1

衝撃弾性波法の原理と応用

衝撃

ＦＦＴ

0 20 40 60 80-6

-3

0

3

6

受振波形

時間（msec)

振幅

（V

)

0 200 400 600 800 10000

0.01

0.02

0.03

周波数分布

周波数（Hz)ス

ペク

トル

強度

両端張出し梁の衝撃振動試験

集成材の接着不良の検出への適用

1次モード

2次モード

3次モード

4次モード

0 500 1000 15000

0.01

0.02

周波数(Hz)

スペクトル強度

61

281

586

916

1次

2次3次

4次 「各振動モードの固有振動数」に着目する方法が

衝撃振動試験

（これも衝撃弾性波法のひとつ）

4

埋設管の健全度評価への適用

衝撃弾性波法の原理と応用

コンクリート下水管の腐食のメカニズム

4．硫酸による管壁の侵食

3．硫化水素の吸収と酸化

2．硫化水素（H2S）の蒸発

1．硫化水素（H2S）の生成

バクテリアの作用

我が国では、下水道管の老朽化に起因する

道路陥没は年間数千件以上

6

非開削での診断と補修（更生）

積水化学工業㈱ＨＰより

更生工法の例

しかし、従来、人の入れない中小口径管では、TVカメラに

よる調査以外に有効な診断方法がなかった！

ひび割れ・減肉などにより弾性波挙動の変化

→ 波形の変化を定量化

→ 劣化状況の定量化（客観的データへ）

0 2 4 6 8 10

A点での受振波形の例

衝撃

解析モデル

A点

8○モルタル付着

○樹木根の侵入

○油脂の付着

○取付管の突出し

○浸入水

○管の継手ズレ

○たるみ（管路の上下）

●？管の周方向クラック

●？管の軸方向クラック

●？管の腐食（管厚減少）

衝撃弾性波法テレビカメラ評価項目調査手法

劣化項目

↓

特に、管の

剛性等に影響

を与える因子

衝撃弾性波法でカバーする範囲（TVカメラの弱点を補い、 も重要な情報をキャッチ）

健全管 ひび割れ管

0 10 20time (ms)

0 10 20time (ms)

波形の比較

受振波形から求めた周波数分布の比較

Frequency (kHz)0 2 4 6 8 10

Spec

trum

軸方向クラック 少

軸方向クラック 多

0 2 4 6 8 10Frequency(kHz)

Spec

trum

0 2 4 6 8 10Frequency(kHz)

Spec

trum

健全管

0

50

100

百分

率（

％） 62.0

38.0

42.5

57.5

69.4

30.640.3

59.7

50.2

49.8

70.6

29.4

健全供試体

管厚減少周クラック

大

定量化による劣化グレーディング

高周波領域

低周波領域

0～5kHz

5～10kHz

100

50

0

小

多

少

軸クラック

この診断システムの運用上の特徴（岐阜大・積水化学で特許共同出願）

埋設管１単位（長さ約2m）ごとに

ロボットにより管内面で衝撃を与え、

受振波形から劣化状況を評価

健全管での

基準値データベースと比較

埋設管１単位（約2m）

ごとに評価を実施

中日新聞

夕刊

2002.7.23

1号機

1号機1号機

ロボット1号機の製作（2002年度）

打撃側

受振側インパルス

ハンマー

振動センサ

打撃部（インパルスハンマー）

受振部（加速度センサー）

中折れ構造

ロボット２号機の製作（2003年度）

NEDOからの委託により

カメラ・衝撃弾性波計測ユニット一体型ロボットとして製作

→ 愛・地球博（プロトタイプロボット展）で出展

ロボット３号機の製作（2004年度）

ドクター・インパクト(岐阜大・積水化学）

①劣化程度（ひび割れ状態など）の定量化（衝撃弾性波試験の実施）

②管の性能の定量化（自立指数の算定）

更生工法選択のための判断指標へ

定量的劣化診断の手順

たとえば、鉄筋が50%

足りない！

震度５弱の地震で倒壊する

18

ひび割れ程度（見かけの剛性）の定量的評価

載荷用H型補剛鋼

角材

ゴム板

ヒューム管

載荷試験状況

0 10 200

10

20

30

40

Displacement(mm)

Load(kN)

①②

③④⑤ ⑥

⑦

試験開始

衝撃弾性波試験

再載荷

衝撃弾性波試験

供試体破壊まで

繰り返し

ひび割れの状況

ひび割れ

ひび割れ

コンクリート管の上面，底面および両側面に発生し，軸方向に進展

ひび割れの進行に伴う周波数分布の変化

0 2 4 6 8 100

1

2

3[×10-3]

Frequency(kHz)

Intensity

0 2 4 6 8 100

0.5

1

1.5[×10-3]

Frequency(kHz)

Intensity

0 2 4 6 8 100

1

2[×10-3]

Frequency(kHz)

Intensity

健全

④

⑥

0 2 4 6 8 100

0.5

1

1.5[×10-3]

Frequency(kHz)

Intensity

5kHz

高周波成分比 =0～5kHzまでの面積

0～10kHzまでの面積 ＋

ひび割れの進行高

周波

成分

比

健全

弾性領域

変位2.

4mm

変位4.

3mm

変位9.

4mm

変位12.

6mm

変位20.

3mm

ひび割れ発生荷重

高周波成分比の変化

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

剛性低下率と高周波成分比の関係

載荷前

破壊

G = 2.86 X - 60.16

2030405060

0

0.2

0.4

0.6

0.8

高周波成分比：X（%）剛

性低

下率

：S

自立指数（安全余裕度）算定式の例

0 10 200

10

20

30

40

Displacement(mm)

Load(kN)

荷重－変位曲線の傾きから

見かけの剛性を評価

→ 剛性低下率（健全時を１）を算定

管路品質・性能の評価（定量化） →更生工法選択のための診断

高周波成分比 剛性低下率（自立指数）

自立指数：100～80もっとも軽微な補修

【自立指数と更生工法】

0

100

50 2層構造管②（オメガライナーL）

自立管（オメガライナーR）

80

30

2層構造管①（オメガライナーSL）

自立指数：80～30

中程度の補修

自立指数：30以下

も丁寧な補修

自立指数

株式会社 リハビリ・リサーチ・ラボラトリー

インターネット

データ解析→ 劣化度診断

→（更生（リハビリ）工法提案）

管理者

管路診断ロボット

管路調査会社等

管路診断

報告書

大学発ベンチャー企業

24

J 0 4 0 0 3 9 7 4

J 0 4 4 4 3 9 7 5

A

B

1

2

3

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

　　　　　　　　 　　　　（VTR No. ）

下流人孔

上流人孔

TVカメラ調査票No.：1

蓋種別区画

1号

1号

管本数

20

（管体） ：A ：B

（継手） 縦太線：B

浸入水判定

T　V　カ　メ　ラ　検　査

衝 撃 弾 性 波 （ ロ ボ ッ ト ） 検 査

縦二重線：A

工法名

改築形成工法

改築製管工法

工法選定（順不同）A数

診断項目

軸クラック

周クラック

有効管厚み

診断項目

改築修繕ランク

浸入水ランク

判定項目

自立強度

修繕・改築

総合判定

浚渫量

維持管理ランク

A・B管数比で表示ランク＋3桁固定表示

改 善 数 量 （ 改 築 ・ 修 繕 ・ 維 持 管 理 ・ 前 処 理 ）

判定方法

衝撃弾性波検査：A改築・B修繕

経済性：残存年単価比較

診断：A改築・B修繕

土被

取付口

切削

軸補正

浚渫

掘削

維持管理

前処理

根切り

清掃

水替

はつり

止水

堆積深

夜間

改築

修繕

管頂

継手

管径

本管

工事

スパン判定Ⅰ・Ⅱ・＊（他）

判　　　定

調査翌年時50年未満は改良更新・改良

緊急度

修繕止水工法

種別

201918

OR判定（改築優先）

1413 1615

判定

A

（取付口）

改築開削工法

改築推進工法

　：A

人孔種別 人孔深

12

調査年月日

本管総延長 敷設年度 調査時経年管径mm管種

　　　　　　　　2002年　　　　　12月　　　　　10日

H市 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

管　　路　　診　　断　　票

路線番号

HP

枝番番号ﾒｯｼｭ

9350 40.10m

取付管口数

174 5 1110987

1 5%

3 15%

管数比 B数 管数比 判定

腐食

破損・軸ｸﾗｯｸ

　：B

管頂深

継手ズレ

周クラック

浸入水

不陸

取付突出

油脂付着

侵入根

モルタル付着

5%

5%

管体

管体

21 3

(突)

軸

6

周

1

管数比

5%

判定

K040039 74

業務場所

既設管きょ　劣化診断システム

A

A

B

TVカメラ

衝撃弾性波

A

A

A

管数比

5%

5%

診断票No. 1

A数

1

1

B数

1

1

衝撃弾性波検査票No.：

B

A

B

継手

取付口

厚

軸 軸

周 軸

周 軸

修繕改築

A

A

維持管理

スパン判定

上流下流

RRL管路診断表（診断カルテ）

健全管の例

TVカメラの直視画像（クラックなど変状なし）

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 1 2 3 4 5 6

Time(msec)

Ampl

itude

(V) 波形

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 2 4 6 8 10

周波数分布

Frequency(kHz)

Four

ier

Spec

trum

高周波成分比：57.4% 自立指数：100 更生不要

クラック管（軸クラック有）の例

TVカメラ画像

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

0 1 2 3 4 5 6

波形

Time(msec)

Ampl

itude

(V)

0

5

10

15

20

25

0 2 4 6 8 10

周波数分布

Frequency(kHz)

Four

ier

Spec

trum

高周波成分比：45.9% 自立指数：62.7 要更生（中レベル）

27

PC桁グラウト充填評価への適用

衝撃弾性波法の原理と応用

PCグラウト充填不良の検出

A法（詳細調査への適用）

空隙

コンクリートシース グラウト

＋ B法（概略調査への適用）

打撃センサ

PC鋼材 シース

打撃

センサ

PC鋼材

29

d

d: plate thickness

Cp: P wave velocity

freq. peak

fd = Cp/(2d)

Repetition of the reflection phenomenon of elastic wave is shown in this wave form.

Period

Ａ法の原理

【評価指標】：周波数特性（インパクトエコー法）

30

グラウト未充填検出への適用

TCＰf２

板厚=

dCＰf２

空隙 =

板厚f

空隙f

板厚f

周波数

スペ

クト

ル強

度 健全部

空隙部

ＰC ：コンクリート中の縦波伝播速度

ｄ

Ｔ

シース

空隙

センサ

打撃

31

計測装置

コニカル型変位振動子

アンプ

インパクタ

32

0 10 20 30 40 50 60Frequency (kHz)

Am

plitu

de計測結果の例（健全部）

f板厚＝3.9[kHz]ｄ

500mm

シース

空隙

センサ

打撃

33

計測結果の例

（空隙深さ 70mm、φ 90mm）

0 10 20 30 40 50 60Frequency (kHz)

Am

plitu

de

f欠陥＝27.8[kHz]

f欠陥

ｄ

500mm

シース

空隙

センサ

打撃

34

0 10 20 30 40 50 60Frequency (kHz)

Am

plitu

de

f欠陥＝21.7[kHz]

f欠陥

計測結果の例

（空隙深さ 100mm、φ 90mm）

ｄ

500mm

シース

空隙

センサ

打撃

35

0 10 20 30 40 50 60Frequency (kHz)

Am

plitu

de

f欠陥＝7.8[kHz]

f欠陥

計測結果の例

（空隙深さ 250mm、φ 90mm）

ｄ

500mm

シース

空隙

センサ

打撃

36グラウト充填率：0％

打撃 打撃

弾性波先端位置 弾性波先端位置

Ｂ法の原理

【評価指標】：伝播速度

グラウト充填率：100％

37

伝播速度の計測

全長17m

38

鋼球棒による打撃

入力側振動センサ

39

受振側の状況

振動センサ貼付

40

伝播速度の算定

時間差を読み取り速度を決定

入力側波形

受振側波形

PCスラブ供試体での実験伝播速度とグラウト充填度の関係の把握

打撃

弾性波の伝播方向

・供試体寸法 6m×2m×0.25m

・充填度の異なるシースをあらかじめ埋め込む

供試体の詳細

(unit：mm)

グラウト: 50％

6,000

グラウト: 75％

グラウト: 25％

250

500

500

500

500

側面図

平面図

0%: 完全未充填

100%: 完全充填AEセンサ

打撃位置

グラウト充填度と伝播速度の関係（実験）

0 25 50 75 1004000

4500

5000

5500伝

播速

度(m

/s)

グラウト充填度 (%)

充填度50%

実構造物でのグラウト充填評価

対象：横締めPC鋼棒

弾性波の入力方法

打撃位置

5.63 m

打撃装置弾性波の入力

PC bar

46

弾性波の受振5.63 m

150kHz resonance type AE sensor

PC bar

伝播速度（A高架橋の全２４本分）

3700

4000

4300

4600

4900

5200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

横締め鋼棒番号

弾性

波伝

播速

度 (

m/s)

48

削孔結果

グラウト充填部 グラウト未充填部

速度の小さなものの大部分は 速度の大きなものでは

49

3500

4000

4500

5000

5500

伝播

速度

(m/s)

SBVD-20 SBVD-24 SBU-5 SBU-6 SBU-11 SBD-4 SBD-9 SBD-11

ケーブル番号

グラウト注入前

グラウト注入後

グラウト注入前および注入後の比較

50

杭の健全性試験への適用

衝撃弾性波法の原理と応用

51

衝撃弾性波法による杭の根入れ深さおよび損傷の評価

ハンマ打撃によって発生させた弾性波

対する杭の応答を、加速度計などで測定

基礎杭先端の形状や根入れ深さ、損傷を評価

橋梁基礎構造の形状および

損傷調査マニュアル(案)

Pile Integrity Test

52

杭の根入れ深さおよび損傷の評価

調査マニュアル（案）における反射波形の具体的事例

(4) 全断面にわたる損傷がある場合(3) 断面縮小がある場合

(2) 断面拡大がある場合(1) 断面変化がない場合

53

建築基礎杭のインティグリティ試験

健全杭の試験例 （PC杭 L: 20m）

▲杭頭反射、設計値通りの位置で確認

▽支持層へ根入れされたことによる地盤の影響

54

建築基礎杭のインティグリティ試験

損傷杭の試験例 (打設後、地盤の側方移動により

傾き損傷を受けたもの)

△9mの位置にある破断箇所での反射波形

18m, 27mに多重反射が認められる

55

道路高架橋基礎杭の損傷評価

フーチング（厚さ 2.5m）上部からの

杭（φ: 1.5m, L: 23m）の損傷調査例

杭頭を露出させない

条件での適用性を検

討

健全杭、損傷杭の

で測定、差違の確認

計測装置ブロック図

56

道路高架橋基礎杭の損傷評価

受信波形

それぞれ杭長、およびき裂に相当する位置に反射波を確認

健全 損傷あり