JP5782355B2 - 地盤改良装置 - Google Patents

Description

本発明は、地盤を掘削し、その掘削部分に地盤改良材を添加して掘削土と混合し、攪拌することにより地盤改良を行う地盤改良装置に関する。

従来、地盤改良施工として、地盤をブロック状あるいは壁状に掘削し、地盤をほぐした状態で、例えば地盤改良材を添加し、ほぐされた地盤とともに混合し、攪拌することにより地盤改良壁等を施工する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１には、先端（下端）に掘削翼を設けたロッドを、隣り合う掘削翼同士が接触しないように複数のロッドを配列するとともに、各ロッドの掘削翼の上方位置に攪拌翼を設け、その攪拌翼がロッドの回転方向と異なる方向に回転させるようにした構成であって、ロッドとともに掘削翼を回転させて地盤中を下方に移動させつつ、攪拌翼によって混合し、攪拌する地盤改良装置について開示されている。

また、一般的な地盤改良装置として、３軸のロッドを地盤中に下方へ移動させるもので、それらロッドにはプロペラ状の混練翼と螺旋状の移動翼とが配置されており、それら混練翼と移動翼とが隣り合うロッド間で干渉しないように交互に配置された装置が知られている。この場合、地盤改良装置の自重によって鉛直方向下向きの推進力を作用させつつ、掘削翼を回転させて掘り下げていく構成となっている。このような地盤改良装置では、図７に示すように、連続施工により改良壁を施工する場合において、先行地盤改良領域Ｋ１１に対して隣り合う後行地盤改良領域Ｋ１２の一部をオーバーラップさせて掘削、改良している。

特開平１１−２１７８２０号公報

しかしながら、従来の地盤改良装置では、図７に示すように、隣り合う地盤改良領域Ｋ１１、Ｋ１２どうしをオーバーラップさせて掘削、改良する場合、先行地盤改良領域Ｋ１１が十分に固化する前に、後行地盤改良領域Ｋ１２を施工するため、強度の小さな状態の先行地盤改良領域Ｋ１１に隣接する地盤Ｇ（肩部の地盤Ｇｃ）に地盤改良装置１０の荷重（自重）がかかると、その肩部の地盤Ｇａに緩みが生じ、先行改良壁Ｋ１１側に崩れるうえ、地盤改良装置１０の先行地盤改良領域Ｋ１１とは反対側からは土圧を受けることになる。そのため、本来、符号Ｋ１２’のように地盤改良装置１０の姿勢を鉛直方向Ｙに向けた状態で掘削、改良すべきところを、地盤改良装置１０自体が先行地盤改良領域Ｋ１１側に逃げて傾き、その傾いた姿勢のまま掘削、改良が行われてしまい、造成された改良壁の品質を確保することができないという問題があった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、掘削地盤の安定化を図ることで、装置が傾いた姿勢になるのを防ぐことができ、形成する地盤改良壁の品質を確保することができる地盤改良装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る地盤改良装置では、地盤中を移動させて地盤改良を行う地盤改良装置であって、地盤中を移動させて地盤改良を行う地盤改良装置であって、鉛直軸回りに回転し、互いに平行に配列された少なくとも３本以上の回転軸と、回転軸の下端に固定されて水平回転する掘削翼とを備え、水平方向に配列される掘削翼のうち中央に配置される中央掘削翼は、その両側に配置される他の掘削翼よりも下側の位置に設けられ、他の掘削翼は、中央掘削翼の外周縁から水平面に対して斜め上方４５度に向けた範囲によって囲まれる領域に設けられていることを特徴としている。

本発明では、３本以上設けられる回転軸のうち中央に位置する回転軸の下端に設けられる中央掘削翼が他の両側の掘削翼よりも下側の位置に突出した状態で設けられ、本地盤改良装置による掘削断面のうち中央部分が先行して掘削されるので、中央掘削翼で掘削した領域の周囲の地山の緩みを抑えることができ、安定した掘削を行うことができる。

そして、本発明の地盤改良装置では、装置の重心位置が中央掘削翼の位置となり、装置の幅方向中心となる。そのため、連続施工により地盤改良壁を施工する場合、先行地盤改良領域に対して後行地盤改良領域の一部をオーバーラップさせて掘削、改良を行うことになるが、先行地盤改良領域に隣接する掘削面の地盤（角部の地盤）にかかる荷重を小さくすることができる。したがって、前記角部の地盤が緩むのを防ぐことが可能となるので、その角部が先行地盤改良領域側に崩れて地盤改良装置が先行地盤改良領域側に傾いた姿勢になるのを防止することができ、地盤改良装置を傾斜させずに鉛直方向に向けた姿勢で掘削、改良させることができ、地盤改良壁の品質を確保することができる。

また、装置の幅方向中心に位置する中央掘削翼に装置の重心が位置し、掘削開始初期の地盤表面に中央掘削翼の先端が挿入されるので、地盤改良装置が水平方向に振れて移動したり、傾くのを抑制することができる。
さらに、中央掘削翼で先行掘削することで、その先行地盤改良領域の周囲の地盤に緩みが生じ、中央掘削翼の両側に設けられる掘削翼の回転トルクを小さくすることが可能となり、装置全体として必要なトルクを低減することができ、駆動設備の容量を抑えることができ、コストの低減と、装置の軽量化および小型化を図ることができる。

また、 この場合には、中央掘削翼の外周縁から水平面に対して斜め上方４５度に向けた範囲によって囲まれた緩み領域に両側の掘削翼が配置されるので、これら両側の掘削翼によって緩んだ地盤を効率よく掘削することができる。

また、本発明に係る地盤改良装置では、中央掘削翼を支持する回転軸には、両側の掘削翼と同じ高さの位置に、回転軸と共に回転する攪拌翼が同軸に設けられていることが好ましい。
この場合、両側の掘削翼同士の間でかつ中央掘削翼の上方の位置において、中央掘削翼で掘削した土砂が攪拌されない部分をなくすことができる。つまり、両側の掘削翼の高さ位置でも均一に土砂を攪拌することができるので、中央掘削翼の回転軸周囲の攪拌不良によって回転トルクが上昇するのを抑えることができる。

本発明の地盤改良装置によれば、掘削地盤の安定化を図ることで、装置が傾いた姿勢になるのを防ぐことができ、形成する地盤改良壁の品質を確保することができる。

本発明の実施の形態による地盤改良装置の構成を示す正面図である。 図１に示すＡ−Ａ線矢視図であって、地盤改良装置を下方から見た図である。 図２に示す第１掘削翼の構成を示す拡大図である。 （ａ）は地盤改良領域のうち第１掘削翼と第２掘削翼とによって掘削される第１掘削領域を示す図、（ｂ）は地盤改良領域のうちサイドカッタで掘削される第２掘削領域を示す図である。 地盤改良装置を作業機に装着した側面図である。 図１に示す地盤改良装置を用いた地盤改良方法を説明するための図であって、（ａ）は掘削開始当初の状態を示す図、（ｂ）は深度方向中間部の施工状態を示す図である。 従来の地盤改良時における地盤改良装置の姿勢を示す図である。

以下、本発明の実施の形態による地盤改良装置について、図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本実施の形態による地盤改良装置１は、例えば建物の基礎直下において、壁状あるいはブロック状での地盤改良部を形成するための装置である。バックホウ等の作業機２（図５参照）のアーム先端にアタッチメントとして装着して使用され、３軸の回転軸の各下端に備えた掘削翼を回転させながら地盤中を鉛直方向下方に移動させて掘削し、その掘削土に地盤改良材を添加して混合し、攪拌することにより前記地盤改良部を施工するものである。

ここで、掘削土に添加される地盤改良材として、地盤改良の目的に応じて、例えばセメントミルク等の液状の材料や、粉体状の材料などの適宜な薬剤を採用することができる。
なお、以下の説明で「掘削土」とは、地盤改良装置１によって掘削された地盤と地盤改良材とが混合されたものも含む。また、図１に示す地盤改良装置１において、紙面に向かって左右方向の長さ寸法を「幅方向Ｘ」という。

地盤改良装置１は、鉛直軸回りに回転し、互いに平行に設けられた複数の第１回転軸１１（１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ）と、それぞれ第１回転軸１１の下端に固定されて水平回転する第１掘削翼１２（１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ）と、隣り合う第１回転軸１１同士の中間で第１回転軸１１に平行に配置され、第１回転軸１１の回転が伝達されて鉛直軸回りに回転する第２回転軸１３（１３Ａ、１３Ｂ）と、第２回転軸１３の下端に固定されて水平方向に回転する第２掘削翼１４（１４Ａ、１４Ｂ）と、第２掘削翼１４の上方で第１掘削翼１２及び第２掘削翼１４によって掘削されない断面領域（後述する第２掘削領域Ｍ２）内に位置し、隣り合う第１掘削翼１２同士の回転軌跡の共通外接線（図２の符号Ｔ）に沿って設けられるサイドカッタ１５と、を備えている。

３軸の第１回転軸１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃのうち中央の第１回転軸１１Ｂは、両側の第１回転軸１１Ａ、１１Ｃよりも下方に突出する長さ寸法であり、それぞれの上端１１ａが後述する支持フレーム１６（図５参照）に対して軸回りに回転可能に支持されている。そして、各第１回転軸１１の先端には、下方に向けて尖った形状をなす先端刃１７が設けられている。

そして、３軸の第１回転軸１１および２軸の第３回転軸１３は、それぞれが軸方向Ｙの複数個所（図１で４箇所）で連結軸１８によって互いに平行に且つ一定間隔をあけて支持されている。第２回転軸１３Ａ、１３Ｂは、それぞれ同じ長さ寸法で、第１回転軸１１よりも短く、下端に設けられる第２掘削翼１４が第１掘削翼１２よりも上方に位置するようになっている。
連結軸１８は、幅方向Ｘに沿って延び、第１回転軸１１及び第２回転軸１３をそれぞれ回転自在に支持するとともに、こられ回転軸１１、１３を水平方向に連結している。

第１掘削翼１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃは、それぞれ第１回転軸１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの下端から径方向外側に向けて棒状の翼軸１２ａが延び、その翼軸１２ａの周面に複数の切削ビット１２ｂが配置された構成となっており、第１回転軸１１とともに中心軸線回りに回転する。第２掘削翼１４Ａ、１４Ｂは、図２に示すように、第１掘削翼１２よりも小径断面を掘削するものであり、第２回転軸１３とともに中心軸線回りに回転する。
そして、第１掘削翼１２と第２掘削翼１４によって、図４（ａ）に示す第１掘削領域Ｍ１が掘削されることになる。

図３に示すように、第１掘削翼１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃのうち幅方向Ｘで中央に位置する中央掘削翼１２Ｂは、その両側に配置される他の掘削翼１２Ａ、１２Ｃよりも下側の位置に設けられている。そして、他方の掘削翼１２Ａ、１２Ｃは、中央掘削翼１２Ｂの外周縁１２ｃから水平面に対して斜め上方４５度に向けた範囲（図３でθ＝４５度）によって囲まれる領域αに設けられている。

また、図１に示すように、第１回転軸１１は、内部に軸方向全体にわたって流路が設けられており、上端１１ａに供給された地盤改良材が下端へ流通するようになっている。そして、第１掘削翼１２の周面には前記地盤改良材を噴射させるための噴出口１２ｄが内部の流路に連通した状態で設けられ、この噴出口１２ｄから地盤改良材を第１掘削翼１２の回転とともに径方向外方へ向けて噴射させ、掘削土に混合させる構成となっている。

図１に示すように、第１回転軸１１および第２回転軸１３には、これら回転軸１１、１３と共に回転する攪拌翼１９が回転軸１１、１３毎にそれぞれの軸方向の所定位置に設けられている。攪拌翼１９は、それぞれ径方向外側に向けて複数の翼が延びた形状をなし、最下部に設けられる第１連結軸１８Ａと下から二番目に設けられる第２連結軸１８Ｂとの間の範囲に設けられている。そして、第１回転軸１１に設けられる攪拌翼１９と第２回転軸１３に設けられる攪拌翼１９とが互いに干渉しないように上下方向にずれた位置に配置されている。
そして、図３に示すように、中央掘削翼１２Ｂを支持する中央回転軸１１Ｂには、両側の掘削翼１２Ａ、１２Ｃと同じ高さ位置に、中央回転軸１１Ｂと共に回転する攪拌翼１９Ａが同軸に設けられている。

図２に示すように、サイドカッタ１５は、地盤掘削装置１の厚さ方向Ｚで最下部の第１連結軸１８Ａを挟んで両側に配置され、その第１連結軸１８Ａに対して連結材２０を介して支持されている。そして、サイドカッタ１５は、図４（ｂ）に示すように、複数の第１掘削翼１２Ａ〜１２Ｃによって掘削される回転軌跡の共通外接線Ｔによって囲まれる地盤改良領域Ｍ０と、この地盤改良領域Ｍ０のうち第１掘削翼１２と第２掘削翼１４とによって掘削される第１掘削領域Ｍ１（図４（ａ）参照）と、の間の第２掘削領域Ｍ２内に位置している。
サイドカッタ１５は、内面側において、平面視で中央部から外周部へ向かうにしたがって漸次、共通外接線Ｔを含む鉛直面に向かう傾斜面が形成されており、さらに下端側が先細りとなる形状に形成されている。

図６に示すように、支持フレーム１６は、第１回転軸１１の上端１１ａ及び第２回転軸１３の上端１３ａを回転可能に支持し、作業機２のアーム２１の先端２１ａに例えばピン等の着脱自在な連結手段により連結されるとともに、内部には前記回転軸１１、１２に回転動力を与える図示しない駆動モータが設けられている。

次に、上述した地盤改良装置１を用いた地盤改良方法について説明する。
図５に示すように、地盤改良装置１をバックホウ等の作業機２のアタッチメントとして使用し、支持フレーム１６を作業機２のアーム２１の先端２１ａに取り付ける。そして、地盤改良装置１を改良対象地盤上に設置した後、作業機２により地盤改良装置１に鉛直方向で下向きの力を与え、掘削反力を取り、第１掘削翼１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃとともに第２掘削翼１４Ａ、１４Ｂを回転させて図４（ａ）に示す第１掘削領域Ｍ１の地盤を掘削し、さらにサイドカッタ１５で図４（ｂ）に示す第２掘削領域Ｍ２の地盤を削ぎ落とすようにして切削することで、地盤改良領域Ｍ０が形成されることになる。

なお、第１削領域Ｍ１および第２掘削領域Ｍ２で掘削した掘削土には、図１に示す第１掘削翼１２の噴射口１２ｄから地盤に向けて地盤改良材を噴射させ、第１回転軸１１および第２回転軸１３に設けられる複数の攪拌翼１９、および中央掘削翼１２Ｂの直上に設けられる攪拌翼１９Ａによって掘削土を均一に且つ効果的に混合し、攪拌する。

本実施の形態による地盤改良装置１では、上述したように簡単な構造であり、小型化させることができるので、バックホウなどの作業機２（図５参照）のアタッチメントとして使用することが可能である。そのため、狭い空間であっても地盤改良装置１を導入して、図６に示す地盤改良領域Ｋ１、Ｋ２を形成することができる。

次に、上述した地盤改良装置１の作用について、図面に基づいて具体的に説明する。
本地盤改良装置１では、３本設けられる第１回転軸１１のうち中央回転軸１１Ｂの下端に設けられる中央掘削翼１２Ｂが他の両側の掘削翼１２Ａ、１２Ｃよりも下側の位置に突出した状態で設けられ、本地盤改良装置１による掘削断面のうち中央部分が先行して掘削されるので、中央掘削翼１２Ｂで掘削した領域の周囲の地山の緩みを抑えることができ、安定した掘削を行うことができる。

図６（ａ）に示すように、地盤改良装置１では、装置の重心Ｊの位置が中央掘削翼１２Ｂの位置となり、装置１の幅方向中心となる。そのため、連続施工により地盤改良壁を施工する場合、図６（ｂ）に示すように、先行地盤改良領域Ｋ１に対して後行地盤改良領域Ｋ２の一部をオーバーラップさせて掘削、改良を行うことになるが、先行地盤改良領域Ｋ１に隣接する掘削面の地盤（角部の地盤Ｇａ）にかかる荷重を小さくすることができる。したがって、前記角部の地盤ｇａが緩むのを防ぐことが可能となるので、その角部が先行地盤改良領域Ｋ１側に崩れて地盤改良装置１が先行地盤改良領域Ｋ１側に傾いた姿勢になるのを防止することができ、地盤改良装置１を傾斜させずに鉛直方向Ｙに向けた姿勢で掘削、改良させることができ、地盤改良壁の品質を確保することができる。

また、図６（ａ）に示すように、装置１の幅方向中心に位置する中央掘削翼１２Ｂに装置１の重心Ｊが位置し、掘削開始初期の地盤表面Ｇｂに中央掘削翼１２Ｂの先端が挿入されるので、地盤改良装置１が水平方向に振れて移動したり、傾くのを抑制することができる。
さらに、中央掘削翼１２Ｂで先行掘削することで、その先行地盤改良領域Ｋ１の周囲の地盤に緩みが生じ、中央掘削翼１２Ｂの両側に設けられる掘削翼１２Ａ、１２Ｃの回転トルクを小さくすることが可能となり、装置全体として必要なトルクを低減することができ、駆動設備の容量を抑えることができ、コストの低減と、装置の軽量化および小型化を図ることができる。

また、図３に示すように、中央掘削翼１２Ｂの外周縁１２ｃから水平面に対して斜め上方４５度に向けた範囲によって囲まれた緩み領域αに両側の掘削翼１２Ａ、１２Ｃが配置されるので、これら両側の掘削翼１２Ａ、１２Ｃによって緩んだ地盤を効率よく掘削することができる。

さらに、中央掘削翼１２Ｂを回転支持する中央回転軸１１Ｂと同軸に設けられる攪拌翼１９Ａが両側の掘削翼１２Ａ、１２Ｃと同じ高さの位置に設けられているので、両側の掘削翼１２Ａ、１２Ｃ同士の間でかつ中央掘削翼１２Ｂの上方の位置において、中央掘削翼１２Ｂで掘削した土砂が攪拌されない部分をなくすことができる。つまり、両側の掘削翼１２Ａ、１２Ｃの高さ位置でも均一に土砂を攪拌することができるので、中央掘削翼１２Ｂの中央回転軸１１Ｂ周囲の攪拌不良によって回転トルクが上昇するのを抑えることができる。

上述のように本実施の形態による地盤改良装置では、装置が傾いた姿勢になるのを防ぐことができ、掘削地盤の安定化を図り、鉛直方向に向けて確実に掘削することができる。

以上、本発明による地盤改良装置の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施の形態では３本の第１回転軸１１Ａ〜１１Ｃを備え、そのうちの中央に位置する中央回転軸１１Ｂに設けられる中央掘削翼１２Ｂを下側に突出させた構成としているが、これに限定されることはない。例えば、第１回転軸を５本とし、それらに設けられる第１掘削翼のうち中央に配列されるものを下側に突出させる構成や、５つ第１掘削翼のうち中央を最下段とし、両側に向かうに従って順次上方に位置するように第１掘削翼の位置に段差を設けるようにしても良い。このように、第１掘削翼を備えた第１回転軸は３本以上で適宜な本数に設定することが可能である。

また、中央掘削翼１２Ｂの両側の掘削翼１２Ａ、１２Ｃに対する下側への突出長は、好ましくは中央掘削翼１２Ｂの外周縁１２ｃから水平面に対して斜め上方４５度に向けた範囲によって囲まれる領域αとしているが、この領域αの範囲であることに制限されることはない。要は、中央掘削翼が、その両側に配置される他の掘削翼よりも下側の位置に設けられていればよいのである。

さらにまた、サイドカッタ１５、連結軸１８、攪拌翼１９の大きさ、配置、形状、数量などの構成は、改良対象地盤の地質、掘削速度などに応じて適宜設定することができる。また、これらは省略することも可能である。

また、本実施の形態による地盤改良装置１はバックホウ等の作業機２に取り付けられるアタッチメントとしての使用としているが、このような使用形態であることに制限されることはなく、例えば専用の架台に設置して用いることも可能である。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１ 地盤改良装置
２ 作業機
１１、１１Ａ、１１Ｃ 第１回転軸
１１Ｂ 中央回転軸（第１回転軸）
１２、１２Ａ、１２Ｃ 第１掘削翼
１２Ｂ 中央掘削翼（第１掘削翼）
１３、１３Ａ、１３Ｂ 第２回転軸
１４、１４Ａ、１４Ｂ 第２掘削翼
１６ 支持フレーム
１８ 連結軸
１９、１９Ａ 攪拌翼
Ｊ 重心
Ｍ０ 地盤改良領域
Ｍ１ 第１掘削領域
Ｍ２ 第２掘削領域
Ｔ 共通外接線

Claims (2)

1. 地盤中を移動させて地盤改良を行う地盤改良装置であって、
   鉛直軸回りに回転し、互いに平行に配列された少なくとも３本以上の回転軸と、
   該回転軸の下端に固定されて水平回転する掘削翼と、
   を備え、
   水平方向に配列される前記掘削翼のうち中央に配置される中央掘削翼は、その両側に配置される他の掘削翼よりも下側の位置に設けられ、
   前記他の掘削翼は、前記中央掘削翼の外周縁から水平面に対して斜め上方４５度に向けた範囲によって囲まれる領域に設けられていることを特徴とする地盤改良装置。
2. 前記中央掘削翼を支持する回転軸には、前記両側の掘削翼と同じ高さの位置に、該回転軸と共に回転する攪拌翼が同軸に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良装置。

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