JP2014024070A - 螺旋体とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高剛性かつ杭とした場合に十分な地中支持力を有する螺旋体を容易かつ低コストで得る。
【解決手段】同一断面形状の複数本の形鋼を背中合わせに組み合わせることで回転対称断面の組み合わせ形鋼を構成する。この組み合わせ形鋼をねじり加工して例えば十字形断面の螺旋体Ｐ１とする。螺旋体Ｐ１を製造するには、組み合わせ形鋼Ｐ２の一端部を固定側チャック１３で回転拘束状態で支持する。当該組み合わせ形鋼Ｐ２の他端部を回転側チャック１４を介して回転駆動手段としてのモータ１５に連結する。モータ１５によって組み合わせ形鋼Ｐ２にねじりを付与し、当該ねじりの付与によって組み合わせ形鋼Ｐ２に発生する軸線方向の張力を所定の大きさに維持した状態で固定側チャック１３と回転側チャック１４を互いに漸次接近させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、螺旋体とその製造方法に関する。

例えば各種支柱、小型建造物、仮設建物、塀などの、比較的小型物件の地盤補強材として、螺旋杭が使用されている。この種の螺旋杭は、通常、圧延平鋼にねじり加工を施して螺旋体に加工した後、用途に応じた必要長（通常約１〜５ｍ）に切断し、この螺旋体の地中に入る一端に杭としての先端加工を施す。また、地上に出る螺旋体の他端に建設物等と連結するための定着金具を取付ける。このようにして螺旋杭を製造する。

螺旋体のねじり加工の程度は、通常ピッチの大きさで表す。この「ピッチ」は「ねじり間隔」とも呼ばれ、平鋼を１８０°ねじった場合の隣接する二つの山と山の間の距離が「ピッチ」である。螺旋杭に適したピッチの大きさは、平鋼の板幅をｗとすると、概ね１．３ｗ〜１．７ｗである。ねじりの程度が弱くピッチが１．７ｗよりも大きくなると、杭の地中支持力が減少して螺旋杭としての耐荷重が不足する。この反対にねじりの程度が強くピッチが１．３ｗより小さくなると、杭の地中支持力は増大するがスムーズな地中圧入が困難となる。このため、螺旋体のピッチは約１．３ｗ〜１．７ｗとするのが望ましいとされている。このピッチの大きさを、螺旋杭の軸線に垂直な平面と螺旋羽根とが成す角（ピッチ角θ）で表すと、θ＝約４０°〜４８°となる。

平鋼をねじり加工する装置は、例えば特許文献１（特開平１１−３０９５１５号公報）や特許文献２（特開平７−８０５５６号公報）に開示されており、この装置では平鋼の一端を固定側チャックで掴んで固定し、反対側の端部を回転側チャックで掴んだ状態でねじり回転することで平鋼を螺旋体に加工する。

特開平１１−３０９５１５号公報 特開平７−８０５５６号公報

ところで、螺旋杭としては平鋼のねじり杭が製造容易で低コストなことから広く使用されているが、この平鋼のねじり杭は軟弱地盤等では地中支持力が不足する傾向がある。地中支持力を増大させるためにはピッチを小さく（単位長さ当りの螺旋体の羽根数を増大）すればよいが、平鋼のねじり杭は最低ピッチが約１．３ｗで限界である。このピッチよりも小さくすると前述したようにスムーズな地中圧入が困難になるし、場合によってはねじりが強過ぎて平鋼が破断したり局部ねじりが発生して正常な形の螺旋体が得られない。

また、平鋼のねじり杭は断面係数が小さいために曲げ剛性が小さく、比較的曲がりやすいという性質がある。このため、地盤が固かったり地盤内部に石などの障害物があったりすると圧入不能になることも希ではなく、圧入できたとしても杭が曲がって斜め圧入になったり、場合によっては地盤を乱したりして、地盤補強材としての品質が十分に補償できないという施工管理上の問題があった。

また、平鋼ねじり杭は断面係数が小さいために横荷重に弱いという欠点があり、地上側に出る杭上端は横荷重の大きさと方向によっては容易に曲がることがある。このため杭上端に数十センチの鋼管を被せる等の様々な補強の工夫がされているが、そうすると二次加工の費用が嵩むことから経済的にも問題があった。

平鋼の断面係数を大きくするにはその厚さを厚くして断面積を増大させればよいが、このように断面積を増大させても重量が大きくなる割には効果が少ない。また、螺旋杭の断面を例えばＹ字形や十字形にすれば曲げ剛性を効果的に増大させることが可能であるが、そのためには特殊形状の形鋼が必要となりコスト的に非常に高くつくという課題がある。

本発明は以上の課題に鑑み、曲げ剛性が大きく杭として使用した場合に十分な地中支持力が得られる螺旋体を低コストで提供することを目的とする。

本発明者らは前記目的を達成するために様々な試行錯誤を行った結果、同一断面形状の複数本の形鋼を背中合わせに組み合わせることで回転対称断面にした組み合わせ形鋼を、当該回転対称断面を保ったままでねじり加工することにより、地中支持力と曲げ剛性が大きい螺旋体を低コストで得ることに成功した。

形鋼としては等辺山形鋼や断面ヘ字形にした形鋼を使用することができる。これら形鋼を等辺山形鋼の場合は４本、断面ヘ字形の形鋼の場合は３本、それぞれ背中合わせに組み合わせることで回転対称の十字形断面又はＹ字形断面の組み合わせ形鋼に構成することができる。この組み合わせ形鋼をねじり加工することで十字形断面又はＹ字形断面の螺旋体が得られる。

当該螺旋体を製造する装置は、例えば、螺旋体の材料となる十字形断面又はＹ字形断面の組み合わせ形鋼の一端部を固定側チャックによって回転拘束状態で支持すると共に、他端部を回転側チャックを介して回転駆動手段に連結する。そして回転駆動手段によって組み合わせ形鋼にねじりを付与し、当該ねじりの付与によって組み合わせ形鋼に発生する軸線方向の張力を所定の大きさに維持した状態で固定側チャックと回転側チャックを互いに漸次接近させる。このようにして、組み合わせ形鋼を螺旋体に加工することができる。

十字形断面又はＹ字形断面の螺旋体はねじりを加える回数が多いほど形鋼が強固に一体化される。しかし、ねじりの回数が多すぎると形鋼が破断したり局部ねじりが発生して正常な形の螺旋体が得られない。ねじりの回数は、十字形断面の螺旋体の場合は望ましくはピッチ角が約４５°になるねじり回数がよく、このようなねじり回数で４本の等辺山形鋼の十分な結合強度が得られる。

ただし、４本の山形鋼の一体化を保持するには、前記ピッチ角の大小に関わらず、螺旋体としての軸線方向の最低限の長さが必要である。この最低限の長さが足りない場合はいくらピッチ角を最適化しても山形鋼がばらけてしまう。螺旋体にした後に各山形鋼がばらばらにならないためには、螺旋体の直径をＤとした場合（図２参照）、螺旋体の長さＬが３．５Ｄよりも長くなければならない。３．５Ｄよりも短いとピッチをいくら短くしても山形鋼がばらけてしまう。３．５Ｄよりも長いとピッチを通常設定する範囲でかなり長くても山形鋼がばらけない。

十字形断面の螺旋体を杭として使用する場合、ピッチをＰとすると最適ピッチはＰ＝３Ｄであり、この時のピッチ角は約４５度である。３ＤよりもピッチＰが小さくなると地中支持力は増大するが、杭の打設のために大きな力が必要となり圧入速度も遅くなる。またピッチＰが３Ｄよりも大きくなると地中支持力が低下する。このため、ＰとＤは２．６Ｄ＜Ｐ＜３．４Ｄの範囲となるように選定するのが望ましい。

本発明は、複数本の形鋼を背中合わせに組み合わせた組み合わせ形鋼をねじり加工することで、高剛性かつ杭として十分な地中支持力がある十字形断面の螺旋体を容易かつ低コストで得ることができる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る十字形断面の螺旋体の側面図、（ｂ）、（ｃ）はその左右端面図である。 前記十字形断面の螺旋体の横断面図である。 （ａ）（ｂ）は等辺山形鋼を４本組み合わせる前と後の斜視図である。 （ａ）は螺旋体製造装置の側面図、（ｂ）は同装置の平面図である。 （ａ）は螺旋体製造装置のチャックの縦断面図、（ｂ）は同チャックの横断面図である。 螺旋体製造装置の油圧制御回路図である。 螺旋杭の側面図と左右端面図である。 別の螺旋杭の側面図と左右端面図である。 （ａ）は十字形断面の螺旋杭と従来の螺旋杭の撓み量と負荷荷重を比較した表である。（ｂ）は同表をグラフ化した図である。 十字形断面の螺旋杭と従来の螺旋杭の粘性地盤での地中支持力を比較した表である。 （ａ）はＹ字形断面の螺旋体の断面図である。（ｂ）は平鋼を曲げ加工してへ字形断面の形鋼を作る工程の斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係る十字形断面の螺旋体とその製造方法について図面を参照して説明する。図１（ａ）は螺旋体Ｐ１の側面図を示したものであり、（ｂ）（ｃ）は同螺旋体Ｐ１の左右両端の端面図を示したものである。また、螺旋体Ｐ１のII−II線矢視断面図を図２に示す。同図に示すように螺旋体Ｐ１は十字形断面であり、４本の等辺山形鋼Ｐ１ａ〜Ｐ４ｄを図３（ａ）（ｂ）のように背中合わせで組み合わせることにより回転対称の十字形断面の組み合わせ形鋼Ｐ２を構成し、この組み合わせ形鋼Ｐ２にその十字形断面を保った状態でねじり加工を施し、これにより４本の山形鋼を一体化して十字形断面の螺旋体Ｐ１を得ることができる。

このような十字形断面の螺旋体Ｐ１は平鋼に比べて断面積の増分以上に断面係数が大きくなり曲げ剛性が増大する。また、汎用鋼材である山形鋼を使用するので螺旋体Ｐ１を低コストで製造することができる。前記ねじり加工は、４本の等辺山形鋼を互いに溶接することなく行う。等辺山形鋼を互いに溶接してねじり加工を施すと、４本の等辺山形鋼に均等にねじりがかからないだけでなく、溶接部分を起点とした破断が発生したりする。

図１の螺旋体Ｐ１は図４（ａ）（ｂ）の螺旋体製造装置１０で製造する。この螺旋体製造装置１０は、同図（ａ）（ｂ）のように横長のフレーム１１を有する。図４の（ａ）が正面図で（ｂ）が平面図である。このフレーム１１は、水平方向に延びる上下左右の４本のビーム１１ａを主要構成材とする。これら４本のビーム１１ａによって断面が矩形の枠体が構成される。そして当該枠体の内側に材料となる組み合わせ形鋼Ｐ２を搬入し、この組み合わせ形鋼Ｐ２をねじり加工して螺旋体Ｐ１を製造する。フレーム１１の両端２箇所と中間２箇所には、４本のビーム１１ａを上下左右に連結する連結材１１ｂが配設されている。

図４のフレーム１１の右端外側に、組み合わせ形鋼Ｐ２ないし螺旋体Ｐ１に所定の張力を付与するための油圧シリンダ１２が配設されている。この油圧シリンダ１２のピストンロッド１２ａに、組み合わせ形鋼Ｐ２の端部を連結する固定側チャック１３の後部が連結されている。この固定側チャック１３はフレーム１１の右端内側に位置し、後述するようにフレーム１１の長手方向に移動可能とされている。また、フレーム１１の左端上面に、回転側チャック１４に連結されるモータ１５と減速機１６が配設されている。

回転側と固定側の各チャック１４（１３）を図５（ａ）（ｂ）に示す。チャックの向きは回転側チャック１４で示しているが、同じ構成のチャックを左右反転して固定側チャック１３として使用する。このチャック１４（１３）は、フランジ２６によって回転駆動軸４３又はピストンロッド１２ａに連結されるチャック本体１４ａ（１３ａ）と、このチャック本体１４ａ（１３ａ）の中のテーパ空間に収容された矩形断面の４つのチャックブロック１４ｂ（１３ｂ）で構成される。これら４つのチャックブロック１４ｂ（１３ｂ）で十字形断面の各羽根を上下左右から挟み付けるようにしている。チャック１４（１３）に張力がかかるとチャックブロック１４ｂ（１３ｂ）がテーパ面１４ｃ（１３ｃ）に沿って差し込み口側に移動して互いに接近し、十字形断面の材料をますます強く挟みつける。

組み合わせ形鋼Ｐ２を螺旋体Ｐ１に加工した後に、チャック１４（１３）から取り外す場合は、螺旋体Ｐ１の端部を一旦チャックブロック１４ｂ（１３ｂ）の側に押し込む。これにより一対のチャックブロック１４ｂ（１３ｂ）が後退して螺旋体Ｐ１の端部を挟み付ける力が低下して螺旋体Ｐ１の端部に隙間が空くので、以後、チャックブロック１４ｂ（１３ｂ）を接近しないように保持した状態で、螺旋体Ｐ１の端部を引き抜く。

固定側チャック１３の後部のフランジ２６は、油圧シリンダ１２のピストンロッド１２ａの先端に連結されている。油圧シリンダ１２は、図６のように、ピストン１２ｂの片側にピストンロッド１２ａが取付けられた形式であり、ピストン１２ｂの後ろ側の油室１２ｃが電磁弁３０を介して油槽３１に連結されている。また、ピストン１２ｂの前側の油室１２ｄが、電磁弁３２と電磁弁３０を介して、電動機付油圧ポンプ３３に接続されている。そして電動機付油圧ポンプ３３によって油槽３１から吸い上げた作動油を電磁弁３０、３２を通して所定圧で油室１２ｄに供給するようにしている。また油圧ポンプ３３の吐出圧は圧力計３３ａで確認することができるようになっている。

油室１２ｄに近い方の電磁弁３２にはリリーフ弁３４が付設され、油室１２ｄ内の圧力が所定圧以上に上昇すると、リリーフ弁３４を通して余分な作動油が油槽３１に戻されるようになっている。これにより、固定側チャック１３で組み合わせ形鋼Ｐ２の一端を回転拘束し、油圧シリンダ１２によって組み合わせ形鋼Ｐ２に一定の張力を付与した状態で、後述する回転側チャック１４で組み合わせ形鋼Ｐ２にねじりをかけていくと、ねじり加工の進行に伴って、固定側チャック１３が図４で左方向、すなわち回転側チャック１４に近づく方向に漸次移動するようになっている。

モータ１５と減速機１６は、モータ１５の回転軸に取付けられたスプロケット４０と、減速機１６の入力軸に取付けられたスプロケット４１と、両スプロケット間に左右方向に張られた無端チェーン４２で連結されている。一方、フレーム１１の左端内側に、モータ１５と減速機１６の下方に位置するように位置回転駆動軸４３が配設されている。この回転駆動軸４３は、二つの軸受４５、４６と、一つのスラスト軸受４７で支持されている。二つの軸受４５、４６はビーム１１ａに固定され、スラスト軸受４７は連結材１１ｂに固定されている。

回転駆動軸４３は、前記スラスト軸受４７に支持された第１軸部４３ａと、この第１軸部４３ａの後方にカップリング４４を介して連結された第２軸部４３ｂで構成されている。第２軸部４３ｂは前記二つの軸受４５、４６で支持され、第２軸部４３ｂの後端部に取付けられたスプロケット４８が、上下方向に張られた無端チェーン５０を介して、減速機１６の出力側スプロケット４９と連結されている。また、スラスト軸受４７から図４（ａ）で右側に延びた回転駆動軸４３の端部に、回転側チャック１４のフランジ２６が取付けられている。

螺旋体製造装置１０は以上のように構成され、この製造装置１０による螺旋体Ｐ１の製造は以下のように行われる。まず、材料となる組み合わせ形鋼Ｐ２をフレーム１１の中に搬入して組み合わせ形鋼Ｐ２の一端を固定側チャック１３に連結する。この連結の際、油圧シリンダ１２のピストンロッド１２ａを最も短くするように、油圧ポンプ３３と電磁弁３０、３２を作動させて、油圧シリンダ１２の油室１２ｄに対し作動油を供給する。組み合わせ形鋼Ｐ２の一端を固定側チャック１３に連結したら、次に組み合わせ形鋼Ｐ２の反対側の端部を回転側チャック１４に連結する。この連結の際、必要に応じて油圧シリンダ１２のピストンロッド１２ａの突出長さを調節し、回転側チャック１４に対する組み合わせ形鋼Ｐ２の端部の位置調整を行う。

このようにして組み合わせ形鋼Ｐ２の両端を固定側と回転側の二つのチャック１３、１４に連結した後、油圧ポンプ３３を駆動して油圧シリンダ１２の油室１２ｄに所定の大きさの油圧をかける。これにより、固定側チャック１３に図６で矢印Ａ方向の引張力が作用し、組み合わせ形鋼Ｐ２に対して最低限の引張力ｙを満足する張力が負荷される。そしてこのような最低限の負荷張力状態でモータ１５を回転駆動する。モータ１５が回転駆動すると回転側チャック１４が回転し、組み合わせ形鋼Ｐ２にねじりがかけられる。組み合わせ形鋼Ｐ２にねじりがかかっていくに従って組み合わせ形鋼Ｐ２の全長は徐々に短くなる。この組み合わせ形鋼Ｐ２の長さの短縮によって組み合わせ形鋼Ｐ２の長さ方向で引張力が増大し、この引張力の増大によって油圧シリンダ１２のピストンロッド１２ａが図６で矢印Ｂ方向に引っ張られる。

これにより油圧シリンダ１２の油室１２ｄ内の圧力が高まり、当該圧力が所定値を超えるとリリーフ弁３４が作動し、油室１２ｄ内の作動油の一部が油槽３１に排出される。なお、前記圧力増大を圧力計３２ａで検知し、当該検知結果に基づいてリリーフ弁３４を電磁制御で断続的に放することも可能である。このようなリリーフ弁３４の作動によりピストンロッド１２ａが伸張し、固定側チャック１３が図６で矢印Ｂ方向に移動する。また、油室１２ｄ内の圧力が所定圧に維持され、ピストンロッド１２ａによって螺旋体Ｐ１に負荷される張力が所定の大きさに維持される。従って、組み合わせ形鋼Ｐ２は全長にわたって等しい張力のもとでねじりがかけられるので、所期のピッチが螺旋体Ｐ１の全長にわたって均等に形成され、所期形状の正常な形の螺旋体Ｐ１が得られる。

図７Ａと図７Ｂは、螺旋体を端部加工して螺旋杭Ｐ１'、 Ｐ１''としたものである。図７Ａの螺旋杭Ｐ１'は地上構造物と連結するための方形フランジ部３５を有し、この方形フランジ部３５の四隅にボルト挿通穴３６を形成している。また螺旋杭Ｐ１'の先端にはカッタ３７が溶接付けされている。図７Ｂの螺旋杭Ｐ１' 'は地上側端部に方形の台板３８が溶接付けされ、この台板３８の中央に地上構造物と連結するためのボルト３９が垂直に固定されている。また螺旋杭Ｐ１' 'の先端にはカッタ４０が溶接付けされている。

図８は、十字形断面の螺旋体Ｐ１が強度的に優れていることを剛性試験で確認した結果である。３種類の螺旋体（十字形断面）（１）（３）（５）と、３種類の従来品（平鋼）の螺旋体（２）（４）（６）をそれぞれ１．７ｍ切り出した試料で比較した（各材質：ＳＳ４００）。剛性試験はスパン１ｍ、その中心位置（片端から５０ｃｍ）に荷重を負荷することにより行い、その撓み量で剛性を評価した。図８（ａ）の試験結果をまとめたのが図８（ｂ）である。同じ負荷荷重で本発明の螺旋杭と従来の螺旋杭を比較すると、本発明の螺旋杭の方が撓み量が約１／３〜１／５と少ない。このことから、十字形断面の螺旋杭は同程度の外形寸法及びピッチで従来品（平鋼）の三倍程度の強度を有することがわかる。なお、図８（ｂ）中の数式は、各螺旋体の撓みと負荷荷重のデータから、撓みをｙ（ｍｍ）、負荷荷重をｘ（ｋＮ）として最小二乗法で導き出した関係式である。

図９は、十字形断面の螺旋体と平鋼の螺旋体を使用した螺旋杭の地盤支持力を粘性地盤で試験した結果である。この試験で十字形断面の螺旋体は地盤圧入時に特に撓みがなく、順調に杭打ち作業を行うことができた。一週間後に螺旋杭の引き抜き試験を行い、その結果を図９に示している。この支持力（螺旋杭の先端面積を無視すれば、引抜力と等しい）の比較結果から見て、十字形断面の螺旋杭は、一部例外（螺旋体（４））はあるものの、羽根の数が多い分だけ平鋼の螺旋体よりも地盤支持力が高いことがわかる。

以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく種々の変形が可能であって、例えば、前記実施形態では４本の山形鋼を使用して十字形断面の組み合わせ形鋼を構成したが、それぞれの山形鋼の内側に補強用に一回り小さい山形鋼をさらに追加してもよい。

また、図１０（ａ）のように等辺で断面ヘ字形の形鋼Ｐ３ａ、Ｐ３ｂ、Ｐ３ｃを３本背中合わせに組み合わせることで回転対称のＹ字形断面の組み合わせ形鋼を構成し、この組み合わせ形鋼をねじり加工することでＹ字形断面の螺旋体Ｐ３を得ることも可能である。断面ヘ字形の形鋼Ｐ３ａ〜Ｐ３ｃは、例えば図１０（ｂ）に示すように平鋼の幅方向中央の線に沿って６０°で曲げ加工することで容易に製造することができる。

１０：螺旋体製造装置
１１：フレーム
１２：油圧シリンダ
１２ａ：ピストンロッド
１２ｂ：ピストン
１３：固定側チャック
１４：回転側チャック
１５：モータ
１６：減速機
４３：回転駆動軸
４４：カップリング
４７：スラスト軸受
Ｐ１: 螺旋体
Ｐ１ａ〜Ｐ１ｄ:山形鋼
Ｐ２： 組み合わせ形鋼

Claims (4)

1. 同一断面形状の複数本の形鋼を背中合わせに組み合わせることで回転対称断面にした組み合わせ形鋼をねじり加工して得られた螺旋体。
2. 等辺山形鋼を４本背中合わせに組み合わせることで回転対称の十字形断面にした組み合わせ形鋼をねじり加工して得られた十字形断面の螺旋体。
3. 断面ヘ字形の形鋼を３本背中合わせに組み合わせることで回転対称のＹ字形断面にした組み合わせ形鋼をねじり加工して得られたＹ字形断面の螺旋体。
4. 螺旋体の材料となる前記十字形断面又はＹ字形断面の組み合わせ形鋼の一端部を固定側チャックによって回転拘束状態で支持すると共に、他端部を回転側チャックを介して回転駆動手段に連結し、前記回転駆動手段によって前記組み合わせ形鋼にねじりを付与し、当該ねじりの付与によって前記組み合わせ形鋼に発生する軸線方向の張力を所定の大きさに維持した状態で前記固定側チャックと回転側チャックを互いに漸次接近させることで前記組み合わせ形鋼を螺旋体に加工するようにした十字形断面又はＹ字形断面の螺旋体の製造方法。