JP2015148048A - 鋼管杭基礎 - Google Patents

Abstract

【課題】工事が複雑にならずかつ軟弱地盤に施工したとしても比較的大きな地際の曲げ耐力が得られる鋼管杭基礎を実現する。【解決手段】円筒状をなし下端部の外周面に所定の角度を有する螺旋状の羽根部（１４）が形成された本体部（１１）を備え、該本体部の上端に電柱接続用のフランジ部（１２）が設けられている鋼管製の杭を軟弱地盤に埋設してなる軟弱地盤用の鋼管杭基礎において、本体部の上部であってフランジ部から所定距離だけ下方の位置に、本体部の径よりも大きな径を有する円筒部材（１３Ａ）と、該円筒部材の内周面と前記本体部の外周面との間に設けられた複数の翼状連結片（１３Ｂ）とを備えた補償部（１３）を設けるようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼管杭基礎に関し、特に軟弱な地盤に貫入して構築される鋼管杭基礎に適用して好適な技術に関する。

従来、鉄道の軌道に沿って敷設され電力を供給する架線等を支持する電架柱（電柱）は、図６（Ａ）に示すように、電柱１６の下端部（基礎部）を地中に埋設したコンクリート製の基礎２０によって固定する方法が一般的であった。
かかる基礎の施工方法にあっては、コンクリート製の基礎２０を設ける前に地面に人力にて穴を掘る必要があるため、工事日数が長くなるとともに、大量の残土が発生するためその処理のための費用もかさむという問題点があった。なお、図６（Ａ）において、符号２１は見栄えを良くするとともに雨水の浸入を防止するための化粧材である。

一方、近年、少子高齢化と人材確保を目的に機械化施工が求められており、地中に、図６（Ｂ）に示すような鋼管杭１０を埋設したものを基礎となし、該基礎の上にフランジ接続等により電柱（図示略）を立設する工法が採用されることがある。このような鋼管杭基礎にあっては、杭先端部付近に１枚または杭先端部付近に１枚とその上方に複数の螺旋状の羽根１４を設けている。そのため、鋼管杭１０を杭打ち機で回転させることで地中に埋設させることができるので、人力作業から開放されるとともに、工事日数が短縮され、残土の発生が少ないという利点がある。

特開２００９−４６８７９号公報 特開２０１１−１５７７８０号公報

しかしながら、図６（Ｂ）に示すような鋼管杭基礎を用いた工法は、湧水が発生するような軟弱な地盤に鋼管杭基礎を埋設して電柱を立設した場合、地盤の抵抗力が小さいために地際の曲げモーメントに耐えられず電柱の変位が大きくなることが課題であった。
そこで、本発明者らは、鋼管杭の上部であって地中に埋設される位置に鍔を設けるなど、軟弱な地盤においても架線から電柱に作用する大きな曲げモーメントに耐えられるさまざまな構造の鋼管杭基礎について検討を行なった。本発明はそのような過程で、工事が複雑にならずかつ所望の地際の曲げ耐力が得られる鋼管杭基礎として生まれたものである。

なお、従来、地震発生時の水平耐力を向上させるため、内管と外管とからなる二重管式の鋼管杭基礎に関する発明が提案されている（特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載されている構造の鋼管杭基礎は、内管と外管との隙間にソイルセメントなどの隙間材を充填する構造であるため、工事が複雑で工事日数も長いという課題がある。

また、管の内周面と外周面にそれぞれ螺旋状のリブを設けるとともにそのリブの傾斜角度を調整することで、圧入抵抗を減らし施工性を向上させた鋼管杭基礎に関する発明も提案されている（特許文献２参照）。しかしながら、特許文献２に記載されている構造の鋼管杭基礎は、比較的固い地盤を対象としたもので軟弱地盤に適した場合には充分な地際の曲げ耐力が得られないという課題がある。

本発明は上記のような課題に着目してなされたもので、その目的とするところは、工事が複雑にならずかつ軟弱地盤に施工したとしても比較的大きな地際の曲げ耐力が得られる鋼管杭基礎を提供することである。

上記目的を達成するため、この発明は、
円筒状をなし下端部の外周面に所定の角度を有する螺旋状の羽根部が形成された本体部を備え、該本体部の上端に電柱接続用のフランジ部が設けられている鋼管製の杭を軟弱地盤に埋設してなる軟弱地盤用の鋼管杭基礎において、
前記本体部の上部であって前記フランジ部から所定距離だけ下方の位置に、前記本体部の径よりも大きな径を有する円筒部材と、該円筒部材の内周面と前記本体部の外周面との間に設けられた複数の翼状連結片とを備えた補償部を設けるようにした。
上記のような構成によれば、鋼管杭の本体部の上部に、円筒部材と複数の翼状連結片とを備えた補償部を設けているので、風や地震時等の水平力に対して円筒部材と本体部は一体となって挙動し、軟弱地盤においても変位が小さく、比較的大きな地際の曲げ耐力を得ることができる。

また、望ましくは、
前記複数の翼状連結片の水平面に対する円周方向の傾斜角は、前記螺旋状の羽根部の傾斜角の２〜３倍となるように構成する。
軟弱地盤といっても通常は上層の土壌のみが柔らかく深部の土壌は固い（粘土層である）ことが多いので、翼状連結片の傾斜角を螺旋状の羽根部の傾斜角よりも大きくすることにより、鋼管杭を地盤に打ち込む際に本体部を回転させると、柔らかい土壌部分に入り込んだ翼状連結片から杭を下方へ移動させる推進力が得られるため、比較的容易かつ短時間に杭を所望の深さまで貫入することができる。

また、望ましくは、前記円筒部材の径は、前記本体部の径のおよそ２倍となるように構成する。
補償部を構成する円筒部材の径が本体部の径の２倍よりも小さいと所望の地際の曲げ耐力が得られないとともに、円筒部材の径が本体部の径の２倍よりも大きいと本体部を回転させて杭を地面に打ち込む際の抵抗が大きくなって、作業効率が低下するおそれがあるが、円筒部材の径を本体部の径のおよそ２倍とすることにより、所望の地際の曲げ耐力が得られ易くなるとともに、回転抵抗を小さくして作業効率を良くすることができる。

さらに、望ましくは、前記補償部には、所定の距離をおいて前記複数の翼状連結片を複数段設けるようにする。
これにより、地盤に打ち込まれた鋼管杭の地際の曲げ耐力をより高めることができる。

また、望ましくは、前記複数の翼状連結片のそれぞれの水平面への投影面積と、前記複数の翼状連結片の各隙間領域の水平面への投影面積とはほぼ同一であるように構成する。
翼状連結片の投影面積が隙間領域の投影面積に比べて大き過ぎると、杭を回転させる際の抵抗が大きくなり作業時間が長くなる一方、翼状連結片の投影面積が隙間領域の投影面積に比べて小さ過ぎると、円筒部材と本体部は一体とならずに、剛性や地際の曲げ耐力が小さくなるという不具合が生じる。両者の投影面積をほぼ同一であるように構成することにより、回転抵抗を小さくして作業効率を向上させることができるとともに、地際の曲げ耐力を高めることができる。

ここで、本発明が生まれるまでのいきさつについて説明する。
本発明者らは、ある駅構内に電柱を敷設するに際して地盤の性質を調べたところ、他の一般的な駅構内の地盤と異なり軟弱地盤であることが分かった。そこで、軟弱地盤においても所望の地際の曲げ耐力が得られる鋼管杭基礎として、先ず通常のＩ型基礎を補強する構造として、鋼管に鍔を設けるＴ型基礎に着目した。しかし、Ｔ型基礎では鉄筋の挿入に手間がかかるとともに機械化が困難なため、鋼管杭に筒状や羽状の土圧が期待できる構造物を付加する方法を検討した。さらに、打込みの際、杭を回転させる方法が効率的であるため、杭に付加する構造物を筒状のものに絞り込んだ。

そして、杭を回転させて土の中に潜り込む構造として、筒の中を空洞にした構造を検討した。さらに、杭の回転時に筒の中を土で充填させ土圧を確保するため、鋼管杭のらせん構造を筒の中に取り込む方法を検討した。それから、杭打ち機の仕様をもとに、杭に付加する筒の直径・長さ・筒の中の羽根の構造（大きさ・枚数・角度等のパラメータ）をシミュレーションで決定して鋼管杭を試作し、施工試験および測定を行なって効果を確認することによって、本発明が生まれた。

本発明によれば、工事が複雑にならずかつ軟弱地盤に施工したとしても比較的大きな地際の曲げ耐力が得られる鋼管杭基礎を実現することができる。

本発明の一実施形態における鋼管杭基礎を示す概略図である。 実施形態に係る鋼管杭基礎の要部の断面図で、図２（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面平面図、図２（Ｂ）は（Ａ）における線に沿った断面正面図である。 図１におけるＣ部（補償部）の透視図である。 実施形態における鋼管杭基礎を上方より見た平面図である。 図１に示す鋼管杭基礎の変形例を示す要部拡大正面図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ従来の電柱基礎の例を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る鋼管杭基礎の実施形態について詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態においては、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明は以下に説明する実施形態及び図示例に限定されるものではない。
図１は鋼管杭基礎の概略図、図２は要部の断面図で、図２（Ａ）は図１におけるＡ−Ａ線に沿った断面平面図、図２（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ−Ｂ線に沿った断面正面図である。また、図３は図１におけるＣ部の透視図である。

図１に示すように、本実施形態の鋼管杭基礎を構成する杭１０は、鋼管製の円筒状本体部１１と、該本体部１１の上端に設けられ電柱が接続されるフランジ部１２と、本体部１１の上部であってフランジ部１２から所定距離をおいた位置に設けられた補償部１３と、本体部１１の下部外周面に設けられた螺旋状の羽根部１４とを備えている。
フランジ部１２は、平面視（上方より見た形状）が円形でもよいが、図４に示すように、正方形であっても良い。また、フランジ部１２の下面と本体部１１の上端部外周面との間には、図５に示すように、逆三角形状の補強用リブ１５を形成しても良い。補強用リブ１５の数は任意である。

上記杭１０の本体部１１は、その下端部が逆円錐状をなすように形成されており、杭打ち機で杭上端のフランジ部１２を把持して本体部１１を垂直姿勢に保ち、下方へ向って圧力を加えながら回転させると、螺旋状の羽根部１４の作用によって、杭全体が徐々に地中に進入していくように構成されている。そして、補償部１３の上端が地面ＧＬから２０〜４０ｃｍ程度の深さに達した時点で貫入作業を終了し、杭の周囲の土を押し固めることで鋼管杭基礎の施工作業が完了する。その後、フランジ部１２の上に電柱を載置して電柱側のフランジと杭１０側のフランジ部１２とをボルトで締結することで、鋼管杭と電柱との接続を実行することとなる。

図２および図３に示すように、本実施形態の鋼管杭１０に設けられている補償部１３は、本体部（内管）１１の径のおよそ２倍の径を有する円筒部（外管）１３Ａと、本体部１１の外周面と円筒部１３Ａの内周面との間に所定の角度をおいて設けられた複数枚（例えば４枚）の翼状連結片１３Ｂとから構成されている。また、特に限定されるものでないが、この実施形態では、４枚１組の翼状連結片１３Ｂが所定の間隔をおいて上下２段に設けられている。
なお、円筒部１３Ａと翼状連結片１３Ｂは本体部１１と同じ材料（鋼板）で形成され、本体部１１の外周面と翼状連結片１３Ｂの基部および翼状連結片１３Ｂの先端部と円筒部１３Ａの内周面とは、溶接によって結合されている。

翼状連結片１３Ｂはそれぞれ水平面に対して所定の角度をなすように傾斜した姿勢で固定されている。翼状連結片１３Ｂの傾斜角は、例えば本体部１１の下部の螺旋状羽根部１４の傾斜角（８．２°）の約２倍（２０°）とするとよい。地盤は、一般に上層の方が下層よりもＮ値が小さいため、翼状連結片１３Ｂの傾斜角を大きくすることにより、本体部１１を回転させた際に、より大きな推進力を得られるためである。
翼状連結片１３Ｂの傾斜角と螺旋状羽根部１４の傾斜角は施工する土壌（上層部と下層部）の硬さに応じて決定するのが望ましい。傾斜角の差を大きくし過ぎると、本体部１１の軸方向（上下方向）に不要な応力がかかるので、それぞれの傾斜角の値は、施工する土壌の硬さ、鋼管杭や翼状連結片の強度に応じて決定すると良い。

また、補償部１３は、平面視における翼状連結片１３Ｂの面積（水平面への投影面積）Ｓ１と、翼状連結片１３Ｂ間の隙間領域の面積Ｓ２との比Ｓ１：Ｓ２がほぼ１：１となるように設定する。Ｓ１がＳ２に比べて大き過ぎると、杭を回転させる際の抵抗が大きくなり作業時間が長くなる一方、Ｓ１がＳ２に比べて小さ過ぎると、杭を回転させる際の抵抗は小さくなるが円筒部材と本体部は一体とならずに、剛性や地際の曲げ耐力が小さくなるという不具合が生じる。本実施形態では、Ｓ１：Ｓ２≒１：１としたが、Ｓ１：Ｓ２は地盤特に上層部の固さに応じて決定すれば良い。

次に、上記鋼管杭１０の各部の寸法の一例について説明する。
先ず、本体部１１は、厚み９．５ｍｍの鋼管製で、全長Ｌ１（図１参照）を約７ｍ、径Ｄ１を約３５ｃｍとする。螺旋状羽根部１４は、羽根の高さＨ２を１５５ｍｍとし、下端部の近傍とそこから所定距離（例えば１〜２ｍ）離れた位置に、それぞれ約３６０°の螺旋羽根（計２枚）を形成する。補償部１３は、フランジ部１２の上面から円筒部１３Ａの上端までの距離Ｌ２を約１ｍ、円筒部１３Ａの高さＨ１を１ｍ〜２ｍ、径Ｄ２を約７０ｃｍとする。翼状連結片１３Ｂに関しては、円筒部１３Ａの上端と下端からそれぞれ３０ｃｍの位置に上段と下段の翼状連結片をそれぞれ設ける。つまり、円筒部１３Ａの高さＨ１が１ｍの場合は上段と下段の翼状連結片の間隔を４０ｃｍ、高さＨ１が２ｍの場合は上段と下段の間隔を１４０ｃｍとする。補償部１３を構成する円筒部１３Ａおよび翼状連結片１３Ｂには、厚み９ｍｍの鋼板を用いる。

以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではない。例えば、前記実施形態においては、円筒部１３Ａの内側に翼状連結片１３Ｂを２段設けたものを示したが、３段以上設けても良い。
また、前記実施形態においては、翼状連結片１３Ｂを２段当たり４枚としたが、３枚あるいは５枚以上としても良い。

なお、翼状連結片１３Ｂは、本体部１１を回転させた際に生じる円周方向速度が基部側と先端側とで異なり、先端側の方が速くなるので、基部側の傾斜角よりも先端側の傾斜角の方が小さくなるような形状としても良い。
さらに、前記実施形態において説明した方法により鋼管杭を埋設した後、杭の周囲の土壌や円筒部１３の内側の土壌に、例えばセメントスラリーのような固化剤を注入して固化させることで基礎の強度を高めるようにしても良い。

１０ 鋼管杭
１１ 本体部
１２ フランジ部
１３ 補償部
１３Ａ 円筒部
１３Ｂ 翼状連結片
１４ 羽根部
１５ 補強用リブ

Claims (5)

1. 円筒状をなし下端部の外周面に所定の角度を有する螺旋状の羽根部が形成された本体部を備え、該本体部の上端に電柱接続用のフランジ部が設けられている鋼管製の杭を軟弱地盤に埋設してなる軟弱地盤用の鋼管杭基礎であって、
   前記本体部の上部であって前記フランジ部から所定距離だけ下方の位置に、前記本体部の径よりも大きな径を有する円筒部材と、該円筒部材の内周面と前記本体部の外周面との間に設けられた複数の翼状連結片とを備えた補償部が設けられていることを特徴とする軟弱地盤用の鋼管杭基礎。
2. 前記複数の翼状連結片の水平面に対する円周方向の傾斜角は、前記螺旋状の羽根部の傾斜角の２〜３倍であることを特徴とする請求項１に記載の軟弱地盤用の鋼管杭基礎。
3. 前記円筒部材の径は、前記本体部の径のおよそ２倍であることを特徴とする請求項１又は２に記載の軟弱地盤用の鋼管杭基礎。
4. 前記補償部には、所定の距離をおいて前記複数の翼状連結片が複数段設けられていることを特徴とする請求項３に記載の軟弱地盤用の鋼管杭基礎。
5. 前記複数の翼状連結片のそれぞれの水平面への投影面積と、前記複数の翼状連結片の各隙間領域の水平面への投影面積とはほぼ同一であることを特徴とする請求項４に記載の軟弱地盤用の鋼管杭基礎。

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