JP2011157780A - 鋼管杭の施工方法、鋼管杭基礎および鋼管杭 - Google Patents

Abstract

【課題】回転圧入に伴う管内土の閉塞現象を調整することで圧入抵抗の増加を抑制することができ、施工性を向上させることができる鋼管杭の施工方法、鋼管杭基礎および鋼管杭を提供すること。
【解決手段】第１回転圧入工程においては、リブ４の傾斜角度θ１＜圧入回転角度θ２となるように、鋼管杭２の鉛直下向き変位と回転変位量とを調節しつつ鋼管杭２を回転圧入することで、管内土Ｓに上向きの応力Ｔを与えて鋼管内周面３との摩擦力Ｆを低減することにより、管内土Ｓの閉塞を抑制することができ、圧入抵抗の増加を抑えて施工性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼管杭の施工方法、鋼管杭基礎および鋼管杭に関し、詳しくは、回転圧入工法によって鋼管杭を地盤に貫入する際に利用可能な鋼管杭の施工方法、内面に螺旋状の突起を有した鋼管杭を前記施工方法によって地盤に貫入して構築される鋼管杭基礎および鋼管杭に関する。

従来、先端ビットや螺旋状の羽根を有した鋼管を回転させつつ地盤に貫入することで構築される鋼管杭が知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。
特許文献１に記載された鋼管杭では、鋼管の内周面および外周面にそれぞれ螺旋状の突起が形成され、外周面の突起が地盤にねじ込まれて掘進するとともに、外周面の突起と逆旋回に形成された内周面の突起で鋼管内部の土砂を締め固めることで、管内土の閉塞効果を高めて先端支持力の向上が図られるようになっている。
また、特許文献２に記載された鋼管杭は、先端外周面の羽根の掘進力によって地盤に貫入されるとともに、鋼管先端近傍の内周面に形成された円環状の突起（開孔リブ）で管内土を閉塞し、鋼管先端部に支持底部を形成することで、回転トルクを軽減しつつ先端支持力の向上が図られるようになっている。

一方、特許文献３に記載された鋼管杭は、先端外周面の羽根の掘進力によって地盤に貫入され、この羽根と同じ旋回方向で螺旋状に形成された鋼管内周面の突起が鋼管内部上方に向かって土砂を取り込むことで、管内土の閉塞を防止して回転トルクを軽減しつつ直進性の向上が図られるようになっている。
また、特許文献４に記載された鋼管杭は、回転圧入により先端ビットで地盤を掘削することで地盤に貫入されるようになっている。そして、中間層の掘削時には、土砂を先端ビットで外側へ押し出すことで、管内土の閉塞を防止して回転トルクを軽減し、支持層到達後に逆回転させて鋼管内部に土砂を取り込むことで、管内土の閉塞効果を高めて先端支持力の向上が図られるようになっている。

特開平４−８５４１５号公報 特開平８−２２６１２４号公報 特開２００５−２９９１９２号公報 特開２００９−２４９８９３号公報

ところで、特許文献１、２に記載された鋼管杭のように、鋼管内部に土を取り込んで閉塞させることは、先端支持力向上の面では好ましいものの、施工時の圧入抵抗が増大することにより施工性が低下してしまうという不都合が生じる。
このような不都合に対して特許文献３に記載された鋼管杭のように、鋼管内周面の突起が羽根と同じ旋回方向で形成され、鋼管内部上方に向かって土を取り込むように構成されているものの、鋼管内周面と管内土との摩擦抵抗によって管内土が徐々に閉塞することから、貫入に伴って圧入抵抗が大きくなってしまう。
また、特許文献４に記載された鋼管杭のように、先端ビットの角度を調整することで、鋼管内部に流入する土砂量を調整することはできるものの、貫入に伴って増加する土砂量が一定量を超えると管内土の閉塞現象が発生することが考えられ、上述のような不都合を十分に解消することは困難である。

本発明の目的は、回転圧入に伴う管内土の閉塞現象を調整することで圧入抵抗の増加を抑制することができ、施工性を向上させることができる鋼管杭の施工方法、鋼管杭基礎および鋼管杭を提供することにある。

本発明は、管内土の閉塞現象の発生メカニズムに着目することで、当該閉塞現象を調整して圧入抵抗の増加を抑制しようとするものである。
具体的には、図８に示すように、鋼管Ｐの内部に流入する土砂と鋼管内周面Ｐ１には、施工時において摩擦力Ｆ１，Ｆ２が発現している。施工時（つまり下向きに鋼管Ｐが移動する場合）においては、管内土Ｓ１は下向きの摩擦力Ｆ１を受けている。この下向きの摩擦力Ｆ１は鋼管内周面Ｐ１付近の土砂に下向きの圧縮応力Ｃ１となり、管内土Ｓ１の下方へと伝達される。一方、圧縮応力Ｃ１を受ける管内土Ｓ１の下方向に位置する管内土Ｓ２は、下向きの圧縮応力Ｃ２により、その土圧レベルが上昇し、作用として管内に作用する水平方向の土圧Ｈ３を増加させることとなる。このように摩擦力Ｆ１から、圧縮応力Ｃ１，Ｃ２の増加、鋼管内周面Ｐ１に作用する水平土圧Ｈ３の増加は、管内土Ｓ１，Ｓ２の上部から下方へと順次、伝達されることで管内における摩擦力Ｆ３を急激に増加させ、この結果として管内土Ｓ２の下向きの圧縮応力Ｃ３が地盤の破壊強度を超えるまで増強された結果、閉塞現象が発生する。

以上のような閉塞現象のメカニズムを基に鋭意検討を進めた結果、閉塞現象を引き起こす管内の摩擦力Ｆ１〜Ｆ３や、それによる鉛直方向の土圧応力Ｃ１〜Ｃ３の重ね合わせ現象を抑制することで、あるいは助長することで、管内土Ｓ１，Ｓ２の閉塞が調整可能となることが明らかになった。本発明は、摩擦力Ｆ１〜Ｆ３に応じて増強される下向きの圧縮応力Ｃ１〜Ｃ３を調整することで、管内土Ｓ１，Ｓ２の閉塞を調整して圧入抵抗の増加を抑制するという作用効果を得るために以下の構成を備える。

本発明の鋼管杭の施工方法は、内面に螺旋状の突起を有する鋼管杭を地盤に回転圧入する鋼管杭の施工方法であって、前記螺旋状の突起と鋼管軸とがなす下向きの傾斜角度と、回転圧入時の回転変位量と鉛直変位量とで構成する施工角度とが同一象限となるように、前記鋼管杭の回転方向を設定し、前記突起の傾斜角度よりも前記施工角度が大きくなるように、前記鋼管杭の回転速度および圧入速度の少なくとも一方を調節しつつ回転圧入する第１回転圧入工程を備えることを特徴とする。

以上の本発明によれば、鋼管内面に形成した螺旋状の突起の傾斜角度と同一象限かつ当該傾斜角度よりも回転圧入時の回転変位量と鉛直変位量とで構成する施工角度が大きくなるように、回転速度や圧入速度を調節することで、圧入に伴って閉塞しようとする管内土を突起が上向きに押し上げることができ、管内土に生じる下向きの圧縮応力を解消または低減させることができる。従って、第１回転圧入工程において、管内土の閉塞現象を調整しつつ鋼管杭を回転圧入することで、貫入に伴う圧入抵抗の増加を効果的に抑制することができ、回転トルクの増大を抑えて施工性を向上させることができる。
以上の第１回転圧入工程における回転速度や圧入速度の調節方法としては、回転速度のみを調節してもよいし、圧入速度のみを調節してもよいし、さらには回転速度と圧入速度の両方を調節してもよい。ここで、具体的には、突起の傾斜角度と施工角度とが同一となる回転速度と圧入速度の組み合わせに対し、回転速度を速く（回転変位量を大きく）してもよいし、また圧入速度を遅く（鉛直変位量を小さく）してもよいし、さらには回転速度を速くかつ圧入速度を遅くしてもよく、いずれの調節方法によっても突起の傾斜角度よりも施工角度を大きくすることができる。

この際、本発明の鋼管杭の施工方法は、前記施工角度が前記突起の傾斜角度と同一となるか、または前記施工角度が前記突起の傾斜角度よりも小さくなるように、回転圧入時の回転速度および圧入速度の少なくとも一方を調節しつつ回転圧入する第２回転圧入工程を備えることが好ましい。
さらに、前記鋼管杭の先端を支持層へ貫入する際に前記第２回転圧入工程を実施することが好ましい。
このような構成によれば、必要に応じて第２回転圧入工程を実施することで、管内土が閉塞するように閉塞現象を調整することもでき、例えば、施工最終段階である支持層へ貫入する際において、管内土の閉塞を促進させることで、先端支持力を確保することができる。
以上の第２回転圧入工程では、突起の傾斜角度と施工角度とが同一となるように回転速度と圧入速度とを調節してもよいし、あるいは前記第１回転圧入工程とは逆に、突起の傾斜角度と施工角度とが同一となる組み合わせに対し、回転速度を遅く（回転変位量を小さく）し、または圧入速度を速く（鉛直変位量を大きく）し、さらには回転速度を遅くかつ圧入速度を速くすることで、突起の傾斜角度よりも施工角度が小さくなるように調節してもよい。

また、本発明の鋼管杭の施工方法では、前記鋼管杭を打ち止めする際に、前記鋼管杭を逆回転させて当該鋼管杭内部の土を締め固める逆回転工程を実施することが好ましい。
このような逆回転工程を実施するようにすれば、突起が管内土を下向きに押し下げることによって管内土を締め固めることで、その閉塞をさらに促進させることができ、先端支持力の向上を図ることができる。

また、本発明の鋼管杭基礎は、内面に螺旋状の突起を有した鋼管杭を前記いずれかの施工方法によって地盤に貫入して構築されることを特徴とする。
このような鋼管杭基礎によれば、前述の施工方法と同様の効果を得ることができ、施工性の向上による施工コストの低減および工期の短縮を図りつつ、高い先端支持力を確保した杭基礎を構築することができる。
さらに、本発明の鋼管杭は、回転により地盤に貫入される鋼管杭であって、内面に形成される螺旋状の突起と、先端外周面に形成される螺旋状の羽根とを備え、前記螺旋状の突起の段差寸法が前記螺旋状の羽根の段差寸法よりも大きく形成されていることを特徴とする。
このような鋼管杭によれば、突起と羽根との段差寸法に差をつけ、突起の傾斜角度よりも螺旋状の羽根の掘進に伴う圧入回転角度を大きくすることで、当該鋼管杭を回転させて地盤に貫入させるだけで前記第１回転圧入工程を実施することができる。

以上のような本発明の鋼管杭の施工方法、鋼管杭基礎および鋼管杭によれば、回転圧入に伴う管内土の閉塞を抑制したり閉塞を促進させたりなど、閉塞現象を適宜に調整することができることから、圧入抵抗の増加を抑制することによる施工性の向上を図ることができるとともに、必要に応じて閉塞を促進させることにより先端支持力を高めることもできる。

本発明の鋼管杭基礎の一部を示す断面図である。 前記鋼管杭基礎に用いる鋼管杭の作用を説明する図である。 前記鋼管杭の回転圧入方法を説明する図である。 前記鋼管杭の突起の作用を説明する図である。 前記鋼管杭を用いた実験結果を示すグラフである。 前記突起の他の作用を説明する図である。 本発明の変形例に係る鋼管杭を示す断面図である。 一般的な鋼管杭における圧入時の作用を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、鋼管杭基礎１は、地盤Ｇに貫入した鋼管杭２を備えて構成されている。鋼管杭２は、杭打ち機により回転されるとともに圧入される回転圧入工法によって地盤Ｇに貫入されるものであって、その内周面３に螺旋状の突起である複数のリブ４が形成された内面リブ付きのスパイラル鋼管で構成されている。リブ４は、深さ方向（図１中の下方）に向かって時計回りの螺旋状に形成され、その傾斜を図２に示すように、鋼管軸Ｚとなす傾斜角度θ１として規定する。

このような鋼管杭２を回転貫入する際、図２に示すように、その内部に取り込んだ管内土Ｓにおいて内周面３付近にて上向きの相対変位δを強制的に与えることにより、管内土Ｓに対して上向きの応力Ｔを発生させ、管内土Ｓの閉塞を引き起こす下向きの圧縮応力Ｃを低下させることが可能になる。この作用は、図３に示すように、たとえば鋼管杭２に鉛直下向きの荷重Ｑを与えて下向き変位Ｄ１を１０mmを発生させると、管内土Ｓもそれに伴い１０mm下方へ移動しようとするが、リブ４の傾斜角度θ１と施工時の圧入回転角度（施工角度）θ２とを適切に設定した場合には、リブ４の下方への変位を１０mm以下（たとえば６mm）にすることが可能となる。ここで、圧入回転角度θ２は、鋼管杭２の鉛直下向き変位Ｄ１と、回転方向の荷重Ｒに伴う回転変位量Ｄ２により構成される角度で規定される。このように、相対的に管内土Ｓは４mmの上向き変位をリブ４から受けることとなり、上方へ移動させようとする力が作用することから、下向き圧縮応力Ｃの低下を促進することが可能となる。なお、圧入回転角度θ２は、鋼管杭２に回転を与え鉛直変位Ｄ１をゼロとした単なる回転施工時の状態を上限９０度とし、回転を与えず鉛直変位Ｄ１のみを与えた状態を下限０度として範囲が限定される。

以上のように管内土Ｓに強制的に上向きの応力Ｔを与えるためには、管内土Ｓ、特に鋼管内周面３近傍の土砂に鋼管杭２に対して上向きの相対変位δを与える必要がある。そこで、図４に示すように、回転圧入時の鋼管杭２における一部分のリブ４Ａに着目した場合、このリブ４Ａは、鋼管杭２の鉛直下向き変位（鉛直変位量）Ｄ１および回転変位量Ｄ２に伴って、図４中右向き下方のリブ４Ｂに向かって移動する（経路Ｋ１）こととなる。一方、この移動は、概念的にはリブ４の傾斜角度θ１に沿った方向である仮想のリブ４Ｃへの移動である経路Ｋ２（土砂の移動はほとんど発生しない）と、この仮想のリブ４Ｃから上方のリブ４Ｂに向かう上向きの移動である経路Ｋ３（土砂を上に持ち上げる）との二つの要素で構成されることから、図２で示した内周面３付近の土砂を上方へ移動させ、その部分の管内土Ｓに上向きの応力Ｔを与えることで、結果としてリブ４の下側においては、下向きの圧縮応力Ｃを解放することが可能となる。以上のような現象を発生させるためのリブ４の傾斜角度θ１と圧入回転角度θ２の構成条件は、傾斜角度θ１＜圧入回転角度θ２となり、圧入回転角度θ２の下限および上限の条件から、０度＜傾斜角度θ１＜圧入回転角度θ２＜９０度となる。そして、このようなリブ４の傾斜角度θ１と圧入回転角度θ２の構成条件に基づいて鋼管杭２を地盤Ｇに回転圧入する施工工程を第１回転圧入工程とする。

以上の効果を検証した実験結果を図５のグラフに示す。
この実験において、鋼管は模型試験サンプルとし、内面螺旋突起付きと突起なしの通常鋼管を準備し、これを乾燥砂で構成された砂地盤へ回転圧入を行った。鋼管径は１００mmであり、内面螺旋突起高さは３mm（杭径の約３％）であり、内面螺旋は杭先端付近から杭径と同じ長さの範囲のみに設置されている。
内面螺旋突起付き鋼管（図５にＡで示す）と突起なしの通常鋼管（図５にＢで示す）の結果を比較すると、貫入量／杭径が３．０倍を超えたあたりから大きな違いがみられる。つまり、通常鋼管（Ｂ）では、３．０倍を超えても貫入力が増加傾向を示すのに対し、内面螺旋付き鋼管（Ａ）では、貫入力が一定値に収束し、それ以上の増加が見られない。
ここで、一般には、貫入量／杭径が３〜５倍程度となったときに閉塞が発生するといわれているが、通常鋼管の結果はこの現象を再現している。一方、内面螺旋付き鋼管では、前述のように閉塞発生を抑制することができるため、収束した値以上の貫入力増加を抑制できていることが確認された。
以上の結果より、内面螺旋は杭全長に設置されている必要はなく、杭先端付近に限定して設置されることが効果的であることが分かる。この実験結果および一般的な閉塞発生が生じる貫入量から推測されるように、螺旋設置範囲は杭先端から杭径の１〜５倍の範囲にあることが、加工コスト抑制の点からも望ましい。

また、以上のような第１回転圧入工程に続いて、鋼管杭２の先端を支持層に貫入して鋼管杭２を打ち止めする際には、先端支持力を発揮させることが望ましく、そのためには、抑制していた管内土Ｓの閉塞を促進するように、以下の第２回転圧入工程を実施する。
第２回転圧入工程は、第１回転圧入工程に対して、鋼管杭２の鉛直下向き変位Ｄ１と回転変位量Ｄ２とで構成される圧入回転角度をθ２からθ２’に変化させることによって対応する。具体的には、図６に示すように、リブ４の傾斜角度θ１と圧入回転角度θ２’の構成条件を変化させることとする。この場合、リブ４Ａは、圧入回転角度θ２’に従ってリブ４Ｄに向かって移動する（経路Ｋ４）こととなるものの、この移動は、概念的には傾斜角度θ１に従った仮想のリブ４Ｃへの移動である経路Ｋ２（土砂の移動はほとんど発生しない）と、この仮想のリブ４Ｃから下方のリブ４Ｄに向かう下向きの移動である経路Ｋ５との二つの要素で構成されることから、経路Ｋ５の移動分に応じて管内土Ｓを下向きに押し込む作用を引き起こすことにより、管内土Ｓの閉塞を促進することができる。

さらに、第２回転圧入工程に続いてあるいは第２回転圧入工程に代えて鋼管杭２を打ち止めする際に、前記第１回転圧入工程における鋼管杭２の回転方向（本実施形態では下向きに時計回り）を逆回転（下向き反時計回りに回転）させる逆回転工程を実施してもよい。このような逆回転工程を実施することで、リブ４によって管内土Ｓを下向きに押し込むことにより、管内土Ｓの閉塞をさらに促進することができる。
従って、鋼管杭２の先端が支持層に到達するまでの第１回転圧入工程においては、傾斜角度θ１＜圧入回転角度θ２となるように、鋼管杭２の鉛直下向き変位Ｄ１と回転変位量Ｄ２とを調節しつつ鋼管杭２を回転圧入することで、管内土Ｓに上向きの応力Ｔを与えて鋼管内周面３との摩擦力Ｆを低減することにより、管内土Ｓの閉塞を抑制することができ、圧入抵抗の増加を抑えて施工性を向上させることができる。
一方、鋼管杭２の先端を支持層に貫入して鋼管杭２を打ち止めする際には、第２回転圧入工程および逆回転工程の少なくとも一方を実施することで、管内土Ｓを下向きに押し込んで管内土Ｓの閉塞を促進することにより、先端支持力を増大させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、土木構造物や建築構造物の基礎に利用可能な鋼管杭基礎１を例示したが、本発明の鋼管杭は、基礎として利用されるものに限らず、土留め壁や地中の連続壁などに利用されるものであってもよい。
また、前記実施形態では、鋼管杭２の鉛直下向き変位Ｄ１と回転変位量Ｄ２とを調節することで、リブ４の傾斜角度θ１よりも圧入回転角度θ２が大きくなるようにしたが、これに限らず、鉛直下向き変位Ｄ１のみを調節してもよいし、回転変位量Ｄ２のみを調節してもよい。

さらに、鉛直下向き変位Ｄ１および回転変位量Ｄ２を調節する方法として、杭打ち機から鋼管杭２に作用させる鉛直下向きの荷重Ｑおよび回転方向の荷重Ｒを制御する方法を説明したが、杭打ち機による荷重制御に限らず、図７に示すように、鋼管杭２の先端に設ける掘進用の螺旋羽根５の形状によって鉛直下向き変位Ｄ１および回転変位量Ｄ２を調節してもよい。具体的には、前記実施形態のように所定の傾斜角度θ１を有したリブ４の段差寸法Ｈ１（半回転当たり）に対し、螺旋羽根５の段差寸法Ｈ２を小さく形成する、すなわち、リブ４の傾斜角度θ１よりも螺旋羽根５の掘進に伴う圧入回転角度θ２が大きくなり、杭打ち機では鋼管杭２に回転力を加えるだけで前記第１回転圧入工程を実施することができるようになる。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１…鋼管杭基礎、２…鋼管杭、３…内周面、４…リブ（突起）、Ｄ１…鉛直下向き変位（鉛直変位量）、Ｄ２…回転変位量、Ｓ…管内土、θ１…傾斜角度、θ２，θ２’…圧入回転角度（施工角度）。

Claims (6)

1. 内面に螺旋状の突起を有する鋼管杭を地盤に回転圧入する鋼管杭の施工方法であって、
   前記螺旋状の突起と鋼管軸とがなす下向きの傾斜角度と、回転圧入時の回転変位量と鉛直変位量とで構成する施工角度とが同一象限となるように、前記鋼管杭の回転方向を設定し、
   前記突起の傾斜角度よりも前記施工角度が大きくなるように、前記鋼管杭の回転速度および圧入速度の少なくとも一方を調節しつつ回転圧入する第１回転圧入工程を備えることを特徴とする鋼管杭の施工方法。
2. 請求項１に記載の鋼管杭の施工方法において、
   前記施工角度が前記突起の傾斜角度と同一となるか、または前記施工角度が前記突起の傾斜角度よりも小さくなるように、回転圧入時の回転速度および圧入速度の少なくとも一方を調節しつつ回転圧入する第２回転圧入工程を備えることを特徴とする鋼管杭の施工方法。
3. 請求項２に記載の鋼管杭の施工方法において、
   前記鋼管杭の先端を支持層へ貫入する際に前記第２回転圧入工程を実施することを特徴とする鋼管杭の施工方法。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の鋼管杭の施工方法において、
   前記鋼管杭を打ち止めする際に、前記鋼管杭を逆回転させて当該鋼管杭内部の土を締め固める逆回転工程を実施することを特徴とする鋼管杭の施工方法。
5. 内面に螺旋状の突起を有した鋼管杭を請求項１から請求項４のいずれかに記載の鋼管杭の施工方法によって地盤に貫入して構築されることを特徴とする鋼管杭基礎。
6. 回転により地盤に貫入される鋼管杭であって、
   内面に形成される螺旋状の突起と、先端外周面に形成される螺旋状の羽根とを備え、
   前記螺旋状の突起の段差寸法が前記螺旋状の羽根の段差寸法よりも大きく形成されていることを特徴とする鋼管杭。

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