JP5177066B2

JP5177066B2 - 鋼管杭及びその施工方法

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Publication number: JP5177066B2
Application number: JP2009095733A
Authority: JP
Inventors: 俊介森安; 優任高木; 吉郎石濱; 健二西海; 正人辻井; 宗一上田; 吉高松谷; 将友村益
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-04-10
Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2029-04-10
Also published as: JP2010242466A

Description

本発明は、港湾構造物あるいは橋梁基礎や建物の基礎等、土木・建築分野において使用される鋼管杭とその施工方法に関する。

従来、杭外周面の摩擦力を期待する摩擦杭であって、杭の周面摩擦力を高める手段として、杭の先端部外周面をテーパー状外周面とすること、または杭全長の外周面をテーパー状外周面とすることは知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、テーパー状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表層部を締め固めて液状化防止を図るようにすることも知られている（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ことも知られている（例えば、特許文献４参照）。

また、杭の先端部に、円錐状のコーンを設けて先端が閉塞した閉端杭とすると共に、テーパー状外周面とする形態も知られている（例えば、特許文献５参照）。

前記従来のテーパー状杭は、杭周面での高い摩擦力を獲得することを目的としており、杭先端支持力の獲得や杭施工時における抵抗となる先端閉塞を低減することを目的とする技術ではない。

なお、場所打ち鉄筋コンクリート杭や既成コンクリート杭を埋設するために、先端側をテーパー状外周面およびテーパー状内周面としたケーシングを用いることも知られている（例えば、特許文献６、７）。

前記従来のテーパー状外周面およびテーパー状内周面としたケーシングは、杭周面摩擦力を大きくして杭の垂直荷重支持力を増大するとともに、掘削残土を低減することを目的としており、杭先端支持力の獲得や、杭施工時における抵抗となる先端閉塞を低減することを目的とする技術ではない。

ところで、鋼管杭には、その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があり、本発明は、開端杭に属する。
また、鋼管杭には、支持層まで打ち込まないで周面摩擦力を主に発揮させて支持力を期待する摩擦杭と、支持層に打ち込んで杭先端部での支持力を主に発揮させて支持力を期待する支持杭とがあり、本発明は、支持杭に属する。

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打設工法のうち打撃工法や振動工法など、鋼管杭に直接荷重をかけて打設する工法の場合、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。
前記の地盤抵抗は、一般的に鋼管杭の打設深度の増加に伴い大きくなり、開端杭を地盤に貫入させる場合、地盤抵抗のなかでも、図１０（ａ）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が鋼管杭内に堆積し、鋼管杭内に取り込まれた土は鋼管杭によって拘束された状態となるため、鋼管杭内周面１２と鋼管杭内に取り込まれた土との摩擦力が高まり、この管内周面抵抗が卓越することが知られている。
そのため、これまで杭打ち機の能力を増強したり、管内周面抵抗を軽減する目的で、鋼管杭内側に配管を設置して水噴射や圧窄空気を噴射したり、アースオーガーやハンマグラフにより管内の排土をしたり、杭先端内に管内リングを付ける等の杭先端形状加工を施すといった各種の打設補助策が提案されてきた。
これら対応策は、鋼管杭の打設を補助する一方で、鋼管杭の製作コストの増大や杭施工工期の長期化の要因になっている。そのため、鋼管杭の製作コストの低減および施工コストの低減と共に、鋼管杭に打設補助策を付与する場合でも、安価に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鋼管杭としては、杭全長をテーパー状外周面とテーパー状内周面を備えたテーパー状杭にし、杭支持力を高めるようにすることが知られている。杭の周面摩擦力を期待する杭では軟弱地盤に貫入させるため、前記のような極端に先細なテーパー状杭にすることも考えられるが、支持層に貫入させて杭先端部の支持力を期待する杭では、振動工法により支持層に杭先端部を貫入させる必要があり、振動工法により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、杭全長をテーパー状にするには、加工設備も大型化し、加工コストが格段に高くなり、経済的でなくなる。

そのため、従来、振動工法に用いる鋼管杭としては、図１２に示すような全長に渡って外径が一定の先端が開口されている鋼管杭（ストレートな鋼管杭）１０は知られている。しかし、鋼管杭の先端部をテーパー状とした杭先端が開口されている鋼管杭とすることは、前記の理由で用いられていない。

杭先端が開口されている開端杭において、杭先端部をテーパー状、すなわち、テーパー状外周面およびテーパー状内周面の杭先端部にした場合の利点として、下記（１）〜（２）のことが考えられる。
（１）鋼管杭先端部をテーパー状とすることで、管内に取り込む土の量が低減でき、これにより土の密度上昇が抑制され、鋼管杭の打設抵抗の主な要因である、管内に取り込まれた土と鋼管杭の内周面で発揮される管内周面抵抗を軽減できる。
（２）鋼管杭先端部をテーパー状とすることで、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り、獲得できる杭先端支持力を大きくすることができる。

また、本発明者は、杭先端部をテーパー状とした鋼管杭が利用可能であることを見出し、しかもこのような杭先端部をテーパー状とした鋼管杭を振動工法により打設して、地盤抵抗が軽減されて施工性が向上することを見出し、本発明を完成させた。
また、前記の知見に加えて、本発明者は、前記の杭先端部の縮径する比率と、杭先端部に設けるテーパー状部分の杭外径に対する杭長手方向の長さの比率との、杭先端部の受ける地盤抵抗について、実験した結果、前記の杭先端部の縮径する比率と、杭先端部のテーパー状部分の杭外径に対する杭長手方向の長さの比率との、２つのパラメータによって鋼管杭先端部の受ける地盤抵抗が決定されることの知見を得ると共に、これらが所定の範囲
において、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、本発明を完成させた。

本発明は、杭先端支持力の獲得ができ、杭施工時の抵抗を低減することが可能で、振動工法により用いることが可能な鋼管杭およびその施工方法を提供することを目的とする。

第１発明の鋼管杭は、振動工法により打設される鋼管杭でその先端が開端されている中空の鋼管杭において、鋼管杭の先端部の外周面および内周面は、それぞれ、先端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およびテーパー状内周面とされ、テーパー状外周面およびテーパー状内周面を設けるテーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．１２〜１．１７とされ、テーパー状部分先端の外径（Ｄ２）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．７７〜０．９７の範囲とされていることを特徴とする。
第２発明の鋼管杭は、第１発明の鋼管杭において、テーパー状部分先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたことを特徴とする。
第３発明の鋼管杭は、第１発明の鋼管杭において、テーパー状部分先端に掘削ビットを設けたことを特徴とする。
第４発明の鋼管杭の施工方法は、第１発明〜第３発明の何れか１の鋼管杭を、鋼管杭に振動を与える振動工法によって地盤に打設することを特徴とする。
第５発明の鋼管杭の施工方法は、第４発明の鋼管杭の施工方法において、鋼管杭先端部のテーパー状外周面に水を噴射することを特徴とする。

第１発明によると、振動工法により打設される鋼管杭でその先端が開端されている中空の鋼管杭において、鋼管杭の先端部の外周面および内周面は、それぞれ、先端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およびテーパー状内周面とされているので、振動工法において用いることが可能な鋼管杭を提供することができるばかりでなく、杭先端支持力の獲得ができて杭支持力を高めることができ、しかも杭施工時の抵抗を低減できる効果が得られる。また、テーパー状外周面およびテーパー状内周面を設けるテーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．１２〜１．１７とされ、テーパー状部分先端の外径（Ｄ２）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率で表した場合に、０．７７〜０．９７の範囲とされているので、第１発明の効果に加えて、杭施工機械を小型化できる効果が得られる。
第２発明によると、テーパー状部分先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたので、地盤が硬質であっても、振動工法において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる効果が得られる。
第３発明によると、テーパー状部分先端に掘削ビットを設けたので、地盤が硬質であっても、振動工法において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる効果が得られる。
第４発明によると、第１発明〜第３発明の何れかに記載の鋼管杭を、鋼管杭に振動を与える振動工法によって地盤に打設するので、先端部にテーパー状部分を有する鋼管杭でも、施工性よく施工することができ、確実な支持力を有する基礎杭を施工性よく、低コストで施工することができる効果が得られる。
第５発明によると、テーパー状部分先端のテーパー状外周面に水を噴射するので、鋼管杭外周面と地盤との摩擦を低減して施工することができ、施工性が向上する効果が得られる。

本発明の第１実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）はａ−ａ断面の矢視図、（ｄ）は（ｂ）におけるｂ−ｂ矢視図である。本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭および比較例の鋼管杭について振動工法により地盤に貫入させた場合に消費パワーの比較試験を行った説明図であり、（ａ）は振動打設装置により鋼管杭を試験地盤（土槽）に打設している状態を示す一部縦断正面図、（ｂ）は本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭におけるテーパー状部分に対する圧力計の配置状態を示す縦断正面図、（ｃ）は比較例の鋼管杭を示す縦断正面図である。縮径率を０．９に一定にした場合に、テーパー状部分の杭外径に対する杭長手方向の長さの比率と、ストレート鋼管杭の消費パワーを１とした場合の先端テーパー状部分付きの鋼管杭の消費パワーの消費パワー比率を示すグラフである。テーパー状部分の杭外径に対する杭長手方向の長さの比率（Ｈ１／Ｄ１）を０．２５と一定にした場合に、縮径率と、ストレート鋼管杭の消費パワーを１とした場合の先端テーパー状部分付きの鋼管杭の消費パワーの消費パワー比率を示すグラフである。ストレート鋼管杭と各種テーパー部の先端テーパー状部分付きの鋼管杭の限界貫入深さと消費パワーとの関係を示すグラフである。比較例のストレート鋼管杭と、テーパー状部分の杭外径に対する杭長手方向の長さの比率（Ｈ１／Ｄ１）および縮径率を所定の値に設定した場合の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１とを振動工法により試験地盤に打設した場合の抵抗圧を示すグラフである。表２に示す試験体ＮＯ．１〜ＮＯ．５の各種の先端テーパー状部分付きの鋼管杭についての、テーパー状部分の杭長手方向の長さＨ１と杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）と、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）との関係を示すグラフである。本発明の第２実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、テーパー状部分の先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けた形態の鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）はｃ−ｃ断面図、（ｄ）は底面図である。本発明の第３実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、テーパー状部分の先端に、掘削ビットを設けた形態の鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）はｄ−ｄ断面図、（ｄ）は底面図である。（ａ）および（ｂ）は、ストレート鋼管杭または先端テーパー状部分付きの鋼管杭を地盤に貫入させた場合に、地盤抵抗との関係を示す説明図である。本発明の他の実施形態を示すものであって、鋼管杭先端部のテーパー状外周面に水を噴射するために、鋼管杭の外周面に縦向きに、先端にノズルを有する高圧ホースまたは給水管を設置した形態である。比較例としてのストレート鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）縦断正面図、（ｃ）横断平面図である。

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（ａ）〜（ｄ）には、本発明の第１実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１が示されている。

本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、振動工法により打設される鋼管杭でその先端が開端されている鋼管杭であり、その先端部の外周面および内周面には、それぞれ、先端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。

前記のテーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の断面形態としては、杭長手方向の片側の断面形態として、外側および内側が、図示のように直線状であってもよく、図示を省略するが、曲線状であってもよい。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態としては、杭中心軸上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）でも、杭中心軸上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としては、杭長手方向に漸次段状に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であってもよいが、前記のように、直線状または曲線状であるほうが、安価に製作でき、また杭長手方向に連続した断面となるので、望ましい。

この第１実施形態では、前記のテーパー状外周面２（テーパー状部分４）の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）は、０．１２〜１．１７とされ、同様にその内側のテーパー状内周面３（テーパー状部分４）の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）は、０．１２〜１．１７とされ、しかも、テーパー状部分先端の外径Ｄ２と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率である縮径率（Ｄ２／Ｄ１）で表した場合に、０．７７〜０．９７の範囲の外径Ｄ２に縮径されている。前記の縮径率（Ｄ２／Ｄ１）は、テーパー状部分先端の縮径率である。なお、本発明では、前記のテーパー状部分４の杭長手方向（杭軸方向と同じ）の長さＨ１と、テーパー状部分４先端の外径Ｄ２と、外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１と、テーパー角θとの間には、θ＝tan（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｈ１の関係がある。
なお、Ｈ１／Ｄ１を０．１２〜１．１７に、Ｄ２／Ｄ１を０．７７〜０．９７に変化させた際のテーパー角θは、０．７〜４３°に相当する。

前記のように、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３（テーパー状部分４）の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）を０．１２〜１．１７と設定した理由、およびテーパー状部分先端の杭外径Ｄ２と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率である縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を、０．７７〜０．９７の範囲とした理由について、図２から図７を参照して説明する。

図２には、１／１０に縮小した模型を用いて、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１および比較例の鋼管全長に渡ってストレートな鋼管杭１０について、振動工法により地盤に貫入させた場合に消費パワーの比較試験を行った説明図が示されている。
図２（ａ）は、電動バイブロハンマー１３を備えた振動打設装置により鋼管杭を試験地盤（土槽）に打設している状態を示す一部縦断正面図であり、このような装置に、図２（ｂ）に示す本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１、および図２（ｃ）に示すストレートな鋼管杭１０をセットして、これらの鋼管杭について、試験地盤（土槽）に電動バイブロハンマー１３を用いた振動工法により打設して、比較試験を行った。

試験に用いた１／１０縮小模型の本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の寸法は、基端側の外径が一定の定常部の外径Ｄ１が７６ｍｍ、前記鋼管杭１の板厚ｔは、２．８ｍｍで、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３（テーパー状部分４）の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）は０．１２〜１．１７に設定する場合である。テーパー状部分４先端は、図示の例では、鋼管杭長さ方向の寸法は、前記のように、鋼管杭１の先端部から鋼管杭１の外径寸法Ｄ１以内に収まる形態である。
また、試験に用いた１／１０縮小模型の比較例のストレートな鋼管杭（図３では、ストレート杭と表記）１０の寸法は、外径Ｄ１が７６ｍｍで鋼管杭の板厚ｔ２．８ｍｍは前記と同様である。図２（ｂ）に示すように、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のテーパー状部分４内側に２箇所および先端部外側に１箇所、外径（Ｄ１）が一定となっている定常部（外径一定部）の内外に圧力計１４を設置して抵抗圧を計測した（なお、図６の抵抗圧は、先端部に位置する圧力計１４の抵抗圧の計測値である。）。

図３には、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１について、テーパー状部分４の先端の外径（Ｄ２）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の外径Ｄ１の比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率を、０．９に一定にした場合に、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３（テーパー状部分４）の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）を横軸にとり、ストレートな鋼管杭１０の消費パワーを１とした場合の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の消費パワーの消費パワー比率を縦軸にとったグラフが示されている。
現存する振動杭打ち機のパワー（ｋＷ）及び１ランク上位の振動杭打ち機とのパワー比率は、下記表１の通り（２４０ｋＷの振動杭打ち機のパワーに対し、２００ｋＷの振動杭打ち機のパワーは、パワー比で０．８３であり、２００ｋＷの振動杭打ち機のパワーに対し、１５０ｋＷの振動杭打ち機のパワーは、パワー比率で０．７５であり、以下同様）であることから、本発明では、パワー比率０．７５を臨界値と設定することにしている。

したがって、前記のようにパワー比率０．７５を臨界値と設定した場合、図３のグラフでは、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が、０．１２〜１．１７の範囲において消費パワー比を７５％以下にすることができ、施工機械を１ランクスペックダウンできることから、本発明では、テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３のテーパー部４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）を０．１２〜１．１７の範囲に設定した。また、鋼管杭を打ち込む深度が鋼管杭の直径の８倍以上４０倍未満に深く打ち込む場合（図３では、深いと表記した）には、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）を０．１５〜０．９にすると、消費パワー比を７５％以下にすることができることがわかる。
好ましい範囲として、前記パワー比を６０％（表１におけるパワー比を参照で、０．７５×０．８とした場合）程度に低減する場合には、鋼管杭の直径の８倍未満に浅く打ち込む場合において、図３のグラフからテーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．１５〜０．９の範囲であることがわかり、杭打ち機を２ランクスペックダウンした杭打ち機を用いて施工することが可能になることがわかる。
また、図３において、鋼管杭の直径の８倍以上４０倍未満に深く打ち込む場合には、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．１８〜０．５３の範囲において、消費パワー比を６０％以下にすることができ、杭打ち機を２ランクスペックダウンした杭打ち機を用いて施工することが可能になることがわかる。
また、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．３付近においては、浅く打ち込む場合では、消費パワー比で３０％に、深く打ち込む場合でも、消費パワー比で５０％に格段に低減することができることがわかる。

次に、図４には、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）を０．２５と一定にした場合に、縮径率を横軸にとり、ストレート鋼管杭の消費パワーを１とした場合の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の消費パワーの消費パワー比を縦軸にとったグラフが示されている。
前記のように、消費パワー費を７５％に低減（杭打ち機を１ランク小型化する場合）する場合には、図４のグラフから、前記のように杭径の８倍未満に浅く打つ場合には、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を、０．７７〜０．９７に、杭径の８倍以上４０倍未満に深く打つ場合には、０．７８〜０．９６に設定すれば、よいことがわかる。
また、消費パワー費を６０％に低減（杭打ち機を２ランク小型化する場合）する場合には、図４のグラフから、前記のように杭径の８倍未満に浅く打つ場合には、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を、ほぼ０．７８〜０．９６に、杭径の８倍以上４０倍未満に深く打つ場合には、０．８１〜０．９３に設定すればよいことがわかる。
また、杭径の８倍未満に浅く打つ場合には、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を０．９とすると、消費パワー比が４０％未満に、杭径の８倍以上４０倍未満に深く打つ場合でも、消費パワー比を５０％程度にできることがわかる。

前記の試験結果から、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、杭打ち機のパワーが同等であれば、先端が開端されたストレートな鋼管杭１０より深く打設でき、地盤抵抗を軽減する計測結果が得られ、有効性を立証できた。
また、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、そのテーパー状部分４の長手方向の長さによって、貫入性・地盤抵抗が異なり、緩やかなテーパーが好ましく、例えば、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）で０．２５で、縮径率が０．９程度の鋼管杭が最も望ましいことがわかる。

図５は、比較例としてのストレートな鋼管杭１０と、表２に示すＮＯ．１〜ＮＯ．４の各種テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の限界貫入深さ（Ｈ２）と消費パワー（Ｗ：ワット）との関係を示すグラフであり、試験体ＮＯ．３のテーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．２８で縮径率が０．９の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、他の杭試験体に比べて、同じ杭打ち機のパワーであれば、限界貫入深さを深くすることができることから、施工性が向上することがわかる。
杭試験体ＮＯ．１の先端部テーパー付き鋼管杭のように、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．５７で縮径率が０．８の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、杭打ち機で同じパワーであれば、限界貫入深さ（Ｈ２）を僅かに深くすることができることから、施工性が向上することがわかる。
杭試験体ＮＯ．２の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のように、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．２７で縮径率が０．８の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、杭打ち機で同じパワーであれば、パワーを高めるほど、他の杭に比べて限界貫入深さを急激に深くすることができることから、施工性が向上することがわかる。
杭試験体ＮＯ．４の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のように、テーパー状部分４の
杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．１４で縮径率が０．９０の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、杭打ち機で同じパワーであれば、パワーを高めるほど、ＮＯ．１の杭に近づき、施工性が向上することがわかる。

図６のグラフには、比較例のストレートな鋼管杭１０と、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）および縮径率を所定の値に設定した場合の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１とを振動工法により試験地盤に打設した場合の抵抗圧の関係が示されている。
図６において、左側に位置する縦２つの四角印で示すストレートな鋼管杭１０の場合には、テーパー状部分４がないから、その抵抗圧がほとんどなく管内周面抵抗が大きいことを示している。
また、中央の２つの四角印で示す縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．９で、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．２８の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の場合には、テーパー状部分４による抵抗圧および管内周面の抵抗圧が、ストレートな鋼管杭１０に比べて格段に低減していることを示している。
また、右側の２つの四角印で示す縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．８で、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．２７の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の場合には、管内周面の抵抗圧が格段に低減するので、テーパー状部分４による抵抗圧が高くなるが、ストレートな鋼管杭１０に比べてトータルの抵抗圧は小さくすることができることがわかる。

また、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）と縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を表２に示すような値に変化させた先端テーパー状部分付きの鋼管杭１について、試験した結果、表２に示すような結果を得た。なお、表２中の評価中で浅いラインとは浅く打つ場合、深いラインとは、深く打つ場合である。表２を図７にグラフに本発明において設定する限界値と共に示す。図７のハッチ部に示すように、本発明では、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ１と、杭外径Ｄ１の比率（Ｈ１／Ｄ１）で０．１２〜１．１７、縮径率で、０．７７〜０．９７の範囲の、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１とすることで、格段に杭打ち機のパワー（消費パワー）の低減および杭打ち機の小型化を図ることが可能となる。

図８（ａ）〜（ｄ）には、本発明の第２実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１が示されている。テーパー状部分４先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部５を設けるようにした形態である。

前記形態のように、テーパー状部分４先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部５を設けるようにすると、地盤が硬質であっても、振動工法において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる。

前記の掘削方向に向かって尖らせた尖り部５としては、掘進方向に向かって尖らせた尖り部５とすればよい。前記の場合に、杭周方向に尖らせた部分を備えていてもよい。

図９（ａ）〜（ｄ）には、本発明の第３実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１が示されている。
前記形態では、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の先端に掘削ビット６を設けた形態である。このように、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の先端に掘削ビット６を設けると、地盤が硬質であっても、振動工法において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる。

前記のように尖り部５または掘削ビット６を設ける場合に、尖り部５または掘削ビット６が、平面視で、テーパー状外周面２の外径Ｄ１より内側に位置するようにするようにしている。このように尖り部５または掘削ビット６の位置を設定すると、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の外周面側の地盤を極端に乱すことはなく、安定した周面摩擦力を期待することができる。そのため、尖り部５または掘削ビット６の位置は、テーパー状先端部の先端側、すなわち、半径方向で、テーパー状部分４、またはその半径方向内側に位置するようにするとよい。

図１１には、本発明の他の実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１が示されている。鋼管杭先端部のテーパー状外周面２に水を噴射するために、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の外周面に縦向きに、テーパー状部分４先端にノズル７を有する高圧ホースまたは給水管８を設置した形態である。このように、ノズル７からウォータージェットとして水を噴射することで、テーパー状外周面２と地盤との摩擦を低減あるいは外径Ｄ１が一定の杭外周面９と地盤との摩擦を低減することができる。そのため、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、図１２に示すようなストレートな鋼管杭１０を振動工法により地盤に打設する場合より、摩擦抵抗を小さくして施工することができる。また、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、鋼管内周面側に、先端にノズル７を有する高圧ホースまたは給水管８を設置する必要がない形態とされ、ストレートな鋼管杭１０の鋼管内周面側に、先端にノズル７を有する高圧ホースまたは給水管８を設置する場合に比べて、安価となる。

本発明の先端部にテーパー状部分４を有する鋼管杭を製作方法としては、１本の鋼管の先端部を、冷間曲げ成形によりテーパー状部分４を形成するように製作してもよく、また、冷間プレス成型によりテーパー状部分４を形成するように製作してもよく、あるいは扇状の帯鋼板を冷間曲げテーパー状に加工して両側縁部を溶接により接合して、大外径部が接続すべき鋼管とほぼ同じ外径のテーパー状の短管を製作し、そのテーパー状の短管の上端部を、１本の鋼管の先端部に溶接により固定して、テーパー状部分４を有する鋼管杭を製作してもよい。また、鋼管の先端部を塑性加工して鋼管先端部にテーパー状部分４を有する鋼管杭を製作してもよい。

前記のような本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を施工する場合には、従来と同様な施工機械で、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の頭部を電動バイブロハンマーや油圧バイブロハンマーに接続して振動を与える振動工法によって地盤に打設施工することができるが、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を振動工法により施工した場合では、従来の鋼管杭１０、すなわち、鋼管杭の外径Ｄ１およびその肉厚ｔが同じであるストレートな鋼管杭１０を振動工法により施工する場合の消費パワーに比べて、施工機械の消費パワーを低減することができるため、施工機械の能力の低い領域で施工したり、小型
の杭施工機械で施工することができ、経済的な施工が可能になる。

また、前記のような振動工法により、地盤に打設する場合に、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の高圧ホースまたは給水管８から先端部のテーパー状外周面に水を噴射することで、地盤との抵抗を一層低減することができる鋼管杭の施工方法により施工するようにしてもよい。

１先端テーパー状部分付きの鋼管杭
２テーパー状外周面
３テーパー状内周面
４テーパー状部分
５尖り部
６掘削ビット
７ノズル
８高圧ホースまたは給水管
９外径Ｄ１が一定の杭外周面
１０ストレートな鋼管杭
１１砂（または土）
１２鋼管杭内周面
１３電動バイブロハンマー
１４圧力計

Claims

振動工法により打設される鋼管杭でその先端が開端されている中空の鋼管杭において、
鋼管杭の先端部の外周面および内周面は、それぞれ、先端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およびテーパー状内周面とされ、
テーパー状外周面およびテーパー状内周面を設けるテーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．１２〜１．１７とされ、テーパー状部分先端の外径（Ｄ２）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．７７〜０．９７の範囲とされていることを特徴とする鋼管杭。
テーパー状部分先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の鋼管杭。
テーパー状部分先端に掘削ビットを設けたことを特徴とする請求項１に記載の
鋼管杭。
請求項１〜３の何れか１項に記載の鋼管杭を、鋼管杭に振動を与える振動工法によって地盤に打設することを特徴とする鋼管杭の施工方法。
鋼管杭先端部のテーパー状外周面に水を噴射することを特徴とする請求項４に記載の鋼管杭の施工方法。