WO2022149421A1 - 杭、杭の施工方法、構造物、構造物の構築方法、杭の設計方法及び杭の製造方法 - Google Patents

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WO2022149421A1
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pile
fin
fins
pile body
pull
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PCT/JP2021/046069
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雄登 大場
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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
    • E02D5/54—Piles with prefabricated supports or anchoring parts; Anchoring piles
    • 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
    • E02D5/56—Screw piles
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D2200/00—Geometrical or physical properties
    • E02D2200/16—Shapes
    • E02D2200/1671—Shapes helical or spiral

Definitions

  • the present invention relates to piles, pile construction methods, structures, structure construction methods, pile design methods, and pile manufacturing methods.
  • Steel pipe piles are commonly used in harbor structures. High pull-out bearing capacity is required for steel pipe piles depending on the structure and ground conditions such as piers and quay piles.
  • As a construction method for increasing the pull-out bearing capacity there is a rotary pile construction method in which a wing is attached to the tip of a steel pipe pile.
  • the driving pile method using a striking hammer, a vibro hammer, etc. is the mainstream, and the rotary pile method, which requires a relatively large rotary construction machine, is not applied.
  • piles that can be constructed by the driving pile method and press-fitting method, which are the mainstream in the harbor field, without using water jets or cement milk injection, and can demonstrate high pull-out bearing capacity have been proposed.
  • a steel pipe pile (see Patent Document 1) in which a plurality of spiral ribs forming spirals are formed on the outer peripheral surface on the lower side of the steel pipe, or a plate-shaped protrusion is fixed along the axial direction of a steel pipe pile body.
  • Patent Document 2 A steel pipe pile (see Patent Document 2) has been proposed.
  • the steel pipe pile described in Patent Document 1 enhances the pull-out support force by the peripheral frictional force of the spiral rib.
  • the steel pipe pile described in Patent Document 1 is not economical because it is necessary to form spiral ribs on the outer peripheral surface of the steel pipe so as to form a spiral.
  • the steel pipe pile described in Patent Document 2 enhances the pull-out supporting force by the peripheral frictional force and the supporting pressure of the plate-shaped protrusion.
  • the steel pipe pile described in Patent Document 2 is not economical because it is costly from the viewpoint of material cost and processing cost because it is necessary to form a relatively large protrusion in order to increase the peripheral friction force. ..
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is that it does not require large-scale equipment for construction, is excellent in economy and environment, and has little penetration into the support layer.
  • two or more plate-shaped fins are arranged on the outer peripheral surface of the pile body at the lower end of the pile body, and each fin has a vertical length of the pile body.
  • the outer diameter is 0.5 times or more and 1.75 times or less, and the inclination angle is 0 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the central axis of the pile body.
  • the method for constructing a pile according to the present invention is to penetrate the pile according to the present invention into the ground where the support layer exists, and the upper end of the fins arranged on the pile is located in the support layer. Penetrate like.
  • the structure according to the present invention includes a pile according to the present invention.
  • the method for constructing a structure according to the present invention includes a step of penetrating a pile according to the present invention into the ground.
  • the pile design method according to the present invention is the pile design method according to the present invention, in which the inclination angle is set based on the pull-out support force and the push-in support force required for the pile, and then the vertical direction is set.
  • the lower limit of the length is set according to the pull-out support force and the push-in support force.
  • the method for designing a pile according to the present invention is to design a pile in which two or more plate-shaped fins are arranged on the outer peripheral surface of the pile body at the lower end of the pile body, and each of the fins is
  • the vertical length is set to be 0.5 times or more and 1.75 times or less of the outer diameter of the pile body, and the inclination angle is set to be 0 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the central axis of the pile body.
  • the method for manufacturing a pile according to the present invention is to manufacture a pile in which two or more plate-shaped fins are arranged on the outer peripheral surface of the pile body at the lower end of the pile body, and each of the fins is The vertical length is 0.5 times or more and 1.75 times or less the outer diameter of the pile body, and the inclination angle is 0 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the central axis of the pile body.
  • the method of constructing the pile, the structure, the method of constructing the structure, the method of designing the pile, and the method of manufacturing the pile according to the present invention large-scale equipment is not required for the construction, and the construction is excellent in terms of economy and environment. Furthermore, even under the condition that there is little penetration into the support layer, high pull-out support force and high push-in support force can be exhibited, and the occurrence of construction troubles can be suppressed.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a pile according to an embodiment of the present invention, in which (a) is a case where the fins are attached substantially parallel to the central axis of the pile body, and (b) is a fin. Indicates that the pile is mounted at an angle with respect to the central axis of the pile body.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a pull-out bearing force exerting behavior when a pull-out load is applied to a pile according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the penetration position of the lower end portion of the pile and the support layer according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a construction conceptual diagram in the case where the pile according to the embodiment of the present invention is rotationally penetrated by a vertical load.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing the force acting on the fins when the pile according to the embodiment of the present invention is rotationally penetrated by a vertical load.
  • FIG. 6 is a diagram showing a three-dimensional FEM model used for verification of the pull-out bearing capacity of the pile in the embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the load and the withdrawal amount calculated by analysis for a pile having fins attached parallel to the central axis of the pile body.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the loading load and the withdrawal amount calculated by analysis for a pile to which fins are attached by inclining with respect to the central axis of the pile body.
  • the pile 1 has two or more plate-shaped fins 5 arranged on the outer peripheral surface of the pile body 3 at the lower end of the pile body 3.
  • Each fin 5 has a vertical length lfv of 0.5 times or more and 1.75 times or less of the outer diameter D of the pile body 3, and an inclination angle ⁇ (see FIG. 1 (b)) of 0 degrees or more and 45 degrees with respect to the central axis of the pile body 3. It is as follows.
  • FIG. 1A shows a case where the fin 5 is attached substantially parallel to the central axis of the pile body 3
  • FIG. 1B shows a case where the fin 5 is attached to the central axis of the pile body 3.
  • substantially parallel means that the angle of the pile body 3 with respect to the central axis is 0 degrees or more and less than 1 degree.
  • the distance between the adjacent fins 5 is 1/16 or more of the outer peripheral length of the pile main body 3, and the distance between the adjacent fins 5 is the outer circumference of the pile main body 3, if necessary. 1/2 or less of the length, the lower end position of the fin 5 is 50 mm or less from the lower end of the pile body 3, the upper end position of the fin 5 is from the lower end of the pile body 3 to twice or less the outer diameter D of the pile body 3, and the fin width wf is Satisfy one or more of the conditions that the fin plate thickness tf is twice or more, or the fin width wf is 1/2 or less of the outer diameter D of the pile body 3.
  • lt indicates the distance (50 mm or less) from the lower end of the pile body 3 to the lower end of the fin 5.
  • ⁇ indicates the tip angle of the fin 5.
  • the tip angle ⁇ of the fin 5 is a predetermined angle determined by the relationship between the workability and the bearing capacity required for the pile 1.
  • the tip angle ⁇ is preferably 60 degrees or less from the effect of reducing the shearing force received by the fin weld due to the bearing resistance of the thick fin plate when the pile is penetrated.
  • the fin length lf is the distance when the lower end and the upper end of the fin 5 on the mounting side of the pile body 3 are connected by a straight line
  • the fin horizontal length lf is the length of the lower end and the upper end of the fin 5 in the direction perpendicular to the central axis of the pile body 3. In each case, the determination is made based on the thickness center of the fin 5.
  • FIG. 2 shows a conceptual diagram of the pull-out bearing force exerting behavior when a pull-out load acts on the pile 1 shown in FIG. 1 (a).
  • the pull-out support force exerting ground 13 shows the ground that resists to exert the pull-out support force when the pile 1 is pulled out.
  • the ground 13 exhibiting pull-out bearing capacity spreads near the upper end of the fin due to the effect of the internal friction angle of the ground, and the effect of spreading diminishes when a certain distance is left, forming a cylindrical slip surface.
  • the spreading effect due to the internal friction angle of the ground increases as the ground becomes stronger.
  • the pull-out support force increases as the range of the pull-out support force exerting ground 13 that resists when the pile 1 is pulled out is wide. Therefore, compared to the spiral rib used for the steel pipe pile disclosed in Patent Document 1 described above, the pull-out bearing capacity is increased by using the fin 5 having a large radial protrusion amount of the pile 1 from the surface of the pile body 3.
  • the exerted ground 13 becomes a wide range, and a high effect can be exhibited.
  • the presence of the fin 5 not only enhances the pull-out support force, but also increases the push-in support force exerting ground (not shown) near the lower end of the fin 5 due to the effect of the internal friction angle of the ground even when the pile 1 is pushed in. As it expands, it also improves push-in support.
  • the number of fins 5 is two or more. As shown in FIG. 2 described above, the pull-out bearing capacity of the pile 1 is exerted by the resistance of the ground 13 that exerts the pull-out support force. As the number of fins 5 increases, the force transmitted from the fins 5 to the ground increases, the effect of the internal friction angle of the ground on the ground 13 exerting the pull-out support force near the upper end of the fins increases, and the pull-out support force increases.
  • the presence of the fin 5 not only enhances the pull-out support force, but also increases the push-in support force exerted by the effect of the internal friction angle of the ground near the lower end of the fin 5 even when the pile 1 is pushed in, so that the push-in support force is exerted.
  • the power also improves.
  • the presence of the fins 5 (that is, one or more fins 5) not only enhances the pull-out support force but also improves the push-in support force. This is because, as described above, even when the pile 1 is pushed in, the ground that exerts the pushing bearing capacity expands near the lower end of the fin 5 due to the effect of the internal friction angle of the ground.
  • the number of fins 5 is determined by the workability required for the pile 1, the pull-out support force, and the push-in support force. Further, in the present embodiment, in order to allow the pile 1 to penetrate stably in the axial direction, the number of piles 1 is two or more.
  • the vertical length lfv is 0.5 times or more and 1.75 times or less with respect to the outer diameter D of the pile body 3 (see FIG. 1).
  • the vertical length lfv is the distance between the lower end and the upper end of the fin plate thickness center in the central axis direction of the pile body 3, as shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing the relationship between the penetration position of the pile 1 in the vertical direction and the support layer 15 when the pile 1 is penetrated into the ground 11 where the support layer 15 is located below.
  • FIG. 3A is a case where the upper end of the fin 5 is located in the support layer 15, and
  • FIG. 3B is a case where the upper end of the fin 5 is not located in the support layer 15.
  • the ground that is required to improve the pull-out support and push-in support of piles is that the support layer (hard ground) exists under the thick and soft ground. This is because, in soft ground, the pull-out support force and the push-in support force due to the peripheral friction between the pile body and the ground cannot be expected.
  • the push-in support force not only enhances the pull-out support force due to the presence of the fins 5, but also improves the push-in support force. This is because, as described above, even when the pile 1 is pushed in, the ground that exerts the pushing bearing capacity expands near the lower end of the fin 5 due to the effect of the internal friction angle of the ground.
  • the pull-out support force is exerted by the resistance due to the pull-out support force exerting ground 13. Therefore, it is desirable that the upper end of the fin 5 is located in the support layer 15 which is a strong ground having a large internal friction angle of the ground in order to make the ground 13 exhibiting the pull-out support force sufficiently wide. Further, in order to ensure that the upper end of the fin 5 is positioned in the support layer 15, it is desirable that the fin length lf is short within a range that does not impair the performance.
  • the fin length lf is too short, it becomes difficult to temporarily fix the fin 5 with a jig when welding the fin 5 to the steel pipe pile body 3, and the workability at the time of attaching the fin 5 deteriorates. Since the size of the jig changes according to the outer diameter of the pile body 3, in the pile 1 according to the present embodiment, the vertical length lfv is the pile body so that the fin length lf is not too short.
  • the outer diameter of 3 should be 0.5 times or more.
  • the standard of the amount of penetration into the support layer in the driving pile method is about twice the outer diameter of the pile body in consideration of the strength of the construction machine and the pile body.
  • the fins 5 are stably penetrated into the support layer 15, the upper end of the fins 5 is positioned in the support layer 15, and sufficient pull-out support force is exerted by the resistance of the ground 13.
  • the vertical length lfv should be 1.75 times or less of the outer diameter D of the pile body 3 in order to exert the pull-out bearing capacity.
  • the inclination angle ⁇ is 0 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the central axis of the pile body 3 (see FIG. 1).
  • the inclination angle ⁇ is an angle with respect to the central axis of the pile body 3 when the point at the 1/2 position of the fin length lf is the center of rotation.
  • FIG. 4 shows a construction concept when a pile 1 having an inclination angle ⁇ of 1 to 45 degrees is vertically penetrated into the ground 11.
  • the fins 5 When the inclination angle ⁇ is 0 degrees or more and less than 1 degree (FIG. 1 (a)), the fins 5 (vertical fins) are substantially parallel to the central axis of the pile body 3, so that the fins are the same as those of a general steel pipe pile. It will be a vertical penetration.
  • the inclination angle ⁇ is 1 degree or more and 45 degrees or less (FIG. 1 (b))
  • the fins 5 inclined with respect to the central axis of the pile body 3, so that a vertical load is applied to the pile 1.
  • the soil slips through the fins 5 in the ground (black arrow in FIG. 4), and the pile 1 is rotated and penetrated. That is, when a vertical load is applied to the pile 1 to which the fins 5 are attached to the central axis of the pile body 3, the penetration resistance by the fins 5 can be relaxed by the rotation of the pile body 3.
  • the pull-out support force of the pile 1 is exerted by the resistance of the ground 13 that exerts the pull-out support force.
  • the larger the inclination angle ⁇ the higher the force transmitted from the fin 5 to the ground, the effect of the internal friction angle of the ground on the ground 13 exerting the pull-out support force near the upper end of the fin, and the higher the pull-out support force.
  • the inclination angle ⁇ is large, the resistance force at the time of penetration becomes large, and the construction efficiency deteriorates. for that reason.
  • the tilt angle ⁇ needs to consider not only the pull-out bearing capacity but also the penetration resistance. Hereinafter, the relationship between the tilt angle and the penetration resistance will be described.
  • a normal force acts from the ground 11 to the fins 5, and along with this, a rotational force that rotates the pile body 3 around the central axis (referred to as "fin propulsion force").
  • the normal force against the fin 5 is divided into the vertical direction of the ground 11 and the direction orthogonal to the vertical direction.
  • the component force in the direction orthogonal to the vertical direction corresponds to the "fin propulsion force”.
  • the vertical direction of the ground 11 coincides with the axial direction of the pile body 3
  • the direction orthogonal to the vertical direction of the ground 11 coincides with the tangential direction with respect to the outer periphery of the pile body 3. Therefore, the fin propulsion force becomes the rotational force of the pile body 3.
  • the fin propulsion force is increased when the inclination angle ⁇ is large at 60 degrees. It's getting smaller. As described above, if the inclination angle ⁇ is too large, the propulsive force becomes small, and as a result, the penetration resistance becomes large.
  • the ratio of the fin propulsion force (rotational force of the pile body 3) to the vertical load does not decrease significantly, and the pile 1 can be penetrated without losing the rotational force of the pile body 3.
  • the inclination angle ⁇ was set to 45 degrees or less.
  • the lower limit of the inclination angle ⁇ is set to 0 degrees or more, but the inclination angle ⁇ is set to 1 degree or more in order to penetrate while rotating the pile body 3 at the time of construction and relax the penetration resistance. It is preferable to do.
  • selection conditions "fin lower end position”, “fin upper end position”, “fin width”, “number of fins (upper limit)” and “fin spacing” will be described. These selection conditions can be set as necessary depending on the use of the pile, the purpose of the pile construction, the ground to be penetrated, the support layer, and the like.
  • the lower end position of the fin 5 is preferably set so that the distance lt from the lower end of the pile body 3 to the lower end of the fin 5 is 50 mm or less (see FIG. 1). It is desirable that the mounting position of the fin 5 is closer to the lower end of the pile body 3, and the workability of the lower end of the pile body 3 and, for example, in the case of the steel pipe pile body 3, when the fin 5 is attached to the pile body 3. Weldability is taken into consideration.
  • the upper end position of the fin 5 is preferably not more than twice the outer diameter D of the pile body 3 from the lower end of the pile body 3 (see FIG. 1).
  • the position of the upper end of the fin 5 is based on the viewpoint that the fin 5 is stably penetrated into the support layer 15 and the upper end of the fin 5 is positioned in the support layer 15 as shown in FIG. 3 (a) described above. be.
  • the fin width wf is preferably at least twice the fin plate thickness tf. Further, the fin width wf is preferably 1/2 or less of the outer diameter of the pile body 3 (see FIG. 1).
  • the fin width wf is, as shown in FIG. 1, the length in the fin circumferential direction at the position 1/2 of the fin length lf.
  • the pull-out support force increases as the range of the pull-out support force exerting ground 13 that resists when the pile 1 is pulled out is wide. Therefore, the larger the amount of protrusion from the surface of the pile body 3, the wider the ground 13 for exerting the pull-out bearing capacity, and the higher the effect can be exhibited.
  • the lower limit of the fin width wf takes into consideration the attachability of the fin 5 to the pile body 3.
  • the upper limit of the fin width wf is that when the outer diameter of the virtual circle passing through the outermost edge of the fin 5 is the fin outer diameter Df (see FIG. 1), the fin outer diameter Df is the outer diameter of the pile body 3 from the viewpoint of workability. This is because it is preferably up to about twice as much as.
  • the number of fins 5 to be attached is preferably 16 or less. Further, the distance between the adjacent fins 5 is preferably 1/16 or more of the outer diameter D of the pile body 3 as the lower limit. The upper limit is preferably 1/2 or less. Here, the distance between the adjacent fins 5 is the distance at the center of the plate thickness of the fins 5 in the outer peripheral direction of the pile body 3.
  • the reason why the number of fins 5 and the interval are within the above range is as follows. At least two fins are required to stably penetrate the pile 1 in the axial direction, and when the two fins 5 are attached at equal intervals in the outer peripheral direction of the pile body 3, the fin spacing is , It becomes 1/2 of the outer circumference length of the pile body 3.
  • the upper limit of the number of fins 5 to be attached when a steel pipe is used for the pile body 3, the fins 5 are generally retrofitted to the pile body 3 by welding or the like. It is preferably as follows. Then, when 16 fins 5 are attached at equal intervals in the outer peripheral direction of the pile main body 3, the interval between the adjacent fins 5 is 1/16 of the outer peripheral length of the pile main body 3. If the number of fins 5 is within the above range, the larger the number of fins 5, the larger the bearing area at the upper end of the fins 5, so that the load transmitting force to the ground is increased and the pull-out bearing capacity is improved.
  • the pile 1 according to the embodiment of the present invention is particularly preferably applicable to a harbor structure that requires a high pull-out support force and a push-in support force.
  • the port structure referred to here refers to a pier, a stake on a quay, and the like.
  • harbor structures it can also be applied to offshore wind foundations, building foundations, pier foundations, bedrock anchors, and the like. This is because these structures may also be required to have a high pull-out support force and a push-in support force.
  • the pile 1 according to the present embodiment is most preferably used to penetrate into the support layer that exerts the maximum effect of the bearing capacity.
  • the present invention can be applied to friction piles that do not penetrate the support layer and to diagonal piles. Further, it is possible to improve the pull-out support force and the push-in support force for general steel pipe piles (also called raw pipes).
  • the fins 5 may be attached at unequal intervals as long as they are within the above fin spacing. Further, the fins 5 do not necessarily have to be attached symmetrically with respect to the central axis of the pile body 3, and may be attached asymmetrically by performing appropriate design and construction management. Further, the fin 5 shown in FIG. 1 is attached so as to rotate clockwise with respect to the central axis of the pile body 3, but may be attached so as to rotate counterclockwise. Further, although fins may be attached to the pile head, it is preferable not to attach fins to the pile head because it hinders the rotation of the pile generated during construction and causes disturbance of the ground. Even when the fins are substantially parallel, the piles may rotate depending on the condition of the ground and how the load is applied.
  • the pile 1 according to the present embodiment can be applied not only to a steel pipe pile in which steel pipe fins are attached to a steel pipe pile body, but also to a concrete pile.
  • the fins may also be made of concrete using a formwork.
  • the pile has been described as an invention of the object, but in the pile 1 according to the embodiment of the present invention, the upper end of the fin 5 arranged at the lower end of the pile body 3 is located in the support layer. It can be used by the construction method that penetrates into.
  • the pile 1 according to the present embodiment can be penetrated into the ground where the support layer exists.
  • the construction method for penetrating the pile 1 used in this case into the ground is not particularly limited. It is possible to use known, known or unknown pile construction methods.
  • the pile 1 according to the embodiment of the present invention a construction method of penetrating into the ground by a driving pile method or a press-fitting method can be applied. Further, the pile 1 according to the present embodiment is very suitable as a pile used in these construction methods. The reason is as follows.
  • the pile 1 according to the present embodiment has a relatively small inclination angle ⁇ (see FIG. 1 (b))
  • the resistance to the vertical load is small, and it is suitable for the driving pile method or the press-fitting method which is the construction by the vertical load. It can be said that there is.
  • the pile 1 according to the present embodiment is constructed by the driving pile method and an example in which the pile 1 is constructed by the press-fitting method will be described.
  • a hammer such as a weight is dropped to apply a striking load to the pile head, or the pile is vibrated to temporarily reduce the strength of the ground and relatively increase the vertical load due to its own weight. , Penetrate the stake.
  • the pile is penetrated by applying a static press-fitting load to the pile head in the vertical direction. Even when these construction methods are used, it is a more preferable construction method to penetrate the pile into the ground so that the upper ends of the fins 5 arranged at the lower end of the pile body 3 are located in the support layer.
  • the structure provided with the pile 1 according to the present embodiment may be a structure using the pile 1 according to the present embodiment.
  • the pile according to the present invention is particularly suitable for harbor structures, offshore wind power foundations, building foundations, pier foundations, bedrock anchors, etc. among the structures.
  • the pile 1 according to the present embodiment can be used in a method for constructing a structure including a step of penetrating the pile 1 into the ground.
  • the pile 1 according to the present embodiment can also be used in the construction method of the structure including the above-mentioned construction method of the pile 1.
  • the pile is described as the invention of the object, but the pile 1 according to the present embodiment is designed by the following design method. It is a pile design method in which two or more plate-shaped fins are arranged on the outer peripheral surface of the pile body at the lower end of the pile body, and each fin has a vertical length of the pile body. Set so that the outer diameter is 0.5 times or more and 1.75 times or less, and the inclination angle is 0 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the central axis of the pile body.
  • the order of the constituent requirements of the pile design method in the present invention is not limited to the order described above. Further, the preferable range of each selection condition such as the distance between adjacent fins, the lower end position and the upper end position of the fins, and the fin width is the same as the content described for the pile 1 according to the present embodiment as described above. Therefore, it is preferable to set each of these selection conditions within the preferable range described for the pile 1 as necessary.
  • the pile 1 according to the present embodiment is also designed by the following design method.
  • the target pull-out bearing capacity of the pile 1 according to the present embodiment is set.
  • the inclination angle ⁇ and the upper limit of the number of fins are set according to the pull-out bearing capacity required for the pile 1. This is because the inclination angle ⁇ and the upper limit of the number of fins have a large influence on the pull-out bearing capacity.
  • the inclination angle ⁇ is reduced and the number of fins is increased within the permissible range.
  • economic efficiency is prioritized, the inclination angle ⁇ is increased within the permissible range, and the number of fins is reduced within the permissible range.
  • the lower limit of the vertical length lfv is set according to the pull-out bearing capacity required for the pile 1.
  • the fin width wf in addition to the vertical length lfv according to the pull-out bearing capacity required for the pile 1.
  • the fin width wf is reduced within the allowable range and the vertical length lfv is increased within the allowable range.
  • economic efficiency is prioritized, increase the fin width wf and reduce the vertical length lfv within the permissible range.
  • the "allowable range” may be a range set according to the pull-out bearing capacity required for the pile 1, or the above-described embodiment of the present embodiment. It may be within the range of each condition of the fin 5 described in the pile 1 according to the above.
  • the pile 1 according to the present embodiment is manufactured by the following manufacturing method.
  • a method for manufacturing a pile in which two or more plate-shaped fins are arranged on the outer peripheral surface of the pile body at the lower end of the pile body, and each fin has a vertical length of the pile body. It is formed so that the outer diameter is 0.5 times or more and 1.75 times or less, and the inclination angle is 0 degrees or more and 45 degrees or less with respect to the central axis of the pile body.
  • the order of the constituent requirements of the pile manufacturing method in the present invention is not limited to the order described above.
  • the suitable range of each selection condition of the distance between the adjacent fins 5, the lower end position and the upper end position of the fins 5, and the fin width is related to the present embodiment. It is the same as the content described for the pile 1. Therefore, it is preferable that each of these selection conditions is formed in a suitable range described in pile 1 as necessary.
  • the three-dimensional FEM model 21 for verification is a pile 23 equipped with a pile body 25 made of steel pipe and fins 27 made of steel plate (outer diameter (D) 609.6 mm, plate thickness 12 mm, length 9.34 m of the pile body 25).
  • the ground 31 has a cylindrical shape with an outer diameter of 12 m and a height of 12 m, and a stratum boundary that separates the upper layer 33 (N value 20) and the lower layer 35 (N value 50) is provided at a depth of 8.12 m, and the support layer in the actual ground.
  • the material data of the pile 23 and the ground 31 is a bilinear elasto-plastic model in which the secondary gradient changes at the yield point, and there are elements between the pile 23 and the ground 31 that can consider interaction behavior such as contact and friction. Incorporated.
  • the pull-out bearing capacity of a general steel pipe pile is the loading load at the time of the standard pull-out amount, and the standard pull-out amount is 0.1 times the outer diameter of the steel pipe or 0.1 times the fin outer diameter. Therefore, in this embodiment, the reference pull-out amount is 0.1 times the outer diameter of the pile main body 25, and the load load at the reference pull-out amount is set as the pull-out load.
  • the pull-out bearing capacity when the shape of the fin 27 in the pile 23 is changed is obtained.
  • the specifications such as the shape of the fin 27 in the pile 23 are shown below (see FIG. 1).
  • Eight fins 27 were provided on the outer peripheral surface of the pile body 25 at equal intervals.
  • the vertical length lfv was set to 1 times, 1.75 times and 2.5 times (1D, 1.75D and 2.5D) the outer diameter D of the pile body 25.
  • the distance lt from the lower end of the pile body 25 to the lower end of the fin 27 was set to 50 mm.
  • the fin width wf was set to 0.25 times the outer diameter of the pile body 25. At this time, the fin outer diameter Df was set to 1.5 times the outer diameter D of the pile body 25.
  • the tilt angle ⁇ was set to 0 degrees or 9.46 degrees.
  • the tip angle ⁇ of the fin 27 was set to 60 degrees.
  • the fin plate thickness tf was set to 25 mm. The specification is within the scope of the present invention except when the vertical length lfv is 2.5 times the outer diameter of the pile body 25.
  • FIG. 7 shows the relationship between the loading load and the withdrawal amount when the vertical length lfv is changed in the pile 23 in which the inclination angle ⁇ is 0 degree.
  • FIG. 7 also shows the reference withdrawal amount.
  • the standard of the amount of penetration into the support layer in the driving pile method is about twice the outer diameter of the pile body in consideration of the strength of the construction machine and the pile body. Therefore, in this embodiment, in consideration of this point, the amount of pile penetration into the support layer is set to twice the outer diameter of the pile body 3 (that is, 2D). From FIG. 7, it was confirmed that when the vertical length lfv is as short as 1 times (1D) the outer diameter of the pile body 25, which is within the range of the present invention, the pull-out bearing capacity is the highest.
  • the vertical length lfv is short, so that the upper end of the fin 27 is located deep in the lower layer 35 (support layer), the ground for exerting the pull-out support force becomes wider, and the pull-out support force is maximized. .. Further, even in the case of 1.75D in which the vertical length lfv is within the range of the present invention, since the upper end of the fin 27 is located in the lower layer 35, the pull-out bearing capacity close to that in the case of the vertical length lfv of 1D was obtained. Since the pull-out support force is exerted by the resistance of the pull-out support force exerting ground 13, it is clarified that the longer the distance between the upper end of the fin and the upper surface of the support layer, the more effective it is.
  • the upper end of the fin 27 is not located in the lower layer 35 (support layer), so that the pull-out support force is exhibited.
  • the resistance due to the ground 13 was insufficient, and the pull-out bearing capacity was not sufficiently exhibited.
  • FIG. 8 shows the relationship between the load and the withdrawal amount when the vertical length lfv is changed in the pile 23 having the inclination angle ⁇ of 9.46 degrees. Similar to FIG. 7 described above, FIG. 8 also shows a reference drawing amount based on 0.1 times the outer diameter of the steel pipe.
  • the distance between the upper end of the fin and the upper surface of the support layer according to this embodiment. It can be confirmed that 0.25D or more is sufficient.
  • the vertical length lfv is as long as 2.5 times (2.5D) the outer diameter of the pile body 25, which is outside the scope of the present invention, the upper end of the fin 27 is not located in the lower layer 35 (support layer), so that the pull-out support force is obtained. The bearing resistance due to the exerted ground 13 was insufficient, and the pull-out bearing capacity was not sufficiently exerted.
  • the present invention does not require large-scale equipment for construction, is excellent in economy and environment, and exhibits high pull-out support and high push-in support even under conditions where there is little penetration into the support layer. It is possible to provide piles, pile construction methods, structures, structure construction methods, pile design methods, and pile manufacturing methods that can suppress the occurrence of construction troubles.

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Abstract

本発明に係る杭１は、杭本体３の下端部に２枚以上の板状のフィン５が杭本体３の外周面に配設されたものであって、フィン５は、鉛直長が杭本体３の外径の1倍以上1.75倍以下、傾斜角度が杭本体３の中心軸に対して0度以上45度以下、である。

Description

杭、杭の施工方法、構造物、構造物の構築方法、杭の設計方法及び杭の製造方法
　本発明は、杭、杭の施工方法、構造物、構造物の構築方法、杭の設計方法及び杭の製造方法に関するものである。
　港湾構造物において鋼管杭は一般的によく用いられる。桟橋や岸壁の控え杭等、構造物及び地盤条件によっては、鋼管杭に高い引き抜き支持力が要求される。引き抜き支持力を高める工法としては、鋼管杭の先端に翼を取り付けた回転杭工法がある。港湾分野では、施工スペースの関係上、打撃ハンマーやバイブロハンマー等を用いた打込み杭工法が主流であり、比較的大型の回転施工機械が必要となる回転杭工法は適用されていない。その他の工法としては、ウォータジェット併用バイブロ工法で鋼管杭を貫入し、地中でセメントミルク噴射に切り替えて、鋼管杭と地盤を一体化させる工法がある。しかしながら、当該工法は、ウォータジェットやセメントミルク噴射に必要な大型の機材を必要とするため、船が必要な海上施工では不経済となる。さらには、当該工法は、セメントミルクを用いるため、港湾の環境面においても望ましくない。
　一方で、ウォータジェットやセメントミルク噴射を用いずに港湾分野で主流な打込み杭工法と圧入工法による施工が可能であり、高い引き抜き支持力を発揮できる杭が提案されている。例えば、鋼管の下部側の外周面に螺旋状をなす複数のスパイラルリブが形成された鋼管杭（特許文献１参照）や、鋼管製の杭本体の軸方向に沿って板状の突起体が固着された鋼管杭（特許文献２参照）が提案されている。
特開２０１７－９５８８０号公報 実開平３－１８２３８号公報
　特許文献１に記載の鋼管杭は、スパイラルリブの周面摩擦力により引き抜き支持力を高めるものである。しかしながら、特許文献１に記載の鋼管杭は、スパイラルリブを鋼管の外周面に螺旋状をなすように形成する必要があるため、経済的ではない。一方、特許文献２に記載の鋼管杭は、板状の突起体の周面摩擦力や支圧力で引き抜き支持力を高めるものである。しかしながら、特許文献２に記載の鋼管杭は、周面摩擦力を大きくするために比較的大型の突起体を形成する必要があるため、材料費や加工費の観点から費用が掛かり経済的ではない。さらに、十分な引き抜き支持力を発揮するには、突起体全体を支持層へ貫入するために、通常時よりも多く杭の先端部を支持層に貫入する必要がある。そのため、施工が大掛かりになり、施工スペースの制約、騒音や振動、貫入不良、杭体の破損等の施工トラブルが発生する可能性がある。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、施工に大掛かりな機材を必要とせず、経済性及び環境面に優れ、さらには、支持層への貫入が少ない条件であっても高い引き抜き支持力と高い押し込み支持力を発揮でき、施工トラブルの発生を抑制できる杭、杭の施工方法、構造物、構造物の構築方法、杭の設計方法及び杭の製造方法を提供することにある。
　本発明に係る杭は、杭本体の下端部に２枚以上の板状のフィンが前記杭本体の外周面に配設されたものであって、前記各フィンは、鉛直長が前記杭本体の外径の0.5倍以上1.75倍以下、傾斜角度が前記杭本体の中心軸に対して0度以上45度以下、である。
　本発明に係る杭の施工方法は、本発明に係る杭を支持層が存在する地盤に貫入するものであって、前記杭に配設された前記フィンの上端が、前記支持層内に位置するように貫入する。
　本発明に係る構造物は、本発明に係る杭を備える。
　本発明に係る構造物の構築方法は、本発明に係る杭を地盤に貫入する工程を含む。
　本発明に係る杭の設計方法は、本発明に係る杭の設計方法であって、前記杭に要求される引き抜き支持力及び押し込み支持力に基づいて、前記傾斜角度を設定し、その後、前記鉛直長の下限値を、前記引き抜き支持力及び前記押し込み支持力に応じて設定する。
　本発明に係る杭の設計方法は、杭本体の下端部に２枚以上の板状のフィンが前記杭本体の外周面に配設された杭を設計するものであって、前記各フィンは、鉛直長が前記杭本体の外径の0.5倍以上1.75倍以下、傾斜角度が前記杭本体の中心軸に対して0度以上45度以下、となるように設定する。
　本発明に係る杭の製造方法は、杭本体の下端部に２枚以上の板状のフィンが前記杭本体の外周面に配設された杭を製造するものであって、前記各フィンは、鉛直長が前記杭本体の外径の0.5倍以上1.75倍以下、傾斜角度が前記杭本体の中心軸に対して0度以上45度以下、となるように形成する。
　本発明に係る杭、杭の施工方法、構造物、構造物の構築方法、杭の設計方法及び杭の製造方法によれば、施工に大掛かりな機材を必要とせず、経済性及び環境面に優れ、さらには、支持層への貫入が少ない条件であっても高い引き抜き支持力と高い押し込み支持力を発揮でき、施工トラブルの発生を抑制できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る杭を説明する概念図であり、（ａ）はフィンが杭本体の中心軸に対して略平行に取り付けられている場合、（ｂ）はフィンが杭本体の中心軸に対して傾斜して取り付けられている場合、を示す。 図２は、本発明の実施の形態に係る杭に引き抜き荷重が作用した際の引き抜き支持力発揮挙動を説明する概念図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る杭の下端部の貫入位置と支持層との関係を示した図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る杭を鉛直荷重により回転貫入させる場合の施工概念図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る杭を鉛直荷重により回転貫入する際にフィンに作用する力を示した概念図である。 図６は、実施例において、杭の引き抜き支持力の検証に用いた3次元FEMモデルを示した図である。 図７は、杭本体の中心軸に対して平行にフィンを取り付けた杭を対象とした解析により算出した載荷荷重と引き抜き量の関係を示すグラフである。 図８は、杭本体の中心軸に対して傾斜させてフィンを取り付けた杭を対象とした解析により算出した載荷荷重と引き抜き量の関係を示すグラフである。
　本発明の実施の形態に係る杭１は、図１に例示するように、杭本体３の下端部に２枚以上の板状のフィン５が杭本体３の外周面に配設されたものである。各フィン５は、鉛直長lfvが杭本体３の外径Dの0.5倍以上1.75倍以下、傾斜角度β（図１（ｂ）参照）が杭本体３の中心軸に対して0度以上45度以下である。
　なお、図１（ａ）は、フィン５が杭本体３の中心軸に対して略平行に取り付けられている場合を示し、図１（ｂ）は、フィン５が杭本体３の中心軸に対して傾斜して取り付けられている場合を示す。ここでの「略平行」とは、杭本体３の中心軸に対する角度が0度以上1度未満であることを示す。
　また、本発明の実施の形態に係る杭１は、必要に応じて、隣り合うフィン５の間隔が杭本体３の外周長の1/16以上、隣り合うフィン５の間隔が杭本体３の外周長の1/2以下、フィン５の下端位置が杭本体３の下端から50mm以下、フィン５の上端位置が杭本体３の下端から杭本体３の外径Dの2倍以下、フィン幅wfがフィン板厚tfの2倍以上、又は、フィン幅wfが杭本体３の外径Dの1/2以下、の条件のうち１つ以上を満足する。
　図１において、ltは杭本体３の下端からフィン５の下端までの距離（50mm以下）を示す。αはフィン５の先端角度を示している。ここで、フィン５の先端角度αは、杭１に対して要求される施工性と支持力の関係から決まる所定の角度である。先端角度αは、杭貫入時のフィン板厚部の支圧抵抗により、フィン溶接部が受けるせん断力を低減する効果から60度以下が望ましい。さらに、フィン長lfはフィン５の杭本体３の取り付け側における下端と上端を直線で結んだときの距離、フィン水平長lfhはフィン５の下端と上端の杭本体３の中心軸直角方向における長さであり、いずれも、フィン５の板厚中心で判断する。
　本実施の形態に係る杭１においてフィン５を上記の通り限定した理由を説明するに先立ち、フィン５が配設された杭１に引き抜き荷重が作用した際の引き抜き支持力発揮挙動を説明する。
　図２に、図１（ａ）に示した杭１に引き抜き荷重が作用した際の引き抜き支持力発揮挙動の概念図を示す。図２において、引き抜き支持力発揮地盤１３は、杭１の引き抜き時に引き抜き支持力を発揮するために抵抗する地盤を示している。なお、引き抜き支持力発揮地盤１３はフィン上端付近では地盤の内部摩擦角の効果で広がり、一定の距離を離れると広がる効果が薄れ、円柱型にすべり面を形成する。また地盤の内部摩擦角による広がり効果は地盤が強固なほど高まる。
　引き抜き支持力は、杭１を引き抜く際に抵抗する引き抜き支持力発揮地盤１３の範囲が広いほど大きくなる。そのため、前述した特許文献１に開示されている鋼管杭に用いられるようなスパイラルリブに比べ、杭本体３の表面から杭１の径方向への突出量の大きいフィン５を用いることで引き抜き支持力発揮地盤１３が広範囲となり、高い効果を発揮できる。また、フィン５が存在することによって、引き抜き支持力を高めるだけでなく、杭１の押し込み時にもフィン５の下端付近では地盤の内部摩擦角の効果で押し込み支持力発揮地盤（図示せず）が広がるため、押し込み支持力も合わせて向上する。
　次に、本実施の形態に係る杭１におけるフィン５の限定理由を図１～図５を参照して述べる。先ず、本発明の効果を得るのに必要な条件である「フィンの枚数（下限）」、「鉛直長」及び「傾斜角度」について説明する。
（フィンの枚数（下限））
　フィン５は２枚以上とする。杭１の引き抜き支持力は、前述した図２に示すように、引き抜き支持力発揮地盤１３による抵抗で発揮される。そして、フィン５の枚数が多いほどフィン５から地盤へ伝わる力が高まり、フィン上端付近における引き抜き支持力発揮地盤１３での地盤の内部摩擦角の効果が高まり、引き抜き支持力は高まる。また、フィン５が存在することによって、引き抜き支持力を高めるだけでなく、杭１の押し込み時にもフィン５の下端付近では地盤の内部摩擦角の効果で押し込み支持力発揮地盤が広がるため、押し込み支持力も合わせて向上する。また、先に述べたように、フィン５が存在する（即ち、フィン５は１枚以上）ことで、引き抜き支持力を高めるだけでなく押し込み支持力も合わせて向上する。なぜならば、先に述べたように、杭１の押し込み時にもフィン５の下端付近では地盤の内部摩擦角の効果で押し込み支持力発揮地盤が広がるからである。そのため、フィン５の枚数は、杭１に要求される施工性と引き抜き支持力と押し込み支持力とによって決定される。さらに、本実施の形態においては、杭１を安定して軸方向へ貫入させるために、２枚以上とする。
（鉛直長）
　鉛直長lfvは、杭本体３の外径Dに対して0.5倍以上1.75倍以下である（図１参照）。ここで、鉛直長lfvは、図１に示すように、杭本体３の中心軸方向におけるフィン板厚中心の下端と上端の距離である。
　鉛直長lfvが上記の範囲を満たすものであることの理由を、図３に基づいて説明する。図３は、支持層１５が下方に存在する地盤１１に杭１を貫入させる場合における杭１の鉛直方向における貫入位置と支持層１５との関係を模式的に示した図である。図３（ａ）は、フィン５の上端が支持層１５内に位置する場合、図３（ｂ）は、フィン５の上端が支持層１５内に位置しない場合である。
　一般的に杭に引き抜き支持力と押し込み支持力の向上が要求される地盤は、層厚の厚い軟弱な地盤の下に支持層(硬質な地盤)が存在するものである。なぜならば、軟弱な地盤では、杭本体と地盤との間の周面摩擦による引き抜き支持力と押し込み支持力を期待できないためである。本実施の形態に係る杭１では、押し込み支持力は、フィン５が存在することによって引き抜き支持力を高めるだけでなく、押し込み支持力も合わせて向上する。なぜならば、先に述べたように、杭１の押し込み時にもフィン５の下端付近では地盤の内部摩擦角の効果で押し込み支持力発揮地盤が広がるからである。一方、本実施の形態に係る杭１では、引き抜き支持力は、引き抜き支持力発揮地盤１３による抵抗で発揮される。そのため、引き抜き支持力発揮地盤１３を十分に広範囲とするため、地盤の内部摩擦角が大きい強固な地盤である支持層１５内にフィン５の上端が位置することが望ましい。また、確実に支持層１５内にフィン５の上端が位置するためには、性能を損なわない範囲内でフィン長lfは短い方が望ましい。
　しかしながら、フィン長lfが短すぎると、鋼管製の杭本体３にフィン５を溶接する際に、治具によるフィン５の仮固定が難しくなり、フィン５の取り付け時の作業性が悪くなる。治具の大きさは杭本体３の外径に応じて変化することから、本実施の形態に係る杭１においては、フィン長lfが短すぎないようにするべく、鉛直長lfvは、杭本体３の外径の0.5倍以上とする。
　一方、同施工条件下においてフィン長lfが長すぎると、図３（ｂ）に示すように、フィン５の上端が支持層１５に貫入されず、十分な引き抜き支持力を発揮できない。
　また、支持層１５の条件によっては、支持層１５への杭１の貫入量を増やすことは可能である。しかしながら、実用上想定する深度に到達する前に杭１の貫入が打ち止めとなる場合も多く、フィン長lfを不用意に長くすると、フィン５の上端が支持層１５内に位置しないリスクが高まる。一般に打込み杭工法における支持層への貫入量の目安は、施工機械や杭本体の強度を考慮して杭本体の外径の2倍程度とされる。そこで、本実施の形態に係る杭１においては、安定してフィン５を支持層１５へ貫入させ、フィン５の上端を支持層１５内に位置させ、十分な引き抜き支持力発揮地盤１３による抵抗で引き抜き支持力を発揮させるため、鉛直長lfvは杭本体３の外径Dの1.75倍以下とする。
（傾斜角度）
　傾斜角度βは、杭本体３の中心軸に対して0度以上45度以下である（図１参照）。ここで、傾斜角度βは、フィン長lfの1/2位置における点を回転中心としたときの杭本体３の中心軸に対する角度とする。
　傾斜角度βを上記の範囲とする理由は以下のとおりである。図４に、傾斜角度βが1～45度の杭１を地盤１１に鉛直貫入させる際の施工概念を示す。
　傾斜角度βが0度以上1度未満の場合（図１（ａ））、杭本体３の中心軸に対して略平行なフィン５（垂直フィン）となるため、一般的な鋼管杭と同様の鉛直貫入となる。一方、傾斜角度βが1度以上45度以下の場合（図１（ｂ））、杭本体３の中心軸に対して傾斜したフィン５（傾斜フィン）となるため、杭１に鉛直荷重を与えた際、地中でフィン５の間を土がすり抜けて（図４の黒塗り矢印）、杭１が回転しながら貫入することで施工される。すなわち、杭本体３の中心軸に対してフィン５が取り付けられた杭１に鉛直荷重が与えられた場合、杭本体３が回転することでフィン５による貫入抵抗を緩和させることができる。
　杭１の引き抜き支持力は、前述した図２に示すように、引き抜き支持力発揮地盤１３による抵抗で発揮される。そして、傾斜角度βが大きいほどフィン５から地盤へ伝わる力が高まり、フィン上端付近における引き抜き支持力発揮地盤１３での地盤の内部摩擦角の効果が高まり、引き抜き支持力は高まる。その一方で、傾斜角度βが大きいと、貫入時の抵抗力が大きくなり、施工効率が悪くなる。そのため。傾斜角度βは、引き抜き支持力のみならず貫入抵抗についても考慮する必要がある。以下、傾斜角度と貫入抵抗との関係について説明する。
　図５に、傾斜角度βを30度（図５（ａ））及び60度（図５（ｂ））とした場合における、杭１を鉛直荷重により地盤１１に回転貫入した際のフィン５に作用する力を示す。なお、図５においては、杭１及び杭本体３の図示は省略した。
　杭に鉛直荷重を与えて地盤１１に貫入させると、地盤１１からフィン５に垂直抗力が作用し、これに伴い、杭本体３を中心軸回りに回転させる回転力（「フィン推進力」という）が作用する。具体的には、フィン５に対する垂直抗力を、地盤１１の鉛直方向とこの鉛直方向に直交する方向とに分力する。この鉛直方向に直交する方向の分力が、「フィン推進力」に相当する。図５においては、地盤１１の鉛直方向が杭本体３の軸方向に、地盤１１の鉛直方向と直交する方向が杭本体３の外周に対する接線方向に、それぞれ一致する。そのため、フィン推進力は杭本体３の回転力となる。
　ここで、傾斜角度βが30度の場合（図５（ａ））と60度の場合（図５（ｂ））とを比較すると、傾斜角度βが大きい60度の場合においてはフィン推進力が小さくなっている。このように、傾斜角度βが大きすぎると推進力が小さくなり、その結果、貫入抵抗が大きくなる。
　そこで、本実施の形態では、鉛直荷重に対するフィン推進力（杭本体３の回転力）の割合が大きく減少せず、杭本体３の回転力を失わずに杭１の貫入ができるようにするため、傾斜角度βを45度以下とした。
　なお、本実施の形態では、傾斜角度βの下限値を0度以上としているが、施工時において杭本体３を回転させながら貫入し、貫入抵抗を緩和するため、傾斜角度βを1度以上とするのが好ましい。
　次に、選択条件である「フィン下端位置」、「フィン上端位置」、「フィン幅」、「フィンの枚数（上限）」及び「フィンの間隔」について説明する。これらの選択条件は、杭の使用、杭の施工目的、貫入させる地盤及び支持層等によって、必要に応じて設定することができる。
（フィン下端位置）
　フィン５の下端位置は、杭本体３の下端からフィン５の下端までの距離ltが50mm以下になるように設定することが好ましい（図１参照）。これは、フィン５の取り付け位置は杭本体３の下端に近いほど望ましく、杭本体３の下端の加工性や、例えば鋼管製の杭本体３にあってはフィン５を杭本体３に取り付ける際の溶接性等を考慮したものである。
（フィン上端位置）
　フィン５の上端位置は、杭本体３の下端から杭本体３の外径Dの2倍以下とすることが好ましい（図１参照）。フィン５の上端位置に関しては、前述した図３（ａ）に示したように、フィン５を安定して支持層１５に貫入させて支持層１５内にフィン５の上端を位置させる観点によるものである。
（フィン幅）
　フィン幅wfは、フィン板厚tfの2倍以上とすることが好ましい。また、フィン幅wfは、杭本体３の外径の1/2以下とすることが好ましい（図１参照）。ここで、フィン幅wfとは、図１に示すように、フィン長lfの1/2位置におけるフィン周方向の長さである。引き抜き支持力は、杭１を引き抜く際に抵抗する引き抜き支持力発揮地盤１３の範囲が広いほど大きくなる。このため、杭本体３の表面からの突出量が大きいほど引き抜き支持力発揮地盤１３が広範囲となり、高い効果を発揮できる。
　フィン幅wfの下限は、杭本体３へのフィン５の取り付け性を考慮したものである。フィン幅wfの上限は、フィン５の最外縁を通る仮想円の外径をフィン外径Df（図１参照）としたとき、施工性の観点から、フィン外径Dfは杭本体３の外径の2倍程度までであることが好ましいためである。
（フィンの枚数（上限）及び間隔）
　フィン５を取り付ける枚数は１６枚以下とするのが好ましい。また、隣り合うフィン５の間隔は、下限として杭本体３の外径Dの1/16以上とするのが好ましい。また、上限としては1/2以下とするのが好ましい。ここで、隣り合うフィン５の間隔は、杭本体３の外周方向におけるフィン５の板厚中心の距離とする。
　フィン５の枚数及び間隔を上記の範囲とする理由は以下のとおりである。杭１を安定して軸方向に貫入するためには最低でも２枚のフィンが必要であり、２枚のフィン５が杭本体３の外周方向において等間隔に取り付けられている場合、フィン間隔は、杭本体３の外周長さの1/2となる。一方、フィン５を取り付ける枚数の上限については、杭本体３に鋼管を用いた場合、フィン５は一般的に溶接等で杭本体３に後付けされるため、必要な作業スペースを考慮すると、１６枚以下とするのが好ましい。すると、杭本体３の外周方向において等間隔に１６枚のフィン５が取り付けられている場合、隣り合うフィン５の間隔は、杭本体３の外周長さの1/16となる。なお、上記範囲内であればフィン５の枚数が多いほど、費用はかかるがフィン５の上端の支圧面積が大きくなるため、地盤への荷重伝達力が高まり、引き抜き支持力は向上する。
　以上、本発明の実施の形態に係る杭１によれば、支持層への貫入が少ない条件であっても高い引き抜き支持力と高い押し込み支持力を発揮することができる。そのため、支持層に多く貫入するための力がより小さくて済み、施工に用いる機械の小型化が可能となる。これにより、施工スペースの制約、騒音や振動、貫入不良、杭体の破損等の施工トラブルの発生を抑制することができ、施工性、経済性、環境面に優れた杭を提供することができる。
　さらに、本発明の実施の形態に係る杭１は、特に、高い引き抜き支持力と押し込み支持力とが要求される港湾構造物に対して好ましく適用できる。ここでいう港湾構造物とは、桟橋、岸壁の控え杭等を示す。また港湾構造物の他に、洋上風力基礎、建築基礎、橋脚基礎、又は、岩盤アンカー等にも、同様に適用することが可能である。これらの構造物も、高い引き抜き支持力と押し込み支持力とが要求される場合があるためである。
　なお、本実施の形態に係る杭１は、前述した図３に示したように、支持力の最大限効果を発揮する支持層へ貫入させることが最も好ましい使用形態である。このような使用形態に限らず、本発明は、支持層に貫入しない摩擦杭への適用や斜杭への適用も可能である。さらに、一般的な鋼管杭（素管とも呼ばれる）に対して、引き抜き支持力と押し込み支持力とを向上させることができる。
　なお、フィン５は、上記のフィン間隔の範囲内であれば不等間隔で取り付けられたものであってもよい。また、フィン５は、必ずしも杭本体３の中心軸に対して軸対称に取り付ける必要はなく、適切な設計、施工管理を行うことで、非対称に取り付けられたものであってもよい。また、図１に示すフィン５は、杭本体３の中心軸に対して右回りに回転するように取り付けられたものであるが、左回りに回転するよう取り付けられたものであっても良い。また、杭頭部にフィンを取り付けても良いが、施工時に発生する杭の回転を阻害することとなり、地盤を乱す要因となるので、杭頭部にはフィンを取り付けない方が好ましい。なお、フィンが略平行の場合も、地盤の状態や荷重のかかり方によって杭の回転は生じる場合がある。
　また、本実施の形態に係る杭１は、鋼管製の杭本体に鋼板製のフィンを取り付けた鋼管杭に限らず、コンクリート杭についても適用できる。コンクリート杭の場合にあっては、フィンも型枠によってコンクリートで作製すればよい。
　上記の説明では、物の発明として杭を説明したが、本発明の実施の形態に係る杭１は、杭本体３の下端部に配設されたフィン５の上端が支持層内に位置するように貫入する施工方法で使用することができる。この施工方法により、本実施の形態に係る杭１を支持層が存在する地盤に貫入させることができる。なお、この場合に使用される杭１を地盤に貫入させるための施工方法は、特に限定されない。公知、既知、又は、未知の杭の施工方法を用いることが可能である。
　さらに、本発明の実施の形態に係る杭１については、打込み杭工法又は圧入工法により地盤に貫入する施工方法が適用可能である。さらに、本実施の形態に係る杭１は、これらの施工方法で用いる杭として非常に適している。それは、次の理由による。
　一般的に、施工時に杭に荷重を与えた際に発生する抵抗力が小さいほど施工性は高まる。本実施の形態に係る杭１は、傾斜角度β（図１（ｂ）参照）が比較的小さいため、鉛直荷重に対する抵抗力が小さく、鉛直荷重による施工である打込み杭工法又は圧入工法に適していると言える。ただし、貫入時の抵抗力を最小限にするためには、施工時に回転方向の拘束が生じないよう留意する必要がある。
　次に、本実施の形態に係る杭１を打込み杭工法で施工した例と、圧入工法で施工した例とを説明する。先ず、打込み杭工法の場合は、錘等のハンマーを落下させ杭頭に打撃荷重を与える方法や杭を振動させることで一時的に地盤の強度を下げ、相対的に自重による鉛直荷重を増大させ、杭を貫入する。一方、圧入工法の場合は、杭頭に静的な圧入荷重を鉛直方向に与えることで杭を貫入する。これらの施工方法を用いる場合でも、杭本体３の下端部に配設されたフィン５の上端が支持層内に位置するように地盤に杭を貫入させるのが、より好ましい施工方法となる。
　また、本実施の形態に係る杭１を備えた構造物に、本実施の形態に係る杭１を用いたものであってもよい。
　ここで、前述したように、構造物の中でも港湾構造物、洋上風力基礎、建築基礎、橋脚基礎、又は、岩盤アンカー等に対して、本発明に係る杭は特に適している。
　また、本実施の形態に係る杭１は、杭１を地盤に貫入する工程を備えた構造物の構築方法において用いることができる。
　また、本実施の形態に係る杭１は、前述した杭１の施工方法を備える構造物の構築方法においても用いることができる。
　また、上記の説明では、物の発明として杭を説明したが、本実施の形態に係る杭１は、以下のような設計方法によって設計される。杭本体の下端部に２枚以上の板状のフィンが前記杭本体の外周面に配設された杭を設計する杭の設計方法であって、前記各フィンは、鉛直長が前記杭本体の外径の0.5倍以上1.75倍以下、傾斜角度が前記杭本体の中心軸に対して0度以上45度以下、となるように設定する。
　なお、本発明における杭の設計方法の各構成要件の順序は、上記の記載の順序に限定されるものではない。また、隣り合うフィンの間隔、フィンの下端位置と上端位置、及びフィン幅といった各選択条件の好適範囲については、上記のとおり本実施の形態に係る杭１について説明した内容と同じである。そのため、これら各選択条件は、必要に応じて杭１について説明した好適範囲で設定することが好ましい。
　また、本実施の形態に係る杭１は、以下のような設計方法によっても設計される。まず、本実施の形態に係る杭１が目標とする引き抜き支持力を設定する。次に、杭１に要求される引き抜き支持力に応じて、傾斜角度βとフィン枚数の上限とを設定する。傾斜角度βとフィン枚数の上限は、引き抜き支持力への影響が大きいためである。これらの条件を設定するに際して、施工性を優先する場合は、傾斜角度βを減らし、許容範囲内でフィン枚数を増やす。一方、経済性を優先する場合は、許容範囲内で傾斜角度βを増やし、許容範囲内でフィン枚数を減らす。
　その後、傾斜角度βとフィン枚数を決定した後、鉛直長lfvの下限値を、杭１に要求される引き抜き支持力に応じて設定する。鉛直長lfvを決定するに際して、施工性を優先する場合は、許容範囲内で鉛直長lfvを増やし、経済性を優先する場合は、許容範囲内で鉛直長lfvを減らす。
　さらに、本実施の形態に係る杭１の設計方法においては、鉛直長lfvに加え、フィン幅wfを、杭１に要求される引き抜き支持力に応じて設定することが好ましい。フィン幅wfを決定するに際して、杭１の施工性を優先する場合は、許容範囲内でフィン幅wfを減らし、許容範囲内で鉛直長lfvを増やす。一方、経済性を優先する場合はフィン幅wfを増やし、許容範囲内で鉛直長lfvを減らす。
　なお、本実施の形態に係る杭１の設計方法において、「許容範囲」とは、杭１に要求とする引き抜き支持力に応じて設定する範囲としてもよいし、又は、上記の本実施の形態に係る杭１で説明したフィン５の各条件の範囲内としてもよい。
　さらに、本実施の形態に係る杭１は、以下のような製造方法によって製造される。杭本体の下端部に２枚以上の板状のフィンが前記杭本体の外周面に配設された杭を製造する杭の製造方法であって、前記各フィンは、鉛直長が前記杭本体の外径の0.5倍以上1.75倍以下、傾斜角度が前記杭本体の中心軸に対して0度以上45度以下、となるように形成する。
　なお、本発明における杭の製造方法の各構成要件の順序は、上記の記載の順序に限定されるものではない。また、本実施の形態に係る杭１の製造方法において、隣り合うフィン５の間隔、フィン５の下端位置と上端位置、及びフィン幅の各選択条件の好適範囲については、本実施の形態に係る杭１について説明した内容と同じである。そのため、これら各選択条件は、必要に応じて杭１で説明した好適範囲で形成することが好ましい。
［実施例］
　本発明の作用効果を検証する解析を行ったので、以下、これについて説明する。当該解析では、図６に示す3次元FEMモデル２１を用い、杭２３の引き抜き支持力を求めた。
　検証用の3次元FEMモデル２１は、鋼管製の杭本体２５と鋼板製のフィン２７とを備えた杭２３（杭本体２５の外径（D）609.6mm、板厚12mm、長さ9.34m）を地盤３１の中央に配置し、杭２３の下端部側が1.22m（杭本体の外径の2倍）埋め込まれた状態とした。地盤３１は、外径12m、高さ12mの円筒形とし、深度8.12mの位置に上層３３（N値20）と下層３５（N値50）を分ける地層境界を設け、実際の地盤における支持層を模擬した。杭２３及び地盤３１の材料データは、降伏点で2次勾配が変化するバイリニア型の弾塑性モデルとし、杭２３と地盤３１の間には接触や摩擦等の相互作用挙動を考慮可能な要素を取り入れた。
　そして、杭２３に対して鉛直方向上方に引き抜き荷重を与えたときの載荷荷重と引き抜き量の関係を算出し、杭２３の引き抜き支持力を求めた。なお、一般的な鋼管杭の引き抜き支持力は、基準引き抜き量時の載荷荷重とされ、基準引き抜き量は、鋼管の外径の0.1倍又はフィン外径の0.1倍とされている。そこで、本実施例においては、基準引き抜き量は、杭本体２５の外径の0.1倍とし、該基準引き抜き量時の載荷荷重を引き抜き荷重とした。
　さらに、本実施例では、杭２３におけるフィン２７の形状を変更したときの引き抜き支持力を求めた。杭２３におけるフィン２７の形状等の仕様を以下に示す（図１参照）。８枚のフィン２７を杭本体２５の外周面に等間隔に設けた。鉛直長lfvは、杭本体２５の外径Dの1倍、1.75倍及び2.5倍（1D、1.75D及び2.5D）とした。杭本体２５の下端からフィン２７の下端までの距離ltは50mmとした。フィン幅wfは、杭本体２５の外径の0.25倍とした。このとき、フィン外径Dfは、杭本体２５の外径Dの1.5倍とした。傾斜角度βは、0度又は9.46度とした。フィン２７の先端角度αは、60度とした。さらに、フィン板厚tfは、25mmとした。なお、当該仕様は、鉛直長lfvを杭本体２５の外径の2.5倍とした場合を除き、本発明の範囲内である。
　図７に、傾斜角度βを0度とした杭２３において鉛直長lfvを変更した場合の載荷荷重と引き抜き量の関係を示す。ここで、図７には基準引き抜き量も示す。
　一般に、打込み杭工法における支持層への貫入量の目安は、施工機械や杭本体の強度を考慮して、杭本体の外径の2倍程度とされる。そこで、本実施例においては、この点を考慮して、支持層への杭の貫入量を杭本体３の外径の2倍（即ち2D）とした。図７より、鉛直長lfvが本発明の範囲内である杭本体２５の外径の1倍（1D）と短い場合、最も引き抜き支持力が高いことを確認できた。これは鉛直長lfvが短いことで、フィン２７の上端が下層３５（支持層）内の深くに位置し、引き抜き支持力発揮地盤がより広くなり、引き抜き支持力が最大限発揮されるためである。また、鉛直長lfvが本発明の範囲内である1.75Dの場合においても、フィン２７の上端が下層３５内に位置するため、鉛直長lfvが1Dの場合に近い引き抜き支持力が得られた。引き抜き支持力は引き抜き支持力発揮地盤１３による抵抗で発揮されるため、フィン上端と支持層上面までの距離が長いほど効果を発揮できることが明らかになった。一方、鉛直長lfvが本発明の範囲外である杭本体２５の外径の2.5倍（2.5D）と長い場合、フィン２７の上端が下層３５（支持層）に位置しないため、引き抜き支持力発揮地盤１３による抵抗が不足し、引き抜き支持力が十分に発揮されなかった。
　図８に、傾斜角度βを9.46度とした杭２３において鉛直長lfvを変更した場合の載荷荷重と引き抜き量の関係を示す。前述した図７と同様、図８には、鋼管外径の0.1倍に基づく基準引き抜き量も示す。
　図８より、フィン２７が杭本体２５の中心軸に対して傾斜している場合においても、傾斜角度βを0度とした場合と同様に、鉛直長lfvが本発明の範囲内である杭本体２５の外径の1倍（1D）のとき、最も引き抜き支持力が高いことを確認できた。また、鉛直長lfvが本発明の範囲内である1.75Dの場合においても、フィン２７の上端が下層３５内に位置するため、鉛直長lfvが1Dの場合に近い引き抜き支持力が得られた。言い換えると、引き抜き支持力を発揮するためにフィン上端付近において地盤の内部摩擦角の効果で引き抜き支持力発揮地盤１３を十分に広げるためには、本実施例によりフィン上端と支持層上面までの距離が0.25D以上あれば十分であることが確認できる。一方、鉛直長lfvが、本発明の範囲外である杭本体２５の外径の2.5倍（2.5D）と長い場合、フィン２７の上端が下層３５（支持層）に位置しないため、引き抜き支持力発揮地盤１３による支圧抵抗が不足し、引き抜き支持力が十分に発揮されなかった。さらに、図７と図８の結果を比較すると、フィン２７が杭本体２５の中心軸に対して傾斜している方が、引き抜き支持力発揮地盤１３による支圧抵抗が大きくなり、より引き抜き支持力が高まることも確認できた。また、引き抜き支持力と同じ傾向を示す、押し込み支持力についても高まることが期待できる。
　本発明によれば、施工に大掛かりな機材を必要とせず、経済性及び環境面に優れ、さらには、支持層への貫入が少ない条件であっても高い引き抜き支持力と高い押し込み支持力を発揮でき、施工トラブルの発生を抑制できる杭、杭の施工方法、構造物、構造物の構築方法、杭の設計方法及び杭の製造方法を提供することができる。
　　１　杭
　　３　杭本体
　　５　フィン
　１１　地盤
　１３　引き抜き支持力発揮地盤
　１５　支持層
　２１　3次元FEMモデル
　２３　杭
　２５　杭本体
　２７　フィン
　３１　地盤
　３３　上層
　３５　下層

Claims (7)

  1. 　杭本体の下端部に２枚以上の板状のフィンが前記杭本体の外周面に配設された杭であって、
    　前記各フィンは、
    　鉛直長が前記杭本体の外径の0.5倍以上1.75倍以下、
    　傾斜角度が前記杭本体の中心軸に対して0度以上45度以下である、杭。
  2. 　請求項１に記載の杭を支持層が存在する地盤に貫入する杭の施工方法であって、
    　前記杭に配設された前記フィンの上端が、前記支持層内に位置するように貫入する、杭の施工方法。
  3. 　請求項１に記載の杭を備える構造物。
  4. 　請求項１に記載の杭を備えた構造物の構築方法であって、
    　前記杭を地盤に貫入する工程を含む、構造物の構築方法。
  5. 　請求項１に記載の杭の設計方法であって、
    　前記杭に要求される引き抜き支持力に基づいて、前記傾斜角度を設定し、
    　その後、前記鉛直長の下限値を、前記引き抜き支持力に応じて設定する、杭の設計方法。
  6. 　杭本体の下端部に２枚以上の板状のフィンが前記杭本体の外周面に配設された杭を設計する杭の設計方法であって、
    　前記各フィンは、
    　鉛直長が前記杭本体の外径の0.5倍以上1.75倍以下、
    　傾斜角度が前記杭本体の中心軸に対して0度以上45度以下となるように設定する、杭の設計方法。
  7. 　杭本体の下端部に２枚以上の板状のフィンが前記杭本体の外周面に配設された杭を製造する杭の製造方法であって、
    　前記各フィンは、
    　鉛直長が前記杭本体の外径の0.5倍以上1.75倍以下、
    　傾斜角度が前記杭本体の中心軸に対して0度以上45度以下となるように形成する、杭の製造方法。
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