音響波計測の新しい可能性について

地盤工学会中国支部
地盤工学会中国支部
岡山地域セミナー
岡山地域セミナー
2003年度第8回斜面安定講座
［2003.10/6(月) 18:00-20:00］
「「音響波計測の新しい可能性について」
音響波計測の新しい可能性について」
JFE
シビル(株) 橋梁土木事業本部
JFEシビル(株)
橋梁土木事業本部
榊原淳一
榊原淳一
JFEシビル株式会社
1
本日の話題
11．なぜ、音響波を使うのか
．なぜ、音響波を使うのか
22．音響透水トモグラフィとは
．音響透水トモグラフィとは
33．適用例
．適用例
44．斜面安定への適用
．斜面安定への適用
55．おわりに
．おわりに
JFEシビル株式会社
2
1
1-1なぜ音響波を使うのか
ボーリング調査
非破壊計測
2D、3D計測
地震探査
重力探査
より精確な調査
電気探査
より広範囲の調査
正確な計測ができる
遠くまで計測できる
結果の解釈が簡単
現場施工に適用できる調査技術の開発
現場施工に適用できる調査技術の開発
JFEシビル株式会社
3
1-2 音響波計測のメリット
従来の計測
岩盤の亀裂情報
資源探査
音響波計測
正確な計測ができる
遠くまで計測できる
結果の解釈が簡単
速度
間隙・亀裂に関する情報
減衰
粒径・間隙充填物に関する情報
周波数
特性
粒径・地盤透水性に関する情報
速度
複数の情報を解釈することで、より正確な調査を行う
複数の情報を解釈することで、より正確な調査を行う
JFEシビル株式会社
4
2
1-3 なぜ今までできなかったのか？
音の出し方が難しかった
・音の大きさ
・音の周波数(低すぎた)
・高い音は遠くまで飛ばない
爆発震源
機械震源
電気的なスピーカーで
正確に制御した音を出す
正確な到達時間
再現性の高い音量
制御された周波数
→ 音速
→ 減衰量
→ 周波数特性
正確な情報から、新しい解析方法を得る
正確な情報から、新しい解析方法を得る
JFEシビル株式会社
5
1-4 新しい技術の組合せから新しい知見へ
正確な発震
高周波数ピエゾ震源の利用
音が遠くまで飛ばない
正確に音を出せない
広範囲の計測
地盤の定量的
評価
PRBSコードの利用
BIOT理論：多孔質媒体内の波動理論
地質構造だけでなく、間隙、透水性の解釈へ
地質構造だけでなく、間隙、透水性の解釈へ
JFEシビル株式会社
6
3
2-1 音響透水トモグラフィとは
••地盤断面の構造や特性を可視化する地盤探査法
地盤断面の構造や特性を可視化する地盤探査法
(医学のCTスキャン技術の類似技術)
(医学のCTスキャン技術の類似技術)
••周波数と振幅を正確に制御した音響波と特殊信号を用いた発震・受振方法
周波数と振幅を正確に制御した音響波と特殊信号を用いた発震・受振方法
••正確な速度･減衰率の計測結果から､間隙率･透水係数を直接計算する解析手法
正確な速度･減衰率の計測結果から､間隙率･透水係数を直接計算する解析手法
発震器
受振器
JFEシビル株式会社
7
2-2 トモグラフィ計測の利点
136 m
116 m
深度︵
ｍ︶
不連続なシルト層
不連続なシルト層
レンズ状の粘性土
不陸した洪積砂層
ボーリング結
果から推定
される地層
境界
ボーリングの結果は断面図の計算には使用していない
弾性波速度(m/sec)
粘性土
シルト
洪積砂層
ボーリングだけではわからない複雑な地層構造を把握
JFEシビル株式会社
8
4
2-3 トモグラフィ計測の利点 点ではなく面の調査
不具合例-１ ： 杭長不足
ボーリングを
実施した地点
不具合例-2 ： 杭長過剰
ボーリングを ボーリングを
実施した地点 実施した地点
GL
ボーリングを
実施した地点
杭長過剰
GL
杭
推定
推定
杭長不足
支持層
支持層
支持層
ボーリング結果から
推定する範囲
ボーリング結果から
推定する範囲
ボーリング調査：点の調査で孔間は推定による
トモグラフィ調査：面の調査で孔間は計算による
JFEシビル株式会社
9
2-4 他手法との比較
地盤の非破壊検査手法の一つ
他の調査手法は計測精度と計測距離が反比例
計測精度(m)
高い精度
物理探査
10-1
100
地震探査(∼100Hz)
音響トモグラフィー(200Hz∼10kHz)
超音波探査(数10kHz∼)
ボーリング
弾性波探査 磁気探査 電気探査 重力探査
音響透水
トモグラフィ
広い範囲
電気探査
通常の弾
性波探査
101
地震探査
102
100
101
102
103
計測範囲(m)
特殊な発震方法により、「高精度で計測距離の長い調査」が可能
JFEシビル株式会社
10
5
2-5 他手法との比較 物差しの精度が細かい
計測分解能が高い=ものさしの目盛りが細かい
音響透水トモグラフィー
分解能は
全体の速度変化の1%
以下（0.05
0.05km/s)
km/s)
全体の速度変化の1%以下（
従来の手法
全体の速度変化の10%
以上（0.5
0.5km/s)
km/s)
全体の速度変化の10%以上（
JFEシビル株式会社
11
周波数(波長)の高低が精度に影響を与える
従来の手法
板叩き、ダイナマイトなどの低周波震源 ： 波長が長く分解能は低い
周波数
波 長
精 度
100 Hz
20 m
10 m
計測対象
音響透水トモ
ピエゾ震源を用いた高周波震源 ： 波長が短く分解能は高い
周波数
波 長
精 度
5000 Hz
0.4 m
0.2 m
計測対象
周波数を上げると精度は高くなるが減衰が大きくなり計測距離が短くなる
JFEシビル株式会社
12
6
PRBSコードを用いて計測距離を延ばす
② 計測距離が長い：PRBSコードの利用
従来の手法
ダイナマイト震源はエネルギーが大きく、周波数が低いため計測距離が長い
計測距離 数100m
精 度
5 m
ピエゾ震源はエネルギーが小さく、周波数が高いため計測距離が短い
音響透水トモ
計測距離
精 度
数 m
0.2 m
PRBS信号により計測距離が伸びる
PRBS信号により計測距離が伸びる
計測距離 数100 m
精 度
0.2 m
JFEシビル株式会社
13
PRBS(疑似ランダム）コード
PRBSコード(疑似ランダムコード)
PRBSコード(0と1の連続信号)
(Pseudo Random Binary Sequence)
„潜水艦のソナー技術として開発
„連続的に正弦波を発震する
„単一の周波数で発震できる
正弦波の位相を0で反転、1で元に戻す
受振波形
発震信号と受振信号の相関関数を計算
発震波形
JFEシビル株式会社
連続した信号を時間軸方向に圧縮して
14
振幅方向に増加させる
7
PRBSコードによる効果
受振信号のＳ／Ｎ比
バックグランドノイズレベルを超えるまで
コード長を延ばす
計測可能範囲
バックグランド
ノイズレベル
通常は4095個のコードを用いる
1kHz ： 約4秒
5kHz ： 約1秒
計測不可
計測可
PRBSコード長
計測可能範囲になるまで音を出し続ける
JFEシビル株式会社
15
2-6 他手法との比較 情報量
受振波形
初期到達時間→速度
音圧
新しい情報
最大振幅→減衰
時間
従来の手法
到達時間 =速度分布=地盤の硬さ、密度
音響透水トモグラフィ
到達時間 =速度分布=地盤の硬さ、密度
振幅 =減衰率分布=内容物、粒径
速度分布
JFEシビル株式会社
減衰率
間隙率
透水係数
16
8
破砕された岩盤と堆積層の分離
速度分布図では表れない地層が見える
•密度が同じ地層でもマトリックスや岩相の差により減衰率に差が表れる｡
•砂礫層と破砕火山岩が区別できた｡
破砕火山岩
砂礫層
JFEシビル株式会社
17
地盤改良効果の把握
速度分布よりも地盤変化に敏感
•グラウト工事前後で速度は大きな差がないが､減衰率は差が表れる｡
•亀裂が充填され音の散乱･反射量が変化した｡
施工前後での速度の差
減衰率の差
変化なし
減衰率減少
変化なし
JFEシビル株式会社
18
9
2-7 他手法との比較 地表ノイズの影響を受けない
音響透水トモグラフィは騒音より高い周波数を使用
他の弾性波探査は騒音に近い周波数を使用
重機走行
工場操業
受振孔
発震孔
千葉製鉄所での基礎杭支持地盤の計測
車両走行
騒音の多い都市部での計測は困難
他の弾性波探査
暗
騒
低い
10Hz
音響透水トモグラフィ
受振孔
音
周波数
100Hz
1kHz
高い
10kHz
環七高円寺付近での砂のゆるみ調査
騒音の多い道路近傍での計測が可能
JFEシビル株式会社
19
2-8 他手法との比較 地表構造物の影響を受けない
地震探査や電気探査は地表に広い
作業エリアが必要
他の孔間探査法では計測距離が短い
×
地表に構造物がある場合は計測ができない
地表の専有面積が小
さく、計測距離が長い
地表構造物の隙間を
縫った計測が可能
JFEシビル株式会社
20
10
3-1 透水係数トモグラフィー
多孔質媒体内の流体挙動理論 (Biot、1956)
骨格が振動
土粒子と水が別々に振動
+
V0
土粒子
土粒子
V∞
弾性波の振動=水が通り抜ける早さ=透水性
↓
周波数を変化させて弾性波速度を測ると透水係数が計算できる
(BIOT理論)
JFEシビル株式会社
21
3-2 速度と減衰率の周波数特性
速度の周波数特性
速度および減衰率の
周波数分散の理論値
減衰の周波数特性
JFEシビル株式会社
砂：k=10-2
シルト：k=10-4
粘性土：k=10-6
22
11
3-3 砂地盤における速度と減衰率の計測例
速度の周波数特性
減衰の周波数特性
実線および点線は理論値
(k=10-3cm/sec)
JFEシビル株式会社
23
3-4 模型地盤における計測例
•
•
•
間隙率分布：砂の空中落下による水平構造が認められる。
透水係数分布：中央部に高透水部と低透水部が存在
中央部に高間隙率、高透水係数ゾーン：ゆるい部分と推定
JFEシビル株式会社
24
12
3-5 石灰岩、泥岩における計測例
受振波形の変化
地層ごとの速度変化
200Hz
石灰岩
300Hz
速度︵
ｍ／Ｓ︶
500Hz
1000Hz
2000Hz
砂岩
周波数(Hz)
5000Hz
粘性土
時間(ms)
○は計測データ
実線はBISQ理論
点線はBiot理論
JFEシビル株式会社
25
周波数の違いによる速度分布の変化
周波数ごとの速度トモグラフィー
1kHzと250Hzの速度差
速度差=0m/s
速度差=360m/s
2 kHz
1 kHz
BISQ理論から計算した
BISQ理論から計算した
透水係数=10
透水係数=10-3
↓
揚水試験結果と一致
250Hz
JFEシビル株式会社
26
13
透水性理論式の使い分け
BISQ(Dovolkin et al, 1993)
BIOT(1956)
Super-K
Yamamoto(1998)
Soft sediments
K<<Kf
未固結の地盤
Limestone
f BIOT<<f SQ
≅
Sandstone
f SQ<<f BIOT
多孔質な骨格を持った地盤
緻密な固結地盤
Squirt Flow Mech.(にじみだし理論）
Mech.(にじみだし理論）
Kf k
2π fs ≅
µφ R2
Biot Mech.
2π fβ
Squirt Flow
Mavko and Nur (1979)
µφ
kρ f
土粒子の振動により水分
子が押し出される
土粒子の間を水分子が
移動（振動）する
JFEシビル株式会社
27
4-1 計測方法
計測概念図
音の波線が断面全体を横切るように発震
器を移動する
計測フロー
機材搬入
計測機器設置・配線
発振器を最深部に設置
発振・受振
発振器移動
計測完了
現場終了
解析
JFEシビル株式会社
28
14
4-2 現場計測の様子
VP50に対応した計測機器
受振孔
発震孔
計測車
発電器
JFEシビル株式会社
29
5-1 計測例1) 液状化実験のための砂地盤調査
大型模型土槽における砂の不均質性評価と透水係数分布の出力
JFEシビル株式会社
30
15
実験用の土槽
小型水槽による基礎データ取得
大型水槽によるトモグラフィ計測
計測周波数帯域は2kHzから78kHz
JFEシビル株式会社
31
粒径・間隙率の異なる砂の計測
速度と減衰率及び間隙率との関係
1.80
速度 (km/s)
1.75
1.70
1.65
1.60
豊浦砂 39kHz
珪砂4号 39kHz
珪砂8号 39kHz
1.55
1.50
0.05
0.07
0.09
減衰率 (dB/m/kHz)
0.11
①速度と減衰率の関係から砂の
粒径や形状，間隙率の違いな
どの性状を把握できる。
②ゆるい砂の状態(○の大きい部
分)では減衰率が変化し，締まっ
た砂(○印の小さい部分)では
速度の変化が顕著になる。
0.13
垂直型模型土槽の計測例
間隙率の違いによる速度と減衰率の計測結果
(○の大きさが間隙率の値に比例する)
JFEシビル株式会社
32
16
速度・減衰率の周波数特性
速度の周波数特性
減衰の周波数特性
実線および点線：理論値(k=3×10-2)
JFEシビル株式会社
33
計測結果 間隙率・透水係数分布
•
•
•
間隙率分布：水平構造が認められる。
透水係数分布：中央部に高透水部と低透水部が存在
中央部に高間隙率、高透水係数ゾーン：ゆるい部分と推定
JFEシビル株式会社
34
17
5-3 計測例3) 南フロリダ地下水汚染調査
フロリダ州による揚水試験結果
シュランベルジャーによる孔内検層結果
90D
8x10-2
30D
3x10-2
間隙率
トモグラフィー
透水係数
トモグラフィー
JFEシビル株式会社
35
5-4 計測例4) 砂礫層支持地盤の不陸の把握
計測条件
„
„
„
„
„
計測距離 50m
杭の打設回数
場所：フィリピン
計測距離：50m
計測深度50m
使用周波数：2kHz
対象地盤：粘性土
粘性土層
50ｍ
受振器
砂礫層
速度トモグラフィー
発震器
50ｍ
海上計測
JFEシビル株式会社
36
18
5-6 計測例6) 亜炭鉱跡 地盤危険度調査
空洞がない場所
空洞がある場所
速度
速度
減衰
減衰
高速道路建設予定地で道路が
陥没(0211)
陥没(0211)
残柱の上に既存の病院など
重要な構造物があり、掘削で
きない
5-7 計測例7) 遠距離大深度対応発震器の開発
１．５ｋｍ
サイト内鳥瞰図
従来型発震器
試作器
従来型
試作発震器
震源比較図
周波数3kHzで１４０ｍの距離を伝播させる事に成功
周波数3kHzで１４０ｍの距離を伝播させる事に成功
19
5-8 計測例8) 頁岩内の砂層(石油を含む)の把握
速度分布図
砂
100m
減衰分布図
100m
-300m
岩
第1回計測で再生された井戸
推定断層
層
頁
-500m
岩
層
速度遅い
第2回計測に基づく井戸掘削
速度早い
減衰小
減衰大
JFEシビル株式会社
39
5-9 計測例9) 樹木CTの開発
樹木内部の空洞等の状態を外部から把握する
• 街路樹の倒壊による被害の予測
• 重要植樹(
重要植樹(屋久杉などの天然記念物)
屋久杉などの天然記念物)の枯れ死を防ぐ
• 既存の手法は金属の針を直接突き刺し抵抗を計る
発震器と受振器を樹木の周りに設置して同時
に発震する
20
6
年度
今までの実績
名称
実施場所
計測距離
40m
結果
1998 ダム地盤調査
熊本県
速度分布で新鮮な安山岩を、減衰分布で砂礫層を分離。
1999 帯水層調査
米国フロリダ州 50m
1999 ダム地盤調査
岐阜県
10-50m
速度と減衰分布は地盤の亀裂･風化などの状況との相関が得られた。
1999 地質調査
青森県
40m
減衰率分布から礫岩部分を明瞭に区別。
石灰岩と風化泥岩を明瞭に区別。
1999 石油探査実験
秋田県
100m
砂岩と頁岩の互層を把握。
1999 ダム地盤調査
栃木県
20-50m
減衰分布は風化部と新鮮部に対応。
2000 地質調査
茨城県つくば市 40-70m
2000 ダム地盤調査
滋賀県
40-110m 速度と減衰分布は地盤の亀裂･風化などの状況との相関が得られた。
2000 鳥取地震被害調査
鳥取県揖屋町
NA
2000 地盤調査
埼玉県三郷市
50m
2000 実験土槽内実験
茨城県つくば市 1.3m
粒度分析を行った砂で人工地盤を製作砂の不均一性を把握。
2001 液状化地盤調査
茨城県つくば市 2ｍ
液状化実験を行うための模型地盤で砂の透水係数分布を計測
2001 地盤調査
東京都高円寺
15ｍ
地下調整池掘削工事のため砂地盤の緩みを計測。砂地盤の緩み分布を出力。
2002 ダム岩盤調査
群馬県
1ｍ
地下発電所建設予定地の岩盤の亀裂状態を計測。減衰率による亀裂分布を出力。
2002 石油備蓄基地岩盤調査
愛媛県
20m
2001 石炭探査システムの開発
オーストラリア
2002 遠距離大深度計測システムの開発
2002 亜炭坑跡空洞調査
岐阜県
砂礫層、砂層、粘性土層が互層となっている状態を把握。
コンクリート背面の土砂の状況により計測結果が変化することを把握。
洪積砂層の不陸(河床段丘)を把握。
200m
物理探査技術の高度化。機器の開発（製作と試験）を実施。
30m
亜炭坑跡の空洞調査および、空洞充填後の確認。
沖積層の下の洪積層（支持地盤）の不陸を確認。沖積層中にガス層を確認
2002 工場建家基礎地盤調査
千葉県
50m
2002 岩盤亀裂調査
スイス
2m
2002 岩盤基礎調査
青森県
1m
2003 護岸透水性調査
山口県
30m
各種物理探査、地質調査の一種として実施。
JFEシビル株式会社
41
6-1 土壌・地下水汚染調査への適用
工場廃棄物
廃棄物処理場
鉱山跡地
媒体の供給
汚染源
供給経路の調査
汚染源の調査
汚染物質の拡散(土壌・地下水の汚染）
汚染経路の調査
汚染エリアの推定
対策の構築
対策の構築
JFEシビル株式会社
42
21
6-2 岩盤調査への適用
グラウチングの評価
軟岩の調査
•透水性調査
•間隙率調査
（グラウチング前後の効果把握）
基盤全体の調査
•亀裂調査
•間隙率調査
•亀裂調査
•地層構造調査
JFEシビル株式会社
43
6-3 資源探査への適用
従来の方法：新規開発
①地表からの反射法探査を
行い構造を調査
新しい方法：枯渇井戸再生
②試掘を行い
油層を確認
①既存井戸に機器を
セットし構造､特性を
調査
新規開発は
環境問題に抵触
未開発油田数は減少
市場は成熟
枯井戸は無数に存在
市場は未開発
②採油部分を設置
(掘削しない)
③油層箇所に採油部分を設置
広範囲な探査
複数の掘削が必要
開発コストが大きく､大規模な油層が必要
新規の油田リースが必要、周囲環境に影響
JFEシビル株式会社
既存部分の探査
掘削は必要ない
開発コストが小さく､小規模な油層でOK
井戸のリース料は安い､環境に影響なし
44
22