JP2011084892A - 基礎杭構造および基礎杭構造の構築方法 - Google Patents

Abstract

【課題】打込み杭として地盤に打設される鋼管杭の支持力を向上可能な、基礎杭構造および基礎杭構造の構築方法を提供する。
【解決手段】基礎杭構造は、鋼管１１の外周面に窪部１２が設けられた鋼管杭１０を、圧入工法、打撃工法、振動工法のいずれかにより、窪部が地盤と接するように打設して構築される。これにより、鋼管の外周面に窪部が設けられた鋼管杭を、回転圧入工法、圧入工法、打撃工法、振動工法等、鋼管杭の周辺の地盤を極力乱さない工法により打設することで、鋼管杭の外周面と地盤の間の摩擦を増加させて、鋼管杭の支持力、特に周面摩擦力を向上可能な鋼管杭基礎を構築することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、基礎杭構造および基礎杭構造の構築方法に関する。

構造物の基礎としての杭の支持力は、先端支持力および周面摩擦力により発揮される。先端支持力は、杭の先端と地盤の間の支圧により鉛直荷重に抵抗する力であり、周面摩擦力は、杭の周面と地盤の間の摩擦により鉛直荷重に抵抗する力である。

鋼管杭は、一般に周面（外周面）が平滑であるため、大きな周面摩擦力を発揮し難い。よって、例えば下記特許文献１、２に開示されるように、鋼管杭の外周面と地盤の間の摩擦を増加させて周面摩擦力を向上させるために、鋼管杭の外周面に突起、羽根等の突出部が設けられる場合がある。

プレボーリング工法、中掘り工法、ジェット工法等により地盤、ソイルセメント、コンクリート等に埋設される埋込み杭では、突出部の存在により鋼管杭の外周面と地盤または固化した状態のソイルセメントもしくはコンクリートの間の周面摩擦力を向上させることができる。

一方、本件出願人は、下記特許文献３に開示されるように、埋込み杭として地盤、ソイルセメント、コンクリート等に埋設される鋼管杭の支持力を向上させるために、鋼管杭の外周面に窪部が設けられた鋼管杭を提案している。

特開２００１−９００６１号公報 特開２００２−２５６５５４号公報 特開２００７−８５１５７号公報

しかし、圧入工法、打撃工法、振動工法等により地盤に打設される打込み杭では、突出部の存在により、鋼管杭の外周付近の地盤が乱されてしまい、鋼管杭の外周面と地盤の間の摩擦を増加させて、周面摩擦力を十分に向上させることができない場合がある。

そこで、本発明は、打込み杭として地盤に打設される鋼管杭の支持力を向上可能な、基礎杭構造および基礎杭構造の構築方法を提供しようとするものである。

本発明のある実施形態によれば、鋼管の外周面に窪部が設けられた鋼管杭を、回転圧入工法、圧入工法、打撃工法、振動工法のいずれかにより、窪部が地盤と接するように打設して構築されたことを特徴とする基礎杭構造が提供される。

かかる構成によれば、鋼管の外周面に窪部が設けられた鋼管杭を、回転圧入工法、圧入工法、打撃工法、振動工法等、鋼管杭の周辺の地盤を極力乱さない工法により打設することで、鋼管杭の外周面と地盤の間の摩擦を増加させて、鋼管杭の支持力、特に周面摩擦力を向上可能な鋼管杭基礎を構築することができる。

ここで、鋼管杭は、鋼管の外径と同等またはそれ以下の外径を有する蓋部により、支持端となる杭先端が閉塞されている。

ここで、蓋部は、杭先端から鋼管の軸方向に突出して錐状に設けられていてもよい。また、鋼管の軸に対して傾斜方向に窪部が設けられた鋼管杭を、回転圧入工法により地盤に打設してもよい。

また、鋼管杭には、鋼管の外径をＤとすると、杭先端から１Ｄ〜４Ｄの範囲外、特に１Ｄの範囲外に窪部が設けられてもよい。

また、本発明の別の実施形態によれば、鋼管の外周面に窪部が設けられた鋼管杭を、回転圧入工法、圧入工法、打撃工法、振動工法のいずれかにより、窪部が地盤と接するように打設して構築することを特徴とする、基礎杭構造の構築方法が提供される。

本発明によれば、打込み杭として地盤に打設される鋼管杭の支持力を向上可能な、基礎杭構造および基礎杭構造の構築方法を提供することができる。

鋼管杭基礎に適用される鋼管杭の構成を示す図（１／３）である。 鋼管杭基礎に適用される鋼管杭の構成を示す図（２／３）である。 鋼管杭基礎に適用される鋼管杭の構成を示す図（３／３）である。 鋼管杭基礎に適用される鋼管杭の製造方法の一例を示す図である。 鋼管杭の支持力が向上するメカニズムを示す図である。 鋼管杭の載荷試験用の試験杭を示す図である。 載荷試験の方法を示す図である。 載荷試験の結果を示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１〜図３は、本発明の実施形態に係る鋼管杭基礎に適用される鋼管杭１０の構成を示す図である。

鋼管杭１０は、外周面に窪部１２が設けられ、支持端となる杭先端に蓋部１３が取付けられる。窪部１２は、鋼管杭１０の外周面と地盤の間の摩擦を増加させて、周面摩擦力を向上させるために設けられる。蓋部１３は、いわゆる閉端杭として鋼管杭１０を機能させるために取付けられる。

窪部１２は、例えば、鋼管１１の円周方向に、軸方向に所定の間隔で複数形成される。窪部１２は、同一円周上で円周全体に形成される（図１（ａ）参照）。窪部１２は、同一円周上で互いに対称となる位置に複数形成されてもよく（図１（ｂ）参照）、軸方向に所定の間隔を開けて互いに対称となる位置に複数形成されてもよい（図１（ｃ）参照）。

また、窪部１２は、鋼管１１の軸に対して傾斜方向に、軸方向に所定の間隔で複数形成されてもよい。窪部１２は、同一円周上で互いに対称となる位置に、傾斜方向を互いに異にして複数形成されてもよい（図２（ａ）参照）。窪部１２は、軸方向に所定の間隔を開けて互いに対称となる位置に、傾斜方向を互いに異にして複数形成されてもよい（図２（ｂ）参照）。窪部１２は、同一円周上で互いに対称となる位置、または軸方向に所定の間隔を開けて互いに対称となる位置に、同一の傾斜方向で複数形成されてもよい（図２（ｃ）、（ｄ）参照）。

窪部１２は、三角形状、四角形状、台形状、半円形状等の横断面形状で形成される。鋼管杭１０の外周面と地盤の間の摩擦を得るために、鋼管１１の外径をＤとすると、窪部１２は、例えば、最深部の深さが０．００５Ｄ〜０．２Ｄ程度、幅が０．０１５Ｄ〜２Ｄ程度の横断面形状で形成される。

図３に示すように、蓋部１３は、支持端となる杭先端を閉塞するように鋼管１１に取付けられる。蓋部１３は、円板状の部材であり、鋼管１１の内径以上かつ外径と同等もしくはそれ以下の外径を有する（図３（ａ）参照）。ここで、“鋼管１１の外径と同等”とは、鋼管１１の外周面からその肉厚程度の突出を許容することを意味している。また、蓋部１３´は、円錐状、角錐状等の錐状に形成され、杭先端から軸方向に突出するように鋼管１１に取付けられてもよい（図３（ｂ）参照）。

窪部１２は、鋼管杭１０の先端付近の地盤を極力乱さないように、杭先端から１Ｄ〜４Ｄの範囲外、特に１Ｄの範囲外に設けられることが望ましい。図３には、杭先端から１Ｄの範囲外に窪部１２が設けられた鋼管杭１０が示されている。

窪部１２は、鋼管製造ラインにおいて造管工程後に、熱間または温間で、押圧手段により鋼管１１の外周面に形成される。このため、鋼管杭基礎に適用される鋼管杭１０は、製造ライン上で製造可能であり、通常の造管工程により容易かつ経済的に製造され、優れた周面摩擦力を発揮する。

図４は、鋼管杭基礎に適用される鋼管杭１０の製造方法の一例を示す図である。図４には、鍛接管製造ラインにおいて、鍛接後の鋼管１１を加熱し、鋼管１１の表面を押圧手段により押圧して窪部１２を形成する工程を設ける場合が示されている。

図４（ａ）には、通常の鍛接管の製造ラインが示されている。製造ラインでは、所定の幅にスリットされた鋼帯が＃１ロールにより円形状の断面に成形され、＃２ロールにより両端部が加熱されて圧接および衝合される。衝合された鋼管は、＃３〜＃１４ロールにより、所定の寸法に縮径するために絞り込まれ、切断機により所定の長さに切断され、＃１５〜＃１７ロールにより成形されて、鍛接管として製造される。

図４（ｂ）には、窪部１２を形成する工程を設けた製造ラインの一例が示されている。製造ラインでは、切断機の手前の＃１４ロールのみが変更されている。当該ロールには、押圧手段として機能するために、ロール周面にロール軸方向の所定の箇所で凸部（突出部）が設けられている。当該ロールは、上ロールおよび／または下ロールとして使用される。

当該ロールにより高温の鍛接管を押圧することで、凸部と当接する鋼管の外周面に凹部（縮径部）が形成される。ここで、冷間での加工に比して、当該ロールに設けられた凸部に即した形状の凹部が形成されるので、凹部を正確に形成することができる。その後、鋼管を所定の長さに切断および成形することで、鋼管の外周面に窪みが設けられた鍛接管が製造される。

ここで、凹部の形状、間隔を変更する場合には、当該ロールに設けられた凸部を所定の形状、間隔に変更すればよい。また、上ロールおよび下ロールに凸部を設けて鋼管上に形成される凹部の配置を同一にする場合には、上ロールおよび下ロールに設けられた凸部の位置を初期位置に合わせておき、例えば上ロールおよび下ロールを同一の駆動源およびユニバーサルジョイント等を介して連結して同期させて駆動すればよい。

当該ロールに設ける凸部の形状は、図４（ｃ）に示すように、ロールの中心部を高くし、ロールの端部に向けて低くすることが望ましい。これは、ロールの周速は、ロールの中心部に比して、大径となるロールの端部で大きくなり、ロールを通過する鋼管の速度よりロールの周速が早い場合には、鋼管に無用な力が作用し、鋼管に必要以上の変形、歪みが生じてしまうためである。

図５は、鋼管杭１０の支持力が向上するメカニズムを示す図である。図５は、鋼管２１の外周面に突出部２２が設けられた従来の鋼管杭２０（図５（ａ）参照）と、鋼管１１の外周面に窪部１２が設けられた本発明の実施形態に適用される鋼管杭１０（図５（ｂ）参照）の打設状況を対比して示している。

従来の鋼管杭２０には、先端部の外周面に突出部２２としての羽根２２が設けられている。回転圧入工法により地盤に鋼管杭２０を打設する場合、鋼管杭２０の先端付近および外周付近の土は、羽根２２により撹拌されて、かく乱された状態で鋼管杭２０の外周に沿って上昇する。

これにより、鋼管杭２０と地盤の間に間隙が生じる等、鋼管杭２０の外周付近および先端付近の地盤が乱されてしまい、鋼管杭２０の外周面と地盤の間の摩擦を増加させて、周面摩擦力を十分に向上させることができない場合がある。

ちなみに、設計基準によれば、杭の周面摩擦力は、杭の周面摩擦抵抗を考慮できる地盤中の杭の周面積に、地層毎の推定摩擦力度（平均Ｎ値等に比例）を乗じて算出される。また、杭の先端支持力は、杭先端から下方へ１Ｄ、上方へ４Ｄの範囲の地盤の硬さに、杭の外周面で囲まれた部分の断面積（杭の横断面と内空断面の合計）および所定の支持力係数を乗じて算出される。このため、鋼管杭２０の外周付近および先端付近の土がかく乱されると、地盤が乱されてしまい設計上の推定摩擦力度および支持力係数を十分に期待できなくなるとも考えられる。

なお、突出部２２として羽根２２の代わりに突起が設けられている場合も、鋼管杭２０の打設に伴い移動する突起により、鋼管杭２０と地盤の間に間隙が生じる等、鋼管杭２０の外周付近および先端付近の地盤が乱されてしまう場合がある。また、回転圧入工法の代わりに圧入工法、打撃工法、振動工法等により打設する場合も、同様に鋼管杭２０の外周付近および先端付近の地盤が乱されてしまう場合がある。

ここで、圧入工法とは、油圧等の静荷重により既製杭を地盤中に押し込む工法である。回転圧入工法とは、モーター等を用いて杭を回転させながら圧入することで、既製杭を地盤中に押し込む工法である。打撃工法とは、ディーゼルハンマ、ドロップハンマ等を用いて、打撃力により既製杭を地盤中に打ち込む工法である。振動工法は、振動式パイルドライバ等を用いて、上下振動により既製杭を地盤中に打ち込む工法である。

また、地中に存在する異物に突出部２２が衝突すると、突出部２２の損傷、脱落等が生じる場合もあり、異物に突出部２２が引っ掛かると、鋼管杭２０を円滑に打設できなくなる場合もある。

一方、本発明の実施形態に適用される鋼管杭１０には、杭先端から１Ｄ〜４Ｄの範囲外、特に１Ｄの範囲外の外周面に窪部１２が設けられている。回転圧入工法により地盤に鋼管杭１０を打設する場合、鋼管杭１０の外周付近および先端付近の土は、鋼管杭１０の打設に伴い移動する窪部１２により殆どかく乱されず、締固められた状態を維持したままで鋼管杭１０の外周に沿って上昇する。これは、鋼管杭１０の外周付近の土は、鋼管杭２０の打設に伴い移動する突出部２２に比して、鋼管杭１０の打設に伴い移動する窪部１２によりかく乱され難いためである。

これにより、鋼管杭１０と地盤の間に間隙が生じる等して、鋼管杭１０の外周付近および先端付近の地盤が殆ど乱されることがないので、鋼管杭１０の外周面と地盤の間の摩擦を増加させて、周面摩擦力を向上させることができる。さらに、杭先端から１Ｄ〜４Ｄの範囲外、特に１Ｄの範囲外に窪部１２が設けられていれば、鋼管杭１０の先端付近の地盤が殆ど乱されず、地盤との間の支圧を確保して、先端支持力を十分に発揮させることができる。

ここで、鋼管１１の軸に対して傾斜方向に窪部１２が設けられている鋼管杭１０を、回転圧入工法により打設する場合、窪部１２の存在によりある程度の推進力が打設方向で鋼管杭１０に作用する。また、杭先端から軸方向に突出する錐状の蓋部１３´（図３（ｂ）参照）が鋼管１１に取付けられている場合も、鋼管杭１０の先端付近の土が殆どかく乱されずに鋼管杭１０の外周に沿って上昇し易くなる。これにより、いずれの場合も、より小さな施工荷重で鋼管杭１０を円滑に打設することができる。

なお、回転圧入工法の代わりに圧入工法、打撃工法、振動工法等により打設する場合も、同様に鋼管杭１０の外周付近および先端付近の地盤が殆ど乱されず、支持力を発揮させることができる。

以下では、図６〜図８を参照しながら、鋼管杭１０の支持力（特に周面摩擦力）の向上を実証するために行われた載荷試験について説明する。図６は、鋼管杭１０の載荷試験用の試験杭３０を示す図であり、図７および図８は、載荷試験の方法および結果を各々に示す図である。

図６に示すように、鋼管杭１０の載荷試験は、＃０試験杭３０ａ、＃１試験杭３０ｂ、および＃２試験杭３０ｃを用いて、三軸土槽４０により行われた。＃０〜＃２試験杭３０ａ〜３０ｃの寸法は、いずれも杭長１０００ｍｍ、外径（Ｄ）６０．５ｍｍ、鋼管厚（ｔ）３．２ｍｍであった。

＃０試験杭３０ａには、鋼管３１の外周面に窪部３２が設けられず、＃１試験杭３０ｂには、杭先端から４４０ｍｍの位置に窪部３２が設けられ、＃２試験杭３０ｃには、杭先端から２２０ｍｍおよび４４０ｍｍの各位置に窪部３２が設けられた。＃１、＃２試験杭３０ｂ、３０ｃには、鋼管３１の円周方向に同一円周上で円周全体に、三角形状（深さ８ｍｍ、幅４０ｍｍ）の横断面で窪部３２が形成された。

図７に示すように、三軸土槽４０は、上板４１、下板４２、およびタイロッド４３で締結された上板４１と下板４２の間に配置された円筒状の側板４４により構成される。土槽４０は、レベル調整脚４５の調整により床上に水平に配置される。

上板４１の中央には、試験杭３０が挿通される挿通口４６が設けられ、上板４１の上部には、挿通口４６を介した試験杭３０の上下動を案内するガイドローラー４７が配置される。下板４２の中央には、試験杭３０の先端部を上下動自在に支持するとともに、試験杭３０に先端支持力が生じないようにするガイド４８が配置される。側板４４の内周面には、土槽４０内に充填された試験砂５０を通じて試験杭３０の外周面に側圧を作用させる側圧エアバッグ４９が取付けられる。上板４１の上方には、上板４１上に立組みされた支柱５１を介してスクリュージャッキ５２が配置され、スクリュージャッキ５２の下端にロードセル５３が取付けられる。

試験杭３０は、挿通口４６を介して土槽４０内に配置される。試験杭３０の先端部は、上下動自在の状態でガイド４８により支持され、試験杭３０の上端部には、載荷用キャップ５４が取付けられる。試験杭３０の上端部には、スクリュージャッキ５２の調整によりロードセル５３が接触される。

土槽４０は、外径５５５．８ｍｍであり、試験砂５０として相対密度８５％の珪砂を充填された。載荷試験は、所定の側圧条件で、試験杭３０に載荷される荷重および試験杭３０の沈下量を測定して行われた。側圧条件は、側圧エアバッグ４９の調整により行われる。側圧条件は、側圧１（約０．０１８ＭＰａ：深度２ｍに相当）、側圧２（０．０４５ＭＰａ：深度５ｍに相当）、側圧３（０．０９０ＭＰａ：深度１０ｍに相当）の３条件とした。荷重の載荷は、スクリュージャッキ５２の調整により行われ、最大荷重（試験杭３０の周面摩擦力に相当する。）をロードセル５３により計測した。ここで、“最大荷重”とは、各々の試験において記録した荷重のうち最も大きい値（計測荷重の時系列データ中の最大値）のことである。

図８には、載荷試験の結果が示されている。＃０試験杭３０ａでは、側圧１〜３の各条件で、最大荷重が０．５ｋＮ、１．１ｋＮ、２．４ｋＮと計測された。＃１試験杭３０ｂでは、同様に、最大荷重が０．９ｋＮ、１．８ｋＮ、３．２ｋＮと計測された。＃２試験杭３０ｃでは、同様に、最大荷重が１．９ｋＮ、２．９ｋＮ、５．１ｋＮと計測された。

載荷試験の結果として、＃１試験杭３０ｂの最大荷重は、側圧１および３の条件で、＃０試験杭３０ａの１．８倍および１．３倍となり、＃２試験杭３０ｃの最大荷重は、側圧１および３の条件で、＃０試験杭３０ａの３．８倍および２．１倍となった。これにより、試験杭３０と試験砂５０の間の摩擦は、窪部３２の数に応じて増加することが確認された。また、試験杭３０と試験砂５０の間の摩擦は、窪部３２の数が多いほど高い増加率で側圧に比例して増加することが確認された。

載荷試験の結果によれば、鋼管３１の外周面に窪部３２が設けられた試験杭３０を、杭周辺の試験砂５０を極力乱さないように貫入することで、試験杭３０の周面摩擦力が向上することが実証された。

上記実施形態に係る鋼管杭構造によれば、鋼管１１の外周面に窪部１２が設けられた鋼管杭１０を、回転圧入工法、圧入工法、打撃工法、振動工法等、鋼管杭１０の周辺の地盤を極力乱さない工法により打設することで、鋼管杭１０の外周面と地盤の間の摩擦を増加させて、鋼管杭１０の支持力、特に周面摩擦力を向上可能な鋼管杭基礎を構築することができる。そして、鋼管杭１０の支持力の向上により鋼管杭１０の設置本数を低減させることが可能となり、経済的な鋼管杭基礎を構築することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 鋼管杭
１１ 鋼管
１２ 窪部
１３ 蓋部
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 試験杭
４０ 三軸土槽

Claims (7)

1. 鋼管の外周面に窪部が設けられた鋼管杭を、回転圧入工法、圧入工法、打撃工法、振動工法のいずれかにより、前記窪部が地盤と接するように打設して構築されたことを特徴とする基礎杭構造。
2. 前記鋼管杭は、前記鋼管の外径と同等もしくはそれ以下の外径を有する蓋部により、支持端となる杭先端が閉塞されていることを特徴とする、請求項１に記載の基礎杭構造。
3. 前記蓋部は、杭先端から前記鋼管の軸方向に突出して錐状に設けられていることを特徴とする、請求項２に記載の基礎杭構造。
4. 前記鋼管の軸に対して傾斜方向に前記窪部が設けられた前記鋼管杭を、回転圧入工法により地盤に打設することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の基礎杭構造。
5. 前記鋼管杭には、前記鋼管の外径をＤとすると、杭先端から１Ｄ〜４Ｄの範囲外に前記窪部が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の基礎杭構造。
6. 前記鋼管杭には、杭先端から１Ｄの範囲外に前記窪部が設けられていることを特徴とする、請求項５に記載の基礎杭構造。
7. 鋼管の外周面に窪部が設けられた鋼管杭を、回転圧入工法、圧入工法、打撃工法、振動工法のいずれかにより、前記窪部が地盤と接するように打設して構築することを特徴とする、基礎杭構造の構築方法。

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