【実施例1】
【0038】
以下、本発明の実施例1を図面に基づき説明する。
図1において、10は、軟弱地盤で、この地盤10に固化改良体25を構築しようとする例を示している。
この地盤10に、ベースマシーン11を据え付け、リーダー12をステー13で支持して垂直に固定し、このリーダー12に、上部支持部26と中間振れ止め部19と基部振れ止め部18で1軸式の回転軸14を保持する。この回転軸14の下端部には、掘削刃15が設けられ、この掘削刃15の上に、複数段の撹拌翼16が取り付けられる。また、前記回転軸14の上端部には、この回転軸14を地盤10に貫入し、引き抜くために正回転と逆回転を与える駆動部17が設けられている。また、前記回転軸14の上端部には、セメントスラリーと圧縮空気を送るためのスラリー注入管20とエアー注入管21が結合されている。このスラリー注入管20とエアー注入管21から送られたセメントスラリーと圧縮空気は、掘削刃先端吐出口15及び/又は撹拌翼16の翼内のセメントスラリー吐出口23から地盤の攪拌時に土中に噴射される。また、攪拌軸を二重菅とした場合、セメントスラリー吐出口23と、別途にエアー噴出口24から吐出することが出来る。
【0039】
前記回転軸14の上端部から下端部まで本発明特有に構成した内圧緩和翼22が設けられる。この内圧緩和翼22を採用するに至ったのは、前記撹拌翼16を大口径(たとえば、φ1,600mm)にすることにより施工効率を上げ、より経済的に優れた深層混合処理工法を提供しようとしたことにある。
本特許出願人は、攪拌翼の直径、攪拌時に噴射する圧縮空気の有無、流動添加剤の有無、回転軸の周りの付着土をほぐす内圧緩和翼の有無のパラメータを種々変化させて実験を繰り返したところ、適正な形状の内圧緩和翼を使用することで、大口径の攪拌翼を使用しても貫入抵抗を大幅に減少させることを知見した。
【0040】
前記内圧緩和翼22は、
図2(a)に示すように、基本的には、幅a、長さbの形状をなし、回転軸14の外周に、各段の間隔Lをもって取り付けられる。これらa、b、Lの寸法は、次のような特性を有することが望まれる。
(1)内圧緩和翼22は、回転軸14の回転時に、この回転軸14の外周部に地盤10との間で発生する内圧を緩和する作用をすること。
(2)回転軸14の回転トルクを弱め、発生する周面付着力を小さくし、上方に圧力を発散させること。
(3)セメントスラリーに圧縮空気を混合して使用する場合には、余剰の圧縮空気を地盤10の中に滞留させずに上方に抜く作用があること。
(4)セメントスラリーに流動添加剤を使用した場合には、攪拌土壌をより練り混ぜやすくすること。
(5)内圧緩和翼22の枚数が多すぎたり、各段の間隔が狭すぎたりして攪拌した地盤10が上方に排土してしまうのを避けること。
(6)造成中は、深度に応じて地中応力やスラリー内圧などにより、回転軸14の先端の撹拌翼16で攪拌されても、撹拌翼16が通過すると回転軸14の周辺部の内圧の発生を瞬時に抑えられること。
(7)内圧緩和翼22は、回転軸14の貫入時と引抜時の造成中において地盤10が内圧緩和翼22の回転による外力を受け、地盤10の中にせん断応力が生じて、その中でせん断抵抗を超える箇所にせん断破壊が生じる。破壊する面は、すべり面といわれ、せん断応力に抵抗する最大のせん断抵抗が生じ破壊に至る。
すべり面の破壊パターンは、粘土の場合と砂の場合とで異なる。
粘土の場合、内圧緩和翼22の長さbと地盤10が破壊される影響範囲xは、
図3(a)のように、押し方向、引き方向ともに次式となる。
x=b・tan45°
したがって、L=a+2bとなる。
砂の場合、内圧緩和翼22の長さbと地盤10が破壊される影響範囲xは、
図3(b)のように、次式となる。+は押し方向、−は引き方向である。
x=b・tan(45°±φ/2) (φ=30°)
したがって、L=a+2.3bとなる。
(8)内圧緩和翼22の幅aは、小さすぎるとせん断破壊がほとんど生ぜず、大きすぎると抵抗が大きくなり、大口径の攪拌翼を使用する目的が達成できなくなる。これらを満足する幅aは、
図2(a)において、回転軸14が1回転したときに、内圧緩和翼22の外周端の一点A0が幅aだけ移動したA1に達する寸法以上とすることが望ましい。
(9)内圧緩和翼22の長さbは、長すぎると抵抗が大きくなり、トルクも増大し、部材として回転軸14への取り付け補強も大きくなり、さらに、通過する中間振れ止め部19の内径も大きくなり振れ止め効果がなくなる。また、短すぎるとせん断破壊の生じる部分が小さすぎ、内圧緩和の効果が小さくなる。このことから、D/4≦b≦D/2が望ましい。Dは、回転軸14の直径である。
【0041】
以上のような種々の条件を満足する幅a、長さb、各段の間隔Lは、次のように設定される。
(ア)内圧緩和翼22の幅aの設定
前記(8)に基づき、幅aは、回転軸14が1回転したときに、内圧緩和翼22の外周端の一点A0が幅aだけ移動したA1に達する寸法以上とするために、
a≧β/α
の式で設定する。βは、単位時間当たりの貫入速度で、一般的には、50〜150cm/分で、αは、単位時間当たりの回転数で、一般的には、16〜20回/分である。例えば、β=100、α=20とすると、a=5cm以上と設定される。
(イ)内圧緩和翼22の突出する長さbの設定
前記(9)に基づき、次の式で設定する。
D/4≦b≦D/2
回転軸14の直径は、一般的に26.7cm又は31.6cmであるが、26.7cmとすると、6.7≦b≦13.4となり、b≧6.7cmとなる。
(ウ)内圧緩和翼22の取り付け間隔Lの設定
前記(7)に基づくと、Lは、粘土の場合の方が、砂の場合よりも狭くなる。しかし、地盤10はすべての地層が粘土であったり、砂であったりすることが少ないので、いずれにも適用するためには、狭い方のL=a+2bを採用することが望ましい。例えばa=15cm、b=10cmの場合には、L≦a+2b=15+20=35cmとなる。
【0042】
このようにして設定された内圧緩和翼22で地盤10を攪拌すると、粘土の場合は、
図3(a)のように斜線で囲まれた地盤10が破壊される。回転軸14は、図中の矢印の方向に貫入するから、回転軸14の外周が確実にほぐされて内圧が緩和される。なお、
図3(a)においては、内圧緩和翼22が、回転軸14の外周に180度の間隔で取り付けられているため、回転軸14の外周の略同一箇所が2重にほぐされる。したがって、左右のいずれか1個の内圧緩和翼22だけであっても所期の目的は達成できる。
【0043】
また、
図3(b)に示すように、地盤10が砂の場合は、斜線で示された破壊範囲が粘土の場合よりも広いので、一部重なり合って破壊される。この例でも、内圧緩和翼22が、回転軸14の外周に180度の間隔で取り付けられているため、回転軸14の外周の略同一箇所が2重にほぐされる。したがって、左右のいずれか1個の内圧緩和翼22だけであっても所期の目的は達成できるが、粘着力により内圧が回復する場合があるので対の2個の方が望ましい。
【0044】
以上のように構成された本発明の内圧緩和翼及びこの内圧緩和翼を用いた深層混合処理装置による実証試験結果を説明する。
実証試験は、
図5に示すような従来の仕様(1)と、本発明の3種類の仕様(2)(3)(4)の4種類の仕様で行われた。
この
図5において、「径mm」は、回転する撹拌翼16の直径で、断面形状、段数は、共通とする。「圧縮空気」は、セメントスラリーと合流する圧縮空気が有は〇、無は×とし、「内圧緩和翼」は、
図2(a)に示した内圧緩和翼22が有は〇、無は×とし、「流動添加剤」は、アルカリ金属炭酸塩、無機塩化物、高分子系分散剤で構成されるセメントスラリーに添加する流動添加剤で、有は〇、無は×とする。
地盤10は、地盤の層は、
図6(a)(b)に示すように、深度0〜5mがN値8の埋土、深度5〜10mがN値20の砂質土、深度10〜15mがN値13の砂質土、深度15〜17mがN値4の粘性土、深度17〜20mがN値3の粘性土とした。
また、駆動部17は、同一規格のモーターを使用し、その電流値を測定した。
【0045】
以上のような条件で貫入の試験をしたところ、
図6(a)に示すような結果が得られた。
従来の回転軸(1)(径1,000mm、圧縮空気×、内圧緩和翼×、流動添加剤×)では、深度0〜5mで130〜230A、深度5〜10mで180〜300A、深度10〜15mで地盤10〜180A、深度15〜20mで120Aであった。
本発明の回転軸(2)(径1,600mm、圧縮空気×、内圧緩和翼〇、流動添加剤×)では、深度0〜5mで100〜150A、深度5〜10mで30〜130A、深度10〜15mで30〜110A、深度15〜20mで120〜130Aであった。
本発明の回転軸(3)(径1,600mm、圧縮空気〇、内圧緩和翼〇、流動添加剤〇)では、深度0〜20mで20〜30Aであった。
本発明の回転軸(4)(径1,600mm、圧縮空気〇、内圧緩和翼〇、流動添加剤×、事前削孔あり)では、深度0〜5mで30〜100A、深度5〜10mで100A、深度10〜15mで100〜120A、深度15〜20mで120〜130Aであった。
以上のように、回転軸14に適正な寸法の内圧緩和翼22を設けることで、大口径になっても逆に貫入時の攪拌抵抗値が大幅に減少することが判明した。
【0046】
次に引抜時は、
図6(b)に示すような結果が得られた。
従来の回転軸(1)は、深度20mでの引抜開始時は、170Aと高いが、深度20〜12m程度までは、粘性土地盤のため100〜70Aにすぐに低下し、深度12〜9m程度まで70〜200Aまでは砂地盤のため上昇し、深度9〜0m程度まで200〜50Aまで略直線的に低下する。
本発明の回転軸(2)は、引抜開始の深度20〜15m程度までは、150〜220Aの間を上下動し、深度15〜10mまで150Aを推移し、深度9mの砂地盤で220Aまで上昇するが、以後内圧が0に減少する深度0mまでに50Aに直線的に低下する。
本発明の回転軸(3)は、深度20mでの引抜開始時は、220Aと高いが、流動添加剤の効果ですぐに70Aまで低下し、以後内圧が0に減少する深度0mまで60〜70Aを推移する。
本発明の回転軸(4)は、深度20〜10m程度までは、150〜220Aの間の上下動を繰り返し、深度10m以後深度0mまでに50Aに直線的に低下する。
以上のように、回転軸14に適正な寸法の内圧緩和翼22を設けることで、貫入時ほどではないが、従来の小さな径と本発明の大口径で引抜時の攪拌抵抗値に大きな変化がないことが判明した。
【0047】
内圧緩和翼22の配置は、
図2(a)の場合に限られず、
図2(b)又は
図2(c)のように取り付けてもよい。
すなわち、
図2(b)では、内圧緩和翼22は、中心角120度の間隔で、かつ、順次Lの間隔で螺旋状に多段に配置したものであり、また、
図2(c)は、回転軸14の中心線に対して所定の角度θをもって配置した例を示している。この角度θは、回転軸14の貫入角度であってもよいし、それ以外でもよい。さらに、内圧緩和翼22の幅aは、単位時間当たりの貫入速度βが大きく、単位時間当たりの回転数αが少ないときには、β/αの数値に応じて広くしてもよい。
【0048】
図1の実施例では、回転軸14が1軸式の場合を説明したが、
図4(a)(b)に示すように、径φの撹拌翼16を取り付けた2本の回転軸14を間隔xをもって配置した2軸式としてもよい。2軸の回転軸14は、上中下段が基部振れ止め部18で位置保持のために連結されている。
【0049】
前記実施例における撹拌翼16は、従来は、板状翼を断面が45度に傾斜して回転軸14に取り付けていたが、
図7(b)に示すように両側面を傾斜した台形とし、底面を水平にして回転軸14に取り付けたものとすることができる。
これは回転軸14を回転するための回転駆動部17に大きな抵抗がかからないようにするためである。
砂地盤における従来の撹拌翼を取り付けた回転軸14と本発明の台形翼を取り付けた回転軸14による実証試験の結果、
図7(a)に示すような特性結果が得られた。
従来の45度の傾斜板の回転軸14(1)で、φ=1,000mmのときは、貫入時の最大貫入力は、400N・mで、引抜時の最大貫入力は、−700N・mであった。
本発明の台形翼を取り付けた回転軸14(2)で、φ=1200mmのときは、貫入時の最大貫入力は、500N・mで、引抜時の最大貫入力は、−400N・mであった。
本発明の台形翼を取り付けた回転軸14(3)で、φ=1,300mmのときは、貫入時の最大貫入力は、600N・mで、引抜時の最大貫入力は、−600N・mであった。
本発明の台形を取り付けた回転軸14(4)で、φ=1,500mmのときは、貫入時の最大貫入力は、750N・mで、引抜時の最大貫入力は、−750N・mであった。
以上の結果から貫入時は、従来のφ=1,000mmと本発明のφ=1,200mmが略等しく、引抜時は、従来のφ=1,000mmと本発明のφ=1,500mmが略等しいということが分かった。
【0050】
本発明の回転軸14は、
図7(b)に示す台形の場合に限られず、
図7(c)に示すような半円形でも、また、
図7(d)に示す半楕円形であっても同様の効果が得られる。
以上のように、本発明は、内圧緩和翼を取り付ける効果に加えて、攪拌翼を断面台形等とすることで、さらに貫入時と引抜時の抵抗の減少効果を得ることができる。
【0051】
本発明は、セメントスラリーの流動性を高め、混合直後の土壌を流動化させる流動添加剤を混入して噴射するものとすることができる。
図7に示すように、撹拌翼16の翼幅が小さいと攪拌混合の乱れが生じ難く、混合効率に問題が生じやすいため流動性のある流動添加剤を使用しその弊害をなくすことができる。深層混合処理改良体の良好な品質を確保するために、混合処理機の1分間当たりの貫入・引き抜き速度、攪拌羽根の段数、及び回転数などは、ある一定の基準値を満たす施工を行ってきたが、流動添加剤を使用することにより基準値を下げても同様の改良体の品質が確保され、施工効率の大幅なアップが見込まれ、施工コストを下げることが出来るなど経済的な施工が行える。
【0052】
本発明は、セメントスラリーに圧縮空気を混入して噴射することができる。
硬質砂質地盤の貫入に対してセメントスラリーに圧縮空気を混合し、地盤の塑性破壊を起こして処理機の貫入引抜を補助し、また、粘性土層の引き抜き時に対しても圧縮空気により付着抵抗を減らす。セメントスラリーと共に地盤に供給される圧縮空気は、回転軸の外周部に配備された内圧緩和翼によってほぐされた地盤を伝って回転軸周辺より地表面に伝達される。圧縮空気は、造成中において地盤中又は周辺土壌中に留まることがなく、地表面に排出させるため、改良体に悪影響を及ぼさない。
内圧緩和翼は、回転軸に25cm〜50cmピッチで取り付けられており、回転軸の回転に伴って発生するほぐされた地盤を伝って速やかに地表に排出される。その場合にも、まだ固まらない混合物の流動性が必要となり流動添加剤を使用することによる効果がさらに増す。