記計測本体部に固定され、他方が自由端になっており、前記地中側から受ける外力によって前記計測本体部に対して弾性変形可能な片持支持部と、
前記片持支持部における前記計測本体部の支持端側に形成され、前記片持支持部における自由端側の厚みよりも薄く形成された薄肉部と、
前記薄肉部に固定され、前記外力による前記片持支持部が弾性変形する際の前記薄肉部のひずみを電気的に検出するひずみゲージと、
を備えたことを特徴とする地盤応力センサ。

【請求項2】

前記薄肉部は、前記計測本体部の挿入方向に対して直交する方向に延びる溝を利用して形成されており、前記ひずみゲージは、前記溝の底部に対応する前記薄肉部の外面に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の地盤応力センサ。

【請求項3】

前記ひずみゲージは、前記溝に充填されたシール剤によって覆われていることを特徴とする請求項２に記載の地盤応力センサ。

【請求項4】

前記計測本体部の挿入端部側は、先端にいくにつれて先細りとなる形状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の地盤応力センサ。

【請求項5】

前記計測本体部と前記片持支持部とは、一つの金属部材を加工することにより一体形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の地盤応力センサ。

【請求項6】

前記計測本体部と前記片持支持部との間には、前記片持支持部が前記計測本体部側に変位可能とする干渉防止隙間が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の地盤応力センサ。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか１項に記載の地盤応力センサを地表側から地中に挿入することで構成される土圧検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、地すべり層などにおける土圧の変化を計測するための地盤応力センサおよび地盤応力センサを用いた地圧検出装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地すべりなどの災害を未然に予知するには、地すべり層における土圧の変化を計測する必要があり、従来から土圧変化の計測に関連する技術として種々の技術が知られている（例えば特許文献１〜３参照。）。特許文献１の土圧計は、土圧受圧部を介して起歪体の軸心方向に沿って土圧を伝え、周辺の土圧の影響を少なくするようにしている。特許文献２の技術は、光ファイバを用いた河床洗掘・流速センサにより反射波長を歪み量に変換し、土圧または水圧を検出するようにしている。特許文献３の技術は、可撓性のボーリングロッドに光ファイバセンサを取り付け、ボーリングロッドの掘削軌跡を、光ファイバセンサを通過する光の物理値の変化により測定される歪み量に基づいて検出するようにしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００−９７７８７号公報

【特許文献2】特開２００４−１６３２１９号公報

【特許文献2】特開２００５−１５６３６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１の土圧計は、土圧受圧部を介して起歪部の軸心方向に沿って土圧を伝えるので、起歪部の外周面に張り付けられた歪ゲージによって土圧の変化を敏感に捉えることが難しく、土圧の僅かな変化に対して感度が悪いという問題がある。また、特許文献２、３の技術は、光ファイバを用いるので、光ファイバの過度の屈曲などによって計測精度が変化し、計測現場での取扱いが不便であるという問題がある。さらに、地すべりの兆候は、地中の含水率を計測する水分量計を用いることでも把握可能であるが、水分量計は非常に高価であり、計測コストが増加するという問題がある。したがって、これらの問題を解決するためには、地すべり層の土圧の変化を敏感に捉えることができ、しかも計測現場での取扱いが容易で、かつ計測コストを低減することが可能な地盤応力センサおよび土圧検出装置の開発が望まれる。

【0005】

そこで、本発明は、土圧の僅かな変化を敏感に捉えることができ、しかも計測現場での取扱いが容易で、かつ計測コストを低減することが可能な地盤応力センサおよび土圧検出装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、地表から地中に向けて挿入可能で、平面形状が略長方形をした板状の計測本体部と、地表から地中に向けて挿入可能で、地中への挿入方向に対して反対側の一方が前記計測本体部に固定され、他方が自由端になっており、前記地中側から受ける外力によって前記計測本体部に対して弾性変形可能な片持支持部と、前記片持支持部における前記計測本体部の支持端側に形成され、前記片持支持部における自由端側の厚みよりも薄く形成された薄肉部と、前記薄肉部に固定され、前記外力による前記片持支持部が弾性変形する際の前記薄肉部のひずみを電気的に検出するひずみゲージと、を備えたことを特徴とする地盤応力センサである。

【0007】

請求項１の発明によれば、片持支持部は地中側から受ける外力によって弾性変形することになるが、この際、片持支持部における計測本体部側の支持端側は薄肉部に形成されているので、薄肉部は僅かな外力の変化によって大きくひずむことになる。薄肉部のひずみは、ひずみゲージによって電気的に検出されるので、土圧の僅かな変化を敏感に捉えることが可能となる。

【0008】

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の地盤応力センサにおいて、前記薄肉部は、前記計測本体部の挿入方向に対して直交する方向に延びる溝を利用して形成されており、前記ひずみゲージは、前記溝の底部に対応する前記薄肉部の外面に固定されていることを特徴としている。

【0009】

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の地盤応力センサにおいて、前記ひずみゲージは、前記溝に充填されたシール剤によって覆われていることを特徴としている。

【0010】

請求項４に記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の地盤応力センサにおいて、前記計測本体部の挿入端部側は、先端にいくにつれて先細りとなる形状に形成されていることを特徴としている。

【0011】

請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の地盤応力センサにおいて、前記計測本体部と前記片持支持部とは、一つの金属部材を加工することにより一体形成されていることを特徴としている。

【0012】

請求項６に記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の地盤応力センサにおいて、前記計測本体部と前記片持支持部との間には、前記片持支持部が前記計測本体部側に変位可能とする干渉防止隙間が形成されていることを特徴としている。

【0013】

請求項７に記載の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の地盤応力センサを地表側から地中に挿入することで構成される土圧検出装置である。

【発明の効果】

【0014】

請求項１に記載の発明によれば、片持支持部における自由端側の厚みよりも薄く形成された薄肉部にひずみゲージを固定しているので、僅かな土圧の変化を敏感に捉えることが可能となり、地すべりの予知の精度を高めることができる。また、ひずみゲージは、ひずみを電気的に検出するので、光ファイバのように過度の屈曲による計測精度に影響を受けることがなく、計測現場での取扱いが容易となる。さらに、ひずみゲージは、地中の含水率を計測する水分量計に比べて著しく安価であるので、計測コストを低減することができる。

【0015】

請求項２に記載の発明によれば、ひずみゲージは、地中への挿入方向に対して直交する方向に延びる溝の底部に位置することになるので、ひずみゲージは溝に収納された状態となる。これにより、地中の異物とひずみゲージとの干渉を防止することができ、ひずみゲージを異物との干渉から保護することができる。

【0016】

請求項３に記載の発明によれば、溝の底部に固定されたひずみゲージは溝に充填されたシール剤によって覆われているので、ひずみゲージを確実に溝内に固定することができるとともに、ひずみゲージの損傷を防止することができる。

【0017】

請求項４に記載の発明によれば、計測本体部の挿入端部側は、先端にいくにつれて先細りとなる形状に形成されているので、計測本体部を地中へ挿入する際の抵抗が少なくなり、計測準備作業が容易となる。

【0018】

請求項５に記載の発明によれば、計測本体部と片持支持部とは同一の金属部材により一体形成されているので、例えば機械加工や放電加工を用いて一つの金属部材から計測本体部と片持支持部を形成することができ、地盤応力センサの加工精度を高めることができる。

【0019】

請求項６に記載の発明によれば、計測本体部と片持支持部との間には、片持支持部が計測本体部側に変位可能とする干渉防止用隙間が形成されているので、片持支持部が計測本体部側に変位した際に、計測本体部との干渉を防止することができる。

【0020】

請求項７に記載の発明によれば、請求項１から６に記載の地盤応力センサを地表側から地中に挿入することで構成されるので、土圧の変化を高い精度で捉えることができる土圧検出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施の形態に係わる地盤応力センサの正面図である。

【図2】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図3】図１の地盤応力センサを用いた土圧検出装置の概要図である。

【図4】図１の地盤応力センサを用いた土圧の変化を示す特性図と水分量計による含水率の変化を示す特性図である。

【図5】図１の地盤応力センサによる土圧計測の応用例を示す断面図である。

【図6】図１の地盤応力センサによる土圧計測の別の応用例を示す断面図である。

【図7】図１の地盤応力センサによる土圧計測のさらに別の応用例を示す断面図である。

【図8】図１の地盤応力センサにロッドを連結した状態を示す正面図である。

【図9】図８の側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

つぎに、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

【0023】

図１ないし図９は、本発明の実施の形態を示している。図１および図２に示すように、地盤応力センサ１は、計測本体部２と、片持支持部３と、干渉防止隙間４と、ひずみゲージ５と、溝６と、ケーブル７、シール剤９を有している。この実施の形態においては、計測本体部２と片持支持部３は、一つの金属部材であるステンレス鋼を機械加工や放電加工などを施すことにより、一体形成されている。計測本体部２と片持支持部３をステンレス鋼から構成したのは、ステンレス鋼は耐食性に優れ、薄肉部が存在しても必要な強度を確保することができるからであるが、耐食性および強度などの条件を満たす部材であればステンレス鋼以外の部材を採用してもよい。

【0024】

計測本体部２は、平面形状が略長方形をした板状に形成されている。この実施の形態においては、計測本体部２は、例えば縦方向の長さが１５ｃｍに、横方向の長さが７ｃｍにそれぞれ設定されている。計測本体部２は、図８および図９に示すように、地表Ｇから地中に向けて挿入可能となっている。計測本体部２の挿入端部２ａ側は、先端にいくにつれて先細りとなる形状に形成されている。計測本体部２の挿入端部２ａ側は、鋭角に形成されており，地表Ｇから地中に向けての挿入が容易となっている。計測本体部２の上端２ｂは、平坦面に形成されている。計測本体部２の上端２ｂ側の両端部２ｃは、面取り加工されている。

【0025】

片持支持部３は、一方が計測本体部２に固定され、他方が自由端となっている。片持支持部３は、地中側から受ける外力Ｐによって計測本体部２に対して弾性変形可能となっている。片持支持部３における計測本体部２の支持端側は、薄肉部３ｂに形成されている。薄肉部３ｂは、片持支持部３における自由端３ａ側の厚みよりも薄く形成されている。この実施の形態においては、薄肉部３ｂは、計測本体部２の挿入方向に対して直交する方向に延びる溝６を利用して形成されている。片持支持部３は、薄肉部３ｂの形成により、僅かな外力Ｐによって計測本体部２側に弾性変形可能となっている。

【0026】

計測本体部２と片持支持部３との間には、片持支持部３が計測本体部２側に変位可能とする干渉防止用隙間４が形成されている。本実施の形態においては、干渉防止用隙間４は、放電加工により形成されている。図２に示すように、干渉防止用隙間４は側面からみた形状が略Ｌ字状となっている。干渉防止用隙間４は、片持支持部３の薄肉部３ｂから自由端部３ａの先端まで延びている。干渉防止用隙間４における自由端部３ａの先端４ａは、開口している。干渉防止用隙間４の少なくとも一部には、地中内の土砂が干渉防止用隙間４内に侵入するのを防止するためのスポンジや弾性シール材などの弾性部材（図示略）が設けられている。スポンジや弾性シール材などの弾性部材は、非常に柔らかい部材から構成されており、土圧による片持支持部３の弾性変形に影響を与えない。

【0027】

片持支持部３の薄肉部３ｂには、外力Ｐによる片持支持部３が弾性変形する際の薄肉部３ｂのひずみを電気的に検出するひずみゲージ（ストレインゲージ）５が固定されている。すなわち、ひずみゲージ５は、溝６の底部に対応する薄肉部３ｂの外面に固定されている。ひずみゲージ５は、接着剤を介して薄肉部３ｂに固定されている。ひずみゲージ５は、第１のゲージ５ａと、第２のゲージ５ｂと、第３のゲージ５ｃと、第４のゲージ５ｄから構成されている。各ゲージ５ａ〜５ｄは、同じ種類のひずみゲージから構成されている。第１のゲージ５ａと第２のゲージ５ｂは、同じ向きに固定されており、第３のゲージ５ｃと第４のゲージ５ｄは、第１のゲージ５ａと第２のゲージ５ｂに対して直交する方向に固定されている。各ゲージ５ａ〜５ｄは、接着剤を介して薄肉部３ｂに固定されている。各ゲージ５ａ〜５ｄは、ひずみを測定するための力学的センサであり、薄い絶縁体上にジグザグ形状にレイアウトされた金属の抵抗体が取付けられた構造をしており、変形による電気抵抗の変化を測定することにより、ひずみ量を算出することができる。この実施の形態におけるひずみゲージ５を構成する各ゲージ５ａ〜５ｄの特性は、ひずみ（ＳＴＲＡＩＮ）と応力（ＳＴＲＥＳＳ）との関係がリニア（線形）となっている。ひずみゲージ５は、温度によって特性が変化することから、溝６内に温度補正用の温度センサを設ける構成とするのが望ましい。

【0028】

各ゲージ５ａ〜５ｄからなるひずみゲージ５は、溝６に充填されたシール剤としてのシリコン（シリコンシール剤）９によって覆われている。シール剤としてのシリコン９は、溝６のほぼ全体にわたって充填されており、各ゲージ５ａ〜５ｄおよび各ゲージ５ａ〜５ｄに接続されるケーブル７は、シリコン９の充填によって溝６内に保持されるようになっている。この実施の形態においては、各ゲージ５ａ〜５ｄに接続されるケーブル７を上方に導くために、溝６の一方は計測本体部２の上端２ｂまで延びている。

【0029】

図８および図９に示すように、計測本体部２の上端２ｂには、ロッド８が連結可能となっている。ロッド８と計測本体部２は、計測本体部２に形成された雌ネジ（図示略）にロッド８の先端部に形成された雄ネジ（図示略）をねじ込むことにより連結可能となっている。計測本体部２と連結されたロッド８は、計測本体部２の上端２ｂから直線状に上方に延びている。ロッド８の長さは、計測本体部２および片持支持部３の地中への挿入距離を考慮して設定されている。片持支持部３からロッド８側に延びるケーブル７の他端側は、ひずみゲージ５からの電気信号が入力可能な計測器（図示略）に接続されている。

【0030】

図３は、図１および図２に示す地盤応力センサ１を地表Ｇ側から地中に挿入することで構成される土圧検出装置１０を示している。図３に示すように、傾斜面Ｋには地中の含水率を計測する水分量計１１が所定の距離をおいて３つ配置されている。この実施の形態においては、３つの水分量計１１のうち最も低位置に配置された水分量計１１のみに地盤応力センサ１が併設されている。水分量計１１および地盤応力センサ１の挿入深さは、挿入限界ラインＬ１よりも浅い位置に設定されている。また、傾斜面Ｋにおける最も低位置に配置された水分量計１１および地盤応力センサ１の斜め下方の区域Ｂは、地滑り発生の可能性のある場所を示している。

【0031】

つぎに、本発明に係る地盤応力センサ１および土圧検出装置１０の使用手順および作用について説明する。

【0032】

地盤応力センサ１を地表Ｇから地中に向けて挿入する際には、図８および図９に示すように、地盤応力センサ１の上端にはロッド８が取り付けられており、この状態でロッド８の上端を矢印Ｆ方向からハンマーなどで叩くことにより、計測本体部２および片持支持部３は地中に徐々に侵入することになる。計測本体部２および片持支持部３の双方が所定の深さだけ地中に侵入した状態では、片持支持部３は地中側からの外力Ｐを受けることが可能となる。ここで、片持支持部３は、地中側から受ける外力Ｐによって弾性変形することになるが、片持支持部３における計測本体部２側の支持端側は薄肉部３ｂに形成されているので、薄肉部３ｂは僅かな外力Ｐの変化によっても大きくひずみが変化することになる。薄肉部３ｂのひずみは、ひずみゲージ５によって電気的に検出されるので、土圧の僅かな変化を敏感に捉えることが可能となる。地盤は、崩れる前に地中内に作用する力が緩むので、地盤応力センサ１を用いて地中に作用する力を把握することで、事前に崩落などを予知することが可能となる。

【0033】

図４は、図３における最も低位置に配置された水分量計１１と地盤応力センサ１とによる計測記録を示している。図４の上側のグラフに示す地盤応力センサ１による応力（土圧）の特性Ｃ１と、図４の下側のグラフに示す水分量計１１による体積含水比の特性Ｃ２は、対応していることがわかる。すなわち、地盤応力センサ１による土圧の変化と水分量計１１による体積含水比の変化には明確な相関関係があり、地盤応力センサ１を用いて体積含水比の変化を推定することが可能となる。水分量計１１は、従来技術で説明したように、高価な機器であり、水分量計１１を地盤応力センサ１で代用できれば、計測コストを大幅に低減することが可能となる。

【0034】

図５は、地盤応力センサ１を傾斜面Ｋの不安定性のモニタリングに適用した場合を示している。この場合は、２つの地盤応力センサ１を用いており、各地盤応力センサ１は約５０ｃｍの深さに挿入されている。ここでは、上側の地盤応力センサ１が位置している地盤が緩むと、下側の地盤応力センサ１が位置している下方の地盤に力が加わり、土圧が変化することになる。この土圧の変化を地盤応力センサ１により長期的に監視することにより、土圧の変化による傾斜面Ｋの不安定性の有無を把握することが可能となる。

【0035】

図６は、地盤応力センサ１を地盤の掘削時のモニタリングに適用した場合を示している。この場合は、１つの地盤応力センサ１を用いている。地盤は、掘削によっても土圧が変化するので、掘削部分Ｋ１に近い地中の位置に地表Ｇから地盤応力センサ１を挿入し、土圧の変化を短期的に監視することにより、掘削による地盤の影響の有無を把握することが可能となる。

【0036】

図７は、地盤応力センサ１を近接施工時のモニタリングに適用した場合を示している。地盤応力センサ１を用いることにより、例えば既存の配管Ｍ１に対して新設する施設Ｍ２に必要な掘削工事などが悪影響を与えるか否かを把握することが可能となる。すなわち、既存の配管Ｍ１と新設する施設Ｍ２との間の地盤に地表Ｇから地盤応力センサ１を挿入することで、新設工事が配管Ｍ１に対して影響があるか否かを把握することが可能となる。

【0037】

このように、本発明では、片持支持部３における自由端３ａ側の厚みよりも薄く形成された薄肉部３ｂにひずみゲージ５を固定しているので、僅かな土圧の変化を敏感に捉えることが可能となり、地すべりの予知の精度を高めることができる。また、ひずみゲージ５は、ひずみを電気的に検出するので、光ファイバのように過度の屈曲による計測精度に影響を受けることがなく、計測現場での取扱いが著しく容易となる。さらに、ひずみゲージ５は、地中の含水率を計測する水分量計に比べて著しく安価であるので、計測コストを低減することができる。

【0038】

ひずみゲージ５は、地中への挿入方向に対して直交する方向に延びる溝６の底部に位置するので、ひずみゲージ５は溝６に収納された状態となる。これにより、地中側の異物とひずみゲージ５との干渉を防止することができ、ひずみゲージ５を異物との干渉から保護することができる。さらに、ひずみゲージ５は、溝６に充填されたシール剤９によって覆われているので、ひずみゲージ５を確実に溝６内に固定することができるとともに、ひずみゲージ５の損傷を防止することができる。

【0039】

計測本体部２の挿入端部２ａ側は、先端にいくにつれて先細りとなる形状に形成されているので、計測本体部２を地中へ挿入する際の抵抗が少なくなり、計測準備作業が容易となる。また、計測本体部２と片持支持部３とは一つの金属部材により一体形成されているので、例えば機械加工や放電加工を用いて一つの金属部材から計測本体部２と片持支持部３を形成することができ、地盤応力センサ１の加工精度を高めることができる。そして、計測本体部２と片持支持部３との間には、片持支持部３が計測本体部２側に変位可能とする干渉防止用隙間４が形成されているので、片持支持部３が計測本体部３側に大きく変位した際でも、片持支持部３と計測本体部との干渉を確実に防止することができる。

【0040】

図３に示すように、少なくとも地盤応力センサ１を地表Ｇ側から地中に挿入することで構成されるので、土圧の変化を高い精度で捉えることができる土圧検出装置１０を得ることができる。この実施の形態においては、図３に示すように、水分量計１１を用いた既存の斜面監視装置に地盤応力センサ１を付加した装置としているが、図４の特性からも判るように、水分量計１１の代用として地盤応力センサ１を用いることが可能となるので、水分量計１１の採用を廃止し、地盤応力センサ１のみを用いることにより、装置のコストを大幅に低減することが可能となる。

【0041】

以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。上述の実施の形態においては、計測本体部２と片持支持部３は、一つの金属部材を加工することにより一体形成されているが、計測本体部２と片持支持部３とをそれぞれ別部材から構成し、合わせ板構造としてもよい。また、計測本体部２および片持支持部３は、平面形状が略長方形をした板状に形成されているが、形状は限定されず、筒状であってもよい。さらに、この実施の形態においては、地盤応力センサ１は、上方から地表Ｇに向けて挿入するようにしているが、地盤応力センサ１の挿入方向は横からでもよく、挿入方向は問わない。

【符号の説明】

【0042】

１ 地盤応力センサ
２ 計測部本体
２ａ 挿入端部
３ 片持支持部
３ｂ 薄肉部
４ 干渉防止用隙間
５ ひずみゲージ
６ 溝
７ ケーブル
８ ロッド
９ シール剤
１０ 土圧検出装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】