(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軟弱な地盤中にケーシングパイプを打ち込み、該ケーシングパイプ内に粒状材料と水を投入し、粒状材料を水で飽和させた状態で、内部に空洞が形成されるように二重に構成されたケーシングパイプの先端の周囲に、互いに対向するように配置された複数の超音波発振子からケーシングパイプの中心に向かって超音波を照射することにより、ケーシングパイプ内の粒状材料を水を介して振動させ、締め固まらせると共に、この締め固められた粒状材料とケーシングパイプの内周との間の摩擦抵抗を低減し、この状態でケーシングパイプを引き抜くことにより、上記地盤中に粒状材料からなる杭状の部位を形成するようにしたことを特徴とする地盤改良工法。
【請求項２】
ケーシングパイプ先端の内部圧力が、ケーシングパイプ先端深度の地盤圧力とほぼ等しくなるように、該ケーシングパイプの内部を空気圧で補助的に加圧するようにしたことを特徴とする請求項１記載の地盤改良工法。
【請求項３】
先端蓋を備えたケーシングパイプと、このケーシングパイプを地盤中に打ち込む打設装置とを具備し、軟弱地盤中に粒状材料からなる杭状の部位を形成する地盤改良工法に使用される装置であって、
上記ケーシングパイプは、その先端の周壁が二重で内部に空洞が形成され、この空洞内に、ケーシングパイプ内に投入された粒状材料に振動を与えて締め固まらせるように作用する複数の超音波発振子が互いに対向するように設けられたものであることを特徴とする地盤改良工法に使用される装置。
【請求項４】
先端蓋を備えたケーシングパイプと、このケーシングパイプを地盤中に打ち込む打設装置とを具備し、軟弱地盤中に粒状材料からなる杭状の部位を形成する地盤改良工法に使用される装置であって、
上記先端蓋は、先端が拡開した略円錐台形状の先端蓋ケースと、この先端蓋ケース内に上下移動可能に収納されたボール弁と、該ボール弁が接してケーシングパイプの先端内を密閉状態とする弁座部とで構成され、かつ、上記先端蓋ケースは、周壁が二重で内部に空洞が形成され、この空洞内に、先端蓋ケース内に投入された粒状材料に振動を与えて締め固まらせるように作用する複数の超音波発振子が互いに対向するように設けられたものであることを特徴とする地盤改良工法に使用される装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤中に粒状材料からなる杭状の部位を設けることにより地盤を改良する工法と、この工法に使用される装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、軟弱地盤を改良するには、軟弱地盤中に多数の砂杭を造成するということが行われており、その方法としてサンドコンパクションパイル工法（以下、ＳＣＰ工法と略す）が多用されていた。
【０００３】
このＳＣＰ工法は、図９（ａ）に示すように海底などの水面下の軟弱地盤Ｇにケーシングパイプ２１を、バイブロハンマー（図示せず）の起振力を利用して貫入させ、その際、このケーシングパイプ２１内に乾いた砂２２を、ケーシングパイプ２１先端の内外の圧力が均衡するように、内部を加圧（図中符号Ｐで示す）しながら投入し、このようにして内部に砂２２が充填されたケーシングパイプ２１を、その先端が図９（ｂ）に示すように基礎地盤Ｇａに到達する深度まで貫入させ、その後、このケーシングパイプ２１を図９（ｃ）に示すように引き抜くことにより、内部の砂２２を排出して地盤Ｇ中に砂杭２２ａを形成するというものである。
【０００４】
なお、上記のケーシングパイプ２１の引き抜きの際に、ケーシングパイプ２１を図９（ｄ）に示すように再貫入させて、排出した砂２２をバイブロハンマーの振動により締め固めると共に拡径させるという工程を繰り返すことにより、図９（ｅ）に示すように所定の外径と圧密度を有する砂杭２２ｂを形成するということも行われていた。
【０００５】
このように従来の方法では、造成後の砂杭（２２ａまたは２２ｂ）の強度変動を最小にするため、ケーシングパイプ２１内に投入された砂２２を、空気圧で乾いたまま軟弱地盤Ｇ中に排出する所謂ドライ化施工と称される方法が用いられていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の地盤改良方法では、ケーシングパイプ内に投入された砂を空気圧で強制的に排出するようにしていたので、海底や湖底などの水面下の軟弱地盤を対象として工事を行った場合、砂の排出時に空気圧で周囲の泥が巻き上げられ、水質汚濁による環境汚染を生じるおそれがあった。
【０００７】
また、近年、良質な天然砂が得難くなっており、資源保護および廃棄物の有効利用の観点から砂に代わって鉱滓や石炭灰などの粒状材料を地盤改良に用いる要請が強まっている。しかしながらこの種の粒状材料は、一般に粒径が細かく、かつ、微細な粒子状のものが混入しているので、砂と同様に空気圧を利用して排出すると、水中に巻き上げられ、一層深刻な水質汚濁を生じるという問題点があった。さらに、このような粒状材料は、バイブロハンマーの振動で締め固まらせようとしても、なかなか十分に締め固めることができず、そればかりか、その時の振動により周囲に飛散するので、結果として水質汚濁を助長すると共に、砂杭に相当するものの質も悪いという新たな問題点が生じた。
【０００８】
さらにまた、このように空気圧やバイブロハンマーを用いた地盤改良工法や地盤改良装置は、作業に伴って大きな騒音や振動を生じるので、周辺への対策を講じる必要があると共に、作業者にとっても負担が大きいという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上述した従来の地盤改良工法や、その工法に使用される装置が有していた問題点の解決を課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明のうち、請求項１記載の発明は、軟弱な地盤中にケーシングパイプを打ち込み、該ケーシングパイプ内に粒状材料と水を投入し、粒状材料を水で飽和させた状態で、内部に空洞が形成されるように二重に構成されたケーシングパイプの先端の周囲に、互いに対向するように配置された複数の超音波発振子からケーシングパイプの中心に向かって超音波を照射することにより、ケーシングパイプ内の粒状材料を水を介して振動させ、締め固まらせると共に、この締め固められた粒状材料とケーシングパイプの内周との間の摩擦抵抗を低減し、この状態でケーシングパイプを引き抜くことにより、上記地盤中に粒状材料からなる杭状の部位を形成するようにしたことを特徴とする地盤改良工法である。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の地盤改良工法において、ケーシングパイプ先端の内部圧力が、ケーシングパイプ先端深度の地盤圧力とほぼ等しくなるように、該ケーシングパイプの内部を空気圧で補助的に加圧するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、先端蓋を備えたケーシングパイプと、このケーシングパイプを地盤中に打ち込む打設装置とを具備し、軟弱地盤中に粒状材料からなる杭状の部位を形成する地盤改良工法に使用される装置において、上記ケーシングパイプを、その先端の周壁が二重で内部に空洞が形成され、この空洞内に、ケーシングパイプ内に投入された粒状材料に振動を与えて締め固まらせるように作用する複数の超音波発振子が互いに対向するように設けられたものとしたことを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、先端蓋を備えたケーシングパイプと、このケーシングパイプを地盤中に打ち込む打設装置とを具備し、軟弱地盤中に粒状材料からなる杭状の部位を形成する地盤改良工法に使用される装置において、上記先端蓋を、先端が拡開した略円錐台形状の先端蓋ケースと、この先端蓋ケース内に上下移動可能に収納されたボール弁と、該ボール弁が接してケーシングパイプの先端内を密閉状態とする弁座部とで構成し、かつ、この先端蓋ケースを、周壁が二重で内部に空洞が形成され、この空洞内に、先端蓋ケース内に投入された粒状材料に振動を与えて締め固まらせるように作用する複数の超音波発振子が互いに対向するように設けられたものとしたことを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示した実施の形態に基づき詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る地盤改良方法に用いられる装置の先端部分を示した断面図、図２は、そのＡ−Ａ線の断面図である。この装置は、従来の砂杭形成装置と同様に、バイブロハンマーなどの打設装置（図示せず）と、この打設装置で地盤中に打ち込まれるケーシングパイプ１とを具備している。
【００１６】
ここにおいて、本発明の装置では、ケーシングパイプ１の先端（図１において下端）の周囲に空洞が形成されるように、その外側に外周壁１ｂを設けて、周壁を二重とし、形成された内部の空洞１ｃに複数の超音波発振子２を、互いに対向するように、その内側の周壁１ａに取り付けている。なお、図では、分かり易くするため、この空洞部分を誇張しているが、一般的には、空洞１ｃの間隙寸法（径方向の寸法）は、ケーシングパイプの直径が１．２ｍ程度のものに対し、１０ｃｍ内外のものである。
【００１７】
また、図示していないが、超音波発振子２が取り付けられたケーシングパイプ１の上側には、ヒンジ式やボール弁式などの従来公知の先端蓋が取り付けられている。
【００１８】
上記構成を有する本発明の装置は、従来の砂杭形成装置と同様に、まずケーシングパイプ１を、その先端からの地盤土の侵入を防止しながら、バイブロハンマーなどの図示しない打設装置を用いて所定の深度まで打ち込む。次に、このケーシングパイプ１内に従来の砂杭に相当する部位を形成するための材料を投入するものであるが、この時、本発明の地盤改良工法では、従来の砂に加え、鉱滓や石炭灰などの産業廃棄物からなる粒状材料Ｓａも有効利用できるようにしている。また、従来の工法では、乾いた砂のみを使用するドライ化方法が用いられていたが、本発明の工法では、粒状材料Ｓａを水Ｗと共に投入するウエット化方法を採用している。具体的には、図３に示すようにケーシングパイプ１内に投入した粒状材料高ＨS と、水頭ＨW と、水面上に補助的に付加した空気圧Ｐとの合計が、ケーシングパイプ１の先端深度で軟弱地盤Ｇから受ける圧力と等しくなるようにし、この状態で図示しない先端蓋を開放し、ケーシングパイプ１の先端に、水で飽和した粒状材料Ｓａを位置させるようにしている。この時、水が飽和した状態の粒状材料Ｓａは、図７あるいは図８の概念図に示したように、ルーズな状態になっている。
【００１９】
この状態で、ケーシングパイプ１の先端に設けられた超音波発振子２を作動させると、この超音波発振子２の振動は、水Ｗを介して粒状材料Ｓａに作用し、まず各粒状材料Ｓａは振動で粒子同士の接触が外れ、自由に動き得る状態となる。そして、このように自由に動き得るようになった粒状材料Ｓａは、重力の影響を受けて、図６に示すように間隙を埋める形で再配列が促され、結果として締め固められることとなる。
【００２０】
そして、このようにケーシングパイプ１内の粒状材料Ｓａに超音波を作用させた状態で、ケーシングパイプ１を引き上げると、粒状材料Ｓａは細かい振動によりケーシングパイプ１の内周との間に殆ど摩擦を生じないので、図４に示すように、容易にこのケーシングパイプ１の先端から排出される。
【００２１】
なお、この時のケーシングパイプ１の引き上げ寸法は、上述した粒状材料高ＨS より小さいこととする。
【００２２】
このようにして所定量の粒状材料Ｓａを排出した後、ケーシングパイプ１内に再度、粒状材料Ｓａと、必要に応じて水Ｗを投入し、前述した工程を繰り返すことにより、地盤Ｇ中に粒状材料Ｓａからなる杭状の部位Ｓを形成するものである。
【００２３】
なお、この杭状の部位Ｓを拡径するには、従来の砂杭造成時の拡径作業と同様に、ケーシングパイプ１を一旦、ある程度引き上げた後、バイブロハンマーなどの振動を与えて再貫入させれば良く、このことで、排出された粒状材料Ｓａは、拡径される。
【００２４】
以上のようにして本発明の地盤改良工法では、軟弱な地盤Ｇ中に粒状材料Ｓａからなる杭状の部位が形成されるものである。
【００２５】
このように本発明の地盤改良工法では、乾いた砂を用いた従来のドライ化方法のように高圧の空気だけに頼ることなく、水と超音波振動を用いたウェット化方法により、地盤Ｇ中に粒状材料Ｓａからなる杭状の部位Ｓを形成することとしたので、海底地盤などの水中の地盤改良においても周囲の砂や汚泥が、高圧の空気で吹き上げられるおそれがなく、作業に伴う周辺の環境汚濁が最低限に抑えられると共に、瞬間的な強制排気に伴う大きな騒音も発生しないものである。
【００２６】
また、鉱滓や石炭灰などの飛散し易く、かつ締め固めることが困難なものを用いて、従来の砂杭と同様の機能を有する杭状の部位Ｓを形成することができるので、他に需要の多い良質な砂の浪費が防がれると共に、処分に困っている産業廃棄物の有効利用がはかられることとなる。
【００２７】
図５は、本発明装置の他の実施形態によるケーシングパイプ１１の先端部分の断面図である。図示したように、この場合は、外部からの土砂の侵入を防止する先端蓋１２として、ボール弁式のものを用いている。このボール弁式の先端蓋１２は、本出願人が先に特許第２０９３３４５号として権利を取得したものと基本的に構成は同じであり、先端が拡開した略円錐台形状の先端蓋ケース１３と、この先端蓋ケース１３内に上下移動可能に収納されたボール弁１５と、該ボール弁１５が接してケーシングパイプ１１の先端内を密閉状態とする弁座部１４とで構成されている。
【００２８】
なお、図中符号１８は、先端の開放部分に設けられた十字リブを示す。また、１６は、ボール弁１５の脱落を防止するための支持台部を示し、この支持台部１６は、先端蓋１２の内部に略十字形に取り付けられた補強部材１７を介して中浮き状に設けられている。なお、このボール弁１５の働きについては、上記特許に対応した特公平８−１０６０号公報に詳述されているので、ここでは省略する。
【００２９】
ここにおいて、本発明では、上記先端蓋ケース１３を下方に延出させると共に、その内側に所定の間隙を有するように筒形の内周壁１３ａを設け、この二重の周壁１３ａ，１３ｂ間に形成された空洞１３ｃ内に、複数の超音波発振子２を内周壁１３ａの外側に取り付け、設けている。なお、それぞれの超音波発振子２は、適宜手段によりケーシングパイプ１１の軸線方向に沿って設けられた電源ケーブル（図示せず）を介して、外部の電源供給装置（図示せず）に接続されている。
【００３０】
上記構成を有する地盤改良装置は、前述したものと同様に、バイブロハンマーなどの打設装置で所定の深度まで打ち込まれたケーシングパイプ１１の内部に粒状材料と水を投入した後、このケーシングパイプ１１を所定の寸法だけ引き上げ、その際、地盤側からの浮力を受けて弁座部１４に接しているボール弁１５の上側の圧力を上げることにより、このボール弁１５ａを押し下げて、下方に形成された空間内に水で浸潤された粒状材料を落し込むようにしている。なお、ボール弁１５の上側の圧力の上昇は、投入された粒状材料と水の重量に、補助的に空気圧を作用させることによりなされる。
【００３１】
このようにして、先端蓋ケース１３の下半の空間内に落し込まれた粒状材料は、次にその周囲に配置された超音波発振子２が作動することにより、水を介して振動が与えられ、粒子同士の間隙が狭められるように再配列が促され、結果として、締め固められる。また、この時の振動は、先端蓋ケース１３の内周壁１３ａと粒状材料との間の摩擦を低減するように作用し、このことでケーシングパイプ１１の引き上げに伴って円柱形状に締め固められた粒状材料は、ケーシングパイプ１１から排出されるように、容易にその下方に形成された空間内に落下する。
【００３２】
その後、上記の動作を同様に繰り返せば、ケーシングパイプ１１から排出された粒状材料が締め固められて軟質地盤中に杭状の部位が形成されるものである。
【００３３】
なお、この場合も前述したものと同様に、ケーシングパイプ１１を一旦、ある程度引き上げた後、バイブロハンマーなどの振動を与えて再貫入させることにより、形成された杭状の部位を拡径させることが可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のうち、請求項１記載の地盤改良工法では、水で満たされた粒状材料に超音波を照射することにより、この粒状材料を締め固めることとしたので、空気の圧力のみで砂を排出するため、瞬間的な強制排気に伴う大きな騒音を生じた従来の工法に比し、作業時の騒音や振動が少なく、また高圧の空気が噴出しないので、周囲の泥や砂が巻き上げられるおそれがなく、作業に伴って、従来のように大規模な水質汚濁を生じるおそれがなく、環境への影響が軽減される。さらに、従来はこの種の地盤改良に用いることが困難であった鉱滓や石炭灰などの粒状物質を使用することが可能となるので、他に需要の多い良質な砂を残すことができると共に、処理の困難な産業廃棄物の有効利用がはかられるという効果もある。
【００３６】
請求項２記載の発明は、水と超音波振動を用いた請求項１記載の工法で、空気圧を補助的に用いて作業を行うこととしたので、高圧空気を用いることの弊害を生じさせることなく、ケーシングパイプ先端の内部圧力を、適性迅速に制御することが可能となり、作業能率の向上がはかられる。
【００３７】
請求項３記載の発明は、ケーシングパイプの先端の周壁を二重として内部に空洞を形成し、この空洞内に超音波振動子を設けることとしたので、従来のケーシングパイプを加工して容易に形成することができ、また、バイブロハンマーなどの打設装置は、従来のものをそのまま使用することができる。よって、従来の砂杭形成装置をコスト低廉に、この工法に使用される装置に対応させることができる。
【００３８】
請求項４記載の発明は、ケーシングパイプの先端に取り付けられる先端蓋ケースの先端が拡径した形状を利用して、その内周に空洞を設け、この空洞内に超音波振動子を取り付けることとしたので、その下端の外径は殆ど変わらず、ケーシングパイプの打ち込み作業の妨げとなるおそれはない。また、先端蓋ケースを加工するだけで、この種のボール弁式の先端蓋を備えた従来の砂杭形成装置を、本発明の工法に使用される装置に対応させることができるので、地盤側から土砂の混入の無い高品質な杭状の部位を形成することができる装置を、コスト低廉に提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の地盤改良工法に用いられる装置の実施形態による先端部分の断面図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】  本発明の地盤改良工法を説明するケーシングパイプ打ち込み状態の断面図である。
【図４】  本発明の地盤改良工法を説明する粒状材料排出状態の断面図である。
【図５】  本発明装置の他の実施形態の要部断面図である。
【図６】  粒状材料が締め固められた状態を示した概念図である。
【図７】  水で満たされた粒状材料が機械的な振動を与えられた状態を示した概念図である。
【図８】  粒状材料がルーズに締め固まった状態を示した概念図である。
【図９】  従来の方法による砂杭形成工程を示した説明図である。
【符号の説明】
１  ケーシングパイプ
１ａ  内周壁
１ｂ  外周壁
１ｃ  空洞
２  超音波発振子
１１  ケーシングパイプ
１２  先端蓋
１３  先端蓋ケース
１３ａ  内周壁
１３ｂ  外周壁
１３ｃ  空洞
１４  弁座部
１５  ボール弁
１６  支持台部
１７  補強部材
１８  十字リブ
Ｓａ  粒状材料
Ｓ  杭状の部位
Ｇ  地盤
【図１】
0003708504.tif 000002
【図２】
0003708504.tif 000003
【図３】
0003708504.tif 000004
【図４】
0003708504.tif 000005
【図５】
0003708504.tif 000006
【図６】
0003708504.tif 000007
【図７】
0003708504.tif 000008
【図８】
0003708504.tif 000009
【図９】
0003708504.tif 000010