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特開2024-34701地盤強度算出装置、地盤強度算出方法、および地盤強度算出プログラム
(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】P2024034701
(43)【公開日】2024-03-13
(54)【発明の名称】地盤強度算出装置、地盤強度算出方法、および地盤強度算出プログラム
(51)【国際特許分類】
E02D 1/02 20060101AFI20240306BHJP
E02D 7/02 20060101ALI20240306BHJP
【ＦＩ】
E02D1/02
E02D7/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022139137
(22)【出願日】2022-09-01
(71)【出願人】
【識別番号】591063486
【氏名又は名称】一般財団法人先端建設技術センター
(71)【出願人】
【識別番号】000129758
【氏名又は名称】株式会社ケー・エフ・シー
(74)【代理人】
【識別番号】100124039
【弁理士】
【氏名又は名称】立花 顕治
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 直人
(72)【発明者】
【氏名】阿波 宏司
(72)【発明者】
【氏名】山本 拓治
【テーマコード（参考）】
2D043
2D050
【Ｆターム（参考）】
2D043AA01
2D043AC01
2D043BA10
2D050AA06
2D050CB12
(57)【要約】
【課題】一定の体積の地盤を掘削するのに要した打撃力のエネルギーを算出することにより、より直接的に地盤強度を評価する。
【解決手段】本発明に係る地盤強度算出装置は、各時刻における掘削深度の単位時間当たりの変化量と、各時刻における削孔具の加速度より算出される単位時間当たりの打撃回数と、ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧とを用いて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーを演算する。
【選択図】図１４
【解決手段】本発明に係る地盤強度算出装置は、各時刻における掘削深度の単位時間当たりの変化量と、各時刻における削孔具の加速度より算出される単位時間当たりの打撃回数と、ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧とを用いて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーを演算する。
【選択図】図１４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ダウンザホールハンマにより削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機を用いて、前記地盤の強度を計測する地盤強度算出装置であって、
各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得部と、
各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得部と、
コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得部と、
前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算部と、
を備える地盤強度算出装置。
各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得部と、
各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得部と、
コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得部と、
前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算部と、
を備える地盤強度算出装置。
【請求項2】
前記演算部は、前記エア圧を用いて、1回の打撃当たりの前記打撃力のエネルギーを算出する、
請求項１に記載の地盤強度算出装置。
請求項１に記載の地盤強度算出装置。
【請求項3】
前記演算部は、
前記各時刻における前記削孔具の加速度から、前記削孔具による単位時間当たりの打撃回数を計測し、
前記1回の打撃当たりの前記打撃力のエネルギーに、前記単位時間当たりの打撃回数を乗じて、前記単位時間当たりの前記打撃力のエネルギーを算出する、
請求項２に記載の地盤強度算出装置。
前記各時刻における前記削孔具の加速度から、前記削孔具による単位時間当たりの打撃回数を計測し、
前記1回の打撃当たりの前記打撃力のエネルギーに、前記単位時間当たりの打撃回数を乗じて、前記単位時間当たりの前記打撃力のエネルギーを算出する、
請求項２に記載の地盤強度算出装置。
【請求項4】
各時刻における単位時間当たりの前記掘削深度の変化量を取得する変化量取得部をさらに備え、
前記演算部は、前記各時刻における単位時間当たりの前記掘削深度の変化量と、前記単位時間当たりの前記打撃力のエネルギーとを用いて、前記各時刻における、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを算出する、
請求項３に記載の地盤強度算出装置。
前記演算部は、前記各時刻における単位時間当たりの前記掘削深度の変化量と、前記単位時間当たりの前記打撃力のエネルギーとを用いて、前記各時刻における、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを算出する、
請求項３に記載の地盤強度算出装置。
【請求項5】
前記演算部は、前記各時刻における掘削深度と、前記各時刻における、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーとから、前記掘削深度ごとの、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを算出する、
請求項４に記載の地盤強度算出装置。
請求項４に記載の地盤強度算出装置。
【請求項6】
ダウンザホールハンマにより削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機を用いて、コンピュータが、前記地盤の強度を計測する地盤強度算出方法であって、
各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得ステップと、
各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得ステップと、
コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得ステップと、
前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算ステップと、
を実行する地盤強度算出方法。
各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得ステップと、
各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得ステップと、
コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得ステップと、
前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算ステップと、
を実行する地盤強度算出方法。
【請求項7】
ダウンザホールハンマにより削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機を用いて、前記地盤の強度を計測する地盤強度算出プログラムであって、
コンピュータに、
各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得ステップと、
各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得ステップと、
コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得ステップと、
前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算ステップと、
を実行させるための地盤強度算出プログラム。
コンピュータに、
各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得ステップと、
各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得ステップと、
コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得ステップと、
前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算ステップと、
を実行させるための地盤強度算出プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、地盤強度算出装置、地盤強度算出方法、および地盤強度算出プログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
橋梁、建物等の構造物の基礎として、および地滑り等の土塊の移動を抑制するために、鋼管杭が広く利用されている。この鋼管杭の施工では、鋼管杭の先端が、支持層となる強固な地盤まで到達していることが重要である。そのため、従来から、鋼管杭の先端が支持層まで到達していることを確認する様々な方法が開発されてきた。
【0003】
例えば、特許文献１では、削孔具による単位時間当たりの打撃回数を削孔具の掘削速度で除した後、削孔具の単位時間当たりの最大加速度振幅を乗じて算出する強度指標によって、地盤を掘削しつつ、地盤の強度を正確に判断する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－７０６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来の手法により算出される強度指標値は、地盤に対しての強度換算値であり、地盤強度を反映したものではあるが、直接的に地盤強度に相当するものではない。
【0006】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、一定の体積の地盤を掘削するのに要した打撃力のエネルギーを算出することにより、より直接的に地盤強度を評価できる、地盤強度算出装置および地盤強度算出プログラム等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】
【0007】
本発明は、上述した課題を解決するために、以下の構成を採用する。
【0008】
すなわち、第１の観点に係る地盤強度算出装置は、ダウンザホールハンマにより削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機を用いて、前記地盤の強度を計測する地盤強度算出装置であって、各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得部と、各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得部と、コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得部と、前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算部と、を備える。
【0009】
当該構成によれば、前記地盤強度算出装置は、前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する。ここで、係る単位体積当たりの打撃力のエネルギーは、一定の体積の地盤を掘削するのに要した打撃力のエネルギーを表している。それゆえ、前記地盤強度算出装置は、係る単位体積当たりの打撃力のエネルギーを掘削深度ごとに算出することにより、従来の地盤強度算出装置に比べて、より直接的に、掘削深度ごとに地盤の強度を評価することができる。
【0010】
第２の観点に係る地盤強度算出装置は、上記第１の観点に係る地盤強度算出装置において前記演算部は、前記エア圧を用いて、1回の打撃当たりの（つまり、１ストローク当たりの）前記打撃力のエネルギーを算出してもよい。当該構成によれば、前記地盤強度算出装置は、前記エア圧を用いて、1回の打撃当たりの打撃力のエネルギーを精緻に算出することができる。
【0011】
第３の観点に係る地盤強度算出装置は、上記第２の観点に係る地盤強度算出装置において前記演算部は、前記各時刻における前記削孔具の加速度から、前記削孔具による単位時間当たりの打撃回数を計測してもよく、前記1回の打撃当たりの打撃力のエネルギーに、前記単位時間当たりの打撃回数を乗じて、前記単位時間当たりの前記打撃力のエネルギーを算出してもよい。当該構成によれば、前記地盤強度算出装置は、前記各時刻における前記削孔具の加速度から、前記削孔具による単位時間当たりの打撃回数を計測することができる。そして、前記地盤強度算出装置は、計測した「単位時間当たりの打撃回数」を、前記1回の打撃当たりの打撃力のエネルギーに乗じて、前記単位時間当たりの前記打撃力のエネルギーを精緻に算出することができる。
【0012】
第４の観点に係る地盤強度算出装置は、上記第３の観点に係る地盤強度算出装置において、各時刻における単位時間当たりの前記掘削深度の変化量を取得する変化量取得部をさらに備えてもよい。例えば、前記変化量取得部は、前記各時刻における前記削孔具の掘削深度から、前記各時刻における単位時間当たりの前記掘削深度の変化量を取得してもよい。そして、前記演算部は、前記各時刻における単位時間当たりの前記掘削深度の変化量と、前記単位時間当たりの前記打撃力のエネルギーとを用いて、前記各時刻における、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを算出してもよい。当該構成によれば、前記地盤強度算出装置は、前記各時刻における単位時間当たりの前記掘削深度の変化量と、前記単位時間当たりの前記打撃力のエネルギーとを用いて、前記各時刻における前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを精緻に算出できる。
【0013】
第５の観点に係る地盤強度算出装置は、上記第４の観点に係る地盤強度算出装置において前記演算部は、前記各時刻における掘削深度と、前記各時刻における、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーとから、前記掘削深度ごとの、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを算出してもよい。当該構成によれば、前記地盤強度算出装置は、前記各時刻における掘削深度と、前記各時刻における、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーとから、前記掘削深度ごとの、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを精緻に算出することができる。
【0014】
上記各観点に係る地盤強度算出装置の別の態様として、本発明の一側面は、以上の各構成の全部またはその一部を実現する情報処理方法であってもよいし、プログラムであってもよいし、このようなプログラムを記憶した、コンピュータその他装置、機械等が読み取り可能な記憶媒体であってもよい。ここで、コンピュータ等が読み取り可能な記憶媒体とは、プログラム等の情報を、電気的、磁気的、光学的、機械的、または、化学的作用によって蓄積する媒体である。また、本発明の一側面は、上記いずれかの形態に係る地盤強度算出装置により構成される分類システムであってもよい。
【0015】
例えば、第６の観点に係る地盤強度算出方法は、ダウンザホールハンマにより削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機を用いて、コンピュータが、前記地盤の強度を計測する地盤強度算出方法であって、各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得ステップと、各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得ステップと、コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得ステップと、前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算ステップと、を実行する。
【0016】
また、第７の観点に係る地盤強度算出プログラムは、ダウンザホールハンマにより削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機を用いて、前記地盤の強度を計測する地盤強度算出プログラムであって、コンピュータに、各時刻における前記削孔具の掘削深度を取得する掘削深度取得ステップと、各時刻における前記削孔具の加速度を取得する加速度取得ステップと、コンプレッサから前記ダウンザホールハンマへと供給される圧縮空気のエア圧を取得するエア圧取得ステップと、前記掘削深度ごとに、前記地盤の単位体積当たりの前記打撃力のエネルギーを演算する演算ステップと、を実行させる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、一定の体積の地盤を掘削するのに要した打撃力のエネルギーを算出することにより、より直接的に地盤強度を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
【図1】本発明が適用される場面の一例を模式的に示す。
【図2】本発明の一実施形態に係る掘削機の構成の一例を例示する。
【図5】エンコーダによって測定された時刻ごとの掘削深度の波形データの一例、および、加速度センサによって測定された時刻ごとの振動の波形データの一例を例示する。
【図12】ピストンを介して削孔ビットへと伝達される力について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、本発明の一側面に係る実施の形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。ただし、以下で説明する本実施形態は、あらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。つまり、本発明の実施にあたって、実施形態に応じた具体的構成が適宜採用されてもよい。なお、本実施形態において登場するデータを自然言語により説明しているが、より具体的には、コンピュータが認識可能な疑似言語、コマンド、パラメタ、マシン語等で指定される。
【0020】
§１ 適用例
まず、図１を用いて、本発明が適用される場面について説明する。図１は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１の適用場面の一例を模式的に例示する。図１の例では、地盤強度算出装置１は、鋼管杭を打設する位置ＣＰを掘削する掘削機２に設けられ、例えば、地盤の掘削の進行に伴って地盤の強度を算出可能に構成される。図１に示す例には、鋼管杭を打設する位置ＣＰに掘削機２が配置されている。この掘削機２は、ダウンザホールハンマ２５により削孔具（後述する削孔ビット２８）に打撃を加えて地盤を掘削するタイプの掘削機である。オペレータは、操作盤２２１を介して掘削機２の駆動装置２２を操作することで、対象の位置ＣＰを掘削し、鋼管５を打設する削孔を形成することができる。掘削の際には、エア供給ホース９を介してコンプレッサ７から駆動装置２２へと圧縮空気が供給される。係る圧縮空気により、ダウンザホールハンマ２５は、削孔ビット２８に打撃を加えるようになっており、係る圧縮空気のエア圧Ｐairはエア圧力計８によって計測される。地盤強度算出装置１は、このような掘削機２のガイドセル２１に取り付けられた情報処理装置である。
まず、図１を用いて、本発明が適用される場面について説明する。図１は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１の適用場面の一例を模式的に例示する。図１の例では、地盤強度算出装置１は、鋼管杭を打設する位置ＣＰを掘削する掘削機２に設けられ、例えば、地盤の掘削の進行に伴って地盤の強度を算出可能に構成される。図１に示す例には、鋼管杭を打設する位置ＣＰに掘削機２が配置されている。この掘削機２は、ダウンザホールハンマ２５により削孔具（後述する削孔ビット２８）に打撃を加えて地盤を掘削するタイプの掘削機である。オペレータは、操作盤２２１を介して掘削機２の駆動装置２２を操作することで、対象の位置ＣＰを掘削し、鋼管５を打設する削孔を形成することができる。掘削の際には、エア供給ホース９を介してコンプレッサ７から駆動装置２２へと圧縮空気が供給される。係る圧縮空気により、ダウンザホールハンマ２５は、削孔ビット２８に打撃を加えるようになっており、係る圧縮空気のエア圧Ｐairはエア圧力計８によって計測される。地盤強度算出装置１は、このような掘削機２のガイドセル２１に取り付けられた情報処理装置である。
【0021】
地盤強度算出装置１は、エア圧Ｐairを用いて１ストローク（１回）の打撃当たりの打撃力のエネルギーＥstを算出し、さらに、エネルギーＥstに所定時間（単位時間）毎の打撃回数Ｎｈを乗じて、所定時間当たりの打撃力のエネルギーＥptを算出する。その上で、地盤強度算出装置１は、エネルギーＥptと掘削深度の単位時間（例えば、１秒）当たりの変化量Ａｐとを用いて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）であるＥbitを算出する。係るＥbitは、一定の体積の地盤を掘削するのに要した打撃力のエネルギーを表している。それゆえ、地盤強度算出装置１は、係るＥbitを掘削深度ごとに算出することにより、従来の地盤強度算出装置に比べて、より直接的に、掘削深度ごとの地盤の強度を評価することができる。以下、地盤強度算出装置１および掘削機２について、その詳細に説明する。
【0022】
§２ 構成例
［掘削機］
次に、掘削機２について、図２も参照しつつ詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る掘削機２の削孔機構の一例を例示する。図２に示すように、この掘削機２は、ダウンザホールハンマ２５によって、いわゆる回転打撃式で掘削する削孔機構を備えている。
［掘削機］
次に、掘削機２について、図２も参照しつつ詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る掘削機２の削孔機構の一例を例示する。図２に示すように、この掘削機２は、ダウンザホールハンマ２５によって、いわゆる回転打撃式で掘削する削孔機構を備えている。
【0023】
より詳細に説明すると、この掘削機２は、地盤上に立設される柱状のガイドセル２１と、当該ガイドセル２１に対してチェーン駆動により上下方向に昇降自在に取り付けられた駆動装置２２と、を備えている。駆動装置２２の回転軸には、打設する鋼管５内に挿入可能な中空の削孔ロッド２３が取り付けられており、削孔ロッド２３の先端には、ガイドスリーブ２４を介して、ダウンザホールハンマ２５が取り付けられている。さらに、ダウンザホールハンマ２５には、ガイドデバイス２６を介して、削孔ビット２８が取り付けられている。削孔ビット２８は、本発明の「削孔具」に相当する。一方、外管であり杭となる鋼管５の先端には、ケーシングシュー５１が取り付けられている。ケーシングシュー５１は、その先方に削孔ビット２８を突出させた状態でガイドデバイス２６と係合するように構成されている。
【0024】
前述の通り、掘削の際には、駆動装置２２に、コンプレッサ７から圧縮空気が供給される。駆動装置２２は、削孔ロッド２３を所定方向に回転させながら、当該削孔ロッド２３内に圧縮空気を送り込む。削孔ロッド２３内に送り込まれた圧縮空気は、ガイドスリーブ２４を介してダウンザホールハンマ２５内のシリンダに送入される。この圧縮空気により、ダウンザホールハンマ２５は、その内部のピストン２５１（ハンマピストン）を往復させて、削孔ビット２８を含むビット部分に打撃を加えるようになっている。加えて、削孔ロッド２３の回転により削孔ビット２８も回転している。この回転および打撃により、掘削面が削られていく。すなわち、掘削機２は、削孔ビット２８を回転させながら、ダウンザホールハンマ２５により削孔ビット２８に打撃を加えることで地盤を掘削する。
【0025】
ここで、削孔ビット２８は、偏心拡径構造を有している。すなわち、掘削の際に、削孔ビット２８を所定方向（例えば、左ネジ方向）に回転させると、ガイドデバイス２６がケーシングシュー５１に係合し、削孔ビット２８は、ケーシングシュー５１の先から突出した後に、径方向外側に飛び出す、すなわち、拡径する。これにより、削孔ビット２８は、鋼管５よりもやや大きい径の孔を掘削する。削孔ビット２８に設けられているリーマ２７は、削孔ビット２８が地盤を掘削している際に、偏心拡径して削孔を横方向に拡げる。
【0026】
なお、外管である鋼管５は、打撃力も回転力も受けないが、ケーシングシュー５１がガイドデバイス２６に係合していることによって、削孔ビット２８の推進と共に牽引されて、地中に貫入打設されていく。また、削孔ビット２８が地中に進むにつれて、駆動装置２２も下方に移動していく。
【0027】
一方、掘削を終了して、削孔ビット２８を回収する際には、削孔ビット２８を上記とは反対方向に回転させる。これにより、ガイドデバイス２６とケーシングシュー５１との係合は外れると共に、削孔ビット２８の拡径は解除される。そのため、鋼管５内を挿通させて、削孔ビット２８を回収することができる。以上のような構成により、本実施形態に係る掘削機２は、鋼管５を打設する孔を掘削することができる。
【0028】
［地盤強度算出装置］
（ハードウェア構成）
次に、図３を用いて、地盤強度算出装置１のハードウェア構成の一例を説明する。図３は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１のハードウェア構成の一例を模式的に例示する。図３に示すように、この地盤強度算出装置１は、制御部１１、制御部１１で実行されるプログラム１２１等を記憶する記憶部１２、および、外部装置と接続するための外部インタフェース１３が電気的に接続されたコンピュータである。制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含む。なお、図３では、外部インタフェースを「外部Ｉ／Ｆ」と記載している。
（ハードウェア構成）
次に、図３を用いて、地盤強度算出装置１のハードウェア構成の一例を説明する。図３は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１のハードウェア構成の一例を模式的に例示する。図３に示すように、この地盤強度算出装置１は、制御部１１、制御部１１で実行されるプログラム１２１等を記憶する記憶部１２、および、外部装置と接続するための外部インタフェース１３が電気的に接続されたコンピュータである。制御部１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含む。なお、図３では、外部インタフェースを「外部Ｉ／Ｆ」と記載している。
【0029】
この地盤強度算出装置１には、各外部インタフェース１３を介して、エンコーダ１５、加速度センサ１６、および、エア圧力計８が接続されている。
【0030】
エンコーダ１５は、掘削機２（特に、削孔ビット２８）の掘削深度を取得するために用いられる。このエンコーダ１５には、各時刻における掘削深度を測定可能な公知のエンコーダが適宜採用されてよい。例えば、エンコーダ１５として、ムトーエンジニアリング社製のＤ１０００Ｚ等のワイヤ式リニアエンコーダを利用することができる。
【0031】
ワイヤ式リニアエンコーダは、ワイヤの引出し量で装置の移動距離を計測するエンコーダである。このワイヤ式リニアエンコーダによれば、駆動装置２２を昇降させるチェーンの移動量を計測することができる。図１および図２に示されるように、エンコーダ１５は、例えば、ガイドセル２１の上端付近に取り付けられる。
【0032】
チェーンの移動量は、駆動装置２２の降下量に対応し、駆動装置２２の降下量は、掘削機２の削孔ビット２８の貫入量（掘削深度）に対応する。そのため、地盤強度算出装置１は、ワイヤ式リニアエンコーダ（エンコーダ１５）の測定データ（例えば、後述する第１データＤｔ１）に基づいて、掘削機２の掘削深度（例えば、各時刻における、掘削深度）を算出する。また、地盤強度算出装置１は、各時刻における掘削深度から、単位時間当たりのチェーンの移動量を算出し、係る単位時間当たりのチェーンの移動量を、各時刻における「掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」として取得することができる。すなわち、地盤強度算出装置１は、エンコーダ１５から、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度、および、各時刻における「掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」のそれぞれを示す情報（データ）を取得することができる。
【0033】
一方、加速度センサ１６は、地盤の打撃を行う掘削機２（特に、削孔ビット２８）の単位時間当たりの打撃回数Ｎｈを取得するために用いられる。この加速度センサ１６には、対象物の加速度を測定可能な公知の加速度センサが適宜採用されてよい。例えば、加速度センサ１６として、テクノサイエンス社製のＢＬ１００を利用することができる。
【0034】
本実施形態では、加速度センサ１６は、ガイドセル２１の上端側に取り付けられている。ガイドセル２１には、駆動装置２２および削孔ロッド２３を介して、ダウンザホールハンマ２５による打撃の振動が伝達する。すなわち、ガイドセル２１は、ダウンザホールハンマ２５が削孔ビット２８を打撃するのに応じて振動している。
【0035】
したがって、ガイドセル２１に取り付けた加速度センサ１６によって、ダウンザホールハンマ２５の打撃に応じた振動を測定することができる。そのため、地盤強度算出装置１は、加速度センサ１６の測定データ（例えば、後述する第２データＤｔ２）に基づいて、削孔ビット２８の打撃回数Ｎｈをカウントし、打撃回数情報を取得することができる。加速度センサは安価に入手可能であるため、本実施形態によれば、地盤強度算出装置１の製造コストを抑えることができる。
【0036】
なお、加速度センサ１６を取り付ける位置は、このような例に限定されなくてもよく、削孔ビット２８の打撃による振動を測定可能な位置であれば、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、加速度センサ１６は、駆動装置２２に取り付けられてもよい。
【0037】
エア圧力計８は、エア供給ホース９を介してコンプレッサ７から駆動装置２２へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐair（例えば、ピストン２５１の１ストローク当たりの（つまり、1回の打撃当たりの）、エア圧Ｐair）を計測するために用いられる。詳細は後述するが、地盤強度算出装置１は、加速度センサ１６によって計測される振動から、各打撃を特定することができ、つまり、各打撃の時刻を特定することができる。そこで、地盤強度算出装置１は、各打撃の時刻と、エア圧力計８によって計測される経時的なエア圧Ｐairとから、１ストローク当たり（つまり、各打撃）のエア圧Ｐairを特定することができる。例えば、地盤強度算出装置１は、各打撃の時刻に対応するエア圧Ｐairを、「１ストローク当たりの（つまり、各打撃の）エア圧Ｐair」として特定する。このエア圧力計８には、圧縮空気のエア圧を測定可能な公知のエア圧計が適宜採用されてよい。本実施形態では、エア圧力計８は、エア供給ホース９中を流れる圧縮空気のエア圧Ｐairを計測可能な位置に設けられている。
【0038】
例えば、エア圧力計８は、コンプレッサ７から掘削機２（駆動装置２２）へと圧縮空気を供給する過程において、掘削機２側（つまり、ダウンザホールハンマ２５に近い側）で、圧縮空気のエア圧を所定の間隔（例えば、２５６Ｈｚ）で測定する。ここで、一般的に、コンプレッサ７側で設定されたエア圧を維持するように、コンプレッサ７は駆動装置２２へ送る圧縮空気の風量を自動調整するが、掘削機２側で圧縮空気を消費することにより、圧縮空気のエア圧が或る程度（例えば、１０％程度）低下する。そこで、エア圧力計８は、所定の間隔でエア圧を測定し、測定したエア圧を、「コンプレッサ７から駆動装置２２へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐair」として地盤強度算出装置１に通知する（出力する）。つまり、エア圧力計８は、掘削機２が圧縮空気を消費した分のエア圧の変動（エア圧の低下）を精密に測定し、「コンプレッサ７から駆動装置２２へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐair」を示す情報として、その測定結果を地盤強度算出装置１に通知できる。
【0039】
また、記憶部１２は、例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等の補助記憶装置である。記憶部１２に記憶されるプログラム１２１は、地盤強度算出装置１の制御部１１に各構成要素を制御させ、後述する地盤強度算出に関する各処理を実行させるためのプログラムである。このプログラム１２１は、本発明の「地盤強度算出プログラム」に相当する。このプログラム１２１は、記憶媒体９１に記憶されていてもよい。
【0040】
記憶媒体９１は、コンピュータその他装置、機械等が記録されたプログラム等の情報を読み取り可能なように、当該プログラム等の情報を、電気的、磁気的、光学的、機械的または化学的作用によって蓄積する媒体である。本実施形態に係る地盤強度算出装置１は、外部インタフェース１３を介してドライブ１８に接続可能であり、このドライブ１８により記憶媒体９１に記憶された情報を読み取ることで、プログラム１２１を取得してもよい。
【0041】
なお、図３では、記憶媒体９１の一例として、ＣＤ（Compact Disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のディスク型の記憶媒体が例示されている。しかしながら、記憶媒体９１の種類は、ディスク型に限定される訳ではなく、ディスク型以外であってもよい。ディスク型以外の記憶媒体として、例えば、フラッシュメモリ等の半導体メモリを挙げることができる。
【0042】
本実施形態に係る地盤強度算出装置１は、以上のようなハードウェア構成を有する。ただし、地盤強度算出装置１の具体的なハードウェア構成に関して、実施の形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換、および追加が可能である。例えば、制御部１１は、複数のプロセッサを含んでもよい。また、地盤強度算出装置１は、提供されるサービス専用に設計された情報処理装置の他、デスクトップ型ＰＣ（Personal Computer）、タブレットＰＣ等の汎用の情報処理装置であってもよい。さらに、地盤強度算出装置１は、１または複数台の情報処理装置により構成されてもよい。
【0043】
（ソフトウェア構成）
次に、図４を用いて、地盤強度算出装置１の機能構成の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１の機能構成の一例を模式的に例示する。本実施形態では、地盤強度算出装置１の制御部１１が、記憶部１２に記憶されたプログラム１２１をＲＡＭに展開する。そして、制御部１１は、ＲＡＭに展開されたプログラム１２１をＣＰＵにより解釈および実行して、各構成要素を制御する。これにより、地盤強度算出装置１は、掘削深度取得部１１１、変化量取得部１１２、加速度取得部１１３、エア圧取得部１１４、演算部１１５、出力部１１６、および、履歴作成部１１７を備えるコンピュータとして機能する。以下、これらの機能構成について説明する。
次に、図４を用いて、地盤強度算出装置１の機能構成の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１の機能構成の一例を模式的に例示する。本実施形態では、地盤強度算出装置１の制御部１１が、記憶部１２に記憶されたプログラム１２１をＲＡＭに展開する。そして、制御部１１は、ＲＡＭに展開されたプログラム１２１をＣＰＵにより解釈および実行して、各構成要素を制御する。これにより、地盤強度算出装置１は、掘削深度取得部１１１、変化量取得部１１２、加速度取得部１１３、エア圧取得部１１４、演算部１１５、出力部１１６、および、履歴作成部１１７を備えるコンピュータとして機能する。以下、これらの機能構成について説明する。
【0044】
掘削深度取得部１１１は、削孔ビット２８の掘削深度を取得し、特に、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を取得する。例えば、掘削深度取得部１１１は、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を示す第１データＤｔ１（深度－時刻（経過時間）データ）を取得する。第１データＤｔ１は、エンコーダ１５によって計測された、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度（移動量）を示す情報であってもよい。第１データＤｔ１は、例えば、図５の上段に例示するような、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を示すデータである。掘削深度取得部１１１は、第１データＤｔ１を、ＣＳＶ形式のデータとして取得してもよい（読み込んでもよい）。
【0045】
掘削深度取得部１１１は、取得した第１データＤｔ１から「掘削時（掘削期間）におけるデータ」を抽出し、すなわち、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄを抽出する。例えば、エンコーダ１５から取得する第１データＤｔ１には、「杭鋼管（鋼管５）を接続するために駆動装置２２をいったん上に引き上げてから、再度、削孔打設していくまでの時間（期間）」などの非掘削期間のデータが含まれていると考えられる。そこで、掘削深度取得部１１１は、取得した第１データＤｔ１から非掘削期間のデータを除去して、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄを抽出する。抽出深度データＥｄｄは、例えば、図６に例示するような、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示すデータである。掘削深度取得部１１１は、第１データＤｔ１から抽出した抽出深度データＥｄｄを、演算部１１５に出力する。掘削深度取得部１１１は、抽出深度データＥｄｄを、演算部１１５に加えて変化量取得部１１２に出力してもよい。
【0046】
変化量取得部１１２は、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを取得し、特に、各時刻における掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ（例えば、掘削期間中の各時刻における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ）を取得する。変化量取得部１１２は、取得した「掘削期間中の各時刻における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」を、演算部１１５に出力する。
【0047】
変化量取得部１１２は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄから、「掘削期間中の各時刻における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」を取得してもよい（計測してもよい）。例えば、変化量取得部１１２は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄから、掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの削孔ビット２８の移動量（掘削深度の変化量）を計測する。変化量取得部１１２は、計測した「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの削孔ビット２８の移動量」を「掘削期間中の各時刻における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」として取得する。
【0048】
加速度取得部１１３は、削孔ビット２８の加速度Ａbitを取得し、特に、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを取得する。例えば、加速度取得部１１３は、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示す第２データＤｔ２（加速度－時刻（経過時間）データ）を取得する。第２データＤｔ２は、加速度センサ１６によって計測された、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示す情報であってもよい。第２データＤｔ２は、例えば、図５の下段に例示するような、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示すデータである。加速度取得部１１３は、第２データＤｔ２を、ＣＳＶ形式のデータとして取得してもよい（読み込んでもよい）。
【0049】
加速度取得部１１３は、取得した第２データＤｔ２から掘削時（掘削期間）のデータを抽出し、すなわち、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示す抽出加速度データＥｄａを抽出する。第１データＤｔ１と同様に、加速度センサ１６から取得する第２データＤｔ２には、非掘削期間のデータが含まれていると考えられる。そこで、加速度取得部１１３は、取得した第２データＤｔ２から非掘削期間のデータを除去して、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示す抽出加速度データＥｄａを抽出する。抽出加速度データＥｄａは、例えば、図７に例示するような、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示すデータである。
【0050】
加速度取得部１１３は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示す抽出加速度データＥｄａからノイズを除去し、例えば、フィルタを適用してノイズを除去する。係るフィルタの一例として、１～３０Ｈｚの周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタを挙げることができる。ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａを図８に例示する。加速度取得部１１３は、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａを、演算部１１５に出力する。
【0051】
上述の通り、掘削深度取得部１１１は、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を示す第１データＤｔ１（深度－時刻（経過時間）データ）から、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄを抽出する。また、加速度取得部１１３は、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示す第２データＤｔ２（加速度－時刻（経過時間）データ）から、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示す抽出加速度データＥｄａを抽出する。例えば、掘削深度取得部１１１および加速度取得部１１３は、それぞれ、時刻の変化に対して深度および加速度Ａbitの少なくとも一方の変化がない期間のデータを、「非掘削期間」のデータとして、第１データＤｔ１および第２データＤｔ２から除去してもよい。また、掘削深度取得部１１１および加速度取得部１１３は、それぞれ、所定の掘削深度まで達した時刻から、係る所定の掘削深度よりも浅い掘削深度が表れる時刻までの期間のデータを、「非掘削期間」のデータとして、第１データＤｔ１および第２データＤｔ２から除去してもよい。さらに、掘削深度取得部１１１および加速度取得部１１３は、それぞれ、加速度Ａbitが所定期間以上「０」である期間のデータを、「非掘削期間」のデータとして、第１データＤｔ１および第２データＤｔ２から除去してもよい。図５に示す例では、時刻ｔ０～ｔ１、ｔ２～ｔ３、ｔ４～ｔ５の期間が「掘削時（掘削期間）」とされ、時刻ｔ１～ｔ２、ｔ３～ｔ４、ｔ５～の期間は、「非掘削期間」とされる。そこで、掘削深度取得部１１１は、第１データＤｔ１における、時刻ｔ０～ｔ１、ｔ２～ｔ３、ｔ４～ｔ５の期間のデータを、抽出深度データＥｄｄとして取得する（抽出する）。また、加速度取得部１１３は、第２データＤｔ２における、時刻ｔ０～ｔ１、ｔ２～ｔ３、ｔ４～ｔ５の期間のデータを、抽出加速度データＥｄａとして取得する（抽出する）。
【0052】
エア圧取得部１１４は、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを取得し、例えば、１ストローク当たりの（つまり、1回の打撃当たりの）エア圧Ｐairを示すデータを取得する。エア圧取得部１１４が取得するエア圧Ｐair示すデータは、エア圧力計８によって計測された「コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐair」を示す情報であってもよい。例えば、エア圧取得部１１４は、エア圧力計８から、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気の、１ストローク当たりのエア圧Ｐairを示すデータを取得してもよい。エア圧取得部１１４は、エア圧Ｐairを示すデータを、ＣＳＶ形式のデータとして取得してもよい（読み込んでもよい）。エア圧取得部１１４は、掘削深度取得部１１１および加速度取得部１１３と同様に、エア圧力計８から取得する「各時刻におけるエア圧Ｐairを示すデータ」から、「掘削時（掘削期間中）」の「（１ストローク当たりの）エア圧Ｐairを示すデータ」を抽出してもよい。すなわち、エア圧取得部１１４は、「（１ストローク当たりの）エア圧Ｐairを示すデータ」から、「非掘削期間」のデータを除去して、「掘削期間中」の「（１ストローク当たりの）エア圧Ｐairを示すデータ」を抽出してもよい。エア圧取得部１１４は、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを示す情報（データ）を、演算部１１５に出力する。例えば、エア圧取得部１１４は、「１ストローク当たりのエア圧Ｐairを示すデータ（特に、掘削期間中の、１ストローク当たりのエア圧Ｐairを示すデータ）」を、演算部１１５に出力する。
【0053】
演算部１１５は、掘削深度ごとに、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーを示すＥbitを演算する。すなわち、演算部１１５は、掘削深度ごとに、削孔ビット２８による単位時間当たりの打撃回数Ｎｈと、エア圧Ｐairとを用いて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを演算する。具体的には、演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」から、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の単位時間（例えば、１秒）毎の打撃回数Ｎｈ」を計測する。また、演算部１１５は、掘削期間中の１ストローク当たりのエア圧Ｐairを用いて、掘削期間中の１ストローク当たり（つまり、１回の打撃当たり）の打撃力のエネルギーを示す打撃力のエネルギーＥstを算出する。そして、演算部１１５は、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstに「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の単位時間（例えば、１秒）毎の打撃回数Ｎｈ」を乗じて、「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」を算出する。演算部１１５は、係る「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」と「掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」とを用いて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）であるＥbitを算出する。
【0054】
（各時刻における、単位時間毎の打撃回数の計測）
演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示す抽出加速度データＥｄａから、「各時刻における、削孔ビット２８による単位時間（例えば、１秒）毎の打撃回数Ｎｈ」を計測する。例えば、演算部１１５は、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａから、「各時刻における、削孔ビット２８による単位時間毎の打撃回数Ｎｈ」を計測する。以下、その詳細を説明する。
演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示す抽出加速度データＥｄａから、「各時刻における、削孔ビット２８による単位時間（例えば、１秒）毎の打撃回数Ｎｈ」を計測する。例えば、演算部１１５は、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａから、「各時刻における、削孔ビット２８による単位時間毎の打撃回数Ｎｈ」を計測する。以下、その詳細を説明する。
【0055】
前述の通り、掘削機２には、加速度センサ１６が設けられており、加速度センサ１６は、削孔ビット２８の打撃に応じた振動（加速度Ａbit）を測定する。加速度取得部１１３は、加速度センサ１６によって測定された各時刻における振動（加速度Ａbit）を、第２データＤｔ２として取得し、取得した第２データＤｔ２から抽出加速度データＥｄａを抽出し、さらに、ノイズを除去する。演算部１１５は、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａによって示される、掘削期間中の加速度（加速度振幅）の波形に対して、単位時間（例えば、１秒）毎にＦＦＴ等の周波数解析を行う。周波数解析に際して演算部１１５は、短時間フーリエ変換（Short-time Fourier transform、Short-term Fourier transform、ＳＴＦＴ）を用いてもよい。係る周波数解析により、演算部１１５は、掘削期間中の、単位時間毎の周波数と加速度Ａbit（加速度振幅）との関係を示す情報を特定する。演算部１１５が周波数解析により特定する「掘削期間における、単位時間毎の周波数と加速度振幅との関係を示す情報」は、例えば、図９に例示するグラフによって示される情報であってもよい。図９に例示するグラフは、演算部１１５が上述の周波数解析により特定する、「掘削期間における、単位時間毎の周波数と加速度振幅との関係」の一例を示している。
【0056】
そして、演算部１１５は、係る「掘削期間における、単位時間毎の周波数と加速度振幅との関係」を示す情報から、「各単位時間（例えば１秒）において、最も大きな加速度振幅（最大加速度）」を抽出する。さらに、演算部１１５は、係る最大加速度（最大加速度振幅）の周波数を特定する。つまり、演算部１１５は、「各単位時間において、最も加速度振幅が大きい周波数」を特定する。係る「各単位時間において、最も加速度振幅が大きい周波数」は、「各単位時間における（つまり、単位時間毎の）打撃回数Ｎｈ」と見なすことができる。すなわち、加速度振幅が最大であるということは、削孔ビット２８による打撃力のエネルギーが最も高いこと、つまり、実際に打撃を行っていることを意味する。そのため、演算部１１５は、「掘削期間における、単位時間毎の周波数と加速度振幅との関係」を示す情報から、各打撃を特定することができ、例えば、各打撃の時刻を特定することができる。そして、削孔ビット２８による単位時間毎の打撃回数Ｎｈは、単位時間毎の振動回数、つまり周波数として現れる。そのため、各単位時間において加速度振幅が最大である周波数は、単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈと見なすことができる。図１０は、上述の手法により、演算部１１５が「掘削期間における、単位時間毎の周波数と加速度振幅との関係」を示す情報から算出した、「掘削期間における、単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈ」を示す図である。
【0057】
ここで、演算部１１５は、「掘削期間における、単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈ」を計測するに際して、抽出した最大加速度から異常データを除去してもよい。例えば、演算部１１５は、閾値Ｔｈを設定して、係る閾値Ｔｈ以下の最大加速度を示すデータを、「掘削期間における、単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈ」を計測するに際して、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａから除去してもよい。演算部１１５は、閾値Ｔｈを、以下のように設定してもよい。
【0058】
すなわち、演算部１１５は、「掘削期間における、単位時間毎の周波数と加速度振幅との関係」を示す情報から抽出した「各単位時間（例えば１秒）における、最も大きな加速度振幅（最大加速度）」の頻度分布（最大加速度頻度分布）を算出する。図１１は、演算部１１５が算出する最大加速度頻度分布の一例を示す図である。演算部１１５は、図１１に例示されるような最大加速度頻度分布から、最大加速度が現地盤よりも小さくなるスライム掘削等の異常データを除去するための閾値Ｔｈを設定する。図１１に示す例では、演算部１１５は、紙面左端の点線で示した楕円で囲まれるデータを異常データとし、係る異常データを除去するための閾値Ｔｈを設定する。そして、演算部１１５は、設定した閾値Ｔｈよりも大きな最大加速度（最大加速度振幅）の周波数から、「単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈ」を計測する。
【0059】
（１ストローク当たりの打撃力のエネルギーの算出）
演算部１１５は、掘削期間中の１ストローク当たりのエア圧Ｐairを用いて、掘削期間中の１ストローク当たり（つまり、１回の打撃当たり）の打撃力のエネルギーを示す打撃力のエネルギーＥstを算出する。例えば、演算部１１５は、打撃力のエネルギーＥstを、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairから算出する。以下、演算部１１５による打撃力のエネルギーＥstの算出について、その詳細を説明する。
演算部１１５は、掘削期間中の１ストローク当たりのエア圧Ｐairを用いて、掘削期間中の１ストローク当たり（つまり、１回の打撃当たり）の打撃力のエネルギーを示す打撃力のエネルギーＥstを算出する。例えば、演算部１１５は、打撃力のエネルギーＥstを、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairから算出する。以下、演算部１１５による打撃力のエネルギーＥstの算出について、その詳細を説明する。
【0060】
図１２に示すように、圧縮空気の圧力（エア圧）Ｐair（ＭＰａ＝Ｎ／ｍｍ2）がピストン２５１（ハンマピストン）内を通過することにより伝達される力Ｆair［Ｎ］は、ピストン２５１の直径（ピストン内直径）をΦ［ｍｍ］として、以下の数式（１）により表わされる。
【数1】
【0061】
この力Ｆairが、ピストン２５１（質量Ｍpiston［ｋｇ］）を各ストロークにおいてＬｓ［ｍｍ］動かした時の速度でもって、削孔ビット２８（質量Ｍbit［ｋｇ］）に作用すると考える。今、初速を０とし、エア圧Ｐairにより、ピストン２５１の速度Ｖpistonを求めると、以下のようになる。すなわち、運動方程式（力＝質量×加速度）により、先ず以下の数式（２）が成立する。
【数2】
【0062】
したがって、ピストン２５１の速度Ｖpistonは、以下の数式（３）によって表すことができる。
【数3】
【0063】
そして、各ストロークにおいてＬs［ｍｍ］移動するのに必要な時間ｔsは、以下の数式（４）、数式（５）、および、数式（６）により算出される。
【数4】
【数5】
【数6】
【0064】
したがって、ピストン２５１の速度Ｖpistonは、以下の数式（７）で表される。
【数7】
【0065】
今、ピストン２５１が削孔ビット２８に衝突する時は、一次弾性衝突であり、削孔ビット２８は静止しているとすれば、削孔ビット２８の速度Ｖbitは、以下の数式（８）で表される。
【数8】
【0066】
削孔ビット２８の速度Ｖbitが得られたので、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstは、以下の数式（９）で表される。
【数9】
【0067】
以上に説明した通り、地盤強度算出装置１（演算部１１５）は、１ストローク（１回の打撃）当たりの打撃力のエネルギーＥstを、削孔ビット２８の質量Ｍbit［ｋｇ］と、削孔ビット２８の速度Ｖbitとにより算出することができる。そして、数式（１）～（８）を用いて説明した通り、速度Ｖbitは、エア圧Ｐairを用いて算出することができる。具体的には、演算部１１５は、エア圧Ｐair、ピストン２５１の直径φ、削孔ビット２８の質量Ｍbit、ピストン２５１の質量Ｍpiston、および、１ストロークにおけるピストン２５１の移動距離Ｌsによって、削孔ビット２８の速度Ｖbitを算出することができる。つまり、地盤強度算出装置１（例えば、演算部１１５）は、掘削期間中の１ストローク当たりのエア圧Ｐairを用いて、例えば、エア圧Ｐairを用いて算出される速度Ｖbitを用いて、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstを算出することができる。
【0068】
特に、演算部１１５が「１ストローク当たりの打撃力のエネルギーを示す打撃力のエネルギーＥst」を算出するのに用いるエア圧Ｐairは、上述の通り、単位時間（例えば、１秒）に対して十分に短い所定の間隔（例えば、２５６Ｈｚ）で測定されたものである。そのため、係るエア圧Ｐairは、掘削機２が掘削により消費したエア圧の変動分（エア圧の低下分）を高精度に示している。そこで、演算部１１５は、掘削機２が掘削により消費したエア圧の変動分を高精度に示すエア圧Ｐairを用いて、「１ストローク当たりの打撃力のエネルギーを示す打撃力のエネルギーＥst」を精緻に算出することができる。
【0069】
（単位時間当たりの打撃力のエネルギーの算出）
演算部１１５は、上述の方法によって「掘削期間中の、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥst」を求めると、さらに、「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」を算出する。すなわち、演算部１１５は、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstに、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の単位時間（例えば、１秒）毎の打撃回数Ｎｈ」を乗じて、「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」を算出する。
演算部１１５は、上述の方法によって「掘削期間中の、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥst」を求めると、さらに、「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」を算出する。すなわち、演算部１１５は、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstに、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の単位時間（例えば、１秒）毎の打撃回数Ｎｈ」を乗じて、「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」を算出する。
【0070】
（単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）の算出）
演算部１１５は、掘削期間中の各時刻における、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）であるＥbitを算出する。演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」と、変化量取得部１１２により取得された「掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」とを用いて、掘削期間中の各時刻における、打撃掘削体積比エネルギーＥbitを算出する。例えば、演算部１１５は、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptに、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐと、削孔ビット２８による削孔径とを乗じて、「掘削期間中の各時刻における、打撃掘削体積比エネルギーＥbit」を算出する。
演算部１１５は、掘削期間中の各時刻における、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）であるＥbitを算出する。演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」と、変化量取得部１１２により取得された「掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」とを用いて、掘削期間中の各時刻における、打撃掘削体積比エネルギーＥbitを算出する。例えば、演算部１１５は、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptに、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐと、削孔ビット２８による削孔径とを乗じて、「掘削期間中の各時刻における、打撃掘削体積比エネルギーＥbit」を算出する。
【0071】
（各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギーの算出）
演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄと、「掘削期間中の各時刻における、打撃掘削体積比エネルギーＥbit」とから、各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを算出する。演算部１１５は、算出した「各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbit」を出力部１１６に通知する。「各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbit」は、「各掘削深度における（つまり、掘削深度毎の）、打撃掘削体積比エネルギーＥbit」と言い換えてもよい。「各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbit」は、「各掘削深度における、一定の体積の地盤を掘削するのに要した打撃力のエネルギー」を表している。
演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄと、「掘削期間中の各時刻における、打撃掘削体積比エネルギーＥbit」とから、各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを算出する。演算部１１５は、算出した「各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbit」を出力部１１６に通知する。「各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbit」は、「各掘削深度における（つまり、掘削深度毎の）、打撃掘削体積比エネルギーＥbit」と言い換えてもよい。「各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbit」は、「各掘削深度における、一定の体積の地盤を掘削するのに要した打撃力のエネルギー」を表している。
【0072】
演算部１１５は、さらに、変化量取得部１１２が取得した「掘削期間中の各時刻における掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ」と、「（掘削期間中の）各時刻における削孔ビット２８の掘削深度」とから、以下の情報を生成してもよい。すなわち、演算部１１５は、「各掘削深度における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ（掘進速度）を示す情報」を生成してもよい。演算部１１５は、生成した「各掘削深度における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示す情報」を出力部１１６に通知（出力）してもよい。
【0073】
出力部１１６は、演算部１１５によって算出された「各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbit」を出力し、例えば、外部の表示装置等（一例を挙げれば、操作盤２２１）に出力して、係る情報を表示させる。
【0074】
また、出力部１１６は、演算部１１５により生成された「各掘削深度における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示す情報」を、「各掘削深度における打撃掘削体積比エネルギーＥbitを示す情報」と併せて、外部の表示装置等に出力してもよい。図１３は、出力部１１６が出力する、「各掘削深度における打撃掘削体積比エネルギーＥbitを示す情報」等の一例を示す図である。
【0075】
履歴作成部１１７は、例えば、演算部１１５が生成した「各掘削深度における打撃掘削体積比エネルギーＥbitを示す情報」を、記憶部１２等の記憶装置に保存する。また、履歴作成部１１７は、演算部１１５が生成した「各掘削深度における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示す情報」等を、「各掘削深度における打撃掘削体積比エネルギーＥbitを示す情報」と併せて、記憶装置に保存してもよい。
【0076】
なお、本実施形態では、これらの機能がいずれも汎用のＣＰＵによって実現される例を説明している。しかしながら、これらの機能の一部または全部が、１または複数の専用のプロセッサにより実現されてもよい。また、地盤強度算出装置１の機能構成に関して、実施形態に応じて、適宜、機能の省略、置換、および追加が行われてもよい。例えば、「各掘削深度における打撃掘削体積比エネルギーＥbitを示す情報」等を保存しない場合には、履歴作成部１１７は省略されてもよい。各機能に関しては後述する動作例で詳細に説明する。
【0077】
§３ 動作例
次に、図１４を用いて、地盤強度算出装置１の動作例を説明する。図１４は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１による地盤強度算出の処理手順の一例を例示する。以下で説明する処理手順は、本発明の「地盤強度算出方法」に相当する。ただし、以下で説明する処理手順は一例に過ぎず、各処理は可能な限り変更されてよい。
次に、図１４を用いて、地盤強度算出装置１の動作例を説明する。図１４は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１による地盤強度算出の処理手順の一例を例示する。以下で説明する処理手順は、本発明の「地盤強度算出方法」に相当する。ただし、以下で説明する処理手順は一例に過ぎず、各処理は可能な限り変更されてよい。
【0078】
（ステップＳ１１０）
まず、ステップＳ１１０では、制御部１１は、掘削深度取得部１１１、加速度取得部１１３、および、エア圧取得部１１４として機能し、第１データＤｔ１、第２データＤｔ２、および、圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを取得する。第１データＤｔ１（深度－時刻（経過時間）データ）は、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を示すデータである。第２データＤｔ２（加速度－時刻（経過時間）データ）は、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示すデータである。圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータは、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータである。例えば、制御部１１は、ＣＳＶ形式の第１データＤｔ１、第２データＤｔ２、および、圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを読み込む。ステップＳ１１０は、本発明の「掘削深度取得ステップ」、「加速度取得ステップ」、および、「エア圧取得ステップ」の一例である。
まず、ステップＳ１１０では、制御部１１は、掘削深度取得部１１１、加速度取得部１１３、および、エア圧取得部１１４として機能し、第１データＤｔ１、第２データＤｔ２、および、圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを取得する。第１データＤｔ１（深度－時刻（経過時間）データ）は、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を示すデータである。第２データＤｔ２（加速度－時刻（経過時間）データ）は、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示すデータである。圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータは、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータである。例えば、制御部１１は、ＣＳＶ形式の第１データＤｔ１、第２データＤｔ２、および、圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを読み込む。ステップＳ１１０は、本発明の「掘削深度取得ステップ」、「加速度取得ステップ」、および、「エア圧取得ステップ」の一例である。
【0079】
（ステップＳ１２０）
ステップＳ１２０では、制御部１１は、掘削深度取得部１１１および加速度取得部１１３として機能し、第１データＤｔ１および第２データＤｔ２のそれぞれから、掘削時（掘削期間）のデータを抽出する。すなわち、制御部１１は、第１データＤｔ１から非掘削期間のデータを除去して、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄを抽出する。また、制御部１１は、第２データＤｔ２から非掘削期間のデータを除去して、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示す抽出加速度データＥｄａを抽出する。
ステップＳ１２０では、制御部１１は、掘削深度取得部１１１および加速度取得部１１３として機能し、第１データＤｔ１および第２データＤｔ２のそれぞれから、掘削時（掘削期間）のデータを抽出する。すなわち、制御部１１は、第１データＤｔ１から非掘削期間のデータを除去して、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄを抽出する。また、制御部１１は、第２データＤｔ２から非掘削期間のデータを除去して、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の加速度Ａbit」を示す抽出加速度データＥｄａを抽出する。
【0080】
（ステップＳ１３０）
ステップＳ１３０では、制御部１１は、加速度取得部１１３として機能し、Ｓ１２０の抽出後の加速度－時刻データから、つまり、抽出加速度データＥｄａから、ノイズを除去する。例えば、制御部１１は、抽出加速度データＥｄａにバンドパスフィルタ（１～３０Ｈｚ）を適用してノイズを除去する。
ステップＳ１３０では、制御部１１は、加速度取得部１１３として機能し、Ｓ１２０の抽出後の加速度－時刻データから、つまり、抽出加速度データＥｄａから、ノイズを除去する。例えば、制御部１１は、抽出加速度データＥｄａにバンドパスフィルタ（１～３０Ｈｚ）を適用してノイズを除去する。
【0081】
（ステップＳ１４０）
ステップＳ１４０では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、ノイズ除去後の加速度－時刻データに対して、つまり、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａに対して、周波数解析を実行する。例えば、制御部１１は、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａに対し、単位時間（例えば、１秒）毎にＦＦＴ（ＳＴＦＴ）をかけ、周波数と加速度Ａbitとの関係を解析する。
ステップＳ１４０では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、ノイズ除去後の加速度－時刻データに対して、つまり、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａに対して、周波数解析を実行する。例えば、制御部１１は、ノイズ除去後の抽出加速度データＥｄａに対し、単位時間（例えば、１秒）毎にＦＦＴ（ＳＴＦＴ）をかけ、周波数と加速度Ａbitとの関係を解析する。
【0082】
（ステップＳ１５０）
ステップＳ１５０では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、Ｓ１４０の解析によって特定した「単位時間毎の周波数と加速度Ａbit（加速度振幅）との関係」から、単位時間毎の最大加速度を抽出し、打撃回数Ｎｈと加速度Ａbitとの関係を特定する。すなわち、制御部１１は、抽出した最大加速度（最大加速度振幅）の周波数から、「単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈ」を計測する。
ステップＳ１５０では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、Ｓ１４０の解析によって特定した「単位時間毎の周波数と加速度Ａbit（加速度振幅）との関係」から、単位時間毎の最大加速度を抽出し、打撃回数Ｎｈと加速度Ａbitとの関係を特定する。すなわち、制御部１１は、抽出した最大加速度（最大加速度振幅）の周波数から、「単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈ」を計測する。
【0083】
（ステップＳ１６０）
ステップＳ１６０では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、ステップＳ１５０で抽出した最大加速度の頻度分布（最大加速度頻度分布）を算出し、異常データを除去するための閾値Ｔｈを設定する。例えば、制御部１１は、最大加速度頻度分布を描いて、係る最大加速度頻度分布に基づいて、最大加速度が現地盤よりも小さくなるスライム掘削等の異常データを除去するための閾値Ｔｈを設定する。制御部１１は、設定した閾値Ｔｈ以下の最大加速度のデータを、単位時間毎の打撃回数Ｎｈを計測する際に参照するデータから除去してもよい（除外してもよい）。すなわち、制御部１１は、設定した閾値Ｔｈよりも大きな最大加速度（最大加速度振幅）の周波数から、「単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈ」を計測してもよい。
ステップＳ１６０では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、ステップＳ１５０で抽出した最大加速度の頻度分布（最大加速度頻度分布）を算出し、異常データを除去するための閾値Ｔｈを設定する。例えば、制御部１１は、最大加速度頻度分布を描いて、係る最大加速度頻度分布に基づいて、最大加速度が現地盤よりも小さくなるスライム掘削等の異常データを除去するための閾値Ｔｈを設定する。制御部１１は、設定した閾値Ｔｈ以下の最大加速度のデータを、単位時間毎の打撃回数Ｎｈを計測する際に参照するデータから除去してもよい（除外してもよい）。すなわち、制御部１１は、設定した閾値Ｔｈよりも大きな最大加速度（最大加速度振幅）の周波数から、「単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数Ｎｈ」を計測してもよい。
【0084】
（ステップＳ１７０）
ステップＳ１７０では、制御部１１は、変化量取得部１１２として機能し、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示すデータを取得する。例えば、制御部１１は、掘削期間中の各時刻における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示すデータを取得する。制御部１１は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄから、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを計測してもよい。
ステップＳ１７０では、制御部１１は、変化量取得部１１２として機能し、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示すデータを取得する。例えば、制御部１１は、掘削期間中の各時刻における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示すデータを取得する。制御部１１は、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」を示す抽出深度データＥｄｄから、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを計測してもよい。
【0085】
（ステップＳ１８１）
ステップＳ１８１では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを用いて、１ストローク当たり（つまり、１回の打撃当たり）の打撃力のエネルギーＥstを算出する。上述の通り、制御部１１は、例えば、エア圧Ｐairに基づいて算出される速度Ｖbitを用いて、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstを算出する。
ステップＳ１８１では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを用いて、１ストローク当たり（つまり、１回の打撃当たり）の打撃力のエネルギーＥstを算出する。上述の通り、制御部１１は、例えば、エア圧Ｐairに基づいて算出される速度Ｖbitを用いて、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstを算出する。
【0086】
（ステップＳ１８２）
ステップＳ１８２では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptを算出する。すなわち、制御部１１は、Ｓ１８１において算出した１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstに、Ｓ１５０において計測した単位時間毎の打撃回数Ｎｈを乗じて、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptを算出する。
ステップＳ１８２では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptを算出する。すなわち、制御部１１は、Ｓ１８１において算出した１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstに、Ｓ１５０において計測した単位時間毎の打撃回数Ｎｈを乗じて、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptを算出する。
【0087】
（ステップＳ１８３）
ステップＳ１８３では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、「単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」と、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐとを用いて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbitを算出する。すなわち、制御部１１は、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptに、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ（×削孔ビット２８による削孔径）を乗じて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbitを算出する。制御部１１は、係る地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを、掘削期間中の各時刻について算出する。そして、演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、打撃掘削体積比エネルギーＥbit」と、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」とから、各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを算出する。ステップＳ１４０、Ｓ１５０、Ｓ１８１～Ｓ１８３は、本発明の「演算ステップ」の一例である。
ステップＳ１８３では、制御部１１は、演算部１１５として機能し、「単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥpt」と、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐとを用いて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbitを算出する。すなわち、制御部１１は、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptに、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐ（×削孔ビット２８による削孔径）を乗じて、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbitを算出する。制御部１１は、係る地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを、掘削期間中の各時刻について算出する。そして、演算部１１５は、「掘削期間中の各時刻における、打撃掘削体積比エネルギーＥbit」と、「掘削期間中の各時刻における、削孔ビット２８の掘削深度」とから、各掘削深度における単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを算出する。ステップＳ１４０、Ｓ１５０、Ｓ１８１～Ｓ１８３は、本発明の「演算ステップ」の一例である。
【0088】
（ステップＳ１９０）
ステップＳ１９０では、制御部１１は、出力部１１６として機能し、Ｓ１８３にて生成した「各掘削深度における、単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbit」を出力する。すなわち、制御部１１は、各時刻における掘削深度と、ステップＳ１８３において算出した「（各時刻における）地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbit」とから、各掘削深度における、単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを出力する。制御部１１は、「各掘削深度における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示す情報」等を、「各掘削深度における、単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbit」と併せて出力してもよい。
ステップＳ１９０では、制御部１１は、出力部１１６として機能し、Ｓ１８３にて生成した「各掘削深度における、単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbit」を出力する。すなわち、制御部１１は、各時刻における掘削深度と、ステップＳ１８３において算出した「（各時刻における）地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギー（打撃掘削体積比エネルギー）Ｅbit」とから、各掘削深度における、単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを出力する。制御部１１は、「各掘削深度における、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示す情報」等を、「各掘削深度における、単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbit」と併せて出力してもよい。
【0089】
＜その他＞
なお、上記処理手順について、実施の形態に応じて、適宜、ステップの省略、置換、および追加が可能である。例えば、掘削期間中のデータへの抽出、ノイズ除去、および、スライム掘削等の異常データを除去するための閾値Ｔｈの設定を行なわない場合、上記ステップＳ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１６０の処理は省略されてもよい。
なお、上記処理手順について、実施の形態に応じて、適宜、ステップの省略、置換、および追加が可能である。例えば、掘削期間中のデータへの抽出、ノイズ除去、および、スライム掘削等の異常データを除去するための閾値Ｔｈの設定を行なわない場合、上記ステップＳ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１６０の処理は省略されてもよい。
【0090】
また、本実施形態に係る地盤強度算出装置１には、スピーカ、ディスプレイ等の出力装置が無線或いは有線で接続していてもよい。この場合、制御部１１は、出力装置を介して、「掘削深度毎の、単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを示す情報」および「掘削深度毎の、掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを示す情報」等を出力してもよい。これにより、オペレータは、出力される情報に基づいて、掘削している地盤の強度を確認しながら、操作盤２２１を操作して、掘削機２による鋼管５の打設を行うことができる。
【0091】
以上に説明した通り、本実施形態に係る地盤強度算出方法は、掘削機２を用いて、地盤強度算出装置１（コンピュータ）が地盤の強度を計測する地盤強度算出方法である。掘削機２は、ダウンザホールハンマ２５により削孔ビット２８（削孔具）に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する。本実施形態に係る地盤強度算出方法は、掘削深度取得ステップ（Ｓ１１０）と、加速度取得ステップ（Ｓ１１０）と、エア圧取得ステップ（Ｓ１１０）と、を実行する。掘削深度取得ステップは、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を示す第１データＤｔ１（深度－時刻（経過時間）データ）を取得する。加速度取得ステップは、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示す第２データＤｔ２（加速度－時刻（経過時間）データ）を取得する。エア圧取得ステップは、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを取得する。本実施形態に係る地盤強度算出方法は、さらに、「掘削深度ごとに、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを演算する」演算ステップ（Ｓ１４０、Ｓ１５０、Ｓ１８１～Ｓ１８３）を実行する。
【0092】
［特徴］
以上の通り、本実施形態に係る地盤強度算出装置１は、ダウンザホールハンマ２５により削孔ビット２８（削孔具）に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機２を用いて、地盤の強度を計測する地盤強度算出装置である。地盤強度算出装置１は、掘削深度取得部１１１、加速度取得部１１３、エア圧取得部１１４、および、演算部１１５を備える。掘削深度取得部１１１は、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を示す第１データＤｔ１（深度－時刻（経過時間）データ）を取得する。加速度取得部１１３は、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示す第２データＤｔ２（加速度－時刻（経過時間）データ）を取得する。エア圧取得部１１４は、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを取得する。演算部１１５は、掘削深度ごとに、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを演算する。
以上の通り、本実施形態に係る地盤強度算出装置１は、ダウンザホールハンマ２５により削孔ビット２８（削孔具）に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機２を用いて、地盤の強度を計測する地盤強度算出装置である。地盤強度算出装置１は、掘削深度取得部１１１、加速度取得部１１３、エア圧取得部１１４、および、演算部１１５を備える。掘削深度取得部１１１は、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度を示す第１データＤｔ１（深度－時刻（経過時間）データ）を取得する。加速度取得部１１３は、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitを示す第２データＤｔ２（加速度－時刻（経過時間）データ）を取得する。エア圧取得部１１４は、コンプレッサ７からダウンザホールハンマ２５へと供給される圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを取得する。演算部１１５は、掘削深度ごとに、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを演算する。
【0093】
当該構成によれば、地盤強度算出装置１は、掘削深度ごとに、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを演算する。ここで、係る単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitは、一定の体積の地盤を掘削するのに要した打撃力のエネルギーを表している。それゆえ、地盤強度算出装置１は、係る単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを掘削深度ごとに算出することにより、従来の地盤強度算出装置に比べて、より直接的に、掘削深度ごとに地盤の強度を評価することができる。
【0094】
演算部１１５は、エア圧Ｐairを用いて、１ストローク当たり（つまり、１回の打撃当たり）の打撃力のエネルギーを示す打撃力のエネルギーＥstを算出する。当該構成によれば、地盤強度算出装置１は、エア圧Ｐairを用いて、1回の打撃当たりの打撃力のエネルギーＥstを精緻に算出することができる。数式（１）～（９）を用いて説明したように、地盤強度算出装置１は、例えば、エア圧Ｐairに基づいて算出される速度Ｖbitを用いて、１ストローク当たりの打撃力のエネルギーＥstを精緻に算出することができる。
【0095】
演算部１１５は、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitから、削孔ビット２８による単位時間当たりの打撃回数Ｎｈを計測する。そして、演算部１１５は、1回の打撃当たりの打撃力のエネルギーＥstに、単位時間当たりの打撃回数Ｎｈを乗じて、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptを算出する。当該構成によれば、地盤強度算出装置１は、各時刻における削孔ビット２８の加速度Ａbitから、削孔ビット２８による単位時間当たりの打撃回数Ｎｈを計測することができる。そして、地盤強度算出装置１は、計測した「単位時間当たりの打撃回数Ｎｈ」を、1回の打撃当たりの打撃力のエネルギーＥstに乗じて、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptを精緻に算出することができる。
【0096】
地盤強度算出装置１はさらに変化量取得部１１２を備え、変化量取得部１１２は、各時刻における掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを取得する。例えば、変化量取得部１１２は、各時刻における削孔ビット２８の掘削深度から、各時刻における掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐを取得してもよい。演算部１１５は、各時刻における掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐと、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptとを用いて、各時刻における、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを算出する。当該構成によれば、地盤強度算出装置１は、各時刻における掘削深度の単位時間当たりの変化量Ａｐと、単位時間当たりの打撃力のエネルギーＥptとを用いて、各時刻における、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを精緻に算出することができる。
【0097】
演算部１１５は、各時刻における掘削深度と、各時刻における、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitとから、掘削深度ごとの、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを算出する。当該構成によれば、地盤強度算出装置１は、各時刻における掘削深度と、各時刻における、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitとから、掘削深度ごとの、地盤の単位体積当たりの打撃力のエネルギーＥbitを精緻に算出することができる。
【0098】
§４ 変形例
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。
【0099】
＜４．１＞
例えば、上記実施形態では、地盤強度算出装置１は、ガイドセル２１に取り付けられている。しかしながら、地盤強度算出装置１の配置は、このような例に限定されなくてもよく、ガイドセル２１以外の場所に配置されてもよい。
例えば、上記実施形態では、地盤強度算出装置１は、ガイドセル２１に取り付けられている。しかしながら、地盤強度算出装置１の配置は、このような例に限定されなくてもよく、ガイドセル２１以外の場所に配置されてもよい。
【0100】
また、例えば、エンコーダ１５、加速度センサ１６、エア圧力計８が無線通信可能であれば、地盤強度算出装置１は、エンコーダ１５、加速度センサ１６、エア圧力計８と無線通信可能な範囲に適宜配置してもよい。この場合、地盤強度算出装置１は、エンコーダ１５、加速度センサ１６、エア圧力計８から定期的に測定データを受信してもよい。地盤強度算出装置１は、受信した測定データを適宜処理することで、第１データＤｔ１、第２データＤｔ２、圧縮空気のエア圧Ｐairを示すデータを取得することができる。
【0101】
また、例えば、上記実施形態では、地盤強度算出装置１は、エンコーダ１５、加速度センサ１６、エア圧力計８に直接接続されている。しかしながら、地盤強度算出装置１とエンコーダ１５、加速度センサ１６、エア圧力計８との間に無線通信可能なコンピュータ（以下、「通信装置」と記載する）を配置してもよい。すなわち、エンコーダ１５、加速度センサ１６、エア圧力計８を通信装置に接続し、地盤強度算出装置１は、通信装置を介して、エンコーダ１５、加速度センサ１６、エア圧力計８の測定データを取得してもよい。
【0102】
なお、鋼管杭の打設は、電源の存在しない場所で行われる場合がある。このような場合には、可能な限り、電気の消費の少ない方法で、上記地盤強度算出の処理が実行されるのが好ましい。そのため、このような場合には、各装置間で無線通信を行うのではなく、上記実施形態のように、通信の少ない方法を採用するのが好ましい。なお、地盤強度算出装置１には、適宜、バッテリを内蔵させてよい。
＜４．２＞
上記実施形態では、ワイヤ式リニアエンコーダにより掘削深度を取得している。しかしながら、掘削深度を測定する方法は、このような例に限定されなくてもよく、ワイヤ式リニアエンコーダ以外のエンコーダが用いられてもよいし、エンコーダ以外のセンサが用いられてもよい。例えば、掘削深度の測定には、ロータリエンコーダを用いることができる。
＜４．２＞
上記実施形態では、ワイヤ式リニアエンコーダにより掘削深度を取得している。しかしながら、掘削深度を測定する方法は、このような例に限定されなくてもよく、ワイヤ式リニアエンコーダ以外のエンコーダが用いられてもよいし、エンコーダ以外のセンサが用いられてもよい。例えば、掘削深度の測定には、ロータリエンコーダを用いることができる。
【符号の説明】
【0103】
１…地盤強度算出装置、２…掘削機、１２１…プログラム、９１…記憶媒体、
２５…ダウンザホールハンマ、２８…削孔ビット（削孔具）、１１１…掘削深度取得部、
１１２…変化量取得部、１１３…加速度取得部、１１４…エア圧取得部１１４、
１１５…演算部１１５、
Ａbit…加速度、Ａｐ…掘削深度の単位時間当たりの変化量、
Ｅbit…単位体積当たりの打撃力のエネルギー、
Ｅst…１回の打撃当たりの打撃力のエネルギー、
Ｅpt…単位時間当たりの打撃力のエネルギー、
Ｐair…エア圧、Ｎｈ…単位時間当たりの打撃回数、
Ｓ１１０…掘削深度取得ステップ、Ｓ１１０…加速度取得ステップ、
Ｓ１１０…エア圧取得ステップ、Ｓ１４０…演算ステップ、Ｓ１５０…演算ステップ、
Ｓ１８１…演算ステップ、Ｓ１８２…演算ステップ、Ｓ１８３…演算ステップ
２５…ダウンザホールハンマ、２８…削孔ビット（削孔具）、１１１…掘削深度取得部、
１１２…変化量取得部、１１３…加速度取得部、１１４…エア圧取得部１１４、
１１５…演算部１１５、
Ａbit…加速度、Ａｐ…掘削深度の単位時間当たりの変化量、
Ｅbit…単位体積当たりの打撃力のエネルギー、
Ｅst…１回の打撃当たりの打撃力のエネルギー、
Ｅpt…単位時間当たりの打撃力のエネルギー、
Ｐair…エア圧、Ｎｈ…単位時間当たりの打撃回数、
Ｓ１１０…掘削深度取得ステップ、Ｓ１１０…加速度取得ステップ、
Ｓ１１０…エア圧取得ステップ、Ｓ１４０…演算ステップ、Ｓ１５０…演算ステップ、
Ｓ１８１…演算ステップ、Ｓ１８２…演算ステップ、Ｓ１８３…演算ステップ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
