JPWO2020184282A1 - 鋼管杭および鋼管杭の施工方法 - Google Patents

Abstract

鋼管本体（１１）と、鋼管本体（１１）の端面（１１Ｅ）に鋼管本体の周方向接線に対して角度（θ）をもって取り付けられ、鋼管本体（１１）の軸方向に突出する板状の掘削ビット（１２）とを備える鋼管杭（１０）において、掘削ビット（１２）が、鋼管本体（１１）の端面（１１Ｅ）から鋼管本体（１１）の軸方向に第１の高さ（Ｈ１）だけ突出する第１の掘削ビット（１２１）と鋼管本体（１１）の端面（１１Ｅ）から鋼管本体（１１）の軸方向に第１の高さ（Ｈ１）よりも高い第２の高さ（Ｈ２）だけ突出する第２の掘削ビット（１２２）とを含む。

Description

本発明は、鋼管杭および鋼管杭の施工方法に関する。

鋼管杭の先端に取り付ける掘削ビットは、地盤を掘削する従来の効果のみならず、杭の回転方向に応じて掘削した土の動きを制御し、管内土の閉塞を抑制または促進する効果が期待される。例えば、特許文献１には、掘削ビットの長手方向の中心軸線と鋼管杭の外周との交点における接線方向とが角度を有しており、この角度によって掘削ビットの刃先が鋼管杭内側に向かって設けられる技術が記載されている。これによって、例えば、杭先端が支持層に到達する前には土砂を杭の外側に押し出して管内土の閉塞を抑制することによって掘削性を向上させ、杭先端が支持層に到達した後は杭の回転方向を逆にすることによって土砂を杭の内側に取り込み、管内土の閉塞を促進することによって高い支持力を獲得することができる。

特許第５０５３１５４号公報

しかしながら、鋼管杭の先端を支持層に貫入させる際には、地盤強度が高いために大きな施工抵抗（回転トルクや鉛直圧入力）が杭先端に取り付けられた掘削ビットに作用する結果、掘削ビットが摩耗することが想定される。それゆえ、例えば特許文献１に記載されたような掘削ビットの効果を最大化するためには、摩耗に対抗して掘削ビットの機能を維持できる構造とすることが望ましい。

そこで、本発明は、掘削時の摩耗に対抗して掘削ビットの機能を維持することが可能な、新規かつ改良された鋼管杭および鋼管杭の施工方法を提供することを目的とする。

［１］鋼管本体と、鋼管本体の端面に鋼管本体の周方向接線に対して角度をもって取り付けられ、鋼管本体の軸方向に突出する板状の掘削ビットとを備える鋼管杭であって、掘削ビットが、鋼管本体の端面から鋼管本体の軸方向に第１の高さだけ突出する第１の掘削ビットと、鋼管本体の端面から鋼管本体の軸方向に第１の高さよりも高い第２の高さだけ突出する第２の掘削ビットとを含む鋼管杭。
［２］第１の掘削ビットまたは第２の掘削ビットの少なくともいずれかの先端面に、鋼管本体の径方向の内側から外側に向かって突出高さが高くなる傾斜が形成される、［１］に記載の鋼管杭。
［３］第１の掘削ビットまたは第２の掘削ビットの少なくともいずれかが、鋼管本体の径方向の内側から外側に向かって厚くなるテーパー断面で形成される、［１］または［２］に記載の鋼管杭。
［４］掘削ビットが、鋼管本体の端面から鋼管本体の軸方向に第２の高さよりも高い第３の高さだけ突出する第３の掘削ビットをさらに含む、［１］から［３］のいずれか１項に記載の鋼管杭。
［５］掘削ビットは、鋼管杭を先端側から見たときにＣ字状またはＳ字状になるように湾曲した板状である、［１］から［４］のいずれか１項に記載の鋼管杭。
［６］掘削ビットは、鋼管本体の径方向の外側または内側の少なくともいずれかに突出し、第１の掘削ビットは、鋼管本体の管厚中心線から鋼管本体の径方向に第１の距離だけ突出することによって第１の掘削可能領域を有し、第２の掘削ビットは、鋼管本体の管厚中心線から鋼管本体の径方向に第１の距離よりも長い第２の距離だけ突出することによって、鋼管本体の径方向の外側または内側の少なくともいずれかで第１の掘削可能領域よりも拡張された第２の掘削可能領域を有する、［１］から［５］のいずれか１項に記載の鋼管杭。
［７］第１の掘削ビットは、鋼管本体の周方向接線に対して第１の角度をもって取り付けられ、第２の掘削ビットは、鋼管本体の周方向接線に対して第１の角度よりも大きい第２の角度をもって取り付けられる、［６］に記載の鋼管杭。
［８］第１の掘削ビットは、第１の掘削ビットの取り付け方向に沿って第１の長さを有し、第２の掘削ビットは、第２の掘削ビットの取り付け方向に沿って第１の長さよりも長い第２の長さを有する、［６］または［７］に記載の鋼管杭。
［９］［１］から［８］のいずれか１項に記載された鋼管杭の施工方法であって、鋼管杭の先端が所定の深度に到達するまで、掘削ビットが土砂を鋼管本体の外側に押し出す第１の回転方向に鋼管杭を回転させながら掘削する工程と、鋼管杭の先端が打ち止め深さに到達するまで、掘削ビットが土砂を鋼管本体の内側に取り込む第２の回転方向に鋼管杭を回転させながら掘削する工程とを含む鋼管杭の施工方法。
［１０］打ち止めの際に、鋼管杭の先端を支持層に到達させてから、鋼管杭を第２の回転方向に回転させる、［９］に記載の鋼管杭の施工方法。
［１１］打ち止めの際に、鋼管杭の先端が支持層に到達する直前から、鋼管杭を第２の回転方向に回転させながら掘削し、鋼管杭の先端が支持層に到達してから打ち止める、［９］に記載の鋼管杭の施工方法。
［１２］第１の回転方向に鋼管杭を回転させながら掘削する工程と、第２の回転方向に鋼管杭を回転させながら掘削する工程とが交互に実施される、［９］から［１１］のいずれか１項に記載の鋼管杭の施工方法。

上記の構成によれば、突出高さがより高い第２の掘削ビットに施工抵抗を負担させ、その分だけ第１の掘削ビットの摩耗を抑制することができる。従って、掘削時の摩耗に対抗して掘削ビットの機能を維持することができる。

本発明の第１の実施形態に係る鋼管杭を側方および先端側から見た図である。 図１に示す鋼管杭の変形例を示す図である。 図１に示す鋼管杭の変形例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る鋼管杭の別の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る鋼管杭のさらに別の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る鋼管杭を側方および先端側から見た図である。 本発明の第２の実施形態に係る鋼管杭の別の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る鋼管杭のさらに別の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る鋼管杭を側方および先端側から見た図である。 第１および第２の実施形態の変形例を示す図である。 第１および第２の実施形態の変形例を示す図である。 第１および第２の実施形態の変形例を示す図である。 第１および第２の実施形態の変形例を示す図である。 第１および第２の実施形態の変形例を示す図である。 掘削ビットの取り付け角度に関する実験結果を示すグラフである。 掘削ビットの摩耗抑制効果について検証する実験について説明するための図である。 図１６に示した実験の結果を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る鋼管杭を側方および先端側から見た図である。図１に示されるように、鋼管杭１０は、鋼管本体１１と、鋼管本体１１の端面１１Ｅに取り付けられ、鋼管本体１１の軸方向に突出する掘削ビット１２とを含む。掘削ビット１２は、第１の掘削ビット１２１および第２の掘削ビット１２２を含む。本実施形態において、第１の掘削ビット１２１および第２の掘削ビット１２２は、いずれも鋼管本体１１の周方向接線に対して角度θ（０＜θ＜９０°）をもって取り付けられている。ここで、角度θは、板状の掘削ビット１２の板厚中心線Ｌ_Ｃ１２が鋼管本体１１の管厚中心線Ｌ_Ｃ１１に交わる位置において、板厚中心線Ｌ_Ｃ１２と管厚中心線Ｌ_Ｃ１１の接線Ｌ_Ｔ１１（鋼管本体１１の周方向接線）とがなす角度である。以下では、角度θを掘削ビット１２の取り付け角度ともいう。第１の掘削ビット１２１および第２の掘削ビット１２２の取り付け方向は、鋼管本体１１の周方向接線に対してそれぞれの取り付け角度θ１，θ２だけ傾いた方向である。

本実施形態では、掘削ビット１２が取り付け角度θを有することによって、例えば鋼管杭１０を用いた掘削時において杭先端が所定の深さに到達するまでは鋼管杭１０を図１に示す反時計回り（ＣＣＷ）に回転させながら掘削して土砂を鋼管本体１１の外側に押し出し、管内土の閉塞を抑制することができる。また、杭先端が打ち止め深さに到達するまでは鋼管杭１０を図１に示す時計回り（ＣＷ）に回転させながら掘削して土砂を鋼管本体１１の内側に取り込み、管内土の閉塞を促進することによって高い支持力を獲得することができる。なお、掘削ビット１２は、鋼管本体１１の径方向の内側および外側の両方にエッジを有し、これによって上記のように鋼管本体１１の回転方向を反転させて掘削することが可能になる。

なお、本実施形態では、第１の掘削ビット１２１および第２の掘削ビット１２２がいずれも鋼管本体１１の径方向の外側および内側の両方に突出し、かつ取り付け方向の中心で鋼管本体１１の管厚中心線Ｌ_Ｃ１１に交差する。他の実施形態では、図２および図３に示す例のように、鋼管本体１１の径方向の外側または内側のいずれか一方だけに掘削ビットが突出していてもよい。

さらに、本実施形態において、掘削ビット１２のうち第１の掘削ビット１２１は鋼管本体１１の端面１１Ｅから鋼管本体１１の軸方向に高さＨ_１だけ突出し、第２の掘削ビット１２２は鋼管本体１１の端面１１Ｅから鋼管本体１１の軸方向に高さＨ_２だけ突出し、高さＨ_２は高さＨ_１よりも高い（Ｈ_１＜Ｈ_２）。例えば支持層のように地盤強度が高い層を掘削する場合、大きな施工抵抗が掘削ビット１２に作用することによって掘削ビット１２が摩耗することが想定される。これに対して、上記のように第２の掘削ビット１２２の突出高さＨ_２を第１の掘削ビット１２１の突出高さＨ_１よりも高くすることによって、掘削において先行する第２の掘削ビット１２２に施工抵抗を負担させ、その分だけ施工抵抗が軽減される第１の掘削ビット１２１の摩耗を抑制することができる。第１の掘削ビット１２１の摩耗が顕著になるのは、例えば第２の掘削ビット１２２の突出高さが摩耗によって第１の掘削ビット１２１と同程度になった後であるため、施工終了まで第１の掘削ビット１２１の摩耗が顕著にならない場合もあり得る。このように、第１の掘削ビット１２１の摩耗が抑制されることによって、地盤強度が高い層で掘削を進めても、上述したような掘削ビット１２による管内土の閉塞の抑制または促進の機能を維持することができる。

なお、鋼管本体１１への掘削ビット１２の取り付け方法は、例えば溶接であってもよいし、ねじ止めなどの機械的な接合手段によるものであってもよい。また、図１に示された例において鋼管本体１１の端面１１Ｅと掘削ビット１２の上端面とは一致しているが、例えば端面１１Ｅに形成された溝または切り込みに掘削ビット１２を嵌合させた上で接合したり、掘削ビット１２の上端面に形成された溝または切り込みに鋼管本体１１の端面１１Ｅを含む端部を嵌合させた上で接合したり、端面１１Ｅおよび掘削ビット１２の上端面の両方に溝または切り込みを形成してこれらの溝または切り込みを互いに嵌合させた上で接合したりすることが可能である。この場合、鋼管本体１１の端面１１Ｅと掘削ビット１２の上端面とは必ずしも一致しない。以下で説明する他の例についても同様である。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る鋼管杭の別の例を示す図である。図４に示された例では、上記で図１を参照して説明した例と同様に掘削ビット１２に含まれる第１の掘削ビット１２１Ａおよび第２の掘削ビット１２２Ａが取り付け角度θを有し、また第２の掘削ビット１２２Ａの突出高さＨ_２が第１の掘削ビット１２１Ａの突出高さＨ_１よりも高い。加えて、図示された例では、第１の掘削ビット１２１Ａおよび第２の掘削ビット１２２Ａの先端面１２１Ｅ，１２２Ｅ、すなわち鋼管本体１１の端面１１Ｅとは反対側の端面に、鋼管本体１１の径方向の内側から外側に向かって突出高さが高くなる傾斜が形成されている。

上記のように第１の掘削ビット１２１Ａおよび第２の掘削ビット１２２Ａの先端面１２１Ｅ，１２２Ｅに傾斜を形成することによって、鋼管本体１１を図４に示す時計回り（ＣＷ）に回転させたときに先行して土砂に接触する部分で第１の掘削ビット１２１Ａおよび第２の掘削ビット１２２Ａの突出高さがより高くなり、第１の掘削ビット１２１Ａおよび第２の掘削ビット１２２Ａの摩耗に対する抵抗力を向上させることができる。なお、第１の掘削ビット１２１Ａおよび第２の掘削ビット１２２Ａの突出高さＨ_１，Ｈ_２は、例えば図示されたように端面１１Ｅから傾斜した先端面１２１Ｅ，１２２Ｅの最も高い位置までの高さとして定義することができる。また、図示された例では第１の掘削ビット１２１Ａおよび第２の掘削ビット１２２Ａの先端面１２１Ｅ，１２２Ｅの両方に傾斜が形成されているが、いずれか一方の先端面のみに傾斜が形成されてもよい。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る鋼管杭のさらに別の例を示す図である。図５に示された例では、上記で図１を参照して説明した例と同様に掘削ビット１２に含まれる第１の掘削ビット１２１および第２の掘削ビット１２２Ｂが取り付け角度θを有し、また第２の掘削ビット１２２Ｂの突出高さＨ_２が第１の掘削ビット１２１の突出高さＨ_１よりも高い。加えて、図示された例では、第２の掘削ビット１２２Ｂが、鋼管本体１１の径方向の内側から外側に向かって厚くなるテーパー断面で形成されている。具体的には、第２の掘削ビット１２２Ｂは鋼管本体１１の径方向内側において厚さｔ_１、外側で厚さｔ_２であり、厚さｔ_２は厚さｔ_１よりも大きい（ｔ_１＜ｔ_２）。

上記のように第２の掘削ビット１２２Ｂをテーパー断面で形成することによって、鋼管本体１１を図５に示す時計回り（ＣＷ）で回転させたときに先行して土砂に接触する部分で第２の掘削ビット１２２Ｂがより厚くなり、第２の掘削ビット１２２Ｂの摩耗に対する抵抗力を向上させることができる。なお、図示された例では第２の掘削ビット１２２Ｂのみがテーパー断面で形成されているが、第１の掘削ビット１２１および第２の掘削ビット１２２Ｂの両方がテーパー断面で形成されてもよく、第１の掘削ビット１２１のみがテーパー断面で形成されてもよい。また、図５の例と図４の例とを組み合わせ、第１の掘削ビット１２１または第２の掘削ビット１２２の先端面に傾斜を形成するとともに、第１の掘削ビット１２１または第２の掘削ビット１２２をテーパー断面で形成してもよい。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る鋼管杭を側方および先端側から見た図である。図６に示されるように、鋼管杭２０は、鋼管本体１１と、鋼管本体１１の端面１１Ｅに取り付けられる掘削ビット２２とを含む。掘削ビット２２は、第１の掘削ビット２２１および第２の掘削ビット２２２を含む。第１の実施形態と同様に、第１の掘削ビット２２１は鋼管本体１１の端面１１Ｅから高さＨ_１だけ突出し、第２の掘削ビット２２２は鋼管本体１１の端面１１Ｅから高さＨ_２だけ突出し、高さＨ_２は高さＨ_１よりも高い（Ｈ_１＜Ｈ_２）。さらに、本実施形態において、第１の掘削ビット２２１は鋼管本体１１の周方向接線に対して角度θ１（０＜θ１＜９０°）をもって取り付けられ、第２の掘削ビット２２２は鋼管本体１１の周方向接線に対して角度θ２（０＜θ２＜９０°）をもって取り付けられ、角度θ２は角度θ１よりも大きい（θ１＜θ２）。ここで、取り付け角度θ１，θ２は、第１の実施形態で説明された取り付け角度θと同様に、第１の掘削ビット２２１および第２の掘削ビット２２２のそれぞれの板厚中心線Ｌ_Ｃ２２１，Ｌ_Ｃ２２２と鋼管本体１１の管厚中心線Ｌ_Ｃ１１の接線Ｌ_Ｔ１１、すなわち鋼管本体１１の周方向接線とがなす角度である。一方、本実施形態において、第１の掘削ビット１２１および第２の掘削ビット１２２のそれぞれの取り付け方向に沿った長さＬは同じである。第１の掘削ビット２２１および第２の掘削ビット２２２の取り付け方向は、鋼管本体１１の周方向接線に対してそれぞれの取り付け角度θ１，θ２だけ傾いた方向である。

上記のように掘削ビット２２が取り付け角度θ１，θ２を有することによって、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、鋼管杭２０を図６に示す反時計回り（ＣＣＷ）および時計回り（ＣＷ）のそれぞれに回転させながら掘削するときに、管内土の閉塞を抑制または促進する効果が得られる。

加えて、本実施形態では、第２の掘削ビット２２２の取り付け角度θ２が第１の掘削ビット２２１の取り付け角度θ１よりも大きい。これによって、第１の掘削ビット２２１および第２の掘削ビット２２２の取り付け方向に沿った長さＬが同じであっても、例えば鋼管本体１１の外側について、第１の掘削ビット１２１が管厚中心線Ｌ_Ｃ１１から鋼管本体１１の径方向に突出する距離Ｄ１よりも第２の掘削ビット１２２が管厚中心線Ｌ_Ｃ１１から鋼管本体１１の径方向に突出する距離Ｄ２の方が長くなる。これによって、鋼管本体１１の外側で、第１の掘削ビット２２１の掘削可能領域Ｒ１よりも第２の掘削ビット２２２の掘削可能領域Ｒ２が拡張される。ここで、掘削可能領域Ｒ１，Ｒ２は、地中で鋼管杭２０を回転させたときに第１の掘削ビット２２１および第２の掘削ビット２２２のそれぞれが土砂を掘削する円環状の領域である。例えば、鋼管本体１１の外側について、図６に示すように掘削可能領域Ｒ１の半径をｒ１、掘削可能領域Ｒ２の半径をｒ２とした場合、ｒ２／ｒ１＝１．２程度になるように取り付け角度θ１，θ２を設定してもよい。

なお、本実施形態では、第１の掘削ビット１２１および第２の掘削ビット１２２がいずれも鋼管本体１１の外側および内側の両方に突出し、かつ取り付け方向の中心で鋼管本体１１の管厚中心線Ｌ_Ｃ１１に交差するため、鋼管本体１１の内側でも同様に、第１の掘削ビット１２１が突出する距離よりも第２の掘削ビット１２２が突出する距離の方が長く、掘削可能領域Ｒ１よりも掘削可能領域Ｒ２が拡張される。他の例では、鋼管本体１１の外側または内側のいずれか一方だけで掘削可能領域が拡張されてもよい。

上記のような構成によって、相対的に拡張された領域を掘削する第２の掘削ビット２２２に施工抵抗を負担させ、その分だけ施工抵抗が軽減される第１の掘削ビット２２１の摩耗を抑制することができる。上述のように、第２の掘削ビット２２２の突出高さＨ_２を第１の掘削ビット２２１の突出高さＨ_１よりも高くことによっても、第１の掘削ビット２２１の摩耗は抑制される。従って、本実施形態では、より効果的に第１の掘削ビット２２１の摩耗を抑制し、地盤強度が高い層で掘削を進めても掘削ビット２２による管内土の閉塞の抑制または促進の機能を維持することができる。

なお、上記の第１の実施形態で図４および図５を参照して説明したような変形例は、本実施形態にも適用可能である。具体的には、図７に示す例のように、掘削ビット２２１Ａ，２２２Ａの少なくともいずれかの先端面２２１Ｅ，２２２Ｅに鋼管本体１１の径方向の内側から外側に向かって突出高さが高くなる傾斜が形成されてもよい。また、図８に示す例のように、掘削ビット２２１，２２２Ｂの少なくともいずれかが、鋼管本体１１の径方向の内側から外側に向かって厚くなるテーパー断面で形成されてもよい。

（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態に係る鋼管杭を側方および先端側から見た図である。図６に示されるように、鋼管杭３０は、鋼管本体１１と、鋼管本体１１の端面１１Ｅに取り付けられる掘削ビット３２とを含む。掘削ビット３２は、第１の掘削ビット３２１および第２の掘削ビット３２２を含む。第１の実施形態と同様に、第１の掘削ビット３２１は鋼管本体１１の端面１１Ｅから高さＨ_１だけ突出し、第２の掘削ビット３２２は鋼管本体１１の端面１１Ｅから高さＨ_２だけ突出し、高さＨ_２は高さＨ_１よりも高い（Ｈ_１＜Ｈ_２）。さらに、本実施形態において、第１の掘削ビット３２１の取り付け方向に沿った長さはＬ１であり、第２の掘削ビット３２２の取り付け方向に沿った長さはＬ２であり、長さＬ２は長さＬ１よりも長い（Ｌ１＜Ｌ２）。一方、本実施形態において、第１の掘削ビット３２１および第２の掘削ビット３２２は、鋼管本体１１の周方向接線に対して同じ取り付け角度θ（０＜θ＜９０°）で取り付けられている。第１の掘削ビット３２１および第２の掘削ビット３２２の取り付け方向は、鋼管本体１１の周方向接線、すなわち管厚中心線Ｌ_Ｃ１１の接線Ｌ_Ｔ１１に対して取り付け角度θだけ傾いた方向である。

上記のように掘削ビット３２が取り付け角度θを有することによって、本実施形態でも第１の実施形態と同様に、鋼管杭３０を図９に示す反時計回り（ＣＣＷ）および時計回り（ＣＷ）のそれぞれに回転させながら掘削するときに、管内土の閉塞を抑制または促進する効果が得られる。

加えて、本実施形態では、第２の掘削ビット３２２の取り付け方向に沿った長さＬ２が第１の掘削ビット３２１の取り付け方向に沿った長さＬ１よりも長い。これによって、第１の掘削ビット３２１および第２の掘削ビット３２２の取り付け角度θが同じであっても、例えば鋼管本体１１の径方向外側について、第１の掘削ビット３２１が管厚中心線Ｌ_Ｃ１１から鋼管本体１１の径方向に突出する距離Ｄ１よりも、第２の掘削ビット３２２が管厚中心線Ｌ_Ｃ１１から鋼管本体１１の径方向に突出する距離Ｄ２の方が長くなる。これによって、鋼管本体１１の外側で、第１の掘削ビット３２１の掘削可能領域Ｒ１よりも第２の掘削ビット３２２の掘削可能領域Ｒ２が拡張される。例えば、鋼管本体１１の外側について、図６に示すように掘削可能領域Ｒ１の半径をｒ１、掘削可能領域Ｒ２の半径をｒ２とした場合、ｒ２／ｒ１＝１．２程度になるように長さＬ１，Ｌ２を設定してもよい。

なお、本実施形態では、第１の掘削ビット３２１および第２の掘削ビット３２２がいずれも鋼管本体１１の径方向の外側および内側の両方に突出し、かつ取り付け方向の中心で鋼管本体１１の管厚中心線Ｌ_Ｃ１１に交差するため、鋼管本体１１の内側でも同様に、第１の掘削ビット３２１が突出する距離よりも第２の掘削ビット３２２が突出する距離の方が長く、掘削可能領域Ｒ１よりも掘削可能領域Ｒ２が拡張される。他の例では、鋼管本体１１の径方向の外側または内側のいずれか一方だけで掘削可能領域が拡張されてもよい。

上記のような構成によって、相対的に拡張された領域を掘削する第２の掘削ビット３２２に施工抵抗を負担させ、その分だけ施工抵抗が軽減される第１の掘削ビット３２１の摩耗を抑制することができる。上述のように、第２の掘削ビット３２２の突出高さＨ_２を第１の掘削ビット３２１の突出高さＨ_１よりも高くことによっても、第１の掘削ビット３２１の摩耗は抑制される。従って、本実施形態では、より効果的に第１の掘削ビット３２１の摩耗を抑制し、地盤強度が高い層で掘削を進めても掘削ビット３２による管内土の閉塞の抑制または促進の機能を維持することができる。

なお、以上で説明した本発明の第２および第３の実施形態は、互いに組み合わせることが可能である。つまり、本発明の実施形態では、第２の掘削ビット３２２の突出高さＨ_２を第１の掘削ビット３２１の突出高さＨ_１よりも高くするのに加えて、一部の掘削ビットの取り付け角度θまたは取り付け方向に沿った長さＬのいずれかを他の掘削ビットよりも大きくすることによって掘削可能領域を拡張してもよいし、取り付け角度θおよび長さＬの両方を他の掘削ビットよりも大きくすることによって掘削可能領域を拡張してもよい。

また、上記の第１の実施形態で図４および図５を参照して説明したような変形例は、本実施形態にも適用可能である。具体的には、少なくともいずれかの掘削ビットの先端面に鋼管本体の径方向の内側から外側に向かって突出高さが高くなる傾斜が形成されてもよいし、少なくともいずれかの掘削ビットが鋼管本体の径方向の内側から外側に向かって厚くなるテーパー断面で形成されてもよい。

（変形例）
図１０から図１４は、上記で説明した第１から第３の実施形態の変形例を示す図である。以下で説明する変形例は、第１の実施形態から第３の実施形態のそれぞれに、また、第２の実施形態と第３の実施形態とを組み合わせた実施形態に適用可能である。各図に示された鋼管杭４０において、掘削ビット４２は、第１の掘削ビット４２１および第２の掘削ビット４２２を含む。第１の掘削ビット４２１と第２の掘削ビット４２２との間では、上記で説明した第１から第３の実施形態と同様に突出高さ、取り付け角度θまたは長さＬが異なっているが、図１０から図１４の各図において、このような第１の掘削ビットと第２の掘削ビットとの形状の違いは必ずしも図示されていない。また、各図に示された例ではそれぞれの掘削ビットが鋼管本体１１の径方向の外側および内側の両方に突出し、かつ取り付け方向の中心で鋼管本体１１の管厚中心線に交差するが、鋼管本体１１の径方向の外側または内側のいずれか一方だけに掘削ビットが突出していてもよい点は、上記の各実施形態と同様である。

図１０および図１１に示された例では、鋼管本体１１の周方向における第１の掘削ビット４２１および第２の掘削ビット４２２の配置パターンが上記の各実施形態とは異なる。より具体的には、上記の各実施形態では第１の掘削ビットと第２の掘削ビットとが１つおきに交互に配置されていたのに対し、図１０に示される鋼管杭４０では、第１の掘削ビット４２１と第２の掘削ビット４２２とが２つおきに交互に配置される。また、上記の各実施形態では第１の掘削ビットと第２の掘削ビットとが同じ数だけ配置されていたのに対し、図１１に示される鋼管杭４０では、第１の掘削ビット４２１を１つ配置するごとに第２の掘削ビット４２２が２つ配置され、従って第１の掘削ビット４２１の数よりも第２の掘削ビット４２２の数の方が多い。

図１２に示された例では、掘削ビット４２が、第１の掘削ビット４２１および第２の掘削ビット４２２に加えて第３の掘削ビット４２３および第４の掘削ビット４２４を含む。第３の掘削ビット４２３は、第２の掘削ビット４２２よりもさらに突出高さが高い（つまり、鋼管本体１１の端面１１Ｅから高さＨ_２よりも高い第３の高さだけ突出する）。さらに、第３の掘削ビット４２３は、第２の掘削ビット４２２よりもさらに突出する距離が長い（つまり、鋼管本体１１の管厚中心線Ｌ_Ｃ１１から鋼管本体１１の径方向に距離Ｄ２（図６または図９などを参照）よりも長い第３の距離だけ突出する）ことによって、第２の掘削ビット４２２の掘削可能領域Ｒ２よりも拡張された掘削可能領域を有してもよい。第３の掘削ビット４２３と第４の掘削ビット４２４との関係についても第２の掘削ビット４２２と第３の掘削ビット４２３との関係と同様であり、第４の掘削ビット４２４は、例えば、第３の掘削ビット４２３よりもさらに突出高さが高く、第３の掘削ビット４２３よりもさらに拡張された掘削可能領域を有してもよい。このように、本発明の実施形態において、掘削ビットは、２種類の掘削ビットに限らず、３種類、または４種類以上の掘削ビットを含んでもよい。この場合、３種類以上の掘削ビットは、例えば図１２に示された例における第２の掘削ビット４２２および第３の掘削ビット４２３のように、先行して施工抵抗を負担する掘削ビットが存在するために最初は摩耗が抑制され、先行する掘削ビットが摩耗した後は後に位置する別の掘削ビットの摩耗を抑制するために施工抵抗を負担する中間的な掘削ビットを含む。

図１３および図１４に示された例では、第１の掘削ビット４２１および第２の掘削ビット４２２を含む掘削ビット４２が、湾曲した板状の掘削ビットである。図１３の例では、掘削ビット４２が、鋼管杭４０を先端側から見たときにＣ字状になるように湾曲している。この場合、掘削ビット４２の取り付け角度θは、掘削ビット４２の湾曲した板厚中心線Ｌ_Ｃ４２が鋼管本体１１の管厚中心線Ｌ_Ｃ１１に交わる位置において、板厚中心線Ｌ_Ｃ４２の接線Ｌ_Ｔ４２と管厚中心線Ｌ_Ｃ１１の接線Ｌ_Ｔ１１とがなす角度である。また、掘削ビット４２の取り付け方向に沿った長さＬは、接線Ｌ_Ｔ４２に沿った方向の長さである。図１３の例では、例えば上記の各実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、掘削ビット４２が湾曲していることによって、鋼管杭４０が反時計回り（ＣＣＷ）で回転するときには鋼管本体１１および掘削ビット４２から離れる向きの土砂の流れＦ_１を生み出しやすく、また鋼管杭４０が時計回り（ＣＷ）で回転するときには鋼管本体１１の内側に向かう土砂の流れＦ_２を生み出しやすくなる。土砂の流れがスムーズになることによって、鋼管杭４０を用いた掘削がより円滑になる。

一方、図１４の例では、掘削ビット４２が、鋼管杭４０を先端側から見たときにＳ字状になるように湾曲している。この場合、掘削ビット４２の取り付け角度θは、掘削ビット４２の湾曲した板厚中心線Ｌ_Ｃ４２が鋼管本体１１の管厚中心線Ｌ_Ｃ１１に交わる位置において、掘削ビット４２の両端の板厚中心を結ぶ直線Ｌ_Ｅ４２と管厚中心線Ｌ_Ｃ１１の接線Ｌ_Ｔ１１とがなす角度である。また、掘削ビット４２の取り付け方向に沿った長さＬは、直線Ｌ_Ｅ４２に沿った方向の長さである。図１４の例では、図１３の例と同様の土砂の流れＦ_１，Ｆ_２が生み出しやすくなるのに加えて、鋼管杭４０が時計回り（ＣＷ）に回転するときに鋼管本体１１の内側に取り込まれた土砂が掘削ビット４２から離れる向きの土砂の流れＦ_３を生み出しやすくなる。図１３の例と同様に、土砂の流れがスムーズになることによって、鋼管杭４０を用いた掘削がより円滑になる。

なお、上述した第１から第３の実施形態、およびそれらの変形例において、掘削ビットが鋼管本体１１の内側および外側の両方に突出するか、または掘削ビットが鋼管本体１１の内側にのみ突出する構成が可能である。第１の掘削ビットと第２の掘削ビット（および第３の掘削ビットならびに第４の掘削ビット）との間で、掘削ビットが鋼管本体１１から突出する方向が異なっていてもよい。

（鋼管杭の施工方法）
上記で説明したような本発明の実施形態および変形例に係る鋼管杭を用いて、例えば以下のような施工方法が実施可能である。なお、以下ではで図１を参照して説明した鋼管杭１０を例として説明するが、第２および第３の実施形態や各変形例に係る鋼管杭２０，３０，４０でも同様の施工方法が実施可能である。

まず、鋼管杭１０の先端（掘削ビット１２の先端、または鋼管本体１１の端面１１Ｅ）が所定の深度に到達するまで、掘削ビット１２が土砂を鋼管本体１１の外側に押し出す第１の回転方向（図１に示す反時計回り（ＣＣＷ））に鋼管杭１０を回転させながら掘削する工程が実施される。その後、鋼管杭１０の先端が打ち止め深さに到達するまで、掘削ビット１２が土砂を鋼管本体１１の内側に取り込む第２の回転方向（図１に示す時計回り（ＣＷ））に鋼管杭１０を回転させながら掘削する工程が実施される。ここで、所定の深度は、例えば打ち止め深さに対して鋼管本体１１の直径の１倍〜５倍程度の距離だけ上方である。これによって、鋼管杭１０の打ち止め時においては、鋼管杭１０の下端部を取り込んだ土砂で閉塞させて、高い支持力を得ることができる。

なお、上記の所定の深度と、地盤中の支持層の深さとの関係は任意である。つまり、所定の深度は、支持層の深さよりも深くてもよい。この場合、施工方法では、打ち止めの際に、鋼管杭１０の先端を支持層に到達させてから、鋼管杭１０を第２の回転方向に回転させることになる。あるいは、所定の深度は、支持層の深さよりも浅くてもよい。この場合、施工方法では、打ち止めの際に、鋼管杭１０の先端が支持層に到達する直前から、鋼管杭１０を第２の回転方向に回転させながら掘削し、鋼管杭１０の先端が支持層に到達してから打ち止めることになる。

また、施工方法において、鋼管杭１０を第１の回転方向に回転させながら掘削する工程と、鋼管杭１０を第２の回転方向に回転させながら掘削する工程とは、交互に実施されてもよい。つまり、鋼管杭１０の先端が所定の深度に到達する前であっても、鋼管杭１０を第２の回転方向に回転させながら掘削することは可能である。具体的には、例えば鋼管杭１０の根入れが順調ではないような場合に、鋼管杭１０の回転方向を交互に切り替えながら根入れし、最終的には鋼管杭１０を第２の回転方向に回転させて打ち止めることが考えられる。この場合、所定の深度は、鋼管杭１０が最後に第１の回転方向に回転させられた深度であり、例えば打ち止め深さと同程度の深さでありうる。例えば上記のような場合において、鋼管杭１０の回転方向だけではなく、鋼管杭１０の掘削（先端の下降）および後退（先端の上昇）を交互に実施してもよい。

図１５は、掘削ビットの取り付け角度に関する実験結果を示すグラフである。実験では、断面直径１０１．６ｍｍ、管厚５．７ｍｍの鋼管本体に、厚さ６ｍｍ、取り付け方向に沿った長さ３０ｍｍ、鋼管本体の端面からの突出高さ１２ｍｍの掘削ビットを等間隔で４つ取り付け、掘削ビットの取り付け角度を０°（取り付け角度なし）、５°、１５°、２０°および３０°の５通りにした場合について、飯豊珪砂７号を用いた模擬地盤に同じ深度まで打設した鋼管杭の支持力を比較した。なお、この実験では、「道路橋示方書・同解説（IV 下部構造編）」に準拠し、杭頭（鋼管頭部）の沈下量が杭径（断面直径）の１０％のときの荷重（極限支持力）を支持力としている。また、支持力は取り付け角度がない場合を１とした場合の増加比率で表現されている。図１５のグラフに示されるように、取り付け角度がある（０°よりも大きい）場合は、取り付け角度がない場合に比べて支持力が向上する。特に、取り付け角度が５°から１５°の範囲で、より顕著な支持力の向上がみられた（０°の場合の約１．２５倍以上）。この結果から、例えば、上述した各実施形態において、掘削ビットの取り付け角度θ，θ１，θ２を５°以上１５°以下（５°≦θ，θ１，θ２≦１５°）の範囲に設定してもよい。なお、上記の範囲外の場合でも支持力は向上するため、取り付け角度θ，θ１，θ２の値は上記の範囲には限定されない。

図１６は、掘削ビットの摩耗抑制効果について検証する実験について説明するための図である。図示されているように、実験では、断面直径１０１．６ｍｍ、管厚５．７ｍｍの鋼管本体１１に、厚さ３．２ｍｍ、取り付け方向に沿った長さ３０ｍｍの掘削ビット１２１，１２２を等間隔で４つ取り付けた。実施例１では、このうち２つの掘削ビット１２１については、鋼管本体の端面からの突出高さを１０ｍｍとし、残りの２つの掘削ビット１２２については突出高さを１４ｍｍとし、掘削ビット１２１と掘削ビット１２２とを鋼管本体１１の周方向について交互に配置した。掘削ビットの取り付け角度はいずれも１０°である。実施例２では、実施例１の突出高さの差に加えて、掘削ビット１２１について取り付け角度を１０°とし、掘削ビット１２２については取り付け角度を１５°とした。掘削ビット１２１，１２２は、いずれも鋼管本体１１の外側および内側の両方に突出し、かつ取り付け方向の中心で鋼管本体１１の管厚中心線に交差する。なお、図１６は、この実施例２の条件を示している。比較例では、同様に４つの掘削ビットを取り付けたが、すべての掘削ビットで突出高さを１２ｍｍ、取り付け角度を１０°とした。

図１７は、図１６に示した実験の結果を示すグラフである。図１６を参照して説明したような実施例１、実施例２および比較例に係る鋼管杭で、モルタル状の模型地盤を施工深度５００ｍｍ分掘削した。その結果、グラフに示されるように、取り付け角度および掘削可能領域がすべての掘削ビットで同じである比較例における各ビットの体積残存率を１とした場合に、突出高さの異なる２組の掘削ビットを配置した実施例１では、突出高さが低い掘削ビット１２１の体積残存率が比較例の４．８５倍であった。ここで、体積残存率は、施工前の掘削ビットの体積に対して、施工後に残存した掘削ビットの体積の割合である。さらに、２組の掘削ビットの突出高さに加えて掘削可能領域も異なる実施例２では、突出高さが低く掘削可能領域が小さい掘削ビット１２１の体積残存率が比較例の５．２３倍であった。この結果は、複数の掘削ビットの間で突出高さを異ならせることによって掘削時の摩耗に対抗して掘削ビットの機能を維持できること、また、突出高さに加えて掘削可能領域の大きさを異ならせることによって効果が向上することを示している。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、請求の範囲に記載された技術的思想の範囲内において、各種の変形例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０，２０，３０，４０…鋼管杭、１１…鋼管本体、１１Ｅ…端面、１２，２２，３２，４２…掘削ビット、１２１，１２１Ａ，２２１，２２１Ａ，３２１，４２１…第１の掘削ビット、１２１Ｅ，２２１Ｅ…先端面、１２２，１２２Ａ，１２２Ｂ，２２２，２２２Ａ，２２２Ｂ，３２２，４２２…第２の掘削ビット、１２２Ｅ，２２２Ｅ…先端面、４２３…第３の掘削ビット、４２４…第４の掘削ビット。

Claims (12)

1. 鋼管本体と、前記鋼管本体の端面に前記鋼管本体の周方向接線に対して角度をもって取り付けられ、前記鋼管本体の軸方向に突出する板状の掘削ビットとを備える鋼管杭であって、
   前記掘削ビットが、
   前記鋼管本体の端面から前記鋼管本体の軸方向に第１の高さだけ突出する第１の掘削ビットと、
   前記鋼管本体の端面から前記鋼管本体の軸方向に前記第１の高さよりも高い第２の高さだけ突出する第２の掘削ビットと
   を含む鋼管杭。
2. 前記第１の掘削ビットまたは前記第２の掘削ビットの少なくともいずれかの先端面に、前記鋼管本体の径方向の内側から外側に向かって突出高さが高くなる傾斜が形成される、請求項１に記載の鋼管杭。
3. 前記第１の掘削ビットまたは前記第２の掘削ビットの少なくともいずれかが、前記鋼管本体の径方向の内側から外側に向かって厚くなるテーパー断面で形成される、請求項１または請求項２に記載の鋼管杭。
4. 前記掘削ビットが、前記鋼管本体の端面から前記鋼管本体の軸方向に前記第２の高さよりも高い第３の高さだけ突出する第３の掘削ビットをさらに含む、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の鋼管杭。
5. 前記掘削ビットは、前記鋼管杭を先端側から見たときにＣ字状またはＳ字状になるように湾曲した板状である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の鋼管杭。
6. 前記掘削ビットは、前記鋼管本体の径方向の外側または内側の少なくともいずれかに突出し、
   前記第１の掘削ビットは、前記鋼管本体の管厚中心線から前記鋼管本体の径方向に第１の距離だけ突出することによって第１の掘削可能領域を有し、
   前記第２の掘削ビットは、前記鋼管本体の管厚中心線から前記鋼管本体の径方向に前記第１の距離よりも長い第２の距離だけ突出することによって、前記鋼管本体の径方向の外側または内側の少なくともいずれかで前記第１の掘削可能領域よりも拡張された第２の掘削可能領域を有する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の鋼管杭。
7. 前記第１の掘削ビットは、前記鋼管本体の周方向接線に対して第１の角度をもって取り付けられ、
   前記第２の掘削ビットは、前記鋼管本体の周方向接線に対して前記第１の角度よりも大きい第２の角度をもって取り付けられる、請求項６に記載の鋼管杭。
8. 前記第１の掘削ビットは、前記第１の掘削ビットの取り付け方向に沿って第１の長さを有し、
   前記第２の掘削ビットは、前記第２の掘削ビットの取り付け方向に沿って前記第１の長さよりも長い第２の長さを有する、請求項６または請求項７に記載の鋼管杭。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項に記載された鋼管杭の施工方法であって、
   前記鋼管杭の先端が所定の深度に到達するまで、前記掘削ビットが土砂を前記鋼管本体の外側に押し出す第１の回転方向に前記鋼管杭を回転させながら掘削する工程と、
   前記鋼管杭の先端が打ち止め深さに到達するまで、前記掘削ビットが土砂を前記鋼管本体の内側に取り込む第２の回転方向に前記鋼管杭を回転させながら掘削する工程と
   を含む鋼管杭の施工方法。
10. 前記打ち止めの際に、前記鋼管杭の先端を支持層に到達させてから、前記鋼管杭を前記第２の回転方向に回転させる、請求項９に記載の鋼管杭の施工方法。
11. 前記打ち止めの際に、前記鋼管杭の先端が支持層に到達する直前から、前記鋼管杭を前記第２の回転方向に回転させながら掘削し、前記鋼管杭の先端が前記支持層に到達してから打ち止める、請求項９に記載の鋼管杭の施工方法。
12. 前記第１の回転方向に前記鋼管杭を回転させながら掘削する工程と、前記第２の回転方向に前記鋼管杭を回転させながら掘削する工程とが交互に実施される、請求項９から請求項１１のいずれか１項に記載の鋼管杭の施工方法。
    

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