JP2009209675A - ねじ込み式杭 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管の先端部又はその近傍に翼が取り付けられ、鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式杭として、耐久性および施工性に優れるとともに経済的なねじ込み式杭を提供する。
【解決手段】螺旋状の翼１０の始端と終端とが取り付けられている第１の段差部４ａに、鋼管２を補強するための補剛材４０が取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管の先端部又はその近傍に翼が取り付けられ、その鋼管に回転力を与えることにより、翼の木ねじ作用によって、地中に埋設するねじ込み式杭に関するものである。

鋼管の先端部又はその近傍に翼が取り付けられ、その鋼管に回転力を与えることにより、翼の木ねじ作用によって地中に埋設するねじ込み式杭は、これまで多数提案されている（例えば、特許文献１〜３）。

まず、特許文献１に記載の回転圧入式鋼管杭（ねじ込み式杭）は、鋼製円筒体の下部に上下方向に延長する押込用傾斜前面を有する刃が設けられ、その傾斜前面の下端部から円筒体回転方向の後方に向かって斜めに上昇する傾斜ブレードが固着されて環状のドリルヘッドが構成され、そのドリルヘッドの上端部に鋼管杭の下端部が取り付けられている。

この構造では、鋼製円筒体の下部に設けられた狭幅円弧状の傾斜ブレードを地盤に切込侵入させるとともに、円筒体の横断面積に相当する少量の土を押込用傾斜前面により横方向に押込むだけでよく、従来の回転圧入杭に比べて同一の圧入力では圧入速度を速くすることができ、同一の圧入速度では小さな圧入力で済む。また、杭体が開端状態であるので、管内に土を取り込むことができ、施工性の向上が期待できる。

次に、特許文献２に記載の翼付きねじ込み式鋼管杭は、鋼管の外径とほぼ等しい外径で、鋼管より肉厚又は強度の大きい取り付け部材と、鋼管の直径より大きい直径の１個若しくは複数個の螺旋状板又は鋼製板とを有し、その取り付け部に螺旋状板又は鋼製板を接合してほぼ螺旋状の翼を構成して、鋼管の先端部に溶接接合した構造である。

通常、螺旋状板又は鋼製板より曲げモーメントが発生するが、このような構成では、肉厚又は強度の大きい取り付け部材により大きな曲げ応力が発生することがない。また、鋼管の端部近傍が取り付け部材によって補強されるため、この範囲の肉厚を増すだけで鋼管全長の肉厚を増す必要がなく、経済的である。

次に、特許文献３に記載の回転圧入鋼管杭（ねじ込み式杭）は、先端に螺旋状羽根を備え、鋼管外径の１．５〜３倍の外径で、鋼管杭内径の０．４〜０．９倍の内径としたドーナツ状鋼板を一箇所又は複数箇所切断し、螺旋状に切断した鋼管杭端部に同心円状に溶接固定し、鋼管杭先端部の内外に螺旋状羽根を張り出してなる形状に構成するものである。

この構造では、鋼管杭先端部の内外に螺旋状羽根を張り出した構造であるので、従来の閉端杭または開端杭の何れによっても解決できなかった、円滑な施工と、十分な杭支持機能と、製作の容易性の問題点が解決されている。さらに、螺旋状に切断した鋼管杭端部の始終端の段差部分を円弧状に形成したことで、応力集中を緩和し、杭の破壊を防ぐことができるとしている。

特開昭６１−０９８８１８号公報 特開平１０−１５９０８７号公報 特開２００１−１９３０６３号公報

しかし、上記特許文献１においては、その第１図に見られるように、傾斜ブレードの杭体からの張り出し量が小さいため、杭体を地中に貫入させるための推進力が不足し、硬い支持層などでは貫入困難となり、また、杭貫入後の鉛直支持力は小さくなるという問題がある。また、傾斜ブレードが取り付けられたドリルヘッドは、杭本体より厚肉のものが用いられ、別体で製作する必要があるため、コストが上昇してしまう問題がある。

また、特許文献２においても、特許文献１と同様に先端部を別途製作して鋼管本体に取り付けており、鋼管本体との溶接が手間となり、経済的でない。

また、特許文献３においては、螺旋状に切断した鋼管杭端部の始終端の段差部分には、回転圧入時に大きな力が集中するため、この部分が鋭角に切断されたままでは、角部分から杭本体の鋼管に亀裂が発生する場合があるので、応力集中を緩和し、杭の破壊を防ぐためこの段差部分を円弧状に形成している。しかし、回転トルクが小さい場合は問題ないが、特に大径の杭で、杭が有する許容トルクに近いトルクで施工する場合には、段差部に大きな応力が発生し、鋼管が破断するおそれがあり、特許文献１や特許文献２のように肉厚を増やすなど対策が必要であり、不経済になる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、鋼管の先端部又はその近傍に翼が取り付けられ、鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式杭として、耐久性および施工性に優れるとともに経済的なねじ込み式杭を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の特徴を有する。

［１］鋼管の先端部又はその近傍に翼が取り付けられ、前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式杭において、
翼の始端と終端が取り付けられている段差部に、鋼管を補強するための補剛材が取り付けられていることを特徴とするねじ込み式杭。

［２］前記補剛材が鋼管の内面に取り付けられていることを特徴とする前記［１］に記載のねじ込み式杭。

［３］前記補剛材が鋼管の外面に取り付けられていることを特徴とする前記［１］に記載のねじ込み式杭。

［４］前記補剛材が鋼管の内面と外面に取り付けられていることを特徴とする前記［１］に記載のねじ込み式杭。

［５］前記補剛材が板材であることを特徴とする前記［１］〜［４］のいずれかに記載のねじ込み式杭。

本発明のねじ込み式杭においては、翼の始端と終端が取り付けられている段差部に、鋼管を補強するための補剛材を取り付けるようにしているので、鋼管の先端部の厚さを大きくすることなく、加工も少なくして、低コストで、大きな回転トルクにも耐えられるような構造になっている。また、この補剛材を取り付けることにより、鉛直荷重に対して、新規地盤からの地盤反力を最初に受ける翼の刃先からの曲げモーメントにも鋼管が耐えることができるので、供用時にも曲げモーメントによる鋼管の応力増加を軽減できる。

したがって、本発明のねじ込み式杭は、耐久性および施工性に優れるとともに経済的なねじ込み式杭となっている。

本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態における補剛材の働きを説明するための図である。 本発明の第１の実施形態における補剛材の働きを説明するための図である。 本発明の第１の実施形態における鋼管の先端部分を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す側面図である。 本発明の第３の実施形態を示す側面図である。 本発明の第４の実施形態を示す側面図である。 本発明の第１の実施形態の他の例を示す側面図である。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るねじ込み式杭を図１〜図３に示す。図１は、第１の実施形態に係るねじ込み式杭の斜視図であり、図２は図１において矢印Ｘ方向にみた側面図、図３は図１において矢印Ｙ方向にみた側面図である。

図１〜図３に示すように、この第１の実施形態に係るねじ込み式杭１Ａは、鋼管２の先端部に、内角の総和が３６０°になる２枚の扇形状平板（鋼板）１１ａ、１１ｂによって形成されたほぼ螺旋状の翼１０が取り付けられ、鋼管２に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式杭である。ここで、最初に地中に貫入する側の扇形状平板１１ａを下側翼１１ａ、他方の扇形状平板１１ｂを上側翼１１ｂと呼ぶことにする。そして、鋼管２の先端部には、螺旋状の翼１０の始端（下側翼１１ａの傾斜下端部）と終端（上側翼１１ｂの傾斜上端部）とが取り付けられている第１の段差部４ａと、螺旋状の翼１０の中間部（下側翼１１ａの傾斜上端部と上側翼１１ｂの傾斜下端部との接続部）が取り付けられている第２の段差部４ｂが設けられている。また、螺旋状の翼１０の中心付近には開口部３０が設けられている。

その上で、この実施形態に係るねじ込み式杭１Ａは、螺旋状の翼１０の始端と終端とが取り付けられている第１の段差部４ａに、鋼管２を補強するための補剛材４０が取り付けられている。

通常、ねじ込み式杭の施工時には、図４に示すように、回転トルクによって、第１の段差部４ａにおいて、下側翼１１ａが取り付けられている個所の近傍と上側翼１１ｂが取り付けられている個所の近傍で応力集中が生じ、時には、この応力集中部５１を起点とした亀裂５２が発生する。したがって、応力集中部５１の付近を補剛材４０で補強することにより、施工時のトルクに対処することができる。

また、施工後は、図５に示すように、翼１０の始端部が翼１０の通過していない新規の地盤６０に最初に設置され、翼１０の他の部分は既に翼１０が通過して新規地盤６０より弱い地盤（乱された地盤）６１に設置される。供用時では、新規の地盤６０が硬いので翼１０の始端部が一番大きな地盤反力を受け、これによる曲げモーメントが鋼管２に最初に伝達される。そこで、補剛材４０で鋼管２を補強することにより、地盤反力により生じる曲げモーメントに対処することができる。

この補剛材４０は、鋼板を曲げ加工して溶接により鋼管２に取り付けるのが望ましく、その他の手段としてボルトなどにより鋼管２に取り付けてもよい。また、鋼板を曲げ加工せずに分割してそのまま取り付けてもよく、補剛材４０と鋼管２がほぼ一体となるように取り付ければよい。

補剛材４０の取り付け個所は、鋼管２の内側でも外側でもよく、鋼管２の内側と外側の両方でもよい。ただし、鋼管２の外側に付けると、周面摩擦力を低減するフリクションカッタの役目もするため、施工性は向上するが、周面摩擦力度が低下する恐れがあるので、鋼管２の内側に取り付ける方がより好ましい。

補剛材４０の板厚は、作用する回転トルクなどの外力に応じて決めればよく、ＦＥＭ解析などにより決定するのが望ましいが、鋼管２の板厚の０．５〜３倍程度の範囲となる。例えば、鋼管２の外径がφ１２００ｍｍの場合、鋼管２の板厚１８ｍｍに対して、補剛材４０の板厚を２０ｍｍ程度にすれば、３５００ｋＮ・ｍ程度までのトルクに耐えることができる。ちなみに、補剛材４０がない場合は、２５００ｋＮ・ｍ程度のトルクで局部的に鋼管２が降伏してしまう。

補剛材４０の取り付け範囲は、図３に示すように、上側翼１１ｂの端部からの距離ａ１については、鋼管２の周方向角度で５°〜４５°程度、下側翼１１ａの端部からの距離ａ２については、鋼管２の周方向角度で５°〜４５°程度、下側翼１１ａからの距離ｂについては、鋼管２の外径Ｄの０．１倍〜１．０倍程度、上側翼１１ｂからの距離ｃについては、鋼管２の外径Ｄの０倍〜０．５倍程度（ｃ＝０であってもよい）が望ましい。

補剛材４０の取り付け範囲は、図３のように取り付けるだけでなく、図４に示した応力集中部５１のみ補剛するように取り付けることでもよい。また、外力の大きさにより応力集中部５１の範囲が変わることがＦＥＭ解析等で確認できる場合は、その範囲に対応できるように補剛材４０を取り付ければよい。

なお、鋼管２の先端部には、図６に示すように、円周方向に第１の段差部４ａと第２の段差部４ｂを介して２分割して形成され、ほぼ同じ角度で同方向に向う傾斜面からなる第１の取り付け部３ａ（鋼管２の先端部側）と、第２の取り付け部３ｂとが設けられている。これら第１の取り付け部３ａと第２の取り付け部３ｂとは、不連続ではあるがほぼ螺旋状をなしている。なお、第２の段差部４ｂを設けず（すなわち、ｈ２＝０）に、第１の取り付け部３ａと第２の取り付け部３ｂとが連続した、ほぼ螺旋状の傾斜面からなる取り付け部としてもよい。そして、第１の段差部４ａの高さｈ１は、杭１Ａを貫入する地盤の状態、鋼管２の外径などによって異なるが、一般にｈ１＝０．１〜０．５Ｄ（Ｄは鋼管２の外径）程度が望ましく、また、第２の段差部４ｂの高さｈ２は、０から翼１０を構成する扇形状平板１１ａ、１１ｂの厚みより若干高く形成される程度の高さの範囲とすることが望ましい。第１の段差部４ａの高さｈ１が０．１Ｄ未満の場合は、杭１Ａの１回転当りの貫入量が著しく低下し、また、０．５Ｄを超えると、杭１Ａの１回転当りの貫入量が大きくなりすぎるため、杭１Ａを回転するためのトルクが過大になる。

また、翼１０は、鋼管２の外径Ｄより大きい外径の円形鋼板又は楕円形鋼板を中央から２分割した扇形状平板１１ａ、１１ｂを用いて形成したものである。なお、翼１０の大きさは、ねじ込み式杭１Ａを貫入する地盤の状態、鋼管２の外径などによって異なるが、ねじ込み施工性と支持力の大きさとのバランスを考慮して、鋼管２の外径Ｄの１．２〜３倍程度が望ましい。

そして、この実施形態では、前述したように、翼１０の中心に開口部３０が設けられており、それによって、鋼管２内へ土砂を取り込むようにしているが、場合によっては、閉塞してもよい。

開口部３０を設ける場合は、翼１０の中心にほぼ円形に開口させるのがよい。その開口部３０の直径は、鋼管２の外径Ｄの０．２５〜０．９倍程度であるが、鋼管２の外径Ｄの０．４倍以上開口すると開口による土の取り込み効果が大きくなる。ただし、開口部３０を大きくすると施工性は向上するが、支持力は低下するので、双方のバランスで形状を決めるのがよい。また、翼１０の径を大きくして鋼管２からの張り出しが大きくなると、供用時の地盤反力により生じる曲げモーメントのバランスも悪くなるため、張り出しが大きいときは開口部３０を小さくするのが望ましい。

一方、閉塞する場合は、下側翼１１ａと上側翼１１ｂとの隙間をふさぐ閉塞板が取り付けられるため、下側翼１１ａと上側翼１１ｂが一体化されトルク等に強い構造となるが、より大きなトルクによる施工を実施する場合は、施工性を向上させるために、補剛材４０を取り付ける方がよい。

このようにして、この実施形態に係るねじ込み式杭１Ａにおいては、翼１０の始端と終端が取り付けられている段差部４ａに鋼管２を補強するための補剛材４０を取り付けるようにしているので、鋼管２の先端部の厚さを大きくすることなく、加工も少なくして、低コストで、大きな回転トルクにも耐えられるような構造になっている。また、この補剛材４０を取り付けることにより、鉛直荷重に対して、新規地盤６０からの地盤反力を最初に受ける翼の刃先からの曲げモーメントにも鋼管２が耐えることができるので、供用時にも曲げモーメントによる鋼管２の応力増加を軽減できる。

したがって、この実施形態に係るねじ込み式杭１Ａは、耐久性および施工性に優れるとともに経済的なねじ込み式杭となっている。

なお、この実施形態においては、翼１０の形状は、２枚の鋼板１１ａ、１１ｂで形成した螺旋状の翼であるが、翼の形状はこれに限ったものではなく、２枚の鋼板を交差して取り付けた翼、鋼板を螺旋状に曲げ加工して取り付けた翼、３枚以上の鋼板や曲げ加工した鋼材によって形成した翼など、どのような形状のものにも適用することができる。また、翼の形状により、補強すべき段差部が複数ある場合には、それぞれに補剛材を取り付ければよい。

２枚の鋼板１３ａ、１３ｂを交差して取り付けた翼の場合の一例を図１０に示す。この実施形態においては、図１０に側面図を示すように、２箇所の段差部のそれぞれに、鋼管２を補強するための補剛材４０が取り付けられている。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係るねじ込み式杭は、基本的な構成は、上記の第１の実施形態に係るねじ込み式杭１Ａと同じであるが、図７に側面図を示すように、この第２の実施形態に係るねじ込み式杭１Ｂは、第１の段差部４ａにおける下側翼１１ａの端部と上側翼１１ｂの端部との距離が離れている場合であり、補剛材４０がその分だけ広い範囲に取り付けられている。

補剛材４０の取り付け範囲は、上側翼１１ｂの端部からの距離ａ１については、鋼管２の周方向角度で５°〜４５°程度、下側翼１１ａの端部からの距離ａ２については、鋼管２の周方向角度で５°〜４５°程度、第１の段差部４ａの範囲ａ３については、鋼管２の周方向角度で０°より大きく６０°以下程度、下側翼１１ａからの距離ｂについては、鋼管２の外径Ｄの０．１倍〜１．０倍程度、上側翼１１ｂからの距離ｃについては、鋼管２の外径Ｄの０倍〜０．５倍程度が望ましい。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係るねじ込み式杭は、基本的な構成は、上記の第１の実施形態に係るねじ込み式杭１Ａあるいは第２の実施形態に係るねじ込み式杭１Ｂと同じであるが、図８に側面図を示すように、この第３の実施形態に係るねじ込み式杭１Ｃは、応力集中が生じる位置５１など補剛が必要な位置のみに補剛材４０ａ、４０ｂを取付け、補剛材の大きさを小さくした場合である。

補剛材４０ａ、４０ｂの取り付け範囲は応力集中の度合いや大きさによるが、高さｂ２については、鋼管２の外径Ｄの０．１倍程度、幅ａ４については、周方向角度で１５°程度が望ましい。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態に係るねじ込み式杭は、基本的な構成は、上記の第１の実施形態に係るねじ込み式杭１Ａあるいは第２の実施形態に係るねじ込み式杭１Ｂと同じであるが、図９に側面図を示すように、この第４の実施形態に係るねじ込み式杭１Ｄは、鋼管２の先端の翼１０に加えて、鋼管２の周面部に第２の翼１２が取り付けられた構造のものであり、その第２の翼１２の始端と終端との段差部を別の補剛材４１によって補強している。この場合、補剛材４１を鋼管２の内側に取り付けるのは手間が掛かるため、鋼管２の外側に取り付けるのが現実的である。

補剛材４１の取り付け範囲の目安は、幅ａ５は鋼管２の周方向角度で１５°〜９０°程度、高さｂ３は鋼管２の外径Ｄの０．１倍〜１．０倍程度が望ましい。また、第３の実施の形態のように、応力集中が発生する位置の必要な位置のみに補剛材を取り付けるようにしてもよい。

１Ａ ねじ込み式杭
１Ｂ ねじ込み式杭
１Ｃ ねじ込み式杭
１Ｄ ねじ込み式杭
２ 鋼管
３ａ 第１の取り付け部
３ｂ 第２の取り付け部
４ａ 第１の段差部
４ｂ 第２の段差部
１０ 翼
１１ａ 下側翼
１１ｂ 上側翼
１２ 第２の翼
３０ 開口部
４０ 補剛材
４０ａ 補剛材
４０ｂ 補剛材
４１ 補剛材
５１ 応力集中部
５２ 亀裂
６０ 新規地盤
６１ 乱された地盤

Claims (5)

1. 鋼管の先端部又はその近傍に翼が取り付けられ、前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設されるねじ込み式杭において、
   翼の始端と終端が取り付けられている段差部に、鋼管を補強するための補剛材が取り付けられていることを特徴とするねじ込み式杭。
2. 前記補剛材が鋼管の内面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のねじ込み式杭。
3. 前記補剛材が鋼管の外面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のねじ込み式杭。
4. 前記補剛材が鋼管の内面と外面に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のねじ込み式杭。
5. 前記補剛材が板材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のねじ込み式杭。

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