(57)【要約】【課題】削孔時に得られる様々なデータを用いた定量的な地盤判定方法を新たに提供する。【解決手段】本発明の地盤判定方法は、削孔用ビットを用いた削孔を、削孔時の給進力及び前記削孔用ビットの回転数を一定に保持して実行する第１の削孔工程と、前記第１の削孔工程における、削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度及び前記削孔用ビットの深度を取得する取得工程と、前記取得工程により得られる前記削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度に基づいて得られる指標により地盤を評価する評価工程と、を有する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
削孔用ビットを用いた削孔を、削孔時の給進力及び前記削孔用ビットの回転数を一定に保持して実行する第１の削孔工程と、
前記第１の削孔工程における、前記削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度及び前記削孔用ビットの深度を取得する取得工程と、
前記取得工程により得られる前記削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度に基づいて得られる指標により地盤を評価する評価工程と、
を有することを特徴とする地盤判定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の地盤判定方法において、
前記指標は、前記削孔時における回転エネルギーの値であり、
前記回転エネルギーは、地盤判定用の係数をα、削孔時の前記削孔用ビットにおける底面積をＡ、前記削孔用ビットの回転数をＮ、前記削孔用ビットに掛かる回転トルクをＴ、前記削孔用ビットにおける削孔速度をＢとしたときに、以下の（１）式
回転エネルギー＝α・（２π・Ｎ・Ｔ）／（Ａ・Ｂ）・・・（１）
で表されることを特徴とする地盤判定方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の地盤判定方法において、
前記評価工程は、前記指標が大きく変動したことを受けて前記削孔が地中の支持層まで到達したと判定する
ことを特徴とする地盤判定方法。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の地盤判定方法において、
前記削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度、前記削孔用ビットの深度及び前記指標のうち、少なくとも前記指標を表示する表示工程を有する
ことを特徴とする地盤判定方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の地盤判定方法において、
地中の支持層の深度を推定する推定工程と、
前記地中の支持層付近の深度まで削孔を行う第２の削孔工程と、
を有し、
前記第１の削孔工程は、前記第２の削孔工程に引き続いて実行される
ことを特徴とする地盤判定方法。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の地盤判定方法において、
前記削孔は、小口径鋼管杭工法を用いて実行される
ことを特徴とする地盤判定方法。
【請求項７】
地中の支持層に到達するまで削孔を行う削孔装置において、
前記削孔を行う削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度及び前記削孔用ビットの深度を取得する取得部と、
前記取得部により得られる前記削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度に基づいて得られる指標により地盤を評価する評価部と、
を有することを特徴とする削孔装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤の補強工事の際に確実に根入れできているか否かを判定する地盤判定方法及び削孔装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤の補強工事は、先端駆動式の削孔システムによる削孔作業を地中の支持層に到達するまで実行した後、セメントミルク又はセメントモルタル等のグラウト材が加圧注入される（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。一般的に、上述した削孔作業では、削孔時に排出される排土スライムの成分や既存の柱状図を見合わせて地中の支持層まで到達した（根入れできている）か否かを判定している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許２５９２０７９号公報
【特許文献２】特許５６９５３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、地盤の補強工事における根入れ管理の厳格化が求められる。したがって、従来使用していた排土スライムの状態、既存の柱状図の他、削孔時の速度（削孔速度）を参照した定性的な地盤判定方法ではなく、削孔時に得られる様々なデータ（数値）を用いた定量的な地盤判定方法を新たに開発する必要がある。
【０００５】
本発明は、削孔時に得られる様々なデータを用いた定量的な地盤判定方法及び削孔装置を新たに提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決するために、本発明の地盤判定方法は、削孔用ビットを用いた削孔を、削孔時の給進力及び前記削孔用ビットの回転数を一定に保持して実行する第１の削孔工程と、前記第１の削孔工程における、削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度及び前記削孔用ビットの深度を取得する取得工程と、前記取得工程により得られる前記削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度に基づいて得られる指標により地盤を評価する評価工程と、を有することを特徴とする。
【０００７】
また、前記指標は、前記削孔時における回転エネルギーの値であり、前記回転エネルギーは、地盤判定用の係数をα、削孔時の前記削孔用ビットにおける底面積をＡ、前記削孔用ビットの回転数をＮ、前記削孔用ビットに掛かる回転トルクをＴ、前記削孔用ビットにおける削孔速度をＢとしたときに、以下の（１）式
回転エネルギー＝α・（２π・Ｎ・Ｔ）／（Ａ・Ｂ）・・・（１）
で表されることを特徴とする。
【０００８】
また、前記評価工程は、前記指標が大きく変動したことを受けて前記削孔が地中の支持層に到達したと判定することを特徴とする。
【０００９】
また、前記削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度、前記削孔用ビットの深度及び前記指標のうち、少なくとも前記指標を表示する表示工程を有することを特徴とする。
【００１０】
また、地中の支持層の深度を推定する推定工程と、前記地中の支持層付近の深度まで削孔を行う第２の削孔工程と、を有し、前記第１の削孔工程は、前記第２の削孔工程に引き続いて実行されることを特徴とする。
【００１１】
前記削孔は、小口径鋼管杭工法を用いて実行されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の削孔装置は、地中の支持層に到達するまで削孔を行う削孔装置において、前記削孔を行う削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度及び前記削孔用ビットの深度を取得する取得部と、前記取得部により得られる前記削孔用ビットの回転数、前記削孔用ビットに掛かる回転トルク、前記削孔用ビットにおける削孔速度に基づいて得られる指標により地盤を評価する評価部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、削孔時に得られる様々なデータを用いた定量的な地盤判定方法を新たに提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】小口径鋼管杭工法で用いる削孔装置の一例を示す側面図である。
【図２】模擬地盤の形状を示す斜視図である。
【図３】軟岩地盤を模擬地盤とした場合の削孔試験で得られる、削孔速度、給進力、回転トルク、回転数、回転エネルギーの変動を示すグラフである。
【図４】中硬岩地盤を模擬地盤とした場合の削孔試験で得られる、削孔速度、給進力、回転トルク、回転数、回転エネルギーの変動を示すグラフである。
【図５】削孔試験によって得られるデータの相関をまとめた表である。
【図６】（ａ）軟岩地盤を用いた削孔試験で得られる各種データの平均値、標準偏差、変動係数をまとめた表、（ｂ）中硬岩地盤を用いた削孔試験で得られる各種データの平均値、標準偏差、変動係数をまとめた表である。
【図７】回転トルク、回転エネルギー及び動力の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について図面を用いて説明する。図１に示すように、削孔装置１０は、一例としてダウンザホールハンマを用いた乾式二重管方式を用いて削孔を行う装置である。削孔装置１０は、走行台車１１、回転リングスライドベース１２、ガイドセル１３、ドリフタ１４、セントライザ１５を有する。本実施形態では、走行台車１１として装軌車両型の走行台車の一例を挙げているが、装輪車両型の走行台車であってもよい。符号１６，１７は、施工時に走行台車１１の姿勢を安定させるアウトリガーである。
【００１６】
回転リングスライドベース１２は、走行台車１１に支持された支持ロッド２１及び油圧シリンダ２２が軸支される基体部２５と、基体部２５に対して回転自在な回転リング部２６とを有する。基体部２５は、走行台車１１に支持された支持ロッド２１及び油圧シリンダ２２に軸支され、油圧シリンダ２２の伸縮や、油圧シリンダ２３の伸縮による支持ロッド２１の回動により傾動される。
【００１７】
回転リング部２６は、油圧シリンダ２７の駆動により基体部２５に対して回転する。回転リング部２６は、ガイドセル１３の上端部に連結される油圧シリンダ２８を有する。油圧シリンダ２８は、回転リング部２６に対するガイドセル１３の相対位置を変動させる。一例として、油圧シリンダ２８は、地上面に対して直立した状態のガイドセル１３を上下方向にスライドさせ、回転リング部２６に対するガイドセル１３の相対位置を変動させる。
【００１８】
ガイドセル１３は、ドリフタ１４を長手方向にスライド可能に支持する。図示は省略するが、ガイドセル１３は、ドリフタ１４をガイドセル１３の長手方向に沿ってスライドさせるスライド機構（図示省略）を有する。なお、スライド機構としては、チェーン、スプロケット及びモータなどから構成された機構が挙げられる。
【００１９】
ドリフタ１４は、例えば油圧モータで回転駆動されるシャンクロッドと、油圧又は空気圧により駆動され、シャンクロッドの上端を打撃するハンマー（図示省略）とを有する。ドリフタ１４は、シャンクロッドに連結されたインナーロッドに回転を与え、また打設する鋼管に対して打撃力を与える。なお、インナーロッドの先端には、削孔用ビットが装着される。
【００２０】
セントライザ１５は、ガイドセル１３の下端部に固定される。セントライザ１５は、打設される鋼管や、鋼管のねじ継ぎ手や削孔用ビットに連結されるインナーロッドのねじ継ぎ手を把持する。
【００２１】
削孔装置１０は、施工管理装置３０を有する。施工管理装置３０は、計測制御部３１と、操作盤３２とを有する。計測制御部３１は、削孔装置１０のドリフタ１４に設けたロータリーエンコーダ、圧力センサ、電流交換機、電磁流量計、傾斜センサ、深度センサなどの各種センサと接続され、削孔装置１０を用いた削孔作業時に各種センサからの検出信号を受信する。計測制御部３１は、各種センサから得られた検出信号を演算処理して計測データを生成し、図示を省略した記憶装置に記憶する。なお、施工時の計測データは、計測制御部３１に設けた記憶装置に記憶される他、施工管理装置３０に接続されたデータ管理装置に送信される。また、計測制御部３１は、計測データを用いた表示を操作盤３２に指示する。
【００２２】
操作盤３２は、一例として、タッチパネルを有する表示装置である。操作盤３２は、施工時の計測データを項目毎に一括表示する、又は必要な項目のみの計測データをグラフ表示する。操作盤３２における表示の切り替えは、操作盤３に設けたタッチパネルへの入力操作により実施される。
【００２３】
次に、地盤判定方法を確立するために、地上面側から模擬地盤４０、土地の地盤（以下、現地地盤）の順となるように、模擬地盤４０を現地地盤に設置し、上述した削孔装置１０を用いた小口径鋼管杭工法により削孔試験を行った。
【００２４】
図２に示すように、削孔試験に用いた模擬地盤４０は、幅Ｗ＝１．５ｍ、奥行きＤ＝１．０ｍ、高さＨ＝１．５ｍのブロック状の地盤である。なお、模擬地盤４０は、地盤が軟岩である場合を模した模擬地盤（以下、軟岩地盤）と、地盤が中硬岩である場合を模した模擬地盤（以下、中硬岩地盤）との２つの模擬地盤とを作成した。軟岩地盤の強度は１８Ｎ／ｍｍ２に設定し、中硬岩地盤の強度は４０Ｎ／ｍｍ２に設定した。なお、現地地盤は、地盤の硬さを示す指標であるＮ値が例えば５程度の地盤である。削孔試験では、模擬地盤４０の上面の４カ所に削孔を各々行っている。図２では、削孔される箇所を二点鎖線で示し、各箇所に対して符号４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄを付している。また、削孔試験では、直径１６５．２ｍｍ、長さ１．０ｍの鋼管杭１本、直径１６５．２ｍｍ、長さ０．７５ｍの鋼管杭３本を使用し、最大３．２５ｍ（図１中符号Ｈｍａｘ）の深さまで削孔を行った。また、上記削孔試験は、削孔用ビットの回転数や給進力を一定値を保持した。詳細には、削孔用ビットの回転数は２０ｒｐｍ、給進力は２ｋＮである。
【００２５】
図３は、軟岩地盤を模擬地盤とした場合の削孔試験で得られる、削孔速度、給進力、回転トルク、回転数、回転エネルギーの変動を示すグラフである。上述したように、削孔試験では、削孔用ビットの回転数や給進力は一定値に保持していることから、削孔用ビットの回転数や給進力の変動は小さい。なお、削孔用ビットの回転数や給進力の変動が大きい箇所は、地盤に対する削孔用ビットの滑りや噛み込みなどの影響を受けていると考えられる。また、削孔速度、回転トルク及び回転エネルギーは、地盤に対する削孔用ビットの滑りや噛み込みなどの影響を受けて変動する。
【００２６】
そして、削孔用ビットが軟岩地盤と現地地盤との境界に到達し、軟岩地盤の削孔から現地地盤の削孔に移行すると（削孔作業における深度が１５００ｍｍを超えると）、給進力や削孔用ビットの回転数は、軟岩地盤を削孔作業したときに得られる値とほぼ同一の値で推移する。一方で、削孔速度は、軟岩地盤の硬さと現地地盤の硬さの違いから上昇し、回転トルク及び回転エネルギーは減少する。
【００２７】
図４は、中硬岩地盤を模擬地盤とした場合の削孔試験で得られる、削孔速度、給進力、回転トルク、回転数、回転エネルギーの変動を示すグラフである。中硬岩地盤を用いた削孔試験の場合も、軟岩地盤を用いた削孔試験と同様に、削孔用ビットの回転数や給進力は一定値に保持していることから、削孔用ビットの回転数や給進力の変動は小さい。なお、削孔用ビットの回転数や給進力の変動が大きい箇所は、地盤に対する削孔用ビットの滑りや噛み込みなどの影響を受けていると考えられる。また、削孔速度、回転トルク及び回転エネルギーは、地盤に対する削孔用ビットの滑りや噛み込みなどの影響を受けて変動する。なお、中硬岩地盤は、軟岩地盤よりも硬いので、削孔速度、回転トルクは、軟岩地盤を用いた削孔試験で得られる値よりも小さい値となる。また、中硬岩地盤を用いた削孔試験は、軟岩地盤を用いた削孔試験よりも、地盤に対する削孔用ビットの滑りや噛み込みなどの影響を受けやすいため、削孔用ビットの回転数、給進力、削孔速度、回転トルク及び回転エネルギーの変動が大きくなると考えられる。
【００２８】
そして、削孔用ビットが中硬岩地盤と現地地盤との境界に到達し、中硬岩地盤の削孔から現地地盤の削孔に移行すると（削孔作業における深度が１５００ｍｍを超えると）、給進力や削孔用ビットの回転数は、中硬岩地盤を削孔作業したときに得られる値とほぼ同一の値で推移する。一方で、削孔速度は、中硬岩地盤の硬さと現地地盤の硬さの違いから上昇し、回転トルク及び回転エネルギーは減少する。
【００２９】
なお、上述した回転エネルギーは、地盤判定用の係数をα、回転数をＮ、回転トルクをＴ、削孔底面積をＡ、削孔速度をＢとした場合、以下の（１）式で算出される。
【００３０】
回転エネルギー＝α・（２π・Ｎ・Ｔ）／（Ａ・Ｂ）・・・（１）
【００３１】
また、動力（仕事率）は、以下の（２）式で算出される。
【００３２】
動力（仕事率）＝（２・π・Ｔ・Ｎ）／６０・・・（２）
【００３３】
図５は、削孔試験によって得られるデータの相関をまとめた表である。図５に示す表は、削孔速度、給進力、回転トルク、回転数の４つのデータのうち、２つのデータを例えば最小二乗法などを用いた相関により得られる相関関数を示す。また、軟岩１は、図２に示す模擬地盤４０の符号４０ａの箇所で上記削孔試験を行った場合を示し、軟岩２は、図２に示す模擬地盤４０の符号４０ｂの箇所で上記削孔試験を行った場合を示す。軟岩３は、図２に示す模擬地盤４０の符号４０ｃで示す位置で上記削孔試験を行った場合を示し、軟岩４は、図２に示す模擬地盤４０の符号４０ｄで示す位置で上記削孔試験を行った場合を示す。また、中硬岩１は、図２に示す模擬地盤４０の符号４０ａの箇所で上記削孔試験を行った場合を示し、中硬岩２は、図２に示す模擬地盤４０の符号４０ｂの箇所で上記削孔試験を行った場合を示す。中硬岩３は、図２に示す模擬地盤４０の符号４０ｃで示す位置で上記削孔試験を行った場合を示し、中硬岩４は、図２に示す模擬地盤４０の符号４０ｄで示す位置で上記削孔試験を行った場合を示す。
【００３４】
図５において、２つのデータを用いた相関において、相関係数が０．７以上であるときに２つのデータに相関があると判断した場合、軟岩地盤、中硬岩地盤の各地盤において、回転数と回転トルクとの２つのデータに相関があると判断できる。
【００３５】
図６（ａ）は、軟岩地盤を用いた削孔試験で得られる各種データの平均値、標準偏差、変動係数をまとめた表である。また、図６（ｂ）は、中硬岩地盤を用いた削孔試験で得られる各種データの平均値、標準偏差、変動係数をまとめた表である。なお、これら値を求める際に用いたデータ数（サンプル数）は、軟岩地盤を用いた削孔試験で１８２４、中硬岩地盤を用いた削孔試験で２１４３である。なお、軟岩地盤及び中硬岩地盤の各地盤におけるサンプル数が異なるのは、得られたデータのうち、例えば給進力が２ｋＮに近似するデータのみを使用しているからである。
【００３６】
ここで、図６に示す推進エネルギーは以下の（３）式で求められる。
【００３７】
推進エネルギー＝β×（給進力／削孔断面積）・・・（３）
【００３８】
なお、（３）式で示す記号βは、推進係数である。
【００３９】
上述したように削孔試験では、給進力及び削孔ビットの回転数を一定としていることから、給進力、回転数、及び推進エネルギーの変動係数は、模擬地盤が軟岩地盤であっても、中硬岩地盤であっても小さい値となる。一方、削孔速度、回転トルク、回転エネルギー及び動力の変動係数は、模擬地盤が軟岩地盤であっても、中硬岩地盤であっても変動係数が高い。
【００４０】
最後に、回転トルク、回転エネルギー及び動力の関係について図７を用いて説明する。図７において、記号「■」は回転トルク、記号「●」は回転エネルギー、記号「▲」は動力を示す。なお、回転トルクの値は左縦軸で示し、回転トルクの単位はｋＮｍである。また、回転エネルギーの値は右縦軸で示し、回転エネルギーの単位はｋＮ／ｃｍ２（＝ｋＮｃｍ／ｃｍ３）である。さらに、動力の値は右縦軸で示し、動力の単位はｋｗである。なお、回転エネルギーと動力とは単位が異なるが、数値範囲が近似していることから、図７では、回転エネルギーと動力との値を右縦軸にまとめて表している。
【００４１】
図７に示すように、動力は、模擬地盤が軟岩地盤であっても中硬岩地盤であっても、変動係数は小さく、各模擬地盤の硬度の違いに対する変動が小さい。その一方で、回転エネルギーは、模擬地盤の各々における変動係数は大きく、また、各模擬地盤の硬度の違いに対する変動も大きい。また、回転トルクは、模擬地盤の各々における変動係数は小さい一方で、各模擬地盤の硬度の違いに対する変動は大きい。しかしながら、地盤によっては削孔用ビットが滑って、トルクがかからない状態になることもあり、この場合は、削孔速度を考慮する必要がある。したがって、変動係数が大きいが、模擬地盤の硬度の違いに対する変動が大きく表れる回転エネルギーを用いた定量的な地盤判定方法により、対象地盤の硬軟を判定することができる。
【００４２】
その結果、本実施形態では、上記削孔試験を行うことで、地盤補強工事において、各種データから演算される回転エネルギーの推移を観察しながら削孔作業を行い、回転エネルギーが大幅に変動する（地中の支持層の硬さは地上付近の地盤の硬さよりも硬いので、実際には、地中の支持層に到達すると回転エネルギーは上昇する）か否かにより、地中の支持層に到達したか否か（根入れできたか否か）を判定する方法を見いだした。
【００４３】
したがって、図１に示す削孔装置１０を用いて、本実施形態の地盤判定方法を用いた地盤補強工事を施工することが可能となる。詳細には、図１に示す削孔装置１０を用いて削孔及び鋼管の打設作業を行う際に、施工管理装置３０の計測制御部３１は、取得された検出信号を演算処理して計測データを算出し、これら算出した計測データを操作盤３２の表示部に表示する。また、施工管理装置３０の計測制御部３１は、操作盤３２の表示部に表示される回転エネルギーと深度とから、削孔及び鋼管の打設作業が地中の支持層に到達した否かを判定（評価）する。この判定は、回転エネルギーが大幅に変動したか否かの判定である。そして、施工管理装置３０の計測制御部３１が地中の支持層に到達したと判定したときに、施工管理装置３０の計測制御部３１は、操作盤３２の表示部に、その旨の表示を行う。上記判定を行う際には、施工管理装置３０の計測制御部３１は、地中の支持層に到達したときの回転エネルギーの変動量を予め閾値として記憶する。施工管理装置３０が閾値を記憶する場合、施工管理装置３０の計測制御部３１は、閾値を用いて削孔作業が地中の支持層に到達した否かを自動的に判定（評価）できる。なお、上記判定を、施工管理者が行ってもよい。
【００４４】
上記地盤補強工事の際には、既存の柱状図等から地中の支持層までの深さ（深度）が予測（算出）されている場合もある。このような場合には、地中の支持層付近まで削孔用ビットの回転数及び給進力を一定とせずに削孔作業を行い、目的の深度まで削孔及び鋼管の打設作業が行われた後、削孔用ビットの回転数及び給進力を一定にして削孔及び鋼管の打設作業を行うこともできる。
【００４５】
本実施形態では、回転エネルギーを用いた定量的な地盤判定にて、対象地盤の硬軟を判定しているが、回転エネルギーと推進エネルギーとを加算した値（以下、加算値）によって、対象地盤の硬軟を判定することも可能である。例えば、給進力を一定として削孔作業を行う場合には、推進エネルギーの値は、ほぼ一定の値となる。その結果、加算値の変動分は、推進エネルギーの変動ではなく、回転エネルギーの変動であると考えられる。したがって、この場合も、本実施形態と同様にして、対象地盤の硬軟を判定することができる。
【００４６】
本実施形態では、地盤補強工法として、小口径鋼管杭工法を例に挙げているが、地中の支持層に到達するまで削孔作業を行った後に合成杭を生成する工法であれば、本発明を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４７】
１０…削孔装置、３０…施工管理装置、３１…計測制御部、３２…操作盤、４０…模擬地盤
【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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