JP2009526930A - 上から下まで一貫した特性と最小の空隙を有する現場杭 - Google Patents

Abstract

現場杭を作る方法において、乾式バインダーと水を意図する杭の場所に注入する。回転工具を土壌に挿入し、工具がその場所へと下降してそこから出るときに、土壌、バインダーを、バインダーの注入に使用する空気と共に混合し、バインダー粒子のサイズを縮小し、空気の大部分が浸透する程度に結果として得られる混合物を十分に流動的にする。水は、最終的に硬化した杭のユニット強度は下がるがその物理的特性が十分に強固且つ確実に一貫したものとなるような量だけ供給される。

Description

本開示は、現場杭（in-situ piling）の構造上の特性の均一性と予測可能性を向上させ、土壌に現場杭を作る方法に関する。

地上の構造物のための支柱や強化材を、通常杭（pilesまたはpilings）という。また、このような構造物を通常支柱ともいう。杭や支柱といった用語は、本開示において同義とみなす。さらにこのような用語に関して言うと、杭という用語は、一般的な意味ではその上に直接かかる荷重に対して既知の鉛直応答を与える構造物である。海岸の防波堤によく見られる建築物は、この特徴に頼っている。防波堤構造物は、単に杭の上部に連結するように建設され、その下側が杭によって支持される。

本発明が想定している種類の支柱は地下にあり、その体積を支柱が取って代わるような土壌を当該支柱の組成の一部として利用する。多くの場合、現場杭（in-situ piling）は支柱のことをいう。これらの用語は同義と見なし、置き換え可能に使用する。現場杭（in-situ piling）の構造は、従来の支柱とは対照的である。一般に従来の支柱は、育てられ準備された長い木の幹、すなわち、別の場所もしくはその場で異材料から製造したコンクリート形材を打ったものである。

従来の杭や支柱は、岩床または他の支持構造に直接接触するように打たれるかまたは配置されるのが好ましい。岩床または他の構造が深すぎる場合、支柱への信頼は、周辺地盤との間の「表面摩擦」に置かれる。現場杭（in-situ piling）とその周辺地盤との連続性の本来的な利点は明白である。表面摩擦と同等なものに周辺地盤と現場杭の強化材料との融合（merger）があるが、両者には非常に重要な違いがある。この違いは、現場杭が岩床もしくは他の支持構造に到達していてもいなくても、または現場杭（in-situ piling）とその周辺との接触状態（便宜上表面摩擦ということもある）に依存していてもいなくても有利に働く。実際のところ、現場杭には従来の杭にあるものと同じ意味での表面はない。

従来の杭は何十年も使用されてきたが、有用性が限られている。一つには、従来の杭は通常別の場所で作り、それを作業現場に運搬し、そしてそれを何らかの方法で地面に挿入しなければならない。よく知られている例が衝撃式杭打ち機、すなわち振動挿入システムであり、シャフトの掘削部分に杭が挿入される。

こういったものは全て非常にコストが高いが、ユニット特性が文字通り１インチごとに既知で、一定で、最高の、最適に一貫した構造物が要求されるならば、通常はこういったものが利用可能な最高の解決策であり、実際に広く使用されている。

従来の杭が高価であることでその用途は経済的に制限されるが、非常に重要な特性を持つ設備のために、広範に使用されている。しかし、セメント杭または木杭の最高のユニット強度は必要ないが、測可能な適当な構造特性を必要とする手頃な価格の杭打ち技術に対する多くの用途が存在する。こういったものは、その特性が満足のいくもので、予測可能で且つ手頃なものならば従来の杭の代わりに使用されることが多い。「手頃である」という用語（affordable）は、十分な強度に関係した、材料のコスト、杭構造の製造コスト、輸送、労力、設置のコストなどの検討事項を含む。

このような事情が注目されなかったわけではない。最初に考えたのは、杭を現場またはその付近で製造することである。これが現場付近のある場所でセメント杭を打つことを意味するならば、全ての材料（通常はセメントと骨材）を現場に運び製造プロセスをセットしなければならないため、節約はよくみてもはっきりしないであろう。

本開示は現場杭（または柱）の使用を提案しており、水とバインダー（通常はセメントもしくは石灰またはその両方）だけを現場に運べばよい。穿孔混合型の工具を現場に運び、地面を掘って水とバインダーを既存の土質材料と混合する。意図する結果物は、地上の構造物が確実にその上に載る地中柱であり、現場から離れて製造されることなく、定位置に打たれることなく、オープンシャフトの形成の必要性がなく、土壌に存在する。

この目的のために、幾つかの主要な構造が提案されてきた。おそらく最も古いものは通常「乾式工法」と呼ばれるものであり、この工法では工具が地面に穴を開け、そうしている間にバインダーを既存の材料に加え、これが土壌に既に存存する水と反応してセメント柱を形成する。乾式工法の欠点は明らかである。目的に十分な水がもうないかもしれない。それでも乾式プロセスは広く使用されてきて、今日まで依然として使用されている。

一般に「湿式工法」と呼ばれる別のプロセスも広く使われている。この工法では、バインダーは水とバインダーのスラリーとして提供され、これを工具が穴を開けながら地面に注入する。このシステムには、バインダーの浪費、深さごとの杭の特性の変化、これを仕上げるための非常に大きいであろうコストを含めた重大な欠点がある。

湿式工法と乾式工法の欠点を克服するためにこれまで努力がなされてきた。その一つが「改良乾式工法」とよく呼ばれるもので、この工法では、工具を下方に移動させる際に水で土壌を予め調整し、上方行程でセメントを加える。これは、１９９９年１０月１９日に発行された"LIME/CEMENT COLUMNAR STABILIZATION OF SOILS"というタイトルの本出願人による米国特許第５，９６７，７００号の主題である。

別の過去の取り組みが、１９９４年５月４にトレビ社（Trevi S.P.A.）に与えられたヨーロッパ特許第０４１１５６０ＢＩ号（ここでは、「トレビ」特許と呼ぶ）である。これは、「加湿」に十分なだけの水を提供して現場杭を作ろうという試みである。後に明らかになるが、この特許は、本開示の概念から離れている。

上の基準は、最終的に含まれる２つの物質、すなわち空気と水、からなる最終生成物に対する影響に関心が向いていない。乾式バインダーを地下領域に注入するために唯一知られている方法は、バインダーを加圧空気流で流入させることによる。やむを得ないが、これはかなりの量の空気を地層に注入することを意味する。したがって空気が逃げられなければ杭にエアポケットが形成されてしまい、このエアポケットが杭の強度を下げてしまう。

さらに悪いことに、空気が混合物の体積に加えられるため、周辺地盤に大きなヒービングが形成される。これは非常に深刻な結果である。例えば鉄道建設では、ヒービングによって道床の横道が１０フィートほどもずれてしまうことが分かっている。この結果に対応するためには、通常隆起した隣接領域の上に大きな重しを置く。例えば、挿管された土壌と周辺土壌を圧縮する岩の厚い層で地面を下方に押さえつけ、空気を逃がす。空気が逃げた後に岩を取り除く。これは、非常にコストのかかる手段である。最初から隆起させないほうがよいであろう。本開示は、進行中に空気を逃がす手段を提供する。本開示の目的は、混合の際にせいぜい最小量の膨張しか生じさせない現場杭を提供することである。

これを行うための方法は、空気が浸透して逃げやすい環境を提供することである。本開示では、これは混合物の十分な流動性（または流動化）を意味する。本開示では、これは流動化のための過剰な水を使用することを含む。

水と反応させることでセメント固形物を製造することを含むプロセスでは、バインダーを完全に水和させるために必要な水量（化学量論量）が存在するということは一般的な知識である。この量を超える水では、通常化学量論量を使用した場合よりもユニット強度の低い硬化固体となってしまうであろうし、実際にそうなることも知られている。最終的には大量の水でセメントを「ダメにしてしまう」可能性もあり、致命的に弱い構造物となってしまう。

したがって、普通は過量とされる水を加えることによる液化で空気が迅速に浸透して放出するようにし、最終的に意図する効果を得、急に変わるような領域インコンシステンシーのない杭を形成し、作った杭が上から下まで既知の十分な強度を有するように、各領域に正確な量のバインダーを与えるべくバインダーが分布できるということは、驚くべき概念である。

常識やこれまでの経験に反する本開示の概念は、悪影響を及ぼす空気の大部分を除去することと引き換えに柱のユニット強度の低下を許容することで、土層間に急激な不連続部分がなく、上から下までの各領域で予測される最低限の強度を有し、より多くの位置で均質性を有する柱を提供することである。

本開示のプロセスは、工具を回転させて地面に出し入れし、この動作中に決められた量の水とバインダーを決められた方法で加える。このような単純な動作の組み合わせのどこに新しい部分があるのかと尋ねてもよい。この質問に対しては、既に知られているプロセスによって作った製品を検証することでその大部分が答えられる。既知のプロセスの全ては少なくとも幾つかの用途では許容できる杭を作ることができるが、このような杭は一般に多くの用途には魅力のないものである。ある土壌と条件で作った製品が、別の土壌では主要な特性において、特に深さによって、不完全であるか再現不可能であることが分かった。本発明の目的は、上から下まで一貫した予測可能な特性と既知の十分なユニット強度を有する現場杭を作るプロセスであって、手頃な値段の機械を使った、材料、労力、資本設備のコストを抑えたプロセスを提供することである。

許容可能な種類の杭を選択する基準の幾つかとは、柱（杭）をどこにどのようにして作るか、目的とする用途は何か、柱を形成する土壌の特性は何か、どの部分を杭として使用するか、杭を作るコストはどの程度か、所望の目的を達成するために必要なバインダーの量はどの程度か、ということである。より高い強度の杭が望まれる場合は、例えば、より大量のバインダーを（より大きな費用で）使用できる。コストには、製造に必要とされる非常に重要な機械、その機械を現場で必要な場所に配置する能力、機械を稼動させる労力のコスト、生産の速度、杭を作るために使用する材料の相対コストが含まれる。

材料に関して言うと、既存の土壌が許容可能な状態にあるならば、既存の土壌と水のコストは無視できる。これと同じことは、バインダーのコストには当てはまらない。柱の全ての位置に十分なバインダーが確実に存在するようにかなり過量のバインダーを使用することが大部分の現場プロセスで実施されている。柱の種々のレベルと領域の全てで最低限の特性を確実とすることで、設計者は一貫して適当な最低限の特性と最低限の妥当な安全マージンに実際に必要な量のバインダーだけを使用することができる。設計者にこのような確信がないならば、設計者は通常過量のバインダーを提供し、そしてさらに自ら望んで過量のバインダーを加えるであろう。不確実さが減ることで、主な経費であるバインダーのコストの大きな節約につながることは明らかである。

このことに関しては、使用するバインダーの量の最終的な選択に影響を及ぼし得る驚くべき数の変数が存在する。おそらく最も重大な変数は、柱が形成される地層の上から下までのコンシステンシーであろう。おそらく深さ３０フィート以内の地層が地表付近に軽く固まった材料を含み、そのすぐ下に非常に固い層を含み、これらの下におそらく軟らかい粘土を含むことは珍しいことではない。水とセメントに対する要求はこういったもののあいだで変化する可能性があるが、最終的な柱の強度はできる限り上から下までほぼ均一なほうがよい。バインダーの必要性に関する一般には評価されていない検討事項は、最終的な固体物を形成するためにバインダーによって結合する骨材として作用する土壌の種類の相対的な効率である。例えば、砂質の土壌は、セメントと結合するには非常に効率的である。粘土はあまり効率的ではなく、より多くのセメントを必要とする。粉砕土壌のほうが硬く固まった材料からなる土壌片よりも効率的である。

異なる種類の構造からなる幾つかの層が存在する土壌に杭を作ろうとし、これらの層全てに十分に機能するバインダーを提供することを望むならば、セメントの使用の効率が最も悪い層に適した一定の速度でバインダーを提供する。すると、バインダーの濃度は全ての深さで同一になるであろう。杭の正しい目的は一定のバインダー濃度を有することではなくその全長にわたって既知の最低限の強度を有することであるため、これは非常に大きな浪費である。柱の大部分は過剰なセメントを含有するであろう。

当然のように土壌が調査されていれば、それぞれの深さで必要なバインダーの量を計算でき、かなりの節約になる。以下に示すように、これは考慮可能な、また考慮すべき多くの基準の一番目にすぎない。

目的は、バインダーの供給を種々の深さでの必要性に相関させることであると思われる。これは、どのようにして粉末（または粒状）バインダーが供給されるかについて見落としている。バインダーはバルク輸送で機械に運ばれ、貯蔵タンクから放出されるまで保持される。興味深いことに投入するバインダーの量は、現実的な手段として、流量感知装置からではなく中身の入ったバインダータンクを継続的に計量することで分かる。流量感知装置は、砥粒バインダーによってすぐに破壊されてしまう。驚くべきことに、計量動作によって正確な測定を簡単に実現できる。減量していくタンクとその中身の重量が、十分に投入バインダーの計量となる。

バインダーは、タンクから延びるホースを通ってタンクからタワーの上へ、そして工具へと加圧空気流の推進によって運搬される。空気は、乾式バインダーと共に穴に入る。普通は、タンクから工具まで少なくとも４０フィートの流路がある。タンクに配置されたスターホイールなどのフィードメカニズムによって決めた速度でバインダーを空気流に送る。この流れを「調整」しようとするならば、それは少なくとも４０フィート上流に配置されたフィードメカニズムで、離れた場所のある深さにおける特定量のバインダーの必要性を調整することを意味する。フィードメカニズムを使用ポイントに近く配置することは、適切なオプションではない。しかし、流速を知ったうえで送達地点に所望の量を送達できるように、これを計算しプログラムすることはできる。

本開示の目的は、できる限り深さごとに均一且つ既知のバインダー／骨材強度を有し、流体様（fluid-like）のコンシステンシーを有し、エアポケットや骨材の塊がほとんどない、結果として得られる現場混合物（in-situ mix）を提供することである。

これは、決して小事ではない。最低限の安全要因で杭の上から下までその特性を予測できることによって、湿式工法と乾式工法で使用する量に比べて、また水も加える乾式工法に対して、実際に必要とするバインダーの量をかなり減らすことができる。本開示の目的は、混合されて硬化するときに非常に湿った泥に似た不定形の状態になり、硬化して無理なく一貫した最低限の特性を有する杭になる柱を作ることである。

さらに、バインダーの一部を工具の下方移動で提供し、また一部を上方移動で提供することによって、供給が平均化されさらに種々の深さで適量を保証できる。

バインダーの節約には、その費用よりもはるかに環境への影響がある。セメントの製造では多量の燃料を消費し、温室効果ガスを生成する。本開示は、より少ないバインダーを使用するためこのような排出を減らすことができる。

先行技術では、このようなほぼ均質の硬化前状態（pre-set condition）を完全には実現できない。特に粘土質の土壌では、穴での混合を実現するために必要な動力が時に大きくなり過ぎて、この力を作用させるために非常に強力で重すぎる装置を用意しなければならない。このような装置は頻繁に失速する。さらに、装置の重量によって非常に重い荷重を支持できない土壌での使用が不可能になり、それによって必要な装置を現場に供給できないときにはプロセスの有用な用途の範囲が縮小してしまう。流動化された混合物を提供することで、工具はより少ない抵抗で稼動する。

本開示の目的は、より動力が小さく、人間がその上を歩ける程度の強度しかない土壌でも使用できるほどに軽量の機械の使用で動力のニーズを満たせるプロセスを提供することである。これは、例えば道路建設、堤防補修、鉄道において大きな利点である。したがってこのプロセスは、非常に広範な用途で有用である。

本開示は、杭の最終的な特性を確実なものにできるという別の利点も提供する。利用可能な技術と種々の現場杭の試験結果を比較すると有益である。

乾式工法で作った杭は、上から下まで殆どコンシステンシーを示さない。このような杭の領域は、砕けやすいことが多い。このような杭は引き抜く前に壊れてしまうほどもろいため、試験のために地面から引き抜けないことが多い。また、このような杭のコアを抜いた場合この杭は粉末になってしまうため、コアを抜くこともできない。本発明の杭は、現場打ちの棒の使用を伴う場合にボディとして引き抜かれる以外にほとんど引き抜かれることがない。ただし、このような杭からコアドリルによってサンプルを採取することができる。したがって乾式工法によって作った杭は最も好ましくない部分に関する特性のみに依存するが、本開示の杭はその全長にわたって予測される均一な特性に依存することができ、重要なことにはサンプルを採取できる。

湿式工法によって作った杭の特性は杭の高さに沿って頻繁に変化し、無駄を出して作られることが多い。土壌とこのような杭が生み出した浪費は高価である。

混合物の流動性のさらなる別の利点は、ブレードやアウトリガーが、存在するであろう有機材料を切断し柔らかくできることである。例えば、多くのレベルにはその上に木が育っており、その根は杭を作る場所にあるかもしれない。流動性と、ブレードおよびアウトリガーの対向する端縁の適当な形状とサイズとによって、この材料のサイズを、硬化した杭の特性を損なうことがないサイズに縮小できる。

本開示は、第１の方向に回転したときに地面に穴を開け、反対方向に回転して穴から引き出されながら材料を混合し、材料を固めることに役立つように構成された回転混合・注入装置を利用する。これらの移動の際、バインダーは下方へ移動するとき、上方へ移動するときの両方のあいだで注入される。注入されるバインダーの量は、それぞれのレベルにおける土壌の特性に適した量である。両方向に移動しつつバインダーを注入することで、種々のレベルでのバインダーの濃度が平均化され、柱の局所的な欠陥を生じさせかねない供給源からのばらつきや、種々の深さに存在する背圧のばらつきを減らし、なくすことさえできる。このことが、空気を浸透によって逃がしやすくした混合物の提供の助けとなる。全てのレベルで適当なバインダー濃度であることが、最適な柱を作るのに重要であることは明らかである。

主要な検討事項は、成分を適切に混合することと、生成物の上から下まで均一なコンシステンシーである。これは、大きすぎるサイズの骨材をより小さな適当なサイズに縮小することを保証し、バインダーと共に注入された空気を浸透させることを意味する。

工具は、以下に説明する目的のために傾斜したブレードを含む。下方への移動では、このブレードは地層をスライスしてバラバラにする。これは、ブレードによって作られた切断された空間に入ってブレードを潤滑し、現れた地層面の間に水の界面を形成するために利用される注入された水供給を伴う。もちろんこの界面は、非常に薄い。せいぜいブレードの厚さほどであるが、経時やブレードが離れていくことによって薄くなっても存在する。しかし、この界面はその目的のために機能する。この水がなければ、材料は単に壊れるだけで、ブレードも殆どこれと大差ないであろう。この湿潤で壊れてさえしまう界面によって、材料はこの界面に不連続部分を有し、これが工具を逆にして地表へと戻る際に有利となる。下方への行程で、その場所の土壌構造を弱める不連続部分の間の境界をなすスレッド様（thread-like）の土壌パターンが形成される。

本開示の別の特徴によると、ブレードは裏側に対向する端縁を有し、この端縁は切断した材料に直接係合し、工具の回転が逆になったときに材料を破壊して攪拌する。

本開示の好ましいが任意の特徴によると、工具と（そのブレード）の回転速度と前進は、工具の引き抜き時に対向する端縁が界面の間にある材料にほぼ当たってうまく地層を壊し、これによって穴にある材料の完全な混合を助ける程度である。また、これがうまく行われると、工具は粒子のサイズを小さな大理石よりも大きくない程度に縮小する。結果として得られる材料の循環は、ブレードの上下から相当な距離にわたって混合物を攪拌する局所的な材料の対流を混合物に生じさせることで、より均一な杭にするのに役立つ。これによって、隣接する土壌の層が粘板岩の隣に砂というように目で見て分かるほど異なる特性を有する場合に不連続部分またはより強度の低い領域として存在するであろう、杭の上から下までの組成の急激な変化をなくすことができる。

本開示のまた別の特徴によると、工具の回転速度は、材料が羽根に付着しないような十分速い速度で維持される。より遅い速度では、材料が羽根と共に回ってしまうかまたは羽根が失速してしまう。適度に速い回転速度と適度な工具の前進速度との組み合わせによって、より軽量の装置を使用でき、より完全に混合された生成物を提供できる。このより速い回転速度と穴に作用するエネルギーの増大は、驚くほどに大量の水の提供によって可能となる。この水の他の利点のなかには、水がこの目的のために羽根に与える潤滑もある。

本開示の好ましいが任意の特徴によると、回転と前進の速度は、下方行程で羽根が地層を切断でき、界面を残す程度である。２枚のブレードを使用する場合、これらの寸法によって決定される軸線方向の距離だけ離間した２つの同一の界面が形成される。上方行程では、回転と引き抜きの速度は、好ましくは対向する端縁が特に界面間の材料に衝撃を与え、地層を壊して羽根がさらなる混合動作を行えるような状態にする程度である。最終的には、コンシステンシーが、小さな大理石よりも小さな粒子の粉チーズのようになるのが好ましい。

本開示の任意の特徴は、上方行程の回転速度が下方行程の速度よりも速いため、衝撃力が大きくなり材料の混合が向上することである。

本開示の別の特徴は、均一性、不連続部分の不存在、骨材−土壌の粒子サイズの有効的な縮小を支持する材料のユニット強度の低下である。このような向上した要因によって、杭の予測可能性と信頼性による良好なまたはより優れた設計強度を概して有する信頼性のある柱を作ることができる。これは、水和に必要な量よりもかなり多い驚くほど大量の水によって実現できる。

こういったこと全ての結果として、優れた特性を持ち上から下まで局所的な不連続部分のない完全に混合された柱が得られる。

本開示は、設置される柱の機能を向上させる別の機会を提供する。打たれた杭は、杭の下にある固い地表の上に載ることによって、または柱の壁と周辺構造との粘着を意味する表面摩擦によって支持されることを想起されたい。

表面摩擦の場合、杭の外面と穴の「表面」の内側とができる限り緊密な関係であることが重要である。潤滑した表面の対であれば、表面摩擦はない。

本開示によると、柱の外側境界の材料を構造の内側境界と混合することで、急激に変化する面の対ではなく遷移領域を形成し、それによって境界のせん断抵抗が大幅に増大し、杭で周辺構造を「支える力」も大幅に増大する。

本開示のさらに別の特徴は、浸透による空気の逃げを急かすようなコンシステンシーを有する最終的な混合物を提供することである。

発明の詳細な説明

本開示の究極の目的は、周辺構造２０に現場柱（または杭）２１を設けることである。この杭は殆どまたは完全に地表２２の下にあり、中心垂直軸２３、直径２４、深さ（または高さ）２５、ソリッドコア２６、そしてコアの周囲のほぼ円筒形の遷移層２７と、を備えており、遷移層２７は、コアの材料の一部と構造の一部とによって構成され、コアと構造の両方と連続している。

遷移層２７に関して言うと、周辺構造はバインダーを含まないと言える。コア自体は、バインダーの他に既にそこにある土壌を含む。したがって遷移層は、組成がコアの組成と構造の組成との間にある領域を含む。ただし、その領域は両者に共通している連続的な構造であり、杭の特性と構造の特性とにはっきりとした境界はない。

本開示のプロセスは、製造装置３０を現場に運び込むことによってスタートする。この装置は現場杭を作るために順次使用され、土壌構造２１の既存の地表２２上で作業を開始する。

このような装置は一般に、水タンク３６、バインダータンク３７、エアタンク３８を運搬またはけん引可能な無限軌道車両３５を含む。もちろんこういったタンクは、その中身を使用する時々に継続的に再供給される。

タワー４０は、車両によって支持される。このタワーは、電動回転駆動シャフト４１を搭載している。幾つかの産業界では「ケリーブッシング」と呼ばれるベアリング（図示せず）が電源４３によって駆動される。このベアリングはシャフトと回転可能に係合し、シャフトを駆動する。

シャフト４１は、中心軸線２３と一致する中心軸線４５を中心に回転する。このシャフトは、ピストンとシリンダーの組み合わせなどのあらゆる望ましい種類のアクチュエータ４６によって地表に対して軸方向に移動する。この目的は、シャフトを下方に移動させて工具ヘッド４７を土壌へと下方に押し下げ、そしてこのヘッドを土壌から引き抜くことであり、その間中バインダー、骨材、水が混合される。

上記は、シャフトを回転させ、チューブを上下に移動させて作業を行うために一般的に使用されている構成である。

本開示の方法は、水及びバインダーの既存の土壌への選択的な注入を含み、制限されたサイズの粒子からなるようにバインダーを縮小するように力強く混合し、過剰な水によって、バインダーを導入するために使用する空気の大部分が杭の硬化前に浸透して出る程度に十分に流動化した液化混合物を作り出し、それによって、ユニット強度がより少ない水を使用した場合よりも低いとしても、また、通常は低いものではあろうが、深さ全体にわたって確固たる強度を持つ信頼性のある杭を作る。

送水弁６４が工具への水の流量を制御する。工具ヘッドの垂直方向の移動の制御は、方向性のあるスラスト制御弁によって行われ、この制御弁は加圧流体を選択的に方向付けて弁によって制御される速度と方向で工具を上方または下方に移動させる。

このシステムは、電源の制御によって工具の方向と回転速度を選択的に制御する方向性のある回転制御弁によってさらに制御される。

このような弁とアクチュエータは一般的な装置であり、ここでは詳細な説明を要さない。

弁として作用するバインダー供給フィーダは、乾式バインダーを供給導管６６に入れる。このフィーダは、その供給速度が回転速度に比例するスターホイールフィーダのようなものでよい。フィーダは、深さと、必要とされるバインダーのデータ６８から分かるその深さにおける既知のバインダー量とに応答するプログラム６７の制御下にある。

空気弁７０は、圧力がかけられた空気の工具への流れを制御する。この空気弁は、コントローラ７１の制御下にある。フィーダ６５からのバインダーの供給物が弁７０からの空気流に混ざる。空気の流れが一定であると仮定すると、フィーダ６５からの供給は、既知の時間内、すなわちバインダーが既知の深さにある工具に到達するのにかかる時間内に到達できるある穴の地帯におけるバインダーの予想量に関連するであろう。

所与の深さでのバインダーのニーズと、フィーダから工具へと通すためのパイプライン時間との知識によって、所与の土壌パターンそれぞれのプログラムを容易に導出することができる。

最近の現場杭と昔の現場杭の結果の分析によって、砂質で比較的均一な軟質土壌ではより古い施工例のほうが大抵無理なくうまくいっていることが明らかになった。このような土壌が存在する領域は広くあり、そこでは本開示の利点はあまり価値がない。注入した水がすぐに流出してしまう砂質土壌もある。もしそうであるならば、水の水和または浸透が必要な場合、すなわちバインダーの注入時もしくは注入後は本発明を利用できない。

本開示の工具が深さ約６０フィートの杭を往復するには５〜６分ほどかかることを記憶されたい。これは、最初の注入時に上部から注入された水は、工具が地表に戻ってくる頃には少なくとも部分的に流出していることを意味する。

バインダーを工具の下方への移動時のみまたは上方への移動時のみに送達すると、一つにはバインダーを注入した条件が異なるために、混合物は深さごとに変化してしまう可能性がある。例えば、穴が深くなると、空気とバインダーの注入に抗する静水圧が大きくなる。また、土壌を一方向のみに攪拌すると、穴の材料はさほど攪拌も混合もされない。

さらに、工具の通過の間で局所的な含水量の変化があるかもしれない。

この影響に対応するためには、バインダーの一部のみを下方への行程で注入し、残りを上方への行程で注入するのが有益であることが分かった。それほど重要ではないが同様に、供給する水を上方への行程と下方への行程とで分けることもできる。これによって、種々の深さへの供給が平均化され、水とバインダーを局所的に混合するときに水とバインダーが必要される時と場所に存在することになる。

水とバインダーの所望の総量を土壌の条件が互いに異なるそれぞれの深さに供給するように、供給プログラムを考案することができる。データは、コアサンプルなどの過去の地盤調査から導出される。このようなプログラムは、通常はある深さに送達されることが意図された量と実際に運ばれた量とを示すように設計されたビジュアルディスプレイでオペレータが利用できる。このプログラムは、供給源から工具までの空気−バインダーの供給導管におけるパイプラインの移動時間（通常２〜３秒）を考慮する必要がある。これは、通常のプログラミングの問題である。

粉末のバインダーを運搬するための実用的な手段が他にないため、空気は必要悪である。しかしプロセスが実行されている最中は、穴では空気が体積を占めるため、混合されている材料が膨張する。空気を放出しなければ、杭にポケットができてしまうかもしれない。また、空気を常に放出していなければ、材料を隆起かつ膨張させて地表とその付近の領域までも破壊させてしまうほどの量の空気が集まってしまうかもしれない。さらに、放出が急すぎると、穴の上にある材料が空気のほうへと突き出て、上にクレーターができてしまうかもしれない。このクレーターは、後で膨大な費用と迷惑をかけて埋められることになる。

したがって、混合物は空気が常に大気へと浸透できる程度に十分流動化していなければならない。この流動化には、利点がないわけではない。空気を含んだ混合物のほうが攪拌しやすい。後に分かるように、使用可能な改良された攪拌によって粒子サイズがうまく縮小し、より均一な混合物となり、杭を作るために必要なエネルギーが減ることで、より軽量の装置の使用が可能となる。

粒子サイズの縮小とバインダーと水の均一な分布という意味での混合物の均一性は１つの利点である。別の利点は、羽根によって生じる混合物の対流状の内部の流れである。これは、杭が隣接する２つの地層、例えば粘土から、頁岩、砂へと貫通する場合に特に有益である。

従来の乾式混合では、２層が交わる部分に目に見える物理的な不連続部分が存在することが多い。

本開示によると、このような領域では交わる部分が上からも下からも侵されることで、その間に遷移帯が形成される。実質的にはこれが垂直方向の地帯ごとに杭の均一性を保持している。杭の全長に対して既知の最低限の強度が存在するという知識を持って杭を設計でき、しかも各種の骨材に必要なバインダー量しか提供していない。大幅なコスト削減であろう。

この対流とアウトリガーの作用との組み合わせによって、杭の外側領域と隣接する周辺地盤との間の遷移領域も改良される。アウトリガーはこの領域で混合作用を局所化し、周辺地盤の幾らかを攪拌して杭の混合物に入れることで、周辺地盤に組み込まれる改良された均質な遷移領域を形成する。硬化した杭を引き抜くかまたは掘削することによって、この遷移領域が明確に分かる。

図１は、工具ヘッド１００をより詳細に示している。このヘッドは中心シャフト１０１に取り付けられており、この中心シャフトは電源４３からの駆動シャフト４１に連結可能である。羽根１０２、１０３がシャフト１０１に溶接され、水平方向から離れたある角度で延出している。約１５〜２０°の角度が有用である。

必須ではないが、羽根は平らなブレードであって、おそらく厚さ２インチの鋼板であり、あるいは、おそらく対向する端縁で傾斜し、中心軸に垂直な理論的平面に対して約１５°の角度をなす。このような羽根はアウトリガー１０５、１０６に向かって外方に延出し、このアウトリガーに羽根が装着されている。アウトリガーは平らでもよいし、外面が幾らか凸状でもよい。アウトリガーは、自身が形成する理論上の円筒形にある角度で接するように設定されるのが好ましい。約１５°の角度が有用である。

ブレース１１０、１１１がアウトリガーを中心シャフトにつなぐ。このブレースは外方に延出し、ブレード様で、中心軸に垂直な平面に対しておそらく約１５°の角度で傾斜して（傾いて）いる。必ずではないが、ブレースは使用時にヘッドの混合動作に貢献する。

第２の羽根１１２、１１３がブレースの上で中心シャフトから延出し、これも同様に傾いている。第２の羽根は、羽根１０２、１０３とは異なる平面方向に延出するのが好ましい。第２の羽根は任意である。

全てのブレードと羽根には対向する端縁があり、このような端縁は工具をそれぞれの方向に回転すると先端となる。この端縁は尖っていなくてもよいし、必要に応じて面取りされていてもよい。端縁を尖らせると、有機材料の切断を助ける。

水ポート１１５とバインダーポート１１６が中空シャフト１０１に形成され、それぞれの供給源に適切につながっている。水ポート１１５はヘッドの下端付近で放水することが見て取れるであろう。

図１の左側部分には、本開示のプロセスが概略的に示されている。下方への移動を下方行程９０と称する。上方への移動を上方行程９１と称する。これらの行程の間に、中間行程９２が任意で設けられる。関連する矢印は、それぞれ砂、頁岩、粘土などの地帯９３、９４、９５といった種々の土壌地帯を通る移動方向を示す。直線９６は、杭が載ることを意図した岩床または他の何らかの地質構造を示す。

このプロセスに望ましいものよりも深い場所にある設置もあるかもしれない。図５は、後で上に形成される現場杭９８の下に打たれるかまたはこの下に配置される木杭またはセメント杭９７を示す。これは、本開示の多用性を示している。

図１に戻ると、下方行程における工具の方向と回転速度は矢印１２５によって示される。上方行程における工具の方向と回転速度は矢印１２６によって示される。中間行程１２７を使用する場合には、バインダーは加えても加えなくてもよいし、回転方向は任意であるが、工具は中間行程の最中回転しているであろう。中間行程の目的は、杭の重要な底部で正確な混合をさらに確実にし、望まれるならばこのポイントでさらにバインダーを加えることである。通常は、杭が臨界レベルに達しておりそこに有効に建設されていることが重要であり、そうである場合にこのような中間移動を使用する。

加えられる水とバインダーの具体的な量は、土壌の組成とこの土壌に既にある水の量に依存する。こういったことは、過去の調査から学習できるであろう。この知識を用いて、加えるべきバインダーの正確な総量を工具移動の２つの行程の際に注入するプログラムを導出できる。

一般に、バインダーを注入し、工具が詰まらないようにするためには、十分な空気のみを使用する。

空気はバインダーを穴に注入するための唯一の実用的な手段であるために必要悪であるが、空気が柱に残りすぎると柱の特性が劣化するおそれがある。

同様に、水はバインダーを水和させるために必要である。この化学量論量を超えると、過剰な水によって硬化したボディのユニット強度が下がるおそれがあり、実際に下がる。しかし、たとえ化学量論量を提供していても、混合物は十分な混合または空気の浸透には硬すぎることが多い。もともと砂のようなさらさらとした構造であるために、このような基準が重要でない土壌もある。他の種類の土壌では、重要な検討事項である。

本開示は、バインダー、土壌、骨材、バインダーの水和に利用する水の所与の混合物の潜在的に利用し得るユニット特性の「劣化」と見なされるであろうものを許容する。このトレードオフは、工具の潤滑性、粒子サイズの縮小をもたらし、浸透による空気の迅速な放出を可能にすることで妥当な量のエネルギーだけを要求できる程度に十分に流動化した硬化前混合物（pre-curing mix）を作るためになされる。

このことによって、バインダーと化学量論量の水で作ったものよりも強度は低いが、さもなければ存在し得ない均一性と信頼性のある柱が得られる。つまり、ユニット値は下がってもより信頼性のある柱を既知のユニット特性で作ることができる。

必要な水の量については、バインダーの水和に必要な量よりは多い。しかしその量は、すべての硬化した構造に完全性が殆どなくなってしまう程度までバインダーを希釈してしまうほど多くはない。過剰な水は、適切な硬化された時の特性を維持しつつ所望の流動性とコンシステンシーを得られる程度でよい。これは、プロセスの開始前の土壌分析に依存するであろう。

工具の回転速度は、非常に重要である。下方行程の回転速度は、土壌を分割し失速しない程度で十分である。下方行程の機能は、主に粒子サイズの縮小のために土壌を準備し、種々のレベル（「地帯（zone）」と呼ばれることもある）で必要とされるセメントの一部を幾らかの水と共に所定位置に配することである。

一般には、実用的なサイズの杭の場合、少なくとも約１００ｒｐｍの回転速度が下方行程９０にとって十分であることが分かっている。より遅い速度では、幾つかの地層で工具が失速してしまい、その工具ヘッドを放棄しなければならないかまたは時間とコストのかかる除去作業が必要になるおそれがある。放棄した工具のコストまたは失速した工具を正常な状態に戻すのに費やす時間と労力は、そのプロジェクトにとって高くつくであろう。

上方行程９１（使用するならば中間行程２２を伴う）では、状況が異なる。回転速度を上げる必要はないが、混合物との接触を増やす必要性が、幾分速い回転によって助長される。したがって、中間および上方行程ではより速い回転速度を提供することが通常有用である。この電動の行程における引き上げの速度は、必ずではないが下方行程における挿入の速度よりも速くてもよい。

要約すると、現場杭は工具によって形成される。この工具は、失速状態よりも速い速度で回転し、下方行程で水とバインダーの一部を注入し、上方行程で残りのバインダーと水を注入し、工具を逆回転方向にある回転速度及びある工具の引き上げ速度で作動させて結果として得られた混合物を砕き、空気が当該混合物から浸透するような混合物の流動性を呈するのに十分な化学量論量を超えた量の水と共に当該混合物を攪拌する。

簡単に言うと、現場杭を作る方法が説明されており、この方法では、乾式バインダーと水を意図する杭の場所に注入する。回転工具を土壌に挿入し、工具がその場所へと下降してそこから出るときに、土壌、バインダー（土壌はバインダーの注入に使用する空気と共に）混合し、バインダー粒子のサイズを縮小し、空気の大部分が浸透する程度に結果として得られる混合物を十分に流動的にする。水は、最終的に硬化した杭のユニット強度は下がるがその物理的特性が十分に強固且つ確実に一貫したものとなるような量だけ供給される。

本発明は、限定ではなく例示として与えられた図面および明細書に記載された実施形態に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲にのみにしたがう。

付随する図を備えた、垂直軸方向の断面図（一部側面図）である。 本発明で有用な工具の側部の斜視図である。 フローチャートである。 完成した現場杭の横断面図である。 挿入された杭の上にある現場杭の軸方向の断面図である。

Claims (14)

1. 土壌に現場杭を作る方法であって、前記土壌は意図する杭の場所を占め、前記杭を形成するようにバインダーおよび水と混合される骨材土壌を構成しており、
   前記方法は、回転中心軸を有する工具を用いるものであり、前記工具は、前記軸の回りの両方向に選択的に回転駆動され、前記軸に沿った両方向に選択的に軸方向駆動されるように構成されたヘッドを備えており、前記ヘッドは、前記軸から径方向に延出する少なくとも２つのブレードを含み、前記ブレードは、前記軸に対して垂直な面に対してある角度で垂れ下がることで、第１の方向に回転したときに土壌内へと移動し、土壌を下方に押して土壌内へ切り込み、第２の反対の回転方向に回転したときにその上にある物質内へと移動し、軸方向に上方へと引き抜かれるようになっており、前記ブレードは、対向する端縁を有し、
   前記方法が、以下の工程を含んでいる：
   ａ 前記ヘッドを前記場所の土壌へと押し付けながら前記工具を前記第１の方向に回転させ、前記ヘッドにおいて穴へと水を注入して水を供給することで、ブレードに潤滑を与えると共にブレードが土壌に穿孔したときに土壌に形成される界面に水を取り入れ、また、前記場所に注入されるバインダーの水和に必要とされる水の少なくとも一部を提供し；
   ｂ 工程ａの際に、杭を形成するために最終的に必要とされるバインダー量よりも少ない量を、杭を形成するためにそれぞれの深さにおける種類の土壌を結合するのに必要なバインダーの予想量にそれぞれ応じた前記意図する杭の長さに沿った供給速度で、前記工具から前記場所へ注入し、前記バインダーは加圧下にある空気と共に注入され；
   ｃ 工程ｂの終了後に、各深さにおいて、工程ａおよびｂで既に加えられているバインダー及び水と共にバインダー、土壌、水の化学量論量の混合物を提供し、また、化学量論量の要求を超えた水を提供するような量の追加のバインダー及び水を、前記バインダーを注入するために用いる加圧下にある空気と共に加えながら、前記ヘッドを前記第２の方向に回転させて前記場所から引き出し；
   ｄ 工程ａにおける前記工具の回転と挿入の速度に対する、工程ｃにおける工具の軸方向の引き出しの速度と回転速度は、羽根が前記場所にある材料の実質的な全体積に衝撃を与えることで材料を十分に混合し土壌の粒子サイズを縮小できるようになっており；
   ｅ 前記工具を前記場所から引き出して混合された材料を硬化させることで現場杭を形成し、
   工程ｂ、ｃ、ｄにおいて供給された水の量は、化学量論的水和に十分な水を供給するために必要な量を実質的に超えており、かつ、工程ｄ、ｃで注入された空気の相当な部分が混合物を通って地表へと浸透して当該混合物から逃げることができるように工程ｄにおけるバインダー、骨材、水の混合物が十分に流動化するくらいに十分なものである。
2. 前記ブレードが前記垂直な平面に対して約１０°〜２０°の角度傾いている、請求項１記載の方法。
3. バインダー及び水が、前記羽根が装着される中心シャフトから前記場所に注入され、前記バインダー及び水は加圧下で放射状に前記場所へと放出される、請求項１または２記載の方法。
4. アウトリガーが、各ブレードの前記軸から離間している端部に装着されており、前記アウトリガーが軸方向に延出してコアの外側境界を定め、前記アウトリガーが対向する端縁を有している、請求項１乃至３いずれか１項に記載の方法。
5. 前記アウトリガーは、前記羽根に垂直な軸方向の平面に対して傾いており、工程ａ、ｂにおいて穴の外側境界を削り、工程ｃ、ｄにおいて前記外側境界を固める、請求項４記載の方法。
6. 第２の羽根の対が、前記ブレードおよびアウトリガーよりも上方で前記軸から延出する、請求項４または５記載の方法。
7. 工程ａ、ｃにおける回転速度が少なくとも１００ｒｐｍである、請求項１乃至６いずれか１項に記載の方法。
8. 工程ｃにおける回転は工程ａにおける回転よりも速い、請求項７記載の方法。
9. 水はバインダーが注入される場所よりも軸方向の下方で注入される、請求項６記載の方法。
10. 各深さで供給されるバインダーの量を特定するプログラムをユーザに提供し、水の供給を制御するための制御弁を提供して指示された量の水とバインダーを供給する、請求項１乃至９いずれか１項に記載の方法。
11. 前記プログラムはさらに工程ａ、ｃそれぞれで使用するより少ない量のバインダーと水を特定し、各工程ではより少ないが各深さで正確な総量を提供する、請求項１０記載の方法。
12. 前記ブレードが前記垂直面から垂れ下がる角度は、工程ａの回転方向に下がっている、請求項１記載の方法。
13. 前記ブレードが装着される被駆動中空中心シャフトが前記バインダーと水の供給導管を収容し、前記導管からのポートが前記シャフトから外側に向かって開口する、請求項１記載の方法。
14. 挿入された杭が現場杭の意図する場所の下に配置され、現場杭がその杭の上に形成される、請求項１記載の方法。

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