JP4669494B2

JP4669494B2 - 鋼管杭の施工方法

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Publication number: JP4669494B2
Application number: JP2007100269A
Authority: JP
Inventors: 吉郎石濱
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-04-06
Filing date: 2007-04-06
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2027-04-06
Also published as: JP2008255695A

Description

本発明は、鋼管杭の施工方法に関し、詳しくは、先端部が開放した鋼管本体と、この鋼管本体の先端縁よりも下方に突出して固定された掘削用ビットとを有する鋼管杭を地盤に貫入する鋼管杭の施工方法に関する。

従来、鋼管杭の施工方法としては、鋼管杭の先端部又は外周に翼（羽根）を有する鋼管杭を回転して翼のネジ作用により鋼管杭を地盤中に貫入する施工方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、地盤にセメントミルクなどの硬化剤を注入して鋼管を埋設する方法や、打撃力を用いて鋼管を埋設する方法なども知られている。

特開２００２−２２０８３０号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の従来の鋼管杭の施工方法では、羽根によって地盤を掘削するので、貫入速度が羽根のピッチにより制限されるため、硬質でない地盤でも貫入速度が上がらないという問題がある。さらに、支持層のような硬質な地盤を掘削する場合には、羽根の面積分の地盤をせん断しながら掘削する必要があるため、施工負荷が非常に大きくなってしまい、鋼管杭の先端部を支持層に貫入できない場合も生じてしまう。
また、地盤にセメントミルクなどの硬化剤を注入して鋼管を埋設する方法では、セメントミルク等に用いるプラントなどの設備が必要であることに加え、セメントミルク等の材料費が余計に掛かってしまうという問題がある。また、打撃力を用いて鋼管を埋設する方法では、騒音・振動などが発生することから、鋼管を埋設できる場所が限られてしまう等の問題がある。

本発明の目的は、硬質な地盤である支持層に達するまでの地盤では高い貫入速度を得ることができ、支持層では施工負荷の増加を抑えることができ、低い施工コストで、周辺への騒音や振動の問題が生じにくく、十分な支持力を確保できる鋼管杭の施工方法を提供することにある。

本発明の請求項１に記載の鋼管杭の施工方法は、先端部が開放した鋼管本体と、この鋼管本体の先端縁よりも下方に突出して固定された掘削用ビットとを有する鋼管杭を地盤に貫入する鋼管杭の施工方法であって、前記鋼管本体の先端部が前記支持層に到達するまでは、排土手段を用いて前記鋼管本体内の少なくとも一部の土を排出し、かつ当該支持層よりも上方の土を所定高さだけ前記鋼管本体内部に残置し、前記鋼管本体の外径寸法の３倍程度以上の深さまで、当該鋼管本体の先端部を支持層に回転圧入する際に、削孔した支持層の土を排出せずに、当該支持層の土を前記鋼管本体内部に残置して当該鋼管本体の先端部を閉塞することを特徴とする。

ここで、鋼管本体の先端部が支持層に到達するまで鋼管杭を地盤に貫入する方法としては、鋼管杭を回転圧入する方法、鋼管杭に打撃や振動を加える方法など、適宜な貫入方法を採用してもよい。
このような鋼管杭の施工方法によれば、鋼管杭が開放した先端部を有する鋼管本体で形成され、鋼管杭の先端縁には下方に突出する掘削用ビットが固定されているだけなので、このような鋼管杭の鋼管本体の先端部が支持層に到達するまで、鋼管杭を地盤に貫入する際には、施工負荷を従来よりも低減させることができる。すなわち、従来の羽根を有する鋼管杭を貫入する場合のように、貫入速度が羽根のピッチにより制限されることがなく、地盤を掘削する部分が開放した鋼管本体の環状部分に取り付けられた掘削用ビットだけなので、従来に比べて鋼管杭の断面積が小さくなり、支持層に到達するまでの貫入速度を上げることができる。なお、掘削用ビットを鋼管本体の外周よりも外側に突出して固定する場合には、掘削用ビットの突出寸法が９ｍｍ〜１２ｍｍの範囲内であることが好ましい。
また、鋼管本体の先端部を支持層に回転圧入する際に、鋼管本体の先端部の掘削用ビットによって支持層を削孔するので、支持層に鋼管杭を円滑に貫入することができる。つまり、従来の羽根を有する鋼管杭を支持層に回転圧入する場合には、羽根の面積分の支持層をせん断しながら掘削する必要があるが、本発明では、前述のように地盤を掘削する部分が開放した鋼管本体の環状部分だけであるとともに、掘削用ビットを有しているので、施工負荷が大きくならず、鋼管杭の回転圧入負荷を低減することができる。

また、鋼管本体の外径寸法（杭径寸法）の３倍程度以上の深さまで、鋼管本体の先端部を支持層に回転圧入し、当該鋼管本体の先端部を、回転圧入により削孔した支持層を形成する土等で閉塞するので、鋼管本体の先端部の閉塞度を十分に確保することができる。ここで言う土等とは、支持層を形成する砂質土、粘性土、岩、礫を含む支持層の地盤を形成するもの全てを示す。従って、鋼管杭の先端部分の見かけの断面積が大きくなるので、十分な支持力を確保することができる。この際、鋼管杭の先端部の掘削用ビットによって支持層を削孔するだけなので、鋼管杭の回転圧入によって支持層が大きく乱されることがなく、杭径寸法の３倍程度の鋼管杭の貫入寸法（根入れ深さ）であっても、十分な支持力を確保することができる。
また、従来のセメントミルクなどの硬化剤を注入する方法のように、セメントミルク用プラント等の設備が不要で、セメントミルク等の材料費も掛からないので、施工コストを下げることができる。また、従来の打撃力を用いて鋼管杭を支持層に埋設する方法のような騒音・振動などの発生を抑えることができるので、低騒音・低振動での施工が可能となる。
ここで、地盤の支持層とは、構造物を十分に支持できて、構造物の沈下の恐れのない地層であるが、構造物の設計者や行政機関が支持層を設定する際には、諸々の条件によって設定する支持層の深さ位置が変動する場合がある。本発明において、支持層への鋼管杭の貫入寸法を鋼管本体の杭径寸法の３倍程度以上としたのは、前述のような支持層の設定のバラツキを考慮したためで、３倍の前後１割程度（つまり２．７倍〜３．３倍）の誤差は、本発明の範囲に含まれる。

この際、本発明の鋼管杭の施工方法では、前記鋼管本体の先端部が前記支持層に到達するまでは、排土手段を用いて前記鋼管本体内の少なくとも一部の土を排出する。
ここで、鋼管本体内の少なくとも一部の土（管内土）の排土手段としては、例えば、鉄製の容器であるバケットを鋼管本体内にクレーンで降ろして、管内土をバケットに入れてクレーンで吊り上げることによって管内土を排出する方法（バケット法）でもよい。または、鋼管内に吸気管を挿入して、吸気管を通して管内土を吸い上げることによって排出する方法（エアーリフト法）でもよく、鋼管内にスクリューロッドを挿入して、スクリューの回転によって管内土を排出する方法（スクリューロッド法）でもよい。
このような構成によれば、鋼管杭が支持層に到達するまでは、排土手段を用いて鋼管本体内の少なくとも一部の管内土を排出するので、管内土が堆積することによる先端部の閉塞度を低減することができる。従って、支持層に到達するまで鋼管杭を貫入する際の施工負荷を低減でき、貫入速度を一層高めることができ、円滑に施工を実施できる。

また、本発明の鋼管杭の施工方法では、前記支持層は、一軸圧縮強度が５Ｎ／ｍｍ^２以上の硬質地盤であることが好ましい。
このような構成によれば、支持層を一軸圧縮強度が５Ｎ／ｍｍ^２以上の硬質地盤とすることによって、支持層に鋼管本体の先端部を回転圧入した際に、管内が硬質な土によって閉塞されるので、先端部の閉塞度をより大きくすることができ、より大きな支持力を確保することができる。

以上のような本発明の鋼管杭の施工方法によれば、鋼管本体の先端部が支持層に到達するまで鋼管杭を地盤に貫入する際には、施工負荷を従来よりも低減させることができ、鋼管本体の先端部を支持層に回転圧入する際には、鋼管杭を円滑に支持層に貫入することができ、十分な支持力を確保することができるとともに、施工コストを下げることができ、低騒音・低振動での施工が可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図５は、本発明の実施形態に係る鋼管杭１の施工方法を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態における鋼管杭１の施工方法は、全周旋回機２を使用して鋼管杭１を回転圧入させることによって、鋼管杭１を地盤に貫入するという方法である。
鋼管杭１は、両端が開口された鋼管本体１Ａと、この鋼管本体１Ａの下方の先端縁に固定された掘削用ビット１Ｂとを有する。掘削用ビット１Ｂは、鋼管本体１Ａの外周に治具を介してロウ付けやボルト、あるいは鋼管本体１Ａに直接溶接で取り付けられている。
掘削用ビット１Ｂは、鋼管本体１Ａの先端縁よりも下方に突出するように形成され、また、鋼管本体１Ａの外周面から外側への突出量が９ｍｍ〜１２ｍｍとなるように形成されている。なお、掘削用ビット１Ｂは、鋼管本体１Ａの周面から内外の両方向へ突出して形成されていてもよい。これによって、地盤Ｇを乱す面積が大きくなり、鋼管本体１Ａを貫入するのに必要な圧入力を小さくすることができる。ただし、内外への突出寸法は、周面摩擦に与える影響を少なくするために、９ｍｍ〜１２ｍｍ以内とすることが望ましい。

次に、本実施形態の鋼管杭１の施工手順を説明する。
ここで、鋼管杭１を施工する地盤Ｇとしては、図１に示すように、地表側から砂質や粘土質を多く含んだ比較的軟弱な軟弱層Ｇ１と、軟弱層Ｇ１の下側に位置して礫や岩盤等で構成され硬質な支持層Ｇ２とから構成されているものとする。支持層Ｇ２としては、一般的に支持層として用いることが可能なＮ値３０以上の地盤であればよい。なお、地盤Ｇの一軸圧縮強度が５Ｎ／ｍｍ^２以上の軟岩等で構成された硬質な地層を支持層Ｇ２とすれば、後述する鋼管杭１の先端部の閉塞度が上がり、より高い支持力を確保する点で好ましい。

以下に、具体的な鋼管杭１の施工手順について図２〜図５に基づいて説明する。
施工手順としては先ず、図２に示すように、クレーンＭを用いて鋼管杭１の先端部を全周旋回機２に取り付ける。全周旋回機２には、鋼管杭１を地盤に回転圧入した場合の鋼管杭１の反発力に対抗するために、複数の錘２１が積載されている。ここで、本実施形態では、全周旋回機２を使用した施工方法を説明するが、支持層Ｇ２に到達するまでの中間地盤の硬度や、支持層Ｇ２の硬度・深さに応じて、全周旋回機２に限らず、３点式杭打ち機等を使用してもよい。そして、図１に示すように、全周旋回機２を使用して、鋼管杭１を回転圧入し、鋼管杭１先端の掘削用ビット１Ｂにより支持層Ｇ２までの軟弱層Ｇ１を掘削する。

次に、図３に示すように、施工負荷が上がった場合や施工負荷が上がることが予想される場合には、施工負荷の低減を図るため、排土手段であるバケット３で管内土を地上へ排出する。バケット３は、クレーンＭで昇降され、吊り下げられた状態で開閉可能に構成されている。なお、排土する範囲は、支持層Ｇ２に到達する部分までの範囲で適宜設定することができる。例えば、全周旋回機２によって鋼管杭１を回転圧入中に、施工負荷が全周旋回機２の発生トルクまたは錘２１を装着した状態での全周旋回機２の施工時に許容される圧入力を上回った場合には、全周旋回機２を一旦停止して、バケット３を用いて管内土を排出する。鋼管杭１の施工負荷が全周旋回機２の発生トルクまたは錘２１の荷重よりも低くなるまで、管内土を排出した後、再び全周旋回機２を起動して鋼管杭１を回転圧入する。このようにして、鋼管本体１Ａの先端部が支持層Ｇ２に到達するまで、鋼管杭１の回転圧入と管内土の排出を適宜繰り返す。

次に、鋼管本体１Ａの先端部が支持層Ｇ２に到達した後は、管内土の排出は実施せず、鋼管杭１の回転圧入のみを続ける。鋼管本体１Ａの上端が全周旋回機２の取り付け位置まで低下した後は、図４に示すように、鋼管杭１の上端に連結治具（ヤットコ等）４を連結して、鋼管杭１をさらに回転圧入する。このようにして、鋼管本体１Ａの先端部を、鋼管本体１Ａの外径寸法（杭径寸法）Ｄの３倍以上の深さまで支持層Ｇ２に回転圧入して、全周旋回機２を停止する。次に、鋼管杭１から全周旋回機２（または連結治具４）を切り離すとともに、鋼管杭１の杭頭部分の後処理を実施して、全周旋回機２を次の施工位置へ移動する。以上のようにして、鋼管杭１の施工作業が完了する。
図５には、鋼管杭１が支持層Ｇ２に杭径寸法Ｄの３倍以上貫入した状態が示されている。このように鋼管本体１Ａの先端部が支持層Ｇ２に貫入され、かつ、掘削用ビット１Ｂによって削孔された支持層の硬質な土で閉塞されているので、鋼管杭１が確実に支持力を発揮することができる。

このような本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）すなわち、先端が開口した鋼管杭１を用いて、杭径寸法Ｄの３倍以上の深さまで、鋼管本体１Ａの先端部を支持層Ｇ２に回転圧入するので、削孔した支持層Ｇ２の土によって先端部の閉塞度が上昇し、閉塞された先端部分の見かけの断面積が大きくなることから、高い支持力を得ることができる。また、鋼管杭１に対して打撃等を行わず、支持層Ｇ２に回転圧入させるだけなので、低騒音・低振動とすることができる。

（２）また、掘削用ビット１Ｂがろう付けされた鋼管本体１Ａの環状部分だけで地盤Ｇを掘削し、支持層Ｇ２に支持力確保に必要な長さ、鋼管本体１Ａの外径寸法の３倍以上、回転圧入することで、管内土が乱されず、鋼管杭１の先端部を確実に管内土によって閉塞することができ、これによって高い支持力を得ることができる。

（３）また、鋼管杭１を支持層Ｇ２に到達させるまで貫入する際に、地盤Ｇを掘削する部分が開放した鋼管本体１Ａの環状部分だけであるとともに、掘削用ビット１Ｂを有しているので、施工負荷が大きくならず、鋼管杭１の回転圧入負荷を低減することができ、高い貫入速度が得られる。さらに、バケット３を用いて管内土を地上に上げるので、施工負荷をさらに低減させることができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態においては、排土手段としては、バケット３を使用する方法を説明をしたが、本発明では、例えば、スクリュー付きのロッドを使用する方法であってもよく、または、エアリフト装置を使用する方法であってもよい。エアリフト装置を使用する方法では、ロッドの内部を通して鋼管本体１Ａ内部の管内土を吸い上げるエアリフト装置を使用してもよい。このエアリフト装置は、鋼管杭１の地上側の端部に設けられたエアポンプと、このエアポンプに連結された中空筒状のロッドと、ロッドで吸い上げた管内土を外部に排出する排出部とを有して構成されていてもよい。ここで、エアリフト装置の代わりに、鋼管杭１の内部に供給した水とともにロッドの内部を通して管内土を吸い上げる泥水リフト装置であってもよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

次に、本発明の実施例を説明する。
以下の実施例は、地盤強度が一軸圧縮強度で５Ｎ／ｍｍ^２から２０Ｎ／ｍｍ^２以下の範囲で実施した。
先ず、本発明の施工方法による施工負荷の試験結果について説明する。
図６は、鋼管杭１を、支持層Ｇ２のような堅固な地盤に回転させながら圧入する試験を行った際の、地盤への貫入寸法の杭径寸法（鋼管本体１Ａの外径寸法）に対する倍率と、施工負荷を示す施工トルクおよび圧入力を示している。この試験によれば、鋼管杭１の貫入寸法が杭径寸法の３倍程度で急上昇することが解る。

次に、本発明の施工方法で施工された鋼管杭における杭先端の閉塞効果に関し、模型鋼管杭５を用いて模型試験した試験結果について説明する。
図７は、模型試験方法を説明する模式図である。図８は、前記模型試験方法における模型鋼管杭５の支持層Ｇ２への貫入寸法の杭径寸法に対する倍率と、押抜き抵抗との関係を示すグラフである。
本発明の鋼管杭の管内に取り込まれた土（管内土）による鋼管杭の先端部の閉塞度を調べるために、図７に示すような模型鋼管杭５を用いて、貫入寸法毎に管内土６を押し抜く試験を行った。

本模型試験では、先端に掘削用ビット（図示を省く）を設けた模型鋼管杭５を使用する。まず、模型鋼管杭５を支持層Ｇ２の硬度と略同じ硬度を有する模型地盤に所定の貫入寸法分だけ回転圧入する。次に、模型鋼管杭５を模型地盤から引抜き、模型鋼管杭５の管内土６を受け台７に押し当てて、管内土６を押抜く方向に積荷重Ｆを加え、押抜き抵抗を測定する。そして、貫入寸法を模型鋼管杭５の杭径寸法の１倍から５倍程度の範囲で、適宜設定し、貫入寸法毎に模型鋼管杭５の回転圧入および押抜きを実施する。
本試験結果によると、模型鋼管杭５の貫入寸法と管内土６の高さ寸法（鋼管の長手方向に沿った寸法）は、略等しくなった。このことから、本実施形態の鋼管杭１の貫入寸法と管内土の高さ寸法とが略等しくなることが推定でき、管内土６の高さ寸法が地盤条件によって多少変化することを考慮しても、管内土６の高さ寸法は、鋼管杭１の貫入寸法の９０％〜１１０％程度の範囲内とみなすことができる。

さらに、本試験結果によると、図８に示すように、模型鋼管杭５の管内土６の押抜き抵抗は、模型鋼管杭５の貫入寸法が杭径寸法の３倍程度で急上昇し、図６に示す施工負荷と類似の傾向を示している。すなわち、支持層Ｇ２への貫入寸法が鋼管本体１Ａの外径の３倍未満では先端閉塞による抵抗値が非常に小さいのに対し、支持層Ｇ２への貫入寸法が杭径寸法の３倍程度で極端に先端閉塞による抵抗値が上昇する。なお、貫入寸法が杭径寸法の３倍よりも大きい場合に、貫入寸法が杭径寸法の３倍未満での押抜き抵抗に対して１０倍以上の押抜き抵抗が得られた。
以上の試験結果から、本発明の鋼管杭の施工方法によれば、鋼管杭の支持層Ｇ２への貫入寸法を杭径寸法の３倍程度以上としているので、管内土による鋼管杭の閉塞度が上昇し、必要な鋼管杭の支持力を確保することができることが判明した。

本発明の実施形態に係る鋼管杭の施工方法を示す断面図である。前記鋼管杭を全周旋回機に設置する方法を示す断面図である。前記鋼管杭の管内土をバケットで排出する方法を示す断面図である。前記鋼管杭の施工方法を示す断面図である。前記鋼管杭を支持層に貫入した状態を示す断面図である。鋼管杭の根入れ深さに対する施工負荷を示すグラフである。模型試験の状況を説明した図である。模型鋼管杭の貫入寸法に対する管内土の押抜き抵抗を示すグラフである。

符号の説明

１…鋼管杭、１Ａ…鋼管本体、１Ｂ…掘削用ビット、３…バケット（排土手段）、５…模型鋼管杭、６…管内土、７…受け台、Ｄ…杭径寸法（鋼管本体の外径寸法）、Ｇ…地盤、Ｇ２…支持層。

Claims

先端部が開放した鋼管本体と、この鋼管本体の先端縁よりも下方に突出して固定された掘削用ビットとを有する鋼管杭を地盤に貫入する鋼管杭の施工方法であって、
前記鋼管本体の先端部が前記支持層に到達するまでは、排土手段を用いて前記鋼管本体内の少なくとも一部の土を排出し、かつ当該支持層よりも上方の土を所定高さだけ前記鋼管本体内部に残置し、
前記鋼管本体の外径寸法の３倍程度以上の深さまで、当該鋼管本体の先端部を支持層に回転圧入する際に、削孔した支持層の土を排出せずに、当該支持層の土を前記鋼管本体内部に残置して当該鋼管本体の先端部を閉塞することを特徴とする鋼管杭の施工方法。
請求項１に記載の鋼管杭の施工方法において、
前記支持層は、一軸圧縮強度が５Ｎ／ｍｍ^２以上の硬質地盤であることを特徴とする鋼管杭の施工方法。