WO2011125710A1 - 脱気工程を含む鋼杭打設工法 - Google Patents

脱気工程を含む鋼杭打設工法 Download PDF

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WO2011125710A1
WO2011125710A1 PCT/JP2011/057966 JP2011057966W WO2011125710A1 WO 2011125710 A1 WO2011125710 A1 WO 2011125710A1 JP 2011057966 W JP2011057966 W JP 2011057966W WO 2011125710 A1 WO2011125710 A1 WO 2011125710A1
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steel pile
hammer
fluidized
vibration
amplitude
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PCT/JP2011/057966
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English (en)
French (fr)
Inventor
久男 山下
誠 奥村
健二 西海
吉郎 石濱
隆太 田中
勇吉 鈴木
健二 高橋
博康 横山
Original Assignee
新日本製鐵株式会社
調和工業株式会社
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Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D7/00—Methods or apparatus for placing sheet pile bulkheads, piles, mouldpipes, or other moulds
    • E02D7/18—Placing by vibrating

Definitions

  • the present invention relates to a steel pile placing method using a fluidized solidifying material such as cement milk, and more particularly to a steel pile placing method for degassing the fluidized solidified material in the formation of a rooted portion.
  • the “fluidized solidifying material” in the present specification means various fluidized kneaded materials containing cement, which solidify over time after placing.
  • cement milk in which cement and water (including additives such as admixtures in some cases) are kneaded, soil cement in which clay is kneaded in soil, mortar material in which cement milk is kneaded in sand, cement milk in sand (fine Aggregate) and concrete material kneaded with gravel (coarse aggregate) are fluidized solidification materials.
  • the “steel pile” in the present specification means civil engineering and architectural steel materials that are placed in the ground, and includes, for example, H-shaped steel, steel sheet piles, steel pipes, and the like.
  • the fluidized solidifying material is used to form a structure of a building by placing it on a formwork, or to form an underground structure by being injected or injected into the ground.
  • the fluidized solidified material contains relatively large bubbles due to air being trapped in the gap between cement and water in the process of kneading, pumping and placing.
  • the solidified body solidified while containing such bubbles has a weaker strength than those not containing them. Therefore, it is preferable to remove excess bubbles from the fluidized solidified material after placement, that is, to deaerate.
  • the degassing treatment of the fluidized solidifying material is generally referred to as compaction.
  • the compaction is performed by giving an appropriate vibration energy to the fluidized solidified material. As a result of removing excess bubbles by vibration, a solid and high-strength solidified body is obtained.
  • a rod-like vibrator as described in Patent Document 1 is known as a general compaction vibration device.
  • the rod-like vibrator generates a vibration having a frequency of 116.7 to 200 Hz and an amplitude of about 0.5 to 1.25 mm (“amplitude” in the present specification means half of the peak-to-peak of the vibration wave). ).
  • the frequency of the rod-like vibrator is relatively high in the vibration device. In the high frequency region, the vibration energy is greatly attenuated, so that it is difficult for the vibration to reach far away. For this reason, the rod-like vibrator can obtain a degassing effect only in the vicinity thereof.
  • the rod-like vibrator can be used only for the fluidized solidified material placed so that the surface is exposed. Therefore, it cannot be used for the fluidized solidified material placed in the ground. Conventionally, there has been no effective means for degassing the fluidized solidifying material used to form underground structures.
  • a synthetic steel pile with soil cement As an underground structure using a fluidized solidifying material, for example, a synthetic steel pile with soil cement is well known.
  • a vibro hammer is attached to the base end of the steel pile, and the steel pile is penetrated into the ground while relaxing the ground resistance by giving vibration energy to the steel pile.
  • a steel pile driving method using a water jet is also known.
  • a plurality of transfer pipes are attached along the axial direction of the steel pile, and the injection nozzle is arranged near the tip of the steel pile.
  • the ground resistance is relaxed by excavating the ground by spraying high-pressure water from the spray nozzle while giving vibration by vibro hammer.
  • a solidified part is formed in the front-end
  • the root hardening part is a solidified body of a fluidized solidifying material. The end support force for the steel pile is ensured by the solidified part.
  • the fluidized solidified material in the steel pile placing method of Patent Document 2 also contains excess bubbles. Therefore, in order to form a stronger root-solidifying part, it is desirable to degas the fluidized solidified material. However, it is impossible to apply a general rod-like vibrator to the fluidized solidified material placed in the ground. Therefore, until now, there has been no idea of degassing the fluidized solidified material that is injected into the ground and solidified.
  • the protrusion and the rib for improving the adhesiveness with the root hardening part are provided in the inner and outer surface of the front-end
  • the method of Patent Document 2 includes a step of stopping the vibro hammer after stopping the steel pile at the planned depth (fixing depth) and injecting the fluidized solidified material for a predetermined time. As a result, the fluidized solidified material mixed with large bubbles is solidified as it is. This means that the strength of the root hardening portion is lower than the strength that should be originally obtained.
  • the present invention realizes deaeration of the fluidized solidified material in the ground in order to form a solid and uniform high-strength rooted portion. Objective.
  • One aspect of the present invention is a steel pile placing method for placing the steel pile into the ground using a transfer pipe disposed along the longitudinal direction of the steel pile and a vibro hammer. Injecting water from the transfer pipe and operating the vibrator hammer to penetrate the steel pile to a predetermined depth in the ground; and injecting a fluidized solidifying material from the transfer pipe; and the vibrator hammer A step of forming a solidified portion around the tip of the steel pile by operating the steel pile; after placing the steel pile at a planned depth and stopping the injection of the fluidized solidifying material, the vibro hammer is fixed A steel pile driving method having a step of degassing the fluidized solidified material by operating for a period of time.
  • the vibro hammer in the step of penetrating the steel pile and the step of forming the root hardening portion, the vibro hammer is set for penetration. In the step of operating at an amplitude and degassing the fluidized solidified material, the vibratory hammer may be operated at a second amplitude set for degassing.
  • the steel pile may include a linear protrusion provided on the inner surface of the tip portion.
  • the steel pile may include a plate-like rib protrusion provided on the outer surface of the tip portion.
  • the fluidized solidifying material can be degassed in the ground, particularly around the tip of the steel pile, a stronger underground structure can be obtained. can get.
  • the amplitude of the vibratory hammer in the step of degassing the fluidized solidified material is independent of the amplitude of the vibratory hammer in the step of penetrating the steel pile and the step of forming the rooting portion. Since it sets, it is possible to deaerate a fluid solidification material better.
  • the deaeration effect can be further improved by the linear protrusions provided on the inner surface of the steel pile tip.
  • the plate rib protrusion provided on the outer surface of the steel pile tip can improve the adhesion between the root-solidified portion and the steel pile, and the large-diameter root A hardened part can be formed.
  • FIG. 1D It is a graph which shows the deaeration effect of the fluid solidification material by the steel pile placing construction method of this invention. It is a figure which shows the selection method of a vibro hammer.
  • the steel pile driving method operates the vibratory hammer for a certain time after the completion of driving the steel pile, that is, after the steel pile is positioned at the planned depth (fixing depth) and the injection of the fluidized solidifying material is stopped.
  • the method has a step of degassing the unsolidified fluidized solidified material around the tip portion.
  • vibro hammers Conventionally, vibro hammers have been used exclusively for placing steel piles. No attempt has been made so far to actively use the vibration energy of the vibratory hammer for degassing the fluidized solid material in the ground.
  • a vibratory hammer is a vibration device having a frequency and amplitude in a completely different range from the above-described rod-like vibrator.
  • the frequency of the vibratory hammer is lower and the amplitude is larger than that of the rod-shaped vibrator. Therefore, the frequency and amplitude settings for deaeration in the vibratory hammer are completely different from those of the rod-like vibrator.
  • the low frequency is advantageous in that the vibration energy is moderately attenuated and vibrations easily reach far away. Also, a large amplitude is advantageous in that a large vibration energy can be obtained.
  • the vibration energy is uniformly transmitted to the entire fluidized solidified material and uniformly deaerated, so that the homogeneity of the strength of the solidified body is ensured.
  • the fluidized solidified material is compacted by degassing.
  • degassing and compaction differ only in expression, and these terms represent the same phenomenon.
  • the fluidized solidified material has the property of being liquified more easily as the number of times (frequency) of the movement of the cement particles per unit time is larger and as the relative displacement (amplitude) between the cement particles is larger. Therefore, in principle, the degree of liquefaction, that is, the deaeration effect can be adjusted by adjusting one or both of frequency and amplitude.
  • the frequency can be adjusted, but the amplitude can be adjusted more widely and easily. Therefore, the vibratory hammer is operated with the first amplitude set for penetration when the steel pile penetrates, and with the second amplitude set for deaeration when the fluidized solidified material is deaerated. By this, it is possible to realize the optimal penetration of the steel pile and the formation of the solidified portion.
  • the protrusion provided at the tip of the steel pile generates a pressure wave around the vibration of the vibratory hammer transmitted during deaeration. This pressure wave also has a degassing effect. Therefore, these protrusions have an effect of further enhancing the deaeration effect due to vibration of the vibratory hammer.
  • FIG. 1A is a side view of a steel pile
  • FIG. 1B is a plan view
  • FIG. 1C is a partially cutaway cross-sectional perspective view schematically showing the state of the periphery of the steel pile front end portion (root consolidation portion) after completion of construction.
  • FIG. 1D is a partially enlarged view of a plate-like rib protrusion provided on the outer surface of the tip of the steel pile.
  • FIG. 1E is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 1D.
  • a steel pile 1 shown in FIG. 1A is a steel pipe pile.
  • the application object of the present invention is not limited to steel pipe piles, and includes steel pipe sheet piles, H-shaped steel piles, and the like.
  • the outer diameter of the steel pile 1 is, for example, 600 to 1500 mm.
  • a plurality (four in the illustrated example) of transfer pipes 3 are disposed on the outer surface of the steel pile 1 along the axial direction (longitudinal direction) of the steel pile.
  • the transfer pipe 3 may be attached to the inner surface of the steel pile 1.
  • Inside the transfer pipe 3 is a pipe line for pumping water or a fluidized solidifying material.
  • the tip of the transfer pipe 3 is located near the tip of the steel pile 1.
  • At the tip there is an injection port 3a of an appropriate injection nozzle (not shown).
  • the diameter of the injection port 3a is, for example, 3 to 8 mm.
  • the proximal end of the transfer pipe 3 is separated from the outer surface of the steel pile 1 in the vicinity of the proximal end of the steel pile 1 and is connected to a device (not shown) installed on the ground.
  • These devices are a switching device between water and a fluidized solidifying material, a water and fluidized solidified material delivery device, a water tank, a kneading device, and the like.
  • the transfer pipe 3 may be pulled out from the steel pile 1 at the final stage of construction and collected on the ground surface.
  • a plurality of plate-like rib protrusions 1b protruding in the radial direction may be attached to the outer surface near the tip of the pile body 1a. These plate-like rib protrusions 1b are attached so that the plate surface is parallel to the axial direction of the steel pile. Such a plate-like rib protrusion 1b is effective when forming a root-solidifying part having a larger diameter.
  • the shape of the plate-like rib protrusion 1b is, for example, a rectangle or a shoulder drop rectangle (a shape in which one or more corners of the rectangle are cut out).
  • the number of plate-like rib protrusions 1b is 2 to 5, for example, and these are arranged at equiangular intervals in the circumferential direction of the steel pile 1 as shown in FIG. 1B, for example.
  • the plate-like rib protrusion 1b is formed of a striped steel plate.
  • elongated small protrusions 1b1 having inclinations opposite to each other are alternately arranged to form a substantially lattice-like pattern as a whole.
  • the size of one small protrusion 1b1 is, for example, 28 mm long and 4.5 mm wide.
  • the arrangement pattern of many elongate small protrusion 1b1 is not restricted to the example of illustration.
  • a linear protrusion (slip stopper, slip keeper) 1c may be attached to the inner surface of the tip end portion of the pile body 1a.
  • the illustrated linear protrusion 1c is a plurality of annular protrusions arranged horizontally at a predetermined interval.
  • the linear protrusion 1c may be a spiral protrusion instead of the plurality of annular protrusions.
  • the root hardening part C1 is formed in the range from the predetermined depth (maximum depth) D4 of the steel pile 1 to the drawing depth D1.
  • the drawing depth D1 is substantially the same position as the upper end of the support layer (interface between the intermediate layer and the support layer) D2.
  • the final planned depth (fixing depth) D3 of the steel pile 1 is located above the predetermined depth D4.
  • the root hardening part C1 has a larger diameter than the steel pile 1.
  • a part of the fluidized solidified body penetrates into the inside of the steel pile 1 and solidifies, so that the root hardening portion C1 and the tip of the steel pile 1 are integrated. As a result, the tip support force of the steel pile 1 is ensured.
  • the plate-shaped rib protrusion 1b and the linear protrusion 1c are provided in order to improve the adhesiveness and deaeration effect of the root hardening part C1 and the steel pile 1.
  • the supply of the fluidized solidifying material is substantially stopped and the vibro hammer is operated to perform the deaeration process, that is, the compacting process. .
  • cement milk in which cement and water (including additives such as admixtures in some cases) are kneaded may be used.
  • the ratio of water to cement (W / C) is 50 to 150%.
  • the vibratory hammer is attached to the upper end of the steel pile, that is, the ground, but the vibration is transmitted to the tip of the steel pile in the ground through the steel pile.
  • a low frequency of about 11.7 to 18.3 Hz is used for compaction in the ground with a vibro hammer. Low-frequency vibrations are less damped and can be transmitted far from one vibration source. In this respect, it is reasonable to use a vibro hammer to compact the fluidized solidifying material in the ground.
  • the rod-like vibrator and the vibro hammer used in the steel pile placing method according to the present embodiment are numerically compared.
  • Compaction performance of fluidity solidifying material by the vibration device can be evaluated by the vibration acceleration ⁇ and the vibration compaction energy E c. By calculating these numerical values, the compaction performance of both can be compared.
  • the “vibration compaction energy” means vibration energy used for compaction.
  • Table 1 summarizes the comparison results of the vibro-hammer to be used in the vibration acceleration ⁇ and for vibration compaction energy E c, typical rod-like vibrator and the steel piling ⁇ method according to the present embodiment.
  • the motor output was 90 kW, 120 kW, 180 kW, and 240 kW. A method for selecting an appropriate vibratory hammer will be described later.
  • the vibration acceleration ⁇ and the vibration compaction energy E c were calculated using the values and formulas of each parameter shown in the table.
  • g is a gravitational acceleration (9.81 m / s 2 ).
  • Oscillating mass W v of the vibro-hammer in Table 1 is the vibration mass of only vibro-hammer.
  • the vibration mass of only a vibro hammer was used.
  • the vibration acceleration ratio ⁇ r was determined so that the ratio of the rod-like vibrator to the vibratory hammer was maximized in the target frequency range.
  • the vibration acceleration ratio ⁇ r was about 75: 1. That is, the vibration acceleration ⁇ of the rod-like vibrator is at most 75 times that of the vibratory hammer.
  • vibration compaction energy E c large vibro-hammer the oscillating mass has a dominant numbers compared to bar-shaped vibrator. Therefore, the vibration compaction energy E c, the ratio of the rod-like vibrator and vibro-hammer in a frequency range of interest was determined vibration compaction energy ratio E cr to minimize.
  • the vibration compaction energy ratio E cr was about 1: 180. That is, vibration compaction energy E c of the vibro-hammer is 180 times that of at least the rod-like vibrator.
  • vibro-hammer is the inferior vibration acceleration eta, compensates the predominant vibration compaction energy E c, it can be seen and is capable of exhibiting a rod vibrator more compaction performance.
  • the “normal amplitude” of a vibratory hammer is a value set for steel pile penetration.
  • the minimum required amplitude A of the vibro hammer set for compaction is 5 mm. Such a large amplitude can only be obtained at a low frequency with a large amount of eccentric moment.
  • a vibration hammer having an amplitude that can correspond to the deaeration process can be generated and a vibration hammer that is variable from an amplitude suitable for the penetration process to an amplitude suitable for the deaeration process is used. To do.
  • the vibration forced deaeration time required for vibration compaction will be examined.
  • the insertion interval of the rod-shaped vibrator is about 50 cm
  • the compaction time t B per place is about 15 to 20 seconds.
  • a compaction time t B in the rod-shaped vibrating machine, using the ratio E cr ratio eta r and vibration compaction energy of vibration acceleration as shown in Table 1, degassed time t v of the vibro-hammer is given by the following equation It is done.
  • t v ⁇ ⁇ t B ⁇ ⁇ r / E cr t v: vibro-hammer vibration forced degassing time (in seconds)
  • ⁇ Margin addition time coefficient
  • ⁇ r Vibration acceleration ratio
  • t B Vibration forced deaeration time (seconds) in a rod-shaped vibrator
  • E cr Vibration compaction energy ratio
  • ⁇ is a coefficient multiplied to ensure a sufficient vibration forced deaeration time, and it is sufficient to set it to 2 to 3.
  • Table 2 shows the calculation results.
  • Each value of the vibration acceleration ratio ⁇ r and the vibration compaction energy ratio E cr used in the calculation of Table 2 is a value in which a loss of the vibration acceleration ⁇ due to the frictional force with the soil in the vibratory hammer is estimated to be about 10%.
  • vibration compaction energy is transmitted 100% because it is inserted directly into the fluidized solidified material.
  • the vibratory hammer in the case of a vibratory hammer, the vibratory hammer is located on the ground and the fluidized solidified material is present in the ground, so that loss due to friction with the soil is unavoidable in the vibration transmission process. Therefore, the vibration compaction energy of the vibratory hammer is not transmitted 100% to the fluidized solidified material and has a loss of about 10%.
  • the deaeration time in the vibratory hammer is about 19 to 29 seconds. Therefore, it is considered that about 30 seconds is sufficient for the deaeration time in the vibratory hammer even if the maximum is assumed.
  • FIG. 2 is a graph showing an image of the compaction effect of the fluidized solidified material due to the vibration of the vibratory hammer.
  • the horizontal axis is the vibration forced deaeration time.
  • the vertical axis represents the density of the fluidized solidified material.
  • the amplitude for penetrating the steel pile with a vibro hammer is at least about 3 mm by rule of thumb, usually 3 to 6 mm.
  • the amplitude for improving the deaeration effect of the fluidized solidifying material in the ground by vibro hammer is preferably set to 5 to 10 mm, which has not been conventionally employed. This is because large vibration compaction energy is required. Therefore, in the steel pile placing method according to the present embodiment, a vibro hammer having a variable amplitude range of 3 mm to 10 mm is selected.
  • the vibration acceleration ⁇ of the vibrator hammer required at the time of penetration may be set to 3.5 G or more.
  • the upper limit of the vibration acceleration ⁇ is about 10 G from the upper limit of the amplitude and frequency. Therefore, the vibration acceleration ⁇ at the time of penetration is set to 3.5 to 10G.
  • ⁇ Vibro hammer selection method In the steel pile placing method according to the present embodiment, using one vibro hammer, a step of penetrating the steel pile into the ground (first step, penetration step) and a step of injecting a fluidized solidified material (second step) , A root-solidifying portion forming step) and a step of degassing the fluidized solidified material (third step, degassing step). Therefore, it is necessary to select a vibro hammer model that satisfies the conditions of all processes.
  • the steps (a) to (e) of the selection method of an appropriate vibrator hammer are taken as an example in the case where a steel pile of a specific standard is placed on the ground of a specific soil condition by the steel pile placing method according to the present embodiment. This will be described below.
  • the standard of the steel pile made into an example is outer diameter (phi) 1000mm, plate
  • FIG. 3 is a well-known “vibrator hammer selection table by mass”. Based on the steel pile mass W p 6800 kg calculated in (b) and (c) above and the penetration resistance value R13071 kN, a vibro hammer model is selected from FIG. In this example, a model with a motor output of 180 kW is selected.
  • Table 3 summarizes the verification method as to whether or not the vibro hammer of a specific model is a model applicable to the steel pile placing method according to the present embodiment, particularly the first step. It is a table.
  • the lower half of Table 3 shows verification items and verification results.
  • the maximum amplitude of the vibratory hammer satisfies the amplitude necessary for deaeration in the third step. Since this is the most important requirement of the steel pile placing method according to the present embodiment, it will be verified first.
  • the maximum amplitude A max calculated from the maximum value K max of the eccentric moment K is 8.6 mm. This satisfies the amplitude range of 5 to 10 mm necessary for underground deaeration of the steel pile placing method according to the present embodiment.
  • the amplitude A calculated from the minimum necessary acceleration 3.5G for penetration using the water jet of the first step satisfies the range of amplitude 3 to 6 mm for penetration.
  • the amplitude A is about 5 mm and satisfies the amplitude range for penetration. From the above, it is verified that this model is applicable to the steel pile placing method according to this embodiment, and an appropriate amplitude A in the first step is determined.
  • the amplitude A is set to an appropriate value not more than the maximum amplitude A max and not less than 5 mm necessary for deaeration. For example, by setting the eccentric moment K the maximum eccentricity moments K max, the amplitude becomes 8.6 mm. At this time, the vibration acceleration ⁇ is 6.1 G. The deaeration time is a maximum of 30 seconds.
  • processes (A) to (G) schematically show an example of a steel pile placing method according to the steel pile placing method according to the present embodiment.
  • This construction method includes a first step (process (A) and process (B) in FIG. 4) that penetrates the steel pile 1 to a predetermined depth D4 by operating the vibro hammer 2 while jetting water from the transfer pipe 3. , A second step of injecting the fluidized solidified material from the transfer pipe 3 while operating the vibro hammer 2 to form a rooted portion around the tip of the steel pile 1 (in FIG.
  • the vibro hammer 2 grips the proximal end portion of the steel pile 1 (the upper end portion in the case of driving in the vertical direction) by the chuck device. For example, two places on the circumferential upper edge of the steel pipe pile are gripped.
  • the vibratory hammer 2 transmits the rotational force of the motor to the pair of eccentric weights, and generates vibrations in one direction by rotating the eccentric weights in the reverse direction. This vibration direction is used as the driving direction.
  • the specifications of a typical vibro hammer for driving steel piles are, for example, a motor output of 90 to 240 kW, a frequency of 11.7 to 18.3 Hz, an eccentric moment of 420 to 3600 N ⁇ m, and a body mass of 7 to 37 t.
  • a vibro hammer having a variable amplitude and a variable amplitude can be used.
  • high-pressure water for example, fresh water
  • W penetrates from the injection port 3 a of the transfer pipe 3 attached to the steel pile 1 in combination with the vibro hammer 2.
  • the injection pressure is, for example, 3 to 15 MPa.
  • the high-pressure water W excavates the ground as a water jet cutter.
  • the amplitude of the vibratory hammer 2 in the penetration process is usually set to 3 to 6 mm.
  • the steel pile 1 is continuously penetrated by the vibration energy and the excavation force of high-pressure water.
  • the distance from the support layer upper end D2 to the penetration excavation depth D4 is, for example, about three times the outer diameter of the steel pile 1.
  • the injection of the high-pressure water W is stopped.
  • ⁇ Second step> At the beginning of the flowable solidifying material injection step shown in processes (C) to (E) in FIG. 4, the fluid supplied to the transfer pipe 3 is switched from water to the flowable solidified material. Then, the fluidized solidified material C is injected from the injection port 3a while operating the vibrator hammer 2, and the steel pile 1 is stopped or moved up and down within a predetermined range. The fluidized solid material C is injected at a pressure of about 15 MPa or less, for example.
  • the amplitude of the vibratory hammer 2 in the fluidized solidifying material injection step is the same as the first amplitude in the first step.
  • the cement particles in the fluid solidifying material are vibrated by vibration energy of the same vibro hammer as in the first step, so that the fluid particles are deaerated to some extent.
  • the fluidized solidifying material since a large amount of fluidized solidifying material is supplied, sufficient deaeration cannot be performed in the fluidized solidified material injection step.
  • the steel pile 1 is pulled up until it reaches a drawing depth D1 that is substantially the same position as the upper end of the support layer (interface between the intermediate layer and the support layer) D2.
  • the steel pile 1 is driven from the drawing depth D1 to the planned depth (fixing depth) D3 while injecting the fluidized solidified material C.
  • the flowable solidifying material injection step shown in process (C) to process (E) in FIG. 4 may be performed only once, or may be repeated a plurality of times depending on the situation such as the hardness of the ground. In the case of a hard ground, it is preferable to repeat as many times as necessary for stirring the solidified material. Thereby, a solidified part can be reliably formed in the front-end
  • ⁇ Third step> In the deaeration process shown in process (F) of FIG. 4, first, after reaching the planned depth (fixing depth) D3 and stopping, the supply of the fluidized solidifying material is stopped at the position of the planned depth (fixing depth) D3. .
  • a fluid solidification material you may supply a very small amount of fluidity solidification materials as a minimum required pressure instead of stopping completely. This is to prevent clogging of the injection nozzle.
  • a state in which only a very small amount of the fluidized solidifying material is supplied to prevent clogging is regarded as a state in which the supply of the fluidized solidifying material is substantially stopped. This is because it is not a supply for forming a root solidified part.
  • the amplitude of the vibratory hammer 2 is set to a second amplitude suitable for deaeration, and the vibratory hammer 2 is operated for a certain time, for example, about 30 seconds.
  • the amplitude of the vibratory hammer 2 in the deaeration process is set to 5 to 10 mm.
  • linear protrusions slip prevention, slip keeper
  • the support pressure due to the vertical vibration of these linear protrusions generates an axial pressure wave and is applied to the fluidized solidified material, thereby further enhancing the deaeration effect.
  • these linear protrusions have a function as a slip stopper (slip keeper) that suppresses slipping on the contact surface with the fluidized solidified material after solidification, whereby vibration can be transmitted efficiently.
  • slip stopper slip keeper
  • the plate-like rib protrusion performs horizontal vibration as well as vertical vibration.
  • the pressure wave generated by the horizontal vibration of the plate-like rib protrusion also enhances the deaeration effect. Further, by using a striped steel plate or the like, the deaeration effect is improved by providing another small protrusion on the plate surface.
  • the air removed from the fluidized solidified material is forcibly discharged upward by the vibration of the steel pile.
  • the vibratory hammer 2 is stopped.
  • first amplitude of the vibrator hammer set in the first and second steps and the second amplitude set in the third step are not necessarily different from each other, and may be set to the same numerical value by chance. is there.
  • FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the process management status in construction examples 1 to 4 of the steel pile placing method according to the present embodiment.
  • FIG. 5A is a graph showing the change over time in the depth of the steel pile tip position.
  • FIG. 5B is a table showing process management related to time.
  • process control is also performed with respect to the flow rate of water or the fluidized solidifying material.
  • Process management is performed using a timer, pressure gauge, flow meter, etc.
  • the section [1] [2] in FIG. 5A is an intrusion process (first process), in which the vibratory hammer is vibrated with a first amplitude and water is injected.
  • Sections [3] to [7] are a flowable solidifying material injection step (second step) in which the vibratory hammer is vibrated with a first amplitude and the flowable solidified material is injected.
  • section [3] is a switching process from water to a fluidized solidifying material.
  • Section [8] is a deaeration process (third process), stops the fluidized solidified material, and vibrates the vibratory hammer with the second amplitude.
  • the present invention it becomes possible to deaerate the fluidized solidified material in the ground, particularly in the support layer where the tip of the steel pile is located. As a result, a stronger underground structure can be obtained. .

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Abstract

　本発明は、鋼杭の長手方向に沿って配設される移送管と、バイブロハンマとを用いて、前記鋼杭を地中に打設する鋼杭打設工法であって、前記移送管から水を噴射するとともに、前記バイブロハンマを稼働させることにより、前記地中の所定深度に前記鋼杭を貫入する工程と；前記移送管から流動性固化材を噴射するとともに、前記バイブロハンマを稼働させることにより、前記鋼杭の先端部の周辺に根固め部を形成する工程と；前記鋼杭を定着深度に位置させて前記流動性固化材の噴射を停止した後、前記バイブロハンマを一定時間稼働させることにより、前記流動性固化材を脱気する工程と；を有する鋼杭打設工法を提供する。

Description

脱気工程を含む鋼杭打設工法
本発明は、セメントミルク等の流動性固化材を用いた鋼杭打設工法に関し、特に根固め部の形成において流動性固化材の脱気を行う鋼杭打設工法に関する。
　本願は、２０１０年４月１日に、日本に出願された特願２０１０－０８４８６８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　本明細書における「流動性固化材」とは、セメントを含む種々の流動性の混練物であって打設後に時間が経過すると固化するものを意味する。例えば、セメントと水（場合によっては混和剤等の添加剤を含む）を混練したセメントミルク、セメントミルクに土を混練したソイルセメント、セメントミルクに砂を混練したモルタル材料、セメントミルクに砂（細骨材）及び礫（粗骨材）を混練したコンクリート材料などが、流動性固化材である。
　また、本明細書における「鋼杭」とは、地中に打設される土木、建築用の鋼材を意味し、例えば、Ｈ型鋼、鋼矢板、鋼管なども含まれる。
　流動性固化材は、型枠に打設して建築物の構造体を形成したり、地盤中に噴射又は注入して地中構造物を形成したりするために用いられる。流動性固化材は、混練、圧送及び打設の過程においてセメントと水の空隙に空気が閉じ込められることにより、比較的大きな気泡を含んでいる。このような気泡を含んだまま固化した固化体は、それらを含まないものに比べて強度が弱い。そこで、打設後の流動性固化材から余分な気泡を除去する、すなわち脱気することが好ましい。流動性固化材の脱気処理は、一般的に締固めと称されている。締固めは、流動性固化材に対して適度な振動エネルギーを与えることにより行われる。振動により余分な気泡が除去される結果、密実で高強度の固化体が得られる。
　一般的な締固め用の振動装置として、例えば、特許文献１に記載されるような棒状振動機が知られている。棒状振動機は、周波数１１６．７～２００Ｈｚ、振幅０．５～１．２５ｍｍ程度の振動を発生する（本明細書における”振幅”は、振動波のピークツーピークの２分の１を意味する）。棒状振動機の周波数は、振動装置の中では比較的高周波である。高周波領域では、振動エネルギーの減衰が大きいために、振動が遠方へ到達し難い。そのため、棒状振動機では、その近傍でしか脱気効果が得られない。従って、棒状振動機により脱気を行う場合、棒状振動機を短い間隔（例えば５０ｃｍ）毎に繰り返し流動性固化材に挿入しつつ振動エネルギーを与える必要がある。その結果、流動性固化体の脱気状態が不均一となり易く、均質な強度の固化体を得ることが難しい。
　また、棒状振動機は、表面が露出するように打設された流動性固化材に対してのみ、使用可能である。従って、地中に打設された流動性固化材に対しては、使用不可能である。従来は、地中構造物の形成に用いられる流動性固化材の脱気については、有効な手段がなかった。
　流動性固化材を用いた地中構造物として、例えば、ソイルセメントとの合成鋼杭がよく知られている。鋼杭打設工法においては、鋼杭の基端部にバイブロハンマを取り付け、鋼杭に振動エネルギーを与えることにより地盤の抵抗を緩めながら鋼杭を地中に貫入する。地盤が硬い場合には、特許文献２に記載のように、ウォータージェットを併用する鋼杭打設工法も知られている。
　特許文献２の工法では、鋼杭の軸方向に沿って複数の移送管を取り付け、噴射ノズルを鋼杭の先端付近に配置する。鋼杭を打設するときは、バイブロハンマによる振動を与えつつ、噴射ノズルから高圧水を噴射して地盤を掘削することにより地盤の抵抗を緩める。このウォータージェット併用工法では、鋼杭の下方の地盤が掘削されるため、打設後に鋼杭に対する先端支持力を確保することができない。そこで、支持層の所定深度まで鋼杭を貫入した後、噴射ノズルから流動性固化材を噴射し固化させることにより、鋼杭の先端部周辺に根固め部を形成する。根固め部は、流動性固化材の固化体である。根固め部により鋼杭に対する先端支持力が確保される。
特公昭５４－３１６０８号公報 特許第３８５０８０２号公報
　特許文献２の鋼杭打設工法における流動性固化材もまた、余分な気泡を含んでいる。従って、より強固な根固め部を形成するためには、流動性固化材を脱気することが望ましい。しかしながら、地中に打設される流動性固化材に対して一般的な棒状振動機を適用することは不可能である。従って、これまでは、地中に噴射されて固化する流動性固化材を脱気しようとする発想がなかった。
　特許文献２の鋼杭の先端部の内外面には、根固め部との密着性を向上させるための突起やリブが設けられている。これらの突起やリブは、流動性固化材噴射時にバイブロハンマの振動が伝達されることにより周囲に圧力波を発生する。この圧力波には多少の脱気作用がある。しかしながら、比較的大きな気泡を含んだ流動性固化材が連続的に供給される状態であるため、鋼杭の突起やリブのみでは十分な脱気はできない。加えて、特許文献２の工法では、鋼杭を計画深度（定着深度）で打ち止めた後、バイブロハンマを停止し、さらに所定時間流動性固化材を噴射する工程を有する。この結果、大きな気泡が混入された流動性固化材がそのまま固化する。このことは、根固め部の強度が、本来得られるべき強度よりも低くなることを意味する。
　以上の現状に鑑み、本発明は、鋼杭打設工法において、密実で均一な高強度の根固め部を形成するために、地中での流動性固化材の脱気を実現することを目的とする。
　上記の目的を達成するために、本発明は、以下の構成を採用する。
（１）本発明の一態様は、鋼杭の長手方向に沿って配設される移送管と、バイブロハンマとを用いて、前記鋼杭を地中に打設する鋼杭打設工法であって、前記移送管から水を噴射するとともに、前記バイブロハンマを稼働させることにより、前記地中の所定深度に前記鋼杭を貫入する工程と；前記移送管から流動性固化材を噴射するとともに、前記バイブロハンマを稼働させることにより、前記鋼杭の先端部の周辺に根固め部を形成する工程と；前記鋼杭を計画深度に位置させて前記流動性固化材の噴射を停止した後、前記バイブロハンマを一定時間稼働させることにより、前記流動性固化材を脱気する工程と；を有する鋼杭打設工法である。
（２）上記（１）に記載の鋼杭打設工法においては、前記鋼杭を貫入する工程及び前記根固め部を形成する工程では、前記バイブロハンマを、貫入のために設定された第１の振幅にて稼動させ、且つ、前記流動性固化材を脱気する工程では、前記バイブロハンマを、脱気のために設定された第２の振幅にて稼動させてもよい。
（３）上記（１）又は（２）に記載の鋼杭打設工法においては、前記鋼杭が、前記先端部の内面に設けられる線状突起を具備してもよい。
（４）上記（１）又は（２）に記載の鋼杭打設工法においては、前記鋼杭が、前記先端部の外面に設けられる板状リブ突起を具備してもよい。
　上記（１）に記載の工法によれば、地中において、特に鋼杭の先端部の周辺において、流動性固化材の脱気を行うことが可能であるため、より強固な地中構造物が得られる。
　上記（２）に記載の工法によれば、流動性固化材を脱気する工程におけるバイブロハンマの振幅を、鋼杭を貫入する工程及び根固め部を形成する工程におけるバイブロハンマの振幅とは独立して設定しているため、より良好に流動性固化材の脱気を行うことが可能である。　
　上記（３）に記載の工法によれば、鋼杭先端部の内面に設けられる線状突起により、脱気効果を更に向上させることができる。
　上記（４）に記載の工法によれば、鋼杭先端部の外面に設けられる板状リブ突起により、根固め部と鋼杭との密着性を向上させることができ、また、大径の根固め部を形成することができる。
本発明の一実施形態に係る鋼杭打設工法で用いる鋼杭の側面図である。 同鋼杭打設工法で用いる鋼杭の平面図である。 鋼杭の先端部周辺の状態を模式的に示した一部切り欠き断面斜視図である。 鋼杭の先端部外面に設けた板状リブ突起の部分拡大図である。 図１ＤのＡ－Ａ断面図である。 本発明の鋼杭打設工法による流動性固化材の脱気効果を示すグラフである。 バイブロハンマの選定法を示す図である。 鋼杭打設工法のプロセス（Ａ）～プロセス（Ｇ）の流れを模式的に示す図である。 鋼杭先端位置の深度の時間変化を示すグラフである。 試料１～４についての工程管理の実施状況を示す表である。
　以下、本発明の一実施形態に係る鋼杭打設工法について詳細に説明する。
　本実施形態に係る鋼杭打設工法は、鋼杭の打込み完了後、すなわち鋼杭を計画深度（定着深度）に位置させて流動性固化材の噴射を停止した後、一定時間バイブロハンマを稼働させることにより先端部周辺の未固化状態の流動性固化材を脱気する工程を有することを特徴とする。従来、バイブロハンマは、専ら鋼杭の打設のために用いられていた。地中における流動性固化材の脱気のためにバイブロハンマの振動エネルギーを積極的に利用しようとする試みは、これまでに行われていない。
　バイブロハンマは、上述の棒状振動機とは全く異なる範囲の周波数及び振幅を有する振動装置である。棒状振動機に比べてバイブロハンマの周波数は低く、振幅は大きい。従って、バイブロハンマにおける脱気のための周波数及び振幅の設定は、棒状振動機とは全く異なる。周波数が低いことは、振動エネルギーの減衰が緩やかであり、振動が遠方まで到達し易い点で有利である。また、振幅が大きいことは、大きな振動エネルギーが得られる点で有利である。振動エネルギーが流動性固化材全体に偏り無く伝達され均一に脱気されることにより、固化体の強度の均質性が確保される。
　流動性固化材は、脱気されることにより締固められる。本明細書で用いる脱気と締固めの２つの用語は、表現上相違するだけであり、これらの用語は同じ現象を表している。
　未固化状態の流動性固化材に対して所定の振動エネルギーを付加すると、互いに付着していたセメント粒子が分離し、せん断力に対する抵抗性が失われる。その結果、流動性固化材は液状化して流動性が大きくなる。これにより、セメント粒子間に混入している大きな気泡の脱気が進行する。この結果、流動性固化材が締固められる。締固められた流動性固化材が固化することにより、鋼杭の先端部周辺に強固な根固め部が形成される。本実施形態に係る鋼杭打設工法により形成される根固め部の強度は、脱気工程を行わない場合に比べて向上する。
　流動性固化材は、単位時間に起こるセメント粒子の運動の回数（周波数）が多いほど、またセメント粒子間の相対変位（振幅）が大きいほど、液状化し易い性質を持っている。従って、原理的には、周波数又は振幅の一方又は双方を調節することにより、液状化の度合いすなわち脱気効果を調節できる。しかし、一般的な振幅可変型バイブロハンマの場合、周波数も調節可能ではあるが、振幅の方がより広範囲かつ容易に調節可能である。従ってバイブロハンマを、鋼杭の貫入時には、貫入のために設定された第１の振幅により稼働し、流動性固化材の脱気時には、脱気のために設定された第２の振幅により稼働することにより、最適な鋼杭の貫入及び根固め部の形成を実現できる。
　鋼杭の先端部に設けた突起は、脱気時にバイブロハンマの振動が伝達されることにより圧力波を周辺に発生する。この圧力波にも脱気作用がある。従って、これらの突起は、バイブロハンマの振動による脱気効果をさらに高める効果を有する。
１．鋼杭打設工法の基本態様
　以下、本実施形態に係る、脱気工程を含む鋼杭打設工法の基本態様を、図１Ａ～図１Ｅを参照して説明する。
　図１Ａは、鋼杭の側面図であり、図１Ｂは、平面図である。図１Ｃは、施工完了後の鋼杭先端部周辺（根固め部）の状態を模式的に示した一部切り欠き断面斜視図である。図１Ｄは、鋼杭の先端部外面に設けた板状リブ突起の部分拡大図である。図１Ｅは図１ＤのＡ－Ａ断面図である。
　図１Ａに示す鋼杭１は、鋼管杭である。本発明の適用対象としては、鋼管杭に限られず、鋼管矢板、Ｈ形鋼杭等も含む。鋼杭１の外直径は、例えば６００～１５００ｍｍである。
　鋼杭１の外面には、鋼杭の軸方向（長手方向）に沿って複数（図示の例では４本）の移送管３が配設されている。移送管３は、鋼杭１の内面に取り付けてもよい。移送管３の内部には、水又は流動性固化材を圧送する管路がある。移送管３の先端は、鋼杭１の先端部近傍に位置する。この先端には、適宜の噴射ノズル（図示せず）の噴射口３ａがある。噴射口３ａの径は、例えば３～８ｍｍである。移送管３の基端は、鋼杭１の基端近傍において鋼杭１の外面から離れ、地上に設置された装置（図示せず）に接続されている。それらの装置は、水と流動性固化材の切替装置、水及び流動性固化材送出装置、水槽及び混練装置等である。移送管３は、施工の最終段階で鋼杭１から引き抜かれて地表に回収されてもよい。
　杭本体１ａの先端部近傍の外面には、径方向に突出する複数の板状リブ突起１ｂを取り付けてもよい。これらの板状リブ突起１ｂは、板面が鋼杭の軸方向と平行となるように取り付ける。このような板状リブ突起１ｂは、より大きな径の根固め部を形成する場合に効果的である。板状リブ突起１ｂの形状は、例えば、矩形又は肩落し矩形（矩形における１又は複数の隅部が切り欠かれている形状）である。板状リブ突起１ｂの数は例えば２～５枚であり、これらは、例えば、図１Ｂに示すように鋼杭１の周方向に等角度間隔で配置される。
　図１Ｄ、図１Ｅに示すように、板状リブ突起１ｂは、縞鋼板で形成されている。縞鋼板の表面には、互いに反対向きの傾斜をもつ細長い小突起１ｂ１が交互に配置され、全体として略格子状のパターンを形成している。１つの小突起１ｂ１の大きさは、例えば長さ２８ｍｍ、幅４．５ｍｍである。なお、多数の細長い小突起１ｂ１の配置パターンは、図示の例に限られない。
　図１Ｃの切り欠き部分に示すように、杭本体１ａの先端部内面には、線状突起（滑り止め、スリップキーパー）１ｃが取り付けられてもよい。図示の線状突起１ｃは、所定の間隔で水平に配置された複数の環状突起である。線状突起１ｃは、複数の環状突起に替えて螺旋状突起としてもよい。
　図１Ｃの杭本体１ａの先端部周辺に形成された根固め部Ｃ１は、移送管３から噴射された流動性固化材の固化体である。根固め部Ｃ１は、鋼杭１の所定深度（最大深度）Ｄ４から引抜深度Ｄ１までの範囲に形成される。図１Ｃの例では、引抜深度Ｄ１は支持層上端（中間層と支持層の界面）Ｄ２とほぼ同一の位置である。鋼杭１の最終的な計画深度（定着深度）Ｄ３は、所定深度Ｄ４より上方に位置する。根固め部Ｃ１は、鋼杭１よりも大きな径をもつ。流動性固化体の一部が鋼杭１の内部まで侵入して固化することにより、根固め部Ｃ１と鋼杭１の先端部が一体化される。この結果、鋼杭１の先端支持力が確保される。なお、板状リブ突起１ｂ及び線状突起１ｃは、根固め部Ｃ１と鋼杭１との密着性と脱気効果を向上させるために設けられている。
　後に詳述するが、鋼杭１を計画深度（定着深度）Ｄ３に位置させた後、流動性固化材の供給を実質的に停止し、バイブロハンマを稼働させて脱気工程すなわち締固め工程を行う。
　流動性固化材としては、セメントと水（場合によっては混和剤等の添加剤を含む）を混練したセメントミルクを用いてもよい。例えば、水とセメントの比（Ｗ／Ｃ）が５０～１５０％である。
２．バイブロハンマによる流動性固化材の締固めの原理
　＜棒状振動機との締固め性能の比較＞
　棒状振動機により地上で行う流動性固化材の締固めには、１１６．７～２００Ｈｚ程度の高周波を用いる。高周波の振動は、振動源から離れると急激に振幅が減衰する。従って、棒状振動機の場合、流動性固化材の複数の位置に挿入（通常、約５０ｃｍ毎）することにより全体の締固めを行う。しかし、地中の流動性固化材に対して棒状振動機を適用することは構造上不可能である。また、地中の所望する位置に設置することも、困難である。
　一方、バイブロハンマは、鋼杭の上端すなわち地上に取り付けられるが、その振動は、鋼杭を介して地中の鋼杭先端まで伝達される。本実施形態では、バイブロハンマによる地中での締固めには、１１．７～１８．３Ｈｚ程度の低周波を用いる。低周波の振動は、減衰が少なく、１つの振動源から遠方に振動を伝達できる。この点で、地中での流動性固化材の締固めにバイブロハンマを利用することは合理的である。
　ここで、締固め性能に関して、棒状振動機と本実施形態に係る鋼杭打設工法で使用するバイブロハンマとを数値的に比較する。振動装置による流動性固化材の締固め性能は、振動加速度ηと振動締固めエネルギーＥｃにより評価できる。これらの数値を算出することにより、双方の締固め性能を比較できる。なお、「振動締固めエネルギー」とは、締固めのために利用される振動エネルギーを意味する。
　表１は、振動加速度ηと振動締固めエネルギーＥｃについての、一般的な棒状振動機と本実施形態に係る鋼杭打設工法で使用するバイブロハンマの比較結果をまとめたものである。実施例のバイブロハンマは、モータ出力が９０ｋＷ、１２０ｋＷ、１８０ｋＷ、及び２４０ｋＷとした。適切なバイブロハンマの選定方法については、後述する。表中に示した各パラメータの値及び式を用いて、振動加速度ηと振動締固めエネルギーＥｃをそれぞれ算出した。ｇは、重力加速度（９．８１ｍ／ｓ２）である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１におけるバイブロハンマについての振動質量Ｗｖは、バイブロハンマのみの振動質量である。鋼杭を打設する場合には、バイブロハンマの振動質量に鋼杭の振動質量を加算したものを振動質量Ｗｖとして用いる。ここでは、純粋に振動装置としての締固め性能を棒状振動機と比較するために、バイブロハンマのみの振動質量とした。
　振動加速度ηについては、高周波である棒状振動機がバイブロハンマに比べて優位な数値をもつ。従って、振動加速度ηについては、対象とする周波数範囲で棒状振動機とバイブロハンマの比が最大となるように振動加速度比ηｒを求めた。振動加速度比ηｒは、約７５：１となった。つまり、棒状振動機の振動加速度ηは、大きくともバイブロハンマのそれの７５倍である。
　また、振動締固めエネルギーＥｃについては、振動質量の大きいバイブロハンマが棒状振動機に比べて優位な数値をもつ。従って、振動締固めエネルギーＥｃについては、対象とする周波数範囲で棒状振動機とバイブロハンマの比が最小となるように振動締固めエネルギー比Ｅｃｒを求めた。振動締固めエネルギー比Ｅｃｒは、約１：１８０となった。つまり、バイブロハンマの振動締固めエネルギーＥｃは、少なくとも棒状振動機のそれの１８０倍である。
　上記の棒状振動機との比較結果から、バイブロハンマは、振動加速度ηの劣勢を、振動締固めエネルギーＥｃの優勢で補い、かつ棒状振動機以上の締固め性能を発揮可能であることが分かる。これは、バイブロハンマの振幅Ａを、「通常の振幅」よりも大きな数値に設定していることによる。バイブロハンマの「通常の振幅」とは、鋼杭貫入のために設定される値である。表１の例では、締固めのために設定されるバイブロハンマの最低必要振幅Ａは、５ｍｍである。このような大きな振幅は、偏心モーメント量の大きな低周波でなければ得られない。
　本実施形態に係る鋼杭打設工法では、脱気工程に対応できる振幅をもつ振動を発生でき、また、貫入工程に適した振幅から脱気工程に適した振幅へと可変であるバイブロハンマを利用する。
　＜振動強制脱気時間の設定＞
　次に、振動締固めに要する振動強制脱気時間を検討する。
　一般に、棒状振動機の挿入間隔は５０ｃｍ程度であり、１箇所当たりの締固め時間ｔＢは、１５～２０秒程度である。この棒状振動機における締固め時間ｔＢと、表１に示した振動加速度の比ηｒ及び振動締固めエネルギーの比Ｅｃｒとを用いて、バイブロハンマの脱気時間ｔｖが、次式により与えられる。
　ｔｖ＝α・ｔＢ・ηｒ／Ｅｃｒ
　　　ｔｖ：バイブロハンマの振動強制脱気時間（秒）
　　　α：余裕付加時間係数
　　　ηｒ：振動加速度比
　　　ｔＢ：棒状振動機における振動強制脱気時間（秒）
　　　Ｅｃｒ：振動締固めエネルギー比
　αは、余裕のある振動強制脱気時間を確保するために掛ける係数であり、２～３とすれば十分である。表２に計算結果を示す。表２の計算に用いた振動加速度の比ηｒ及び振動締固めエネルギー比Ｅｃｒの各値は、バイブロハンマにおける土との摩擦力による振動加速度ηのロスを１０％程度見込んだ値である。棒状振動機の場合は、流動性固化材中に直接挿入するため振動締固めエネルギーが１００％伝達される。一方、バイブロハンマの場合、バイブロハンマは地上に位置し、流動性固化材は地中に存在するため、振動伝達過程において土との摩擦による損失が不可避的に生じる。よって、バイブロハンマの振動締固めエネルギーは、流動性固化材に対して１００％伝達されることはなく１０％程度のロスがある。
　表２の結果から、バイブロハンマにおける脱気時間は、およそ１９～２９秒程度である。従って、バイブロハンマにおける脱気時間は、最大限を想定しても３０秒程度で十分と考えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　図２は、バイブロハンマの振動による流動性固化材の締固め効果のイメージを示すグラフである。横軸は、振動強制脱気時間である。縦軸は、流動性固化材の密度である。振動締固めエネルギーを付加することにより、流動性固化材から気泡が除去され、流動性固化材の密度が上昇していく。流動性固化材の粘度等の種々の条件により、密度上昇曲線にはある程度の幅が存在する。しかし、所定の振幅をもつ振動を付加すれば、振動付加開始から長くとも３０秒程度で密度の上限に達する。すなわち、締固めが完了する。
　＜バイブロハンマの振幅の設定＞
　バイブロハンマにより鋼杭を貫入するための振幅は、経験則により少なくとも３ｍｍ程度であり、通常、３～６ｍｍである。一方、バイブロハンマにより地中で流動性固化材の脱気効果を良くするための振幅は、従来採用されていない５～１０ｍｍに設定することが好ましい。これは、大きな振動締固めエネルギーが必要だからである。
　従って、本実施形態に係る鋼杭打設工法においては、３ｍｍ～１０ｍｍの可変の振幅範囲をもつバイブロハンマを選定する。
　＜バイブロハンマの貫入時の振動加速度の設定＞
　ここで、振動加速度ηが０のときの土の摩擦力を１と想定する。また、この場合の土は、粘土と想定する。粘土は、振動により摩擦力を低減することが最も困難な土質である。ウォータージェットを併用しない場合は、経験則により、振動加速度ηが５Ｇ以上になると土の摩擦力が０．２以下に低減する。ウォータージェットを併用する場合は、経験則により、振動加速度ηが３．５Ｇ以上になると土の摩擦力が０．１以下に低減する。本実施形態に係る鋼杭打設工法では、鋼杭の貫入においてウォータージェットを併用するので、貫入時に必要なバイブロハンマの振動加速度ηは、３．５Ｇ以上に設定すればよい。振動加速度ηの上限は、振幅及び周波数の上限から１０Ｇ程度とする。よって、貫入時の振動加速度ηは、３．５～１０Ｇに設定する。
　＜バイブロハンマの選定方法＞
　本実施形態に係る鋼杭打設工法では、１つのバイブロハンマを用いて、鋼杭を地中に貫入する工程（第１工程、貫入工程）と、流動性固化材を噴射する工程（第２工程、根固め部形成工程）と、流動性固化材を脱気する工程（第３工程、脱気工程）の３つの工程を行う。従って、全工程の条件を充足するバイブロハンマの機種を選定しなければならない。
　本実施形態に係る鋼杭打設工法により特定の規格の鋼杭を特定の土質状態の地盤に打設する場合を例として、適切なバイブロハンマの選定方法の各ステップ（ａ）～（ｅ）を以下に説明する。なお、例とする鋼杭の規格は、外径φ１０００ｍｍ、板厚１４ｍｍ、長さ２０ｍ、単位長さ質量３４０ｋｇ／ｍである。
（ａ）周波数の決定
　バイブロハンマの周波数を１１．７～１８．３Ｈｚの範囲内の１つの周波数に決定する（この時点では具体的な機種は未定）。
（ｂ）鋼杭の質量の計算
　単位長さ質量３４０ｋｇ／ｍ及び長さ２０ｍより、鋼杭質量Ｗｐ（ｋｇ）を次式の通り計算する。
　　鋼杭質量Ｗｐ（ｋｇ）＝３４０×２０＝６８００
（ｃ）鋼杭の貫入抵抗値の計算
　貫入する箇所の土質状態は、深度とＮ値が記載された土質柱状図から得られる。土質柱状図に基づいて、所望する鋼杭の根入れ長さ（地中への貫入長さ）における貫入抵抗値Ｒを次式により計算する。
　　貫入抵抗値Ｒ＝３００Ｎ・Ａｐ＋（１０Ｎ・Ｎｉ・Ｌｃ＋２Ｎｉ・Ｌｓ）・Ａｓ
　　　　Ｎ：最大Ｎ値
　　　　Ａｐ：鋼杭の先端閉塞断面積（ｍ２）
　　　　Ｎｉ：鋼杭の根入れ長さの平均Ｎ値
　　　　Ｌｃ：粘性土への鋼杭の根入れ長さ（ｍ）
　　　　Ｌｓ：砂質土への鋼杭の根入れ長さ（ｍ）
　　　　Ａｓ：鋼杭の周長（ｍ）
　一例である各パラメータの数値を代入すると、貫入抵抗値Ｒは次の通りとなる。
　　貫入抵抗値Ｒ（ｋＮ）＝３００×５０×０．７９＋（１０×２×１１．７＋１０×５×１．３＋２×２２．５×２．０）×３．１４
　　　　　　　　　　　＝１３０７１
（ｄ）バイブロハンマの機種選定
　図３は、公知の「質量によるバイブロハンマ選定表」である。上記（ｂ）（ｃ）で算出した鋼杭質量Ｗｐ６８００ｋｇと貫入抵抗値Ｒ１３０７１ｋＮにより、図３からバイブロハンマの機種を選定する。この例では、モータ出力１８０ｋＷの機種が選定される。
（ｅ）具体的な機種の適格性の検証と各工程における振幅の決定
　モータ出力１８０ｋＷの特定機種のバイブロハンマについて、本実施形態に係る鋼杭打設工法の第１工程～第３工程に適用可能な仕様であるか否か検証し、検証結果に基づき、各工程の適切な振幅Ａを設定する。
　（ｅ－１）第１工程の設定
　表３は、特定機種のバイブロハンマが本実施形態に係る鋼杭打設工法、特に第１工程に適用可能な機種であるか否かの検証方法をまとめた表である。表３の上半分には、特定機種の仕様を表す各パラメータと、鋼杭質量Ｗｐとを示している。表３の下半分には検証項目と検証結果を示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　検証においては、先ず、バイブロハンマの最大振幅が第３工程での脱気に必要な振幅を満足するか否かを検証する。これは、本実施形態に係る鋼杭打設工法の最重要要件であるので最初に検証する。偏心モーメントＫの最大値Ｋｍａｘから計算された最大振幅Ａｍａｘは８．６ｍｍである。これは、本実施形態に係る鋼杭打設工法の地中脱気に必要な振幅５～１０ｍｍの範囲を満足する。
　次に、第１工程のウォータージェットを併用した貫入の最低必要加速度３．５Ｇから計算された振幅Ａが、貫入のための振幅３～６ｍｍの範囲を満足するかを検証する。振幅Ａは約５ｍｍであり、貫入のための振幅の範囲を満足する。
　以上により、本機種が本実施形態に係る鋼杭打設工法に適用可能であることが検証され、第１工程における適切な振幅Ａが決定される。
　（ｅ－２）第２工程の設定
　第２工程では、ウォータージェットを流動性固化材に切替え、流動性固化材の噴射を行う。この第２工程においては、バイブロハンマを第１工程と同じ周波数及び同じ振幅で稼働させる。
　（ｅ－３）第３工程の設定
　第３工程では、基本的に流動性固化材の噴射を停止し、バイブロハンマのみを稼働させて脱気を行う。周波数は同じである。振幅Ａは、最大振幅Ａｍａｘ以下で、脱気に必要な最低振幅５ｍｍ以上の適切な値に設定する。例えば、偏心モーメントＫを最大偏心モーメントＫｍａｘに設定すれば、振幅は８．６ｍｍとなる。このとき、振動加速度ηは、６．１Ｇとなる。また、脱気時間は、最大３０秒とする。
３．鋼杭打設工法の実施形態
　次に、図４を参照して脱気工程を含む鋼杭打設工法を説明する。図４のうち、プロセス（Ａ）～プロセス（Ｇ）は、本実施形態に係る鋼杭打設工法による鋼杭打設工法の一例を模式的に示す。
　本工法は、移送管３から水を噴射しつつバイブロハンマ２を稼働させることにより鋼杭１を所定深度Ｄ４まで貫入する第１工程（図４のうち、プロセス（Ａ）及びプロセス（Ｂ））と、鋼杭１の先端部周辺に根固め部を形成するためにバイブロハンマ２を稼働させつつ移送管３から流動性固化材を噴射する第２工程（図４のうち、プロセス（Ｃ）～プロセス（Ｅ））と、鋼杭１を計画深度（定着深度）Ｄ３に位置させて流動性固化材の噴射を停止した後、前記バイブロハンマを一定時間稼働させることにより流動性固化材を脱気する第３工程（図４のうち、プロセス（Ｆ））とを有する。
　＜第１工程＞
　図４のプロセス（Ａ）に示すように、バイブロハンマ２は、鋼杭１の基端部（鉛直方向の打込みの場合は上端部）をチャック装置により把持する。例えば、鋼管杭の円周上縁の２箇所を把持する。バイブロハンマ２は、モータの回転力を一対の偏心重錘にそれぞれ伝達し、それらの偏心重錘を互いに逆回転させることにより一方向の振動を発生する。この振動方向を、打込み方向として使用する。一般的な鋼杭打込用のバイブロハンマの仕様は、例えば、モータ出力９０～２４０ｋＷ、周波数１１．７～１８．３Ｈｚ、偏心モーメント４２０～３６００Ｎ・ｍ、本体質量７～３７ｔである。但し、本実施形態に係る鋼杭打設工法では、脱気に適切な振幅に設定でき、かつ、振幅可変のバイブロハンマを用いる。
　図４のプロセス（Ａ）及びプロセス（Ｂ）に示す打込工程では、バイブロハンマ２と併用して、鋼杭１に取り付けられた移送管３の噴射口３ａから高圧水（例えば清水）Ｗを貫入方向に噴射する。噴射圧力は、例えば、３～１５ＭＰａである。高圧水Ｗは、ウォータージェットカッターとして地盤を掘削する。貫入工程におけるバイブロハンマ２の振幅は、通常３～６ｍｍに設定する。振動エネルギーと高圧水の掘削力とにより、連続的に鋼杭１を貫入する。
　鋼杭１の先端が支持層上端Ｄ２を通過した後、図４のプロセス（Ｂ）に示す所定深度（最大深度）Ｄ４に達したならば一旦打ち止める。支持層上端Ｄ２から貫入掘削深度Ｄ４までの距離は、例えば、鋼杭１の外直径の３倍程度とする。ここで、高圧水Ｗの噴射を停止する。
　＜第２工程＞
　図４のプロセス（Ｃ）～プロセス（Ｅ）に示す流動性固化材噴射工程の最初に、移送管３へ供給する流体を、水から流動性固化材へ切り替える。そして、バイブロハンマ２を稼働させつつ流動性固化材Ｃを噴射口３ａから噴射し、鋼杭１を所定の範囲で停止又は上下動させる。流動性固化材Ｃは、例えば圧力１５ＭＰａ程度以下で噴射する。流動性固化材噴射工程におけるバイブロハンマ２の振幅は、第１工程と同じ第１の振幅とする。この流動性固化材噴射工程においては、第１工程と同じバイブロハンマの振動エネルギーにより、流動性固化材中のセメント粒子が振動することで、ある程度は脱気される。しかしながら、流動性固化材が大量に供給されるため、流動性固化材噴射工程においては十分な脱気を行うことはできない。
　例えば、図４のプロセス（Ｄ）に示すように鋼杭１の先端が、支持層上端（中間層と支持層の界面）Ｄ２とほぼ同一の位置である引抜深度Ｄ１に達するまで引き上げる。
　次に、図４のプロセス（Ｅ）に示すように、流動性固化材Ｃを噴射しつつ引抜深度Ｄ１から計画深度（定着深度）Ｄ３まで鋼杭１を打ち込む。
　図４のプロセス（Ｃ）～プロセス（Ｅ）に示す流動性固化材噴射工程は、１回のみ行ってもよく、地盤の硬度等の状況に応じて複数回繰り返してもよい。硬い地盤の場合は、固化材の攪拌のため適宜回数繰り返すことが好ましい。これにより、鋼杭の先端部周辺に根固め部を確実に形成する
ことができる。
　＜第３工程＞
　図４のプロセス（Ｆ）に示す脱気工程では、先ず、計画深度（定着深度）Ｄ３に達して打止めした後、計画深度（定着深度）Ｄ３の位置で流動性固化材の供給を停止する。流動性固化材については、完全に停止する替わりに、最低必要圧力として極少量の流動性固化材を供給してもよい。これは、噴射ノズルの目詰まりを防止するためである。目詰まり防止のために極少量の流動性固化材のみを供給している状態は、実質的に流動性固化材の供給を停止している状態とみなすこととする。根固め部形成のための供給ではないからである。続いて、バイブロハンマ２の振幅を、脱気に適した第２の振幅に設定してバイブロハンマ２を一定時間、例えば３０秒間程度稼働させる。脱気工程におけるバイブロハンマ２の振幅は、５～１０ｍｍに設定する。
　流動性固化材のセメント粒子が大きいほど、バイブロハンマの振幅をより大きくすることが、固体粒子の運動を促進するために効果的である。セメント粒子の運動を促進することにより、脱気効果が高められる。また、バイブロハンマ２の振幅が大きい方が、流動性固化材がより撹拌しやすいという効果もある。
　脱気工程においては、鋼杭の先端部内面の線状突起（滑り止め、スリップキーパー）に対して、バイブロハンマによる軸方向の振動が与えられる。これらの線状突起の上下振動による支圧力が軸方向の圧力波を発生し、流動性固化材に対して加わることによって、脱気効果がさらに高まる。また、これらの線状突起は、固化後の流動性固化材との接触面における滑りを抑制する滑り止め（スリップキーパー）としての機能を有し、これにより振動を効率よく伝えることができる。特に、径方向に突出する板状リブ突起を取り付けた場合、脱気効果が高まる。板状リブ突起は、上下振動とともに水平振動も行う。この板状リブ突起の水平振動により発生する圧力波も脱気効果を高める。また、縞鋼板等を用いることにより、板表面にさらに別の小突起を設けることによっても脱気効果が向上する。
　流動性固化材から除去された空気は、鋼杭の振動により、強制的に上方に排出させられる。脱気工程が完了すると、バイブロハンマ２を停止させる。
　なお、第１及び第２工程で設定されるバイブロハンマの第１の振幅と、第３工程で設定される第２の振幅とは、互いに必ず異なるものではなく、偶々同じ数値に設定される場合もある。
　＜最終工程＞
　最後に、図４のプロセス（Ｇ）に示す移送管３の引抜工程を行う。先ず、バイブロハンマ２を鋼杭１から取り外す。次に、先端の噴射ノズルとともに移送管３を鋼杭１から離脱させる（移送管３を強制的に引っ張る）。その後、移送管３の上端部をクレーン等（図示せず）で吊り上げつつ、移送管３を引抜く。このとき、噴射口３ａから流動性固化材Ｃを噴射しながら引抜く。これにより、鋼杭１の外側に流動性固化材の固化体である周面固化部Ｃ２が形成される。周面固化部Ｃ２は、鋼杭１の周面摩擦力を増大させる。そして、噴射口３ａが地表近傍に達したところで噴射を停止する。
４．施工例
　図５Ａ、図５Ｂは、本実施形態に係る鋼杭打設工法の施工例１～４における工程管理状況を示した図である。図５Ａは、鋼杭先端位置の深度の時間変化を示すグラフである。図５Ｂは、時間に関する工程管理を示す表である。図示しないが、水又は流動性固化材の流量に関しても工程管理されている。工程管理は、タイマー、圧力計、流量計等により行う。
図５Ａの区間［１］［２］は、貫入工程（第１工程）であり、第１の振幅でバイブロハンマを振動させかつ水を噴射する。区間［３］～［７］は、流動性固化材噴射工程（第２工程）であり、第１の振幅でバイブロハンマを振動させかつ流動性固化材を噴射する。但し、区間［３］は、水から流動性固化材への切替工程である。区間［８］は、脱気工程（第３工程）であり、流動性固化材を停止し、第２の振幅でバイブロハンマを振動させる。
　本発明によれば、地中において、特に鋼杭の先端部が位置する支持層において、流動性固化材の脱気を行うことが可能となり、この結果、より強固な地中構造物が得られる。
　１　鋼杭
　１ａ　杭本体
　１ｂ　板状リブ突起
　１ｃ　線状突起（滑り止め、スリップキーパー）
　２　バイブロハンマ
　３　移送管
　３ａ　噴出口
　４　距離計
　Ｗ　高圧水
　Ｃ　流動性固化材
　Ｃ１　根固め部
　Ｃ２　周面固化部

Claims (4)

  1. 　鋼杭の長手方向に沿って配設される移送管と、バイブロハンマとを用いて、前記鋼杭を地中に打設する鋼杭打設工法であって、
    　前記移送管から水を噴射するとともに、前記バイブロハンマを稼働させることにより、前記地中の所定深度に前記鋼杭を貫入する工程と；
    　前記移送管から流動性固化材を噴射するとともに、前記バイブロハンマを稼働させることにより、前記鋼杭の先端部の周辺に根固め部を形成する工程と；
    　前記鋼杭を計画深度に位置させて前記流動性固化材の噴射を停止した後、前記バイブロハンマを一定時間稼働させることにより、前記流動性固化材を脱気する工程と；
    を有することを特徴とする、鋼杭打設工法。
  2. 　前記鋼杭を貫入する工程及び前記根固め部を形成する工程では、前記バイブロハンマを、貫入のために設定された第１の振幅にて稼動させ、且つ、
    　前記流動性固化材を脱気する工程では、前記バイブロハンマを、脱気のために設定された第２の振幅にて稼動させる
    ことを特徴とする、請求項１に記載の鋼杭打設工法。
  3. 　前記鋼杭が、前記先端部の内面に設けられる線状突起を具備する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の、鋼杭打設工法。
  4. 　前記鋼杭が、前記先端部の外面に設けられる板状リブ突起を具備する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼杭打設工法。
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