JP4961448B2 - 基礎杭の先端部材及びこれを用いた基礎杭 - Google Patents

Description

本発明は、回転させながら地中に圧入される基礎杭の先端部材及びこれを用いた基礎杭に関するものである。

回転させながら地中に圧入される基礎杭として、円筒状の鋼管の先端部に螺旋状を始めとした様々な形状の羽根を溶接で後付けしたものが多数提案されている。この種の基礎杭を製造するには、羽根を製作するためのプレス設備とその金型が必要となる上、羽根と鋼管との溶接部は鋼管同士の溶接部と比べて複雑な形状をしていることから、羽根と鋼管との十分な溶接強度を確保するために熟練した溶接技術が必要となるなど、かなりの手間とコストがかさむ。また、羽根と鋼管との溶接部分には基礎杭の圧入時または抜脱時に大きな力が作用するため、溶接の具合や地盤の硬さによっては、溶接部分より羽根が外れるといった問題があった。

このため、円筒状の直管部とこの直管部先端の羽根とを遠心力鋳造によって一体的に形成した基礎杭と、この杭の鋳造型および製造方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１の発明によれば、基礎杭の直管部と羽根とを鋳造によって一体的に形成しているので、羽根を製作するためのプレス設備や、羽根を取り付けるための熟練した溶接技術が不要となり、安定性の高い基礎杭を製造することができる。しかしながら、このように長尺ものである直管部と直管部先端の羽根とを遠心力鋳造によって一体的に形成する場合、大型の遠心力鋳造設備が必要となる上、鋳込んだ基礎杭が変形することなく脱型できる状態になるまでに相応の冷却時間を要するため、生産性が悪いという問題がある。

特許第３４１４６２９号公報

本発明が解決しようとする課題は、回転させながら地中に圧入される基礎杭の先端部材において、鋼管である基礎杭本体を容易に溶接でき、かつ、引張、圧縮、せん断、曲げ、ねじりといった基礎杭の圧入時または抜脱時、及び杭として上部構造物を支える時に発生する力学的な因子に対し、問題なく機能し、施工機械の力を確実に伝達することができると共に、支持力を確実に発揮することのできる、生産性を向上させた基礎杭の先端部材及びこれを用いた基礎杭を提供することにある。

前記課題を達成するため、請求項１の発明では、回転させながら地中に圧入される基礎杭の先端部材であって、先端に羽根を備えた鋳造品である略円筒形状の先端部本体と、略円筒形状の溶接性の良好な鋼製の継管とからなり、前記継管は前記先端部本体に鋳包まれ、前記先端部本体の後端から突出していることを特徴とする。
請求項２の発明では、請求項１の基礎杭の先端部材において、前記継管は、先端側端面に複数個の切欠き部が周方向に連続して並ぶ凹凸形状を備えているとともに、周面に周方向に連続した単数または複数の周溝を備え、前記切欠き部及び周溝は、前記先端部本体に鋳包まれていることを特徴とする。

また、請求項３の発明では、請求項１または２に記載の先端部材を用いた基礎杭であって、前記継管と、略円筒形状の基礎杭本体とを溶接して接合したことを特徴とする。

請求項１の発明の基礎杭の先端部材によれば、羽根が先端部本体に鋳造により一体成形されているので、基礎杭の圧入時または抜脱時、及び杭として上部構造物を支える時に作用する力によって羽根が外れてしまうということがない。また、溶接性の良好な鋼製の継管が先端部本体の後端から突出しているので、略円筒形状の鋼管である基礎杭本体に対して溶接によって容易に接合することができる。

請求項２の発明の基礎杭の先端部材によれば、鋳包むことにより鋳造品である先端部本体と溶接性の良好な鋼製の継管とを一体的に形成する際に、継管の先端側端面の切欠き部に溶湯が入り込み、これが凝固することで、継管と先端部本体とが強固に歯合し、周方向について固定される。したがって、継管を基礎杭本体に溶接後、基礎杭本体とともに先端部材を回転させる際に、基礎杭本体に加わるトルクを複数の切欠き部で分散して受けるので、トルクに対して高い強度を発揮する。また、同様に、継管の周面の周溝に溶湯が入り込み凝固することで、継管と先端部本体とが強固に係合し、軸方向について固定される。基礎杭本体の軸方向に加わる引張、圧縮荷重を単数または複数の周溝で受けるので、引張、圧縮荷重に対して高い強度を有する。一方で、基礎杭本体に継管を溶接後、基礎杭に曲げ荷重が加わり、継管と先端部本体の接合部分が反った場合に、周溝が引っ掛かり、先端部本体が抜けてしまうことを防ぐ。

請求項３の発明の基礎杭によれば、継管と基礎杭本体とを溶接する構成とすることにより、先端部本体と継管とからなる先端部材と、鋼管である基礎杭本体とを別々に製造し、一体の基礎杭とすることができる。したがって、その製造設備を小規模に抑えることができ、例えば砂型鋳造法等の一般的な小規模設備によることができる。

本発明に係る基礎杭の先端部材の概略図である。 継管の概略図である。 先端部本体の概略図である。 継管が先端部本体に鋳包まれた状態を示す概略図である。 本発明に係る先端部材の端面図である。 本発明に係る基礎杭の概略図である。

図１は本発明に係る基礎杭の先端部材の概略図である。
図示したように、先端部材１は、継管２と先端部本体３とで構成される。先端部本体３の先端には、羽根４が一体的に形成されている。継管２は、後端（上端）部分のみが突出した形で、それ以下の部分、すなわち継管２の先端部分が先端部本体３に鋳包まれている。鋳包んでいるので、継管２と先端部本体３とは隙間なく密着しているが、溶着はされていない。

継管２は例えば低炭素鋼等の溶接性の良好な鋼製であり、先端部本体３は伸びの基準値が１０％以上で、炭素当量が２．１４％以上４．５０％以下の鉄−炭素系合金による鋳造品である。ここで、伸びの基準値を１０％以上とするのは、基礎杭の圧入時または抜脱時、及び上部構造物を支持している状態において地震力等が作用した時における先端部本体３の脆性的な破壊を防ぐためであり、また、炭素当量を２．１４％以上４．５０％以下の範囲とするのは、それにより溶湯の流動性が向上し複雑形状の作製が可能、比較的低温で鋳造でき製造コストが安価等の利点が得られるためである。炭素当量が２．１４％を下回る場合は、溶湯の流動性が悪くなり、鋳造欠陥が発生し易くなるので、溶解温度及び鋳込み温度を高くする必要があり、製造コストが高くなる。炭素当量が４．５０％を上回る場合は、異常黒鉛が生じることにより機械的性質の低下が懸念される。先端部本体３は炭素含有量が多いため溶接性に劣るものであるが、溶接性の良好な鋼製の継管２が先端部本体３の後端から突出しているため、略円筒形状の鋼管である基礎杭本体１１（図６参照）に対して溶接によって容易に接合することができる。したがって、地中圧入のための強度を確保しながら、基礎杭本体１１との溶接性を高めて取り扱い性を向上している。

図２は継管の概略図である。
継管２は、上述したように、低炭素鋼等の溶接性の良好な鋼製であり、短尺の略円筒形状である。継管２の先端側の端面には複数の切欠き部６が設けられる。したがって、継管２の先端側端面は、周方向に連続した凹凸形状が形成される。継管２の側面たる外周面には、全周に亘って周方向に複数本の周溝５が設けられる（図では３本の周溝５）。なお、継管２は基礎杭本体１１との溶接性が良好で十分な強度を有した材質であれば、低炭素鋼製に限定されるものではない。

図３は先端部本体の概略図である。
先端部本体３は、上述したように、先端に羽根４を備えている。なお、図３では前述した継管２と先端部本体３とを区分して説明するために継管２を除去した状態で図示している関係上、先端部本体３の後端が二重管構造になっているが、実際の先端部本体３は継管２を鋳包んで形成される鋳造品であり、二重管構造を形成した先端部本体３が単独で存在するものではない。なお、基礎杭の貫入性を向上させるために、羽根４の終端(最先端)に約４５°の傾斜９を設けている。

図４は継管が先端部本体に鋳包まれた状態を示す概略図であり、図５は本発明に係る先端部材の端面図である。
切欠き部６について説明する。
継管２の先端側端面の全周に亘り、継管２と先端部本体３の各許容応力の違いに応じて、凸部と凹部の幅を適宜設定した複数の切欠き部６が均等に設けられており、基礎杭の圧入時または抜脱時に生じるトルクを各切欠き部６で分散して受けることで、耐久力を高めている。切欠き数（切欠き部６の数）が少ないと、各切欠き部６の側壁面に作用する応力が大きくなり、継管２と先端部本体３のいずれかの歯合部分が変形または破壊してしまう。

切欠き部６の側壁面は、継管の中心から外周側へ放射状に伸びる直線に沿った平面視ハ字状となっている。切欠き部６の側壁面が平行である場合、トルクが外周側に集中し、変形し易いため、このようなハ字状とすることが好ましい。すなわち、切欠き部６の側壁面を平面視ハ字状とすることにより、圧入時または抜脱時のトルクを側壁面の全面で均一に受け、耐久性の向上を図っている。

切欠き部６の数及び切欠き高さ並びに凸部と凹部の幅は、切欠き部６の側壁面に加わる支圧、切欠き部６に挟まれた突起部７の根元面に加わるせん断力、及び切欠き部６に歯合する先端部本体３側に加わるせん断力（切欠き部６を囲む６面のうち、先端部本体３により形成される面（切欠き部６の内側面、外側面、先端面）におけるせん断力）のそれぞれに対する許容応力が、基礎杭本体１１（図６参照）の降伏ねじりモーメント時に発生する応力より大きくなるように設定される。

上記を満たした上で、切欠き数を極力少なく、切欠き高さを低く設定した方が、鋳包み深さを浅くすることができ、製品重量を軽減できる。
周溝５について説明する。
本実施例では継管２の外周面の周方向に亘って、３本の周溝５が設けられており、基礎杭の圧入時または抜脱時、及び上部構造物を支持している時に加わる軸方向の支圧力を分散して受けることで、耐久力を高めている。この周溝５の深さは、周溝５の残存肉厚部分（継管２における周溝５が形成された部分の肉厚部）の許容引張力、及び周溝部における許容支圧力（周溝５の上側面及び下側面に作用する支圧力に対する許容量）が、基礎杭本体１１の許容引張力より大きく、周溝５の残存肉厚部分の全塑性モーメントが、基礎杭本体１１の全塑性モーメントより大きく、周溝５の残存肉厚部分における降伏ねじりモーメントが、基礎杭本体１１の降伏ねじりモーメントより大きくなるよう設定される。

周溝５の深さは、周溝５における先端部本体３側の許容せん断力（周溝５に入り込んだ先端部本体３の根本面の許容せん断力）が、基礎杭本体１１の許容引張力より大きくなるよう設定される。
各周溝５の距離は、周溝５間における継管２の許容せん断力（周溝５に挟まれた突起部８の根本面の許容せん断力）が、基礎杭本体１１の許容引張力より大きくなるよう設定される。

周溝５の深さ、及び周溝５間の距離は、それぞれ相互に影響するため、適宜バランスをとるよう設定される。
羽根４について説明する。
先端部本体３は、その先端を略一周に亘って螺旋状に切欠かれている。その切欠き面に沿って、先端部本体３の円筒部分の外側に突出する外羽根部４ａ及び内側に突出する内羽根部４ｂが環状に延設され、螺旋状の羽根４として形成されている。内羽根部４ｂが先端部本体３の内側に張り出しているため、羽根４の付け根及びその近傍の基礎杭本体部分に作用する大きな曲げモーメントを軽減し、基礎杭内側方向への変形を防止している。

外羽根部４ａの幅は、基礎杭本体１１の外径のおよそ０．５倍から０．７５倍である。内羽根部４ｂの幅は、基礎杭本体１１の外径のおよそ０．２５倍である。
ここで、本実施例の羽根４は、略一周に亘って螺旋状に切欠いた先端部本体３の先端に沿って延設される螺旋状の構造としたが、これに限定されるものではなく、例えば先端部本体の先端を半周ずつに亘る不連続の螺旋状や、より多数の鋸歯状に切欠き、その先端に沿って複数枚の半円状または扇形状の羽根を形成する構造にしてもよい。

なお、継管２の周囲における先端部本体３の板厚は、継管２の内周側、外周側及び下面側それぞれについて、先端部本体３の許容引張力が基礎杭本体１１の許容引張力より大きく、先端部本体３の全塑性モーメントが基礎杭本体１１の全塑性モーメントより大きく、先端部本体３の降伏ねじりモーメントが基礎杭本体１１の降伏ねじりモーメントより大きくなるよう設定される。

以上の構成により、継管２を先端部本体３で鋳包むので、継管２の切欠き部６に溶湯が入り込み、これが凝固することで、継管２と先端部本体３とが強固に歯合し、周方向について固定される。したがって、継管２を基礎杭本体１１に溶接後、基礎杭本体１１とともに先端部材１を回転させる際に基礎杭本体１１に加わるトルクを複数の切欠き部６で分散して受けるため、トルクに対して高い強度を発揮する。また、同様に、継管２の周面の周溝５に溶湯が入り込み凝固することで、継管２と先端部本体３とが強固に係合し、軸方向について固定される。基礎杭本体１１の軸方向に加わる引張、圧縮荷重を複数の周溝５で分散して受けるため、引張、圧縮荷重に対して高い強度を有する。一方で、基礎杭本体１１に継管２を溶接後、基礎杭に曲げ荷重が加わり、継管２と先端部本体３の接合部分が反った場合に、周溝５が引っ掛かり、先端部本体３が抜けてしまうことを防ぐ。

図６は本発明に係る基礎杭の概略図である。
図示したように、基礎杭１０は、先端部材１の継管２と基礎杭本体１１を溶接にて溶着されて形成される。基礎杭本体１１は、一般構造用炭素鋼管であり、杭長さが足りない場合には、上端面に同材質の鋼管を溶接等で継ぎ足すことができる。このような継管２と基礎杭本体１１とを溶接する構成とすることにより、先端部材１と基礎杭本体１１を別々に製造し、一体の基礎杭とすることができる。したがって、その製造設備を小規模に抑えることができ、例えば砂型鋳造法等の一般的な小規模設備によることができる。また、上述したように、継管２は低炭素鋼等の溶接性の良好な鋼製であるので、基礎杭本体１１と容易に溶接可能である。

１ 先端部材
２ 継管
３ 先端部本体
４ 羽根
４ａ 外羽根部
４ｂ 内羽根部
５ 周溝
６ 切欠き部
７ 切欠き部に挟まれた突起部
８ 周溝に挟まれた突起部
９ 傾斜
１０ 基礎杭
１１ 基礎杭本体

Claims (3)

1. 回転させながら地中に圧入される基礎杭の先端部材であって、
   先端に羽根を備えた鋳造品である略円筒形状の先端部本体と、
   略円筒形状の溶接性の良好な鋼製の継管とからなり、
   前記継管は前記先端部本体に鋳包まれ、前記先端部本体の後端から突出していることを特徴とする基礎杭の先端部材。
2. 前記継管は、先端側端面には複数個の切欠き部が周方向に連続して並ぶ凹凸形状を備えているとともに、周面に周方向に連続した単数または複数の周溝を備え、
   前記切欠き部及び周溝は、前記先端部本体に鋳包まれている請求項１に記載の基礎杭の先端部材。
3. 請求項１または２に記載の先端部材を用いた基礎杭であって、
   前記継管と、略円筒形状の基礎杭本体とを溶接して接合した基礎杭。

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