JP2013256791A - 管杭及びその施工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】補助工法を必要とせずに打撃工法や振動工法等の各種打込み杭工法により施工できる上、高い先端支持力及び引抜抵抗力を確保できる管杭、及びこの管杭を用いた施工方法を得る
【解決手段】直線状に延びる円筒状に形成されたストレート部５と、該ストレート部５の杭先端側となる端部の外周面にそのストレート部５の杭先端側を覆うように取付けられた、引抜抵抗として機能する円筒状のカバー部６とを有し、該カバー部６は、杭頭側と杭先端側との端部のうちの少なくとも杭頭側の端部の内周径がストレート部５の外周径よりも大きく形成されていて、内周面側にストレート部５の杭先端側が挿入され、且つその軸線がストレート部５の軸線と同一直線上となる状態で該ストレート部５に取付けられている構成とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、港湾構造物、橋梁基礎や建物の基礎等の土木建築分野において使用される、鋼管杭等の管杭及びその施工方法に関する。

近年、港湾構造物、橋梁基礎や建物の基礎等に用いられる杭については、高い先端支持力及び施工性、さらには、地盤に打設した場合の引き抜きに対する大きな抵抗力（以下「引抜抵抗力」という。）を備えていることが求められている。
従来においては、引抜抵抗増加させた杭として、杭先端部分に螺旋形状等の鋼板等で加工された杭支持板を有する回転圧入杭において、前記杭支持板の外周に接して、その外周形状に合致するよう曲げ加工された支持板外周鋼板を、当該杭支持板の上下両方向に突出させて設けることを特徴とする回転圧入杭が知られている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、このような回転圧入杭は、杭支持板が螺旋形状等であるため、基本的に、回転圧入工法により施工する必要があり、打撃工法や振動工法等の回転力を付与せずに鉛直力によってのみ施工する打込み杭工法を適用する際には杭支持板が抵抗となり容易には地盤へ打設できない。
さらに、前記回転圧入杭においては、前記杭支持板の加工費や回転圧入工法適用により費用が高くなることが問題点として挙げられる。

また、他の杭として、鋼杭の下端部に水平プレートと補強プレートで形成された引抜抵抗機構を突設して、支持地盤中の拡底孔部に打設した充填材に前記鋼杭の下部及び前記引抜抵抗機構を埋設したことを特徴とする引抜抵抗杭も知られている（例えば、特許文献２）。

前記引抜抵抗は、引抜抵抗機構と支持地盤中の拡底孔部に打設した充填剤との付着力を確保することによりこれらを一体化し、引抜抵抗力を確保するものである。
しかしながら、鋼杭埋設作業と鋼杭周囲に充填剤を充填する作業は手数がかかる上、経済的とは言い難い。また、前記特許文献２の図１（Ｂ）に示すような杭の形状では、打撃工法や振動工法等の打込み杭工法では施工時に大きな抵抗となり施工費の増大に繋がる。

さらに、引抜抵抗力を増加させる技術として、既製杭の先端部内外周壁面に、それぞれ所要の厚みと幅員を有する内巻プレートと外巻プレートを巻装固着したことを特徴とする杭打設時の摩擦抵抗低減技術も知られている。（例えば、特許文献３）

この技術は、杭の外周壁面に作用する地層の摩擦抵抗は外巻プレートのみに作用し、杭の内周面に作用する地層の摩擦抵抗は内巻プレートのみに作用するため、杭の抵抗は先端部のみに集中して他の内外壁面にはほとんど作用しないことから、打込み性能を向上させることができ、また、硬質地盤への施工性を向上させることができる。
しかし、杭の引抜抵抗力の確保については特に考慮されておらず、港湾構造物、橋梁基礎や建物の基礎等に必要な引抜抵抗力を確保することが困難であると考えられる。

さらに、円筒形状を有する直線状のストレート部と、このストレート部の一端に対して連なるとともに前記一端から離れる方向に向かって外径及び内径が先細りになるテーパ部とを備えた鋼管杭を支持杭として用いることにより、鉛直抵抗力増大を可能とする技術も知られている（例えば、特許文献４）。

この技術に用いられる鋼管杭は、一端から離れる方向に向かって外径及び内径が先細りになるテーパ部の外周面により大きな支持力を得ることができる上、杭施工時の抵抗を低減でき、さらには各種工法に幅広く用いることができる。
しかしながら、港湾構造物、橋梁基礎や建物の基礎等においては、大きな先端支持力と共に、より大きな引抜抵抗力を必要とする場合が考えられるが、前記鋼管杭の場合は、大きな引抜抵抗力の確保については特に考慮されていないため、場合によって十分な引抜抵抗力を得られない可能性がある。

特開２０００―３５２０４７号公報 特開平５―１４０９３０号公報 特開昭６１―２５０２２３号公報 特許第４６３５１１４号公報

本発明の解決すべき課題は、補助工法を必要とせずに打撃工法や振動工法等の各種打込み杭工法により施工できる上、高い先端支持力及び引抜抵抗力を確保できる管杭、及びこの管杭を用いた施工方法を提供することである。

前記課題を解決すべく、本発明者らは、種々の理論的検討および実験的検討を重ねた結果、以下の技術的知見を得た。

（Ａ）ストレート部の杭先端側の外周面に、筒状のカバー部を取付けることにより、杭先端部分の面積が広がり、カバー部を有しない通常の杭に比べて高い先端支持力を確保できること。
また、前記カバー部によってアンカー効果による高い引抜抵抗力を確保できること。
さらには、前記カバー部を、その軸線がストレート部の軸線と同一直線上となるように該杭本体に取付けることにより、杭全体として軸対称の形状となるため、施工時の軸力伝達時において偏心が生じず、施工性がより高まること。

（Ｂ）前記カバー部を、外周面側が、杭先端側の方向に行くに従って次第に先細るテーパ面を有したものとし、且つ杭頭側の内周径を前記ストレート部の外周径よりも大きくなるように形成した構成とした場合には、水平方向の投影面積がさらに拡大するため、少ない根入れ長であっても、十分に大きな先端支持力を確保することができること。

本発明はこのような技術的知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は次の通りである。
即ち、前記課題を解決するため、本発明の管杭は、直線状に延びる円筒状に形成されたストレート部と、該ストレート部の杭先端側となる端部の外周面にそのストレート部の杭先端側を覆うように取付けられた、引抜抵抗として機能する円筒状のカバー部とを有し、前記カバー部は、杭頭側と杭先端側との端部のうちの少なくとも杭頭側の端部の内周径がストレート部の外周径よりも大きく形成されていて、内周面側に前記ストレート部の杭先端側が挿入され、且つその軸線が該ストレート部の軸線と同一直線上となる状態で該ストレート部に取付けられていることを特徴とするものである。

本発明においては、前記カバー部は、外周面側が、杭先端側の方向に行くに従って次第に先細るテーパ面となっているものとすることができる。

この場合においては、前記カバー部は、杭先端側の内周径が前記ストレート部の外周径と同径に形成されていて、杭先端側の端部の内周面側がストレート部の外周面に当接した状態で該ストレート部に取付けられているものとすることができる。
あるいは、前記カバー部は、杭先端側の内周径が前記ストレート部の外周径よりも小さく形成されていて、杭先端側の内周面とストレート部の杭先端側の端部の外周面とが当接した状態で該ストレート部に取付けられているものとすることができる。

本発明においては、前記管杭を、該管杭に打撃を加えて打ち込む打撃工法によって地盤に打設することができる。
また、前記管杭を、該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ができる。
あるいは、前記管杭を、該管杭に地盤に対する押し込み力を付与する圧入工法により該地盤に打設することができる。
さらに、前記管杭を、前記ストレート部の内部の空間に挿入した、掘削ヘッドを有する掘削ロッドによって地盤を掘削しながら該管杭を埋設する中堀工法により打設することができる。
また、前記打撃工法、振動工法、圧入工法、中堀工法を用いて前記管杭を打設する場合には、前記管杭における前記ストレート部及びカバー部の外周面に水を噴射しながら該管杭を地盤に打設するようにしてもよい。

（ａ）本発明に係る管杭によれば、ストレート部の杭先端側の外周面に、引抜抵抗として機能する筒状のカバー部を、該カバー部の内周面の少なくとも一部がストレート部の外周面に当接した状態で取付けられているため、杭先端部分の面積が広がり、カバー部を有しない通常の杭に比べて高い先端支持力を確保できる上、該カバー部によるアンカー効果によって高い引抜抵抗力を得ることができる。

（ｂ）また、本発明に係る管杭は、前記カバー部が、その軸線がストレート部の軸線と同一直線上となるように該杭本体に取付けられ、杭全体として軸対称の形状となるため、施工時の軸力伝達時において偏心が生じず、施工性がより高まる。

（ｃ）前記カバー部を、外周面側が、杭先端側の方向に行くに従って次第に先細るテーパ面を有したものとし、且つ杭頭側の内周径を前記ストレート部の外周径よりも大きくなる構成とした場合には、水平方向の投影面積がさらに拡大するため、施工時において高い周面摩擦力抑制効果が得られ、施工性が一層向上する。また、少ない根入れ長であっても通常の杭（テーパを形成しないストレート杭）と同等以上の先端支持力を発揮できる。さらには、アンカー効果により、引抜抵抗力が格段に向上する。

本発明に係る管杭の第１の実施の形態を模式的に示す、（ａ）一部破断正面図、（ｂ）は底面図である。 同斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の管杭において、閉塞部材を設けた状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態の管杭において、リブを設けた状態を模式的に示す斜視図である。 本発明に係る管杭の第２の実施の形態を模式的に示す、（ａ）一部破断正面図、（ｂ）は底面図である。 同斜視図である。 本発明に係る管杭の第３の実施の形態を模式的に示す、（ａ）一部破断正面図、（ｂ）は底面図である。 同斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の管杭において、リブを設けた状態を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態の管杭において、閉塞部材を設けた状態を模式的に示す斜視図である。 本発明に係るカバー部を有さないストレート杭を模式的に示す斜視図である。 本発明に係る第１及び第２の実施の形態における管杭について、カバー部の上端側の外周径及び高さを規定するに際して理論的な解法によりその算出を行う場合の説明図である。 実施例における実験結果を示すグラフである。

以下、図を参照して、本発明に係る管杭について詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明に係る管杭の第１の実施の形態を示すもので、この実施の形態の管杭１は、直線状に延びる筒状に形成されたストレート部２と、該ストレート部２の杭先端側となる端部の外周面に取付けられたカバー部３を備えている。

前記ストレート部２は、鋼等の素材によって断面略円形状に形成された長尺の円管状のもので、図１及び図２に示すものの場合、鉛直方向に延び、下端側が杭先端側、上端側が杭頭側となっており、軸線方向長さの全長にわたって同じ内周径及び外周径Ｄ_１をそれぞれ有している。
ここで、この前記ストレート部２は、断面が真円の形状であることが望ましい。このように断面形状を真円の形状とすることにより、施工時や供用時の軸力伝達時において偏心が生じないようにすることができる。

前記カバー部３は、管杭１の引抜抵抗として機能するもので、鋼等の素材により、軸線方向の全長に亘って内周径及び外周径が変化しない断面略円形状の円筒状に形成されている。そして、内周面３ａ側に前記ストレート部２の杭先端側の端部側、即ち下端部側が挿入されて、ストレート部２の杭先端側の外周面を覆った状態で、後述する複数のリブを介して該ストレート部２に取付けられている。
この実施の形態のカバー部３は、軸線方向長さが前記ストレート部２よりも短く、また、内周径が前記ストレート部２の外周径Ｄ_１よりも大径となるように形成されている。そのため、このカバー部３は、軸線方向の全長にわたってストレート部２の外周面から外方に張り出している一方で、該カバー部の内周面３ａと該ストレート部２の外周面との間には空間が形成されて相互に非接触な状態となっている。

ここで、前記カバー３は、前記ストレート部２と同様、施工時や供用時の軸力伝達時において偏心を抑制するため、断面が真円の形状であることが望ましい。
また、カバー部３のストレート部２からの張り出し量は、施工箇所等によって任意に設定することができるが、基本的には、カバー部３の張り出し量が大きいほど、管杭全体としての引き抜き抵抗力は大きくなる。
さらに、このカバー部３の上下両端面は、該カバー部３の軸線方向と直交する方向に延びる平坦面となっていて、上端側、即ち杭頭側の端面は引張方向に対する土砂への抵抗となって引張抵抗力の向上に寄与し、下端側、即ち杭先端側の端面は周囲の土砂に対する接触面積を拡大させて先端支持力の向上に寄与している。

また、前記カバー部３は、その軸線Ｌ_２が前記ストレート部２の軸線Ｌ_１と同一直線上となるように該ストレート部２に取付けられている。
このように、このカバー部３を、該カバー部３の軸線Ｌ_２とストレート部２の軸線Ｌ_１とが同一線上となるように取り付けることにより、管杭全体としての軸線に対称の形状となるので、施工時や供用時の軸力伝達時において管杭全体が一層偏心しにくい。

なお、この実施の形態においては、図１（ａ）に示すように、前記カバー部３のストレート部２の取付位置を、カバー部３がストレート部２の下端部から若干杭頭側（上端部側）に寄った位置としている。したがって、カバー部３下端面とストレート部２の下端面とが一致せず、ストレート部２の下端部の外周面の一部が外部に露出した態様となっている。

また、前記カバー部３とストレート部２とは、これらのカバー部３の内周面３ａとストレート部２の外周面との間の空間内に配設された上述の複数のリブによって相互に連結されている。
これらのリブは、いずれも、鋼板等の剛性の高い素材により形成された、前記カバー部３とほぼ同じ軸線方向長さを有する板状のもので、相互に同じ板幅を有している。そして、各リブの板幅方向の一端側がカバー部３の内周面３ａに、他端側がストレート部２の外周面に溶接等の各種手段によりそれぞれ固定されている。これにより、前記カバー部３は、これらのリブにより、その軸線Ｌ２がストレート部２の軸線Ｌ１と常に同一直線上となった状態で保持されることとなる。
この実施の形態においては、前記リブは全部で４枚設けられていて、図１（ｂ）に示すように、平面視において管杭の軸線を中心とした９０度の角度をなす位置にそれぞれ配設されている。しかしながら、リブの枚数や前記空間内における配設位置は任意に設定することができる。

前記構成を有する管杭１を地盤に打ち込むに際しては、種々の公知の工法を用いた施工方法とすることができ、例えば、土木工事で一般的に用いられる油圧ハンマやディーゼルハンマ、モンケンといった打設機等の打ち込み機械で杭を土中に打ち込む、打撃工法に適用することができる。
また、管杭１の杭頭部に装着したバイブロハンマによる振動によって該管杭１を地盤に打設する振動工法を適用することができる。
さらには、管杭１の杭先端部分に、高圧の水を噴射可能なノズルを取付け、該ノズルから打設方向に水を噴射して地盤を切削しながら杭を支持層まで打設する、ウォータージェット工法にも適用することができる。
あるいは、前記のバイブロハンマによる振動とノズルからの水噴射（ウォータージェット）とを併用して管杭１を支持層まで打設するウォータージェット併用振動工法にも適用することができ、この場合には、打設による騒音・振動を低減でき、さらには、排土量についても抑制できるという利点がある。
さらに、必要に応じて、管杭１の周面部にもセメントミルク等の流動性固化材を充填して、管杭１の周面摩擦力を増大させることができ、これにより、引抜抵抗力のさらなる向上を図ることができる。

また、既設の杭の引抜抵抗を利用して、埋設する管杭１に油圧による静荷重で地盤に対する押し込み力を付与することにより該管杭１を地盤に押し込む圧入工法を用いることができる。さらに、先端にオーガ掘削ヘッドを有する掘削ロッドでオーガ掘削と管杭の圧入を同時に行う同時圧入工法、あるいは、先行掘削ヘッドで先行掘削してオーガ引抜きをしてからオーガ掘削と管杭１の圧入を同時に行ういわゆる芯抜き同時圧入工法等、各種圧入工法を適用することができる。これらの圧入工法の場合、前述のウォータージェットを併用してもよい。

さらに、先端に掘削ヘッドを有する掘削ロッドで掘削しながら管杭１を埋設する中堀工法を適用することもできる。
この場合においては、前述のウォータージェットを利用した切削を併用することができ、また、該ノズルを通じ管杭１の周面にセメントミルク等の流動性固化材を充填し、根固めを行うようにしてもよい。

また、管杭１を全周旋回機などを用いる回転圧入工法にも適用することができる。この場合、前述のウォータージェットを併用してもよく、さらに管杭１の先端に掘削用ビットを付与してもよい。

前記構成を有する管杭１は、ストレート部２の杭先端側の端部である下端部の外周面に、円筒状のカバー部３を取付けたので、杭先端部分の面積が広がり、高い先端支持力を確保できる。
さらには、前記カバー部３がストレート部２の外周面から外方に突出しているため、このカバー部３が地盤に対するアンカー効果を発揮して、これにより管杭全体として高い引抜抵抗力を確保できる。
特に、この実施の形態の管杭の場合は、カバー部３の内周面３ａとストレート部２の外周面との間に形成された空間に、地盤の土が入り込んで詰まるため、さらに大きな先端支持力及び引抜抵抗力を得ることが可能となる。

しかも、前記カバー部３がストレート部２の外周面よりも張り出していることにより、ストレート部２の外周面と地盤との間に空隙を発生させることができるため、施工時における地盤とストレート部２の外周面との摩擦を抑制できる。
特に、この実施の形態のように、カバー部３の内周径及び外周径Ｄ_２がストレート部２の外周径Ｄ_１よりも大きく、該カバー部３がストレート部の外周面よりも大きく張り出している場合、周面摩擦による施工抵抗が大きい地盤おいては、ストレート部２の外周面と地盤との間に空隙をより拡げることができるため、施工抵抗の抑制効果が向上する。

前記第１の実施の形態においては、カバー部３をストレート部に取付ける手段として、カバー部３の内周面３ａとストレート部２の外周面との間の空間に複数のリブを設け、これらのリブを介してカバー部３とストレート部２とを固定的に連結した構成を採用している。
しかしながら、カバー部３をストレート部に取付ける手段としては、これ以外の構成を用いることができ、例えば、図３に示すように、ストレート部２をカバー部３の内周面内に挿入させた状態で、カバー部３の上端面側及び下端面側にそれぞれ板体状の閉塞部材１０，１１を取付けて、カバー部３の内周面とストレート部２の外周面との間の空間を閉塞する構成を用いることができる。なお、この閉塞部材については、図３のように上下両端面でなく、上端側のみまたは下端側のみに設けるようにしてもよい。
さらには、図４に示すように、前記閉塞部材と前記第１の実施の形態のリブとを併用してもよく、この場合には、閉塞部材又はリブのどちらか一方のみを採用する場合に比べ、管杭先端の剛性が飛躍的に向上させることが可能となる。

このように、閉塞部材を設けた場合には、前記実施の形態のようなリブのみを設けた構成のようにカバー部とストレート部との間に土が詰まる効果を期待せずとも、閉塞部材の板面で大きな引抜抵抗力や先端支持力を安定的且つ確実に発生させることができるため、杭としての機能性や信頼性が高くなるという利点がある。しかも、閉塞部材の場合は、リブのみが設けられている構成においてカバー部とストレート部との間に土が詰まった状態に比べて、地盤に対する抵抗が大きくなるため、引抜抵抗力や先端支持力が一層大きくなる。

一方、閉塞部材を設けた場合、管杭の地盤への打設時には、閉塞部材の下面側で抵抗を受けるため、リブのみを設けた構成に比べると施工性は劣ると考えられる。しかしながら、周面摩擦による施工抵抗が大きい地盤では、この閉塞部材が存在することによって土等を確実に押しのけることがため、ストレート部の外周面と地盤との間の空隙をより拡げることが可能となる。したがって、ストレート部の外周面と地盤との摩擦、即ち周面摩擦を抑制する効果を、リブのみの構成のものとほぼ同じ程度得ることができる。

図５及び図６は、本発明に係る管杭の第２の実施の形態を示すもので、この実施の形態の管杭４は、前記第１の実施の形態と同様の基本構成を有している。即ち、直線状に延びる筒状に形成されたストレート部５と、該ストレート部５の杭先端側となる端部の外周面にそのストレート部５の杭先端側を覆うように取付けられたカバー部６を備えている。
なお、前記ストレート部５については、前記第１の実施の形態のストレート部２と実質的に同様の構成であり、また同等の作用効果を奏するため、詳細な説明は省略する。また、図５及び図６に示すものの場合、管杭４の下端側が杭先端側、上端側が杭頭側となっている。

前記カバー部６は、管杭４の引抜抵抗として機能する、筒状に形成されたもので、内周面６ａ側に前記ストレート部５の下端部側が挿入されて、ストレート部５の杭先端側の端部の外周面を覆うように該ストレート部５に取付けられている。
このカバー部６は、軸線方向長さは前記ストレート部５よりも短く形成され、軸線方向長さの全長にわたって均一な肉厚となっており、管杭全体としての軸線に対称の形状として施工時や供用時の軸力伝達時において管杭全体の偏心を抑制するため、軸線Ｌ_２が前記ストレート部５の軸線Ｌ_１と同一直線上となるようにストレート部５に取付けられている。
さらに、このカバー部６の上下両端面は、該カバー部６の軸線方向と直交する方向に延びる平坦面となっていて、上端側、即ち杭頭側の端面は引張方向に対する土砂への抵抗となって引張抵抗力を向上させ、下端側、即ち杭先端側の端面は周囲の土砂に対する接触面積を拡大させて先端支持力を向上させている。

また、前記カバー部６は、外周径及び内周径が杭先端側の方向に行くに従って次第に小さくなる先細りの円筒状に形成されていて、外周面６ｂ側及び内周面６ａ側は、杭先端側の方向に行くに従って次第に先細るテーパ面となっている。
ここで、前記カバー部６としては、鋼板等の金属板をロールベンディングまたは専用金型により少しずつプレスする方法等を用いて前記テーパ面を形成したものを用いることができる。

さらに、このカバー部６は、杭頭側の内周径が、前記ストレート部５の外周径Ｄ_３よりも大きく形成されている一方で、杭先端側の端部（下端部）の内周径が、該ストレート部５の外周径Ｄ_３とほぼ同径に形成されている。
そして、下端側の内周面６ａ側が、内周径と同じ外周径であるストレート部５の杭先端側の外周面に当接した状態で、該ストレート部５に溶接等の各種手段により接合されている。
したがって、このカバー部６は、外周面６ｂ全体が、該カバー部６の杭頭側の端部（上端部）の外周径Ｄ_４を最大として、ストレート部５の外周面から外方に張り出した状態となっている。

なお、この実施の形態においては、図５（ａ）に示すように、前記カバー部６のストレート部５への取付位置を、ストレート部５の杭先端側の端部（下端部）から若干杭頭側に寄った位置とし、カバー部６の下端面とストレート部５の下端面とが一致せず、ストレート部５における下端側の外周面の一部が外部に露出した態様としている。

前記構成を有する管杭４は、基本的に前記第１の実施の形態と同様の工法を用いて地盤に打ち込むことができ、また、前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
しかしながら、この第２の実施の形態の管杭４においては、前記カバー部６の外周面６ｂ側に、杭先端側の方向に行くに従って次第に先細るテーパ面が形成された構成としたことにより、そのテーパ面によって施工時の周面摩擦力抑制効果が得られ、これにより、施工性が一層向上するという利点がある。
さらに、前記カバー部６は、テーパ面となっている外周面６ｂ全体をストレート部５の外周面から外方に張り出させた態様となっているため、水平方向の投影面積がさらに拡大し、これにより、少ない根入れ長であっても通常の杭（テーパを形成していないストレート杭）と同等以上の先端支持力を発揮することができ、特に硬質の支持層に貫入させる場合には非常に有利である。
しかも、カバー部６は、杭頭側に行くに従ってストレート部５の外周面から大きく張り出すため、該カバー部６によるアンカー効果がより一層向上し、引抜抵抗力が格段に向上する。

前記第１及び第２の実施の形態においては、前記カバー部３，６のストレート部２，５への取付位置を、カバー部３，６がストレート部２，５の杭先端側の端部から若干杭頭側に寄った位置とし、カバー部３，６下端面とストレート部２，５の下端面とが一致していない構成となっているが、必ずしもこのような構成とする必要はない。
一般的に、地盤は深度が深くなるほど硬くなり、また深い層ほど高い鉛直支持力および引抜抵抗力が獲得できるため、カバー部３，６の下端部は、ストレート部２，５の下端部にできるだけ近い位置とすることが望ましい。

図７及び図８は、本発明に係る管杭の第３の実施の形態を示すもので、この実施の形態の管杭７は、前記第１及び第２の実施の形態と同様の基本構成を有していて、直線状に延びる筒状に形成されたストレート部８と、該ストレート部８の杭先端側となる端部の外周面に取付けられて管杭７の引抜抵抗として機能する筒状のカバー部９とを備えている。
なお、前記ストレート部８については、前記第１の実施の形態のストレート部２と実質的に同様の構成であり、また同等の作用効果を奏するため、詳細な説明は省略する。また、図７及び図８に示すものの場合、管杭７の下端側が杭先端側、上端側が杭頭側となっている。

前記カバー部９は、内周面９ａ側に前記ストレート部８の杭先端側の端部（下端部）側が挿入されていて、ストレート部８の杭先端側の外周面を覆うように該ストレート部８に取付けられている。
また、軸線方向長さが前記ストレート部８よりも短く、軸線方向長さの全長にわたって均一な肉厚に形成されていて、管杭全体としての軸線に対称の形状として施工時や供用時の軸力伝達時において管杭全体の偏心を抑制するため、軸線Ｌ_２が前記ストレート部８の軸線Ｌ_１と同一直線上となるように該ストレート部８に取付けられている。
さらに、このカバー部６の上端面と下端面は、該カバー部材６の軸線方向と直交する方向に延びる平坦面となっていて、引張抵抗力と先端支持力とをそれぞれ向上させている。

そして、このカバー部９は、外周径及び内周径が杭先端側の方向に行くに従って次第に小さくなる先細りの円筒状に形成されていて、これにより、外周面９ｂ側及び内周面９ａ側は、下端側に行くに従って次第に先細るテーパ面となっている。
なお、前記カバー部９としては、前記第２の実施の形態と同様に、鋼板等の金属板をロールベンディングまたは専用金型により少しずつプレスする方法等を用いて前記テーパ面を形成したものを用いることができる。

さらに、前記カバー部９は、杭先端側の内周径が前記ストレート部８の外周径Ｄ_５よりも小さく形成されていて、該カバー部９の内周面９ａの一部とストレート部８の下端部の外周面とが当接した状態で、該ストレート部８に溶接等の各種手段により接合されている。
一方で、杭頭側の内周径は、前記ストレート部８の外周径Ｄ_５よりも大きく形成されていて、これにより、杭頭側の外周面は、該カバー部９の杭頭側の端部（上端部）の外周径Ｄ_６を最大として、ストレート部８の外周面から外方に張り出した状態となっている。

この実施の形態においては、図７（ａ）に示すように、このカバー部９は、その内周面９ａ側のほぼ中段（軸線方向長さのほぼ中央）の高さでの内周径が、前記ストレート部８の外周径とほぼ同径となっていて、該中段において該ストレート部８の下端部と当接し且つ接合されている。
したがって、前記カバー部９は、ストレート部８との当接位置の高さを境に、該当接位置より下方側はストレート部の下端部よりも下方に、当接位置より上方側はストレート部の下端部よりも上方にそれぞれ位置することとなる。なお、カバー部９の外周面９ａがストレート部８の外周面よりも外方に張り出す位置は、該カバー部９の肉厚の関係から、前記トレート部８との当接位置の高さよりも下方側に位置する（図７（ａ）参照）。

前記構成を有する管杭７は、基本的に前記第１及び第２の実施の形態と同様の工法を用いて地盤に打ち込むことができ、また、前記第１及び第２の実施の形態の管杭と同様の効果を得ることができる。
しかしながら、この第３の実施の形態の管杭７においては、カバー部９の杭先端側の内周径が前記ストレート部の外周径よりも小さく形成されているため、前記第１及び第２の実施の形態の場合に比べて、施工時に先端側からストレート部８の内周面に流入する土砂の量を少なく抑えることができる。これにより、管杭７における先端閉塞を抑制できるため、施工時の管杭の打ち込みに対する地盤の抵抗を低減でき、施工性をより向上させる効果がある。

また、施工後の引抜抵抗力については、例えば、ストレート部８の外周径Ｄ_５を前記第２の実施の形態のストレート部５の外周径Ｄ_３と同一とした場合、カバー部９の杭端側の端部（上端部）の外周径Ｄ_６を第２の実施の形態のカバー部６の上端部の外周径Ｄ_４と同一とすることにより、第２の実施の形態の管杭４と同等の引抜抵抗力を得ることができるため、比較的簡易な構成により、前述のような優れた施工性に加えて高い引抜抵抗力も獲得することができる。

前記第２及び第３の実施の形態では、カバー部６，９の杭頭側の端部（上端部）については、特に何も配置せず、カバー部６，９の剛性のみで該カバー部６，９を保形しているが、例えば図９に示した第２の実施の形態の管杭４のように、カバー部６の内周面６ａとストレート部５の外周面との間に、鋼等の素材で形成した、カバー部６を補強するためのリブ１４を設ける等、カバー部を補強することができる。

また、前記第２及び第３の実施の形態では、カバー部６，９の上端側の開口から該カバー部６，９の内周面６ａ，９ａが露出した状態となっているが、図１０に示した第２の実施の形態の管杭４のように、カバー部６の上端部の開口を塞ぐため、該カバー部６の上端側に、鋼等の素材で形成した板形状の閉塞部材１５を配設するなどして、カバー部の剛性を高めることができる。あるいは、前記リブと閉塞部材とを併用する構成としてもよい。

ここで、前記第２及び第３の実施の形態のようにテーパ面を有するカバー部を備えた管杭において、該カバー部の上端面に上記閉塞部材を設けた場合には、閉塞部材がない構成のようにカバー部の内周面側の空間に土が詰まらなくても、閉塞部材の板面によって大きな引抜抵抗力を安定的且つ確実に発生させることができるという利点がある。
なお、前記第２及び第３の実施の形態の管杭の場合、閉塞部材はテーパ面を有するカバー部の上端部にのみ存在するため、打設の際に該閉塞部材が抵抗になることはなく、したがって、閉塞部材の有無に変わらず高い施工性を得ることができる。

なお、前記第２及び第３の実施の形態におけるカバー部６，９のストレート部５，８からの張り出し量は、施工箇所等によって任意に設定することができるが、カバー部６，９の張り出し量が大きいほど、管杭全体としての引き抜き抵抗力は大きくなることは、前記第１の実施の形態の場合と同様である。

ところで、図１１に示すように、断面形状が真円形状であり且つ先端が開口している単純な構成の管杭の場合、先端支持杭として用いる際には、管杭内部に流入する土の閉塞による抵抗が大きく寄与する。この場合、管杭の先端を完全に閉塞させるためには、一般的な物理的性質として、管杭の外周径の５倍以上支持層に根入れする必要があることが広く知られている。
前記第１〜第３の実施の形態の管杭１，４，７は、先端が図１１の管杭２０と同様に、断面が真円形状であり且つ先端が開口している。そのため、第１〜第３の実施の形態の管杭１，４，７は、ストレート部２，５，８の外周径Ｄ_１，Ｄ_３，Ｄ_５の５倍以上支持層に根入れする必要がある。
この場合において、第１及び第２の実施の形態のカバー部３，６，９について、各上端部の外径であるＤ_２，Ｄ_４、軸線方向長さ（高さ）Ｈ_１，Ｈ_２，Ｈ_３は以下のように決定される。

図１２は、主動土圧理論という地盤分野では確立した考え方を説明する図である。
杭を地盤に施工する際には、第１〜第３の実施の形態のカバー部３，６，９の上端部の外周径Ｄ_２，Ｄ_４，Ｄ_６は、各ストレート部２，５，８の外周径Ｄ_１，Ｄ_３，Ｄ_５と異なるため、各ストレート部２，５，８と支持層の地盤の内周面との間には空隙が生じる。
しがし、引抜抵抗力を獲得するためには、施工後において、第１〜第３の実施の形態のカバー部３，６，９の上方に支持層の地盤が戻る必要がある。
その場合、戻る地盤の総量は前記主動土圧理論により導かれる。

支持層への杭の貫入量は、前述の通り、第１〜第３の実施の形態のストレート部２，５，８の外周径の５倍である。その場合、主動土圧により流入する地盤の総量が、発生する前記空隙の総量よりも多くならなければならない。
ここで、第２の実施の形態に係る管杭４の場合を例にとると、図１２より、空隙の総量は（５Ｄ_４−Ｈ_２）×（Ｄ_４−Ｄ_３）／２で定まる。
一方、主動土圧により流入する地盤の総量は１／２×（５Ｄ_３−Ｈ_２）×（５Ｄ_３−Ｈ_２）×Ｔａｎ（４５°−（φ／２））である（ただし、φは地盤の内部摩擦角）。
以後、式を順次展開すると、最終的に、
Ｄ_４＋Ｈ_２Ｔａｎ（４５°−（φ／２））＜Ｄ_３（１＋５Ｔａｎ（４５°−（φ／２）））
となる。
ここで、地盤の物理的性質としてφは最大４５°であることは公知であるため、
Ｄ_４＋Ｈ_２＜Ｄ_３（１＋５Ｔａｎ（４５°−（４５°／２）））
つまり、Ｄ_４＋Ｈ_２＜３．０７１Ｄ_３が成立する範囲にＤ_４及びＨ_２が存在することが望ましい。
このとき、Ｄ４＞Ｄ３である。
また、第１の実施の形態の管杭１についても、該第１の実施の形態のカバー部３の外周径Ｄ_２と、第２の実施の形態のカバー部６の上端部の外周径Ｄ_４とが同じである場合は、Ｄ_１，Ｄ_２，Ｈ_１との関係では同様の式が成立する。
さらに、第３の実施の形態の管杭７についても、該第３の実施の形態のカバー部９の外周径Ｄ_６と、第２の実施の形態のカバー部６の上端部の外周径Ｄ_４とが同じである場合は、Ｄ_５，Ｄ_６，Ｈ_３との関係では同様の式が成立する。

本発明の効果を確認するため、本発明に係る管杭におけるカバー部の上端部の外周径とストレート部の外周径との比率（拡径率）と、本発明の管杭のようなカバー部を有さない通常のストレート杭に対する引抜抵抗比（％）との関係を調べる実験を行った。
この実験においては、本発明に管杭として、前記第２の実施の形態に係る管杭４（カバー部６の上端部の外周径Ｄ_４とストレート部５の外周径Ｄ_３との拡径率Ｄ_４／Ｄ_３）と、図１１に示すストレート部５と略同形同大のストレート杭２０とを用い、それぞれについて有限要素法を用いた数値実験を行い、引抜抵抗を求めた。なお、引抜抵抗比は、ストレート杭２０の引抜抵抗に対する第２の実施の形態に係る管杭４の引抜抵抗の比率である。
図１３に結果を示す。

図１３は、本発明に係る管杭４について、カバー部６の上端部の外周径Ｄ_４と、ストレート部５の外周径Ｄ_３との比率（拡径率）Ｄ_４／Ｄ_３を横軸として変化させ、本発明に係る管杭４の引抜抵抗と、比較例のストレート杭１０の引抜抵抗との比率である引抜抵抗比を縦軸として示している。
なお、図１３において、杭の引抜抵抗は、杭を地盤（地層）に施工（貫入施工）した後に杭を鉛直上向きに引き抜いた場合において、杭がストレート部５の外周径Ｄ_３の１０％上昇したときの抵抗である。
また、引抜抵抗比は、比較例のストレート杭１０の引抜抵抗を１．０とした場合の、本発明に係る管杭４の引抜抵抗である。即ち、引抜抵抗比は、本発明に係る管杭４の引抜抵抗と、比較例のストレート杭１０の引抜抵抗との比率と定義される。

図１３に示す結果から、本発明に係る管杭４の引抜抵抗比は、比較例のストレート杭１０の引抜抵抗比（すなわち、引抜抵抗比が１である）よりも極めて大きいことがわかり。これにより、本発明に係る管杭は高い引抜抵抗力を得ることができることが実証された。
また、図１３から、前記引抜抵抗比は、カバー部６の上端部の外周径Ｄ_４と、ストレート部５の外周径Ｄ_３との比率（拡径率）Ｄ_４／Ｄ_３と正の相関関係を有することがわかる。
即ち、カバー部６の上端部の外周径Ｄ_４と、ストレート部５の外周径Ｄ_３との比率（拡径率）Ｄ_４／Ｄ_３を大きくすればするほど、大きな引抜抵抗を得ることができる。
そのため、杭本数を削減することでの材料費低減を図ることができ、また、工期短縮に寄与し、施工コストも同時に低減させることが可能となることがわかった。

１，４，７ 管杭
２，５，８ ストレート部
３，６，９ カバー部
Ｌ_１ ストレート部の軸線
Ｌ_２ カバー部の軸線

Claims (9)

1. 直線状に延びる円筒状に形成されたストレート部と、該ストレート部の杭先端側となる端部の外周面にそのストレート部の杭先端側を覆うように取付けられた、引抜抵抗として機能する円筒状のカバー部とを有し、
   前記カバー部は、杭頭側と杭先端側との端部のうちの少なくとも杭頭側の端部の内周径がストレート部の外周径よりも大きく形成されていて、内周面側に前記ストレート部の杭先端側が挿入され、且つその軸線が該ストレート部の軸線と同一直線上となる状態で該ストレート部に取付けられていることを特徴とする管杭。
2. 前記カバー部は、外周面側が、杭先端側の方向に行くに従って次第に先細るテーパ面となっていることを特徴とする請求項１に記載の管杭。
3. 前記カバー部は、杭先端側の端部の内周径が前記ストレート部の外周径と同径に形成されていて、杭先端側の端部の内周面側がストレート部の外周面に当接した状態で該ストレート部に取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の管杭。
4. 前記カバー部は、杭先端側の端部の内周径が前記ストレート部の外周径よりも小さく形成されていて、杭先端側の内周面とストレート部の杭先端側の端部の外周面とが当接した状態で該ストレート部に取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の管杭。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の管杭を、該管杭に打撃を加えて打ち込む打撃工法によって地盤に打設することを特徴とする管杭の施工方法。
6. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の管杭を、該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管杭の施工方法。
7. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の管杭を、該管杭に地盤に対する押し込み力を付与する圧入工法により該地盤に打設することを特徴とする管杭の施工方法。
8. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の管杭を、前記ストレート部の内部の空間に挿入した、掘削ヘッドを有する掘削ロッドによって地盤を掘削しながら該管杭を埋設する中堀工法により打設することを特徴とする管杭の施工方法。
9. 前記管杭における前記ストレート部及びカバー部の外周面に水を噴射しながら該管杭を地盤に打設することを特徴とする請求項６〜請求項８のいずれかに記載の管杭の施工方法。

Images