JP4524955B2

JP4524955B2 - 杭先端部の補強構造及び杭の施工方法

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Publication number: JP4524955B2
Application number: JP2001159267A
Authority: JP
Inventors: 正宏林; 和臣市川; 玄森
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2001-05-28
Filing date: 2001-05-28
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2021-05-28
Also published as: JP2002348864A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ねじ込みや中掘り施工方法によって埋設される杭などの先端部の補強構造及び杭の施工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
杭の先端部や側面に翼状板を取付けて、地上に設置した施工機械を用いて回転力を与えることにより、翼状板の木ねじ作用により地中に埋設するねじ込み杭は、従来から種々提案されており、低振動、低騒音、無排土で施工できると共に、埋設後は翼状板の面積を利用して大きな先端支持力が得られるため土木、建築の分野で実用化されている。以下、本発明に関連すると思われる従来技術について説明する。
【０００３】
特公平２−６２６４８号公報に記載された鋼管杭の埋設工法は、鋼管製の杭本体の下端に底板を固設し、該底板に掘削刃を設けると共に、杭本体の下端部外周面に杭本体の外径のほぼ２倍強の外径を有する翼幅の大きな杭ネジ込み用の螺旋翼を、ほぼ一巻きにわたり突設した鋼管杭を、軟弱地盤にネジ込むように回転させながら地中に押圧し、下端の掘削刃によって杭本体先端の土砂を掘削軟化させて、杭側面の未掘削土砂中に螺旋翼を食い込ませて、土の耐力を反力として杭体を回転推進しつつ、掘削軟化した土砂を杭側面に押出し圧縮し、無排土で地中に杭体をネジ込んでゆくようにしたものである（従来技術１）。
【０００４】
また、特許第２８６１９３７号公報に記載されたねじ込み式鋼管杭は、先端部を円周方向に複数に分割し、この分割された個々の部分に同方向に向ってそれぞれレ字状の取付部が形成された鋼管と、直径が鋼管の直径より大きい円形鋼板又は楕円形鋼板を複数に分割したほぼ半円状又は扇形状の鋼製板とを有し、この鋼製板を鋼管の先端開口部を覆うようにして鋼管の先端部に設けたレ字状の取付部にそれぞれ取付けて、鋼製板に鋼管杭を地中に推進させるねじ込み機能と、鋼管の下部開口部を閉塞する底板としての機能との両機能を持たせたので、鋼管杭を強固な地盤まで容易にねじ込んで埋設することができ、また、大きな支持力を得ることができるようにしたものである（従来技術２）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術１及び２の鋼管杭は、施工機械で杭頭部にトルクを与えることにより地盤中にねじ込まれ、埋設される。このような螺旋翼を有する鋼管杭は、杭体か螺旋翼の張り出しが大きくなると、施工時に大きな抵抗が作用し、大きなトルクが必要になる。また、供用時には螺旋翼に作用する地盤反力により大きな曲げモーメントが杭体に作用する。このため、杭体は、施工時には大きなトルクに耐えられる肉厚又は強度の大きなものが必要であり、供用時には杭体の肉厚又は強度を大きなものにするか、あるいは螺旋翼の板厚を相当厚いものにする必要があり、不経済である。
【０００６】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、以下の課題を解決した杭先端部の補強構造及び杭の施工方法を提供することを目的としたものである。
（１）杭先端部又はその近傍に設けた翼により大きな先端支持力を得ること。
（２）翼の変形を少なくすると共に杭体に作用する曲げモーメントの影響が少なく、杭体及び翼の板厚を薄くできること。
（３）オーガーを併用して施工する場合、オーガーの挿入及び回収が容易であること。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る杭先端部の補強構造は、杭体の先端部又はその近傍に翼を有する杭において、前記杭体と翼との間に截頭円錐状のテーパー管からなる補強部材を取付けたものである。
【０００８】
上記の補強部材を、杭体より板厚又は強度の大きい材料で構成した。
上記の杭を、翼の作用によって杭体を地中に貫入するねじ込み杭によって構成した。
【０００９】
本発明に係る杭の施工方法は、上記のねじ込み杭内にオーガーを挿入してそのオーガーヘッドを杭先端部から突出させ、該オーガーと翼の作用によりねじ込み杭を地中に貫入するようにしたものである。
また、上記のオーガーの軸方向に貫通穴を設けると共にオーガーヘッドに噴出口を設け、前記貫通穴から硬化性流動物を圧送して前記噴出口から噴出させるようにした。
【００１０】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係る杭先端部の補強構造の斜視図、図２は図１の模式的縦断面図である。なお、本実施の形態は、本発明に係る杭先端部の補強構造をねじ込み杭に実施した場合が示してある。
両図において、１はねじ込み杭、２は鋼管からなる杭体で、先端部が螺旋状に切除されて取付部３が形成されており、この取付部３には翼５が溶接により接合されている。
【００１１】
この翼５は、杭体２の内径とほぼ等しい開口部６を有し、外径が杭体２の外径の１．５〜３倍程度のドーナツ状の鋼板を、半径方向の１か所を切断して螺旋状に曲げ加工したものである。勿論プレス加工により形成してもよい。そして、開口部６を杭体２の内径に整合させて取付部３に溶接により接合することにより、杭体２の先端部に螺旋状の翼５が構成される。
【００１２】
１０は翼５の張出し部と杭体２の外周との間に溶接により接合された例えば角形鋼材からなる複数のリブ状の補強部材である。この補強部材１０は、図のように翼５を１枚の螺旋状鋼板により構成した場合は、少なくともほぼ９０°間隔で４か所に設けることが望ましい。なお、補強部材１０の取付角度は特に規定しないが、５°〜４５°程度が望ましい。
【００１３】
図３は本実施の形態の他の例を示すもので、本例においては、補強部材１０を角形鋼材に代えて、台形状（又は三角形状）の鋼板によって構成したものである。
なお、補強部材１０は、図１に示すように、翼５の外周端部と杭体２との間に設けてもよく、あるいは図３に示すように、翼５の半径方向の途中と杭体２との間に設けてもよい。これは、翼５に作用する地盤反力は台形的に分布しているものと推定されるため、翼５の外周側には大きな地盤反力が作用せず、翼５の付け根近傍になるほど地盤反力が大きくなるためである。
【００１４】
上記のように構成した本実施の形態に係るねじ込み杭１は、その杭頭部又は杭体２の上部胴部を施工機械に設けたモータに装着し、このモータによりねじ込み杭を回転させることにより、翼５の木ねじ作用により無排土、低振動、低騒音で地中に貫入される。
このとき、翼５の下方にある土砂は翼５により掘削軟化され、翼５のすき間７を通過して杭体２の外周に移動して圧縮され、また、翼５の中央開口部６から杭体２内にも取り込まれる。杭体２の外周に移動した土砂は、施工中は翼５により軟化されるため摩擦抵抗が少なく、ねじ込み杭１をスムーズに貫入することができる。そして、時間の経過と共に地盤強度が回復し、基礎杭として供用時には大きな周面摩擦力が発揮され、また、翼５により大きな支持力を得ることができる。
【００１５】
本実施の形態に係るねじ込み杭は、翼５の中心部に開口部６が設けられているので、施工時に杭体２内に土砂が侵入する。施工中に翼５が硬い支持層に到達したときは、先端部は閉塞状態となって貫入されるが、杭体２の径が大きくなったり（したがって、翼５の開口部６が大きい）、軟かい地盤の場合には先端閉塞効果が得られないおそれがある。このような場合には、先端閉塞効果を促すために、杭体２内に板や突起物を設けてもよい。
【００１６】
上記の説明では、杭体２の先端部を螺旋状に切除して取付部３を形成し、この取付部に１枚の螺旋状の翼５を溶接により接合した場合を示したが、螺旋状の翼５を複数に分割して取付部３に接合してもよい。この場合は、分割した翼ごとにそれぞれ少なくとも２か所に補強部材１０を設けることが望ましい。
また、螺旋状の翼５に代えて、円形鋼板、楕円形鋼板、四角形鋼板又はドーナツ状の鋼板等を複数に分割した平板状の翼を抗体２の先端部に接合するなど、地中への推進力が得られるものであれば、どのような形状又は構造の翼であってもよい。さらに、翼５を杭体２の先端部に設けた場合を示したが、先端部近傍において杭体２の外周に設けてもよい（これらは以下の実施の形態においても同様である）。
【００１７】
さらに、中心部に開口部６を有する開放型の翼５を用いた場合を示したが、杭体２の先端開口部を閉塞する閉塞型の翼を用いてもよく、あるいは他の部材で先端開口部を閉塞してもよい。さらに、翼又は他の部材で杭体２の先端開口部を部分的に閉塞し、杭体２内への土砂の侵入を調整するようにしてもよい。また、翼に貫入性を向上させるための掘削補助刃を設けてもよい。さらに、翼５を杭体２の先端部に設けた場合を示したが、先端部近傍において杭体２の外周に設けてもよい。
また、角形鋼材、台形状又は三角形状の鋼板によって補強部材１０を構成した場合を示したが、補強部材１０の形状はこれに限定するものではなく、棒材、丸棒、四角形その他の鋼板など、任意形状のものを用いることができる。
【００１８】
本実施の形態によれば、杭体２と翼５との間に複数の補強部材１０を設けたので、施工時に翼５に大きな抵抗が作用しても翼５の変形を防止することができ、また、供用時に大きな先端支持力を発揮すると共に、地盤反力により杭体２に作用する曲げモーメントの影響を小さくすることができる。このため、杭体２及び翼５の板厚を薄くすることができるので、コストを低減することができる。
【００１９】
［実施の形態２］
図４は本発明の実施の形態２に係る杭先端部の補強構造の斜視図、図５は図４の模式的縦断面図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、実施の形態１のリブ状の補強部材１０に代えて、テーパー管により補強部材を構成したものである。なお、本実施の形態は、ドーナツ状の鋼板を２分割した平板状の鋼板により翼５を構成した場合を示してある。
【００２０】
すなわち、上端部の内径が杭体２の外径とほぼ等しく、下端部の外径が翼５の外径より小径でかつ螺旋状に切除した截頭円錐状のテーパー管によって補強部材１１を構成し、これを杭体２の下部外周に嵌合して下端部を翼５の杭体２からの張出し部の途中に溶接により接合し、上端部を抗体２の外周に溶接により接合したものである。この場合、補強部材１１の下端部は、翼５の変形を押えるために、翼５の木ねじ作用による推進に支障を来さない範囲で、翼５の張出し部の中央付近から外周端部との間に接合することが望ましい。なお、杭体２に対する補強部材１１のテーパー部の角度θは、基本的には何度でもよいが、例えば、５°〜２０程度であれば、補強部材１１の板厚を杭体２の板厚とほぼ等しくすることができる。この角度θが大きい場合は補強部材１１の板厚を厚くした方がよい。
【００２１】
本実施の形態においても、実施の形態１の場合と同様に、杭体２の先端開口部を翼又は他の部材で閉塞し、又は部分的に閉塞してもよく、また、翼に掘削補助刃を設けてもよい。さらに、翼５を補強部材１１の先端部近傍においてその外周に設けてもよい。
また、翼５から補強部材１１に伝達される曲げモーメントにより補強部材１１、さらには杭体２に大きな曲げ応力が発生するのを防止するために、補強部材１１を杭体２より板厚又は強度の大きい材料で構成してもよい。これにより、補強部材１１及び杭体２に大きな曲げ応力が発生することがなく、杭体２の全長の板厚及び翼の板厚をさらに薄くすることができて経済的である。
【００２２】
本実施の形態の施工方法は、実施の形態１の場合とほぼ同様である。
また、本実施の形態においても実施の形態１の場合とほぼ同様の効果を得ることができるが、杭体２の下部と翼５の張出し部の中途において全周に亘ってテーパー管からなる補強部材１１を設けたので、施工時における翼５変形防止効果、供用時における先端支持力及び杭体２に作用する曲げモーメントの低減効果をさらに向上することができる。
さらに、翼５の補強部材１１からの張出し長が短かいので、施工時における地盤の抵抗を小さくすることができ、このため、小さいトルクで地中に貫入することができる。
【００２３】
［実施の形態３］
図６は本発明の実施の形態３に係る杭先端部の補強構造の模式的縦断面図である。なお、実施の形態２と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、実施の形態２のテーパー管からなる補強部材１１の下端部外径を翼５の外径とほぼ等しく形成し、この補強部材１１の下端部を翼５の外周端部に溶接により接合すると共に、上端部を杭体２の外周に溶接により接合したものである。
【００２４】
本実施の形態においては、翼５による推進機能は期待できないため、中掘工法により地中に建込みを行うことになる。しかし、供用時においては、実施の形態２の場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００２５】
【実施例】
実施の形態１に係るねじ込み杭１において、外径５００ｍｍ、板厚１２ｍｍの鋼管からなる杭体２の先端部を螺旋状に切除し、この先端部に、外径１０００ｍｍ、内径４７６ｍｍ、板厚３０ｍｍのドーナツ状の鋼板の一か所を半径方向に切断し、螺旋状に曲げ加工した翼５を溶接により接合し、杭体２の外周と翼５の外周端部との間に、板厚１６ｍｍで三角形状の補強部材１０をほぼ９０°間隔で４か所に溶接により接合した。
【００２６】
施工する地盤は地表から２０ｍまでは比較的軟らかい砂層で、それ以深はＮ値５０以上の砂礫層であった。
このような地盤に、施工機械により上記のねじ込み杭１に回転力を与えて貫入したところ、通常のねじ込み杭と変らない効率で施工することができ、貫入後反対方向に回転して引き抜いて点検したところ、翼５の変形その他異常は全くみられなかった。
【００２７】
［実施の形態４］
図７は本発明の実施の形態４に係る先端部補強構造を施したねじ込み杭の施工方法の説明図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
図において、１は先端開口部が開口された開放型のねじ込み杭、１５はねじ込み杭１内に挿入されたオーガーで、１６はオーガーヘッド、１７はスパイラル羽根である。２０は地上に設置した施工機械（図示せず）に設けられたモータで、互いに反対方向に回転する２個の回転軸（外軸２１と内軸２２）を備えている。
【００２８】
次に、上記のように構成した本実施の形態の施工方法について説明する。先ず、ねじ込み杭１内に、ねじ込み杭１より若干長いオーガー１５を挿入し、オーガーヘッド１６を杭先端部から下方に突出させる。そして、ねじ込み杭１の杭頭部をモータ２０の外軸２１に連結し、オーガー１５の頭部を内軸２２に連結する。
なお、オーガーヘッド１６は、その外径が杭体２の内径より若干小さいもの、又は翼５の中央開口部６から下方に突出したのち拡径されるものが用いられる。この場合においても、オーガーヘッド１６の外径は、翼５の外径より小さいことが望ましい。
【００２９】
ついで、モータ２０により、例えばねじ込み杭１を正方向に、オーガー１５を逆方向に回転させる。これにより、オーガーヘッド１６がねじ込み杭１に先行して先端部近傍の地盤を掘削軟化し、ねじ込み杭１は翼５の木ねじ作用により地中に貫入される。このとき、ねじ込み杭１の先端部近傍の土砂は、翼５のすき間７を通って杭体２の外周に移動し、一部の土砂は翼５の開口部６からオーガー１５のスパイラル羽根１７により杭体２内に取り込まれる。なお、オーガー１５の回転方向と逆の傾斜でスパイラル羽根１７を取り付ければ、杭体２内への土砂の侵入を防止することができる。そして、杭先端部が支持層に達したときは、ねじ込み杭１をモータ２０から外し、ねじ込み杭１を地中に残置した状態でオーガー１５を反対方向に回転させながらモータ２０を上昇させれば、オーガー１５はねじ込み杭１から引き抜かれ、ねじ込み杭１は地中に埋設されて施工は終了する。
【００３０】
オーガー１５により杭体２内に取り込まれる土砂の量は、翼５の中央の開口部６の大きさやオーガーヘッド１６の寸法、形状などによって異なるため、これらを調整することにより土砂が杭体２から溢れないようにする。この場合、杭体２内に取り込む土砂の量が多いほどトルクは小さくなる。また、杭体２内に取り込む土砂の量が少ないほど杭体２の周囲の密度が高くなり、大きな周面摩擦力を発揮する。
【００３１】
本実施の形態によれば、ねじ込み杭１の地盤への貫入にあたって、オーガーヘッド１６により翼５に先行して地盤を掘削軟化するために、ねじ込み杭１の回転に必要なトルクは、オーガー１５を使用しない場合に比べて大幅に減少する。また、ねじ込み杭１とオーガー１５の回転方向が逆であるため、施工機械に作用するモータ２０からの反力も、両者のトルクの差による反力になるため、大幅に減少する。また、翼５には杭体２の内径とほぼ等しい径の開口部６が設けられているので、オーガー２０の挿入及び回収が容易である。なお、オーガー１５は最初からねじ込み杭１内に挿入して施工してもよく、例えば支持層の近傍に達したときなどある程度ねじ込み杭１を貫入してから挿入するようにしてもよい。
【００３２】
［実施の形態５］
図８は本発明の実施の形態５に係る先端部補強構造を施したねじ込み杭の施工方法の説明図である。なお、実施の形態４と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態においては、オーガー１５の中心部の軸方向に、後述のセメントミルクや地盤固化用薬液などの硬化性流動物を先端部に圧送するための貫通穴１８が設けられており、また、オーガーヘッド１６にはこの硬化性流動物を噴出する噴出口１９が設けられている。
【００３３】
２５は地上に設置された施工機械、２０はこの施工機械に設けた前述のモータである。
３０は例えばセメントミルクや地盤固化用薬液などの硬化性流動物のプラント（以下、硬化材プラントという）で、オーガー１５に設けた貫通穴１８とはホース３１によりオーガー１５が回転自在に連結されている。
【００３４】
本実施の形態において、ねじ込み杭１の地盤への貫入は実施の形態４の場合と同様に行われる。ねじ込み杭１が適当な深さまで貫入されたときは、硬化材プラント３０を駆動し、ホース３１を介してオーガー１５の貫通穴１８に硬化性流動物を圧送してオーガーヘッド１６に設けた噴出口１９から噴出させ、オーガーヘッド１６及び翼５の回転によって掘削軟化された土砂と攪拌させ、混合させる。このとき、ねじ込み杭１とオーガー１５の回転方向が反対のため、硬化性流動物と土砂はよく攪拌されて均一性の高い混合物となる。
【００３５】
杭先端部が支持層に達したときは、翼５とオーガーヘッド１６により支持層を十分攪拌して土砂と硬化性流動物とをよく混合したのち、ねじ込み杭１とオーガー１５の回転を停止する。
そして、ねじ込み杭１をモータ２０から外し、ねじ込み杭１を地中に残置した状態でオーガー１５を反対方向に回転させながらモータ２０を上昇させれば、オーガー１５はねじ込み杭１から引き抜かれ、ねじ込み杭は地盤中に埋設されて施工は終了する。
【００３６】
本実施の形態によれば、オーガー１５の先端部から噴出される硬化性流動物と土砂が攪拌混合され、乱された地盤が固化されるため大きな先端支持力を発揮することができる。なお、硬化性流動物の噴出区間は、設計上必要なねじ込み杭１の周面摩擦に応じて決定されるもので、杭頭部から杭先端部までの全区間でもよいし、杭先端部の近傍だけでもよい。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る杭先端部の補強構造は、杭体の先端部又はその近傍に翼を有する杭において、杭体と翼との間に補強部材を取付け、
また、この補強部材を截頭円錐状のテーパー管によって構成し、また、このテーパー管を杭体より板厚若しくは強度の大きい材料で構成したので、供用時に翼の変形を防止することができ、また大きな先端支持力を発揮すると共に、地盤反力により杭体に作用する曲げモーメントの影響を小さくすることができる。このため、杭体及び翼の板厚を薄くできるので、コストを低減することができる。
【００３８】
また、上記の補強構造を翼の作用により杭体を地中に貫入するねじ込み杭に実施したので、上記の効果に加えて、施工時に地盤の抵抗による翼の変形を防止することができる。
【００３９】
本発明に係る杭の施工方法は、上記のねじ込み杭内にオーガーを挿入し、オーガーと翼の作用によりねじ込み杭を地中に貫入するようにしたので、貫入のための施工機械のトルク及び施工機械に対するモータからの反力を低減することができる。
【００４０】
また、上記の杭の施工方法において、掘削軟化した土砂中に硬化性流動物を噴出して土砂と攪拌混合するようにしたので、上記の効果が得られると共に、乱された地盤が固化されてさらに大きな先端支持力を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る杭の斜視図である。
【図２】図１の模式的縦断面図である。
【図３】実施の形態１の他の例の模式的縦断面図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る杭の斜視図である。
【図５】図４の模式的縦断面である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る杭の模式的縦断面図である。
【図７】本発明の実施の形態４に係る杭の施工方法の説明図である。
【図８】本発明の実施の形態５に係る杭の施工方法の説明図である。
【符号の説明】
１ねじ込み杭
２杭体
５翼
１０リブ状の補強部材
１１テーパー管の補強部材
１５オーガー
１６オーガーヘッド
１８貫通穴
１９噴出口
２０モータ
２５施工機械
３０硬化材プラント

Claims

杭体の先端部又はその近傍に翼を有する杭において、
前記杭体と翼との間に截頭円錐状のテーパー管からなる補強部材を取付けたことを特徴とする杭先端部の補強構造。
補強部材を、杭体より板厚又は強度の大きい材料で構成したことを特徴とする請求項１記載の杭先端部の補強構造。
杭が翼の作用により杭体を地中に貫入するねじ込み杭であることを特徴とする請求項１又は２に記載の杭先端部の補強構造。
請求項３に記載のねじ込み杭内にオーガーを挿入してそのオーガーヘッドを杭先端部から突出させ、該オーガーと前記翼の作用によりねじ込み杭を地中に貫入することを特徴とする杭の施工方法。
オーガーの軸方向に貫通穴を設けると共にオーガーヘッドに噴出口を設け、前記貫通穴から硬化性流動物を圧送して前記噴出口から噴出させることを特徴とする請求項４記載の杭の施工方法。