JP2010242466A - 鋼管杭及びその施工方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】振動工法により打設される鋼管杭でその先端が開端されている鋼管杭において、鋼管杭の先端部の外周面および内周面は、それぞれ、先端に向かって杭長手方向に漸次縮径するテーパー状外周面2およびテーパー状内周面3とされ、また、テーパー状外周面2およびテーパー状内周面3を設けるテーパー状部分の杭長手方向の長さ(H1)と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径(D1)との比率(H1/D1)が0.12〜1.17とされ、鋼管杭先端の杭外径D2が、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径D1との比率(D2/D1)である縮径率で表した場合に、0.77〜0.97の範囲とされている。前記の鋼管杭1を、鋼管杭に振動を与える振動工法によって地盤に打設する鋼管杭の施工方法とする。
【選択図】図1
Description
また、テーパー状外周面を有するテーパー状杭を格子状に打ち込んで地盤表層部を締め固めて液状化防止を図るようにすることも知られている(例えば、特許文献3参照)
また、負の周面摩擦力を除去するためにテーパー状杭を地盤に貫入させることも知られている(例えば、特許文献4参照)。
また、鋼管杭には、支持層まで打ち込まないで周面摩擦力を主に発揮させて支持力を期待する摩擦杭と、支持層に打ち込んで杭先端部での支持力を主に発揮させて支持力を期待する支持杭とがあり、本発明は、支持杭に属する。
前記の地盤抵抗は、一般的に鋼管杭の打設深度の増加に伴い大きくなり、開端杭を地盤に貫入させる場合、地盤抵抗のなかでも、図10(a)に示すように、鋼管杭内に取り込まれた土(または石や岩を含んだ土)11が鋼管杭内に堆積し、鋼管杭内に取り込まれた土は鋼管杭によって拘束された状態となるため、鋼管杭内周面12と鋼管杭内に取り込まれた土との摩擦力が高まり、この管内周面抵抗が卓越することが知られている。
そのため、これまで杭打ち機の能力を増強したり、管内周面抵抗を軽減する目的で、鋼管杭内側に配管を設置して水噴射や圧窄空気を噴射したり、アースオーガーやハンマグラフにより管内の排土をしたり、杭先端内に管内リングを付ける等の杭先端形状加工を施すといった各種の打設補助策が提案されてきた。
これら対応策は、鋼管杭の打設を補助する一方で、鋼管杭の製作コストの増大や杭施工工期の長期化の要因になっている。そのため、鋼管杭の製作コストの低減および施工コストの低減と共に、鋼管杭に打設補助策を付与する場合でも、安価に抑えることが可能な鋼管杭が望まれる。
(1)鋼管杭先端部をテーパー状とすることで、管内に取り込む土の量が低減でき、これにより土の密度上昇が抑制され、鋼管杭の打設抵抗の主な要因である、管内に取り込まれた土と鋼管杭の内周面で発揮される管内周面抵抗を軽減できる。
(2)鋼管杭先端部をテーパー状とすることで、支持層に支持される鋼材部の鉛直方向の投影断面積が大きくなり、獲得できる杭先端支持力を大きくすることができる。
また、前記の知見に加えて、本発明者は、前記の杭先端部の縮径する比率と、杭先端部に設けるテーパー状部分の杭外径に対する杭長手方向の長さの比率との、杭先端部の受ける地盤抵抗について、実験した結果、前記の杭先端部の縮径する比率と、杭先端部のテーパー状部分の杭外径に対する杭長手方向の長さの比率との、2つのパラメータによって鋼管杭先端部の受ける地盤抵抗が決定されることの知見を得ると共に、これらが所定の範囲
において、全長に渡って外径が一定のストレートな鋼管の開端杭と比べて、トータルの地盤抵抗が軽減されて施工性が向上することを見出し、本発明を完成させた。
また、第2発明では、第1発明の鋼管杭において、テーパー状外周面およびテーパー状内周面を設けるテーパー状部分の杭長手方向の長さ(H1)と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径(D1)との比率(H1/D1)が0.12〜1.17とされ、テーパー状部分先端の外径(D2)と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径(D1)との比率(D2/D1)である縮径率が、0.77〜0.97の範囲とされていることを特徴とする。
第3発明では、第1発明または第2発明の鋼管杭において、テーパー状部分先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたことを特徴とする。
第4発明では、第1発明または第2発明の鋼管杭において、テーパー状部分先端に掘削ビットを設けたことを特徴とする。
第5発明の鋼管杭の施工方法においては、第1発明〜第4発明のいずれかの鋼管杭を、鋼管杭に振動を与える振動工法によって地盤に打設することを特徴とする。
第6発明では第5発明の鋼管杭の施工方法において、鋼管杭先端部のテーパー状外周面に水を噴射することを特徴とする。
第2発明によると、テーパー状外周面およびテーパー状内周面を設けるテーパー状部分の杭長手方向の長さ(H1)と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径(D1)との比率(H1/D1)が0.12〜1.17とされ、テーパー状部分先端の外径(D2)と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径(D1)との比率(D2/D1)である縮径率で表した場合に、0.77〜0.97の範囲とされているので、第1発明の効果に加えて、杭施工機械を小型化できる効果が得られる。
第3発明によると、テーパー状部分先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたので、地盤が硬質であっても、振動工法において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる効果が得られる。
第4発明によると、テーパー状部分先端に掘削ビットを設けたので、地盤が硬質であっても、振動工法において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる効果が得られる。
第5発明によると、第1発明〜第4発明のいずれかに記載の鋼管杭を、鋼管杭に振動を与える振動工法によって地盤に打設するので、先端部にテーパー状部分を有する鋼管杭でも、施工性よく施工することができ、確実な支持力を有する基礎杭を施工性よく、低コストで施工することができる効果が得られる。
第6発明によると、テーパー状部分先端のテーパー状外周面に水を噴射するので、鋼管杭外周面と地盤との摩擦を低減して施工することができ、施工性が向上する効果が得られ
る。
なお、H1/D1を0.12〜1.17に、D2/D1を0.77〜0.97に変化させた際のテーパー角θは、0.7〜43°に相当する。
図2(a)は、電動バイブロハンマー13を備えた振動打設装置により鋼管杭を試験地盤(土槽)に打設している状態を示す一部縦断正面図であり、このような装置に、図2(b)に示す本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1、および図2(c)に示すストレートな鋼管杭10をセットして、これらの鋼管杭について、試験地盤(土槽)に電動バイブロハンマー13を用いた振動工法により打設して、比較試験を行った。
また、試験に用いた1/10縮小模型の比較例のストレートな鋼管杭(図3では、ストレート杭と表記)10の寸法は、外径D1が76mmで鋼管杭の板厚t2.8mmは前記と同様である。 図2(b)に示すように、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1のテーパー状部分4内側に2箇所および先端部外側に1箇所、外径(D1)が一定となっている定常部(外径一定部)の内外に圧力計14を設置して抵抗圧を計測した(なお、図6の抵抗圧は、先端部に位置する圧力計14の抵抗圧の計測値である。)。
現存する振動杭打ち機のパワー(kW)及び1ランク上位の振動杭打ち機とのパワー比率は、下記表1の通り(240kWの振動杭打ち機のパワーに対し、200kWの振動杭打ち機のパワーは、パワー比で0.83であり、200kWの振動杭打ち機のパワーに対し、150kWの振動杭打ち機のパワーは、パワー比率で0.75であり、以下同様)であることから、本発明では、パワー比率0.75を臨界値と設定することにしている。
好ましい範囲として、前記パワー比を60%(表1におけるパワー比を参照で、0.75×0.8とした場合)程度に低減する場合には、鋼管杭の直径の8倍未満に浅く打ち込む場合において、図3のグラフからテーパー状部分4の杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)が0.15〜0.9の範囲であることがわかり、杭打ち機を2ランクスペックダウンした杭打ち機を用いて施工することが可能になることがわかる。
また、図3において、鋼管杭の直径の8倍以上40倍未満に深く打ち込む場合には、テーパー状部分4の杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)が0.18〜0.53の範囲において、消費パワー比を60%以下にすることができ、杭打ち機を2ランクスペックダウンした杭打ち機を用いて施工することが可能になることがわかる。
また、テーパー状部分4の杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)が0.3付近においては、浅く打ち込む場合では、消費パワー比で30%に、深く打ち込む場合でも、消費パワー比で50%に格段に低減することができることがわかる。
前記のように、消費パワー費を75%に低減(杭打ち機を1ランク小型化する場合)する場合には、図4のグラフから、前記のように杭径の8倍未満に浅く打つ場合には、縮径率(D2/D1)を、0.77〜0.97に、杭径の8倍以上40倍未満に深く打つ場合には、0.78〜0.96に設定すれば、よいことがわかる。
また、消費パワー費を60%に低減(杭打ち機を2ランク小型化する場合)する場合には、図4のグラフから、前記のように杭径の8倍未満に浅く打つ場合には、縮径率(D2/D1)を、ほぼ0.78〜0.96に、杭径の8倍以上40倍未満に深く打つ場合には、0.81〜0.93に設定すればよいことがわかる。
また、杭径の8倍未満に浅く打つ場合には、縮径率(D2/D1)を0.9とすると、消費パワー比が40%未満に、杭径の8倍以上40倍未満に深く打つ場合でも、消費パワー比を50%程度にできることがわかる。
また、先端テーパー状部分付きの鋼管杭1は、そのテーパー状部分4の長手方向の長さによって、貫入性・地盤抵抗が異なり、緩やかなテーパーが好ましく、例えば、テーパー状部分4の杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)で0.25で、縮径率が0.9程度の鋼管杭が最も望ましいことがわかる。
杭試験体NO.1の先端部テーパー付き鋼管杭のように、テーパー状部分4の杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)が0.57で縮径率が0.8の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1では、杭打ち機で同じパワーであれば、限界貫入深さ(H2)を僅かに深くすることができることから、施工性が向上することがわかる。
杭試験体NO.2の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1のように、テーパー状部分4の杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)が0.27で縮径率が0.8の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1では、杭打ち機で同じパワーであれば、パワーを高めるほど、他の杭に比べて限界貫入深さを急激に深くすることができることから、施工性が向上することがわかる。
杭試験体NO.4の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1のように、テーパー状部分4の
杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)が0.14で縮径率が0.90の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1では、杭打ち機で同じパワーであれば、パワーを高めるほど、NO.1の杭に近づき、施工性が向上することがわかる。
図6において、左側に位置する縦2つの四角印で示すストレートな鋼管杭10の場合には、テーパー状部分4がないから、その抵抗圧がほとんどなく管内周面抵抗が大きいことを示している。
また、中央の2つの四角印で示す縮径率(D2/D1)が0.9で、テーパー状部分4の杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)が0.28の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1の場合には、テーパー状部分4による抵抗圧および管内周面の抵抗圧が、ストレートな鋼管杭10に比べて格段に低減していることを示している。
また、右側の2つの四角印で示す縮径率(D2/D1)が0.8で、テーパー状部分4の杭長手方向の長さH1と、杭外径D1の比率(H1/D1)が0.27の先端テーパー状部分付きの鋼管杭1の場合には、管内周面の抵抗圧が格段に低減するので、テーパー状部分4による抵抗圧が高くなるが、ストレートな鋼管杭10に比べてトータルの抵抗圧は小さくすることができることがわかる。
前記形態では、先端テーパー状部分付きの鋼管杭1の先端に掘削ビット6を設けた形態である。このように、先端テーパー状部分付きの鋼管杭1の先端に掘削ビット6を設けると、地盤が硬質であっても、振動工法において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる。
の杭施工機械で施工することができ、経済的な施工が可能になる。
2 テーパー状外周面
3 テーパー状内周面
4 テーパー状部分
5 尖り部
6 掘削ビット
7 ノズル
8 高圧ホースまたは給水管
9 外径D1が一定の杭外周面
10 ストレートな鋼管杭
11 砂(または土)
12 鋼管杭内周面
13 電動バイブロハンマー
14 圧力計
Claims (6)
- 振動工法により打設される鋼管杭でその先端が開端されている中空の鋼管杭において、鋼管杭の先端部の外周面および内周面は、それぞれ、先端に向かって杭長手方向に漸次縮径するテーパー状外周面およびテーパー状内周面とされていることを特徴とする鋼管杭。
- テーパー状外周面およびテーパー状内周面を設けるテーパー状部分の杭長手方向の長さ(H1)と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径(D1)との比率(H1/D1)が0.12〜1.17とされ、テーパー状部分先端の外径(D2)と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径(D1)との比率(D2/D1)である縮径率が、0.77〜0.97の範囲とされていることを特徴とする請求項1に記載の鋼管杭。
- テーパー状部分先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の鋼管杭。
- テーパー状部分先端に掘削ビットを設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の鋼管杭。
- 請求項1〜4の何れか1項に記載の鋼管杭を、鋼管杭に振動を与える振動工法によって地盤に打設することを特徴とする鋼管杭の施工方法。
- 鋼管杭先端部のテーパー状外周面に水を噴射することを特徴とする請求項5に記載の鋼管杭の施工方法。
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