JP5575589B2 - 杭打機を用いた貫入量の検出方法及び回転杭の施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、杭打機を用いた貫入量の検出方法及び回転杭の施工方法に関し、詳しくは、先端部あるいは先端部及び杭軸部に螺旋状の羽根を備えた回転杭（鋼管杭）を杭打機のオーガで回転させることにより、回転杭を地中に圧入する際の貫入量の検出方法及び検出した貫入量に基づいた回転杭の施工方法に関する。

先端部あるいは先端部及び杭軸部に螺旋状の羽根を備えた回転杭を回転させて建築物の基礎杭を地中に圧入する際には、基礎杭が支持地盤に到達したか否かを確認する必要がある。このため、回転杭を回転させるためのトルク値と回転杭の貫入量とを監視し、トルク値と貫入量との関係から基礎杭が支持地盤に到達したと判定することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００３−９６７７６号公報

杭打機のリーダに沿って昇降するオーガで回転杭を回転させて地中に圧入する場合、エンコーダを使用した深度検出器、圧力センサ又は電流検出器を使用したトルク検出器、オーガの回転パルスを検出する回転数検出器などから各データを得るとともに、各データから、深度、深度ごとのトルク値、圧入力、深度ごとの貫入量などを求めてディスプレイに表示するとともに、記録手段に記録しながら施工を行っている。

基本的に、貫入量は、回転杭の１回転当たりの掘進量とされ、あらかじめ設定した区間深度ごとに、回転杭の回転数と掘進量（深度差）とから計算して求められている。この貫入量は、基礎杭が支持地盤に到達したか否かを確認するための判定条件として用いられるとともに、施工途中において、回転トルクが回転杭の圧入に作用しているか否かの確認、周辺地盤を乱しているか否かの確認を行うための材料ともなる。

しかし、一部の地盤が硬く、オーガのトルクが上限に上昇してオーガの回転が止まってしまった場合には、オーガを逆転させて回転杭を一旦引上げた後、オーガを正転して再度掘削するようにしている。このように、オーガの正転と逆転、回転杭の圧入と引上げとを繰り返して回転杭を圧入する場合、オーガの逆転方向と正転方向との両方向で回転パルスを検出してしまうと、掘進量に対して回転数が大きくなるので、貫入量の値が実際の貫入量に比べて小さく計測されてしまう。また、回転数検出器として回転方向を区別できる２相式の検出器を使用した場合でも、同じ深度でオーガが正転方向に回転した場合にはカウントされるので、前記同様に貫入量が実際より小さく計測される。

すなわち、本来は、同じ地盤の同じ区間であれば、途中の操作が異なっていても、同じ貫入量でなければならないが、深さに関係なく回転信号を検出して貫入量を検出する方法では、途中の操作が異なると計測した貫入量が実際の貫入量と異なることがある。このようなことから、固い地盤に回転杭を施工する際に回転杭の圧入と引上げとを繰り返し行うと、正確な貫入量を検出できなくなることがある。

そこで本発明は、固い地盤に回転杭を施工する際でも正確な貫入量を検出することができる杭打機を用いた貫入量の検出方法及び及び検出した貫入量に基づいた回転杭の施工方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の杭打機を用いた貫入量の検出方法は、少なくとも先端部に螺旋状の羽根を備えた回転杭を杭打機のリーダに沿って昇降するオーガで回転させることによって地中に圧入する際に計測した前記回転杭の回転数と回転杭の深度との関係から貫入量を求めるにあたり、新たに計測した回転杭の深度が、回転杭の圧入開始から今回の深度計測時までの間の回転杭圧入中に計測された最大深度を超えて深くなっているときにのみ、回転杭の回転数を計測することを特徴としている。

さらに、本発明の貫入量の検出方法は、前記回転杭の回転数の計測を、前記オーガを操作する操作レバーの位置が回転杭の圧入方向の位置になっているときにのみ行うこと、また、回転杭圧入中の前記最大深度にあらかじめ設定した深度加算値を加えた深度を超えて深くなったときに行うことを特徴としている。

加えて、前記回転杭の最大深度更新時における前記回転数を最新回転数として記憶するとともに、該最新回転数からの回転数を補助カウンタで補助回転数として計測し、今回計測した回転杭の深度が前記最大深度を超えて深くなったときに、今回計測した深度と前記最大深度と前記補助回転数とから区間貫入量を算出し、算出した前記区間貫入量があらかじめ設定された貫入量設定値以下のときには前記最新回転数を保持するとともに前記補助回転数を初期値にリセットし、算出した区間貫入量が前記貫入量設定値を超えたときに前記補回転数を前記最新回転数に加算して新たな最新回転数を算出して記憶するとともに、前記補助回転数を初期値にリセットすることを特徴としている。

また、回転杭の施工方法は、前記杭打機を用いた貫入量の検出方法で検出した貫入量に基づいて回転杭の回転又は回転杭の押込力を制御することを特徴とし、さらに、前記杭打機を用いた貫入量の検出方法で検出した貫入量と、前記回転杭の螺旋状の羽根のピッチとが略同一になるように回転杭の回転又は回転杭の押込力を制御することを特徴としている。

本発明によれば、固い地盤に回転杭を施工する際に回転杭の圧入と引上げとを繰り返し行っても正確な貫入量を検出することができる。また、検出した貫入量に基づいて回転杭の回転を制御することにより、特に、貫入量と羽根ピッチとが同一になるように回転杭の回転又は回転杭の押込力を制御することにより、周囲の地盤への影響を最小限に抑えて効率よく回転杭を施工することができる。

本発明で使用する杭打機の一例を示す側面図である。 深度と回転数との関係を示す説明図である。 リーダの撓みを示す説明図である。 圧入を繰り返したときの回転信号のずれを示す説明図である。 深度信号と回転信号との関係を示す説明図である。 補助回転数を使用したときの深度信号と回転信号との関係の一例を示す説明図である。 補助回転数を使用したときの深度信号と回転信号との関係の他の例を示す説明図である。

まず、本発明は、杭打機を使用して先端部あるいは先端部及び杭軸部に螺旋状の羽根を備えた鋼管杭、いわゆる回転杭を地中に圧入する際の貫入量を検出する方法である。図１に示すように、先端部に螺旋羽根１０ａを有する回転杭１０を圧入する杭打機１１は、クローラを備えた下部走行体１２と、該下部走行体１２上に旋回可能に設けられた上部旋回体１３とで構成されたベースマシン１４と、上部旋回体１３の前部に設けられたフロントブラケット１５に起伏可能に設けられたリーダ１６と、該リーダ１６を後方から支持する起伏シリンダ１７と、前記リーダ１６に昇降可能に設けられたオーガドライブ１８と、該オーガドライブ１８を昇降用チェーン１９を介して昇降させる昇降用モータ２０と、上部旋回体１３の前後左右にそれぞれ設けられたジャッキ装置２１と、上部旋回体１３に設けられた運転室２２及びエンジンや油圧ユニットを収納した機器室２３とを備えている。

さらに、前記リーダ１６の上部に配置されている昇降用チェーン１９の上部従動スプロケットには、該上部従動スプロケット２４の回転状態をロータリーエンコーダで検出することによって回転杭１０の深度を計測するための深度検出器が設けられるとともに、前記オーガドライブ１８には、駆動モータの駆動力を回転杭１０に伝達する歯車の歯を検出したパルスを回転信号としてカウントすることによって回転杭１０の回転数を計測するための回転数検出器が設けられている。これらの検出器で検出した深度及び回転数は、運転室２２に設けられた制御装置にそれぞれ伝達され、深度及び回転数に基づいて貫入量が算出される。また、制御装置には、駆動モータの油圧や電流を検出することによって計測される回転トルクなどの各種データも伝達されている。

オーガドライブ１８は、運転室２２に設けられた操作レバーを正転（圧入方向）位置、逆転（引き上げ方向）位置及び停止位置に切り替えることによって作動し、操作レバーを正転位置にしてオーガドライブ１８で回転杭１０を螺旋羽根１０ａのねじ込み方向に回転させることにより、回転杭１０の圧入を行う。このとき、定常的には、昇降用モータ２０の駆動力は使用せず、螺旋羽根１０ａの回転による推進力によって回転杭１０を圧入する。一般的に、軟らかい地盤では回転杭１０の回転を速くし、固い地盤では回転杭１０の回転を遅くして掘削速度を調整する。このように螺旋羽根１０ａの回転により生じる推力で回転杭１０を圧入することにより、貫入量と螺旋羽根１０ａの羽根ピッチとが略同一になるように施工することができ、周辺の地盤に悪影響を及ぼすことなく、回転杭１０を圧入することができる。また、地盤が固くて螺旋羽根１０ａの推進力では十分に回転杭１０を圧入できないようなときには、昇降用モータ２０を作動させてオーガドライブ１８を下降させ、オーガドライブ１８による押込力を回転杭１０に加えて回転杭１０を圧入することも行われる。

回転杭１０が正常に圧入されているときには、図２（ａ）に示すように、回転杭１０の螺旋羽根１０ａのピッチ及び回転杭１０の回転数に応じて前記深度と前記回転数とが直線的に変化する。例えば、深度Ｄ１から深度Ｄ２まで掘進したときの回転数の計測（回転信号のカウント）は、点ａ０，ａ１，ａ２，ａ３での４回となる。

一方、図２（ｂ）に示すように、地盤が固くて深度Ｄ１から深度Ｄ２までの途中、深度Ｄａで操作レバーを逆転位置に切り替えて回転杭を引き上げた後、深度Ｄｂで再び操作レバーを正転位置に切り替えて回転杭の圧入を再開したときには、深度Ｄ１から深度Ｄ２まで掘進したときの回転信号のカウントは、点ｂ０〜点ｂ７での８回となる。また、図２（ｃ）に示すように、地盤が固くて深度Ｄ１から深度Ｄ２までの途中の深度Ｄｃで回転杭の圧入が一時的に停止してしまった場合、深度Ｄ１から深度Ｄ２まで掘進したときの回転信号のカウントは、点ｃ０〜点ｃ５での６回となる。

この場合、回転杭の圧入開始から今回の深度計測時までの間の回転杭圧入中に計測された最大深度、すなわち、図２（ｂ）で回転信号をカウントした点ｂ２における深度Ｄａ、図２（ｃ）で回転信号をカウントした点ｃ１における深度Ｄｃを、最大深度Ｄ０としてそれぞれ記憶しておき、回転信号をカウントするときに新たに計測した回転杭の深度Ｄと記憶した最大深度Ｄ０（各最大深度Ｄａ，Ｄｃ）とを比較し、計測した深度Ｄと各最大深度Ｄａ，Ｄｃとの関係が、Ｄ＞Ｄａ又はＤ＞Ｄｃとなっているときにのみ深度更新と判断し、回転信号をカウントするとともに最大深度を更新するように設定する。これにより、図２（ｂ）の場合に回転信号をカウントするのは、点ｂ０，点ｂ１，点ｂ２，点ｂ７の４回となり、図２（ｃ）の場合に回転信号をカウントするのは、点ｃ０，点ｃ１，点ｃ４，点ｃ５の４回となるので、図２（ａ）の場合と同じ計測回数となり、回転杭の正確な回転数を計測することができる。これにより、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれの状態でも、算出した貫入量の値を同じ値にすることができる。

また、昇降用モータ２０を作動させずに螺旋羽根１０ａのねじ込みによる推進力で回転杭１０を圧入しながら、回転杭の深度を昇降用チェーン１９の上部従動スプロケット２４に設けた深度検出器で計測する場合、操作レバーを正転位置にして回転杭を圧入しているときの昇降用チェーン１９は、オーガドライブ１８の上部側では張った状態になり、オーガドライブ１８の下部側では弛んだ状態になっている。したがって、操作レバーを正転位置から停止位置又は逆転位置に切り替えると、オーガドライブ上部側の張った状態の昇降用チェーン１９がオーガドライブ下部側の弛んだ状態の昇降用チェーン１９を引っ張る力が発生し、オーガドライブ下部側の昇降用チェーン１９がリーダ１６の後部側を通ってオーガドライブ上部側に移動する。この昇降用チェーン１９の移動方向は、深度検出器の深度を増加させる方向であるから、操作レバーを正転位置から停止位置又は逆転位置に切り替えたときに計測した深度が操作レバー切替前より深くなってしまう。

さらに、図３に示すように、螺旋羽根１０ａの推進力によってリーダ１６の前部側に位置するオーガドライブ上部側の昇降用チェーン１９がリーダ１６の上部を前方に引っ張る力として作用するため、昇降用モータ２０を作動させずに螺旋羽根１０ａの推進力で回転杭１０を圧入しているときには、リーダ１６の上部が前方に撓んだ状態になる。この場合も、操作レバーを正転位置から停止位置又は逆転位置に切り替えると、昇降用チェーンによるリーダ上部の引張力が解放されるため、リーダ１６が図３に想像線で示すように直立状態に復元する。このときの昇降用チェーン１９の移動方向も、前記同様に、深度検出器の深度を増加させる方向であるから、操作レバー切替時に深度が深く計測されることになる。

このように、操作レバーを正転位置から停止位置又は逆転位置に切り替えたときに、図２（ｂ）に破線で示すように計測した深度が前記最大深度を超えると、点ｂｘで回転信号をカウントしてしまうため、深度Ｄ１から深度Ｄ２までの回転信号のカウント数が５回となり、図２（ａ）の場合に比べて回転数が多くなり、算出した貫入量は小さな値となってしまう。

このため、操作レバーの位置を検出するためのレバー位置検出手段（図示せず）を設け、操作レバーの位置が回転杭の圧入方向の位置、即ち正転位置にあることを前記レバー位置検出手段が検出したときにのみ、前記回転信号のカウントを行うことにより、操作レバーを停止位置又は逆転位置に切り替えた後の前記点ｂｘで回転信号をカウントすることがなくなり、正確な回転数を計測することができ、正確な貫入量を求めることができる。

また、回転杭の圧入中に、圧入と引き上げとを繰り返して行うと、深度と回転数との関係が乱れることがある。通常、螺旋羽根１０ａの回転による圧入と引き上げであるから、圧入と引き上げとを繰り返しても深度と回転数との関係が乱れることはないはずであるが、オーガドライブ１８を逆転させて回転杭を引き上げた後、オーガドライブ１８を正転させて回転杭を圧入したとき、深度とオーガドライブ１８の歯車の位置とにずれが生じ、オーガドライブ１８の歯車の位置が同じでも深度が深くなっていることがある。この場合には、逆転前の正転時に計測を済ませたオーガドライブ１８の歯車の同じ歯を逆転後の正転時に再び計測してしまうため、一つの歯を二度計測することになる結果、回転数が多く計測されて算出した貫入量が小さな値となってしまう。

例えば図４において、図４（ａ）に示すように、１回目の圧入の際にオーガドライブ１８の歯車の一つの歯からのパルスＰ１で回転信号をカウントしたときに深度Ｄ０（最大深度）を計測した後、逆転させて回転杭を一旦引き上げてから２回目の圧入を行ったときに、図４（ｂ）に示すように、オーガドライブ１８の歯車の回転が僅かに遅れた場合は、パルスＰ１と同じ歯を計測したパルスＰ２のときの深度Ｄ１が前記深度Ｄ０より深いと判定すると、同じ歯からのパルスを再び回転信号としてカウントすることになり、回転信号が１パルス分、多く計測されてしまう。

このとき、あらかじめ深度加算値Ｄαを設定しておき、図４（ｃ）に示すように、２回目に圧入したときの歯からのパルスＰ３に対応する深度がＤ０＋Ｄαを超えていないときには深度更新とは判定せずにパルスＰ３を回転信号としてカウントしないように設定し、深度がＤ０＋Ｄαを超えたときに深度更新と判定して歯からのパルスを回転信号としてカウントすることにより、正確な回転数を計測することができる。深度加算値Ｄαの値は、歯車の歯を計測するタイミングや旋回羽根のピッチなどの条件に応じて設定すればよく、貫入量の算出に問題のない値を設定すればよい。

一方、僅かに逆転させただけの場合には、歯車位置と深度との関係が狂うことはほとんどなく、回転信号カウント時に計測した深度が最大深度を超えて深くなっていなければ回転信号をカウントしないので、深度加算値Ｄαを用いなくても正確な回転数を計測することができる。したがって、逆転させたときの引き上げ量を深度減算値として設定しておき、該深度減算値を最大深度Ｄ０から差し引いた深度まで回転杭を引き上げたときに前記深度加算値Ｄαを用いて回転数を計測することが好ましい。

また、深度検出器及び回転数検出器は、共にパルスを検出して深度や回転数を検出しているため、計測される深度Ｄは、深度検出器のパルス検出に応じて深度Ｄを更新するので、圧入中に計測される深度Ｄは、例えば図５に示すように階段状に変化する。通常、回転数検出器のパルス検出周期と深度検出器のパルス検出周期との関係は、回転数検出器のパルス検出周期より深度検出器のパルス検出周期を短く設定し、回転数検出器がパルスを検出したときには、深度検出器が少なくとも１回のパルスを検出して深度Ｄが更新されているようにしている。

しかし、支持層付近の固い地盤に回転杭を圧入するときには、回転数に比べて圧入速度が遅くなり、回転数検出器のパルス検出周期より深度検出器のパルス検出周期が長くなることがある。例えば図５に示すように、回転数検出器がパルスＰ２を検出したときに深度Ｄが最大深度Ｄ０から更新されていないときが発生する。このように深度更新と回転パルス検出とのタイミングが合わなくなったような場合、深度Ｄ０のパルスＰ１と深度Ｄ１のパルスＰ３の２回分しかカウントされないため、実際の回転数より少なく計測され、算出する貫入値が大きな値となってしまう。

この場合は、図６に示すように、補助回転数Ｋｎを計測する補助カウンタを設け、深度Ｄの更新状況を判定しながら回転数を計測するように設定しておく。すなわち、図６において最初に回転数検出器がパルスＰ０を検出したときは、深度Ｄ０（最大深度）に更新された直後なので、通常通りパルスＰ０が回転数Ｋ１（最新回転数）として計測されるとともに、補助カウンタによって補助回転数Ｋｎが計測されてＫｎ＝１となる。回転数検出器が２回目及び３回目にパルスＰ１，Ｐ２を検出したときは、深度が更新されずに深度Ｄ０のままなので回転数としては計測されないが、前記補助カウンタによって補助回転数Ｋｎが計測され、この場合は、パルスＰ１でＫｎ＝２、パルスＰ２でＫｎ＝３となる。

次に回転数検出器がパルスＰ３を検出したときには、深度が深度Ｄ０から深度Ｄ１に更新されているので、深度Ｄ０から深度Ｄ１までの区間貫入量を補助回転数Ｋｎを用いて計算する（（Ｄ１−Ｄ０）／Ｋｎ）。算出した区間貫入量があらかじめ設定した貫入量設定値以下の場合は、同じ深度での回転と見なして補助回転数Ｋｎを初期値の１にリセットするとともに、前回計測した回転数Ｋ１を保持する。一方、算出した区間貫入量があらかじめ設定した貫入量設定値を超えた場合は、前回計測した回転数Ｋ１に補助回転数Ｋｎを加算し、新たな回転数Ｋ２（＝Ｋ１＋Ｋｎ）を算出するとともに、補助回転数Ｋｎを１にリセットする。また、計測した深度が最大深度Ｄ０より浅かった場合や、操作レバーが逆転位置に切り替えられたときも、補助回転数Ｋｎを保持する（図７参照）。

同様に、回転数検出器が検出したパルスＰ４〜Ｐ６のときには、深度が更新されておらず、深度Ｄ１のままなので補助回転数がパルスＰ３〜Ｐ６の間に１ずつ加算されてＫｎ＝４となる。そして、パルスＰ７のときには深度Ｄ２に更新されているので、深度Ｄ１から深度Ｄ２までの区間貫入量をＫｎ＝４を用いて計算し「（Ｄ２−Ｄ１）／Ｋｎ」、算出した区間貫入量が前記貫入量設定値以下の場合は、補助回転数Ｋｎを初期値にリセットして前回計測した回転数Ｋ２を保持し、算出した区間貫入量が前記貫入量設定値を超えた場合には、回転数Ｋ２に補助回転数Ｋｎを加算して新たな回転数Ｋ３（＝Ｋ２＋Ｋｎ）を算出するとともに、補助回転数Ｋｎを初期値にリセットする。図６に示す状態の場合、深度更新のみを回転数の計測（回転信号のカウント）の条件としたときには、パルスＰ３，Ｐ７の２回になるのに対し、各区間貫入量の計算値が貫入量設定値を超えているときには、回転信号をカウント数はパルスＰ０からパルスＰ７までの８回となる。

以上説明したように、通常の回転杭の圧入操作では、深度更新の有無によって回転数を計測することにより、回転杭の正転、逆転を繰り返しても施工状態を確実に把握できるとともに、各深度ごとの貫入量を正確に検出することができ、支持層への到達を確実に判断することができる。また、操作レバーの位置を検出することにより、リーダ１６の撓みや昇降用チェーン１９の張り及び弛みにも対応することができる。さらに、あらかじめ深度更新状況を判定するための深度加算値や深度減算値を設定しておくことにより、正転、逆転を繰り返したときの回転数を更に正確に計測することができる。加えて、補助カウンタによって補助回転数を計測するようにしておくことにより、深度更新と回転数検出とのタイミングが合わなくなった場合でも回転数を確実に計測することができる。なお、使用する回転杭は、先端部のみに螺旋羽根を有するものでもよく、先端部及び杭軸部に螺旋羽根を有するものであってもよい。

そして、検出した貫入量をモニタやプリンタなどの表示手段に表示し、表示された貫入量を確認しながら杭の圧入を行い、特に、必要に応じて昇降用モータ２０を作動させて回転杭１０に押込力や引上力を追加して検出した貫入量と羽根のピッチとが略同一になるように管理することにより、周囲の地盤への影響を最小限に抑えて効率よく回転杭を施工することができる。

１０…回転杭、１０ａ…螺旋羽根、１１…杭打機、１２…下部走行体、１３…上部旋回体、１４…ベースマシン、１５…フロントブラケット、１６…リーダ、１７…起伏シリンダ、１８…オーガドライブ、１９…昇降用チェーン、２０…昇降用モータ、２１…ジャッキ装置、２２…運転室、２３…機器室、２４…上部従動スプロケット

Claims (6)

1. 少なくとも先端部に螺旋状の羽根を備えた回転杭を杭打機のリーダに沿って昇降するオーガで回転させることによって地中に圧入する際に計測した前記回転杭の回転数と回転杭の深度との関係から貫入量を求めるにあたり、新たに計測した回転杭の深度が、回転杭の圧入開始から今回の深度計測時までの間の回転杭圧入中に計測された最大深度を超えて深くなっているときにのみ、回転杭の回転数を計測することを特徴とする杭打機を用いた貫入量の検出方法。
2. 前記回転杭の回転数の計測は、前記オーガを操作する操作レバーの位置が回転杭の圧入方向の位置になっているときにのみ行うことを特徴とする請求項１記載の杭打機を用いた貫入量の検出方法。
3. 前記回転杭の回転数の計測は、回転杭圧入中の前記最大深度にあらかじめ設定した深度加算値を加えた深度を超えて深くなったときに行うことを特徴とする請求項１又は２記載の杭打機を用いた貫入量の検出方法。
4. 前記回転杭の最大深度更新時における前記回転数を最新回転数として記憶するとともに、該最新回転数からの回転数を補助カウンタで補助回転数として計測し、今回計測した回転杭の深度が前記最大深度を超えて深くなったときに、今回計測した深度と前記最大深度と前記補助回転数とから区間貫入量を算出し、算出した前記区間貫入量があらかじめ設定された貫入量設定値以下のときには前記最新回転数を保持するとともに前記補助回転数を初期値にリセットし、算出した区間貫入量が前記貫入量設定値を超えたときに前記補回転数を前記最新回転数に加算して新たな最新回転数を算出して記憶するとともに、前記補助回転数を初期値にリセットすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の杭打機を用いた貫入量の検出方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の杭打機を用いた貫入量の検出方法で検出した貫入量に基づいて回転杭の回転又は回転杭の押込力を制御することを特徴とする回転杭の施工方法。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項記載の杭打機を用いた貫入量の検出方法で検出した貫入量と、前記回転杭の螺旋状の羽根のピッチとが略同一になるように回転杭の回転又は回転杭の押込力を制御することを特徴とする回転杭の施工方法。

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