JP7131985B2 - 掘削撹拌装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中に埋設された基礎杭の周囲の地盤を改良した杭構造を構築する掘削撹拌装置に関する。

従来から、地中に埋設された基礎杭の周囲の地盤を改良した杭構造を構築することが成されている。この杭構造を構築する際には、掘削撹拌装置を用いて、地盤を掘削した土砂にセメント系固化材を混合撹拌して柱状改良体を形成する。次に、柱状改良体が固化する前に、この柱状改良体に、基礎杭を打設する。このような掘削撹拌装置として、例えば、特許文献１には、掘削ロッドと、掘削ロッドに固定され、掘削刃を下方に有した掘削翼とを備えた掘削撹拌装置が提案されている。

特開２０１２－１２７０８２号公報

しかしながら、特許文献１に係る掘削撹拌装置で杭構造を構築する際には、基礎杭を地盤に打設する前に柱状改良体を形成するため、土砂とセメント固化材を混合した柱状改良体が固化する前に、基礎杭を打設しなければならず、基礎杭を打設するタイミングに制限を受けてしまう。これに加えて、形成された柱状改良体に基礎杭を打設しようとすると、基礎杭と柱状改良体のとの間に、隙間が形成されることがあり、この隙間により、基礎杭に対する柱状改良体の支持力が低下することがある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、基礎杭を打設するタイミングに制限を受けずに、基礎杭の周りに基礎杭に対して支持力が大きい柱状改良体を形成することができる掘削撹拌装置を提供することにある。

前記目的を達成すべく、本発明に係る掘削撹拌装置は、地中に埋設された基礎杭の周囲の地盤を掘削した土砂にセメント系固化材を混合撹拌して、前記基礎杭の周囲に柱状改良体を形成する掘削撹拌装置であって、前記基礎杭の杭頭部を覆い、掘削時および撹拌時に、前記基礎杭の軸線を回転軸として回転する円筒状のケーシングと、前記ケーシングの外周面から、前記ケーシングの径方向に延在し、前記ケーシングに固着され、少なくとも下部に掘削刃を有した掘削翼と、前記ケーシングの外周面に設けられ、前記ケーシングの基端から前記セメント系固化材が導入され、前記掘削翼の基端またはその近傍から吐出されるように、前記セメント系固化材を前記土砂に供給する供給流路と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ケーシングで基礎杭の杭頭部を覆った状態で、掘削翼の掘削刃で、基礎杭の周りの地盤を掘削し、掘削翼で掘削した地盤から土砂が生成される。この土砂に対して、ケーシングの外周面の供給流路を介して、セメント系固化材を供給し、これらを混合撹拌することができる。したがって、基礎杭を打設するタイミングに制限を受けずに、基礎杭の周りに柱状改良体を形成することができる。特に、セメント系固化材は、掘削翼の基端またはその近傍から吐出されるので、掘削翼で撹拌されている土砂に、セメント系固化材を効率良く供給することができる。さらに、この掘削撹拌装置により、柱状改良体の形成前または形成ともに鋼管杭を打設するので、柱状改良体と鋼管杭との間に隙間が形成され難いため、柱状改良体は、鋼管杭をより大きい支持力で支持することができる。

なお、ケーシングの内部に供給流路を設けた場合には、掘削時に、ケーシングの内に収容される杭頭部により、供給流路が遮断されるおそれがあるが、本発明によれば、ケーシングの外周面に供給流路を設けたため、杭頭部により供給流路が遮断されることはない。

さらに、供給流路が遮断されないように、ケーシングの内部に供給流路を設けようとした場合には、ケーシングを２重管の構造にし、２重管の間にセメント系固化材を流すことも想定されるが、この場合には、掘削撹拌装置の重量が増大する。しかしながら、本発明によれば、ケーシングの外周面に供給流路を設けるので、よりシンプルな構造を採用することができ、掘削撹拌装置の軽量化を図ることができる。

前記した態様では、セメント系固化材を供給する供給流路は特に限定されるものではないが、より好ましい態様としては、前記ケーシングの回転軸方向と直交する断面が屈曲または湾曲した流路形成部材が、前記ケーシングの回転軸方向に沿って、前記ケーシングの外周面に固定されることにより、前記供給流路が形成されることを特徴とする。

この態様によれば、流路形成部材をケーシングの外周面に固定することにより、安定してコンパクトに供給流路を形成することができる。具体的には、ケーシングの回転軸方向と直交する断面が屈曲したものとしては、断面Ｌ字状のアングル材を挙げることができ、湾曲したものとしては、断面半筒形の半割りパイプ材を挙げることができる。これらをケーシングの回転軸方向に沿わせて、ケーシングの外周面に溶接等で固定することで、セメント系固化材の供給流路を容易に形成することができる。

さらに、より好ましい態様としては、前記掘削翼よりも前記ケーシングの基端側において、前記ケーシングの回転に対して共回りしないように、前記ケーシングの外周面に固定されたリング材に対して回転可能に取付けられた共回り防止翼を備えており、前記リング材の内周面には、前記ケーシングの回転軸方向に沿って、凹溝が形成されており、該凹溝に前記供給流路が形成されていることを特徴とする。

この態様によれば、リング材の内周面に、前記ケーシングの回転軸方向に沿って形成された凹溝に供給流路が形成されるため、よりシンプルな構造で、ケーシングと共回り防止翼の相対的な回転時に、供給流路が共回り防止翼に遮断されることを防止することができる。このため、セメント系固化材の供給が安定して行える。また、掘削および撹拌時にケーシングの回転に伴って掘削翼は回転するが、ケーシングの外周面に対して回転可能に取付けられた共回り防止翼は、掘削撹拌されている土砂中に留まっているため、回転している掘削翼と留まっている共回り防止翼によって土砂の撹拌は効率よく行われる。

さらに好ましい他の態様としては、前記供給流路から前記セメント系固化材が吐出される吐出口は、前記ケーシングの外周面から、前記ケーシングの径方向に突出した位置に形成されており、前記ケーシングには、前記吐出口よりも前記ケーシングの先端側において、前記吐出口から前記ケーシングの回転軸方向に沿った位置に、前記吐出口を保護する保護刃が形成されていることを特徴とする。

この態様によれば、掘削時に、吐出口はケーシングと共に回転し、吐出口を形成する部分が土砂に接触し易いが、吐出口よりも先端側において吐出口を保護する保護刃が形成されているので、吐出口を形成する部分を土砂から保護することができ、セメント系固化材の安定した供給が可能となる。

本発明の掘削撹拌装置によれば、基礎杭を打設するタイミングに制限を受けずに、基礎杭の周りに基礎杭に対して支持力が大きい柱状改良体を形成することができる。

本発明に係る掘削撹拌装置で構築した杭構造を説明するための模式的断面図である。 （ａ）は図１に示す杭構造を構築するための掘削撹拌装置の一実施形態の式的正面図、（ｂ）は（ａ）のＡ－Ａ線に沿う断面図である。 （ａ）は図２（ｂ）のＢ－Ｂ線に沿う掘削撹拌装置の寸法を示すための断面図、（ｂ）は鋼管杭の杭頭部の断面図である。 （ａ）は図３（ａ）のＣ－Ｃ線に沿う断面図、（ｂ）は図３（ａ）のＤ－Ｄ線に沿う断面図、（ｃ）は図３（ａ）のＥ－Ｅ線に沿う断面図である。 本実施形態の掘削撹拌装置を使用して柱状改良体を形成し、杭構造を構築する工程を説明するための断面図である。 図５に示す工程の後工程を示す断面図である。 図６に示す工程の後工程を示し、柱状改良体を形成した杭構造の要部断面図である。 図４（ａ）に示すセメント系固化材を供給する供給流路の変形例を示す掘削撹拌装置の断面図である。 （ａ）は保護刃の変形例を示す図２（ａ）に対応する掘削撹拌装置の正面図、（ｂ）は（ａ）のＦ－Ｆ線に沿う断面図である。 図３（ａ）に示すケーシングの変形例を示す掘削撹拌装置の断面図である。 図１０に示す掘削撹拌装置を用いて実施した他の工程を説明するための断面図である。

以下、本発明に係る掘削撹拌装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。先ず、図１を参照して、本実施形態の掘削撹拌装置１０で、地中に埋設された基礎杭の周囲の地盤を改良して構築する杭構造１について説明する。図１は、本発明に係る掘削撹拌装置１０で構築した杭構造１を説明するための模式的断面図である。

［杭構造］
図１において、杭構造１は、地中に埋設された基礎杭として鋼管杭２と、鋼管杭２の周囲に形成され、土砂をセメント系固化材で固めた柱状改良体３とを備える。鋼管杭２は直径ｄ１が１００～３００ｍｍ程度の鋼管で形成され、地表から支持層４に到達する長さを有しており、深い支持層４の場合には６～１０ｍ程度の鋼管を溶接等で連結して必要な長さとしている。支持層４の深さＬ１は１０～３０ｍ程度の深さが一般的である。

基礎杭としての鋼管杭２には、下部に掘削翼として先端翼２Ａが溶接等で固着されている。先端翼２Ａは側面から見て傾斜した鋼板で螺旋状に形成され、その直径ｄ２は３００～８００ｍｍ程度に設定されている。先端翼２Ａは、鋼管杭２の地盤への貫入時に、地盤の掘削を行うとともに、地盤に対して鋼管杭２を支持するものである。鋼管杭２は、杭打ち機（図示せず）で地表に対して垂直に設置され、その先端は支持層４に達している。設置の際には、鋼管杭２を回転させ、先端翼２Ａで土砂を掘削しながら地中に鋼管杭２を貫入させ、必要に応じて鋼管杭２を溶接等で継ぎ足し、支持層４まで、先端翼２Ａを含むその先端を到達させる。

鋼管杭２により、杭構造１は、垂直方向の支持力を得ることができる。支持層４まで到達した状態の鋼管杭２の周囲は、先端翼２Ａで掘削された土砂５で外周が覆われており、掘削された土砂５は先端翼２Ａの直径で、地面から支持層４までの範囲に存在する。なお、土砂５のうち、地表から深さＬ２に存在する一部が、セメントミルク(具体的にはセメント固化材）で固めた柱状改良体３の一部を構成する。なお、セメントミルクは、水にセメント固化材を混合したものである。

柱状改良体３は鋼管杭２の周囲に円筒状に形成され、その直径Ｄは０．４～１．５ｍ程度で深さＬ２は４ｍ程度となっている。柱状改良体３は、土砂５の地表に近い部分（地表から深さＬ２までの部分）に、先端翼２Ａの直径ｄ２より大きい範囲で、地盤を掘削し、掘削により生成された土砂にセメントミルクを混合して固化したものである。したがって、柱状改良体３は、地表から鋼管杭２の長さＬ１より短い深さＬ２まで形成されている。また、柱状改良体３の直径Ｄは、鋼管杭２の径および先端翼２Ａの直径ｄ２より大きく設定されている。たとえば、直径Ｄ／直径ｄ２は、１．２～２．０の範囲にあることが好ましい。

このように構成された杭構造１では、基礎杭としての鋼管杭２は支持層４まで到達しているため、鋼管杭２を介して鉛直方向の支持力を支持層４で受けることができるので、鉛直方向に十分な強度を有している。一方、杭構造１では、鋼管杭２の上部の地表部分にセメントミルクで固化した柱状改良体３が形成されており、掘削された土砂５の部分より大きな外径で補強されているため剛性が大きく、水平力が鋼管杭２に作用しても、柱状改良体３で十分に対抗することができる。また、柱状改良体３の長さＬ２が鋼管杭２の長さＬ１に比べて短いため、構成が簡単となり、後述する杭構造１の構築時に、セメントミルクの使用量をこれまでに比べて減らすことができるため、短時間で柱状改良体３を形成し、コストの低減も図ることができる。さらに、後述するように、柱状改良体３の形成前または形成とともに鋼管杭２を打設するので、柱状改良体３と鋼管杭２との間に隙間が形成され難いため、柱状改良体３は、鋼管杭２をより大きい支持力で支持することができる。

［掘削撹拌装置］
つぎに、本実施形態の掘削撹拌装置１０を、図２～図４を参照して詳細に説明する。なお、図４（ａ）は、図３（ａ）のＣ－Ｃ線に沿う掘削撹拌装置１０の断面図であるが、ケーシング１１に対して共回り防止翼１６を時計回りに４５°回転させた状態の断面図である。

本実施形態に係る掘削撹拌装置１０は、地盤に鋼管杭２を貫入（打設）した後、柱状改良体３の成形を行う装置である。具体的には、掘削撹拌装置１０は、前記の杭構造１を構築するため、鋼管杭２の周囲の地盤を掘削し、生成された土砂にセメント系固化材を混合撹拌して、鋼管杭２の周囲に柱状改良体３を形成するのに適した装置である。

掘削撹拌装置１０は、円筒状のケーシング１１を備えており、掘削時および撹拌時に、ケーシング１１は、鋼管杭２の軸線を回転軸として回転する。ケーシング１１は鋼管等のパイプの上端開口を、上蓋を兼ねる連結部１２で閉じ、下方に開口した形状である。連結部１２は外形が六角柱状に形成され、図示していない杭打機等に連動して回転されるものである。連結部１２の中心には、図２（ｂ）に示すように、上方からセメントミルク（セメント系固化材）を注入する注入孔１２ａが形成され、注入孔１２ａの下端は水平方向に延在する横孔１２ｂに連通している。

上述した如く、ケーシング１１は、下方に開口しており、この開口した部分には鋼管杭２が挿入できるように、その内径が設定されている。すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、鋼管杭２の直径ｄ３に対してケーシング１１の内径ｄ４が大きくなっている。このように、円筒状の下方開口のケーシング１１は、鋼管杭２の杭頭部を覆うことができる形状となっている。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、掘削撹拌装置１０のケーシング１１の外周面には、ケーシング１１の基端から、セメントミルクが導入され、後述する第１掘削翼１４の近傍から突出されるように、セメントミルクを土砂に供給する供給流路１３，１３が形成されている。具体的には、２つの供給流路１３，１３は、ケーシング１１の外周面に、ケーシング１１の基端（上端）から先端（下端）側に向かって平行に形成されている。

本実施形態では、ケーシング１１の回転軸方向と直交する断面が屈曲した流路形成部材が、ケーシング１１の外周面に固定されることにより、供給流路１３は形成されている。具体的には、図４（ａ），（ｂ）に示すように、流路形成部材は、断面形状がＬ字状のアングル材１３ａである。アングル材１３ａの２本の端縁部をケーシング１１の外周面に溶接等で固定することで、断面形状が三角柱状の供給流路１３がケーシング１１の外周面に沿って形成されている。

図３（ａ），図４（ａ）～（ｃ）に示すように、ケーシング１１の下端近傍には、その外周面に、第１掘削翼１４および第２掘削翼１５が、回転軸方向に離間して固着され、これらはケーシング１１の径方向に延在している。第１掘削翼１４および第２掘削翼１５の間には、共回り防止翼１６がケーシング１１に対して回転可能に取付けられている。なお、第１掘削翼１４が、本発明でいう「掘削翼」である。

図３（ａ）に示すように、第１掘削翼１４は、ケーシング１１を挟んで反対方向に延在した２本の固定アーム１４ａ，１４ａを有している。同様に、第２掘削翼１５は、ケーシング１１を挟んで反対方向に延在した２本の固定アーム１５ａ，１５ａを有している。

固定アーム１４ａ，１５ａには、複数の刃部１４ｂ、１５ｂが上下に突出して固着されている。なお、刃部１４ｂのうち、第１掘削翼１４の下部に取付けられた刃部が、本発明でいう「掘削刃」である。刃部１４ｂ、１５ｂは、鋼管杭２の周りの地盤を掘削するとともに、これにより生成された土砂を撹拌するもので、硬度の高い金属で先細に形成されている。複数の刃部１４ｂ、１５ｂは、上下に突出しているが、下方のみに突出するものでもよい。また、第１掘削翼１４の刃部と、第２掘削翼１５の刃部は、第１掘削翼１４と、第２掘削翼１５とが延在する方向に沿って１つの刃として形成されていてもよい。

さらに、図３（ａ），図４（ａ）～（ｃ）に示すように、第１掘削翼１４および第２掘削翼１５は、ケーシング１１の回転軸に対して同じ方向に延在している。しかしながら、これらの延在する方向が、回転軸に対して直交していてもよく、これらの方向が交差する角度が所定の角度を成していてもよい。

第１掘削翼１４よりも上部に位置する第２掘削翼１５は、ケーシング１１のアングル材１３ａ，１３ａが接触しない位置に溶接等で固着されている。第２掘削翼１５よりも下部に位置する第１掘削翼１４は、ケーシング１１の下端に固着されたリング状部材１７の外周面に溶接等で固着される。このリング状部材１７にアングル材１３ａ，１３ａが突き当てられている。

図２（ｂ），図４（ｃ）に示すように、リング状部材１７には、上面に開口する供給孔１７ａが形成され、供給孔１７ａは側方に曲げられ、側方に開口する吐出口１７ｂが形成されている。このため、供給流路１３の内部空間に供給孔１７ａが連通し、吐出口１７ｂが開口している。吐出口１７ｂの側方開口は、第１掘削翼１４よりも上側に形成されている。なお、本実施形態では、リング状部材１７に吐出口１７ｂを設けることにより、セメントミルクは、第１掘削翼１４の近傍から吐出されるが、例えば、吐出口を第１掘削翼１４の基端に形成してもよい。

リング状部材１７に形成された吐出口１７ｂは、ケーシング１１の外周面から、ケーシング１１の径方向に突出した位置に形成されている。より具体的には、吐出口１７ｂは、ケーシング１１に外嵌されたリング状部材１７の外周面から突出して形成されている。そして、ケーシング１１には、吐出口１７ｂよりもケーシング１１の先端側において、各吐出口１７ｂからケーシング１１の回転軸方向に沿った位置に、吐出口１７ｂを保護するように突出した保護刃１８が形成されている。保護刃１８は超鋼等の硬質の金属からなり、先細に形成されている。保護刃１８の先端は、吐出口１７ｂよりもケーシング１１の径方向にさらに突出している。

図３（ａ），図４（ａ），（ｂ）に示すように、共回り防止翼１６は、下部に位置する第１掘削翼１４よりもケーシング１１の基端側において、ケーシング１１の回転に対して共回りしないように、ケーシング１１の外周面に固定されたリング材１９に対して回転可能に取付けられている。なお、本実施形態では、ケーシング１１の先端側の上下に掘削翼１４，１５があるため、共回り防止翼１６は掘削翼１４，１５の間に取付けられている。

具体的には、図４（ｂ）に示すように、ケーシング１１を構成する鋼管の外周面には、共回り防止翼１６を遊嵌させるための円環状のリング材１９が固定され、リング材１９は上下につば状部が突設されている。リング材１９の外周において、上下のつば状部に嵌るように、共回り防止翼１６の一部を構成する２つの半円状の回転部材１６ａ，１６ａがボルトナットで連結され、リング材１９の外周を回転できるように取付けられている。回転部材１６ａ，１６ａから、ケーシング１１の径方向に延在するように軸部１６ｂ，１６ｂが固着され、軸部１６ｂ，１６ｂから上下方向に撹拌刃１６ｃが固着されている。

このように、共回り防止翼１６は、ケーシング１１に対してその回転軸周りに回転自在となる。第１掘削翼１４および第２掘削翼１５は、直径ｄ５の円周上をケーシング１１の回転にあわせて旋回するような長さに設定され、共回り防止翼１６は直径ｄ６の円周上を自由に旋回するような長さに設定されている。

図４（ｂ）に示すように、共回り防止翼１６を回転可能に支持するリング材１９の内周面には、ケーシング１１の回転軸方向に沿って、凹溝１９ａが形成されている。アングル材１３ａは、凹溝１９ａに収容され、供給流路１３はリング材１９を通過して、ケーシング１１の外周面に固着されている。これにより、凹溝１９ａ内に、供給流路１３が形成されるため、共回り防止翼１６により供給流路１３は遮断されない。なお、図２（ｂ）に示すように、アングル材１３ａの上端は蓋材で閉じられており、連結部１２の横孔１２ｂに合わせてケーシング１１の上部に形成された貫通孔１１ａで横孔１２ｂと供給流路１３は連通している。

前記の如く構成された本実施形態の掘削撹拌装置１０の動作、すなわち、掘削撹拌装置１０を用いて杭構造１を構築する構築方法について、図５～図７を参照して以下に説明する。なお、この構築方法では、杭頭部を露出した状態で地中に鋼管杭２を埋設したあと柱状改良体３を形成する。

まず、本実施形態では、基礎杭としての鋼管杭２は、図示していない杭打ち機を用いて地盤に垂直状態に設置されて回転され、先端翼２Ａで地盤を掘削して地中に貫入される。鋼管杭２は支持層４に到達するまで貫入される。これにより、杭構造１の鉛直方向の支持力が十分に得られる。

この状態の鋼管杭２に、図５に示すように、杭頭部に掘削撹拌装置１０のケーシング１１を被せて、掘削撹拌装置１０を地表に対して垂直に設置する。すなわち、ケーシング１１の下方開口に鋼管杭２の杭頭部を挿入して設置する。そして、掘削撹拌装置１０を回転させ下降させることにより、図６に示すように、第１掘削翼１４と第２掘削翼１５で鋼管杭２の周囲の地盤を掘削しつつ、地盤の掘削により生成された土砂とセメントミルクとを混合撹拌する。

このとき、ケーシング１１とともに回転する第１掘削翼１４と第２掘削翼１５は、周囲の土砂を引き回す。しかしながら、中間に位置する共回り防止翼１６の軸部１６ｂ、１６ｂは、第１掘削翼１４の固定アーム１４ａ、第２掘削翼１５の固定アーム１５ａより長いため、外側の土砂に食い込んで回転しない。このため、第１掘削翼１４と第２掘削翼１５の近傍の土砂が旋回し、共回り防止翼１６の近傍の土砂は旋回しないので、第１掘削翼１４と第２掘削翼１５との間の土砂とセメントミルクとを確実に混合撹拌することができる。さらに、掘削撹拌装置１０を回転させながら下降させると、土砂の撹拌範囲は下方に増え、杭頭部がケーシング１１の連結部１２に接近する。

この掘削時および撹拌時に、図６に示すように、連結部１２の注入孔１２ａから矢印Ｙ１のようにセメントミルクが供給される。これにより、セメントミルクは連結部１２の横孔１２ｂを通り、ケーシング１１の貫通孔１１ａを通過して外周に形成された供給流路１３を通り、下方に流下してリング状部材１７の吐出口１７ｂから矢印Ｙ２のように供給流路１３外に吐出される。

吐出されたセメントミルクは、第１掘削翼１４、第２掘削翼１５、および共回り防止翼１６で撹拌されている土砂５と混合される。このようにして、セメントミルクは、第１掘削翼１４の近傍から吐出されるので、第１掘削翼１４で撹拌されている土砂５に、セメントミルクを効率良く供給することができる。

このあと、第１掘削翼１４および第２掘削翼１５を旋回させながら鋼管杭２の杭頭部から掘削撹拌装置１０を取り外すと、図７に示すように、地中に埋設された鋼管杭２の周囲には、柱状改良体３となる土砂とセメントミルクの混合物が形成される。柱状改良体３となる混合物は、地表から鋼管杭２の長さより短い深さまで形成される。

その後、掘削撹拌装置１０を地中から引き抜き、セメントミルクが混合された土砂は、徐々に硬化（固化）して、地盤改良された柱状改良体３が成形される。本実施形態によれば、柱状改良体３を成形する前に、予め鋼管杭２を打設しておくので、鋼管杭２を打設するタイミングに制限を受けずに、鋼管杭２の周りに柱状改良体３を形成することができる。

固化した柱状改良体３は、地盤との食付きが良く、撹拌された土砂５の上部を柱状改良体３で補強するため、垂直方向の支持力とともに、水平方向の支持力を大幅に向上させることができる。そして、鋼管杭２の上部が柱状改良体３で補強され、鋼管杭２に水平方向の力が加わっても十分に対抗できる強度を有する杭構造１となる。

ここで、例えば、ケーシング１１の内部に供給流路を設けた場合には、掘削時に、ケーシング１１の内に収容される杭頭部により、供給流路が遮断されるおそれがある。しかしながら、本実施形態では、ケーシング１１の外周面に供給流路１３を設けたため、杭頭部により供給流路１３が遮断されることはない。

セメントミルクが吐出される吐出口１７ｂは、ケーシング１１の外周面からケーシング１１の径方向に突出した位置に形成されている。これに合わせて、吐出口１７ｂのケーシング１１の先端側に、保護刃１８が形成されているため、撹拌された土砂から吐出口１７ｂを保護することができる。具体的には、撹拌された土砂に混じった岩等による吐出口１７ｂの変形を防止でき、吐出口１７ｂに土砂が詰まることによるセメントミルクの供給停止を防止できる。

セメントミルクを供給する供給流路１３を形成する流路形成部材の変形例について図８を参照して説明する。この例で示す流路形成部材は、ケーシング１１の長手方向と直交する断面が湾曲した形状をしており、具体的には、パイプ材を長手方向に沿って半割りした半割りパイプ材１３ｂ，１３ｂである。この半割りパイプ材１３ｂ，１３ｂを、ケーシング１１の回転軸方向に沿って、ケーシング１１の外周面に固定してセメントミルクを土砂に供給する供給流路１３を形成している。この供給流路１３も、半割りパイプ材１３ｂ，１３ｂを溶接等でケーシング１１の外周面に固定することで、供給流路１３を容易に形成することができる。

吐出口１７ｂを保護する保護刃の変形例について図９（ａ），（ｂ）を参照して説明する。この例で示す保護刃１８Ａは、吐出口１７ｂよりもケーシング１１の先端側において、各吐出口１７ｂからケーシング１１の回転軸方向に沿った位置に、吐出口１７ｂを保護するように、配置されている。具体的には、保護刃１８Ａは、吐出口１７ｂを保護するように、回転軸方向に沿って、ケーシング１１の先端から下方に突出している。これにより、ケーシング１１の先端から、吐出口１７ｂに向かう土砂を、保護刃１８Ａで破砕し、吐出口１７ｂを保護することができる。

ケーシング１１の変形例について図１０を参照して説明する。この変形例では、掘削撹拌装置１０Ａは、地盤に鋼管杭２を貫入しながら柱状改良体３の成形を行う装置である。この変形例では、ケーシング１１の内周面に、鋼管杭２を固定するためのチャック２９が取付けられている。一方、鋼管杭２の杭頭部の外周面には、チャック２９に係合する突起（図示せず）が形成されている。

チャック２９には、鋼管杭２の突起に係合する、縦溝２９ｂと横溝２９ｃで構成されるＴ字状の係合溝２９ａが形成されている。鋼管杭２とケーシング１１を連結する際には、まず、Ｔ字状の係合溝２９ａの下方から、上下方向に沿って形成された縦溝２９ｂに、鋼管杭２の上述した突起を挿入する。次に、鋼管杭２とケーシング１１とを相対的に回転することにより、この突起を、周方向に形成された横溝２９ｃの端部に当接させる。これにより、鋼管杭２とケーシング１１とを一体的に回転させることができる。なお、本実施形態では、チャック２９に係合溝２９ａを設けたが、鋼管杭２とケーシング１１とを一体的に回転することができるのであれば、杭頭部に嵌合する形状のチャックであってもよく、チャックの形状は特に限定されるものではない。

図１０に示す掘削撹拌装置１０Ａで、鋼管杭２の周囲の地盤を改良して柱状改良体３を形成する方法を説明する。図１１に示すように、鋼管杭２は、所定の深さ、例えば支持層４まで到達していない状態であり、先端翼２Ａでさらに地盤を掘削しながら鋼管杭２をさらに貫入することが必要な状態である。

次に、掘削撹拌装置１０Ａのケーシング１１で杭頭部を含む鋼管杭２を覆うとともに、上述したように、チャック２９に鋼管杭２を係合させる。この状態では、掘削撹拌装置１０Ａは地表までは到達していない。

次に、掘削撹拌装置１０Ａのケーシング１１を回転させつつ、ケーシング１１に備えられたチャック２９により、杭打ち機の回転力は連結部１２を介して掘削撹拌装置１０Ａのケーシング１１に伝達され、ケーシング１１を回転させるとともに、チャック２９を介して鋼管杭２に伝達される。これにより、先端翼２Ａが地盤を掘削するように鋼管杭２を回転させながら下降させると、鋼管杭２が地中にさらに貫入される。

この状態で、鋼管杭２および掘削撹拌装置１０Ａが下降を続け、掘削撹拌装置１０Ａの第１掘削翼１４が地表に到達すると、掘削撹拌装置１０Ａが、鋼管杭２の周りの地盤を徐々に掘削し始め、鋼管杭２の地中への貫入と、柱状改良体３を形成するための地盤の掘削と、生成された土砂の撹拌とが同時に実施される。掘削撹拌装置１０Ａで柱状改良体３の深さに相当する位置まで貫入および掘削を続け、所定の深さまで鋼管杭２の貫入と柱状改良体３を形成するための地盤の掘削が完了する。

このような撹拌時に、連結部１２側からセメントミルクを供給すると、セメントミルクは連結部１２の注入孔１２ａ、横孔１２ｂを通り、貫通孔１１ａを介しケーシング１１の外周面に形成した供給流路１３，１３を通って先端側のリング状部材１７に到達し、吐出口１７ｂからケーシング１１外に吐出される。吐出されたセメントミルクは、第１掘削翼１４、第２掘削翼１５および共回り防止翼１６で撹拌されている土砂５に混合される。所定時間混合し、セメントミルクと土砂が均一に混合されたあと、チャック２９による係合を解除し、掘削撹拌装置１０Ａを鋼管杭２から外し、掘削撹拌装置１０Ａを地中から引き上げると、柱状改良体３が形成される。

この杭構造１の構築方法では、前記した実施形態の動作説明で示した効果の他に、先端翼２Ａを備える鋼管杭２の貫入、柱状改良体３の地盤の掘削、セメントミルクの供給、および土砂とセメントミルクの混合撹拌が一連の工程で実施でき、短時間で効率よく杭構造を構築することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、基礎杭として、先端翼を有する鋼管杭の例を示したが、先端翼のないＰＨＣ杭等の他のコンクリート杭を用いることもできる。また、基礎杭は支持層に到達する長さを有するものを示したが、支持層まで到達せずに摩擦杭として用いるものでもよい。

さらに、前記した実施形態では、掘削翼を、２種類の第１掘削翼と第２掘削翼により２段の掘削翼としたが、掘削翼は、１つまたは３つ以上であってもよく、上下に３つ以上備える場合には、これらの間に共回り防止翼をさらに設けてもよい。

また、地盤の掘削と土砂の撹拌時に、これにセメントミルクを供給し、土砂とセメントミルクを混合してもよく、地盤の掘削後、第１掘削翼および第２掘削翼を降下させず定位置で旋回させながら、鋼管杭の周りの土砂を撹拌し、撹拌している土砂にセメントミルクを供給してもよい。

１：杭構造、２：鋼管杭（基礎杭）、２Ａ：先端翼（掘削刃）、３：柱状改良体、４：支持層、５：掘削された土砂、１０：掘削撹拌装置、１１：ケーシング、１２：連結部、１３：供給流路、１３ａ；アングル材（流路形成部材）、１３ｂ：半割りパイプ材（流路形成部材）、１４：第１掘削翼（掘削翼）、１５：第２掘削翼、１６：共回り防止翼、１７：リング状部材、１７ａ：供給孔、１７ｂ：吐出口、１８：保護刃、１９：リング材、１９ａ：凹溝

Claims (3)

1. 地中に埋設された基礎杭の周囲の地盤を掘削した土砂にセメント系固化材を混合撹拌して、前記基礎杭の周囲に柱状改良体を形成する掘削撹拌装置であって、
   前記基礎杭の杭頭部を覆い、掘削時および撹拌時に、前記基礎杭の軸線を回転軸として回転する円筒状のケーシングと、
   前記ケーシングの外周面から、前記ケーシングの径方向に延在し、前記ケーシングに固着され、少なくとも下部に掘削刃を有した掘削翼と、
   前記ケーシングの外周面に設けられ、前記ケーシングの基端から前記セメント系固化材が導入され、前記掘削翼の基端またはその近傍から吐出されるように、前記セメント系固化材を前記土砂に供給する供給流路と、を備え、
   前記掘削翼よりも前記ケーシングの基端側において、前記ケーシングの回転に対して共回りしないように、前記ケーシングの外周面に固定されたリング材に対して回転可能に取付けられた共回り防止翼を備えており、
   前記リング材の内周面には、前記ケーシングの回転軸方向に沿って、凹溝が形成されており、
   該凹溝に前記供給流路が形成されていることを特徴とする掘削撹拌装置。
2. 前記ケーシングの回転軸方向と直交する断面が屈曲または湾曲した流路形成部材が、前記ケーシングの回転軸方向に沿って、前記ケーシングの外周面に固定されることにより、前記供給流路が形成されることを特徴とする請求項１に記載の掘削撹拌装置。
3. 前記供給流路から前記セメント系固化材が吐出される吐出口は、前記ケーシングの外周面から、前記ケーシングの径方向に突出した位置に形成されており、
   前記ケーシングには、前記吐出口よりも前記ケーシングの先端側において、前記吐出口から前記ケーシングの回転軸方向に沿った位置に、前記吐出口を保護する保護刃が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の掘削撹拌装置。

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