特開 2023-81664 貫入試験機、土質判定方法及び土質判定システム

(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】P2023081664

(43)【公開日】2023-06-13

(54)【発明の名称】貫入試験機、土質判定方法及び土質判定システム

(51)【国際特許分類】

   E02D 1/02 20060101AFI20230606BHJP

【ＦＩ】

E02D1/02

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021195556

(22)【出願日】2021-12-01

(71)【出願人】

【識別番号】899000057

【氏名又は名称】学校法人日本大学

(71)【出願人】

【識別番号】591226586

【氏名又は名称】兼松サステック株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000227467

【氏名又は名称】日東精工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】酒句 教明

【テーマコード（参考）】

2D043

【Ｆターム（参考）】

2D043AB04

2D043AC01

2D043BA01

2D043BB04

2D043BC01

(57)【要約】

【課題】音信号により土質を判定する際、測定感度が高く、周辺環境の影響を受け難く耐久性の高い貫入試験機、土質判定方法及び土質判定システムを提供する。
【解決手段】スクリューウエイト貫入試験で用いられる貫入試験機Ｘであって、軸方向に沿って地中に貫入されるスクリューポイント５ｂを含む貫入ロッド５と、貫入ロッド５に地上で接続され、マイクロフォン４１が内蔵された集音ユニット４と、マイクロフォン４１が出力した音信号に基づいて土質を判定する判定部１４と、を備え、貫入ロッド５及び集音ユニット４の少なくとも何れか一方には、スクリューポイント５ｂの摩擦音が空気振動する共鳴室が軸方向に沿って形成されており、共鳴室の内部にマイクロフォン４１が位置している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

スクリューウエイト貫入試験で用いられる貫入試験機であって、
軸方向に沿って地中に貫入されるスクリューポイントを含む貫入ロッドと、
前記貫入ロッドに地上で接続され、マイクロフォンが内蔵された集音ユニットと、
前記マイクロフォンが出力した音信号に基づいて土質を判定する判定部と、を備え、
前記貫入ロッド及び前記集音ユニットの少なくとも何れか一方には、前記スクリューポイントの摩擦音が空気振動する共鳴室が前記軸方向に沿って形成されており、前記共鳴室の内部に前記マイクロフォンが位置している貫入試験機。

【請求項2】

前記集音ユニットは、前記共鳴室を内部に形成した集音ロッドと、当該集音ロッドに連結され、前記マイクロフォンが内蔵された蓋体とを有している請求項１に記載の貫入試験機。

【請求項3】

前記貫入ロッドには、前記共鳴室としての中空領域が前記軸方向に沿って形成されている請求項１に記載の貫入試験機。

【請求項4】

前記集音ユニットと前記貫入ロッドとは着脱可能に螺合されている請求項１から３のいずれか一項に記載の貫入試験機。

【請求項5】

請求項１から４のいずれか一項に記載の貫入試験機を用いた土質判定方法であって、
前記スクリューポイントが所定位置に到達したときに前記貫入ロッドの移動を停止させる停止ステップと、
前記停止ステップの後、前記貫入ロッドに前記集音ユニットを接続する接続ステップと、
前記接続ステップの後、前記スクリューポイントを前記所定位置に維持しながら前記貫入ロッドを回転させ、前記マイクロフォンが出力した前記音信号に基づいて前記判定部が前記土質を判定する判定ステップと、を含む土質判定方法。

【請求項6】

請求項１から４のいずれか一項に記載の貫入試験機に使用される土質判定システムであって、
前記集音ユニットと、前記集音ユニットと電気的に接続され、前記判定部を有する土質判定装置と、を備えた土質判定システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スクリューウエイト貫入試験で用いられる貫入試験機、貫入試験機を用いた土質判定方法、及び貫入試験機に使用される土質判定システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、地盤調査方法の一つとして、ＪＩＳ Ａ １２２１に規定されるスクリューウエイト貫入試験（旧スウェーデン式サウンディング試験、以下「ＳＷＳ試験」と称する）がある。このＳＷＳ試験を実施する装置として、地中に貫入されるスクリューポイントを含む貫入ロッドを備えた貫入試験機が知られている（例えば、特許文献１～２参照）。

【0003】

特許文献１に記載の貫入試験機は、貫入ロッドの貫入速度および半回転数を自動で計測するものであり、貫入ロッドを支持するチャックスリーブに接触する振動センサにより貫入ロッドの振動を計測し、この振動から音信号を検出して土質を判定する。

【0004】

特許文献２に記載の貫入試験機は、スクリューポイントの内部に共鳴室を設けると共に共鳴室の上部にマイクロフォンを設け、共鳴室で空気振動するスクリューポイントの摩擦音をマイクロフォンで収音して音信号に変換し、土質を判定する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８－１８０６５５号公報

【特許文献2】特開２０１５－２２４４８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の貫入試験機は、センサに加速計を使用せざるを得ないため測定可能な周波数の幅が狭く測定感度が非常に悪い上、貫入ロッドの振動を直接計測するものであることから周辺環境の影響を受けやすい。また、特許文献２に記載の貫入試験機は、スクリューポイントにマイクロフォンを設けていることから、マイクロフォンから音信号を取り出すためのケーブルを貫入ロッドに内蔵する必要があり、貫入ロッドの回転時にケーブルが捻れて断線したり、スクリューポイントの強い振動を受けてマイクロフォンが破損したりするおそれがあった。

【0007】

そこで、音信号により土質を判定する際、測定感度が高く、周辺環境の影響を受け難く耐久性の高い貫入試験機、土質判定方法及び土質判定システムが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係る貫入試験機の特徴構成は、スクリューウエイト貫入試験で用いられる貫入試験機であって、軸方向に沿って地中に貫入されるスクリューポイントを含む貫入ロッドと、前記貫入ロッドに地上で接続され、マイクロフォンが内蔵された集音ユニットと、前記マイクロフォンが出力した音信号に基づいて土質を判定する判定部と、を備え、前記貫入ロッド及び前記集音ユニットの少なくとも何れか一方には、前記スクリューポイントの摩擦音が空気振動する共鳴室が前記軸方向に沿って形成されており、前記共鳴室の内部に前記マイクロフォンが位置している点にある。

【0009】

本構成では、マイクロフォンが内蔵された集音ユニットが貫入ロッドに地上で接続されているため、マイクロフォンが出力した音信号を判定部まで有線で接続した場合、ケーブル長を短くすることができる。また、マイクロフォンやケーブルをスクリューポイントおよび貫入ロッドに内蔵する必要が無いため、スクリューポイントの強い振動を受けてマイクロフォンが破損したり、貫入ロッドの回転時にケーブルが捻れて断線したりする不具合も防止できる。

【0010】

本構成における貫入ロッド及び集音ユニットの少なくとも何れか一方には、スクリューポイントの摩擦音が空気振動する共鳴室が軸方向に沿って形成されており、共鳴室の内部にマイクロフォンが位置している。つまり、貫入ロッドの振動を直接計測するのではなく、共鳴室を伝播する空気振動の音を検出するものであり、周辺環境の影響を受け難く、検出感度が高い。その結果、音信号に基づく土質の判定精度を高めることができる。

【0011】

このように、マイクロフォンが内蔵された集音ユニットを地上に設けるといった簡便な構成により、音信号により土質を判定する際、周辺環境の影響を受け難く耐久性の高い貫入試験機となっている。

【0012】

他の特徴構成は、前記集音ユニットは、前記共鳴室を内部に形成した集音ロッドと、当該集音ロッドに連結され、前記マイクロフォンが内蔵された蓋体とを有している点にある。

【0013】

本構成のように、共鳴室を内部に形成した集音ロッドを設ければ、貫入ロッドの内部に共鳴室を設ける必要が無く、従来の中実貫入ロッドに集音ユニットを接続するだけで土質判定を行うことができる。しかも、地上に配置された集音ユニットの集音ロッドに共鳴室があるため、スクリューポイント以外の貫入ロッドとその周囲にある土との摩擦によって発生する音が直接的に共鳴室を伝播してノイズが増大するといった不都合がない。

【0014】

他の特徴構成は、前記貫入ロッドには、前記共鳴室としての中空領域が前記軸方向に沿って形成されている点にある。

【0015】

本構成のように、貫入ロッドに軸方向に沿う中空領域を設ければ、貫入ロッドの軸方向長さ分に応じた共鳴室を確保できるため、空気振動の感度を高めることができる。

【0016】

他の特徴構成は、前記集音ユニットと前記貫入ロッドとは着脱可能に螺合されている点にある。

【0017】

本構成のように、集音ユニットと貫入ロッドとが着脱可能に螺合する形態であるため、土質判定時のみ集音ユニットを装着すれば良く、マイクロフォンの振動ダメージを極めて小さくすることができる。

【0018】

上記何れかの貫入試験機を用いた土質判定方法の特徴は、前記スクリューポイントが所定位置に到達したときに前記貫入ロッドの移動を停止させる停止ステップと、前記停止ステップの後、前記貫入ロッドに前記集音ユニットを接続する接続ステップと、前記接続ステップの後、前記スクリューポイントを前記所定位置に維持しながら前記貫入ロッドを回転させ、前記マイクロフォンが出力した前記音信号に基づいて前記判定部が前記土質を判定する判定ステップと、を含む点にある。

【0019】

上述した作用効果を有する貫入試験機を用いた土質判定方法は、貫入ロッドの移動を停止させた後、貫入ロッドに集音ユニットを接続してから貫入ロッドを回転させて音信号を検出するため、集音ユニットの回転を必要最小限とすることができる。よって、貫入ロッドの回転時にケーブルが捻れて断線したり、スクリューポイントの強い振動を受けてマイクロフォンが破損したりする不具合を防止できる。

【0020】

上記何れかの貫入試験機に使用される土質判定システムの特徴構成は、前記集音ユニットと、前記集音ユニットと電気的に接続され、前記判定部を有する土質判定装置と、を備えた点にある。

【0021】

上述した作用効果を有する貫入試験機を用いた土質判定システムは、従来の貫入試験機に後付けすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】貫入試験機の全体構成図である。

【図2】集音ユニットの蓋体を示す分解斜視図である。

【図3】第一実施形態に係る集音ユニット及び貫入ロッドを示す断面図である。

【図4】第二実施形態に係る集音ユニット及び貫入ロッドを示す断面図である。

【図5】土質判定方法を示すフロー図である。

【図6】本実施例と比較例とで計測した音圧レベルの比較図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下に、本発明に係る貫入試験機、土質判定方法及び土質判定システムの実施形態について、図面に基づいて説明する。本実施形態では、スクリューウエイト貫入試験（ＳＷＳ試験）で用いられる貫入試験機として説明する。ただし、以下の実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

【0024】

図１に示すように、貫入試験機Ｘは、土質判定装置１と、支柱２と、支柱２に沿って昇降可能な昇降台３と、先端にスクリューポイント５ｂを有する貫入ロッド５と、貫入ロッド５を保持するチャック５ｃと、貫入ロッド５に地上で接続される集音ユニット４と、貫入ロッド５を回転駆動する回転モータ６と、スプロケット７を回転駆動する昇降モータ８と、制御装置９とを備えている。本実施形態における貫入試験機Ｘは、制御装置９により駆動制御される自動貫入試験機である。土質判定システムＹは、土質判定装置１と集音ユニット４とを備え、集音ユニット４が出力した音信号に基づいて土質判定装置１が土質を判定する。貫入ロッド５は、同一形状の複数のロッドが継ぎ足し可能であり、以下、先端にスクリューポイント５ｂを有する一番目のロッドを第一貫入ロッド５ａと称する。

【0025】

昇降台３は、所定重量の錘３ａと、回転モータ６と、チャック５ｃ及び貫入ロッド５と、昇降モータ８との荷重を受けており、貫入ロッド５に１ｋＮの荷重を負荷した状態で貫入試験可能に構成されている。集音ユニット４は、貫入ロッド５に着脱可能に螺合されており、土質判定時には、貫入ロッド５に集音ユニット４の荷重が加わる。昇降台３は、支柱２に沿って鉛直方向に配置された案内チェーン２ａと噛み合うスプロケット７を有しており、このスプロケット７が案内チェーン２ａを回転させることにより、上昇可能に構成されている。

【0026】

貫入ロッド５は、軸方向に沿って地中に貫入されるスクリューポイント５ｂを含む長尺状に形成されている。この貫入ロッド５のスクリューポイント５ｂとは反対側の端部には、マイクロフォン４１が内蔵された集音ユニット４が螺合される雄ねじ部５１が形成されている。スクリューポイント５ｂは、ＪＩＳ Ａ１２２１に規定されるように、全長２００ｍｍに対して１回の捻りが加えられたドリル形状となっている。

【0027】

チャック５ｃは、チャック軸（不図示）で貫入ロッド５を保持しながら、回転モータ６の駆動力により貫入ロッド５と共にチャック軸が回転可能に構成されている。チャック５ｃの上部には、貫入ロッド５の端部に形成された雄ねじ部５１が露出しており、この雄ねじ部５１に集音ユニット４を螺合する形態であることから、集音ユニット４が貫入ロッド５に対して着脱可能に構成されている。貫入ロッド５は、昇降台３を上限位置（地表から１ｍ）に待機させた状態でチャック５ｃに装着され、継ぎ足し可能に構成されている。また、チャック５ｃには、荷重センサとしてのロードセル３９が設けられており、このロードセル３９により貫入ロッド５にかかる荷重を測定することができる。

【0028】

回転モータ６は、インダクションモータ等で構成されており、駆動軸（不図示）の端部にロータリエンコーダ（不図示）が取り付けられており、ロータリエンコーダの出力値に基づいて制御装置９により回転制御される。回転モータ６には一方向クラッチ（不図示）が設けられており、スクリューポイント５ｂの捩りに合わせて貫入ロッド５を地中にねじ込む方向に回転モータ６が正転駆動したときには、貫入ロッド５が回転し、反対に回転モータ６が逆転駆動したときには空転して貫入ロッド５が回転しない。

【0029】

昇降モータ８は、インダクションモータ等で構成されており、遊星歯車等の減速機構（不図示）を介して駆動軸（不図示）とスプロケット７とが一体回転する。昇降モータ８は、駆動軸の端部にロータリエンコーダ２１が取り付けられており、ロータリエンコーダ２１の出力値に基づいて制御装置９により回転制御される。昇降モータ８には一方向クラッチ（不図示）が設けられており、昇降台３が上昇する方向に昇降モータ８が正転駆動したときにはスプロケット７が回転し、反対に昇降モータ８が逆転駆動したときには空転してスプロケット７が回転しない。スプロケット７が回転したとき、貫入ロッド５には、昇降台３の総重量に基づく１ｋＮ（最大試験荷重）から昇降モータ８の出力トルクに基づく上昇力を減算した荷重を負荷することができる。一方、スプロケット７が回転しないとき、貫入ロッド５には、昇降台３の総重量に基づく１ｋＮ（最大試験荷重）を負荷することができる。

【0030】

また、昇降モータ８には、スプロケット７の回転に伴うパルス信号を出力するロータリエンコーダ１７が設けられており、制御装置９は、該パルス信号を処理することにより、昇降台３の昇降量、昇降速度に基づき、貫入ロッド５の貫入量、貫入速度を演算する。

【0031】

制御装置９は、少なくとも回転モータ６及び昇降モータ８の作動を制御するソフトウェアとして、ＨＤＤやメモリ等のハードウェアに記憶されたプログラムを含んでおり、コンピュータのＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ，ＣＰＵ又は他のハードウェアを含むプロセッサにより実行される。制御装置９は、昇降モータ８の駆動を制御するインバータ制御部９２と、回転モータ６の駆動を制御するインバータ制御部９３と、これらインバータ制御部９２，９３に指令を送るメイン制御部９１とを有している。

【0032】

昇降モータ８の駆動を制御するインバータ制御部９２は、メイン制御部９１からのトルク指令を受けて、ロードセル３９の値をフィードバック制御して貫入ロッド５に負荷される実荷重を目標の試験荷重に設定する。このとき、制御装置９は、スプロケット７の回転数から貫入ロッド５の貫入量を演算し、深度ごとの実荷重を記憶する。貫入ロッド５に負荷される実荷重が最大試験荷重を超え、貫入ロッド５の貫入速度が所定値以下になると、回転モータ６の駆動を制御するインバータ制御部９３は、メイン制御部９１からのトルク指令を受けて、貫入ロッド５を地中にねじ込む方向に回転モータ６を正転駆動させる。このとき、制御装置９は、スプロケット７の回転数と回転モータ６の回転数とから、貫入ロッド５が所定量貫入するごとに、貫入ロッド５の半回転数を演算し、深度ごとの半回転数を記憶する。そして、制御装置９は、深度ごとの実荷重及び半回転数から地盤強度の評価指標値（Ｎｓｗ値）を演算する。

【0033】

このＮｓｗ値を算出する際、深度ごとの土質を判別することにより、より必要な地盤設計定数が分かるため、本実施形態における貫入試験機Ｘには、集音ユニット４と土質判定装置１とを備えた土質判定システムＹが設けられている。この土質判定装置１は、制御装置９と集音ユニット４との間を有線にて接続される。土質判定装置１は、少なくともスクリューポイント５ｂの摩擦音を検出して土質を判定するソフトウェアとして、ＨＤＤやメモリ等のハードウェアに記憶されたプログラムを含んでおり、コンピュータのＡＳＩＣ，ＦＰＧＡ，ＣＰＵ又は他のハードウェアを含むプロセッサにより実行される。なお、土質判定装置１と集音ユニット４とを無線接続しても良いし、土質判定装置１を制御装置９に内蔵しても良い。

【0034】

土質判定装置１は、入力部１１と記憶部１２と抽出部１３と判定部１４とを備えている。入力部１１は、集音ユニット４のマイクロフォン４１が検出した音のデジタル信号（以下、「音信号」と言う）を受信する通信インターフェースである。記憶部１２は、各種プログラムと共振周波数データと土質基準データとを記憶するハードウェアである。抽出部１３及び判定部１４の詳細は後述する。

【0035】

［第一実施形態］
第一実施形態に係る集音ユニット４について、図２～図３を用いて説明する。図３に示すように、中実長尺状の貫入ロッド５と、共鳴室４２が閉空間として形成された集音ユニット４と、が着脱可能に螺合されている。図２～図３に示すように、集音ユニット４は、共鳴室４２を内部に形成した集音ロッド４ａと、集音ロッド４ａに螺合されて共鳴室４２を閉塞する蓋体４３を有している。共鳴室４２は、スクリューポイント５ｂの摩擦音が空気振動する閉空間となっている。

【0036】

集音ロッド４ａは、軸方向に沿って所定の長さ（例えば、２００ｍｍ）を有する共鳴室４２が内部に中空形成された筒状に形成されている。集音ロッド４ａは、蓋体４３の側の一端部に雄ねじ部４ａ１が形成され、貫入ロッド５の側の他端部に貫入ロッド５の雄ねじ部５１に螺合される雌ねじ部４ａ２が形成されている。集音ロッド４ａの一端部に形成された共鳴室４２にはマイクロフォン４１を収容する収容空間が形成されており、集音ロッド４ａの他端部に形成された共鳴室４２が閉塞部材４４にて閉塞されており、蓋体４３と閉塞部材４４との間で共鳴室４２が閉空間となっている。本実施形態における共鳴室４２は、雌ねじ部４ａ２の側から所定の直径（例えば５ｍｍ）の切削ドリルで穿孔した後、雌ねじ部４ａ２の側を貫入ロッド５と同種の材料から成る閉塞部材４４にて閉塞して形成される。

【0037】

図２に示すように、蓋体４３は、マイクロフォン４１を保持する弾性部材４３ａと、弾性部材４３ａを保持する分割部材４３ｂと、分割部材４３ｂを固定する固定部材４３ｃとを有しており。弾性部材４３ａは、分割部材４３ｂに係止される段部４３ａ１が形成されており、この段部４３ａ１により下方向の移動が規制された状態で分割部材４３ｂに挟圧されて固定されている。

【0038】

分割部材４３ｂは、ピン４３ｂ１により位置決めされた状態で対向する一対の半円筒部材で構成されており、複数（本実施形態では４つ）のボルトＢで固定部材４３ｃに固定されている。固定部材４３ｃは、円筒部材で構成されており、内周面に集音ロッド４ａの雄ねじ部４ａ１が螺合される雌ねじ部４３ｃ１が形成されている。このように形成された集音ユニット４の蓋体４３の上面には、マイクロフォン４１と土質判定装置１とを電気的に接続するケーブルＣが露出している。

【0039】

このように、共鳴室４２を内部に形成した集音ロッド４ａを設ければ、貫入ロッド５の内部に共鳴室４２を設ける必要が無く、従来の中実貫入ロッドに集音ユニット４を接続するだけで土質判定を行うことができる。しかも、地上に配置された集音ユニット４の集音ロッド４ａに共鳴室４２があるため、スクリューポイント５ｂ以外の貫入ロッド５とその周囲にある土との摩擦によって発生する音が直接的に共鳴室４２を伝播してノイズが増大するといった不都合がない。

【0040】

［第二実施形態］
第二実施形態に係る集音ユニット４及び貫入ロッド５について、図４を用いて説明する。本実施形態に係る集音ユニット４は、第一実施形態に係る集音ロッド４ａを省略して、蓋体４３を貫入ロッド５に接続する構成としている。つまり、蓋体４３の雌ねじ部４３ｃ１は、貫入ロッド５の雄ねじ部５１に螺合される。蓋体４３の構造は、第一実施形態と同様であるので、説明を省略する。

【0041】

貫入ロッド５は、共鳴室４２が内部に中空形成された円筒状に形成されている。貫入ロッド５は、同一形状で構成された複数のロッドが結合可能な継ぎ足し構造となっており、先端にスクリューポイント５ｂを有する一番目の第一貫入ロッド５ａを有している。

【0042】

１つの貫入ロッド５は、蓋体４３の側の一端部に雄ねじ部５１が形成され、他の貫入ロッド５の側の他端部に他の貫入ロッド５の雄ねじ部５１に螺合される雌ねじ部５２が形成されている。共鳴室４２は、貫入ロッド５の雄ねじ部５１の先端面と同等の開口面積を有する第一中空領域４２ａ１と、第一中空領域４２ａ１より縮径して軸方向に延在する第二中空領域４２ａ２と、第二中空領域４２ａ２よりも若干拡径してマイクロフォン４１を収容可能な第三中空領域４２ａ３とが連通して形成されている。このように、貫入ロッド５には、共鳴室４２としての中空領域４２ａ１，４２ａ２，４２ａ３が軸方向に沿って形成されている。

【0043】

スクリューポイント５ｂの内部に共鳴室４２（第一中空領域４２ａ１）と連通する中空空間を形成しても良いし、スクリューポイント５ｂを中実ドリルで形成しても良い。スクリューポイント５ｂの内部に中空空間を形成した場合、この中空空間にスクリューポイント５ｂの摩擦音が直接伝搬され、共鳴室４２を介してマイクロフォン４１が摩擦音を検出することとなる。つまり、本実施形態に係る中空領域４２ａ１，４２ａ２，４２ａ３は、貫入ロッド５のうちスクリューポイント５ｂの内部まで連続して形成されても良い。

【0044】

このように、貫入ロッド５に軸方向に沿う中空領域４２ａ１，４２ａ２，４２ａ３を設ければ、貫入ロッド５の軸方向長さ分に応じた共鳴室４２を確保できるため、空気振動の感度を高めることができる。なお、第二実施形態における貫入試験機Ｘは、スクリューウエイト貫入試験における土質判定用として使用することができる。つまり、ＪＩＳ Ａ １２２１に規定されるスクリューウエイト貫入試験には、従来のような中実貫入ロッドを備えた貫入試験機を用い、スクリューウエイト貫入試験の参照データ取得目的に第二実施形態における貫入試験機Ｘを使用すれば良い。

【0045】

第一実施形態及び第二実施形態に係る貫入試験機Ｘは、マイクロフォン４１が内蔵された集音ユニット４が貫入ロッド５に地上で接続されているため、マイクロフォン４１が出力した音信号を土質判定装置１まで接続するケーブルＣのケーブル長を短くすることができる。また、マイクロフォン４１やケーブルＣを貫入ロッド５に内蔵する必要が無いため、貫入ロッド５の回転時にケーブルＣが捻れて断線したり、スクリューポイント５ｂの強い振動を受けてマイクロフォン４１が破損したりする不具合も防止できる。さらに、貫入ロッド５の内部で断線ポイントを探す必要が無いため、複数の貫入ロッド５を継ぎ足した場合でも、貫入ロッド５を分解して修理する必要が無く、メンテナンスが容易である。また、集音ユニット４と貫入ロッド５とが着脱可能に螺合する形態であるため、土質判定時のみ集音ユニット４を装着すれば良く、マイクロフォン４１の振動ダメージを極めて小さくすることができる。

【0046】

第一実施形態及び第二実施形態における貫入ロッド５及び集音ユニット４の少なくとも何れか一方には、スクリューポイント５ｂの摩擦音が空気振動する共鳴室４２が軸方向に沿って形成されており、共鳴室４２の内部にマイクロフォン４１が位置している。つまり、貫入ロッド５の振動を直接計測するのではなく、共鳴室４２を伝播する空気振動の音を検出するものであり、周辺環境の影響を受け難く、検出感度が高い。その結果、音信号に基づく土質の判定精度を高めることができる。

【0047】

［土質判定装置及び土質判定方法］
図１に示すように、土質判定装置１の抽出部１３は、ケーブルＣから入力部１１を介してマイクロフォン４１が検出した音信号を取得し、共鳴室４２の大きさに応じた共振周波数に基づいて、スクリューポイント５ｂの音信号を抽出する。第一実施形態では、集音ロッド４ａの内部に共鳴室４２を形成しているため、軸方向の長さＬが一定であるが、第二実施形態では、貫入ロッド５の継ぎ足し本数によって共鳴室４２の軸方向の長さＬが変動する。共鳴室４２の大きさしての軸方向の長さＬとした場合、共振周波数ｆは、ｆ＝Ｖ（音速）×Ｌで算出することができる。抽出部１３は、この共振周波数ｆ未満の周波数成分を抽出するローパスフィルタを用いても良いし、共振周波数ｆに応じて求めた所定の低周波成分をノイズとして除去するハイパスフィルタを用いても良い。なお、抽出部１３を省略して、マイクロフォン４１が検出した音信号を全て用いても良い。

【0048】

土質判定装置１の判定部１４は、抽出部１３が抽出したスクリューポイント５ｂの音信号と、記憶部１２に記憶されている土質基準データとに基づいて、土質を判定する。土質基準データは、判定される土質毎に、当該土質であることを判定するための音の基準値を有している。この判定部１４の判定結果は、土質判定装置１の表示画面で表示したり、印字したり、制御装置９に送信したりされる。

【0049】

続いて、図５を用いて土質判定方法を説明する。本実施形態に係る土質判定方法は、スクリューポイント５ｂが所定位置（０．２５ｍの倍数）に到達したときに貫入ロッド５の移動を停止させる停止ステップ（図５の♯５３）と、停止ステップの後、貫入ロッド５に集音ユニット４を接続する接続ステップ（図５の♯５４）と、接続ステップの後、スクリューポイント５ｂを所定位置に維持しながら貫入ロッド５を回転させ、マイクロフォン４１が出力した音信号に基づいて判定部１４が土質を判定する判定ステップ（図５の♯５５）と、を含んでいる。

【0050】

集音ユニット４を装着していない状態の貫入試験機Ｘを用いて、ＳＷＳ試験（貫入試験）を実施する（＃５１）。上述したように、貫入試験では、制御装置９が回転モータ６及び昇降モータ８を制御して、所定位置（０．２５ｍの倍数）に到達するまで繰り返し実施する。そして、スクリューポイント５ｂが所定位置に到達したとき（＃５２Ｙｅｓ）、貫入試験を一時停止する（＃５３、停止ステップ）。このとき、制御装置９が昇降モータ８を制御して、貫入ロッド５に負荷される荷重がゼロとなる無荷重状態とする。

【0051】

集音ユニット４と土質判定装置１とを備えた土質判定システムＹを、貫入試験機Ｘと制御装置９との間に接続する（＃５４、接続ステップ）。このとき、集音ユニット４の荷重が貫入ロッド５に負荷されるため、貫入ロッド５に負荷される荷重がゼロとなるよう、制御装置９が昇降モータ８を制御する。次いで、制御装置９が回転モータ６を制御することにより無荷重状態で貫入ロッド５を回転させて、土質判定装置１が土質を判定する（♯５５、判定ステップ）。

【0052】

貫入ロッド５を回転させることにより、スクリューポイント５ｂの摩擦音が共鳴室４２の閉空間に空気振動し、マイクロフォン４１が検出した音のデジタル信号がケーブルＣを介して土質判定装置１に伝達される。このとき、制御装置９が回転モータ６の回転数や回転時間を予め設定された値で制御することにより、土質判定装置１が所定時間に亘ってデジタル信号を受信する。

【0053】

土質判定装置１の抽出部１３は、マイクロフォン４１が検出した音信号を取得し、共鳴室４２の大きさに応じた共振周波数に基づいて、スクリューポイント５ｂの音信号を抽出する。土質判定装置１の判定部１４は、抽出部１３が抽出したスクリューポイント５ｂの音信号と、記憶部１２に記憶されている土質基準データとに基づいて、土質を判定する。土質判定の具体的方法は、例えば、特許文献２（特開２０１５－２２４４８９号公報）に記載の方法を用いることができる。つまり、抽出部１３にて抽出された音信号と記憶部１２に記憶されている土質基準データ（土質の音信号の基準値）とを比較し、当該比較の結果に基づいて、所定位置毎の土質を判定する。土質の音信号の基準値としては、音信号の音圧レベル毎に細粒分含有率をマップ化したものが挙げられる。

【0054】

土質判定装置１による土質判定が終了した場合（＃５６Ｙｅｓ）、貫入試験を継続するとき（＃５７Ｙｅｓ）には、貫入試験機Ｘと制御装置９との間に接続された土質判定システムＹを取り外して、貫入試験を再開する（＃５８）。

【0055】

図６には、特許文献２（特開２０１５－２２４４８９号公報）に記載のようにスクリューポイント５ｂの内部に共鳴室及びマイクロフォンを設けた従来例と、第一実施形態における集音ユニット４を貫入ロッド５に地上で接続した本実施例との音圧レベルの比較図が示されている。比較例では、スクリューポイント５ｂの摩擦音が直接的に共鳴室に空気振動する空気音となるが、本実施例では、スクリューポイント５ｂの摩擦音が貫入ロッド５に固体音として伝搬し、この固体音が共鳴室４２を空気振動する空気音として伝搬する。図６に示すように、摩擦音の伝播経路が異なるにも関わらず、比較例と本実施例とを比べた場合、同等の音圧レベルとなったことから、本実施形態では、判定精度を維持しつつ、マイクロフォンやケーブルを貫入ロッド５に内蔵することなく耐久性の高めることができる点が実証できた。特に、本実施形態では、集音ユニット４が地上に設けられていることから周囲のノイズを拾うことも懸念されたが、スクリューポイント５ｂの摩擦音における固体音が共鳴室４２を空気振動する空気音として伝搬することにより、ノイズの影響を受けること無く、土質判定することができる事が分かる。

【0056】

［その他の実施形態］
（１）貫入試験機Ｘは、制御装置９により駆動制御される自動貫入試験機として説明したが、錘３ａを手動で着脱しながら貫入ロッド５を地中に貫入させる手動貫入試験機であっても良い。
（２）第一実施形態の集音ユニット４に接続される貫入ロッド５は、第二実施形態のように共鳴室４２としての中空領域が軸方向に沿って形成されていても良い。
（３）上述した実施形態では、マイクロフォン４１を共鳴室４２の端部に設けたが、共鳴室４２の途中に設けても良く、マイクロフォン４１が地上に位置している限り、設置位置は限定されない。
（４）上述した実施形態では、集音ユニット４と貫入ロッド５とが着脱可能に螺合している形態であったが、集音ユニット４と貫入ロッド５とを常時接続した形態であっても良い。

【産業上の利用可能性】

【0057】

本発明は、スクリューウエイト貫入試験の地盤調査に用いられる貫入試験機、貫入試験機を用いた土質判定方法、及び貫入試験機に使用される土質判定装置に利用可能である。

【符号の説明】

【0058】

１ ：土質判定装置
４ ：集音ユニット
４ａ ：集音ロッド
５ ：貫入ロッド
５ｂ ：スクリューポイント
１４ ：判定部
４１ ：マイクロフォン
４２ ：共鳴室
４２ａ１，４２ａ２，４２ａ３ ：中空領域
４３ ：蓋体
Ｘ ：貫入試験機
Ｙ ：土質判定システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】