JP2009510290A - ピラミッド型または円錐型のタンパーヘッドおよび骨材を押し込んでピアを建造するための使用方法 - Google Patents

ピラミッド型または円錐型のタンパーヘッドおよび骨材を押し込んでピアを建造するための使用方法 Download PDF

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Abstract

【課題】骨材を押し込んでピアを建造するために用いられ、
横応力を増大させるために効率的であり、ピアの建造では平底および面取りした側面を有するタンパーヘッドを利用する従来の方法より経費の削減が得られる細長いピラミッド形または円錐形のタンパーヘッドを提供すること。
【解決手段】骨材のピアを建造する方法は、
ほぼ均一な断面積を有する細長い空洞を地表面に形成するステップと、
前記空洞にわたる距離にほぼ等しいリフト厚さを有する前記空洞に骨材のリフトを配置するステップと、
穴の側壁の横応力を増大するために、前記空洞の前記横断面にほぼ等しい上部または底部を有するピラミッド形または円錐形のタンパーヘッドによってリフトをタンピングするステップと、
連続したリフトによって前記配置するステップと前記タンピングステップを繰り返すステップとを含む方法である。
【選択図】図1

Description

本出願は2005年9月29日出願の同時係属の米国仮出願第60/721/594号の優先権を主張する。
本発明は建物、壁、産業施設、運輸関連構造物を支持するための基礎土壌に骨材のピアの設置することに関する。特に、本発明は、骨材が押し込まれるピアを、略細長いピラミッド型または円錐型である改善されたタンパーヘッドの使用を通じて、効率的に設置する方法およびその装置を改善する。ピラミッド型および円錐型のタンパーヘッドは、周囲の基礎土壌の横応力を効率的に増大し、早くかつ効率的なピアの建造工程を可能とするように設計されたものである。
軟弱な土壌を含む地面に建造される重量があり、沈下に敏感な施設は多くの場合、打ち込み杭またはボーリング・コンクリートピアからなる深い基礎の上に支持されている。深い基礎は構造物の負荷を柔軟な土壌を介して、適した地層に移動するように設計されている。
近年、骨材のピアは柔軟な土壌を含む地面に位置する構造体を支持するのにますます使用されている。ピアは柔軟な地層を補強して強化することによって、沈下を最小にするように設計される。ピアは、米国特許第5,249,892号および米国特許第6,354,766号(骨材による短いピア(short aggregate pier))に記載のボーリングおよびタンピング法(drilling and tamping method)、米国特許第6,425,713号(「側方変位ピア(Lateral Displacement Pier)」)に記載の「衝撃ピア(Impact Pier)」として知られるタンパーヘッドを打ち込むマンドレル法(tamper head driven mandrel method)(米国特許係属中)、およびテーパー・マンドレルを打ち込む方法(driven tapered mandrel method)(米国特許係属中)を含む多様な方法を用いて建造される。
骨材による短いピア(米国特許第5,249,892号および米国特許第6,354,766号)は、空洞のボーリングまたは掘削を含み、穴の側壁の安定性が容易に維持できる粘着性の土壌に設置するときは効果的な解決策である。この方法は通常、a)基礎土壌に略円筒形の空洞または穴を開け、b)空洞の底部で土壌を堅く圧縮し、c)空洞に比較的細い骨材のリフトを設置し、d)骨材のリフトを特別に設計され、面取りされたタンパーヘッドでタンピングし、e)工程を繰り返して、地表面にほぼ広がる骨材のピアを形成することからなる。本工程の基本となるものは、面取りされたタンパーヘッドに十分なエネルギーを加えることによって、その工程で連続するタンピングの間に空洞側面上の基礎土壌の横応力を増大させることである。この横応力を増大させることは、基礎土壌の圧縮性を減少させ、ピアを設置する間に加わる負荷が効率的に基礎土壌に移動されることから重要である。
米国特許第5,249,892号に開示されているタンパーヘッドは平底であり、面取りされた側面を有している。商慣例では、面取りされたタンパーの平底部分はタンパーの断面積の約70%であるが、面取りされた部分はタンパー断面積の約30%を占めるにすぎない。したがって、タンパーの断面積の約70%は骨材の各リフトを下向きに圧縮する(平底部分により為される)のに充てられ、タンパー断面積の30%のみが基礎土壌の横応力を増大するのに充てられる(面取りされた部分で為される)。このように構成されているので、短骨材のピア法の面取りされたタンパーヘッドは、ほとんどの場合、30インチ径の穴において12インチのリフト用骨材を圧縮するのに使われている。
タンパーヘッドを打ち込むマンドレル法(「衝撃ピア」法)は短骨材のピア法からの変形例である。「衝撃ピア」法は中空パイプ(マンドレル)を地中に打ち込むことからなり、ボーリングを必要としない。パイプには、パイプよりも大きい径を有し、平底部分と面取りされた側面を有するタンパーヘッドが、その底面に取り付けられている。マンドレルは、ピアの高さの設計底面まで打ち込まれ、骨材を充填してから引き上げられる。それによって生じた空洞に骨材が流れ出す。その後、タンパーヘッドは、骨材を圧縮するために骨材の中に打ち込まれる。タンパーヘッドの平底部分で骨材を圧縮し、面取りされた側面は骨材を穴の側壁に押し込む。それによって、周囲の地盤の横応力を増大させる。
打ち込みテーパー・マンドレル法は、変位マンドレルを用いて骨材のピアを建造する他の方法である。この場合、マンドレルの形状は円錐台であり、底部よりも上部の方が大きく、垂線から約1〜5度のテーパー角を有する。マンドレルは地盤に打ち込まれ、打ち込みの間、基礎土壌を下向きまたは横方向に変位させる。ピアの高さの設計底面に達し、マンドレルが引き上げられると、地盤に円錐型の空洞が生じる。マンドレルの円錐型は穴の側壁を一時的に安定させ、骨材が地表面から空洞に導入される。骨材のリフトを設置した後、マンドレルは骨材に下向きに再度打ち込まれ、骨材を圧縮して穴の側壁へ横方向に押し込む。大きいマンドレルがピアの頂上近くで骨材を圧縮するのに使用される場合もある。
本発明は「細長いピラミッドまたは円錐型タンパーヘッドによって押し込まれる骨材のピア」に関する方法およびその装置に関し、公知の骨材のピアに関する方法、特に、米国特許第5,249,892号の骨材による短いピアに関する方法を改善する。
本発明は、一般的な形状の細長いピラミッドまたは円錐体である本体を有する空洞径のタンパーヘッドを利用するものである。詳細には、ピラミッド型本体は正多角形の底部または上部として有し、二等辺三角形の底面の先端に向かって細くなる側面として有する。そのようなピラミッド型のタンパーヘッドは、図1、2A、および2Bに示す。円錐型の本体は略円形の底部または上部を有し、先端に向かって細くなる。そのような円錐型のタンパーヘッド本体は、図3、4A、および4Bに示す。
本発明のピラミッド型および円錐型タンパーヘッドは、それぞれの上部または底部(尖ったタンピング端または底部端に対向して)の大きさは、ボーリングされた穴または空洞径にほぼ等しく、圧縮の間に基礎土壌の横応力が最大となるように設計されている。各型のタンパーヘッドは、タンパーの底辺先端から底部または上部に対して約60度の好ましい角度で断面が増大する。タンパーヘッドの上部は、充填されるボーリングされた空洞径と等しい径であるように設計され、ピラミッド型本体の底部または上部に溶接された平らな円形板を備えていることが好ましい。図1に示すタンパーヘッドのピラミッド型本体の断面は、正八角形(8辺全ての長さは等しい)ではあるが、四角形、六角形のような他の正多角形も用いてもよい。円錐型本体の断面は、円形である。
本発明による細長いピラミッド型または円錐型タンパーヘッドは、タンパーを緩く設置した骨材のリフトに適用することができ、その骨材はタンパー底部または上部とほぼ等しい深さであり、言い換えると、充填される穴または空洞径に近い。したがって、24インチ径の穴に対しては、骨材リフトの厚さを(公知のタンパーでは)12インチから、24インチに増やすことができることから、建造効率が増大する。
本発明によれば、タンパーヘッドの上部を充填される穴または空洞とほぼ等しい径にすることによって、タンピング操作中に骨材を閉じ込める。ピラミッド型または円錐型のタンパーヘッドによって横応力が増大することから、ピアの容量を公知のタンパーヘッドより増大することができる。したがって、本発明は効率的な建造工程とピア容量の増大を同時にもたらす。
本発明の実施形態を詳細に説明するにあたり、本発明の適用において、以下の記載または図で示す構成要素の構造および配置の詳細に限定されないことを理解するべきである。本発明は他の実施形態が可能であり、さまざまな方法で利用または実施することができる。具体的には、図に示す寸法は、実施形態を示すのみであり、当業者は条件が保証するよう改作できる。
本発明の方法と装置は、骨材のピアの基礎土壌での効率的な設置を提供するものである。図5に示す方法は、基礎土壌内でほぼ均一な断面積を有し、細長い垂直空洞または穴1を形成する方法を備えている。好ましくは、垂直空洞は略円筒形であり、ボーリングなどの適切な方法で形成される。また、空洞は細長いチューブまたはマンドレルを貫通させてから抜き取ることによっても形成される。
次に、骨材のリフト2は、穴1の底部に設置される。本発明のタンパーヘッドの構成のために、穴に設置された骨材の各リフトの穴の厚さは、空洞径とほぼ等しくてもよい。次に、骨材リフトは、本発明のピラミッド型タンパーヘッド3または円錐型タンパーヘッド13によってタンピングされる。特にこのようなタンパーヘッドは、穴の周囲の基礎土壌の横応力を大幅に増大するために、十分なエネルギーを加えるように設計されている。ピアは、連続するリフトを追加し、タンピングすることによって完成される。
ピラミッド型または円錐型のタンパーヘッドは、空洞の横方向の断面寸法にほぼ等しい上部または底部を有している。空洞が略円筒形である場合には、タンパーヘッド上部の横方向寸法は、空洞径に近い。
骨材を押し込んでピアを建造する方法は公知であり、本明細書に記載する必要はない。しかし、これらの開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
図1、2Aおよび2Bに示すように、ピラミッド型タンパーヘッド3は、細長いピラミッド型の本体4およびピラミッド型の本体の上方向に向いている底部9の上に溶接された円形の閉じ込め板5の2つの構成部品を備えていることが好ましい。タンパーヘッドは閉じ込め板なしで構成してもよい。
従来のタンパー・ロッドまたはマンドレル6は、各骨材リフトをタンピングする間、タンパーヘッド3を支持し、タンパーヘッドに必要なエネルギーを加えるために、閉じ込め板5の上に溶接されている。ピラミッド型本体4は1/2インチまたは3/8インチ厚の圧延鋼板で構成することが好ましく、正八角形の底部または上部を有するピラミッド型を形成するように曲げられることが好ましい。本体4の側面は、図1、2Aおよび2Bに示されるように略ピラミッド型を形成するために共に溶接される。
好ましい実施の形態では、タンパーヘッド3はタンパーの上部の径は24インチ、即ち、閉じ込め板の径は24インチであり、上部のピラミッド型の対角線上の距離は24インチである。ピラミッド型本体の側面を構成する2等辺三角形7は好ましくは水平から約60度に向けられる。この形状によって、タンパーヘッド本体4のタンパーヘッドの長さは約21インチとなる。
図3、3Aおよび3Bに示すように、円錐型タンパーヘッド13は、テーパー本体14および円錐体先端15を備えており、均一なテーパーを形成するために、先端15のテーパーを本体14のテーパーに合わせる。先端は硬く、本体14の上部に溶接されたベースプレートとほぼ同じように好ましくは鋼鉄である。図4Bに示すように、本体14は基本的には中空であり、補強するために内壁18上に鋼鉄ガセット17を備えている。ガセット17は厚さ約5/8インチであり、好ましい実施形態によれば、中心から3インチ離れている。
タンパーヘッド上部の径は24インチから変化させてもよいが、その径は好ましくは穴1の径と等しい。穴径とタンパーヘッド上部の径との間には差がいくらかあってもよいが、タンパーヘッド上部の径はボーリングされた穴径よりも10%〜90%の範囲外であってはならない。タンパーヘッドとボーリングされた穴径の比は、約0.9〜1.1であり、タンパーヘッド上部または閉じ込め板5(もし備えてあれば)によって、タンピング中に骨材2を閉じ込めるために重要である。タンパーヘッド上部が小さすぎると、骨材はタンピング中、上部の周辺に上向きに押し出される。タンパーヘッド上部が大きすぎると、タンピングの際に穴の側壁部分の一部を下向きに押し出される。
タンパーのテーパー角度は好ましくは約60度であるが、水平から約45度〜約75度にわたってもよい。60度のタンパーヘッド角度は、24インチ径のタンパーヘッドによって圧縮する間に、約2フィート厚の骨材のリフトを十分に圧縮することができ、タンピング中、横応力を増大させるのに最適となるように設計される。従来、典型的には1フィート厚の骨材リフトにピアを建造するのに、数多くのリフトや多くの時間を必要としたが、本発明のピラミッド型および円錐型のタンパーヘッドは2倍の厚さまでのリフトを圧縮できるため、本発明のピラミッド型および円錐型タンパーヘッドは公知の短骨材のピア法を改善する。水平から60度以下のタンパーヘッド角度は、厚さ2フィート未満の骨材リフトに適用でき、60度以上のタンパーヘッド角度は厚いリフトを圧縮することができ、水平から60度に向けられたタンパーヘッドよりも垂直方向の閉じ込めが少ない。
正方形、六角形、または他の多関節断面形状などを形成する鋼鉄製タンパーヘッド本体などの他のピラミッド型タンパーヘッドの寸法および形状も用いてよい。ピラミッド型または円錐型タンパーヘッドの壁厚は、1/4インチ〜1インチであり、タンパーヘッドの径、長さ、タンパーヘッド構成材料および打ち込み条件によって変化してもよい。ピラミッド型本体4および円錐型本体
14は中空であってもよい。そのため、厚くて強い構成材料を使用するべきであるが、内部の支持体または板を備えることもでき、薄くて弱い構成材料を使用することができる。前述のように、タンパーヘッドのテーパー角度は、ピラミッド型本体4または円錐型本体14のテーパー側が、骨材の圧縮および骨材の穴側壁の横方向への押圧の双方を、周辺土壌に対する圧力を増大させる45度〜75度の範囲で変化させてもよい。
好ましくは、タンパーヘッド3のピラミッド型本体4または円錐型本体14は略尖った先端8および20にそれぞれ収束される。しかし、尖った先端8および20は切り取ってもよく、鈍化させてもよい。切り取りあるいは鈍化させた場合、鈍化した先端の面積はタンパーヘッド本体または円形の閉じ込め板の上部または底部の面積の20%以下である必要がある。先端8または20が鈍化すると、本発明のタンパーヘッドで適切にタンピングされる骨材リフトは薄くなる。そのため、略尖った先端が好ましい。
本明細書に記載され、図に示す好ましいタンパーヘッド3および13を用いるため、適切な骨材は、最大粒子サイズ2インチで、その12%以下がNo.200篩(0.074インチ)を通過する「上級の」ハイウェイ路盤骨材からなる。最大粒子サイズが1/4インチおよび3インチの清浄石、5%以下がNo.200篩(0.074インチ)を通過する骨材、再生コンクリート、スラグ、再生アスファルト、セメント安定処理ベースまたはその他の構成材料などの他の骨材も使用してよい。骨材の最大サイズは空洞径の25%以下である必要がある。
本発明の第一の利点はピラミッド型または円錐型タンパーヘッドが公知のタンパーヘッドよりも、建造中に水平土圧を増大するのにより効果的であるということである。この横応力の増大は、タンパーヘッド3および13の独特な形状によるものである。ピラミッド型または円錐型タンパーヘッドは、従来横応力の増大にその断面積の約30%が充てられるのに対し、本発明はその断面積の100%が充てられる。もう1つの利点は、タンパーヘッドの傾き角度を増大することによって、本発明のタンパーヘッドを従来の厚い骨材リフトに適用できることである。好ましい実施形態では、タンパーヘッドが24インチ〜30インチの骨材の緩く設置されたリフトに適用できることを意味する。実際、同じ支持能力を有するピアが、小さい径で厚いリフトで建造できることを意味する。
上述の利点は、公知の方法および本発明を用いて建造されたピアについて実施された負荷試験で示されており、図6および7に示す。図6は第一のプロジェクト現場の3つの負荷試験の結果を示す。2つの試験(「平底型RAP」と表示されている)では、米国特許第5,249,892号の公知の方法を用いて建造される30インチ径のピアについて、12インチ厚の骨材リフトを圧縮して実施された。1つの試験(「ピラミッド型タンパーヘッドRAP」と表示されている)が、図1に示すように24インチ径、60度ピラミッド型ヘッドを用いて、24インチ厚の骨材リフトを圧縮して実施された。図6に負荷試験の結果を示し、負荷試験の間にピアの上部に加えられた応力(x軸)と、加えられた応力によって生じるたわみ(y軸)との関係を示す。応力とたわみの比はピアの剛性係数であり、平らな勾配は剛性の高い応答を示す。ピアの底面のたわみの測定結果も示す。
図6に示す負荷試験の結果では、3つ全てのピアの上部において剛性が、約15ksfの応力がピアの上部に加えられるまで、ほぼ等しいことを示している。ピアに15ksfより大きい応力が加えられると、平底型RAP#1は、柔らかい応答を示す。ピアに約25ksfより大きい応力が加えられると、平底型RAP#1および平底型RAP#2の剛性は、ピラミッド型タンパーヘッドRAPの剛性よりもかなり小さくなる。これは、本発明によって建造されたピラミッド型タンパーヘッドピアが、建造中、ピア周囲の閉じ込め圧力を効率的に増大し、負荷時のピアの強度が増大するからである。重要なことは、本発明によれば、3つ全てのピアの剛性が等しい場合でも、公知の方法で建造されるピアよりも、効率的にピアが建造されるという利点が得られることである。
図7は第2のプロジェクト現場の3つの負荷試験の結果を示す。2つの試験が、米国特許第5,249,892号の公知の方法を用いて建造された30インチ径のピアについて、12インチ厚の骨材リフトを圧縮して実施された。1つの試験(「円錐型タンパーヘッドRAP」と表示されている)が、図1に示す24インチ径、60度ピラミッド型ヘッドを用いて、24インチ厚の骨材リフトを圧縮して実施された。負荷試験の結果は、3つのピア全ての上部の剛性は、約10ksfの応力が上部ピアに加えられまでほぼ等しいことを示している。ピアに10ksfより大きい応力が加えられると、平底型RAP#1は、柔らかい応答を示す。ピラミッド型タンパーを用いて建造されたピアの剛性は、公知の方法により建造されたより大きくなる。
本発明は、厚いリフトを用いることによって建造が容易にできるという事実から、骨材のピアの建造工程を大幅に短縮することができる。本発明を用いた1つのプロジェクトでは、公知の方法を用いて建造した場合の時間の半分でピアが建造された。したがって、本発明は、ピアを早く設置できることから、従来に比べて時間およびコストを削減するという利益を提供する。
上記の記載と図面は、本発明の原理を示す説明にすぎないことを考えるべきである。本発明は、さまざまな形と大きさで構成されてもよく、好ましい実施形態の寸法に限定されるものではない。本発明の数限りない応用が当業者において容易に発生し得る。したがって、本発明は開示される特定の例または記載される厳密な建造および操作に限定するべきではない。むしろ、全ての適切な変形例および等価物は、本発明の範囲で用いることができる。
本発明の好適なピラミッド型タンパーヘッドを示す斜視図である。 図1のタンパー上部を示す側面図である。 図1のタンパー上部を示す下面図である。 本発明の好適な円錐形のタンパーヘッド示す斜視図である。 図3のタンパー上部を示す側面図である。 図4Aの断面B−Bに沿った断面図である。 本発明のピア建造工程を示す概略図であり、空洞を形成する(例えばボーリング)ことと、空洞に骨材の第1のリフトを配置することと、横応力を増大するために図1のピラミッド型タンパーで骨材をタンピングすることと、地表面にピアを建設する骨材の他のリフトを配置およびタンピングすることを含む。 従来技術(「平底型タンパーヘッド」で示す)によって建造される2つのピアおよび本発明(「ピラミッド型タンパーヘッド」で示す)によって建造されるピアで実施される第1の負荷試験を示すグラフである。 従来技術(「平底型タンパーヘッド」で示す)によって建造される2つのピアおよび本発明(「ピラミッド型タンパーヘッド」で示す)によって建造されるピアで実施される第2の負荷試験を示すグラフである。

Claims (20)

  1. 骨材のピアを建造する方法であって、
    ほぼ均一な断面積を有する細長い空洞を地表面に形成するステップと、
    前記空洞にわたる距離にほぼ等しいリフト厚さを有する前記空洞に骨材のリフトを配置するステップと、
    穴の側壁の横応力を増大するために、前記空洞の前記横断面にほぼ等しい上部または底部を有するピラミッド形または円錐形のタンパーヘッドによってリフトをタンピングするステップと、
    連続したリフトによって前記配置するステップと前記タンピングステップを繰り返すステップとを含む方法。
  2. 前記タンピングするステップは、水平から45度〜75度まで変化させる傾きを有するタンパーヘッドを用いることを含む、請求項1に記載の方法。
  3. 前記タンピングするステップは、円錐形のタンパーヘッドを用いることを含む、請求項1に記載の方法。
  4. 前記タンピングするステップは、ピラミッド形のタンパーヘッドを用いることを含む、請求項1に記載の方法。
  5. 前記細長い空洞は、略円筒形であり、前記タンピングするステップは、前記空洞の直径にほぼ等しい上部の横方向寸法を有するタンパーヘッドを用いることを含む、請求項1に記載の方法。
  6. 前記タンパーヘッドの上部寸法は、前記空洞の直径の約90%〜約110%である、請求項5に記載の方法。
  7. 前記骨材のリフトを配置するステップは、細かい物質を有する少なくとも一つの石を有する骨材、再生コンクリート、再生アスファルト、スラグおよびセメント安定処理ベースを用いることを含む、請求項1に記載の方法。
  8. 前記空洞を形成するステップは、ボーリングによるものである、請求項5に記載の方法。
  9. 前記空洞を形成するステップは、細長いチューブまたはマンドレルを貫通させてから抜き取ることにによるものである、請求項1に記載の方法。
  10. 地表面の略垂直な穴に骨材が押し込まれるピアを形成し、前記穴は、略円形の断面を有するタンパーヘッドであって、下端部に向かって細くなり、前記穴の断面積の少なくとも約90%である断面を上端部で有する略ピラミッド形または円錐形の本体を含むタンパーヘッド。
  11. 前記ピラミッド形または円錐形の本体の上端部に取り付けられる円形の閉じ込め板を更に含み、前記閉じ込め板は、前記ピラミッド形または円錐形の本体の上端部の最大寸法に実質的に等しいまたは大きい直径を有する、請求項10記載のタンパーヘッド。
  12. 前記下端部は鈍化され、前記上端部の面積の20%以下の鈍化された面積を有する、請求項10に記載のタンパーヘッド。
  13. 前記略ピラミッド形または円錐形の本体の前記上端部は、前記穴の直径の約90%〜約110%である最大寸法を有する、請求項10に記載のタンパーヘッド。
  14. 前記略ピラミッド形または円錐形の本体は、水平に対して約45度〜約75度の角度で細くなる、請求項10に記載のタンパーヘッド。
  15. 前記略ピラミッド形または円錐形の本体は、水平に対して約60度の角度で細くなる、請求項14に記載のタンパーヘッド。
  16. 前記タンパーヘッドは、円錐形である、請求項10に記載のタンパーヘッド。
  17. 前記タンパーヘッドは、ピラミッド形である、請求項10に記載のタンパーヘッド。
  18. 前記ピラミッド形は、六角形の断面を有する、請求項17に記載のタンパーヘッド。
  19. 前記ピラミッド形は、八角形の断面を有する、請求項17に記載のタンパーヘッド。
  20. 前記タンパーヘッドの上端部は、前記空洞の直径とほぼ同じ直径を有する、請求項10に記載のタンパーヘッド。
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