JP6961344B2 - 鋼管杭の構造とその貫入方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼管杭の構造に関する。

従来から、構造物の基礎を構築する際に、鋼管を使用した杭（鋼管杭）を地中に打ち込んで基礎を構築することが行われている。

鋼管を打設する工法として、鋼管の頭部をハンマー等で衝打する工法があるが、この工法は騒音、振動等の発生量が大きいため、特に騒音規制の厳しい現場では施工法として問題が多い。また、杭打ち機を用いる場合は相応の作業スペースを必要とするので、狭隘地での施工に対応することが難しい。

このような問題を解決することを意図して、簡単な構成で騒音及び振動の発生を抑制することができる、パイプ打ち込み装置（杭打ち込み装置）が提案されている（例えば下記特許文献１）。

下記特許文献１に記載されたパイプ打ち込み装置は、パイプ（鋼管）内に収容され、内部にピストンを有するハンマー（打撃機）と、パイプの先端部に収容されたデバイスと、デバイスの先端部に連結された掘削ヘッド（ヘッド部）とを備える。このパイプ打ち込み装置では、エアコンプレッサから供給される圧縮空気によりハンマー内のピストンを上下動させて当該ピストンをデバイスに衝打させ、この衝打力によってデバイスの下方に連結した掘削ヘッドを地盤に貫入させる。下記特許文献１によれば、騒音、振動の発生源であるハンマーがパイプの内部で駆動されるため、騒音及び振動の発生レベルが抑えられ、また、ハンマーの衝打力を利用して穴あけとパイプ圧入とを同時に行うことができる、とされている。

特許２６３６２０７号公報

しかしながら、上記特許文献１では、鋼管と掘削ヘッドが一体的な構造であるため、ハンマーによる打撃中（言い換えれば、掘削ヘッドが地盤に貫入する方向に進む際）には、鋼管に作用する土の締付力が貫入力の抵抗となる。つまり、上記特許文献１では、騒音及び振動の発生レベルを抑えながら鋼管を地中に埋設することはできるものの、ハンマーによる打撃力が、掘削ヘッドを推進させる方向の力に有効に作用していなく、鋼管杭を地中に円滑に貫入させる観点では依然として課題が残っていた。

そこで、本発明は、簡単な構成且つ騒音や振動を抑制しながら、地盤への貫入を容易に行うことができる鋼管杭の構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る鋼管杭の構造は、地盤に埋設される鋼管杭の構造であって、鋼管とは分離可能に構成されると共に、前記鋼管内を移動する打撃機に打撃される衝打部を有し、該衝打部で受けた打撃力によって推進するヘッド部と、前記鋼管の先端側で前記衝打部を弾性支持すると共に、前記打撃機が前記衝打部を打撃した際に生じる打撃力を受けて圧縮変形する弾性部材と、を備え、前記打撃機による前記衝打部の打撃によって、前記ヘッド部が前記鋼管に対して独立して推進すると共に前記弾性部材が圧縮変形され、該圧縮変形に基づく弾性部材の復元力が前記鋼管に作用して前記鋼管が前進方向に付勢されるように構成されている。

この態様によれば、打撃機による打撃によって、鋼管の先端側に設けられたヘッド部が鋼管とは分かれて推進する構造となっており、地盤への貫入はこのヘッド部が担うので、鋼管に働く土の締付力を貫入力の抵抗とはならない。これにより、打撃機による打撃力は、ヘッド部を推進させる方向に有効に伝達され、ヘッド部を地中で円滑に推進させることができる。またヘッド部は鋼管とは分離可能に構成されており、打撃機による打撃によってヘッド部が鋼管に対して独立して推進するため、従来のようにヘッド部と鋼管とが一体の構成と比較して、打撃力を作用させたときのヘッド部の速度を増加させることができる。つまり、ヘッド部の衝突エネルギーを増加させることができるので、ヘッド部と鋼管とが一体の構成と比較して、地盤への貫入力を増大させることができる。また、鋼管杭の内部からヘッド部を打撃するので、例えば鋼管杭の頭部を打撃する構成と比較して、騒音を低下させることができる。また、地中で鋼管の先端側に設けられたヘッド部を打撃するので、振動も抑制することができる。更に、杭打ち機械が不要となるため施工スペースを広く確保する必要なくなり、狭隘地での施工にも対応することができる。

上記態様において、前記鋼管及び前記打撃機は、前記圧縮変形に基づく弾性部材の復元力によって互いに軸方向反対側に付勢され、前記打撃機の打撃による前記ヘッド部の推進と前記弾性部材の復元力による前記鋼管の推進とが繰り返されることで鋼管杭が地中に貫入されるように構成されていることも好ましい。

上記態様において、前記鋼管内の先端側に設けられ、前記打撃機の打撃を受けて前記衝打部が軸方向前側に移動したときに前記衝打部と当接する係合部を更に備え、前記衝打部で受けた前記打撃機による打撃力は、前記ヘッド部の先端側に伝達されると共に前記係合部を介して前記鋼管に伝達されるように構成されていても良い。

上記態様において、前記衝打部で受けた前記打撃機による打撃力は、前記鋼管及び前記ヘッド部のうち前記ヘッド部に相対的に大きく作用するように構成されていても良い。

上記態様において、前記ヘッド部は、その先端側に向けて縮径する先細形状を成し、その最大径部が前記鋼管の外径以下であっても良い。

上記態様において、前記ヘッド部は、その先端側に向けて縮径する先細形状を成し、その最大径部が前記鋼管の外径以上であってもよい。

上記態様において、前記打撃機は、前記鋼管の内径よりやや細い外径を有するハンマーであっても良い。

上記態様において、前記打撃機は、外部から供給される圧縮空気により前記鋼管内を上下動するピストンを有し、該ピストンを前記ヘッド部に打撃して打撃力を付与する打撃式推進機であっても良い。

本発明によれば、簡単な構成且つ騒音や振動を抑制しながら、地盤への貫入を容易に行うことができる鋼管杭の構造を提供することができる。

第１実施形態に係る鋼管杭の構造を説明するための概略断面図である。 第２実施形態に係る鋼管杭の構造を説明するための概略断面図である。 本実施形態における構成と従来の構成を比較して説明するための図である。 ヘッド部周辺の構成の変形例を示す概略断面図である。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

まず、第１実施形態に係る鋼管杭の構造について説明する。図１は、第１実施形態における鋼管杭の構造を説明するための概略断面図である。図１に示すように、鋼管杭の構造１は、構造物の基礎に用いられる杭（鋼管杭）に適用されるものであり、鋼管１０と、打撃機２０と、係合部６０と、ヘッド部５０と、スプリング７０とを少なくとも備える。なお、本実施形態における鋼管杭の構造は、垂直方向に鋼管杭を打設する際に用いられることが好適である。

打撃機２０は、鋼管１０内に収容され、鋼管１０の内部から衝打部５３を打撃するための装置である。打撃機２０は、鋼管１０の内寸よりもやや小さい外寸を有し、不図示のワイヤー等により吊持されて、自重により鉛直方向に落下させてヘッド部５０の衝打部５３を打撃する。本実施形態では、打撃機２０として、鋼管１０の内径よりやや細い外径を有し、自重により落下させて打撃力を付与するハンマーを用いた例を説明するが、これに限定されるものではない。例えば、打撃機２０は、シリンダーの内部にピストンを内蔵したもので、外部に設けたエアコンプレッサから供給される圧縮空気又は油圧によりピストンを上下動させて衝打部５３を衝打する構成としても良く、その他の打撃装置も適宜選択可能である。

鋼管１０の先端部には、略円筒状の係合部６０がネジ嵌合或いは溶接等により装着される。詳細には、係合部６０は、鋼管１０の先端側から後端側に向かって（図１では上方に向かって）順に拡径された、大径部６１、中径部６２、小径部６３を有する段付きの円筒形状を成している。この小径部６３の内側で衝打部５３が上下動可能となる程度の隙間を設けていると共に、中径部６２の内径は衝打部５３の外径よりも小さく設定されている。これにより、打撃機２０が衝打部５３に衝打して、衝打部５３が下方に移動したときに衝打部５３が中径部６２の上端（段部６２ａ）に当接し、衝打部５３が受けた打撃力が、段部６２ａを介して鋼管１０に伝達可能になっている。

なお、係合部６０の形状は、図示の例に限定されず、ヘッド部５０が内部を上下動可能であって、打撃力が係合部６０を介して鋼管１０に伝達するように構成されていれば、その形状や大きさは特に限定されるものではない。上述した説明では、係合部６０が円筒状の例を説明したが、角筒状であっても良く、ヘッド部５０の形状に合わせてその形状や大きさは適宜変更することが可能である。

ヘッド部５０は、鋼管１０の先端部に設けられ、打撃機２０の打撃により上下動可能に構成されている。本実施形態では、ヘッド部５０は鋼管１０とは別個の部材として構成され、打撃機２０の打撃を受けるとヘッド部５０のみが独立して推進可能に構成されている。図１に示すように、ヘッド部５０は、逆円錐型形状を呈する掘削ヘッド５１と、打撃機２０の打撃力を受ける衝打部５３と、当該掘削ヘッド５１と衝打部５３とを連結する連結部５２とを備える。

衝打部５３は、ヘッド部５０のうち打撃機２０が衝打される部分である。打撃機２０から受けた打撃力は、連結部５２を介して掘削ヘッド５１に伝達されるように構成されている。本実施形態において、連結部５２の周囲を覆うように、小径部６３から衝打部５３へ軸方向に延在したスプリング７０（弾性部材）が設けられている。このスプリング７０は、静止状態（打撃を受ける前の状態）では衝打部５３を弾性支持する一方で、衝打部５３が打撃を受けて衝打部５３が下方側へ移動すると、圧縮変形可能に構成されている。この圧縮変形に基づくスプリング７０の復元力は、鋼管１０に作用して鋼管１０を前進方向に付勢させるように構成される。また本実施形態において、衝打部５３が打撃機２０により衝打されて下方側に移動すると、衝打部５３が段部６２ａ（小径部６３と中径部６２との間の段差部）に当接し、これにより、衝打部５３が受けた打撃力が係合部６０を介して鋼管１０に伝達される。このように、衝打部５３が受けた打撃機２０による打撃力は、掘削ヘッド５１と鋼管１０とを前進させる方向（図１では下方向）へ作用し、また、衝打部５３の移動に伴い圧縮変更したスプリング７０の復元力は、鋼管１０を推進させる方向（図１では下方向）に作用すると共に、打撃機２０を押し戻す方向（図１では上方向）へ作用する。

掘削ヘッド５１は、ヘッド部５０の先端に設けられ、その先端側を縮径させた先細形状、例えば逆円錐型を成すもので、その最大径は、鋼管１０の外径に対応するように形成されている。

続いて、上述した構成を備えた鋼管杭の構造１を用いて、鋼管杭を地中に打ち込む工程について、図１（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら説明する。

図１（Ａ）に示すように、鋼管１０内に収容され、鋼管１０内を上下動可能な打撃機２０を、自重により落下させる。

次いで、図１（Ｂ）に示すように、打撃機２０を衝打部５３に衝打させ、衝打部５３が受けた打撃力が掘削ヘッド５１に伝達する。掘削ヘッド５１を含むヘッド部５０は、鋼管１０とは別個の部材として構成されているため、衝打部５３が受けた打撃力は、直接掘削ヘッド５１へ伝達され、掘削ヘッド５１は鋼管１０とは分かれて地盤に貫入される。

次いで、図１（Ｃ）に示すように、打撃機２０からの打撃により図１（Ｂ）に示す状態よりも更に衝打部５３が下方側へ押し下げられると、衝打部５３が、係合部６０における段部６２ａに衝突する。これにより、打撃機２０から衝打部５３に付与された打撃力が、係合部６０を介して鋼管１０にも伝達すると共に、衝打部５３の下方側への変位に伴い、スプリング７０が圧縮変形する。

次いで、図１（Ｄ）に示すように、圧縮変形したスプリング７０の復元力が鋼管１０に作用し、鋼管１０は前進方向（図１では下方向）に付勢されると共に、復元力が打撃機２０に作用して、打撃機２０は後退方向（図１では上方向）に押し戻される。すなわち、鋼管１０及び打撃機２０には、スプリング７０の復元力によって、互いに軸方向反対側の力が作用する。

以上、図１（Ａ）〜（Ｄ）を参照しながら説明した工程に示すように、打撃機２０の打撃によるヘッド部５０の推進と、スプリング７０の復元力による鋼管１０の推進とが繰り返され、地盤に杭が貫入されていく。

続いて、第２実施形態における鋼管杭の構造１について説明する。図２は、第２実施形態における鋼管杭の構造を説明するための概略断面図である。第２実施形態は、衝打部５３が打撃力を受けて変位したとしても衝打部５３と係合部６０とが当接しない構成となっている点（言い換えれば、係合部６０の構造を変化させた点）が、第１実施形態と異なっており、その他の構成や機能は第１実施形態と同じである。従って、第１実施形態と同一の部分についてはその説明を省略する。

図２に示すように、第２実施形態における係合部６０は、軸方向前側に向かって縮径した、大径部６１と小径部６３とを有する段付きの円筒状を成している。大径部６１の内側で衝打部５３が上下動可能となる程度の隙間が設けられていると共に、連結部５２の周囲を覆い、小径部６３から衝打部５３に向かって軸方向に延在したスプリング７０が配設されている。このスプリング７０は、静止状態（打撃を受ける前の状態）では衝打部５３を弾性支持する一方で、衝打部５３が打撃力を受けて下方側へ変位すると、衝打部５３の下端面と小径部６３の上端面との間で挟持されてスプリング７０が圧縮変形する。一方で、第１実施形態とは異なり、衝打部５３が打撃力を受けても衝打部５３が係合部６０（例えば大径部６１）に当接しない。したがって、第２実施形態では、衝打部５３が受けた打撃力は、係合部６０を介して鋼管１０に伝達されず、打撃力は掘削ヘッド５１に作用する。言い換えれば、衝打部５３が受けた打撃力は、鋼管１０に作用するよりも掘削ヘッド５１に相対的に大きく作用するように構成されている。このように打撃力が掘削ヘッド５１に作用し、掘削ヘッド５１は地盤内に貫入されていく。

続いて、第２実施形態における鋼管杭の構造１を用いた場合の鋼管杭を地中に打ち込む工程について、図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら説明する。

まず、図２（Ａ）に示すように、鋼管１０内に収容された打撃機２０を、その自重により鋼管１０の軸方向前方側（鋼管１０の先端側）に落下させる。

次いで、図２（Ｂ）に示すように、打撃機２０を衝打部５３に打撃して衝打部５３を軸方向前側（図２では下方側）に移動させ、この衝打部５３の移動に伴いスプリング７０が押圧されて圧縮変形する。また、衝打部５３の軸方向前側の移動に連動して、この衝打部５３と連結部５２を介して連結された掘削ヘッド５１が推進し、地盤に貫入する。このように、打撃機２０により衝打部５３が打撃されると、鋼管１０と分離可能に構成されたヘッド部５０が鋼管１０に対して独立して推進し、ヘッド部５０の先端部（掘削ヘッド５１）が地盤に貫入されていく。つまり、打撃機２０により衝打部５３が受けた打撃力は、鋼管１０に直接作用せず（或いは鋼管１０に間接的に作用するのみであり）、鋼管１０及びヘッド部５０のうちヘッド部５０に相対的に大きく作用するように構成されている。

次いで、図２（Ｃ）に示すように、図２（Ｂ）の状態で圧縮変形したスプリング７０の復元力が鋼管１０に作用することにより、鋼管１０が前進する。また、スプリング７０の復元力は打撃機２０にも作用し、打撃機２０が押し戻される方向に移動し、図２（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら説明したように、打撃機２０の打撃による掘削ヘッド５１の推進と、スプリング７０の復元力による鋼管１０の前進とが繰り返される。

以上説明した、第１実施形態及び第２実施形態が備える構成の効果について図３を参照しながら説明する。なお、図３では、第２実施形態の例を分離型の小型打撃杭として示しているが、第１実施形態においても同様の効果を奏する。

図３に示す「一体型の打撃杭（従来の構成例）」において、打撃機２０の質量Ｍ１、鋼管１０の質量ｍ２と掘削ヘッド９０の質量ｍ１との和をＭ２、（打撃前の）打撃機２０の速度Ｖ、打撃後（打撃機２０が掘削ヘッド５１を打撃した後）の掘削ヘッド５１の速度Ｖ１と定義すれば、運動量保存の法則に基づき、速度ｖ１は以下で表すことができる。
Ｍ１×Ｖ＝Ｍ２×ｖ１
ｖ１＝（Ｍ１／Ｍ２）×Ｖ・・・（１）

図３に示す「分離型の小型打撃杭」では、打撃機２０の質量Ｍ１、掘削ヘッド５１の質量ｍ１、（打撃前の）打撃機２０の速度Ｖ、打撃後（打撃機２０が衝打部５３を打撃した後）の掘削ヘッド５１の速度ｖ２と定義すれば、運動量保存の法則に基づき、速度Ｖ２は以下で表すことができる。
Ｍ１×Ｖ＝ｍ１×ｖ２
ｖ２＝（Ｍ１／ｍ１）×Ｖ ・・・（２）

式（１）及び式（２）より、ｖ２＞ｖ１であるため、従来の構成（ヘッド部と鋼管とが一体型の構成）と比較して、打撃機２０による打撃時のヘッド部５０の速度を増加させることができる。つまり、衝突エネルギー（Ｅ＝１／２ｍｖ²）が大きくなり、ヘッド部と鋼管とが一体型の構成と比較して、地盤への貫入力を増大させることができる。

以上説明した実施形態において、掘削ヘッド５１の形状は、その先端側を縮径させた先細形状である限り任意であり、例えば逆円錐型であっても良く、逆角錐型であっても良い。掘削ヘッド５１の最大径の大きさは任意に設定することができるが、例えば図４（Ａ）に示すように、掘削ヘッド５１の最大径Ｄ２を鋼管１０の外径Ｄ１以下としても良く、或いは、単に鋼管１０の打ち込みのみを目的とするものであれば、地盤との摩擦力を減じて滑らかな打ち込みを行うため、図４（Ｂ）に示すように、掘削ヘッド５１の最大径Ｄ２を鋼管１０の外径Ｄ１より大きくしても良い。

また以上説明した実施形態において、スプリング７０を１つ設けた例を説明したが、スプリング７０の数や配置等は任意に選択可能である。例えば図４（Ｃ）に示すように、ヘッド部５０の形状を変更した例（掘削ヘッド５１と衝打部５３とを連結する連結部５２を複数設けた構成の例）において、複数の連結部５２にそれぞれスプリング７０を配置、すなわちスプリング７０を並列に２個配置してもよい。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

１０：鋼管
２０：打撃機
５０：ヘッド部
５１：掘削ヘッド
５２：連結部
５３：衝打部
６０：係合部
６１：大径部
６２：中径部
６２ａ：段部
６３：小径部
７０：スプリング

Claims (8)

1. 地盤に埋設される鋼管杭の構造であって、
   鋼管とは分離可能に構成されると共に、前記鋼管内を移動する打撃機に打撃される衝打部を有し、該衝打部で受けた打撃力によって推進するヘッド部と、
   前記鋼管の先端側で前記衝打部を弾性支持すると共に、前記打撃機が前記衝打部を打撃した際に生じる打撃力を受けて圧縮変形する弾性部材と、を備え、
   前記打撃機による前記衝打部の打撃によって、前記ヘッド部が前記鋼管に対して独立して推進すると共に前記弾性部材が圧縮変形され、
   前記鋼管及び前記打撃機は、前記弾性部材の圧縮変形と、弾性部材の復元力によって互いに軸方向反対側に付勢され、
   前記打撃機の打撃による前記ヘッド部の推進と前記弾性部材の復元力による前記鋼管の推進とが繰り返されることで鋼管杭が地中に貫入されるように構成されており、
   前記鋼管内の先端側に設けられ、前記打撃機の打撃を受けて前記衝打部が軸方向前側に移動したときに前記衝打部と当接する係合部を更に備え、
   前記衝打部で受けた前記打撃機による打撃力は、前記ヘッド部に伝達されると共に前記係合部を介して前記鋼管に伝達されるように構成されている、
   鋼管杭の構造。
2. 前記弾性部材はスプリングである、請求項１に記載の鋼管杭の構造。
3. 前記衝打部で受けた前記打撃機による打撃力は、前記鋼管及び前記ヘッド部のうち前記ヘッド部に相対的に大きく作用するように構成されている、請求項１又は２に記載の鋼管杭の構造。
4. 前記ヘッド部は、その先端側に向けて縮径する先細形状を成し、その最大径部が前記鋼管の外径以下である、請求項１から３のいずれか１項に記載の鋼管杭の構造。
5. 前記ヘッド部は、その先端側に向けて縮径する先細形状を成し、その最大径部が前記鋼管の外径以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の鋼管杭の構造。
6. 前記打撃機は、前記鋼管の内径よりやや細い外径を有するハンマーである、請求項１から５のいずれか１項に記載の鋼管杭の構造。
7. 前記打撃機は、外部から供給される圧縮空気により前記鋼管内を上下動するピストンを有し、該ピストンを前記ヘッド部に打撃して打撃力を付与する打撃式推進機である、請求項１から６のいずれか１項に記載の鋼管杭の構造。
8. 鋼管内を移動する打撃機によって前記鋼管の衝打部を打撃して鋼管杭を地盤に貫入させる鋼管杭の貫入方法であって、
   前記鋼管杭は、前記鋼管とは分離可能に構成され、前記衝打部で受けた打撃力によって推進するヘッド部と、前記鋼管の先端側で前記衝打部を弾性支持すると共に、前記打撃機が前記衝打部を打撃した際に生じる打撃力を受けて圧縮変形する弾性部材と、を備えていて、
   前記打撃機による前記衝打部の打撃によって、前記ヘッド部を前記鋼管に対して独立して推進させると共に前記弾性部材を圧縮変形させ、
   前記鋼管及び前記打撃機を、前記弾性部材の圧縮変形と、前記弾性部材の復元力によって互いに軸方向反対側に付勢し、
   前記打撃機の打撃による前記ヘッド部の推進と前記弾性部材の復元力による前記鋼管の推進とを繰り返すことで鋼管杭を地中に貫入させ、
   前記鋼管内の先端側に設けられた係合部を、前記打撃機の打撃を受けて前記衝打部が軸方向前側に移動したときに前記衝打部と当接させ、
   前記衝打部で受けた前記打撃機による打撃力を、前記ヘッド部に伝達すると共に前記係合部を介して前記鋼管に伝達することにより、鋼管杭を地盤に貫入させる方法。

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