JP4583730B2 - 締め固め杭造成工法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤を改良するために地盤中に砂等の杭を適所に造成する締め固め杭造成工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤等の改良を行う工法として、改良エリアの適所の地盤中に砂杭を造成して地盤改良を行うサンドコンパクションパイル工法（ＳＣＰ工法）が従来より知られている。このサンドコンパクションパイル工法による従来の締め固め杭造成工法を説明する。
【０００３】
図８に示すように、締め固め杭造成装置１は、図示しない施工機本体に対して上下方向に配置されたケーシングパイプ２と、このケーシングパイプ２を振動させる起振機３と、ケーシングパイプ２の下端側に設けられた締め固め部材４と、この締め固め部材４を上下方向に往復動させるピストンシリンダ機構５とを備えている。
【０００４】
次に、この締め固め杭造成装置１を使用した砂杭造成作業を説明する。起振機３を作動してケーシングパイプ２を地盤６中の所定深度まで貫入する。次に、ピストンシリンダ機構５を往復動させながらケーシングパイプ２の下端から砂を排出、かつ締め固めながらケーシングパイプ２を所定長だけ上方に引き抜く引き抜き工程を行う。この引き抜き工程によって、ケーシングパイプ２が引き抜かれた地盤６中のスペースに砂が充填される。
【０００５】
次に、昇降を止めてケーシングパイプ２内に砂を補給する。そして、ケーシングパイプ２を再度上方に引き抜く工程を行う。この引き工程時にピストンシリンダ機構５を往復動させながら砂を排出、かつ締め固めが行われる。以降、地表に達するまで引き抜き工程の中で締め固めを行うと、ケーシングパイプ２を貫入した位置に図９に示すような砂杭７が造成される。このような砂杭７を改良エリアに適当間隔に造成する。
【０００６】
ところで、地盤改良したい原地盤６の強度は、均一ではなくバラツキがあるのは一般的である。そのため、原地盤６の強度に応じて造成する砂杭７の杭径及び強度のいずれか一方、若しくは双方を可変させる工法を本出願人が先に提案した（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００７】
この工法を例えば杭径のみを可変する場合を例に説明すると、締め固め工程においてピストンシリンダ機構５が砂杭７を下方に押圧する押圧力を検出し、この押圧力が所定の設置値に達するまで砂杭７を押圧する。原地盤６が軟弱な箇所では砂杭７が拡径する方向に大きく圧縮変形して初めて押圧力が所定の設定値に達し、大きな径の砂杭７が造成される。
【０００８】
また、原地盤６が硬い箇所では砂杭７があまり拡径しないで押圧力が所定の設定値に達し、比較的小さな径の砂杭７が造成される。このように締め固め工程において、ピストンシリンダ機構５の押圧力を一定とする砂杭７を造成することによって原地盤の軟弱性に応じた地盤補強を行い、ひいては均一な地盤改良を達成しようとするものである。
【０００９】
【特許文献１】
特公昭６１−２５８５９号公報
【００１０】
【特許文献２】
特公昭６４−２７２５号公報
【００１１】
【特許文献３】
米国特許第４，４８７，５２４号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の締め固め杭造成工法では、原地盤６が非常に軟弱であると、ピストンシリンダ機構５の押圧力が所定の設定値に達するまでに砂杭７の径があまりにも大きくなり過ぎ、図１０の左側に示すような大径の砂杭８が造成されることになる。最悪の場合には、ピストンシリンダ機構５の押圧力が所定の設定値に達せずに、作業を一旦中止することにもなる。以上より、トータルの施工時間やトータルの砂量が増加し、これらの増加は、工事費の増大につながった。
【００１３】
特に、施工開始初期のように周囲に何ら砂杭７が造成されていない箇所では、上述のような問題が発生する可能性が高かった。
【００１４】
そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても強度的に不都合が発生しない程度の砂杭を造成し、且つ、トータルの施工時間やトータルの砂量の増加を確実に抑えることができる締め固め杭造成工法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ケーシングパイプを地盤中の所定深度まで貫入する初期貫入工程の後に、前記ケーシングパイプの下端から粉粒体を排出しつつ前記ケーシングパイプを引き抜く引き抜き工程と、前記ケーシングパイプを回転しつつ再貫入して排出した粉粒体を締め固める締め固め工程とを交互に繰り返して地盤中に粉粒体の杭を造成する締め固め杭造成工法において、前記締め固め工程では、前記ケーシングパイプを下方に押圧すると共に前記ケーシングパイプを回転して粉粒体の杭を締め固め、前記締め固め力は、前記ケーシングパイプが粉粒体の杭を押圧する押圧力と、前記ケーシングパイプが粉粒体の杭に対して回転する回転トルクとを要素として、前記粉粒体を締め固めする際に、前記押圧力と前記回転トルクを要素とした外力を締め固め力とし、且つ、前記ケーシングパイプが粉粒体を締め固めする際の締め固め力と、前記ケーシングパイプによって締め固められた粉粒体の杭径とを常時算出し、前記ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最小杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には粉粒体の杭径が最小杭径に達した時点で締め固めを完了し、前記ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最大杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には締め固め力が所定の設定値に達した時点で締め固めを完了し、締め固め力が所定の設定値に達する前に前記ケーシングパイプの締め固めによる粉粒体の杭径が最大杭径に達した場合には粉粒体の杭径が最大杭径に達した時点で締め固めを完了することを特徴とする。
【００１６】
この締め固め杭造成工法では、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても杭径が最大杭径を越えることがなく、また、所定の設定値の締め固め力で締め固めされなくとも杭径が最大杭径を有することから必要最小限の強度が保持される。従って、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても強度的に不都合が発生しない程度の粉粒体の杭が造成され、且つ、トータルの施工時間やトータルの粉粒体の量の増加が確実に抑えられる。さらに、正確に締め固め状態、即ち、杭の強度に即した情報が得られるため、所望の強度を有する杭が造成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１〜図６は本発明の一実施形態を示し、図１は締め固め杭造成装置の側面図、図２（ａ）は回転機構の正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中Ａ−Ａ線に沿う断面図、図３は締め固め杭造成装置の制御系の要部回路ブロック図、図４は締め固め杭造成時のフローチャート、図５は締め固め杭造成工法を説明する工程図、図６は造成杭の最小杭径と最大杭径を示す図である。
【００２３】
図１に示すように、締め固め杭造成装置１０は、施工機本体１１の前面にリーダ１２を有し、このリーダ１２は地盤６の表面より上方位置で垂直方向に立設されている。このリーダ１２には垂直方向に沿ってケーシングパイプ１３が昇降自在に配置されている。
【００２４】
ケーシングパイプ１３は円筒状を有し、その上端側にはホッパー１４が設けられている。このホッパー１４よりケーシングパイプ１３内に粉粒体である砂１５を投入できるようになっている。また、ケーシングパイプ１３には、該ケーシングパイプ１３内に堆積された砂１５（図５にのみ示す）の砂面位置を検出する砂面センサ１６（図３にのみ示す）が設けられている。
【００２５】
昇降機構１７は、図示しない昇降用モータとこの昇降用モータの回転力をケーシングパイプ１３に伝達する図示しない動力伝達手段とを有し、ケーシングパイプ１３を地盤６中に昇降動させる。また、昇降機構１７には、ケーシングパイプ１３の昇降動作時の油圧を検出する油圧センサ１８が設けられている。さらに、昇降機構１７には、ケーシングパイプ１３の下端の深度を検知する深度計１９が設けられている。
【００２６】
回転機構２０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、左右一対の回転用モータ２１，２１と、この各モータ２１の回転軸に固定された第１ギア２２と、この各第１ギア２２が共に噛み合い、ケーシングパイプ１３の外周の同軸上で固定された第２ギア２３とを有し、ケーシングパイプ１３を一定方向に回転させるようになっている。また、回転機構２０には、回転用モータ２１の電流値を検出する電流センサ２４が設けられている。
【００２７】
スイベルジョイント２５は、図２（ａ）に示すように、回転機構２０の下方位置のケーシングパイプ１３に設けられ、このスイベルジョイント２５を介してエアーパイプ２６が連結されている。エアーパイプ２６の他端側は図示しない空気圧縮機が接続され、エアーパイプ２６を介してケーシングパイプ１３に加圧エアーを供給できるようになっている。
【００２８】
次に、締め固め杭造成装置１０の制御系を説明する。図３に示すように、砂面センサ１６、油圧センサ１８、深度計１９、電流センサ２４の各検出出力が制御部２７に入力され、制御部２７はこれら情報等に基づいて昇降機構１７、回転機構２０、空気圧縮機などを制御するようになっている。制御部２７は、油圧センサ１８の検出する油圧値がケーシングパイプ１３の下端１３ａで砂杭３０を押圧する押圧力（砂杭３０からの反力）に比例することから、油圧センサ１８の油圧値より押圧力を演算により得る。制御部２７は、電流センサ２４の検出する電流値がケーシングパイプ１３の回転負荷に比例することから、電流センサ２４の電流値よりケーシングパイプ１３の回転トルクを演算により得る。
【００２９】
また、各種センサの検出情報などは制御部２７が施工機本体１１の運転席位置に設けられた計器盤２８に表示する。運転者は、計器盤２８より締め固め造成作業の状況を把握し、監視できるようになっている。
【００３０】
次に、締め固め杭造成装置１０による締め固め杭造成作業を図４のフロー及び図５の説明図に基づいて説明する。
【００３１】
先ず、図５の（１）の状態に示すように、締め固め杭造成装置１０を所望の施工位置まで移動し、立設されたケーシングパイプ１３内にホッパー１４より砂１５を投入する。次に、図５の（２）の状態に示すように、昇降機構１７及び回転機構２０を駆動してケーシングパイプ１３を地盤６中に回転しつつ降下させる初期貫入工程を開始する（ステップＳ１）。深度計１９でケーシングパイプ１３の下端１３ａが所定の深度Ｌに達したか否かを常時チェックし（ステップＳ２）、図５の（３）の状態に示すように、ケーシングパイプ１３の下端１３ａが所定の深度Ｌに達した時点で初期貫入工程を終了する（ステップＳ３）。
【００３２】
次に、図５の（４）の状態に示すように、ケーシングパイプ１３内を加圧エアーで加圧し、ケーシングパイプ１３の下端１３ａから砂１５を排出しつつケーシングパイプ１３を所定長さＬ１だけ引き抜く引き抜き工程を開始する（ステップＳ４）。深度計１９でケーシングパイプ１３が所定の引き抜き量Ｌ１だけ引き抜かれたか否かを常時チェックし（ステップＳ５）、ケーシングパイプ１３が所定長さＬ１だけ引き抜いた時点でケーシングパイプ１３内の加圧エアーを抜き、引き抜き工程を終了する（ステップＳ６）。この引き抜き工程によって、ケーシングパイプ１３が引き抜かれた地盤６中のスペースに砂１５が充填される。
【００３３】
次に、図５の（５）の状態に示すように、昇降機構１７及び回転機構２０を駆動してケーシングパイプ１３を回転しつつ降下させることによって再貫入する締め固め工程を開始する（ステップＳ７）。この締め固め工程では、ケーシングパイプ１３による締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０以上である否か（ステップＳ８）、締め固め力Ｆが設定値Ｆ０以上になると砂杭径Ｄが最小値Ｄ１以上に達したか否か（ステップＳ９）、締め固め力Ｆが設定値Ｆ０未満であれば砂杭径Ｄが最大値Ｄ２に達したか否か（ステップＳ１０）をチェックする。
【００３４】
ここで、締め付け力Ｆは、ケーシングパイプ１３の押圧力をＰ、引き抜き工程時のケーシングパイプ１３の回転トルクをＴ１、締め固め工程時のケーシングパイプ１３の回転トルクをＴ２、締め固め時間をｔ、施工データより得られる係数をα、βとすると、Ｆ＝α・Ｐ・（Ｔ２／Ｔ１）・ｔ＋βの式で算出される値である。
【００３５】
押圧力Ｐは油圧センサ１８の油圧値に所定の係数を、回転トルクＴ１，Ｔ２は電流センサ２４の電流値に所定の係数をそれぞれ掛けることにより算出される。
最小砂杭径Ｄ１及び最大砂杭径Ｄ２は、杭径一定で施工し、その押圧力と事前ボーリングデータとを土層毎に対照し、過去の施工データを参考としながら決定する。また、砂杭径Ｄは、直前の引き抜き工程前の砂面位置と引き抜き工程終了後の砂面位置との高低差を砂面センサ１６より検出して地盤６中に排出された砂量を算出し、この砂量と締め固め工程での締め固めストロークＳより算出される。
【００３６】
そして、図６に示すように、ケーシングパイプ１３の締め固めによって砂杭３０の杭径（杭断面積）が最小杭径（最小断面積）Ｄ１に達する前に締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０に達した場合には砂杭３０の杭径Ｄが最小杭径Ｄ１に達した時点で締め固めを完了する（ステップＳ１１）。ケーシングパイプ１３の締め固めによって砂杭３０の杭径Ｄが最大杭径（最大杭断面積）Ｄ２に達する前に締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０に達した場合には締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０に達した時点で締め固めを完了する（ステップＳ１１）。さらに、締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０に達する前にケーシングパイプ１３の締め固めによる砂杭３０の杭径Ｄが最大杭径Ｄ２に達した場合には、砂杭３０の杭径Ｄが最大杭径Ｄ２に達した時点で締め固めを完了する（ステップＳ１１）。
【００３７】
以降、前述したケーシングパイプ１３の引き抜き工程と締め固め工程とを交互に繰り返す。これら繰り返し過程でケーシングパイプ１３内の砂１５が少なくなれば、その時点でケーシングパイプ１３内のエアーを抜き、砂１５の補給作業を行う。そして、図５の（６）の状態に示すように、ケーシングパイプ１３の下端１３ａの深度がゼロに達した時点で終了する（ステップＳ１２）。すると、ケーシングパイプ１３を初期貫入させた位置に砂杭３０が造成される。造成される砂杭３０の杭径Ｄは、Ｄ１≦Ｄ≦Ｄ２の範囲である。
【００３８】
以上、この締め固め杭造成工法によれば、原地盤６が非常に軟弱な箇所であっても砂杭３０の杭径（杭断面積）が最大杭径（最大断面積）Ｄ２を越えることがなく、また、所定の設定値の締め固め力で締め固めされなくとも杭径３０が最大杭径（最大断面積）Ｄ２を有することから必要最小限の強度が保持される。従って、原地盤６が非常に軟弱な箇所であっても強度的に不都合が発生しない程度の砂杭３０を造成し、且つ、トータルの施工時間やトータルの砂量の増加を極力抑えることができる。また、原地盤６が非常に硬い箇所であっても砂杭３０の杭径（断面積）Ｄが最小杭径（最小断面積）Ｄ１より小さくなることがなく、必要最低限の杭径（断面積）の砂杭３０が造成される。
【００３９】
前記実施形態の締め固め工程では、ケーシングパイプ１３を下方に押圧すると共にケーシングパイプ１３を回転して砂１５を締め固め、その締め固め力Ｆは、ケーシングパイプ１３が砂１５を押圧する押圧力Ｐと、ケーシングパイプ１３が砂１３に対して回転する回転トルクＴ（＝Ｔ２／Ｔ１）とを要素とする。つまり、柱状の砂１５を締め固める場合にはケーシングパイプ１３から押圧力Ｐのみを加える場合よりも押圧力Ｐと回転トルクＴ（＝Ｔ２／Ｔ１）を共に加えた方が確実に締め固めされる。従って、砂１５の締め固め状態、つまり、強度を把握するには押圧力Ｐと回転トルクＴ（＝Ｔ２／Ｔ１）を要素とした外力を締め固め力とすることで正確に締め固め状態、つまり、砂杭３０の強度を把握でき、その結果、所望の強度を有する砂杭３０を造成することができる。
【００４０】
前記実施形態では、ケーシングパイプ１３の押圧力をＰ、引き抜き工程時のケーシングパイプ１３の回転トルクをＴ１、締め固め工程時のケーシングパイプ１３の回転トルクをＴ２、締め固め時間をｔ、施工データより得られる係数をα、βとすると、締め固め力Ｆは、Ｆ＝α・Ｐ・（Ｔ２／Ｔ１）・ｔ＋βの式で算出される値とした。従って、回転トルクＴの成分として直前の引き抜き工程とその後の締め固め工程との相対的な回転トルク比（Ｔ２／Ｔ１）を用いるため、地盤６の深度の違いによるケーシングパイプ１３のフリクション抵抗を除いた回転トルクＴの大きさを締め固め力の要素にできる。従って、更に正確に締め固め状態、つまり、砂杭３０の強度を把握でき、その結果、所望の強度を有する砂杭３０を造成することができる。
【００４１】
図７は前記回転機構の変形例の要部の斜視図である。前記実施形態の回転機構２０は一定方向に連続的にケーシングパイプ１３を回転させるものであったが、この変形例の回転機構（揺動機構）３１は正転方向と逆転方向に交互に往復回転させるものである。つまり、回転機構（揺動機構）３１は、図７に示すように、一対の水圧シリンダ機構３２，３２を有し、この一対のシリンダ機構３２，３２の各ピストンロッド３２ａの先端がケーシングパイプ１３の外周の略１８０度対向位置より突設された各連結アーム３３に支持ピン３４を介して連結されている。
【００４２】
一対の水圧シリンダ機構３２，３２が交互にその各ピストンロッド３２ａを進退移動することによりケーシングパイプ１３が正転方向と逆転方向に交互に往復回転される。
【００４３】
本発明の締め固め工法に変形例の回転機構３１を適用した場合にも前記実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。そして、前記実施形態の回転機構２０に比べてスイベルジョイント２５を介在することなくエアーパイプ等をケーシングパイプ１３に連結できるため、全体として締め固め杭造成装置１０の機構が簡単になるという利点がある。
【００４４】
また、締め固め杭造成工法としては、地盤改良したいエリア内に粗い間隔で砂杭３０を造成する第１ステージと、この第１ステージの後に粗い間隔の砂杭３０の間に砂杭３０を補充する第２ステージとに分割して最終的に密な間隔の砂杭３０を造成する２ステップ造成工程がある。この工法では、第１ステージで造成する砂杭３０は、所定の設定強度を常に有する必要はなく、ある程度の強度さえあれば良いと考えることができるので、本発明の締め固め造成工法は第１ステージでの砂杭３０の造成に特に優れた工法といえる。但し、本発明は、最初から密な間隔で砂杭３０を順次造成する工法に適用できることは勿論である。
【００４５】
尚、前記実施形態では、ケーシングパイプ１３が円筒状であるため、砂杭３０の断面積に変えて径寸法を用い、砂杭径Ｄが最小砂径Ｄ１以上か、最大砂径Ｄ２以上か否かを判別した。しかし、ケーシングパイプ１３が円筒状以外の形態の場合も考えられ、その場合には断面積を用いて砂杭３０の大きさを制御することになる。但し、ケーシングパイプ１３が円筒状以外の形状の場合には、ケーシングパイプ１３の回転に困難を伴うため、ケーシングパイプ１３を回転させることなく押圧力Ｐのみで砂杭３０を締め固めすることになる。この場合の締め固め力Ｆは、回転トルクＴを要素としない押圧力Ｐのみを要素とするものとなる。
【００４６】
また、前記実施形態では、杭材料である粉粒体として砂１５を用いたが、杭材料としては砂１５に限られず、砂利、砕石等の砂類似粒状材料や固化材及び砂１５や砂利等を含めたそれらの混合物、例えば砕石と鉄粉との混合物等を用いても良いことは勿論である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、締め固め工程では、ケーシングパイプが粉粒体を締め固めする際の締め固め力と、ケーシングパイプによって締め固められた粉粒体の杭径とを常時算出し、ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最小杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には粉粒体の杭径が最小杭径に達した時点で締め固めを完了し、ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最大杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には締め固め力が所定の設定値に達した時点で締め固めを完了し、締め固め力が所定の設定値に達する前にケーシングパイプの締め固めによる粉粒体の杭径が最大杭径に達した場合には、粉粒体の杭径が最大杭径に達した時点で締め固めを完了する。このような締め固め杭造成工法であるので、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても杭径が最大杭径を越えることがなく、また、所定の設定値の締め固め力で締め固めされなくとも杭径が最大杭径を有することから必要最小限の強度が保持される。従って、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても強度的に不都合が発生しない程度の粉粒体の杭を造成し、且つ、トータルの施工時間やトータルの粉粒体の量の増加を確実に抑えることができる。特に、締め固め工程では、ケーシングパイプを下方に押圧すると共にケーシングパイプを回転して粉粒体の杭を締め固め、締め固め力は、ケーシングパイプが粉粒体の杭を押圧する押圧力と、ケーシングパイプが粉粒体の杭に対して回転する回転トルクとを要素とするので、正確に締め固め状態、即ち、杭の強度に即した情報を得ることができ、所望の強度を有する杭を造成することができる。即ち、柱状の粉粒体を締め固める場合にはケーシングパイプから押圧力のみを加える場合よりも押圧力と回転力を共に加えた方が確実に締め固めされる。従って、粉粒体の締め固め状態、即ち、杭の強度を把握するには押圧力と回転トルクを要素とした外力を締め固め力とする方が正確な情報が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示し、締め固め杭造成装置の側面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示し、（ａ）は回転機構の正面図、（ｂ）は図２（ａ）中Ａ−Ａ線に沿う断面図、である。
【図３】本発明の一実施形態を示し、締め固め杭造成装置の制御系の要部回路ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態を示し、締め固め杭造成時のフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態を示し、締め固め杭造成工法を説明する工程図である。
【図６】本発明の一実施形態を示し、造成杭の最小杭径と最大杭径を示す図である。
【図７】回転機構の変形例の要部の斜視図である。
【図８】従来例の締め固め杭造成装置の要部の構成図である。
【図９】地盤中に造成された砂杭を示す断面図である。
【図１０】非常に軟弱な地盤上に造成された砂杭とほぼ標準的な径の砂杭を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 締め固め杭造成装置
１３ ケーシングパイプ
１３ａ 下端
１５ 砂（粉粒体）
３０ 砂杭（粉粒体の杭）
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤を改良するために地盤中に砂等の杭を適所に造成する締め固め杭造成工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤等の改良を行う工法として、改良エリアの適所の地盤中に砂杭を造成して地盤改良を行うサンドコンパクションパイル工法（ＳＣＰ工法）が従来より知られている。このサンドコンパクションパイル工法による従来の締め固め杭造成工法を説明する。
【０００３】
図８に示すように、締め固め杭造成装置１は、図示しない施工機本体に対して上下方向に配置されたケーシングパイプ２と、このケーシングパイプ２を振動させる起振機３と、ケーシングパイプ２の下端側に設けられた締め固め部材４と、この締め固め部材４を上下方向に往復動させるピストンシリンダ機構５とを備えている。
【０００４】
次に、この締め固め杭造成装置１を使用した砂杭造成作業を説明する。起振機３を作動してケーシングパイプ２を地盤６中の所定深度まで貫入する。次に、ピストンシリンダ機構５を往復動させながらケーシングパイプ２の下端から砂を排出、かつ締め固めながらケーシングパイプ２を所定長だけ上方に引き抜く引き抜き工程を行う。この引き抜き工程によって、ケーシングパイプ２が引き抜かれた地盤６中のスペースに砂が充填される。
【０００５】
次に、昇降を止めてケーシングパイプ２内に砂を補給する。そして、ケーシングパイプ２を再度上方に引き抜く工程を行う。この引き工程時にピストンシリンダ機構５を往復動させながら砂を排出、かつ締め固めが行われる。以降、地表に達するまで引き抜き工程の中で締め固めを行うと、ケーシングパイプ２を貫入した位置に図９に示すような砂杭７が造成される。このような砂杭７を改良エリアに適当間隔に造成する。
【０００６】
ところで、地盤改良したい原地盤６の強度は、均一ではなくバラツキがあるのは一般的である。そのため、原地盤６の強度に応じて造成する砂杭７の杭径及び強度のいずれか一方、若しくは双方を可変させる工法を本出願人が先に提案した（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００７】
この工法を例えば杭径のみを可変する場合を例に説明すると、締め固め工程においてピストンシリンダ機構５が砂杭７を下方に押圧する押圧力を検出し、この押圧力が所定の設置値に達するまで砂杭７を押圧する。原地盤６が軟弱な箇所では砂杭７が拡径する方向に大きく圧縮変形して初めて押圧力が所定の設定値に達し、大きな径の砂杭７が造成される。
【０００８】
また、原地盤６が硬い箇所では砂杭７があまり拡径しないで押圧力が所定の設定値に達し、比較的小さな径の砂杭７が造成される。このように締め固め工程において、ピストンシリンダ機構５の押圧力を一定とする砂杭７を造成することによって原地盤の軟弱性に応じた地盤補強を行い、ひいては均一な地盤改良を達成しようとするものである。
【０００９】
【特許文献１】
特公昭６１−２５８５９号公報
【００１０】
【特許文献２】
特公昭６４−２７２５号公報
【００１１】
【特許文献３】
米国特許第４，４８７，５２４号明細書
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の締め固め杭造成工法では、原地盤６が非常に軟弱であると、ピストンシリンダ機構５の押圧力が所定の設定値に達するまでに砂杭７の径があまりにも大きくなり過ぎ、図１０の左側に示すような大径の砂杭８が造成されることになる。最悪の場合には、ピストンシリンダ機構５の押圧力が所定の設定値に達せずに、作業を一旦中止することにもなる。以上より、トータルの施工時間やトータルの砂量が増加し、これらの増加は、工事費の増大につながった。
【００１３】
特に、施工開始初期のように周囲に何ら砂杭７が造成されていない箇所では、上述のような問題が発生する可能性が高かった。
【００１４】
そこで、本発明は、前記した課題を解決すべくなされたものであり、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても強度的に不都合が発生しない程度の砂杭を造成し、且つ、トータルの施工時間やトータルの砂量の増加を確実に抑えることができる締め固め杭造成工法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ケーシングパイプを地盤中の所定深度まで貫入する初期貫入工程の後に、前記ケーシングパイプの下端から粉粒体を排出しつつ前記ケーシングパイプを引き抜く引き抜き工程と、前記ケーシングパイプを回転しつつ再貫入して排出した粉粒体を締め固める締め固め工程とを交互に繰り返して地盤中に粉粒体の杭を造成する締め固め杭造成工法において、前記締め固め工程では、前記ケーシングパイプを下方に押圧すると共に前記ケーシングパイプを回転して粉粒体の杭を締め固め、前記締め固め力は、前記ケーシングパイプが粉粒体の杭を押圧する押圧力と、前記ケーシングパイプが粉粒体の杭に対して回転する回転トルクとを要素として、前記粉粒体を締め固めする際に、前記押圧力と前記回転トルクを要素とした外力を締め固め力とし、且つ、前記ケーシングパイプが粉粒体を締め固めする際の締め固め力と、前記ケーシングパイプによって締め固められた粉粒体の杭径とを常時算出し、前記ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最小杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には粉粒体の杭径が最小杭径に達した時点で締め固めを完了し、前記ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最大杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には締め固め力が所定の設定値に達した時点で締め固めを完了し、締め固め力が所定の設定値に達する前に前記ケーシングパイプの締め固めによる粉粒体の杭径が最大杭径に達した場合には粉粒体の杭径が最大杭径に達した時点で締め固めを完了することを特徴とする。
【００１６】
この締め固め杭造成工法では、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても杭径が最大杭径を越えることがなく、また、所定の設定値の締め固め力で締め固めされなくとも杭径が最大杭径を有することから必要最小限の強度が保持される。従って、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても強度的に不都合が発生しない程度の粉粒体の杭が造成され、且つ、トータルの施工時間やトータルの粉粒体の量の増加が確実に抑えられる。さらに、正確に締め固め状態、即ち、杭の強度に即した情報が得られるため、所望の強度を有する杭が造成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２２】
図１〜図６は本発明の一実施形態を示し、図１は締め固め杭造成装置の側面図、図２（ａ）は回転機構の正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）中Ａ−Ａ線に沿う断面図、図３は締め固め杭造成装置の制御系の要部回路ブロック図、図４は締め固め杭造成時のフローチャート、図５は締め固め杭造成工法を説明する工程図、図６は造成杭の最小杭径と最大杭径を示す図である。
【００２３】
図１に示すように、締め固め杭造成装置１０は、施工機本体１１の前面にリーダ１２を有し、このリーダ１２は地盤６の表面より上方位置で垂直方向に立設されている。このリーダ１２には垂直方向に沿ってケーシングパイプ１３が昇降自在に配置されている。
【００２４】
ケーシングパイプ１３は円筒状を有し、その上端側にはホッパー１４が設けられている。このホッパー１４よりケーシングパイプ１３内に粉粒体である砂１５を投入できるようになっている。また、ケーシングパイプ１３には、該ケーシングパイプ１３内に堆積された砂１５（図５にのみ示す）の砂面位置を検出する砂面センサ１６（図３にのみ示す）が設けられている。
【００２５】
昇降機構１７は、図示しない昇降用モータとこの昇降用モータの回転力をケーシングパイプ１３に伝達する図示しない動力伝達手段とを有し、ケーシングパイプ１３を地盤６中に昇降動させる。また、昇降機構１７には、ケーシングパイプ１３の昇降動作時の油圧を検出する油圧センサ１８が設けられている。さらに、昇降機構１７には、ケーシングパイプ１３の下端の深度を検知する深度計１９が設けられている。
【００２６】
回転機構２０は、図２（ａ），（ｂ）に示すように、左右一対の回転用モータ２１，２１と、この各モータ２１の回転軸に固定された第１ギア２２と、この各第１ギア２２が共に噛み合い、ケーシングパイプ１３の外周の同軸上で固定された第２ギア２３とを有し、ケーシングパイプ１３を一定方向に回転させるようになっている。また、回転機構２０には、回転用モータ２１の電流値を検出する電流センサ２４が設けられている。
【００２７】
スイベルジョイント２５は、図２（ａ）に示すように、回転機構２０の下方位置のケーシングパイプ１３に設けられ、このスイベルジョイント２５を介してエアーパイプ２６が連結されている。エアーパイプ２６の他端側は図示しない空気圧縮機が接続され、エアーパイプ２６を介してケーシングパイプ１３に加圧エアーを供給できるようになっている。
【００２８】
次に、締め固め杭造成装置１０の制御系を説明する。図３に示すように、砂面センサ１６、油圧センサ１８、深度計１９、電流センサ２４の各検出出力が制御部２７に入力され、制御部２７はこれら情報等に基づいて昇降機構１７、回転機構２０、空気圧縮機などを制御するようになっている。制御部２７は、油圧センサ１８の検出する油圧値がケーシングパイプ１３の下端１３ａで砂杭３０を押圧する押圧力（砂杭３０からの反力）に比例することから、油圧センサ１８の油圧値より押圧力を演算により得る。制御部２７は、電流センサ２４の検出する電流値がケーシングパイプ１３の回転負荷に比例することから、電流センサ２４の電流値よりケーシングパイプ１３の回転トルクを演算により得る。
【００２９】
また、各種センサの検出情報などは制御部２７が施工機本体１１の運転席位置に設けられた計器盤２８に表示する。運転者は、計器盤２８より締め固め造成作業の状況を把握し、監視できるようになっている。
【００３０】
次に、締め固め杭造成装置１０による締め固め杭造成作業を図４のフロー及び図５の説明図に基づいて説明する。
【００３１】
先ず、図５の（１）の状態に示すように、締め固め杭造成装置１０を所望の施工位置まで移動し、立設されたケーシングパイプ１３内にホッパー１４より砂１５を投入する。次に、図５の（２）の状態に示すように、昇降機構１７及び回転機構２０を駆動してケーシングパイプ１３を地盤６中に回転しつつ降下させる初期貫入工程を開始する（ステップＳ１）。深度計１９でケーシングパイプ１３の下端１３ａが所定の深度Ｌに達したか否かを常時チェックし（ステップＳ２）、図５の（３）の状態に示すように、ケーシングパイプ１３の下端１３ａが所定の深度Ｌに達した時点で初期貫入工程を終了する（ステップＳ３）。
【００３２】
次に、図５の（４）の状態に示すように、ケーシングパイプ１３内を加圧エアーで加圧し、ケーシングパイプ１３の下端１３ａから砂１５を排出しつつケーシングパイプ１３を所定長さＬ１だけ引き抜く引き抜き工程を開始する（ステップＳ４）。深度計１９でケーシングパイプ１３が所定の引き抜き量Ｌ１だけ引き抜かれたか否かを常時チェックし（ステップＳ５）、ケーシングパイプ１３が所定長さＬ１だけ引き抜いた時点でケーシングパイプ１３内の加圧エアーを抜き、引き抜き工程を終了する（ステップＳ６）。この引き抜き工程によって、ケーシングパイプ１３が引き抜かれた地盤６中のスペースに砂１５が充填される。
【００３３】
次に、図５の（５）の状態に示すように、昇降機構１７及び回転機構２０を駆動してケーシングパイプ１３を回転しつつ降下させることによって再貫入する締め固め工程を開始する（ステップＳ７）。この締め固め工程では、ケーシングパイプ１３による締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０以上である否か（ステップＳ８）、締め固め力Ｆが設定値Ｆ０以上になると砂杭径Ｄが最小値Ｄ１以上に達したか否か（ステップＳ９）、締め固め力Ｆが設定値Ｆ０未満であれば砂杭径Ｄが最大値Ｄ２に達したか否か（ステップＳ１０）をチェックする。
【００３４】
ここで、締め付け力Ｆは、ケーシングパイプ１３の押圧力をＰ、引き抜き工程時のケーシングパイプ１３の回転トルクをＴ１、締め固め工程時のケーシングパイプ１３の回転トルクをＴ２、締め固め時間をｔ、施工データより得られる係数をα、βとすると、Ｆ＝α・Ｐ・（Ｔ２／Ｔ１）・ｔ＋βの式で算出される値である。
【００３５】
押圧力Ｐは油圧センサ１８の油圧値に所定の係数を、回転トルクＴ１，Ｔ２は電流センサ２４の電流値に所定の係数をそれぞれ掛けることにより算出される。
最小砂杭径Ｄ１及び最大砂杭径Ｄ２は、杭径一定で施工し、その押圧力と事前ボーリングデータとを土層毎に対照し、過去の施工データを参考としながら決定する。また、砂杭径Ｄは、直前の引き抜き工程前の砂面位置と引き抜き工程終了後の砂面位置との高低差を砂面センサ１６より検出して地盤６中に排出された砂量を算出し、この砂量と締め固め工程での締め固めストロークＳより算出される。
【００３６】
そして、図６に示すように、ケーシングパイプ１３の締め固めによって砂杭３０の杭径（杭断面積）が最小杭径（最小断面積）Ｄ１に達する前に締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０に達した場合には砂杭３０の杭径Ｄが最小杭径Ｄ１に達した時点で締め固めを完了する（ステップＳ１１）。ケーシングパイプ１３の締め固めによって砂杭３０の杭径Ｄが最大杭径（最大杭断面積）Ｄ２に達する前に締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０に達した場合には締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０に達した時点で締め固めを完了する（ステップＳ１１）。さらに、締め固め力Ｆが所定の設定値Ｆ０に達する前にケーシングパイプ１３の締め固めによる砂杭３０の杭径Ｄが最大杭径Ｄ２に達した場合には、砂杭３０の杭径Ｄが最大杭径Ｄ２に達した時点で締め固めを完了する（ステップＳ１１）。
【００３７】
以降、前述したケーシングパイプ１３の引き抜き工程と締め固め工程とを交互に繰り返す。これら繰り返し過程でケーシングパイプ１３内の砂１５が少なくなれば、その時点でケーシングパイプ１３内のエアーを抜き、砂１５の補給作業を行う。そして、図５の（６）の状態に示すように、ケーシングパイプ１３の下端１３ａの深度がゼロに達した時点で終了する（ステップＳ１２）。すると、ケーシングパイプ１３を初期貫入させた位置に砂杭３０が造成される。造成される砂杭３０の杭径Ｄは、Ｄ１≦Ｄ≦Ｄ２の範囲である。
【００３８】
以上、この締め固め杭造成工法によれば、原地盤６が非常に軟弱な箇所であっても砂杭３０の杭径（杭断面積）が最大杭径（最大断面積）Ｄ２を越えることがなく、また、所定の設定値の締め固め力で締め固めされなくとも杭径３０が最大杭径（最大断面積）Ｄ２を有することから必要最小限の強度が保持される。従って、原地盤６が非常に軟弱な箇所であっても強度的に不都合が発生しない程度の砂杭３０を造成し、且つ、トータルの施工時間やトータルの砂量の増加を極力抑えることができる。また、原地盤６が非常に硬い箇所であっても砂杭３０の杭径（断面積）Ｄが最小杭径（最小断面積）Ｄ１より小さくなることがなく、必要最低限の杭径（断面積）の砂杭３０が造成される。
【００３９】
前記実施形態の締め固め工程では、ケーシングパイプ１３を下方に押圧すると共にケーシングパイプ１３を回転して砂１５を締め固め、その締め固め力Ｆは、ケーシングパイプ１３が砂１５を押圧する押圧力Ｐと、ケーシングパイプ１３が砂１３に対して回転する回転トルクＴ（＝Ｔ２／Ｔ１）とを要素とする。つまり、柱状の砂１５を締め固める場合にはケーシングパイプ１３から押圧力Ｐのみを加える場合よりも押圧力Ｐと回転トルクＴ（＝Ｔ２／Ｔ１）を共に加えた方が確実に締め固めされる。従って、砂１５の締め固め状態、つまり、強度を把握するには押圧力Ｐと回転トルクＴ（＝Ｔ２／Ｔ１）を要素とした外力を締め固め力とすることで正確に締め固め状態、つまり、砂杭３０の強度を把握でき、その結果、所望の強度を有する砂杭３０を造成することができる。
【００４０】
前記実施形態では、ケーシングパイプ１３の押圧力をＰ、引き抜き工程時のケーシングパイプ１３の回転トルクをＴ１、締め固め工程時のケーシングパイプ１３の回転トルクをＴ２、締め固め時間をｔ、施工データより得られる係数をα、βとすると、締め固め力Ｆは、Ｆ＝α・Ｐ・（Ｔ２／Ｔ１）・ｔ＋βの式で算出される値とした。従って、回転トルクＴの成分として直前の引き抜き工程とその後の締め固め工程との相対的な回転トルク比（Ｔ２／Ｔ１）を用いるため、地盤６の深度の違いによるケーシングパイプ１３のフリクション抵抗を除いた回転トルクＴの大きさを締め固め力の要素にできる。従って、更に正確に締め固め状態、つまり、砂杭３０の強度を把握でき、その結果、所望の強度を有する砂杭３０を造成することができる。
【００４１】
図７は前記回転機構の変形例の要部の斜視図である。前記実施形態の回転機構２０は一定方向に連続的にケーシングパイプ１３を回転させるものであったが、この変形例の回転機構（揺動機構）３１は正転方向と逆転方向に交互に往復回転させるものである。つまり、回転機構（揺動機構）３１は、図７に示すように、一対の水圧シリンダ機構３２，３２を有し、この一対のシリンダ機構３２，３２の各ピストンロッド３２ａの先端がケーシングパイプ１３の外周の略１８０度対向位置より突設された各連結アーム３３に支持ピン３４を介して連結されている。
【００４２】
一対の水圧シリンダ機構３２，３２が交互にその各ピストンロッド３２ａを進退移動することによりケーシングパイプ１３が正転方向と逆転方向に交互に往復回転される。
【００４３】
本発明の締め固め工法に変形例の回転機構３１を適用した場合にも前記実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。そして、前記実施形態の回転機構２０に比べてスイベルジョイント２５を介在することなくエアーパイプ等をケーシングパイプ１３に連結できるため、全体として締め固め杭造成装置１０の機構が簡単になるという利点がある。
【００４４】
また、締め固め杭造成工法としては、地盤改良したいエリア内に粗い間隔で砂杭３０を造成する第１ステージと、この第１ステージの後に粗い間隔の砂杭３０の間に砂杭３０を補充する第２ステージとに分割して最終的に密な間隔の砂杭３０を造成する２ステップ造成工程がある。この工法では、第１ステージで造成する砂杭３０は、所定の設定強度を常に有する必要はなく、ある程度の強度さえあれば良いと考えることができるので、本発明の締め固め造成工法は第１ステージでの砂杭３０の造成に特に優れた工法といえる。但し、本発明は、最初から密な間隔で砂杭３０を順次造成する工法に適用できることは勿論である。
【００４５】
尚、前記実施形態では、ケーシングパイプ１３が円筒状であるため、砂杭３０の断面積に変えて径寸法を用い、砂杭径Ｄが最小砂径Ｄ１以上か、最大砂径Ｄ２以上か否かを判別した。しかし、ケーシングパイプ１３が円筒状以外の形態の場合も考えられ、その場合には断面積を用いて砂杭３０の大きさを制御することになる。但し、ケーシングパイプ１３が円筒状以外の形状の場合には、ケーシングパイプ１３の回転に困難を伴うため、ケーシングパイプ１３を回転させることなく押圧力Ｐのみで砂杭３０を締め固めすることになる。この場合の締め固め力Ｆは、回転トルクＴを要素としない押圧力Ｐのみを要素とするものとなる。
【００４６】
また、前記実施形態では、杭材料である粉粒体として砂１５を用いたが、杭材料としては砂１５に限られず、砂利、砕石等の砂類似粒状材料や固化材及び砂１５や砂利等を含めたそれらの混合物、例えば砕石と鉄粉との混合物等を用いても良いことは勿論である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、締め固め工程では、ケーシングパイプが粉粒体を締め固めする際の締め固め力と、ケーシングパイプによって締め固められた粉粒体の杭径とを常時算出し、ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最小杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には粉粒体の杭径が最小杭径に達した時点で締め固めを完了し、ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最大杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には締め固め力が所定の設定値に達した時点で締め固めを完了し、締め固め力が所定の設定値に達する前にケーシングパイプの締め固めによる粉粒体の杭径が最大杭径に達した場合には、粉粒体の杭径が最大杭径に達した時点で締め固めを完了する。このような締め固め杭造成工法であるので、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても杭径が最大杭径を越えることがなく、また、所定の設定値の締め固め力で締め固めされなくとも杭径が最大杭径を有することから必要最小限の強度が保持される。従って、原地盤が非常に軟弱な箇所であっても強度的に不都合が発生しない程度の粉粒体の杭を造成し、且つ、トータルの施工時間やトータルの粉粒体の量の増加を確実に抑えることができる。特に、締め固め工程では、ケーシングパイプを下方に押圧すると共にケーシングパイプを回転して粉粒体の杭を締め固め、締め固め力は、ケーシングパイプが粉粒体の杭を押圧する押圧力と、ケーシングパイプが粉粒体の杭に対して回転する回転トルクとを要素とするので、正確に締め固め状態、即ち、杭の強度に即した情報を得ることができ、所望の強度を有する杭を造成することができる。即ち、柱状の粉粒体を締め固める場合にはケーシングパイプから押圧力のみを加える場合よりも押圧力と回転力を共に加えた方が確実に締め固めされる。従って、粉粒体の締め固め状態、即ち、杭の強度を把握するには押圧力と回転トルクを要素とした外力を締め固め力とする方が正確な情報が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示し、締め固め杭造成装置の側面図である。
【図２】本発明の一実施形態を示し、（ａ）は回転機構の正面図、（ｂ）は図２（ａ）中Ａ−Ａ線に沿う断面図、である。
【図３】本発明の一実施形態を示し、締め固め杭造成装置の制御系の要部回路ブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態を示し、締め固め杭造成時のフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態を示し、締め固め杭造成工法を説明する工程図である。
【図６】本発明の一実施形態を示し、造成杭の最小杭径と最大杭径を示す図である。
【図７】回転機構の変形例の要部の斜視図である。
【図８】従来例の締め固め杭造成装置の要部の構成図である。
【図９】地盤中に造成された砂杭を示す断面図である。
【図１０】非常に軟弱な地盤上に造成された砂杭とほぼ標準的な径の砂杭を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 締め固め杭造成装置
１３ ケーシングパイプ
１３ａ 下端
１５ 砂（粉粒体）
３０ 砂杭（粉粒体の杭）
Claims (1)
- ケーシングパイプを地盤中の所定深度まで貫入する初期貫入工程の後に、前記ケーシングパイプの下端から粉粒体を排出しつつ前記ケーシングパイプを引き抜く引き抜き工程と、前記ケーシングパイプを回転しつつ再貫入して排出した粉粒体を締め固める締め固め工程とを交互に繰り返して地盤中に粉粒体の杭を造成する締め固め杭造成工法において、
前記締め固め工程では、前記ケーシングパイプを下方に押圧すると共に前記ケーシングパイプを回転して粉粒体の杭を締め固め、前記締め固め力は、前記ケーシングパイプが粉粒体の杭を押圧する押圧力と、前記ケーシングパイプが粉粒体の杭に対して回転する回転トルクとを要素として、前記粉粒体を締め固めする際に、前記押圧力と前記回転トルクを要素とした外力を締め固め力とし、且つ、前記ケーシングパイプが粉粒体を締め固めする際の締め固め力と、前記ケーシングパイプによって締め固められた粉粒体の杭径とを常時算出し、前記ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最小杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には粉粒体の杭径が最小杭径に達した時点で締め固めを完了し、前記ケーシングパイプの締め固めによって粉粒体の杭径が最大杭径に達する前に締め固め力が所定の設定値に達した場合には締め固め力が所定の設定値に達した時点で締め固めを完了し、締め固め力が所定の設定値に達する前に前記ケーシングパイプの締め固めによる粉粒体の杭径が最大杭径に達した場合には粉粒体の杭径が最大杭径に達した時点で締め固めを完了することを特徴とする締め固め杭造成工法。
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