JP6527395B2 - 締固め方法 - Google Patents

Description

本発明は、転圧輪を用いて地盤を締固める締固め機械及び締固め方法に関するものである。

特許文献１には、振動ローラをクローラを用いて走行させるとともに、ロールを傾斜地の地盤に対して垂直方向にのみ振動させて地盤を締固める方法が開示されている。

特開２００３−０３４９２６号公報

従来、土工事で使用される締固め機械として、断面形状が円形の転圧輪（フラットロール）を装着した機械がある。
このような断面形状が円形の転圧輪を用いて盛土などを締固める場合、撒き出した材料の表層部分だけが高密度になり、高密度になった表層が深部への転圧力の伝達を阻害し、表層と深部との間で密度差が生じてしまうことがあった。

そこで、本願発明は、地盤の表層と深部との間での密度差を小さくできる、締固め機械及び締固め方法を提供することを目的とする。

そのため、本発明に係る締固め機械は、その一態様として、断面形状がルーローの多角形である転圧輪を備える。
また、本発明に係る締固め機械は、その一態様として、前記ルーローの多角形をルーローの三角形又はルーローの五角形とする。
また、本発明に係る締固め機械は、その一態様として、前記転圧輪を振動させる振動機構を備える。
また、本発明に係る締固め機械は、その一態様として、前記転圧輪を回転駆動する回転駆動機構を更に備える。

一方、本発明に係る締固め方法は、その一態様として、断面形状がルーローの多角形である転圧輪と、前記転圧輪を回転駆動する回転駆動機構とを備えた締固め機械を用いて地盤を締固める方法であって、前記締固め機械の走行を停止し、前記締固め機械の走行停止状態で前記転圧輪を前記回転駆動機構によって回転駆動して地盤を締固める。
また、本発明に係る締固め方法は、その一態様として、断面形状がルーローの多角形である転圧輪と、前記転圧輪を回転駆動する回転駆動機構とを備えた締固め機械を用いて地盤を締固める方法であって、前記ルーローの多角形をルーローの三角形とし、壁面近傍の隅角部において前記締固め機械の走行を停止し、前記締固め機械の走行停止状態で前記転圧輪を前記回転駆動機構によって回転駆動して前記隅角部の地盤を締固める。

上記発明によると、断面形状がルーローの多角形である転圧輪の角部（頂点部）が、締固め地盤の表層の高密度層を分断しかつ分断部分を押し広げるように転圧力を地盤に加えるので、深部に転圧力が伝わり易くなる。このため、表層と深部との間での密度差を小さくでき、また、転圧輪の断面形状が曲線部分を含むため、断面形状を正多角形とする場合よりもスムーズに転がる。
また、断面形状がルーローの多角形である転圧輪を、締固め機械の走行停止状態で回転させることで、面状に転圧力を与えることができ、地盤の高さが所定密度に相当する高さになるまで転圧輪を回転させるという施工法が可能である。

また、転圧輪の断面形状が円形である場合、壁面近傍の隅角部を締固めることができない。このため、構造物近傍に締固め土を構築する場合には、構造物の壁面近傍の地盤については、別途、人力のタンパーや小型振動ローラなどで締固める必要がある。
これに対し、断面形状をルーローの三角形とした転圧輪は、正方形の中で内接するように回転することができるため、締固め機械の走行を停止させた状態で転圧輪を回転させることで、構造物の壁面の近傍（隅角部）まで締固めることが可能であり、締固めの作業工程を簡略化でき、また、大型の締固め機械と小型の締固め機械との双方を準備する必要がない。

本発明の実施形態における締固め機械の構成を示す側面図である。 本発明の実施形態における転圧輪の断面形状であるルーローの三角形の回転軌跡を示す図である。 本発明の実施形態における締固め機械の作用効果を説明するための図であり、（Ａ）は対比例としての断面円形の転圧輪による隅角部における転圧を示す図、（Ｂ）は実施形態のルーローの三角形を断面形状とする転圧輪の角部による転圧特性を示す図、（Ｃ）は実施形態のルーローの三角形を断面形状とする転圧輪による隅角部における転圧を示す図である。 本発明の実施形態における締固め機械の走行停止状態での転圧輪の回転駆動により所定密度に相当する高さまで締固める施工法を説明するための側面図である。 本発明の実施形態におけるルーローの五角形を断面形状とする転圧輪を備えた締固め機械を示す側面図である。

以下では、図面を参照して、本発明に係る締固め機械及び締固め方法の実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態による締固め機械の概略構成を示す図である。
図１に示した締固め機械１０は、地盤４００上を自走でき、転圧輪２００によって地盤４００を締固める自走式ローラ系の締固め機械である。

締固め機械１０は、ダムや堤防など築堤工事や道路工事などの土工事において、土や砕石などからなる地盤４００を締固めるのに用いられる機械であり、前輪が転圧輪（鉄輪）２００、後輪がゴム製タイヤ３００で構成され、更に、前輪の転圧輪２００が振動可能に構成された所謂コンバインド型の振動ローラである。
なお、締固め機械１０の前後輪を上記の構成に限定するものではなく、例えば、前輪及び後輪を共に転圧輪（鉄輪）２００とした締固め機械１０や、鉄輪とタイヤローラとを組み合わせた締固め機械１０とすることができ、更に、転圧輪２００を振動させる振動機構を備えないタイプとすることができる。

締固め機械１０は、本体２０と、転圧輪２００を含んで構成され本体２０の前方側（前進側）に配置される振動締固め装置３０とで主に構成される。
締固め機械１０の本体２０は、後輪としてのゴム製タイヤ３００を回転可能に支持するとともに、操縦部２１、ゴム製タイヤ（後輪）３００を回転駆動する走行駆動機構（図示省略）、更に、走行駆動機構などを制御する制御ユニット（図示省略）などを備える。

走行駆動機構は、ゴム製タイヤ３００を回転駆動する走行用油圧モータ、エンジン（内燃機関）、エンジンで駆動される油圧ポンプなどを含む公知の機構であり、油圧ポンプから走行用油圧モータへの作動油の供給が制御ユニットによって制御される。
操縦部２１は、ステアリング２１ａの他、図示を省略したトラベルレバー、表示部などを備える。

更に、締固め機械１０の本体２０は、本体２０前方に配置される転圧輪２００を地盤４００との間に挟み込むようにして設けられる上板２５を備える。上板２５は、一端が本体２０の前面に固定され、他端が前方に向けて略水平に延設される。
振動締固め装置３０は、転圧輪２００、転圧輪２００を振動させる振動機構３１、転圧輪２００を回転駆動する回転駆動機構３２、本体２０に連結され転圧輪２００を回転可能に支持する支持フレーム３３などを備える。

転圧輪２００は、金属製で中空に形成され、転圧輪２００の回転軸Ｘ３に直交する断面での外形形状がルーローの三角形をなすように形成される。
ルーローの三角形（Reuleaux triangle）は、正三角形の各頂点を中心に半径がその正三角形の１辺となる円弧を結んでできる定幅図形であり、正三角形の各辺を膨らませたような形をなし、ルーローの多角形のうちで辺と頂点の数が最も少ない形状である。
このルーローの三角形は、定幅図形であるため高さが一定のまま転がることができ、更に、図２に示すように、正方形の中で内接しながら回転することができる図形である。

振動機構３１は、転圧輪２００の中空部内に設置され、転圧輪２００の回転軸Ｘ３と平行に転圧輪２００内に回転可能に支持される起振軸３１ａ、起振軸３１ａに固定される偏心重錘３１ｂ、起振軸３１ａを回転駆動する振動用油圧モータ（図示省略）などを含んで構成される。
そして、起振軸３１ａが振動用油圧モータによって回転駆動され、偏心重錘３１ｂが起振軸３１ａと一体に回転すると、遠心力によって転圧輪２００が振動する。
なお、振動機構３１は、起振軸３１ａと偏心重錘３１ｂとの組み合わせを複数備えることができる。

回転駆動機構３２は、回転駆動用油圧モータ３２ａを含んで構成される。
起振軸３１ａを回転駆動する振動用油圧モータ及び回転駆動用油圧モータ３２ａは、本体２０に設けられる油圧ポンプから作動油が供給される。

支持フレーム３３は、本体２０に一端が連結されるメインフレーム３３ａと、メインフレーム３３ａの他端に連結され転圧輪２００を左右方向から挟み込むようにして支持する一対のサブフレーム３３ｂ、３３ｂとで構成される。
メインフレーム３３ａの一端（基端）は、鉛直方向に延びる回転軸Ｘ１回りに回動可能なヒンジ機構４１を介して本体２０の前面に連結される。サブフレーム３３ｂ、３３ｂの基端部は、水平方向に延びる回転軸Ｘ２回りに回動可能なヒンジ機構４２を介してメインフレーム３３ａの他端（先端）に連結される。

つまり、サブフレーム３３ｂ、３３ｂ及び転圧輪２００は、ヒンジ機構４１により本体２０に対し左右方向に揺動可能に構成されると共に、ヒンジ機構４２により本体２０に対し上下方向に揺動可能に構成される。
そして、断面形状がルーローの三角形である転圧輪２００は、ルーローの三角形の図心（重心）を回転軸Ｘ３として、左右端がサブフレーム３３ｂ、３３ｂに回転可能に支持される。

断面形状がルーローの三角形である転圧輪２００が地盤４００上を転がるときに、転圧輪２００の重心の高さは一定ではなく上下動する。また、締固め機械１０では、地盤４００と上板２５との距離が転圧輪２００の幅に略一致するようにして転圧輪２００の地盤４００からの浮き上がりを抑制するように構成されている。
このため、ルーローの三角形の重心を回転軸Ｘ３とする場合、転がりに応じた重心位置の上下動は、サブフレーム３３ｂ、３３ｂを上下動させようとする力を発生させ、これにより、サブフレーム３３ｂ、３３ｂは回転軸Ｘ２を中心として上下方向に揺動し、回転軸Ｘ３の上下動を許容する。

つまり、サブフレーム３３ｂ、３３ｂが上下方向に揺動可能に構成されていることで、ルーローの三角形の重心を回転軸Ｘ３とする転圧輪２００を、回転軸Ｘ３を上下動させることで転圧輪２００と地盤４００との接触状態を保ったまま転がすことができるように構成されている。
そして、転圧輪２００が振動しつつ地盤４００上を転がることで、地盤４００に締固め力が作用し、地盤４００が締固められる。

転圧輪２００は、前述したように、その断面がルーローの三角形をなすように形成されているから、転圧輪２００が地盤４００上を転がるときにルーローの三角形の角部による転圧とルーローの三角形の円弧部分による転圧とが交互に行われることになる。
ルーローの三角形の角部による転圧では、図３（Ｂ）に示すように、高密度である地盤４００の表層４００ａを分断しかつ分断箇所を押し広げるように転圧力が作用するため、地盤４００の深部に転圧力が伝わり易くなり、表層と深部との間での密度差を小さくできる。

また、転圧輪２００の断面形状を正多角形とした場合も、正多角形の角部が表層の高密度層を分断して押し広げる作用を奏することになるが、ルーローの三角形では角部の間が円弧で結ばれるから、正多角形の場合よりもスムーズに転がることができると共に、円弧部分での転圧では、円形の転圧輪２００と同様な転圧作用を奏することができる。
また、ルーローの三角形は、図２に示したように、正方形の中で内接しながら回転することができる図形であるから、図３（Ｃ）に示すように、構造物５００の壁面５００ａ近傍で転圧輪２００を回転させて、壁面５００ａ近傍の隅角部５００ｃを締固めることが可能である。

これに対し、図３（Ａ）に示すような断面円形の転圧輪６００を用いた締固め機械では、転圧輪６００が構造物５００に接する位置まで近づけても、転圧箇所は、構造物５００から転圧輪６００の半径ｒだけ離れた位置になり、構造物５００の壁面５００ｂから距離ｒ内の隅角部５００ｃが略締固められないことになる。
ここで、構造物５００近傍の隅角部５００ｃを締固め機械１０で締固める場合には、構造物５００に向けて走行させた締固め機械１０を、構造物５００に突き当たる直前で停止させ、係る走行停止状態で、回転駆動機構（油圧モータ）３２により転圧輪２００を回転駆動して隅角部５００ｃを締固める。

このように、ルーローの三角形を断面形状とする転圧輪２００を備える締固め機械１０では、構造物５００近傍の隅角部５００ｃを締固めることができるから、隅角部５００ｃを人力のタンパーや小型振動ローラなどで別途締固める作業が不要で、締固めの作業工程を簡略化でき、また、大型の締固め機械と小型の締固め機械との双方を準備する必要がない。
また、ルーローの三角形は、図２に示したように正方形の中で内接しながら回転することができる図形であるから、図４に示すように、締固め機械１０の走行停止状態で回転駆動機構３２により転圧輪２００を回転駆動させることで地盤４００を面状に締固めることが可能である。従って、転圧輪２００による転圧力が加わる地盤４００の矩形領域４００ｂが所定の密度に相当する高さになるまで、締固め機械１０の走行停止状態で転圧輪２００を回転させるという施工法が可能である。

なお、上板２５と転圧輪２００との摩擦抵抗を低下させるために、上板２５の下面に、摩擦抵抗低減材を貼り付けたり複数のローラを回転可能に取付けたりすることができる。また、上板２５と転圧輪２００との衝突を緩衝するための緩衝材を上板２５の下面に取付けることができる。
また、転圧輪２００を回転駆動する回転駆動機構３２は、油圧モータによって転圧輪２００の回転軸を回転駆動する機構に限定されず、例えば、上板２５に設けたクローラと転圧輪２００との接触によって転圧輪２００が回転駆動される構成とすることができる。

上記のクローラを用いる回転駆動機構３２は、前後方向に離間させて配置される一対のスプロケット、及び、これらのスプロケットに巻装される履帯を備える。そして、履帯の下面が転圧輪２００の上端と接触するように構成し、スプロケットを油圧モータなどによって回転駆動することで、履帯と接触する転圧輪２００が回転駆動されるようにする。
また、転圧輪２００の支持構造として、サブフレーム３３ｂ、３３ｂそれぞれに転圧輪２００の回転軸Ｘ３を挿通させるための上下方向に長い長孔を形成し、ルーローの三角形の重心を通る転圧輪２００の回転軸Ｘ３を前記長孔に挿通させることで、回転軸Ｘ３（重心）の上下動を許容する構成とすることができる。この場合、サブフレーム３３ｂ、３３ｂを本体２０に対し上下に揺動可能とする構造（ヒンジ機構４２）は不要となる。

また、転圧輪２００の支持構造として、サスペンションが組み込まれたフォーク機構（サスペンションフォーク）を用いて転圧輪２００を支持する構造とし、地盤４００から回転軸Ｘ３（重心）までの高さの変動を、サスペンションの伸縮で許容する構成とすることができる。
また、転圧輪２００の支持構造として、メインフレーム３３ａを油圧シリンダに置き換え、転圧輪２００の回転角度に連動させて前記油圧シリンダを伸縮させ、転圧輪２００の回転軸Ｘ３が上下及び前後に動くように構成することができる。

つまり、ルーローの三角形を正方形に内接するように回転させたときの重心の軌跡は楕円状になるので、係る重心の動きを回転軸Ｘ３がトレースするように油圧シリンダを伸縮させて、転圧輪２００が正方形の中で内接しながら回転するときの重心の動きに回転軸Ｘ３の動きを一致させるようにする。
これにより、転圧輪２００の回転軌跡を正方形に近づけ、隅角部の転圧性能や、走行停止状態で地盤４００を平面状に凹ませる転圧性能を向上させることができる。

また、転圧輪２００に、ルーローの三角形をなす回転ガイド部材が正方形の中で内接しながら回転する回転ガイド部を設けると共に、転圧輪２００の重心に設けた回転軸Ｘ３と回転駆動機構３２（油圧モータ）とをユニバーサルジョイントなどで連結し、転圧輪２００の回転軌跡が正方形になるように構成することができる。
また、図１に示した支持構造などにおいて、上板２５を省略することも可能である。
また、上記実施形態の締固め機械１０は、断面形状をルーローの三角形とした転圧輪２００を備えるが、図５に示すように、断面形状がルーローの五角形である転圧輪２１０を備えて締固め機械１１を構成することができる。

図５の締固め機械１１は、断面形状をルーローの五角形とした転圧輪２１０を備える点以外は、図１に示した締固め機械１０と同様の構成である。
係る締固め機械１１は、断面形状をルーローの三角形とした転圧輪２００を備える締固め機械１０と略同様の作用効果を奏する。

つまり、断面形状がルーローの五角形である転圧輪２１０の角部による転圧では、高密度である地盤４００の表層を分断しかつ分断箇所を押し広げるように転圧力が作用するため、深部に転圧力が伝わり易くなり、表層と深部との間での密度差を小さくできる。
また、転圧輪の断面形状を円形とする締固め機械に比べ、断面形状がルーローの五角形である転圧輪２１０を備える締固め機械１１では、走行停止状態で転圧輪２１０を回転駆動することで構造物の壁面に近い隅角部まで地盤４００を締固めることができる。

更に、転圧輪２１０による転圧力が加わる地盤４００の矩形領域が所定の密度に相当する高さになるまで、締固め機械１１の走行停止状態で転圧輪２１０を回転させるという施工法が可能である。
但し、ルーローの三角形とルーローの五角形とを同じ幅とした場合、断面形状をルーローの三角形とする転圧輪２００を用いた方が、より壁面に近いところまで締固めることができ、また、停止状態で締固めることができる領域を広くできる。

一方、ルーローの多角形においては、辺（角部）の数が増えるほど、転がるときの重心の高さの変動が小さくなるので、ルーローの五角形を断面形状とする転圧輪２１０を用いる締固め機械１１は、ルーローの三角形を断面形状とする転圧輪２００を用いる締固め機械１０に比べて転圧輪の転がりがスムーズになる。

以上、好ましい実施形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば種々の変形態様を採り得ることは自明である。
ルーローの多角形とする転圧輪は、金属製（鉄輪）に限定されず、地盤との接触面がゴムなどの材料で形成される転圧輪をルーローの多角形とすることができる。

また、ルーローの五角形を断面形状とする転圧輪と、ルーローの三角形を断面形状とする転圧輪とを双方を備えて、締固め機械１０を構成することができる。
また、ルーローの多角形のうちのルーローの七角形を転圧輪２００の断面形状とすることができるが、ルーローの七角形以上の辺数とした場合、ルーローの三角形或いはルーローの五角形に比べて、高密度である地盤４００の表層を分断する作用が弱まり、また、構造物（壁面）近傍の隅角部において締固めできない領域が広くなる。
なお、出願当初の請求項は以下の通りであった。
［請求項１］
断面形状がルーローの多角形である転圧輪を備える、締固め機械。
［請求項２］
前記ルーローの多角形がルーローの三角形又はルーローの五角形である、請求項１記載の締固め機械。
［請求項３］
前記転圧輪を振動させる振動機構を備える、請求項１又は２記載の締固め機械。
［請求項４］
前記転圧輪を回転駆動する回転駆動機構を備える、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の締固め機械。
［請求項５］
請求項４記載の締固め機械を用いて地盤を締固める方法であって、
前記締固め機械の走行を停止し、
前記締固め機械の走行停止状態で前記転圧輪を前記回転駆動機構によって回転駆動させて地盤を締固める、
締固め方法。
［請求項６］
請求項４記載の締固め機械を用いて地盤を締固める方法であって、
前記ルーローの多角形をルーローの三角形とし、
壁面近傍の隅角部において前記締固め機械の走行を停止し、
前記締固め機械の走行停止状態で前記転圧輪を前記回転駆動機構によって回転駆動させて前記隅角部の地盤を締固める、
締固め方法。

１０，１１…締固め機械、２０…本体、２５…上板、３０…振動締固め装置、３１…振動機構、３２…回転駆動機構、３３…支持フレーム、３３ａ…メインフレーム、３３ｂ…サブフレーム、４１，４２…ヒンジ機構、２００，２１０…転圧輪（前輪）、３００…ゴム製タイヤ（後輪）、４００…地盤

Claims (2)

1. 断面形状がルーローの三角形である転圧輪と、前記転圧輪を回転駆動する回転駆動機構と、を備える締固め機械を用いて地盤を締固める方法であって、
   壁面近傍の隅角部において前記締固め機械の走行を停止し、
   前記締固め機械の走行停止状態で前記転圧輪を前記回転駆動機構によって回転駆動させて前記隅角部の地盤を締固める、
   締固め方法。
2. 前記締固め機械は、前記転圧輪を振動させる振動機構を備える、請求項１記載の締固め方法。