JP4635114B2 - 鋼管杭 - Google Patents

Description

本発明は、港湾構造物、橋梁基礎や建物の基礎等の土木建築分野において使用される鋼管杭に関する。
本願は、２００９年０４月１０日に、日本に出願された特願２００９−０９５７３４号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、杭の外周面の摩擦力を高めるために、杭の一端部にテーパー状の外周面を有する摩擦杭、及び杭全長にわたるテーパー状の外周面を有する摩擦杭が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、地盤表層部を締め固めるために、テーパー状の外周面を有するテーパー状杭を格子状に打ち込んで地盤の液状化を防止する技術も知られている（例えば、特許文献３参照）。また、負の周面摩擦力を除去するために、テーパー状杭を地盤に貫入させる技術も知られている（例えば、特許文献４参照）。

また、テーパー状の外周面と閉塞した先端とを有するコーンを杭の先端部に設けた閉端杭も知られている（例えば、特許文献５参照）。

上述したように、従来のテーパー状杭では、杭周面の摩擦力を高めることを目的としている。しかしながら、従来のテーパー状杭では、杭先端支持力の獲得及び杭施工時に抵抗となる先端閉塞の低減を目的としていない。

なお、場所打ち鉄筋コンクリート杭または既成コンクリート杭を埋設するために、先端部にテーパー状外周面とテーパー状内周面とを有するケーシングを用いる技術も知られている（例えば、特許文献６、７参照）。

上述した従来のテーパー状外周面とテーパー状内周面とを有するケーシングでは、杭周面の摩擦力を高めて杭の垂直荷重支持力を増大させるとともに、掘削残土を低減させることを目的としている。しかしながら、杭先端支持力の獲得及び杭施工時に抵抗となる先端閉塞の低減を目的としていない。

鋼管杭は、鋼管杭の先端の形状によって、先端が閉塞している閉端杭と、先端が開口している開端杭とに分類される。本発明の鋼管杭は、開端杭に分類される。
また、鋼管杭は、摩擦杭と支持杭とに分類される。摩擦杭は、支持層まで打ち込まないで主に周面摩擦力によって支持力を生じさせる。また、支持杭は、支持層に打ち込んで杭先端部の支持力を主に発揮させる。本発明の鋼管杭は、支持杭に分類される。

特開２００３−３４６５号公報 特開２００７−３２７２８０号公報 特開２００８−１９０１１６号公報 特開昭５７−８１５２６号公報 特開平８−２８４１６０号公報 特開２００８−２９７７５２号公報 特開２００５−２４８４３９号公報

鋼管杭を地盤に打設または貫入させる場合に、例えば、鋼管杭に直接荷重をかけて打設すると、地盤抵抗を上回る貫入力を鋼管杭に負荷する必要がある。
地盤抵抗は、一般的に鋼管杭の打設深度の増加に伴い大きくなる。開端杭を地盤に貫入させる場合、図６Ａに示すように、鋼管杭内に取り込まれた土（または石や岩を含んだ土）１１は、鋼管杭内に堆積し、鋼管杭によって拘束される。そのため、鋼管杭内周面１２と鋼管杭内に取り込まれた土１１との摩擦力が高まり、地盤抵抗のなかでも、管内周面抵抗が増加することが知られている。
これまで、杭打ち機の能力の増強や、管内周面抵抗の軽減を目的とする鋼管杭内側に設置された配管からの水噴射または圧搾空気の噴射や、アースオーガー及びハンマグラブによる管内の排土といった各種の打設補助策が提案されてきた。
これらの打設補助策では、鋼管杭の打設を補助する一方で、鋼管杭の製作コストが増大し、杭施工工期が長くなる。そのため、鋼管杭に打設補助策を付与する場合でも、鋼管杭の製作コストおよび鋼管杭の施工コストを低減し、総コストを低く抑えることが可能な鋼管杭が望まれる。

また、従来、回転圧入工法に用いる杭支持力を高めるための鋼管杭として、杭全長にわたるテーパー状外周面と杭全長にわたるテーパー状内周面とを備えたテーパー状杭が知られている。杭の周面摩擦力を利用する杭（摩擦杭）は、軟弱地盤に貫入されるため、極端に先細なテーパー状にすることができる。しかしながら、支持層に貫入させて杭先端部の支持力を利用する杭（支持杭）では、振動工法等により支持層に杭先端部を貫入させる必要がある。そのため、地盤に打設する鋼管杭を従来のような極端なテーパー状にすると、杭打ち込み抵抗が格段に大きくなり、杭打ち機の性能を一段と高める必要がある。また、杭全長にわたって杭をテーパー状に加工する場合には、そのための加工設備が大型化し、加工コストが格段に高くなるため、経済的に鋼管杭を製造することができない。

そのため、従来、振動工法等に用いる鋼管杭として、図７Ａ〜７Ｃに示すような、全長に渡って外径が一定でかつ先端が開口している鋼管杭（ストレート鋼管杭）１０が用いられる。しかし、上述した理由から、鋼管杭の先端部をテーパー状とした杭先端が開口している鋼管杭は、用いられていない。

杭先端が開口されている開端杭において、杭先端部がテーパー状である、すなわち、杭先端部がテーパー状外周面およびテーパー状内周面を有する場合には、下記（１）及び（２）の利点が考えられる。なお、図６Ｂを用いて、これらの利点を説明する。
（１）鋼管杭１の先端部がテーパー状であると、管内に取り込まれる土１１の量を低減できるため、土の密度上昇が抑制される。そのため、鋼管杭１の打設抵抗の主な要因であり、管内に取り込まれた土１１と鋼管杭の内周面７との間で発揮される管内周面抵抗を軽減できる。
（２）鋼管杭１の先端部４がテーパー状であると、支持層に支持される鋼材部の鉛直方向の投影断面積が大きくなる。そのため、図６Ｂに示すように、鋼管杭先端部の周りの土（または石や岩を含んだ土）１４からの反力（および拘束力）を効率よく受けることにより安定する。したがって、獲得できる杭先端支持力を大きくすることができる。ここで、鋼管杭先端部の周りの土１５は、鋼管外側の土（または石や岩を含んだ土）１３が好適な方向に圧縮されている。また、鋼管杭の先端部の周りの土（または石や岩を含んだ土）１４からの反力を図６Ｂ中の矢印を用いて示している。

本発明者らは、振動工法、打撃工法、圧入工法、回転圧入工法等の各工法において、テーパー状の杭先端部を有する鋼管杭が利用可能であることを見出した。さらに、本発明者らは、テーパー状の杭先端部を有する鋼管杭を地盤に打設しても、地盤抵抗が軽減され施工性が向上することを見出し、本発明を完成させた。
上記知見に加えて、本発明者らは、杭先端部が縮径する比率（縮径率）と、テーパー状の杭先端部（テーパー部）の杭長手方向の長さと杭先端部の最大外径との比率（径長比）とに着目した。そこで、本発明者らは、杭先端部が受ける地盤抵抗について調査するために、杭を打設する施工実験および打設した杭に鉛直荷重をかける支持力実験を実施した。その結果、上述した杭先端部が縮径する比率と、テーパー状の杭先端部の杭長手方向の長さと杭先端部の最大外径との比率との、２つのパラメータによって鋼管杭先端部が受ける地盤抵抗が変化するという知見を得た。本発明者らは、これらのパラメータを所定の範囲に制限した杭先端部（テーパー部）を有する鋼管杭を使用することによって、全長に渡って外径が一定のストレートな鋼管の開端杭を使用した場合と比べて、トータルの地盤抵抗が軽減されて施工性が向上することを見出した。さらに、本発明者らは、硬い支持層において上述したテーパー部が地盤抵抗を受け持つため支持力が向上することを見出し、本発明を完成させた。

本発明は、杭先端支持力を得ることができ、杭施工時の抵抗を低減でき、振動工法等の各種工法に用いることが可能な鋼管杭を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するために、以下の手段を採用した。
（１）本発明の鋼管杭は、円筒形状を有するストレート部と；このストレート部の一端に対して連なるとともに前記一端から離れる方向に向かって外径及び内径が先細りになるテーパー部と；を備えた鋼管杭であって、前記テーパー部の大端及び小端間の長さ寸法Ｈ１を、前記大端における外径寸法Ｄ１で除した径長比Ｈ１／Ｄ１が０．１以上かつ２．５以下である。
（２）上記（１）に記載の鋼管杭は、前記小端の外径寸法Ｄ２を前記大端におけるＤ１で除した縮径率Ｄ２／Ｄ１が、０．７０以上かつ０．９５以下であってもよい。
（３）上記（１）または（２）に記載の鋼管杭は、前記テーパー部の全体が、地盤の支持層に貫入される貫入部であってもよい。
（４）上記（１）または（２）に記載の鋼管杭は、前記テーパー長さＨ１と前記ストレート部の長さ寸法Ｈ２との和である合計長さ寸法Ｌを前記テーパー部の前記長さ寸法Ｈ１で除した比が０．０１以上かつ０．１以下であってもよい。
（５）上記（１）または（２）に記載の鋼管杭は、前記大端における前記外径寸法Ｄ１が、６００ｍｍ以上かつ３０００ｍｍ以下であってもよい。

上記（１）に記載の鋼管杭は、テーパー状外周面およびテーパー状内周面を有するテーパー部の杭長手方向の長さＨ１と、テーパー部の大端における外径寸法Ｄ１との比率が０．１〜２．５の範囲である。そのため、上記（１）に記載の鋼管杭を地盤に打設した場合には、ストレート鋼管杭に比べて施工性を向上させることができる。さらに、上記（１）に記載の鋼管杭を支持層等に貫入させた場合には、ストレート鋼管杭に比べて杭先端支持力を向上させることができる。
上記（２）に記載の鋼管杭は、テーパー部の先端（小端）の外径Ｄ２と、テーパー部の大端における外径寸法Ｄ１との比率である縮径率Ｄ２／Ｄ１が、０．７０〜０．９５の範囲である。そのため、上記（２）に記載の鋼管杭は、ストレート鋼管杭に比べて杭施工時における施工抵抗を軽減させ、杭先端支持力を格段に高めることができる。
上記（３）に記載の鋼管杭は、テーパー部の全体が支持層に貫入させる貫入部であるので、杭外径および鋼管杭の板厚ｔが同じストレート鋼管杭に比べて、鋼管杭基礎としての杭先端支持力が向上する。
上記（４）に記載の鋼管杭は、テーパー部の杭長手方向の長さと、鋼管杭全長との比率Ｈ１／Ｌが、０．０１以上０．１以下であるので、実用上、杭外径および鋼管杭の板厚ｔが同じストレート鋼管杭に比べて、地盤貫入時の杭施工抵抗を軽減させ、支持層貫入時の杭先端支持力を高めることができる。
上記（５）に記載の鋼管杭は、テーパー部の大端における外径寸法Ｄ１が、少なくとも６００ｍｍであるので、テーパー部を支持層に貫入させた場合に、テーパー部の外周面の面積と、支持層に支持される鋼管杭の鉛直方向の投影断面積とが大きくなり、獲得できる杭先端支持力を高めることができる。

本発明の一実施形態に係るテーパー部を有する鋼管杭を示す正面図である。 本発明の一実施形態に係るテーパー部を有する鋼管杭を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係るテーパー部を有する鋼管杭を示す図１Ｂのａ−ａ断面の矢視図である。 本発明の一実施形態に係るテーパー部を有する鋼管杭を示す図１Ｂのｂ−ｂ断面の矢視図である。 テーパー長さＨ１とストレート部の杭外径Ｄ１との比率Ｈ１／Ｄ１と、ストレート鋼管杭に対する施工抵抗比との関係を示すグラフである。 縮径率Ｄ２／Ｄ１と、ストレート鋼管杭に対する施工抵抗比との関係を示すグラフである。 縮径率Ｄ２／Ｄ１と、ストレート鋼管杭に対する先端支持力比との関係を示すグラフである。 テーパー長さＨ１とストレート部の杭外径Ｄ１との比率Ｈ１／Ｄ１と、ストレート鋼管杭に対する先端支持力比との関係を示すグラフである。 ストレート鋼管杭を地盤に貫入させた場合に生じる地盤抵抗の説明図である。 テーパー部を有する鋼管杭を地盤に貫入させた場合に生じる地盤抵抗の説明図である。 比較例としてのストレート鋼管杭を示す正面図である。 比較例としてのストレート鋼管杭を示す縦断面図である。 比較例としてのストレート鋼管杭を示す横断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１Ａ〜１Ｄには、本発明の一実施形態に係るテーパー部を有する鋼管杭１が示されている。

本発明のテーパー部を有する鋼管杭１は、振動工法等の適宜の工法により打設される。この鋼管杭１は、中空のストレート部８と中空のテーパー部４とにより構成される。ストレート部８は、一定の杭外径と筒形状とを有する。テーパー部４は、ストレート部８の端面に連続する大端（大径側端部）５と開口する小端（小径側端部）６とを有する。また、テーパー部４の内径と外径とは、いずれも大端５から小端６に向けて漸次減少する。すなわち、テーパー部４（先端部）には、テーパー部４とストレート部８との境界（大端５）からテーパー部４の先端（小端６）に向かって杭長手方向に漸次縮径するテーパー状外周面２およびテーパー状内周面３が設けられている。なお、鋼管杭１は、より大きな水平力及びモーメントに抵抗するために、鋼管杭１の頭部に、ストレート部８の杭外径よりも大きな径の鋼管を接続してもよい。また、本実施形態では、ストレート部８の杭外径が、テーパー部４の大端５の外径と等しい場合について説明を行っている。

テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の断面形状は、図１Ｂに示すように直線状（平面）であってもよく、図示を省略するが、曲線状（曲面）であってもよい。また、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の断面形状は、杭中心軸から半径方向で外側に向かって凸（半径方向で内側に向かって凹）であっても、杭中心軸から半径方向で内側に向かって凸（半径方向で外側に向かって凹）であってもよい。また、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３は、杭長手方向に漸次段状に縮径してもよい。しかしながら、鋼管杭１を安価に製作し、杭長手方向に連続した断面を形成するため、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３は、直線状または曲線状であることが望ましい。

図１Ａ〜１Ｄの一実施形態では、テーパー部４のテーパー状外周面２の杭長手方向の長さ（テーパー長さ、大端５と小端６との間の距離）Ｈ１と、ストレート部（外径が一定の定常部）８の杭外径Ｄ１（大端の外径Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１、テーパー部４の杭長手方向の長さＨ１を杭外径Ｄ１で割った径長比）は、０．１以上２．５以下である。同様に、テーパー部４のテーパー状内周面３の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１との比率（径長比）Ｈ１／Ｄ１は、０．１以上２．５以下である。テーパー部４の先端（小端）６の外径（先端外径）Ｄ２とストレート部８の杭外径Ｄ１との比率である縮径率（Ｄ２／Ｄ１、小端の先端外径Ｄ２をストレート部の杭外径Ｄ１で割った縮径率）は、０．７０以上０．９５以下であることが好ましい。この縮径率Ｄ２／Ｄ１は、鋼管杭先端の縮径率である。なお、本実施形態では、テーパー部４の杭長手方向（杭軸方向）の長さＨ１と、テーパー部４の先端（小端）６の外径Ｄ２と、ストレート部８の杭外径Ｄ１と、テーパー角θとの間には、下記（１）式の関係がある。
ｔａｎθ＝（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｈ１・・・（１）
なお、径長比Ｈ１／Ｄ１の範囲を０．１〜２．５に、縮径率Ｄ２／Ｄ１の範囲を０．７０〜０．９５に変化させた際のテーパー角θの範囲は、０．５７°〜５６．３１°に相当する。

上述したように、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の長さ（テーパー長さ）Ｈ１と、杭外径Ｄ１との比率（径長比）Ｈ１／Ｄ１を０．１以上２．５以下の範囲に設定した。また、テーパー部４の先端（小端）６の外径Ｄ２と、ストレート部８の杭外径Ｄ１との比率である縮径率Ｄ２／Ｄ１を、好ましい範囲として、０．７０以上０．９５以下の範囲に設定した。これらの範囲を決定した理由について、図２から図５を参照して説明する。

図２は、テーパー部４のテーパー長さＨ１とストレート部８の杭外径Ｄ１との比率（径長比）Ｈ１／Ｄ１と、ストレート鋼管杭に対する施工抵抗比との関係を示すグラフである。また、図３は、テーパー部４の縮径率Ｄ２／Ｄ１と、ストレート鋼管杭に対する施工抵抗比との関係を示すグラフである。図２及び図３中において、施工抵抗比を求めるために、本発明の上記実施形態であるテーパー部を有する鋼管杭１と、比較例である図７Ａ〜７Ｃに示すストレート鋼管杭１０とについて試験地盤（土槽）を用いた打設試験（比較試験）を行い、これらの鋼管杭が支持層に達するまでの施工抵抗を求めた。施工抵抗比は、ストレート鋼管杭１０の施工抵抗に対するテーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗の比率である。なお、図２における縮径率Ｄ２／Ｄ１は、０．９であり、図３における径長比（テーパー部径長比）Ｈ１／Ｄ１は、０．８である。ここで、図２と異なる縮径率Ｄ２／Ｄ１の鋼管杭１を用いて施工抵抗を測定した場合、径長比Ｈ１／Ｄ１と施工抵抗比との相関関係は、図２に示される相関関係と同様である。また、図３と異なる径長比Ｈ１／Ｄ１の鋼管杭１を用いて施工抵抗を測定した場合、縮径率Ｄ２／Ｄ１と施工抵抗比との相関関係は、図３に示される相関関係と同様である。以下、図２及び図３について、順に説明する。

図２には、本発明の上記実施形態であるテーパー部を有する鋼管杭１について、テーパー部４の杭長手方向の長さＨ１と、ストレート部８の杭外径Ｄ１との比率（径長比）Ｈ１／Ｄ１を横軸として変化させ、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗と、比較例のストレート鋼管杭１０の施工抵抗との比率である施工抵抗比を縦軸として示している。図２から、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗比は、テーパー部４の長さの変化とともに、下に凸の曲線を描くことがわかる。また、径長比Ｈ１／Ｄ１が極端に小さい場合には、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗比は、比較例のストレート鋼管杭１０の施工抵抗比（すなわち、施工抵抗比が１である）に近づくことがわかる。同様に、径長比Ｈ１／Ｄ１が極端に大きい場合には、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗比は、比較例のストレート鋼管杭１０の施工抵抗比に近づくことがわかる。

なお、本発明において、杭の施工抵抗は、杭を地盤（地層）に施工（貫入施工）する際に、杭が支持層に達するまでの施工にかかる負荷（地盤抵抗）である。また、施工抵抗比は、比較例のストレート杭１０の施工抵抗を１．０とした場合のテーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗である。すなわち、施工抵抗比は、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗と、比較例のストレート杭１０の施工抵抗との比率と定義される。この施工抵抗比は、施工速度と負の相関関係を有する。すなわち、所定の出力（機械出力）で施工する場合には、施工抵抗比を低下させることにより、施工速度が増加する。そのため、工期を短縮し、施工コストを低減させることができる。また、所定の期間（工期）で施工する場合には、施工抵抗比を低下させることにより、施工に必要とされる出力が低下するため、施工に使用される機械をより低い能力（出力）の機械に変えて、施工コストを低減させることができる。したがって、施工抵抗比を低下させることにより、施工の要求に応じて、工期と施工機械とを柔軟に選択できる。なお、テーパー部を有する鋼管杭１を製造するコスト（または、エネルギー）を考慮すると、施工抵抗を少なくとも１０％以上低下させる必要がある。

図２からわかるように、径長比Ｈ１／Ｄ１が０．１の時に、施工抵抗比は、０．９であり、同様に、径長比Ｈ１／Ｄ１が１の時に、施工抵抗比は、０．７であり、径長比Ｈ１／Ｄ１が２．５の時に、施工抵抗比は、０．９である。したがって、径長比Ｈ１／Ｄ１が０．１〜２．５の範囲において、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗は、比較例のストレート鋼管杭１０の施工抵抗に比べて１０％低減する。また、径長比Ｈ１／Ｄ１が０．４〜１．７の範囲において、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗は、比較例のストレート鋼管杭１０の施工抵抗に比べて２０％低減する。
したがって、施工抵抗を１０％以上低下させるためには、径長比Ｈ１／Ｄ１を０．１〜２．５の範囲に設定する必要がある。この場合、テーパー部４の杭長手方向（杭軸方向）長さは、杭外径Ｄ１の長さの０．１倍〜２．５倍である。また、施工抵抗を２０％以上低下させるために、径長比Ｈ１／Ｄ１を０．４〜１．７の範囲に設定することが好ましい。この場合、テーパー部４の杭長手方向（杭軸方向）長さは、杭外径Ｄ１の長さの０．４倍〜１．７倍である。上述した範囲の径長比Ｈ１／Ｄ１のテーパー部を有する鋼管杭１を地盤に打設すれば、地盤抵抗が軽減されて施工性が向上する。

また、図３には、本実施形態のテーパー部を有する鋼管杭１について、テーパー部４の先端（小端）６の外径Ｄ２とストレート部８の杭外径Ｄ１との比率である縮径率Ｄ２／Ｄ１を横軸として変化させ、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗と、比較例のストレート鋼管杭１０の施工抵抗との比率である施工抵抗比を縦軸として示している。
図３から、本実施形態のテーパー部を有する鋼管杭１では、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．７では、施工抵抗比が０．９であり、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．９５では、施工抵抗比が０．９である。また、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．７０〜０．９５の範囲において、施工抵抗比が０．９以下である。さらに、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．８０〜０．９４の範囲において、施工抵抗比が０．８以下である。すなわち、この縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．８０〜０．９４の範囲において、テーパー部を有する鋼管杭１の施工抵抗は、比較例のストレート鋼管杭１０の施工抵抗に比べて、８０％程度以下まで低減する。以上のことから、施工抵抗を１０％以上低下させるためには、縮径率Ｄ２／Ｄ１は、０．７０〜０．９５の範囲であることが好ましい。また、施工抵抗を約２０％低下させるために、縮径率Ｄ２／Ｄ１を０．８０〜０．９４の範囲に設定することがより好ましい。

また、施工に使用される機械（機械のランク）は、施工スペース及び通常施工に必要とされる出力（または、押込み力）に応じて選択される。表１中に、一例として、一般的な振動工法で用いられるバイブロハンマーの出力と、鋼管杭の施工抵抗比（施工荷重）を２０％および２５％削減した場合に必要とされるバイブロハンマーの出力とを示す。表１から、鋼管杭の施工抵抗比を２０％削減すれば、バイブロハンマーの出力を確実に１ランク下げることができる。また、施工抵抗比を２５％削減すれば、バイブロハンマーの出力を確実に１ランク以上下げることができる。

したがって、鋼管杭の施工抵抗比を２０％以上低減することがより好ましい。すなわち、径長比Ｈ１／Ｄ１のより好ましい範囲は、０．４以上１．７以下である。また、縮径率Ｄ２／Ｄ１のより好ましい範囲は、０．８０以上０．９４以下である。

また、表２中に、一例として、一般的な回転圧入工法で用いられる機械の押込み力と、鋼管杭の施工抵抗比（施工荷重）を２５％削減した場合に必要とされる機械の押込み力とを示す。表２から、鋼管杭の施工抵抗比を２５％削減すれば、機械の押込み力を確実に１ランク下げることができる。

したがって、鋼管杭の施工抵抗比を２５％以上低減することが最も好ましい。すなわち、径長比Ｈ１／Ｄ１の最も好ましい範囲は、０．５以上１．４以下である。また、縮径率Ｄ２／Ｄ１の最も好ましい範囲は、０．８５以上０．９３以下である。なお、表１および表２に示す一般的な施工機を例示したが、鋼管杭１を施工する機械は、表１および表２の施工機のみに制限されない。

上述したように、本実施形態のテーパー部を有する鋼管杭１では、杭先端部（テーパー部）４の縮径する割合、すなわち、縮径率Ｄ２／Ｄ１と、テーパー部４の長手方向の長さＨ１とストレート部８の杭外径Ｄ１との比率である径長比Ｈ１／Ｄ１との、２つのパラメータによって、鋼管杭先端部の受ける施工抵抗（地盤抵抗）が大きく変化する。また、縮径率Ｄ２／Ｄ１と径長比Ｈ１／Ｄ１とが所定の範囲であれば、開端杭であるストレート鋼管杭１０と比べて、トータルの施工抵抗（地盤抵抗）が軽減されて施工性が向上する。

また、図４は、テーパー部４の縮径率Ｄ２／Ｄ１（横軸）と、ストレート鋼管杭に対する先端支持力比（縦軸）との関係を示すグラフである。図５は、テーパー部４のテーパー長さＨ１とストレート部の杭外径Ｄ１との比率Ｈ１／Ｄ１（横軸）と、ストレート鋼管杭に対する先端支持力比（縦軸）との関係を示すグラフである。先端支持力比は、比較例のストレート鋼管杭１０の先端支持力を１．０とした場合のテーパー部を有する鋼管杭１の先端支持力である。すなわち、先端支持力比は、テーパー部を有する鋼管杭１の先端支持力と、比較例のストレート鋼管杭１０の先端支持力との比率である。鋼管杭の先端支持力を確保するためには、テーパー部を有する鋼管杭１も比較例のストレート鋼管杭１０も、支持層として用いられる層に、少なくとも杭外径Ｄ１の１倍以上の長さまで貫入していることが必要である。ここで、支持層として用いられる層は、一般的に、標準貫入試験（例えば、ＪＩＳ Ａ１２１９に規定される試験方法）から求められるＮ値が、砂、砂れき層及び岩を含む地盤では３０以上、粘性土地盤では１０以上の地盤である。なお、図４における径長比Ｈ１／Ｄ１は、１．０であり、図５における縮径率Ｄ２／Ｄ１は、０．９である。ここで、図４と異なる径長比Ｈ１／Ｄ１の鋼管杭１を用いて施工抵抗を測定した場合、縮径率Ｄ２／Ｄ１と施工抵抗比との相関関係は、図４に示される相関関係と同様である。また、図５と異なる縮径率Ｄ２／Ｄ１の鋼管杭１を用いて施工抵抗を測定した場合、径長比Ｈ１／Ｄ１と施工抵抗比との相関関係は、図５に示される相関関係と同様である。

ここで、テーパー部を有する鋼管杭１を製造するために必要とされるコストは、ストレート鋼管杭１０を製造するコストよりも約１０％高い。すなわち、テーパー部４の加工コストがストレート鋼管杭の製造コストの約１０％である。また、先端支持力比（鉛直荷重に対する抵抗性能）を１０％向上すれば、所定の荷重を支持するために必要とされる鋼管杭の本数を１０％低減することができる。この場合には、鋼管杭の材料コストを１０％削減することができる。そのため、先端支持力比を少なくとも１０％以上確保することが好ましい。先端支持力比をさらに向上させることにより、杭の使用本数を減らすことができる。

図４に示すように、本実施形態のテーパー部を有する鋼管杭１では、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．７０では、先端支持力比が１．３以上であり、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．９５では、先端支持力比が１．１以上である。したがって、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．７０〜０．９５の範囲において、先端支持力比が１以上（特に、１０％以上）に上昇している。また、テーパー部を有する鋼管杭１では、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．８０〜０．９０の範囲において、先端支持力が１．４０以上である。このように、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．８０〜０．９０の範囲において、テーパー部を有する鋼管杭１は、比較例のストレート鋼管杭１０に比べて、先端支持力が４０％以上向上する。以上のことから、テーパー部を有する鋼管杭１の杭先端支持力をストレート鋼管杭１０の杭先端支持力よりも１０％以上増加させるためには、縮径率Ｄ２／Ｄ１が０．７０以上０．９５以下であることが好ましい。より好ましい縮径率Ｄ２／Ｄ１の範囲は、０．８０〜０．９０である。
また、図５に示すように、径長比Ｈ１／Ｄ１が０．３では、先端支持力比は、約１．２であり、径長比Ｈ１／Ｄ１が２．５では、先端支持力比は、１．１であり、径長比Ｈ１／Ｄ１が１．０では、先端支持力比は、１．４である。したがって、テーパー部を有する鋼管杭１の杭先端支持力をストレート鋼管杭１０の杭先端支持力よりも１０％以上増加させるために、径長比Ｈ１／Ｄ１は、０．３以上２．５以下であることが好ましい。

なお、径長比Ｈ１／Ｄ１を減らし、縮径率Ｄ２／Ｄ１を大きくすれば、テーパー部４の加工（特に、塑性加工）に必要とされるコストを抑えることができる。そのため、径長比Ｈ１／Ｄ１の上限を設定し、縮径率Ｄ２／Ｄ１の下限を設定することが好ましい。
テーパー部を有する鋼管杭１において、施工抵抗比および杭先端支持力比の両方を検討した場合、径長比Ｈ１／Ｄ１の上限は、少なくとも、２．５であり、１．７であることが好ましく、１．４であることが最も好ましい。また、径長比Ｈ１／Ｄ１の下限は、少なくとも、０．１であり、０．３であることが好ましく、０．４であることがより好ましく、０．５であることが最も好ましい。同様に、縮径率Ｄ２／Ｄ１の下限は、０．７０であることが好ましく、０．８０であることがより好ましく、０．８５であることが最も好ましい。さらに、縮径率Ｄ２／Ｄ１の上限は、０．９５であることが好ましく、０．９４であることがより好ましく、０．９３であることがさらに好ましく、０．９０であることが最も好ましい。
したがって、施工抵抗比の低減および杭先端支持力比の向上を総合的に考慮すると、最も好ましい径長比Ｈ１／Ｄ１の範囲は、０．５〜１．４であり、最も好ましい縮径率Ｄ２／Ｄ１の範囲は、０．８５〜０．９０である。

ここで、上述した図２〜５の各グラフを作成する上で、試験に用いたテーパー部を有する鋼管杭１の寸法について説明する。鋼管杭１の基端側にあるストレート部８の杭外径Ｄ１を１００ｍｍに設定する場合には、鋼管杭１の板厚ｔは、４．２ｍｍである。また、鋼管杭１の基端側にあるストレート部８の杭外径Ｄ１を７６ｍｍに設定する場合には、鋼管杭１の板厚ｔは、２．８ｍｍである。また、図１Ａまたは図１Ｂ中では、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１（ストレート部８の外径）との比率（径長比）Ｈ１／Ｄ１を０．１〜２．５に設定している。
また、試験に用いた比較例のストレート鋼管杭１０の寸法については、杭外径Ｄ１が１００ｍｍで鋼管杭の板厚ｔが４．２ｍｍである。

テーパー部を有する鋼管杭１は、テーパー状内周面３あるいはテーパー状外周面２を含むテーパー部４の全体が支持層に貫入されることが好ましい。テーパー部を有する鋼管杭１を地盤に打設した場合には、ストレート鋼管杭１０を地盤に打設した場合に比べて、施工抵抗を低減して効率よく施工することができる。さらに、上述したようにテーパー部４の全体を支持層に貫入させることにより、杭外径Ｄ１および鋼管杭の板厚が同じストレート鋼管杭１０の杭先端支持力に比べて、テーパー部を有する鋼管杭１の杭先端支持力が向上する。そのため、杭の施工期間および杭の打設本数を低減することも可能になり、経済的な鋼管杭基礎を構築できる。

テーパー部を有する鋼管杭１は、テーパー部４の杭長手方向の長さ（テーパー長さ）Ｈ１と、鋼管杭の全長（ストレート部８の長さＨ２とテーパー部４のテーパー長さＨ１との合計）Ｌとの比率Ｈ１／Ｌが、０．０１以上０．１以下の範囲となるように製作されることが好ましい。テーパー部４の杭長手方向の長さＨ１が、鋼管杭の全長Ｌの１０分の１（０．１倍）より長いと、杭１本当りのテーパー部４の加工範囲が長くなるため、杭の加工コストが大きく不経済である。また、テーパー部４の杭長手方向の長さＨ１が、鋼管杭の全長Ｌの１００分の１（０．０１倍）より短いと、地盤から杭の周面が受ける摩擦抵抗力の絶対値が大きくなるため、上述した施工抵抗の低減効果が小さくなる。そのため、テーパー部を有する鋼管杭１を、鋼管杭の全長Ｌに対するテーパー部４の杭長手方向の長さＨ１の比率が、０．０１以上０．１以下であることが好ましい。加えて、テーパー部４の杭長手方向の長さＨ１と、ストレート部８の杭外径Ｄ１との比率（径長比）Ｈ１／Ｄ１が０．１〜２．５の範囲で、かつ、テーパー部４の外径Ｄ２と、ストレート部８の杭外径Ｄ１との比率（縮径率）Ｄ２／Ｄ１が、０．７０〜０．９５の範囲となるようにテーパー部４の形状を決定することが好ましい。

また、テーパー部を有する鋼管杭１では、ストレート部（直線状部）８の杭外径Ｄ１が、少なくとも６００ｍｍであるとよい。テーパー部４を支持層に貫入させた場合に、杭径が大きいほど、テーパー部４の外周面の面積が大きくなり、支持層に支承される面積および支持層からの反力（および拘束力）が大きくなる。そのため、テーパー部を有する鋼管杭１の杭外径Ｄ１は、６００ｍｍ以上であることが好ましい。さらに、杭としての用途及び経済性を考慮すると、杭外径Ｄ１は、３０００ｍｍ以下であってもよい。加えて、鋼管杭の強度を確保して材料コストおよび施工コストを削減するために、テーパー部を有する鋼管杭１のストレート部８の板厚（肉厚）ｔは、６ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。同様に、製造時における加工性または経済性を考慮して、テーパー部４の板厚ｔ’とストレート部８の板厚ｔとが、同じであってもよい。この場合には、テーパー状外周面２は、一定の杭外径Ｄ１を有するストレート部８の杭外周面９に段差無く接続している。同様に、テーパー状内周面３は、ストレート部８の杭内周面７に段差無く接続している。また、ストレート部８に比べて施工時及び施工後に大きな負荷を受けるため、テーパー部４の板厚ｔ’は、ストレート部の板厚ｔより大きくてもよい。具体的には、テーパー部４の板厚ｔ’は、６ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。この場合には、テーパー状外周面２と、ストレート部８の杭外周面９とは、必ずしも一致しない。また、テーパー状内周面３と、ストレート部８の杭内周面７とは、必ずしも一致しない。

上述したテーパー部を有する鋼管杭１を施工する場合には、適宜公知の施工方法により施工することができる。例えば、振動工法、打撃工法、圧入工法、回転圧入工法あるいはその他の適宜の杭施工工法によって地盤に鋼管杭１を打設施工してもよい。

上述した先端部にテーパー部を有する鋼管杭の製作方法としては、以下の方法を用いることができる。すなわち、１本の鋼管の先端部がテーパー部を形成するように、冷間曲げ成形あるいは冷間プレス成型によって鋼管杭を製作してもよい。また、テーパー状の短管の大端面をストレート鋼管の端面に溶接して、テーパー部を有する鋼管杭を製作してもよい。ここで、扇状の帯鋼板を冷間曲げ成形によりテーパー状に加工し、テーパー加工された帯鋼板の両側縁部を溶接により接合することにより、テーパー状の短管を製作することができる。この場合、テーパー状の短管の大端部の外径がストレート鋼管の外径と略同じになるように扇状の帯鋼板を加工する。また、鋼管の先端部を塑性加工してテーパー部を有する鋼管杭を製作してもよい。

杭先端支持力を獲得でき、杭施工時の抵抗を低減でき、杭施工時において抵抗となる杭先端の閉塞を低減することが可能な鋼管杭を提供することができる。

１ 鋼管杭（テーパー部を有する鋼管杭）
２ テーパー状外周面
３ テーパー状内周面
４ テーパー部（先端部）
５ 大端（大径側端部）
６ 小端（先端、小径側端部）
７ 杭内周面
８ ストレート部（外径が一定の定常部）
９ 杭外周面
１０ ストレート鋼管杭
１１ 鋼管杭内に取り込まれた土（または石や岩を含んだ土）
１２ 杭内周面
１３ 鋼管外側の土（または石や岩を含んだ土）
１５ 鋼管杭先端部の周りの土（または石や岩を含んだ土）

Claims (5)

1. 円筒形状を有するストレート部と；
   このストレート部の一端に対して連なるとともに前記一端から離れる方向に向かって外径及び内径が先細りになるテーパー部と；
   を備えた鋼管杭であって、
   前記テーパー部の大端及び小端間の長さ寸法Ｈ１を、前記大端における外径寸法Ｄ１で除した径長比Ｈ１／Ｄ１が０．１以上かつ２．５以下である
   ことを特徴とする鋼管杭。
2. 前記小端の外径寸法Ｄ２を前記大端におけるＤ１で除した縮径率Ｄ２／Ｄ１が、０．７０以上かつ０．９５以下であることを特徴とする請求項１に記載の鋼管杭。
3. 前記テーパー部の全体が、地盤の支持層に貫入される貫入部であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管杭。
4. 前記テーパー長さＨ１と前記ストレート部の長さ寸法Ｈ２との和である合計長さ寸法Ｌを前記テーパー部の前記長さ寸法Ｈ１で除した比が０．０１以上かつ０．１以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管杭。
5. 前記大端における前記外径寸法Ｄ１が、６００ｍｍ以上かつ３０００ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管杭。

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