JP5873309B2

JP5873309B2 - 不飽和化機能付き圧入杭工法及び該工法に用いる施工装置

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Publication number: JP5873309B2
Application number: JP2011257183A
Authority: JP
Inventors: 三好　朗弘; 朗弘三好; 磯谷　修二; 修二磯谷; 辰夫高橋
Original assignee: Fudo Tetra Corp
Current assignee: Fudo Tetra Corp
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2016-03-01
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP2013112937A

Description

本発明は、砕石や砂等を締め固め拡径して圧入粒状杭（以下単に「圧入杭」という。）を造成して、圧入杭周辺地盤を締め固めると共に、液状化の原因となる過剰間隙水圧の消散と圧入杭周辺地盤を不飽和化させる液状化対策工法に使用する不飽和化機能付き圧入杭工法及び該工法に用いる施工装置に関する。

液状化対策工法の一つとして、砕石ドレーン工法が知られている。この砕石ドレーン工法は、地震により液状化が生じる砂質等の地盤中に孔を所定深度まで削孔し、該孔内に砕石を投入して地盤中に砕石パイルを構築し、これにより地震時に発生する過剰間隙水圧の抑制及び消散を行って液状化を未然に防止する工法である。

特開昭６１−２０７７１１号公報

前記従来の砕石ドレーン工法では、液状化対象地盤の過剰間隙水圧を消散するドレーン杭であり、施工時に地盤変位が少ないため、安価になる場合があるが、地震レベルが大きくなるにつれて、ドレーン杭のピッチ間隔を狭める必要があるため、その分施工費が高額になる問題があった。また、施工機械が大型であり、狭隘な土地や既設構造物に隣接した土地での施工が難しかった。

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、小型施工機により不飽和化機能付き圧入杭を施工することで、地震レベルに対する適用範囲を向上させ、圧入杭工法と不飽和化工法の複合技術を効果的な施工法によって提供することで、狭隘な施工条件に適用することができ、かつ環境に優しい経済的な不飽和化機能付き圧入杭工法及び該工法に用いる掘削拡径装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、支持用のリーダーからの反力が得られる強制昇降装置と一体的に結合されたオーガスクリューの先端に掘削拡径装置を装備した施工装置を用い、地盤の所定深度まで該施工装置により原地盤を掘削して地表に排土することで削孔部を形成し、この削孔部から前記施工装置を引き抜く際に該削孔部内に前記オーガスクリューの外周面に添って透水性の粒状材を投入しながら、該施工装置を用いて、引抜、再貫入を繰り返すことで前記透水性の粒状材を締め固め拡径して締め固め圧入杭を造成する不飽和化機能付き圧入杭工法において、前記圧入杭を造成する際に、前記削孔部内を前記掘削拡径装置に内蔵された漏気防止弁で塞ぐと共に、該掘削拡径装置に設けたエア吐出口より空気を吐出して該削孔部の周辺の原地盤に該空気を注入して不飽和化することを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の不飽和化機能付き圧入杭工法であって、前記オーガスクリューの先端に装備され、正回転時には開口し、逆回転時には閉口する機構とする漏気防止弁とエア吐出口により構成された前記掘削拡径装置を用い、前記再貫入の際に前記エア吐出口より前記空気を吐出することを特徴とする。

請求項３の発明は、支持用のリーダーからの反力が得られる強制昇降装置と一体的に結合されたオーガスクリューの先端に掘削拡径装置を装備した施工装置を用い、地盤の所定深度まで該施工装置により原地盤を掘削して地表に排土することで削孔部を形成し、この削孔部から前記施工装置を引き抜く際に該削孔部内に前記オーガスクリューの外周面に添って透水性の粒状材を投入しながら、該施工装置を用いて、引抜、再貫入を繰り返すことで前記透水性の粒状材を締め固め拡径して締め固め圧入杭を造成する圧入杭工法に用いる施工装置において、円筒状のオーガスクリューの下端側開口部の外側に取付部材を介して取り付けられた円筒状の掘削拡径装置と、前記取付部材にヒンジを介して回動自在に取り付けられ、前記円筒状の掘削拡径装置の開口部を開閉する漏気防止弁と、前記取付部材に取り付けられ、前記圧入杭を造成する際に前記削孔部の周辺の原地盤に空気を吐出して注入するエア吐出口とを備えたことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の施工装置であって、前記円筒状の掘削拡径装置の下端側開口部に前記取付部材を前記漏気防止弁の枚数に合わせて平面視均等に取り付け、この取付部材の平面視均等の中心位置より外周側に平面視均等形状に前記漏気防止弁をヒンジを介して回動自在にそれぞれ取り付け、かつ、前記平面視均等形状の取付部材の中心位置に前記エア吐出口を取り付けたことを特徴とする。

以上説明したように、請求項１の発明の不飽和化機能付き圧入杭工法によれば、圧入杭工法に不飽和化工法を組み合わせた不飽和化機能付き圧入杭工法を提供することができる。即ち、この不飽和化機能付き圧入杭工法は、環境に優しい材料（砕石や砂等の必要排水機能を有する材料）を使用し、施工時に周辺地盤への変位を抑制して、狭隘な土地や既設構造物に隣接した土地での施工を小型施工機により簡単かつ経済的に行うことができる。

また、圧入杭工法に不飽和化機能を兼ね備えさせることで、圧入杭工法で対応できない範囲の地震レベルでも不飽和化機能で過剰間隙水圧の上昇を低減することができ、適用範囲を広くすることができる。

さらに、不飽和化機能は、従来の砕石ドレーン工法と同じ施工コストで兼ね備えることができ、また、従来の砕石ドレーン工法と同じ施工能率で施工することができる。

請求項２の発明の不飽和化機能付き圧入杭工法によれば、掘削拡径装置を打ち戻す際にエア吐出口より空気を吐出するようにしたので、削孔部から地表に抜け出ようとする空気を削孔部の周辺の原地盤中に確実に注入することができ、削孔部の周辺の原地盤を効率良く確実に不飽和化することができる。

請求項３の発明の施工装置によれば、圧入工法に用いる掘削拡径装置に漏気防止弁とエア吐出口を装備したことで、地盤中への空気注入を可能にした不飽和化機能を兼ね備えることができ、圧入杭の造成と原地盤の不飽和化を同時に施工することできる。また、複数の圧入杭からなる圧入造成部は、掘削拡径装置とオーガスクリューで原地盤土を地表に排出した後で造成することで、施工時の地盤変位を抑制した環境に優しい施工をすることができる。

請求項４の発明の施工装置によれば、円筒状の掘削拡径装置の下端側開口部に取付部材を漏気防止弁の枚数に合わせて平面視均等に取り付け、この取付部材の平面視均等の中心位置より外周側に平面視均等形状に漏気防止弁をヒンジを介して回動自在にそれぞれ取り付け、かつ、平面視均等形状の取付部材の中心位置にエア吐出口を取り付けたことにより、削孔部から地表に抜け出ようとする空気の漏れを確実に防止することができる。これにより、削孔部の周辺の原地盤中に空気を効率良く確実に注入することができ、削孔部の周辺の原地盤を効率良く確実に不飽和化することができる。

本発明の一実施形態の不飽和化機能付き圧入杭工法に用いる施工装置の側面図である。（ａ）は上記施工装置の掘削拡径装置の貫入時の側面図、（ｂ）は同貫入時の掘削拡径装置の底面図、（ｃ）は同貫入時の掘削拡径装置の斜視図である。（ａ）は上記掘削拡径装置の引き抜き時の側面図、（ｂ）は同引き抜き時の掘削拡径装置の底面図、（ｃ）は同引き抜き時の掘削拡径装置の斜視図である。（ａ）は上記掘削拡径装置の打ち戻し時の側面図、（ｂ）は同打ち戻し時の掘削拡径装置の底面図、（ｃ）は同打ち戻し時の掘削拡径装置の斜視図である。上記不飽和化機能付き圧入杭工法により施工する過程を順に示す説明図である。上記不飽和化機能付き圧入杭工法の施工を示す説明図である。（ａ）は上記不飽和化機能付き圧入杭工法の施工により造成された圧入杭の平面図、（ｂ）は同圧入杭の断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態の不飽和化機能付き圧入杭工法に用いる施工装置の側面図、図２（ａ）は同施工装置の掘削拡径装置の貫入時の側面図、図２（ｂ）は同貫入時の掘削拡径装置の底面図、図２（ｃ）は同貫入時の掘削拡径装置の斜視図、図３（ａ）は同掘削拡径装置の引き抜き時の側面図、図３（ｂ）は同引き抜き時の掘削拡径装置の底面図、図３（ｃ）は同引き抜き時の掘削拡径装置の斜視図、図４（ａ）は同掘削拡径装置の打ち戻し時の側面図、図４（ｂ）は同打ち戻し時の掘削拡径装置の底面図、図４（ｃ）は同打ち戻し時の掘削拡径装置の斜視図、図５は同不飽和化機能付き圧入杭工法により施工する過程を順に示す説明図、図６は同不飽和化機能付き圧入杭工法の施工を示す説明図、図７（ａ）は同不飽和化機能付き圧入杭工法の施工により造成された圧入杭の平面図、図７（ｂ）は同圧入杭の断面図である。

図１に示すように、施工装置１０は、施工装置本体１１の前面側に支持用のリーダー１２を有し、この支持用のリーダ１２は、地盤１の地表１ａに対して垂直に起立している。この支持用のリーダー１２には、強制昇降装置１３を介して先端に掘削拡径装置３０を連結したオーガスクリュー２０が昇降動及び回動自在に配設されている。即ち、オーガスクリュー２０は支持用のリーダー１２からの反力が得られる強制昇降装置１３と一体的に結合されており、このオーガスクリュー２０の先端に掘削拡径装置３０を装備してある。

オーガスクリュー２０は中空円管状（円筒状）に形成してあり、その外周面２０ａの中央から先端（下端）にかけてスパイラル状羽根２１が連続して設けられている。そして、このオーガスクリュー２０と後述する掘削拡径装置３０の回動及び昇降動により原地盤１ｂを掘削して地表１ａに排土することで削孔部３を形成し、この削孔部３からオーガスクリュー２０と掘削拡径装置３０を引き抜く際に、中空円管状のオーガスクリュー２０の外周面２０ａに添って供給された透水性の粒状材（砕石や砂等の必要排水機能を有する材料）８を削孔部３内に投入すると共に、オーガスクリュー２０と掘削拡径装置３０を打ち戻して該削孔部３の周辺の原地盤１ｂを締め固めると共に透水性の粒状材８を締め固め拡径して圧入杭９を造成するようになっている。

掘削拡径装置３０は、中空円管状のオーガスクリュー２０の下端側開口部（開口部）２０ｂの外側に十字状の取付棒（取付部材）３２を介して取り付けられた円筒状の装置本体３１と、取付棒３２にヒンジ３３を介して回動自在に取り付けられ、円筒状の装置本体３１の下端側開口部３１ｂ及び中空円管状のオーガスクリュー２０の下端側開口部２０ｂを開閉する漏気防止弁３４と、取付棒３２に取り付けられ、圧入杭９を造成する際に削孔部３の周辺の原地盤１ｂに圧縮空気（空気）Ａを吐出して注入するジェットノズル（エア吐出口）３６とを備えている。

装置本体３１の外周面の相対向する位置には、一対の掘削爪３５，３５を突設してある。また、十字状の取付棒３２は、その中心位置３２ａを中空円管状のオーガスクリュー２０の下端側開口部２０ｂの中心位置に合わせて該下端側開口部２０ｂの下端縁に溶接等により固定してあると共に、該十字状の取付棒３２の４つの端部３２ｂを円筒状の装置本体３１の下端側開口部３１ｂの内周縁に溶接等により固定してある。そして、この十字状の取付棒３２の中心位置３２ａより各端部３２ｂに四半円板状（扇板状）の漏気防止弁３４をヒンジ３３を介して回動自在にそれぞれ取り付けてあると共に、該十字状の取付棒３２の中心位置３２ａにジェットノズル３６を取り付けてある。このジェットノズル３６は、中空円管状のオーガスクリュー２０内を挿通する図示しない接続配管を介して強制昇降装置１３の上側に取り付けられたエアスイベル１４に接続されている。

以上説明した施工装置１０によれば、圧入杭工法に用いる掘削拡径装置３０に漏気防止弁３４とエア吐出用のジェットノズル３６を装備したことで、地盤１中への空気注入を可能にした不飽和化機能を兼ね備えることができ、圧入杭９の造成と原地盤１ｂの不飽和化を同時に施工することができる。

また、図７に示すように、複数の圧入杭９からなる圧入杭造成部は、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０で原地盤１ｂの土を地表１ａに排出（排土）した後で造成することで、施工時の地盤変位を抑制した環境に優しい施工をすることができる。

さらに、掘削拡径装置３０の円筒状の装置本体３１の下端側開口部３１ｂに十字状に取り付けられた取付棒３２の中心位置３２ａより外周側の各端部３２ｂに四半円板状の漏気防止弁３４をヒンジ３３を介して回動自在にそれぞれ取り付けると共に、該十字状の取付棒３２の中心位置３２ａにエア吐出用のジェットノズル３６を取り付けたことにより、削孔部３から地表１ａに抜け出ようとする圧縮空気Ａの漏れを確実に防止することができる。これにより、削孔部３の周辺の原地盤１ｂ中に圧縮空気Ａを効率良く確実に注入することができ、削孔部３の周辺の原地盤１ｂを効率良く確実に不飽和化することができる。

次に、上述の施工装置１０による液状化対策の施工手順を、図５の工程図に基づいて説明する。尚、この施工装置１０では、全長１０ｍのオーガスクリュー２０と直径０．４ｍの掘削拡径装置３０を用いている。

先ず、図５の（１）の状態に示すように、施工装置１０を地震により液状化が生じる砂質等の地盤１の所定施工位置に設置する。次に、図５の（２）の状態に示すように、施工装置１０の掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を正転させて貫入を開始する。

次に、図５の（３）の状態に示すように、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０の正転貫入でオーガスクリュー２０のスパイラル状羽根２１の長さ（例えば、深さ５ｍ）まで掘削した時点で、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０の回転を停止もしくは逆転させて引き抜き、その深度（例えば、深さ５ｍ）までのスパイラル状羽根２１上の原地盤１ｂを地表１ａに排土する。

次に、図５の（４），（５）の状態に示すように、再度、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を正転させて、上記図５の（３）の状態の削孔深度以深に貫入させ、上記の（３）と同じ施工方法で繰り返し排土して、設計深度（所定深度）Ｈ（例えば、１０ｍ）まで貫入させて地表１ａに排土し、削孔を終了する。これにより、地盤１の所定施工位置に削孔部３が形成される。

次に、図５の（６）の状態に示すように、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を正転で設計深度Ｈまで貫入させる。この掘削拡径装置３０を設計深度Ｈに着底させた時点で、掘削拡径装置３０の装置本体３１に装備した漏気防止弁３４は、図４に示すように、閉じた状態になる。

次に、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を逆転させると共に、掘削拡径装置３０の装置本体３１の下端側開口部３１ｂの中央に装備したジェットノズル３６から圧縮空気Ａを吐出させ、圧縮空気Ａの吐出を開始する。この吐出した圧縮空気Ａは、漏気防止弁３４で塞がれた削孔部３の深度より深い位置及び横方向に吐出され、また、漏気防止弁３４で削孔部３が塞がれているため、圧縮空気Ａが地表１ａに抜け出ることなく、削孔部３の周囲の原地盤１ｂに圧縮空気Ａが注入されて、削孔部３の周囲の原地盤１ｂが不飽和化される。

また、図５の（７）の状態に示すように、地表１ａにて計量器付ホッパ１５に透水性の粒状材８を所要量投入して、その透水性の粒状材８を中空円管状のオーガスクリュー２０に添って削孔部３に投入する。

次に、図５の（８）の状態に示すように、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を逆転させ、圧縮空気Ａを供給しながら、削孔部３から掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を所定の長さＬ１（例えば、０．５ｍ）引き抜く。この時点では、図３に示すように、漏気防止弁３４は自重で下方に垂れ下がり、中空円管状のオーガスクリュー２０に添って投入した透水性の粒状材８は、中空円管状のオーガスクリュー２０の下端側開口部２０ｂ及び掘削拡径装置３０の円筒状の装置本体３１の下端側開口部３１ｂから削孔部３内に供給される。

続いて、図５の（９）の状態に示すように、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を逆転させ、圧縮空気Ａを供給しながら、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を所定長さＬ２（例えば，２０ｃｍで、Ｌ２＜Ｌ１）まで打ち戻す。この打ち戻し（再貫入）で、図４に示すように、漏気防止弁３４は閉じて、供給している圧縮空気Ａの地表１ａへの漏気が遮断され、周辺地盤に再度供給される状態になり、周辺地盤は不飽和化状態になる。また、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０の打ち戻しで、削孔部３の周辺の原地盤１ｂを締め固め、原地盤１ｂの強度を上昇させる。

次に、図５の（１０）〜（１２）の状態に示すように、上記の（８）と（９）のサイクルを繰り返して、図５及び図７（ｂ）に示すように、所定深度Ｈの上端まで圧入杭９の造成を行う。

上記の図５の（７）〜（１１）における原地盤１ｂを不飽和化するための圧縮空気Ａの注入量は、次の数式１，２によって算定される。

［数式１］
Ｖ＝（πＤ^２／４）×Ｌ
ここで、Ｖ：不飽和化対象体積、Ｄ：不飽和化対象領域直径、Ｌ：不飽和化対象深度
［数式２］
Ｖａ＝（１−Ｓｒ／１００）×ｅ×Ｖ／（１＋ｅ）
ここで、Ｖａ：飽和度にするために必要な空気注入量、Ｓｒ：飽和度（％）、ｅ：原地盤の隙間比
よって、原地盤１ｂを飽和度Ｓｒにするために必要な空気注入量Ｖａは、掘削拡径装置３０の軸芯から径２．０ｍの領域を飽和度９０％以下にするとし、原地盤隙間比ｅ＝１．０とした場合、深度１ｍ区間に注入する空気量Ｖａは、１６０リットル／ｍｉｎ以上になる。

以上の圧入杭９の造成によって、地震時の過剰間隙水圧の上昇をドレーン効果で抑えると共に、周辺地盤の締め固めによって原地盤１ｂの強度を増加させて過剰間隙水圧の上昇を抑え、原地盤１ｂの不飽和化によって過剰間隙水圧の上昇を抑えることで、液状化対策を向上させている。

このように、施工装置１０により、圧入杭工法に不飽和化工法を組み合わせた不飽和化機能付き圧入杭工法を提供することができる。即ち、この不飽和化機能付き圧入杭工法は、環境に優しい材料（砕石や砂等の必要排水機能を有する材料）を使用し、施工時に周辺地盤への変位を発生させないで、小型施工機により狭隘な土地や既設構造物に隣接した土地での施工を簡単かつ経済的に行うことができる。

さらに、掘削拡径装置３０とオーガスクリュー２０を打ち戻す際に、掘削拡径装置３０の円筒状の装置本体３１の下端側開口部３１ｂを４枚の漏気防止弁３４で閉じた状態、即ち、削孔部３を４枚の漏気防止弁３４で閉じた状態で、装置本体３１の下端側開口部３１ｂの中央から下方に向けてエア吐出用のジェットノズル３６より圧縮空気Ａを吐出するようにしたので、削孔部３から地表１ａに抜け出ようとする圧縮空気Ａを削孔部３の周辺の原地盤１ｂ中に確実に注入することができ、削孔部３の周辺の原地盤１ｂを効率良く確実に不飽和化することができる。

尚、前記実施形態によれば、掘削拡径装置の装置本体の下端側開口部を４枚の漏気防止弁で開閉するようにしたが、漏気防止弁は２枚あるいは３枚でも良く、また、１本のオーガスクリューを使用したが、複数本のオーガスクリューを継ぎ足して使用しても良い。

１地盤
１ａ地表
１ｂ原地盤
３削孔部
８透水性の粒状材
９締め固め圧入杭
１０施工装置
１２支持用のリーダー
１３強制昇降装置
２０オーガスクリュー
２０ａ外周面
２０ｂ下端側開口部
３０掘削拡径装置
３１ｂ下端側開口部（開口部）
３２十字状の取付棒（取付部材）
３２ａ中心位置
３２ｂ端部（外周側）
３３ヒンジ
３４漏気防止弁
３６ジェットノズル（エア吐出口）
Ａ圧縮空気（空気）
Ｈ所定深度

Claims

支持用のリーダーからの反力が得られる強制昇降装置と一体的に結合されたオーガスクリューの先端に掘削拡径装置を装備した施工装置を用い、地盤の所定深度まで該施工装置により原地盤を掘削して地表に排土することで削孔部を形成し、この削孔部から前記施工装置を引き抜く際に該削孔部内に前記オーガスクリューの外周面に添って透水性の粒状材を投入しながら、該施工装置を用いて、引抜、再貫入を繰り返すことで前記透水性の粒状材を締め固め拡径して締め固め圧入杭を造成する圧入杭工法において、
前記圧入杭を造成する際に、前記削孔部内を前記掘削拡径装置に内蔵された漏気防止弁で塞ぐと共に、該掘削拡径装置に設けたエア吐出口より空気を吐出して該削孔部の周辺の原地盤に該空気を注入して不飽和化することを特徴とする不飽和化機能付き圧入杭工法。
請求項１記載の不飽和化機能付き圧入杭工法であって、
前記オーガスクリューの先端に装備され、正回転時には開口し、逆回転時には閉口する機構とする漏気防止弁とエア吐出口により構成された前記掘削拡径装置を用い、前記再貫入の際に前記エア吐出口より前記空気を吐出することを特徴とする不飽和化機能付き圧入杭工法。
支持用のリーダーからの反力が得られる強制昇降装置と一体的に結合されたオーガスクリューの先端に掘削拡径装置を装備した施工装置を用い、地盤の所定深度まで該施工装置により原地盤を掘削して地表に排土することで削孔部を形成し、この削孔部から前記施工装置を引き抜く際に該削孔部内に前記オーガスクリューの外周面に添って透水性の粒状材を投入しながら、該施工装置を用いて、引抜、再貫入を繰り返すことで前記透水性の粒状材を締め固め拡径して締め固め圧入杭を造成する圧入杭工法に用いる施工装置において、
円筒状のオーガスクリューの下端側開口部の外側に取付部材を介して取り付けられた円筒状の掘削拡径装置と、前記取付部材にヒンジを介して回動自在に取り付けられ、前記円筒状の掘削拡径装置の開口部を開閉する漏気防止弁と、前記取付部材に取り付けられ、前記圧入杭を造成する際に前記削孔部の周辺の原地盤に空気を吐出して注入するエア吐出口とを備えたことを特徴とする施工装置。
請求項３記載の施工装置であって、
前記円筒状の掘削拡径装置の下端側開口部に前記取付部材を前記漏気防止弁の枚数に合わせて平面視均等に取り付け、この取付部材の平面視均等の中心位置より外周側に平面視均等形状に前記漏気防止弁をヒンジを介して回動自在にそれぞれ取り付け、かつ、前記平面視均等形状の取付部材の中心位置に前記エア吐出口を取り付けたことを特徴とする施工装置。