JP7285675B2 - 回転杭、回転杭の施工治具、および回転杭の施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転杭、回転杭の施工治具、および回転杭の施工方法に関する。

従来、粘土質地盤、砂質地盤等の軟弱地盤では、軟弱地盤に回転杭を硬質地盤まで打ち込んで、地盤補強を行う技術が知られている。
ここで、地盤補強に用いる杭としては、コンクリート製の杭と、鋼管製の杭を用いる場合がある。
コンクリート製の杭を用いた技術としては、たとえば特許文献１および特許文献２に記載の技術が知られている。

特許文献１および特許文献２の技術では、杭長と略同じ長さ寸法を有し、掘削方向先端外周に掘削用の掘削羽根が設けられた掘削推進用ケーシングにより地盤掘削を行い、硬質地盤に達する深さ寸法の掘削が終了したら、ケーシング内部にコンクリートを流し込んだり、プレキャスト製のコンクリート杭を挿入して、地盤中にコンクリート杭を掘削施工する。施工後は、先端の掘削羽根を切り離してケーシングのみを土中から取り出して、次の杭の施工に利用する。

一方、鋼管を用いた回転杭では、鋼管の掘削方向先端の外周面に掘削羽根を溶接等により接合固定し、回転杭自体をオーガーモーター等により回転させて、地盤中に回転杭を掘削施工する。施工後、掘削羽根は回転杭とともに硬質地盤中に埋設され、硬質地盤に対するアンカーとして機能して、回転杭の支持強度を補強する。

特許第４１８９５５０号公報 特開２００２－１５５５３０号公報

しかしながら、前記特許文献１および特許文献２に記載の技術では、硬質地盤中に埋設された掘削羽根とコンクリート杭との接合を十分に行うことができないため、硬質地盤中に埋設された掘削羽根によるアンカー効果を期待できないという課題がある。
また、鋼管を用いた回転杭では、オーガーモーター等の回転せん断力を鋼管杭自体で先端の掘削羽根に伝達しなければならない。このため、回転杭に通常必要とされる設計上の支持耐力に応じた鋼管よりも、肉厚寸法の大きな鋼管を用いて回転杭を製造しなければならず、回転杭の部材コストが向上してしまうという課題がある。

本発明の目的は、掘削羽根のアンカー効果を十分に機能させることができ、かつ回転杭の部材コストを低減することのできる回転杭、回転杭の施工治具、および回転杭の施工方法を提供することにある。

本発明の回転杭は、鋼管本体と、前記鋼管本体の掘削方向先端に設けられ、回転することにより地盤を掘削する回転体とを備えた回転杭であって、前記回転体は、前記鋼管本体よりも肉厚の鋼管から構成され、前記鋼管本体の内部に挿入される筒状の内挿部と、前記内挿部の掘削方向先端に設けられ、外周に掘削羽根が設けられた掘削部と、前記内挿部に設けられ、前記掘削部を回転させるトルクを前記掘削部に伝達する回転せん断力伝達部と、を備え、前記鋼管本体および前記回転体が結合される。
具体的には、回転せん断力伝達部は、前記内挿部の筒状内部に突出して設けられる係合突出部を備えるのが好ましい。

本発明では、回転体の内挿部に回転せん断力伝達部が設けられている。そして、鋼管本体内部に回転軸部を引き通して回転せん断力伝達部と結合させ、回転杭の上端からオーガーモーター等の回転駆動手段によって回転体を回転させることができる。したがって、鋼管本体に回転せん断力をほとんど作用させることなく、回転杭の掘削施工を行うことができるため、その分鋼管本体として肉薄のものを採用することができ、回転杭の部材コストを低減できる。

本発明では、鋼管本体が回転体と結合している。したがって、回転体の地盤掘削に伴って鋼管本体が追従して沈下していくので、別途鋼管本体の圧入手段を用いることなく回転杭の掘削施工を行うことができ、回転杭の施工手間を軽減できる。
また、鋼管本体が回転体と結合されることにより、回転体の掘削羽根が硬質地盤を掘削した後、掘削羽根のアンカー効果を鋼管本体に伝達することができ、回転杭の地盤支持強度を向上させることができる。

本発明において、前記回転体は、前記内挿部および前記掘削部の間に設けられ、前記鋼管本体の端面を塞ぐ蓋部を備えるのが好ましい。
本発明では、鋼管本体を蓋部で塞ぐことにより、鋼管本体内部に掘削した土砂が流れ込むことを防止できる。したがって、掘削した土砂を鋼管本体の外周面に排出することが可能となるため、鋼管本体の周面摩擦力が向上し回転杭の地盤支持強度が一層向上する。

本発明の回転杭の施工治具は、前述した回転杭を施工するための回転杭の施工治具であって、前記鋼管本体の内部に挿入され、掘削方向基端側に生じたトルクを掘削方向先端に伝達する回転軸部と、前記回転軸部の掘削方向先端に設けられ、前記回転せん断力伝達部と結合する結合部とを備える。

本発明では、掘削方向基端側に生じたトルクを、回転杭の鋼管本体内部に挿入された回転軸部によって掘削方向先端に伝達する。そして、回転杭の鋼管本体に掘削のためのトルクを作用させることなく、回転杭の掘削施工を行うことができる。したがって、必要以上に回転杭の鋼管本体を肉厚とする必要がなく、回転杭の部材コストの低減を図ることができる。

本発明の回転杭の施工方法は、鋼管本体と、前記鋼管本体の掘削方向先端に設けられ、回転することにより地盤を掘削する回転体とを備えた回転杭の施工方法であって、前述した回転杭の鋼管本体に、前述した回転杭の施工治具の回転軸部を挿入する工程と、前記回転杭の前記回転せん断力伝達部に、前記施工治具の前記結合部を結合させる工程と、前記回転杭および前記施工治具を結合させた状態で、前記回転軸部に回転せん断力を作用させる工程とを実施する。
本発明によっても前述した作用および効果と同様の作用および効果を享受できる。

本発明の実施の形態に係る回転杭の構造を示す鉛直方向断面図および平面図。 前記実施の形態における回転杭の施工治具を示す鉛直方向断面図および水平方向断面図。 前記実施の形態における回転杭と施工治具の組み合わせを示す分解斜視図。 前記実施の形態における施工方法を示す模式図。 前記実施の形態における標準貫入試験におけるＮ値と回転杭の施工に必要な回転トルクの関係を示すグラフ。

以下、本発明の実施の一形態について図面に基づいて説明する。図１には、本発明の実施の形態に係る回転杭１が示されている。なお、図１において、図１（Ａ）は鉛直方向断面図であり、図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＢ－Ｂ線における平面図である。
回転杭１は、砂質地盤、粘土質地盤等の軟弱地盤に埋設され、地盤の長期許容鉛直支持力を補強する地盤補強材として機能したり、軟弱地盤上に建設される軽量建築物の長期許容支持力を保持する杭として機能する。
回転杭１は、図１に示すように、鋼管本体２と、回転体３とを備える。

鋼管本体２は、たとえば径寸法が５０ｍｍから１５０ｍｍ、厚さ寸法が２．３ｍｍから６ｍｍの円形鋼管から構成され、具体的には一般構造用円形鋼管のＳＴＫ４００等が用いられる。
鋼管本体２の掘削方向先端には、回転体３が設けられている。回転体３は、自己が回転することにより地盤を掘削して鋼管本体２を土中に埋設する。
鋼管本体２の上端には継手部材４が設けられ、回転杭１の掘削深度に応じて継手部材４の上部に図示しない鋼管杭が接続される。継手部材４は、図１では図示を略したが、内継手管、外継手管、および連結ピンを備える。鋼管本体２の上部に外継手管を取り付け、鋼管杭の下端に内継手管を取り付け、外継手管に内継手管を挿入した後、連結ピンを外継手管および内継手管の間に挿通して固定し、鋼管本体２と鋼管杭とを連結する。

回転体３は、内挿部３１、蓋部３２、および掘削部３３を備える。
内挿部３１は、鋼管本体２の下端開口から内部に挿入され、鋼管本体２の肉厚寸法よりも大きな肉厚寸法を有する円筒状の鋼管から構成される。たとえば、鋼管本体２の肉厚寸法が３．２ｍｍの場合に、内挿部３１の肉厚寸法が５ｍｍのＳＴＫ４００、ＳＴＫ４９０等の一般構造用円形鋼管を採用できる。内挿部３１の挿入方向の奥行き寸法は、たとえば１３０ｍｍに設定される。
内挿部３１の外周面と鋼管本体２の内周面との間は、軸方向に４箇所、円周方向に４箇所でスポット溶接３４により接合される。なお、内挿部３１および鋼管本体２の結合は、スポット溶接３４に限定されず、螺合構造等の機械式結合であってもよい。

内挿部３１の筒状内部には、内挿部３１の円筒中心を中心として対向する２箇所に、回転せん断力伝達部として例示される係合突出部３５が溶接等により接合される。
それぞれの係合突出部３５は、たとえば断面矩形状の棒状鋼から構成される。なお、係合突出部３５は、断面矩形状の棒状鋼だけでなく、鉄筋等に用いられる棒状鋼を採用してもよい。
係合突出部３５は、内挿部３１の円筒の軸方向に沿って設けられ、内挿部３１の上端から内挿部３１の円筒軸方向の途中までの長さ寸法とされる。つまり、係合突出部３５の下端と内挿部３１の下端との間には、隙間が形成される。

内挿部３１の下端面には、蓋部３２が隅肉溶接３６により接合される。
蓋部３２は、内挿部３１の鋼管径よりも大きな円形鋼板から構成され、たとえば厚さ寸法６ｍｍのＳＭ４９０Ａ、ＳＳ４００等の一般構造用圧延鋼板から構成される。蓋部３２の外周縁は、鋼管本体２の下端面から外側にはみ出ている。つまり、回転杭１を回転させて掘削した際の土砂は、蓋部３２によって塞がれるため、鋼管本体２の内部には流れ込まずに鋼管本体２の外周側に排出され、鋼管本体２の外周面に作用する周面摩擦力を大きくして回転杭１の支持強度を向上させる。

蓋部３２の下端面には、掘削部３３が隅肉溶接３７により接合される。
掘削部３３は、外周形状が鋼管本体２と同径の円筒鋼管から構成され、たとえば肉厚寸法が６ｍｍのＳＴＫ４００、ＳＴＫ４９０等の一般構造用円形鋼管を採用できる。掘削部３３の外周面には、掘削羽根３８が溶接により接合される。
掘削羽根３８は、回転杭１の軸と同軸のらせん羽根として構成され、本実施の形態では１巻きのらせん羽根として構成される。なお、掘削羽根３８は、１巻きでなく２巻き以上のらせん羽根として構成してもよく、さらには二重らせん羽根として構成してもよく、要するに掘削羽根の本数、形状は、要求される掘削能力に応じて適宜決定すればよい。

図２には、本実施の形態に係る回転杭１の施工治具５が示されている。図２において、図２（Ａ）は鉛直方向断面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＢ－Ｂ線における水平方向断面図である。
施工治具５は、鋼管本体２の上部に設けられたオーガーモーターの回転トルクを回転体３に伝達し、回転体３を回転させることにより地盤を掘削するための治具であり、六角接合部５１、回転軸部５２、および結合部５３を備える。

六角接合部５１は、断面六角形の鋼製中実体から構成され、その中間には六角形の互いに対向する一対の面を貫通するボルト孔５４が形成される。この六角接合部５１には、回転杭１を回転駆動するオーガーモーター６１（図３参照）の回転軸が接続される。具体的には、六角接合部５１は、オーガーモーター６１の回転軸先端に設けられ、内面に六角形状の凹部が形成されたキャップに挿入される。ボルト孔５４には、キャップの内外を貫通するボルトが挿入され、キャップの外側でボルトにナットが螺合する。

六角接合部５１の下部には、六角接合部５１の柱状体の軸に軸を合わせて断面円形の回転軸部５２が溶接により接合される。
回転軸部５２は、六角接合部５１に作用する回転せん断力を、掘削方向先端に設けられた結合部５３に伝達する。回転軸部５２は厚肉の鋼管であり、少なくとも回転杭１の鋼管本体２の上端から回転体３までに達する長さ寸法を有し、鋼管本体２の上部で作用させた回転せん断力を回転体３まで伝達して、回転体３により地盤を掘削する。
回転軸部５２の鋼管径、肉厚寸法は、回転杭１の回転体３に作用する回転トルク、および掘削中に鋼管本体２の外周面に作用する周面摩擦力に耐えられる寸法に設定される。

回転軸部５２の下端には、結合部５３が設けられる。結合部５３は、内側部材５５および外側部材５６を備える。
内側部材５５は、回転軸部５２と同様の厚肉円筒鋼管から構成され、基端が回転軸部５２と軸を合わせて隅肉溶接５７により接合される。
外側部材５６は、内側部材５５の外周を囲むように配置される円筒鋼管から構成され、円筒鋼管の下端および上端は、隅肉溶接５８によって内側部材５５の外周面に接合される。

外側部材５６の外周側面には、円筒の軸方向に延びる矩形状の窓部５６Ａが形成される。窓部５６Ａは外側部材５６の内外を貫通し、外側部材５６の２箇所に形成される。それぞれの窓部５６Ａは、外側部材５６の円筒の軸を中心として対向配置される。
窓部５６Ａの長手方向（回転杭１の軸方向）の寸法は、前述した係合突出部３５の長さ寸法よりもわずかに長くなっている。

それぞれの窓部５６Ａの下端部には、窓部５６Ａの中央部を切り欠く切欠部５６Ｂが形成され、切欠部５６Ｂは、外側部材５６の下端部まで達している。
切欠部５６Ｂには、図２（Ｂ）に示すように、回転体３の係合突出部３５が挿入される。係合突出部３５は、切欠部５６Ｂに挿入された後、窓部５６Ａの上端縁に当接し、外側部材５６が回転すると、窓部５６Ａの端部に収容され、結合部５３と結合する。

回転体３に施工治具５を装着する場合、図３に示すように、施工治具５の外側部材５６の切欠部５６Ｂに係合突出部３５を挿入する。窓部５６Ａの下端が、内挿部３１の下端と係合突出部３５との間の隙間（図１参照）に達したら、回転軸部５２を左右いずれかの方向に回転させて、結合部５３を係合突出部３５に結合させる。

次に、前述した回転杭１を、回転杭１の施工治具５を用いて施工する施工手順について、図４に示す模式図に基づいて説明する。
まず、図４（Ａ）に示す状態で、回転杭１の内部に施工治具５を挿入し、回転杭１および施工治具５を連結する。回転杭１と施工治具５の連結は、回転体３の係合突出部３５を、施工治具５の結合部５３の切欠部５６Ｂから窓部５６Ａに挿入し、所定角度回転させて行う（図３参照）。
次に、杭打ち機６のオーガーモーター６１の回転軸の先端に設けられたキャップと、施工治具５の六角接合部５１とをボルトナットにより連結する。

図４（Ｂ）に示すように、杭打ち機６のオーガーモーター６１および圧入機６２を上昇させ、回転杭１の杭芯に回転杭１を建て込む。
この状態で杭打ち機６のオーガーモーター６１を駆動して、回転杭１を回転させるとともに圧入機６２を駆動させて回転杭１の地盤掘削を行い、図４（Ｃ）に示すように、回転杭１を地盤中に埋設する。

回転杭１の埋設が終了したら、オーガーモーター６１をわずかに逆転させ、係合突出部３５を切欠部５６Ｂの位置に戻し、図４（Ｄ）に示すように、施工治具５を上昇させて施工治具５を撤去する。
回転杭１の地盤への打込長さが足りない場合、図４（Ｃ）において、回転杭１の杭頭を地表から露出させた状態で、回転杭１の杭頭に継手部材４を装着する。
続けて、施工治具５の回転軸部５２を延長し、回転杭１の上部に施工する鋼管杭（図示略）に挿入し、回転杭１の内部に施工治具５を挿入して結合部５３に係合突出部３５を係合させる。そして、オーガーモーター６１および圧入機６２による地盤掘削を行って、鋼管杭を地盤中に埋設する。

本実施の形態によれば、以下のような効果がある。
地盤の強度は地盤の土質によって異なり、地盤強度は、標準貫入試験から求められるＮ値によって評価することができる。
一方、回転杭の掘削に必要な回転せん断力（以下回転トルクともいう）は、Ｎ値に応じて変化する。たとえば図５（Ａ）、（Ｂ）に示すように、Ｎ値の大きな土質の地盤では掘削に要する回転トルクは大きくなり、Ｎ値の小さな土質の地盤では掘削に要する回転トルクは小さくなる傾向にある。

ここで、一般的な鋼管本体の外周に掘削羽根を設けた回転杭の鋼管本体の肉厚寸法は、回転杭１の長期鉛直許容支持力と、地盤掘削時に回転杭１に作用すると想定される必要回転トルクとから算出される鋼管本体２の肉厚寸法とのいずれか大きい方によって定められる。
たとえば、支持層の地盤強度のＮ値を１５、杭径をφ１１４．３ｍｍ、掘削羽根径を杭径の２．５倍とした場合、長期鉛直許容支持力は３７ｋＮ、必要回転トルクは４．５５ｋＮ・ｍと算出される。

求められた長期鉛直許容支持力に基づいて、回転杭の鋼管本体に必要な肉厚寸法を算出すると、肉厚寸法は１．８ｍｍとなる。
一方、求められた必要回転トルクに基づいて、回転杭の鋼管本体に必要な肉厚寸法を算出すると、肉厚寸法は２．０ｍｍとなる。
さらに、支持地盤の途中にＮ値＝２０の中間層が存在した場合、回転杭は中間層を貫通する必要があるため、必要回転トルクは６．０６ｋＮ・ｍとなり、鋼管本体に必要な肉厚寸法は２．６ｍｍとなる。

つまり、従来の回転杭の鋼管本体の肉厚寸法は、長期鉛直許容支持力から算出されるものではなく、掘削時の必要回転トルクから決定される。
ところで、回転杭の掘削施工時の回転トルクが作用する割合は、８０％が掘削羽根の掘削トルクであり、残り２０％が回転杭の鋼管本体の周面摩擦力であることが知られている。

本実施の形態では、回転杭１が鋼管本体２の掘削方向先端に回転体３を有し、この回転体３は、鋼管本体２の内部に挿入される施工治具５の回転軸部５２および結合部５３から伝達される回転トルクによって回転する。
したがって、回転杭１の掘削施工時に必要な回転トルクのほとんどが施工治具５を介して回転体３に伝達されるので、鋼管本体２の肉厚寸法は、掘削時の回転トルクを考慮することなく、回転杭１の長期鉛直許容支持力に基づいて定めることができる。
よって、従来の回転杭と比較して回転杭１の鋼管本体２の肉厚寸法を、前述の場合であれば２．６ｍｍから１．８ｍｍに薄くすることができ、回転杭１の部材コストを低減できる。

また、回転杭１の鋼管本体２が回転体３と結合していることにより、回転体３の地盤掘削に伴って鋼管本体２が追従して沈下していく。したがって、別途鋼管本体２を圧入させる手段を用いることなく、回転杭１の掘削施工を行うことができ、回転杭１の施工手間を軽減できる。
さらに、鋼管本体２が回転体３と結合されることにより、回転体３の掘削羽根３８が硬質の支持地盤を掘削した後、掘削羽根３８のアンカー効果を鋼管本体２に伝達することができ、回転杭１の地盤支持強度を向上させることができる。

本実施の形態では、回転体３の内挿部３１および掘削部３３の間に蓋部３２が設けられている。これにより、蓋部３２によって鋼管本体２の内部に掘削した土砂が流れ込むことを防止できる。したがって、掘削した土砂を鋼管本体２の外周面に排出することが可能となるため、鋼管本体２の周面摩擦力が向上し回転杭１の地盤支持強度が一層向上する。

本実施の形態では、掘削方向基端側に生じた回転トルクを、回転杭１の鋼管本体２内部に挿入された回転軸部５２によって掘削方向先端に伝達する。そして、回転杭１の鋼管本体２に掘削のための回転トルクを作用させることなく、回転杭１の掘削施工を行うことができる。したがって、必要以上に回転杭１の鋼管本体２を肉厚とする必要がなく、回転杭１の部材コストの低減を図ることができる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、以下に示すような変形を含むものである。
前述の実施の形態では、回転体３の内挿部３１の内面に２箇所係合突出部３５を設けていたが、本発明はこれに限られない。たとえば、内挿部３１の内面に２箇所以上の係合突出部３５を設けてもよい。ただし、すべての係合突出部３５を結合部５３に係合させるためには、回転杭１の回転軸回りに均等に設けるのが好ましい。
前述の実施の形態では、内挿部３１に係合突出部３５を設け、係合突出部３５を施工治具５の窓部５６Ａに結合させていたが、本発明はこれに限られない。たとえば、内挿部３１の上端面に係合構造を形成し、これに施工治具の結合部が結合するようにしてもよい。

前述の実施の形態では、回転軸部５２を厚手の鋼管で構成していたが、本発明はこれに限られない。たとえば、中実の鋼棒等によって軸部を構成してもよく、屈曲自在なユニバーサルジョイントを回転軸部として採用してもよい。ただし、ユニバーサルジョイントを採用する場合、ジョイント部分の強度が回転杭に作用する回転せん断力に十分に耐えられる構造とする必要がある。

前述の実施の形態では、窓部５６Ａの下端部の中央に切欠部５６Ｂを形成していたが、本発明はこれに限らず、たとえば窓部５６Ａの下端部の角隅部に形成してもよい。
その他、本発明の実施の際の具体的な構造および形状等は、本発明の目的を達成出来る範囲で他の構造等としてもよい。

１…回転杭、２…鋼管本体、３…回転体、４…継手部材、５…施工治具、６…杭打ち機、３１…内挿部、３２…蓋部、３３…掘削部、３４…スポット溶接、３５…係合突出部（回転せん断力伝達部）、３６…隅肉溶接、３７…隅肉溶接、３８…掘削羽根、５１…六角接合部、５２…回転軸部、５３…結合部、５４…ボルト孔、５５…内側部材、５６…外側部材、５６Ａ…窓部、５６Ｂ…切欠部、５７…隅肉溶接、５８…隅肉溶接、６１…オーガーモーター、６２…圧入機。

Claims (4)

1. 鋼管本体と、前記鋼管本体の掘削方向先端に設けられ、回転することにより地盤を掘削する回転体とを備えた回転杭であって、
   前記回転体は、
   前記鋼管本体よりも肉厚の鋼管から構成され、前記鋼管本体の内部に挿入される筒状の内挿部と、
   前記内挿部の掘削方向先端に設けられ、外周に掘削羽根が設けられた掘削部と、
   前記内挿部に設けられ、前記掘削部を回転させるトルクを前記掘削部に伝達する回転せん断力伝達部と、を備え、
   前記鋼管本体および前記回転体が結合され、
   前記回転せん断力伝達部は、前記内挿部の筒状内部に突出して設けられ、前記内挿部の円筒の軸方向に沿って延びる係合突出部を備える回転杭。
2. 請求項１に記載の回転杭において、
   前記回転体は、前記内挿部および前記掘削部の間に設けられ、前記鋼管本体の端面を塞ぐ蓋部を備える回転杭。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転杭を施工するための回転杭の施工治具であって、
   前記鋼管本体の内部に挿入され、掘削方向基端側に生じたトルクを掘削方向先端に伝達する回転軸部と、
   前記回転軸部の掘削方向先端に設けられ、前記回転せん断力伝達部と結合する結合部とを備える回転杭の施工治具。
4. 鋼管本体と、前記鋼管本体の掘削方向先端に設けられ、回転することにより地盤を掘削する回転体とを備えた回転杭の施工方法であって、
   請求項１または請求項２に記載の回転杭の鋼管本体に、請求項３に記載の回転杭の施工治具の回転軸部を挿入する工程と、
   前記回転杭の前記回転せん断力伝達部に、前記施工治具の前記結合部を結合する工程と、
   前記回転杭および前記施工治具を結合させた状態で、前記回転軸部に回転せん断力を作用させる工程とを実施する回転杭の施工方法。

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