WO2021157699A1 - 鋼管杭 - Google Patents

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WO2021157699A1
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blades
pile
blade
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真利奈 河合
毅 石澤
和臣 市川
Original Assignee
Ｊｆｅスチール株式会社
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D5/00—Bulkheads, piles, or other structural elements specially adapted to foundation engineering
    • E02D5/22—Piles
    • E02D5/24—Prefabricated piles
    • E02D5/28—Prefabricated piles made of steel or other metals
    • E02D5/285—Prefabricated piles made of steel or other metals tubular, e.g. prefabricated from sheet pile elements

Definitions

  • the present invention relates to a steel pipe pile to be constructed by rotating in the ground, and particularly to a steel pipe pile in which blades having the same diameter are welded and fixed in multiple stages at a predetermined pitch so as to project to the outer periphery of a steel pipe having an outer diameter of ⁇ 800 mm or less. ..
  • the steel pipe pile that emphasizes the bearing capacity of the tip portion has a structure in which one or two pairs of blades are mainly attached to the tip, and is disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2.
  • Patent Document 3 states, "On the outer surface of a steel pipe having an outer diameter of 100 to 200 mm and a pipe thickness of 3.2 to 6.0 mm, the outer surface of the steel pipe is separated by 1 to 3 m. Multiple spiral wings with an outer diameter of 1.5 to 2.5 times the diameter are welded discontinuously, and a trapezoidal plate-like shape that squeezes downward at the center of the tip of the steel pipe.
  • a small-diameter steel pipe pile characterized in that a support metal fitting is projected and a plurality of plate-shaped excavation auxiliary metal fittings having a bit function are diagonally attached to the outer peripheral portion of the tip in accordance with the rotational excavation direction. " ..
  • Patent Document 3 In the "small diameter steel pipe pile" disclosed in Patent Document 3, the reason why the interval between the spiral wings provided in multiple stages is defined as 1 to 3 m (reason 1) and the outer diameter of the spiral wing are 1.
  • the reason (reason 2) specified as 5 to 2.5 times is described as follows.
  • Patent Document 3 assumes a small-diameter steel pipe pile having an outer diameter of 100 to 200 mm and a pipe thickness of 3.2 to 6.0 mm.
  • the reason for defining the intervals between the spiral wings provided in multiple stages is that when the intervals are set to 3 m or more, the ultimate load becomes smaller and the rotational torque becomes larger.
  • Patent Document 3 the method of attaching the spiral wing is not particularly mentioned.
  • the present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a steel pipe pile capable of most effectively expressing the bearing capacity of a steel pipe pile provided with multi-stage wings.
  • Another object is to provide a steel pipe pile that can reduce the manufacturing cost by optimizing the plate thickness and / or mounting strength of the blade.
  • the bearing capacity of a steel pipe pile having multi-stage blades is expressed by the peripheral frictional force and the supporting pressure of each blade.
  • the peripheral frictional force is large when the blade spacing is narrow, and becomes the peripheral frictional force corresponding to the peripheral surface of a cylinder having the outer diameter of the multi-stage blade at the maximum, and conversely when the blade spacing is wide. Is small and has a peripheral frictional force corresponding to the peripheral surface of a cylinder whose diameter is the diameter of the pile body.
  • the bearing pressure decreases when the blade spacing is narrow, and conversely increases when the blade spacing is wide.
  • the present invention is based on such findings, and specifically has the following configuration.
  • the steel pipe pile according to the present invention is an open-tip type steel pipe pile in which a plurality of stages of blades are welded and fixed so as to project to the outer periphery of a pile main body made of a steel pipe having an outer diameter of ⁇ 800 mm or less.
  • the mounting strength of the lowermost blade is higher than the mounting strength of the other blades.
  • the plate thickness of the lowermost blade is characterized in that it is thicker than the plate thickness of the other blades.
  • the overhang length of the lowermost wing is characterized by being longer than the overhang length of the other wing.
  • the relationship between the overhang length w k of each blade other than the lowermost blade and the distance h k between each of these blades and the lower blade is 10 ⁇ h k / w k ⁇ 30 ( However, by satisfying (k is an integer of 1 or more), the bearing capacity of the steel pipe pile provided with the multi-stage blade can be most effectively expressed.
  • the bearing capacity is increased.
  • the cost of the wing part can be reduced without affecting the workability.
  • FIG. 1 is an explanatory view of a steel pipe pile according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the pile diameter, the cross-sectional area of the pile, and the circumference of the pile.
  • FIG. 3 is an explanatory view of a steel pipe pile according to another aspect of the embodiment of the present invention (No. 1).
  • FIG. 4 is an explanatory view of a steel pipe pile according to another aspect of the embodiment of the present invention (No. 2).
  • FIG. 5 is an explanatory view of a steel pipe pile according to another aspect of the embodiment of the present invention (No. 3).
  • FIG. 6 is a graph showing the experimental results in Example 1.
  • FIG. 7 is a graph showing the experimental results in Example 2.
  • a plurality of stages of blades 50 to 53 are welded and fixed so as to project to the outer periphery of a pile main body 3 made of a steel pipe having an outer diameter D of ⁇ 800 mm or less. , It is a steel pipe pile with an open tip.
  • the multi-stage blades 50 to 53 each have an overhang length w 0 to w 3 , and among the blades of the multi-stage blades 50 to 53, the blades 51 to 53 in the second to fourth stages from the bottom and each of these blades.
  • the lower limit of the outer diameter of the steel pipe is set to ⁇ 100 mm is that if it is less than 100 mm, the overhang length of the blade 50 is 75 mm even when the magnification of the blade diameter with respect to the outer diameter of the steel pipe is set as large as 2.5 times. This is because it becomes difficult to attach the wing 50.
  • the reason why the upper limit of the outer diameter of the steel pipe is set to ⁇ 800 mm is as follows.
  • the cross-sectional area of the pile increases in proportion to the square of the diameter, so the allowable vertical axial force of the pile also increases in proportion to the square of the diameter of the pile.
  • the peripheral frictional force of the pile is proportional to the first power of the pile diameter. Therefore, as the pile diameter increases, the difference between the peripheral frictional force and the allowable axial force of the pile increases. This point will be specifically described with reference to the graph shown in FIG.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the pile diameter, the cross-sectional area of the pile, and the circumference of the pile.
  • the horizontal axis is the pile diameter (mm)
  • the left side of the vertical axis is the cross-sectional area of the pile (mm 2 )
  • the right side of the vertical axis is The circumference (mm) of the pile is shown.
  • the plate thickness is 1.3% of the pile diameter and the minimum plate thickness is 9 mm. Specifically, when the pile diameter is ⁇ 600 or less, the plate thickness is 9 mm, and when the pile diameter is ⁇ 700 or more, the plate thickness is 1.3% of the pile diameter.
  • the blades 50 to 53 shown in FIG. 1 are spiral blades, and have a shape in which the blades are raised by one pitch (p 0 to p 3) when each blade 50 to 53 makes one revolution.
  • each blade 50 to 53 is not limited to this, and as shown in FIG. 3, for example, the position of the lowermost end portion of each of the plurality of stages of blades 50 to 53 is in the circumferential direction of the pile body portion 3. May be in different directions. In the example shown in FIG. 3, the positions of the lowermost ends of the multi-stage blades 50 to 53 are changed by 180 °. This is desirable because it increases the straightness during construction.
  • each wing 50-53 may not necessarily be the same, but the pitch p 0 ⁇ p 3 of all of the wings 50-53 By the same, the following effects can get.
  • each wing 51 to 53 other than the wing 50 other than the lowermost tier also penetrates into the ground, but the pitch of the wing 51 to 53 other than the lowermost tier is the same as the pitch of the lowermost wing 50.
  • the penetration speed per rotation can be made to match between the lowermost blade 50 and the other blades 51 to 53.
  • the wings 51 to 53 other than the lowermost wing also smoothly penetrate the ground without disturbing the ground.
  • the number of wings 50 to 53 is not particularly limited as long as it is plural.
  • four blades 50 to 53 are attached over the entire length of the pile, but as in the example shown in FIG. 4, they are arranged in a soft layer where no peripheral frictional force can be expected.
  • the blades may not be provided at the portion to be provided, and the two blades 50 and 51 may be provided only in the lower layer where the peripheral frictional force can be expected.
  • the wings do not necessarily have to be provided over the entire length of the pile body 3. Further, the overhang length and the interval of each wing do not necessarily have to be set to be the same.
  • the manufacturing cost of the steel pipe pile 1 can be reduced by providing the blades only in the portion of the pile main body 3 that is arranged in the stratum where the peripheral frictional force can be expected by appropriately setting the overhang length and the interval. be able to.
  • the blade is not limited to a spiral blade formed of one steel plate, and for example, as shown in FIG. 5, a pseudo spiral blade in which two flat plates 5a are attached so as to be inclined in opposite directions. It may be. If the flat plate 5a is used, the press forming process of the steel plate becomes unnecessary, which is desirable in terms of cost reduction.
  • the blade diameter Dw 0 of the lowermost blade 50 is 2.0 to 2.5 times the outer diameter D of the pile body 3, and the blade diameters Dw 1 to Dw of each blade 51 to 53 other than the lowermost blade 50. It is desirable that 3 is 2.0 times or less the outer diameter D of the pile main body 3.
  • the overhang length w 0 ⁇ w 3 of the wings 50-53 in the example shown in FIG. 1, the overhang length w 0 ⁇ w 3 of all including the bottom of the wing 50 of the blade 50 to 53 the same It is set. However, in the present invention, the overhang lengths of the wings 50 to 53 do not necessarily have to be set to be the same.
  • the overhang length w 0 of the lowermost wing 50 may be set longer than the overhang lengths w 1 to w 3 of the other wings 51 to 53. This is preferable because the propulsive force of the steel pipe pile 1 is increased and the workability can be improved.
  • the overhang length of the wing provided at the position over the soft layer of the ground may be set shorter than the overhang length of the other wing.
  • the plate thickness of the lowermost blade 50 is set in relation to the bearing capacity that it bears, and the other wing 51 to 53 are set thinner than the plate thickness of the lowermost wing 50. By doing so, the cost can be reduced.
  • the lowermost wing 50 must be installed within 1 m from the tip of the pile body 3 and as close to the tip of the pile as possible as long as welding is not hindered, in order to ensure penetration at the start of construction. Is desirable. That is, it is desirable that the distance x from the tip of the pile main body 3 to the lowermost blade 50 be as small as possible within the range of x ⁇ 1 m in order to ensure the workability of the steel pipe pile 1 (see FIG. 1). ..
  • the bearing capacity is the sum of the peripheral frictional force and the supporting pressure of the blades 50 to 53. Since the peripheral frictional force increases as the area increases, it increases as the peripheral length that develops the peripheral frictional force increases. Further, the supporting pressure of the blades 50 to 53 increases as the area of the overhang length portion of the blades 50 to 53 increases.
  • the bearing capacity (total of peripheral frictional force and supporting pressure) obtained by a certain section of the steel pipe pile 1 is considered.
  • the surface area that develops the peripheral frictional force is the surface area of the pile body 3.
  • the support pressure obtained from each blade is a large value, but if the distance between the blades is wide, the number of blades is small, so the total support pressure obtained from all the blades is not so large.
  • the bearing capacity of the pile depends on the relationship between the intervals h 1 to h 3 of the wings 50 to 53 and the overhang lengths w 1 to w 3 of the wings, and h k / w k (however, k).
  • the size of 1, 2, 3
  • the bearing capacity of the steel pipe pile 1 having the multi-stage blades 50 to 53 can be increased.
  • the wings 50 to 53 are attached to the pile body 3 by welding. It is desirable that the mounting strength of the lowermost blade 50 is set higher than the mounting strength of the other blades 51 to 53.
  • the bearing capacity borne by the lowermost wing 50 portion is generally larger than that of the other wings 51 to 53, although there is an influence of the ground hardness. This is because the wings 51 to 53 above the lowermost stage mainly bear the bearing capacity of the ground on the peripheral surface of the pile, but the lowermost wing 50 is not only the ground around the pile but also the ground at the lower end of the pile. This is because it also takes charge of the supporting power of.
  • Example 2 it is demonstrated in Example 2 described later that the bearing capacity borne by the lowermost wing 50 portion is larger than that of the other wings 51 to 53.
  • the lowermost wing 50 propels while excavating the ground, and the other wings 51 to 53 pass through the ground that has already been excavated, so that the resistance at the time of construction is also the lowest wing 50. Will be in charge of many.
  • the lowermost blade 50 is double-sided fillet welded, and the other blades 51 to 53 are single-sided fillet welded.
  • the welding leg length of the lowermost blade 50 is increased by 20% or more from the other blades 51 to 53.
  • the mounting strength may be increased.
  • the lowermost blade 50 may be completely penetration welded, and the other blades 51 to 53 may be double-sided fillet welded or single-sided fillet welded, or a combination of double-sided fillet welded and single-sided fillet welded. ..
  • the overhang lengths w 1 to w 3 of the blades 51 to 53 other than the lowermost blade 50 among the blades 50 to 53 in the plurality of stages and the blades 51 to 53 in each stage are described.
  • only the lowermost blade 50 has a higher mounting strength or a thicker plate thickness, in other words, the other blades 51 to 53 have a lower mounting strength or a thicker plate thickness. Since it is made thinner, the cost of the wing portion can be reduced without affecting the bearing capacity and workability.
  • each wing 51 to 53 other than the wing 50 of the lowermost is set to be the same, it is possible to suppress the supporting force design and steel complexity of pile 1 production, cost Reduction is possible.
  • the horizontal axis of FIG. 6 is the ratio (h k / w k ) of the distance h between the blades and the blade overhang length w, and the vertical axis is the peripheral friction force coefficient ⁇ (kN / m 2 ).
  • the coefficient of frictional force on the peripheral surface of a steel pipe pile without blades is 2 (kN / m 2 ) regardless of the diameter of the steel pipe, and for comparison with this, multi-stage blades are attached. It was decided to calculate and compare the ones corresponding to the peripheral friction force coefficient. Specifically, a load is applied to the reduced model to measure the bearing capacity, and the value obtained by dividing the bearing capacity by the surface area of a cylinder having the same length as the pile length with the blade diameter as the diameter is used as the peripheral friction force coefficient. Plotted in the figure.
  • the peripheral frictional force coefficient is smaller than 2 (kN / m 2 ), but h k / w k is within the scope of the present invention.
  • the peripheral friction force coefficient is larger than 2 (kN / m 2 ) and much larger than that of Comparative Examples 1 and 2.
  • a full-scale experiment was conducted to confirm that the above model experiment data corresponded to a full-scale one.
  • the pile diameter was 318.5 mm
  • the blade spacing h was 1200 mm
  • the blade overhang w was 79.625 mm
  • h k / w k 15.1 And said.
  • the result of the full-scale experiment is shown by the white circle plot in FIG. 6, and the peripheral friction force coefficient of 4.762 kN / m 2, which is almost the same as the model experiment data, was obtained. This proved that the above model experiment was equivalent to a full-scale one.
  • the experiment is a soil layer experiment in which the bearing capacity is investigated using a reduced model having the same ratio as the actual one, as in Example 1.
  • the N value of the soil layer is set to 20, and the pile of the test body used as the reduced model is used.
  • the steel pipe diameter is 76.3 mm
  • the steel pipe plate thickness is 2.8 mm
  • the vertical axis of the graph of FIG. 7 shows the load load ratio when the load load on all blades 50 to 53 when a downward vertical displacement is applied to the pile head is 1, and the horizontal axis is the blade diameter, which is normal. It shows the displacement of the pile head. Further, in the graph, the load-bearing ratio of the lowermost wing 50 and the total load-bearing ratio of the upper two blades are shown.
  • each wing 5 at the time of the pile head displacement (0.1) at the time of the ultimate load is evaluated as the ultimate load. Looking at the load-bearing ratio applied to, the lowermost wing 5 is 0.65, and the upper two are 0.35.
  • the load-bearing ratio of the lowermost wing 50 is large, and as described above, it has been proved that it is rational to increase the mounting strength or increase the plate thickness only for the lowermost wing 50.

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Abstract

多段で翼を設けた鋼管杭の支持力を最も効果的に発現できる鋼管杭を提供することを目的とする。また、翼の板厚及び／又は取付強度を最適化し、製造コストを低減できる鋼管杭を提供することを目的とする。　外径がφ８００ｍｍ以下の鋼管からなる杭本体部３の外周に張り出すように複数段の翼５が溶接固定された先端開放型の鋼管杭１において、複数段の翼５０～５３のうち下から（ｋ＋１）段目の各翼の張り出し長さをｗｋとし、前記各翼の一つ下段の翼との間隔をｈｋとしたときに、１０≦ｈｋ／ｗｋ≦３０（ただし、ｋは１以上の整数）の関係を満たすようにする。

Description

鋼管杭
　本発明は、地盤中に回転して施工する鋼管杭に関し、特に外径がφ８００ｍｍ以下の鋼管の外周に張り出すように、同径の翼が所定のピッチで複数段溶接固定された鋼管杭に関する。
　従来、先端あるいは周面に螺旋状の翼を取り付けて、地盤中に回転貫入させて支持力を発現する鋼管杭が多数開発されている。
　先端部の支持力を重視する鋼管杭は、主に先端に１枚もしくは２枚一対の翼を取り付けた構造であり、例えば特許文献１、２に開示されている。
　地震の多い地域では、杭の先端支持力が重視され、硬い支持層まで施工するものがほとんどであり、小径から大径（φ１０００ｍｍ超え）のものまで広く用いられている。
　しかしながら、先端支持力を十分取るためには硬い支持層まで到達させる必要があるため、支持層が地盤深くにある場合には杭長が長くなるため、コストが上昇してしまうという問題がある。
　したがって、地震が少なく、高い支持力が要求されず、かつ硬い支持層が地中深くにあるような地域では、先端支持力を重視する鋼管杭は必ずしも好適とは言えない。
　そこで、このような地域に好適なものとして、先端支持力ではなく、周面摩擦力による支持力を重視する鋼管杭が挙げられる。
　周面摩擦力を重視する鋼管杭は、硬い支持層まで到達させる必要がなく、杭長は短くて済むが、１本当たりの支持力としてはそれほど大きく取れないため、建物規模が小さく、杭径も小径から中径（φ８００ｍｍ程度まで）のものまでに多く用いられている。
　このような鋼管杭として、例えば特許文献３には、「外径が１００～２００ｍｍで、管厚３．２～６．０ｍｍの鋼管の外面に、１～３ｍの間隔をおいて、鋼管の外径の１．５～２．５倍の外径を有する１～２巻のスパイラルウイングを複数、不連続的に溶着するとともに、前記鋼管の先端中央部には下向きにすぼまる台形板状の支持金具を突出させ、先端外周部にはビット機能を有する板状の掘削補助金具を回転掘削方向に合わせて複数斜めに取り付けてあることを特徴とする小口径鋼管杭。」が開示されている。
特開平９－３２４４１９号公報 特開２００９－２０９６７４号公報 特開平１－１４２１２２号公報
　特許文献３に開示された「小口径鋼管杭」においては、多段に設けたスパイラルウイングの間隔を１～３ｍに規定した理由（理由１）やスパイラルウイングの外径を鋼管の外径の１．５～２．５倍に規定した理由（理由２）について、次のように記載されている。
＜理由１について＞
　特許文献３では、外径が１００～２００ｍｍで、管厚が３．２～６．０ｍｍの小口径鋼管杭を前提としている。そして、多段に設けたスパイラルウイングの間隔を規定した理由として、該間隔を３ｍ以上にすると極限荷重が小さくなると共に回転トルクが大きくなるためとしている。また、前記間隔を１ｍよりも狭くすると上下のスパイラルウイング間に土砂が詰まってしまい、ダンゴ状になり、土砂を上へ揚げることができなくなり、推進力が落ち、貫入性が悪くなるためとしている（特許文献３の第２頁第４欄第１５行～第３頁第５欄第５行参照）。
＜理由２について＞
　スパイラルウイングの外径を鋼管の外径の１．５～２．５倍に規定した前提として、小口径鋼管杭の杭耐力はスパイラルウイングの翼面積による土の支圧力と鋼管本体と周囲土の付着によるせん断力の和によって定まるものと考えられるとしている。そして、外径を上記範囲に規定した理由として、スパイラルウイングの外径が大きすぎても、小さすぎても、回転トルクが大きくなり、管材厚を厚くする必要がでてくるためとしている（特許文献３の第３頁第５欄第６行～第３頁第５欄第２４行参照）。
　上記のように特許文献３においては、多段に設けたスパイラルウイングの間隔と翼径をそれぞれ別個に検討し、主として施工性の観点からそれぞれの数値を特定している。
　しかしながら、硬い支持層まで到達させる必要のない多段翼の鋼管杭においても、支持力を大きくとれることは重要であり、その観点からの検討は従来されていなかった。
　また、特許文献３においては、スパイラルウイングの取付方法については、特に触れられていない。この点、多段翼の場合、製造を容易にするためには、通常は全ての翼について溶接で同等に取り付けることが一般的である。
　しかしながら、翼の数が多くなると取付コスト等が嵩むという問題がある。
　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、多段で翼を設けた鋼管杭の支持力を最も効果的に発現できる鋼管杭を提供することを目的とする。
　また、翼の板厚及び／又は取付強度を最適化し、製造コストを低減できる鋼管杭を提供することを目的とする。
　一般に、多段翼を有する鋼管杭の支持力は、周面摩擦力と各翼の支圧力によって発現される。そして、周面摩擦力に関しては、翼間隔が狭い場合には大きく、最大で多段翼の外径を直径とする円筒の周面に相当する周面摩擦力となり、逆に翼間隔が広い場合には小さく、最小で杭本体部の径を直径とする円筒の周面に相当する周面摩擦力となる。
　また、支圧力に関しては、翼間隔が狭い場合には小さくなり、逆に翼間隔が広い場合には大きくなる。
　この点、発明者が検討したところによると、多段翼における翼間隔と翼の張り出し長さとの関係を所定の値にすることで、周面摩擦力と支圧力の両方をバランス良く発現でき、その結果、鋼管杭の支持力を大きくできるという知見を得た。
　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からなるものである。
　なお、支持力として周面摩擦力を重視するもの及び先端支持力を重視するもののいずれについても先端を閉塞したものと先端を開放したものがある。
　先端を閉塞したものは、先端部の支持力が大きくなること、杭体積分の土砂が周辺地盤に圧縮され、地盤の密度が上昇することから、支持力が増大するメリットがあるが、施工性は低下するため、大型の機械が必要となるデメリットがある。
　このため、先端を閉塞にするか開放にするかは、支持力と施工性のバランスを考慮してどちらかが選択されるが、本発明では、先端開放型のものを選択している。
（１）本発明に係る鋼管杭は、外径がφ８００ｍｍ以下の鋼管からなる杭本体部の外周に張り出すように複数段の翼が溶接固定された先端開放型の鋼管杭であって、前記複数段の翼のうち下から（ｋ＋１）段目の各翼の張り出し長さをｗｋとし、前記各翼の一つ下段の翼との間隔をｈｋとしたときに、１０≦ｈｋ／ｗｋ≦３０（ただし、ｋは１以上の整数）の関係を満たす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、最下段の翼の取付強度は、他の翼の取付強度よりも高いことを特徴とするものである。
（３）また、上記（１）又は（２）に記載のものにおいて、最下段の翼の板厚は、他の翼の板厚よりも厚いことを特徴とするものである。
（４）また、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のものにおいて、最下段の翼の張り出し長さは、他の翼の張り出し長さよりも長いことを特徴とするものである。
　本発明においては、最下段の翼以外の各翼の張り出し長さｗｋと、これら各翼の一つ下段の翼との間隔ｈｋとの関係を、１０≦ｈｋ／ｗｋ≦３０（ただし、ｋは１以上の整数）を満たすようにすることで、多段翼を設けた鋼管杭の支持力を最も効果的に発現できる。
　また、本発明において、最下段の翼のみ取付強度を高く、あるいは板厚を厚くする、換言すれば、その他の翼については取付強度を低くし、あるいは板厚を薄くする場合には、支持力や施工性に影響を与えずに翼部分のコストを低減することができる。
図１は、本発明の一実施の形態に係る鋼管杭の説明図である。 図２は、杭径と杭の断面積及び杭の周長との関係を示すグラフである。 図３は、本発明の一実施の形態の他の態様に係る鋼管杭の説明図である（その１）。 図４は、本発明の一実施の形態の他の態様に係る鋼管杭の説明図である（その２）。 図５は、本発明の一実施の形態の他の態様に係る鋼管杭の説明図である（その３）。 図６は、実施例１における実験結果を示すグラフである。 図７は、実施例２における実験結果を示すグラフである。
　以下、図面を参照して、本発明の鋼管杭の実施形態について、具体的に説明する。
　図１に示すように、本実施の形態の鋼管杭１は、外径Ｄがφ８００ｍｍ以下の鋼管からなる杭本体部３の外周に張り出すように複数段の翼５０～５３が溶接固定された、先端開放型の鋼管杭である。複数段の翼５０～５３はそれぞれ張り出し長さｗ０～ｗ３を有し、複数段の翼５０～５３の翼のうち下から２～４段目の各翼５１～５３と、これら各翼の一つ下段の翼５０～５２との間隔をそれぞれｈ１～ｈ３としたときに、１０≦ｈｋ／ｗｋ≦３０（ただし、ｋ＝１、２、３）の関係を満たしている。
　以下、各構成要件について以下説明する。
＜鋼管＞
　鋼管の外径は、摩擦杭として一般的なφ１００ｍｍ～φ８００ｍｍのものを想定している。
　鋼管の外径の下限値をφ１００ｍｍとした理由は、１００ｍｍ未満では、鋼管の外径に対する翼径の倍率を２．５倍と大きく設定する場合であっても、翼５０の張り出し長さが７５ｍｍ以下となり、翼５０の取付が困難となるからである。
　また、鋼管の外径の上限値をφ８００ｍｍとした理由は以下の通りである。
　杭径が大きくなると、直径の二乗に比例して杭の断面積が大きくなるので、杭の許容鉛直軸力も杭の直径の二乗に比例して大きくなる。一方、杭の周面摩擦力は、杭径の一乗に比例する。したがって、杭径が大きくなるほど、周面摩擦力と杭の許容軸力の差が拡大する。この点を、図２に示すグラフで具体的に説明する。
　図２は、杭径と杭の断面積及び杭の周長の関係を示すグラフであり、横軸が杭径（ｍｍ）、縦軸左側が杭の断面積（ｍｍ２）、縦軸右側が杭の周長（ｍｍ）を示している。なお、杭の断面積の試算にあたっては、板厚を杭径の１．３％、最低板厚を９ｍｍとしている。具体的には、杭径がφ６００以下では板厚９ｍｍ、杭径がφ７００以上では板厚は杭径の１．３％としている。
　図２に示されるように、φ８００ｍｍを超えたあたりから断面積と周長のグラフの乖離が始まり、経済的な合理性が失われることがわかる。
＜翼＞
　本実施の形態では、図１に示すように、杭本体部３の外周面からの張り出し長さがｗ０～ｗ３の翼５０～５３が、間隔ｈ１～ｈ３で取り付けられている。また、全ての翼５０～５３の張り出し長さｗ０～ｗ３が同じに設定されており（ｗ０＝ｗ１＝ｗ２＝ｗ３）、翼５０～５３間の間隔ｈ１～ｈ３も同じに設定されている（ｈ１＝ｈ２＝ｈ３）。
　図１に示す翼５０～５３は螺旋翼であり、各翼５０～５３が１周することにより１ピッチ（ｐ０～ｐ３）分翼が上昇する形状を有している。本実施の形態では、全ての翼５０～５３が同一の形状に形成されており、同一のピッチを有する（ｐ０＝ｐ１＝ｐ２＝ｐ３）。
　もっとも、各翼５０～５３の形状はこれに限られるものではなく、例えば図３に示すように、複数段の翼５０～５３の各々の最下端部の位置が、杭本体部３の周方向で異なる方向になるようにしてもよい。図３に示す例では、複数段の翼５０～５３の最下端の位置が１８０°ずつ変わるようにしている。このようにすれば、施工時の直進性が増すため望ましい。
　なお、各翼５０～５３のピッチｐ０～ｐ３は必ずしも同じでなくてもよいが、全ての翼５０～５３のピッチｐ０～ｐ３を同じにすることで、次のような効果が得られる。
　多段翼５０～５３を有する鋼管杭１の施工では、杭を回転することで最下段の翼５０に大きな推進力を生じ、この力が杭を地中に貫入させる。
　回転貫入に伴い、最下段以外の翼５０以外の各翼５１～５３も地中に貫入することになるが、最下段以外の翼５１～５３のピッチを最下段の翼５０のピッチと同一とすることで、一回転当たりの貫入速度を、最下段の翼５０とそれ以外の翼５１～５３で一致させることができる。これにより、最下段の翼５０の貫入に伴い、最下段以外の翼５１～５３もスムースに地盤に貫入し、地盤を乱すことがない。
　一般に、地盤を乱すと杭の支持力は大きく低下することが知られているが、全ての翼５０～５３を同一ピッチとすることで、地盤を乱さず多段翼付き鋼管杭１を地中に貫入できるので、大きな支持力を発現させることができる。
　また、翼５０～５３の数は複数であれば特に限定されるものではない。例えば、図１に示す例では、杭の全長に亘って４枚の翼５０～５３が取り付けられているが、図４に示す例のように、周面摩擦力が全く期待できない軟弱層に配置される部位には翼を設けず、周面摩擦力が期待できる下層のみに２枚の翼５０、５１を設けるようにしてもよい。
　このように、翼は必ずしも杭本体部３の全長に亘って設けられていなくてもよい。また、各翼の張り出し長さや間隔は、必ずしも同じに設定されていなくてもよい。杭本体部３のうち周面摩擦力が期待できる地層に配置される部位のみに、翼を、その張り出し長さや間隔を適宜設定して設けるようにすれば、鋼管杭１の製造コストを削減することができる。
　また、翼は１枚の鋼板で形成された螺旋翼に限られるものではなく、例えば図５に示すように、２枚の平板５ａを互いに反対方向に傾斜するように取り付けた疑似的な螺旋翼であってもよい。平板５ａを用いれば、鋼板のプレス成形処理が不要となり、コスト削減上望ましい。
　翼径Ｄｗ０～Ｄｗ３については、翼５０～５３が大きくなるほど、周面摩擦力を大きくすることができる一方で、施工性が低下し、大型な機械が必要となる。また、翼５０～５３に作用する力が増大するため、翼５０～５３の溶接仕様や板厚を増やす必要が生じ、コストが大幅に上昇する。そこで、最下段の翼５０の翼径Ｄｗ０は杭本体部３の外径Ｄの２．０～２．５倍、最下段の翼５０以外の各翼５１～５３の翼径Ｄｗ１～Ｄｗ３は杭本体部３の外径Ｄの２．０倍以下とすることが望ましい。
　また、翼５０～５３の張り出し長さｗ０～ｗ３に関しては、図１に示す例では、最下段の翼５０を含む全ての翼５０～５３の張り出し長さｗ０～ｗ３が同じに設定されている。しかし、本発明においては、各翼５０～５３の張り出し長さは、必ずしも同じに設定されていなくてもよい。
　例えば、最下段の翼５０の張り出し長さｗ０を、他の翼５１～５３の張り出し長さｗ１～ｗ３よりも長く設定してもよい。このようにすると、鋼管杭１の推進力が大きくなり、施工性を向上させることができるので好ましい。あるいは、地盤の軟弱層にかかる位置に設けられる翼の張り出し長さを、その他の翼の張り出し長さより短く設定するようにしてもよい。
　また、後述するように、最下段の翼５０の支持力の負担が大きいので、最下段の翼５０の板厚を他の翼５１～５３の板厚よりも厚く設定することが望ましい。換言すれば、最下段の翼５０の板厚について、その負担する支持力との関係で板厚を設定し、他の翼５１～５３については、最下段の翼５０の板厚よりも薄く設定することで、コスト低減することができる。
　また、最下段の翼５０は施工開始時の貫入性を確保するために、杭本体部３の先端から１ｍ以内で、溶接に支障が生じない限りできるだけ杭の先端の近くに取り付けられていることが望ましい。即ち、杭本体部３の先端から最下段の翼５０までの距離ｘは、ｘ≦１ｍの範囲内でできるだけ小さくすることが、鋼管杭１の施工性を確保する上で望ましい（図１参照）。
＜ｈとｗの関係＞
　複数段の翼５０～５３のうち最下段の翼５０以外の各翼５１～５３の張り出し長さｗ１～ｗ３と、これら各翼５１～５３の一つ下段の翼５０～５２との間隔ｈ１～ｈ３との関係は、１０≦ｈｋ／ｗｋ≦３０（ただし、ｋは１以上の整数）に設定されている。
　以下、この理由を説明する。
　多段翼５０～５３が設けられた鋼管杭１において支持力は、周面摩擦力と翼５０～５３の支圧力の合わさったものとなる。周面摩擦力は、面積が大きいほど大きくなるので、周面摩擦力を発現する周長が長いほど大きくなる。また、翼５０～５３の支圧力は翼５０～５３の張り出し長さ部の面積が大きいほど大きくなる。
　ここで、鋼管杭１の一定の区間によって得られる支持力（周面摩擦力と支圧力の合計）を考える。翼の間隔ｈｋがかなり広い場合、例えばｈｋ／ｗｋ＞３０の場合には、周面摩擦力を発現する表面積は、杭本体部３の表面積になる。また、各翼から得られる支圧力は大きな値となるが、翼の間隔が広いと翼の枚数が少なくなるため、全ての翼から得られる支圧力の合計はあまり大きくならない。
　また、翼の間隔ｈｋがかなり狭い場合、例えばｈｋ／ｗｋ＜１０の場合には、各翼の支圧力同士が干渉するため、支圧力が低下し、周面摩擦力にも悪影響を及ぼすため、合計の支持力はかなり低下する。
　このように、杭の支持力は、翼５０～５３の間隔ｈ１～ｈ３と翼の張り出し長さｗ１～ｗ３との関係に依存しており、ｈｋ／ｗｋ（ただし、ｋ＝１、２、３）の大きさを適切な値に設定することで、多段翼５０～５３を有する鋼管杭１の支持力を大きくすることができる。
　そして、この点に関し、発明者の検討によると、ｈｋ／ｗｋの大きさが１０≦ｈｋ／ｗｋ≦３０の範囲内にあれば、翼径と同じ径の杭本体部３を有し、翼を備えていない鋼管杭の支持力よりも大きな支持力が得られることがわかった。
　なお、この点については、後述の実施例１で実証している。
＜翼の固定方法＞
　翼５０～５３は、杭本体部３に溶接によって取り付けられている。そして、最下段の翼５０の取付強度が、他の翼５１～５３の取付強度よりも高く設定されていることが望ましい。
　この理由を以下に説明する。
　複数段の翼５０～５３を取り付けた場合、地盤硬さの影響はあるが、一般的に最下段の翼５０部分が負担する支持力は、他の翼５１～５３と比較して大きくなる。これは、最下段よりも上方にある翼５１～５３は主として杭周面の地盤の支持力を受け持つことになるが、最下段の翼５０は、杭周囲の地盤だけでなく、杭下端の地盤の支持力も併せて受け持つためである。
　このように、最下段の翼５０部分が負担する支持力は、他の翼５１～５３と比較して大きくなる点について、後述の実施例２で実証している。
　また、施工時には最下段の翼５０が地盤を掘削しながら推進していき、他の翼５１～５３は既に一度掘削された地盤内を通るため、施工時の抵抗についても、最下段の翼５０が多く受け持つことになる。
　以上より、多段翼の杭においては、最下段の翼５０の負担が施工時、支持力発現時ともに大きく、それ以外の翼５１～５３の負担は少ないことがわかる。
　そこで、最下段の翼５０のみ支持力と施工中の耐力を考慮して溶接仕様や翼厚さを設定し、その他の翼５１～５３についてはより小さい耐力の溶接仕様とすることで、施工性や支持力に影響を与えずに溶接金属や鋼材の重量を低減させ、コストを削減させることができる。
　最下段の翼５０の溶接仕様の差異を設ける態様としては、最下段の翼５０は両面隅肉溶接であり、他の翼５１～５３は片面隅肉溶接とすることが挙げられる。
　また、溶接は隅肉溶接を基本とし、取付強度は脚長により管理するのが一般的であることから、最下段の翼５０の溶接の脚長を他の翼５１～５３より２０％以上増やすことにより取付強度を高めるようにしてもよい。
　さらに、最下段の翼５０は完全溶け込み溶接とし、他の翼５１～５３は両面隅肉溶接又は片面隅肉溶接、あるいは両面隅肉溶接のものと片面隅肉溶接のものとの組み合わせとしてもよい。
　以上のように、本実施の形態においては、複数段の翼５０～５３のうち最下段の翼５０以外の各翼５１～５３の張り出し長さｗ１～ｗ３と、これら各翼５１～５３の一つ下段の翼５０～５２との間隔ｈ１～ｈ３との関係を、１０≦ｈｋ／ｗｋ≦３０（ただし、ｋ＝１、２、３）を満たすようにすることで、多段翼を設けた鋼管杭１の支持力を最も効果的に発現できる。
　また、本実施の形態では、最下段の翼５０のみ取付強度を高く、あるいは板厚を厚くしている、換言すれば、その他の翼５１～５３については取付強度を低くし、あるいは板厚を薄くしており、支持力や施工性に影響を与えずに翼部分のコストを低減することができる。
　また、最下段の翼５０以外の各翼５１～５３の張り出し長さｗ１～ｗ３が同じに設定されているので、支持力設計や鋼管杭１製造の煩雑さを抑えることができ、コスト低減が可能となる。
　本発明の効果を確認するために、実物と同じ比率の縮小モデルを用いて支持力を調査する土層実験を行った。縮小モデルとして用いた試験体の杭の鋼管径は７６．３ｍｍ、鋼管板厚は２．８ｍｍ、土層のＮ値＝２０として表１に示す条件で試験結果を比較した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
   試験結果を図６に示す。
　図６の横軸は、翼間の距離ｈと翼張り出し長さｗとの比（ｈｋ／ｗｋ）であり、縦軸は周面摩擦力係数β（ｋＮ／ｍ２）である。
　一般に翼の付いていない鋼管杭の周面摩擦力係数は、鋼管径に関わらず２（ｋＮ／ｍ２）が用いられることがあり、これとの比較をすることから、多段翼が付いているものにおいても周面摩擦力係数に相当するものを算出して比較することとした。具体的には、縮小モデルに荷重を負荷して支持力を計測し、その支持力を、翼径を直径とし杭長と同じ長さの円筒の表面積で除算した値を周面摩擦力係数として図中にプロットした。
　図６に示されるように、比較例１、２では周面摩擦力係数が２（ｋＮ／ｍ２）よりも小さいが、ｈｋ／ｗｋが本発明範囲内にある発明例１、２の周面摩擦力係数は２（ｋＮ／ｍ２）よりも大きく、また比較例１、２よりもはるかに大きな値となっている。
　このことから、ｈｋ／ｗｋが本発明の範囲である発明例１、２であれば周面摩擦力係数を大きくできる、換言すれば支持力を大きくできることが実証された。
　なお、上記の模型実験データが実大のものに相当することを確認するため実大実験を行った。実大実験は、杭径３１８．５ｍｍ、翼径は杭径の１．５倍＝４７７．７５ｍｍ、翼間隔ｈは１２００ｍｍ、翼張出ｗは７９．６２５ｍｍ、ｈｋ／ｗｋ＝１５．１とした。実大実験の結果は図６の白丸のプロットで示されており、模型実験データとほぼ同じ４．７６２ｋＮ／ｍ２の周面摩擦力係数が得られた。これによって、上記の模型実験が実大のものに相当することが実証された。
　最下段の翼５０が他の翼５１～５３よりも大きな支持力を負担することを確認する実験を行ったので、以下説明する。
　実験は、実施例１と同様に、実物と同じ比率の縮小モデルを用いて支持力を調査する土層実験であり、土層のＮ値＝２０とし、縮小モデルとして用いた試験体の杭の鋼管径は７６．３ｍｍ、鋼管板厚は２．８ｍｍ、翼の段数は３段、ｈ／ｗ＝１２．６である。
　実験結果を図７のグラフに示す。
　図７のグラフの縦軸は、杭頭に下向きの垂直変位を与えた時の全ての翼５０～５３での荷重負担を１とした時の荷重負担比率を示し、横軸は翼径で正規化した杭頭変位を示している。また、グラフ中には、最下端の翼５０の荷重負担比率と、上２枚の合計の荷重負担比率をそれぞれ示している。
　また、一般に杭径である翼径の１０％の変位時の荷重を極限荷重として評価することが規定されていることから、極限荷重時の杭頭変位（０．１）時においてそれぞれの翼５にかかる荷重負担比率をみると、最下端の翼５が０．６５で、上２枚が０．３５となっている。
　このように、最下端の翼５０の荷重負担比率が大きく、上述したように、最下端の翼５０のみ取付強度を高く、あるいは板厚を厚くすることが合理的であることが実証された。
　１　　鋼管杭
　３　　杭本体部
　５０～５３　　翼
　５ａ　　平板
　ｗ０～ｗ３　　張り出し長さ
　ｈ１～ｈ３　　一つ下段の翼との間隔
　ｐ０～ｐ４　　ピッチ
　Ｄ　　杭本体部の外径
　Ｄｗ０～Ｄｗ３　　翼の外径

Claims (4)

  1. 　外径がφ８００ｍｍ以下の鋼管からなる杭本体部の外周に張り出すように複数段の翼が溶接固定された先端開放型の鋼管杭であって、
    　前記複数段の翼のうち下から（ｋ＋１）段目の各翼の張り出し長さをｗｋとし、前記各翼の一つ下段の翼との間隔をｈｋとしたときに、１０≦ｈｋ／ｗｋ≦３０（ただし、ｋは１以上の整数）の関係を満たすことを特徴とする鋼管杭。
  2. 　最下段の翼の取付強度は、他の翼の取付強度よりも高いことを特徴とする請求項１記載の鋼管杭。
  3. 　最下段の翼の板厚は、他の翼の板厚よりも厚いことを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管杭。
  4. 　最下段の翼の張り出し長さは、他の翼の張り出し長さよりも長いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の鋼管杭。
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