JP6344244B2 - 鋼管杭及びその施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤内に埋め込まれる鋼管杭及び鋼管杭の施工方法に関する。

従来から、鋼管杭よりも拡径させた突起部や拡径体の支圧効果を利用して、鋼管杭の周囲の地盤等が締め固められることで、鋼管杭に高い支持力を発揮させることができるものとして、特許文献１、２に開示される鋼管杭が提案されている。

特許文献１に開示された鋼管杭は、掘削孔内に先端が閉塞した鋼管杭を建て込むとともに、鋼管杭の周囲に充填材を充填し、鋼管杭の内部に拡径装置を挿入して、鋼管杭を内部から拡径させて外周に突起部を形成することで、突起部によって充填材が締め固められるものである。

特許文献２に開示された鋼管杭は、地盤を掘削しながら掘削孔に鋼管杭を埋設するとともに掘削孔の一部に拡径部を形成して、拡径部に袋体を位置させた状態で袋体に流動体を導入、固化させて拡径体を形成することで、拡径体によって周囲の地盤が締め固められるものである。

特開２００５−８３１５１号公報 特開２０１１−１９６０２２号公報

しかし、特許文献１に開示された鋼管杭は、地盤内に建て込まれた鋼管杭の周囲に充填材を充填するとともに、鋼管杭の内部に挿入された拡径装置を拡径させて、鋼管杭の外周に突起部を形成する工程が必要となるため、工期が長期化するとともに施工コストが増大するおそれがあるという問題点があった。

特許文献２に開示された鋼管杭は、鋼管杭が埋設される掘削孔を形成して、さらに、鋼管杭よりも拡径させた拡径部を掘削孔の一部に形成するために、鋼管杭の周囲の地盤が掘削されることから、掘削前の地盤本来の強度が一旦弱められるものとなる。

特許文献２に開示された鋼管杭は、流動体を導入して袋体を拡径部で膨張させて、鋼管杭の周囲の地盤を締め固めることで、一旦弱められた地盤の強度を回復し得るものである。しかし、特許文献２に開示された鋼管杭は、一旦弱められた地盤の強度を十分に回復することが困難であるばかりでなく、再び地盤の強度を向上させるための工程が必要となることから、工期が長期化するとともに施工コストが増大するおそれがあるという問題点があった。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、地盤内における鋼管杭の先端支持力を向上させるとともに、地盤内に鋼管杭を埋め込むときの工期を短縮することのできる鋼管杭及びその施工方法を提供することにある。

第１発明に係る鋼管杭は、地盤内に埋め込まれる鋼管杭であって、管内空間が先端部に形成される杭本体と、前記先端部に設けられる膨張部とを備え、前記膨張部は、閉空間が内部に形成される袋状体が前記先端部の管内周面に取り付けられて、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記袋状体が膨張するものであることを特徴とする。

第２発明に係る鋼管杭は、第１発明において、前記膨張部は、前記杭本体の杭頭部から前記閉空間まで連続させて設けられる注入用配管を通じて、前記閉空間に流動性固化剤又は水を充填することで、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記袋状体が膨張するものであることを特徴とする。

第３発明に係る鋼管杭は、第１発明又は第２発明において、前記膨張部は、前記杭本体の杭頭部から前記閉空間まで連続させて設けられる注入用配管を通じて、前記閉空間に水を充填することで、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記袋状体が膨張するものであるとともに、前記閉空間から前記杭本体の杭頭部まで連続させて設けられる排出用配管を通じて、前記閉空間に充填された水を排出させながら、前記注入用配管を通じて、前記閉空間に流動性固化剤が充填されるものであることを特徴とする。

第４発明に係る鋼管杭は、第１発明〜第３発明の何れかにおいて、前記袋状体は、前記先端部の管内空間で軸芯方向の上端部から下端部まで延びて設けられて、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記袋状体が膨張するときの突出高さが、前記下端部側より前記上端部側で大きいものとなることを特徴とする。

第５発明に係る鋼管杭は、第１発明〜第４発明の何れかにおいて、前記袋状体は、前記先端部の管内周面に軸芯方向の２段以上に亘って取り付けられて、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、各々の前記袋状体が膨張するときの突出高さが、軸芯方向の下段側より上段側で大きいものとなることを特徴とする。

第６発明に係る鋼管杭は、第１発明〜第５発明の何れかにおいて、前記膨張部は、前記先端部の管内空間で軸芯方向の上端部から下端部まで延びて設けられて、前記先端部の管内周面に沿わせて取り付けられた鋼材で管内空間の中央側に配置される内側面が形成されるとともに、前記杭本体の前記先端部の鋼材で管内空間の周面側に配置される外側面が形成されて、前記内側面の鋼材の板厚を前記外側面の鋼材の板厚より薄くして、前記閉空間に流動性固化剤又は水を充填することで、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記内側面の鋼材を塑性変形させながら前記袋状体が膨張するものであることを特徴とする。

第７発明に係る鋼管杭は、第１発明〜第６発明の何れかにおいて、前記袋状体は、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて膨張するときの膨張体積Ｖ_uが、下記（１）式により規定される関係を満足することを特徴とする。ここで、γ：土砂の重量密度、γ_max：土砂の最大重量密度（γ_max＞γ）、Ａ_p：管内空間の軸芯直交方向の断面積、Ｄ：前記杭本体の前記先端部における内径とする。

第８発明に係る鋼管杭の施工方法は、地盤内に埋め込まれる鋼管杭の施工方法であって、管内空間が先端部に形成された杭本体と、閉空間が内部に形成された袋状体が前記先端部の管内周面に取り付けられて、前記先端部に設けられる膨張部とを備える鋼管杭を、所定の深度まで地盤内に埋め込む埋設工程と、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記膨張部の前記袋状体を膨張させることで、前記先端部の管内空間に流入した土砂の密度を高くする閉塞工程とを備えることを特徴とする。

第９発明に係る鋼管杭の施工方法は、第８発明において、前記閉塞工程では、前記杭本体の杭頭部から前記閉空間まで連続して設けられた注入用配管を通じて前記閉空間に水を充填して、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて前記袋状体を膨張させる膨張工程と、前記注入用配管を通じて前記閉空間に流動性固化剤を注入して、前記膨張工程で前記閉空間に充填された水を、前記閉空間から前記杭本体の杭頭部まで連続して設けられた排出用配管を通じて排出させるとともに、前記閉空間に流動性固化剤を充填する充填工程とを備えることを特徴とする。

第１発明〜第７発明によれば、管内空間に流入した土砂が密な密度状態とされることで、杭本体の先端部の管内空間が十分に閉塞されて、鋼管杭の先端支持力を向上させることができるため、鋼管杭の地盤内における押込抵抗力を向上させることが可能となる。

第１発明〜第７発明によれば、杭本体の先端部の管内空間においてのみ、袋状体を膨張させて土砂を締め固めることができ、単位面積あたりの先端支持力を大きくすることができるため、杭本体の周囲の地盤を必要以上に掘削することなく、掘削による地盤の強度低下を防止して、既存の地盤強度を維持することが可能となる。

特に、第４発明、第５発明によれば、管内空間に流入した土砂に対して、袋状体の内側面や底板から下方に向けた大きな支圧抵抗が発現されるものとなり、管内空間の閉塞による先端支持力と相俟って、鋼管杭の押込抵抗力を著しく向上させることが可能となる。

第８発明によれば、杭本体の杭径よりも大きい径で地盤内に掘削孔を形成させることを必要としないことから、鋼管杭を地盤内に埋め込むための別途の地盤の掘削工程を省略して、鋼管杭の埋設作業の工期を短縮するとともに、施工コストを低減させることが可能となる。

特に、第９発明によれば、膨張工程で袋状体の閉空間に水を充填することで、袋状体の内側面を非圧縮性の水で略均等に押圧して変形させることができるため、杭本体の先端部の管内空間が軸芯直交方向で略均一に閉塞されて、鋼管杭の先端支持力を軸芯直交方向で略均一に向上させることが可能となる。

本発明を適用した鋼管杭を示す斜視図である。 （ａ）は、本発明を適用した鋼管杭の杭本体を示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の膨張部を示す斜視図である。 本発明を適用した鋼管杭を示す正面図である。 本発明を適用した鋼管杭にウォータージェット管が設けられた状態を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用した鋼管杭の第１実施形態の袋状体を示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の第１実施形態にウォータージェット管が設けられた状態を示す正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の第１実施形態で下端部の底板より上端部の天板を軸芯直交方向の中央側に突出させた袋状体を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用した鋼管杭の第２実施形態の袋状体を示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 （ａ）は、本発明を適用した鋼管杭の第２実施形態で注入用配管のみが設けられた状態を示す正面図であり、（ｂ）は、ウォータージェット管が設けられた状態を示す正面図である。 本発明を適用した鋼管杭で軸芯方向の上段側と下段側とで２段に亘って取り付けられた袋状体を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用した鋼管杭で略千鳥状に配置された上段側の袋状体と下段側の袋状体とを示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 （ａ）は、本発明を適用した鋼管杭で全体が重なり合うように配置された上段側の袋状体と下段側の袋状体とを示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の施工方法の埋設工程を示す全体正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の施工方法のウォータージェット工法を併用した埋設工程を示す全体正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の施工方法の閉塞工程を示す全体正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の施工方法の閉塞工程を示す正面図である。 （ａ）は、本発明を適用した鋼管杭の施工方法の閉塞工程における膨張工程を示す正面図であり、（ｂ）は、その充填工程を示す正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の施工方法の閉塞工程を示す平面図である。 （ａ）は、本発明を適用した鋼管杭で下端部側より上端部側を突出させた袋状体が膨張した状態を示す正面図であり、（ｂ）は、上段側の袋状体と下段側の袋状体とが膨張した状態を示す正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の管内空間で土砂の密度を高めた状態を示す正面図である。 本発明を適用した鋼管杭の先端支持力を向上させた状態を示す正面図である。

以下、本発明を適用した鋼管杭１を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明を適用した鋼管杭１は、地盤上に構築される構造物の基礎杭等として用いられるものであり、図１に示すように、地盤内９に埋め込まれて支持力を発揮させるものである。

本発明を適用した鋼管杭１は、軸芯直交方向Ｘに所定の杭径となる断面略円形状等の鋼管が杭本体２として用いられる。本発明を適用した鋼管杭１は、軸芯方向Ｙに延びる鋼管の杭本体２と、鋼管の杭本体２の先端部３に設けられる膨張部５とを備える。

杭本体２は、地盤内９で軸芯方向Ｙの下側に先端部３が設けられて、地盤内９で軸芯方向Ｙの上側に杭頭部４が設けられる。杭本体２は、図２に示すように、例えば、軸芯直交方向Ｘの杭径が０．１ｍ〜３．０ｍ程度で、板厚が３ｍｍ〜３０ｍｍ程度のものが用いられる。

杭本体２は、断面略円形状の鋼管が用いられることで、軸芯方向Ｙで先端部３から杭頭部４にかけて内側が略中空の略円筒状に形成される。杭本体２は、少なくとも先端部３が略円筒状に形成されることで、鋼管の管内周面２ａに取り囲まれた断面略円形状の管内空間Ｓが先端部３の内側に形成されるとともに、下方に向けて開口した開口面３ａが先端部３に形成される。

杭本体２は、鋼管の杭径及び板厚が所定の大きさとなることで、先端部３における内径Ｄが所定の大きさに設定される。杭本体２は、鋼管の管内周面２ａとなる周面側から、鋼管の断面中心Ｃとなる中央側にかけて、断面略円形状の管内空間Ｓが形成される。

膨張部５は、図３に示すように、閉空間６０が内部に形成される袋状体６が、鋼管の杭本体２の先端部３の管内周面２ａで１箇所又は複数箇所に取り付けられる。膨張部５は、例えば、杭本体２の先端部３の管内周面２ａで４箇所に袋状体６が等間隔に取り付けられるものであるが、これに限らず、２箇所〜８箇所程度に袋状体６が取り付けられてもよい。

本発明を適用した鋼管杭１は、図４に示すように、杭本体２の内側で杭頭部４から先端部３まで延びる金属製等の注入用配管７が設けられる。注入用配管７は、注入上端部７ａが杭本体２の杭頭部４から上方に向けて突出等させて設けられるとともに、注入下端部７ｂが杭本体２の先端部３で袋状体６の内部の閉空間６０まで延出等させて設けられて、杭本体２の杭頭部４から袋状体６の閉空間６０まで連続させて設けられる。注入用配管７は、杭本体２の管内周面２ａに沿わせた状態で設けられて、杭頭部４で管内周面２ａに固定されるものであるが、これに限らず、杭本体２の管内周面２ａから離間させた状態で設けられてもよい。

本発明を適用した鋼管杭１は、必要に応じて、杭本体２の内側で杭頭部４から先端部３まで延びる金属製等の排出用配管８が設けられてもよい。このとき、排出用配管８は、排出上端部８ａが杭本体２の杭頭部４から上方に向けて突出等させて設けられるとともに、排出下端部８ｂが杭本体２の先端部３で袋状体６の内部の閉空間６０まで延出等させて設けられて、袋状体６の閉空間６０から杭本体２の杭頭部４まで連続させて設けられる。排出用配管８は、杭本体２の管内周面２ａに沿わせた状態で設けられて、杭頭部４で管内周面２ａに固定されるものであるが、これに限らず、杭本体２の管内周面２ａから離間させた状態で設けられてもよい。

本発明を適用した鋼管杭１は、図５に示すように、杭本体２の内側で杭頭部４から先端部３まで延びる金属製等のウォータージェット管２１が設けられてもよい。このとき、ウォータージェット管２１は、杭本体２の杭頭部４から先端部３の開口面３ａまで連続させて設けられて、杭本体２の先端部３で開口面３ａから下方に向けたノズル２１ａが設けられる。ウォータージェット管２１は、杭本体２の管内周面２ａに沿わせた状態で設けられるものであるが、これに限らず、杭本体２の管内周面２ａから離間させた状態で設けられてもよい。

本発明を適用した鋼管杭１は、図６に示すように、第１実施形態において、鋼製の袋状体６が取り付けられることで、杭本体２の先端部３に膨張部５が設けられる。このとき、袋状体６は、先端部３の管内空間Ｓの軸芯方向Ｙの上端及び下端で、鋼板等の鋼材を屈曲等させて溶接接合等することで、軸芯方向Ｙの上端部６ｃから下端部６ｄまで延びて設けられる。袋状体６は、略円弧状等に湾曲させた鋼板等の鋼材を管内周面２ａに溶接接合等することで、杭本体２の先端部３の管内周面２ａに沿わせて取り付けられた鋼材で管内空間Ｓの中央側に配置される内側面６ａが形成されるとともに、鋼管を用いた杭本体２の先端部３の鋼材で管内空間Ｓの周面側に配置される外側面６ｂが形成される。袋状体６は、軸芯直交方向Ｘで内側面６ａと外側面６ｂとの間に閉空間６０が形成される。

鋼製の袋状体６は、管内周面２ａに溶接接合される鋼板等が、杭本体２の鋼管より薄い板厚となる。鋼製の袋状体６は、例えば、杭本体２の鋼管の板厚が１２ｍｍのとき、管内周面２ａに溶接接合される鋼板等の板厚が９ｍｍ〜１１ｍｍ程度となり、また、杭本体２の鋼管の板厚が１６ｍｍのとき、管内周面２ａに溶接接合される鋼板等の板厚が１２ｍｍ〜１５ｍｍ程度となる。このとき、鋼製の袋状体６は、内側面６ａの鋼材の板厚ｔ１を外側面６ｂの鋼材の板厚ｔ２より薄いものとして、鋼材に取り囲まれた略中空の閉空間６０が形成される。

鋼製の袋状体６は、注入用配管７の注入下端部７ｂ及び排出用配管８の排出下端部８ｂが、閉空間６０まで延ばして設けられて、注入用配管７及び排出用配管８が袋状体６の上端部６ｃに溶接接合等により固定される。なお、鋼製の袋状体６は、注入用配管７のみが設けられて、排出用配管８が設けられない場合に、注入用配管７のみが袋状体６の上端部６ｃに溶接接合等により固定されるものとなる。

鋼製の袋状体６は、ウォータージェット管２１が設けられる場合に、図７（ａ）に示すように、杭本体２の先端部３で袋状体６が取り付けられない部位に、ウォータージェット管２１が杭本体２の管内周面２ａに沿わせた状態で設けられる。鋼製の袋状体６は、これに限らず、図７（ｂ）に示すように、袋状体６の上端部６ｃから下端部６ｄまで閉空間６０を貫通させて、ウォータージェット管２１が溶接接合等により袋状体６に固定されてもよい。

鋼製の袋状体６は、図８に示すように、先端部３の管内空間Ｓの軸芯方向Ｙの上端及び下端で、鋼板等の鋼材を屈曲等させて溶接接合等することで、軸芯方向Ｙの上端部６ｃに天板６３が形成されるとともに、軸芯方向Ｙの下端部６ｄに底板６４が形成される。このとき、袋状体６は、下端部６ｄの底板６４より上端部６ｃの天板６３を、先端部３の管内空間Ｓで軸芯直交方向Ｘの中央側に突出させるものとすることもできる。

本発明を適用した鋼管杭１は、図９に示すように、第２実施形態において、合成繊維製等の袋状体６が取り付けられることで、杭本体２の先端部３に膨張部５が設けられる。このとき、袋状体６は、杭本体２の先端部３の管内周面２ａに沿わせてポリエステル、ナイロン等の合成繊維部材等が取り付けられて、合成繊維等で内側面６ａが形成されるとともに、鋼管を用いた杭本体２の先端部３の鋼材で外側面６ｂが形成される。袋状体６は、軸芯直交方向Ｘで内側面６ａと外側面６ｂとの間に閉空間６０が形成される。

合成繊維製等の袋状体６は、注入用配管７の注入下端部７ｂ及び排出用配管８の排出下端部８ｂが、閉空間６０まで延ばして設けられる。合成繊維製等の袋状体６は、軸芯方向Ｙの上端及び下端に、ポリエステル、ナイロン等の合成繊維部材を管内周面２ａに固定するリング状のバンド６１が取り付けられて、上下端部６ｅが形成される。合成繊維製等の袋状体６は、上下端部６ｅで合成繊維部材と管内周面２ａとの間にゴムパッキン等の止水材６２を挟み込んで、リング状のバンド６１が合成繊維部材を押さえ付けた状態でビス等により管内周面２ａに固定されることで、ゴムパッキン等の止水材６２で密閉された閉空間６０が形成される。

合成繊維製等の袋状体６は、注入用配管７のみが設けられて、排出用配管８が設けられない場合に、図１０（ａ）に示すように、注入用配管７の注入下端部７ｂのみが、袋状体６の閉空間６０まで延ばして設けられる。また、合成繊維製等の袋状体６は、ウォータージェット管２１が設けられる場合に、図１０（ｂ）に示すように、袋状体６の上下端部６ｅで閉空間６０を貫通させて、ウォータージェット管２１がリング状のバンド６１により固定される。

本発明を適用した鋼管杭１は、第１実施形態及び第２実施形態の何れにおいても、軸芯方向Ｙの２段以上に亘って、先端部３の管内周面２ａに袋状体６が取り付けられてもよい。本発明を適用した鋼管杭１は、例えば、図１１に示すように、袋状体６が軸芯方向Ｙで２分割されることにより、軸芯方向Ｙの上段５１側と下段５２側とで、軸芯方向Ｙの２段に亘って袋状体６が取り付けられる。

このとき、軸芯方向Ｙの各段の袋状体６は、図１１（ａ）に示すように、軸芯方向Ｙの下段５２側の袋状体６より上段５１側の袋状体６で、軸芯直交方向Ｘの中央側に内側面６ａを突出させるものとなる。また、軸芯方向Ｙの各段の袋状体６は、図１１（ｂ）に示すように、下端部６ｄの底板６４より上端部６ｃの天板６３を、軸芯直交方向Ｘの中央側に突出させるとともに、下段５２側の天板６３より上段５１側の天板６３を、軸芯直交方向Ｘの中央側に突出させるものとすることもできる。

本発明を適用した鋼管杭１は、図１２に示すように、軸芯方向Ｙの各段において、袋状体６が４箇所に取り付けられて、上段５１側の袋状体６と下段５２側の袋状体６とが、軸周方向Ｗで互いの位置を異ならせて略千鳥状に配置される。本発明を適用した鋼管杭１は、上段５１側の袋状体６と下段５２側の袋状体６とが略千鳥状に配置されて、上段５１側の袋状体６の天板６３及び下段５２側の袋状体６の天板６３の各々に、注入用配管７及び排出用配管８が個別に固定される。

本発明を適用した鋼管杭１は、図１３に示すように、上段５１側の袋状体６と下段５２側の袋状体６とが、軸周方向Ｗで互いに全体が重なり合うように配置されてもよい。本発明を適用した鋼管杭１は、上段５１側の袋状体６と下段５２側の袋状体６とが互いに重なり合うように配置されて、例えば、上段５１側の袋状体６の天板６３に、注入用配管７及び排出用配管８が固定されるとともに、略Ｌ型状等の注入用配管７及び排出用配管８が、下段５２側の袋状体６の側方から固定される。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、図１４〜図１７に示すように、地盤上に構築される構造物の基礎杭等として、本発明を適用した鋼管杭１が地盤内９に埋め込まれるものである。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、本発明を適用した鋼管杭１を所定の深度まで地盤内９に埋め込む埋設工程と、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓに流入した土砂９０の密度を高くする閉塞工程とを備える。

最初に、埋設工程では、図１４（ａ）に示すように、地盤上から地盤内９に向けて、杭本体２が先端部３から地盤内９に埋め込まれる。このとき、杭本体２は、杭頭部４に打撃や振動等が加えられて、又は、先端部３に掘削用ビット３１が取り付けられて回転力が付与されることで、打撃工法、バイブロハンマ工法、又は、回転圧入工法によって、地盤内９を軸芯方向Ｙに推進させるものとなる。

埋設工程では、図１５（ａ）に示すように、杭本体２の内側にウォータージェット管２１が設けられることで、打撃工法、バイブロハンマ工法、又は、回転圧入工法に、補助工法としてウォータージェット工法を併用させることもできる。このとき、杭本体２は、水１０等の噴射流体２１ｂを杭頭部４からウォータージェット管２１に供給して、ウォータージェット管２１を通じて先端部３のノズル２１ａから下方に向けて噴射流体２１ｂを噴出させることで、地盤内９を容易に推進させるものとなる。

埋設工程では、図１４（ｂ）、図１５（ｂ）に示すように、杭本体２を地盤内９で軸芯方向Ｙに推進させることで、杭本体２の先端部３に形成された管内空間Ｓに地盤内９の土砂９０が流入した状態で、本発明を適用した鋼管杭１が所定の深度まで地盤内９に埋め込まれる。

次に、閉塞工程では、図１６に示すように、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓに地盤内９の土砂９０が流入した状態で、杭本体２の先端部３の内側の管内空間Ｓで膨張部５の袋状体６を膨張させる。このとき、閉塞工程では、図１７（ａ）に示すように、モルタル系のグラウト等の流動性固化剤１１又は水１０を注入用配管７に供給して、注入用配管７を通じて袋状体６の閉空間６０に流動性固化剤１１又は水１０を充填することで、図１７（ｂ）に示すように、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて、袋状体６の内側面６ａが湾曲変形して袋状体６が膨張するものとなる。

閉塞工程では、図１８に示すように、袋状体６の閉空間６０に水１０を充填して袋状体６を膨張させる膨張工程と、袋状体６の閉空間６０に充填した水１０を排出させるとともに、袋状体６の閉空間６０に流動性固化剤１１を充填する充填工程とを備えるものとしてもよい。

膨張工程では、図１８（ａ）に示すように、排出用配管８が閉栓された状態で、注入用配管７を通じて袋状体６の閉空間６０に水１０を充填することにより、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて、袋状体６が膨張するものとなる。膨張工程では、鋼製の袋状体６が用いられるとき、袋状体６の内側面６ａの鋼材を塑性変形させながら、袋状体６の内側面６ａが湾曲変形して袋状体６が膨張するものとなる。

充填工程では、図１８（ｂ）に示すように、排出用配管８が開栓された状態で、注入用配管７を通じて袋状体６の閉空間６０に流動性固化剤１１を注入することにより、袋状体６の閉空間６０に充填された水１０を、排出用配管８を通じて排出させる。このとき、充填工程では、膨張工程で袋状体６の閉空間６０に充填された水１０を、排出用配管８を通じて外部に排出させるとともに、袋状体６の閉空間６０に流動性固化剤１１を充填するものとなる。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、膨張工程において、袋状体６の閉空間６０に水１０を充填することで、非圧縮性の水１０が閉空間６０から袋状体６の内側面６ａを略均等に押圧するものとなる。これにより、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、袋状体６の閉空間６０に非圧縮性の水１０が充填されることで、水１０の注入量で袋状体６の膨張を管理しながら、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて袋状体６の内側面６ａを略均一に湾曲変形させることができるものとなる。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、袋状体６の内側面６ａを湾曲変形させた後に、充填工程において、袋状体６の閉空間６０に流動性固化剤１１を充填することで、袋状体６の閉空間６０でモルタル系のグラウト等の流動性固化剤１１が固結するものとなる。これにより、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、袋状体６の内側面６ａを湾曲変形させた状態で袋状体６を固定して、袋状体６が膨張した状態を強固に維持することができるものとなる。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、閉塞工程において、複数の袋状体６の閉空間６０に、流動性固化剤１１又は水１０を同時に注入することにより、図１９に示すように、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて、複数の袋状体６が同時に膨張するものとなる。本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、これに限らず、複数の袋状体６の閉空間６０に、流動性固化剤１１又は水１０を異なるタイミングで注入して、複数の袋状体６を順次に膨張させてもよい。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、図１９（ａ）に示すように、杭本体２の先端部３の管内周面２ａで４箇所に袋状体６が等間隔に取り付けられる場合に、図１９（ｂ）に示すように、管内空間Ｓの断面方向で４方向から袋状体６が膨張する。本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、袋状体６の内側面６ａが湾曲変形するものであるが、これに限らず、袋状体６の内側面６ａが如何なる形状に変形するものであってもよい。

杭本体２は、杭本体２の先端部３における内径Ｄが所定の大きさとなることで、管内空間Ｓが軸芯直交方向Ｘで所定の断面積Ａ_pとなるように形成される。本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、閉塞工程において、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて袋状体６が膨張することで、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓで、断面積Ａ_pに対する袋状体６が占める割合が増大するとともに、管内空間Ｓの土砂９０が占める割合が減少する。

これにより、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、管内空間Ｓに流入した土砂９０の密度が、図１９（ａ）に示す打設した状態の密度から、図１９（ｂ）に示す密な密度状態へと移行して、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓに流入した土砂９０の単位体積あたりの重量が大きくなって、管内空間Ｓの土砂９０の密度が高くなる。

打撃工法やバイブロハンマ工法等を用いた従来の鋼管杭の施工方法では、管内空間Ｓに流入する土砂９０の密度が打設した状態のままとなり、特に、杭本体２の軸芯直交方向Ｘの杭径が０．５ｍから２．０ｍ程度と大きくなるにしたがって、管内空間Ｓの土砂９０の密度が著しく低下するものとなる。

特に、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、図２０（ａ）に示すように、下端部６ｄの底板６４より上端部６ｃの天板６３を、軸芯直交方向Ｘの中央側に突出させた袋状体６が、先端部３の管内周面２ａに取り付けられる場合に、閉塞工程において、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて、袋状体６が膨張するときの軸芯直交方向Ｘの突出高さが、下端部６ｄ側より上端部６ｃ側で大きいものとなる。

また、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、図２０（ｂ）に示すように、軸芯方向Ｙの２段以上に亘って袋状体６が取り付けられる場合に、下段５２側より上段５１側で、軸芯直交方向Ｘの中央側に袋状体６の内側面６ａを突出させることで、閉塞工程において、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて、袋状体６が膨張するときの軸芯直交方向Ｘの突出高さが、下段５２側の袋状体６より上段５１側の袋状体６で大きいものとなる。

本発明を適用した鋼管杭１は、図２１に示すように、杭本体２の先端部３で開口面３ａから軸芯方向Ｙの所定の範囲に膨張部５が設けられて、例えば、杭本体２の先端部３における内径Ｄの２倍となる軸芯方向Ｙの範囲に、膨張部５が設けられる。本発明を適用した鋼管杭１は、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて袋状体６が膨張することで、一又は複数の袋状体６の合計の膨張体積Ｖ_uが、下記（１）式により規定される関係を満足する。

ここで、γ：土砂９０の重量密度、γ_max：土砂９０の最大重量密度（γ_max＞γ）、Ａ_p：管内空間Ｓの軸芯直交方向Ｘの断面積、Ｄ：杭本体２の先端部３における内径とする。なお、土砂９０の最大重量密度γ_maxは、土砂９０の重量密度γより大きいものとなる。

本発明を適用した鋼管杭１は、図２１（ａ）に示すように、管内空間Ｓに流入した土砂９０が打設した状態の密度のときに、管内空間Ｓにおける土砂９０の重量密度がγとなり、図２１（ｂ）に示すように、管内空間Ｓに流入した土砂９０が密な密度状態のときに、管内空間Ｓにおける土砂９０の最大重量密度がγ_maxとなる。

本発明を適用した鋼管杭１は、杭本体２の先端部３で管内空間Ｓが土砂９０と袋状体６とで完全に閉塞された状態の閉塞体積Ｖ_pが、下記（２）式により規定される。

このとき、本発明を適用した鋼管杭１は、管内空間Ｓに流入した土砂９０が打設した状態の密度のときに、杭本体２の先端部３で管内空間Ｓに流入した土砂９０の管内土重量Ｗ_iが、下記（３）式により算出される。

ここで、本発明を適用した鋼管杭１は、土砂９０の締まり具合によって密度が変化する点に着目すると、管内空間Ｓで土砂９０の密度を最大限まで密実にすることが先端支持力を大きくするために望ましいことから、土砂９０の密度を最大限まで高めたときの土砂９０の最大重量密度γ_maxが、袋状体６の膨張体積Ｖ_uとの関係で、下記（４）式により規定される。

これにより、本発明を適用した鋼管杭１は、上記（４）式に上記（２）式、上記（３）式を代入することで、一又は複数の袋状体６の合計の膨張体積Ｖ_uが、上記（１）式により規定した関係を満足するものとして算出される。なお、本発明を適用した鋼管杭１は、杭本体２の先端部３で開口面３ａから内径Ｄの２倍となる範囲に膨張部５が設けられて、杭本体２の先端部３をこの範囲で閉塞させることで、鋼管杭１の先端支持力を効果的に増大させることができる。

打撃工法やバイブロハンマ工法等を用いた従来の鋼管杭の施工方法では、管内空間Ｓに流入する土砂９０の密度が打設した状態のままで、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓが十分に閉塞されないため、鋼管杭１の先端支持力が十分なものとならない。

これに対して、本発明を適用した鋼管杭１は、図２１（ｂ）に示すように、袋状体６を管内空間Ｓで膨張させることで、管内空間Ｓの閉塞体積Ｖ_pに対して袋状体６の膨張体積Ｖ_uの占める割合が増大する。本発明を適用した鋼管杭１は、鋼管杭１が埋め込まれた後に、管内空間Ｓに流入した土砂９０の量が一定のものとなった状態で、袋状体６の膨張体積Ｖ_uが増大することで、管内空間Ｓの閉塞体積Ｖ_pに対する土砂９０の占める体積が後発的に縮減する。

本発明を適用した鋼管杭１は、管内空間Ｓの閉塞体積Ｖ_pに対する土砂９０の体積が縮減して、管内空間Ｓに流入した土砂９０が密な密度状態とされることで、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓが十分に閉塞されて、鋼管杭１の先端支持力を向上させることができる。これにより、本発明を適用した鋼管杭１は、図２２に示すように、鋼管杭１の先端支持力を向上させることで、鋼管杭１の地盤内９における押込抵抗力を向上させることが可能となる。

本発明を適用した鋼管杭１は、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓにおいてのみ、袋状体６を膨張させて土砂９０を締め固めることができ、単位面積あたりの先端支持力を大きくすることができるため、杭本体２の杭径よりも大きい径で地盤内９に掘削孔を形成させることを必要としないものとなる。これにより、本発明を適用した鋼管杭１は、杭本体２の周囲の地盤を必要以上に掘削することなく、掘削による地盤の強度低下を防止して、鋼管杭１が埋め込まれた後においても、既存の地盤強度を維持することが可能となる。

特に、本発明を適用した鋼管杭１は、図２０（ａ）に示すように、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて袋状体６が膨張するときに、軸芯直交方向Ｘで下端部６ｄ側の突出高さｈ１より上端部６ｃ側の突出高さｈ２が大きいものとなることで、袋状体６の内側面６ａが軸芯方向Ｙの下方に向けて傾斜する。これにより、本発明を適用した鋼管杭１は、管内空間Ｓに流入した土砂９０に対して、袋状体６の内側面６ａから下方に向けた大きな支圧抵抗Ｐが発現されるものとなり、管内空間Ｓの閉塞による先端支持力と相俟って、鋼管杭１の押込抵抗力を著しく向上させることが可能となる。

また、本発明を適用した鋼管杭１は、図２０（ｂ）に示すように、軸芯方向Ｙの２段以上に亘って袋状体６が取り付けられて、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて、各々の袋状体６が膨張するときに、下段５２側の突出高さｈ１より上段５１側の突出高さｈ２が大きいものとなり、袋状体６の底板６４や内側面６ａが、下段５２側及び上段５１側の各段で、軸芯方向Ｙの下方に向けた状態で、軸芯直交方向Ｘの中央側に突出して配置される。これにより、本発明を適用した鋼管杭１は、管内空間Ｓに流入した土砂９０に対して、下段５２側及び上段５１側の袋状体６の底板６４や内側面６ａから下方に向けた大きな支圧抵抗Ｐが発現されるものとなり、管内空間Ｓの閉塞による先端支持力と相俟って、鋼管杭１の押込抵抗力を著しく向上させることが可能となる。

なお、本発明を適用した鋼管杭１は、下端部６ｄ側より上端部６ｃ側で、又は、下段５２側より上段５１側で、袋状体６の内側面６ａの板厚を薄くする方法等により、袋状体６の内側面６ａの拘束を低減させることで、管内空間Ｓで周面側から中央側に向けて袋状体６が膨張するときに、下端部６ｄ側や下段５２側の突出高さｈ１より、上端部６ｃ側や上段５１側の突出高さｈ２を大きいものとすることもできる。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、杭本体２の杭径よりも大きい径で地盤内９に掘削孔を形成させることを必要としないことから、本発明を適用した鋼管杭１を地盤内９に埋め込むための別途の地盤の掘削工程を省略することができる。これにより、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、鋼管杭１を地盤内９に埋め込むための別途の地盤の掘削工程を省略して、鋼管杭１の埋設作業の工期を短縮するとともに、施工コストを低減させることが可能となる。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、埋設工程において、図１５に示すように、補助工法としてウォータージェット工法を併用させることで、噴射流体２１ｂによって地盤内９の土砂９０による推進抵抗を減少させて、杭本体２を地盤内９で容易に推進させることができる。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、ウォータージェット工法を併用しない場合、地盤内９の土砂９０による大きい推進抵抗で袋状体６の内側面６ａの鋼板等を破損させないように、例えば、袋状体６の内側面６ａの板厚を９ｍｍ〜１５ｍｍ程度とする。これに対して、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、ウォータージェット工法を併用する場合に、地盤内９の土砂９０による推進抵抗が小さくなることから、袋状体６を膨張させるときに内側面６ａの鋼板等を破損させないように、例えば、袋状体６の内側面６ａの板厚を２ｍｍ〜８ｍｍ程度とする。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、ウォータージェット工法を併用しない場合と比べて、ウォータージェット工法を併用する場合に、袋状体６の内側面６ａの板厚を薄いものとして袋状体６を小さくすることで、袋状体６と土砂９０との接触を低減させることができる。これにより、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、ウォータージェット工法を併用すると同時に袋状体６の内側面６ａの板厚を薄いものとすることで、杭本体２の先端部３で土砂９０による推進抵抗を著しく低減させて、鋼管杭１の埋設作業の施工性を向上させることが可能となる。

本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、膨張工程において、図１８に示すように、袋状体６の閉空間６０に水１０を充填することで、非圧縮性の水１０が袋状体６の内側面６ａを略均等に押圧して湾曲変形させることができるものとなる。これにより、本発明を適用した鋼管杭の施工方法は、図２２に示すように、複数の袋状体６が互いに略均一に膨張することで、杭本体２の先端部３の管内空間Ｓが軸芯直交方向Ｘで略均一に閉塞されて、鋼管杭１の先端支持力を軸芯直交方向Ｘで略均一に向上させることが可能となる。

以上、本発明の実施形態の例について詳細に説明したが、上述した実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。

１ ：鋼管杭
１０ ：水
１１ ：流動性固化剤
２ ：杭本体
２ａ ：管内周面
２１ ：ウォータージェット管
２１ａ ：ノズル
２１ｂ ：噴射流体
３ ：先端部
３ａ ：開口面
３１ ：掘削用ビット
４ ：杭頭部
５ ：膨張部
５１ ：上段
５２ ：下段
６ ：袋状体
６ａ ：内側面
６ｂ ：外側面
６ｃ ：上端部
６ｄ ：下端部
６ｅ ：上下端部
６０ ：閉空間
６１ ：バンド
６２ ：止水材
６３ ：天板
６４ ：底板
７ ：注入用配管
７ａ ：注入上端部
７ｂ ：注入下端部
８ ：排出用配管
８ａ ：排出上端部
８ｂ ：排出下端部
９ ：地盤内
９０ ：土砂
Ｘ ：軸芯直交方向
Ｙ ：軸芯方向
Ｐ ：支圧抵抗

Claims (9)

1. 地盤内に埋め込まれる鋼管杭であって、
   管内空間が先端部に形成される杭本体と、前記先端部に設けられる膨張部とを備え、
   前記膨張部は、閉空間が内部に形成される袋状体が前記先端部の管内周面に取り付けられて、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記袋状体が膨張するものであること
   を特徴とする鋼管杭。
2. 前記膨張部は、前記杭本体の杭頭部から前記閉空間まで連続させて設けられる注入用配管を通じて、前記閉空間に流動性固化剤又は水を充填することで、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記袋状体が膨張するものであること
   を特徴とする請求項１記載の鋼管杭。
3. 前記膨張部は、前記杭本体の杭頭部から前記閉空間まで連続させて設けられる注入用配管を通じて、前記閉空間に水を充填することで、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記袋状体が膨張するものであるとともに、前記閉空間から前記杭本体の杭頭部まで連続させて設けられる排出用配管を通じて、前記閉空間に充填された水を排出させながら、前記注入用配管を通じて、前記閉空間に流動性固化剤が充填されるものであること
   を特徴とする請求項１又は２記載の鋼管杭。
4. 前記袋状体は、前記先端部の管内空間で軸芯方向の上端部から下端部まで延びて設けられて、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記袋状体が膨張するときの突出高さが、前記下端部側より前記上端部側で大きいものとなること
   を特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の鋼管杭。
5. 前記袋状体は、前記先端部の管内周面に軸芯方向の２段以上に亘って取り付けられて、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、各々の前記袋状体が膨張するときの突出高さが、軸芯方向の下段側より上段側で大きいものとなること
   を特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の鋼管杭。
6. 前記袋状体は、前記先端部の管内空間で軸芯方向の上端部から下端部まで延びて設けられて、前記先端部の管内周面に沿わせて取り付けられた鋼材で管内空間の中央側に配置される内側面が形成されるとともに、前記杭本体の前記先端部の鋼材で管内空間の周面側に配置される外側面が形成されて、前記内側面の鋼材の板厚を前記外側面の鋼材の板厚より薄くして、前記閉空間に流動性固化剤又は水を充填することで、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記内側面の鋼材を塑性変形させながら前記袋状体が膨張するものであること
   を特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の鋼管杭。
7. 前記袋状体は、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて膨張するときの膨張体積Ｖ_uが、下記（１）式により規定される関係を満足すること
   を特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の鋼管杭。
   

   

   ここで、γ：土砂の重量密度、γ_max：土砂の最大重量密度（γ_max＞γ）、Ａ_p：管内空間の軸芯直交方向の断面積、Ｄ：前記杭本体の前記先端部における内径とする。
8. 地盤内に埋め込まれる鋼管杭の施工方法であって、
   管内空間が先端部に形成された杭本体と、閉空間が内部に形成された袋状体が前記先端部の管内周面に取り付けられて、前記先端部に設けられる膨張部とを備える鋼管杭を、所定の深度まで地盤内に埋め込む埋設工程と、
   前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて、前記膨張部の前記袋状体を膨張させることで、前記先端部の管内空間に流入した土砂の密度を高くする閉塞工程とを備えること
   を特徴とする鋼管杭の施工方法。
9. 前記閉塞工程では、前記杭本体の杭頭部から前記閉空間まで連続して設けられた注入用配管を通じて前記閉空間に水を充填して、前記先端部の管内空間で周面側から中央側に向けて前記袋状体を膨張させる膨張工程と、
   前記注入用配管を通じて前記閉空間に流動性固化剤を注入して、前記膨張工程で前記閉空間に充填された水を、前記閉空間から前記杭本体の杭頭部まで連続して設けられた排出用配管を通じて排出させるとともに、前記閉空間に流動性固化剤を充填する充填工程とを備えること
   を特徴とする請求項８記載の鋼管杭の施工方法。

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