JP2012067562A

JP2012067562A - 地盤の掘削方法

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Publication number: JP2012067562A
Application number: JP2010215487A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Maejima; 匡前嶋; Toshio Mochimatsu; 利雄用松; Yoshiaki Tsukada; 義明塚田; Kosuke Makita; 晃介牧田; Shoji Noda; 将司野田
Original assignee: Asahi Kasei Construction Materials Corp
Current assignee: Asahi Kasei Construction Materials Corp
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2010-09-27
Publication date: 2012-04-05
Anticipated expiration: 2030-09-27
Also published as: JP5546000B2

Abstract

【課題】掘削地盤における杭体の支持性能を向上させる。
【解決手段】掘削ロッド１として、スクリュー２を構成する羽根２ａと羽根２ａとの間の空隙の一部または全部を遮る少なくとも一の閉塞部材３を備えたロッドを用い、該掘削ロッド１を用いた掘進工程および該掘削孔２０から当該掘削ロッド１を引き抜く工程の少なくとも一部において当該掘削ロッド１を回転させ、スクリュー２によりロッド後端側に搬送される土砂の搬送作用を閉塞部材３により妨げて当該土砂の一部を該掘削孔２０の孔壁２０ａに練りつけ、掘削ロッド１の引き抜き工程においては、掘削ロッド１により地盤Ｇを所定深さまで掘削した後、所定高さまで掘削ロッド１を引き上げ、孔壁２０ａの一部に対して掘削ロッド１の回転軸の軸方向に連続する拡径部２１を築造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、地盤の掘削方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、地盤中に杭体を構築する際の掘削技術の改良に関する。

地盤中に杭や柱列壁（地中壁）を構築する際の工法として提案されているものにＣＦＡ(Continuous Flight Auger)工法がある。この工法は、例えば、大口径のオーガー（杭削孔機）で所定深度まで削孔して土砂を排出し、このオーガーを引き上げながら先端からコンクリートやモルタルを注入して打設し、その後、芯材となる鉄筋や型鋼をコンクリートやモルタルの中に挿入して場所打ち杭や柱列壁を構築するというものであり、現場造成で比較的簡単に杭や柱列壁等の杭体を構築できるという利点がある。このＣＦＡ工法では、削孔時に孔壁にかかる土圧をオーガーで支持しながら、土砂を、コンクリートやモルタルによって削孔内で置換して杭や柱列壁を構築し、排出された土砂を廃棄する。

このようなＣＦＡ工法において、従来、排土量を少なくするため掘削ロッドの径を漸増（漸減）させたもの（例えば特許文献１，２参照）、あるいは硬い地盤においても掘削できるようにするため螺旋状羽根のスパイラルピッチ（軸方向ピッチ）を変化させたもの（例えば特許文献３参照）が開示されている。また、掘削孔の孔壁に溝を掘削し、杭体の周囲に突出部を形成して支持力の向上を図る技術も開示されている（例えば特許文献４参照）。

特公平７−６８８３８号公報特許第２６３１３０３号公報国際公開第９５／１２０５０号米国特許第５８７５８６０号公報

しかしながら、従来のＣＦＡ工法においては、施工後における杭体の支持性能が十分でない場合がある。

そこで、本発明は、掘削地盤における杭体の支持性能を向上させた地盤の掘削方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。まず、掘削孔の孔壁に溝を掘削して杭体の周囲に突出部を形成した場合にも、当該杭体の支持性能が十分でない場合がある。この点について検討した本発明者は、掘削孔の孔底付近における支持形態に着目した。
ＣＦＡ工法においては、コンクリートやモルタルといった硬化材を掘削孔内に注入して打設する際、掘削ロッドの先端付近が閉塞した状態（地盤との隙間がほとんどない状態）となっているので当該掘削ロッドを引き上げて空間を形成しながら注入している。ところが、掘削ロッドの引き上げ時、該掘削ロッドと地盤との間の空間が負圧となることによって地盤（孔壁）が崩れやすく、結果的に支持性能が弱い状態となることがある。
また、ＣＦＡ工法は基本的に排土は少ないが、地盤を掘り進めていくうち掘削ロッドを過剰に回転させれば排土量が増えて杭の周辺地盤ならびに杭先端部に堆積する地盤を緩めてしまうことが考えられた。このような点に着目してさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、外周にスパイラル状のスクリューを備えた掘削ロッドを用いて地盤を掘削する方法において、掘削ロッドとして、スクリューを構成する羽根と羽根との間の空隙の一部または全部を遮る少なくとも一の閉塞部材を備えたロッドを用い、該掘削ロッドを用いた掘進工程および該掘削孔から当該掘削ロッドを引き抜く工程の少なくとも一部において当該掘削ロッドを回転させ、スクリューによりロッド後端側に搬送される土砂の搬送作用を閉塞部材により妨げて当該土砂の一部を該掘削孔の孔壁に練りつけ、掘削ロッドの引き抜き工程においては、掘削ロッドにより地盤を所定深さまで掘削した後、所定高さまで掘削ロッドを引き上げ、孔壁の一部に対して掘削ロッドの回転軸の軸方向に連続する拡径部を築造することを特徴とする。

本発明にかかる掘削方法によれば、掘削孔の孔底付近に拡径部が形成される。この拡径部は、地盤への投影面積（例えば底面積）を増大させ、地盤による当該杭体に対する支持領域を増加させて支持性能を向上させる。

また、本発明では、掘削ロッドの引き抜き工程において、孔壁の一部に対して掘削ロッドの回転軸の軸方向に連続する拡径部を築造する。このように築造された当該拡径部は軸方向に厚みを有しているため、特に杭体の底部に作用する力を分散させ、局部的に集中するのを回避する。これにより、掘削地盤における杭体の支持性能をさらに向上させることができる。

また、地盤掘削時の一般的な作用として、掘削ロッドを地盤中で回転させると、スクリューに案内されて土砂が上方に運ばれ排土されるというのがあり、排土量が多くなると周辺地盤に緩みが生じやすくなる。この点、本発明にかかる掘削方法によれば、スクリューを構成する羽根と羽根との間に形成された閉塞部材が、スクリューに沿って土砂が排土されるのを抑制し周辺地盤の緩みを止めることができる。また、排土が抑制された土砂が、掘削ロッドの回転時、外側（掘削孔の壁面）に押し付けられ（練り付けられ）、これにより周辺地盤のせん断強度が向上する。本発明では、掘削孔から掘削ロッドを引き抜く際、このように強度が向上した周辺地盤の一部に、周辺地盤に対する杭体の周面付近の摩擦力を増大させうる拡径部を築造することが可能である。したがって、当該掘削地盤における当該杭体に対する支持性能が向上することになり、このことが、品質のよい杭体の構築へとつながる。

本発明にかかる掘削方法では、掘削ロッドとして、当該掘削ロッドの先端部に配置され、スクリューによる地盤の掘削径よりも大きい径の拡径部を掘削する拡大掘削部材を備えたロッドを用いることが好ましい。かかる拡大掘削部材によれば、掘削孔の孔底付近に、軸方向に所定の厚みを有する拡径部を築造することができる。

また、かかる掘削方法では、掘削ロッドの引き抜き工程の際、掘削ロッドにより地盤を所定深さまで掘削した後、所定高さまで、掘削ロッドの１回転あたりの引き上げ高さを拡大掘削部材の鉛直方向高さよりも小さくしながら掘削ロッドを引き上げることが好ましい。こうした場合、掘削孔の孔底付近に、拡大掘削部材の鉛直方向高さよりも厚みのある拡径部を築造することができる。

また、本発明にかかる掘削方法においては、引き抜き工程において、掘削ロッドを連続して回転させながら引き抜くようにしている。このように掘削ロッドを連続して回転させることで、拡大掘削部材により、掘削孔の孔壁に連続した拡径部を螺旋状に掘削することができる。

あるいは、引き抜き工程において、掘削ロッドを不連続で回転させながら引き抜くようにしてもよい。掘削ロッドが断続的に回転することにより、掘削孔の孔壁には不連続な拡径部が掘削される。

また、地盤の掘削方法において、掘削ロッドを正回転させながら引き抜くことも好ましい。一般的に、ＣＦＡ工法においては、掘削した地盤が掘削孔内に残存すると杭体の品質が著しく低下する。そのため、掘削ロッドを回転させずに、スクリュー間に掘削した土砂を載せてそのまま引き上げる必要がある。一方で、本発明におけるような閉塞部材を有しない掘削ロッドを回転しながら掘削孔から引き上げると、周辺地盤を引き込み崩壊を誘発し、その結果、掘削した体積を把握できない状態になることから、充填する硬化材の注入量とのバランスが崩れ、杭体の品質が低下するおそれがある。これを防ぐ手段としては、掘削時には開放する一方で引き抜き時に土砂の落下を防ぐような弁状の部材をスパイラル上に設置することが考えられるが、当該弁状の部材が施工時に正しく作用しているかどうか確認することが困難であるため、杭材の品質には問題が残る。この点、本発明によれば、上述のような特別な機構を追加せずとも、スクリュー上の土砂を孔底に落とさないようにすることができる。

あるいは、地盤の掘削方法において、掘削ロッドを無回転で引き抜くことも好ましい。本発明によれば、掘削時においては、回転に伴う排土を閉塞部材により抑制することが可能で、引抜き時に回転を止めることで、更に排土する量を縮減することが可能となる。また、崩壊性の強い地盤や、摩擦力を期待しない地層においては、回転による拡径部を築造することなく無回転とすることで投入する硬化材の量を縮減することが可能となる。

また、閉塞部材を二以上備えた掘削ロッドを用いて地盤を掘削することも好ましい。このような掘削ロッドを用いて地盤を掘削することにより、排土をさらに抑制することができる。また、これにより、掘削ロッドの回転時、掘削孔の孔壁へさらに土砂を練り付けることもできる。

さらに、本発明にかかる地盤の掘削方法において、掘削ロッドを掘削孔から引き上げながら当該掘削孔内に硬化材を注入することも好ましい。例えば無水掘り（掘削水を用いない掘削）の場合、このような方法は、孔壁の崩落等を抑えるといった観点からして好ましい。

本発明によれば、掘削地盤における杭体の支持性能を向上させることができる。

本発明の実施形態における掘削ロッドの一例を示す図で、（Ａ）閉塞板の通過領域、（Ｂ）ｂ−ｂ線より下部の平面図、（Ｃ）縦断面図、（Ｄ）スクリューの羽根の通過領域を示す。 (I)掘削ロッドの(a)正面図および(b)底面図、(II)〜(V)該掘削ロッドにより孔底まで掘削するまでの工程を順に示す図であり、(IV)の(a)は掘削ロッドの正面図、(b)は平面図である。 (VI)〜(X)掘削ロッドにより孔底を均し、硬化材を吐出しながら引き抜き、杭体の芯材を掘削孔内に挿入する工程を順に示す図である。孔底が逆椀形の凸状となるように掘削された掘削孔を示す概略図である。（Ａ）従来の掘削方法によるストレート杭の先端荷重と沈下度の関係を示す表と（Ｂ）ストレート杭を示す図である。（Ａ）本発明にかかる掘削方法による杭の先端荷重と沈下度の関係を示す表と（Ｂ）螺旋状の節部が築造された杭を示す図である。従来の掘削方法および本発明にかかる掘削方法による杭の先端荷重と沈下度の関係を示すグラフである。拡径部の軸方向厚さが厚い場合の杭の（Ａ）底部付近の部分図と、（Ｂ）底面図である。拡径部の軸方向厚さが薄い場合の杭の（Ａ）底部付近の部分図と、（Ｂ）底面図である。従来の場合、ならびに本発明にかかる掘削方法において閉塞板の位置を杭先端から４Ｄとした場合および２Ｄとした場合のそれぞれにおける杭の基準面荷重と沈下度の関係を示すグラフである。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明にかかる地盤Ｇの掘削方法および掘削装置の実施形態を示す。本実施形態では、以下に示す掘削ロッド１を用いて地盤Ｇを掘削し、杭体（杭や柱列壁など）１１を構築する。

図１において、符号１はオーガーモータ（図示省略）により回転駆動されて地盤Ｇを掘削する掘削ロッドである。本実施形態にかかる掘削ロッド１は、スクリュー２、閉塞板３、拡大爪４、掘削ビット５等を備える。この掘削ロッド１の周面には螺旋状の羽根２ａが取り付けられており、下端部に掘削ビット５が設けられている。本実施形態では、地盤Ｇの上方から見た場合に、右ねじ状のスクリュー２を有する掘削ロッド１が時計回りに回転する場合を「正回転」と呼ぶ。掘削ロッド１が正回転するとき、羽根２ａが共に正回転することにより推進力を得て該掘削ロッド１は地盤Ｇを掘進する。

掘削ロッド１は例えば鋼管軸部６によって中空構造とされ、液体等を通じるための配管を兼ねている。本実施形態の掘削ロッド１の先端には、硬化材１０を吐出するためのノズル７が形成されている（図１等参照）。また、鋼管軸部６の上端には、別の掘削ロッドを例えば図示しない差込ピンを介して接合するためのジョイント８が形成されている（図２(IV)参照）。なお、掘削ロッド１が先行掘削する際、必要に応じてエアーや水、掘削液などが噴出されるが、本実施形態では、掘削液（掘削水）を用いずに掘削するいわゆる無水掘りを実施することとしている。

スクリュー２は、鋼管軸部６の外周に螺旋状に形成された羽根２ａを備えている（図１等参照）。本実施形態で用いる掘削ロッド１は、右ねじ状に形成される羽根２ａと羽根２ａとの間隔（スパイラルピッチ）が一定とされているものである（図１等参照）。さらに、本実施形態で用いる掘削ロッド１は、螺旋状に形成される羽根２ａの外径が一定の大きさ（ｒ₁）とされているものである（図１参照）。

また、掘削ロッド１の先端側におけるスクリュー２の所定範囲において、羽根を二重螺旋構造とすることが好ましい。二重螺旋構造のスクリュー２によれば、掘削時（特に掘削開始時）、掘削ロッド１が曲がらずに掘進しやすくなる。本実施形態では、羽根２ａと同ピッチの二重螺旋羽根２ｃが、掘削ロッド１の先端から半周分形成されている（図１等参照）。

閉塞板３は、スクリュー２を構成する羽根２ａと羽根２ａとの間の空隙の一部または全部を遮る部材である。例えば本実施形態では、スクリュー２の中段の１箇所にのみ、表面が平らな板状部材からなる閉塞板３を設けている（図１参照）。閉塞板３の設置位置は特に限定されるものではないが、掘削ロッド１のロッド径をＤとした場合（Ｄ＝２ｒ₁）、掘削ロッド１の先端から０〜６Ｄの範囲内に配置されていることが好ましく、先端から２Ｄ〜４Ｄの範囲内に配置されていることがより好ましい（後述の実施例２参照）。この理由を概説すれば以下のとおりである。すなわち、本実施形態の掘削装置による掘削を行なった場合、地盤Ｇ中の硬い層（支持層）を掘削する際に閉塞板３の影響で掘削ロッド１を貫入させづらくなることが生じ得る。そこで、地盤Ｇの支持層内に閉塞板３を過度に貫入することを避けることが望ましく、この観点からの閉塞板３の好適な設置位置は先端から２Ｄ〜４Ｄの範囲内である。これは、地盤Ｇ中の固い層（支持層）に掘削ロッド１の先端部付近を根入れすることで、先端支持力度を大きくする設計のときに効果がある。

また、本実施形態では、掘削ロッド１の回転時における閉塞板３の外縁の円形軌跡の外径ｒ₂が、羽根２ａの外径ｒ₁よりも小さくなるようにしている（図１参照）。このように羽根２ａと羽根２ａとの間の空隙の一部が遮られた状態（準閉塞状態）とした場合、当該閉塞板３の外縁よりも外側に、スクリュー２に沿って排土される土砂の一部が通過しうる隘路（閉塞板３と掘削孔２０の孔壁２０ａとの間の隙間）９が形成される（図１中の二点鎖線参照）。なお、本実施形態では隙間９が矩形の場合を例示しているがこれは一例にすぎない。例えば、下辺の方が長い台形の閉塞板３を採用し、隙間９を、下方よりも上方が広く開いた形としてもよい。また、外径ｒ₂を羽根２ａの外径ｒ₁に等しくした閉塞板３を採用して隙間９をなくした状態（閉塞状態）としてもよい。

拡大爪４は、掘削ロッド１の先端部に配置された掘削ビット５の外側へ配置され、スクリュー２による地盤Ｇの掘削径よりも大きい径を掘削する拡大掘削部材として機能する。本実施形態の拡大爪４は、特別な機構（例えば、掘削ロッド１を逆転させることで地盤（土砂）の抵抗により収容されている拡大爪４を突出させる機構や、油圧等を利用してシリンダー等のアクチュエーターを作動させ機械的に収容してある拡大爪４を突出させる機構など）が不要であり、尚かつ当該爪の開閉の確認も不要なことからメンテナンスやコストの面で有利な固定式であり、掘削ロッド１の回転に伴い、スクリュー２の羽根２ａの外径ｒ₁よりも径の大きい溝部を掘削孔２０の孔壁２０ａに形成する。

さらに、二重螺旋部分の先端位置に取り付けられる拡大爪４は、硬化材１０を吐出するノズル７の近傍に配置されていることが好ましい。本実施形態の拡大爪４は、連続螺旋である羽根２ａ（二重螺旋羽根２ｃではない方）の先端部外周箇所にのみ設置されている。このように、ノズル７の近傍であって、掘削回転時に該ノズル７に先行する位置の羽根２ａに拡大爪４を設置することで、回転を伴いながら掘削ロッド１を引き抜きつつ硬化材１０を充填する際に、周辺地盤Ｇを掘削した直後に硬化材１０が充填されることで、地盤Ｇの崩壊を防ぎ、強度、形状ともに品質の高い杭体を築造することが可能となる。

また、拡大爪４が上述のように１箇所設置された場合には、築造される溝部の体積は拡大爪４が複数個ある場合に比べ小さくなるため、充填する時間当たりの硬化材１０の量が少なくなり、充填速度の設定範囲が小さい領域から大きい領域まで使えることから施工時の制御がしやすくなり、状況に応じた施工が行いやすくなる。

また、溝部に硬化材１０を注入し硬化させて節部１２を築造するにあたり、当該節部１２を所定のピッチにて築造する際、拡大爪４が複数個ある場合には、節部１２が二重ないしは複数の螺旋状になり、それぞれの螺旋の軌跡が重ならないように施工するには掘削ロッド１の引き抜き速度を更に早く設定する必要性があるため、地盤Ｇの堆積状態が複雑で、軟硬互層となる地盤の場合などには特に施工機械の制御が困難となる場合がある。この点、拡大爪４の取り付け位置、個数を好ましい形態とした本実施形態によれば、これらの問題を回避し、より品質の高い杭体１１を築造することが可能となる。

また、掘削ロッド１の形状は、掘削孔２０の孔底２０ｂが平坦となるように掘削するものでもよいし、孔底２０ｂに凹凸を付すように掘削するものでもよい。例えば掘削孔２０の孔底２０ｂが逆椀形（中央が上方へ盛り上がるドーム形）となるように掘削し、杭体１１の底面を同様に逆椀型とした場合、孔底２０ｂに接触する杭体１１の底面積を増やし、杭体１１の底面に対して径方向への摩擦力を作用させることができる（図４参照）。あるいは、特に図示しないが、杭体１１の底面を、例えば杭軸中心側から外周側に対して傾斜した逆三角錐型とする等、杭体１１の中心部付近が下側に凸となるように形成することもできる。このような形状とすることで、杭体１１に軸力が作用した場合に、杭体先端部の応力度の作用において中心方向（圧縮方向）の作用がより顕著化するため、引張り強度が圧縮強度に比べて総じて小さい硬化材１０を用いて杭体１１を築造する際に特に好ましい。

上述のように孔底２０ｂに凹凸を付すにあたっては、特殊な形状ないし配列の掘削ビット（例えば、外周寄りのものほど回転軸方向先端側に位置するように配置された複数の掘削ビット）５を利用することが可能であるが、拡大爪４をスクリュー２の先端２ｂよりもさらに先端側に（例えば先端側斜めに）突出させ、掘削孔２０の孔底２０ｂを径方向外周寄りの部分ほどさらに深底に形成できるようにすることも好ましい（図２等参照）。このような掘削ロッド１を用いて掘削した場合、掘削孔２０の孔底２０ｂを逆椀形（ドーム形）あるいはこれに近似した形状に形成し、杭体１１の底面を同様の形状とすることができる。

続いて、上述の掘削ロッド１を用いて地盤Ｇを掘削する様子を示す（図２、図３参照）。

まず、オーガーモータにより掘削ロッド１を正回転させ、地表から地盤Ｇを掘削する（図２(I)〜(III)参照）。このとき、掘削ビット５とともに回転する拡大爪４により、掘削孔２０の孔壁２０ａに螺旋状の溝部が形成される（図２(III)、(IV)参照）。掘削ロッド１が所定深さまで掘進したら、ジョイント８を介して別の掘削ロッド１を継ぎ足し、さらに深くまで掘削する（図２(IV) 、(V)参照）。

ここで、掘削ロッド１の掘進時、拡大爪４が、羽根２ａの外径ｒ₁よりも大きい範囲で地盤Ｇを掘削し、掘削孔２０の孔壁２０ａの一部を節状に欠損させた状態とする（当該欠損した部分を以下では欠損部ともいい、図中、符号２２で示す）。ただし、掘削ロッド１がさらに掘進すると、スクリュー２に沿って排土される土砂の一部が閉塞板３によって外側に押し出されて孔壁２０ａに練り付けられるので、当該欠損部２２にも土砂が練り付けられ、欠損部２２内に土砂が補充された状態となる（図２(III)、(IV)参照）。

なお、図２(V)においては閉塞板３の付近のみに横向き矢印を記載しているので、あたかも閉塞板３の付近のみで土砂が孔壁２０ａに練り付けられているようにも見えるが、実際には、閉塞板３による排土抑制の作用の影響で、当該閉塞板３の下方（閉塞板３からスクリュー２の先端２ｂまでの間）においても土砂の練り付け作用が生じうる。図中では、このようにして練り付け作用を受けた（または受ける可能性のある）孔壁２０ａにはグラデーションを付して示している。

掘削ロッド１の先端が所定深度にまで達したら、当該掘削ロッド１を深さ一定に維持しながら少なくとも１回転させる（空転）。これにより、掘削ロッド１の先端（掘削ビット５等）で、掘削孔２０の孔底２０ｂが周方向に平均化した状態となるように平滑化されるので、杭体１１の荷重を掘削孔２０の孔底２０ｂ全体に対してより均一に作用させることが可能な状態となる（図２(V)参照）。

また、地盤Ｇの所定深度にて掘削ロッド１を回転（空転）させると、拡大爪４により、スクリュー２の羽根２ａの外径ｒ₁よりも径の大きい環状の拡径部２１が形成される（図２(V)参照）。本実施形態では、孔底２０ｂ付近にこのような拡径部２１を形成し、当該拡径部２１に硬化材１０を注入して硬化させるようにしている。こうした場合、当該硬化した部分が、杭体１１と孔壁２０ａとの摩擦力（周面摩擦力）を増大させる節部１２の一部として機能しうる。また、拡径部２１を形成することで、杭体１１の底面積を増やして地盤Ｇによる支持領域を増加させることができる。

なお、例えば孔底２０ｂ付近において掘削ロッド１の１回転あたりの引き上げ高さを、拡大爪４の鉛直方向高さより小さくすることも好ましい。こうした場合、掘削孔２０の孔底２０ｂ付近に、拡大爪４の鉛直方向高さ（厚み）よりも高さの大きい（太い）、掘削ロッド１の回転軸の軸方向に連続する拡径部（軸方向に所定の厚みを有する拡径部）２１を形成することができる。このようにして軸方向に厚みを有するように形成された拡径部２１は、底部から作用する力と拡径部２１周辺に作用する力により、圧縮応力度及びせん断応力度が設計値に対して極限状態に近くなるが、軸方向の厚みを有するため、発生する圧縮応力度ならびにせん断応力度は設計値を十分下回ることとなり、杭体の健全性が飛躍的に向上する（図８参照）。一方、軸方向の厚みが相対的に小さい場合には、拡径部に対して曲げ引張り応力度が発生しやすくなると同時に、せん断力を受ける面積が小さくなるため、せん断応力度も大きくなり、杭体の健全性が著しく損なわれる（図９参照）。

さらに、上述のように掘削ロッド１を所定深度に維持しながら回転（空転）させると、掘削孔２０中の土砂の一部がスクリュー２に沿って排土され、硬化材１０を打設するスペースが形成される。このとき、従来のように、掘削するうちに掘削ロッド１を過剰に回転させると排土量が増え、掘削孔２０の孔壁２０ａなど周囲の地盤Ｇを緩めてしまうことがあったが、この点、本実施形態においては、地盤Ｇの緩みを抑えることが可能である。すなわち、本実施形態では、スクリュー２に沿って排土される土砂の一部が閉塞板３によって外側に押し出され、孔壁２０ａ（および欠損部２２）に練り付けられる（図２(V)参照）。この際、土砂の性状、閉塞板３の設置態様、隙間９の大きさ、掘削ロッド１の回転速度など種々の要因にもよるが、本実施形態の掘削ロッド１においては土砂が閉塞板３よりも上に排土されるのがほぼ抑えられる。

地盤Ｇの所定深度にて掘削ロッド１を回転（空転）させて孔底２０ｂを均したら、掘削ロッド１を引き抜く工程へと移行する。この引き抜き工程においてはノズル７から硬化材１０を吐出しながら掘削ロッド１を引き抜くことができる。ここで、掘削ロッド１を引き抜いた後にできるスペースと掘削ロッド１を回転（空転）して排出されるスペース以上に硬化材１０を充填すると、充填材に圧力が作用することから周辺地盤の緩みを効率よく止めることができる。また、掘削水を用いて掘削する場合には、孔壁２０ａの崩落をより抑えるといった観点からこのように硬化材１０を吐出しながら掘削ロッド１を引き抜くことが好ましい。本実施形態では、ノズル７を開けて硬化材１０を吐出し、スペースに充填しながら掘削ロッド１を引き抜く（図３(VII)等参照）。なお、硬化材１０を例示すれば、セメントミルク、生コンクリート、モルタル等の硬化体（水硬性材料）を挙げることができる。

また、本実施形態では、掘削ロッド１の引き抜き工程において、当該掘削ロッド１を正回転させながら引き抜くようにしている。このように掘削ロッド１を正回転させながら引き抜くと、スクリュー２上の土砂に対して排土方向へ揚送する力を与えながら掘削ロッド１を引き上げることになる。したがって、特に別の機構を追加せずとも、スクリュー２上の土砂を孔底２０ｂに落とさないようにしながら掘削ロッド１を引き抜くことができる。

また、このように掘削ロッド１を正回転させながら引き抜くと、拡大爪４が孔壁２０ａに螺旋状の溝部を掘る。ノズル７から吐出された硬化材１０はこの溝部に入り込み、その状態で硬化して、杭体１１の周囲に螺旋状の節部１２を築造する（図３(VIII)等参照）。節部１２は拡大爪４の形状に因り種々の形態をとり得るが、例えば本実施形態では断面が略矩形である櫛状の突起のような節部１２を築造することができる。

掘削孔２０から掘削ロッド１を引き抜いたら、杭体１１の芯材（例えば鉄筋カゴ、鋼管、既製杭等の芯材）１３を掘削孔２０内に挿入する（図３(IX)参照）。挿入後、硬化材１０が硬化すると、掘削孔２０内に杭体１１が形成される（図３(X)参照）。なお、図３(IX)の一部および（図３(X)、図４においては硬化材１０の外周ではなく断面を示している。

上述した本実施形態の掘削方法によれば、掘削孔２０の孔底２０ｂにおいて掘削ロッド１を回転（空転）させることにより、先端（つまりは掘削孔２０の底面）が周方向に平均化した状態となるように均すことができる。また、深さ一定に維持した状態で掘削ロッド１を回転させるとスクリュー２の作用により土砂の一部が排土されるが、このとき、本実施形態では閉塞板３が排土を抑制するので過度に土砂が排出されないようにすることができる。

以上について従来の手法と対比しながら説明する。従来手法の場合、掘削孔の孔底において掘削ロッドを空転させようとすればそのぶん排土量が多くなって周囲の地盤Ｇを緩めてしまう可能性がある。このため、従来ならば、高さ（深さ）を維持しながら掘削ロッドを回転（空転）させるようなことは行われないのが実際である。これに対し、本実施形態では、土砂が過度に排出されるのを閉塞板３の作用により抑制することができるので、孔底２０ｂで掘削ロッド１を回転（空転）させても周囲の地盤Ｇの緩みが抑えられる。このような作用により、本実施形態の掘削方法によれば、地盤Ｇの緩みを抑えつつ、掘削孔２０の底面がより周方向に平均化した状態となるよう孔底２０ｂを均すことができる。このように孔底２０ｂを均すように加工すると、杭体１１の先端地盤Ｇにおける部分的な破壊を生じにくくする効果があり、その結果、杭体１１の先端部の支持力性能を向上させることができる。また、孔底２０ｂが均されていれば、掘削孔２０の深さの測定基準が明確となり、より精度の高い数値を得やすいという利点もある。

また、本実施形態においては、上述のように羽根２ａと羽根２ａとの間に形成された閉塞板３が、掘削ロッド１の回転時、スクリュー２に沿って土砂が排土されるのを抑制するとともに、その一部を掘削孔２０の孔壁２０ａ（および欠損部２２）に練り付ける。例えば、掘削ロッド１の掘進時、拡大爪４により掘削されて（乱されて）孔壁２０ａの一部が緩んだ状態となっても、閉塞板３の練り付け作用によって当該緩んだ箇所に土砂を練り付け、いったん緩んだ地盤Ｇを強化し、周辺地盤のせん断強度を向上させ、当該孔壁２０ａに溝部を掘削するための下地をつくることができる。このように土砂を孔壁２０ａに練り付け、当該孔壁２０ａに溝部を掘削して杭体１１の周囲に所望の節部１２を築造することは、当該杭体１１の地盤Ｇに対する周面摩擦力を増大させうる点で好適である。このような作用により、周辺地盤Ｇに緩みが生じることが相乗的に抑えられる。加えて、本実施形態によれば、上述した閉塞板３の練り付け作用により、掘削ロッド１の先端部における地盤Ｇの緩みが他工法の場合よりも抑えられる。

また、掘削工程において、掘削ロッド１の掘進速度と回転速度との間に一定となるような相関がない場合もあり得る。このような場合であっても、本実施形態の掘削方法によれば、閉塞板３が排土を抑制する結果、一定の相関がある場合と同様、掘削孔２０の孔底２０ｂを均すことが可能である。この点について説明を加えると、例えば従来手法であれば地盤Ｇの緩みを抑えるために掘進速度と回転速度とが一定の相関となるような制御が必要であり、一般に速度や回転の最適制御は難しいものであったのに対し、本実施形態の掘削方法においては、特有の構成によって排土が抑制されるようにしているため、地盤Ｇの緩みを抑えるためのこのような制御は必須ではないということができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態では、羽根２ａと羽根２ａとの間隔（スパイラルピッチ）が一定であり、尚かつ羽根２ａの外径が一定の大きさとされている掘削ロッド１を用いたが使用可能な掘削ロッド１がこれに限定されることはなく、この他、スパイラルピッチが一定でない形態の掘削ロッド１、あるいは、螺旋状の羽根２ａの外径が一定でない形態の掘削ロッド１などを適用した場合にも、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することは可能である。いうまでもないが、上述した実施形態と同様の作用効果を奏しうる限り、本明細書で述べた掘削ロッド１はいずれも本発明に適用することができるものである。

また、上述した実施形態では、連続した螺旋状の羽根２ａで構成されたスクリュー２を例示したがこれも好適な一例にすぎない。この他の形態として、羽根２ａは、例えば閉塞板３の下端よりも上方において一部が途切れた不連続な形状となっていてもよい。ただし、このように羽根２ａを不連続な形状にするとしても、閉塞板３の下端よりも下方においては連続形状となっていることが好ましい。

また、上述した実施形態では、引き抜き工程にて、掘削ロッド１を連続して回転させながら引き抜くようにした形態を例示したが、これとは異なり、掘削ロッド１を不連続で回転させながら引き抜くようにしてもよい。このようにして掘削ロッド１が断続的に回転することにより、掘削孔２０の孔壁２０ａには不連続な拡径部２１が掘削される。したがって、これによれば、螺旋状であるが不連続である複数の節部が築造された杭体を構築することができる。このような節部を築造することによっても、掘削ロッド１の周囲において地盤Ｇに対する大きな抵抗力を実現することができる。

また、上述した実施形態では、拡大掘削部材として固定式の拡大爪４が設けられていたが、例えば、径方向へ開いた拡開位置および収容された退避位置との間で開閉可能な拡大爪を採用することもできる。開閉可能な拡大爪を採用し、掘削ロッド１の掘進時に爪を退避させた状態とすれば、地盤Ｇ（孔壁２０ａ）を乱す量が少なく、掘削抵抗も少ない。

また、上述した実施形態においては引き抜き工程において掘削ロッド１を正回転させながら引き抜くようにしたが、当該掘削ロッド１を無回転のまま掘削孔２から引き抜くこともできる。こうした場合、拡大爪４によって孔壁２０ａに直線状の溝部が掘削され、杭体１１には同様に直線状の節部１２が築造される。

また、上述した実施形態では閉塞板３の好適な形態例を説明したがこれは一例にすぎず、この他にも種々態様の閉塞板３を採用することができる。例示すれば、当該閉塞板３として矩形以外の形状のものを採用することもできる。あるいは、平板状のみならず、例えば表面が湾曲した閉塞板３を採用することもできる。また、閉塞板３を複数設ける場合には、大きさや形状が互いに異なるものを、異なる高さ・異なる周方向位置に配置することができる。あるいは、当該掘削ロッド１の回転方向に対する傾斜角度をそれぞれ別の角度に調整して配置することで、練り付け作用を調整することもできる。

また、閉塞板３は、複数設けてもよい。閉塞板３を二以上備えた掘削ロッド１を用いて地盤Ｇを掘削することとすれば、掘削時における排土をさらに抑制することができる。また、こうした場合には、掘削ロッド１の回転時、掘削孔２０の孔壁２０ａへさらに土砂を練り付けることもできる。閉塞板３を複数設ける場合、同形状の閉塞板３を用いてもよいし、あるいは、各閉塞板３の形状を互いに異ならせ、各閉塞板３における排土の抑制作用、土砂の練り付け作用を異ならせるようにしてもよい。なお、閉塞板３を複数設ける場合、各閉塞板３の高さ（深さ）を異ならせることができるのはもちろん、各閉塞板３の周方向配置（回転軸に沿って見たときの時計回りの位置）についても異ならせることができ、適宜配置することが可能である。

また、上述した実施形態では引き抜き工程において掘削ロッド１を引き抜きながら硬化材１０を吐出して掘削孔２０内に充填し打設したが（図２(IV)参照）、掘削ロッド１を引き抜いてから硬化材１０を吐出するようにしてもよい。こうした場合、掘削ロッド１の引き抜き工程と硬化材１０の打設工程とが分離することになる。具体例を挙げれば、掘削孔２０内に泥水などを充填しておき、管などでセメントミルク等を注入して置換するような態様もここでいう分離された引き抜き工程・打設工程に含まれる。

従来の掘削方法（従来工法）と本発明にかかる掘削方法（本願技術）とにおける杭沈下度を比較するための試験を行った。

図５に、従来工法による結果（ストレート杭の杭先端荷重と杭沈下度）を示す。また、図６に、本願技術による結果（螺旋状の節部が築造された杭の杭先端荷重と杭沈下度のグラフを示す。さらに、図７には、従来工法および本願技術における杭頭荷重−杭頭沈下度のグラフを示す。なお、図中の各符号は、
δ：載荷試験における杭先端の沈下量（mm）
Ｄ：載荷試験を実施した杭の直径（本実施例ではＤ＝600mm）
Ｄ'：載荷試験を実施した杭の拡径部径（本実施例ではＤ＝750mm）
Ｐ：杭の先端に作用している軸力（kN）
である。

この試験より、従来工法よりも本願技術のほうが、杭先端荷重に対する杭の沈下度を抑えられるという結果が得られた。これにより、本願技術によれば、従来よりも杭の支持性能を向上させることができることが確認された。

発明者らは、閉塞板３の好ましい設置位置について検討した。杭先端地盤の破壊領域に関する既往の研究では、支持層への根入れ長と杭径の比による関係は、Ｄｆ（根入れ長）／Ｄ（杭径）で４Ｄ〜５Ｄの領域から破壊形態が変わるとする研究結果がある。しかしながら、この結果は均一な砂質土地盤による模型試験結果によるもので、なおかつ、打撃杭（貫入杭）による結果のため、埋め込み杭や現場造成杭についての根入れ長と杭径の関係については明確にされてはおらず、特に埋め込み杭においては慣例的に根入れ長さを４Ｄとすることが多かった。また、支持層とする硬い地層に、過大な貫入をすることは施工の効率が悪くなるだけでなく、使用する施工機械への負担も大きい。そこで、発明者らは閉塞板の取り付け位置を任意に変えた杭による載荷試験を行い、杭先端周辺地盤の緩みを止めつつ支持力が最大となる効果的な閉塞板の取り付け位置を調査したところ、支持層への根入れと杭径の比が２Ｄから４Ｄの範囲にあるときによりよい結果が得られた（図１０参照）。

本発明は、地盤中に杭や柱列壁（地中壁）等の杭体を構築する場合に適用して好適なものである。

１…掘削ロッド、２…スクリュー、２ａ…羽根、２ｂ…（スクリューの）先端、３…閉塞板（閉塞部材）、４…拡大爪（拡大掘削部材）、１０…硬化材、１１…杭体、１２…節部、２０…掘削孔、２０ｂ…孔底、２１…拡径部、Ｇ…地盤

Claims

外周にスパイラル状のスクリューを備えた掘削ロッドを用いて地盤を掘削する方法において、
前記掘削ロッドとして、前記スクリューを構成する羽根と羽根との間の空隙の一部または全部を遮る少なくとも一の閉塞部材を備えたロッドを用い、
該掘削ロッドを用いた掘進工程および該掘削孔から当該掘削ロッドを引き抜く工程の少なくとも一部において当該掘削ロッドを回転させ、前記スクリューによりロッド後端側に搬送される土砂の搬送作用を前記閉塞部材により妨げて当該土砂の一部を該掘削孔の孔壁に練りつけ、
前記掘削ロッドの引き抜き工程においては、前記掘削ロッドにより前記地盤を所定深さまで掘削した後、所定高さまで前記掘削ロッドを引き上げ、前記孔壁の一部に対して前記掘削ロッドの回転軸の軸方向に連続する拡径部を築造する、地盤の掘削方法。
前記掘削ロッドとして、当該掘削ロッドの先端部に配置され、前記スクリューによる前記地盤の掘削径よりも大きい径の前記拡径部を掘削する拡大掘削部材を備えたロッドを用いる、請求項１に記載の地盤の掘削方法。
前記掘削ロッドの引き抜き工程の際、前記掘削ロッドにより前記地盤を所定深さまで掘削した後、所定高さまで、前記掘削ロッドの１回転あたりの引き上げ高さを前記拡大掘削部材の鉛直方向高さよりも小さくしながら前記掘削ロッドを引き上げる、請求項２に記載の地盤の掘削方法。
前記引き抜き工程において、前記掘削ロッドを連続して回転させながら引き抜く、請求項２または３に記載の地盤の掘削方法。
前記引き抜き工程において、前記掘削ロッドを不連続で回転させながら引き抜く、請求項２または３に記載の地盤の掘削方法。
前記掘削ロッドを正回転させながら引き抜く、請求項４または５に記載の地盤の掘削方法
前記掘削ロッドを無回転で引き抜く、請求項１に記載の地盤の掘削方法。
前記閉塞部材を二以上備えた前記掘削ロッドを用いて地盤を掘削する、請求項１から７のいずれか一項に記載の地盤の掘削方法。
前記掘削ロッドを前記掘削孔から引き上げながら当該掘削孔内に硬化材を注入する、請求項１から８のいずれか一項に記載の地盤の掘削方法。