JP7079186B2 - 地盤強度算出装置、及び地盤強度算出プログラム - Google Patents

Description

本発明は、地盤強度算出装置、及び地盤強度算出プログラムに関する。

橋梁、建物等の構造物の基礎として、及び地滑り等の土塊の移動を抑制するために、鋼管杭が広く利用されている。この鋼管杭の施工では、鋼管杭の先端が、支持層となる強固な地盤まで到達していることが重要である。そのため、従来から、鋼管杭の先端が支持層まで到達していることを確認する様々な方法が開発されてきた。

例えば、特許文献１では、削孔ビットの打撃回数に基づいて、地盤の強度を判定する装置が開示されている。この装置では、加速度センサを用いて削孔ビットの振動を測定し、その振動の波形データに対し、平滑化処理を行っている。そして、平滑化された振動の波形データの極大値及び極小値を取る点の数を所定貫入量毎にカウントし、削孔ビットの所定貫入量当たりの打撃回数としている。

一般的に、所定貫入量当たりの打撃回数が多いと、地盤が硬く、打撃回数が少ないと地盤が軟弱であると判断できる。したがって、上記装置では、このように算出された打撃回数に基づいて、地盤の硬軟を判断している。

特開２０１８－９１０２８号公報

しかしながら、削孔ビットによる打撃には、いわゆる「空打ち」と呼ばれる挙動が含まれることがある。空打ちとは、特に、軟弱な地盤などで実際には掘り進んでいないが、加速度振幅が小さい状態で削孔ビットが上下動を繰り返す現象をいう。したがって、上記のように打撃回数を加速度センサによる振動の計測に基づいて算出すると、空打ちを打撃回数としてカウントするおそれがあり、実際の削孔ビットによる掘削を反映していないおそれがある。そのため、地盤の強度の判定を正確に行えないおそれがある。

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、地盤を掘削しつつ、地盤の強度を正確に判断することができる、地盤強度算出装置及び地盤強度算出プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る地盤強度算出装置は、削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機を用いて、地盤の強度を計測する地盤強度算出装置であって、前記削工具による単位時間当たりの打撃回数を取得する打撃回数取得部と、前記削工具の掘削速度を取得する速度取得部と、前記削工具の単位時間当たりの最大加速度振幅を取得する加速度取得部と、前記打撃回数（回／ｓ）／前記掘削速度（ｍ／ｓ）×前記最大加速度振幅（ｍ／ｓ²）により算出される強度指標を取得する演算部とを備えている。

上記地盤強度算出装置においては、前記打撃回数、前記掘削速度、及び前記最大加速度振幅として、所定時間における平均値を用いることができる。なお、ここでいう「平均値」とは、「所定時間内に検出されたデータ値の総合計をデータ数で割った値」だけではなく、逐次値をデータ処理して算出される様々な平均値を含む概念である。

上記地盤強度算出装置においては、前記削工具の打撃による振動から、前記削工具の加速度振幅を測定する加速度センサをさらに備え、前記加速度取得部は、前記加速度センサによって測定された経時的な加速度振幅の波形から周波数解析によって、所定時間当たりの最大加速度振幅を取得することができる。

上記地盤強度算出装置において、前記打撃回数取得部は、前記最大加速度振幅を示す周波数を打撃回数として取得することができる。

上記地盤強度算出装置においては、前記削工具の掘削速度を測定する速度測定部をさらに備えることができる。

本発明に係る地盤強度算出プログラムは、削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機と、前記削工具の打撃による振動から、前記削工具の加速度振幅を測定する加速度センサと、前記削工具の掘削速度を取得する速度取得部と、を用いて、地盤の強度を計測する地盤強度算出プログラムであって、コンピュータに、前記加速度センサによって測定された経時的な加速度の波形から周波数解析によって、所定時間当たりの最大加速度振幅を取得するステップと、前記最大加速度振幅を示す周波数を打撃回数として取得するステップと、前記速度取得部によって前記削工具の掘削速度を取得するステップと、前記打撃回数（回／ｓ）／前記掘削速度（ｍ／ｓ）×前記最大加速度振幅（ｍ／ｓ²）により算出される強度指標を取得するステップと、を実行させる。

本発明によれば、地盤を掘削しつつ、地盤の強度を正確に判断することができる。

本発明が適用される場面の一例を模式的に示す。 本発明の一実施形態に係る掘削機の構成の一例を例示する。 図２の掘削機に用いられる地盤強度算出装置のハードウェア構成の一例を例示する。 図３の地盤強度算出装置の機能構成の一例を例示する。 加速度センサによって測定された振動の波形データである。 図５の波形データから周波数解析によって得られた周波数と加速度振幅との関係を示すグラフである。 周波数と加速度振幅の経時的変化を示すグラフである。 Ｎ値と、打撃回数及び強度指標との相関を示すグラフである。 実施の形態に係る掘削機による鋼管杭の打設過程の一例を例示する。 実施の形態に係る掘削機による鋼管杭の打設過程の一例を例示する。 実施の形態に係る掘削機において新たな鋼管をセットする過程を例示する。 実施の形態に係る掘削機において新たな鋼管をセットする過程を例示する。 実施の形態に係る掘削機による鋼管杭の打設過程の一例を例示する。 実施の形態に係る掘削機による鋼管杭の打設過程の一例を例示する。 実施の形態に係る掘削機による鋼管杭の打設過程の一例を例示する。 実施の形態に係る地盤強度算出装置による強度指標の算出の例である。

以下、本発明に係る地盤強度算出装置の一実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係る地盤強度算出装置は、鋼管杭を打設する位置に掘削機２に設けられ、地盤の掘削の進行に伴って地盤の強度を算出するものである。図１に示す例には、鋼管杭を打設する位置に掘削機２が配置されている。この掘削機２は、削孔具（後述する削孔ビット２８）に打撃を加えて地盤を掘削するタイプの掘削機である。オペレータは、操作盤２２１を介して掘削機２の駆動装置２２を操作することで、対象の位置を掘削し、鋼管５を打設する削孔を形成することができる。地盤強度算出装置１は、このような掘削機２のガイドセル２１に取り付けられた情報処理装置である。以下、掘削機２及び地盤強度算出装置１について、詳細に説明する。

＜１．掘削機＞
次に、掘削機２について、図２も参照しつつ詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る掘削機２の削孔機構の一例を例示する。図２に示すように、この掘削機２は、ダウンザホールハンマ２５によって、いわゆる回転打撃式で掘削する削孔機構を備えている。

より詳細に説明すると、この掘削機２は、地盤上に立設される柱状のガイドセル２１と、当該ガイドセル２１に対してチェーン駆動により上下方向に昇降自在に取り付けられた駆動装置２２と、を備えている。駆動装置２２の回転軸には、打設する鋼管５内に挿入可能な中空の削孔ロッド２３が取り付けられており、削孔ロッド２３の先端には、ガイドスリーブ２４を介して、ダウンザホールハンマ２５が取り付けられている。さらに、ダウンザホールハンマ２５には、ガイドデバイス２６を介して、削孔ビット２８が取り付けられている。削孔ビット２８は、本発明の「削孔具」に相当する。一方、外管であり杭となる鋼管５の先端には、ケーシングシュー５１が取り付けられている。ケーシングシュー５１は、その先方に削孔ビット２８を突出させた状態でガイドデバイス２６と係合するように構成されている。

掘削の際には、駆動装置２２に、コンプレッサ（図示省略）から圧縮空気が供給される。駆動装置２２は、削孔ロッド２３を所定方向に回転させながら、当該削孔ロッド２３内に圧縮空気を送り込む。削孔ロッド２３内に送り込まれた圧縮空気は、ガイドスリーブ２４を介してダウンザホールハンマ２５内のシリンダに送入される。この圧縮空気により、ダウンザホールハンマ２５は、その内部のハンマピストンを往復させて、削孔ビット２８を含むビット部分に打撃を加えるようになっている。加えて、削孔ロッド２３の回転により削孔ビット２８も回転している。この回転及び打撃により、掘削面が削られていく。すなわち、掘削機２は、削孔ビット２８を回転させながら、ダウンザホールハンマ２５により削孔ビット２８に打撃を加えることで地盤を掘削する。

ここで、削孔ビット２８は、偏心拡径構造を有している。すなわち、掘削の際に、削孔ビット２８を所定方向（例えば、左ネジ方向）に回転させると、ガイドデバイス２６がケーシングシュー５１に係合し、削孔ビット２８は、ケーシングシュー５１の先から突出した後に、径方向外側に飛び出す、すなわち、拡径する（後述する図１０）。これにより、削孔ビット２８は、鋼管５よりもやや大きい径の孔を掘削する。削孔ビット２８に設けられているリーマ２７は、削孔ビット２８が地盤を掘削している際に、偏心拡径して削孔を横方向に拡げる。

なお、外管である鋼管５は、打撃力も回転力も受けないが、ケーシングシュー５１がガイドデバイス２６に係合していることによって、削孔ビット２８の推進と共に牽引されて、地中に貫入打設されていく。また、削孔ビット２８が地中に進むにつれて、駆動装置２２も下方に移動していく。

一方、掘削を終了して、削孔ビット２８を回収する際には、削孔ビット２８を上記とは反対方向に回転させる。これにより、ガイドデバイス２６とケーシングシュー５１との係合は外れると共に、削孔ビット２８の拡径は解除される。そのため、鋼管５内を挿通させて、削孔ビット２８を回収することができる。以上のような構成により、本実施形態に係る掘削機２は、鋼管５を打設する孔を掘削することができる。

＜２．地盤強度算出装置のハードウェア構成＞
次に、図３を用いて、地盤強度算出装置１のハードウェア構成の一例を説明する。図３は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１のハードウェア構成の一例を模式的に例示する。図３に示すように、この地盤強度算出装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等を含む制御部１１、制御部１１で実行されるプログラム８等を記憶する記憶部１２、及び外部装置と接続するための外部インタフェース１３が電気的に接続されたコンピュータである。ただし、図３では、外部インタフェースを「外部Ｉ／Ｆ」と記載している。

この地盤強度算出装置１には、各外部インタフェース１３を介して、エンコーダ１５及び加速度センサ１６が接続されている。

エンコーダ１５は、掘削機２における掘削速度を取得するために用いられる。このエンコーダ１５には、単位時間当たりの掘削深度を測定可能な公知のエンコーダが適宜採用されてよい。例えば、エンコーダ１５として、ムトーエンジニアリング社製のＤ１０００Ｚ等のワイヤ式リニアエンコーダを利用することができる。

ワイヤ式リニアエンコーダは、ワイヤの引出し量で装置の移動距離を計測するエンコーダである。このワイヤ式リニアエンコーダによれば、図１及び図２に例示されるように、ガイドセル２１の上端付近に取り付けて、駆動装置２２を昇降させるチェーンの移動量を計測することができる。

チェーンの移動量は、駆動装置２２の降下量に対応し、駆動装置２２の降下量は、掘削機２の削孔ビット２８の貫入量に対応する。そのため、地盤強度算出装置１は、ワイヤ式リニアエンコーダの測定データに基づいて、掘削機２の掘削深度を算出するとともに、単位時間当たりのチェーンの移動量から、掘削速度を取得する。

一方、加速度センサ１６は、地盤の打撃を行う削孔ビット２８の最大加速度振幅と、単位時間当たりの打撃回数を取得するために用いられる。この加速度センサ１６には、対象物の加速度を測定可能な公知の加速度センサが適宜採用されてよい。例えば、加速度センサ１６として、テクノサイエンス社製のＢＬ１００を利用することができる。

本実施形態では、加速度センサ１６は、ガイドセル２１の上端側に取り付けられている。ガイドセル２１には、駆動装置２２及び削孔ロッド２３を介して、ダウンザホールハンマ２５による打撃の振動が伝達する。すなわち、ガイドセル２１は、ダウンザホールハンマ２５が削孔ビット２８を打撃するのに応じて振動している。

したがって、ガイドセル２１に取り付けた加速度センサ１６によって、ダウンザホールハンマ２５の打撃に応じた振動を測定することができる。そのため、地盤強度算出装置１は、加速度センサ１６の測定データに基づいて、削孔ビット２８の打撃回数をカウントし、打撃回数情報を取得することができる。加速度センサは安価に入手可能であるため、本実施形態によれば、地盤強度算出装置１の製造コストを抑えることができる。

なお、加速度センサ１６の取り付ける位置は、このような例に限定されなくてもよく、削孔ビット２８の打撃による振動を測定可能な位置であれば、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、加速度センサ１６は、駆動装置２２に取り付けられてもよい。

また、記憶部１２は、例えば、ハードディスクドライブ、ソリッドステートドライブ等の補助記憶装置である。記憶部１２に記憶されるプログラム８は、地盤強度算出装置１の制御部１１に各構成要素を制御させ、後述する鋼管５の打設の施工管理に関する各処理を実行させるためのプログラムである。このプログラム８は、本発明の「地盤強度算出プログラム」に相当する。このプログラム８は、記憶媒体９に記憶されていてもよい。

記憶媒体９は、コンピュータその他装置、機械等が記録されたプログラム等の情報を読み取り可能なように、当該プログラム等の情報を、電気的、磁気的、光学的、機械的又は化学的作用によって蓄積する媒体である。本実施形態に係る地盤強度算出装置１は、外部インタフェース１３を介してドライブ１８に接続可能であり、このドライブ１８により記憶媒体９に記憶された情報を読み取ることで、プログラム８を取得してもよい。

なお、図３では、記憶媒体９の一例として、ＣＤ（Compact Disk）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のディスク型の記憶媒体が例示されている。しかしながら、記憶媒体９の種類は、ディスク型に限定される訳ではなく、ディスク型以外であってもよい。ディスク型以外の記憶媒体として、例えば、フラッシュメモリ等の半導体メモリを挙げることができる。

本実施形態に係る地盤強度算出装置１は、以上のようなハードウェア構成を有する。ただし、地盤強度算出装置１の具体的なハードウェア構成に関して、実施の形態に応じて、適宜、構成要素の省略、置換、及び追加が可能である。例えば、制御部１１は、複数のプロセッサを含んでもよい。また、地盤強度算出装置１は、提供されるサービス専用に設計された情報処理装置の他、デスクトップ型ＰＣ（Personal Computer）、タブレットＰＣ等の汎用の情報処理装置であってもよい。更に、地盤強度算出装置１は、１又は複数台の情報処理装置により構成されてよい。

＜３．地盤強度算出装置のソフトウェア構成＞
次に、図４を用いて、地盤強度算出装置１の機能構成の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る地盤強度算出装置１の機能構成の一例を模式的に例示する。本実施形態では、地盤強度算出装置１の制御部１１が、記憶部１２に記憶されたプログラム８をＲＡＭに展開する。そして、制御部１１は、ＲＡＭに展開されたプログラム８をＣＰＵにより解釈及び実行して、各構成要素を制御する。これにより、地盤強度算出装置１は、打撃回数取得部１１１、速度取得部１１２、加速度取得部１１３、演算部１１４、判定部１１５、及び履歴作成部１１６を備えるコンピュータとして機能する。以下、これらの機能構成について説明する。

打撃回数取得部１１１は、削孔ビット２８による所定時間毎(例えば、単位時間（１秒毎）毎)の打撃回数を取得する。この点について、詳細に説明する。上記のように、掘削機２には、加速度センサ１６が設けられており、削孔ビット２８の打撃に応じた振動を測定する。図５は、掘削開始後のある時間帯における振動の加速度振幅の経時的な変化を示すグラフの一例である。打撃回収取得部１１１は、加速度振幅の波形から、所定時間毎（例えば、１秒毎）にＦＦＴ等の周波数解析を行い、図６のようなグラフを得る。このグラフは、所定時間毎（図５に示す０～８秒までの８つの時間毎（単位時間、例えば１秒毎））の周波数と加速度振幅の関係を示している。ここでは、各所定時間に最も加速度振幅が大きい周波数を求めているが、これが所定時間における打撃回数と見なすことができる。

すなわち、加速度振幅が最大であるということは、削孔ビット２８による打撃エネルギが最も高いこと、つまり実際に打撃を行っていることを意味する。そして、削孔ビット２８による単位時間毎の打撃回数は、単位時間毎の振動回数、つまり周波数として現れるため、加速度振幅が最大である周波数が、単位時間毎の削孔ビット２８による打撃回数と見なすことができる。例えば、図６の例では、周波数が１３～１７Ｈｚの付近で、計測した８つの時間毎の加速度振幅が最大となっているため、これらの時間での打撃回数は、これらの平均である１５．９回／ｓと考えることができる。

速度取得部１１２は、削孔ビット２８による削孔速度を取得する。速度取得部１１２は、エンコーダ１５で測定された装置の移動距離を取得すると、そこから単位時間当たりの移動量を算出する。つまり、装置の移動速度（ｍ／ｓ）を算出する。

加速度取得部１１３は、削孔ビット２８による打撃の加速度振幅を取得する。上述した打撃回数の取得で用いた図６のグラフから、所定時間毎の最大加速度振幅を求め、ここから、その時間帯における平均の最大加速度振幅を算出する。図６の例では、計測した８つの所定時間における平均の最大加速度振幅は、０．７４ｍ／ｓ²である。また、図７は、計測した時間帯での周波数と最大加速度振幅の変化を示している。

演算部１１４は、強度指標を算出する。強度指標とは、地盤の強度を示すために本発明者により規定された指標であり、打撃回数取得部１１１、速度取得部１１２、及び加速度取得部１１３で、それぞれ取得された打撃回数、削孔速度、及び最大加速度振幅から、以下の式（１）により求められる。なお、ここで用いる打撃回数、削孔速度、及び最大加速度振幅は、対応する時間において求められたものである。
強度指標＝打撃回数（回／ｓ）／削孔速度（ｍ／ｓ）×最大加速度振幅（ｍ／ｓ²） （１）

上記式（１）により求められる強度指標は、１ｍ掘削する間の打撃回数に、最大加速度振幅を乗じた数値であり、１ｍ掘削するのに要する仕事の割合と考えることができる。一般的に所定長さを掘削するための打撃回数が多いと、地盤が硬いと判断でき、打撃回数が少ないと地盤が軟らかいと判断することができる。しかしながら、削孔ビット２８は、いわゆる「空打ち」と呼ばれる挙動を示すことがある。空打ちとは、特に、軟弱な地盤などで実際には掘り進んでいないが、加速度振幅が小さい状態で削孔ビット２８が上下動を繰り返す現象をいう。したがって、上記のように打撃回数を加速度センサ１６による振動の計測に基づいて算出すると、空打ちを打撃回数としてカウントするおそれがあり、実際の削孔ビット２８による掘削を反映していないおそれがある。

そこで、本実施形態においては、最大加速度振幅を用いている。例えば、硬い地盤を削孔ビット２８で打撃すると、その反力によって、削孔ビット２８が素早く地盤から離れるため、最大加速度振幅は大きくなる。一方、軟弱な地盤を打撃すると、削孔ビット２８の反発が遅いため、最大加速度振幅は小さくなる。このように、最大加速度振幅は、地盤の硬軟の指標になり得るため、式（１）では、打撃回数に加え、最大加速度振幅を用いている。本発明者は、例えば、強度指標が、７５００～１５０００であれば、硬い支持層（砂礫）を示すことを検証している。

次に、上記強度指標が実情に沿っているものであるかを検討する。地盤の強度を表す指標としては、標準貫入試験によって得られるＮ値がよく知られている。一般的には、Ｎ値が５０より大きい地盤は、支持層と判断できる。そこで、上記強度指標とＮ値との相関を検討する。

図８は、所定の地盤を掘削したときに算出されたＮ値と、１ｍ当たりの打撃回数及び強度指標との相関を示す散布図であり、近似曲線を合わせて示している。なお、このグラフにおいては、１ｍ当たりの打撃回数及び強度指標は無次元数として縦軸に示している。同図に示すように、打撃回数はバラツキが大きく、線形近似曲線の決定係数が０．３８３６、指数近似曲線の決定係数が０．５４５８であった。一方、強度指標については、線形近似曲線の決定係数が０．５７９９、指数近似曲線の決定係数が０．６２５４であった。したがって、特に指数近似曲線に基づけば、Ｎ値と強度指標とは高い相関があると判断することができ、地盤の強度の判断として有効であると考えられる。一方、打撃回数は、上記のように空打ちの問題も起因して、バラツキが大きいこともあり、Ｎ値との相関は低くなっている。

以上のように、本実施形態に係る地盤強度算出装置１では、削孔ビット２８による掘削とともに、強度指標を算出できるようになっている。上記のように、強度指標は単位時間毎に算出することもできるし、あるいは、所定の時間における平均（単位時間毎の強度指標の平均）を算出することもできる。なお、本発明における平均値は、「所定時間内に検出されたデータ値の総合計をデータ数で割った値」だけではなく、逐次値をデータ処理して算出される様々な平均値を含む概念とすることができる。

また、本実施形態に係る地盤強度算出装置１は、判定部１１５及び履歴作成部１１６をさらに備えているが、判定部１１５は、算出された強度指標に基づいて、地盤の性質を判断する。例えば、上記のように、強度指標が７５００～１５０００であれば、支持層と判断することができる。そして、履歴作成部１１６は、例えば、掘削深度と強度指標とを関連付けて施工履歴情報を作成し、作成した施工履歴情報１２３を記憶部１２等の記憶装置に保存する。また、演算部１１４により算出された強度指標や、判定部１１５による判定は、操作盤２２１に表示することができる。

なお、本実施形態では、これらの機能がいずれも汎用のＣＰＵによって実現される例を説明している。しかしながら、これらの機能の一部又は全部が、１又は複数の専用のプロセッサにより実現されてもよい。また、地盤強度算出装置１の機能構成に関して、実施形態に応じて、適宜、機能の省略、置換、及び追加が行われてもよい。例えば、施工履歴情報を作成しない場合には、履歴作成部１１３は省略されてもよい。

＜４．施工方法＞
次に、図９～図１６を用いて、本実施形態に係る掘削機２による鋼管５の打設の施工手順について説明する。以下では、掘削機２は、ダウンザホールハンマ２５を用いた二重管削孔方式により鋼管５の削孔を行い、複数本の鋼管５を継ぎ足して所定の杭長の鋼管杭を形成する、いわゆるＳＴ（Strong Tubfix）マイクロパイル工法の実施について説明する。なお、以下で説明する施工手順は一例に過ぎず、各工程は可能な限り変更されてよい。また、以下で説明する施工手順について、実施の形態に応じて、適宜、工程の省略、置換、及び追加が可能である。

（第１工程）
まず、第１工程では、図９に示すように、削孔ビット２８を先端に装着した削孔ロッド２３を鋼管５内に挿入し、駆動装置２２によって削孔ロッド２３を駆動する。上記のとおり、駆動装置２２を駆動すると、鋼管５の先端から突出し、かつ径方向外側に拡径した削孔ビット２８にダウンザホールハンマ２５を介して回転及び打撃が加えられる。この回転及び打撃を利用して、削孔ビット２８は、鋼管５よりもやや大きい径の孔を掘削していく。

外管である鋼管５は、ケーシングシュー５１がガイドデバイス２６に係合していることによって、削孔ビット２８の推進と共に牽引されて、地中に貫入打設されていく。また、削孔ビット２８が地中に進むにつれて、駆動装置２２も下方に移動していく。鋼管５がほぼ地中に埋まるまで、この第１工程による削孔を継続する。そして、鋼管５がほぼ地中に埋まり、地中に打設した鋼管５の長さが所定の杭長に到達していない等の理由により、更に鋼管５を追加する場合には、次の第２工程を実施する。

（第２工程）
次の第２工程では、図１０に示すように、新たな鋼管５及び削孔ロッド２３を継ぎ足す。具体的には、図１１の状態にある駆動装置２２から削孔ロッド２３を取り外し、操作盤２２１を操作して、駆動装置２２を上方へ移動させる。続いて、図１２に示すように、削孔から露出した削孔ロッド２３及び鋼管５の後端それぞれに、追加の削孔ロッド２３及び鋼管５を継ぎ足す。

削孔ロッド２３同士及び鋼管５同士それぞれを接続する方法は、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、ネジ継手であるカプラ２３１により、削孔ロッド２３同士を接続することができる。同様に、カプラ式のネジ継手により、鋼管５同士を接続することができる。

上記の第１工程と第２工程を、地中に打設した鋼管５の合計の長さが所定の杭長になり、鋼管５の先端が支持層となる硬い地盤まで到達するまで繰り返す。所定の杭長（設定杭長）は、実施の形態に応じて適宜設定可能である。１本の削孔ロッド２３及び鋼管５の長さは、標準的には３ｍ程度である。そのため、所定の杭長を９ｍに設定した場合には、少なくとも３本の鋼管５を打設するまで、第１工程と第２工程とを繰り返す。これらの工程が行われている間、地盤強度算出装置１は、エンコーダ１５及び加速度センサ１６の計測に基づいて、強度指標を算出し続ける。そして、算出された強度指標により、鋼管５の先端が支持層に到達したか否かを判定する。なお、１本の鋼管５が所定の杭長よりも長い場合には、第２工程は省略可能である。

（第３工程）
以上の工程を経て鋼管５が支持層に到達すると、第３工程を行う。次の第３工程では、図１３に示すように、削孔に利用した削孔ビット２８を含む削孔ロッド２３を回収する。上記のとおり、削孔ロッド２３を回収する際には、第１工程とは反対方向に駆動装置２２を回転させる。これにより、ガイドデバイス２６とケーシングシュー５１との係合は外れると共に、削孔ビット２８の拡径は解除されて、削孔ビット２８が鋼管５内に挿入可能な状態になる。この状態で、駆動装置２２を上方に移動させることで、削孔ロッド２３及び削孔ビット２８を回収することができる。

（第４工程）
次の第４工程では、図１４に示すように、膨張収縮自在に構成されたパッカー３０を先端に取り付けた注入管３１を鋼管５内に挿入する。グラウト材を注入する位置まで、注入管３１を挿入した後、パッカー３０を適宜膨張させる。これにより、グラウト材を注入可能な状態になる。

（第５工程）
次の第５工程では、注入管３１を介して、削孔内にグラウト材６を注入する。鋼管５には、節突起及び吐出孔が所定ピッチで設けられている。鋼管５内の注入管３１から上方の部分はパッカー３０によって閉塞しているため、注入管３１により鋼管５内にグラウト材６を注入すると、吐出孔から削孔内にグラウト材６が吐出される。すなわち、鋼管５の先端側で、節突起がグラウト材６に埋もれながら、グラウト材６が充填されていく。

充分な量のグラウト材を注入した後には、図１５に示すように、パッカー３０を含む注入管３１を回収する。以上により、本実施形態に係る打設工程は完了である。充填されたグラウト材６が硬化すると、鋼管５の先端部分がグラウト材６により地盤に固定される。これによって、鋼管５及びグラウト材６による鋼管杭が形成される。

（各工程の実施タイミングに関して）
なお、上記第１工程～第３工程を実施してから次の第４工程及び第５工程によるグラウト材６の注入を実施するまでは、地中には、鋼管５のみが打設された状態になる。このため、第３工程の後に直ちに第４工程及び第５工程を実施するのではなく、他の鋼管杭の打設位置で上記第１工程～第３工程を実施することで、グラウト材６の注入工程の前に、各打設位置における鋼管５の打設工程を完了させてもよい。

図１６は、地盤強度算出装置１による強度指標の算出の例である。同図の例では、加速度センサ１６により、削孔ビット２８による振動を計測し続け、１秒毎に周波数解析を行っている。そして、所定時間おき、例えば、１０秒おきに、打撃回数、掘削速度、及び最大加速度振幅の平均を算出し、これらから式（１）に基づいて、強度指標を算出している。例えば、掘削深度が３．９ｍの位置では、強度指標が２５０であり、掘削深度が６．９ｍの位置では、強度指標が２６３５であるため、これらの位置は支持層ではないことが分かる。そして、そこからさらに掘削が進み、掘削深度が１１．４ｍの位置では、強度指標が１５０８９であり、掘削深度が１３．０ｍの位置では、強度指標が７７８７であった。したがって、少なくとも掘削深度が１１．４～１３．０ｍの間は、強度指標が７５００以上であるため、支持層であると判定することができる。

＜５．特徴＞
以上のように、本実施形態に係る地盤強度算出装置１は、単位貫入量当たりの打撃回数に、最大加速度振幅を乗じた強度指標を算出し、これによって地盤の強度を判定している。上記のように、打撃回数は空打ちが含まれるおそれがあるため、これだけでは地盤の硬さを正しく評価できない可能性がある。これに対して、本実施形態のように、最大加速度振幅を用いると、地盤の硬さを反映することができる。すなわち、硬い地盤を削孔ビット２８で打撃すると、最大加速度振幅が大きくなり、軟弱な地盤を打撃すると、最大加速度振幅は小さくなるため、最大加速度振幅を用いて、所定量の貫入に要する仕事の割合を算出することで、地盤の強度を反映した、強度指標を得ることができる。よって、地盤の掘削を行いつつ、地盤の強度を取得することができるため、適切に且つ低コストで杭の打ち込みを行うことができる。

＜６．変形例＞
以上、本発明の実施の形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本発明の例示に過ぎない。本発明の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。

＜６．１＞
例えば、上記実施形態では、地盤強度算出装置１は、ガイドセル２１に取り付けられている。しかしながら、地盤強度算出装置１の配置は、このような例に限定されなくてもよく、ガイドセル２１以外の場所に配置されてもよい。

また、例えば、エンコーダ１５及び加速度センサ１６が無線通信可能であれば、地盤強度算出装置１は、エンコーダ１５及び加速度センサ１６と無線通信可能な範囲に適宜配置してもよい。この場合、地盤強度算出装置１は、エンコーダ１５及び加速度センサ１６から定期的に測定データを受信し、受信した測定データを適宜処理することで、上述した各種の情報を取得することができる。あるいは、地盤強度算出装置１の機能構成の一部を掘削機に配置することもできる。

＜６．２＞
強度指標を算出するタイミングは、適宜変更可能である。掘削作業を行っている全時間に亘って振動の加速度、掘削速度を算出し、強度指標を算出してもよいし、掘削作業の所定の時間にのみ強度指標を算出することもできる。また、強度指標は、上記のように単位時間毎に算出してもよいし、所定の時間おきに、その間の単位時間毎の強度指標を平均したものを算出することもできる。

＜６．３＞
上記実施形態では、加速度センサ１６の測定データに基づいて、所定貫入量当たりの打撃回数を計測している。しかしながら、打撃回数を計測する方法は、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。

＜６．４＞
上記実施形態では、ワイヤ式リニアエンコーダにより掘削深度を取得している。しかしながら、掘削深度を測定する方法は、このような例に限定されなくてもよく、ワイヤ式リニアエンコーダ以外のエンコーダが用いられてもよいし、エンコーダ以外のセンサが用いられてもよい。例えば、掘削深度の測定には、ロータリエンコーダを用いることができる。

＜６．５＞
また、例えば、上記実施形態では、掘削機２は、ダウンザホールハンマ２５により、回転打撃式で掘削を行う削孔機構を備えている。しかしながら、掘削機２の構成は、削孔具に打撃を加えるタイプであれば、このような例に限定されなくてもよく、実施の形態に応じて適宜選択されてよい。例えば、掘削機２は、トップハンマを用いた削孔機構を備えてもよい。また、例えば、上記鋼管５は、ケーシング管として、引抜抜去されて使い回されてもよい。

１…地盤強度算出装置、８…プログラム、９…記憶媒体、
１１…制御部、１２…記憶部、１３…外部インタフェース、
１５…エンコーダ、１６…加速度センサ、１８…ドライブ、
２…掘削機、
２１…ガイドセル、２２…駆動装置、２２１…操作盤、
２３…削孔ロッド、２３１…カプラ、
２４…ガイドスリーブ、２５…ダウンザホールハンマ、２６…ガイドデバイス、
２７…リーマ、２８…削孔ビット、
３０…パッカー、３１…注入管、
５…鋼管、５１…ケーシングシュー、
６…グラウト材

Claims (6)

1. 削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機を用いて、地盤の強度を計測する地盤強度算出装置であって、
   前記削工具による単位時間当たりの打撃回数を取得する打撃回数取得部と、
   前記削工具の掘削速度を取得する速度取得部と、
   前記削工具の単位時間当たりの最大加速度振幅を取得する加速度取得部と、
   前記打撃回数（回／ｓ）／前記掘削速度（ｍ／ｓ）×前記最大加速度振幅（ｍ／ｓ²）により算出される強度指標を取得する演算部と、
   を備えている、地盤強度算出装置。
2. 前記打撃回数、前記掘削速度、及び前記最大加速度振幅として、所定時間における平均値を用いる、請求項１に記載の地盤強度算出装置。
3. 前記削工具の打撃による振動から、前記削工具の加速度振幅を測定する加速度センサをさらに備え、
   前記加速度取得部は、前記加速度センサによって測定された経時的な加速度振幅の波形から周波数解析によって、所定時間当たりの最大加速度振幅を取得する、請求項１または２に記載の地盤強度算出装置。
4. 前記打撃回数取得部は、前記最大加速度振幅を示す周波数を打撃回数として取得する、請求項３に記載の地盤強度算出装置。
5. 前記削工具の掘削速度を測定する速度測定部をさらに備えている、請求項１から４のいずれかに記載の地盤強度算出装置。
6. 削孔具に回転力と断続的な打撃力とを加えることで地盤を掘削する掘削機と、前記削工具の打撃による振動から、前記削工具の加速度振幅を測定する加速度センサと、前記削工具の掘削速度を取得する速度取得部と、を用いて、地盤の強度を計測する地盤強度算出プログラムであって、
   コンピュータに、
   前記加速度センサによって測定された経時的な加速度の波形から周波数解析によって、所定時間当たりの最大加速度振幅を取得するステップと、
   前記最大加速度振幅を示す周波数を打撃回数として取得するステップと、
   前記速度取得部によって前記削工具の掘削速度を取得するステップと、
   前記打撃回数（回／ｓ）／前記掘削速度（ｍ／ｓ）×前記最大加速度振幅（ｍ／ｓ²）により算出される強度指標を取得するステップと、
   を実行させる、地盤強度算出プログラム。

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