Ｎ値検出方法およびＮ値検出装置並びに杭穴掘削装置
【課題】 現在主流となっている油圧モーターを駆動源とする杭穴掘削装置について、地盤の掘削作業時にリアルタイムに正確なＮ値を検出することができないという問題がある。また、地盤中の岩などの掘削不能な障害物に当ると掘削バケットの方向が曲げられ、その結果杭穴が斜めに形成されるという問題がある。
【解決手段】 地盤を掘削する掘削バケットの駆動源である油圧モーターの入力圧力値と油圧モーターの回転周期の値とから掘削している地盤のＮ値を検出する。また、掘削作業中にＮ値をリアルタイムに監視することにより、地盤中の障害物や硬い地層などを検知し、杭穴が斜めに形成されることを防ぐ。
【解決手段】 地盤を掘削する掘削バケットの駆動源である油圧モーターの入力圧力値と油圧モーターの回転周期の値とから掘削している地盤のＮ値を検出する。また、掘削作業中にＮ値をリアルタイムに監視することにより、地盤中の障害物や硬い地層などを検知し、杭穴が斜めに形成されることを防ぐ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、現場にて造成杭用あるいは既成杭用の杭穴を掘削する作業において、杭穴を掘削する際に有用なＮ値検出方法およびＮ値検出装置並びにＮ値検出手段を備えた杭穴掘削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤に杭穴を掘削し、この杭穴に杭を立設する方法として、現場で杭を造成する方法とすでに杭の形状に形成されている杭を杭穴に立設する方法とがある。
【０００３】
現場造成杭は、掘削装置を用いて杭穴を掘削し、この杭穴に鉄筋およびトレミー管を挿入した上からコンクリートを打つことにより杭を形成する。一方、既成杭は、形成済みの杭を掘削した穴に打ち込む方法あるいは先端部をねじ加工されている杭を地盤にねじ込む方法により、杭を設置する方法である。いずれの方法であっても地盤に杭用の穴を掘削する必要がある。
【０００４】
杭穴は、予めボーリング調査により把握した地盤の状況から、Ｎ値が所定の値以上の硬さの地層を杭穴の支持層と定め、少なくともこの支持層に至までの深さの杭穴を掘削する必要がある。そのために、杭穴の深度の情報とともに、掘削した位置の地層のＮ値を把握する必要がある。
【０００５】
また、造成杭を形成するための杭穴は正しく鉛直に形成する必要があり、この杭穴が鉛直線から傾いて形成されてしまうと再度掘削をやり直さなければならず、多大な費用が発生するという不具合がある。
【０００６】
杭穴が傾いて形成される原因は、掘削バケットが地盤中に岩などの掘削不能な障害物に当り曲がることや、地盤中の固い地層が傾斜していることにより次第に掘削バケットが曲がることによる場合が多い。掘削作業中に掘削している地盤のＮ値およびＮ値の変化をリアルタイムで知ることができれば、杭穴が傾いて形成される不具合の発生を予知することが可能となり、杭穴の掘削作業において有用である。また、リアルタイムで把握したＮ値と予め実施されたボーリング調査の結果とを比較しながら杭穴の掘削作業を進めることは、正確な杭穴を掘削する上において有効な掘削方法となる。
【０００７】
従来ある技術として特開平２００６−３４８５１５号公報には掘削しながらＮ値を把握する方法が開示されている。上記公報は電気モーターを用いた掘削装置に関するものであり、地盤の掘削時に電気モーターに流れる電流の積算値を求め、その値から地盤を掘削する負荷を求めることによって掘削している地層の硬さの指標であるＮ値を把握する方法を開示している。
【０００８】
杭穴用の掘削装置には現在は油圧モーターを用いる形式の装置が多く使用されており、上記公報に開示されているＮ値を検出する方法では、油圧モーターを用いた掘削装置に適用することはできない。従来の油圧モーターを掘削バケットの駆動源とする杭穴掘削装置では、操作作業員による掘削時の掘削装置の運転状況や操作作業員が受ける体感などにより地盤の状況を把握しており、正確なＮ値をリアルタイムに把握することが出来ないという問題があった。
【０００９】
【特許文献１】 特開平２００６−３４８５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現在主流となっている油圧モーターを駆動源とする杭穴掘削装置について、地盤の掘削作業時にリアルタイムに正確なＮ値を検出することができないという問題がある。また、地盤中の岩などの掘削不能な障害物に当ると掘削バケットの方向が曲げられることがあり、その結果杭穴が傾いて形成されることになる。
【００１１】
本発明は、上記の問題を鑑み、油圧モーターを掘削バケットの駆動源とする杭穴掘削装置の掘削作業中に地盤のＮ値をリアルタイムに検出できるＮ値検出方法およびその検出装置を提供するとともに、上記Ｎ値検出方法を備えた杭穴掘削装置であって、杭穴が傾いて形成されるのを防止することができる杭穴掘削装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の解決手段のＮ値検出方法は、地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される地盤掘削装置において、前記油圧モーターを駆動する圧力と、掘削バケットの回転周期を検出し、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出することを特徴とする。
【００１３】
上記の第１の解決手段によれば、地盤のＮ値を検出するのに、掘削バケットを駆動する油圧モーターの入力圧力値と油圧モーターの回転周期の値とが判明するだけでよく、極めて容易に地盤のＮ値を検出することが出来る。
【００１４】
本発明の第２の解決手段は、第１の解決手段のＮ値検出方法であって、前記掘削バケットの回転周期は、油圧モーターの圧力変動から求めることを特徴としており、掘削バケットの回転周期を求めるための検出器を特別に必要とせず、装置の構成が簡潔になる。
【００１５】
本発明の第３の解決手段のＮ値検出装置は、地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される地盤掘削装置において、前記油圧モーターを駆動する圧力を検出する圧力検出手段と、掘削バケットの回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出するＮ値算出手段とを備えることを特徴としており、掘削バケットを駆動する油圧モーターの入力圧力値と油圧モーターの回転周期の値とだけから地盤のＮ値を検出することが出来る。
【００１６】
本発明の第４の解決手段は、第３の解決手段のＮ値検出装置であって、前記回転周期検出手段は、掘削バケットの回転速度を計測する回転速度センサから得られた回転速度により掘削バケットの回転周期を算出することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第５の解決手段は、第３の解決手段のＮ値検出装置であって、前記回転周期検出手段は、油圧モーターの圧力変動から前記掘削バケットの回転周期を求めることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第６の解決手段の杭穴掘削装置は、地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される杭穴掘削装置であって、前記油圧モーターを駆動する圧力を検出する圧力検出手段と、掘削バケットの回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出するＮ値算出手段と、前記算出手段の算出したＮ値を含む地盤情報の管理を行う地盤情報管理手段を備えることを特徴とする杭穴掘削装置。
【００１９】
本発明の第７の解決手段は、第６の解決手段の杭穴掘削装置であって、前記地盤情報管理手段は、Ｎ値の異常値を検出し、地盤中に掘削不可能な堆積物が存在することを警告する警告機能を備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第８の解決手段は、第６の解決手段の杭穴掘削装置であって、前記回転周期検出手段は、掘削バケットの回転速度を計測する回転速度センサから得られた回転速度により掘削バケットの回転周期を算出することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第９の解決手段は、第６の解決手段の杭穴掘削装置であって、前記回転周期検出手段は、油圧モーターの圧力変動から掘削バケットの回転周期を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
上述したように本発明のＮ値検出方法は、地盤を掘削する掘削バケットの駆動源である油圧モーターの入力圧力値と油圧モーターの回転周期の値とが判明すれば求めることができるので、極めて容易に地盤のＮ値を検出することが出来る。
【００２３】
さらに、掘削バケットの回転周期の検出には油圧モーターの圧力変動、即ち油圧モーターの回転に起因する脈動から求めることが可能であり、わざわざ掘削バケットの回転周期を求めるための検出手段を設ける必要がなく、検出するための装置の構成は一層簡潔な構成とすることができる。
【００２４】
その結果、地盤のＮ値が掘削作業中にリアルタイムに知ることができるとともに、その検出方法の構成は極めて簡潔な構成ですむので、低い費用にも関わらず多大な効果をあげることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００２５】
図をもって本発明のＮ値検出方法およびＮ値検出装置並びに杭穴掘削装置について詳細に説明する。なお、本発明は本実施例によって限定されるものではない。
【００２６】
図１は本発明の実施例のＮ値検出方法およびその装置並びに杭穴掘削装置に用いられる掘削バケットおよびそれを駆動する駆動部などの要部を示す説明図であり、図２は、杭穴掘削装置の全体を示す説明図である。
【００２７】
アースドリル工法と呼ばれる地盤に杭穴を掘削するのに用いられる杭穴掘削装置１は、図２に示すように伸長するブームの先端に吊り下げられたケリーバ３の先端に掘削バケット２を備えて構成される。掘削バケット２は、円筒形のバケット状の底面部に掘削用の掘削カッターを設けた構造であり、掘削バケット２を回転駆動することにより、地盤の土砂が掘削バケット２の内部に取り込まれる。掘削バケット２を連続して回転させることにより地盤を掘削し、掘削バケット２の内部に収容された土砂は、逐次地上に排出することで掘削作業を進める。掘削バケット２を支持するケリーバ３は、杭穴掘削装置１のブーム先端に吊り下げられ、ケリーウインチ６により上下方向に移動可能に保持されている。
【００２８】
掘削バケット２の底面部、掘削方向から見れば先端部に掘削用のカッターが設けられるとともに、掘削バケット２の側面部にサイドカッターが設けられており、掘削用カッターで杭穴の深度方向に掘削を行うと同時に、上記のサイドカッターにより所定の径の杭穴が形成される。
【００２９】
掘削バケット２を回転駆動する油圧モーター４は図３に示すように油圧ユニット４１に接続されており、所定圧の作動油を吐出するとともに、油圧モーター４から排出された作動油を取り込むことで作動油を循環させる。油圧モーター４に入る作動油の圧力は、圧力センサ４２により検出される。
【００３０】
掘削バケット２の回転速度が図示しない回転速度センサ７によって検出される。掘削バケット１の回転速度が分かれば、掘削バケット１の回転周期は容易に導出することができる。
【００３１】
次にＮ値を検出する手順について説明する。アースドリル工法においては、まづ最初に杭穴掘削装置１のケリーバ３を杭穴の中心位置に合わせ、掘削を開始する。地表部に近い部分の杭穴を保護する表層ケーシングの建て込み予定深度まで掘削を行ったならば、表層ケーシングを建て込む。土質に適合した安定液を注入することで掘削した杭穴の崩落を防ぎながら杭の支持層まで掘り進み、その支持層に根入れ（支持層に掘削される所定深さの穴部）を形成して、杭穴の掘削作業が完了する。
【００３２】
杭は所定の硬さの地層まで掘削を行って、その地層を杭穴の支持層とすることが必要であるが、従来の掘削作業では、掘削した深度と予め行われたボーリング調査および排出した廃土の状況から支持層であることを判定していたが、本発明では次に示す手順によりＮ値を算出することで、掘削している地層のＮ値をリアルタイムに知ることができる。
【００３３】
Ｎ値は、次に示す（Ａ）式により求められる。
Ｎ＝ａ・ｐ・Ｔ−ｂ （Ａ）
ここにおいて、ＮはＮ値であり、ｐは油圧モーターに入力される作動油の圧力であり、Ｔは、掘削バケット２の回転周期であり、ａおよびｂは、この掘削条件にかかる定数である。ａおよびｂは掘削条件から予め知ることができるので、Ｎ値は油圧モーターにかかる圧力ｐと掘削バケット２の回転周期Ｔが判明すれば、上記の（Ａ）式を用いて容易に求められる。
【００３４】
次に（Ａ）式によりＮ値が求められる根拠について説明する。地盤における土砂のＮ値と粘性係数は異なった方法で定義されているが、これらの物理的意味は土砂を粘性体とみなせる範囲で相関があり、粘性係数μとＮ値とを次に示す（１）式で近似する。
Ｎ＝ｃ・μ （１）
ここで、Ｎは地層のＮ値であり、ｃは定数である。また、厳密に言えばＮ値と粘性係数は（１）式のような単純な線形関係で表すことはできないだろうが、元来Ｎ値の値が厳密に規定されているものではないので、実用上差し支えないと考えられる。
【００３５】
土砂を掘削する掘削バケット２を駆動するのに必要なトルクＴＢは、掘削バケット２の速度が低い場合は動圧による力を無視してもよく、摩擦力によって発生するトルクのみと考えて（２）式で表す。
ＴＢ＝μ・Ａ・ω （２）
ここで、μは粘性係数、ωは掘削バケット２の回転角速度、Ａは、掘削バケット２の切刃の長さによって決まる定数である。一方、油圧モーターの発生トルクＴＰと掘削の駆動トルクＴＢとの関係は次式（３）で示される。
ＴＰ＝ＴＢ＋ＴＭ （３）
ここで、ＴＭは機械系の損失トルクである。
【００３６】
油圧モーターの発生トルクＴＰおよび機械系の損失トルクＴＢは、それぞれ（４）式および（５）式で表すことできる。
ＴＰ＝（Ｖ／２π）・ｐ （４）
ＴＭ＝ＤＭ・ω （５）
ここで、Ｖは油圧モーターの容積であり、ＤＭは機械系の損失の原因となる定数である。
【００３７】
（２）乃至（５）の式からＮ値は次の（６）式で表すことができる。
Ｎ＝（Ｖ・π２・ｐＴ−ＤＭ）／ｃＡ （６）
（６）式において、ｐは作動油の圧力であり、Ｔは掘削バケット２の回転周期である。それ以外のパラメータはすべて定数であるので、上記の２つのパラメータを検出することによりＮ値を求めることができる。
【００３８】
（６）式を整理して、圧力ｐおよびは回転周期Ｔ以外の定数を整理しまとめたものが、（Ａ）式である。
【００３９】
上記の説明では、変速機を用いずに油圧モーターが直接に掘削バケット２を駆動するものとしてＮ値の誘導式の（６）式を求めているが、変速機が介在する場合では、変速比ｎが（６）式に新たな定数として含まれるだけであり、作動油の圧力ｐおよび掘削バケット２の回転周期Ｔの２つのパラメータで算出されることに変わりない。
【００４０】
図５はＮ値を検出し、その情報を管理する流れを示す説明図であり、図５は回転速度センサ７でもって検出した回転速度により掘削バケット２の回転周期を求めてＮ値を検出する例を示す。油圧モーター４は１回転ごとに、弁の開閉周期があり、図４に示すように油圧モーター４に働く圧力に脈動が発生する。Ｎ値の検出に用いる圧力の値は、圧力平均値算出手段８１により求められる圧力の平均値をもって圧力値ｐとし、速度センサ７でもって検出した回転速度から算出された掘削バケット２の回転周期と合わせて、Ｎ値算出手段８２において（Ａ）式を用いて求める。
【００４１】
Ｎ値算出手段８２より算出されたＮ値は地盤情報管理手段８３により図示しない深度検出手段で得られた深度情報も含めて記録される。Ｎ値の値が突然に変化するなどの異常値を示す場合は、地盤異常警告手段８４により警告を発する。また、表示装置８５にＮ値、掘削深度ならびに警告情報など掘削情報が操作作業者に明示される。
【００４２】
図６は角速度の検出手段として角速度センサを設けずに、油圧モーターの圧力変動、即ち油圧モーターの回転に起因する脈動から回転周期Ｔを求めることで、Ｎ値を検出する例を示す。図４に示すように圧力センサ４２から得られる油圧モーター４の入力圧力は１回転ごとに脈動し、その極値を検出することにより油圧モーター４の１回転の周期を検出することができる。回転周期検出手段９１は、油圧モーター４の脈動の極値を検出することにより油圧モーター４の回転周期を検出する検出手段であり、油圧モーター４の回転速度を検出するための専用の検出器を設けることなく油圧モーター４の回転周期を検出することができる。
【００４３】
本発明の杭穴掘削装置のように油圧モーターを掘削バケット２の駆動手段とする杭穴掘削装置では、地盤の硬さが変わると掘削バケット２の回転速度に変化が生じるとともに、油圧モーターに入力される圧力も変化する。そこで、これらの２つのパラメータを検出することで、地層のＮ値の検出を容易に行うことが可能となる。
【００４４】
図５および図６に示すように、地盤情報管理手段８３において、図示しない深度検出手段から得られる振動情報とＮ値とを合わせることにより、地盤の深度とＮ値との関係が得られる。予め行うボーリング調査では、工事区画の一部のみの土質情報であり、杭穴の位置の地盤の正確な情報が得ることができる。
【００４５】
杭穴の支持層は予め行われるボーリング調査により深さの情報およびその支持層のＮ値が分かっている。本発明の杭穴掘削装置により深度情報およびＮ値の情報がリアルタイムで分かるので、支持層に到達してから掘削する深さについて正確に掘削することが可能となり、従来ならば行っていた支持層の確認作業が不要となり、作業が効率化される。
【００４６】
地盤中に岩などの障害物がある場合、この障害物が硬いものであるならば掘削バケット２の底面および側面に設けてあるカッターが破損する恐れがある。また障害物により掘削経路が曲げられて杭穴の垂直度が維持できなくなるという不具合が発生することがある。杭穴が傾いたまま掘削が行われると杭穴が傾いて形成されることになり、杭穴の再掘削が必要となるために多大な費用が発生する。
【００４７】
本発明の杭穴掘削装置は、Ｎ値検出手段により得られた情報から、地盤の状態が判別し運転作業者に警告する地盤異常警告手段を備える。モニターにＮ値の値を表示するとともに、ブザーあるいは警告ランプを点滅するなどの方法によりカッターの破損の恐れや杭穴の斜抗が発生する恐れのある障害物が地盤中に存在することを警告する。即ちカッターの破損による作業の遅れや、杭穴が傾いて形成されることによる再掘削を防ぐことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
現在主流となっている油圧モーターを駆動源とする杭穴掘削装置について、地盤の掘削作業時にリアルタイムに正確なＮ値を検出することができないために、地盤中の岩などの掘削不能な障害物のために掘削バケットが破損することや、地盤中の障害物のために掘削している杭穴が傾いて形成されるなどの不具合が発生する。その結果多大な費用の発生を強いられることになる。
【００４９】
本発明は、杭穴の掘削作業中に地盤のＮ値をリアルタイムに検出できるＮ値検出方法およびその検出装置を提供するとともに、上記Ｎ値検出方法を備えることにより杭穴が傾いて形成されることを防止することができる杭穴掘削装置を提供する。地盤中の岩などの掘削不能な障害物があってもＮ値検出手段によりいち早くその存在を検出することが可能で、掘削バケットの破損を防止できるとともに、地盤中の障害物によって杭穴が傾いて形成されるとなるのを検知することが可能となる。その結果、地盤中の障害物に起因する切削バケットの破損を防ぐことにより、高い生産性を確保することができるとともに、杭穴が傾いて形成されることによる再掘削の費用の発生を抑えることができることから、産業への寄与は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】 本実施例の杭穴掘削装置の要部を示す説明図である。
【図２】 本実施例の杭穴掘削装置の全体を示す外観図である。
【図３】 掘削バケットと油圧モーターおよび駆動部関連の関係を示す説明図である。
【図４】 油圧モーターの入力圧力の変動を示す説明図である。
【図５】 Ｎ値を検出する流れを示す説明図である。
【図６】 Ｎ値を検出に関する別な方法による流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 杭穴掘削装置
２ 掘削バケット
３ ケリーバ
４ 油圧モーター
５ ケリーバ支持台
６ ケリーウインチ
７ 回転速度センサ
８ 管理装置
９ 管理装置
４１ 油圧ユニット
４２ 圧力センサ
８１ 圧力平均値算出手段
８２ Ｎ値検出手段
８３ 地盤情報管理手段
８４ 地盤異常警告手段
８５ 表示装置
９１ 回転周期算出手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、現場にて造成杭用あるいは既成杭用の杭穴を掘削する作業において、杭穴を掘削する際に有用なＮ値検出方法およびＮ値検出装置並びにＮ値検出手段を備えた杭穴掘削装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤に杭穴を掘削し、この杭穴に杭を立設する方法として、現場で杭を造成する方法とすでに杭の形状に形成されている杭を杭穴に立設する方法とがある。
【０００３】
現場造成杭は、掘削装置を用いて杭穴を掘削し、この杭穴に鉄筋およびトレミー管を挿入した上からコンクリートを打つことにより杭を形成する。一方、既成杭は、形成済みの杭を掘削した穴に打ち込む方法あるいは先端部をねじ加工されている杭を地盤にねじ込む方法により、杭を設置する方法である。いずれの方法であっても地盤に杭用の穴を掘削する必要がある。
【０００４】
杭穴は、予めボーリング調査により把握した地盤の状況から、Ｎ値が所定の値以上の硬さの地層を杭穴の支持層と定め、少なくともこの支持層に至までの深さの杭穴を掘削する必要がある。そのために、杭穴の深度の情報とともに、掘削した位置の地層のＮ値を把握する必要がある。
【０００５】
また、造成杭を形成するための杭穴は正しく鉛直に形成する必要があり、この杭穴が鉛直線から傾いて形成されてしまうと再度掘削をやり直さなければならず、多大な費用が発生するという不具合がある。
【０００６】
杭穴が傾いて形成される原因は、掘削バケットが地盤中に岩などの掘削不能な障害物に当り曲がることや、地盤中の固い地層が傾斜していることにより次第に掘削バケットが曲がることによる場合が多い。掘削作業中に掘削している地盤のＮ値およびＮ値の変化をリアルタイムで知ることができれば、杭穴が傾いて形成される不具合の発生を予知することが可能となり、杭穴の掘削作業において有用である。また、リアルタイムで把握したＮ値と予め実施されたボーリング調査の結果とを比較しながら杭穴の掘削作業を進めることは、正確な杭穴を掘削する上において有効な掘削方法となる。
【０００７】
従来ある技術として特開平２００６−３４８５１５号公報には掘削しながらＮ値を把握する方法が開示されている。上記公報は電気モーターを用いた掘削装置に関するものであり、地盤の掘削時に電気モーターに流れる電流の積算値を求め、その値から地盤を掘削する負荷を求めることによって掘削している地層の硬さの指標であるＮ値を把握する方法を開示している。
【０００８】
杭穴用の掘削装置には現在は油圧モーターを用いる形式の装置が多く使用されており、上記公報に開示されているＮ値を検出する方法では、油圧モーターを用いた掘削装置に適用することはできない。従来の油圧モーターを掘削バケットの駆動源とする杭穴掘削装置では、操作作業員による掘削時の掘削装置の運転状況や操作作業員が受ける体感などにより地盤の状況を把握しており、正確なＮ値をリアルタイムに把握することが出来ないという問題があった。
【０００９】
【特許文献１】 特開平２００６−３４８５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
現在主流となっている油圧モーターを駆動源とする杭穴掘削装置について、地盤の掘削作業時にリアルタイムに正確なＮ値を検出することができないという問題がある。また、地盤中の岩などの掘削不能な障害物に当ると掘削バケットの方向が曲げられることがあり、その結果杭穴が傾いて形成されることになる。
【００１１】
本発明は、上記の問題を鑑み、油圧モーターを掘削バケットの駆動源とする杭穴掘削装置の掘削作業中に地盤のＮ値をリアルタイムに検出できるＮ値検出方法およびその検出装置を提供するとともに、上記Ｎ値検出方法を備えた杭穴掘削装置であって、杭穴が傾いて形成されるのを防止することができる杭穴掘削装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の第１の解決手段のＮ値検出方法は、地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される地盤掘削装置において、前記油圧モーターを駆動する圧力と、掘削バケットの回転周期を検出し、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出することを特徴とする。
【００１３】
上記の第１の解決手段によれば、地盤のＮ値を検出するのに、掘削バケットを駆動する油圧モーターの入力圧力値と油圧モーターの回転周期の値とが判明するだけでよく、極めて容易に地盤のＮ値を検出することが出来る。
【００１４】
本発明の第２の解決手段は、第１の解決手段のＮ値検出方法であって、前記掘削バケットの回転周期は、油圧モーターの圧力変動から求めることを特徴としており、掘削バケットの回転周期を求めるための検出器を特別に必要とせず、装置の構成が簡潔になる。
【００１５】
本発明の第３の解決手段のＮ値検出装置は、地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される地盤掘削装置において、前記油圧モーターを駆動する圧力を検出する圧力検出手段と、掘削バケットの回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出するＮ値算出手段とを備えることを特徴としており、掘削バケットを駆動する油圧モーターの入力圧力値と油圧モーターの回転周期の値とだけから地盤のＮ値を検出することが出来る。
【００１６】
本発明の第４の解決手段は、第３の解決手段のＮ値検出装置であって、前記回転周期検出手段は、掘削バケットの回転速度を計測する回転速度センサから得られた回転速度により掘削バケットの回転周期を算出することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第５の解決手段は、第３の解決手段のＮ値検出装置であって、前記回転周期検出手段は、油圧モーターの圧力変動から前記掘削バケットの回転周期を求めることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第６の解決手段の杭穴掘削装置は、地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される杭穴掘削装置であって、前記油圧モーターを駆動する圧力を検出する圧力検出手段と、掘削バケットの回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出するＮ値算出手段と、前記算出手段の算出したＮ値を含む地盤情報の管理を行う地盤情報管理手段を備えることを特徴とする杭穴掘削装置。
【００１９】
本発明の第７の解決手段は、第６の解決手段の杭穴掘削装置であって、前記地盤情報管理手段は、Ｎ値の異常値を検出し、地盤中に掘削不可能な堆積物が存在することを警告する警告機能を備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第８の解決手段は、第６の解決手段の杭穴掘削装置であって、前記回転周期検出手段は、掘削バケットの回転速度を計測する回転速度センサから得られた回転速度により掘削バケットの回転周期を算出することを特徴とする。
【００２１】
本発明の第９の解決手段は、第６の解決手段の杭穴掘削装置であって、前記回転周期検出手段は、油圧モーターの圧力変動から掘削バケットの回転周期を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
上述したように本発明のＮ値検出方法は、地盤を掘削する掘削バケットの駆動源である油圧モーターの入力圧力値と油圧モーターの回転周期の値とが判明すれば求めることができるので、極めて容易に地盤のＮ値を検出することが出来る。
【００２３】
さらに、掘削バケットの回転周期の検出には油圧モーターの圧力変動、即ち油圧モーターの回転に起因する脈動から求めることが可能であり、わざわざ掘削バケットの回転周期を求めるための検出手段を設ける必要がなく、検出するための装置の構成は一層簡潔な構成とすることができる。
【００２４】
その結果、地盤のＮ値が掘削作業中にリアルタイムに知ることができるとともに、その検出方法の構成は極めて簡潔な構成ですむので、低い費用にも関わらず多大な効果をあげることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【００２５】
図をもって本発明のＮ値検出方法およびＮ値検出装置並びに杭穴掘削装置について詳細に説明する。なお、本発明は本実施例によって限定されるものではない。
【００２６】
図１は本発明の実施例のＮ値検出方法およびその装置並びに杭穴掘削装置に用いられる掘削バケットおよびそれを駆動する駆動部などの要部を示す説明図であり、図２は、杭穴掘削装置の全体を示す説明図である。
【００２７】
アースドリル工法と呼ばれる地盤に杭穴を掘削するのに用いられる杭穴掘削装置１は、図２に示すように伸長するブームの先端に吊り下げられたケリーバ３の先端に掘削バケット２を備えて構成される。掘削バケット２は、円筒形のバケット状の底面部に掘削用の掘削カッターを設けた構造であり、掘削バケット２を回転駆動することにより、地盤の土砂が掘削バケット２の内部に取り込まれる。掘削バケット２を連続して回転させることにより地盤を掘削し、掘削バケット２の内部に収容された土砂は、逐次地上に排出することで掘削作業を進める。掘削バケット２を支持するケリーバ３は、杭穴掘削装置１のブーム先端に吊り下げられ、ケリーウインチ６により上下方向に移動可能に保持されている。
【００２８】
掘削バケット２の底面部、掘削方向から見れば先端部に掘削用のカッターが設けられるとともに、掘削バケット２の側面部にサイドカッターが設けられており、掘削用カッターで杭穴の深度方向に掘削を行うと同時に、上記のサイドカッターにより所定の径の杭穴が形成される。
【００２９】
掘削バケット２を回転駆動する油圧モーター４は図３に示すように油圧ユニット４１に接続されており、所定圧の作動油を吐出するとともに、油圧モーター４から排出された作動油を取り込むことで作動油を循環させる。油圧モーター４に入る作動油の圧力は、圧力センサ４２により検出される。
【００３０】
掘削バケット２の回転速度が図示しない回転速度センサ７によって検出される。掘削バケット１の回転速度が分かれば、掘削バケット１の回転周期は容易に導出することができる。
【００３１】
次にＮ値を検出する手順について説明する。アースドリル工法においては、まづ最初に杭穴掘削装置１のケリーバ３を杭穴の中心位置に合わせ、掘削を開始する。地表部に近い部分の杭穴を保護する表層ケーシングの建て込み予定深度まで掘削を行ったならば、表層ケーシングを建て込む。土質に適合した安定液を注入することで掘削した杭穴の崩落を防ぎながら杭の支持層まで掘り進み、その支持層に根入れ（支持層に掘削される所定深さの穴部）を形成して、杭穴の掘削作業が完了する。
【００３２】
杭は所定の硬さの地層まで掘削を行って、その地層を杭穴の支持層とすることが必要であるが、従来の掘削作業では、掘削した深度と予め行われたボーリング調査および排出した廃土の状況から支持層であることを判定していたが、本発明では次に示す手順によりＮ値を算出することで、掘削している地層のＮ値をリアルタイムに知ることができる。
【００３３】
Ｎ値は、次に示す（Ａ）式により求められる。
Ｎ＝ａ・ｐ・Ｔ−ｂ （Ａ）
ここにおいて、ＮはＮ値であり、ｐは油圧モーターに入力される作動油の圧力であり、Ｔは、掘削バケット２の回転周期であり、ａおよびｂは、この掘削条件にかかる定数である。ａおよびｂは掘削条件から予め知ることができるので、Ｎ値は油圧モーターにかかる圧力ｐと掘削バケット２の回転周期Ｔが判明すれば、上記の（Ａ）式を用いて容易に求められる。
【００３４】
次に（Ａ）式によりＮ値が求められる根拠について説明する。地盤における土砂のＮ値と粘性係数は異なった方法で定義されているが、これらの物理的意味は土砂を粘性体とみなせる範囲で相関があり、粘性係数μとＮ値とを次に示す（１）式で近似する。
Ｎ＝ｃ・μ （１）
ここで、Ｎは地層のＮ値であり、ｃは定数である。また、厳密に言えばＮ値と粘性係数は（１）式のような単純な線形関係で表すことはできないだろうが、元来Ｎ値の値が厳密に規定されているものではないので、実用上差し支えないと考えられる。
【００３５】
土砂を掘削する掘削バケット２を駆動するのに必要なトルクＴＢは、掘削バケット２の速度が低い場合は動圧による力を無視してもよく、摩擦力によって発生するトルクのみと考えて（２）式で表す。
ＴＢ＝μ・Ａ・ω （２）
ここで、μは粘性係数、ωは掘削バケット２の回転角速度、Ａは、掘削バケット２の切刃の長さによって決まる定数である。一方、油圧モーターの発生トルクＴＰと掘削の駆動トルクＴＢとの関係は次式（３）で示される。
ＴＰ＝ＴＢ＋ＴＭ （３）
ここで、ＴＭは機械系の損失トルクである。
【００３６】
油圧モーターの発生トルクＴＰおよび機械系の損失トルクＴＢは、それぞれ（４）式および（５）式で表すことできる。
ＴＰ＝（Ｖ／２π）・ｐ （４）
ＴＭ＝ＤＭ・ω （５）
ここで、Ｖは油圧モーターの容積であり、ＤＭは機械系の損失の原因となる定数である。
【００３７】
（２）乃至（５）の式からＮ値は次の（６）式で表すことができる。
Ｎ＝（Ｖ・π２・ｐＴ−ＤＭ）／ｃＡ （６）
（６）式において、ｐは作動油の圧力であり、Ｔは掘削バケット２の回転周期である。それ以外のパラメータはすべて定数であるので、上記の２つのパラメータを検出することによりＮ値を求めることができる。
【００３８】
（６）式を整理して、圧力ｐおよびは回転周期Ｔ以外の定数を整理しまとめたものが、（Ａ）式である。
【００３９】
上記の説明では、変速機を用いずに油圧モーターが直接に掘削バケット２を駆動するものとしてＮ値の誘導式の（６）式を求めているが、変速機が介在する場合では、変速比ｎが（６）式に新たな定数として含まれるだけであり、作動油の圧力ｐおよび掘削バケット２の回転周期Ｔの２つのパラメータで算出されることに変わりない。
【００４０】
図５はＮ値を検出し、その情報を管理する流れを示す説明図であり、図５は回転速度センサ７でもって検出した回転速度により掘削バケット２の回転周期を求めてＮ値を検出する例を示す。油圧モーター４は１回転ごとに、弁の開閉周期があり、図４に示すように油圧モーター４に働く圧力に脈動が発生する。Ｎ値の検出に用いる圧力の値は、圧力平均値算出手段８１により求められる圧力の平均値をもって圧力値ｐとし、速度センサ７でもって検出した回転速度から算出された掘削バケット２の回転周期と合わせて、Ｎ値算出手段８２において（Ａ）式を用いて求める。
【００４１】
Ｎ値算出手段８２より算出されたＮ値は地盤情報管理手段８３により図示しない深度検出手段で得られた深度情報も含めて記録される。Ｎ値の値が突然に変化するなどの異常値を示す場合は、地盤異常警告手段８４により警告を発する。また、表示装置８５にＮ値、掘削深度ならびに警告情報など掘削情報が操作作業者に明示される。
【００４２】
図６は角速度の検出手段として角速度センサを設けずに、油圧モーターの圧力変動、即ち油圧モーターの回転に起因する脈動から回転周期Ｔを求めることで、Ｎ値を検出する例を示す。図４に示すように圧力センサ４２から得られる油圧モーター４の入力圧力は１回転ごとに脈動し、その極値を検出することにより油圧モーター４の１回転の周期を検出することができる。回転周期検出手段９１は、油圧モーター４の脈動の極値を検出することにより油圧モーター４の回転周期を検出する検出手段であり、油圧モーター４の回転速度を検出するための専用の検出器を設けることなく油圧モーター４の回転周期を検出することができる。
【００４３】
本発明の杭穴掘削装置のように油圧モーターを掘削バケット２の駆動手段とする杭穴掘削装置では、地盤の硬さが変わると掘削バケット２の回転速度に変化が生じるとともに、油圧モーターに入力される圧力も変化する。そこで、これらの２つのパラメータを検出することで、地層のＮ値の検出を容易に行うことが可能となる。
【００４４】
図５および図６に示すように、地盤情報管理手段８３において、図示しない深度検出手段から得られる振動情報とＮ値とを合わせることにより、地盤の深度とＮ値との関係が得られる。予め行うボーリング調査では、工事区画の一部のみの土質情報であり、杭穴の位置の地盤の正確な情報が得ることができる。
【００４５】
杭穴の支持層は予め行われるボーリング調査により深さの情報およびその支持層のＮ値が分かっている。本発明の杭穴掘削装置により深度情報およびＮ値の情報がリアルタイムで分かるので、支持層に到達してから掘削する深さについて正確に掘削することが可能となり、従来ならば行っていた支持層の確認作業が不要となり、作業が効率化される。
【００４６】
地盤中に岩などの障害物がある場合、この障害物が硬いものであるならば掘削バケット２の底面および側面に設けてあるカッターが破損する恐れがある。また障害物により掘削経路が曲げられて杭穴の垂直度が維持できなくなるという不具合が発生することがある。杭穴が傾いたまま掘削が行われると杭穴が傾いて形成されることになり、杭穴の再掘削が必要となるために多大な費用が発生する。
【００４７】
本発明の杭穴掘削装置は、Ｎ値検出手段により得られた情報から、地盤の状態が判別し運転作業者に警告する地盤異常警告手段を備える。モニターにＮ値の値を表示するとともに、ブザーあるいは警告ランプを点滅するなどの方法によりカッターの破損の恐れや杭穴の斜抗が発生する恐れのある障害物が地盤中に存在することを警告する。即ちカッターの破損による作業の遅れや、杭穴が傾いて形成されることによる再掘削を防ぐことが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
現在主流となっている油圧モーターを駆動源とする杭穴掘削装置について、地盤の掘削作業時にリアルタイムに正確なＮ値を検出することができないために、地盤中の岩などの掘削不能な障害物のために掘削バケットが破損することや、地盤中の障害物のために掘削している杭穴が傾いて形成されるなどの不具合が発生する。その結果多大な費用の発生を強いられることになる。
【００４９】
本発明は、杭穴の掘削作業中に地盤のＮ値をリアルタイムに検出できるＮ値検出方法およびその検出装置を提供するとともに、上記Ｎ値検出方法を備えることにより杭穴が傾いて形成されることを防止することができる杭穴掘削装置を提供する。地盤中の岩などの掘削不能な障害物があってもＮ値検出手段によりいち早くその存在を検出することが可能で、掘削バケットの破損を防止できるとともに、地盤中の障害物によって杭穴が傾いて形成されるとなるのを検知することが可能となる。その結果、地盤中の障害物に起因する切削バケットの破損を防ぐことにより、高い生産性を確保することができるとともに、杭穴が傾いて形成されることによる再掘削の費用の発生を抑えることができることから、産業への寄与は大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】 本実施例の杭穴掘削装置の要部を示す説明図である。
【図２】 本実施例の杭穴掘削装置の全体を示す外観図である。
【図３】 掘削バケットと油圧モーターおよび駆動部関連の関係を示す説明図である。
【図４】 油圧モーターの入力圧力の変動を示す説明図である。
【図５】 Ｎ値を検出する流れを示す説明図である。
【図６】 Ｎ値を検出に関する別な方法による流れを示す説明図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 杭穴掘削装置
２ 掘削バケット
３ ケリーバ
４ 油圧モーター
５ ケリーバ支持台
６ ケリーウインチ
７ 回転速度センサ
８ 管理装置
９ 管理装置
４１ 油圧ユニット
４２ 圧力センサ
８１ 圧力平均値算出手段
８２ Ｎ値検出手段
８３ 地盤情報管理手段
８４ 地盤異常警告手段
８５ 表示装置
９１ 回転周期算出手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される地盤掘削装置において、前記油圧モーターを駆動する圧力と、掘削バケットの回転周期を検出し、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出することを特徴とするＮ値検出方法。
【請求項２】
前記掘削バケットの回転周期は、油圧モーターの圧力変動から求めることを特徴とする請求項１に記載のＮ値検出方法。
【請求項３】
地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される地盤掘削装置において、前記油圧モーターを駆動する圧力を検出する圧力検出手段と、掘削バケットの回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出するＮ値算出手段とを備えることを特徴とするＮ値検出装置。
【請求項４】
前記回転周期検出手段は、掘削バケットの回転速度を計測する回転速度センサから得られた回転速度により掘削バケットの回転周期を算出することを特徴とする請求項３に記載のＮ値検出装置。
【請求項５】
前記回転周期検出手段は、油圧モーターの圧力変動から前記掘削バケットの回転周期を求めることを特徴とする請求項３に記載のＮ値検出装置。
【請求項６】
地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される杭穴掘削装置であって、前記油圧モーターを駆動する圧力を検出する圧力検出手段と、掘削バケットの回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出するＮ値算出手段と、前記算出手段の算出したＮ値を含む地盤情報の管理を行う地盤情報管理手段を備えることを特徴とする杭穴掘削装置。
【請求項７】
前記地盤情報管理手段は、Ｎ値の異常値を検出し、地盤中に掘削不可能な堆積物が存在することを警告する警告機能を備えることを特徴とする請求項６に記載の杭穴掘削装置。
【請求項８】
前記回転周期検出手段は、掘削バケットの回転速度を計測する回転速度センサから得られた回転速度により掘削バケットの回転周期を算出することを特徴とする請求項６に記載の杭穴掘削装置。
【請求項９】
前記回転周期検出手段は、油圧モーターの圧力変動から掘削バケットの回転周期を求めることを特徴とする請求項６に記載の杭穴掘削装置。
【請求項１】
地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される地盤掘削装置において、前記油圧モーターを駆動する圧力と、掘削バケットの回転周期を検出し、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出することを特徴とするＮ値検出方法。
【請求項２】
前記掘削バケットの回転周期は、油圧モーターの圧力変動から求めることを特徴とする請求項１に記載のＮ値検出方法。
【請求項３】
地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される地盤掘削装置において、前記油圧モーターを駆動する圧力を検出する圧力検出手段と、掘削バケットの回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出するＮ値算出手段とを備えることを特徴とするＮ値検出装置。
【請求項４】
前記回転周期検出手段は、掘削バケットの回転速度を計測する回転速度センサから得られた回転速度により掘削バケットの回転周期を算出することを特徴とする請求項３に記載のＮ値検出装置。
【請求項５】
前記回転周期検出手段は、油圧モーターの圧力変動から前記掘削バケットの回転周期を求めることを特徴とする請求項３に記載のＮ値検出装置。
【請求項６】
地盤を掘削する掘削バケットを備え、前記掘削バケットは油圧モーターにより回転駆動される杭穴掘削装置であって、前記油圧モーターを駆動する圧力を検出する圧力検出手段と、掘削バケットの回転周期を検出する回転周期検出手段と、前記圧力並びに回転周期とから地盤のＮ値を算出するＮ値算出手段と、前記算出手段の算出したＮ値を含む地盤情報の管理を行う地盤情報管理手段を備えることを特徴とする杭穴掘削装置。
【請求項７】
前記地盤情報管理手段は、Ｎ値の異常値を検出し、地盤中に掘削不可能な堆積物が存在することを警告する警告機能を備えることを特徴とする請求項６に記載の杭穴掘削装置。
【請求項８】
前記回転周期検出手段は、掘削バケットの回転速度を計測する回転速度センサから得られた回転速度により掘削バケットの回転周期を算出することを特徴とする請求項６に記載の杭穴掘削装置。
【請求項９】
前記回転周期検出手段は、油圧モーターの圧力変動から掘削バケットの回転周期を求めることを特徴とする請求項６に記載の杭穴掘削装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−２５５７６５（Ｐ２００８−２５５７６５Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１２２８４７（Ｐ２００７−１２２８４７）
【出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【出願人】（５９２０７３７５４）明和機械株式会社 (2)
【出願人】（５９１１７４９１１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月６日（２００７．４．６）
【出願人】（５９２０７３７５４）明和機械株式会社 (2)
【出願人】（５９１１７４９１１）
【Ｆターム（参考）】
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