JP7700558B2

JP7700558B2 - 比重測定装置

Info

Publication number: JP7700558B2
Application number: JP2021126545A
Authority: JP
Inventors: 悠紀粕谷; 祐樹山田
Original assignee: Obayashi Corp
Current assignee: Obayashi Corp
Priority date: 2021-08-02
Filing date: 2021-08-02
Publication date: 2025-07-01
Anticipated expiration: 2041-08-02
Also published as: JP2023021592A

Description

本発明は、堆積した泥水等の懸濁液の比重を測定する比重測定装置に関する。

泥水を使って地盤を削孔する工法において、掘削した孔や溝に堆積した泥水の性状を把握するために、比重の測定が行われている。また、原位置で地盤改良する工法おいて、ソイルセメント柱の性状や出来形を把握するために、比重の測定が行われている。さらに、場所打ちコンクリート杭工法において、掘削した穴に投入して孔壁を防護する泥水の性状を把握するために、比重の測定が行われている。

比重の測定を地上に設置された測定装置（マッドバランス等）で行う場合、測定対象の懸濁液の採取作業が煩雑で、多くの時間を要する。そこで、懸濁液の比重を地盤中の原位置で計測する測定装置が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１、２では、測定する深度を挟んだ上下２点間の差圧を計測することで、懸濁液の比重を測定している。

実開昭６１－８２２４９号公報特開２０１３－２４６３１号公報

しかしながら、特許文献１では、目盛を付けたロープによって測定位置の深度を計測する煩雑な作業が必要である。そして、懸濁液の水面位置によっては、地上から水面を把握することができず、測定位置の深度を計測すること自体が困難である。また、特許文献２では、静水圧を計測する連通管等の複雑な機構が必要である。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上述の課題を解消し、測定位置の深度を計測することなく、簡単な構成で懸濁液の比重を測定できる比重測定装置を提供することにある。

本発明の比重測定装置は、懸濁液の比重を測定する比重測定装置であって、前記懸濁液の水圧を計測する上部水圧計と、前記上部水圧計よりも深い深度で前記懸濁液の水圧を計測する下部水圧計と、前記上部水圧計と前記下部水圧計とを鉛直方向の上下位置に予め設定された測定間隔で配置する水圧計配置機構と、前記上部水圧計及び前記下部水圧計のそれぞれの計測値を同じタイミングで収集する収集部と、を具備し、前記上部水圧計と前記下部水圧計との前記水圧計配置機構に、鉛直方向に移動可能に取り付けられ、前記上部水圧計と前記下部水圧計との間の深度で水圧を計測する中間水圧計を具備し、前記収集部は、前記上部水圧計、前記下部水圧計及び前記中間水圧計のそれぞれの計測値を同じタイミングで収集することを特徴とする。
さらに、本発明の比重測定装置において、前記水圧計配置機構は、一方端に錘が取り付けられた牽体であり、前記牽体に前記測定間隔で取り付けられていても良い。
さらに、本発明の比重測定装置において、前記水圧計配置機構は、一方端が牽体に取り付けられた棒であり、前記棒に前記測定間隔で取り付けられていても良い。
さらに、本発明の比重測定装置は、前記上部水圧計及び前記下部水圧計のそれぞれの計測値を用いて、前記上部水圧計と前記下部水圧計との中間地点の平均比重を算出する比重算出部と、前記上部水圧計及び前記下部水圧計のそれぞれの計測値を用いて、前記上部水圧計と前記下部水圧計との前記中間地点の水面からの深度を中間深度として算出する深度算出部と、前記比重算出部によって算出された前記平均比重と前記深度算出部によって算出された前記中間深度とを出力する出力部とを備えていても良い。

本発明は、計測結果と、既知である測定間隔と、重力加速度とを用いて、上部水圧計と下部水圧計との中間地点の比重と中間深度とを算出できるため、測定位置の深度を計測することなく、簡単な構成で懸濁液の比重を測定できるという効果を奏する。

本発明に係る比重測定装置の第１実施形態の構成を示す構成図である。図１に示す比重算出装置の構成を示すブロック図である。図１に示す錘の変形例を示す図である。本発明に係る比重測定装置の第２実施形態の構成を示す構成図である。図４に示す比重算出装置の構成を示すブロック図である。

次に、本発明を実施するための形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態の比重測定装置１は、堆積した泥水等の懸濁液の比重を測定する装置であり、図１を参照すると、ロープやテープ等の牽体１１と、牽体１１の一方端に取り付けられた錘１２と、牽体１１に取り付けられた上部水圧計１３及び下部水圧計１４と、上部水圧計１３及び下部水圧計１４によって計測された水圧を用いて比重を算出する比重算出装置２０とを備えている。

錘１２は、牽体１１によって懸濁液中に吊り下げられた状態で、牽体１１の方向が鉛直となるように、測定対象の懸濁液よりも十分に比重が大きい材質（例えば、鉄等の金属）で構成されている。

上部水圧計１３及び下部水圧計１４は、懸濁液の水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下をそれぞれ計測する装置である。上部水圧計１３及び下部水圧計１４としては、例えば、土に含まれる間隙水による圧力を計測する間隙水圧計や液体の圧力を測定するための圧力計などを用いることができる。

上部水圧計１３と下部水圧計１４とは、予め設定された測定間隔ｄの間隔で、牽体１１に取り付けられている。これにより、錘１２が一方端に取り付けられた牽体１１は、牽体１１によって吊り下げられた上部水圧計１３及び下部水圧計１４を、鉛直方向の上下位置に予め設定された測定間隔ｄで配置する水圧計配置機構として機能する。

下部水圧計１４は、上部水圧計１３よりも錘１２に近い位置に取り付けられている。従って、牽体１１によって錘１２を懸濁液中に吊り下げた状態で、下部水圧計１４は、上部水圧計１３よりも測定間隔ｄの間隔で鉛直方向の下方に配置される。これにより、上部水圧計１３によって計測される水圧Ｐ_上に対して、下部水圧計１４によって計測される水圧Ｐ_下は、測定間隔ｄだけ深い深度のものとなる。

測定間隔ｄは、例えば、５０ｃｍ～５ｍ程度に設定すると良いが、特に制限はない。しかし、上部水圧計１３と下部水圧計１４の計測精度や懸濁液の比重に応じて、測定間隔ｄの上限や下限が想定され、適した値も異なってくる。そこで、上部水圧計１３及び下部水圧計１４の少なくともいずれか一方をクリップ等で着脱可能な構成とし、上部水圧計１３及び下部水圧計１４の少なくともいずれか一方の取り付け位置を変更可能にすると好適である。さらに、上部水圧計１３及び下部水圧計１４の取付け箇所の牽体１１を検尺テープ等の目盛付きのもので構成することで、取り付け位置の変更時に、測定間隔ｄを簡単に認識できる。

比重算出装置２０は、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置であり、制御部３０と、キーボード等の入力部４０と、フラッシュメモリ等の記憶部５０と、ディスプレイやプリンタ等の出力部６０とを備えている。

制御部３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたマイクロコンピュータ等の情報処理部である。ＲＯＭには比重算出装置２０がジョブを実行するための制御プログラムが記憶されている。制御部３０は、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムを読み出し、制御プログラムをＲＡＭに展開させることで、収集部３１、比重算出部３２、深度算出部３３として機能する。

収集部３１は、入力部４０からの計測指示を受け付けると、上部水圧計１３及び下部水圧計１４の計測値（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）を同じタイミングで収集して、計測結果５１として記憶部５０に記憶させる。なお、同じタイミングとは、同時である必要はなく、収集した上部水圧計１３の計測値の計測深度と、収集した下部水圧計１４の計測値の計測深度との差が測定間隔ｄであるとみなせるタイミングであれば良い。例えば、上部水圧計１３及び下部水圧計１４を静止させて計測値を収集することを前提する場合、上部水圧計１３及び下部水圧計１４の計測値の収集間隔は多少離れていても問題はない。そして、上部水圧計１３及び下部水圧計１４を降下もしくは上昇させながら所定間隔で計測値を収集することを前提とする場合、上部水圧計１３及び下部水圧計１４の計測値の収集間隔は、降下もしくは上昇の速度に応じて十分に短い時間に設定される。

入力部４０からの算出指示を受け付けると、計測結果５１（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）に基づいて、比重算出部３２は、平均比重ρを算出すると共に、深度算出部３３は、上部水圧計１３と下部水圧計１４との中間地点の水面からの深度を中間深度Ｈとして算出する。平均比重ρは、中間深度Ｈにおける比重として算出される。そして、平均比重ρと中間深度Ｈとは、算出結果５２として記憶部５０に記憶されたり、出力部６０から出力されたりする。なお、比重算出部３２及び深度算出部３３は、収集部３１による計測結果５１（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）の収集時に、平均比重ρ及び中間深度Ｈを自動的に算出するように構成しても良い。

比重算出部３２は、計測結果５１（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）と、既知である測定間隔ｄと、重力加速度ｇとを用いて、以下に示す式１を演算することで、平均比重ρを算出する。
ρ＝（Ｐ_下－Ｐ_上）／ｄ／ｇ・・・式１

深度算出部３３は、計測結果５１（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）と、比重算出部３２によって算出された平均比重ρと、重力加速度ｇとを用いて、以下に示す式２を演算することで、上部水圧計１３と下部水圧計１４との中間地点の中間深度Ｈを算出する。
Ｈ＝（Ｐ_上＋Ｐ_下）／２／ρ／ｇ・・・式２
なお、式２では、算出された平均比重ρを用いているが、深度算出部３３は、計測結果５１（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）と、測定間隔ｄと、重力加速度ｇとを用いて、中間深度Ｈを算出しても良い。

このように、比重測定装置１は、上部水圧計１３及び下部水圧計１４による計測値（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）の計測深度を管理することなく、中間深度Ｈにおける平均比重ρを測定することができる。従って、上部水圧計１３及び下部水圧計１４が懸濁液中に吊り下げ、計測深度を変えて複数個所で計測するだけで、簡単に懸濁液の比重分布を測定することができる。そして、上部水圧計１３及び下部水圧計１４を降下もしくは上昇させながら所定間隔で計測値を収集し、平均比重ρ及び中間深度Ｈを算出して出力部６０から出力する場合には、懸濁液の比重分布をリアルタイム且つ連続的に測定することができる。

図３に示すように、測定対象の懸濁液よりも十分に比重が大きい材質で長さが測定間隔ｄよりも長い棒１２ａ（例えば、鋼棒）を、錘１２の代わりに使用し、棒１２ａに取り付けられた上部水圧計１３及び下部水圧計１４を牽体１１で吊るすようにしても良い。この場合、棒１２ａが鉛直方向の上下位置に予め設定された測定間隔ｄで配置する水圧計配置機構として機能する。

（第２実施形態）
第２実施形態の比重測定装置１ａは、図４を参照すると、第１実施形態の構成に加えて、上部水圧計１３と下部水圧計１４との間に配置された中間水圧計１５を備えている。

中間水圧計１５は、懸濁液の水圧Ｐ_中を計測する装置である。中間水圧計１５は、上部水圧計１３及び下部水圧計１４と同様に、例えば、土に含まれる間隙水による圧力を計測する間隙水圧計を用いることができる。

中間水圧計１５は、上部水圧計１３と下部水圧計１４との間の牽体１１に鉛直方向（上下方向）に移動可能なように取り付けられている。中間水圧計１５は、例えば、牽体１１に環装されたリングを介して牽体１１に取り付けられ、中間水圧計１５に接続された信号ケーブル（別途のロープでも良い）を地上から延ばしたり、手繰り寄せたりすることで上下に移動可能に構成される。

中間水圧計１５の重量は、錘等を取り付けることで、測定対象の懸濁液の比重よりも十分に大きい値に設定すると良い。この場合、接続された信号ケーブルを支持しておくことで中間水圧計１５を上部水圧計１３の近くに配置させ、信号ケーブルの支持を解除するだけで、下部水圧計１４まで下方向に自動的に移動させることができる。

比重算出装置２０ａの制御部３０ａは、図５を参照すると、収集部３１ａ、比重算出部３２ａ、深度算出部３３ａ、測定間隔推定部３４として機能する。

収集部３１ａは、入力部４０からの計測指示を受け付けると、上部水圧計１３及び下部水圧計１４の計測値（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）を同じタイミングで収集すると共に、中間水圧計１５の計測値（水圧Ｐ_中）も同じタイミングで収集して、計測結果５１ａとして記憶部５０に記憶させる。なお、中間水圧計１５の計測値（水圧Ｐ_中）は、１か所に固定した状態で収集しても良く、鉛直方向に移動させながら複数の計測値（水圧Ｐ_中）を収集しても良い。

測定間隔推定部３４は、計測結果５１ａ（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下、水圧Ｐ_中）に基づいて、上部水圧計１３と中間水圧計１５との測定間隔ｄ_１と、中間水圧計１５と下部水圧計１４との測定間隔ｄ_２とを推定する。なお、複数の計測値（水圧Ｐ_中）が収集されている場合、測定間隔推定部３４は、複数の計測値（水圧Ｐ_中）にそれぞれに対応する測定間隔ｄ_１と測定間隔ｄ_２とを推定する。

入力部４０からの算出指示を受け付けると、計測結果５１ａ（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下、水圧Ｐ_中）に基づいて、比重算出部３２ａは、平均比重ρ、ρ_１、ρ_２を算出すると共に、深度算出部３３ａは、上部水圧計１３と下部水圧計１４との中間地点の中間深度Ｈ、上部水圧計１３と中間水圧計１５との中間地点の中間深度Ｈ_１、中間水圧計１５と下部水圧計１４との中間地点の中間深度Ｈ_２をそれぞれ算出する。平均比重ρは、中間深度Ｈにおける比重として、平均比重ρ_１は、中間深度Ｈ_１における比重として、平均比重ρ_２は、中間深度Ｈ_２における比重としてそれぞれ算出される。そして、平均比重ρと中間深度Ｈとは、算出結果５２ａとして記憶部５０に記憶されたり、出力部６０から出力されたりする。なお、比重算出部３２ａ及び深度算出部３３ａは、収集部３１ａによる計測結果５１ａ（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下、水圧Ｐ_中）の収集時に、平均比重ρ、ρ_１、ρ_２及び中間深度Ｈ、Ｈ_１、Ｈ_２を自動的に算出しても良い。

測定間隔推定部３４は、計測結果５１ａ（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下、水圧Ｐ_中）と、既知である測定間隔ｄとを用いて、以下に示す式３_１、３_２を演算することで、測定間隔ｄ_１と測定間隔ｄ_２とを算出する。
ｄ_１＝ｄ×（Ｐ_中－Ｐ_上）／（Ｐ_下－Ｐ_上）・・・式３_１
ｄ_２＝ｄ－ｄ_１・・・式３_２

なお、式３_１は、深度に比例して水圧Ｐ_上から水圧Ｐ_下に向けて上昇することを前提としている。実際には、深度が大きくなるほど懸濁液の比重も大きくなり、水圧の上昇率も大きくなる。従って、比重の変化も加味して測定間隔ｄ_１を算出しても良い。

比重算出部３２ａは、計測結果５１ａ（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下、水圧Ｐ_中）と、既知である測定間隔ｄと、推定された測定間隔ｄ_１、ｄ_２と、重力加速度ｇとを用いて、第１実施形態と同様に平均比重ρを算出すると共に、以下に示す式１_１、１_２を演算することで、平均比重ρ_１、ρ_２を算出する。
ρ_１＝（Ｐ_中－Ｐ_上）／ｄ_１／ｇ・・・式１_１
ρ_２＝（Ｐ_下－Ｐ_中）／ｄ_２／ｇ・・・式１_２

深度算出部３３ａは、計測結果５１ａ（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下、水圧Ｐ_中）と、比重算出部３２ａによって算出された平均比重ρ、ρ_１、ρ_２と、重力加速度ｇとを用いて、第１実施形態と同様に中間深度Ｈを算出すると共に、以下に示す式２_１、２_２を演算することで、上部水圧計１３と中間水圧計１５との中間地点の中間深度Ｈ_１、中間水圧計１５と下部水圧計１４との中間地点の中間深度Ｈ_２をそれぞれ算出する。
Ｈ_１＝（Ｐ_上＋Ｐ_中）／２／ρ_１／ｇ・・・式２_１
Ｈ_２＝（Ｐ_中＋Ｐ_下）／２／ρ_２／ｇ・・・式２_２

このように、比重測定装置１ａは、上部水圧計１３、下部水圧計１４及び中間水圧計１５による計測値（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下、水圧Ｐ_中）の計測深度を管理することなく、上部水圧計１３と下部水圧計１４との間の深度における平均比重ρ、ρ_１、ρ_２を測定することができる。

そして、中間水圧計１５を鉛直方向に移動させながら複数の水圧Ｐ_中を収集する場合、上部水圧計１３と下部水圧計１４との間の深度における詳細（密）な比重分布を計測することが可能になる。従って、比重が変化しやすい水面付近や底部付近の比重を密に計測することで、水面付近における砂分等の沈降状況や、底部付近の砂分等の堆積状況を精度よく把握できる。

以上説明したように、本実施形態は、懸濁液の比重を測定する比重測定装置１であって、懸濁液の水圧を計測する上部水圧計１３と、上部水圧計１３よりも深い深度で懸濁液の水圧を計測する下部水圧計１４と、上部水圧計１３と下部水圧計１４とを鉛直方向の上下位置に予め設定された測定間隔ｄで配置する水圧計配置機構と、上部水圧計１３及び下部水圧計１４のそれぞれの計測値を同じタイミングで収集する収集部３１とを備えている。
この構成により、計測結果５１（水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）と、既知である測定間隔ｄと、重力加速度ｇとを用いて、上部水圧計１３と下部水圧計１４との中間地点の平均比重ρと中間深度Ｈとを算出できるため、測定位置の深度を計測することなく、簡単な構成で懸濁液の比重を測定できる。

さらに、本実施形態において、水圧計配置機構は、一方端に錘１２が取り付けられた牽体１１であり、牽体１１に測定間隔ｄで取り付けられている。
この構成により、水圧計配置機構を簡単な構成で実現できる。

さらに、本実施形態において、水圧計配置機構は、一方端が牽体１１に取り付けられた棒１２ａであり、前記棒に測定間隔ｄで取り付けられている。
この構成により、水圧計配置機構を簡単な構成で実現できる。

さらに、本実施形態において、上部水圧計１３及び下部水圧計１４のそれぞれの計測値（計測結果５１：水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）を用いて、上部水圧計１３と下部水圧計１４との中間地点の平均比重ρを算出する比重算出部３２と、上部水圧計１３及び下部水圧計１４のそれぞれの計測値（計測結果５１：水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下）を用いて、上部水圧計１３と下部水圧計１４との中間地点の中間深度Ｈを算出する深度算出部３３と、比重算出部３２によって算出された平均比重ρと深度算出部３３によって算出された中間深度Ｈとを出力する出力部６０とを備えている。
この構成により、懸濁液の比重分布をリアルタイム且つ連続的に測定することができる。

さらに、本実施形態において、上部水圧計１３と下部水圧計１４との水圧計配置機構に、鉛直方向に移動可能に取り付けられ、上部水圧計１３と下部水圧計１４との間の深度で水圧を計測する中間水圧計１５を具備し、収集部３１ａは、上部水圧計１３、下部水圧計１４及び中間水圧計１５のそれぞれの計測値（計測結果５１ａ：水圧Ｐ_上、水圧Ｐ_下、水圧Ｐ_中）を同じタイミングで収集する。
この構成により、上部水圧計１３と下部水圧計１４との間の深度における詳細（密）な比重分布を計測することが可能になる。

以上、実施形態をもとに本発明を説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせ等にいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。例えば、測定間隔が既知である水圧計の台数を３台以上設けても良く、鉛直方向に移動可能な水圧計の２台以上設けても良い。

１、１ａ比重測定装置
１１牽体
１２錘
１２ａ棒
１３上部水圧計
１４下部水圧計
１５中間水圧計
２０、２０ａ比重算出装置
３０、３０ａ制御部
３１、３１ａ収集部
３２、３２ａ比重算出部
３３、３３ａ深度算出部
３４測定間隔推定部
４０入力部
５０記憶部
５１、５１ａ計測結果
５２、５２ａ算出結果
６０出力部

Claims

懸濁液の比重を測定する比重測定装置であって、
前記懸濁液の水圧を計測する上部水圧計と、
前記上部水圧計よりも深い深度で前記懸濁液の水圧を計測する下部水圧計と、
前記上部水圧計と前記下部水圧計とを鉛直方向の上下位置に予め設定された測定間隔で配置する水圧計配置機構と、
前記上部水圧計及び前記下部水圧計のそれぞれの計測値を同じタイミングで収集する収集部と、を具備し、
前記上部水圧計と前記下部水圧計との前記水圧計配置機構に、鉛直方向に移動可能に取り付けられ、前記上部水圧計と前記下部水圧計との間の深度で水圧を計測する中間水圧計を具備し、
前記収集部は、前記上部水圧計、前記下部水圧計及び前記中間水圧計のそれぞれの計測値を同じタイミングで収集することを特徴とする比重測定装置。
前記水圧計配置機構は、一方端に錘が取り付けられた牽体であり、前記牽体に前記測定間隔で取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の比重測定装置。
前記水圧計配置機構は、一方端が牽体に取り付けられた棒であり、前記棒に前記測定間隔で取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の比重測定装置。
前記上部水圧計及び前記下部水圧計のそれぞれの計測値を用いて、前記上部水圧計と前記下部水圧計との中間地点の平均比重を算出する比重算出部と、
前記上部水圧計及び前記下部水圧計のそれぞれの計測値を用いて、前記上部水圧計と前記下部水圧計との前記中間地点の水面からの深度を中間深度として算出する深度算出部と、
前記比重算出部によって算出された前記平均比重と前記深度算出部によって算出された前記中間深度とを出力する出力部と、を具備することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の比重測定装置。