JP6651945B2 - 土質区分装置及び土質区分方法 - Google Patents

Description

本発明は、土質を区分するための土質区分装置及び土質区分方法に関する。

建設工事や土木工事において工事現場における地面の掘削によって生じる建設発生土を再生資源として利用することがある（非特許文献１を参照）。この場合、土質区分を判定しておく必要がある。この発生土の土質区分は、コーン指数と土質材料の工学的分類体系を指標として判定し、そのままで利用可能な土と、改質等などの措置が必要な土とに区分する。コーン指数はコーン貫入試験に応じて特定され、土質材料の工学的分類は粒度試験に応じて特定される。

また、土質区分を判定する場合、貫入ロッドを地中に貫入する貫入試験を行なうこともある。そして、この貫入試験により取得した試験パラメータから土質区分を判定する土質判定方法が検討されている（特許文献１を参照）。この文献に記載された土質判定方法では、先端に貫入体を有する貫入ロッドを地中に回転貫入し、段階的に貫入ロッドに負荷する荷重を変化させながら、貫入ロッドの回転トルク及び貫入量を測定する。この貫入試験において、累積貫入量の変化に対する回転トルクの変化の割合を示す試験パラメータに基づいて土質を判定する。

特開２０１４−１３４０６５号公報

国土交通省、「発生土利用基準について」、［online］、［平成２８年２月２９日検索］、インターネット、＜ＵＲＬ：http://www.mlit.go.jp/sogoseisaku/region/recycle/pdf/recyclehou/manual/180810hassei.pdf＞

ところで、建設発生土は土嚢袋等に格納されている場合がある。この建設発生土の土質を判定するには、この袋等に記録されている出所の情報を利用する場合がある。また、土嚢袋を開けて土砂を採取し、土質試験等で確認を行なう場合もある。出所が不明の土嚢袋については、後者の方法によって土質を判定する。

しかしながら、出所の情報により土質を推定できる土嚢袋においても、判定した土質別に土嚢袋を手作業で仕分ける必要がある。このため、この仕分け作業のための作業負荷や作業時間が必要になる。

更に、土質試験には専門的なスキルが必要であるため、土質区分に要する時間やコストの負担が大きかった。また、サンプリング試料に基づいて土質試験を行なった場合には、土嚢袋に収納された土の全量について的確な判定が困難である。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、この目的は、所定の利用目的で使用する土について効率的かつ的確に土質を区分するための土質区分装置及び土質区分方法を提供することにある。

上記課題を解決するための土質区分装置は、ベルトコンベア上で搬送される搬送土の含水比を算出する水分測定部と、前記搬送土の形状を算出する形状測定部と、前記搬送土の重量を取得する重量測定部と、前記形状、重量及び含水比に基づいて乾燥密度を算出し、前記形状及び乾燥密度に基づいて、前記搬送土の土質を判定する制御部を備える。これにより、ベルトコンベア上の搬送土全量について、連続的に土質を判定することができる。

・上記土質区分装置においては、前記制御部は、前記土質の判定結果に基づいて、前記ベルトコンベアを制御して、前記搬送土を選別することが好ましい。これにより、土質に応じて、搬送土を選別することができる。

・上記土質区分装置においては、前記ベルトコンベアには成形器が設けられており、前記形状測定部は、前記成形器を通過後の前記搬送土の形状を特定することが好ましい。これにより、砂質土や粘性土等を、形状に基づいて判定することができる。

・上記土質区分装置においては、前記成形器は、前記ベルトコンベアの上方に配置され、搬送される搬送土の高さを制限する規制部材であることが好ましい。これにより、ベルトコンベア上の搬送土の形状変化に基づいて、土質を判定することができる。

・上記土質区分装置においては、前記制御部は、前記形状の断面積と形状基準値とを比較して土質を判定することが好ましい。これにより、ベルトコンベア上に設置された搬送土の高さに基づいて、形状を評価することができる。

・上記土質区分装置においては、前記制御部は、更に含水比に基づいて土質を判定することが好ましい。これにより、含水比を考慮して、土質を判定することができる。

本発明によれば、所定の利用目的で使用する土について、効率的かつ的確に土質を区分することができる。

本実施形態の土質区分装置の全体概略図。 本実施形態の成形器の説明図。 本実施形態における成形器による搬送土の成形の説明図。 本実施形態における搬送土の形状の説明図であって、（ａ）は砂質土の正面、（ｂ）は砂質土の側面、（ｃ）は粘性土の正面、（ｄ）は粘性土の側面の説明図。 本実施形態の土質区分装置の測定部の説明図。 本実施形態の処理手順の説明図。

以下、図１〜図６に従って、土質区分装置の一実施形態を説明する。本実施形態では、ベルトコンベア上を搬送される搬送土全量を連続的に測定し、得られた測定結果を組み合わせてリアルタイムに土質を判定する。

図１に示すように、土質区分装置Ａ１は、搬送土の供給源としてのホッパーＨ1から供給され、ベルトコンベアＢ１上を搬送される搬送土を、ベルトコンベアＢ１周辺に設置された測定部１０を用いて全量を連続的に測定し、得られた測定結果を組み合わせてリアルタイムに土質を判定する。

そして、ベルトコンベアＢ１の終端に設置された反転ベルコン３０により、そのままで再生利用できる土（砂質土）と、改質等の処置が必要な土（粘性土）とに分別する。この場合、反転ベルコン３０により、砂質土をベルトコンベアＢ２により搬送し、粘性土をベルトコンベアＢ３により搬送する。

図２は、成形器１５が配置された領域の斜視図である。この成形器１５は、搬送土から所定の形状を作るために用いられる。本実施形態では、成形器１５として、ベルトコンベアＢ１の上方の所定の高さ位置に配置された板状物を用いる。
図３に示すように、側面から見た場合、成形器１５により、ベルトコンベアＢ１上で搬送される搬送土の頭頂部が崩されて形状（搬送形態）が変化する。

図４（ａ）に示すように、搬送方向の正面から見た場合、柔らかい砂質土については、成形器１５が配置された高さで、頭頂部が成形されて平坦になる。側面から見た場合も、図４（ｂ）に示すように、ベルトコンベアＢ１上の搬送土は、搬送方向に対して、比較的に平坦に成形される。

一方、粘性がある粘性土については、図４（ｃ）に示すように、搬送方向の正面から見た場合、成形器１５に、ベルトコンベアＢ１上に積み上げられた搬送土がぶつかったとき、塊（ダマ）が生じる。図４（ｄ）に示すように、ベルトコンベアＢ１上の搬送土は、搬送方向に対しても、高さが不均一になる。

図５は、土質区分装置Ａ１の測定部１０の説明図である。測定部１０には、水分計１１、レーザスキャナ１２、ベルトスケール１３が設けられている。
水分計１１は、ベルトコンベアＢ１上の搬送土の含水比を測定する装置である。この水分計１１は、放射性同位元素から生じた高速中性子を搬送土に照射し、搬送土から発生した熱中性子を測定することにより、搬送土中の水素原子量を評価して含水比を計測する。この水分計１１は、成形器１５の直前上流側で、ベルトコンベアＢ１の底面側に配置されている。これにより、成形器１５によって堰き止められて蓄積された搬送土内の含水比を計測する。

レーザスキャナ１２は、図３に示すように、上方に配置されたスキャナからレーザ光を照射し、ＴＯＦ（Time Of Flight)方式により、対象物の空間位置情報を取得する計測装置である。本実施形態では、ベルトコンベアＢ１上において、幅方向の高さ分布を測定することにより、成形器１５を通過した後の搬送土の形状を評価する。

ベルトスケール１３は、ベルトコンベアＢ１上の搬送土の重量を計量する装置である。本実施形態では、ベルトコンベアＢ１の所定領域の搬送土の重量を連続的に計測する。
水分計１１、レーザスキャナ１２、ベルトスケール１３は、制御装置２０に接続される。この制御装置２０は、水分計１１、レーザスキャナ１２、ベルトスケール１３によって計測された情報に基づいて、ベルトコンベアＢ１の搬送土の土質を判定する。そして、制御装置２０は、判定した土質に基づいて、反転ベルコン３０を制御する。この制御装置２０は、水分計１１、レーザスキャナ１２、ベルトスケール１３、反転ベルコン３０の配置場所に関する情報を記録しており、ベルトコンベアＢ１の搬送速度に基づいて、特定領域の搬送土について、ベルトコンベアＢ１上の現在位置を特定する。

次に、図６を用いて、制御装置２０において実行される区分手順を説明する。本実施形態では、以下の処理を、ベルトコンベアＢ１の搬送土について連続的に実行する。
まず、制御装置２０は、含水比の計測処理を実行する（ステップＳ０１）。具体的には、制御装置２０は、水分計１１から、所定領域の搬送土の含水比を取得する。そして、制御装置２０は、この領域の含水比をメモリに仮記憶する。

次に、制御装置２０は、形状の取得処理を実行する（ステップＳ０２）。具体的には、レーザスキャナ１２は、ベルトコンベアＢ１の幅方向にスキャンする。この場合、制御装置２０は、レーザスキャナ１２から、所定領域の搬送土について、幅方向の高さ分布を取得する。そして、制御装置２０は、この高さ分布に基づいて、スキャン領域の搬送土の断面積を算出する。次に、制御装置２０は、メモリにおいて、含水比と断面積とを関連付けて記録する。この場合、制御装置２０は、水分計１１からレーザスキャナ１２までの距離を、ベルトコンベアＢ１の搬送速度で除算することにより算出される時間差を用いて、含水比と断面積とを関連付ける。

次に、制御装置２０は、搬送土の重量の取得処理を実行する（ステップＳ０３）。制御装置２０は、ベルトスケール１３から、所定領域の搬送土の重量を取得する。ここでは、制御装置２０は、メモリにおいて、含水比と重量とを関連付けて記録する。この場合、制御装置２０は、水分計１１からベルトスケール１３までの距離を、ベルトコンベアＢ１の搬送速度で除算することにより算出される時間差を用いて、含水比と重量とを関連付ける。

次に、制御装置２０は、乾燥密度の算出処理を実行する（ステップＳ０４）。具体的には、制御装置２０は、所定領域の搬送土について、重量と含水比とから、水分を除いた搬送土の乾燥重量を算出する。次に、制御装置２０は、断面積（形状）及び搬送速度に基づいて体積を算出する。そして、制御装置２０は、算出した乾燥重量を、算出した体積で除算することにより、乾燥密度を算出する。そして、制御装置２０は、メモリにおいて、所定領域の搬送土について、含水比、断面積に関連付けて、乾燥密度を仮記憶する。

次に、制御装置２０は、条件判定処理を実行する（ステップＳ０５）。具体的には、制御装置２０は、この所定領域の搬送土の含水比、断面積、乾燥密度と基準値とを比較する。判定条件としては、含水比：「α」％以下、断面積：「β」ｃｍ^２以上、乾燥密度：「γ」ｇ／ｃｍ^３以上を用いる。例えば、「α＝３０」、「β＝５０」、「γ＝１．２０」を用いる。
ここで、判定条件について説明する。
〔含水比〕粘性土の場合、土粒子が小さい分、水分を保持しやすくなるので含水比が大きくなる傾向がある。一方、砂質土の場合には、土粒子が大きいので、水分を保持しにくく、含水比が小さくなる傾向がある。
〔断面積〕砂質土の場合、ダマにならないため、図４（ａ）に示すように、成形後も断面積が大きくなる傾向がある。一方、粘性土の場合には、ダマになりやすく、図４（ｂ）に示すように、搬送土の分布に群が生じるため、成形後の断面積は小さくなる傾向がある。
〔乾燥密度〕砂質土の場合、土粒子が大きいため、乾燥密度は大きくなる傾向がある。一方、粘性土の場合には、土粒子が小さいため、乾燥密度は小さくなる傾向がある。
含水比が小さい砂質土、或は乾燥密度が大きく、砂質土に分類される場合であっても、ダマになりやすく、再利用に適さない土種があるという知見を得た。これは、土の大部分の性状が土粒子の大きい砂分であるが、土粒子が小さい粘土分も、部分的に含んでいたため、ダマが生じると考えられる。このような土種を排除するために、成形器１５を通した形状（断面積）による判定を行なうこととした。
そして、すべての判定条件を満たす場合には、砂質土と判定する。一方、いずれか一つの判定条件を満たさない場合には、粘性土と判定する。そして、制御装置２０は、メモリにおいて、含水比、断面積、乾燥密度に関連付けて、判定結果を仮記憶する。

次に、制御装置２０は、判定結果に応じた選別処理を実行する（ステップＳ０６）。具体的には、制御装置２０は、水分計１１から反転ベルコン３０までの距離を、ベルトコンベアＢ１の搬送速度で除算することにより時間差を算出する。そして、制御装置２０は、算出した時間差を用いて、判定結果に応じて反転ベルコン３０を制御する。ここでは、制御装置２０は、砂質土と判定した搬送土の場合には、ベルトコンベアＢ２側に搬送する。一方、制御装置２０は、粘性土と判定した搬送土の場合には、ベルトコンベアＢ３側に搬送する。

以下、上記の土質区分装置Ａ１を用いて、搬送土を判定した結果を示す。ここで、「細粒」は細粒分（土粒子の小さいもの）を含む割合であり、「Ｗ」は水の添加割合である。総合判定は、含水比、断面積、乾燥密度のすべての条件を満たすように判定する。この判定結果「○」の搬送土は、実際の利用においてもそのまま利用することができた。一方、判定結果「×」の搬送土は、改質が必要であった。従って、総合判定結果による区分が妥当であることがわかった。

本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、ベルトコンベアＢ１周辺に設置された測定部１０を用いて、土質を測定する。これにより、効率的かつ的確に土質を判定して、区分することができる。従って、手作業による仕分けをなくし、作業効率を向上させることができる。更に、搬送土の全量を精度よく管理することが可能となる。

（２）本実施形態では、測定部１０には、ベルトコンベアＢ１の底面側に、水分計１１が設けられている。この水分計１１は、成形器１５の上流の底面側に設けられている。これにより、ベルトコンベアＢ１上に蓄積された搬送土について、連続的に含水比を算出することができる。この含水比により、改質などの処置の要否を判定することができる。

（３）本実施形態では、測定部１０には、成形器１５の下流側にレーザスキャナ１２が設けられている。これにより、成形器１５によって成形された搬送土の形状（ダマの有無等）を評価することができる。この形状により、ベルトコンベアＢ１上の搬送土における粘性の有無を判定することができる。

（４）本実施形態では、測定部１０には、ベルトスケール１３が設けられている。これにより、ベルトコンベアＢ１上の搬送土の含水比、重量に基づいて、乾燥密度を算出することができる。そして、搬送土の粒度を予測し、水分が付加された場合の粘性を評価することができる。

また、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、含水比、断面積、乾燥密度に基づいて、搬送土を評価する。評価方法はこれに限定されるものではない。

例えば、ベルトコンベアＢ１上の搬送土の柔らかさを評価するようにしてもよい。この場合には、ベルトコンベアＢ１上に傾斜鉄板を設け、搬送土が傾斜鉄板に当ったときの抵抗（荷重）を、ロードセルを用いて測定する。また、ベルトコンベアＢ１上に回転羽に設置したモータを設け、搬送土が回転羽に当ったときの負荷を、モータにより電流値として測定するようにしてもよい。いずれの場合にも、粘性土の場合には大きな荷重や電流値を計測することになる。

また、搬送土の搬送時の音響を用いて評価するようにしてもよい。この場合には、ベルトコンベアＢ１に段差を設け、この段差における落下時の音響を集音する。例えば、板状の反響板に生じる音響を集音した場合、砂質土の場合には連続的な小音が生じ、粘性土の場合には不連続的な大音が生じる。そこで、成形器１５を通過後の搬送土の形状（ダマの有無等）に応じた音響（周波数特性）を予め準備しておき、制御装置２０は、搬送時に集音した音響の周波数分析により、土質を評価する。

また、搬送土の形状を、カメラで撮影するようにしてもよい。この場合には、カメラで撮影した画像を解析し、搬送土の形状（ダマの有無等）を評価する。また、ベルトコンベアＢ１に段差を設け、段差からの落下状況をカメラで撮影して評価するようにしてもよい。

・上記実施形態では、成形器１５として、ベルトコンベアＢ１上の所定の高さに配置された板状物を用いる。成形器１５の形状は板状物に限定されるものではない。例えば、ローラを用いて、搬送土を成形するようにしてもよい。

・上記実施形態では、制御装置２０は、区分処理を、ベルトコンベアＢ１の搬送土全量について連続的に実行する。ベルトコンベアＢ１での搬送時に、土質判定に基づいて、リアルタイムで搬送土を区分できればよく、全量を判定する必要はない。例えば、所定の時間間隔で判定して、区分するようにしてもよい。

Ａ１…土質区分装置、Ｈ1…ホッパー、Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３…ベルトコンベア、１０…測定部、１１…水分計、１２…レーザスキャナ、１３…ベルトスケール、１５…成形器、３０…反転ベルコン。

Claims (7)

1. ベルトコンベア上で搬送される搬送土の含水比を算出する水分測定部と、
   前記搬送土の形状を算出する形状測定部と、
   前記搬送土の重量を取得する重量測定部と、
   前記形状、重量及び含水比に基づいて乾燥密度を算出し、前記形状及び乾燥密度に基づいて、前記搬送土の土質を判定する制御部を備えることを特徴とする土質区分装置。
2. 前記制御部は、前記土質の判定結果に基づいて、前記ベルトコンベアを制御して、前記搬送土を選別することを特徴とする請求項１に記載の土質区分装置。
3. 前記ベルトコンベアには成形器が設けられており、
   前記形状測定部は、前記成形器を通過後の前記搬送土の形状を特定することを特徴とする請求項１又は２に記載の土質区分装置。
4. 前記成形器は、前記ベルトコンベアの上方に配置され、搬送される搬送土の高さを制限する規制部材であることを特徴とする請求項３に記載の土質区分装置。
5. 前記制御部は、前記形状の断面積と形状基準値とを比較して土質を判定することを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の土質区分装置。
6. 前記制御部は、更に含水比に基づいて土質を判定することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の土質区分装置。
7. ベルトコンベア上で搬送される搬送土の含水比を算出し、
   前記搬送土の形状を算出し、
   前記搬送土の重量を取得し、
   前記形状、重量及び含水比に基づいて乾燥密度を算出し、前記形状及び乾燥密度に基づいて、前記搬送土の土質を判定することを特徴とする土質区分方法。