JP6555849B2 - 地盤改良装置 - Google Patents

Description

本発明は、地盤改良装置に関するものである。

建造物を建造する場合、その地盤が一定の強度以下の場合、地盤改良しなければならない。地盤改良として、表層と深層があるが、大きな建造物や地盤が非常に弱い場合には一般に深層改良される。

深層改良とは、深くまでコンクリート等の杭を打つ方法が一般的であるが、これは難しいため、土壌を杭状に撹拌翼で撹拌しながら深く掘り進み、その土壌は取り出さず、その撹拌した部分にセメントミルクを注入し、一緒に硬化させて土壌とセメントによる杭を構成する方法が多用されている。例えば、先行技術文献１に記載のようなものである。

この方法では、長い杭を打ち込む必要がなく、簡単に地盤内にコンクリートに近い杭が構築できる。

特開平７−１５８０５２号公報

しかしながら、従来のこの方式では、構築できるコンクリート杭はすべて円柱状である。これは、先端の撹拌翼（掘削翼）が回転するタイプであるため、当然断面が円形になるのである。

大きな、かつ高層のビル等を構築する場合（勿論それだけではないが）矩形の（基礎体としては直方体）の基礎を構築する場合がある。このような場合、杭を接して構築しても、円と円の間に隙間ができ、完全には埋まらない。これを防止するためには、重複して掘削しなければならず、その重複してセメントミルクを注入した部分と他の部分では強度が異なり問題である。また、強度を確保するためには無駄なセメントを使用することにもなる。

よって、本業界では、今まで通りの時間や手間で、矩形状に掘ることが長く要望されていた。そこで本発明では、簡単に矩形状に杭を構築できる装置を提供する。

以上の現状に鑑み、本発明者等は、本発明地盤改良装置を完成したものであり、その特徴とするところは、地盤を撹拌しセメントミルクを混合し硬化させて基礎杭を構成するためのものであって、先端部に該セメントミルクを噴射するノズル、進行方向に掘削するための先端掘削翼、及び該先端掘削翼の回転軸と直角の回転軸を持つ横掘削翼を、該先端掘削翼より根本側（上方側）に中心軸を挟んで向かい合って少なくとも２つ設けた点にある。

本発明でいう地盤改良とは、軟弱地盤の強度改良、基礎構築、基礎のさらに下方の補強、その他地盤を何かしら改善する処置全般をいい、その上に建造物を構築するか否かを問わない。

ここでセメントミルクは通常のものでよく、特別なものである必要はない。要するに土壌と混合されて硬化するものであればよい。通常は液状であるが、水分の多い土壌では、紛体でも可能である。

本発明でいう掘削という語は、軟弱地盤では単なる撹拌や侵入という概念も含めて使用する。使用する場所も深層（深さ３ｍ以上）が好適であるが、それに限定するものでなく、どのような深さでもかまわない。

先端部にセメントミルクを噴射するノズルを有している。通常は液体が噴射されるが、粉体の場合には粉体が噴射される。ここでいう先端部は、セメントミルクを噴射して効果のある場所という意味であり、最先端部のみを言うのではない。より根本側（上方側）でもよい。しかし、少なくとも後述する横掘削翼より一定以上（１ｍ程度）上方では先端部の混合ができないので問題である。勿論、最先端部が好ましい。

先端掘削翼は、地盤中に侵入していく先端部に設けられており、回転軸は侵入方向と平行である。形状としては、回転する板状体（棒体やねじれた形状のものでもよい）に掘削爪（通常は複数）を設けたものである。掘削爪は土壌を撹拌するだけでなく、土塊を潰し、石等も砕く（砕けなくとも地盤によってはかまわない）ためのものである。板状体は、４本が好適であるが、２本以上ならば基本的に可能である。しかし、力のバランスからして偶数が好ましい。掘削爪は、それ自体が交換可能でも、掘削爪の先端に交換可能部材を設けたものでもよい。交換可能にしているのは、掘削によって、部材が削られるためである。

板状体は回転軸に固定されているため、１本の長い板状体の中心に回転軸を固定するタイプでもよく、この場合には上記した本数としては２本と勘定する。この掘削爪やさらにその先端交換部材は、硬度の高い合金が好ましい。
掘削爪の数や形状、固定方法等は自由である。
さらに、より上方にこの先端掘削翼と同じ回転軸、及び該先端掘削翼の回転方向と直角の回転軸を持つ横掘削翼である他の掘削翼（撹拌翼）を設けてもよい。これは、混合をより効果的にするためである。

横掘削翼は、上記した先端掘削翼とは回転軸が直角方向になっており、該先端掘削翼より根本側に設けられている。根本側でも、混合の問題から先端掘削翼の近傍が好ましい。ここでいう近傍とは、先端掘削翼の回転部分と、横掘削翼の回転部分が接触することはないが、非常に近いことをいう。例えば、横掘削翼の回転円の最下部と先端掘削翼の回転最上部とが、０〜４０ｃｍ、好ましくは５〜２０ｃｍ程度離れた位置である。
形状的には、板状体と掘削爪（数や形状は自由である）からなり、先端掘削翼と同様のものである。板状体の本数も２以上であり、偶数がこのましいことも先端掘削翼と同様である。横掘削翼と先端掘削翼との掘削径は同じ程度が好ましい。例えば、違いがあっても１０％以内等である。

この横掘削翼は、少なくとも２つ向かい合わせに設ける。回転方向は自由であるが、互いに逆回転が好ましい。横方向（水平方向）へ移動する力が働くと好ましくないためである。

横掘削翼は、その掘削（混合）容積を大きくするため、板状体への掘削爪の固定に角度を持たせるのがよい。例えば、掘削翼として、回転方向に平行な板状体にそれと同じ方向に同じような薄い掘削爪を設けると、掘削翼が移動しないとすれば、その撹拌容積は非常に小さく、板状体が回転するその薄い円状のみである。これと反対に掘削爪を板状体と角度を付けて固定し、その掘削爪を長くすれば、撹拌容積は増加する。

本発明の１態様として、２つの横掘削翼の回転面と直角の撹拌面積が、該先端掘削翼が掘削する面積の１／６（横掘削翼の全合計として）以上が好適である。「横掘削翼の回転面」は通常の使用（垂直に杭を形成する）では、当然垂直方向である。撹拌面積は、この回転面と直角方向の面積、即ち水平方向の面積である。換言すると縦方向に回転している撹拌翼を上から見たときの投影面積である。
横撹拌翼は通常は左右２つであるが、それより多く重ねるように配置してもよい。この場合には、その全ての合計撹拌面積が１／６であればよい。
さらに、この横撹拌翼とは別に、より根本側に類似の撹拌翼を設けてもよい。

この横掘削翼の回転面と直角の撹拌面積を大きく（１／６以上）しているのは、先端掘削翼によって円形に掘削された後に両サイドから矩形に掘削することによって全体として矩形に近い形状で掘削できるようにするためである。横掘削翼が四方でなく二方で可能なのは、上記した水平面積が大きいため、その中間部（厳密な意味で撹拌されていない部分）も近傍の撹拌によって崩されるためである。勿論、二方だけでなく、少し小さいものを他の一方、又は二方にも設けて、合計三方又は四方にこの横掘削翼を設けるようにしてもよい。
横掘削翼と同種のもの（掘削翼、撹拌翼）をさらにより上方にも設けてもよい。これは混合をより効果的にするためである。

また、上記した「横掘削翼の回転面と直角の撹拌面積が、該先端掘削翼が掘削する面積の１／６以上（合計で）」が好適なのは、前記した掘削形状がより矩形になるようにするためである。さらに１／４以上、また１／３以上がより好適である。１／３以上ではほとんどの土壌で非常に好適であった。

このような掘削形状にするため、板状体と掘削爪の取り付け角度と掘削爪の長さが問題である。また、水平方向の掘削面積を大きくするためには掘削爪を同じ方向に傾斜して固定するのではなく、方向を変えることが好適である。また、掘削爪の枚数を多くするか、掘削爪を長くするか又は両方行い掘削面積を広げることでもよい。勿論、前記したように横掘削翼を３つ以上にすることでもよい。

本発明では、先端掘削翼の回転軸と、回転軸の方向が直角である掘削翼を用いるのがポイントである。勿論駆動源は通常油圧であるが、横掘削翼の部分に横方向に回転を変えるギアを設けるだけでよい。例えば、ウォームギアや傘歯車等である。

本発明装置のセメントミルクの噴射は、油圧オイルと別のパイプ（二重管でも並列管その他でも）を通して、先端部から行われる。本発明の作動は、本発明装置を通常垂直に地盤に掘削侵入させていく。勿論、岩盤等を掘削していくものではなく、あくまでも軟弱地盤の改良、基礎等の杭の構築であるため、土壌撹拌混合がメインである。よって、掘削土壌を上方へ搬送する機構等は不要である。即ち、掘削撹拌しながら、セメントミルクを噴射し混合するのである。

最深部まで到達すると、その時点から一般的には掘削翼を回転させながら本装置を引き抜いていく。これで硬化を待つだけである。

本発明掘削装置は次のような大きな効果がある。
（１） 回転運動のみで、ほぼ矩形に深く深層にまで掘削できる。
（２） 矩形にコンクリート様の杭が構築できるため、大きな矩形状の杭を構築するのが容易である。また、無駄なく構築できる。
（３） 矩形形状の杭であるため、連接的に構築することが容易である。
（４） 装置自体が簡単で比較的安価に製造できる。

本発明に係る地盤改良装置１の正面図である。 図１の例の底面図である。 図１の例の平面図である。 図１の例の右側面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の単なる一例であって、本発明は、これらの実施形態により何ら限定されるものではない。

図１は、本発明に係る地盤改良装置１の１例を示す正面図である。中央部にギアボックス２があり、回転を横方向にも伝えるためのギアが収納されている。上方には、打ち込み装置（パイルドライバーやボーリング装置のような）の駆動源と接続する接続部３が設けられている。セメントミルク用パイプ等も一緒に接続される。

ギアボックス２の下方には先端掘削翼４が設けられ、その先端部にはセメントミルク噴射ノズル５が設けられている。先端掘削翼４には、板状体６が２本固定され、その先に掘削爪７が交換可能に取り付けられている。

ギアボックス２から横方向に横掘削翼８が向かい合わせに設けられている。この横掘削翼８は、横板状体９と横掘削爪１０から構成されている。横板状体９は
４本であり、横掘削爪１０はそれぞれに３つ固着されている。横掘削爪１０は、正面図の右端に見えているように、横板状体９ごとに取り付け方向が異なっている。しかし。この例では固定角度はほぼ同じ（１５度程度）である。

このように、横掘削爪１０の固着方法を変えて、且つ角度を持って設けることにより、横掘削翼の「水平方向の掘削面積」を大きくしているのである。正面図の左端に見えているように、左の横掘削翼も同じであるが、右とは横掘削爪とは縦横が反対である。

図２は、図１の例の底面図である。この図で、先端掘削翼４は２本であり、１本の板状体６に３つの掘削爪７が固着されているのがわかる。掘削爪７の固着方向は左右で反対になっており、回転方向に先端が向くようにされている。

図３は、図１の例の平面図である。この図で、横掘削翼８の横掘削爪１０が左右で反対に固着されているのがわかる。また、本発明の大きなポイントである横掘削翼の平面掘削面積はここで矩形の一点鎖線で示している。掘削爪が方向を替えて設けられているため、回転によってこの一点鎖線のなかほぼ全体に渡って掘削されるのである。ここで掘削横長さＬは、全体の掘削幅のこれも１／８（２つ合わせると１／４）以上が好ましく、さらには１／６（２つ合わせると１／３）以上がより好ましい。
図３の「水平方向の掘削面積」が、先端掘削翼で掘削する面積と比較してどの程度かである。この例では、２つの合計で約１／３である。この面積が大きいということは、この図でいう左右方向の幅が大きいということである。これによって、掘削断面形状、即ち掘り進んだ形状（撹拌された襦袢の平面視形状）がほとんど矩形になるのである。これが本発明の大きな特徴である。

図４は、図１の右側面図である。この図では、先端掘削翼４の掘削爪７は、横掘削翼８と異なり、すべてが先端側に傾斜して設けられている。また、横掘削爪１０は、同じように見えているが、横方向の板状体に取り付けられたものは、その先端が板状体よりも奥にいき、縦方向の板状体に取り付けられたものは、その先端が板状体よりも手前に来ているのである。これは左右は逆であるが、左側の横掘削翼も同様である。

１ 本発明地盤改良装置
２ ギアボックス
３ 接続部
４ 先端掘削翼
５ セメントミルク噴射ノズル
６ 板状体
７ 掘削爪
８ 横掘削翼
９ 横板状体
１０ 横掘削爪

Claims (6)

1. 地盤を掘削しながら改良材を撹拌混合して当該地盤を改良する地盤改良装置であって、
   掘削方向の先端に前記改良材を噴射するノズルと、
   前記掘削方向に沿った方向に配置される第１の回転軸を中心に回転し、前記ノズルの近傍に配置される先端掘削翼と、
   前記第１の回転軸と略垂直方向に配置される第２の回転軸を中心に回転し、前記先端掘削翼の上方であって前記先端掘削翼の先端より前記第１の回転軸側に、当該第１の回転軸を周回するように９０度間隔で配置される４つの横掘削翼とを備え、
   前記第１の回転軸を挟んで対向するように配置された一組の横掘削翼は、略同一の大きさであって、他の組の横掘削翼とは異なる大きさであることを特徴とする、地盤改良装置。
2. 前記先端掘削翼と前記横掘削翼との回転径の大きさは、略同一であることを特徴とする、請求項１に記載の地盤改良装置。
3. 前記４つの横掘削翼について、前記第１の回転軸を挟んで対向する横掘削翼の回転方向は互いに異なる方向であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の地盤改良装置。
4. 前記４つの横掘削翼に加えて、前記第１の回転軸方向に沿って配置される横掘削翼を、さらに備えることを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の地盤改良装置。
5. 地盤を掘削しながら改良材を撹拌混合して当該地盤を改良する地盤改良装置であって、
   掘削方向の先端に前記改良材を噴射するノズルと、
   前記掘削方向に沿った方向に配置される第１の回転軸を中心に回転し、前記ノズルの近傍に配置される先端掘削翼と、
   前記第１の回転軸と略垂直方向に配置される第２の回転軸を中心に回転し、前記先端掘削翼の上方であって前記先端掘削翼の先端より前記第１の回転軸側に配置される少なくとも２つの横掘削翼とを備え、
   前記横掘削翼は、
   前記第２の回転軸に中心が固定されて回転し、当該第２の回転軸に略垂直方向でかつ放射状に延びる複数の板状部と、
   前記複数の板状部それぞれに、前記第２の回転軸近傍から当該板状部の先端に向かって、順に、所定の角度を有して配置される複数の掘削爪とを含み、
   前記板状部のうち、一の板状部において配置される前記複数の掘削爪は、前記第１の回転軸の外側を向くように配置され、当該一の板状部に隣り合う板状部において配置される前記複数の掘削爪は、前記第１の回転軸の内側を向くように配置されることを特徴とする、地盤改良装置。
6. 前記横掘削翼の複数の板状部に配置された掘削爪によって掘削される領域は、前記先端掘削翼によって掘削される領域の１／６以上であることを特徴とする、請求項５に記載の地盤改良装置。
   

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