スマートフォンを用いた簡易支持力測定システムの開発

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K06191
• Research Institution: Tokyo University of Agriculture
• Principal Investigator: 川名 太 東京農業大学, 地域環境科学部, 准教授 (90349837)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 竹内 康 東京農業大学, 地域環境科学部, 教授 (90271329) ; 小梁川 雅 東京農業大学, 地域環境科学部, 教授 (00175340) ; 久保 和幸 国立研究開発法人土木研究所, その他部局等, 研究員 (80442838) ; 寺田 剛 国立研究開発法人土木研究所, その他部局等, 研究員 (30355870)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 路床・路盤の支持力評価 / スマートフォン

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，載荷板を用いずにより簡易な試験で路床や路盤の支持力を評価するシステムを構築することを目的としている。試験の簡便性を向上させるために，載荷方法は鉄球を落下させるのみとし，また，載荷に伴い地盤表面に生じる加速度をスマートフォンに内蔵された加速度センサで測定し，その加速度に基づいて路床や路盤の支持力評価を試みる。
まず，スマートフォンに内蔵された加速度計から出力される加速度データを収集するためのスマートフォン用アプリケーションの開発を行った。アプリケーションの開発に用いた言語は，Javaである。開発環境は，Android Studio (Ver. 1.4)およびJDK7 (Ver. 1.0.7_79)である。開発したアプリケーションでは，スマートフォンに内蔵された3軸方向の加速度の時系列データをCSV形式のファイルで保存し，そのファイルを指定するメールアドレスに送信することが可能である。
次に，開発したアプリケーションをスマートフォンに実装し，鉄球による地盤の載荷状況の把握を試みた。粘性土地盤上に鉄球を任意の高さより落下させ，地盤表面に生じる加速度をスマートフォン(ASUS_Z00AD)および実際の加速度計（ARF-200A，東京測器研究所）を用いて計測し，両者の比較を行った。実際の加速度計で得られた結果では，鉄球の落下高さを高くすると地盤に生じる最大加速度が大きくなること，また，各落下高さについて，類似した加速度波形が得られることが確認された。一方で，スマートフォンで得られる加速度は，測定毎に最大加速度が変動し，波形データにも再現性が確認できなかった。このことは，鉄球の落下による地盤の載荷周期が著しく短いため，スマートフォンでの測定に適さなかったためと考えられ，計測精度を向上させるために荷重の載荷周期を長周期化する工夫が必要であることが確認された。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究は，鉄球を落下させることで路盤や路床に衝撃荷重を作用させ，それにより表面に生じる加速度をスマートフォンで計測し，その加速度に基づいて支持力を評価する簡易支持力評価システムを構築するものである。本研究で行う検討項目は，(1)スマートフォン用の加速度計測アプリケーションの開発，(2)鉄球による地盤の載荷状況の把握，(3)加速度による路盤および路床の簡易支持力評価法の検討，(4)多層弾性理論に基づく舗装の構造評価方法の検討の4つである。平成27年度の研究では，当初の計画通り，(1)スマートフォン用の加速度計測アプリケーションの開発および(2)鉄球による地盤の載荷状況の把握を試みた。
スマートフォン用の加速度計測アプリケーションの開発では，支持力の評価に最低限必要な加速度の時系列データの取得・保存に加え，データの転送方法の検討を行い，スマートフォンに実装できるまでに至った。今後，本アプリケーションを用いた実験の実施状況に応じて改良を行っていく予定ではあるが，当初の目的を達成したものといえる。
鉄球による地盤の載荷状況を明確にしておくことは，本研究を遂行する上で必要不可欠である。粘性土地盤上において実施した試験の結果より，一般的なスマートフォンを用いる場合には，載荷荷重の周期を長くする工夫が必要であることが確認された。そのため，ゴムマットやバネを介した落球による載荷を検討しているが，現状において，あまり良好な結果は得られていない。そのため，当初の目的とした鉄球の落下高さと最大荷重の関係，落下高さと載荷波の形状の関係および落下高さと接地面積の関係の整理までは至っておらず，研究の進捗はやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

平成28年度の研究では，平成27年度に開発したスマートフォン用の加速度計測アプリケーションを用いて，種々の地盤において試験を実施し，路盤および路床に生じる加速度と既往の試験で得られる支持力との関係を明らかにしていく。本研究で提案するような衝撃的な荷重を載荷する試験では，最大荷重，載荷波の形状および荷重の接地面積等により測定対象物の応答は変化する。よって，種々の地盤材料を対象に，載荷条件と加速度の関係を明らかにしておくことが重要である。そのためには，まず，平成27年度の研究において課題として抽出された落球による地盤の載荷方法の見直しが必要となる。具体的には，載荷荷重の周期を長くするために，ゴムマットやバネなど剛性の低い材料を介した落球による載荷や掛矢による載荷等の適用を検討する。
また，本年度は，スマートフォンで得られた加速度の時系列データを用いて，路盤および路床の2層地盤を対象とした支持力評価法の検討を行う。具体的には，路盤上面で得られた加速度の時系列データを逆解析して，路盤および路床の弾性係数および減衰係数の推定を試みる。

Causes of Carryover

本年度の試験において，載荷荷重の周期を長周期化させるための工夫が必要であることが確認され，次年度以降の物品費の支出が増えることが想定されたため。

Expenditure Plan for Carryover Budget

平成28年度の実験では，載荷荷重の周期を長周期化させる仕組みを構築する必要があるため，直接経費の物品費として，ゴムマット等の購入に使用する。