JP2012077489A - 自動貫入試験機 - Google Patents

Abstract

【課題】貫入ロッドの地中貫入時の衝撃荷重を低減して、フィードバックにより荷重制御を安定して実現可能な自動貫入試験機を提供する。
【解決手段】
上記課題に鑑みて提供された自動貫入試験機１は、昇降台３と、この昇降台３に設けられ、貫入ロッド４を保持するチャック５と、この昇降台３を昇降操作する昇降用モータ８と、前記貫入ロッド４の先端にかかる荷重を検出するロードセル２２と、昇降用モータ８を速度制御により、上昇位置にある昇降台３を高速で下降させた後、貫入ロッド３の先端が地中に貫入する直前に、昇降用モータ８へ減速指令を発する一方、貫入ロッド４が地中に貫入する段階では、昇降用モータ８を荷重制御に切り替え、ロードセル２２による検出値をフィードバックしながら昇降用モータ８の出力トルクを必要に応じて補正して目標の試験荷重を負荷する制御装置１０とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、地盤の事前調査として地盤の硬軟を判定するのに利用する自動貫入試験機に関する。

従来から、地盤の硬軟を判定する試験の一例として非特許文献１に示すスウェーデン式サウンディング試験方法が知られている。この試験方法では、先端にスクリューポイントを備える貫入ロッドを地面に垂直に突き立て、この状態で貫入ロッドの後端に錘を載せる。そして、５０Ｎ，１５０Ｎ，２５０Ｎ，５００Ｎ，７５０Ｎ，１ＫＮの６段階で荷重を加えて荷重のみで所謂自沈貫入を行う荷重段階と、最大荷重１ＫＮにおいてもロッドが貫入しない場合に、その荷重下でロッドないしスクリューポイントを回転させて所謂回転貫入を行う回転段階との２段階で構成される。

そこで、前述の試験を自動で行う自動貫入試験機としては、特許文献１に示すものがある。この自動貫入試験機は、立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に設けられ、貫入ロッドを支持するチャックと、前記昇降台を昇降操作する昇降用駆動手段とから構成されている。また、前記昇降台にはパウダブレーキが設けてある。このパウダブレーキの制動力によって昇降台にかかる荷重を調整し、貫入ロッドに段階的に試験荷重を負荷するように構成されている。

また、前記チャックの外周には荷重検出手段として歪みゲージが貼付けられており、貫入ロッドにかかる実荷重を検出するように構成されている。この検出信号をフィードバックしながら、パウダーブレーキの制動力を調整して貫入ロッドに試験荷重を負荷するように構成されている。

日本工業規格Ａ１２２１（スウェーデン式サウンディング試験方法）

特開平９−９５９３１号公報

上記自動貫入試験機では、作業効率上、できるだけ高速で昇降台の下降を完了させ、試験荷重を負荷する試験段階に移行するほうがよい。しかしながら、高速で貫入ロッドを地表に当接させると、過大な衝撃が発生する。このため、フィードバックによる荷重制御が安定せず、適正に試験荷重を負荷することができなかった。

本発明の自動貫入試験機は、上記課題に鑑みて創成されたものであり、地中に貫入する貫入ロッドと、立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、この昇降台に設けられ、貫入ロッドを保持する保持手段と、この昇降台を昇降操作するように設けられる昇降用駆動手段と、前記貫入ロッドの先端にかかる荷重を検出する荷重検出手段と、昇降用駆動手段を速度制御により、上昇位置にある昇降台を所定の速度で下降させた後、貫入ロッドの先端が地中に貫入する直前に、昇降用駆動手段へ減速指令を発する一方、貫入ロッドが地中に貫入する段階では、昇降用駆動手段を荷重制御に切り替え、前記荷重検出手段による検出値をフィードバックしながら昇降用駆動手段の出力トルクを必要に応じて補正して目標の試験荷重を負荷する制御手段とを備える。

また、前記貫入ロッドが、側面に長手方向に延びる係合溝を有し、前記保持手段が、当該係合溝を長手方向に沿って転動可能な鋼球を嵌合して貫入ロッドを支持するように構成され、前記荷重検出手段が、鋼球の転動開始あるいは転動完了により生じる荷重変化を検出し、前記制御手段が、この荷重変化に基づいて昇降用駆動手段へ各種指令を発するように構成されていることが望ましい。

さらに、前記制御手段が、昇降台の減速後に、荷重検出手段による検出値と、予め設定された閾値とを比較し、当該検出値が閾値を上回ると、荷重制御に切り替えて目標の試験荷重を負荷する構成であることが望ましい。

本発明の自動貫入試験機によれば、貫入ロッドの貫入開始時に生じる衝撃が低減されるから、荷重検出手段が過大な衝撃を検出することはない。したがって、フィードバックによる荷重制御が安定し、適正に試験荷重を負荷することが可能となる。

また、鋼球の転動開始あるいは転動完了により生じる荷重変化を検出し、これに基づいて昇降用モータへ各種指令を発するように構成されている。このため、地表の状況（例えば、地表の窪み、硬軟等）から、当該指令を発すべきタイミングが試験ポイント毎に異なる場合であっても、何ら設計変更を加えることなく、所望の位置で指令を発することが可能となる。

さらに、荷重制御への切り替えの基準となる閾値が設定されていることにより、貫入ロッドの先端が地表に当接して地中から貫入抵抗を受けた時点、すなわち貫入を開始する時点で確実に荷重制御に切り替えることが可能となる。

本発明の自動貫入試験機の斜視図である。 本発明の自動貫入試験機の側面図である。 図２のＡ−Ａ線拡大断面図である。 本発明の自動貫入試験機のチャック部分の拡大断面図である。 本発明の自動貫入試験機の動作状態を示す図である。 本発明の自動貫入試験機の昇降用モータの駆動制御パターンを時系列的に示した図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１において、１は自動貫入試験機であり、支柱２に沿って昇降可能な昇降台３を有している。この昇降台３には、所定重量の錘３ａと、チャック用モータ６と、ロッド４ａの先端にスクリューポイント４ｂを備える貫入ロッド４と、この貫入ロッド４の保持手段の一例であってこのチャック用モータ６の駆動を受けて回転可能なチャック５と、昇降台３を昇降操作させるための昇降用駆動手段の一例である昇降用モータ８とが載荷されている。

また、この昇降台３は、図２に示すように、支柱２に沿って垂直に配された案内チェーン２ａに沿って回転するスプロケット７を有し、このスプロケット７が案内チェーン２ａに沿って回転することで昇降するように構成されている。この昇降台３および昇降台３に載荷された前述の総重量により、前記貫入ロッド４には１ＫＮの荷重が負荷できるように構成されている。

図３に示すように、前記スプロケット７は、遊星歯車機構１１を介して伝達軸１２と一体に回転するように連結されている。また、前記昇降用モータ８の正逆転可能な駆動軸８ａには、駆動歯車１３、中間歯車１４および伝達歯車１５が当該昇降用モータ８の駆動に伴い回転自在に設けられている。そして、これら歯車列および一方向クラッチ１６を介して前記伝達軸１２が連結されている。具体的には、前記伝達歯車１５は、円柱を成し、その周面に外歯を備える構成である。そして、この伝達歯車１５の内部には、一方向クラッチ１６が当該伝達歯車１５と一体に回転するよう圧入されるとともに、伝達軸１２に回転自在に支持されている。この一方向クラッチ１６の作用によって、スプロケット７には、昇降台３を上昇させる方向にのみ昇降用モータ８の駆動が伝達されるように構成されている。

前記伝達軸１２の先端には、ロータリエンコーダ１７が設けてあり、スプロケット７の回転に伴うパルス信号を出力できるように構成されている。そして、詳細を後述する制御装置１０が当該ロータリエンコーダ１７の発するパルス信号を処理し、貫入ロッド４の貫入量、貫入速度等を求める。

図４および図５に示すように、前記チャック５は、昇降台３に設けられるチャック用モータ６に無端チェーン６ａが連結されて回転可能に構成されている。また、このチャック５は、貫入ロッド４が挿入可能な中空の円筒２１を有する。この円筒２１の上部には、貫入ロッド４の側面に穿設された凹状の係合溝４ｃに嵌合可能な鋼球２０が同一面上に３個、等分配置されている。この鋼球２０は、ばね２１ａで常時上方に付勢されたスリーブ２１ｂにより、常時当該円筒２１の内孔へ突出する位置に支持されており、貫入ロッド４の係合溝４ｃに係合してこれを保持するように構成されている。なお、スリーブ２１ｂをばね２１ａの付勢に抗して押下げると、鋼球２０は動作可能となり、貫入ロッド４の保持を解くことができる。

また、前記チャック５の円筒２１には、荷重検出手段の一例であるワッシャ型のロードセル２２が挿入されている。このロードセル２２には、円筒２１を回転自在に支持する軸受けを介して貫入ロッド４にかかるスラスト荷重が伝達される。このスラスト荷重により、ロードセル２２が歪み、これに貼付けられた歪みゲージ（図示せず）が当該ロードセル２２の微小変化量である歪みを電気信号として検出して制御装置１０に送信するように接続されている。これにより、貫入ロッド４にかかる荷重を検出することが可能となる。

前記制御装置１０は、自動貫入試験機１の動作を制御するものであり、昇降用モータ８を貫入状況に応じて駆動制御するように構成されている。そこで、図６は、時系列的に昇降用モータ８の駆動制御パターンを、ロードセル２２による検出値とともに示したものである。

まず、図６に示すように、上昇位置にある昇降台３を下降させて貫入ロッド４の先端が地中に貫入するまでの段階では、昇降用モータ８を速度制御により駆動する。下降開始時には、図４に示すように、貫入ロッド４はチャック５に吊り下げられた状態である。したがって、この場合、貫入抵抗（スラスト荷重の作用する方向）を正（＋）とすれば、ロードセル２２は貫入ロッド４の自重を負（−）の値として示す。なお、ロードセル２２により貫入ロッド４の重さが検出されていない状態では、昇降台３の下降を開始することができないように構成されている。これにより、貫入ロッド４が装着されていないにもかかわらず、誤って試験を開始する事態を防ぐことができる。

そして、昇降台３の下降開始から貫入ロッド４の先端が地表に当接するまでは、昇降台３を高速で下降させるよう昇降用モータ８へ駆動指令が発せられる。

続いて、貫入ロッド４の先端が地表に当接すると、係合溝４ｃの上端に位置していた鋼球２０が転動して、図５に示すように、係合溝４ｃの下端へ向かう。この転動時には、ロードセル２２による検出値は、図６に示すように、零を示す。このように、マイナスから零への荷重変動をロードセル２２が検出すると、昇降用モータ８へは減速指令が発せられ、昇降台３は低速で下降する。この構成により、貫入ロッド４の先端が地表に当接する際、貫入ロッド４にかかる衝撃が低減され、詳細を後述するフィードバック制御が安定する。

前記昇降台３が係合溝４ｃの長さ分下降すると、鋼球２０が係合溝４ｃの下端に到達して転動を完了する。転動完了後も、昇降台３の下降を継続すると、貫入ロッド４には貫入抵抗が徐々に作用し、ロードセル２２による検出値が上昇する。このように、零からプラスへの荷重変動をロードセル２２が検出すると、昇降用モータ８を荷重制御に切り替えて、目標の試験荷重（５０Ｎ）を負荷するよう昇降用モータ８の出力トルクを調整する。

ところで、地表には窪み、あるいは貫入ロッド４の自重にも耐えられない軟弱な地盤が存在し、試験ポイント毎に地表の状況が異なる。このような場合、貫入ロッド４の先端が地表に到達しても、貫入ロッド４を抗することができない。このため、鋼球２０の転動開始、あるいは転動完了のタイミングが試験ポイント毎に異なる。

そこで、本発明の自動貫入試験機１によれば、前述のように、鋼球２０と係合溝４ｃの係合状況（転動開始、あるいは転動完了）により発生する荷重変動に基づいて、昇降用モータ８へ減速指令、あるいは荷重制御への切り替え指令を発するよう構成されている。そのため、地表が如何なる状況であっても、特段の設計変更をすることなく、所望の位置で昇降用モータ８へ各種指令を発することが可能となる。

荷重制御段階では、段階的に５０Ｎ，１５０Ｎ，２５０Ｎ，５００Ｎ，７５０Ｎ，１ＫＮの試験荷重が負荷される。そこで、制御装置１０にはこれら試験荷重に対応する出力トルクで昇降用モータ８が駆動するように、予め荷重指令が設定されている。

また、本発明の自動貫入試験機１においては、荷重制御段階では、ロードセル２２による検出値を常時フィードバックして、実荷重と、目標の試験荷重とを比較するように構成されている。比較の結果、これらに差があれば、昇降用モータ８の出力トルクを増減する荷重指令を発して、目標の試験荷重が実際に負荷される。

さらに、最初の試験荷重５０Ｎを負荷する段階では、ロードセル２２による検出値がプラスに転じると、即座に目標の試験荷重となるよう昇降用モータ８の出力トルクを調整するのではなく、ロードセル２２による検出値が予め設定された閾値を上回ってから荷重制御段階に移行して試験荷重を負荷する。

前記閾値設定の目的としては、鋼球２０が係合溝４ｃを転動する際、摩擦の影響により、転動完了前にロードセル２２による検出値がプラスに転じることがある。特に、係合溝４ｃに土が付着している場合には、鋼球２０がこれを乗り越える際、一時的に当該検出値が上昇する。これでは、鋼球２０の転動完了前に、意に反して、荷重制御へ移動することになる。転動完了前に荷重制御に移行すると、昇降台３が転動可能な残りの係合溝４ｃ間を急速に下降する。そのため、鋼球２０が係合溝４ｃの下端に接触し、衝撃荷重が発生する。衝撃荷重は余りにも目標荷重に対してかけ離れており、このように瑕疵ある検出値に基づいてフィードバック制御すると、安定したフィードバックに荷重制御が行えず、適正に試験荷重を負荷することができない。

そこで、前記閾値は、目標荷重の５０Ｎに対して、例えば１０Ｎに予め設定されている。そして、ロードセル２２による検出値が当該閾値を上回るまで速度制御を継続し、閾値を超えると昇降用モータ８を荷重制御（トルク制御）に切り替える。この構成により、衝撃荷重の発生が皆無となり、安定したフィードバック制御が可能となる。

また、荷重制御段階では、昇降用モータ８の出力トルクを急激に増加させて試験荷重を負荷するのではなく、徐々に出力トルクを増加させて目標の試験荷重に近づけるよう荷重指令が発せられる。このように昇降用モータ８を制御すれば、慣性の影響による急激な荷重増加（衝撃荷重の発生）が抑えられ、フィードバックによる荷重制御を安定して行うことができる。

なお、目標の試験荷重に近づけるべく荷重を徐々に増加する段階では、サインカーブ軌跡を描くように荷重指令が発せられることが望ましい。この制御により、荷重の変動が小さくなり、前述した衝撃荷重の発生が特に低減されるから、益々安定したフィードバックによる荷重制御を実現することができる。

１ 自動貫入試験機
２ 支柱
２ａ 案内チェーン
３ 昇降台
３ａ 錘
４ 貫入ロッド
４ａ ロッド
４ｂ スクリューポイント
４ｃ 係合溝
５ チャック
６ チャック用モータ
６ａ 無端チェーン
７ スプロケット
８ 昇降用モータ
８ａ 駆動軸
１０ 制御装置
１１ 遊星歯車機構
１２ 伝達軸
１３ 駆動歯車
１４ 中間歯車
１５ 伝達歯車
１６ 一方向クラッチ
２０ 鋼球
２１ 円筒
２１ａ ばね
２１ｂ スリーブ
２２ ロードセル

Claims (3)

1. 地中に貫入する貫入ロッドと、
   立設された支柱に沿って昇降可能な昇降台と、
   この昇降台に設けられ、貫入ロッドを保持する保持手段と、
   この昇降台を昇降操作するように設けられる昇降用駆動手段と、
   前記貫入ロッドの先端にかかる荷重を検出する荷重検出手段と、
   昇降用駆動手段を速度制御により、上昇位置にある昇降台を所定の速度で下降させた後、貫入ロッドの先端が地中に貫入する直前に、昇降用駆動手段へ減速指令を発する一方、貫入ロッドが地中に貫入する段階では、昇降用駆動手段を荷重制御に切り替え、前記荷重検出手段による検出値をフィードバックしながら昇降用駆動手段の出力トルクを必要に応じて補正して目標の試験荷重を負荷する制御手段と
   を備えることを特徴とする自動貫入試験機。
2. 前記貫入ロッドが、側面に長手方向に延びる係合溝を有し、
   前記保持手段が、当該係合溝を長手方向に沿って転動可能な鋼球を嵌合して貫入ロッドを支持するように構成され、
   前記荷重検出手段が、鋼球の転動開始あるいは転動完了により生じる荷重変化を検出し、
   前記制御手段が、この荷重変化に基づいて昇降用駆動手段へ各種指令を発するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の自動貫入試験機。
3. 前記制御手段が、昇降台の減速後に、荷重検出手段による検出値と、予め設定された閾値とを比較し、当該検出値が閾値を上回ると、荷重制御に切り替えて目標の試験荷重を負荷する構成であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の自動貫入試験機。

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