JP3622903B2 - 軟弱地盤改良工法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特にセメントミルク等の流動物を軟弱地盤中に噴出し、原位置土と混合する軟弱地盤改良工法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤改良では、固化系流動物を軟弱土に供給・混合して、強固な柱状パイルを造成したり、土質性状を安定化することにより地盤強度を改良する場合がある。流動物は、例えば、セメントミルクであり、グラウポンプ等により回転軸に沿って設けられた配管経路に圧送され、撹拌翼の付け根部等に設けられた吐出口から撹拌翼の回転によって形成される空隙に排出される。排出された流動物は、撹拌翼の回転に伴って回転軌跡に散布され、原位置土と撹拌混合される。
ところで、本出願人は、従来軟弱地盤改良における流動物の排出形態を工夫することにより、原位置土の流動性を上げ、効率施工を可能にした工法及び装置を先に開発した（例えば、特開２０００−２９０９９３号）。この技術は、流動物をポンプの移送能力により配管経路の下端吐出口から吐出する従来構成（単独排出態様）に代え、流動物を圧縮エアーに同伴させて軟弱土へ吐出する構成（エアー同伴噴出態様）にしたものである。構造的には、流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段を組として有し、又、混合エジェクターにより流動物供給手段から導入される流動物を、圧縮エアー供給手段から導入される圧縮エアーに同伴させて、原位置土へ霧状に吐出させる。作動的には、流動物を圧縮エアーに乗せて霧状に噴出するため吐出力を数段増大でき、かつ、流動物を軟弱土に高速で衝突させるため土流動化及び土細分化つまり混合撹拌効率を向上できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したエアー同伴噴出態様では、固化系流動物の吐出力が回転軸の地中深さが増すと土圧等の影響を受けて次第に弱くなり、目的の土流動化及び土細分化作用を維持し難くなることが判明した。また、この対策としては、回転軸の貫入に応じ圧縮エアーの圧力を増すことが考えられるが、その場合にどの様な指標ないしは目安が妥当するかが問題となる。
【０００４】
本出願人らは、以上の問題について検討を重ねてきた結果、本発明を完成するに至った。即ち、本発明の目的は、上記したエアー同伴噴出態様において、貫入深さが増しても、所定の調整指標により施工することにより前記した土流動化及び土細分化作用を深さ方向で同等に与えることができ、高品質化及び信頼性を向上することにある。他の目的は以下の説明と共に明らかにする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１の本発明は、撹拌翼付の回転軸と、固化系の流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段と、前記回転軸又は撹拌翼側に設けられて、前記流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段に対応する配管を介し接続される混合エジェクターとを備え、前記回転軸の地中への貫入や引き抜き過程等で、前記混合エジェクターにより前記流動物供給手段から対応配管を介し送られる流動物を圧縮エアー供給手段から対応配管を介し送られる圧縮エアーに同伴させて原位置土へ噴出し原位置土と混合する軟弱地盤改良工法であって、前記圧縮エアー供給手段から送る圧縮エアーの圧力Ｐを、次式１に基づいて前記回転軸の深度ｚ方向に沿って調整することを特徴としている。
Ｐ＝（γ×ｚ＋ΔＰ）＋α×ｑｃ （式１）
なお、式１中、γ×ｚは処理対象である軟弱土の土水圧（ｋｇｆ／ｃｍ^２）、ΔＰは前記配管固有の圧送損失（ｋｇｆ／ｃｍ^２）、αは土質係数、ｑｃはコーン指数（ｋｇｆ／ｃｍ^２）である。
【０００６】
また、請求項３の発明は、上記発明工法を装置的に捉えたもので、地中へ貫入されたり引き抜かれる回転軸と、該回転軸と一体に回転される撹拌翼と、供給装置を構成している流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段と、前記回転軸又は撹拌翼側に設けられて、前記流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段に対応する配管を介し接続され、前記流動物供給手段から送られる固化系流動物を圧縮エアー供給手段から送られる圧縮エアーに同伴させて噴出可能な混合エジェクターとを備えた軟弱地盤改良装置であって、前記圧縮エアー供給手段から送る圧縮エアーの圧力Ｐを、前記式１を基にし前記回転軸の深度ｚ方向に沿って調整する制御手段を有していることを特徴としている。
【０００７】
以上の各本発明は、流動物をポンプの移送能力により配管経路の下端吐出口から吐出する従来構成（以下、これを単独排出態様と称する）ではなく、流動物を圧縮エアーに同伴させて軟弱土へ吐出する構成（以下、これをエアー同伴噴出態様と称する）を対象としている。従って、流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段、混合エジェクター自体は、特開２０００−２９０９９３号、特願２０００−１９６７０９号等に記載のものと同じか類似している。要部は、圧縮エアー供給手段から送る圧縮エアーの圧力Ｐを、前記式１に準拠して回転軸の深度ｚ方向に沿って調整することにあり、試験から導き出された以下の原理に基づいている。
【０００８】
本発明の原理を図２を参照し説明する。図２は前記エアー同伴噴出態様を適用した場合、深度ｚに沿って圧縮エアー供給手段から圧送するエアー圧力Ｐをどの様に調整したら、上記土流動化及び土細分化を伴う混合撹拌作用を深さ方向各部で等しく作用させることができるか、検証した結果を模式化したものである。破線は固化材を噴出する際に受ける土水圧γ×ｚである。この土水圧は地中深さに比例して増大し、施工対象の深さが定まることにより算出される。一点鎖線は配管系に発生する圧送損失ΔＰである。この圧送損失は、図１の如く用いられる軟弱地盤改良装置が処理対象域に設置されて前記配管の長さ等が決まることにより算出される。通常は０．５〜２ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲となる。そして、流動物を地中へ排出するには、少なくとも土水圧及び圧送損失よりも高い圧力、つまり前記式１中の（γ×ｚ＋ΔＰ）の値以上にしなければならない。この点は上記従来の単独排出態様にも当てはまる。
【０００９】
本発明は、上記式１の（α×ｑｃ）の項目を工夫したものであり、上記混合撹拌作用（土流動化及び土細分化）を深さ方向各部で等しく得るようにしたり、固化材の投入量を深さ方向でも均等になるよう調整可能にする。上記式１の（α×ｑｃ）は、図２において土のせん断力に相当している。この土のせん断力は、上記エアー同伴噴出態様において、固化材が地中へ噴出されて原位置土を流動化・細分化するに要する力である。この土のせん断力は、土質係数とコーン指数との積として求められることが試験から分かった。土質係数αは、施工対象の土質又は地盤性状を示す係数である。粘性土では０．２〜１．０の範囲であり、砂質土では０．４〜１．０となる。コーン指数ｑｃは、施工対象地盤強度であり、オランダ式コーン貫入値に限られず、粘性土等で使用される一軸圧縮強度（ｑｕ）から推定算出される値であってもよく、更にＮ値等から推定算出される値も含む広義なものである。後者の例としては、「Ｍｅｙｅｒｈｏｆ」の提案する、ｑｃ＝４Ｎ（社団法人、土質工学会「土質基礎工学ライブラリー４」、昭和６２年２月２５日発行を参照）の様にＮ値等に換算した値が挙げられる。
【００１０】
以上の様に、本発明は、上記エアー同伴噴出態様において、圧縮エアー供給手段から送る圧縮エアーの圧力Ｐを深度ｚ方向に沿って上記式１に準拠し調整することで、流動物が地中深さ方向で調整された圧力Ｐにて均一に噴出され、かつ、上記した土流動化及び土細分化作用が深さ方向各部で等しく行われるようにして、施工パイル等の安定施工と品質及び信頼性を向上したことに意義がある。
【００１１】
請求項２は、前記混合エジェクターから噴出される流動物と圧縮エアーとの体積混合率について、流動物：圧縮エアー＝１：５〜３０になるようにすることを特定したものである。これは、実際の改良施工において、流動物の投入量が対象地盤の一軸圧縮強度等から決められ、圧縮エアーの供給量が該流動物の投入量に対し５〜３０倍となるよう設定されることを意味する。この体積混合率は、試験から得られた値であり、上記した土流動化及び土細分化作用、更には安定及び効率施工の観点から最適な値となる。
請求項４は上記制御手段を具体的に特定したもので、圧縮エアー供給手段と混合エジェクターとの間の配管経路に設けられた圧力計、流量計、圧力調整弁、流量調整弁と共に、上記式１に基づいて前記圧力調整弁を可変調整するエアー演算処理部を有している構成である。この場合は、エアー演算処理部が式１に準拠して圧力調整弁を可変調整つまり自動制御を可能にする。勿論、本発明は、作業者が式１に基づいて回転軸の深さ方向毎にエアー圧Ｐを手動にて調整しても上記作動を同じく実現できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態である図面を参照しながら更に説明する。図１は実施形態を模式的に示す全体構成図、図２は本発明要部の原理図、図３は最適体積混合率を説明するための参考図、図４は図１の軟弱地盤改良装置に用いられる混合エジェクターの構成例を示す図である。以下の説明では、軟弱地盤改良装置、混合エジェクター、供給装置、制御手段、施工要領の順に述べる。
【００１３】
（軟弱地盤改良装置）図１の軟弱地盤改良装置は、回転軸１を主体とし、撹拌翼３、回転駆動機構４及びスイベル管５、供給装置として流動物供給手段６及び圧縮エアー供給手段７、配管２として流動物用配管経路２ａ，２Ａ及び圧縮エアー用配管経路２ｂ，２Ｂ、各配管経路２Ａ，２Ｂが接続される混合エジェクター１３を有している。また、制御手段２０としてはエアー演算処理部２１、流動物演算処理部２２、体積混合率演算部２３を備え、制御手段２０で調整した状態で流動物を圧縮エアーに乗せて混合エジェクター１３から噴出可能にするものである。
【００１４】
回転軸１は有底筒状をなし、内部上下方向に沿って配管経路２Ａ，２Ｂを配置しており、軸下端側に２段に設けられてそれぞれ２枚構成の撹拌翼３Ａ、３Ｂと、撹拌翼３Ｂに設けられた混合エジェクター１３とを有し、上端側に設けられる回転駆動機構４により回転される。即ち、施工時には、例えば、回転軸１が図示を省略しているベースマシン側の支持用リーダー８及びウインチ機構等を介して上下動可能に支持されて、地盤下へ貫入されたり引き抜かれる。回転駆動機構４は、回転軸１をモーター及び減速ギア機構等を介し正転・逆転するもので、全体が回転軸１と共にリーダー８に沿って昇降される。なお、構造的には、施工条件に応じ、回転軸１が複数本で構成されたり、掘削刃９が軸下端に装着されたり、エアー回収用リブ材が軸上下方向に付設されたり、共回り防止板が付設される。
【００１５】
各配管経路２Ａ，２Ｂは模式化されており、スイベル管５側から回転軸１内に挿入されて、図４の如く撹拌翼３Ｂに対応する内下側まで延び、撹拌翼３Ｂに対応した回転軸１の壁面を貫通した状態に設けられている。各上端は、流動物供給手段６及び圧縮エアー供給手段７の対応配管経路２ａ，２ｂに接続具を介し接続されている。各下端は、直に又は接続パイプを介し軸外へ貫通されて、混合エジクター１３の対応入口側に接続されている。なお、配管経路２Ａ，２Ｂは、２本独立したものを例示したが、圧縮エアーと流動物とを独立して圧送できれば、公知の二重管等であってもよい。
【００１６】
（混合エジェクター）混合エジェクター１３は、図４の如く鋼製ハウジングが導入筒部１４、ノズル部１７、取付部１８とを形成している。導入筒部１４内は、後側のエアー供給部１４ｂと前側の流動物供給部１４ａとが弁機構等により区画され、又、各供給部１４ａ，１４ｂに入口１３ａ，１３ｂが設けられている。この弁機構は、導入筒部１４の内周に固定されて、エア供給部１４ｂに導入される圧縮エアーを内部に導入可能な（弁座を形成している）弁ケース１５と、弁ケース１５内と流動物供給部１４ａ側とを開閉する弁部材１６とを有している。そして、入口１３ａには配管経路２Ａが、入口１３ｂには配管経路２Ｂが直に或いはパイプを介し接続される。弁部材１６は、通常、バネ部材１６ａにより閉状態になっていて両供給部１４ａ，１４ｂの間を遮断しており、エアー供給部１４ｂ（弁ケース１５）内が所定圧になるとバネ部材１６ａの付勢圧に抗し開状態に切り換えられて圧縮エアーを供給部１４ｂ側から供給部１４ａ側へ導入する。これにより、供給部１４ａ内に導入された流動物は、供給部１４ｂから導入される圧縮エアーに乗せられてノズル部１７側へ導出される。ノズル部１７は、後側が供給部１４ａに接合一体化され、前側に行くに従って横幅を増大している。ノズル部１７の噴出口１３ｃは、供給部１４ａ側から先端に向けて次第に横幅を増大した偏平な開口となっている。以上の混合エジェクター１３は、撹拌翼３Ｂの下面側で左右略中間箇所に、噴出口１３ｃが撹拌翼３Ｂの混合作動時における回転方向を向くよう配置され、取付部１８等を溶接等にて固着される。なお、混合エジェクター１３については、例えば、特開２０００−２９０９９３号の図３及び図４の如くノズル部１７を分割したり、回転軸１や撹拌翼３への取付態様として特願２００１−６１２６２号の図４の様な構成でも差し支えない。
【００１７】
（供給装置）圧縮エアー供給手段７は、コンプレッサー７ａを主体とし、配管経路２ｂに付設されたエアー圧力計７ｂ、エアー流量計７ｃ、エアー流量調整弁７ｄ、エアー圧力調整弁７ｅを備えている。コンプレッサー７ａの駆動により生成される圧縮エアーは、後述する制御手段２０のエアー演算処理部２１でエアー圧を調整された状態で配管経路２Ｂへ供給される。これに対し、流動物供給手段６は、セメント等の流動物原料用サイロ６ａと、該サイロ６ａから導入される原料と不図示の水槽側から導入される水とを混合し所定の流動物を製造する製造プラント６ｂと、低圧ポンプ（グラウトポンプ等）６ｃとを主体とし、前記配管経路２ａに付設された流動物圧力計６ｄ、流動物流量計６ｅ等を備えている。製造プラント６ｂで製造された流動物は、制御手段２０の流動物演算処理部２２で流量が調整された状態で供給配管経路２Ａへ供給される。
【００１８】
（制御手段）制御手段２０は、エアー演算処理部２１と、流動物演算処理部２２と、体積混合率演算部２３とを組として構成されている。このうち、エアー演算処理部２１は、体積混合率演算部２３からの指示信号に基づき、圧縮エアー供給手段７から圧送される圧縮エアーの流量をエアー流量調整弁７ｄを介し調整（例えば、初期設定調整）したり、圧送される圧縮エアーのエアー圧Ｐを回転軸１の深度ｚ方向に沿って調整するものであり、上記式１に準拠したプログラムが組み込まれている。エアー演算処理部２１には、回転軸１を地中へ貫入したり引き抜く過程における軸下端の深さデータ又は検出値（深度ｚ）が送信されると共に、配管経路１ｂに圧送される圧縮エアーについて、エアー圧力計７ｂで検出される圧力検出値と、エアー流量計７ｃで検出される流量検出値とが送信される。一方、流動物演算処理部２２は、体積混合率演算部２３からの指示信号に基づき、流動物供給手段６から圧送される流動物の流量を低圧ポンプ６ｃを介し調整（例えば、初期設定調整）する。流動物演算処理部２２には、回転軸１を地中へ貫入したり引き抜く過程における軸下端の深さデータ又は検出値（深度ｚ）が送信されると共に、配管経路２ａに圧送される流動物について、流動物圧力計６ｄで検出される圧力検出値と、流動物流量計６ｅで検出される流量検出値とが送信される。
【００１９】
これに対し、体積混合率演算部２３は、流動物と圧縮エアーとの最適混合率に関するプログラムが組み込まれ、エアー演算処理部２１を介し受信したエアー流量計７ｃの流量検出値と、流動物演算処理部２２を介し受信した流動物流量計６ｅの流量検出値とが設計上の最適混合率からずれているか否かを判断し、最適混合率からずれているときに、エアー演算処理部２１を介しエアー流量調整弁７ｄを調整したり、流動物演算処理部２２を介し低圧ポンプ６ｃを調整する。以上の最適混合率とは、図３に模式化した如く予め設計で決定される流動物と圧縮エアーとの混合率であり、ノズル部１７から地中へ噴出されるときのエアーと流動物との単位体積当たりの割合である。この混合率としては、試験から確認された流動物：エアー＝１：５〜３０の比率が好ましい。なお、流動物の方は、目標とする一軸圧縮強度から算出され一定値となる。このため、通常は、流動物の供給量は一定で、圧縮エアーの方で最適混合率が調整（エアー流量調整弁７ｄを介し調整）されることになる。
【００２０】
（施工要領）次に、以上の制御手段２０の作動例を実際の地盤改良工法例と共に概説する。まず、実施工では、上記した最適混合率となる様に配管経路２ｂへ圧送される圧縮エアーの流量がエアー流量調整弁７ｄを介し初期設定され、又、配管経路２ａへ圧送される流動物の流量が低圧ポンプ６ｃの駆動力を介し初期設定された後、回転軸１が回転駆動機構４により回転されて、貫入過程又は／及び引き抜き過程にて混合操作が行われる。即ち、混合処理段階では上記初期設定された通り、流動物が配管経路２ａ及び配管経路２Ａを通って混合エジェクター１３（流動物供給部１４ａ）まで圧送され、同時に、圧縮エアーが配管経路２ｂ及び配管経路２Ｂを通って混合エジェクター１３（エアー供給部１４ｂ）まで圧送される。そして、混合エジェクター１３では、上記した如くエアー供給部１４ｂが所定圧になるとバネ部材１６ａの付勢圧に抗し弁部材１６が開状態に切り換えられ、圧縮エアーが供給部１４ｂ側から供給部１４ａ側へ導入されて、供給部１４ａに導入された流動物がその圧縮エアーに乗せられてノズル部１７の噴出口１３ｃから、地中の原位置土へ向けて噴出する。この噴出態様は、流動物が圧縮エアーに同伴して霧状に噴出され、撹拌翼３Ｂの回転軌跡内で撹拌翼回転方向である前方へ強く噴射している。即ち、このエアー同伴吐出態様では、流動物が圧縮エアーに乗せられ原位置土を細分化したり流動化している。なお、本発明は、それらの作用が上記した如く地中深さに対応した土圧等の抵抗を受けて維持不能となることを解消したものである。
【００２１】
即ち、エアー演算処理部２１では、上記式１により、前記深さデータ（深度ｚ）に対応して圧縮エアーのエアー圧Ｐを演算し、該演算値がエアー圧力計７ｂで検出される圧力検出値と異なるときに、前記したエアー圧力調整弁７ｅへ信号を送ってエアー圧力調整弁７ｅを制御する。この制御は、前記演算値を充足するようエアー圧力調整弁７ｅを自動的に調整する。調整結果は、エアー圧力計７ｂで検出される圧力検出値により確認される。このため、この構造では、回転軸１が地中深く貫入しているときも、上記エアー同伴吐出態様の原位置土に対する土細分化作用や土流動化作用を同等に維持できる。このようにエアー同伴吐出態様が深さ方向各部において同等に維持できることは、流動物の投入も深さ方向で均等となるよう投入維持できることを意味する。また、この構造では、例えば、混合エジェクター１３から噴出される流動物と圧縮エアーとの体積混合率、つまり上記最適混合率がずれたとき、エアー演算処理部２１が体積混合率演算部２３から信号を受けてエアー流量調整弁７ｄを可変調整するようにしているため、最適混合率も維持され、前述した地中深さ方向における土細分化作用、土流動化作用、流動物の均等投入が安定的に維持できる。なお、本発明は、以上の形態に何ら制約されるものではなく、技術的には請求項１又は３に記載の技術要件を具備すればよいものである。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、先に開発したエアー同伴吐出態様において、固化系流動物の深さ方向各部における均一投入だけではなく、深さが増しても土細分化及び土流動化を伴う撹拌混合作動を地中深さ方向において同等に維持でき、これにより撹拌混合効率を上げて造成される改良用パイル等の高品質化及び信頼性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の地盤改良装置例の全体を示す模式構成図である。
【図２】本発明の制御手段の原理を説明するための参考図である。
【図３】本発明を説明するための参考図である。
【図４】図１の混合エジェクターを示す模式構成図である。
【符号の説明】
１は回転軸
２ａ，２Ａは流動物側の配管経路（配管）
２ｂ，２Ｂは圧縮エアー側の配管経路（配管）
３，３Ａ，３Ｂは撹拌翼
６は供給装置の流動物供給手段
７は供給装置の圧縮エアー供給手段
７ａはコンプレッサー
７ｂはエアー圧力計
７ｃはエアー流量計
７ｄはエアー流量調整弁（制御手段）
７ｅはエアー圧力調整弁（制御手段）
２０は制御装置
２１はエアー演算処理部（制御手段）

Claims (4)

1. 撹拌翼付の回転軸と、固化系の流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段と、前記回転軸又は撹拌翼側に設けられて、前記流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段に対応する配管を介し接続される混合エジェクターとを備え、前記回転軸の地中への貫入や引き抜き過程等で、前記混合エジェクターにより前記流動物供給手段から対応配管を介し送られる流動物を圧縮エアー供給手段から対応配管を介し送られる圧縮エアーに同伴させて原位置土へ噴出し原位置土と混合する軟弱地盤改良工法であって、
   前記圧縮エアー供給手段から送る圧縮エアーの圧力Ｐを、次式１に基づいて前記回転軸の深度ｚ方向に沿って調整する、ことを特徴とする軟弱地盤改良工法。
   Ｐ＝（γ×ｚ＋ΔＰ）＋α×ｑｃ （式１）
   なお、式１中、γ×ｚは処理対象である軟弱土の土水圧（ｋｇｆ／ｃｍ^２）、ΔＰは前記配管固有の圧送損失（ｋｇｆ／ｃｍ^２）、αは土質係数、ｑｃはコーン指数（ｋｇｆ／ｃｍ^２）である。
2. 前記混合エジェクターから噴出される流動物と圧縮エアーとの体積混合率が、流動物：圧縮エアー＝１：５〜３０に設定される請求項１に記載の軟弱地盤改良工法。
3. 地中へ貫入されたり引き抜かれる回転軸と、該回転軸と一体に回転される撹拌翼と、供給装置を構成している流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段と、前記回転軸又は撹拌翼側に設けられて、前記流動物供給手段及び圧縮エアー供給手段に対応する配管を介し接続され、前記流動物供給手段から送られる固化系流動物を圧縮エアー供給手段から送られる圧縮エアーに同伴させて噴出可能な混合エジェクターとを備えた軟弱地盤改良装置であって、
   前記圧縮エアー供給手段から送る圧縮エアーの圧力Ｐを、次式１を基にし前記回転軸の深度ｚ方向に沿って調整する制御手段を有している、ことを特徴とする軟弱地盤改良装置。
   Ｐ＝（γ×ｚ＋ΔＰ）＋α×ｑｃ （式１）
   なお、式１中、γ×ｚは処理対象である軟弱土の土水圧（ｋｇｆ／ｃｍ^２）、ΔＰは前記配管固有の圧送損失（ｋｇｆ／ｃｍ^２）、αは土質係数、ｑｃはコーン指数（ｋｇｆ／ｃｍ^２）である。
4. 前記制御手段は、前記圧縮エアー供給手段と前記混合エジェクターの間の配管経路に設けられた圧力計、流量計、圧力調整弁、流量調整弁と共に、前記式１に基づいて前記圧力調整弁を可変調整するエアー演算処理部を有している請求項３に記載の軟弱地盤改良装置。

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