(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
杭の中掘拡大根固め工法に用いるヘッドにおいて、高圧液体噴出ノズルをスクリュー羽根の外径部に半径方向外側に向けて開口させ、該高圧液体噴出ノズルの周囲に、液体噴出流を囲みこれと同一方向に気体を噴射するリング状の気体噴出ノズルを設けたことを特徴とする中掘拡大根固め用ヘッド。
【請求項２】
杭の中掘拡大根固め工法に用いるヘッドにおいて、高圧液体噴出ノズルをスクリュー羽根の外径部に半径方向外側に向けて開口させ、該高圧液体噴出ノズルは複数の近接する開口を備えたノズルとし、該複数の近接する開口は、ヘッド軸方向同一レベル又はヘッド軸方向に段差を設けた位置に配置し、該複数の開口をまとめて囲み、液体噴出方向と同一方向に気体を噴射するリング状の気体噴出ノズルを設けたことを特徴とする中掘拡大根固め用ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プレキャストコンクリート杭又は鋼管杭の中空部にスクリューオーガーを挿入して地盤を掘削しながら杭を地中に建て込む杭の中掘工法に使用する中掘拡大根固め用ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
中掘工法に使用されている中掘拡大根固め用ヘッド（以下、ヘッド）は、その先端に設けた刃物により地盤を掘削しながら杭を地中に建て込み、さらに杭底部の地中支持層中に拡大球根を形成して杭の支持力を高めるものである。中掘工法は、打撃、振動、騒音を生ずることなく、大径の杭を円滑に地中に沈設することができ、大きな支持力を得る技術として高く評価されている。
【０００３】
上記ヘッドは、切削した切り屑や土砂を吹き上げる気体噴出ノズルを備えており、また、セメントミルクなどの液体を半径方向外側に噴出する１又は複数本の高圧液体噴出ノズルを備えている。このような中掘拡大根固め用ヘッドは、中空杭の下端より下方の地中で、高圧液体を噴出しながら旋回昇降し、周囲の土砂を撹拌して、杭の径よりも大きい拡大球根を形成する。このような拡大球根は、杭の支持力を大幅に増加させる。
【０００４】
従来、支持杭の長期支持力Ｐは、
Ｐ  ＝  （１／３）（α×Ｎ×Ａｐ）  ＋  Ｒ
但し、
α：支持力係数
Ｎ：地盤のＮ値
Ａｐ：杭の断面積
Ｒ：杭の摩擦支持力
で計算するように規定されている。支持力係数αは、杭の先端部の支持力発現方法による係数であって、例えば、打込杭では３０、球根根固め杭では２５、セメントミルク工法では２０、場所打ち杭では１５のように定められている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は中掘拡大球根根固め杭において、上記支持杭の長期支持力における支持力係数αを２０％以上高め、αを２５から３０に格上げすることを可能とするような球根を形成するために新たに開発されたものである。本発明は、地中に形成する球根径を従来より大きくし、中掘拡大球根根固め杭の支持力の増大を図ることを目的とする。
【０００６】
すなわち本発明の課題とするところは、次のとおりである。
【０００７】
（ａ）従来の中掘拡大根固め用ヘッドに改善を加え、拡大球根の直径を大きくする。
【０００８】
（ｂ）このため、高圧噴出するセメントミルク（噴出液体）の到達距離を延長する。
【０００９】
（ｃ）高圧噴出するセメントミルク（噴出液体）の到達距離の延長は、噴出するセメントミルクの噴出圧力を増加しても得られるが、設備の増大、コストの増加が避けられないので、別の工夫を加え、基本的に従来装置で達成する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために開発されたもので、その技術手段は、杭の中掘拡大根固め工法に用いるヘッドにおいて、高圧液体噴出ノズルをスクリュー羽根の外径部に半径方向外側に向けて開口させ、該高圧液体噴出ノズルの周囲に、液体噴出流を囲みこれと同一方向に気体を噴射するリング状の気体噴出ノズルを設けたことを特徴とする中掘拡大根固め用ヘッドである。
【００１１】
従来、中掘拡大根固め用ヘッドは、杭の沈下工程において、ヘッドの掘削した土砂をオーガースクリューを用いて地上に排出しているが、このため、気体噴出ノズルを備え、地上から圧縮空気を送っている。
【００１２】
また、ヘッドは、ヘッドの周囲の地中の土砂を攪拌すると共にこれを固化させて拡大球根を形成するために、半径方向外側にむけて高圧液体を噴出するノズルを備えている。このノズルは杭の径に応じて１〜４本である。これらはほぼ均一な中心角ごとに放射状に配置されている。
【００１３】
本発明の第１の特徴は、高圧液体噴出ノズルの周囲に液体噴出流を囲む圧縮空気を並列に噴出し液体噴出流の摩擦によるエネルギー損失を軽減し、その到達距離を増大することである。
【００１４】
このように高圧液体噴出ノズルの液体噴出孔の周囲にリング状の気体噴出口を設けて気体を供給すると、気体の圧力が高圧噴出液体の圧力より低くても、ベンチュリの原理により、高圧液体噴出流がその外周に気体を連行する。この液体噴出流の外周に気体を連行することによって、噴出液体の噴出に伴うエネルギー損失が著しく軽減される。これは噴出液体の流れの外周部の摩擦抵抗が低減されるためと考えられる。従って、液体噴出流の衝突力が上昇し、土砂攪拌距離が延長され、球根の直径を大きくすることができる。
【００１５】
本発明の第２の発明は、杭の中掘拡大根固め工法に用いるヘッドにおいて、高圧液体噴出ノズルをスクリュー羽根の外径部に半径方向外側に向けて開口させ、該高圧液体噴出ノズルは複数の近接する開口を備えたノズルとし、該複数の近接する開口は、ヘッド軸方向同一レベル又はヘッド軸方向に段差を設けた位置に配置し、該複数の開口をまとめて囲み、液体噴出方向と同一方向に気体を噴射するリング状の気体噴出ノズルを設けたことを特徴とする中掘拡大根固め用ヘッドである。
【００１６】
本発明の第２の特徴は、高圧液体噴出ノズルとして、複数個の並列に近接する開口を設けた噴出ノズルを有するように、ヘッドに改善を加えたことにある。このような噴出ノズルは杭径７００ｍｍ以上の大径杭に適用することが好ましい。
【００１７】
各高圧液体噴出ノズルに設ける複数の液体噴出開口は、ヘッド軸方向同一レベル、すなわちヘッド軸に直交する同一平面内に配置するか、又はヘッド軸方向にわずかな段差を設けた位置に配置する。
【００１８】
この高圧液体噴出ノズルは、先行する第１の液体噴出開口から噴出された高圧液体が土砂を攪拌し、そのすぐ後から、先行する第１の液体噴出開口が攪拌した攪拌部分が落ち着く前に、第２の液体噴出開口が第１の液体噴出開口の攪拌距離より先方の土砂を攪拌する。従って、土砂を攪拌する距離が延長され、球根の直径を拡大することができる。
【００１９】
本発明は、上記第１の特徴である、高圧液体噴出ノズルの周囲に液体噴出流を囲む圧縮空気を並列に噴出する技術手段を講ずることにより、主として外径６００ｍｍφ以下の杭の球根拡大に効果的に適用することができる。また本発明の第２の特徴である、液体噴出ノズルが複数の近接する開口を備えたノズルとする技術手段を講ずることにより主として外径７００ｍｍ以上の大径杭の球根の拡径
を図ることができる。さらにこの２つの技術手段の相乗効果により地盤の地質条件等に拘らず、確実に大径杭の支持力の向上を容易に達成することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
先ず、従来のヘッドについて、図８〜図１１を参照して説明する。図８はオーガースクリューを備えたヘッド１の正面図であって、中心軸３の回りにスクリュー羽根２が螺旋状に取付けられ、ヘッド１の先端（下端）には、刃物６を備えている。図９は図８の底面図、図１０はスクリュー羽根を取り除いた縦断面図、図１１はその底面図である。ヘッド１の中心には二重管１０が挿通されており、低圧の圧縮気体通路１１は気体噴出ノズル４に連結されている。この気体噴出ノズル４は刃物６で切削した切削屑や土砂を杭の中空部を通って地上に排土する補助手段として用いるものである。高圧液体噴出ノズル５は、二重管１０の液体通路１２に連結されており、ヘッド１の外周の土砂中にセメントミルク等の液体を噴出し、地中掘削した掘削物又は岩石の破砕撹拌を行い、さらにこれを固化して杭の下端部の下方に根固め球根を形成する。この液体噴出ノズル５は従来、半径方向外側に液体を噴出する単筒のノズルである。図１１は図１０に示すヘッド１の底面図であって、２本の高圧液体噴出ノズル５は、大略中心角１８０°隔てて放射状に配設されており、これとほぼ直交する方向に圧縮空気噴出孔４が設けられている。
【００２２】
図１〜図２は本発明の実施例のヘッド１を示すものである。図１は実施例のヘッド１の下端部近傍の正面図、図２はその縦断面図である。
【００２３】
図１、図２に示す実施例のヘッド１が、図８〜図１１に示した従来のヘッドと異なる点は、高圧液体噴出ノズル５の周囲にリング状の気体の噴出ノズル８を設け、圧縮気体通路１１をこの噴出ノズル８に連絡させると共に、気体噴出孔４を閉鎖したことである。杭の沈下工程では、従来、気体噴出孔４から噴出していた圧縮気体はこのリング状の気体噴出ノズル８から噴出される。高圧液体噴出ノズルの周囲から圧縮空気を噴出すると、液体噴出流の周囲に気体連行層が形成され、液体噴出流れの周囲の摩擦によるエネルギー損失が軽減される。この場合、気体の圧力は低くてよい。この結果、液体噴出流の衝突力が上昇し、造成する球根の直径を大きくすることができる。
【００２４】
図３、図４は本発明の第２の発明の実施例のヘッド１を示すもので図３は側面図、図４はその底面図である。図３に示す本発明のヘッド１が図８〜図１１に示した従来のヘッドと異なる点は、液体噴出ノズル５の開口が複数個（図１では２個）の噴出開口５１、５２を備えた点である。高圧液体噴出ノズル５の噴出開口５１、５２はヘッド１の軸に直角な平面内に配置してもよく、ヘッド１の軸方向にわずかな段差をつけて隣接させて配置してもよい。図３の例では、後者を示している。
【００２５】
図５は図３、図４に示す高圧液体噴出ノズルの作用の説明図で、高圧液体噴出中の状況を模式的に示したものである。ヘッド回転方向６４の方向に回転するヘッド１はすでにヘッド１の刃物６が掘削攪拌して形成した壁面６１に、高圧液体噴出ノズル５の第１の液体噴出開口５１から液体を噴出し、この噴出液体が到達面６２までを攪拌し、その直後に第２の液体噴出開口５２からの噴出液体が到達面６３までを攪拌する。図６、図７は複数個の噴出開口５１、５２を有する高圧液体噴出ノズルの周囲を包囲するリング状の気体噴出ノズル８を設けたものである。気体通路１１を液体噴出ノズルの側壁に開口させる。噴出液体はその周囲に気体を連行し、噴出エネルギーの損失を低減し、噴出液体の到達距離を延長し、拡大球根の直径を増大し、杭の支持力を増大させることができる。
【００２６】
図１２、図１３は本発明ヘッドを用いた拡大球根形成の実施例の工程図を示したものである。地上で杭立込装置により杭１００にオーガーを挿入する。この杭１００は、図１２（ａ）に示すように、ヘッド１０１で杭下端位置の地山１０２を掘削し、圧縮空気を供給して掘削土砂を中空杭の中を通ってオーガースクリューにより排出しながら、杭を沈下させる。図１２（ｂ）に示すように、ヘッド１０１が球根造成地盤の下端に達したら、ヘッド１０１を矢印１０４で示すように、地層１０３を攪拌しながら上昇し、次いで、図１２（ｃ）に示すように、高圧液体を噴射して球根造成部１０５を拡大しながらヘッド１０１を矢印１０６方向に下降させる。次いで図１２（ｄ）に示すように、セメントミルク１０７を噴出しながらヘッド１０１を上矢印１０８のように上昇して、球根１０９を造成しつつ、そのまま図１３（ａ）に示すように杭中を上昇し、所定の高さ、例えば球根の長さの３〜４倍の高さレベル１１０に到達したらセメントミルクの噴出を取り止め、そのままヘッドを上昇させ、ついに図１３（ｃ）のようにヘッドを抜き取り、拡大球根１０９のついた杭の施工を完了する。
【００２７】
本発明のヘッドを用いて拡大球根を造成すると、従来の直径の約１．４〜２倍の直径の球根を造成することができ、杭の支持力の大幅な向上を達成することができる。
【００２８】
次に、本発明のヘッドの性能の基礎試験について説明する。この基礎試験は、単に高圧液体のみを噴出する場合と、高圧液体噴出流の周囲に空気層を形成した時の噴射圧力の変化を確認する試験である。図１４は基礎試験装置の平面図、図１５はその立面図である。幅１８００ｍｍ×長さ３０００ｍｍ×深さ１６５０ｍｍの水槽１２０を作成し、その中に支持台１２２を立設し、この支持台１２２の側面に圧力計１２３を取付けた。圧力計１２３は、ロードセルを用い、容量は表面積当たり２０ｋｇｆ／ｃｍ2 とした。
【００２９】
一方、水槽１２０の上面に２本のガイドフレーム１２４を渡し、このガイドフレーム１２４に沿ってヘッド１３１を移動できるようにし、ヘッド１３１のノズル１３２を上記圧力計１２３に対面させて配置した。ノズル１３２は直径３ｍｍφのドラバールノズルとした。ノズル１３２と圧力計１２３との間の距離を目盛１２５で測って変化させながら、ノズル１３２から高圧の液体を噴出し、噴出ジェットが圧力計１２３に及ぼす圧力を測定した。水槽１２０中には水を充満させた場合と、大気の状態との２水準、ノズル１３２は高圧液体の単独噴出と高圧液体の周囲に空気を供給して噴出する場合の２水準について試験を行った。高圧液体には水を用いる場合と、セメントミルクを用いる場合とを実施した。これらの試験条件の詳細は表１に示すとおりである。
【００３０】
空気の圧力は１０〜１３ｋｇｆ／ｃｍ2 （標準１０ｇｆ／ｃｍ2 ）とし、空気量は３．５Ｎｍ3 ／ｍｉｎ以上（標準５Ｎｍ3 ／ｍｉｎ）とした。空気噴出ノズルの直径は５０ｍｍφとした。また、セメントミルクは水セメント比７０％のスラリーとした。
【００３１】
圧力の測定は応答周波数範囲がＤＣ−５ｋＨｚの動歪測定器を用い、応答周波数範囲がＤＣ−１．２５ｋＨｚ、テープ速度２．２８ｃｍ／ｓｅｃ、チャンネル数１４のデータレコーダ、応答周波数範囲がＤＣ−１ｋＨｚ、チャンネル数１２の電磁オッシログラフで測定し、遮断周波数が１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚのローパスフィルタを通してコンピュータに記憶させた。
【００３２】
これらのデータを解析し、その結果を表２〜４及び図１６〜１８に示した。図１６は表２に対応するもので、表１の測定Ｎｏ．１−１、Ｎｏ．１−２、Ｎｏ．１−３に対するデータ（水中で、噴出液体は空気を伴わないもの）である。図１７は表３に対応するもので、表１の測定Ｎｏ．１−４、Ｎｏ．１−５、Ｎｏ．１−６、Ｎｏ．１−７に対するデータ（水中で、噴出液体は空気を伴ったもの）である。図１８は表４に対応するもので、表１の測定Ｎｏ．２−１、Ｎｏ．２−２、Ｎｏ．２−３に対するデータ（大気中での噴出）である。
【００３３】
【表１】
0003703633.tif 000002
【００３４】
【表２】
0003703633.tif 000003
【００３５】
【表３】
0003703633.tif 000004
【００３６】
【表４】
0003703633.tif 000005
【００３７】
これらの結果から、大気中での噴出は、距離に拘らず圧力低下が小さいこと、水中では、噴出液体がその周囲に空気を伴った場合、空気を連行しない場合の同一距離における圧力は３〜４倍となることが明らかになった。
【００３８】
次に本発明の実際モデル試験について説明する。
【００３９】
地表から、縦６ｍ×横６ｍ×深さ６ｍの縦穴を２個掘削した。掘削した地層は、礫層を多少含む頁岩を主体とする岩盤であった。第１の縦穴には礫質土を主体とする土砂を、第２の縦穴には砂を、それぞれ厚さ約３０ｃｍごとに転圧して締め固めながら積層して、埋戻しを行い、第１及び第２の人工地盤を造成した。このようにして形成した人工地盤の貫入試験を行った。貫入試験は、第１の縦穴はボーリング式標準貫入試験を行い、第２の縦穴はスウエ ーデン式サウンデイング装置を用いて行った。貫入試験の結果は表５、表６に示すとおりである。
【００４０】
【表５】
0003703633.tif 000006
【００４１】
【表６】
0003703633.tif 000007
【００４２】
次いで、外径６００ｍｍのプレストレストコンクリート杭を図１に示すヘッドを装着した外径３８０ｍｍのスパイラルオーガを用いて、中掘工法により第１及び第２の人工地盤に沈設し、引き続き杭底に球根の造成を行った。
【００４３】
球根の造成は、ヘッドを下降させて掘下げる工程では圧力１００ｋｇ／ｃｍ2の水を用い、ヘッドの回転数２０回／ｍｉｎ、掘下げ速度５０ｃｍ／ｍｉｎの条件で行った。次に引き上げ工程では、それぞれ第１の人工地盤では圧力２００ｋｇ／ｃｍ2 、第２の人工地盤では圧力１８０ｋｇ／ｃｍ2 でセメントミルクを噴出した。この時、ヘッドの回転数６回／ｍｉｎ、引上げ速度８ｃｍ／ｍｉｎ、噴出セメントミルク量９０リットル／ｍｉｎは同じ条件とした。またこの時、圧縮空気は圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、流量５Ｎｍ3 ／ｍｉｎとした。
【００４４】
球根造成後、第１、第２の人工地盤を掘り上げ、拡大球根を掘り出して寸法を測定した。球根の寸法は、第１の人工地盤（礫質層）では高さ約１ｍ、平均直径１．５ｍφ（従来約１．１ｍ）であり、第２の人工地盤では高さ約１ｍ、平均直径２ｍφ（従来約１．０ｍ）であった。このように、本発明のヘッドによれば、従来の拡大球根に比べ、１．４〜２倍の直径の拡大球根を造成することができ、球根の断面積は２〜４倍となり、支持力が大幅に増大する。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、中掘拡大根固め工法による球根の直径を従来より拡径させ、球根根固め杭の支持力を高め、長期支持力を向上させることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例のヘッドの正面図である。
【図２】実施例のヘッドの縦断面図である。
【図３】実施例のヘッドの側面図である。
【図４】図３の底面図である。
【図５】実施例の作用説明図である。
【図６】複数個の噴出開口を有するノズルを示す図である。
【図７】図６の縦断面図である。
【図８】従来例のヘッドの正面図である。
【図９】図８の底面図である。
【図１０】図８の縦断面図図である。
【図１１】図８の底面図である。
【図１２】拡大球根造成の工程図である。
【図１３】拡大球根造成の工程図である。
【図１４】試験水槽の平面図である。
【図１５】試験水槽の立面図である。
【図１６】噴出液体のノズル位置と圧力との関係を示すグラフである。
【図１７】噴出液体のノズル位置と圧力との関係を示すグラフである。
【図１８】噴出液体のノズル位置と圧力との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１    ヘッド
２    スクリュー羽根
３    中心軸
４    気体噴出ノズル
５    液体噴出ノズル
６    刃物
１０  二重管
１１  気体通路
１２  液体通路
４１  気体噴出ノズル開閉弁
４２  弁開閉装置
４３  気体連通部
４４  気体連通部開閉装置
５１、５２    液体噴出開口
６１  刃物が掘削した壁面
６２  第１の液体噴出開口からの到達面
６３  第２の液体噴出開口からの到達面
６４  ヘッド回転方向
１００  杭
１０１  ヘッド
１０２  地山
１０３  地層
１０４  矢印
１０５  球根造成部
１０６  矢印
１０７  セメントミルク
１０８  矢印
１０９  球根
１１０  高さレベル
１２０  水槽
１２１  内部
１２２  支持台
１２３  圧力計
１２４  ガイドフレーム
１２５  目盛
１３１  ヘッド
１３２  ノズル
【図１】
0003703633.tif 000008
【図２】
0003703633.tif 000009
【図３】
0003703633.tif 000010
【図４】
0003703633.tif 000011
【図５】
0003703633.tif 000012
【図６】
0003703633.tif 000013
【図７】
0003703633.tif 000014
【図８】
0003703633.tif 000015
【図９】
0003703633.tif 000016
【図１０】
0003703633.tif 000017
【図１１】
0003703633.tif 000018
【図１２】
0003703633.tif 000019
【図１３】
0003703633.tif 000020
【図１４】
0003703633.tif 000021
【図１５】
0003703633.tif 000022
【図１６】
0003703633.tif 000023
【図１７】
0003703633.tif 000024
【図１８】
0003703633.tif 000025