JP4943363B2 - 鋼管杭およびその施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、構造物を支持する杭として適用される鋼管杭およびその施工方法に関する。

従来、図７に示すように、先端部に羽根１２を設けた鋼管２を回転させ、羽根１２による推進力により地盤１１に貫入させ、羽根１２を鋼管先端よりも上方に位置することで貫入精度を改善させるようにした鋼管杭１３が知られている（例えば、特許文献１参照）。
前記の場合には、特に硬質な支持層への螺旋羽根の貫入時には、面積が大きいため、抵抗が大きくなるという問題がある。さらに、硬質な支持層と比較して軟弱部の施工に関しては、羽根のピッチで施工速度が決まるため、施工速度を上げることが出来ないという問題がある。

また従来、杭先端またはその近傍に傾斜した翼を有する下部鋼管と、それより大径の上部鋼管と、これらを接続する翼部材からなる構造の鋼管杭及びそれを回転力により地中に埋設するようにした鋼管杭の施工方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。
前記の場合には、下部鋼管部分も上部鋼管部分も、ともに翼による推進力で施工速度が決まるため、通常支持層として用いられる堅固な層より上にある以外の比較的柔らかい層を掘削する際の施工速度が、翼の傾斜角度で決まってしまうため、施工速度が制限されるという問題がある。反対に、翼の傾斜角度を大きくすると施工速度が上昇するが、逆に支持層を掘削する際には、抵抗が大きくなりすぎて施工が困難になる恐れがあるという問題がる。また、支持層の強度が高い場合（例えば、一軸圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ^２までの軟岩の場合）は、翼部分を支持層に貫入させることが非常に困難となるという問題がある。
特開２００１−３３５８号公報 特開２００１−１２３４４２号公報

鋼管杭を施工する場合、支持層に鋼管杭の先端部を所定寸法貫入させることにより、鋼管杭を打ち止めすることになる。通常、鋼管杭を支持層まで貫入させる場合の深さ寸法としては、地盤条件にもよるが、５ｍ〜７０ｍ程度の範囲になる。多くの場合は、１０ｍ〜７０ｍ程度である。その深さまで達するまでに比較的軟弱な中間層が厚く存在する場合が多い。また、支持層が軟岩相当の強度がある支持層に、杭先端部の螺旋羽根あるいは翼を用いて支持層に貫入することは、困難になる。
また、中間層が厚い場合には、鋼管杭の先端部に螺旋羽根あるいは翼を設けている場合には、前記のように、施工効率が螺旋羽根のピッチ、つまり螺旋羽根を鋼管杭に取付ける際に鋼管杭一周分に対する螺旋羽根の高さ、あるいは翼の傾斜角度により左右させる。そのため、中間層の施工に対しては、螺旋羽根あるいは翼がないほうが、より施工性を格段に向上させることが可能になる。鋼管杭は多数本地盤に打ち込まれるものであるため、一本当りの施工性が向上すると、短工期の施工が可能になり、施工コストが格段に低減することが可能になる。
本発明は、杭先端部が中間層を貫入している場合に、極力、螺旋羽根による推進力を働かせることなく貫入性を向上させ、かつ支持層への貫入する際に、初めて螺旋羽根による推進力を発揮させて、支持層貫入時の推進力を大きくすることができる鋼管杭およびその施工方法を提供することを第１の目的とする。
また、前記の第１の目的を達成した上で、地震時において作用する水平力に対する抵抗を高めるようにした鋼管杭を提供することを第２の目的とする。

前記の課題を有利に解決するために、第１発明の鋼管杭においては、鋼管の先端に掘削刃を備えた鋼管杭において、前記鋼管杭の埋設部の上端から支持層に貫入する深さ及び土被り高さ分までの上部に、支持層よりも上部の中間層に埋設される螺旋状羽根が設けられ、かつ、前記螺旋状羽根は、鋼管杭先端部が支持層に所定の回転方向に回転しながら地中に貫入される際に鋼管杭を下方に押し下げる推進力を生じさせるための螺旋状羽根であり、鋼管杭本体を構成する鋼管の上部外側に、前記螺旋状羽根に固定された大径の外側鋼管が設けられて、前記螺旋状羽根が前記鋼管と前記外側鋼管とを接続しており、前記螺旋状羽根の外周縁部が外側鋼管の内周面に溶接により固定され、かつ、前記鋼管の前記螺旋状羽根を設けている部分は、外側鋼管内に螺旋状羽根の１ピッチ以上挿入された状態で配置されていることを特徴とする。
第２発明では、第１発明の鋼管杭において、鋼管杭上部に取付けた螺旋状羽根の１周当りのピッチを、杭先端部に設けられる掘削刃としての掘削ビットの本数と、前記掘削ビットの刃先の鋼管先端部からの突出長を乗じた長さ寸法以下としたことを特徴とする。
第３発明の鋼管杭の施工方法においては、第１発明又は第２発明の鋼管杭を用いた鋼管杭の施工方法であって、鋼管杭先端部を支持層に貫入される際に、前記螺旋状羽根を地中に貫入して、前記鋼管杭を下方に押し下げる推進力を生じさせることを特徴とする。

第１発明によると、鋼管の先端に掘削刃を備えた鋼管杭において、前記鋼管杭の埋設部の上端から支持層に貫入する深さ及び土被り高さ分までの上部に、支持層よりも上部の中間層に埋設される螺旋状羽根が設けられ、かつ、前記螺旋状羽根は、鋼管杭先端部が支持層に所定の回転方向に回転しながら地中に貫入される際に鋼管杭を下方に押し下げる推進力を生じさせるための螺旋状羽根であるので、杭先端部が中間層を貫入している場合に、極力、螺旋羽根による推進力を働かせることなく貫入性を向上させ、かつ支持層への貫入する際に、初めて螺旋羽根による推進力を生じさせて、支持層貫入時の推進力を大きくすることができる。また、地盤強度にかかわらず、施工性のよい鋼管杭とすることができ、特に、支持層が軟岩以上強度の支持層であっても効率よく確実に施工することができる効果が得られる。
また、第１発明によると、鋼管杭本体を構成する鋼管の上部外側に、螺旋状羽根に固定された大径の外側鋼管が設けられて、前記螺旋状羽根が前記鋼管と前記外側鋼管とを接続しているので、前記第１発明の効果に加えて、さらに、地震動によるより大きな水平力と曲げモーメントに対して抵抗することができる。また、螺旋状羽根により、大径な外側鋼管を保持して、内側の鋼管と外側の外側鋼管を連結することができる。さらに、螺旋状羽根により内側の鋼管と外側の大径鋼管を連結する構造であるので、構造が簡単な鋼管杭であるなどの効果がある。
第２発明によると、鋼管杭上部に取付けた螺旋状羽根の１周当りのピッチを、杭先端部に設けられる掘削刃としての掘削ビットの本数と、前記掘削ビットの刃先の鋼管先端部からの突出長を乗じた長さ寸法以下としたので、地盤が確実に掘削ビットによって掘削され、鋼管先端部の掘削刃（掘削ビット）の無い面が、乱されていない地盤面に接触することを防ぎ効率的な掘削ができる効果がある。
第３発明によると、鋼管杭先端部を支持層に貫入される際に、前記螺旋状羽根を地中に貫入して、前記鋼管杭を下方に押し下げる推進力を発揮させるので、杭先端部が支持層に貫入する際に、螺旋状羽根により押し下げるように作用する推進力を生じて、押し下げ力が不足するような場合でも、確実に押し下げ力を増大して、掘削刃により支持層を確実に掘削して、鋼管杭先端部を確実に支持層に貫入させることができる効果が得られる。

次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１参考実施形態の鋼管杭１を示すものであって、鋼管２の先端部に、周方向に等角度間隔をおいて、掘削ビット３がボルト等により取付けられている。また、鋼管２の先端部から上方に十分離れた位置であって、鋼管杭１の上部に螺旋状羽根４が溶接Ｗ等により固定されている。

前記のように、杭先端部に掘削ビット３を設けているのは、支持層５が、通常の支持層あるいはこれよりも固い支持層、例えば、軟岩以上の強度を有する支持層５であっても、確実に支持層５に杭先端部を貫入させるためである。

螺旋状羽根４を鋼管杭１に設ける螺旋状羽根４の下端の位置Ｐは、鋼管杭上端部から下方に、支持層５への貫入量（深さ寸法）Ｈの距離、離れているのが好ましい。より好ましくは前記位置Ｐは、支持層貫入量Ｈ以上で、支持層貫入量Ｈに、螺旋状羽根４の土被り高さ寸法αを足した値までである。即ち、Ｐ≧Ｈが好ましく、Ｐ≦Ｈ＋αである。

前記の支持層５への貫入量Ｈとしては、杭径Ｄによって異なるが、支持力を獲得するためには、少なくとも杭径Ｄ以上、好ましくは、杭径Ｄの３〜５倍程度貫入させる必要があるため、貫入量Ｈは、杭径によって異なるが、例えば、杭径４００ｍｍ〜１０００ｍｍに対して、少なくとも、４００ｍｍ〜１０００ｍｍ以上、好ましくは、１．２ｍ〜５ｍ程度でよい。

さらに説明すると、支持層５より上部の、支持層５と比較して柔らかい中間層６を掘削する際に、螺旋状羽根４が土中部にあると、螺旋状羽根４の一周当りの高さ（一回転当りの高さ）、すなわち螺旋状羽根４の一周当りのピッチによって施工速度が決まってしまう。そのため、中間層６の掘削時は、螺旋状羽根４が土中部になく、地表面７より高レベル位置に配置することで施工速度が自由に決定でき、効率的な施工が可能になるため、螺旋状羽根４は、地表面７から支持層５への必要貫入量Ｈ、または、さらに螺旋状羽根４が推進力を発揮するために必要な分だけの土被り高さαを加えたＨ＋αの高さ分だけ下がった位置までに設置することが望ましい。土被り高さαは、地盤によっても異なるが，１〜３ｍ程度あれば十分である。

前記のように構成することにより、鋼管２先端部の掘削ビット３による鋼管杭１の回転圧入施工を実施する際、特に硬質な支持層５への施工時に、圧入力が問題となる点に関して、鋼管２上部に螺旋状羽根４を取付け、回転する力を貫入方向の力に変換することで、圧入力の不足する支持層部５の掘削時に圧入力を補うようにしている。
このようにすることにより、図２に示すように、鋼管杭１を所定の回転方向に回転させながら回転圧入施工する場合に、支持層５に達す直前で螺旋状羽根４が貫入されて、推進力を生じさせて、図３に示すように、支持層５に確実に貫入できるようにしている。

また、図４（ａ）に示すように、鋼管杭１の１回転当たりの貫入量が決まる螺旋状部の１周当りのピッチｐを、掘削ビット３の本数Ｎと、掘削ビット３の刃先８の突出長Ｌを乗じた長さ（Ｎ×Ｌ）とすることで、地盤が確実に掘削ビット３によって掘削され、鋼管２先端部の掘削刃（掘削ビット３）の無い面９が乱されていない地盤面に接触することを防ぎ効率的な掘削が可能となる。 このようにすると、図４（ｃ）（ｄ）に示すように、掘削ビット３がＮ本ある場合に、鋼管杭１が１／Ｎ回転した場合、下方に刃先８の突出長Ｌだけ貫入し、回転方向に隣接する次の掘削ビットの位置に到達するようになる。
さらに１周当りのピッチｐを、掘削ビット３の本数Ｎと、掘削ビット３の刃先８の突出長Ｌを乗じた長さ（Ｎ×Ｌ）以下とすることで、地盤がより硬質で、ビットが地盤をスムーズに乱すことが出来ない場合でも、ビットが地盤を乱す範囲が重複するため、より確実に鋼管２先端部の掘削刃（掘削ビット３）の無い面９が乱されていない地盤面に接触することを防ぐことができる。

次に、図５および図６を参照して、本発明の第１実施形態の鋼管杭１について説明する。

この形態は、図１に示す形態の鋼管杭１の構成に、さらに、鋼管杭本体を構成する鋼管２の上部外側に、螺旋状羽根４に固定された大径の外側鋼管１０が設けられて、前記螺旋状羽根４が前記鋼管（内側の鋼管）２と前記外側鋼管１０とを一体に固定して接続している鋼管杭１とされている。

図示の形態では、螺旋状羽根４の外周縁部が外側鋼管１０の内周面に溶接により固定されている。前記のように螺旋状羽根４の外周縁部を外側鋼管１０の内周面に溶接により固定するために、内側の鋼管２は、外側鋼管１０内に、少なくとも、螺旋状羽根４の１ピッチ以上挿入された状態で配置されている。内側の鋼管２と外側鋼管１０は、同心状に配置されている。なお、螺旋状羽根４の内外の周縁部は、適宜開先加工が施されて溶接により固定される。

さらに説明すると、螺旋状羽根部４が、支持層５に挿入される鋼管２と、その鋼管部よりも拡大された外側鋼管１０とを接続し、鋼管杭１の頭部を拡大することで、地震動によるより大きな水平力と曲げモーメントに対して抵抗することが可能となっている。外径が大きい外側鋼管１０の長さは、杭の水平抵抗の関与深さである特性長１/β以上（ただし、ここでβは杭の特性値であり、地盤の水平反力係数ｋｈ、杭径Ｄによる幅Ｄ、杭のヤング率Ｅ、杭の断面２次モーメントＩを用いて、次式（１）で表される。）

前記の外径が大きい外側鋼管１０の長さは、より好ましくはπ／（２β）以上（但し、πは円周率を示す。）あれば十分効果を発揮し、特性長１/β，あるいはπ／（２β）は、地盤によって決まる定数であるが、通常３〜１０ｍ程度である。そこで、拡大された外側鋼管１０の高さ寸法（地中に貫入される寸法）Ｌ２は、支持層５への必要貫入量Ｈに、１〜３ｍ加えた程度の長さで十分効果を発揮することが可能である。さらに前記の外径が大きい外側鋼管１０の部分を必要に応じて延長することも可能である。

前記各実施形態のように構成された本発明の鋼管杭は、地盤強度によらず、確実に施工性のよい鋼管杭となっている。また、通常の支持層よりも硬質な支持層、例えば、支持層５が軟岩以上の強度の支持層であっても、鋼管杭１を効率よく施工することができる。さらに、螺旋状羽根４は、施工初期に地表面に接触しないので、鋼管杭１が芯ずれを起こすこともない。

なお、図示を省略するが、前記のように地盤１１に貫入された複数の鋼管杭１の上部に渡って、コンクリート製フーチングが設けられ、上部構造物が構築される。

本発明を実施する場合、支持層までの掘削深度が深い場合には、鋼管を溶接等により継ぎ足して、最上部の鋼管に螺旋状羽根を設けるようにした鋼管杭とてもよい。また、螺旋状羽根４は、鋼管２の周方向に、少なくとも１周分設けるのが好ましい。

本発明の鋼管杭を施工する場合、鋼管杭そのものを、チャックおよびカウンターウエイトを備えた全旋回オールケーシング機により回転力および自重による貫入力を作用させて施工するようにしてもよい。また、図示を省略するが、鋼管２の上部に、ヤットコ用の係合部を設けて、そのヤットコ用係合部に公知のヤットコの下部を着脱可能に連結し、ヤットコを介して回転力および貫入力を伝達するようにしてもよい。特に、鋼管２の頭部を地表面７より深い位置に打ち下げる場合では、例えばヤットコを用いて施工を行うことが可能であるが、より効率的に掘削を行うために、螺旋状羽根４を鋼管頭部からＨ、あるいはＨ＋αより上部に取り付けることが好ましい。例えば鋼管を地表面より３ｍ深い位置に打ち下げる場合、螺旋状羽根の取付け位置は、鋼管頭部からＨ−３ｍ、あるいはＨ＋α−３ｍより上部に取り付けることが好ましい。また、鋼管杭の下端が開放されているので、鋼管杭内をアースオーガーにより排土しながら地盤に貫入するようにしてもよい。

図５に示した鋼管杭を図６に示した状態に施工したものを実施例として示す。鋼管杭１の本体の鋼管２は厚さ１２ｍｍ、外径８００ｍｍの鋼管である。この鋼管の先端には３０ｍｍ高さの掘削ビット３が等角度間隔をおいて４箇所取り付けられている。一方、この鋼管の上部には１２０ｍｍピッチで２巻きの螺旋状羽根４が溶接で取り付けられ、さらに螺旋状羽根４の外縁に厚さ２０ｍｍ、外径１２００ｍｍの外側鋼管１０の内側が溶接で取り付けられている。
このような鋼管杭１を、深さ２０ｍに軟岩の支持層５を有する地盤７に、支持層貫入深さ２４００ｍｍ、外部鋼管１０の埋設深さ４０００ｍｍになるように全旋回オールケーシング掘削機を用いて施工した。このときの中間層６を掘削していく速度は１回の回転あたり１２０ｍｍ超であり、螺旋状羽根４が鋼管杭の先端近くに設けられていたとする場合より早く貫入させることができた。また、先端が支持層５に貫入していく段階においても今度は螺旋状羽根４によって生じる推進力によって、１回の回転あたり１２０ｍｍの掘削していく速度で貫入させることができた。

本発明の第１参考実施形態の鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 本発明の第１参考実施形態の鋼管杭を施工している状態を示すものであって、杭先端部が支持層に近づいている状態を示す正面図である。 本発明の第１参考実施形態の鋼管杭を施工している状態を示すものであって、杭先端部が杭上部に設けられた螺旋羽根により推進力を利用して支持層に貫入している状態を示す正面図である。 杭上部の螺旋状羽根のピッチと杭先端部の掘削刃の枚数および寸法との関係を示す説明図であって、（ａ）は杭の正面図、（ｂ）はその下部を拡大して示す正面図、（ｃ）は杭が所定の角度回転した状態を示す正面図、（ｄ）掘削刃の部分を拡大して示す縦断正面図である。 本発明の第１実施形態の鋼管杭を示すものであって、（ａ）は一部縦断正面図、（ｂ）は（ａ）の平面図である。 本発明の第１実施形態の鋼管杭の先端部を支持層に貫入させるように地盤に貫入した状態を示す一部縦断正面図である。 従来の鋼管杭およびその鋼管杭を支持層に設置した状態を示す一部縦断正面図である。

符号の説明

１ 鋼管杭
２ 鋼管
３ 掘削ビット
４ 螺旋状羽根
５ 支持層
６ 中間層
７ 地表面
８ 刃先
９ 鋼管先端部の掘削刃（掘削ビット）の無い面
１０ 外側鋼管
１１ 地盤
１２ 羽根
１３ 鋼管杭

Claims (3)

1. 鋼管の先端に掘削刃を備えた鋼管杭において、前記鋼管杭の埋設部の上端から支持層に貫入する深さ及び土被り高さ分までの上部に、支持層よりも上部の中間層に埋設される螺旋状羽根が設けられ、かつ、前記螺旋状羽根は、鋼管杭先端部が支持層に所定の回転方向に回転しながら地中に貫入される際に鋼管杭を下方に押し下げる推進力を生じさせるための螺旋状羽根であり、鋼管杭本体を構成する鋼管の上部外側に、前記螺旋状羽根に固定された大径の外側鋼管が設けられて、前記螺旋状羽根が前記鋼管と前記外側鋼管とを接続しており、
   前記螺旋状羽根の外周縁部が外側鋼管の内周面に溶接により固定され、かつ、前記鋼管の前記螺旋状羽根を設けている部分は、外側鋼管内に螺旋状羽根の１ピッチ以上挿入された状態で配置されていることを特徴とする鋼管杭。
2. 鋼管杭上部に取付けた螺旋状羽根の１周当りのピッチを、杭先端部に設けられる掘削刃としての掘削ビットの本数と、前記掘削ビットの刃先の鋼管先端部からの突出長を乗じた長さ寸法以下としたことを特徴とする請求項１に記載の鋼管杭。
3. 請求項１又は２記載の鋼管杭を用いた鋼管杭の施工方法であって、鋼管杭先端部を支持層に貫入される際に、前記螺旋状羽根を地中に貫入して、前記鋼管杭を下方に押し下げる推進力を生じさせることを特徴とする鋼管杭の施工方法。

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