JP4017593B2 - 鋼管杭 - Google Patents

Description

本発明は、地盤を強化するために土壌内に埋設する鋼管杭に関する。

陸上に設置する建築物や土木構造物等の構築物による荷重は地盤が支える。従って、構築物重量が地盤の支持力を超えると、通常、不同沈下の形で異常が現れ始め、短期もしくは長期の時間経過後に傾斜が拡大して使用に耐えなくなる。従って、或る程度の重さの構築物を造る場合、予め、設置場所のボーリング地質試験を実施して地盤の支持力を確認する。

支持力が不足し地盤の強化が必要になると、構築物に合わせて最適な手段を選択する。例えば、建築物の場合には支持力の強化に成型したコンクリート製や鋼管製の杭を使用する。杭は打ち込んで杭表面と地層との間の摩擦を利用するか、必要な支持力を持つ地層まで埋設する方法が採られる。使用する杭の種類は建築物の高さや重さ並びに支持力を持つ地層までの深さで変わる。

コンクリート製や鋼管製の杭を埋設するには、振動機やハンマーを使用して杭を打ち込む工法、スクリューで開けた穴を根固めして投入する工法、図１のように杭１の鋼管２の先端に掘削刃３と羽根４を付けた杭をスクリューに見立て回転貫入する工法等がある。回転貫入工法では、外径１１４．３〜２４７．４ｍｍの鋼管を使用し、その外側に鋼管径の２〜３倍径の羽根を付ける。羽根径が大きくなると杭先端有効断面積が増えて、Ｎ値に対する長期先端支持力が増加する。

財団法人日本建築センター刊行カタログ（回転貫入鋼管杭の性能評価工法）によれば、基礎杭の本体径（鋼管杭外径）／最大施工深さの関係を、１１４．３ｍｍ／１４．９ｍ、２４７．４ｍｍ／３４．８ｍと記載している。鋼管は３〜６ｍの長さから選び必要に応じて鋼管を継ぎ足す。本工法は低騒音で杭埋設時に排土がなく、水も使用しないので汚れない等の利点がある。
財団法人日本建築センター刊行カタログ・２００２年版

回転貫入鋼管杭は荷重を杭の最下面と羽根で支持する。従って、同径の鋼管でも羽根を大きくすると支持力が増え必要な杭数が少なくなる。反面、回転貫入鋼管杭は螺旋状の羽根から推進力を得るため、埋設途中で粘度質・砂質・礫石等が混ざる地層を貫通し、最終の硬い支持層に達して杭径以上にくい込ます過程で、予想以上の力が羽根に掛かり損傷を受け易いと言う問題がある。然も、この損傷は目視不能である。

厚板を使用すると強い大きな径の羽根を造ることができるが、羽根は鋼管に溶接で接続するため、羽根と鋼管の板厚に差があると溶接部分の鋼管母材の強度が不足し、杭の強度が低下すると言う問題もある。従って、肉厚の特殊鋼管でない限り鋼管の径と厚みの選択肢は限られ、羽根強度を高めようとすると外径の大きな鋼管の選択が必要になり、却ってコスト上の問題を引き起こすことになる。

また、杭の役割は構築物による荷重を支持層に確実に伝えることであると考えると、最下面周辺を除く上方の部分は埋設時の回転力（捩じり）に耐え、荷重支持時に許容範囲の曲がり（撓み）に収まる強度の鋼管であればよいことになる。従って、杭により地表側の鋼管径が荷重に対して充分過ぎて不経済と言う課題もある。本発明は、上記の問題を解決した切削刃と羽根を付けた組立式鋼管杭の提供を目的とする。

本発明は、鋼管を上下方向に延在してなる補足部分の下端に、掘削刃および螺旋状の羽根を具えた先端部分を、溶接手段で接続した鋼管杭において、前記先端部分は上方から下方に向かうにつれて拡径せる異径鋼管であり、該先端部分の上下方向中程を緩曲面で繋いで拡径し、先端部分のうち上端部を前記補足部分と同一径として、補足部分の下端に継ぎ足すよう前記接続を行ったことを特徴とする鋼管杭である。

本発明の鋼管杭から下記の効果を得た。
鋼管杭が掘削刃および螺旋状の羽根付き異径鋼管からなる先端部分と、継ぎ足し鋼管とからなる補足部分とから構成されるので、調達と保管及び搬送に要するコストが低下した。また、補足部分の鋼管の選択幅が拡大し、組み立ても溶接により、現場で組み立てられるので作業の進行状況に合わせて供給ができる等、組立・輸送・格納等の納期管理もし易くなった。

異径鋼管もしくは厚肉鋼管を使用すると、補足部分の鋼管の影響なしに厚板を使用して羽根径を拡大し、杭先端有効断面積が増加できる。また、羽根径が一定のとき先端部分の鋼管径を変え羽根幅を増減しても受圧面積は変わらない。従って、羽根幅の縮小は材料及び施行面で経済的な効果を高め羽根の損傷防止にも役立つ。従って、支持力確保のための羽根径や先端部分の鋼管径の選択肢が拡がり、比較的強度の低い地盤への適用も充分可能になった。

杭が回転して先端の土砂を掘削刃で削り採り外側の羽根で上方に排出する際、先端部分の内径と補足部分の内径に差を付けた杭では、先端の管内が開端の場合でも、異径鋼管の内径縮小効果により管内の土砂が圧密閉塞され、杭先端を閉端した場合と同等の支持力が得られる。また、組立式鋼管杭に使用する異径鋼管や厚肉鋼管は既成品が利用できるのでコストの引き下げに寄与する。

本発明は、回転貫入鋼管杭の支持力の拡大を目的として、杭を異径鋼管と掘削刃と螺旋状の羽根からなる先端部分ならびに該部分から上方に連結する補足部分の鋼管で構成し、両者を接続した鋼管杭である。即ち、大径の羽根に起こり易い埋設時の損傷を防止する羽根の補強、並びに先端と補足の両部分の鋼管径に差を持たせて、補足部分の鋼管の選択肢を拡大することで、支持力を増加しやすい構造とすることができた。

羽根の損傷を防止する構造は、鋼管と切削刃及び羽根からなる先端部分の鋼管上端に、羽根径を超えない範囲で強化板を取り付け、強化板の少なくとも三個所から支柱を羽根に下して貫通固定し、掘削時に起こりがちな羽根の損傷を防止する対策とした。また、強化板を利用して上方に補足部分の鋼管を接続する構造とした。また、強化板の内径を小さくすると、先端部分の鋼管に対して補足部分に細い鋼管を使用し易くなる。

鋼管と掘削刃及び羽根からなる先端部分に於いて、両端の径が異なる異径鋼管を使用して、拡径側を下向きにして掘削刃と羽根を付け、径の小さい側に補足部分の鋼管を接続する構造とした。異径管は、既製の配管用異径継手かテーパー管を使用してもよいが、新たに出入口の間に任意の曲面もしくはテーパーを選択して成形してもよい。

異径鋼管を使用する代わりに、鋼管と掘削刃及び羽根からなる先端部分に、補足部分の鋼管より厚肉の鋼管を使用し、厚肉の鋼管の上面に補強板を取り付け、補足部分の鋼管を接続する構造としてもよい。先端と補足の両部分の接続は溶接かフランジとボルト及びナットを利用する。尚、先端部分を鋳造により一体化してもよいが、その場合、接続手段は鋳物側と鋼管側にフランジを設けてボルト及びナットで接続するか、フランジに代えて鋳物側に雌ねじ鋼管側に雄ねじを設け双方をねじ接続により固定する。

先端と補足の両部分に分ける組立式鋼管杭は浅い支持層にも対応し易い。また、杭が回転して先端の掘削刃が土砂を削り羽根で上方に排出する際、一部の土砂が杭内側に入り込もうとする動きは、杭先端から口径が縮小する異径部分の形状が、土砂を圧縮緻密化して防止する。従って、本発明の拡径した鋼管杭では杭先端を閉端した場合もしくは先端寄りの管内面に閉塞用の板を使用した場合と同等の支持力が得られる。

図３の先端部分の鋼管と補足部分の鋼管、図５の異径鋼管の両端、図８の先端部分の鋼管と補足部分の鋼管、それぞれに示す径Ｄ₂ とＤ₃の比を、１．２〜２．５の範囲、好ましくは１．５〜２．５の範囲、より好ましくは１．５〜２．０の範囲から選択する。この数値は、地表から支持層までが深く長い杭を使用しなければならない時は小さ目とし、浅く短い杭のときには大き目にとることができる。

図２（Ａ，Ｂ）は杭１１の側面図と底面図である。杭を構成する外径Ｄ_２（図３参照）の鋼管１２の先端に二個の掘削刃１３を付け、その上に所要角度を備え外径Ｄ_１で螺旋状の羽根１４を付ける。杭は回転すると掘削刃と羽根の助けで地中に潜る。杭の埋設時に羽根が損傷しないように、羽根の上方に強化板１５を固定し、同板の円周を四分割した位置から支柱１６を羽根上に下ろして貫通補強した。支柱は羽根の厚みと大きさを考慮して決め、数も四本に限らない。

図３は図２（Ａ）を右側矢印のａ方向からみた部分断面付き側面図である。杭１１の先端部分の鋼管１２は強化板１５の厚みを含めた長さＬ_１で示される。強化板は羽根の補強と補足部分の鋼管１８との接続面を兼ねる。掘削刃１３は鋼管先端と支柱１６に固定される。従って、掘削刃の数や取付位置により支柱の位置が変わることもある。

長さＬ_１の先端部分に長さＬ_２で外径Ｄ_３ の補足部分の鋼管１８を継ぎ足して長さＬの杭１１に仕上げる。鋼管１２と掘削刃１３と羽根１４からなる先端部分と補足部分の鋼管は必要に応じて接続し組み立てればよい。先端と補足の両部分の鋼管径は必ずしも同一にする必要はなく地盤等の条件を考慮して自由に径を選択する。主として杭は溶接で接続するが、補足部分の鋼管と強化板の間にフランジ１９（仮想線）を使用して溶接またはボルトで接続してもよい。

図４は［背景技術］欄で説明した図１の鋼管杭１と本発明の先端と補足の両部分で鋼管径を変えた組立式鋼管杭１１との比較を地盤の断面図に示した。前者の杭で荷重Ｗを支えるには、所要厚みの強固な支持層Ｎ_２に達する長さが必要になる。然し、強固な支持層に至る間に様々な強さと厚みの地層が存在するので、後者の杭のように先端有効断面積を拡大すると、地表に近く弱い支持層Ｎ₁ でも所要の厚みがあれば有効に利用できる。

強固な支持層Ｎ_２ と弱い支持層Ｎ_１ に使用する杭は、荷重を同じとすると長さと直径が異なる。支持層で羽根部分の管径（Ｄ，Ｄ_２ ）、荷重で管径（Ｄ，Ｄ_３ ）、支持層までの深さで長さ（Ｌ）が決まる。従って、全長が同径Ｄの杭１は長く、埋設手間を含めたコストが高くなる。本発明の杭１１は先端部分がＬ_１と短くＤ_２を太く、補足部分Ｌ_２を短くＤ_３ を細くして対応できるので、杭の全長が短く埋設手間を含めたコストを低く抑えられる。

図５（Ａ，Ｂ）はフランジ接続した杭２１の側面図と底面図である。長さＬ_１の先端部分に異径鋼管２２を使用して大口径側に掘削刃２３と羽根２４を接続する。小口径側に補足部分の長さＬ_２の鋼管２５を継ぎ足して長さＬの杭に仕上げる。異径鋼管は所要の鋼管径に設定して絞り等の加工で成形してもよいが、配管用の異径継手から適宜な寸法を選び使用することもできる。

異径鋼管２２は接地側（大口径側）の面積の他に板厚も増すので、羽根２４に厚板を使用して外径を拡大し、杭の支持力を増すことができる。従って、補足部分の鋼管が細い杭でも、一本物の鋼管に大きな羽根を付け支持力を増したのと同じ効果が得られる。先端部分に異径鋼管を使用した杭の内部が中空でも、杭の埋設時に杭底から杭内面に押し上げられる掘削土砂は、異径鋼管の縮小部分で圧密閉塞されて固まり、杭先端を閉端した場合もしくは先端寄りの管内面に閉塞用の板を使用した場合と同等の支持力が得られる。

図６（Ａ，Ｂ）は、異径鋼管２２の小口径側に補足部分の鋼管２５を直接継ぎ足した長さＬの杭２１Ａの側面図と底面図である。異径鋼管は図７（Ａ）のように両端の間を緩曲面で繋いだものか、同図（Ｂ）のようなテーパー管２９を使用する。尚、既製品の異径鋼管を使用する場合、大小口径比Ｄ_２ ／Ｄ_３ と長さＬ_１に制限があるので使用条件が限定される。フランジ接続の場合、先端部分を鋳造品とすると加工手間が大幅に減少してコスト面に好結果を与える。

図８は長さＬの杭３１の部分断面付き側面図である。先端と補足の両部分に分割した効果は実施例１と同じである。掘削刃３３と羽根３４を接続した長さＬ_１厚みＴ_１の先端部分の厚肉の鋼管３２の上端に固定した補強板３６に、長さＬ_２ 厚みＴ_２の補足部分の鋼管３５を接続する。厚肉の鋼管の使用は羽根も厚板にできるので拡径による支持力の増加が計れる。補強板が有ると補足部分に細い鋼管を使用する際の接続に都合がよい。また、先端部分を鋳造品とすると加工手間が大幅に減少してコスト面に好結果を与えるが、補足部分の鋼管側に接続フランジが必要になる。

回転貫入杭の側面図と底面図である。（従来例） 杭の側面図と底面図を（Ａ，Ｂ）に示した。（実施例１） 図２（Ａ）を右側矢印のａ方向からみた部分断面付き側面図である。 図１の杭と図２の先端部分と補足部分で鋼管径を変えた杭の比較を地盤の断面図に示した。 杭の側面図と底面図を（Ａ，Ｂ）に示した。（実施例２） 別態様の杭の側面図と底面図を（Ａ，Ｂ）に示した。 （Ａ，Ｂ）は異径管の側面図である。 杭の部分断面付き側面図である。（実施例３）

符号の説明

１１，２１，２１Ａ，３１ 杭
１２，３２ 鋼管（先端部分）
１３，２３，３３ 掘削刃
１４，２４，３４ 羽根
１５，３６ 補強板
１６ 支柱
１８，２５，３５ 鋼管（補足部分）
２２ 異径鋼管（先端部分）

Claims (3)

1. 鋼管を上下方向に延在してなる補足部分の下端に、掘削刃および螺旋状の羽根を具えた先端部分を、溶接手段で接続した鋼管杭において、
   前記先端部分は上方から下方に向かうにつれて拡径せる異径鋼管であり、該先端部分の上下方向中程を緩曲面で繋いで拡径し、
   先端部分のうち上端側の部位を前記補足部分と同一径として、補足部分の下端に継ぎ足すよう前記接続を行ったことを特徴とする鋼管杭。
2. 前記異径鋼管は配管用異径継手であることを特徴とする請求項１に記載の鋼管杭。
3. 前記先端部分のうち上端側の部位と、下端側の部位との口径比を１．２〜２．５の範囲から選択したことを特徴とする請求項１か２に記載の鋼管杭。