JP2006342579A - 動的載荷試験装置を備えた杭打ち機 - Google Patents

Abstract

【課題】杭打ち機本体の機能の利用により、載荷試験を短時間に行い、能率向上とコストダウンを図った動的載荷試験装置を備えた杭打ち機の提供。
【解決手段】前記杭打ち機本体１の把持装置４Ｂに錘体１３を把持させ、所定の高さ位置に移動後落下させて試験用杭５に載荷試験を行う。錘体１３は支持部材６に案内されて落下する。試験用杭５の杭頭５ａ上部には落下する錘体１３を受けて荷重を測定する荷重計測装置１１と、落下する錘体１３と衝接する緩衝部材１２とが設けられ、又、試験用杭５の変位を測定する変位計測装置１０と、各装置からの試験データを解析する計測解析装置１７とが設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、杭打ち機の機能を利用した動的載荷試験装置を備えた杭打ち機に関する。

土木、建設工事においては、地盤の支持力を強化するために杭が打たれる。この杭は上方に設置される建物等の支持するものである。この杭は確実で安定した施工を伴うものでなければならない。杭の支持力や沈下量を得るのに、又設計上のデータを得るために、更に、それらの確認のため鉛直載荷試験が実施されている。この鉛直載荷試験には、静的な載荷試験と動的な載荷試験がある。

従来から一般的に静的載荷試験が多く実施されてきている。この静的載荷試験には押し込み試験と先端載荷試験があって、打設された杭の沈下剛性及び支持力について信頼性の高いデータを得ることができるが、大掛かりな載荷装置を必要とし、試験に時間がかかるという問題点あった。すなわち、静的載荷試験は試験のための準備や試験期間が長くなるのである。そこで、最近は短時間で行える動的載荷試験が注目されてきている。この動的載荷試験は急速載荷試験と衝撃載荷試験がある。これは杭頭に動的荷重を加える載荷試験であって、大規模な反力装置を必要としない点に特徴がある。

従来からの静的載荷試験は、杭頭に設置するジャッキにより、静的荷重を杭頭に載荷する方式であり、載荷のための反力が必要でそのための反力装置が大規模になってしまう傾向にある。杭頭荷重は摩擦抵抗と先端抵抗を合計したもので、結果的に大きな荷重を載荷させることにより所定の支持力を確認している。又、試験に際しては、試験杭と反力杭を設置する関係上、ある程度の広さの土地が必要であり、工期も長くなる。

急速載荷試験で最近注目され実績のある試験は、カナダとオランダで開発されたスタナミック試験である。載荷時間が比較的遅いため（０．１〜０．２秒程度）、載荷中杭は全圧縮の状態にあり、杭の静的な荷重・変位関係においても、ある程度評価することができる試験として知られている。又、衝撃載荷試験は、ハンマーやモンケンによる杭打撃時に発生するひずみ波形や加速度波形を解析し、杭の緩急抵抗を求める試験法である。

この試験方法は、試験杭を本杭とし比較的簡易で低コストの載荷試験方法であるが、直接杭の荷重―変位関係や支持力を求めることはできない。即ち、波動の影響を除去する必要があることと、載荷時間が短いので計測値から正確な杭の支持力を推定するのが困難である。いずれも静的載荷試験に比して、反力装置が不要であり、試験のための下準備が少なく、狭い土地でも施工でき省スペースである。結果的に安価なコストで試験ができ、試験時間も短くなっている。

スタナミック試験について詳述すると、スタナミック試験は試験杭の上端でジェット燃料を短時間燃焼させ、試験杭の上部のおもりの加速度を反力として杭に載荷を行う方法である。計測項目は、杭頭部に設置されるロードセルによる荷重計測、レーザー変位計による変位計測、加速度計による加速度計測、及び杭の歪度等の計測である。

従来の動的載荷試験については、種々提案されていて、例えば、緩衝手段を介しての載荷板の衝撃力を計測する計測構成を有した装置がある（例えば、特許文献１参照）。又、動的ではあるが、複数の分割ハンマー使用で順次落下させることを特徴とし、静的載荷試験に近づけた方法で、載荷時間を長くすることにより、打撃力を長周期とした長周期動的載荷試験方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。更に、スタナミック試験の利点を生かし、火薬を用いず、圧縮空気を利用しておもりを打ち上げ、この反力を杭頭に荷重として伝達する試験方法もあった（例えば、特許文献３参照）。又、急速試験装置において、重錘と杭頭の間にドーナツ状のゴムタイヤである緩衝材を設けたものも知られている（例えば、特許文献４参照）。更に、杭打ち機で杭を打ち込んだ後に、この杭打ち機で杭頭に所定時間載荷荷重を付与し、杭の沈下量を測定する方法もあった（例えば、特許文献５参照）。
特許第３６１６５０１号公報 特許第３５０３１００号公報 特開平１０−２７４５７６号公報 特開２００５−６８８０２号公報 特開２００２−６９９９２号公報

特許文献１から３に記載された技術のものは、載荷装置が簡単で、載荷時間が非常に短く静的載荷試験装置の問題点を補う方法であるが、波動理論による解析を必要とし、試験結果には動的要素が含まれるため、常に信頼性の高いデータを得ることができないおそれがあるという問題点があった。又、住宅地等においての施工は、一般に敷地は狭く、周囲が住宅に囲まれている環境下での作業となり、騒音等の環境問題が発生するおそれもあった。更に、杭打ち機とは別体の試験装置を必要とし、構成の簡素化、装置のコストダウン等が図れないという問題点もあった。

又、特許文献４の技術のものは、載荷試験装置にベースマシンやクレーン等を別途必要とし、試験装置が大掛かりになってしまう等の問題点があった。
一方、特許文献５に記載された技術には、杭打ち機で杭を打ち込んだ後、この杭打ち機で杭頭に所定の時間載荷荷重を付与し、この載荷荷重による杭の沈下量を測定するものである。しかしながら、この技術に記載された載荷試験は静的な杭頭載荷試験によるもので、前述した動的載荷試験に比べ大幅に時間がかかってしまうという問題点が解決できないものである。
本発明は、このような従来の問題点を考慮し開発されたもので、次の目的を達成する。

本発明の目的は、杭打ち機本体の機能を載荷試験に使用して錘体を持ち上げ落下させ、動的載荷試験を短時間に行い、施工の工期短縮、載荷試験のデータの信頼性向上、及びコストダウンを図ることができる動的載荷試験装置を備えた杭打ち機を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。

本発明１の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機は、
地盤に杭を打つための杭打ち機において、杭打ち機本体と、試験用杭と、前記杭打ち機本体に設けられた把持装置に把持され所定の高さ位置に移動後落下可能な錘体と、前記試験用杭の杭頭上部に設けられ、落下する前記錘体を受けて荷重を測定する荷重計測装置と、前記試験用杭の杭頭上部に設けられ、落下する前記錘体と衝接する緩衝部材と、前記錘体の落下によって生じる前記試験用杭の変位を測定する変位計測装置と、前記荷重計測装置及び前記変位計測装置からの試験データを解析する計測解析装置とからなっている。

本発明２の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機は、本発明１において、
前記試験用杭には、前記荷重計測装置及び前記緩衝部材が取り付けられ、前記試験用杭の杭頭に当接する支持部材が設けられていることを特徴とする。

本発明３の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機は、本発明１又は２において、
前記錘体には、前記把持装置に把持されるための被把持部材が設けられていることを特徴とする。

本発明４の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機は、本発明１から３において、
前記把持装置は、固定フレームに対して上下方向に移動可能な走行フレームに設けられているものであり、前記走行フレームの上昇動作で、前記把持装置に把持された前記錘体を前記高さ位置に移動させることを特徴とする。

本発明５の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機は、本発明１から４において、
前記把持装置は、付勢部材の付勢力で前記錘体を把持し、流体圧の供給により前記錘体を把持解除するものであることを特徴とする。

本発明の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機は、杭打ち機本体の機能を動的載荷試験に利用することで、従来の動的載荷試験に比し、試験のための段取り変え時間を軽減し、工期全体の短縮化とコストダウン、構成の簡素化に寄与できた。又、住宅地等において、狭い場所でも杭打ち施工ができると同時に、試験をも行うことができ、環境に配慮し効率的に載荷試験を行うことができる構成となった。更に、重錘と試験用杭との間にクッション材を設けることで、載荷試験のデータの信頼性を向上させることができた。
又、把持装置は、杭打ち機の走行フレームの動作で上下方向に移動する簡素な構成である。更に、把持装置は付勢部材の付勢力で錘体を把持するものであり、信頼性、安全性の向上が図ることができた。

本発明の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
本実施の形態において、動的載荷試験装置は、急速載荷試験に適用した装置として説明するが、衝撃載荷試験にも適用できることはいうまでもない。衝撃載荷試験と区別する意味で長周期動的載荷試験法と称される場合もある。急速載荷試験方法は、前述したとおり試験用杭５の杭頭５ａに動的な載荷を行って、試験用杭５の支持力特性を把握する試験である。

急速載荷試験の載荷時間は、０．０５から０．２秒であり、ハンマーやモンケンで打撃する衝撃載荷試験の時間（０．０１〜０．０２秒）の約１０倍である。このことは、急速載荷試験において載荷中に試験用杭５が全長に亘って圧縮状態になるため、試験用杭５を伝わる縦波による波動現象を無視することができ、この試験データをもとに比較的簡単な方法で杭の荷重―変位関係を推定することが可能である。急速載荷試験法は、載荷時間を長くすることで、打撃力を長周期にし、杭・地盤系の応答を静的に近い状態にするものである。このため打撃箇所に緩衝部材、本実施の形態においてはクッション部材１２を介在させている。

代表的な急速載荷試験方法であるスタナミック試験は、公知であるので詳細説明は省略するが、それは錘の加速度を反力として杭に動的な載荷を行うものである。本実施の形態は、杭打ち機本体１の機能を利用し、走行フレーム３で所定の高さ位置まで錘体１３を上昇させた後、錘体１３を落下させ試験用杭５に載荷を行うものである。計測項目は、杭頭５ａの荷重（ロードセル１１による）、変位（変位計測装置であるレーザー変位計（非接触光学式変位計）１０による）、加速度（加速度計１６による）、杭の歪度（歪ゲージ１５による）等である。

このロードセル１１及びレーザー変位計１０から得られる載荷−変位関係は、動的な特性として表示される。例えば静的な地盤抵抗は荷重と沈下量との関係において、慣性力項と速度項を差し引き評価する。最大荷重は、除荷点法（速度０点の地盤抵抗を評価する方法）を用い、比較的簡単に静的地盤抵抗を評価できる。

図１は、本発明の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機の全体正面図である。杭打ち機については、公知であるので詳細な説明は省略するが、本実施の形態の理解を容易にするため、その概略を説明する。杭打ち機本体１において、地面に対し略垂直になっている固定フレーム２に案内されて、走行フレーム３が上下方向に相対移動する。この走行フレーム３は図示していないが、チェーンを介して固定フレーム２上を往復走行する。この走行フレーム３上に錘体１３の固定移動装置４が搭載されている。

地面には、試験用杭５である鋼管杭が打ち込まれている。この試験用杭５は、試験用の専用杭であってもよく、本杭であってもよい。この試験用杭５の杭頭５ａには支持部材６が設けられていて、この支持部材６は固定フレーム２に沿って延在し、杭頭５ａ側の反対側は固定フレーム２の上部に達している。この支持部材６における杭頭５ａの近傍部分６ａは、円筒形状になっていて、杭頭５ａに対しては、杭頭５ａを包み込むように突き当て支持されている。

中間部は杭打ち機本体１の支持装置８で支持規制されているので、支持部材６が杭打ち機本体１外に位置がずれるようなことはない。この支持部材６は、全体的に中実の棒状体をなし、下方向位置に変位計測のための基準部材９が取り付けられている。この基準部材９が試験用杭５の沈下に伴ない下方向に変位するので、地面等に設置したレーザー変位計１０によりその位置のずれを計測し、沈下量のデータが得られる。なお、この実施の形態の説明では、沈下量の計測をレーザー変位計で行うと説明しているが他の計測器、センサ等であってもよい。例えば、後述する加速度センサから出力される加速度のデータを２回積分して変位（沈下量）のデータとしてもよい。又、杭打ち等の作業現場で良く使用されるレベル計測器などで得られる変位データを沈下量のデータとしてもよい。更に、これらデータは、後述する計測解析装置１７のパソコン（計測解析部）１７ａに自動的に入力されることが好ましいが、作業者が手動で入力してもよい。

この基準部材９の上方には、荷重計測装置であるロードセル１１が設けられており、又、このロードセル１１の上には緩衝部材であるクッション部材１２が設けられている。このクッション部材１２を設けると、打撃力を低周波数化するのに有効で、載荷時間を延ばすことが可能である。クッション部材１２は特定のものに限定はされず、クッション機能があればよく、好ましくは弾性要素と減衰要素の備わったものであれば尚よい。

これらの基準部材９、ロードセル１１、クッション部材１２は、支持部材６に固定的に設けられている。これに対し、クッション部材１２の上部には、支持部材６と相対移動可能に錘体１３が設けられている。この錘体１３は中心部が中空になっていて、この中空部分に支持部材６が貫通し、更に錘体１３はこの支持部材６を案内にして上下方向に往復移動可能である。

錘体１３の上部には、筒状の被把持部材１４が設けられている。この被把持部材１４は錘体１３と一体のものであり、支持部材６の上方へ所定の長さ、即ち落下高さであり、本実施の形態においては例えば２ｍと設定し延在させ固定移動装置４内に貫通している。又、図３に示しているが、本実施の形態において、試験用杭５に杭体歪ゲージ１５を設け歪計測を可能とし、又、試験用杭５または支持部材６に加速度計１６を設け加速度計測が可能な構成にしている。

次に固定移動装置４について説明する。図２は、固定移動装置４の詳細を示す断面図である。この固定移動装置４は、回転駆動装置４Ａと、把持装置４Ｂとから構成され、走行フレーム３に取り付けられており、固定フレーム２上を上下方向に往復移動する。走行フレーム３は、図示していないが、複数のローラ等を介して固定フレーム２に案内されチェーン等を介して走行可能となっている。

又、回転駆動装置４Ａは、回転駆動モータ４ａとギヤにより構成されていて、把持装置４Ｂを回転させる。把持装置４Ｂは回転駆動装置４Ａにより回転駆動される回転支持体４ｂを有し、この回転支持体４ｂに設けられた複数の押圧体４ｃを楔体４ｄの楔効果で回転軸線の直角方向に出入りさせる構成になっている。楔体４ｄは、その一端を回転支持体４ｂに支持された皿バネ４ｅにより押圧体４ｃを回転軸線の直角方向に押圧するように回転軸線方向に押圧されている。

回転支持体４ｂは、中空の筒状体であり、この中空部を支持部材６と錘体１３と一体の被把持部材１４が貫通する。押圧体４ｃで把持するのは被把持部材１４である。この把持構成は、被把持部材１４を把持するときは、楔体４ｄを皿バネ４ｅの付勢力で押圧し、この付勢力で楔効果、即ち傾斜面を有する２つの部材の交互の傾斜のずれで、押圧体４ｃは回転軸線の直角方向に押圧され被把持部材１４を把持し固定する。このように、皿バネ４ｅの付勢力で把持しているため、何らかの原因で油圧の供給が切れた場合でも把持部材４Ｂは錘体１３の被把持部材１４を落下させることがなく安全である。

固定（把持）状態を解除するときは、付勢部材である皿バネ４ｅの付勢力に抗して反対側に楔体４ｄを押圧して移動させ、押圧体４ｃと被把持部材１４との固定状態を解除する。反対側に楔体４ｄを押圧するのは、図２に示すように、ベアリング４ｋを有する解除部材４ｍを油圧力（流体圧）により楔体４ｄに当接させ、皿バネ４ｅ側へ押圧して、皿バネ４ｅを圧縮して固定状態を解除する。すなわち、所定の圧力の圧油（圧力流体）を供給して、ピストン４ｊを皿バネ４ｅ側に移動させ、解除部材４ｍで楔体４ｄを押圧、移動させる。なお、付勢部材は、コイルバネ等であってもよい。回転支持体４ｂは、回転駆動装置４Ａのモータ４ａの駆動により４つのギヤ、４ｆ、４ｇ、４ｈ、４ｉを介して回転駆動される。なお、圧力流体は、圧油に限定されることなく、圧縮空気等他の圧力流体であってもよい。

この回転駆動装置４Ａは杭打ち施工に使用されるもので、載荷試験の場合には使用しない。このようにして、把持装置４Ｂは錘体１３の被把持部材１４を把持することができる。次にその動作について説明する。試験前に錘体１３は支持部材６に案内され、クッション部材１２の上に載置されている。錘体１３が支持部材６に案内されていることは、錘体１３の落下動作を安定化させている。試験を行うときは、錘体１３を所定距離Ｘ、例えば本実施の形態においては２ｍ上方の高さ位置に移動させる。

この移動は杭打ち機本体１の機能を利用する。錘体１３がクッション部材１２の上に載置されているとき固定移動装置４の把持装置４Ｂが固定（把持）を解除した状態で降下し、固定移動装置４の把持装置４Ｂ内に錘体１３の被把持部材１４を挿入させ所定位置で移動を停止させる。停止後、把持装置４Ｂが固定（把持）を行うように、皿バネ４ｅの付勢力で楔体４ｄを押圧する。楔効果で押圧体４ｃを被把持部材１４に突き当て押圧して固定する。この状態で固定移動装置４を上方へ２ｍ移動させ停止させる。

次に皿バネ４ｅによる固定（把持）状態を解除する。錘体１３は自重で落下しクッション部材１２に衝接する。このクッション部材１２の下部にはロードセル１１があるので、落下時の荷重を計測することができる。又、この落下により支持部材６は沈下するので基準部材９が下方向にずれる。このずれを地面に設置しているレーザー変位計１０によりその変位量を計測する。

これら計測された計測値は、図３に示すように計測解析装置１７に送られ解析される。この解析は前述のとおり、スタナミック試験方法に準拠しており、静的地盤抵抗を計測した慣性力項と速度項を差し引いた値で評価する。スタナミック試験方法の解析法は公知であるので詳細説明は省略するが、この解析法に基づく計測解析装置１７はパソコン（計測解析部）１７ａによってデータ解析を行う。即ち、錘体１３の落下に伴ない、ロードセル１１から荷重データを、レーザー変位計１０から基準部材９の位置ずれ、つまり試験用杭５の変位（沈下量）データを、更に杭体歪ゲージ１５から歪データを、加速度計１６から加速度データを、ＡＤコンバータ１７ｂを経てパソコン１７ａに取り込み解析を行う。この解析結果は、リアルタイムで荷重―変位関係が表示されるようになっている。

このように本実施の形態は構成されるが、杭頭部にクッション部材１２を使用し、錘体１３の持ち上げ、落下動作を杭打ち機本体１の機能を利用することで、ジェット燃料を使った従来の急速載荷試験よりも小規模で低コストで実施できることとなった。従って、前述のように簡素な構成で狭い住宅地であっても移動し適正位置で試験を行うことができるのである。本実施の形態において、支持部材６を錘体１３の落下の安定性のために採用したが、杭打ち機本体１で支持部材６を要せずして錘体１３を落下させる構成で試験を行うことも可能である。又、錘体１３を被把持部材１４と分離した構成で説明したが、把持装置４Ｂは錘体１３を直接把持固定する構成であってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されることはない。本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内で変更可能なことはいうまでもない。

図１は、本発明の動的載荷試験装置を備えた杭打ち機の全体正面図である。 図２は、杭打ち機本体の固定移動装置の断面図である。 図３は、計測解析装置を示す説明図である。

符号の説明

１…杭打ち機本体
２…固定フレーム
３…走行フレーム
４…固定移動装置
４Ｂ…把持装置
５…試験用杭
６…支持部材
８…支持装置
９…基準部材
１０…レーザー変位計（変位計測装置）
１１…ロードセル（荷重計測装置）
１２…クッション部材（緩衝部材）
１３…錘体
１４…被把持部材
１５…杭体歪ゲージ
１６…加速度計
１７…計測解析装置

Claims (5)

1. 地盤に杭を打つための杭打ち機において、
   杭打ち機本体（１）と、
   試験用杭（５）と、
   前記杭打ち機本体に設けられた把持装置（４Ｂ）に把持され所定の高さ位置に移動後落下可能な錘体（１３）と、
   前記試験用杭の杭頭上部に設けられ、落下する前記錘体を受けて荷重を測定する荷重計測装置（１１）と、
   前記試験用杭の杭頭上部に設けられ、落下する前記錘体と衝接する緩衝部材（１２）と、
   前記錘体の落下によって生じる前記試験用杭の変位を測定する変位計測装置（１０）と、
   前記荷重計測装置及び前記変位計測装置からの試験データを解析する計測解析装置（１７）と
   からなる動的載荷試験装置を備えた杭打ち機。
2. 請求項１に記載された動的載荷試験装置を備えた杭打ち機であって、
   前記試験用杭には、前記荷重計測装置及び前記緩衝部材が取り付けられ、前記試験用杭の杭頭に当接する支持部材が設けられている
   ことを特徴とする動的載荷試験装置を備えた杭打ち機。
3. 請求項１又は２に記載された動的載荷試験装置を備えた杭打ち機であって、
   前記錘体には、前記把持装置に把持されるための被把持部材が設けられている
   ことを特徴とする動的載荷試験装置を備えた杭打ち機。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載された動的載荷試験装置を備えた杭打ち機にであって、
   前記把持装置は、固定フレームに対して上下方向に移動可能な走行フレームに設けられているものであり、
   前記走行フレームの上昇動作で、前記把持装置に把持された前記錘体を前記高さ位置に移動させる
   ことを特徴とする動的載荷試験装置を備えた杭打ち機。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された動的載荷試験装置を備えた杭打ち機であって、
   前記把持装置は、付勢部材の付勢力で前記錘体を把持し、流体圧の供給により前記錘体を把持解除するものである
   ことを特徴とする動的載荷試験装置を備えた杭打ち機。
   

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