複合型押し拡げ杭の杭形成工法及び複合型押し拡げ杭の杭形成設備

本発明は、土木工学分野に属し、複合型押し拡げ杭の杭形成工法(pile forming method)及び複合型押し拡げ杭の杭形成設備に関する。

土木工学分野において、基礎杭は、杭形成方法の土層に対する影響によって、非排土杭(non squeeze out soil pile)、部分排土杭及び排土杭(squeeze out soil pile)の三種類に分類できる。基礎杭の杭体形状は等断面になってもよいし、変断面になってもよい。杭体形状及び杭形成工法は、直接に杭の支持力、施工速度、工事費、環境保護などの問題に繋がる。基礎杭の杭形状及び杭形成工法の発展に従って、変断面杭の出現は、杭の側方摩擦抵抗が極めて大きく向上されて、杭の長さが縮小され、杭径と杭の数が減少され、施工コストが大幅に低減された。非排土式の場所打ち杭には、杭単体の支持力が低く、スラリー汚染等の数多くの技術、コスト及び環境保護方面の問題が存在するので、地盤工学の業界では、環境に優しく、支持力が高く、コストが低い新たな杭形状及び施工工法、特に一度に穴形成、杭形成できる合理な排土式の杭を開発することに力を尽くしている。これは、このような排土杭の施工工法は、非排土杭に比べて、技術及びコストの面での優位性を有するほかに、施工速度が速く、スラリー汚染がなく、振動がなく、低騒音などの施工効益及び環境保護の面での優位性もあるからである。

現在、国内で、例えば三分岐押し拡げ杭(pile with expanded branches and bulbs by 3-way extruding arms)、支持盤杭、ねじ杭、螺旋押し拡げ杭、ハーフスクリュー杭、回転押し出し場所打ち杭等のような支持盤付き、分岐部付き且つ一度に穴形成、杭形成できる排土杭の押し拡げ装置、ドリルロッド、杭打ち機設備及び杭形成工法については、関連文献に公開された。これらの杭形状は、ある程度の特有の先端性及び進歩性を有するものの、下記の欠陥及び問題も存在する。

1、三分岐押し拡げ杭、支持盤杭

三分岐押し拡げ杭、支持盤杭(例えば、CN201109909Y、CN102021905A)は、変断面場所打ち杭であり、杭体と、分岐部または盤とを有し、等断面土取り型の場所打ち杭に比べて、側方抵抗と端部抵抗が大幅に向上された。しかし、これらの杭の杭形成方法が相対的に複雑であり、穴開け→押し拡げ→穴のクリーニング→孔径検測→鉄筋かごの建て込み→コンクリート注入のような杭形成工程が複雑であり、杭単体の施工時間とコストが増加される。また、地下水位が比較的高い土層の場合に、施工中に穴崩れの現象が発生し易く、そして土を取り出して外部に運ぶので、環境が汚染されることをもたらしやすい。その後の関連する特許は、押し拡げ方法の効率を向上させるために、何れも押し拡げ装置に対する変更に関し、杭形成の方法は、やはり予め穴を形成してから杭を形成するものである。

例えば、公開番号がCN201334661Yである文献に記載の一体化長螺旋押し拡げ支持盤杭ドリル工具及び前記一体化長螺旋押し拡げ支持盤杭ドリル工具のようなものにおいて、支持盤杭の杭形成方法に対して新たな改良を行い、ドリル工具によって設計深さまでドリリングされた後、押し拡げて支持盤が形成され、ドリル工具が上昇されて地面から離れた時に杭の施工が完成される。しかし、杭形成方法が簡単かつ快速になるが、施工中にやはり土を取り出す必要があり、土の外部輸送による環境汚染の問題が存在する。そして、杭端に緩い土があるので、沈下変形が大きい。特にドリル工具が押し拡げを実施する過程に、押し拡げアームが、拡げたときに最も不利な作動角度になり、根元部が、受けた最も大きな曲げモーメントで破断されやすくなる。そして、比較的硬い土の場合、油圧シリンダだけで、押し拡げアームが展開しにくくなる。複数の油圧シリンダがヒンジで接続される方法を採用する場合、高制御精度が要求され、機械的な故障が生じやすく、設備コストが高く、メンテナンス費用が高くなる。

2、変断面ねじ杭

変断面ねじ杭(例えば、CN2716480Y、CN102162248A)は、排土型杭且つ全ねじ杭であり、施工において、穴形成機械で予め穴を形成する必要がある。

3、双方向螺旋押し拡げ杭

双方向螺旋押し拡げ杭(例えば、CN101012649A、CN20218431U)は、等断面の円柱体杭であり、完全排土杭に属する。当該杭のメリットは、ドリル工具が土に対して締固めを行うことによって杭の側方抵抗を著しく向上させることであるが、デメリットは、比較的硬い土の場合、使用される双方向螺旋押し拡げドリルビットがねじ込みにくく、杭形成が困難になる。そして、押し拡げによって形成される杭がドリル工具の外径と一致するので、エネルギーの消費が大きくなる。

4、ハーフスクリュー杭(またスクリュー杭と称する)

ハーフスクリュー杭(またスクリュー杭と称する。例えばCN1254587C、CN1904225A、CN101016743U)は、変断面の排土型杭である。杭打ち機は、土の感度(soil sensitivity)に応じて土に対して適当な締固めを行うので、排土のマイナス効果が生じることはない。そして、その杭形成工法は、簡単な機械的原理を用い、回転時に受ける力の方向と回転方向とを一致させるので、拡大、収束を実現でき、杭形成支持力が比較的高い。該杭及びそのプロセスに関する複数の発明は、既に、建築分野の杭基盤及び地盤の施工に広く応用された。該技術は、杭単体の支持力を大幅に向上でき、また施工コストを低減できるので、良好な社会経済的な利益を取得したが、該技術は依然として制限が存在するので、適用範囲が制限される。また、直径が大きくなると、必要となるドリルロッドのトルクもその分大きくなるので、機械のコストが大きくなり、エネルギーの消費も大きくなる。このため、解決する必要がある。

5、回転押し出し場所打ち杭

回転押し出し場所打ち杭(例えば、CN101016743A)は、杭体が等径であり、または杭端に拡大ヘッドが付けられた排土型場所打ち杭である。その施工は、杭打ち機制御システムの同期と非同期の技術を採用することによって実現され、適用範囲が広いが、依然として一定の制限性がある。その杭端の拡大ヘッドの形成は、膨張ボルトの原理を採用し、施工ドリルロッドがダブルの動力出力を利用するので、コストが比較的高く、そして拡大時に機械運動が比較的複雑であり、磨耗し易い。このため、解決する必要がある。

中国実用新案公告第201109909Y号明細書

中国特許出願公開第102021905A号明細書

中国実用新案公告第201334661Y号明細書

中国実用新案公告第2716480Y号明細書

中国特許出願公開第102162248A号明細書

中国特許出願公開第101012649A号明細書

中国特許第1254587C号明細書

中国特許出願公開第1904225A号明細書

中国特許出願公開第101016743A号明細書

本発明の目的は、従来技術に存在する上記の問題と欠陥を解決してなされたものであり、支持力がより高く、沈下がより小さく、杭形成の品質がよりよく、コストがより低く、エネルギーの消費がより低く、作業効率がより高く、複雑な地質条件下でも施工できる複合型押し拡げ杭の杭形成工法及び複合型押し拡げ杭の杭形成設備を提供する。

本発明の技術方案は以下の通りである。

複合型押し拡げ杭の杭形成工法は、以下のステップを含む。

1、後述する複合型押し拡げ杭の杭形成設備が装着された杭掘削機を設置した後、杭掘削機を起動し、時計回り方向のトルクと下向きの軸方向の圧力を加え、複合型押し拡げドリル工具を使用して、ねじ込みと押し拡げをして穴を形成し、押し拡げ後の杭穴の直径が、ドリルロッドの外径になり、複合型押し拡げドリル工具による下向きに回転して機械的に押し拡げるように穴を形成する過程を、設計された穴深さまで実施する。

2、第1ステップにおける杭穴の機械的な押し拡げが完了した後、杭掘削機を起動し、複合型押し拡げドリル工具を反時計回りに回転させながら上昇させ、複合型押し拡げ杭の杭形成設備の拡大体を、拡大させて、複合型押し拡げドリル工具を上昇させる過程に常に拡大状態に維持させ、複合型押し拡げドリル工具を上向き回転させ、上昇させるとともに、コンクリートポンプを起動し、コンクリートポンプの圧力で内スリーブと外スリーブとを離間させ、位置制限ピン穴まで、内スリーブを摺動溝に摺動させ、離間状態に形成し、コンクリートは、中空のコンクリート輸送パイプラインを介して、内スリーブバルブから噴出するとともに四角錐ドリルビット先に充填され、所定の高さ以上に達し、複合型押し拡げドリル工具の上昇過程に、コンクリートを連続的にポンプで輸送するとともに、常に所定の内スリーブバルブ以上の高さに保持する。

3、杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの上昇速度を、ドリルロッドの回転速度とねじ山部のリードとの積と一致するように保持する。

4、複合型押し拡げドリル工具を地面まで上昇させた後、手動でドリルロッドの拡大部分を初期状態に回復させ、杭の施工が完了する。

また、本発明の改良された第1技術方案は、ドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度とねじ山部の端部の厚さとの積と一致させることによって、複合型浅ねじ押し拡げ杭を形成する。その他のステップは類似する。

また、本発明の改良された第2技術方案は、機械的な押し拡げによって杭穴が完成された後、杭掘削機を起動してそのまま反時計回りに回転させて、形成済みの穴体を、設備の拡大体で更に押し拡げることによって、設備の拡張部分の直径と等しい円柱体を形成し、その後、複合型押し拡げドリル工具を上向きに回転させて上昇させるとともにポンプでコンクリートを輸送し、杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの上昇速度を、ドリルロッドの回転速度と回動アームの厚さとの積の以下に保持することによって、複合型押し拡げねじ無し杭を形成する。

また、本発明の改良された第3技術方案は、機械的な押し拡げによって杭穴が完成された後、杭掘削機を起動してそのまま反時計回りに回転させて、複合型押し拡げ杭の杭形成設備の拡大体を拡大させて、形成済みの穴体、設備の拡大体で更に押し拡げることによって、設備の拡張部分の直径と等しい円柱体を形成し、その後、複合型押し拡げドリル工具を回転させて上昇させるとともに連続的にポンプでコンクリートを輸送し、そして、押し拡げられた円柱体の全体にコンクリートが充填された時、杭掘削機をそのまま時計回りに回転させて、拡大体を収束状態に変更させた状態で、杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの回転速度と上昇速度を保持することによって、拡大ヘッド付きの複合型押し拡げ拡大ヘッド杭を形成する。杭形成の方案によれば、杭穴の任意の位置に上記の拡大ヘッドを形成するステップを繰り返させることによって、杭体が複数の拡大ヘッドを備える複合型押し拡げ拡大ヘッド杭を形成できる。

また、本発明の改良された第4技術方案は、機械的な押し拡げによって杭穴が完成された後、杭掘削機を起動して反時計回りに回転させることによって複合型押し拡げ杭の杭形成設備の拡大体を拡大させ、複合型押し拡げドリル工具を上昇させるとともにドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度とねじ山部のリードとの積と一致するように保持し、複合型押し拡げドリル工具を上向きに回転させて上昇させるとともに、連続的にポンプでコンクリートを輸送し、そして、複合型押し拡げドリル工具がストレートロッドの部分に上昇した後、反時計回り方向のトルクを加えることによって、拡大体を拡張状態に変更させ、拡大体が位置する空間が押し出されて円柱体に形成し、且つコンクリートの充填が完了した後、時計回り方向のトルクを加え、杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの上昇速度を、ドリルロッドの回転速度と回動アームの厚さとの積以下に保持することによって、複合型押し拡げ浅いスクリュー杭を形成する。

また、本発明の改良された第5技術方案は、機械的に押し拡げによって杭穴が完成された後、杭掘削機を起動して反時計回りに回転させることによって複合型押し拡げ杭の杭形成設備の拡大体を拡大させ、複合型押し拡げドリル工具を上昇させるとともにドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度とねじ山部の端部の厚さとの積と一致させるように保持し、複合型押し拡げドリル工具を上向きに回転させて上昇させるとともに、連続的にポンプでコンクリートを輸送し、複合型押し拡げドリル工具がストレートロッドの部分に上昇した後、反時計回り方向のトルクを加え、拡大体を拡張状態に変更させ、拡大体が位置する空間が押し出されて円柱体に形成され、且つコンクリートの充填が完了した後、時計回り方向のトルクを加え、杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度と回動アームの厚さとの積の以下に保持することによって、複合型押し拡げ浅ねじ杭を形成する。

また、本発明の改良された第6技術方案は、ドリルロッドと地面とが垂直になることに対して、ドリルロッドと地面との間を0〜90°を形成させ、アンカーロッドとして利用できる。その他の杭形成の方案は、上記技術方案及び改良された技術方案に類似する。

上記形成された全ての杭は、複合型押し拡げ杭と称する。

上記の複合型押し拡げ杭の杭形成工法を利用する複合型押し拡げ杭の杭形成設備は、ドリルビットのねじ山部に複数の拡大体が設けられるドリルロッドを含む複合型押し拡げドリル工具及びその制御システムを含み、 前記ドリルロッドは、中空の外スリーブと、外スリーブ内に設けられる内スリーブとを含み、前記外スリーブの上部に、他のドリルロッドが接続され、該外スリーブの底部に、円周に沿ってボスが一つ以上設けられ、該外スリーブの内側に、前記内スリーブをリニアに摺動させる摺動溝が設けられ、前記内スリーブの下部に、杭材を注入するための内スリーブバルブが一つ以上設けられ、前記内スリーブバルブ以下の位置に過渡板が設けられ、前記内スリーブの下面に接続体が接続され、前記接続体の上面に、前記外スリーブのボスの底部と対応する凹溝が設けられ、該接続体の下面に、六角柱ボスが設けられ、該接続体は、前記六角柱ボスを介して四角錐ドリルビット先に接続される。本発明の設計に対して、四角錐ドリルビット先は、四角錐ドリルビット先の底部に一つ以上の逆止バルブを設けても良く、コンクリートが直接に逆止バルブから流出する。

前記拡大体は、アルキメデス螺旋に沿って前記ねじ山部に設けられ、拡大ねじ山、回動アーム及び摺動アームを含み、前記拡大ねじ山は、完全な前記ねじ山部の一部であり、該拡大ねじ山の両端に位置制限装置が設けられ、該拡大ねじ山内に拡大摺動溝が開設され、該拡大摺動溝の一端が一つのヒンジ部を有し、前記回動アームは、その一端が前記拡大摺動溝に接続され、その他端が前記摺動アームにヒンジ接続され、前記摺動アームは、その一端が前記回動アームにヒンジ接続され、その他端が前記拡大摺動溝に摺動接続される。ドリルロッドが時計回りに回転する時に、拡大体は、初期に収束状態になり、ドリルロッドが反時計回りに回転する時に、杭打ち機のトルク、岩土の摩擦力、圧力等の共同作用で、拡大ねじ山における回動アームは、ヒンジ部に向かって摺動するとともに限界位置における拡張状態まで回動アームに伴って時計回りに回動する。拡張状態の拡大体は、反時計回り方向の力で、容易に収束状態に回復する。

本発明の更に改良された第1技術方案から第6技術方案は、前記拡大体の拡大ねじ山と前記ねじ山部とは、等ピッチのように設けられ、該拡大ねじ山の横断面は変断面多角形になり、その根元の厚さが山頂の厚さより大きく、前記摺動アームの一端は円柱状であり、前記回動アームと摺動アームの半月状部分の厚さは、前記拡大ねじ山の山頂の厚さより小さく且つその端部の円柱の厚さより小さい。

また、本発明の改良された第6技術方案は、設備の改良によって、巻き上げまたは油圧シリンダの作用で、メインサポートと地面との間に一定の角度を形成し、アンカーロッドの施工を完成させる。

本発明の制御システムは、自動制御システムによって、杭打ち機のダブルの動力を実現でき、即ち前記ドリルロッドの加圧上昇動力及び回転動力を協同制御できる。必要によって、自動制御システムは、ドリルロッドの正逆回転を制御できる。1)前記ドリルロッドの正逆回転、2)前記拡大体の受動的な収束及び拡張、及び3)前記ドリルロッドの上昇速度νと該ドリルロッドの回転速度nを以下の4つの数学関係に保持することによって以下の4つの種類の基本杭体形状を形成すること、を実現できる。

1)前記上昇速度が前記回転速度と前記ねじ山部のリードとの積と等しい場合、拡大された全ねじが形成され、断面模式図が図11である。

2)前記上昇速度が前記回転速度と前記ねじ山部の根元部の厚さとの積と等しい場合、過渡型の拡大浅ねじが形成され、断面模式図が図12である。

3)前記上昇速度が前記回転速度と前記ねじ山部の端部の厚さとの積と等しい場合、拡大された浅ねじが形成され、断面模式図が図13である。

4)前記上昇速度が前記回転速度と前記回動アームの厚さとの積と等しい場合、拡大された円柱状が形成され、断面模式図が図14である。

上記の1)〜4)に例示されたものは、4つのノード速度であり、これに基づいて、前記上昇速度νの向上と前記回転速度nの無段変化によって、論理上は複数の種類の移行形状に形成されることができる。上記の異なる杭体の形状の自由な組み合わせによって、本発明の前記n種類の複合型押し拡げ杭型を形成できる。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法及び複合型押し拡げ杭の杭形成設備は、従来技術に比べて、下記の利点を有する。

1、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法は、「ドリル下降の時に小穴であり、ドリル上昇の時に大きな杭になる」という特有な技術特徴を有し、従来技術の以下の欠陥と問題を解決した。

(1)乱れねじ込む現象 複合型押し拡げ杭のねじは、ドリルを上昇させる過程に形成されたものであるので、ドリルロッドを下降させるときに乱れねじ込む現象が発生しても、ドリルロッドを上昇させる過程中で、拡大体が拡げられ、下から上へ新たな拡大ねじが形成されるので、乱れねじ込む現象が発生しない。

(2)トルク不足、消費エネルギーが大きい現象 従来技術において、杭の直径が大きくなると、必要なドリルロッドのトルクも大きくなり、機械のコストが高く、消費エネルギーが大きく、そして、主にドリルロッドの下降中に消費するエネルギーが大きい。同じ杭径の杭を施工する場合、複合型押し拡げ杭の施工工法は、ドリルを下降させる時に、ドリルロッドの外径が設計された杭径より小さく、ドリルを上昇させる時に形成済みの穴に対して押し拡げを行って杭を形成するので、必要なトルクが小さく、消費エネルギーが低い。

2、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成設備は、力を受ける設計が合理であり、抵抗トルクが大きい。本発明の前記の技術背景の部分に記載された全ての押し拡げ方法は、いずれも最も不利な作業状況で実施され、外部の抵抗は曲げモーメントの形式で押し拡げ装置に加えられ、材料の強度が極めて高く要求される。これに対して、本発明は、外部の抵抗は軸方向の力の形式で押し拡げ設備に加えられ、押し拡げ設備が最も有利な負荷状態に動作する。また、本発明の前記押し拡げの方式は、油圧式ではなく機械式であるので、押し出しによって穴を形成する過程、ドリルの上昇によって押し拡げを行う過程、及び杭形成の過程が一回のみで完成できるので、施工が非常に簡単且つ快速である。

3、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成設備は、連続的に押し拡げを行う特有なメリットを有し、三分岐押し拡げ杭や支持盤杭等の連続的に押し拡げられない欠点を解消できる。拡大ヘッドの施工であっても、その押し拡げ効率は、はるかに三分岐押し拡げ杭や支持盤杭等の押し拡げ杭より大きい。また、予め穴を形成する必要がなく、予め穴を形成することに起因する多くの悪影響、例えば、スラリー、穴崩れや杭端の緩い土等の欠陥を解消できる。従って、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成設備は、突出した実質的な特徴及び顕著な技術の進歩を有する。

4、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成設備は、複合型押し拡げドリル工具の特有な機能及びその自動制御システムを利用して、動力と速度とをマッチングさせ、特有な工法を実現する。ドリルの下降速度及び上昇速度を調整することによって、多種の形式の複合型押し拡げ杭型を形成できる。土地の事情に合わせるものであるので、従来技術の杭形状が単一であり、適用範囲が制限されるなどの欠点を解消できる。

5、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成設備の制御システムは、加圧と上昇の動力とを精確に同期させる方法を利用するので、拡大体の自由な拡げ及び収束が実現でき、異なる杭形状のストレートロッド部分とねじ部分の形成が保証できる。

6、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法は、複合型押し拡げドリル工具が三回以上の杭穴の押し拡げを実施して穴形成、杭形成を行う過程に、複合型押し拡げドリル工具を使用して、ドリル下降、ドリル上昇及び穴を拡げる時に、杭穴における土を杭穴の側壁に押し拡げるので、杭周辺の土と杭端の土を締固める効果が、従来の非排土杭及び排土杭よりよい。そして、設計要求に応じて杭を外側へ拡げて、一つまたは複数の拡大ヘッドが形成されるので、杭側の土の摩擦抵抗力と杭端の土の支持力を大幅に向上させる。

7、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法は、ドリル下降とドリル上昇、押し拡げの過程に、土の感度に応じて、土を合理的に締固めるので、杭形成中に非排土杭工法に起因する杭穴の崩壊、スラリーの壁保護、及び杭底の沈殿物の過程と杭穴からの土排出による杭周辺の土の応力の解放から引き起こす穴内への変位と強度の減衰を解消できる。同様な地層、同様な杭径及び同様な杭長さの条件に、土取り型の支持盤杭、三分岐押し拡げ杭に比べて、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法によって完成される複合型押し拡げ杭は、支持力がより高く、沈下量がより小さく、品質がよりよく、コストがより低く、消費エネルギーがより少なく、作業効率が更に高く、環境保護がよりよい利点を有する。従って、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法は、突出した実質的な特徴及び顕著な技術の進歩を有している。

8、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法及びその複合型押し拡げ杭の杭形成設備を利用すると、施工速度がより速い。また、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法及び複合型押し拡げ杭の杭形成設備は、杭形成の品質が高いとともに、多種の複雑な地質条件で作業を実施できる。

本発明の複合型押し拡げドリル工具の非展開時の構成模式図である。

本発明の複合型押し拡げドリル工具の非展開時の平面図である。

図1におけるA−A部分拡大図である。

本発明の複合型押し拡げドリル工具の展開時の構成模式図である。

本発明の複合型押し拡げドリル工具の展開時の平面図である。

図4におけるB−B部分拡大図である。

本発明の複合型押し拡げドリル工具の装着図である。

本発明の複合型押し拡げドリル工具のスリーブがドリルビット先と離間する前の断面図である。

本発明の複合型押し拡げドリル工具のスリーブがドリルビット先と離間した後の断面図である。

本発明の拡大体の断面図である。

本発明の拡大の全ねじの断面模式図である。

本発明の過渡型の拡大浅ねじの断面模式図である。

本発明の拡大の浅ねじの断面模式図である。

本発明が円柱状に形成された場合の断面模式図である。

外延距離算出図である。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法のフローチャートである。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法のフローチャートである。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法のフローチャートである。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法のフローチャートである。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法のフローチャートである。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法のフローチャートである。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法のフローチャートである。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成工法のフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明を更に説明する。

図1〜図15に示す構成においては、本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成設備は、複合型押し拡げドリル工具及びその制御システムを含む。前記複合型押し拡げドリル工具は、ドリルロッドを有し、ドリルロッドのドリルビットのねじ山部に複数の拡大体が設けられる。 前記ドリルロッドは、中空の外スリーブ7と、外スリーブ内に設けられる内スリーブ9とを含む。外スリーブの上部に、他のドリルロッド19が接続され、外スリーブの底部に、円周に沿って外スリーブボス8が一つ以上設けられ、外スリーブの内側に、内スリーブをリニアに摺動させる摺動溝10が設けられる。内スリーブの下部に、杭材を注入するための内スリーブバルブ11が一つ以上設けられ、内スリーブバルブ11以下の位置に、過渡板12が設けられ、内スリーブの下面に接続体13が接続される。前記接続体の上面に、外スリーブボスの底部と対応する凹溝14が設けられ、接続体の下面に、六角柱ボス15が設けられる。接続体は、六角柱ボスを介して四角錐ドリルビット先16に接続される。本発明の設計によって、四角錐ドリルビット先は、四角錐ドリルビット先の底部に一つ以上の逆止バルブが設けられても良い。コンクリートは、直接に逆止バルブから流し出す。施工の場合に、コンクリートがポンプ車でポンピングされ、コンクリートのパイプラインを通過してドリルロッドに進入し、中空のコンクリート管を通過して四角錐ドリルビット先16まで達して、杭が注入される。その中に、四角錐ドリルビット先16は、二等辺三角形や三角錐、五角錐などで置き換えてもよい。四角錐ドリルビット先の上部に、接続体13に接続するための六角柱凹溝17が設けられる。四角錐ドリルビット先の稜と先端部に、それぞれ複数の合金ドリル歯18が取り付けられる。角錐先端部の断面積は、比較的硬い土に対する施工に適するように増加されても良い。円錐過渡板20は、四角錐ドリルビット先の両稜間に配置され、円錐過渡板20によって、四角錐ドリルビット先をより容易にねじ込み、土を両側へ押し付ける。改良された設計として、円錐過渡板は、コンクリートの流出を制御する逆止ドアとしてもよい。

前記拡大体は、アルキメデス螺旋に沿ってねじ山部に設けられ、拡大ねじ山1、回動アーム5及び摺動アーム6を含む。前記拡大ねじ山は、完全なねじ山部の一部であり、拡大ねじ山の両端に位置制限装置が設けられ、拡大ねじ山内に拡大摺動溝3が開設され、拡大摺動溝の一端が一つのヒンジ部4を有する。回動アーム5は、その一端が拡大摺動溝3に接続され、その他端が摺動アーム6にヒンジ接続される。摺動アームは、その一端が回動アームにヒンジ接続され、その他端が拡大摺動溝3に摺動接続される。ドリルロッドが時計回りのように回転する場合、拡大体は最初に収束状態となり、ドリルロッドが反時計回りのように回転する場合、杭打ち機のトルク、岩土の摩擦力、圧力等の共同作用で、拡大ねじ山1における回動アーム5が、ヒンジ部4に向かって摺動されるとともに、限界位置における拡張状態まで時計回りに回動される。拡張状態での拡大体は、反時計回り方向の力で、収束状態に容易に復元できる。

本発明の改良技術方案として、前記拡大体の拡大ねじ山1とドリルビットのねじ山部とは、等ピッチのように設けられ、拡大ねじ山の横断面は変断面多角形になり、その根元の厚さが山頂の厚さより大きい。拡大体の摺動アーム6の一端は、円柱状になり、拡大摺動溝3に摺動する。回動アームと摺動アームの半月状部分の厚さは、拡大ねじ山の山頂の厚さより小さく且つその端部の円柱の厚さより小さい。

上記の複合型押し拡げドリル工具の拡大体の外延距離Lの数式は下記になる。

両アームは拡大状態にあると、正弦定理によって、

から、

が得られ、 このため、

となる。 両アーム間の初期夾角が180°以下に形成し、さもなければ収束できなくなり、即ちθ₀<180°になる。 (1)によって、

が得られる。 ただし、 d₁:芯管の直径、 d₂:元のねじの最大外径、 d₃:円柱スライダーの直径、 L₀:拡大時の最初の両アームの伸び長さ、 l₀:スライダーの長さ、穴間距離、 θ₀:拡大体の中心角、 θ₁:拡大体の境界とスライダーとの夾角、 l₁:両アームの拡大状態における穴間距離、 α:両アームの拡大状態における両スライダーの夾角。 d₁=400mm、d₃=60mmの場合、(5)によって、d₁=400mm、γ=18.76°となる。それを(8)に代入すると、L=88.17が得られる。 (9)によって、最大の外延距離L=151.27が求められる。

なお、上記関連パラメータの変化によって外延距離を変更できる。このため、上記パラメータを変更することによって得られるその他の外延距離も本発明の特許請求の範囲に属する。

本発明において、拡大体の間の夾角は、回動アーム5、摺動アーム6の取外し空間を確保できるようになる。拡大体の巻数は、一回以上に形成する。本発明は、二つの拡大体からなる拡大体組みを採用し、二つの組みの間の夾角が30度に形成され、総巻数が一回以上に形成される。そして、本発明は、6つの拡大体組みを採用し、巻数が3.5回になる。その他の拡大体が螺旋線に沿って配置される配置数、配置態様が本発明の特許請求の範囲に属する。

本発明が採用する制御システムは、先端の自動制御システムによって、杭打ち機のダブル動力を実現でき、即ちドリルロッドの加圧上昇動力及び回転動力を協同制御できる。その中に、加圧上昇動力は、ドリルロッドの下降(或いは上昇)の速度を制御し、回転動力は、ドリルロッドの回転速度を制御する。ドリルロッドが一つのリードSで上昇し、ドリル工具の回転回数が一回である場合、杭材の注入によって形成される杭体は、ねじ型になる。ドリルロッドが一つのリードSで上昇又は下降し、回転回数が数回である場合、杭材の注入によって形成される杭体は、基本的に円柱型になる。ただし、ねじのピッチがP、ねじの条数がλ、リードがSである場合、S=λ・Pとなる。そして、ドリルロッドの下降(或いは上昇)の速度はv、ドリルロッドの回転速度はnである。あらゆるねじの条数は、何れも本発明の特許請求の範囲に属する。

必要に応じて、自動制御システムによってドリルロッドの正逆回転を制御することができる。よって、1)ドリルロッドの正逆回転、2)拡大体の受動的な収束及び拡張、及び3)ドリルロッドの上昇速度νとドリルロッドの回転速度nとを異なる数学関係に保持することによって以下の4つの種類の基本杭体形状を形成すること、を実現できる。

1) ν・1/n=S、即ち、ν=nSの場合、拡大の全ねじが形成され、断面模式図が図11である。

2)ν・1/n=a、即ち、ν=naの場合、過渡型の拡大浅ねじが形成され、断面模式図が図12である。

3)ν・1/n=b、即ち、ν=nbの場合、拡大の浅ねじが形成され、断面模式図が図13である。

4)ν・1/n≦c、即ち、ν≦ncの場合、拡大の円柱状に形成され、断面模式図が図14である。

上記1)〜4)に例示されたものは、4つのノード速度であり、これに基づいて、上昇速度νの向上と回転速度nの無段変化によって、論理上は複数の種類の移行形状に形成できる。上記の異なる杭体の形状の自由な組み合わせによって、本発明の前記のn種類の複合型押し拡げ杭型を形成できる。

本発明の複合型押し拡げ杭の杭形成設備による杭形成工法は、下記のステップを含む。

1、複合型押し拡げ杭の杭形成設備が装着された杭掘削機を設置した後、杭掘削機を起動し、時計回り方向のトルクと下向きの軸方向の圧力を加え、複合型押し拡げドリル工具を使用して、ねじ込みと押し拡げをして穴を形成し、押し拡げ後の杭穴の直径が、ドリルロッドの外径になる。複合型押し拡げドリル工具による下向きに回転して機械的に押し拡げるように穴を形成する過程を、設計された穴深さまで実施する。

2、第1ステップにおける杭穴の機械的な押し拡げが完了した後、杭掘削機を起動し、複合型押し広げドリル工具を反時計回りに回転させながら上昇させ、複合型押し拡げ杭の杭形成設備の拡大体を、拡大させて、そして複合型押し拡げドリル工具を上昇させる過程に常に拡大状態に維持させる。複合型押し拡げドリル工具を上向きに回転させ、上昇させるとともに、コンクリートポンプを起動する。内スリーブ9と外スリーブ7とを、コンクリートポンプの圧力で離間させ、内スリーブ9は、位置制限ピン穴2まで摺動溝10に摺動し、このとき、離間状態に形成する。コンクリートは、中空のコンクリート輸送パイプラインを介して、内スリーブバルブ11から噴出するとともに、迅速に四角錐ドリルビット先に充填され、所定の高さ以上に達する。複合型押し拡げドリル工具の上昇過程に、コンクリートを、連続的にポンプで輸送するとともに、常に所定の内スリーブバルブ以上の高さに保持する。

3、杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度とねじ山部のリードとの積と一致するように保持することによって、複合型押し拡げ全ねじ杭(例えば図16)を形成する。杭掘削機による穴形成の時、ドリルロッドのねじ内径がd₁、外径がd₂、ピッチがSになり、杭形成の時、拡大されたねじ部分の内径がd₁、外径がd₂+L、ピッチがSになる。

4、複合型押し拡げドリル工具を地面まで上昇させた後に、手動でドリルロッドの拡大部分を初期状態に回復させ、杭の施工が完了する。

また、本発明の改良された第1技術方案は、ドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度とねじ山部の端部の厚さとの積に一致させることによって、複合型押し拡げ浅ねじ杭(図17のように)を形成する。杭掘削機による穴形成の時、ドリルロッドのねじ内径がd₁、外径がd₂、ピッチがSになり、杭形成の時、拡大された浅ねじ杭の内径がd₂、外径がd₂+L、ピッチはcになる。

また、本発明の改良された第2技術方案は、機械的な押し拡げによって杭穴が完成した後、杭掘削機を起動してそのまま反時計回りに回転させ、形成済みの穴体を設備の拡大体で更に押し拡げることによって、設備の拡張部分の直径と等しい円柱体を形成する。そして、上向きに回転して複合型押し拡げドリル工具を上昇させるとともにポンプでコンクリートを輸送し、杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度と回動アームの厚さとの積の以下に保持することによって、複合型押し拡げねじ無し杭(図18のように)を形成する。杭掘削機による穴形成の時、ドリルロッドのねじ内径がd₁、外径がd₂、ピッチがSになり、杭形成の時、拡大された円柱体の外径がd₂+Lになり、ねじが存在しない。

また、本発明の改良された第3技術方案は、機械的な押し拡げによって杭穴が完成された後、杭掘削機を起動してそのまま反時計回りに回転させ、形成済みの穴体を設備の拡大体で更に押し拡げることによって、設備の拡張部分の直径と等しい円柱体を形成した後、複合型押し拡げドリル工具を回転させて上昇させるとともに連続的にポンプでコンクリートを輸送する。そして、押し拡げられてなる円柱体の全体にコンクリートが充填された時、杭掘削機をそのまま時計回りに回転させ、拡大体を収束状態に変更させた状態で、杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの回転速度と上昇速度とを保持することによって、拡大ヘッド付きの複合型押し拡げ杭(図19のように)が形成される。杭掘削機による穴形成の時、ドリルロッドのねじ内径がd1、外径がd2、ピッチがSになり、杭形成の時、杭の外径がd1、拡大ヘッドの外径がd2+Lになり、ねじが存在しない。杭形成の技術方案によって、杭穴の任意の位置で、上記の拡大ヘッドを形成するステップを繰り返させることによって、杭体が複数の拡大ヘッドを備える複合型押し拡げ拡大ヘッド杭(図20)が形成できる。杭体は、n(n≧l)個の拡大ヘッドを備え、拡大ヘッドの高さの総計は、杭の長さより小さい。

また、本発明の改良された第4技術方案は、機械的な押し拡げによって杭穴が完成された後に、杭掘削機を起動して反時計回りに回転させることによって複合型押し拡げ杭の杭形成設備の拡大体を拡大させ、複合型押し拡げドリル工具を上昇させるとともにドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度とねじ山部のリードとの積と一致するように保持し、複合型押し拡げドリル工具を上向きに回転させて上昇させるとともに連続的にポンプでコンクリートを輸送する。複合型押し拡げドリル工具がストレートロッドの部分に上昇した後、反時計回り方向のトルクを加えることによって、拡大体を拡張状態に変更させる。拡大体が位置する空間が押し出されて円柱体に形成し、且つコンクリートの充填が完了した後に、引き続き時計回り方向のトルクを加える。杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度と回動アームの厚さとの積以下に保持することによって、複合型押し拡げ全ねじロッド杭(図21)を形成する。杭形状は、上部がストレートロッドに、下部がねじになり、或いは、上部がねじに、下部がストレートロッドになる。そして、両者の長さを調整できる。杭掘削機による穴形成の時、ドリルロッドのねじ内径がd₁、外径がd₂、ピッチがSになり、杭形成の時、ストレートロッドの部分の外径がd₂+L、ねじ山部の内径がd₁、ねじ山部の外径がd₂+L、ピッチがSになる。

また、本発明の改良された第5技術方案は、機械的な押し拡げによって杭穴が完成された後に、杭掘削機を起動して反時計回りに回転させることによって複合型押し拡げ杭の杭形成設備の拡大体を拡大させ、複合型押し拡げドリル工具を上昇させるとともにドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度とねじ山部の端部の厚さとの積と一致するように保持し、複合型押し拡げドリル工具を上向きに回転させて上昇させるとともに、連続的にポンプでコンクリートを輸送する。複合型押し拡げドリル工具がストレートロッドの部分に上昇した後、反時計回り方向のトルクを加え、拡大体を拡張状態に変更させる。拡大体が位置する空間が押し出されて円柱体に形成し、且つコンクリートの充填が完了した後に、引き続き時計回り方向のトルクを加える。杭材が杭頂標高に注入されるまで、ドリルロッドの上昇速度をドリルロッドの回転速度と回動アームの厚さとの積の以下に保持することによって、複合型押し拡げ浅ねじスクリュー杭(例えば図22)を形成する。杭形状は、上部がストレートロッドに、下部がねじになり、或いは、上部がねじに、下部がストレートロッドになる。そして、両者の長さを調整できる。杭掘削機による穴形成の時、ドリルロッドのねじ内径がd₁、外径がd₂、ピッチがSになり、杭形成の時、ストレートロッドの部分の外径がd₂+L、ねじ山部の内径がd₂、ねじ山部の外径がd₂+L、ピッチがcになる。

また、本発明の改良された第6技術方案は、ドリルロッドと地面とが垂直になることに対して、ドリルロッドと地面との間に一定の角度が形成されることに変更する。その他の杭形成の技術方案は、上記技術方案及び改良された技術方案に類似し、特に本発明の改良された第3技術方案を利用する場合、アンカーロッドとして使用できる。(図23)

杭の設計要求に応じて、通常の方法によって、複合型押し拡げ杭に鉄筋かご、鉄筋束または形鋼を挿入してもよい。

上記実施例に基づいて本発明を説明したが、施工ステップを適宜に調整することによって、本発明の範囲内に、色々な異なる類型の施工工法を形成できる。類似の工法で設計された類似の杭形状も特許請求の範囲に属する。

1 拡大ねじ山 2 ピン穴 3 拡大摺動溝 4 ヒンジ部 5 回動アーム 6 摺動アーム 7 外スリーブ 8 外スリーブボス 9 内スリーブ 10 摺動溝 11 内スリーブバルブ 12 過渡板 13 接続体 14 凹溝 15 六角柱ボス 16 四角錐ドリルビット先 17 六角柱凹溝 18 合金ドリル歯 19 他のドリルロッド 20 円錐過渡板