JP2011069093A - 掘削土の撹拌混合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 硬質地盤への掘進抵抗を低く抑えながら、地盤における掘削土と固化材液との撹拌混合を良好に実施可能にすると共に、地表近くでも良好に地盤改良を可能にする掘削土の撹拌混合装置を提供する。
【解決手段】 掘削軸の周囲に、掘削翼の回転径に略等しい回転径の共回り防止翼がコ状に配設され、この共回り防止翼の垂直片の内側には掘削軸の近傍まで延出する翼部材が固設され、外側上部には、掘削時に削孔壁面の地盤中に食い込む抵抗フランジが突設され、共回り防止翼の垂直片の内側に位置して掘削軸に固設された撹拌翼が設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、基礎工事などにおいて、掘削土（原位置土あるいは原位置を掘削したもの）と固化材液（セメントやセメント系固化材と水を混練したもの）を機械的に混合して固結させるなどして、地盤を例えば円柱状に改良する掘削土の撹拌混合装置に関する。

地盤改良工法のうち深層混合処理工法において、改良の対象となる区間は基礎スラブやフーチングの下端から支持層（硬質地盤）までの深層区間であり、その区間に円柱状あるいは矩形の改良体（例えば、コラム、杭など）を築造する場合が多い。
支持層が傾斜している場合、あるいは高支持力を期待する場合には、改良体の先端を支持層に確実に根入れする必要がある。根入れとは、改良体の底面の全断面を支持層に貫入させることである。
ところで、支持層が傾斜している場合は、根入れをしないと改良地盤が支持層の傾斜に従い滑動する等の障害の恐れがあるし、高支持力を期待する場合は、根入れをしないと支持力不足により上部構造物の沈下障害が発生したり沈下や山留壁においては受働抵抗力不足による滑動や転倒などの障害が発生する恐れがある。
一般に、地盤を円柱状に改良する地盤改良機は、図８に示すように、掘削翼２２、撹拌翼２３を設けた掘削軸２１を所定の掘進機構により回転掘進させ、掘削時または引き抜き時に掘削軸２１内に設けられた流体通路より、低圧でスラリー化した固化材を充填しながら強制撹拌し掘削土と固結させて、地盤改良を行っている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、この掘削土の撹拌混合装置にあっては、粘性土、特に固いまたは粘着力の大きい粘性土やピート層では、掘削土が撹拌翼と一緒に同期回転する共回り現象により掘削土と固化材液を効率よく均質に撹拌混合することができないという不都合があった。

これに対して、掘削軸にボス等を介して掘削径方向外側に突出するような抵抗板を回動自在に設け、この抵抗板の内方に共回り防止翼を設けた掘削土の撹拌混合装置が提案されている（例えば、前記特許文献１参照）。

ところが、この掘削土の撹拌混合装置にあっては、抵抗板が掘削軸の軸方向に長大であり、しかも掘削径方向外側に突出しているため、特に硬質地盤に根入れする際に大きな掘進抵抗になってしまう。

一方、前記抵抗板の外側の上下方向の複数箇所に、それぞれ短くて等しい突出量の抵抗フランジを設けたものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。これによれば、引き抜き時に抵抗板の上部とともに、前記上部の抵抗フランジが地盤内から地上に出ても、中位部や下部に位置する抵抗フランジが依然として地盤内にあるため、この共回り防止翼は自由回転することはない。つまり、共回り防止機構が働いて、地盤の表面近くでも掘削土と固化材液との撹拌混合が十分に行われる。しかしながら、抵抗フランジや垂直版が掘削径方向外側に突出しているため、特に硬質地盤に根入れする際に大きな掘進抵抗となってしまう。

特開昭６０−７８０１３号公報 特開２００８−５７３２２号公報

しかしながら、かかる従来の掘削土の撹拌混合装置にあっても、上部の抵抗フランジが地盤内から地上に出ても共回り防止機能を発揮させるためには、前述のように中位部や下部に抵抗フランジを別々に設けなければならず、共回り防止翼に対する抵抗フランジの取り付け構造および作業が煩雑になる。また、これらの複数段に亘る抵抗フランジは特に硬質地盤への掘削抵抗を大きくしてしまい、施工時間が長引くという不都合があった。

本発明はかかる従来の問題点に着目してなされたものであり、一段の抵抗フランジを上部に設けることで、抵抗フランジを多数設けた従来装置に比べ組付け作業を効率化できるとともに、掘進開始から引き上げ完了近くまでの工程において掘削土と固化材液との撹拌、混合を十分に実施でき、また硬質地盤への掘進抵抗を低く抑え、かつ硬質地盤（支持層）の掘削部において、掘削土と固化材液との良好な撹拌混合を実施することができる掘削土の撹拌混合装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために、本発明にかかる掘削土の撹拌混合装置は、中空の掘削軸の先端側に掘削翼が、それより上方に撹拌翼が設けられ、その中空の掘削軸内が流体通路となり、掘削軸の先端近傍には流体通路に連通して吐出口が設けられた掘削軸を、回転しつつ地盤中に掘進および地盤中より引き上げし、この掘削時及び／または引き上げ時に流体通路より固化材液を供給し吐出口より吐出し、地盤中に掘削土と固化材液を撹拌混合する掘削土の撹拌混合装置であって、
前記掘削軸には、掘削軸に回転自在に設けられた少なくとも２本の水平片と、この水平片の先端間を連結する垂直片とで、掘削翼の回転径に略等しい回転径のコ状回転体が配設され、この垂直片の内側には、掘削軸の近傍まで延出する翼部材が固設され、外側上部には、掘削時に削孔壁面の地盤中に食い込む抵抗フランジが突設されている共回り防止翼が設けられ、
掘削軸に固設された撹拌翼が共回り防止翼の垂直片の内側に位置して配設されていることを特徴とする。

上記構成により、掘削軸を掘進装置により回転掘進させ、掘削軸内の流体通路を通って吐出口から吐出される固化材液を掘削土に吐出させながら掘削翼および撹拌翼を回転掘進させて、掘削土と強制撹拌させる。
このとき、掘削翼で掘削された掘削土は、撹拌翼で撹拌すると共回りしようとするが、抵抗フランジが削孔壁面より半径方向外側の地盤中に食い込んでいるので共回り防止翼は回転できず停止している。従って、回転する撹拌翼と一緒に同期回転しようとする掘削土は、共回り防止翼の翼部材と掘削翼あるいは、撹拌翼との間で確実にせん断（破砕、粉砕）されて撹拌混合されるので掘削土と固化材液が効率よく均質に撹拌混合される。

そして、抵抗フランジは、共回り防止翼の垂直片の上部に位置しているので、根入れにおいて硬質地盤に掘進しても抵抗フランジが硬質地盤に到達する前に掘進を終了でき、掘進抵抗を低く抑えることができ、かつ硬質地盤の掘削部において掘削土と固化材液との良好な撹拌混合を実施することができる。
一方、掘削軸の引き上げ時には、抵抗フランジは削孔壁面より地盤中に食い込んでいるため抵抗フランジが回転することはなく、共回り防止機能が働くことになる。

しかし、抵抗フランジが共回り防止翼の垂直片の上部に設けられている構成なので、引き上げ時において共回り防止翼の垂直片の上部が地盤内から地上に出てくると、抵抗フランジも地上に出てしまうので、この抵抗フランジには回転を停止するための反力となる地盤が存在しないため、共回り防止翼が回転してしまう恐れがある。けれどもこれは地表部からほんの少しの区間だけなので、改良体もほぼ全長に近く、また、基礎工事において地表部は空掘り（掘削のみで固化材液は吐出しない）を実施するので品質への影響もほとんどないといえる。また、その区間では共回り防止翼が回転しているか否かを目視確認できるので、仮に共回り防止翼が回転しても速やかに対処できるため品質への影響はほとんどないといえる。

また、本発明にかかる掘削土の撹拌混合装置の前記共回り防止翼の翼部材は、一端が垂直片に固設され、他端が掘削軸に回転自在に取り付けられていることを特徴とする。
この構成により翼部材は、一端が垂直片に固設され、他端が掘削軸に連結されているので、強度が向上する。もちろん撹拌翼との間では掘削土と固化材液の良好な撹拌混合性能を発揮する。

本発明によれば、一段の抵抗フランジを上部に設けることで、抵抗フランジを多数設けた従来装置に比べ組付け作業を効率化できるとともに、掘進開始から引き上げ完了近くまでの工程において掘削土と固化材液との撹拌、混合を十分に実施でき、また硬質地盤への根入れにおいても掘進抵抗を低く抑えることができ、かつ硬質地盤の掘削部において掘削土と固化材液の良好な撹拌混合を実施することができる。

本発明の一実施形態による掘削土の撹拌混合装置を示す断面正面図である。 本発明の掘削土の撹拌混合装置による施工時の作用を説明する説明図（ａ）（ｂ）（ｃ）である。 本発明の他の実施の形態を示す掘削土の撹拌混合装置の断面正面図である。 本発明の他の実施の形態を示す掘削土の撹拌混合装置に装着する共回り防止翼の斜視図である。 本発明の更に他の実施形態を示す掘削土の撹拌混合装置に装着する共回り防止翼の斜視図である。 本発明の更に他の実施形態を示す掘削土の撹拌混合装置に装着する共回り防止翼の斜視図である。 本発明のまた更に他の実施形態を示す掘削土の撹拌混合装置に装着する共回り防止翼の斜視図である。 従来の掘削土の撹拌混合装置を示す説明図である。

以下に、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による掘削土の撹拌混合装置を示す断面正面図、図２は本発明の掘削土の撹拌混合装置による施工時の作用を説明する説明図（ａ）（ｂ）（ｃ）である。

この実施形態の掘削土の撹拌混合装置は、所定の掘進装置によって回転しながら地盤内に掘進する掘削軸１と、この掘削軸１の先端部に取り付けられた掘削翼２と、この掘削翼２の上方において、掘削軸１の上下３段の所定高さ位置に取り付けられた撹拌翼３と、コ状の共回り防止翼４とを備えている。
掘削軸１は中空で、その中空内が流体通路となり、掘削軸１の先端近傍には流体通路に連通して吐出口１０が設けられている。

一方、前記共回り防止翼４は、掘削軸１の上下に所定の間隔をおいてボス８が回転自在に設けられ、このボス８に固着されて水平片５が掘削軸１と直交する水平方向に延出し、この上下の水平片５、５の先端が垂直片６で連結されて掘削翼２の回転径と略等しい回転径のコ状回転体４ａが設けられ、この垂直片６の内側には翼部材７が掘削軸１に向かって固設され、掘削軸１の近傍まで延設し、垂直片６の外側上部には、掘削時に削孔壁面の地盤中に食い込む抵抗フランジ９が突設されて構成されている。
抵抗フランジ９は、共回り防止翼４の垂直片６の外側面上部に、掘削翼２の回転径より少し外側に突出して固設され、掘削時に削孔壁面の地盤中に食い込むようになっている。本実施の形態では、抵抗フランジ９は、全体として平板状の場合で示している。

また、前記撹拌翼３は、この共回り防止翼４の垂直片６の内側に位置して設けられている。図示の本例では上下の撹拌翼３、３の間に２本の翼部材７、７が配設されている場合を示している。

しかして、上記実施形態の掘削土の撹拌混合装置によれば、共回り防止翼４は掘削軸１に対し回転自在であり、共回り防止翼４は、コ状回転体４ａの回転径が掘削翼２の回転径と略等しいが、抵抗フランジ９は、その回転径より外方に突出しているので、掘削すると抵抗フランジ９が削孔壁面の地盤中に食い込むことになり、共回り防止翼４は回転が阻止される。従って、共回り防止翼４の垂直片６に固設されている翼部材７も回転が制止される。
これに対し撹拌翼３は、掘削軸１に固設されているので、掘削軸１と共に回転する。
従って、掘削軸１を回転させながら地盤内に掘進させると、掘削軸１の先端部の掘削翼２で掘削された掘削土は、撹拌翼３で撹拌すると共回りしようとするが、共回り防止翼４は回転が阻止されているので回転せず、回転する撹拌翼３と共に回転しようとする掘削土は、共回り防止翼４（翼部材７）と撹拌翼３との間で確実にせん断され、撹拌混合が行われることになる。

次に、前記実施の形態の撹拌混合装置を用いて地盤改良を行う手順を、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）と共に説明する。
掘削翼２および撹拌翼３が固着され、抵抗フランジ９を有する共回り防止翼４を備える掘削軸１を、所定の掘進装置に取り付け、駆動回転させながら地盤への掘進を開始させる。

そして、図２（ａ）に示すように掘削軸１を回転させながら地盤内へ掘進させると、掘削翼２の回転径に対応する掘削径の削孔が形成される。共回り防止翼４の回転径は、掘削翼２の回転径と略等しい径となっているため、共回り防止翼４もその削孔内を前記掘進方向に掘進する。しかし、共回り防止翼４には抵抗フランジ９が設けられ、この抵抗フランジ９は削孔の径より外出した位置に存在するため、削孔壁面より地盤中に食い込んで掘進することとなり、このため掘削軸１に対し回転自在の共回り防止翼４は、回転せずに掘進する。

この掘進において掘削軸１の先端部の掘削翼２で掘削された掘削土は、撹拌翼３で撹拌すると共回りしようとするが、共回り防止翼４は抵抗フランジ９が削孔壁面より地盤中に食い込んでいるため回転せず、従って共回り防止翼４も回転しないので、回転する撹拌翼３と共に共回りしようとする掘削土は、共回り防止翼４と撹拌翼３、及び掘削翼２と共回り防止翼４との間で確実にせん断され、撹拌混合が行われる。

すなわち、掘削軸１の掘削翼２と撹拌翼３は、掘進中および引き抜き中のいずれに拘わらず回転しているので、掘削土は共回りしようとするが、しかし、掘削軸１に取り付けられた撹拌翼３の近傍（本例で撹拌翼３、３間）に設けられた共回り防止翼４の翼部材７は回転しないので、掘削土は共回り防止翼４の翼部材７で共回りが阻止される。このため共回り防止翼４の翼部材７と撹拌翼３との間で掘削土と固化材液との撹拌混合が行われる。従って、この掘進時に、掘削軸１内の流体通路（図示せず）から所定の固化材液を供給し、吐出口１０より吐出させ、掘削された掘削土と固化材液を撹拌混合することで地盤改良が行われる。この地盤改良は、共回り防止翼４の存在で地盤の掘削土が土塊となることなく確実にせん断されるので、良好な地盤改良となる。

また、抵抗フランジ９は、共回り防止翼４の垂直片６の外側面上部に設けられているので、図２（ａ）に示すように掘削翼２が硬質地盤１１に到達しても抵抗フランジ９は硬質地盤１１には到達しないので硬質地盤１１への掘進抵抗を低く抑えることができる。しかも、共回り防止翼４の下部（抵抗フランジ９の位置より下部の部分）は、停止状態のまま硬質地盤中に挿入することができるので、硬質地盤中の掘削部の掘削土と固化材液の撹拌混合も充分に実施することができる。

一方、前記掘進により所定の深度まで到達すると、掘削軸１を回転（正回転または逆回転）させながら地盤中から引き上げる。この引き上げ時にも固化材液を吐出しつつ掘削土と撹拌混合しつつ引き上げてもよい。この引き上げ時の撹拌混合も前記掘進時と同様に共回り防止翼４の存在で良好に撹拌混合が行われる。
この地盤中からの引き上げ時には、抵抗フランジ９は、削孔壁面より地盤中に食い込んでいるので共回り防止翼４の回転を制止して地盤内を上昇し、図２（ｂ）に示すようについには共回り防止翼４の上部が地上に出てくる。
この共回り防止翼４の上部付近が地上に出た後も、図２（ｂ）に示すように抵抗フランジ９が地盤中に残っている間は、共回り防止翼４は回転せず、共回り防止機能を維持するが、図２（ｃ）に示すように抵抗フランジ９が地上に完全に露出すると共回り防止翼４が回転する恐れがある。

しかし、共回り防止翼４が回転する恐れがある区間は、抵抗フランジ９が地上に露出してから掘削翼２が露出する少しの間であるので、地表部から少しの深度区間だけとなり、地盤改良の程度もほぼ全長に近く、また、基礎工事において地表部は空掘り（掘削のみで固化材液を吐出しない）を実施するので品質への影響もほとんどない、といえる。なお、その区間において共回り防止翼４の回転は、目視確認ができるので、仮に共回り防止翼が回転しても速やかに対処できるため、品質への影響はほとんどないといえる。
従って、さらに掘削軸１を引き上げると、図２（ｃ）に示すように地面より引き上げられた状態となり、所定深度の範囲で掘削土と固化材液との良好な撹拌混合が完了する。

図３は、本発明の他の実施形態を示す掘削土の撹拌混合装置の正面図である。この実施の形態は、共回り防止翼４の翼部材７が、掘削軸１と垂直片６との間に架設され、一端は垂直片６に固定され、他端は掘削軸１に回転自在に連結された構成であり、他は前記実施の形態と同様であるもので、同一構成要素には同一符号を付して他の詳細な説明は省略する。本実施の形態では、翼部材７の掘削軸１への連結は、掘削軸１に回転自在に設けられたボス８に連結されて回転自在となっている。この実施の形態の掘削土の撹拌混合装置においても前記実施の形態と同様の作用、効果を奏する。

図４および図５は、本発明の他の実施形態を示す掘削土の撹拌混合装置に装着する共回り防止翼の斜視図であり、前記実施形態と同様な構成要素には同一符号が付してある。
この図４および図５に示す実施形態では、コ状回転体４ａの垂直片６について板厚方向と垂直な方向を回転方向と同じ方向にしたものである。
図４は、翼部材７がコ状回転体４ａの垂直片６にのみ固定された実施形態を示し、図５は翼部材７の一方がコ状回転体の垂直片６に固定され、かつ翼部材７の他方が掘削軸１に回転自在に設けられた実施形態を示す。この実施形態は、図１の垂直片６の板厚の方向をコ状回転体４ａの水平片５の板厚方向と一致させた場合に比べてより好ましい。
図４および図５のように垂直片６を取り付けることにより撹拌混合時におけるコ状回転体４ａのねじれ抵抗が大きくなり、コ状回転体４ａが変形しにくくなる。同時に、コ状回転体４ａの内側にある撹拌翼３の径を大きくすることができて撹拌効果を向上させる、また、削孔壁面に接する垂直片６の外側面に作用する半径方向内向きの土圧を受ける面積が大きくなり共回り防止効果が発揮される。また抵抗フランジが地上に出た後も共回り防止翼を静止させ、共回り防止効果を発揮させることができる。
ここで垂直片６の短辺長さは１５０〜４００ｍｍ程度であれば、十分な土圧により共回り防止効果が得られ好ましい。短辺長さが１５０ｍｍより小さいと十分なねじれ強度が確保できず共回り防止翼が変形し性能が発揮されない。一方、４００ｍｍを超えると重量が嵩み、また地盤の掘進抵抗が大きくなってしまう。しかも取扱作業が煩雑となる。

図６は、本発明の更に他の実施形態を示す掘削土の撹拌混合装置に装着する共回り防止翼の斜視図である。この図６は、図４の抵抗フランジ９の形状を台形にした実施形態のものであり、他は図４に示す実施形態と同様である。抵抗フランジ９を下方にテーパをつけた台形形状にすることにより抵抗フランジ９の削孔壁面の地盤中にスムーズに食い込む効果がある。

図７は、本発明のまた更に他の実施形態を示す掘削土の撹拌混合装置に装着する共回り防止翼の斜視図である。この図７は、図４の変形タイプで、コ状回転体４ａを４方向に取り付けた実施形態であり、図４と同様な構成要素には同一符号が付してある。この実施形態にすることにより掘削土と固化材液の撹拌混合度合いをより高めることができる。また、抵抗フランジ９及び垂直片６の数が増えることにより共回り防止効果がより高くなる。

このように、本実施形態は、中空の掘削軸１の先端側に掘削翼２が、それより上方に撹拌翼３、３が設けられ、その中空の掘削軸１内が流体通路となり、掘削軸１の先端近傍には流体通路に連通する吐出口１０が設けられ、前記掘削軸１の軸部に、掘削翼２の回転径に略等しい回転径の共回り防止翼４が水平片５を介し回転自在に設けられ、この共回り防止翼４は、水平片５と垂直片６でコ状に設けられ、この垂直片６の内側面には、掘削軸１の近傍まで延出するか、または先端が掘削軸１に回転自在に連結する翼部材７、７が設けられ、該共回り防止翼４の垂直片６の外側面上部には、掘削時に削孔壁面の地盤中に食い込む抵抗フランジ９が、突設されて構成されている。

これにより、一段の抵抗フランジ９を上部に設けることで抵抗フランジを多数設けた従来装置に比べ組付け作業を効率化できるとともに、掘進開始から引き上げ完了近くまでの工程において掘削土と固化材液との良好な撹拌、混合を実施でき、また硬質地盤への掘進抵抗を低く抑えることができる。

本発明は、硬質地盤への掘進抵抗を低く抑えながら、掘削土と固化材液との撹拌混合を、掘進から引き上げまでの全工程で効率的に実施することができるという効果を有し、掘削土と固化材液を機械的に混合して固結させるなどして、地盤を円柱状に改良する掘削土の撹拌混合装置等に有用である。

１ 掘削軸
２ 掘削翼
３ 撹拌翼
４ 共回り防止翼
４ａ コ状回転体
５ 水平片
６ 垂直片
７ 翼部材
８ ボス
９ 抵抗フランジ
１０ 吐出口
１１ 硬質地盤

Claims (2)

1. 中空の掘削軸の先端側に掘削翼が、それより上方に撹拌翼が設けられ、その中空の掘削軸内が流体通路となり、掘削軸の先端近傍には流体通路に連通して吐出口が設けられた掘削軸を、回転しつつ地盤中に掘進および地盤中より引き上げし、この掘削時及び／または引き上げ時に流体通路より固化材液を供給し吐出口より吐出し、地盤中に掘削土と固化材液を撹拌混合する掘削土の撹拌混合装置であって、
   前記掘削軸には、掘削軸に回転自在に設けられた少なくとも２本の水平片と、この水平片の先端間を連結する垂直片とで、掘削翼の回転径に略等しい回転径のコ状回転体が配設され、この垂直片の内側には、掘削軸の近傍まで延出する翼部材が固設され、外側上部には、掘削時に削孔壁面の地盤中に食い込む抵抗フランジが突設されている共回り防止翼が設けられ、
   掘削軸に固設された撹拌翼が共回り防止翼の垂直片の内側に位置して配設されていることを特徴とする掘削土の撹拌混合装置。
2. 前記共回り防止翼の翼部材は、一端が垂直片に固設され、他端が掘削軸に回転自在に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の掘削土の撹拌混合装置。

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