JP6851196B2

JP6851196B2 - 杭構造体および杭構造体の施工方法

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Publication number: JP6851196B2
Application number: JP2016252505A
Authority: JP
Inventors: 仁志市村; 高橋　秀一; 秀一高橋; 将憲菅
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP2018104994A

Description

本発明は杭構造体および杭構造体の施工方法に関するものである。詳しくは、セメントミルクの固化物からなる芯部と、芯部の外周に形成された摩擦部と、芯部の下端に接合された金属製の支持部を備える構成とすることによって、以下の技術的効果を発現させることができる杭構造体および杭構造体の施工方法に関するものである。
１）鋼管を土壌中に埋設することなく、杭自体の強度を確保することができる。
２）周囲の土壌・地盤に対して強固な摩擦力、支持力を発現させることができる。具体的には、従前の杭構造体のような、芯部とその周囲との間に境界が形成されてしまうことによる摩擦力、支持力の低下を生じることなく、芯部とその周囲との間に強固な摩擦力、支持力を発現させることができる。
３）セメントミルクの固化物からなる芯部および芯部先端に支持部を備えているので杭自体の支持力を確保することができる。
４）１）〜３）の効果を簡単な構造および安価なコストで実現することができる。

従前から、建築物を建築する際、地盤を強化・改良するための一般的な方法として地盤（土壌）に杭を打ち込む工法が採用されている。

そして、このような杭の施工方法として、杭を地盤に圧入した際に先端部を土壌中に残すことによって支持力を得る技術（特許文献１、２）や、鋼管杭を地盤に打ち込んでいく際に掘削した土壌とセメントミルクを混合し、杭打ち後に鋼管杭を地中に打ち込んだまま掘削した土壌とセメントミルクの混合物を固化させて地盤を強化・改良する技術（特許文献３、４）などが開発されている。

特開平１０−２１９６８３号公報特開２０００−１７０１４９号公報特開２００３−１０５７４７号公報特開２００４−３００８４７号公報特開２０１６−２０６２１号公報

しかしながら、特許文献１、２に記載されている技術は、先端部が土壌中に残っていることから形成された杭の支持力については確保されるものの、杭自体については先端部を地盤に圧入することによって作製した穴にコンクリートや鉱さいなどを充填することによって形成するものであることから、作製した穴と形成した杭との間には、境界が形成されてしまうことになり、穴と杭との間の摩擦力や支持力が低下してしまうという問題がある。

一方、特許文献３、４に記載されている技術は、掘削した土壌とセメントミルクの混合物を固化させたものを杭の外周に形成することから、特許文献１、２に記載の技術よりは地盤を強化・改良することができることになる。
しかしながら、特許文献３、４に記載されている技術は、鋼管杭を地中に打ち込んだままとなることから、杭自体は鋼管杭と鋼管杭の内部に充填したセメントミルクの固化物によって形成されることになるため、掘削土壌とセメントミルクの混合固化物と、杭との間には、はっきりとした境界が形成されてしまうことになり、摩擦力、支持力が低下してしまうという問題がある。
なお、この点については、鋼管の表面に凹凸や螺旋板を設けることによって摩擦力、支持力の低下を防止することが可能であるが、専用の杭を作製しなければならなかったり、鋼管杭は地中に打ち込んだままとなることからコスト高になってしまったりするなどの問題がある。

なお、特許文献５には、地盤を掘削する際に、まず掘削した土壌とセメントミルクの混合物５による掘削孔４０を作製した後、混合物５が固化する前に掘削孔４０よりも口径が小さい掘削ロッド３１および掘削ベッド３３を混合物５（掘削孔４０）中に再度掘削し、先端からセメントミルクを吐出させて芯部６を形成する技術が開示されている。

係る技術によれば、混合物５と芯部６との間や混合物５と土壌との間には、境界が形成されることがないことから摩擦力の低下を防止することができるという利点がある。

しかしながら、特許文献５に記載されている技術は、図６、８に開示されているとおり、ノズル３２の流路３２１が細いことから、掘削ベッド３３によって芯部となる部分を再度掘削してノズル３２からセメントミルクを吐出した場合でも、セメントミルクの吐出量が少ないため図２（ｆ）のような円柱状の芯体６ａとはなりにくいという問題がある。
また、特許文献５に記載されている技術は、先端部を土壌中に残すものではないことから、杭の支持力を十分に確保することができないという問題もある。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたものであって、セメントミルクの固化物からなる芯部と、芯部の外周に形成された摩擦部と、芯部の下端に接合された金属製の支持部を備える構成とすることによって、以下の技術的効果を発現させることができる杭構造体および杭構造体の施工方法の提供を目的とするものである。
１）鋼管を土壌中に埋設することなく、杭自体の強度を確保することができる。
２）周囲の土壌・地盤に対して強固な摩擦力、支持力を発現させることができる。具体的には、従前の杭構造体のような、芯部とその周囲との間に境界が形成されてしまうことによる摩擦力、支持力の低下を生じることなく、芯部とその周囲との間に強固な摩擦力、支持力を発現させることができる。
３）セメントミルクの固化物からなる芯部および芯部先端に支持部を備えているので杭自体の支持力を確保することができる。
４）１）〜３）の効果を簡単な構造および安価なコストで実現することができる。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る杭構造体は、セメントミルクの固化物からなる芯部と、芯部の外周に形成され、芯部と一体となった摩擦部と、芯部の下端に接合された支持部を備え、支持部が、円柱状または底面を有する円筒状の部材に、部材の外周面よりも外側に突出した掘削刃を設けたものであることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る杭構造体は、摩擦部が、掘削土壌とセメントミルクとの混合固化体であることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る杭構造体は、摩擦部が、掘削土壌とセメントミルクとが不均一な混合状態となって固化しているものであることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る杭構造体の施工方法は、掘削刃を備えた先端部材と、吐出口を有する鋼管を用いて吐出口からセメントミルクを吐出して、掘削した土壌とセメントミルクを混合しながら土壌を掘削する掘削工程と、先端部材を所定深度になるまで鋼管を土壌に挿入した後、先端部材を分離して先端部材のみを土壌中に残置する分離残置工程と、分離残置工程の後に、鋼管の先端からセメントミルクを吐出しながら鋼管を土壌から引き抜く引抜工程を備えることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る杭構造体の施工方法は、掘削刃が、鋼管の外周面よりも外側に突出するように設けられたものであることを特徴とする。

本発明に係る杭構造体および杭構造体の施工方法によれば、セメントミルクの固化物からなる芯部と、芯部の外周に形成された摩擦部と、芯部の下端に接合された金属製の支持部を備える構成とすることによって、以下の技術的効果を発現させることができる。
１）鋼管を土壌中に埋設することなく、杭自体の強度を確保することができる。
２）周囲の土壌・地盤に対して強固な摩擦力、支持力を発現させることができる。具体的には、従前の杭構造体のような、芯部とその周囲との間に境界が形成されてしまうことによる摩擦力、支持力の低下を生じることなく、芯部とその周囲との間に強固な摩擦力、支持力を発現させることができる。
３）セメントミルクの固化物からなる芯部および芯部先端に支持部を備えているので杭自体の支持力を確保することができる。
４）１）〜３）の効果を簡単な構造および安価なコストで実現することができる。

本発明の請求項２、３に係る杭構造体によれば、摩擦部を特定の形態とすることによって、上記１）〜４）の効果をより効果的に発現させることができる。

本発明の請求項５に係る杭構造体の施工方法によれば、掘削刃を特定の形態とすることによって、上記２）の効果をより向上させた杭構造体を作製することができる。

本発明の杭構造体を示す模式図である。本発明の杭構造体を作製する際に用いる掘削杭の模式図である。図２の掘削杭の断面図（図３（ａ）は分離時の断面図、図３（ｂ）は連結時の断面図）である。図２の掘削杭を上方から見た状態を示す模式図である。図２の掘削杭を下方から見た状態を示す模式図である。図２の支持部４の側面図である。本発明の杭構造体の施工方法を示す説明図である。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下に述べる実施形態は本発明を具体化した一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものでない。
図１は本発明の杭構造体を示す模式図であり、図２は本発明の杭構造体を作製する際に用いる掘削杭の模式図であり、図３は図２の掘削杭の断面図（図３（ａ）は分離時の断面図、図３（ｂ）は連結時の断面図）であり、図４は図２の掘削杭を上方から見た状態を示す模式図であり、図５は図２の掘削杭を下方から見た状態を示す模式図であり、図６は図２の支持部４の側面図である。

（杭構造体）
まず、本発明の杭構造体の構成を図１に基づいて説明する。
本発明の杭構造体１は、セメントミルクの固化物からなる芯部２と、芯部２の外周に形成され、芯部２と一体となった摩擦部３と、芯部２の下端に接合された支持部４を備えることを基本構成とするものである。
そして、本発明の杭構造体はこのような構成を備えていることから［発明の効果］において記載の様々な技術的効果を発現させることができることになる。

具体的には、まず、芯部２と一体となった摩擦部３を備えている構造であることから、周囲の土壌・地盤に対して強固な摩擦力、支持力を発現させることができるのである。
すなわち、従前の杭構造体のように鋼管を土壌中に埋設した杭構造体では、鋼管の外周面とその周辺の土壌・地盤とはそもそも材質が異なることから、鋼管の外周面とその周辺の土壌・地盤との間には境界（面）が形成されてしまうことになる。また、鋼管を打ち込む際には鋼管の外周面が土壌・地盤と擦れ合いながら打ち込まれていくことから、鋼管の外周面とその周辺の土壌・地盤との間には擦れ合うことによる境界（面）が形成されてしまう場合もある。従って、従前の杭構造体においては、芯部（鋼管の材質や鋼管内部の構造）を強固なものとした場合でも、鋼管（芯部）の外周面とその周辺の土壌・地盤との間に形成されてしまう境界に起因する摩擦力、支持力の低下がどうしても生じてしまうことになる。
これに対して、本願発明の杭構造体１は、芯部２の外周に形成される摩擦部３が芯部２と一体となった構造であることから、芯部２の外周面とその周辺の土壌・地盤との間に境界が形成されてしまうことがなく、摩擦力、支持力を保持することができるのである。
また、本願発明の杭構造体１は、図１に示すとおり、芯部２や摩擦部３の外周面には凹凸が形成されることになる（従前の杭構造体のように鋼管によるきれいな円柱が形成されるのではない）ため、係る凹凸によるアンカー効果や表面積が大きくなる効果によって摩擦力、支持力を発現させることもできるのである。

次に、上記のとおり、芯部２を土壌中においてむき出しの状態とした場合でも摩擦力、支持力を発現させることができることから、鋼管を土壌中に埋設することなく、杭自体の強度を確保することができるのである。

次に、芯部２の先端（下端）には支持部が接合されていることから、セメントミルクの固化物からなる芯部２の支持力自体も土壌・地盤内において十分確保することができることになり、芯部２の外周に形成され、芯部２と一体となった摩擦部３の摩擦力、支持力との相乗効果によって、より強固な杭構造体を得ることができるのである。

さらに、上記の効果を発現する杭構造体を簡単な構造および安価なコストで実現することができるのである。

次に、各構成要素について説明する。

（芯部）
本発明の杭構造体１の芯部２は、セメントミルクの固化物からなるものである。なお、本発明における「セメントミルクの固化物からなるもの」との意は、添加物までをも排除する意ではなく、必要に応じて流動化剤、増粘剤などの添加物を混合したものを含む意である。また、セメント、水などの各原料成分の混合比率についても必要に応じて適宜決定することができるものである。

また、芯部２の形状については、特に限定されるものではなく杭構造体１を打ち込む土壌・地盤に応じて適宜決定されるものであるが、様々な方向からの力に対して耐性を発現させるためには円柱状または略円柱状とすることが好ましい。

（摩擦部）
本発明の杭構造体１の摩擦部３は、芯部２の外周に形成され、芯部２と一体となっているものである。具体的には、杭構造物１を作製する際に掘削される掘削土壌とセメントミルクとの混合固化体となっているものである。このように本発明の杭構造体１の摩擦部３は、掘削土壌とセメントミルクとの混合固化体となっていることから、芯部２と摩擦部３とは同じセメントミルク成分によって連続した（一体化した）状態を形成することになり、従前の杭構造体のように芯部２の外周面とその周辺の土壌・地盤との間に境界が形成されることがなく、摩擦力、支持力を発現することができるのである。

なお、掘削土壌とセメントミルクとの混合固化体は、掘削土壌とセメントミルクとが均一に混合されて固化している状態でも、掘削土壌とセメントミルクとが不均一な混合状態となって固化しているものでも良い。
なお、掘削土壌とセメントミルクとが均一な混合状態となって固化している場合には、芯部２の外周面とその周辺に位置する摩擦部３との間や、摩擦部３の外周面とその周辺に位置する土壌・地盤との間には、明確な材質の違いによる境界が存在してしまう可能性がある一方、均一な組成となることから強度が確保されることになり、セメントミルクと掘削土壌が不均一な混合状態となって固化している場合には、上記のような材質の違いによる境界が明確には存在しない箇所も形成されることから、芯部２と摩擦部３との間、摩擦部３とその周辺に位置する土壌・地盤との間が連続した（一体化した）状態を形成することになり、摩擦力、支持力を発現することができる。

なお、掘削土壌に対するセメントミルクの配合比率については、特に限定されるものではなく必要に応じて適宜決定することができる。

（支持部、掘削杭）
本発明の杭構造体１の支持部４は、図１、２、３、５〜７に示すように、円柱状または底面を有する円筒状の部材５（掘削の際には先端部材５ｂとなるもの）に、突出部６ａ（掘削の際には掘削刃６ｂとなるもの）を備えたものである。また、突出部６ａは、円柱状または底面を有する円筒状の部材５の外周面よりも外側に突出したものである。なお、図１、２、３、５〜７に示す支持部４は、掘削刃６ｂ（突出部６ａ）の他に、円柱状または底面を有する円筒状の部材５の先端（下端）にも掘削刃７、掘削刃８を設けた構造となっている。

さらに、支持部４は鋼管９の先端に着脱自在に取付られることによって掘削の際に用いられる掘削杭１０を形成となる。
なお、支持部４と鋼管９との着脱方式については、特に限定されるものではなく各種の方式を採用することができる。そしてその中でも、図３、４、６、７に示すように、一対の係止部１１を支持部４の内面に対向するように設けるとともに、係る係止部１１に係止される一対の突起部１２を鋼管９の内面に対向するように設けた形態を採用すれば、簡単な構造でありながら、掘削の際に鋼管９にかかる力に活用して支持部４と鋼管９とを連結することができ、また支持部４と鋼管９との分離も簡単に行うことができるので好適である。すなわち、係る構造を採用すれば、鋼管９を特定の回転方向（図３、４、６、７においては、上方から下方（地上から地中）に向かって見た場合に時計回り方向）で回転した場合には、突起部１２が係止部１１に係止されて支持部４と鋼管９とが連結された状態となって掘削がなされることになり、鋼管９を逆の回転方向（図３、４、６、７においては、上方から下方（地上から地中）に向かって見た場合に反時計回り方向）で回転した場合には、突起部１２と係止部１１との係止状態が解除されて支持部４を鋼管９から分離させることができるのである。

なお、図３、４、６、７においては、係止部１１を支持部４の内面に設け、突起部１２を鋼管９の内面に設けた形態としているが、突起部１２を支持部４の内面に設け、係止部１１を鋼管９の内面に設けた形態としてもよい。

さらに、図１、２、３、５〜７に示す支持部４は、円柱状または底面を有する円筒状の部材５（先端部材５ｂ）に掘削刃６ｂ（突出部６ａ）を設けた構造となっているが、鋼管９に掘削刃６ｂ（突出部６ａ）を設ける構造とすることもできる。

また、鋼管９には、掘削の際に掘削土壌とセメントミルクとを混合するための撹拌部材１３を設けることができる。このような撹拌部材１３を設ければ、掘削土壌とセメントミルクとの不均一な混合状態と容易に作製することができるので好適である。

なお、掘削杭１０にはセメントミルクを吐出するために吐出口（図示せず）を設ける必要がある。このよう掘削杭１０に吐出口を設けておくことによって、掘削時に鋼管９および突出部６ａ（掘削刃６ｂ）を回転させながら吐出口からセメントミルクを吐出することで、簡単に掘削土壌とセメントミルクとの混合状態を作り出すことができ、摩擦部３を作製することができるのである。なお、掘削杭１０における吐出口の設置位置については、特に限定されるものではなく、円柱状または底面を有する円筒状の部材５ａ（先端部材５ｂ）、突出部６ａ（掘削刃６ｂ）、鋼管９、撹拌部材１３のいずれにも設けることができる。

（杭構造体の施工方法）
次に、本発明の杭構造体の施工方法を図８に基づいて説明する。図８は本発明の杭構造体の施工方法を示す説明図である。なお、本発明の杭構造体の施工方法は、掘削工程、分離残置工程、引抜工程を備えるものである。

まず、自走可能な作業車両１４にガイド柱１５を取付ける。なお、ガイド柱１５には、掘削杭１０（［００３５］および図３、４、６にて記載した着脱方式にて、先端部材５ｂ（支持部４）が鋼管９の先端に着脱自在に取付けられている）、ガイド柱１５に沿って昇降自在な昇降ヘッド１６、回転モータ１７が取付けられている。また、掘削杭１０の上方には供給装置（図示せず）から供給されるセメントミルクを掘削杭１０（鋼管９）内に供給するための配管１８が接続されている。

そして、図８（ａ）に示すように、上記の装備を行った作業車両１４を地盤の強化・改良を行いたい場所に配置する。

（掘削工程）
次に、図８（ｂ）に示すように、昇降ヘッド１６および回転モータ１７を用いて掘削刃６ｂ（突出部６ａ）、掘削刃７、掘削刃８、撹拌部材１３を回転させながら、強化・改良を行いたい場所に掘削杭１０を打ち込んでいく。そしてこの際、供給装置（図示せず）からセメントミルクを掘削杭１０（鋼管９）内に供給し、吐出口からセメントミルクを吐出しながら掘削杭１０を打ち込んでいく。
そうすると、掘削刃６ｂ（突出部６ａ）および撹拌部材１３によって、掘削土壌と吐出口されたセメントミルクとが混合されることになり、掘削土壌とセメントミルクとの混合物１９（固化することによって摩擦部３となるもの）が鋼管９の周囲に形成されていくことになる。
そして、掘削土壌とセメントミルクとの混合物１９（固化することによって摩擦部３となるもの）を作製しながら、図８（ｃ）に示すように、先端部材５ｂ（支持部４）が所定の深度になるまで掘削杭１０（鋼管９）の打ち込みを行う。

（分離残置工程）
次に、先端部材５ｂ（支持部４）を所定の深度まで打ち込んだ後、セメントミルクの供給を停止する。そして、鋼管９の回転を逆回転することによって係止状態の解除を行い、先端部材５ｂと掘削刃６ｂを地盤の所定深度に残置することによって、支持部４（円柱状または底面を有する円筒状の部材５ａおよび突出部６ａ）の形成を行う。

（引抜工程）
次に、図８（ｄ）に示すように、係止状態の解除を行った鋼管９を土壌中から引き抜きながら、鋼管９の先端からセメントミルクを吐出することによって、セメントミルクの円柱物２０（固化することによって芯部２となるもの）を作製する。
そうすると、図３（ａ）に示すように、支持部４（先端部材５ｂと掘削刃６ｂ）を分離した後（地盤の所定深度に残置した後）の鋼管９は円筒状となることから、供給されたセメントミルクは円柱状または略円柱状のセメントミルクの円柱物２０となりながら、支持部４の上部に形成されていくことになる。従って、供給されたセメントミルクが固化物となった際には、支持部４が土台となった芯部２が形成されることになり、支持力を発現させることができることになる。また、支持部４には円柱状または底面を有する円筒状の部材５ａ（先端部材５ｂ）の外周面よりも外側に突出した突出部６ａ（掘削刃６ｂ）が設けられていることから、この点からも安定した土台の上に芯部２が形成されることになる。

さらに、供給されたセメントミルクは円柱状または略円柱状のセメントミルクの円柱物２０となりながら、セメントミルクと掘削土壌との混合物１９の中央部に形成されていくことになる。ここで、鋼管９は引き抜かれることになることから、形成されていくセメントミルクの円柱物２０と、掘削土壌とセメントミルクとの混合物１９との間には、従前の技術のような境界が形成されることもなくなり、その結果、固化することによって摩擦力、支持力を発現させることができることになる。

なお、引抜工程においては、鋼管９を回転させながら、すなわち撹拌部材１３によってセメントミルクと掘削土壌との混合物を再度撹拌しながら鋼管９の引き抜きを行ってもよいし、あるいは回転モータ１７の稼働を停止して鋼管９を回転させることなく土壌中からの引き抜きを行ってもよい。

また、セメントミルクの吐出量については特に限定されるものではなく、杭構造体１を打ち込む土壌・地盤に応じて適宜決定することができる。

最後に、図８（ｅ）に示すように、土壌から鋼管９の引き抜きを完了し、セメントミルクを固化させることによって芯部２および摩擦部３の形成を行い、杭構造体１の施工を完了する。

以上のことから、本発明に係る杭構造体および杭構造体の施工方法によれば、［発明の効果］に記載の様々な技術的効果を発現させることができることになる。

本発明の杭構造体および杭構造体の施工方法は、地盤の強化・改良に用いることができる。

１杭構造体
２芯部
３摩擦部
４支持部
５ａ円柱状または底面を有する円筒状の部材
５ｂ先端部材
６ａ突出部
６ｂ掘削刃
７掘削刃
８掘削刃
９鋼管
１０掘削杭
１１係止部
１２突起部
１３撹拌部材
１４作業車両
１５ガイド柱
１６昇降ヘッド
１７回転モータ
１８配管
１９掘削土壌とセメントミルクとの混合物
２０セメントミルクの円柱物

Claims

セメントミルクの固化物からなる芯部と、
前記芯部の外周に形成され、前記芯部と一体となった摩擦部と、
前記芯部の下端に接合された支持部を備え、
前記支持部が、
円柱状または底面を有する円筒状の部材に、
前記部材の外周面よりも外側に突出した掘削刃を設けたものであることを特徴とする杭構造体。
前記摩擦部が、
掘削土壌とセメントミルクとの混合固化体であることを特徴とする請求項１に記載の杭構造体。
前記摩擦部が、
掘削土壌とセメントミルクとが不均一な混合状態となって固化しているものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の杭構造体。
掘削刃を備えた先端部材と、吐出口を有する鋼管を用いて前記吐出口からセメントミルクを吐出して、掘削した土壌と前記セメントミルクを混合しながら土壌を掘削する掘削工程と、
前記先端部材を所定深度になるまで前記鋼管を土壌に挿入した後、前記先端部材を分離して前記先端部材のみを土壌中に残置する分離残置工程と、
前記分離残置工程の後に、前記鋼管の先端からセメントミルクを吐出しながら前記鋼管を土壌から引き抜く引抜工程を備えることを特徴とする杭構造体の施工方法。
前記掘削刃が、
前記鋼管の外周面よりも外側に突出するように設けられたものであることを特徴とする請求項４に記載の杭構造体の施工方法。