JP5817226B2

JP5817226B2 - 基礎杭群

Info

Publication number: JP5817226B2
Application number: JP2011127548A
Authority: JP
Inventors: 林　正宏; 正宏林
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2031-06-07
Also published as: WO2011155619A1; TW201204901A; JP2012017648A

Description

本発明は基礎杭群、特に、所定の構造物を支持する複数の基礎杭からなる基礎杭群に関する。

従来、所定の構造物を支持する複数の基礎杭は、それぞれ配置される位置に応じて、要求される支持力が相違する場合がある。例えば、低層階を支持する基礎杭と高層階を支持する基礎杭では、後者に要求される支持力の方が大きくなる。
そのため、要求される全支持力に応じて、先端支持力を変更することができる基礎杭が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１０−２３７８６６号公報（第３−４頁、図１）特開平７−１１６３７号公報（第２−３頁、図１）

前記特許文献１に開示された発明は、先端に拡径自在な拡翼掘削刃を装備した掘削ロッドを用いて地盤に掘削孔を形成するものであって、所定の深さにおいて拡翼掘削刃を拡げて回転し、拡げられた拡翼掘削刃の径と同じ程度の大きさの球根部を形成し、さらに、球根部にセメントミルクを注入して拡大根固め球根を形成すると共に、掘削孔にコンクリート杭を沈設するものである。
したがって、一方の基礎杭と他方の基礎杭とで要求される全支持力が相違する場合、それぞれに形成される拡大根固め球根の外径を相違させる必要がある。すなわち、拡翼掘削刃や施工機械を複数種類用意する必要が生じると共に、基礎杭毎に拡翼掘削刃の拡径量をいちいち制御するという煩雑な作業が必要になっていた。このため、施工コストが上昇するという問題があった。また、拡翼掘削刃の拡径量の設定を誤って、要求された全支持力を支持することができない基礎杭ができるリスクがあるという問題があった。

また、前記特許文献２に開示された発明は、杭本体の先端部の外周面にラセン翼が固設されたもの（以下、「回転貫入鋼管杭」または「ねじ込み杭」と称す。）であって、ラセン翼の外径は杭本体の１．５〜３．０倍程度が好ましいとされている。そして、一方の基礎杭と他方の基礎杭とで要求される全支持力が相違する場合、それぞれに固設されるラセン翼の外径を相違させる必要がある。
すなわち、一方の基礎杭と他方の基礎杭とで、ラセン翼の外径が相違するため、複数種類の基礎杭を用意する必要が生じると共に、この基礎杭を指定された位置にねじ込むために、資材管理や施工手順が煩雑になっていた。また、ラセン翼の外径の大小によって、施工の際（地盤にねじ込む際）に発生するトルクが相違するため、該トルクの大きさに応じた施工機械を用意する必要があり、施工が煩雑になっていた。よって、施工コストが上昇するという問題があった。

本発明は上記問題を解決するものであって、施工が容易で、要求された全支持力を確実に支持することができる基礎杭から構成される基礎杭群を提供することを目的とする。

（１）本発明に係る基礎杭群は、所定の構造物を支持する複数の基礎杭から形成された基礎杭群であって、
前記複数の基礎杭がそれぞれ、杭本体と、該杭本体の先端または先端近傍に固設された略螺旋状の翼とを具備し、
前記複数の基礎杭のうちの少なくとも１本の基礎杭の前記杭本体の外径が、前記複数の基礎杭のうちの前記少なくとも１本の基礎杭を除く基礎杭の前記杭本体の外径よりも小さく、
前記複数の基礎杭の全ての前記翼の外径がそれぞれ略同一であることを特徴とする。
（２）また、所定の構造物を支持する複数の基礎杭から形成された基礎杭群であって、
前記複数の基礎杭がそれぞれ、杭本体と、該杭本体の先端に形成された拡大根固め球根とを具備し、
前記複数の基礎杭のうちの少なくとも１本の基礎杭の前記杭本体の外径が、前記複数の基礎杭のうちの前記少なくとも１本の基礎杭を除く基礎杭の前記杭本体の外径よりも小さく、
前記複数の基礎杭の全ての前記拡大根固め球根の外径がそれぞれ略同一であることを特徴とする。
（３）また、前記複数の基礎杭のそれぞれに要求される全支持力に応じて、前記杭本体それぞれの外径または肉厚の一方または両方が決定されることを特徴とする。
（４）また、前記複数の基礎杭のそれぞれに要求される全支持力に応じて、前記杭本体のそれぞれを形成する材料の強度が決定されることを特徴とする。
（５）前記杭本体が、鋼管またはコンクリートであることを特徴とする。

（ｉ）本発明に係る基礎杭群は、所定の構造物を支持する複数の基礎杭については、それぞれの翼（ラセン翼）の外径を略同一にしているため、施工資材の均一化を図ることができ、設置位置を誤る等の施工ミスが無くなる。また、施工（地盤へのねじ込み）の際のねじ込みトルクが略一定になることから、複数種類の施工機械が不要となり、施工機械の運用が容易になる。さらに、基礎杭ごとの施工条件が均一化されるため、施工が容易かつ安定し、施工が迅速になる。よって、施工コストの低減を図ることができる。
（ｉｉ）また、拡大根固め球根の外径がそれぞれ略同一であるため、複数種類の拡翼掘削刃や施工機械を用意する必要がなくなり、施工資材の管理や、施工機械の調達・運用が容易になる。また、基礎杭毎に拡翼掘削刃の拡径量をいちいち制御することが不要になるから、施工が容易になると共に、施工が安定し、迅速になる。よって、施工コストの低減を図ることができる。さらに、基礎杭ごとで拡翼掘削刃の拡径量の設定を誤ることが無くなるから、基礎杭の信頼性が向上する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る基礎杭群の全体を模式的に示す側面図である。図２は、図１に示す基礎杭群を形成する鋼管杭のその他の例を模式的に示す側面図である。図３は、本発明の実施の形態２に係る基礎杭群の全体を模式的に示す側面図である。

［実施の形態１：ねじ込み杭］
図１および図２は本発明の実施の形態１に係る基礎杭群を説明するものであって、図１は全体を模式的に示す側面図、図２は一部（鋼管杭）のその他の例を模式的に示す側面図である。
図１において、基礎杭群１０は複数の基礎杭１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄから構成され、地盤９０に設置され、構造物８０を支持している。基礎杭１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄはそれぞれ、鋼管（杭本体に同じ）２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄと、鋼管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄの先端または先端近傍に固設された略螺旋状のラセン翼３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄとを具備している。そして、ラセン翼３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの外径が略同一に形成されている。
なお、各部材のそれぞれについて又は各部材をまとめて、同様の内容については符号の添え字「ａ、ｂ、ｃ、ｄ」の記載を省略して説明する場合がある。
また、説明の便宜上、４本の基礎杭１からなる基礎杭群１０を示しているが、本発明は基礎杭の本数を限定するものではない。

（ラセン翼の外径）
基礎杭１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに要求される先端支持力がＱａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄであって、Ｑａが最も大きい場合、ラセン翼３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの外径（いずれも略同一）は、最も大きい先端支持力Ｑａを支持することができる外径になっている。
なお、ラセン翼の板厚は、先端支持力の大きさに応じて増減させ、合理的な仕様にすることができる（例えば、１０００ｋＮの先端支持力に対しては板厚を４０ｍｍにし、５００ｋＮの先端支持力に対しては板厚を２０ｍｍにする等）。
一方、鋼管２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄは、最も大きい先端支持力Ｑａを支持することができる材質、外径および肉厚（鋼管２とラセン翼３が略同一）を有していてもよいし、先端支持力がＱａ、Ｑｂ、Ｑｃ、Ｑｄのそれぞれを支持することができる材質、外径および肉厚（鋼管２は相違するが、ラセン翼３が略同一）を有していてもよい。
例えば、σａおよびσｄ、ＤａおよびＤｄ、ｔａおよびｔｄを、それぞれ、鋼管２ａおよび鋼管２ｄの許容応力（設計応力）、外径、肉厚とする。「Ｑａ＝σａ・π・ｔａ・（Ｄａ−ｔａ）」、「Ｑｄ＝σｄ・π・ｔｄ・（Ｄｄ−ｔｄ）」である。σａ＝σｄ、ｔａ＝ｔｄで、「Ｑａ＞Ｑｄ」と仮定したとき、「Ｄａ＞Ｄｄ」となるので、鋼管２ｄの外径Ｄｄを鋼管２ａの外径Ｄａよりも小さくしてよい。

なお、本発明は、ラセン翼３の形態を限定するものではない。例えば、鋼管２の側面に設置された１巻以上の１条または多条のラセン面や、円周方向で均等に設置された１巻未満の１条または多条のラセン面を有していてもよい。また、鋼管２の先端に形成された一対のレ字状の切欠部に設置された略半円板であって、それぞれが２条のラセン面の一部を近似的に形成するものであってもよい。

ところで、従来の多くの現場では、ねじ込み杭は、杭径が変わっても、ラセン翼の外径（以下、「翼径」と称す場合がある。）はある一つの倍率（１．５から３．０倍までの任意の値）で構成されることが多いため、翼径は杭本体の外径毎に異なる。ねじ込み杭の施工は、ラセン翼の抵抗でトルクが略決まる。このため、いろいろな翼径にすると、一番大きな翼径において発生するトルクに応じた施工機械が必要になる。
大きな出力を持つ施工機械で小さな翼径の杭を施工すると、力（トルク）の制御ができず、所定の深さよりもより深く、支持層へ貫入してしまうことがある。また、施工管理では支持層位置の検出に利用されるトルク値の変化を、あまり見ることができず、精度の良い施工管理ができない等の問題が生じる。
したがって、翼径を同じにすることによって、同一地盤の現場においては、略同じトルクで施工することができ、施工機械も適切な能力のものを選定することができる。よって、施工コストを低減することができる。

（鋼管の材質）
一般に、ねじ込み杭の支持力性能として、ラセン翼（先端拡底型の杭）が分担する支持力（本発明において「先端支持力」と称す。）は、全支持力の大半を占め、鋼管部が分担する支持力（本発明において「周面支持力」または「周面摩擦力」と称す。）は、比較的小さい。このため、鋼管の外径を変化させても全支持力は殆ど変化しない。したがって、本発明において、全支持力と先端支持力とは略同一としている。
一方、回転させながら地盤にねじ込むねじ込み杭においては、鋼管の外径が大きい場合、地盤との摺動面積が大きく、かつ、トルクアームが長い場合、回転に要するトルクが大きくなる。このため、施工速度が遅くなったり、施工機械が大型（大出力）になったりして、施工性が悪化していた。すなわち、反対に、鋼管の外径を小さくした場合、回転に要するトルクが抑えられ、施工性が向上するというメリットが得られる。

しかしながら、従来の杭基礎は、ねじ込み杭（鋼管杭）であれば杭本体（鋼管部）を、ＳＴＫ４００、ＳＫＫ４００（引張強さが４００Ｎ／ｍｍ²）や、ＳＴＫ４９０、ＳＫＫ４９０（引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ²）などの材料が用いられ、所定の断面積（要求される先端支持力（鉛直荷重）が負荷された際に鋼管に生じる軸方向応力が所定応力度以内に抑える最少断面積）を確保するために、設計においては杭径を変えずに板厚を変化させる設計がされていた。
そこで、鋼管の外径を小さくした場合を以下に検討する。例えば、鋼管の外径が１０００ｍｍで肉厚が１６ｍｍのＳＫＫ４９０（引張強さが４９０Ｎ／ｍｍ²）の外径を、６００ｍｍに縮小した場合、同一断面積を確保するには、２８ｍｍの肉厚が必要となる。そうすると、鋼管の製造コストが高くなったり、鋼管同士を接合する現場溶接における溶接時間が長くなったりして、コスト面で鋼管の外径を変えるメリットが無くなる。
よって、以上のような理由により、従来の材料を用いる場合では、わざわざ鋼管の外径を変えるようなことはしていなかった。

（鋼管を高強度にした場合）
一方、本発明においては、鋼管２の材質を変更している。すなわち、高強度の鋼管を用いることによって、断面積（特に、外径）を小さくしても先端支持力を支持することができるようにしている。
例えば、外径が８００ｍｍで、肉厚が１２ｍｍで、降伏強度が３２５Ｎ／ｍｍ²（従来のＳＫＫ４９０材に相当する）の鋼管を、降伏強度が４８５Ｎ／ｍｍ²（降伏強度が約１．５倍に上昇）の鋼管に変更した場合、同じ軸力に対して外径を６００ｍｍで、肉厚を１１ｍｍにすることが可能になる。そうすると、施工の際の周面のトルクが小さく抑えられ、施工機械を小型にすることができる。

すなわち、外径が８００ｍｍの場合は「全周回転機」が必要で、施工装置が大がかりで、施工性があまり良くなかったのに対し、外径を６００ｍｍにすると、「３点式杭打ち機」による施工が可能になり、施工性が格段に向上する。また、高強度の鋼管は、許容トルクも大きくなるため、施工時のトルク制限も緩和され、施工速度の向上が期待できる。
なお、鋼管の強度は、引張強度で５００〜１０００Ｎ／ｍｍ²程度で、降伏強度で３２５〜７００Ｎ／ｍｍ²程度が好ましい。あまり強度が高いと、鋼管の製造費が高くなったり、現場溶接性が悪くなったりして、必ずしも施工のトータルコスト低減にならないため、注意が必要である。

（鋼管のその他の例）
図２において、基礎杭３０は、基礎杭１のその他の例であって、互いに接合された上杭３１と、中杭３２と、下杭３３と、下杭３３に固設されたラセン翼３４と、を具備している。ラセン翼３４は、下杭３３の先端に形成された略レ字状の切欠部に設置された一対の略半円板であって、側面視において、それぞれ相違する方向に傾斜し、下杭３３の軸方向から見た場合、実際は一対の略半円板であって互いに離れてはいるものの、略円盤として視認される。
このとき、上杭３１と中杭３２と下杭３３とを同じ材料強度（何れも、高強度の鋼管）にしてもよい。また、上杭３１および中杭３２を高強度の鋼管杭に、下杭３３は普通強度の鋼管（従来の鋼管）にして、座屈が生じないように肉厚を大きくすることもできる。さらに、杭頭部で剛性が必要な場合などでは、上杭３１を普通強度の鋼管（従来の鋼管）にして、中杭３２および下杭３３を高強度の鋼管材とすることもできる。あるいは、下杭３３や中杭３２を「ＰＨＣ杭」等にすることもできる。

［実施の形態２：先端根固め杭］
図３は本発明の実施の形態２に係る基礎杭群の全体を模式的に示す側面図である。
図３において、基礎杭群２０は複数の基礎杭４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄから構成され、地盤９０に設置され、構造物８０を支持している。基礎杭４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄはそれぞれ、杭本体５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと、杭本体５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの先端部に形成された根固め球根６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとを具備している。そして、根固め球根６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの外径が略同一に形成されている。

なお、各部材のそれぞれについて又は各部材をまとめて、同様の内容については符号の添え字「ａ、ｂ、ｃ、ｄ」の記載を省略して説明する場合がある。
また、説明の便宜上、４本の基礎杭４からなる基礎杭群２０を示しているが、本発明は基礎杭の本数を限定するものではない。
本発明は、根固め球根６の形状、掘削ビットの形状や拡径機構等を限定するものではない。また、施工方法を限定するものではなく、中堀工法やプレボーリング工法等何れの方法であってもよい。

（中堀工法）
中堀工法で杭本体の外径（以下「杭径」と称す。）が変わる場合、杭本体５の周面部の掘削において、最大杭径に合わせてすべて同一径で拡大掘削するようにしてもよい。あるいは、杭径とほぼ同一径で掘削できるように掘削ビットを改良してもよい。
このとき、周面部の掘削時に、水や泥水を注入したり、あるいは、貧配合のセメントミルクを注入したりしてもよいが、杭本体５の周囲を過剰に拡大堀りすると、周面摩擦力が低下してしまう恐れがあるので、載荷試験などで確認してから用いるほうがよい。
一方、周面部の掘削時に、セメントミルクを周面部に充填してソイルセメントとする場合は、杭本体５からソイルセメント、そして地盤９０へと荷重がスムーズに伝達されるため、拡大掘りしても問題とならない。

根固め球根６を作成する位置に到達したときは、機械式あるいは油圧式で拡大ビットを開き、富配合のセメントミルクを注入して、支持層地盤を掘削撹拌して、根固め球根６を造成する。
機械式では掘削時とは反対の方向に回転してビットを拡径する。すなわち、径方向の外側に張り出す。また、油圧式では油圧でビットを拡径する。このとき、ビットが拡大したことを無線や有線、振動などで地上に伝達し、根固め球根６が確実に造成できたことを確認する手段を用いたほうがよい。
そして、所定の根固め球根６が造成されたら、機械式では正回転してビットを折りたたみ、油圧式では油圧によりビットを縮径し、地上に引き上げる。最後に杭本体５を根固め球根６内に設置し、終了となる。

（プレボーリング工法）
プレボーリング工法では、杭本体５の外径に応じて、杭本体５の周面部を掘削することができるビットを用意する。最大杭径に合わせてすべて同一径で掘削してもよい。ただし、小さい杭径のものは掘削径も小さくしたほうが、施工スピードが向上し、セメントミルクの注入量、掘削排土量が減少するため、施工コストの削減を期待することができる。
根固め球根６の造成は、中堀り工法と同様で、機械式あるいは油圧式で拡縮するビットを用意する。根固め球根６を造成した後、ビットを引き上げる。ビットを引き上げる際に、セメントミルクを注入しながら引き上げてもよい。ビットの回収後、杭本体５をソイルセメント内に建て込み、所定の深度まで沈設し、終了となる。

基礎杭群２０では、杭本体５それぞれの根固め球根６の外径が略同一になっている。したがって、施工現場において、先端根固め球根６の外径の種類が少ないため、掘削ビットを多数用意する必要が無くなる。根固め球根６の外径を固定しているから、１つの施工機械で掘削することが可能となり、施工コストの低減が図られている。
また、根固め球根６の外径が同一であるため、特定の施工位置（立設位置）に設置されるべき基礎杭４の根固め球根６の外径を間違えるような施工ミスが起こらないなど、施工におけるリスクの低減を図ることもできる。
なお、杭本体５は鋼管に限らず、「ＳＣ杭」や「ＰＨＣ杭」等の既製杭であってもよい。このとき、杭本体５を形成する材料の許容応力や外径（中空体の場合は外径および肉厚）は、実施の形態１に準じて、何れの杭本体も略同一に、またはそれぞれに要求される先端支持力の大きさに応じて決定されるものである。
杭本体５と根固め球根６とは、一体となって先端支持力を発揮するので、杭本体５の内面や外面には突起等を設けて付着力を大きくすることが望ましい。

（杭本体を高強度とした場合）
杭本体として、従来より高強度の鋼管を用いて、根固め球根６の外径を同一にして同じ先端支持力を支持するためには、従来の普通強度の鋼管より外径を小さくすることができる。外径が小さくなれば、杭の取り扱いも容易となる。
高強度鋼管による杭本体にした場合、根固め倍率が、従来の普通強度の鋼管より大きくなるが、杭径が小さくなることにより、杭本体５の周面部の掘削量が減少するから、施工速度が上がり、注入するセメント量および排出土量も減って、施工コストの低減を図ることができる。
また、鋼管の外径が小さくなる場合は、鋼管と根固め球根６との付着力を増強させるために、大きな突起等を設けるようにする。

本発明によれば、施工が容易で、要求された全支持力を確実に支持することができるから、各種構造物を支持する基礎杭群として広く利用することができる。

１基礎杭
２鋼管
３ラセン翼
４基礎杭
５杭本体
６根固め球根
１０基礎杭群(実施の形態１)
２０基礎杭群(実施の形態２)
３０基礎杭
３１上杭
３２中杭
３３下杭
３４ラセン翼
８０構造物
９０地盤

Claims

所定の構造物を支持する複数の基礎杭から形成された基礎杭群であって、
前記複数の基礎杭がそれぞれ、杭本体と、該杭本体の先端または先端近傍に固設された略螺旋状の翼とを具備し、
前記複数の基礎杭のうちの少なくとも１本の基礎杭の前記杭本体の外径が、前記複数の基礎杭のうちの前記少なくとも１本の基礎杭を除く基礎杭の前記杭本体の外径よりも小さく、
前記複数の基礎杭の全ての前記翼の外径がそれぞれ略同一であることを特徴とする基礎杭群。
所定の構造物を支持する複数の基礎杭から形成された基礎杭群であって、
前記複数の基礎杭がそれぞれ、杭本体と、該杭本体の先端に形成された拡大根固め球根とを具備し、
前記複数の基礎杭のうちの少なくとも１本の基礎杭の前記杭本体の外径が、前記複数の基礎杭のうちの前記少なくとも１本の基礎杭を除く基礎杭の前記杭本体の外径よりも小さく、
前記複数の基礎杭の全ての前記拡大根固め球根の外径がそれぞれ略同一であることを特徴とする基礎杭群。
前記複数の基礎杭のそれぞれに要求される全支持力に応じて、前記杭本体それぞれの外径または肉厚の一方または両方が決定されることを特徴とする請求項１または２記載の基礎杭群。
前記複数の基礎杭のそれぞれに要求される全支持力に応じて、前記杭本体のそれぞれを形成する材料の強度が決定されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の基礎杭群。
前記杭本体が、鋼管またはコンクリートであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の基礎杭群。