JP2006292483A - ロックボルト軸力測定方法及びロックボルト - Google Patents

Abstract

【課題】 管理が簡易で確実に軸力を測定することの可能なロックボルト軸力測定方法及びロックボルトを提供すること。
【解決手段】 中実の膨張型ロックボルトに作用する軸力を測定する。ロックボルトはロックボルト本体２０に沿って固着された測定棒５０を有する。ロックボルトの施工時に予め測定棒５０の露出部である入射部１１から超音波を送信すると共に標点からの反射波を受信して標点からの反射波の受信時間差を求める超音波測定を実施する。後に改めて超音波測定を実施して受信時間差の変化により軸力を算定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ナトム工法などの地盤改良工法に用いるロックボルトの軸力を測定するロックボルト軸力測定方法及びこれに用いるロックボルトに関する。

ロックボルト軸力測定方法としては、例えば特許文献１，２に記載の如き発明が知られている。特許文献１に記載の発明では、軸力測定計に測定溝を設け、その底面にストレンゲージを貼付し、リード線を測定溝に配設している。また、特許文献２に記載の発明では、ロックボルトの表面にストレンゲージを貼付しその周りを防護パイプ、充填材等でストレンゲージ及び入出力ケーブルを保護している。

いずれの先行発明においても、ストレンゲージを用いて軸力を測定しており、計測部までケーブルを配設しなければならず、その取り扱いが煩雑でコスト高を招いていた。

また、ロックボルトとは全く技術分野の異なる参考例であるが、特許文献３に記載の如く超音波によるボルト軸力測定法が知られている。同発明は、軸方向の縦波と横波の伝播時間の比を求め、予め既知の軸力下で求めた縦波と横波の伝播時間の比と軸方向の引張応力との関係から、締結されたボルト全体のボルト軸力を求めている。よって、ロックボルトに適用するという点の示唆もその適用時の実現性等についての開示も全く見受けられない。
実開平４−３８５４１号 特開２００４−３７２２７号 特開平５−２０３５１３号

かかる従来の実情に鑑みて、本発明は、管理が簡易で確実に軸力を測定することの可能なロックボルト軸力測定方法及びロックボルトを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るロックボルト軸力測定方法の特徴は、中実のロックボルトに作用する軸力を測定する方法であって、前記ロックボルトはロックボルト本体に沿って固着された測定棒を有し、前記ロックボルトの施工時に予め前記測定棒の露出部である入射部から超音波を送信すると共に標点からの反射波を受信して標点からの反射波の受信時間差を求める超音波測定を実施し、後に改めて前記超音波測定を実施して受信時間差の変化により前記軸力を算定することにある。

同特徴によれば、ロックボルト本体に沿って固着された測定棒を有しており、測定棒は超音波の透過性が良好で超音波の検出がより確実となる。

よって、ストレンゲージを用いることなく、各標点における超音波の受信時間差の変化により軸力を算定することができる。

また、測定棒における超音波の前記入射部と終端との間に超音波を反射する複数の標点を設け、前記軸力の分布測定を行ってもよい。

一方、上記ロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトの特徴は、各標点が切り欠きを含むことにある。前記標点が前記測定棒の円周方向に形成された溝状の切り欠きを含ませることで検出力の向上が期待される。また、超音波の入射部と終端との間に超音波を反射する複数の標点を設け、これら標点のロックボルト円周方向に対する位相を異ならせてもよい。測定精度を向上させるために、前記測定棒を複数本設けてもよい。なお、前記測定棒を前記ロックボルト本体について複数本均等配置することが望ましい。均等配置により、ロックボルト本体断面における測定棒の位置の対称性が確保され、各測定棒のひずみ計算が容易となるからである。

また、前記測定棒を少なくともその両端近傍で前記ロックボルト本体側に固着してもよい。測定棒の少なくとも両端間の張力をロックボルト本体と測定棒の間で共有することができるので、より精度の高い軸力測定を行うことができる。また、前記測定棒をその少なくとも一端側で前記ロックボルト本体側に締付固定手段により固定してもよい。

前記測定棒が前記標点と同一位置又はその近傍にてロックボルト本体に固着されていることにある。測定棒のロックボルト本体への固着箇所と各標点を同一位置又はその近傍とすることで、測定誤差の低減を図ることができる。

前記超音波が横波の場合においては、前記超音波の入射部をロックボルトの長手方向に対して傾斜させてもよい。

上記本発明に係るロックボルト軸力測定方法の特徴によれば、超音波を用いることでストレンゲージの配線等が不要で管理が簡素であり、しかも、確実に軸力を測定することの可能なロックボルト軸力測定方法及びロックボルトを提供するに至った。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

次に、適宜添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳しく説明する。図１は本発明の軸力測定に用いるロックボルト１０と軸力測定装置１とを示す。軸力測定装置１は、超音波をロックボルト１０へ送受信する探触子２と、超音波を発信及び受信するパルサー・レシーバー３と、信号を制御すると共に受信信号を処理・表示するＰＣ（パーソナルコンピュータ）４及びモニター５を備えている。

ロックボルト１０は、先端をテーパー状に尖らせた他方の端部１２を備え、鋼材であるロックボルト本体２０に沿って固着された測定棒５０を有してなる。端部１２は、先端がテーパー状に尖った終端１２ｂまで鋼材等で一体成形する他、ロックボルト１０の終端１２ａに先端の尖った樹脂製キャップ等１２ｂを接着させるようにしてもよい。ロックボルト本体２０の挿入孔１０１側端部は、ロックボルト本体２０のベアリングプレート１５に対する締付固定手段２１であるねじ部２１ａとナット２１ｂとを備えている。

測定棒５０は、鋼材やアルミニウムで構成されており、図１，５，６に示すように、ロックボルト本体２０に沿ってロックボルト本体２０の挿入孔側近傍部や端部１２近傍或いはベアリングプレート１５等のロックボルトの部材に適宜箇所で溶接若しくは接着剤により固着される。

測定棒５０を固着する場合、図１（ａ）に示すように、少なくとも測定棒５０の両端部をロックボルト本体２０の挿入孔１０１近傍の溶接部５８ａと端部１２近傍の溶接部５８ｂとの２カ所において固着させる。測定棒５０の両端部を固着されることで、施工時のロックボルト１０の取り扱いが容易となる。

さらに、図２に示すように、測定棒５０の両端部に加えロックボルト本体２０の中間部においてもロックボルト本体２０と固着させる場合、測定棒５０に設けた各切欠Ｎ１〜４と同一位置となる溶接部５８ａ，５８ｃ〜ｅで固着する。各切欠Ｎ１〜４と溶接部５８ａ，５８ｃ〜ｅを同一位置とすることで、測定誤差の低減が図られる。

また、測定棒５０はロックボルト本体２０を貫通させる大孔１６に連続する小孔１７からベアリングプレート１５を貫通すると共にその外表面から始端面５１を若干突出させてある。この僅かな突出により探触子２の接触を可能としている。

測定棒５０の適宜箇所には図３（ａ）（ｂ）に示すように標点として複数の切欠Ｎ１−４が形成されている。各切欠Ｎ１−４は、それぞれが、測定棒５０の円周方向に連続的に切り欠かれた溝である。幅Ｗは信号の反射には大きな影響を及ぼさず、より終端面５２側の切欠ほど深さｔを大きくすることで、始端面５１で受信される信号のレベルを各切欠Ｎ１−４間で同レベルとなるように調節することが可能となる。表面に多くの凹凸が存在すると、超音波の減衰の激しいことが実験により確認されたので、測定棒５０の表面は切欠以外平坦となっている。

なお、各切欠Ｎ１−４は、図３（ｃ）の如く測定棒５０の全周でなく周部の一部にのみ形成してもよい。この場合、各切欠Ｎ１−４はそれぞれが一対ずつロックボルト１０の中心軸に対し点対称的に設けられ、異なる長手方向位置において位相が異なるように配置され、超音波が中間部の切欠Ｎ１−４及び終端面５２のものを確実に検出できるように構成してある。

また、図４に示すように、各切欠Ｎ１〜Ｎ４は、測定棒５０にほぼ垂直に切り込みを入れ形成された立ち上がり部５６と、その立ち上がり部５６に対しテーパー状に削られた平坦部５７とより形成してもよい。入射部１１である始端面５１より入射された超音波の一部Ｓａは、ほぼ垂直である立ち上がり部５６で大幅に反射される一方、終端面５２により反射された反射波Ｓｂは、平坦部５７では大きく反射せずに切欠Ｎ１〜Ｎ４を通過するので、超音波が中間部の切欠Ｎ１−４及び終端面５２のものを確実に検出できる。なお、標点は切欠以外に凹部や突起でもよいが、垂直部分を有する切欠を設けた場合が超音波の反射を最も明瞭に検出することができる。

設置に際しては、トンネル外壁１００の適宜箇所に形成された挿入孔１０１にセメントミルク、グラウト等の充填材１０２を充填する。充填後、図１（ａ）の如く充填材１０２が充填された挿入孔１０１にロックボルト１０を挿入することにより、ロックボルト１０の挿入孔１０１への定着が完了する。挿入孔１０１にロックボルト１０を挿入した後、モルタル等の充填材１０２を充填してもよい。入射部１１の近傍にはベアリングプレートが介挿され、ロックボルト本体２０をナット２１ｂによりベアリングプレート１５に固定し、実質的にトンネル壁１００を支持する。なお、締付固定手段２１は、ねじ部２１ａ、ナット２１ｂの他、ラッチ手段等様々な機械を採用し得る。

測定に際しては、測定棒５０の始端面５１に探触子２を接触媒質を介して接触させ、超音波を入射すると共に各標点Ｎ１〜Ｎ４、終端面５２からの反射波を受信する。超音波の発信時刻と受信時刻の差と音速を掛け合わせることにより、図３（ｂ）に示す各標点Ｎ１−４、終端面５２からの反射波の往復距離Ｌ１〜５が算出できる。また、各Ｌ１〜５間の差分を求めることで、標点間距離ＳＣ１〜５を算出でき、予め求めておいた各距離Ｌ１〜５、ＳＣ１〜５との比較を行うことで、ロックボルト１０の伸長の度合いを求めることができる。

まずは、超音波の発信時刻と図３（ｂ）に示す各標点Ｎ１−４及び終端面５２から反射してくる反射波の受信時刻の差から伝播時間Ｔ_i（ｉは区間番号）が求められる。次に、隣接する区間の伝播時間の差Ｔ_i−Ｔ_i-1から区間伝播時間が算出できる。上記の手順に基づいて、ロックボルト打設直後に各標点区間ＳＣ１〜５の各区間伝播時間を初期値として計測する。打設後随時に各区間伝播時間を同様に計測して、それぞれ初期値に対する変化率（区間伝播時間変化率ｄＤ）を求める。予め求めておいた軸力と区間伝播時間変化率ｄＤとの相関関係から、各区間の軸力が算定できる。実験によれば、横波の場合は１ＭＨｚ，２ＭＨｚ（低周波領域）で反射検出が良好であったが、縦波の場合は５ＭＨｚ（高周波領域）で反射波検出が良好となることが判明した。なお、超音波音速は材料の温度によっても変動するため、上記処理において、周囲環境に合わせた温度補正が必要となる場合がある。

次に、本発明のさらに別の実施形態について説明する。なお、上述の実施形態と同様の部材には同じ符号を付すこととする。

図５（ａ）に示す実施形態では、一対の測定棒５０ａ、５０ｂをロックボルト本体２０についてほぼ対称に配置した。また、配置する測定棒の本数は、上記実施形態の本数に限られず、ロックボルト本体２０について複数本を配置してもよく、さらにそれら複数本の測定棒をほぼ均等配置してもよい。この場合、例えば、測定棒を３本用いる場合は１２０度間隔で均等割り付けするとよい。

また、図５（ｂ）に示す実施形態の如く、測定棒５０を挿入孔１０１側においてベアリングプレート１５に固着させても構わない。測定棒５０の挿入孔１０１側の固着は、ロックボルト本体２０に直接行うことがロックボルトの取扱いの面から好ましい。しかし、ロックボルトの張力を考慮すると、溶接部５８を符号５８ａの部分より符号５８ｆの部分において、ベアリングプレート１５に固着させることが測定精度向上の面から好ましい。ところが、溶接部５８ｆで測定棒５０をベアリングプレート１５に固着させるとベアリングプレート１５がロックボルト本体２０に常時連結されて取扱い性が低下する。

そこで、図６に示す実施形態の如く、測定棒５０の挿入孔側先端部にねじ部５８ｈを設け、ナット５８ｇによりベアリングプレート１５に測定棒５０を固着しても構わない。測定棒５０のベアリングプレート１５に対する締付固定手段５８ｘは、ねじ部５８ｈ、ナット５８ｇの他、ラッチ手段等様々な機械を採用し得る。

上記各実施形態では、入射部１１である始端面５１を測定棒５０の長手方向に垂直な平面として構成した。しかし、横波を円滑に入射させたい場合には図７の如く始端面５１ａを測定棒５０の長手方向に傾斜状に形成してもよい。この斜面はロックボルト１０全体の軸線に対して略４５度程度傾斜している。

上記実施形態では、測定棒５０を中央部も詰まった棒として表現した。しかし、この測定棒５０は、超音波が十分伝達できる限りにおいて中央部に長手方向に沿う空洞が存在してもよい。測定棒５０の中央部に長手方向に沿う空洞が存在する場合には、その空洞に温度センサを挿入して各部位の温度を計測し温度補正を考慮したより精度の高い軸力測定を行うことができる。

上記実施形態では、本発明をロックボルトの軸力測定方法として表現したが、本発明はロックボルトの伸長測定方法とも表現することができる。

本発明は、トンネル施工法の一種である所謂ナトム工法に用いられるロックボルトの軸力を測定するロックボルト軸力測定方法として利用することができる。また、トンネル以外の地盤補強のためのロックボルトの軸力測定方法にも用いることが可能である。

（ａ）はロックボルトの破砕図及び軸力測定装置のブロック図、（ｂ）はロックボルトの正面図である。 測定棒の溶接部と切り欠きとの関係を示す側面図である。 （ａ）は測定棒と切り欠きとの関係を示す側面図、（ｂ）は測定棒の全長における切り欠き位置を示す側面図、（ｃ）は測定棒と切り欠きとの関係を示す測定棒の軸心に直交する断面図である。 切り欠きの部分拡大図である。 （ａ）はロックボルトの別の実施形態を示す断面図、（ｂ）はさらに別の実施形態を示す断面図である。 ロックボルトのさらに別の実施形態を示す断面図である。 測定棒の始端面の別の実施形態を示す側面図である。

符号の説明

１：軸力測定装置、２：探触子、３：パルサー・レシーバー、４：ＰＣ、５：モニター、１０：ロックボルト、１１：入射部、１２：端部、１５：ベアリングプレート、１６：大孔，１７：小孔，２０：ロックボルト本体、２１：締付固定手段、２１ａ：ねじ部、２１ｂ：ナット、５０：測定棒、５１：始端面、５２：終端面、５３：スペーサー，５５：切欠部、５６：立ち上がり部、５７：平坦部、５８，５８ａ〜ｆ：溶接部、５８ｇ：ナット、５８ｈ：ねじ部、５８ｘ：締付固定手段、１００：トンネル外壁 、１０１：挿入孔、１０２：充填材、Ｎ１−４：標点（切欠）ＳＣ１−５：標点間距離，Ｓａ：超音波の一部，Ｓｂ：反射波

Claims (10)

1. 中実のロックボルト（１０）に作用する軸力を測定するロックボルト軸力測定方法であって、
   前記ロックボルトはロックボルト本体（２０）に沿って固着された測定棒（５０）を有し、前記ロックボルトの施工時に予め前記測定棒（５０）の露出部である入射部（１１）から超音波を送信すると共に標点（５２，Ｎ１〜Ｎ４）からの反射波を受信して標点（５２，Ｎ１〜Ｎ４）からの反射波の受信時間差を求める超音波測定を実施し、
   後に改めて前記超音波測定を実施して受信時間差の変化により前記軸力を算定することを特徴とするロックボルト軸力測定方法。
2. 前記測定棒（５０）における超音波の入射部（１１）と終端（５２）との間に超音波を反射する複数の標点（Ｎ１〜Ｎ４）を設け前記軸力の分布測定を行うことを特徴とする請求項１記載のロックボルト軸力測定方法。
3. 請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記標点が切り欠き（Ｎ１〜Ｎ４）を含むことを特徴とするロックボルト。
4. 請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記標点が前記測定棒（５０）の円周方向に形成された溝状の切り欠き（Ｎ１〜Ｎ４）を含むことを特徴とするロックボルト。
5. 請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、超音波の入射部（１１）と終端（５２）との間に超音波を反射する複数の標点を設け、これら標点（Ｎ１〜Ｎ４）のロックボルト円周方向に対する位相を異ならせたことを特徴とするロックボルト。
6. 請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記測定棒（５０）を複数本設けたことを特徴とするロックボルト。
7. 請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記測定棒（５０）を少なくともその両端近傍で前記ロックボルト本体（２０）側に固着したことを特徴とするロックボルト。
8. 請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記測定棒（５０）が前記標点（Ｎ１〜Ｎ４）と同一位置又はその近傍にてロックボルト本体（２０）に固着されていることを特徴とするロックボルト。
9. 請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記測定棒（５０）をその少なくとも一端側で前記ロックボルト本体（２０）側に締付固定手段（５８ｘ）により固定したことを特徴とするロックボルト。
10. 請求項１又は２に記載のロックボルト軸力測定方法に用いることの可能なロックボルトであって、前記超音波の入射部（１１）がロックボルトの長手方向に対して傾斜していることを特徴とするロックボルト。
    

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