JP4129836B2

JP4129836B2 - 基礎杭の構築方法、螺旋翼付きの既製杭

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Publication number: JP4129836B2
Application number: JP2003015643A
Authority: JP
Inventors: 昌仁田村; 洋一加藤
Original assignee: Mitani Sekisan Co Ltd
Current assignee: Mitani Sekisan Co Ltd
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2008-08-06
Anticipated expiration: 2023-01-24
Also published as: JP2004225414A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤中に埋設されて、ビル等の建造物を支承するための杭基礎、特に螺旋翼付き杭を使用した杭基礎の施工方法及びこの螺旋翼付きの既製杭に関する。特に、支持力が不足し易い地盤での螺旋翼付き既製杭を使用した杭基礎に有効である。
【０００２】
【従来の技術】
螺旋翼を有する既製杭の基礎造成については、昭和５０年代において、鋼管の下端部外周に鋼管径の約２倍の螺旋翼を形成し、その鋼管の下端部に底板を固設し、更に下向きの掘削刃を設けた既製杭を軟弱な地盤にねじ込むことにより騒音が少なく無排土の工法が実現され、螺旋翼面および杭周部へのねじ込み時の土の反力により支持力が得られることが記載されている（特許文献３）。
【０００３】
また、昭和６０年以降、各社より実用化のためのより具体的な技術が提案されてきている。例えば、小口径の既製杭において、鋼管の約２倍外径を有する１〜２巻の複数の螺旋翼を鋼管の外周に適当な間隔を設けて形成し鋼管の外側面の周辺摩擦力としてより有効に発現させている（特許文献１）。
【０００４】
また、杭の下端部外周に掘削補助金具をビットの目的で設け、さらに台形状の支持金具を掘削時の障害防止のために設けねじ込み時の回転トルクを小さくした既製杭を、杭打ち機に係合させ油圧モータ（いわゆるオーガー）でねじ込み杭基礎を造成し、騒音公害および土砂掘削量の少ないことを確認しており、基礎の荷重・沈下の試験で螺旋翼のない杭の２倍の耐力が得られたと記載されている。従って、面積が４倍であるので、螺旋翼付き既製杭での翼の単位面積当りの支持力（耐力）は、翼なし既製杭の場合の約半分となっている。
【０００５】
また、下端部が閉塞されていない鋼管においても、螺旋板によるねじ機能と杭下端部に形成した山型形状の切刃による土泥の破砕作用により螺旋翼既製杭のねじ込み埋設を可能とし、螺旋翼付き外径が鋼管径の約２倍の螺旋翼付き既製杭において、螺旋翼のない場合約４倍の支持力を得たとしている（特許文献２）。即ち、翼において、翼単位面積あたりの支持力が翼なし杭の場合と同様な値が得られている。
【０００６】
上記のように、螺旋翼付き既製杭は、杭下端部に掘削補助刃や土泥除去用金具などを形成して回転ねじ込み時に下方の地盤を緩め、ねじ込み時の回転抵杭力を低減し容易に螺旋翼付き鋼管をねじ込みできるようになっているが、逆に既製杭の先端支持力は下記の通りとなっている。
【０００７】
すなわち、杭基礎での先端部の鉛直支持力Ｒは、一般に以下の式で簡易的に計算される。
【０００８】
Ｒ＝α×Ｎ×Ａｐ
ここで、α：先端支持力係数
Ｎ：杭先端部の平均Ｎ値（標準貫入試験値）
Ａｐ：杭先端部面積（螺旋翼径での先端部面積）
ここで、螺旋翼既製杭の基礎では、各種試験により、α＝１５が得られて、一般に適用されている。
【０００９】
【特許文献１】
特許第２５９２０７９号公報
【００１０】
【特許文献２】
特公平７−９９０２１号公報
【００１１】
【特許文献３】
特公平２−６２６４８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
螺旋翼既製杭を用いた基礎杭は、低騒音、低排土等対環境の特徴を保有しながらも低杭耐力（低支持力）のために小規模の低層建造物しか採用されていない。すなわち、環境的に対応が要求されている時代に、この特性を生かしながら高層かつ高重量建造物に適用あるいは、基礎本数を削減する省資源および経済性の視点からも杭基礎１本当りの支持を向上させることが要求されている。
【００１３】
従って、高支持力化のために、コンクリート杭等の他の杭基礎等にくらべ約半分と小さい杭下端部（螺旋翼を含めた部分）の単位面積当りの耐力（先端支持力係数）を高め、鋼管の特徴である引張強度および対環境特性を生かしながら実現することが求められている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
然るにこの発明では、螺旋翼付きの鋼管を閉塞して地盤に押し込み、その後鋼管を開栓して鋼管の先端側に補強鋼材を突出し又は改良地盤を形成したので、前記問題点を解決した。
【００１５】
即ち、この発明は、以下の工程をとることを特徴とする基礎杭の構築方法である。
(1) 螺旋翼付きの下部鋼管部を形成した既製杭を、前記下部鋼管部の下端部を蓋で閉塞した状態で、下部鋼管部の掘削部で地盤を削り、前記螺旋翼で地盤を崩して、前記蓋で地盤を締め固めながら、地盤に押し込む。
(2) 所定深さまで前記螺旋翼付き既製杭を押し込んだならば、前記既製杭の上端側からの操作により前記蓋を開栓して、下端部を地盤に向けて開放する。
(3) 続いて、補強鋼材を、前記螺旋翼付き既製杭の中空部を挿通して、前記螺旋翼付き既製杭の下端から下方に向けて突出させ、地盤に押し込む。
(4) 必要ならば、前記螺旋翼付き既製杭の中空部に水硬性材料を充填し、基礎杭を構築する。
【００１６】
また、他の発明は、以下の工程をとることを特徴とする基礎杭の構築方法である。
(1) 螺旋翼付きの下部鋼管部を接続した既製杭を、前記下部鋼管部の下端部を蓋で閉塞した状態で、下部鋼管部の掘削部で地盤を削り、前記螺旋翼で地盤を崩して、前記蓋で地盤を締め固めながら、地盤に押し込む。
(2) 所定深さまで前記螺旋翼付き既製杭を押し込んだならば、前記既製杭の上端側からの操作により前記蓋を開栓して、下端部を地盤に向けて開放する。
(3) 続いて、前記螺旋翼付き既製杭の下端部から硬化剤を地盤に向けて注出し、地盤強度を高める。
(4) 必要ならば、前記螺旋翼付き既製杭の中空部に水硬性材料を充填し、基礎杭を構築する。
【００１７】
更に、他の発明は、地盤に押し込んで埋設する既製杭であって、中空の既製杭の下端部に螺旋翼を取り付けて下部鋼管部を形成し、該下部鋼管部の先端に掘削部を形成し、該掘削部の上方に下部鋼管部の中空部を封鎖する開閉可能な蓋を取り付け、該蓋は、地盤への押し込み時は土圧に抗して閉塞を維持して、埋設後に操作により開放できる構造としたことを特徴とする螺旋翼付きの既製杭である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（１）螺旋翼付き鋼管を埋設した後に、その鋼管の下端面の下方の地盤強度を高める。地盤強度を高める方策として、
・該地盤にドリル金型等の補強鋼材をねじ込む。
・セメントミルク等の所望固化強度の硬化剤をジェット噴射方式で注入し、根固め球根部状に地盤改良する。
・上記補強鋼材及び球根状の地盤改良の両方の適用
【００１９】
（２）造成工程としての方策として、螺旋翼付き既製杭の下端面（底面）を閉塞した状態で該既製杭を埋設し、その後に、その既製杭の底面の閉塞を解き、地盤強度を高める。
【００２０】
（３）このような方策により、螺旋翼付きの既製杭の先端支持力を高め、併せて、鋼管軸部の圧縮強度を高める。また、建造物の設計強度に合わせた所要固化強度の生コンクリートをその既製杭の中空部に充填し、鋼管の高曲げ強度と併せて高圧縮強度を実現する。
【００２１】
【実施例１】
図面に基づきこの発明の実施例を説明する。
【００２２】
［１］螺旋翼５付きの既製杭２０の構成
【００２３】
（１）長さＬ、外径Ｄ_１、厚さｔの鋼管１の下端部２（下端２ａからＬ_２の位置）外周に、外径Ｄ_２の螺旋翼５を周設する。ここで、螺旋翼５は、鋼管１の外周に合わせたドーナッツ状の円板を一半径で切断して、捻った状態で、鋼管１の外周に周設してある。
【００２４】
鋼管１等の寸法は、建造物の設計強度にあわせて適宜選定されるが、例えば、
鋼管１長さＬ＝１０ｍ
Ｄ_１＝５００ｍｍ
ｔ＝１６ｍｍ
螺旋翼５は、
Ｌ_２＝１３０ｍｍ
Ｄ_２＝１０００ｍｍ
とする。
【００２５】
（２）鋼管１の下端２ａから長さＬ_３（Ｌ_３＝５０ｍｍ）の位置に、開閉可能な底蓋１０を設置して、この発明の既製杭２０を構成する。
【００２６】
底蓋１０は、鋼管１の内壁にリング状の取付板７を固定し、取付板７に底蓋１０の外周部が係止されている。取付板７の中央が開口８を構成する。
【００２７】
底蓋は４分割された扇形の底蓋片１１、１１からなり、各底蓋片１１は上方に向けて形成した突起１２が取付板７の透孔９に嵌挿され、取付板７に支持されている。また隣接する底蓋片１１、１１は、一方の底蓋片１１の下面側の隣接縁に固定した連結板１３に、他方の底蓋片１１が載せられた構造である。従って、既製杭２０の押し込み時には、下方からの土圧により、各底蓋片１１、１１は分離せずに一体を保ち、取付板７に押圧されて、鋼管１を閉鎖する。
【００２８】
また、鋼管１の下端部で、底蓋１０の下方部分が掘削部１５を構成する。
【００２９】
また、底蓋１０の開栓時、底蓋片１１が鋼管１の外側へ突出しない場合には、螺旋翼５は鋼管１の最下端より形成すること（即ち、Ｌ_３＝０ｍｍ）ができる。
【００３０】
（３）他の実施例
【００３１】
前記実施例において、必要な長さの１本の鋼管１に螺旋翼５を付けて構成すると経済的であるが、短鋼管１ａの内側に同様に底蓋１０、外周に螺旋翼５を固定して、下部鋼管１７を形成し、下部鋼管１７を他の既製杭に固定して構成することもできる（図４）。例えば、下部鋼管１７を他の既製杭である鋼管杭（杭本体）の下端部に嵌装して溶接固定し（図４（ａ））、あるいは、下部鋼管１７の上端にフランジ１８を取り付け、他の既製杭であるコンクリート杭（杭本体）の下端板に接続して（図４（ｂ））、この発明の既製杭２０を構成することもできる。
【００３２】
また、前記実施例において、螺旋翼５は、その外径Ｄ_２を鋼管径Ｄ_１の約２倍程度とし、鋼管１の下端部２の外周面に螺旋状に形成し溶接するが、螺旋翼５からの応力伝搬を効率的にして、せん断力を充分に発揮させるために、螺旋翼の取付傾斜角度を緩やかにして巻回は１回以内とし、螺旋翼５が上下に重ならないようにすることが望ましいが、他の構成することもできる（図示していない）。また、螺旋翼５を複数個、設けた場合にはその相互間隔（上下間隔）は１〜２ｍ程度が経済的にも得策であるが、他の構成とすることもできる（図示していない）。
【００３３】
また、前記実施例において、鋼管１の肉厚ｔは、通常２０ｍｍ以下が加工成形上望ましく、螺旋翼５は強度の点から鋼管の２〜３倍の肉厚とした方が望ましいが、他の肉厚とすることもできる。また、鋼管１との溶接強度等の問題からできる限り薄い肉厚を選択することが望ましい。
【００３４】
また、鋼管１の下端部２の構造は、底面の外側下方に突出した掘削刃付きの掘削補助金具を形成し、底面は鋼管のねじ込み埋設時には閉塞しておき、埋設後に、ドリル金型等が貫入できる開口が開放できること、あるいは硬化剤が噴射できる注出口が開栓できる構造となっている。ここで、ドリル金型を押し込む場合は開栓面積が大きい方が便利であるが、ドリル金型が通過できる程度の孔径が開放でき、螺旋翼自身は逆転しないで開栓できることが望ましい。
【００３５】
また、前記実施例において、底蓋１０は、既製杭２０の押し込み時に土圧に抗して鋼管１の閉塞を保ち、所定深さで、操作により鋼管１を開放できる構造であれば、他の構造とすることもできる（図示していない）。
【００３６】
また、前記実施例において、掘削部は地盤を削り易いように、下縁を鋸状に形成し、あるいは、先に向けて薄肉に形成することもできる（図示していない）。あるいは、鋼管１の下端２ａ付近にそのように加工した掘削刃のような他の部材を溶接することもできる（図示していない）。
【００３７】
［２］基礎杭２０の築造方法
【００３８】
（１）先ず、施工場所に所要能力を有するオーガー付きの杭打ち機（図示していない）を配置し、その現場に既製杭２０（螺旋翼５付き鋼管１）を工場より移送してくる。
【００３９】
（２）底蓋１０を閉じて閉塞状態とした既製杭２０を吊り上げて、上端を杭打ち機のオーガーの下端部に係合させ、所定の掘削位置に設置する（図３（ａ））。
【００４０】
（３）オーガーを正回転させながら、既製杭２０を地面２２から地盤に押し込み貫入させる。この際、既製杭２０の掘削部１５で、地盤を削りながら、螺旋翼５の推進力で既製杭２０を貫入させ、所深度まで続行し埋設させる（図３（ｂ））。この際、既製杭２０の底が底蓋１０で閉塞されているので、螺旋翼５で地盤を崩してかつ締め固めながら、地上２２に排出する掘削土を大幅に低減して、既製杭２０を沈設できる。
【００４１】
また、ここで、既製杭２０の必要長さが１本で不足する場合は、既製杭２０の上端に他の杭を従来の方法で現場で接合して連結し（溶接やねじ継手など）、更に同様に所定深度まで既製杭２０を貫入させ埋設を完了する（図示していない）。
【００４２】
（４）既製杭２０の上端からオーガーを切り離し、オーガーに、先端に開栓突起２５を取り付けたロッド２４を連結し、ロッド２４を既製杭２０の中空部へ挿入し鋼管１の底蓋１０の連結板１３に係合させ、更にロッド２４を正方向に回して、底蓋片１１、１１を回転させて、開栓する（図３（ｃ）、図２（ｃ））。
【００４３】
また、蓋を開栓する場合、蓋が上方に開くことが望ましいが、予め既製杭を逆回転、あるいは若干上昇させると、既製杭の下方の地盤が緩くなり易いので、注意する必要がある。
【００４４】
この開栓時、底面が一部杭外側面に突出させる場合には、この突出量は直上の螺旋翼と杭下端との間隔幅の１／２以下が螺旋翼下面のせん断力を充分発現させるのに望ましい。
【００４５】
（５）続いて、一旦ロッド２４を地上に引き上げ、ロッド２４の先端にドリル金型２７（補強鋼材）を取付け、ドリル金型２７を既製杭の中空部を通って下端まで移動させる。続いて、ロッド２４を回転しながら、ドリル金型２７を取付板７の開口８から、下方に回転しながら地盤にねじ込み、ドリル金型２７の下端は既製杭２０の下端よりも下方に位置するように、所定の深さまで押し込む。ドリル金型２７の上端部を既製杭２０の取付板７の内周縁（開口）に係止固定する（図３（ｃ））。
【００４６】
こうして、ドリル金型２７の押し込み圧により、既製杭２０の貫入時に緩められた既製杭２０の直下の地盤強度を回復強化させる（図３（ｄ））。
【００４７】
（６）次に、オーガーを逆回転させて、ドリル金型２７をロッド２４から分離しロッド２４のみを引抜き、ドリル金型２７を現位置に残置する。既製杭２０に要求される所要圧縮力に合わせて、杭中空部に、２０〜１００Ｎ／ｍｍ^２の生コンクリートを充填し、これが固化すると基礎杭３０が完成する（図３（ｅ））。
【００４８】
（７）他の実施例
【００４９】
前記実施例において、ドリル金型２７をねじ込みする前に、地上から中空ロッドを挿通し、同様に、底蓋１０を押しながら開栓し（図３（ｃ））、既製杭２０の底面の開口８に中空ロッドの吐出口を臨ませ、吐出口から所定固化強度の固化剤、例えば固化圧縮強度２０Ｎ／ｍｍ^２のセメントミルクを高圧噴射することもできる（図３（ｆ））。この場合、鋼管１の底面下の杭貫入時に緩んだ地盤と混合させ所定の高強度の球根状の改良地盤３５を形成する。その後、前記同様にドリル金型２７を押し込んで、生コンクリートを充填して基礎杭３０を形成することもできる（図３（ｆ））。
【００５０】
ここで、改良地盤の形成範囲は、少なくとも杭下端部より下部方向へ杭径以上の厚さとし、更に最下端の螺旋翼の上方５０ｃｍ以上まで上方までの範囲で、かつ螺旋径の１．５倍の径範囲で実施することがせん断力の発現効率の視点から望ましい。
【００５１】
また、ドリル金型２７のねじ込みを省略して、セメントミルクを高圧噴射による改良地盤３５の形成のみとすることもできる（図示していない）。
【００５２】
［３］試験結果
【００５３】
通常のコンクリート杭の基礎の根固め部と略同様な地盤強度に回復・増強させることができた。従って、下記の支持力の簡易計算式において、螺旋翼５付き既製杭２０においては、従来より高い約２倍にあたる先端支持力係数α＝３０程度を適用することが可能なことが確認できた。
【００５４】
Ｒ＝α×Ｎ×Ａｐ
ここで、α：先端支持力係数
Ｎ：杭先端部の平均Ｎ値（標準貫入試験値）
Ａｐ：杭先端部面積（螺旋翼径での先端部面積）
【００５５】
【発明の効果】
（１）螺旋翼付き既製杭においても、従来のコンクリート杭と略同様な杭底面の地盤強度を回復・強化できる。先端支持力が得られる。
（２）螺旋翼付き既製杭においても、緩んだ鋼管の下方の地盤を、補強鋼材又は改良地盤処理により地盤強度を回復あるいは高めることができるので、従来のコンクリート杭と略同様な先端支持力が得られる。適切な数値を設定すれば、従来の螺旋翼付き既製杭に比べて、約２倍まで増強できることが確認できた。
（３）従来の通常の杭基礎と同等程度の先端支持力あるいは、先端部の地盤強度へ強化しても、螺旋翼付きの既製杭を回転しながら押し込みかつ下端を閉塞しているので、杭埋設時の低騒音および低排土をほぼ同時に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例の基礎杭の正面図である。
【図２】（ａ）は同じく下端部の拡大縦断面図、（ｂ）（ｃ）は同じくＡ−Ａ断面図で、（ｂ）は底を閉じた状態、（ｃ）は底を開いた状態を夫々表す。
【図３】この発明の施工方法を説明する概略した縦断面図で、（ａ）は埋設前、（ｂ）は埋設後、（ｃ）は底蓋を開放した状態、（ｄ）は補強部材を押し込み中の状態、（ｅ）は補強部材を押し込み完了の状態、（ｆ）は補強剤を充填完了した状態を夫々表す。
【図４】（ａ）（ｂ）は、この発明の他の基礎杭の正面図である。
【符号の説明】
１鋼管
１ａ短鋼管
２鋼管の下端部
２ａ鋼管の下端
５螺旋翼
７取付板
８開口
９取付板の透孔
１０底蓋
１１底蓋片
１２突起
１３連結板
１５掘削部
１７下部鋼管
１８フランジ
２０既製杭
２２地面
２４ロッド
２５ロッドの開栓金具
２７ドリル金具
２９コンクリート
３０基礎杭
３２鋼管杭
３３コンクリート杭
３５改良地盤

Claims

以下の工程をとることを特徴とする基礎杭の構築方法。
(1) 螺旋翼付きの下部鋼管部を形成した既製杭を、前記下部鋼管部の下端部を蓋で閉塞した状態で、下部鋼管部の掘削部で地盤を削り、前記螺旋翼で地盤を崩して、前記蓋で地盤を締め固めながら、地盤に押し込む。
(2) 所定深さまで前記螺旋翼付き既製杭を押し込んだならば、前記既製杭の上端側からの操作により前記蓋を開栓して、下端部を地盤に向けて開放する。
(3) 続いて、補強鋼材を、前記螺旋翼付き既製杭の中空部を挿通して、前記螺旋翼付き既製杭の下端から下方に向けて突出させ、地盤に押し込む。
(4) 必要ならば、前記螺旋翼付き既製杭の中空部に水硬性材料を充填し、基礎杭を構築する。
以下の工程をとることを特徴とする基礎杭の構築方法。
(1) 螺旋翼付きの下部鋼管部を接続した既製杭を、前記下部鋼管部の下端部を蓋で閉塞した状態で、下部鋼管部の掘削部で地盤を削り、前記螺旋翼で地盤を崩して、前記蓋で地盤を締め固めながら、地盤に押し込む。
(2) 所定深さまで前記螺旋翼付き既製杭を押し込んだならば、前記既製杭の上端側からの操作により前記蓋を開栓して、下端部を地盤に向けて開放する。
(3) 続いて、前記螺旋翼付き既製杭の下端部から硬化剤を地盤に向けて注出し、地盤強度を高める。
(4) 必要ならば、前記螺旋翼付き既製杭の中空部に水硬性材料を充填し、基礎杭を構築する。
地盤に押し込んで埋設する既製杭であって、
中空の既製杭の下端部に螺旋翼を取り付けて下部鋼管部を形成し、
該下部鋼管部の先端に掘削部を形成し、該掘削部の上方に下部鋼管部の中空部を封鎖する開閉可能な蓋を取り付け、該蓋は、地盤への押し込み時は土圧に抗して閉塞を維持して、埋設後に操作により開放できる構造としたことを特徴とする螺旋翼付きの既製杭。