JP3133466U - 地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】地盤が軟弱でも安定したコラムを形成できる地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッドを提供する。
【解決手段】掘削軸１に遊嵌された供廻り防止翼４０を掘削翼２と攪拌翼３との間に備えており、供廻り防止翼４０は、掘削軸１の軸線からの半径が掘削翼２で掘削される掘削孔の半径より長く、掘削孔の半径に略相当する位置に鍔を具備し、且つ、該供廻り防止翼の翼面が掘削軸１の軸線に対して傾斜しており、供廻り防止翼の複数個が、掘削軸１の軸線を対称軸とする回転対称の位置にある。この掘削ヘッドを用いると、コラムの周面に緩やかな螺旋を画くスパイラル状リブが形成される。このスパイラル状リブは、コラムと周囲の地盤との摩擦力を増加させる。そのため、地盤が軟弱であっても、コラムの形成により地盤を安定化することができる。
【選択図】図１

Description

本考案は、地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッドに関し、特に、安定した改良地盤を実現する地盤改良コラム（円柱）が形成できるようにしたものである。

軟弱地盤にセメント系固化材と原地盤の土とから成るコラムを形成して地盤を補強する工法は、ソイルセメントコラム工法と呼ばれている。
この工法に用いる地盤改良コラム築造装置は、図９に示すように、掘削ヘッド５４を備える掘削軸５３と、セメント系固化材を水と混合してミルク状のスラリーを生成するプラントミキサー５１と、掘削軸５３の内部に供給するスラリーの供給量を管理する管理装置５２とを有している。掘削ヘッド５４は、掘削軸５３と共に回転する掘削翼５６及び攪拌翼５５を有し、掘削翼５６の回転で地盤６０に掘削孔６１が形成される。掘削軸５３の先端近傍にはスラリーの吐出口が形成されており、この吐出口から吐出されたスラリー５７と、掘削翼５６で削られた土とが攪拌翼５５で攪拌・混合される。

掘削孔６１が所定深さに達すると、掘削軸６３を逆回転して、掘削ヘッド５４が掘削孔６１から引き抜かれる。また、引き抜く前に、必要に応じて、掘削ヘッド５４を複数回、掘削孔６１内を往復させる場合もある。
スラリーと土との混合物で満たされた掘削孔６１は、セメント系固化材が固化するまで放置される。掘削孔６１の大きさやセメント系固化材の種類等にも依るが、数時間〜２日程度でセメント系固化材が固化し、地中にコラムが形成される。
このコラムは、建築物の基礎杭として形成され、あるいは、山留め用の柱として列状に形成される（柱列山留め）。

図１０は、下記特許文献１に記載された地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッドを示している。
この掘削ヘッドは、掘削軸１と共に回転する掘削翼２及び攪拌翼３を有し、掘削翼２と攪拌翼３との間、及び、下側の攪拌翼３と上側の攪拌翼３との間に供廻り防止翼４を備えている。
この供廻り防止翼４は、掘削軸１に遊嵌されたボス５と、ボス５に固着された二枚の板状の翼片６とから成り、掘削軸１に対して回転自在である。なお、７ａ、７ｂは、掘削軸１の軸線方向に移動するボス５の動きを制限するリングである。

供廻り防止翼４の翼片６は、掘削軸１の軸線に平行な翼面を有している。また、翼片６の先端間の距離Ｄｂは、掘削翼２で掘削される掘削孔の径Ｄａよりも長い。そのため、翼片６の先端が常に地盤中にあるので、掘削軸１が回転し、掘削翼２及び攪拌翼３が回転するときでも、供廻り防止翼４は、上下方向に平行移動するだけで、回転はしない。これは、掘削軸１を逆回転させて掘削ヘッドを掘削孔から引き抜くときも同様である。
従って、掘削翼２で掘削された土は、掘削翼２と一体に供廻りするが、供廻り防止翼４によって回転が停止され、次いで、攪拌翼３の位置で再び回転されるので、土とスラリーとの攪拌効率が向上し、それらの均一な混合が可能になる。
特公昭５８−２９３７４号公報

しかし、従来の地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッドでは、腐植土等を多く含む軟弱な地盤に安定したコラムを形成することが難しく、そのため、軟弱な地盤に対して柱列山留めによる地盤改良を施すことができなかった。
本考案は、こうした状況を考慮して創案したものであり、地盤が軟弱である場合でも安定したコラムを形成することができる地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッドを提供することを目的としている。

本考案の掘削ヘッドは、掘削軸と共に回転する掘削翼及び攪拌翼を有し、前記掘削翼で掘削した掘削土と前記掘削軸の先端から吐出した固化材液（スラリー）とを前記攪拌翼で混合して、地中に地盤改良コラムを形成する地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッドであって、前記掘削軸に遊嵌された供廻り防止翼を少なくとも前記掘削翼と前記攪拌翼との間に備えており、前記供廻り防止翼は、前記掘削軸の軸線からの半径が前記掘削翼で掘削される掘削孔の半径より長く、前記掘削孔の半径に略相当する位置に鍔を具備し、且つ、該供廻り防止翼の翼面が前記掘削軸の軸線に対して傾斜しており、前記供廻り防止翼の複数個が、前記掘削軸の軸線を対称軸とする回転対称の位置にあることを特徴とする。
この掘削ヘッドを用いると、コラムの周面に緩やかな螺旋を画くスパイラル状リブが形成される。このスパイラル状リブは、コラムと周囲の地盤との摩擦力を増加させる。そのため、地盤が軟弱であっても、コラムの形成により地盤を安定化することができる。

また、本考案の掘削ヘッドは、前記供廻り防止翼を３個設けることが好ましい。
掘削軸の軸線の周囲に１２０°の間隔を開けて３個の供廻り防止翼を配置した場合は、掘削時に、いわゆる“暴れ”が発生しない。そのため、掘削軸を垂直に保って掘削孔を掘り進めることが可能であり、目標の位置に正確にコラムを形成することができる。

また、本考案の掘削ヘッドでは、前記供廻り防止翼の翼面の傾斜角度を４５°以下に設定する。
掘削孔を掘り進む際に、供廻り防止翼の先端は、掘削孔の壁（地盤）の中を下方向に進行する。このとき、供廻り防止翼の翼面の傾斜角度が４５°を超えていると、地盤の抵抗が増大し、掘削孔の掘り下げが困難になる。

また、本考案の掘削ヘッドでは、前記供廻り防止翼の翼面が、前記掘削翼及び攪拌翼と同一方向に傾斜していることが好ましい。
供廻り防止翼の翼面の傾斜方向が、掘削翼や攪拌翼の傾斜方向と同じときは、供廻り防止翼に対する掘削孔内部のスラリーや掘削土の抵抗が小さい。従って、掘削軸を回転する駆動力が小さくて済む。

本考案の地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッドは、周囲の地盤との摩擦力が大きいコラムを形成することが可能であり、軟弱な地盤を安定した地盤に改良することができる。

本考案に係る掘削ヘッドの実施形態について、図面を基に説明する。
図１（ａ）は、この掘削ヘッドの側面図、図１（ｂ）は、掘削ヘッドと掘削孔との関係を示す図、図２（ａ）は、供廻り防止翼の上面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＢ方向から見た供廻り防止翼の側面図、図２（ｃ）は、図２（ａ）のＣ方向から見た供廻り防止翼の側面図である。
掘削ヘッドは、掘削軸１と、掘削軸１に傾斜して固定された複数の攪拌翼３と、掘削軸１の先端側に固定された掘削翼２と、掘削軸１に回転自在に取り付けられた供廻り防止翼４０とを備えている。掘削軸１は、内部にスラリーの通路を有し、先端近傍にスラリーの吐出口（不図示）を有している。

供廻り防止翼４０は、図２に示すように、掘削軸１に遊嵌されたボス４１と、このボス４１に傾斜して固着された３枚の翼片４２１、４２２、４２３と、各翼片４２１、４２２、４２３の先端から所定距離だけ後退した位置に固定された鍔４３１、４３２、４３３とを有している。
ここでは、３つの翼片４２１、４２２、４２３を、掘削軸１の軸線を対称軸とする３回回転対称の位置、即ち、翼片間の中心角が１２０°となる位置、に配置している。翼片４２１、４２２、４２３はボス４１に溶接している。また、ボス４１は、二つ割りにした円環を、掘削軸１を取り巻く形に溶接して成形している。また、鍔４３１、４３２、４３３は、翼片４２１、４２２、４２３の両面に同一形状の矩形板状体を溶接し、恰も一枚の板と翼片とが直交しているように成形している。
なお、図１の７ａ、７ｂは、ボス４１が掘削軸１の軸線方向に移動するのを制限するリングであり、掘削軸１に溶接で固定している。

供廻り防止翼４０の翼片４２１、４２２、４２３の長さは、ボス４１の中心から翼片４２１、４２２、４２３の先端までの距離が、掘削翼２によって掘削される掘削孔６１の半径よりも長くなるように設定している。また、翼片４２１、４２２、４２３の先端側を向く鍔４３１、４３２、４３３の面からボス４１の中心までの距離は、掘削翼２によって掘削される掘削孔６１の半径にできるだけ近く、ただし、この半径を超えることが無いように設定している。翼片４２１、４２２、４２３の鍔４３１、４３２、４３３より先の先端部分４４１、４４２、４４３は、後述するように、地盤中に進入する部分である。
図１（ｂ）には、供廻り防止翼４０の翼片の先端部分と、鍔４３１、４３２と、掘削孔６１との関係を図示している。
供廻り防止翼４０の翼片４２１、４２２、４２３の傾斜の向きは、攪拌翼３や掘削翼２と同じであり、傾斜角度（掘削軸１の軸線に対する傾斜角度）は４５°を超えないように設定している。

次に、この掘削ヘッドのコラム形成動作について説明する。
掘削軸１を順方向に回転すると、掘削翼２及び攪拌翼３が順方向に回転し、掘削翼２は、地盤を削って掘削孔を掘り進む。そのため、掘削ヘッドが下降し、それに伴い、供廻り防止翼４０の先端部分４４１、４４２、４４３が、掘削孔の壁面に溝を刻みながら下降する。
また、図９に示すように、プラントミキサー５１は、セメント系固化材と水とを混合してスラリーを生成し、回転する掘削軸１に供給する。このスラリーは、掘削軸１の先端近傍から吐出され、スラリーと削られた土とから成る流動体の上方に向う流れが生じる。
供廻り防止翼４０の翼片４２１、４２２、４２３は、傾斜しているため、図３に示すように、流動体の流れ７１を受けて、掘削軸１の周りを回転する回転力７２が生じる。しかし、供廻り防止翼４０は、先端部分４４１、４４２、４４３が地盤に拘束されているので、緩やかな回転しかできない。従って、供廻り防止翼４０の供廻り防止機能は維持される。
供廻り防止翼４０の緩やかな回転により、先端部分４４１、４４２、４４３が掘削孔の壁面に形成する溝は、緩やかなスパイラル状となる。

スラリーと削られた土とから成る流動体は、この溝にも進入する。このとき、供廻り防止翼４０の鍔４３１、４３２、４３３は、流動体を溝に押し込む“こて（鏝）”の役割を果たしている。
また、供廻り防止翼４０は、この流動体の掘削翼２との供廻りを抑える。そのため、攪拌翼３による攪拌効率が向上し、スラリーと削られた土とは均一に混合される。
掘削孔が所定深さに達すると、掘削軸１を逆方向に回転して掘削ヘッドを掘削孔から引き抜く。掘削軸１を逆方向に回転すると、掘削翼２及び攪拌翼３が逆回転し、掘削ヘッドが上昇する。供廻り防止翼４０の先端部分４４１、４４２、４４３は、下降時に掘削孔の壁面に形成した溝を通って上昇する。この場合も、供廻り防止翼４０の鍔４３１、４３２、４３３は、均一に混合されたスラリーと土とを溝に押し込みながら上昇する。
また、掘削ヘッドを引き抜く前に、必要に応じて、掘削ヘッドを複数回、掘削孔内を往復させることにより、周面摩擦力を増大させる。

こうした処理の後、スラリーと土との流動体で満たされた掘削孔を、セメント系固化材が固化するまで放置すると、図４（ａ）に示すように、スパイラル状のリブ６２を備えたコラムが地盤中に形成される。このリブ６２は、図４（ｂ）に示すように、供廻り防止翼４０の先端部分４４１、４４２、４４３が掘削孔６１の壁面に形成した溝６３の形状に対応している。
図５は、本考案の掘削ヘッドを用いてコラムを形成し、周囲の土を除いてコラムの一部分を露出させた状態を示している。コラムの周面には、確固としたスパイラル状のリブ６２が形成されている。

このリブ６２は、スパイラル状であるため、コラム側面の軸線方向に形成された直線状のリブに比べて、周囲の地盤に対する摩擦力が極めて大きい。
図６を用いて、それを説明する。図６（ａ）には、スパイラル状リブ６２が形成されたコラム側面の展開図を示し、図６（ｂ）には、軸線方向の直線状リブ６５が形成されたコラム側面の展開図を示している。
まず、リブの長さを比較すると、スパイラル状リブ６２の方が長い。また、リブを対角線とする矩形の面積６４を比較すると、スパイラル状リブ６２の方が桁違いに広い。この面積６４は、リブの摩擦力を利用して周囲の地盤と密に結合するコラム側面の面積を表している。また、スパイラル状リブ６２の場合は、Ａ方向及びＢ方向の力に対して摩擦による抗力を発揮するが、軸線方向の直線状リブ６５の場合は、Ａ方向の力に対して摩擦による抗力を発揮するものの、Ｂ方向の力に対しては摩擦抗力を発揮しない。

このように、本考案の掘削ヘッドは、周囲の地盤に対する摩擦力が極めて大きいコラムを形成することができる。そのため、有機質土（腐植土）を多く含む軟弱な地盤に対しても柱列山留めによる地盤改良を施すことができる。
図７は、コラムによる柱列山留めの様子を模式的に示している。図７（ａ）に示すように、コラムの柱列６６を軟弱地盤中に形成して、軟弱地盤を安定化させる。こうして地盤が安定化すれば、図７（ｂ）に示すように、柱列６６の箇所に掘削等の加工を施すことが可能になる。
図８は、本考案の掘削ヘッドを用いてコラムの柱列６６を形成し、柱列箇所を地下室建設用に掘削した状態を示している。同図から明らかなように、隣接地と接近している箇所でも、柱列を形成することで、隣接地に影響を及ぼすことなく、土木工事の施工が可能になる。

このように、本考案の掘削ヘッドは、掘削軸に対して翼面が傾斜し、且つ、鍔を備えた供廻り防止翼を有している。供廻り防止翼の翼面の傾斜は、掘削孔の壁面にスパイラル状の溝を形成するように作用し、また、鍔は、この溝にスラリー及び掘削土を充填するように作用する。そのため、周面にスパイラル状リブを持つコラムが形成される。このスパイラル状リブは、コラムと周囲の地盤との摩擦力を増大させる。その結果、このコラムの形成により地盤が非常に安定化する。

なお、本考案の実施形態では、供廻り防止翼４０を掘削翼２と攪拌翼３との間に配置する場合を示したが、さらに、図１０に示すように、多段に設けた攪拌翼３の間に供廻り防止翼４０を配置しても良い。
また、この実施形態では、供廻り防止翼４０の翼片４２１、４２２、４２３の数が３個の場合を示したが、回転対称に配置する翼片の数は、２個であっても、あるいは、４個以上であっても良い。但し、翼片の数が増えると、地盤中を進行する翼片の先端部分が地盤から大きな抗力を受けるため、掘削軸１の回転に大きな駆動力が必要となる。翼片の個数が２個の場合は、大きな駆動力は必要でない。しかし、掘削時の安定性から言えば、翼片の数は３個にする方が望ましい。何故なら、翼片の数が３個であると、掘削時に、いわゆる“暴れ”が発生せず、掘削軸を垂直に保って掘削孔を掘り進めることができるからである。そのため、図８に示すように、コラムの形成箇所が狭い場合でも、目標位置に正確にコラムを形成することができる。

また、この実施形態では、供廻り防止翼４０のボス４１、翼片４２１、４２２、４２３、及び鍔４３１、４３２、４３３を溶接で固着する場合を示したが、それらを螺子止め等、他の手段を用いて固着しても良い。また、ボス、翼片及び鍔の形状は、適宜変更することが可能であり、例えば、鍔に翼片を挿通するための穴を設け、穴に差し込んだ翼片と鍔とを固着するようにしても良い。
また、供廻り防止翼４０の翼片４２１、４２２、４２３の掘削軸中心に対する傾斜角度は、４５°以下とすることが望ましい。この傾斜角度が大きくなると、掘削ヘッドの下降時に、地盤中を進行する翼片の先端部分が地盤から大きな抗力を受けるため、掘削孔の掘り下げが困難になるからである。
また、供廻り防止翼４０の翼片４２１、４２２、４２３の傾斜の向きは、掘削翼２や攪拌翼３と同じ向きであっても逆向きであっても良い。ただ、掘削翼２や攪拌翼３と同じ向きにした方が、供廻り防止翼４０の回転に対する流動体の抵抗が小さくなり、掘削軸１を駆動する回転駆動力の低減を図ることができる。

本考案の実施形態に係る掘削ヘッドの側面図 本考案の実施形態に係る供廻り防止翼の上面図（ａ）と側面図（ｂ）（ｃ） 供廻り防止翼の回転を説明する図 本考案の掘削ヘッドを用いて形成されるコラムの説明図 本考案の掘削ヘッドを用いて形成したコラムを示す図 コラムのリブによる摩擦力を説明する図 柱列山留めを説明する図 本考案の掘削ヘッドを用いて形成した柱列を示す図 ソイルセメントコラム工法の説明図 従来の掘削ヘッドを示す図

符号の説明

１ 掘削軸
２ 掘削翼
３ 攪拌翼
４ 供廻り防止翼
５ ボス
６ 翼片
７ａ リング
７ｂ リング
４０ 供廻り防止翼
４１ ボス
５１ プラントミキサー
５２ 管理装置
５３ 掘削軸
５４ 掘削ヘッド
５５ 攪拌翼
５６ 掘削翼
５７ スラリー
６０ 地盤
６１ 掘削孔
６２ スパイラル状リブ
６３ 溝
６４ リブを対角線とする面積
６５ 軸線方向の直線状リブ
６６ 柱列
７１ 流動体の流れ
７２ 回転力
４２１ 翼片
４２２ 翼片
４２３ 翼片
４３１ 鍔
４３２ 鍔
４３３ 鍔
４４１ 先端部分
４４２ 先端部分
４４３ 先端部分

Claims (4)

1. 掘削軸と共に回転する掘削翼及び攪拌翼を有し、前記掘削翼で掘削した掘削土と前記掘削軸の先端から吐出した固化材液とを前記攪拌翼で混合して、地中に地盤改良コラムを形成する地盤改良コラム築造装置の掘削ヘッドであって、
   前記掘削軸に遊嵌された供廻り防止翼を少なくとも前記掘削翼と前記攪拌翼との間に備えており、
   前記供廻り防止翼は、前記掘削軸の軸線からの半径が前記掘削翼で掘削される掘削孔の半径より長く、前記掘削孔の半径に略相当する位置に鍔を具備し、且つ、該供廻り防止翼の翼面が前記掘削軸の軸線に対して傾斜しており、
   前記供廻り防止翼の複数個が、前記掘削軸の軸線を対称軸とする回転対称の位置にあることを特徴とする掘削ヘッド。
2. 請求項１に記載の掘削ヘッドであって、前記供廻り防止翼を３個備えていることを特徴とする掘削ヘッド。
3. 請求項１に記載の掘削ヘッドであって、前記供廻り防止翼の翼面の傾斜角度が４５°以下であることを特徴とする掘削ヘッド。
4. 請求項３に記載の掘削ヘッドであって、前記供廻り防止翼の翼面が、前記掘削翼及び攪拌翼と同一方向に傾斜していることを特徴とする掘削ヘッド。