JP2017218775A - 土質改良装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 掘削土の土壌改良は、土壌資源の有効活用、廃棄場所の減少から最近の要望である。従来の土壌改良装置では、水分の添加も考慮したものがなく、ダム等の構築現場では適当なものがなかった。そこで、土質の改良、強度増加が簡単に行える、即ち、水分の添加や調整等が容易に行える装置を提供する。【解決手段】 掘削土を導入する導入口、該混合物が混合され移送される本体部、該本体部に設けられた撹拌ロータ、本体部から該混合物を排出する排出口、本体部に水を供給するための水の噴出口、固化材を混入するための混入口、を有するものであって、該撹拌ロータは３本又は４本であり、回転軸に回転刃が取り付けられた構造のものであり、その回転軸はそれぞれ同方向に回転し、出口側に向かって回転速度が増すものであって、本体底板にはブロー用の孔が複数設けられているもの。【選択図】 図１

Description

本発明は、土質改良装置に関するものである。

土質改良装置とは、掘削した土壌を基礎又は地盤として使用する場合、その土質を改良する装置である。一般的には、セメント系固化材を添加し、撹拌混合するものである。

従来から、軟弱地盤上に建造物を構築する場合や道路にする場合、その軟弱な土壌を除去し、それを廃棄、即ち他の場所の埋立て用等に使用し、除去した部分に強度のある土壌を入れることが行なわれている。しかし埋立て地の減少によって土壌の廃棄が困難となりつつあること、及び、環境問題や運送コスト等の問題、強度のある優れた土壌が減少しつつあること等の理由から、できる限り廃棄する土壌の量を減少させることが望まれてきている。また、資源の有効利用の面からも、使用できるものはできる限り使用したいという要望もある。

よって、軟弱な土壌は改良して、その場所で、又は必要な他の場所で再度地盤として使用できるようにすることが好ましい。このような場合に使用されるのが土質改良装置である。

土質改良装置は、掘削した土壌を容器に入れ、そこに固化材を添加して攪拌混合し（固化材によって土質が改良される）、それを取り出せばよいのである。よって、装置としては容器と撹拌器があればよい。しかし、これではバッチ式であり連続作業ができず能率が悪い。よって、最近では連続式のものが大多数である。

本出願人も、この連続式の混合装置について特許出願をし、特許も得ている（特許文献１）。この装置は、筒状の本体に撹拌混合装置が設けられ、一方の上方から掘削土と固化材を導入し、撹拌混合装置で混合して他方から排出するものである。

また、従来の土壌改良は、水分の多い、強度の低い土壌の水分をいかに減らすかが問題であった。しかし、最近では、水分の少ない、従来の木造建築用の地盤としては強度が足りているような土壌であっても、より大きな強度を必要とする材料に使用されることがある。例えば、ダムの建設や補修である。

このダムの建築には、新規な構造材（強度のある土壌やコンクリート等）が多量に必要となる。また、はるか遠方からそのようなものを運搬するのは非常な労力を要する。そこで、建設現場付近の土壌を用いて所定の強度を有する土壌にしたいという要望があった。

しかし、上記した従来の装置では、水分は減らすことはあっても水分を添加することはない。使用する土壌に水分が少なく、且つ強度が不足する場合には、固化材を混合しただけでは水分が不足する場合がある。

特許第３７５２６０６号

そこで、土質の改良、強度向上が簡単に行える、即ち、水分の添加や調整等が容易に行える装置を提供する。

以上のような現状に鑑み、本発明者等は鋭意研究の結果本発明装置及び方法を完成したものであり、その特徴とするところは、装置にあっては、掘削土に固化材を混合し土質改良する装置であり、掘削土を導入する導入口、該混合物が混合され移送される本体部、該本体部に設けられた撹拌ロータ、本体部から該混合物を排出する排出口、本体部に水を供給するための水の噴出口、固化材を混入するための混入口、を有するものであって、該撹拌ロータは３本又は４本であり、回転軸に回転刃が取り付けられた構造のものであり、その回転軸はそれぞれ同方向に回転し、出口側に向かって回転速度が増すものであって、本体底板にはブロー用の孔が複数設けられている点にあり、方法にあっては、上記土質改良装置の掘削土を導入する導入口にベルトコンベアによって土壌を導入し、同時に固化材、水を導入しながら、三者を混合し、所定の強度に調整し、時々、該ブロー用の孔から圧縮空気を噴出させる点にある。

ここで掘削土とは、掘削した土壌であり、どのような場所から掘削したものでもよい。また、粒度分布や水分量も限定はしない。複数の場所から掘削したものを使用してもよい。

固化材とは、通常の土質改良に用いられるものでよく、特別なものである必要はない。要するに土壌を改良するものであればどのようなものでもよい。勿論、改良すべき性質によって変わるものである。しかし、通常は強度を改良するものであるため、セメント系のものが多い。

導入口とは、掘削土を後述する本体部に導入する開口部であり、その上に導入が容易なようにホッパー等を設けてもよい。これは、単なる開口であり特別なものである必要はない。導入口の位置は、本体部の最も上流側の上部が好適であるが、上流側の側方でもよい。

本体部とは、土壌、固化材、水を混合する部分であり、且つ連続操業するため混合物を移送もする部分である。本質的には、単なる容器と撹拌ロータとからなるものである。容器自体の形状は筒状、直方体状、その他でよい。

撹拌ロータは、本発明の本質部分である。これは、回転軸に幅を持った多数の回転刃が取付けられたものである。ここでいう回転刃は、扇風機の羽根のように湾曲しているものでなく、ほぼ平面状のものでよい。この点が従来の回転翼とまったく異なる点である。この回転刃はある程度の厚み（数ミリ〜数センチ程度）を有するもので、その厚みによって土壌を蹴り出す方式である。よって、回転刃の回転軸は、土壌の移送方向とは直角（ほぼ水平）に設けられている。

この撹拌ロータは３本又は４本設けられている。種々実験したが、４本が最適であるが、少し処理速度を上げる場合には３本が好適であった。この撹拌ロータの回転方向は、軸の下方側が土壌の進行方向になるように、すべての軸が同じ方向に回転している。

回転の速度は、出口側に向かって回転速度（ｒｐｍ）を増す。例えば、４本の場合、最初の撹拌ロータから順に、６０、９０、１２０、１５０ｒｐｍ等である。この回転速度を増すことが重要であり、そうしないとスムーズに土壌を移送できない。最初のロータの回転速度は、４０〜９０ｒｐｍ程度がよく、そこから１本ずつ１０〜４０ｒｐｍ程度増加させていくのがよい。
この増加幅がよく、種々の実験から、混合効率と移送効率のバランスが最もよかった。また、それぞれの軸の回転数は調整できるのが好ましい。掘削土の土質によって、また要求される強度その他によって調整するためである。

本発明では、この撹拌ロータはすべて同一平面上に設け、それらすべてを本体部の底面（単に底という意味ではなく移送底面）に平行にするのが好ましいが、特に厳密に限定するものではない。

排出口は、導入口とは反対にある単なる排出用の開口である。位置も、最後尾の撹拌ロータの下方部又は下流側の側壁でよい。

噴出口とは、本体部に水を供給する開口であり、通常はノズルかスプレー孔である。水の量も重要であるため、計量しながら導入するのがよい。例えば、導入配管に流量計と制御弁を設ける等である。手動で制御しても、自動制御してもよい。

混入口は、固化材を本体部に導入する開口である。固化材は粉体であるため、量を制御する場合には、限定はしないがスクリューコンベアに連結するのがよい。また、圧縮エアーによる同伴方式で導入してもよい。また、水の量との制御ができれば、水と混合して懸濁液にしたものを導入してもよい。

本発明では、本体部の下方（底板）にブロー用の孔を設けている。これは、撹拌ロータの回転刃が届かない部分に土壌が停滞することがあり、それが固化材によって硬化することがあるため、定期的に又は不定期に圧縮エアーを噴出させて硬化を防止しているのである。その頻度は、限定はしないが、１時間に１回から１００回程度、好適には１分間に１〜３回程度である。

ブロー用開口には配管（又はチューブ）が接続され、圧縮エアータンクに接続されている。タンクは個々に設けても、１つでもよい。配管に電磁弁を設けてそれを制御して自動又は手動で噴射すればよい。

また、本発明の本体部は、土壌の進行方向に向かって、０度〜４５度下がっているのがよい。水平でもよいが、土壌の進行をスムーズにするため、すこし下降しているほうがよい。しかし、下降の角度が大きいと土壌が速く排出され混合が悪くなり、下降角度が小さいか水平の場合には移送速度が遅くなる。必要な強度や、掘削土の種類によって最適角度は変わるが、５度〜２５度がよく、１０度〜１５度がより好適である。

回転刃は、回転軸に多数、その位置を変えて取付けられている。軸に対して長手方向の位置と角度位置（オリエンテーション）を変えるのである。軸の長手方向について、刃がまったく当たらない部分ができないように刃の位置と刃の幅を決めるのがよい。刃の数は、１本の攪拌ロータで、限定はしないが、１５本〜２５本程度が好適である。通常は、刃をランダムに固定するが、螺旋状その他規則的に固定してもよい。

回転刃は、一体ものでも、複数の部材から構成したものでもよい。特に、先端（超硬金属が好適）は、石等で摩滅するため交換可能に固定するのがよい。また、その形状も三角状、長方形等が考えられる。根本部分は溶接してもよく、かつ折れないように補強することや、厚くすることも好適である。

回転刃は、回転軸に直接固定する主部、その主部に固定するホルダー、そのホルダーに固定する先端刃から構成されるものが好ましい。この主部にはホルダーが嵌り込む凹部が形成され、主部とホルダーをとめる共通の貫通孔が設けられている。そして、ホルダーには先端刃が嵌る凹部があり、先端刃にも共通の貫通孔が設けられている。主部にホルダーを固着（溶接等）し、ホルダーに先端刃を嵌めた後、共通孔にピンを打ち込めばよい。このピンはネジのようにホルダーと先端刃を固着するものではない。ピン自体も固定されておらず、ホルダーと先端刃は回転フリーである。即ち、このピンに少々遊びがあっても、回転軸の回転によっては抜ける方向には力がかからないため抜けることはない。

本発明では、この回転刃、ひいては先端刃に大きな幅を持ったものが好適である。通常の攪拌翼や攪拌羽、回転攪拌チェーン等と比較して幅が大きいため、この攪拌刃による蹴り出し効果が大きいのである。
この回転刃の幅、分割構造のものでは先端刃の幅は、掘削土の種類や物性にもよるが、２０〜９０ｍｍがよく、４０〜７０ｍｍがより好適である。
この先端刃の先端部を、硬度の高い超合金等で形成するのがよい。勿論、この部分だけを交換しても、先端刃として交換してもよい。

次に本発明の土壌改良方法を利用した土質改良システムについて説明する。
複数の掘削土を混合し（掘削土が１種の場合にはこの混合はない）、固化材と水を添加することによって一定以上の強度の土壌に連続的、自動的に行なうシステムである。このシステムは、コンピューターを用いて各土壌の混合量を計算し固化材や水の量を決め、それに従って混合する。
手順としては、各土壌の搬送量（本発明土質装置への導入量）を測定（計測）し、コンピューターからの信号によって各土壌の搬送量を制御する。そして、固化材と水もコンピューターからの信号により量を決め導入する。

本発明には、次のような効果がある。
（１） 撹拌ロータが３本又は４本であり、その回転方向と回転速度に特徴があり、それによって、土壌の混合が非常に効率よく連続的に行なえる。
（２） 従来の土質改良装置にはありえない水分供給部を有するため、固化材が多くなっても適切な水分量を確保できる。
（３） ブロー用の開口があり、適宜底部の土壌を除去できるため、硬化した土壌が移送の邪魔になることがない。
（４） 複数場所から掘削した土壌の改良も、掘削した土壌を単に骨材のように用いてコンクリートにすることも、その他種々の用途に使用できる。

本発明土質改良装置の１例を示す断面図である。 本発明の回転軸の１例を示す概略斜視図である。 本発明の攪拌ロータの１例を示す側面図である。 本発明の回転刃の１例を示す側面図である。 本発明の回転刃の主部を示す側面図である。 本発明の回転刃のホルダーを示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。 本発明の回転刃の先端刃を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 本発明のホルダーと先端刃を示す正面図である。 本発明方法を示す概略平面図である。

図１は、本発明の土質改良装置１の１例を示す概略断面図である。本体部２は、角筒状である。中に４本の攪拌ロータ３が設けられている。攪拌ロータ３は、回転軸４に多数の回転刃５（この図では１つのみ示している）が取り付けられている。この攪拌ロータ３の回転方向は矢印の通りであり、図では反時計周りである。即ち、軸の下方側が土壌の進行方向になるように回転している。

この例では、軸の回転数は、図上の左から６０、９０、１２０、１５０ｒｐｍである。この例では、本体部２は、出口側に向かって約１５度下がっている。

導入口６、噴出口７、混入口８が、本体部２の最も左側の攪拌ロータ３の上方に設けられている。このようにすると、導入された土壌等が、まず最も左の攪拌ロータ３によって左側から下方に送られ、そして右側で上方に掻き上げられる。そして、次の攪拌ロータによって再度下方に送られ、以下同様に進む。この上下動によって、攪拌と移送が進むのである。回転速度が順次速くなっているので、土壌等が砕かれ、見かけの嵩が増えても停滞せず送れるのである。
本体部２の下流底部に排出口Ｄが設けられている。混合された土壌はここから排出される。通常は、次工程に送るためのコンベア上に排出される。

ブロー用の開口９が複数個所設けられている。数はいくつでもよいが、３〜６個が好適である。この開口９は、圧縮エアータンク１０（この図では１つであるが複数でもよい）に接続され、配管１１の中に設けられたバルブ１２によって、圧縮エアーが供給される。圧縮エアーの供給は、時々でよく、瞬間的でもよい。

図２は、本発明の攪拌ロータ３の回転軸４を示す斜視図である。この図は、回転刃５を取り付けていないが、取り付け場所１３を示したものである。この位置が示すように、ランダムに且つ、軸のほぼ全長さ方向についてどれかの回転刃が土壌を攪拌するようにしている。この図では、回転刃と回転刃があいているようであるが、実際には回転刃の先端部１７（又はその近傍）に幅がありほぼ全長さを覆う構造となっている。
回転刃５の周囲方向の取り付け位置（オリエンテーション）は、ほぼ全角度に渡って存在するほうがよい（勿論、軸の長手方向位置は変えてもよい）。

図３は、攪拌ロータ３の側面図である。回転軸４の周囲に多数の回転刃５を取り付けたものである。この図では、１５本の回転刃５が見えているが、より多くても（２０本〜２５本）よい。この図では、すべての回転刃５が同一平面にあるように見えるが、実際には図２のように別の平面上にある。

図４は、回転刃５の１例を示す平面図である。回転刃５は、主部１４にホルダー１５が固着（溶接等）され、そのホルダー１５に先端刃１６が取り付けられている。この例では、先端刃１６の先端部１７は超合金で硬度のあるもので構成されている。先端刃１６が最も摩滅するため、この部分は簡単に交換できるようにしている。この図では、矢印方向に回転する。
この例でわかるように、回転軸４にほぼ半周上に渡って固定されている。よって、同じ位置（長手方向の位置）には２つは固定できない。勿論、固定面積を小さくして、同じ位置に複数設けてもよいが、攪拌効率はあまり変わらない。

図５は、図４の主部１４のみの図である。この図は、ホルダー１５と先端刃１６を外した図である。図６は、図４のホルダー1５を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は側面図である。（ａ）には、先端刃１６を固定するピンのための孔１８がある。このホルダー１５は、図５の主部１５の凹部に溶接する。

図７は、先端刃１６を示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。上記したピンが貫通する孔１９があり、先端部１７は硬度のある合金製である。図７（ａ）の矢印の方向に回転する。（ｂ）は、側面図であるが、幅が広いことがわかる。この例では６５ｍｍの幅がある。

図８は、ホルダー１５に先端刃１６を半分挿入している図である。ピンを挿入する孔１８、１９が揃うまで挿入する。そこにピンを挿入する。このピンでホルダー１５と先端刃１６を固定するのではなく、単なる先端刃の抜け止めである。図８の矢印の通り回転するため、先端刃１６に掛かる力は、その先端刃１６の肩部下面２０とホルダー肩上面２１が接当しホルダーが受けている。この例では、２つのピンの孔１８、１９の大きさは異なるが、単にピンが挿入できればよいため問題はない。勿論、ブッシング等を挿入してサイズをある程度調整しても、最初から同じ大きさに製造してもよい。

図９は、本発明装置を用いた土質改良方法を組み込んだ土壌改良システム全体を示す概略平面図である。
土質改良装置１を用いて、３種の掘削土Ａ、Ｂ、Ｃを利用し、固化材を混合して所定の強度にするものである。３種の掘削土Ａ、Ｂ、ＣをそれぞれのホッパーＡ３１、ホッパーＢ３２、ホッパーＣ３３へ導入する。導入方法は、パワーショベル等で行っても、その他の方法でもよい。この各ホッパーから、定量的に掘削土Ａ、Ｂ、Ｃを搬出量調整可能排出装置（図示略）によって、コンベア３４、３５、３６に排出される。量調整可能排出装置は、各ホッパーの下方に設けられた溝の中を送り板が進むものでよい。この送り板がその前に落下した土壌をコンベアに落とし込むのである。送り板はコンベアのように周回するものがよい。この送り板の速度によって排出量は調整可能である。

各コンベア３４、３５、３６には、計量装置（土壌が１分間にどの程度搬送されているかを図る装置）３７、３８、３９が設けられている。この計量装置からのデータによって、コンピューターで混合比率を計算し、その計算結果から量調整可能排出装置を制御するのである。また、同様にそれらのデータから、固化材導入量や水添加量も調整する。

この図では、各コンベア３４、３５、３６から、メインコンベア４０に落とし込まれた土壌は、メインコンベア４０から、土質改良装置１に導入される。そこで混入口８、噴出口７からそれぞれ固化材や水と混合され、排出用コンベア４１に排出される。排出用コンベア４１から先は別のコンベアでもトラックでもその他自由である。

このように自動システム化すると、強度を決め、各土壌の混合比率をコンピューターにインプットするだけで設定は完了である。あとは、パワーショベル等で各ホッパーに土壌を導入するだけで所定の混合土壌ができる。

１ 本発明土質改良装置
２ 本体部
３ 攪拌ロータ
４ 回転軸
５ 回転刃
６ 導入口
７ 噴出口
８ 混入口
９ ブロー用の開口９
１０ 圧縮エアータンク
１１ 配管
１２ バルブ
１３ 取り付け場所
１４ 主部
１５ ホルダー
１６ 先端刃
１７ 先端部
１８ 孔
１９ 孔
２０ 肩部下面
２１ ホルダー肩上面
３１、３２、３３ ホッパー
３４、３５、３６ コンベア
３７、３８、３９ 計量装置
４０ メインコンベア
４.１ 排出用コンベア
Ｄ 排出口

Claims (7)

1. 掘削土に固化材を混合し土質を改良する装置であり、
   該掘削土を導入する導入口、
   該掘削土が混合され移送される本体部、
   該本体部に設けられた撹拌ロータ、
   該本体部から混合物を排出する排出口、
   該本体部に水を供給するための水の噴出口、
   該固化材を混入するための混入口、
   を有するものであって、該撹拌ロータは３本又は４本であり、回転軸に回転刃が取り付けられた構造のものであり、該回転軸はそれぞれ同方向に回転し、出口側に向かって回転速度が増すものであって、本体底板にはブロー用の孔が複数設けられていることを特徴とする土質改良装置。
2. 該回転軸は、軸の下方側が進行方向になるように回転するものである請求項１記載の土質改良装置。
3. 該本体部は、入口側から出口側に向かって、水平に対して、０度〜４５度下がっているものである請求項１又は２記載の土質改良装置。
4. 該回転刃は、該回転軸に固定する主部、該主部に固定するホルダー及び該ホルダーに交換可能に固定される先端刃から構成されるものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の土質改良装置。
5. 該先端刃は該ホルダーにピンによって、遊びをもって取り付けられているものである請求項４記載の土質改良装置。
6. 該固化材を混入するための混入口は、スクリューコンベアに接続されているものである請求項１乃至３のいずれか１項に記載の土質改良装置。
7. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の土質改良装置の掘削土を導入する導入口にベルトコンベアによって土壌を導入し、同時に固化材、水を導入しながら、三者を混合し、所定の強度に調整し、定期的に又は不定期に該ブロー用の孔から圧縮空気を噴出させることを特徴とする土質改良方法。
   

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