JP4601529B2 - 地盤改良施工機及び地盤改良工法 - Google Patents

Description

本発明は地表面において、軟弱地盤の浅層から中層部分までを固化処理する地盤改良施工機及び該地盤改良工法に関する。

従来軟弱地盤にセメント系固化材等を混合攪拌して固化処理する工法において、該工法を固化材処理する対象深度で区分すると、浅層混合処理工法と深層混合処理工法（高圧噴射系を含む）に大別されていた。
この二工法を区分けする処理深度は、浅層混合処理工法が地表面から２〜３m程度、深層混合処理工法はそれ以深が対象であった。

前記浅層混合処理工法には、汎用機械であるバックホウで混合攪拌する方法と、バックホウや泥上車をベースマシンとし、そのアームに攪拌用アタッチメントを取り付けて混合攪拌する方法がある。バックホウで混合攪拌する方法では改良深度は概ね1〜2ｍ程度、攪拌アタッチメントで混合攪拌する方法では改良深度は2〜3ｍ程度である。

前記攪拌用アタッチメントで混合攪拌する方法には、ロータリー式施工法が公知である。
この工法は、対象地盤として高含水比な超軟弱粘性土やヘドロ等を主体としている。ベースマシンは超湿地用の泥上車で、そのアーム先端にロータリー式の攪拌用アタッチメントを取付け、スラリープラントから供給される固化材スラリーをロータリー式攪拌翼部分から吐出させ、攪拌翼を回転させながら貫入・引抜きをすることによって固化材スラリーと対象土を機械的に混合攪拌する工法である。本工法の場合は改良対象深度は2.0ｍ程度である。（例えば非特許文献１参照。）

平成１１年度 超軟弱土の固化処理システム 標準積算資料・施工実績表 日本汚泥固化処理研究会 p.49

前記ロータリー式施工法においては、改良対象土が主にヘドロ等の超軟弱粘性土であり、改良対象地盤のせん断強さが20〜30kN/m²程度以下の地盤であり、また、攪拌翼の回転トルクも小さく、改良対象深度が大きくなって貫入抵抗が増大すると貫入能力や混合攪拌能力が著しく落ちるという問題があった。
そこで、更に改良可能深度が大きく対象地盤のせん断強さがある程度大きくても、貫入力・混合攪拌能力が保てる浅層から中層両域の地盤改良工法の開発が望まれていた。

本発明では、浅層から中層両域のある程度せん断強さが大きい場合（50〜60kN/ｍ^２程度）の軟弱地盤改良を目的として、改良品質を確保できる地盤改良施工機及び地盤改良工法の提供を目的とする。
また、従来の浅層及び中層の地盤改良工法が、改良対象地盤範囲全てに亘って混合攪拌を施し、いわゆる平面的改良率が100％の改良仕様しか実現できなかったのに比べ、平面的改良率を任意に設定することができる平面形状が矩形状の角柱体から成る改良柱体を、造成する地盤改良施工機及び地盤改良工法の提供を目的とする。

さらに、改良対象土質等によっては混合攪拌中に、攪拌爪や攪拌翼に掘削土が付着することによる共廻り現象の発生が防止でき、改良施工深度の増大への対応が可能な地盤改良施工法の提供を目的とする。

本発明の地盤改良施工機は、ベースマシンのアームの先端に攪拌用アタッチメントを取り付け、該攪拌用アタッチメントで攪拌混合を行う地盤改良施工機において、攪拌用アタッチメントを形成する取付フレームと攪拌装置とを着脱自在に結合し、攪拌翼が鉛直方向に回転する攪拌装置の回転攪拌翼の上部と下部に固化材スラリー吐出口を設けるとともに下部固化材スラリー吐出口の近傍にエア吐出口を併設して、攪拌アタッチメント貫入時に、下部スラリー吐出口及びエア吐出口から固化材スラリー及び圧縮空気を吐出し、引抜き時に上部スラリー吐出口から固化材スラリーを吐出するようにスラリー吐出口の切替装置を設けるとともに、固化材スラリーの吐出圧を0.5〜5MPaと設定し、また、攪拌アタッチメントの回転攪拌翼端部に設けた攪拌爪が、回転による軌跡上において、回転攪拌翼一回転中に少なくとも一つの攪拌爪の軌跡は、他の攪拌爪の軌跡に重ならないように攪拌爪を配置し、該攪拌爪を有する回転攪拌翼により対象土と固化材スラリーを混合攪拌し、地盤中に改良平面形状が矩形の改良柱体を造成する地盤改良施工機としたことである。

また、前記の地盤改良施工機を用いて、改良予定地盤中に改良平面形状が矩形の改良柱体を造成する地盤改良工法としたことである。

また、土質等により前記地盤改良施工機において、攪拌用アタッチメントの鉛直方向に回転する攪拌装置の回転翼の外側に、非回転共廻り防止部材を一枚又は複数枚放射状に設けた地盤改良施工機としたことである。

また、前記地盤改良施工機の攪拌用アタッチメントを構成する攪拌装置の、回転翼の先端に取り付けられた攪拌爪は、各攪拌爪の位置が回転による軌跡上において、回転攪拌翼一回転中に少なくとも一つの攪拌爪の軌跡は他の攪拌爪の軌跡に重ならないように攪拌爪が配置された構成としたので、混合土の細分化および混合精度を高める。

さらに攪拌アタッチメントの攪拌部平面投影形状を矩形としたので、改良平面形状が矩形の角柱体とすることができ、平面的な改良率を３０％，５０％，７０％等と任意に設定改良をすることができ、改良率100％と設定された場合でも、例えば、円形改良柱体等に比べ改良領域の重なりがなく経済的な地盤改良が可能である。

本発明の地盤改良施工機の構成要素について説明する。
まず、攪拌用アタッチメントを形成する取付フレームを種々の長さ用意し、それをアームに着脱することにより、浅層から改良深度10ｍ程度の中層領域まで固化処理できる。

また、回転攪拌翼の上部と下部に固化材スラリー吐出口を設けた攪拌アタッチメントを貫入時には下部スラリー吐出口から、引抜き時には上部スラリー吐出口から固化材スラリーを吐出するようにスラリー吐出口を貫入時と引抜き時に切替えるようにしたことによって、貫入時でも引抜き時でも対象地盤中にスラリーが吐出されたところに回転している攪拌翼が通過することとなり混合精度が確保される。

また、固化材スラリーの吐出圧力を0.5〜5MPaと設定したことによって、改良対象深度が大きくても確実にスラリーの混入がなされるとともに、吐出圧力で改良対象土がほぐされる効果もある。

さらに、下部スラリー吐出口の近傍にエア吐出口を併設し、貫入時にアタッチメント下端部から圧縮空気を吐出するようにしたことによって、貫入抵抗を減じることができ、せん断強さがある程度大きい地盤(50〜60ｋN/ｍ^２程度)でも貫入力が増大し、改良対象深度を10mまで可能とした。

さらに、攪拌アタッチメントに設けた攪拌翼先端の攪拌爪の位置が、回転による軌跡上において、回転攪拌翼一回転中に少なくとも一つの攪拌爪の軌跡は、他の攪拌爪の軌跡に重ならないように攪拌爪を配置したことにより、改良対象土が細分化され混合精度の向上に寄与する。

また、改良土質によっては、非回転共廻り部材を攪拌用アタッチメントの鉛直方向に回転する攪拌装置の回転攪拌翼の外側に一枚又は複数枚放射状に設け、混合攪拌中に改良対象土をせん断して混合精度をさらによくすることができる。

本発明は上記のような構成にしたので、従来の軟弱地盤よりもせん断強さの大きい地盤で、また改良深度が大きくても改良範囲全体を混合精度よく固化処理できる。
また、混合土の細分化および混合精度を高めるほか、改良平面形状が矩形の角柱体に形成するので改良率を適宜設定し改良をすることができる上に、改良率100％と計画された場合でも、改良平面形状を矩形の改良体とすることにより、改良平面形状が円形のような改良領域の重なりがなく経済的な地盤改良が可能である。

この発明の最良の実施の形態を以下の実施例に基づき説明する。

図１はこの発明の地盤改良施工機の側面図、図２は攪拌アタッチメントの正面図、図３は回転攪拌翼の拡大詳細図、図４は回転攪拌翼による改良平面形状が矩形になる状態図であり、バックホウ等のベースマシン１のアーム１ａの先端部のブラケット３ａにより取付けられる取付フレーム３bの下部に、攪拌装置４を着脱自在に取付けて攪拌用アタッチメント２を形成する。
攪拌用アタッチメント２は対象改良深度に応じて、種々の長さの取付フレーム３ｂを選択して取り付けることにより全体の長さを調整し、浅層あるいは中層向けと改良深度を自在に選択できるようになっている。

対象改良深度により適宜選択される長短各種の取付フレーム３ｂの先端部のブラケット３ａにより取付け形成された攪拌用アタッチメント２の攪拌装置４には、上部に駆動モータ７と、該駆動モータ７に泥土が付着しないように円形又は楕円形状のカバー１４が備えられている。
攪拌装置４の下部には、チェーン１３により前記駆動モータ７からの回転駆動力を与えられる回転軸１０が設けられ、該回転軸１０の左右両側に鉛直方向に回転掘削する回転攪拌翼１１が装着されている。
回転攪拌翼１１は図中では４枚構成であるが、これに限定されるものではない。

また、該攪拌装置先端部には、上部及び下部固化材スラリー吐出口８a、８bとエア吐出口９が設けられている。
上部及び下部スラリー吐出口８a、８bから吐出される固化材スラリーは、固化材プラント（図示せず）に設けたグラウトポンプからベースマシン１を経由して切替装置５を介してスラリーホース１５を通過し、攪拌用アタッチメント２に沿って配管６a、６bされ上部スラリー吐出口８aと下部スラリー吐出口８bに送られ、各々切替えができるようになっている。
この切替えはベースマシーンのオペレータが行い、三方コック又はアクチエータ付三方電動ボールバルブ等の切替装置を用いて行われる。

エアはコンプレッサー（図示せず）からエアホースにてベースマシン１を経由して攪拌用アタッチメント２の中へ配管されエア吐出口に連結されている。
このエアは攪拌用アタッチメント２が地盤に貫入する際に吐出され、貫入抵抗を減じ貫入力の向上に寄与しており、また、混合攪拌時にはスラリーが均一且つ広範囲に吐出されるとともに土との混合攪拌性の向上にも寄与している。

上部及び下部の固化材スラリー吐出口８a、8bからは固化材スラリーが吐出圧力0.5〜５MPa程度で必要固化材添加量を満たすスラリー量を吐出する。

図９及び図１０の攪拌爪の配設例図に示すように、回転撹拌翼１１の先端に取付けられた攪拌爪１２は、各攪拌爪１２の位置が回転による軌跡上において、回転攪拌翼１１一回転中に少なくとも一つの攪拌爪１２の軌跡は、他の攪拌爪１２の軌跡に重ならないように攪拌爪１２が配置されているので、混合対象土を細分化し混合精度を高めることができる。

また、図８に示すように土質等により攪拌装置４の回転攪拌翼１１の外側部に、非回転共廻防止部材１６を設ける。この非回転共廻り防止部材１６は回転軸１０の回転に対して非回転の状態にあり、回転攪拌翼１１が回転したときに描く軌跡にわずかな距離をおいて近接するように回転攪拌翼１１の外側に取り付ける。
上記非回転共廻り防止部材１６の取付は、回転軸１０より一方向以上に１枚又は複数枚放射状に取り付けられていて、放射状の取付枚数は回転軸１０より一方向に限定されるものではないが、貫入時の抵抗・土塊のせん断性能等を考慮すると回転攪拌翼１１より上側に１枚・１方向が望ましい。
この回転攪拌翼１１の外側に位置する非回転共廻り防止部材１６は棒状、板状、又は管状など混合により回転する土圧・貫入時の衝撃等施工に対して十分剛性を備えていればどのような形態でもよい。

この非共廻り防止部材１６は、回転軸１０に非回転の状態で連接されているので、貫入時には上向き状態で土中に引き込まれて挿入され、混合攪拌時には非回転共廻り防止部材周辺土の土圧によりほぼ静止して、回転する攪拌翼１１との間で土塊をせん断する。混合攪拌後の攪拌装置４の引抜き時には、下向きに方向を変えて攪拌装置４の一部分として引き抜かれるように構成する。
なお、図中１７は駆動用スプロケットホイル、１８はスタティクスタビライザ、１９は付着土落としビットである。
[実験例]

本発明の地盤改良装置を用いて、地盤改良工の試験施工を行った。地盤条件は、腐植土混じり粘性土、Ｎ値が０〜１、粘着力がＣ＝40kN/m²である。改良深度は6.0ｍとした。固化材仕様は、セメント系固化材ジオセット20（太平洋セメント株式会社製）水固化材比（Ｗ／Ｃ）＝1.0、添加量150 kg/m³とした。施工仕様は貫入・引抜き速度0.8ｍ／分、スラリー吐出量は、貫入時及び引抜き時に各々167リットル／分とし、貫入時は下部スラリー吐出口より、引抜き時は上部スラリー吐出口より固化材スラリーを吐出し、上下切替え吐出とした。
施工後７日材齢のボーリングによる改良品質確認では、設計改良深度6.0ｍ全長にわたって均一な固化処理がなされRQD値95％、平均一軸圧縮強さ（q_u）は785kN/m²、変動係数（CV）は0.31であり、十分な効果が確認された。
また、現場改良体の掘り出しにより、改良平面形状が1.4ｍ×1.5ｍの矩形状で角柱体であることが確認された。

さらに、上記の結果は非回転共廻り防止部材を設けた場合であり、これに対して非回転共廻り防止部材無しの場合の試験結果は、平均一軸圧縮強さ（q_u）が725kN/m²、変動係数（CV）は0.44であつた。
上記試験施工結果によると、固化材添加量と添加仕様（攪拌仕様）は同一ながら、非回転共廻り防止部材有りの方が非回転共廻り部材無しの場合より、平均一軸圧縮強さが８％程度大きく、変動係数が３０％程度小さくなっている。

本発明の地盤改良施工機を用いての工法は、例えば、１サイクルの施工における改良平面形状が矩形（標準：1.4m×1.5m）となるので、改良体の配置間隔を適当に設定することにより、平面的に改良率を任意に選択でき、例えば、改良率３０％・５０％・７０％の各ケースについての改良体平面配置例を示せば図５〜７のとおりである。

本発明の地盤改良装置及び地盤改良工法を用いれば、従来の浅層混合処理工法よりさらに大きい深度まで改良することができ、施工トラブルなどが起きにくく、施工効率がよい浅層から中層領域にわたる地盤改良工が施工できる。

本発明の地盤改良装置の一実施例の全体を示す側面図である。 本発明の地盤改良装置の撹拌アタッチメントを示す正面図である。 本発明の地盤改良装置の撹拌アタッチメントを示す平面図である。 本発明の地盤改良施工機により造成される改良体の平面形状が矩形になることを示す一例図である。 改良体配置図（３０％）を示す図ある。 改良体配置図（５０％）を示す図ある。 改良体配置図（７０％）を示す図ある。 本発明の地盤改良装置の他の実施例撹拌アタッチメントを示す正面図である。 攪拌爪の形状と取付位置の一例を示す図である 攪拌爪の形状と取付位置の他の例を示す図である

符号の説明

１ ベースマシン
１a アーム
２ 撹拌用アタッチメント
３ａ ブラケット
３ｂ 取付フレーム
４ 攪拌装置
５ 切替装置
６ａ 配管
６ｂ 配管
７ 駆動モータ
８ａ 上部固化材スラリー吐出口
８ｂ 下部固化材スラリー吐出口
９ エア吐出口
１０ 回転軸
１１ 回転攪拌翼
１２ 攪拌爪
１３ チェーン
１４ カバー
１５ スラリーホース
１６ 非回転共廻り防止部材
１７ 駆動用スプロケットホイル
１８ スタティクスタビライザ
１９ 付着土落としビット

Claims (7)

1. ベースマシンのアームの先端に攪拌用アタッチメントを取り付け、該攪拌用アタッチメントで攪拌混合を行う地盤改良施工機において、攪拌用アタッチメントを形成する取付フレームと攪拌装置とを着脱自在に結合し、攪拌翼が鉛直方向に回転する攪拌装置の回転攪拌翼の上部と下部に固化材スラリー吐出口を設けるとともに下部固化材スラリー吐出口の近傍にエア吐出口を併設して、攪拌アタッチメント貫入時に、下部スラリー吐出口及びエア吐出口から固化材スラリー及び圧縮空気を吐出し、引抜き時に上部固化材スラリー吐出口から固化材スラリーを吐出するように固化材スラリー吐出口の切替装置を設けるとともに、固化材スラリーの吐出圧を0.5〜5MPaと設定し、また、攪拌アタッチメントの回転攪拌翼端部に設けた撹拌爪が、回転による軌跡上において、回転各翼一回転中に少なくとも一つの攪拌爪の軌跡は、他の攪拌爪の軌跡に重ならないように攪拌爪を配置し、該攪拌爪を有する回転攪拌翼により対象土と固化材スラリーを混合攪拌して地盤中に改良平面形状が矩形の改良柱体を造成することを特徴とする地盤改良施工機。
2. 請求項１記載の地盤改良施工機を用いて、改良予定地盤中に改良平面形状が矩形の改良柱体を造成することを特徴とする地盤改良工法。
3. ベースマシンのアームの先端に攪拌用アタッチメントを取り付け、該攪拌用アタッチメントで攪拌混合を行う地盤改良施工機において、攪拌用アタッチメントを形成する取付フレームと攪拌装置とを着脱自在に結合し、鉛直方向に回転する攪拌装置の回転攪拌翼に非回転共廻り防止部材を設けたことを特徴とする地盤改良施工機。
4. 非回転共廻り防止部材が、攪拌用アタッチメントの鉛直方向に回転する攪拌装置の回転攪拌翼の外側に、一枚又は複数枚放射状に設けられていることを特徴とする請求項３記載の地盤改良施工機。
5. 攪拌用アタッチメントの鉛直方向に回転する攪拌装置の回転攪拌翼の外側に設けた非回転共廻り防止部材の外縁部が、回転攪拌翼の上端縁に設けた攪拌爪の通過する軌跡と同一か、それより外側に突き出るように設けたことを特徴とする請求項３記載の地盤改良施工機。
6. 前記攪拌装置の鉛直方向に回転する回転攪拌翼の上部と下部に、それぞれ固化材スラリー吐出口を設けるとともに、下部スラリー吐出口の近傍にエア吐出口を併設し、また、各スラリー吐出口への固化材スラリー吐出切替装置を設け固化材スラリーの吐出圧を0.5〜５MPaと設定したことを特徴とする請求項３記載の地盤改良施工機。
7. ベースマシンのアームの先端に取り付ける攪拌用アタッチメントを着脱自在の取付フレームと攪拌装置とから成る攪拌用アタッチメントに形成し、該攪拌用アタッチメントの鉛直方向に回転する攪拌装置の回転攪拌翼の外側に非回転共廻り防止部材を設け、該非回転共廻り防止部材の外縁部を、回転攪拌翼の上端縁に設けた攪拌爪の通過する軌跡と同一か、それより外側に突き出るように設け、また、回転攪拌翼の上端縁に装着した各攪拌爪の位置が、回転による軌跡上回転攪拌翼一回転において、同一軌跡に当たらないように攪拌爪を配置し、前記回転攪拌翼の上部と下部にそれぞれ固化材スラリー吐出口を設けるとともに、下部スラリー吐出口の近傍にエア吐出口を併設し、また、各スラリー吐出口への固化材スラリー吐出切替装置を設けた地盤改良施工機に非回転共廻り防止部材を併設し、かつ、端部に攪拌爪を有する回転攪拌翼を回転させながら、貫入時に下部スラリー吐出口及びエア吐出口から固化材スラリーと圧縮空気を併用して地中に貫入し、引抜き時に固化材スラリー吐出切替装置により切替えて、上部スラリー吐出口から固化材スラリーを0.5〜5MPaの吐出圧で吐出しながら、攪拌爪付き回転攪拌翼にて対象土と固化材スラリーを混合撹拌し地盤を改良することを特徴とする地盤改良工法。

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