(57)【要約】【課題】コンクリート杭の肉厚内に流体供給管を設けた特殊な杭を用いることなく、地上に排出する排土量をほぼ零にする。【解決手段】杭１００の下端にフリクションカッタ１１０及び杭の下端開口を塞ぐカッタ刃物円板６０を備えておき、一方、杭の中空孔内に円板６０と係合する係合部と、螺旋羽根４１と、杭とは別の回転及び推力を付与する駆動部３０とを備えたオーガドリル４０を挿入しておき、軟質地盤では杭１００とオーガドリル４０を一体に回転させて杭を地中に進入させ、硬質地盤では、オーガドリル４０を先行させて杭下端より下方の地盤掘削を行いその土砂だけを杭１００内に進入させ、杭内に圧密させる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート杭を地中に沈設するに当たり、杭の下端外周にフリクションカッタを備えると共に杭の下端面を塞ぐ大きさでカッタ刃物を下面に装着した円板を備えておき、杭の中空孔内にオーガドリルを挿入し、該オーガドリルは前記円板を貫通して下端に掘削刃を備え、前記円板と係合する係合部を備え、杭内の下端近傍に長さ数ｍの螺旋羽根を備え、掘削刃近傍に開口する流体通路を軸内に内蔵し、かつ杭とは別の回転及び推力を付与可能としておき、軟質地盤では杭とオーガドリルを一体に回転させながら杭を地中に進入させ、硬質地盤では、オーガドリルに杭とは別の回転及び推力を付加して杭下端より下方の地盤掘削を行いつつ杭を地中に進入させることを特徴とする杭の沈設方法。
【請求項２】
高圧水、泥水及び圧縮空気のうち１又は複数を前記流体通路を経由して杭下端掘削部に噴出させることを特徴とする請求項１記載の杭の沈設方法。
【請求項３】
前記杭下端が支持層に到達した後、セメントミルクを前記流体通路を経由して支持層に加圧注入しながら杭をさらに沈下させ、杭下端近傍を支持層及び杭周囲の地盤と一体化させることを特徴とする請求項１又は２記載の杭の沈設方法。
【請求項４】
コンクリート杭を回転沈下させる杭施工機と、該杭施工機とは別に杭内のオーガドリルに回転力及び推力を付与するオーガ駆動部とを備えたことを特徴とする杭の沈設装置。
【請求項５】
杭下端面を塞ぐ大きさの円板カッタを備え、該円板カッタと係合する係合部をオーガドリルの先端近傍に設け、該係合部はオーガドリルを逆回転させると係合解除する結合構造であることを特徴とする請求項４記載の杭の沈設装置。
【請求項６】
オーガドリル軸に、オーガドリルの先端に設けた噴射ノズルに連通する流体通路を内蔵したことを特徴とする請求項４又は５記載の杭の沈設装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直径３００〜１０００ｍｍ程度のコンクリート杭を地中に沈設する方法及びその装置に関し、さらに詳しくは、排出する排土量をほぼ零にするようにした技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンクリート基礎杭を地中に沈設する場合、杭の中空孔内にスパイラルオーガを挿入し、杭下端部の地層をスパイラルオーガで掘削し、排土しながら杭を沈下させることが、従来、通常行われている技術である。
【０００３】
この場合、スパイラルオーガで、杭の中空孔内の掘削土をすべて排出し、排出後に杭の中空孔を通ってセメントミルクを杭底に供給し、支持層と杭下端とを一体化する。このような従来の杭の沈設方法では、スパイラルオーガによって掘削する土砂をすべて地上に排出処理していた。近年、このような土木工事における排土等の廃棄処理場が枯渇し、排土の排出処理が問題となり、また、処理費用も高騰しつつある。
【０００４】
上記問題点を解決し、杭の沈設を容易にすると共に、掘削に伴う排土の量を極力削減し、排土処理費用の高騰を防止する技術開発が行われている。
【０００５】
例えば、まず、沈設すべきコンクリート杭の外径と一致する径のオーガドリルを用いて、杭の埋設深度まで地中を掘進し、オーガを逆転して掘削土を地上に排出しないようにオーガドリルを引上げ、一方、杭軸方向に貫通する注入孔を肉厚内に設けたコンクリート杭の下端に掘削用羽根を取付けておき、注入孔から圧力水又は泥水及び圧縮空気を注入しながらコンクリート杭をオーガ掘進跡に回転沈下させる技術がある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
この技術では、コンクリート杭として肉厚内を杭軸方向に貫通する注入孔を備えた杭を用い、注入孔の上端に流体供給管を連結し、注入孔を通って杭の下端に、圧縮空気、圧力水、泥水又はセメントミルクを供給する。
【０００７】
この技術では、杭の沈下によって排除される土砂は、泥土状となって杭の中空孔に進入し杭内を上昇してくるが、排除される土砂の大部分は杭の中空孔内に留まって圧密され、その一部のみが杭の上端から溢出する。従って、排土量が著しく減少し、排土処理費用が激減する。なお、泥土の一部は杭の外周面と地層との間に進入し、滑材の作用をなすので杭の沈下が容易になる。
【０００８】
また、プレストレストコンクリート杭の縦緊張材として中空ＰＣ鋼棒を用い、杭下端に掘削羽根を取付け、流体供給管に圧縮空気及び圧力水を供給して中空ＰＣ鋼棒内を通って杭下端から噴射させ、杭に回転力を付与して杭を地中に沈下させ、杭下端が支持層に到達後、セメントミルクを圧入しながら杭をさらに回転沈下させ、杭先端と支持層地盤と一体化させる技術がある（例えば、特許文献２参照。）。この技術は、プレストレストコンクリート杭の縦緊張材として中空ＰＣ鋼棒を用いる。
【０００９】
これらの従来技術では、杭の頭部に杭に回転力を与えるキャップを取付け、流体供給管から圧縮空気及び圧力水を供給して杭下端から噴射しつつ、杭に回転力を付与して杭を地中に沈下させる。圧縮空気及び圧力水は、杭下端の地層を柔弱化し、杭を回転させると掘削羽根は杭のコンクリート肉厚壁部分に相当する地層を攪拌し、杭の沈下を容易にする。
【００１０】
杭の沈下によって排除される土砂は、泥土状となって杭の中空孔に進入し、大部分は杭の中空部内に留まり、その一部が杭の上端から溢出する。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１９４７３２号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−９７６３９号公報（第２−４頁、図１）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術のようなコンクリート杭の肉厚内に流体供給管を設けた特殊な杭を用いることなく、これらの技術よりもさらに排土量を少なくした、杭の沈設方法及び装置を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コンクリート杭を地中に沈設するに当たり、杭の下端外周にフリクションカッタを備えると共に杭の下端面を塞ぐ大きさでカッタ刃物を下面に装着した円板を備えておき、杭の中空孔内にオーガドリルを挿入し、該オーガドリルは前記円板を貫通して下端に掘削刃を備え、前記円板と係合する係合部を備え、杭内の下端近傍に長さ数ｍの螺旋羽根を備え、掘削刃近傍に開口する流体通路を軸内に内蔵し、かつ杭とは別の回転及び推力を付与可能としておき、軟質地盤では杭とオーガドリルを一体に回転させながら杭を地中に進入させ、硬質地盤では、オーガドリルに杭とは別の回転及び推力を付加して杭下端より下方の地盤掘削を行いつつ杭を地中に進入させることを特徴とする杭の沈設方法である。
【００１４】
本発明は、地上に排出する排土量を殆ど零とした杭の沈設方法を達成するものである。通常の軟質地盤では、杭先端に設けたカッタ刃物付き円板とフリクションカッタにより、地中を掘削しつつ地盤を圧密し、フリクションカッタにより杭周囲に隙間を設けて杭の沈下を容易にし、また、場合に応じて、高圧水、泥水及び圧縮空気のうち１又は複数をオーガドリルの軸に設けた流体通路を通って下端掘削部に噴出させて沈設を容易化させつつ杭を沈下させる。従って、排出土は全く生じない。
【００１５】
硬質地盤では、オーガドリルを先行させて掘削し、掘削泥土は杭中に進入させる。この泥土は、量が多ければ杭の上端から溢出するが、硬地盤でのみ穿孔掘削し、軟地盤では泥土を杭内に進入させないから、通常は、溢出する量は殆どない。従って、排土量を殆ど零か又は最小限に留めることが出来る。
【００１６】
本発明においても、従来と同様に、杭下端が支持層に到達した後、セメントミルクを支持層に加圧注入しながら杭をさらに沈下させ、杭下端近傍を支持層及び杭周囲の地盤と一体化させ、杭を固定する。この場合、流体通路はオーガドリルの軸内に設けられているから、杭の肉厚内に貫通孔を設けた杭を使用する必要はない。
【００１７】
上記本発明方法を好適に実施をすることが出来る本発明の装置は、コンクリート杭を回転沈下させる杭施工機と、該杭施工機とは別に杭内のオーガドリルに回転力及び推力を付与するオーガ駆動部とを備えたことを特徴とする杭の沈設装置である。
【００１８】
この装置では、杭下端面を塞ぐ大きさの円板カッタを備え、該円板カッタと係合する係合部をオーガドリルの先端近傍に設け、該係合部はオーガドリルを逆回転させると係合解除する結合構造とした。この円板カッタは、杭を回転沈下させる工程では掘削に寄与すると共に、杭下端の蓋として作用し、排土を杭の中空孔内に進入させない。オーガドリルを杭下端より下方に先行させて地盤を掘削する場合は、この円板カッタはオーガドリルと共に掘削に寄与すると共に、杭の下端面から離脱して杭の中空孔を開口させ、杭の中空孔内に泥土を誘導する。従って、掘削能力拡大に貢献し、杭の沈下を容易にする。
【００１９】
誘導された泥土は圧密されながら杭内のオーガドリルの螺旋羽根により杭の中空孔内を上昇する。螺旋羽根は長さ数ｍとし、中空孔内に進入した泥土を圧密し、積極的に排土する作用を減殺している。
【００２０】
杭を支持層に設定した後は、円板カッタはオーガドリルから離脱させて杭先端部地中に残置する。
【００２１】
また、オーガドリル軸に、オーガドリルの先端に設けた噴射ノズルに連通する流体通路を内蔵した。この噴射ノズルは、泥水、高圧水、圧縮空気、セメントミルクなどの噴出口として活用することが出来る。
【００２２】
【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。
【００２３】
図１は本発明方法の実施工程を示す杭の沈設装置１を示すものである。この沈設装置１はコンクリート杭１００を回転沈下させる杭施工機１０と、コンクリート杭１００内に挿入したオーガドリル４０に回転力を与える旋回駆動部３１とオーガドリル４０を下方に押す推力を付与するジャッキ３２とからなるオーガ駆動部３０を、吊り下げ装置１１に取り付けている。杭施工機１０は、コンクリート杭１００の頭部に取付装置２０を介して結合される。
【００２４】
コンクリート杭１００は、下端部にフリクションカッタ１１０を装着している。フリクションカッタ１１０は、杭の下端部外周に、外周から垂下するように取り付けられた複数枚の円弧板状のカッタであって、杭を回転させると、杭の下端より下方の地盤中に杭の外径より少し大きいリング状の空所を形成し、杭の外周に隙間を生ずるので、杭と地盤との摩擦をなくし、杭の沈下を容易にさせるカッタである。
【００２５】
また、コンクリート杭１００の下端の開口を塞ぐ円板６０を備え、この円板６０は下面に掘削刃物６１を装着している。この円板６０は杭１００に取り付けられているのではなく、後述のようにオーガドリル軸に係合している。
【００２６】
コンクリート杭１００の中空孔内に挿入されているオーガドリル４０は、頂部をオーガドリル駆動部３０に結合され、下端に掘削刃物５０を備える。また、先端近傍に軸に直角に突出する突出腕４２、４３を備え、この突出腕４２が円板６０に係着する。オーガドリル４０が正回転の時、円板６０がオーガ軸と一体になって回転する。このとき円板６０は、突出腕４２を介してオーガドリル４０の軸方向推力を受けると共に、突出腕４３を介して回転力を受け、地盤の切削に寄与する。オーガドリル４０を逆回転すると、突出腕４３が円板６０とオーガドリル４０との係合が解除され、円板６０は地中に残置される。
【００２７】
杭下端面を塞ぐ大きさの円板６０を取付け、この円板６０はオーガドリルを逆回転させてオーガドリル軸から離脱する結合機構を備えている。
【００２８】
オーガドリル４０は、螺旋羽根４１を装着している。この螺旋羽根４１は、オーガドリルの先端側のコンクリート杭中空部内に長さ数ｍ、例えば５ｍ程度取り付けられている。
【００２９】
また、オーガドリル４０は軸が二重管構造となっており、流体通路を形成している。そして、オーガドリル４０の先端の掘削刃物５０の近傍に、噴射ノズル５１を備えている。
【００３０】
本発明方法は、軟質地盤では杭１００とオーガドリル４０を一体に軸周りに回転させながら杭１００を地中に進入させ、硬質地盤では、オーガドリル４０に杭１００とは別の回転及び推力を付加して杭下端より下方の地盤掘削を行って杭１００を進入させる。
【００３１】
軟質地盤では、円板６０が杭底の開口を塞いでおり、杭と一体となって掘削沈下するので排土を生じない。硬質地盤の場合にのみ円板６０が杭の下端から杭内に排土を導入する。従って、全体として排土は著しく減少し、地上に排出する量は殆ど零となる。
【００３２】
上記杭施工機１０とコンクリート杭１００の頭部とを結合する取付装置２０について図２を参照して説明する。図２では、杭駆動装置１０の下部フランジ１２と取付装置２０の上部フランジ２５とを離して示しているが、実際は結合されている。取付装置２０は、短管２１の下部に係止部材２３を備えている。コンクリート杭１００の頂部スリーブ１０７に係止角棒１０８を溶接にて取付け、この係止角棒１０８に係止部材２３を係止させる。係止部材２３は、入り組んだ切欠２２を備え、切欠２２は係止角棒１０８を係止し、駆動装置１０が正回転するとき係止角棒１０８を介して回転トルクを杭１００に伝達し、逆方向に回転すると、杭１００との係止を解除する形状となっている。短管２１に設けられている窓２４は杭１００内を上昇してきた排土が杭内に収納しきれなくなった場合に溢出させる排出口である。
【００３３】
図３は円板６０を説明する説明図で、杭１００の下方から見た図である。円板６０は、杭１００の下端の中空孔開口を塞ぐ円板であって、底面に刃物６１を装着している。中心に、オーガドリルの軸４４が通る孔６２が設けられており、この孔６２の周囲に、点対称に一対の切欠６３が設けられている。オーガドリルの軸４４から突出した腕４３はこの切欠６３を通って円板６０の下側に位置し、その位置で回動し、刃物６１の背面に当接している。オーガドリルの軸４４から突出したもう一つの腕４２は、切欠６３を通らない大きさに形成されており、円板６０の上面に当接し、オーガドリル４０が円板６０を押下げるとき作用する。オーガドリル４０が正回転するとき、円板６０をオーガドリル４０と一体に回転させ、切削を行う。オーガドリル４０が逆回転すると、腕４３は切欠６３を通って上方に抜け出すことができ、円板６０とオーガドリル４０の係合が解除される。
【００３４】
オーガドリル４０の軸４４は二重管となっており、同時に２種類の流体を杭先端地中に供給することができる。例えば、二重管が形成する通路のうち、外側を圧縮空気の通路、内側を圧力水、泥水又はセメントミルクの通路とすればよい。
【００３５】
本発明の杭の沈下工程は次の通りである。
【００３６】
掘削地盤が軟弱地盤の場合は、カッタ刃物円板６０が杭１００の先端部を開口を塞いだ状態で、杭１００とオーガドリル４０とカッタ刃物円板６０を一体に回転させ、杭１００を地盤中に沈下させる。このとき、オーガドリル４０の先端刃物５０、円板６０の切削刃物６１が杭１００と共に回転して地盤を掘削し、杭１００のフリクションカッタ１１０が杭１００の周縁を案内するリング状の空洞を形成するので、杭１００は掘削地盤を圧密しながら沈下する。
【００３７】
この沈下のときに、オーガドリル４０の先端部から圧縮空気及び圧力水を供給し、これを杭１００下端から噴射しながら杭１００に回転力を付与して杭を地中に沈下させると好適である。圧縮空気の圧力は０．７ＭＰａ（７ｋｇｆ／ｃｍ２）以上、圧力水の圧力は１０ＭＰａ（１００ｋｇｆ／ｃｍ２）以上とするとよい。
【００３８】
施工地盤が軟質地盤の場合は、円板６０が杭下端の開口を閉塞した状態で杭を沈設するので、排土を生ずることはなく、地盤を圧密状態とすることができ、杭の支持力機構上有利となる。
【００３９】
杭１００の下端が硬質地盤に到達して杭１００の沈設が至難となってきた状態で、オーガドリル４０にオーガ駆動部３０から杭１００とは別に、図４に示すように、推力１０２及び回転１０３を与え、掘削用カッタ刃物円板６０を杭１００の下端から離反させて下方に先行させ、オーガドリル４０の切削先端刃物５０、円板６０の下面の切削刃物６１を杭の下端から先行させて地盤の掘削を行う。このとき、高圧水や圧縮空気の噴出１０４を行う。そして掘削土をオーガドリル４０の先行掘削部から杭１００の中空孔内に矢印１０５で示すように導入し、オーガドリル４０の螺旋羽根４１によって上方に押し上げながら、杭１００を沈設させる。杭中空部に掘削土が堆積することになる。
【００４０】
硬質地盤においては、カッタ刃物円板６０を杭１００の下端から離反させ地盤の掘削を先行させ、スパイラルオーガ４０によって掘削土砂を上方に押し上げることができるので、硬質地盤においても、杭１００の沈設が円滑である。
【００４１】
泥状化した排出土は杭１００の中空孔内を上昇するが、大部分は杭１００内に留まり、余剰の分のみ杭１００の頭部から溢出して排出する。従って、スパイラルオーガを杭の中空部に挿入して杭の中空部の全断面を掘削し排土をすべて杭外に排出する従来の技術と比較して、排土量は著しく減少する。また杭１００の外面を上昇する泥状化した排土や圧縮空気は、杭と地層との摩擦を低減し、杭の沈下を容易にする。なお、掘削抵抗が大きい場合には、高圧水に加え圧縮空気を同時に噴出させながら、掘削を行う。
【００４２】
図５は、再び軟質地盤に到達したとき、オーガドリル４０の推力を解除し、独自の回転を止め、杭１００と一体化させて杭１００の回転１０１による沈下を進める工程を示している。
【００４３】
図６は別の実施例の杭１００の下端部の詳細を示す縦断面図で、軟弱地盤中で杭を沈下させている状態を示し、図７はその底面図である。また、図８は図６の実施例の硬質地盤中における沈下工程を示す図である。図９は、図８の円板６０の上面図である。図６、図８ではオーガドリル４０の二重管及び噴射ノズル５１、５２及びその噴射５３、５４を詳細に示している。
【００４４】
また、オーガドリル４０の軸から突出している腕４５は、図１で示した２個の腕４２、４３に代わり１個となっており、円板６０にハウジング６６を設け、ハウジング６６内にストッパ６７を設け、円板６０の下面とハウジング６６の底面が、腕４５の上下の移動を規制するようになっている。円板６０とオーガドリル４０との結合方式は、図１の方式でも図６の方式でもよく、またその他の形式でもよく、この形式は問わない。要はオーガドリル４０の正回転のとき、オーガドリル４０と円板６０とが一体に作動し、オーガドリル４０の逆回転のとき両者の係合が容易に解除されさえすればよい。図９において、腕４５が円板６０の切欠６５を通って係着する機構は、図３に示した腕４３と切欠６３の関係と同様である。
【００４５】
前述の従来工法においては、杭中空部を通して掘削土砂を上方に搬送する手段を採用しているので、地盤状況によって掘削土が地上に排出される場合があったが、本発明方法ではオーガドリルの上下によって杭先端部を自由に開閉させ、沈下が困難な硬質地盤の時だけ排土を杭内に誘導するようにコントロールすることができるので、地上への土砂の排出量をなくするか、又は著しく減少させることができる。
【００４６】
また、従来工法では、杭製造時において杭壁厚中にパイプ又は穴あきＰＣ鋼棒を埋込んで置く必要があり、杭は特別受注生産によらなければならなかったが、本発明方法ではこれを必要とせず、既存杭を使用することができる。
【００４７】
杭の沈設能率は、従来工法の杭に回転を与えて摩擦力を低減する手段に加えて、杭先端地盤をカッタ刃物円板を用いて掘削することを併用しているので、従来よりも掘削効率が向上する。
【００４８】
杭下端が支持層に到達したら、圧縮空気と圧力水の供給を止め、流体通路を通って根固め液としてセメントミルクを注入しながら杭を回転沈下させる。セメントミルクの濃度は水セメント比で概ね６０％程度が好適である。このときセメントミルクは杭下端の支持層を固化させると共に、杭の外周部の隙間内も上昇して支持層と杭との一体化に寄与する。
【００４９】
支持層中に杭先端を埋設後、カッタ刃物円板６０を杭先端部に当接させ、杭１００の先端部を閉塞した状態とし、杭に回転を与えながら二重管構造のオーガドリルの心管から根固め液を１００ｋｇ／ｃｍ２以上の高圧で噴射し、杭下方の地盤及びフリクションカッタ間を通して、杭外周面にセメントミルクを充填させる。
【００５０】
根固め液及び杭周固定液には、膨張材を添加したセメントミルクを使用することによって、根固めを強固にし、杭周面摩擦力度を向上させることができる。
【００５１】
根固め液及び杭周固定液の注入が完了すると、支持層地盤と杭先端が一体化したセメントミルク硬化体が形成され、支持力を発現させる。オーガドリルを逆回転させて、カッタ刃物円板６０からオーガドリル４０を抜き取り、逆回転の状態でオーガドリルを完全に引抜く。そして杭上端の治具を取り外し、杭施工を完了する。
【００５２】
本発明は、従来工法と比べ、根固め液及び杭周固定液のセメントミルク注入は、杭先端部を閉塞した状態で可能であり、注入効率が高い。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、肉厚内に流体供給管を設けた特殊なコンクリート杭を用いることなく、地上への排土量を殆ど零にした、杭の沈設方法を実現することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の装置の説明図である。
【図２】実施例の部分図である。
【図３】円板の説明図である。
【図４】沈下工程の説明図である。
【図５】沈下工程の説明図である。
【図６】別の実施例の杭下端部の縦断面図である。
【図７】図６の底面図である。
【図８】図６の実施例の沈下工程の縦断面図である。
【図９】円板の上面図である。
【符号の説明】
１    杭の沈設装置
１０    杭施工機
１０    杭駆動装置
１１    吊り下げ装置
１２    下部フランジ
２０    取付装置
２１    短管
２２    切欠
２３    係止部材
２４    窓
２５    上部フランジ
３０    オーガ駆動部
３１    旋回駆動部
３２    ジャッキ
４０    オーガドリル
４１    螺旋羽根
４２、４３    腕
４４    オーガドリルの軸
４５    腕
５０    掘削刃物
５１、５２    噴射ノズル
５３、５４    噴射
６０    円板
６１    切削刃物
６２    孔
６３    切欠
６５    切欠
６６    ハウジング
６７    ストッパ
１００    コンクリート杭
１０１    回転
１０２    推力
１０３    回転
１０５    矢印
１０７    頂部スリーブ
１０８    係止角棒
１１０    フリクションカッタ
【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】
2004239014.tif 000009
【図８】
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【図９】
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