JP6766858B2 - ねじ込み式鋼管杭 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管の先端又は先端近傍に推進力を得るための回転翼を設けたねじ込み式鋼管杭に関する。

従来より、杭の先端や周面に杭径よりも大きい螺旋状の回転翼を取り付けたねじ込み式鋼管杭が実用化されている。
ねじ込み式鋼管杭は、杭体を回転させることにより、回転翼の下方の土砂を回転翼の上部に押し上げ、その反力を推進力として土中に食い込んでいくようにしたものであり、土に食い込む際の翼刃先の抵抗と回転に伴う回転翼上面の摩擦抵抗が主な回転抵抗となり、硬い地盤で土中へ食い込むためには大きな回転トルクが必要となる。また、施工完了後は、回転翼により大きな支持力を得ることができる。

このようなねじ込み式鋼管杭には、例えば特許文献１に開示されたもののように、杭内に土砂を取り込まないように先端が閉塞されたものや、例えば特許文献２に開示されたもののように、杭内に土砂を取り込むように、先端に開口部を設けたものがある。
杭先端が閉塞されているものは、杭径分を含む翼下面全面で支持力を発揮できるが、杭径より内側の土砂については、上部に押し上げるだけでなく杭径の外側に押し出すことが必要であり、非常に大きな回転トルクを要する。そのため、径が大きい場合には施工性に問題が生じる恐れがある。

他方、杭先端に開口部を設けたものは、杭体内にも土砂を取り込めるため、杭先端が閉塞されたものより小さな回転トルクで施工できるが、開口部のところでの支持力が期待できないので、杭全体としての支持力が低下する恐れがある。
もっとも、施工中に杭体内に土砂が詰まって開口部を塞いでしまうことがあるが、その場合には上述した杭先端が閉塞されたものと同様になる。

なお、推進力を上げるためには回転翼の翼径を大きくし、一回転で回転翼の上部に押し上げる土の量を増やすことが効果的であるが、その分回転抵抗も上昇する。そのため、杭体のねじり強度や回転翼の強度との関係で、通常、回転翼の翼径は杭径の３．０倍程度までとなっている。

また、施工時の土砂の動きを制御する技術として、特許文献３に示すものがある。これは、軟弱地盤での支持力性能を高めるために、拡底板と称するフランジ状の板が取り付けられた鋼管杭において、拡底板の水平板部に土砂掻込み突起が斜行的に複数設けられたものである。鋼管杭が回転すると、拡底板の上面の土砂を鋼管側に掻き寄せて、土砂密度の低下を防ぎ、鋼管杭の摩擦抵抗を確保して、鉛直支持力を高める効果を有するものである。

特許第２８６１９３７号公報 特許第５２００９４１号公報 特開２００４−３２４１７２号公報

上記のようなねじ込み式鋼管杭には、以下のような問題がある。
非常に硬い地盤においては、回転抵抗が大きくなりすぎて、杭体の許容ねじり強度を超えてしまい、施工時に杭体が破損してしまうことがある。それを防止するために一定の回転トルクに達した場合、一旦回転を停止し、逆回転で杭体を引き上げた後にもう一度正回転させるということを繰り返すことにより地盤を緩めて、回転翼刃先の抵抗を小さくし、少しずつ貫入させるということが行われている。

しかし、このような施工方法には以下のような課題がある。
まず、回転停止、逆回転での引き上げ、正回転を繰り返すため、多大な時間を要して施工能率が低下してしまう。また、上記のような施工を行っても、回転翼の上面の土が常に存在しているので、回転に伴う翼上面の摩擦抵抗には影響なく、回転抵抗の減少には限界がある。さらに、繰り返しの回数が多くなりすぎた場合には、支持力が低下してしまう恐れがある。

他方、粘性土地盤では回転翼上部に移動した土砂から十分な反力（推進力）が得られず、杭が全く貫入しなくなってしまうことがある。この場合、しばらく回転を止めたり、杭を大きく引き上げたりして土砂の状況を変えて対応するが、いずれも時間を要して施工能率が低下してしまう。

硬い地盤及び粘性土地盤における上記施工上の問題を解決するには、回転翼の大きさを変更することが有効な策となるとも思える。
しかし、回転トルクが大きすぎる場合に対応するために回転翼を小さくすると必要な支持力が得られなくなる。他方、推進力が不足する場合に対応するために回転翼を大きくすると製作コストが上昇することや、隣接する杭との間隔が狭くなり、回転翼が接触したり支持力へ悪影響を与える恐れがある。
このように、回転翼の大きさの変更は必ずしも実用的ではない。

また、特許文献３に開示された技術は、拡底板の水平板部に土砂掻込み突起が設けるというものであり、あくまで土砂を掻き寄せるものであり、杭の施工時に必要な推進力に影響を与えるものではない。すなわち、一般的に杭の先端に回転翼を設けた場合、回転翼の傾斜面によって推進力が得られるため、水平板部に設けられた土砂掻込み突起は、杭の推進力とは無関係となる。
したがって、特許文献３に開示された土砂掻込み突起は、杭の施工性の向上に等に資するもではない。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、支持力に悪影響が生じず、製作コストの上昇や隣接する杭にも影響することなく、硬い地盤及び粘性土地盤において施工性に優れるねじ込み式鋼管杭を提供することを目的としている。

発明者は上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、ねじ込みによって回転翼の上面に移動する土砂の動きを、推進力を与える効果を有しながらコントロールすることで、上記の課題を解決できるとの知見を得た。本発明はかかる知見に基づくものであり、具体的には以下の構成を備えてなるものである。

（１）本発明に係るねじ込み式鋼管杭は、鋼管の先端又は先端近傍に、周方向に傾斜した傾斜部を有する回転翼を設けたものであって、
回転貫入中に前記回転翼の上面に移動した土砂が、前記回転翼の回転に伴い外方及び／又は内方へ移動するように土砂の移動を制御する土砂移動制御部材を、前記回転翼における前記傾斜部の上面に設けたことを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記土砂移動制御部材は、前記回転翼における前記傾斜部の上面の土砂を回転に伴い前記回転翼の外側に押し出すように移動させることを特徴とするものである。

（３）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記土砂移動制御部材は、前記回転翼における前記傾斜部の上面の土砂を回転に伴い前記回転翼の内方に移動させることを特徴とするものである。

（４）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記土砂移動制御部材は、前記回転翼における前記傾斜部の上面の土砂を回転に伴い前記回転翼の外側に押し出すように移動させる外側移動部材と、前記回転翼における前記傾斜部の上面の土砂を回転に伴い前記回転翼の内方に移動させる内側移動部材とを備えてなることを特徴とするものである。

（５）また、上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のものにおいて、前記土砂移動制御部材が着脱可能に設けられていることを特徴とするものである。

本発明においては、推進力を得るために鋼管の先端又は先端近傍に、周方向に傾斜した傾斜部を有する回転翼を設けたものであって、
回転貫入中に前記回転翼の上面に移動した土砂が、前記回転翼の回転に伴い外方及び／又は内方へ移動するように土砂の移動を制御する土砂移動制御部材を、前記回転翼における前記傾斜部の上面に設けたことにより、硬い地盤や粘性土地盤であっても、支持力が低下したり、大きな製作コストの上昇を招いたりすることなく、施工性を向上させることができる。

実施の形態１に係るねじ込み式鋼管杭の説明図であり、図１（ａ）が平面図、図１（ｂ）が側面図である。 従来例におけるねじ込み式鋼管杭の回転貫入時の土砂の動きの説明図である（その１）。 従来例におけるねじ込み式鋼管杭の回転貫入時の土砂の動きの説明図である（その２）。 実施の形態１に係るねじ込み式鋼管杭の他の態様の説明図である。 実施の形態２に係るねじ込み式鋼管杭の説明図である。 実施の形態２に係るねじ込み式鋼管杭の他の態様の説明図である。 実施の形態３に係るねじ込み式鋼管杭の説明図である。 実施の形態３に係るねじ込み式鋼管杭の作用を説明する説明図である。 ねじ込み式鋼管杭の回転翼の他の態様の説明図である。

［実施の形態１］
本実施の形態に係るねじ込み式鋼管杭１は、硬い地盤で回転貫入時の回転抵抗が大きい場合に好適なものであって、図１に示すように、推進力を得るために鋼管３の先端又は先端近傍に周方向に傾斜した傾斜部を有する回転翼５を設けたものであって、回転翼５における前記傾斜部の上面に、回転貫入中に回転翼５の上面に移動した土砂を外側に移動させる土砂移動制御部材としての外動突起７（図１（ａ）参照）を設けたことを特徴とするものである。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜鋼管＞
鋼管３は杭の主な構成要素であり、先端は閉塞していても、開口していてもよい。

＜回転翼＞
回転翼５は、回転によって、推進力を得るためのものであり、鋼管３の先端又は先端近傍に取り付けられている。なお、実施の形態の回転翼５は地盤を掘削する機能も備えている。
本実施の形態の回転翼５は、図１に示されるように、円周の一か所が切り欠いた螺旋状のドーナツ板からなる。ドーナツ板は、鋼管３の周囲に、施工時において深度の深い側（図中のＡ点）から、深度の浅い側（図中のＢ点）に向かって螺旋状に巻き付いて取り付けられている。したがって、回転翼５は、その全体が周方向で高低差のある傾斜した傾斜部となっている。もっとも、本発明の回転翼は全体が周方向に傾斜していることは必須ではなく、例えば一部に平坦な部分があるものを排除するものではない。
なお、図１は説明に必要な限りにおいて翼面等を図示した説明図であり、回転翼５の螺旋を正確に図示したものではない。この点は、図２以降の図面においても同様である。

なお、本例では回転翼５として一枚のドーナツ状の螺旋翼を例に挙げたが、本発明の回転翼５はこれに限られるものではなく、例えば、特許文献１に開示されたような、２枚の半円形または半楕円状の板を鋼管３の先端に設けたようなものであってもよい。

＜外動突起＞
外動突起７は、本発明の土砂移動制御部材の一態様であり、回転貫入中に回転翼５の上面に移動した土砂を、回転翼５の回転に伴って、土砂が下方に推進力を与えつつ外側に移動、換言すれば積極的に押し出す機能を有している。
上記の機能を有する外動突起７は、回転翼５の傾斜部の上面における深度の深い側の近傍に設けられた筋状の突起状体からなる。外動突起７は、回転翼５の径方向に対して傾斜して配置され、より具体的には、一端側が回転翼５における回転方向で深度の深い側に配置され、他端側が深度の浅い側に配置されている。そして、杭中心と外動突起７の深度が深い側の端部を繋ぐ線分の長さをLa、杭中心と突起の深度が浅い側の端部を繋ぐ線分の長さをLbとすれば、La＜Lbとなる。つまり、外動突起７における鋼管杭に近い側の端（内端）が深度の深い側に配置され、回転翼５の外周側の端（外端）が深度の浅い側に配置されている。

外動突起７の高さ（深度方向）と幅（周方向）は、土砂の抵抗により変形しない程度とする。もっとも、外動突起７の高さが高くなると抵抗が大きくなるので、高さについては１回転当たりの貫入量（ねじ込みのピッチ）よりは小さくするのが好ましい。
外動突起７は、溶接、篏合、あるいはボルト固定等により回転翼５に取り付けるが、着脱可能にすることで、地盤の状況に応じて取り付け取り外しができて好ましい。
なお、これらの点は、後述の実施の形態２における内動突起１３についても同様である。

上記のように構成された本実施の形態の動作を図１〜図３に基づいて説明する。
図２は回転翼５に外動突起７を設けていないねじ込み式鋼管杭９を示しており、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図である。また、図２における回転翼５の上部に描いた２つの黒丸は回転前に回転翼５の上側に存在した土砂を表している。そして、図３（ａ）はこの状態の矢視ａ−ａ図であり、回転翼５の下方に描いた白丸は回転翼５の下側に存在する土砂を表している。図２、図３において、図１と同一部分には同一の符号を付してある。
まず、図２、図３に基づいて、外動突起７が取り付けられていない従来例のねじ込み式鋼管杭９を地盤に回転貫入する際の土砂の動きを説明する。

図３（ａ）の状態から回転翼５が図２の矢印で示すように図中時計回りに１回転すると、回転翼５の切り欠きの部分から、図３（ｂ）に示すように、回転翼５の下側にあった土砂が回転翼５の上側に移動する。この土砂から回転翼５に作用する力が、図３（ｂ）に示すように、推進力と回転抵抗となる。このように、回転翼５の回転により、回転翼５の下側にあった土砂が回転翼５の上側に移動するが、このとき、図２に示すように回転翼５の上面に何も設けていない場合、回転翼５の上側の土砂は平面方向（横方向）にはほとんど動かない。

このため、従来例のように、回転翼５の上側に移動した土砂を成り行き任せにしていると、推進力が大きく、回転抵抗が大きくなりすぎる場合や、逆に回転抵抗は小さいが推進力が得られない場合が生ずる。
しかし、回転翼５の回転によって回転翼５の上側に移動する土砂を成り行き任せではなく、回転翼５の上側の土砂の量を積極的に制御すれば、推進力と回転抵抗を制御することができる。

本実施の形態では、図１に示すような外動突起７を設けているので、図１に示すように、回転翼５の上面に移動した土砂は、突起に当接し、回転翼５の回転に伴って回転翼５の外周側に積極的に押し出される。このため、回転翼５の上面の土砂の密度が下がり、結果的に施工時の回転抵抗を小さくすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、回転貫入中に回転翼５の上面に移動した土砂を回転翼５の外側に押し出す外動突起７を、回転翼５の上面に設けたので、硬い地盤であっても回転貫入時の回転抵抗を小さくして円滑な貫入を可能にして、施工性を向上することができる。

なお、上記の外動突起７は、直線状の突起状体であったが、回転翼５の上面の土砂を外側に押し出せるものであればよく、湾曲形状であってもよい。もっとも、外動突起７は回転翼５の内周側から外周側に至るまで連続しているのが好ましいが、短尺の突起を直線又は曲線に沿って断続的に複数設けるようにしてもよい。
また、図４に示すように、外動突起７を複数個所に設けてもよい。

［実施の形態２］
本実施の形態のねじ込み式鋼管杭１１は、施工時の回転抵抗が上がらず、十分な推進力が得られない地盤の場合に好適なものであって、図５に示すように、回転翼５における傾斜部の上面の土砂を回転に伴い回転翼５の内方に移動させる筋状の内動突起１３を設けたものである。図５において、実施の形態１と同一部分には同一の符号を付してある。

本実施の形態の内動突起１３は、杭中心と突起の深度が深い側の端部を繋ぐ線分の長さLa、杭中心と突起の深度が浅い側の端部を繋ぐ線分の長さLbとの関係が、La＞Lbとなり、実施の形態１とは逆の関係になっている。つまり、本実施の形態では、内動突起１３における鋼管杭に近い側の端（内端）が深度の浅い側に配置され、回転翼５の外周側の端（外端）が深度の深い側に配置されている。

本実施の形態では、図５に示すように、回転翼５の回転に伴って回転翼５の上面に移動した土砂は、内動突起１３に当接し、回転翼５の回転に伴って回転翼５の内側に移動する。このため、回転翼５の上面の土砂の密度が上昇して回転抵抗が上がり、結果的に十分な推進力を得られる。

なお、上記の内動突起１３は、直線状の突起であったが、回転翼５の上面の土砂を内側に押し出せるものであればよく、実施の形態１で説明したのと同様に、湾曲形状であってもよい。また、内動突起１３は回転翼５の内周側から外周側に至るまで連続しているのが好ましいが、実施の形態１で説明したように、短尺の突起を直線又は曲線に沿って複数設けるようにしてもよい。
また、図６に示すように、内動突起１３は複数個所に設けてもよい。

［実施の形態３］
地盤の状況は様々であり、同じ地盤において、抵抗が上がらない深度と、抵抗が大きくなりすぎる深度が存在する場合もある。
また、回転翼５における土砂移動制御部材を設ける位置によってその効果も違ってくる。一般的には、土砂を外側に押し出す場合には、回転翼５における深度の深い側に設けるほうが深度の浅い側に設けるよりも効果が高くなる。何故なら、回転翼５の回転によって回転翼５の上面に移動した土砂を早期に外側に押し出すことができるからである。
逆に、土砂を内側に移動させる場合には、一般的には回転翼５における深度の浅い側に設けるほうが深度の深い側に設けるよりも効果が高くなる。何故なら、土砂移動制御部材が回転翼５の深度の浅い側で土砂をせき止めるように作用するので、回転翼５の広い領域に土砂が留まりやすくなるからである。

このように、回転翼５における傾斜部の上面に設ける土砂移動制御部材は、これを設ける位置、その大きさ、地盤の状況等によって、その作用効果が異なる。このため、対象とする地盤の状況等に応じて回転翼５の上面の土砂の移動制御が最適となるように、土砂移動制御部材の種類や配置等を選択するのが望ましい。

この場合、実施の形態１で示した土砂を外方向に移動させるもののみや、実施の形態２で示した土砂を内側に移動させるもののみではなく、これらを組み合わせることで、回転翼５の上面の最も好適な土砂移動制御を行って施工性を向上できる場合がある。
本実施の形態は、このような場合のねじ込み式鋼管杭１５であり、図７に示すように、回転翼５における深度の深い側に土砂を外側に押し出す外動突起７を設け、回転翼５における深度の浅い側に土砂を内側に移動させる内動突起１３を設けたものである。

このような配置にすることで、図８のように中間に貫入性のよくない粘性土層があり、杭先端部を非常に硬い支持層まで施工するような地盤において、両方の層で施工時間を短縮することが可能となる。この理由は以下の通りである。
粘性土層では、外動突起７が土砂を外側に押し出そうとするため、外動突起７は粘性土層ではマイナスに作用するが、粘性土は外動突起７を乗り越えて、深度の浅い側に取り付けている内動突起１３によって内側に移動する傾向が強く、粘性土層では全体として外動突起７のマイナス面越えてプラスに作用する。
また、支持層では、硬い土砂が深度の深い側に取り付けられている外動突起７によって早期に外側に押し出されることで、回転貫入時の回転抵抗が小さくなり、円滑な貫入を可能にする。

なお、図７においては、外動突起７と内動突起１３をそれぞれ１本ずつ設けたものであるが、これらの数は適宜選択できるものであり、外動突起７と内動突起１３の数は同じである必要もない。
さらに言えば、外動突起７と内動突起１３を設ける最適な位置や数等は最適施工する地盤の状況によって異なるので、外動突起７と内動突起１３を着脱可能とし、かつ外動突起７と内動突起１３の取り付け可能位置を複数設けておき、現場の地盤状況に応じて、効果が期待される外動突起７及び／又は内動突起１３を効果が期待できる箇所に適宜取り付け、あるいは取り外すようにすればよい。

また、上記の説明では、回転翼の例として、図１に示したような、円周の一か所が切り欠いた螺旋状のドーナツ板からなる回転翼５を例示した。
しかし、本発明にかかるねじ込み式鋼管杭における回転翼はこれに限られるものではなく、前述したように特許文献１に開示されたような２枚の平板翼を組み合わせたものや、平板翼と螺旋翼を組み合わせたものも含む。
平板翼を組み合わせたものを例示すれば、図９に示すように、周方向で傾斜するように取り付けた２枚の平板翼１７ａ、１７ｂからなる回転翼１７が挙げられる。図９には土砂移動制御部材としての外動突起や内動突起は図示していないが、これらは実施の形態１〜３で示したのと同様に取り付けられる。
さらに言えば、本発明の回転翼は、周方向に傾斜した傾斜部を有するもので、回転に際して傾斜面によって推進力を発揮するものであれば、その形状や翼の枚数等は特に限定されるものではない。

１ ねじ込み式鋼管杭（実施の形態１）
３ 鋼管
５ 回転翼
７ 外動突起
９ ねじ込み式鋼管杭（従来例）
１１ ねじ込み式鋼管杭（実施の形態２）
１３ 内動突起
１５ ねじ込み式鋼管杭（実施の形態３）
１７ 回転翼（他の態様）
１７ａ、１７ｂ 平板翼

Claims (5)

1. 鋼管の先端又は先端近傍に、周方向に傾斜した傾斜部を有する回転翼を設けたねじ込み式鋼管杭であって、
   回転貫入中に前記回転翼の上面に移動した土砂が、前記回転翼の回転に伴い外方及び／又は内方へ移動するように土砂の移動を制御する土砂移動制御部材を、前記回転翼における前記傾斜部の上面に設けたことを特徴とするねじ込み式鋼管杭。
2. 前記土砂移動制御部材は、前記回転翼における前記傾斜部の上面の土砂を回転に伴い前記回転翼の外側に押し出すように移動させることを特徴とする請求項１記載のねじ込み式鋼管杭。
3. 前記土砂移動制御部材は、前記回転翼における前記傾斜部の上面の土砂を回転に伴い前記回転翼の内方に移動させることを特徴とする請求項１記載のねじ込み式鋼管杭。
4. 前記土砂移動制御部材は、前記回転翼における前記傾斜部の上面の土砂を回転に伴い前記回転翼の外側に押し出すように移動させる外側移動部材と、前記回転翼における前記傾斜部の上面の土砂を回転に伴い前記回転翼の内方に移動させる内側移動部材とを備えてなることを特徴とする請求項１記載のねじ込み式鋼管杭。
5. 前記土砂移動制御部材が着脱可能に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のねじ込み式鋼管杭。