(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂杭材料が投入される中空管と、該中空管の先端部に付設される外筒管とを備え、該外筒管の外周の断面形状が、菱形形状の短軸上の対向する角部がそれぞれ所定の長さで切り欠かれた形態であって、往復回動操作により、地中に略矩形状断面の砂杭を造成するものであることを特徴とする砂杭造成用中空管。
【請求項２】
砂杭材料が投入される円筒状中空管と、該中空管の先端部の左右両側に付設される一対の突起部とを備え、該突起部の外周の断面形状が、略三角形状であり、該略三角形の外周の２辺は該円筒状中空管に対し、接線状に形成される形態であって、往復回動操作により、地中に略矩形状断面の砂杭を造成するものであることを特徴とする砂杭造成用中空管。
【請求項３】
請求項１又は２記載の砂杭造成用中空管の所定深度までの貫入工程、その所定深度位置での往復回動操作工程、引き抜きによる砂杭材料の排出工程の各工程を地表まで順次繰り返して行い、地中に略矩形断面の砂杭を造成することを特徴とする砂杭造成工法。
【請求項４】
前記引き抜きによる砂杭材料の排出工程の後、再貫入工程を行うことを特徴とする請求項３記載の砂杭造成工法。
【請求項５】
前記略矩形断面の砂杭の少なくとも短辺を、隣接する他の砂杭の短辺と接辺又は一部を重複させて連続壁状砂杭を造成することを特徴とする請求項３又は４記載の砂杭造成工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、緩い砂地盤や軟弱な粘土地盤などの地盤中に略矩形状断面の砂杭を低騒音、低振動、且つ効率的に施工することができる砂杭造成用中空管及び矩形砂杭造成工法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
砂地盤などの軟弱地盤中に砂杭を打設することにより、地盤を改良する地盤改良杭造成工法がある。この地盤改良杭造成工法としては、例えば、中空管を所定の深度まで貫入した後、中空管を適宜の長さ引き抜く工程と中空管を再貫入する工程とを順次、地表に至るまで繰り返して、軟弱地盤中に締固め砂杭を造成する締固め砂杭造成工法や、前記工法において、中空管の再貫入工程を省略して、中空管を引き抜きながら地中に砂を排出して軟弱地盤中に砂杭を造成する砂杭造成工法などがある。
【０００３】
これらの工法において、砂杭の原地盤に対する置換率を１００％にしたり、地中の一部に連続壁状に砂杭を造成することがある。特開２０００―２６５４５４号公報には、少なくとも先端部分が多角形の角筒体に形成された中空管を使用し、砂杭を該角筒体に相応する多角形断面に形成し、多角形断面の全部の各辺を、隣接する複数の他の砂杭の各一辺に密着させて稠密状態に施工する地盤改良杭造成工法が開示されている。砂杭の置換率１００％として施工する場合、従来の円筒状中空管の打設では、隣接する砂杭の一部が重複する無駄な打設や砂杭で置換されない隙間ができてしまい、効率的な施工が不可能であったところ、当該工法によれば、砂杭の原地盤に対する置換率を１００％にすることができ、しかも地盤の高品位な改良を可能とする。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記多角形断面の砂杭を造成する方法は、中空管の先端部分に形成される多角形の角筒体に相応する断面形状の砂杭を造成する方法であるため、中空管に回転を与えることができず、中空管の貫入はバイブロハンマーを作動させて行われる。しかし、バイブロハンマーを使用して中空管を打設する際、振動や騒音が発生し、環境対策が必要となるなどの問題を発生させる。一方、特開平８−２８４１４６号公報には、外周面に螺旋羽根が付けられていない中空管を用い、該中空管を往復回動させて地盤との摩擦を切りながら、貫入時と引き抜き時にリーダーからの反力が得られる中空管昇降装置で中空管の貫入と引き抜きを行う無振動、無騒音締固め砂杭造成工法が開示されている。しかし、この砂杭造成工法は円筒状中空管を用いた円形断面の砂杭を造成する方法であり、該工法では前述のように無駄な打設や砂杭が打設されない隙間を発生し、効率的で高品位の連続壁状砂杭を造成することは困難である。
【０００５】
従って、本発明の目的は、振動や騒音を極力抑制することができると共に、高品質の連続壁状砂杭や置換率が１００％に近い砂杭を効率よく造成することができる砂杭造成用中空管及び矩形砂杭造成工法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、特定の先端形状を有する中空管を往復回動操作により施工すれば、振動や騒音を極力抑制することができると共に、略矩形断面の砂杭が造成でき、且つ高品質の連続壁状砂杭や置換率が１００％に近い砂杭を効率よく造成することができることなどを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明（１）は、砂杭材料が投入される中空管と、該中空管の先端部に付設される外筒管とを備え、該外筒管の外周の断面形状が、菱形形状の短軸上の対向する角部がそれぞれ所定の長さで切り欠かれた形態であって、往復回動操作により、地中に略矩形状断面の砂杭を造成するものである砂杭造成用中空管を提供するものである。
【０００８】
また、本発明（２）は、砂杭材料が投入される円筒状中空管と、該中空管の先端部の左右両側に付設される一対の突起部とを備え、該突起部の外周の断面形状が、略三角形状であり、該略三角形の外周の２辺は該円筒状中空管に対し、接線状に形成される形態であって、往復回動操作により、地中に略矩形状断面の砂杭を造成するものである砂杭造成用中空管を提供するものである。
【０００９】
また、本発明（３）は、前記発明の砂杭造成用中空管の所定深度までの貫入工程、その所定深度位置での往復回動操作工程、引き抜きによる砂杭材料の排出工程の各工程を地表まで順次繰り返して行い、地中に略矩形断面の砂杭を造成する砂杭造成工法を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態における砂杭造成用中空管及びこれを用いた矩形砂杭造成工法を図１〜図１１を参照して説明する。図１は本例の砂杭造成用中空管の平面図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿って見た断面図、図３は中空管往復回動装置の平面図、図４は中空管往復回動装置の一部を破断して示す正面図、図５は本例の砂杭造成用中空管を装着した砂杭造成装置の概略図、図６は図１及び図２の中空管を用いて造成される砂杭の略矩形断面形状を示す図、図７〜図９は円形断面の砂杭と比較した図、図１０は他の砂杭造成用中空管の断面図（図１１のＢ−Ｂ線に沿って見た図）、図１１は一部を破断して示す正面図をそれぞれ示す。
【００１１】
図１および図２において、砂杭造成用中空管１は、砂杭材料が投入される円筒状中空管１ａと、円筒状中空管１ａの先端部に付設され、平面視で円筒状中空管１ａを囲むように形成される外筒管１ｂとを備え、外筒管１ｂの外周の断面形状が、菱形形状の短軸３ａ上の対向する角部１０１がそれぞれ所定の長さで切り欠かれ、更に、長軸３ｂ上の対向する角部１０２が丸められた形態である。本発明において、短軸３ａ上の切り欠き部７の切り欠き長さとしては、特に制限されないが、後述する往復回動操作により、地中に造成される砂杭の断面形状がより矩形に近くなるよう選定されるもので、具体的には、菱形形状の長軸長さの０．１５〜０．３５の切り欠き長さが好適である。また、長軸３ｂ上の丸み６はあっても無くてもよいが、丸みを設ける場合、丸みのアールは小さいほど長軸部分が長い矩形断面の砂杭が造成される点で好適である。また、外筒管１ｂは天板１０３の設置により円筒状中空管１ａと接続されて異径中空管を形成し、中空管としての機能を保持させている。符号８は円筒状中空管１ａと外筒管１ｂとの接合を強化する板状補強体である。外筒管１ｂの高さＨは、引き抜きストローク分に相当する長さ、すなわち、１回の引き抜きによる砂杭長であり、地盤の土質、改良目的により適宜決定される。
【００１２】
また、外筒管１ｂの先端外周面に補強板４を設置し、該先端部分を肉厚にして、貫入時の地盤との摩擦などによる損傷を防止している。更に、外筒管１ｂの先端内周面の長軸上両側には、該先端部から下方に突出する掘削ビット５を設置し、砂杭造成用中空管１の地中貫入を容易にしている。本例の砂杭造成用中空管１において、中空管１ａの形状としては、上記円筒状に限定されず、四角形などの多角形状、楕円状、不定形状のものも使用できる。
【００１３】
本例の砂杭造成用中空管１は、往復回動操作により、地中に略矩形状断面の砂杭を造成するものである。砂杭造成用中空管往復回動装置としては、特に制限されず、電動機と歯車により行う機械式回動装置や、油圧式回動装置が挙げられる。油圧式回動装置としては、図３及び図４に示すものが例示される。すなわち、中空管往復回動装置１０はリーダー１２とは反対側から中空管１ａを両側から挟むように付設される一対の油圧シリンダー１５を用いて中空管１ａを往復回動（図３中の矢印方向）させて地盤との摩擦を切りながら、貫入と引き抜きを行う装置である。
【００１４】
中空管往復回動装置１０は、リーダー１２に沿って昇降するリーダーガイド部１３と、リーダーガイド部１３のリーダー１２とは反対側に固定され、中空管１ａの往復回動の動きに規制されない固定部１６と、ピストンロッド５２の先端部を中空管１ａの両側面に付設されるピストンロッド軸支部１７に取り付け、シリンダー部５１を固定部１６のシリンダー軸支部６１に取り付け、中空管１ａをリーダー１２とは反対側から挟むように、且つリーダーガイド部１３の鉛直方向における中央位置にくるように取り付けられる一対の油圧シリンダー１５とを備える。
【００１５】
固定部１６は、リーダーガイド１３に固定される上下一対の中空状円盤部材１８と、一対の中空状円盤部材１８の該リーダー１２とは反対側の端部１１１に固定され、シリンダー軸支部６１を有する縦部材６２とからなり、全体は側面視、略コ字状をなしている。中空状円盤部材１８は縦部材６２をリーダーガイド部１３に一体的に固定するための中間部材である。このため、中空状円盤部材１８の内径を中空管１ａの外径より大きくし、ベアリング１９を介在させて、中空状円盤部材の中空部を貫通する中空管１ａの往復回動の動きに規制されないようにしている。縦部材６は略コ字状であり、縦部材本体部６２１の左右両側面の鉛直方向中央には、油圧シリンダーのシリンダー部５１に固設される縦軸５５を水平方向において回転自在に軸支するためのシリンダー軸支部６１を設けている。
【００１６】
油圧シリンダー１５は、シリンダー部５１とピストンロッド５２とからなり、シリンダー部５１には固定部のシリンダー軸支部６１に水平方向において回動自在に取り付けられる。油圧シリンダー１５は中空管１と固定部１６に取り付けた状態において、油圧シリンダー５が水平位置を保つと共に、リーダーガイド３の鉛直方向における中央位置にくるようにすると、外力のリーダー１２への伝達が効率的に行われる点で好適である。
【００１７】
また、図５に示すように、中空管往復回動装置１０の上方に位置するホッパー２２や強制昇降装置２１は中空管往復回動装置１０の固定部１６と一体的に結合されている。このため、ホッパー２２、強制昇降装置２１及び中空管往復回動装置１０は、強制昇降装置２１の下降起動により同様に下降し、上昇起動により同様に上昇する。ホッパー２２は中空管１に砂杭材料を投入し易くするためのもので公知のものが用いられる。また、強制昇降装置２１は、貫入時と引き抜き時にリーダー１２からの反力が得られるものである限り特に限定されず、例えば、ラックとピニオンによるもの、チェーンとスプロケットによるもの、ワイヤーロープの牽引によるもの、などが挙げられる。
【００１８】
次に、本例の砂杭造成用中空管を用いて地中に略矩形断面の砂杭を造成する方法を説明する。先ず、強制昇降装置２１の下降起動と共に、中空管往復回動装置１０が起動され、砂杭造成用中空管１は所定の回動範囲内を押し引きされ、往復回動しつつ所定深度まで貫入される。貫入工程において砂杭造成用中空管１を回動させることにより、貫入効率が向上する。砂杭造成用中空管１は所定深度まで打ち込まれると、その所定深度位置での往復回動操作工程に移る。回動範囲としては、前記貫入時での回動範囲と同様でよく、図６に符号Ｚで示される９０度未満の範囲内で選択され、本例では７８度である。すなわち、Ａ−Ｂ線上に長軸がくるような位置２５ｂから矢印Ｙ方向に回動させ、Ｃ−Ｄ線上に長軸がくるような位置２５ａで停止し、更に、矢印Ｘ方向に回動させ、Ａ−Ｂ線上に長軸がくるような位置２５ｂで停止し、これを必要により繰り返すことで、引き抜き後、斜線で示される矩形断面の引き抜き跡２５が得られる。回動範囲を適宜選定することで、引き抜き跡の断面形状が矩形に近くなり、連続壁状に砂杭を無駄なく効率的に造成することができる。また、往復回動操作工程で回動を行わないと、引き抜き後、外筒管の形状に相応する形状の抜け跡ができるのみであり、連続壁状に砂杭を造成しても、略矩形断面の砂杭にならない。
【００１９】
次いで、往復回動操作工程後、引き抜きによる砂杭材料の排出工程に移る。引き抜きのストロークは、砂杭造成用中空管１の外筒管１ｂの高さＨ、又はそれ以下とする。高さＨの長さを引き抜けば、当該引き抜き跡は確実に略矩形断面を形成しており、砂杭材料排出後の形状も略矩形断面を形成することになる。砂杭材料としては、特に制限されず、砂、砕石、砂利、その他砂類似粒状材料、及びこれらに金属系還元材を混入させたもの等が挙げられる。金属系還元材を含有する砂類は、例えば、有機揮発性化合物で汚染された地下水などの浄化を目的に構築される地下水浄化壁に適用される。引き抜きの場合、往復回動操作は特に不要である。引き抜きによる砂杭材料を排出した後、該引き抜き後の位置で、再度、往復回動操作工程と引き抜きによる砂杭材料の排出工程とを順次行い、以後同様の操作が地表まで順次繰り返される。また、他の例として、引き抜き跡に砂杭材料を排出した後、再貫入工程を実施し、締固めを行ってもよい。この再貫入の場合、砂杭造成用中空管１は前記同様の回動範囲で回動させることが、より矩形断面に近い締固め砂杭が造成される点で好適である。
【００２０】
また、本発明の矩形砂杭造成方法は、略矩形断面の砂杭の少なくとも短辺を、隣接する他の砂杭の短辺と接辺又は一部を重複させて連続壁状砂杭を造成する。この砂杭造成方法により造成された砂杭を図７〜図９を参照して説明する。図７は略矩形断面の砂杭の短辺と隣接する他の砂杭の短辺のオーバーラップを比較的大きく採った連続壁状の一部の砂杭、図８は略矩形断面の砂杭の短辺と隣接する他の砂杭の短辺のオーバーラップを比較的小さく採った連続壁状の一部の砂杭、図９は略矩形断面の砂杭の短辺と隣接する他の砂杭の短辺を接辺させた連続壁状の一部の砂杭をそれぞれ示し、（Ａ）は本例に係る略矩形砂杭であり、（Ｂ）は比較用で従来の円形砂杭である。図７から、本例の略矩形砂杭は砂杭４本打設で、且つ同じオーバーラップ分を採った場合で円形砂杭と比較すると、長さ方向に約１．３倍の造成が可能となる。また、短辺方向に無駄な打設部分（図中、円形砂杭の上下端の黒色部分）が発生しない。図８から、本例の略矩形砂杭は砂杭４本打設で、同じオーバーラップ分を採り、且つ長さ方向（左右方向）で円形砂杭と同じ径の砂杭とした場合で比較すると、短辺方向に無駄な打設部分が発生しない。図９から、本例の略矩形砂杭は砂杭４本の接辺打設で、且つ短辺長さが円形砂杭の径と同じにした場合で比較すると、長さ方向に約１．４倍の造成が可能となる。本発明の砂杭造成方法は、略矩形断面の砂杭の長辺を隣接する他の砂杭の長辺と接辺又は一部を重複させてもよく、更に、略矩形断面の砂杭の短辺を隣接する他の砂杭の長辺と接辺又は一部を重複させてもよく、前述の短辺同士も組み合わせて、連続壁状砂杭の大きさを自在に調整することができる。
【００２１】
本例の砂杭造成用中空管１及びこれを用いた略矩形断面の砂杭造成工法によれば、振動や騒音を極力抑制することができると共に、略矩形断面の砂杭が造成でき、且つ高品質の連続壁状砂杭や置換率が１００％に近い砂杭を効率よく造成することができる。更に、従来の回転駆動手段を備える砂杭造成装置では、電動モーターなどの回転駆動装置やスイベル装置が付設されていた。これらの設備は機構が複雑であり、且つ大掛かりなものであるため、装置のコスト上昇の一因となっていた。しかし、本発明の砂杭造成用中空管を用いれば、回転駆動装置やスイベル装置は省略することができるため、該砂杭造成装置を簡略且つコストが低減されたものとすることができる。
【００２２】
また、本発明に係る他の砂杭造成用中空管を図１０及び図１１を参照して説明する。図１０及び図１１において、図１及び図２と同一構成要素には同一符号を付してその説明を省略し、主に異なる点について説明する。すなわち、本例の砂杭造成用中空管１Ａにおいて、砂杭造成用中空管１と相違する点は、中空管の先端外周形状を外筒管で形成する代わりに、中空管に突起部を設け、中空管と突起部で形成させるようにした点にある。すなわち、本例の砂杭造成用中空管１Ａは砂杭材料が投入される円筒状中空管１ａの先端部の左右両側に一対の突起部１Ｂを設け、該突起部１Ｂの外周の断面形状を略三角形状とし、該略三角形の外周の２辺１０１Ｂは円筒状中空管１ａに対し、接線状に形成される形態としたものである。該略三角形の外周の２辺１０１Ｂで形成される先端の丸み１０５はあってもなくてもよい。このような形態の砂杭造成用中空管１Ａにおいても、前記砂杭造成用中空管１と同様の作用効果を奏する他、更に簡易な構造とすることができる。また、本発明において、略矩形とは連続壁状砂杭を高品位で且つ効率的に造成するという本発明の目的を達成し得る範囲において、広く解釈される。
【００２３】
【発明の効果】
本発明の砂杭造成用中空管を用いた工法によれば、振動や騒音を極力抑制することができると共に、略矩形断面の砂杭が造成でき、且つ高品質の連続壁状砂杭や置換率が１００％に近い砂杭を効率よく造成することができる。また、砂杭造成用中空管は比較的簡易な構造であり、中空管往復回動装置を必要とするものの、当該装置よりも更に高価な回転駆動装置やスイベル装置を省略することができ、造成装置のコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本例の砂杭造成用中空管の平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿って見た断面図である。
【図３】中空管往復回動装置の平面図である。
【図４】中空管往復回動装置の一部を破断して示す正面図である。
【図５】本例の砂杭造成用中空管を装着した砂杭造成装置の概略図である。
【図６】本例の砂杭造成用中空管を用いて造成される砂杭の断面形状を示す図である。
【図７】本例の砂杭造成用中空管を用いて造成される連続壁状の一部の砂杭の断面形状を示す図である。
【図８】本例の砂杭造成用中空管を用いて造成される連続壁状の一部の砂杭の他の断面形状を示す図である。
【図９】本例の砂杭造成用中空管を用いて造成される連続壁状の一部の砂杭の他の断面形状を示す図である。
【図１０】他の砂杭造成用中空管の断面図である。
【図１１】一部を破断して示す正面図である。
【符号の説明】
１      砂杭造成用中空管
１ａ    円筒状中空管
１Ｂ    突起部
１ｂ    外筒管
３ａ    菱形形状の短軸
３ｂ    菱形形状の長軸
４      補強板
５      掘削用ビット
６      丸み
７      切り欠き
８      板状補強体
１０      中空管往復回動装置
１２      リーダー
１３      リーダーガイド
１５      油圧シリンダー
１６      固定部
１７      ピストンロッド軸支部
１８      中空状円盤部材
２１      強制昇降装置
２２      ホッパー
２５      砂杭
５１      シリンダー部
５２      ピストンロッド
６１      シリンダー軸支部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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