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地盤調査  表面波探査法の原理 表面波探査の資料はこちら(PDF形式 2.5M)

 

 

表面波探査法の原理紹介
表面波探査法とは、地盤に直接穴をあけずに、地表から地盤の硬さや軟らかさを調べることが出来る地盤の調査法です。
表面波探査法は、“地盤工学会”で定めている“物理探査”という手法の一つです。

地盤調査では、日本で初めて (財)先端建設技術センターの技術審査証明(技審証第1305号)を取得すると共に、国土交通省告示第1113号に合致している地盤調査法です。
“物理探査”だけあってさすがに理論等いろいろな数式を使用した小難しいものですが、ここでは省かせていただきます。


でははじめに、地盤の強度を調べる表面波探査の構成・システムを紹介します。

主に解析処理本体・電力増幅器・起振機・検出器(2個)・発電機そして各機器を接続するケーブルで構成されています。

 
解析処理部は周波数を発生する発振機能や各深さ毎の速度を求めるための周波数解析を行う処理部として、表面波探査機の頭脳を担っています。
力増幅器は、解析処理部より送られた周波数信号を増幅させ、起振磯を動かす役目をします。
起振機は地盤に振動を与える振動発生装置です。検出器(2個)は、起振機から発生した振動の波を受けて、解析処理部に送る役目をしています。
発電機は、各機器に電力を供給し、あらゆる現場で地盤調査が出来るようにするものです。

なぜ、地表面に機械を置く(起振機と検出器)だけで、地盤の強度が判るのでしょうか?
ここで簡単な原理をお話しいたします


池や川など水のある所に、石ころを投げると波紋が広がります。
この様な現象を皆さんは見られたことがあると思います。
表面波の原理も基本的には同じ事だとご理解下さい。
池に小さい石ころを投げ入れると、水面上にさざ波が立ちます。これは石ころが軽いため、水面近くの所にしか力の影響を受けないためです。
先程の石ころの倍ほどある中ぐらいの石を投げ入れると、池の中で左記のような状態になります。
小さい石ころより、深いところまで水の中に入っていき、水面上に大きな波を発生させます。
さらに大きい石を投げ入れると、池の中で左記のような状態になります。
中くらいの石ころよりもより深く水の中に入り、さらに大きな波が水面上に発生します。

次に波紋を起こした石を、地盤を揺する起振機という機械に置き換えてみましょう。
石の大きさや重さに代え、周波数や起振する力を代えることで同様の役目を果たします。


起振機の発生する波は、地震の波が発生する原理と同じです。
もっとも、人が飛び跳ねて着地したときに地盤に発生する波も全く同じですが、発生する周波数が違います。

波は振源を中心に、地面の中で楕円の形の波が反時計回りで、回転しながら360度方向全てに広がっていきます。
よく間違われますが、この[表面波探査法]は反射屈折や音波のように、波がある物体に当たり戻ってくるのを測定するものではありませんので、ご注意下さい。
液体である水を揺する場合と違い、地盤に波が発生させる要因は、触れ合っている土の粒子が振動で揺れることにあります。

一般に土が硬い所は?のような状態、軟らかい所は?のような状態になっているように、土の締め固めの違いがあります。


普通、浅い所より深い所の方が土の重さの分、空気が抜けてしっかりとした地盤のため、一般的には深くなればなるほど硬くなっていきます。
もっとも、最近は田んぼや沼地などを埋め立てている場合が多く、一概には言えない場合もあります。

振動の伝わりというのは、硬いもの(鉄やコンクリート等)を叩くと1m位離してもすぐにその振動が伝わりますが、柔らかいもの(土等)は同じ距離に振動が到達するのにも時間がかかってしまいます。
地盤の強度を調べるには、単に一部の深さの硬さを調べる他に、いくつもの深さの硬さを調べる必要があります。
それは先程、池に石ころを投げる際、いくつもの大きさ(重さ)の種類を使うことによって水の深さに影響を与えるのと同様に、起振機の周波数を代えることにより、到達する波の深さも変わります。
・周波数が高い(200Hz)→ 波長が短い
 → 浅い所にしか波が入っていかない
・周波数が低い(5Hz)→ 波長が長い
  → 深い所に波が入っていく
このように波のピークが到達した深さの速度が、同様に地表面でも測定出来るのが“表面波”の特徴です


昔、小学校の算数で習ったことと思いますが、速度(速さ)を求めるには、
“時間と距離”が判れば答えが出ます。
[表面波探査法]により求める速度も同様です

振渡である起振機から1.2m離してセンサーを2個直線上に並べます。
この時、センサー間の距離を50cmと決めます。
起振機から発生した波を、2偶の検出器間(A−B)の通過した時間を計り、まず、あるひとつの周波数における速度を求めます。
(例えば、20OHzの波や150Hzの波など、ひとつひとつの波の通過する時間を計算していきます


さらにいくつもの周波数の波を起振機から発生させ、浅い所から深い所(住宅地盤用で10m程度)までを同様に計ります。
(水面上に波紋を発生させた石ころに例えれば、小さく軽いものから大きく重いものまで、多くの種類の石を投げ込んだようなものです。


[表面波探査法]により求められた、各周波数ごとの速度と深度の関係を地層ごとの速度(区間速度)グラフとして、
測定ポイントの地盤の強度を次のように表示します。 硬い地盤では波の伝わりが大変良いため、早く伝わります


表面波探査法により求められた、各周波数ごとの速度と深度の関係を地層ごとの速度(区間速度)グラフとして、測定ポイントの地盤の強度を次のように表示します。
硬い地盤では波の伝わりが大変良いため、早く伝わります。

例えば
・1砂当たり110m伝わります。
 (110m/s)
逆に軟らかい地盤の場合、波が伝わりにくい為、伝わる速さは遅くなります。
・1秒当たり80m伝わります。
 (80m/s)

これらの数値を“表面波速度”といいます。
これに深さの情報を併せて、どの深さの時ほどれくらいの速さの波が伝わっているか、を調べることによって地盤の強度が判ります。


一般的に土木の分野では、表面波探査法で測定した速度(?)でそのまま表し、土木設計の資料として役立たせますが、建築の分野においては設計士の方が、基礎の 設計をし易いよう、“地盤支持力”(地盤の許容応力度)表示(kN/d)に換算して表現しています。


[表面波探査法〕により求められた表面波速度の波形から、地層の境界を判断し、
その層ごとの予想される沈下量を計算する事が出来ます。
これが"予想沈下量"です。
この予想沈下量は主に、住宅の地盤調査における地耐力調査に必要となります


表面波探査法で測定した速度 (?)データから、地層の区分けを行い、基礎の設計をし易いよう、“沈下量”(cm)を求めます。
これにより、あらかじめ建物の不同沈下が起きるかどうかを推定します。
各層の深度と速度を計算し、地層ごとの区間速度が出てきます。
この区間速度からそれぞれの地層の予想沈下量を算出します。

このように、表面波探査法においては住宅地盤調査における、地盤の地耐力『許容支持カ(kN/?)と沈下特性』を精度よく調査することが出来ます。



地耐力の表示(深度10m,5ポイント)一例  単位kN/?

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