(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に圧縮空気を導入するためのノズルが設けられたケーシングパイプと、このケーシングパイプの先端に取り付けられた先端蓋とからなり、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、上記先端蓋ケースには、その外側に周囲の土圧を測定する土圧センサーが設けられる共に、その内側に先端蓋ケース内の空気圧を測定する圧力センサーが設けられ、かつ、その内部には圧縮空気を送り込むための空気供給口が設けられていることを特徴とする砂杭形成装置。
【請求項２】
先端蓋の先端に、ケーシングパイプの貫入圧力を測定する土圧計が設けられていることを特徴とする請求項１記載の砂杭形成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軟質地盤内に地盤を改良するための砂杭を形成するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の砂杭を形成する装置としては、特許第２７９１９１４号に示されるものがあった。
【０００３】
この特許に示された砂杭造成装置は、図１５に示すように、頭部にバイブロハンマー４６を備え、上方に砂投入用ホッパー４２と圧縮空気供給管４３を取り付けた砂杭造成用中空管４１の下部に、加圧水の供給により駆動される下向きシリンダ４４と、この下向きシリンダ４４で上下方向に駆動される複数枚の砂締固め兼排出翼４５を放射状に設けたものである。４７は、下向きシリンダ４４に加圧水を供給するための加圧水供給管を示す。
【０００４】
そして、この装置を用いた砂杭形成方法は、次の通りである。
【０００５】
まず、中空管４１をバイブロハンマー４６で所定深度まで打ち込み、ホッパー４２から砂を投入すると共に、圧縮空気供給管４３より圧縮空気を吹き込む。この時、中空管４１内の空気圧は、周囲の土壌が管内に流入しない程度とし、決して管内の投入砂が管外へ排出されるような大きな空気圧としてはならない。
【０００６】
この状態でシリンダ４４内に加圧水を圧入して排出翼４５を複数回、一定速度で上下動させることにより、中空管４１内の投入砂の一部を残してほとんど排出翼４５との接触抵抗により、中空管４１の下方へ強制的に押出し排出する。このとき、中空管４１も所定長さだけ地盤から引き抜く。このことで、排出された砂は排出翼４５によって締め固められることとなる。
【０００７】
このようにして砂が軟質地盤中に排出されたら、管４１内の圧力を解き、再びホッパー４２より所定量の砂を投入し、中空管４１下端の変位に応じた土圧とバランスを保つ管内加圧とシリンダ４４の作動による砂の排出・締固めならびに中空管４１の所定長さの引き抜きを行い、以後、この操作を繰り返して砂杭を造成して行くものである。
【０００８】
なお、上記の加圧の度合は、中空管４１下端の深度に応じた土圧を予め計算しておくことにより、この土圧に基づいて決めることとしている。
【０００９】
また、この他の砂杭形成装置としては、本出願人の先願に係る特公平８−１０６０号に示されるものがある。
【００１０】
これは、図１６に示すように、内部に圧縮空気を導入するためのノズル２１が設けられたケーシングパイプ１１の先端に、所定の比重を有するボール弁１６を上下動可能に保持した円筒状の先端蓋ケース１３’を取り付け、ケーシングパイプ１１先端（図１６においては下端）の開口部分には、このボール弁１６で塞がれる弁座部１４を設けたものであり、地盤にケーシングパイプ１１を打ち込む際には、このボール弁１６が土砂の侵入を防ぐようにケーシングパイプ１１の先端を塞ぎ、砂杭形成用の砂を排出する際には、砂と圧縮空気の圧力でボール弁１６が弁座部１４から離れ、先端蓋ケース１３’との間に砂排出用の間隙が形成されるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
図１５に示した従来の砂杭形成装置は、中空管内部の先端側に、砂締固め兼排出翼を上下移動可能に設けると共に、この排出翼を駆動するための下向きシリンダを設けなくてはならず、これらは中空管内に投入される砂や中空管を嵌入させる際の圧力により破損するおそれがあると共に、砂排出の際の障害物にもなるという問題点があった。また、この装置では、下向きシリンダを作動させるための加圧水の供給装置や、その制御装置などの付帯設備を要するので、設備が大掛かりになり、その準備や作業にも余分な手間を要するという問題点があった。
【００１２】
また、この装置を用いた砂杭の形成方法では、中空管内に所定量の砂を投入すると共に、所定圧の圧縮空気を吹き込み、この状態で排出翼を上下動させることにより、砂を締め固め、所定の長さだけ中空管を引き抜くという作業を繰り返し行わなくてはならず、きわめて作業能率が悪かった。また、中空管の引き抜きに応じて、その下端の変位に応じた土圧とバランスを保つように管内の空気圧を制御することとしているが、この土圧は計算値に基づいたものであるので、実際の地盤の状況によっては、必ずしも最適な空気圧とはならず、所望の作業がなされないおそれもあった。
【００１３】
また、図１６に示した装置は、ケーシングパイプの打ち込みの際、その先端がボール弁で塞がれているので、内部に海水や粘土質土砂が侵入するおそれはないが、反面、砂を排出する際には、このボール弁が邪魔となり、その排出に時間を要するという問題点があった。
【００１４】
本発明は、上記従来の砂杭形成方法や装置が有していた問題点の解決を課題とする。
【００１５】
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、内部に圧縮空気を導入するためのノズルが設けられたケーシングパイプと、このケーシングパイプの先端に取り付けられた先端蓋とからなる砂杭形成装置において、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、この先端蓋ケースには、その外側に周囲の土圧を測定する土圧センサーを設けると共に、その内側にケーシングパイプ内の空気圧を測定する圧力センサーを設け、かつ、その内部には圧縮空気を送り込むための空気供給口を設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明の構成に、先端蓋の先端に、ケーシングパイプの貫入圧力を測定する土圧計を設けた構成を加えたことを特徴とする。
【００１９】
【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。なお、従来のものと同一機能部品には、同一符号を付している。
【００２０】
図１は、本発明の砂杭形成装置の先端部分の断面図、図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図、図３は、図１のＢ−Ｂ線における断面図、図４は、図１のＣ−Ｃ線における断面図である。この砂杭形成装置は、ケーシングパイプ１１の先端（図１においては下端）に、ボール弁式の先端蓋１２を取り付けたものであり、海底等に堆積した粘土質層等の軟弱地盤を改良する際に、この軟弱地盤内に砂杭を形成するために使用される。
【００２１】
ケーシングパイプ１１は、鉛直状態で軟弱地盤内に打設するための砂が充填される一定の内径を有する筒状のもので、その内部には、エアージェットを噴出するノズル部２１がその壁面を貫通して設けられている。このノズル部２１は、エアージェットを下方に向かって吐出するようになっている。また、このケーシングパイプ１１の先端の内周には、後述するボール弁が圧接する弁座部１４が設けられている。
【００２２】
この弁座部１４は、ケーシングパイプ１１の内周面から軸心側になるにつれて下向き傾斜した上面部１４ａと、この上面部１４ａの内周側にパイプの内周面と平行に下方に延出した内周面部１４ｂと、さらにこの内周面部１４ｂの下側に連続して順次パイプの内周側に近接したテーパー状の下面部１４ｃとを有している。つまり、この下面部１４ｃは、上方へと円弧状に突出した状態になっている。なお、この弁座部１４は、図２に示すように、その周囲に放射状に設けられた複数のリブ１４ｄで補強され、このリブ１４ｄを介してケーシングパイプ１１の内周に接して、固定されている。
【００２３】
先端蓋１２は、中空円錐台形状の先端蓋ケース１３内に、上記弁座部１４に圧接するボール弁１６を上下移動可能に収納したものである。この先端蓋ケース１３は、その内周面に内方へと延出するように、複数のリブ１５（図示した例では４つ）を突設したものであり、このリブ１５は、その上端がケーシングパイプ１１の先端（図１において下端）と接している。また、リブ１５の内端は、その上半部分がケーシングパイプ１１の内周面と上下方向に連続するような鉛直部１５ａとされ、下半部分が下側になるにつれて順次、軸心側に傾斜した二段の傾斜部１５ｂ，１５ｃとされている。
【００２４】
先端蓋ケース１３の下端外周面には、補強筒２０が嵌合されている。この補強筒２０の内方には、逆台形状の一対の補強部材１８，１８が、平面視略十字状に組み合わせた形状に設けられ、その交点から上方に突出するように、支持台部１７が設けられると共に、この支持台部１７上に上面が円弧状に湾曲した弁受部１９が設けられている。
【００２５】
ボール弁１６は、粘土質土砂（シルト）よりも小さな比重となるように、中空となっており、常時は、上記弁受部１９上に載置されており、施工時に粘土質土砂が先端蓋ケース１３内に進入すると、この粘土質土砂によって浮上し、弁座部１４に圧接することにより、ケーシングパイプ１１の下端を封鎖するようになっている。
【００２６】
ここにおいて、本発明の砂杭形成装置では、中空の略円錐台状に形成された先端蓋ケース１３の外側に、周囲の土圧を測定するための土圧センサーＳ１を設けると共に、この土圧センサーＳ１と対向した先端蓋ケース１３の内側に、その内部の圧力を測定するための圧力センサーＳ２を設けている。また、先端蓋１２の先端（図１において下端）即ち、補強部材１８の交点の下側には、ケーシングパイプ１１の打ち込みの際の貫入圧力を測定するための土圧計Ｓ３を設けている。
【００２８】
本発明の砂杭形成装置は、上記の構成を有している。
【００２９】
次に、この砂杭形成装置を用いた本発明の砂杭形成方法について、海底の軟弱地盤に砂杭を形成する場合を例に説明する。まず、図５に示すように砂杭形成装置の先端を海水中に入れると、先端蓋ケース１３内には、その下端開口から海水が浸入する。この時、ある程度、海水が浸入すると、その内部の空気圧が高くなるので、海水は弁座部１４の上側のケーシングパイプ１１内に浸入することはない。
【００３０】
そして、この状態からさらに装置を下降させると、やがて先端蓋１２が軟弱な粘土質土砂層３１に到達し、その中に貫入される。そして、このように粘土質土砂層３１に先端蓋１２が貫入されると、先端蓋ケース１３の下端開口から粘土質土砂が侵入し、この粘土質土砂よりも比重の小さいボール弁１６が、押し上げられ、図６に示すように、弁座部１４の下面部に圧接する。よって、ケーシングパイプ１１の下端が塞がれ、粘土質土砂がケーシングパイプ１１内に侵入することが防止される。
【００３１】
なお、この時、先端蓋１２の粘土質土砂層３１内への貫入量が大きくなると、ボール弁１６が受ける浮力も大きくなる。
【００３２】
このようにして、先端蓋１２が粘土質土砂層３１を通過して、図７に示すように、粘土質土砂層３１の下側の硬質土砂層３２に貫入されると、ボール弁１６は、一層大きな浮力を受け、弁座部１４に圧接するので、この状態でケーシングパイプ１１内に砂Ｓを投入する。この投入する砂Ｓの量は、砂の自重によってボール弁１６が下降しない程度とする。
【００３３】
そして、ボール弁１６が下降しないようにケーシングパイプ１１内に砂Ｓを投入すると、さらにその先端を硬質土砂層３２内に貫入させる。これにより、ボール弁１６には、さらに大きな浮力が作用するために、ケーシングパイプ１１内に砂Ｓを投入できる状態となり、ボール弁１６が下降しない程度の砂Ｓを追加投入する。このようにして、ケーシングパイプ１１内への砂Ｓの投入と、硬質土砂層３２内への貫入とを交互に繰り返しながら、図８に示すように、先端蓋１２が硬質土砂層３２の下方の所定の強度を有する地盤３３に達するまで、装置全体を貫入させる。
【００３４】
この時、本発明の砂杭形成装置では、その貫入に伴って変化する周囲の土圧に、先端蓋ケース１３内の圧力が対応するように、土圧センサーＳ１と圧力センサーＳ２の測定値を対比し、図示しない空気供給口からこの先端蓋ケース１３内に圧縮空気を送り込むようにしている。
【００３５】
そして、このようにして先端蓋１２が所定の地盤３３に到達すると、装置の全体が上方へと引き抜かれる。この時、本発明の砂杭形成装置では、先端蓋ケース１３内の圧力が周囲の土圧とほぼ等しくなるように、先端蓋ケース１３内に開口した空気供給口（図示せず）から圧縮空気が供給されているので、この引き抜きに伴って先端蓋ケース１３の下側に形成される空洞（図９の符号３４参照）内の空気圧も周囲の土圧と等しく保たれることとなる。よって、この空洞が崩れることはない。
【００３６】
また、この引き抜きに連動して、ケーシングパイプ１１内に圧縮エアーが導入されると共に、ノズル部２１からはエアージェットが噴射され、これにより、ケーシングパイプ１１内に投入された砂Ｓが下方へと加圧されて、弁座部１４に圧接していたボール弁１６が押し下げられる。よって、ケーシングパイプ１１の下端が開放され、ケーシングパイプ１１内の砂は、弁座部１４からボール弁１６と先端蓋ケース１３との間の隙間を通って、図９に矢印で示すようにその下方の空洞３４内に排出される。
【００３７】
この時、本発明の砂杭形成装置では、先端蓋ケース１３は、下端が拡開した中空の円錐台状に形成されているので、砂Ｓの排出が円滑になされる。その理由は、ボール弁１６が下降した時、その周囲と先端蓋ケース１３の内面との間に形成される砂の通過間隙が、円筒形の先端蓋ケースの場合よりも広くなり、かつ、砂Ｓと先端蓋ケース１３の内面との間で生じる摩擦が、殆どなくなるからである。
【００３８】
この摩擦がなくなる理由は、次のとおりである。
【００３９】
つまり、従来の円筒形の先端蓋ケースの場合は、図１１に示すようにその内部に高さＨほど砂Ｓを詰めると、図１２に示すように砂の重量と砂の内部摩擦角の関数として表される水平方向力Ｐが生じる。このＰは、砂とケース内壁面の摩擦によって上方にδ傾く。Ｐを壁面に対して鉛直方向と水平方向に分解すると、それぞれ壁面に鉛直に作用する力ＰＮ  と壁面に水平に作用する力ＰＬ  になる。そして壁面に鉛直に作用する力ＰＮ  に砂と壁面の摩擦によって壁面に水平方向にＰＮＦの摩擦力が上向きに発生する。一般にＰＮＦ＞ＰＬ  となり、砂が下方に移動不可能か移動に支障となる。
【００４０】
これに対して、中空の円錐台形状の先端蓋ケースの場合は、図１３に示すようにその内部に高さＨほど砂Ｓを詰めると、図１４に示すように砂の重量と砂の内部摩擦角の関数として表される水平方向力Ｐが生じ、このＰは、砂とケース内壁面の摩擦によって上方にδ傾くことは同様である。しかし、壁面が鉛直方向に対してθだけ傾くことにより、壁面に対して鉛直方向に作用する力ＰＮ  が、円筒形の場合に比し、小さくなり、反対に壁面に平行に作用する力ＰＬ  は、円筒形の場合に比し、大きくなる。そして、壁面に鉛直に作用する力ＰＮ  に砂と壁面の摩擦によって壁面に水平方向に作用する摩擦力ＰＮＦも小さくなる。壁面の傾斜角度θの大きさによってＰＮＦ＜ＰＬ  となる傾斜角度が存在し、結果として砂と壁面の摩擦力が見かけ上、ゼロとなるからである。
【００４１】
そして、このようにして、砂杭形成装置が硬質土砂層から引き抜かれることによって、ケーシングパイプ１１内に投入された砂Ｓが、先端蓋１２を通って下方へと排出され、その下側に形成された空洞３４内に砂Ｓが充填される。そして、ケーシングパイプ１１が所定の長さにわたって引き抜かれると、今度は、再びこのケーシングパイプ１１を排出した砂に貫入されるように押し下げる。この時、ボール弁１６は、図１０に示すように先端蓋ケース１３内に侵入した砂によって押し上げられ、弁座部１４に圧接してケーシングパイプ１１の下端を封鎖する。よって、土砂層に形成された空洞内に投入された砂は、先端蓋１２で加圧されて図１０に示すように拡径される。
【００４２】
この時、本発明の砂杭形成装置では、先端蓋１２の先端に取り付けられた土圧計Ｓ３でケーシングパイプ１１の貫入圧力を測定し、その貫入圧力が、土質に応じた所定の圧力となるように制御されるようになっている。よって、このケーシングパイプ１１の再貫入により押圧された砂は、所定の外径および所定の長さ、さらには所定の圧密度を有する砂杭とされるものである。
【００４３】
以下、同様の動作が繰り返されることにより、図１０に示すように硬質土砂層３２内および粘土質土砂層３１内に、所定の外径および圧密度の砂杭ＳＰが形成される。
【００４４】
以上説明したように、本発明のうち、請求項１記載の砂杭形成装置では、ボール弁式の先端蓋の外部を構成した先端蓋ケースを、先端が拡開した略円錐台形状のものとし、その外側に土圧センサーを設けると共に、その内側に圧力センサーを設け、さらにその内部に圧縮空気を送り込む空気供給口を設けているので、ケーシングパイプを地盤から引き去る際に、砂の排出が円滑になされると共に、砂が充填される空洞を崩れないように、その内部の空気圧を制御することができ、所望の砂杭が確実に形成されるという効果がある。
【００４５】
請求項２記載の発明は、先端蓋の先端にケーシングパイプの貫入圧力を測定するための土圧計を設けたので、上記請求項１記載の発明の効果に加え、ケーシングパイプの再貫入による砂杭の拡径と締固め作業が、土圧計の計測値に基づき、容易かつ正確になされるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る砂杭形成装置の実施形態の要部縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線における断面図である。
【図４】図１のＣ−Ｃ線における断面図である。
【図５】本発明の砂杭形成装置の使用状態の一工程を示す概略断面図である。
【図６】本発明の砂杭形成装置の使用状態の一工程を示す概略断面図である。
【図７】本発明の砂杭形成装置の使用状態の一工程を示す概略断面図である。
【図８】本発明の砂杭形成装置の使用状態の一工程を示す概略断面図である。
【図９】砂杭形成過程を示した断面説明図である。
【図１０】砂杭が形成された状態を示した断面図である。
【図１１】円筒形のケースに所定量の砂を入れた状態を示す簡略断面図である。
【図１２】図１１に示したもののケース内壁面に作用する応力を示した説明図である。
【図１３】中空の円錐台形状のケースに所定量の砂を入れた状態を示す簡略断面図である。
【図１４】図１３に示したもののケース内壁面に作用する応力を示した説明図である。
【図１５】砂杭形成装置の従来例を示す簡略断面図である。
【図１６】砂杭形成装置の他の従来例を示す簡略断面図である。
【符号の説明】
１１  ケーシングパイプ
１２  先端蓋
１３  先端蓋ケース
１４  弁座部
１５  リブ
１６  ボール弁
１７  支持台部
１８  補強部材
１９  弁受部
２０  補強筒
２１  ノズル部
３４  空洞
Ｓ１  土圧センサー
Ｓ２  圧力センサー
Ｓ３  土圧計
ＳＰ  砂杭
【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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【図１２】
0003584201.tif 000013
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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