表面波探査の原理と特性

　　　　　　　　　　　　　　表面波探査の原理と特性の理解

　住宅地盤調査関係のホームページを閲覧すると、表面波探査、特に定常式表面波探査法を取り扱っている会社のコマーシャルに、本当にそうなの？と首をかしげたくなるバラ色の説明がしばしば見られる事から、長年地質調査の業務に携わり、多少なりとも物理探査を経験してきた者として若干の意見を述べたくなりました．

　勿論それらのコマーシャルは業務獲得のための自己アピール、競合技術（ここではSWS調査法が競合対象になっている）の排除が基本にあるのでしょうが、その内容が、何でもわかりますよ的なバラ色の説明に、過度な商業的感じが否めません．表面波探査が有用な技術であることは確かですが、そこで、その技術的特性も含め、住宅地盤の調査では何をどのように利用すれば良いかを考察し以下にまとめました．

　さて、敷地地盤の調査として何が一番良い方法かと聞かれた場合、ひとつの方法を選べと言われたら、私は現状ではスウェーデン式サウンディング調査「ＳＷＳ調査（ＳＳ調査とも呼ぶ）」が直接的でまた経済的な方法と答えています．

　もちろん、他の調査方法、例えば試料採取をともなうボーリングなどの調査や表面波探査法などとの組合せで、多面的な情報を得て調査解析を行うのが最も望ましい方法なのですが、特別な目的を持った敷地や、問題を抱えた敷地地盤などでない限りは、住宅地盤の調査で見積もられる費用は、一般に低廉な価格設定となっていますので、複数の調査方法の組合せによる地盤の詳細調査は経費的に無理があります．

　従って、結果的に住宅地盤の調査は経済性などの妥協点として、通常はひとつの方法を選択して地盤を調べることとなってしまいます．この、ひとつの方法で敷地地盤の調査を簡便に行うとしたら、表面波探査のように間接的方法ではなく、地盤の中に実際にやじりなど試験器具を貫入させ、その硬さや地層の分布を直接的に調べる方法が適していると言わざるを得ません．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表面波探査法の種類

　一方、住宅敷地などの狭小地で、間接的に地盤を調べる方法として表面波探査法が知られていますが、ひとくちに表面波探査法と言っても、具体的には以下の二通りの方法があります．

（ａ）　敷地表面に置いた振動発生装置（起振機）の近傍に受振器を２個設置し、起振機の上下振動で生じさせた表面波を２個の受振器で受振し、さらに起振周波数を変化させることで深さ方向の表面波情報を観測し、その表面波記録をもとに地下構造を逆解析する方法（定常式表面波探査法、レイリー型表面波）．

（ｂ）　敷地の横断方向や縦断方向に多数個の受振器を一直線に設置し、両端部や受振器間をカケヤなどで打撃し、それによって発生した地表および地中を伝播する表面波（Ｓ波）を、周波数別に受振して地下構造を逆解析する方法（これまでのＳ波探査法の応用技術）．

　上記の方法の特徴は、（ａ）の方法はＳＷＳ調査と同様に基本的には、表面波を用いた敷地の、例えば敷地の四隅とか中央付近とかを代表させた地点の深さ方向の点的測定となります．
　一方、（ｂ）の方法は受振器を多連で並べ、また複数の振動発生点を設けることで深さ方向の測定とともに、水平方向の地盤の性状変化が精度良く観測出来る方法です．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　表面波探査解析の基本

　上記の表面波探査法は、基本的には弾性波の伝播を観測し、その観測記録をもとに、弾性波伝播速度区分による地層の、速度構造の逆解析を行ったものですから、この解析結果は地層の速度構造の計算結果のひとつのモデル解となりますが、実際の地層構造と合っているかどうかは少し別の問題となります．

　精度良く地層構造を確定するには、結局、ＳＷＳ調査などによる実際の地盤調査結果を用いて地層の基本モデルを入力し、表面波観測結果による、実際の弾性波記録とを整合させる地層構造の逆解析が非常に重要となります．この件は真摯に技術業務に携わる技術者・研究者・会社の方ならば色々な機会・立場でその最適な適用法を述べています．

　物理探査手法の表面波探査と、ＳＷＳ調査など実際の調査結果とは補完関係にあり、相互の技術を重ね合わせることで精度良い地盤の調査が出来る訳です．

　　　　　　　　　　　　　　　　表面波探査の分解能はどのくらい？

　表面波探査は、弾性波の波長の長短が深度方向の速度情報になります．波長の長い表面波（低周波）が深い地層の速度情報を反映することから、深くなればなるほど地層を見分ける分解能が低下する特性を持っています．要するに、浅い深度は精度が良いが、深度が深くなるに従って細かい地層変化の判別は困難となるわけです．

　分解能については、住宅地盤の表面波探査適用研究の論文に次のような記述があります^＊注１．「カケヤなどで地表面を加振した際に発生する表面波の最長の波長は一般に30～40ｍである。表面波探査の探査深度は波長の半分程度であるので、探査深度は15～20ｍ程度である。なお、分解能^＊注２は探査深度の半分程度であるため、埋設物や異物などの小さな対象物の調査には向いていない。」．

　上述によれば探査深度15～20ｍでの分解能は、探査深度の半分とすれば7.5～10ｍとなりますので、相当に大きい物体でないと検知出来ないことになります．

　＊注１）　林、伊集院：表面波探査による戸建住宅地盤の二次元的調査、日本建築学会「戸建住宅の基礎設計における現状と問題点」シンポジウム資料、2003．←（注）多連式表面波探査の研究報告．

　＊注２）　分解能：接近した同種の対象を測定・観測するとき、異なるものとして識別出来る量．上記では分解能が探査深度の半分程度とするとおよそ「7.5～10ｍ」が分解能と見積もられます．また、定常式表面波探査の主要振動周波数を１００Ｈｚ、５０Ｈｚ、１０Ｈｚとし、地盤のＳ波速度をＮ値１～３程度の自沈層のＶｓ＝１００ｍ/ｓと仮定しますと、探査深度および分解能はおおよそ以下の通りに見積もられます．

　　　　１００Ｈｚ　　探査深度→０．５ｍ，　分解能→０．２５ｍ
　　　　　５０Ｈｚ　　探査深度→１．０ｍ，　分解能→０．５ｍ
　　　　　１０Ｈｚ　　探査深度→５．０ｍ，　分解能→２．５ｍ

　一方、ＳＷＳ調査による地層の分解能は浅くても、深くても基本的には同じで、通常は「１ｃｍ」単位の精度を有して地層変化を見分けていますので、地層を見分ける精度は比較にならない程の違いのあることが理解出来ます．

　　　　　　　　　　ホームページ上に見る表面波探査宣伝の特徴^＊注３

　しかし、ホームページなどで良く見かける表面波探査のコマーシャル、特に（ａ）の定常式表面波探査法（レイリー波）に関するコマーシャルを見ると、高精度で安心とか、また財団法人の技術審査証明の取得をしている技術なので・・と言うような、適用技術の得て不得手の特質を抜きにした、表面波探査の過大評価・宣伝が感じられます．商業的宣伝と言えばそうなのですがややセールストーク的になっているようです．

　もともとこの技術は、国内においては、物理的探査手法のひとつとして毎熊・佐藤氏らによって研究・商業化されてきた方法で、地下浅い深度の埋設物などへの探査（これに関しては電磁波によるレーダー探査が定着した感がある）や、レイリー波がＳ波に近似していることから、地震時の砂地盤の液状化評価の一方法などとしても試されて来ました．

　住宅地盤への適用は、平成９（1997）年３月の、建設大臣認定機関の（財）先端建設技術センターの技術審査証明取得を契機として、住宅地盤調査の一方法として適用されるようになって来ましたが、最近は更に、これまでに地盤の調査や物理探査の経験・技術をほとんど有していないと推察されるような、新規事業参入の方々がこの表面波探査業務にチェーンストア的に参加し、色々な所で「定常式表面波探査」を扱い出した結果、技術に関する基礎知識が不足したまま、ホームページなどでセールストークを展開をしているように思えます．

　従って、調査の選択に際しては少なくとも、表面波探査で全てがわかる、と言うような説明をする方に会ったら技術的信頼性へのチェツクが必要でしょう．技術審査証明取得の証明書をやたらと前面に押し出すやり方は、耐震偽装問題の「建築確認審査済」を錦の御旗のように掲げた、ヒューザー社のやり方を思い出し、少し複雑な感を覚えてしまいます．

　　　　　　　　　　　　　　　賢明な調査方法の選択ｱﾄﾞﾊﾞｲｽ

　住宅地盤の調査方法を選択する場合、技術面のみからその方法の特質を考慮すれば以下のような組合せや選択が良いと考えられますので参考までに示します．

①　広い面積範囲の地盤確認や敷地地盤の詳細を把握したい場合
　→　「ＳＷＳ調査＋（ｂ）多連式表面波探査」の組合せによる調査．
　　　（理由：深度方向と水平方向の地層変化が２次元的に確実に把握出来る）

②　小さい敷地範囲でひとつの調査手法のみを選択する場合
　→　「ＳＷＳ調査」
　　　（理由：実際の地盤中に貫入確認すること．経費的にも有利．全国で幅広く実施）

③　地表面付近にｺﾝｸﾘｰﾄやｱｽﾌｧﾙﾄ塊など障害物がある場合　
　→　「（ａ）定常式表面波探査法」
　　　（理由：地中に障害物ある場合有利．一般に知られている方法．普及度大）
　→　「（ｂ）多連式表面波探査」
　　　（理由：地中に障害物ある場合有利．専門的技術．普及度まだ低い）

注３）　2008年2月に日本建築学会が刊行した「小規模建築物基礎設計指針」中で，表面波探査方法が紹介されています．その設計指針中には，当事務所が以前から記述していた上述「表面波探査の種類」の（ｂ）「多チャンネル式表面波探査」の方法が記述紹介されています．またその利用方法も　「別の調査法と併用することにより地層構成の推定が可能であり，大規模な造成地などの広範囲な地盤を把握したい場合には有効な調査法である．」　と日本建築学会は述べていますが，これは，この設計指針が刊行される数年以前から当ﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞで記述していた，上述①の見解と全く同一の見解となっています．
　なお，当ﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞ中で問題指摘をしている「ﾎｰﾑﾍﾟｰｼﾞ上で見る表面波探査宣伝の特徴」の項の定常式表面波探査法については，刊行された設計指針中ではその利用適否も含め記述は見当たらず，その評価はまだ未確定のようです．

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