JP5133625B2 - 鋼管杭 - Google Patents

Description

本発明は、地盤の改良や補強工事に使用され、支持層まで貫入される鋼管杭に係り、詳しくは、地層への貫入側端部の構造を改良した鋼管杭に関する。

地盤改良、補強工法には、ソイルセメント工法や鋼管杭工法等がある。ソイルセメント工法は、地層中にセメントミルク等を混合させてソイルセメント柱を造成し、中間層等で構造物を支える工法である。鋼管杭工法は、硬い地盤の支持層まで鋼管杭を貫入して支持層から構造物を支える工法である。鋼管杭工法は、周辺地盤の変化や、軟弱地盤における圧密沈下の影響を受けず、大きな支持力を得ることができる。

鋼管杭工法には、鋼製の軸管としてＪＩＳ規格の一般構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫ）が用いられ、地盤の掘削や貫入を容易にするため、軸管の貫入側端部の構造に種々の工夫が施されている。例えば、下記特許文献１には、少なくとも１つの螺旋翼が先端付近の外周に設けられ、少なくとも１つの切欠部が先端に形成された鋼管製の軸管と、この軸管の内径より外径が少し小さい鋼管製で、底板が先端に固着され、軸管内に底板を軸管の先端側へ向けて挿入された内管とを備えた鋼管杭が提案されている。

ところが、特許文献１に開示された鋼管杭は、底板が先端に固着された内管を軸管内に挿入固定することにより閉端管として構成され、内管の底板よりも先端側に突出した軸管の一部に切欠部が形成され、この軸管の突出部分が切欠部により区画形成された円弧状の掘削刃としているため、掘削刃の掘削能力が不十分であり、地中障害物を含む締まった盛地層の掘削や、礫質地層に打ち止め貫入する場合には、掘削刃が破損する虞もある。
特開２００３−１７６５３６号公報

本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、優れた掘削能力を有し、破損し難い鋼管杭を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたもので、鋼製の軸管の貫入側端部の外周面に接線方向に沿って少なくとも２以上の掘削爪を設け、これら掘削爪を前記軸管の貫入側端部から先端部を突出させると共に、前記軸管の回転方向に対して所定の掬い角で傾斜配置し、さらに、これらの掘削爪間に、前記軸管の貫入側端部から軸方向外方へ掘削刃を突出させている。ここで、前記掘削爪の先端は、前記掘削刃の先端よりも、前記軸管の前記貫入側端部から離間する方向に向かって突出していることを特徴とする鋼管杭である。

本発明に係る鋼管杭によれば、軸管の貫入側端部から突出した２以上の掘削爪と、これらの掘削爪間に設けられた掘削刃との共働により、地中障害物を含む締まった盛地層の掘削や、礫質地層に打ち止め貫入する場合でも、優れた掘削能力を発揮し、破損などが生じにくく、信頼性の高い鋼管杭となる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は本発明に係る鋼管杭の一実施形態を示す正面図、図２は同鋼管杭の側面図、図３は同鋼管杭の底面図、図４は掘削爪を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図、図５は掘削刃を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。

図１に示すように、本実施形態の鋼管杭１は、後述する杭施工機５０により吊り込み、鉛直性を保ちながら打設位置にセットし、正回転（右回転）させながら押圧力を付与して埋設し、硬い地盤である支持層に貫入させる杭である。鋼管杭１の管本体である軸管１０には、例えば、ＪＩＳＧ３４４４の一般構造用炭素鋼鋼管（ＳＴＫ−４００）等が用いられる。特に、小径鋼管杭としては、外径１０１．６ｍｍ〜１６５．２ｍｍ、軸長６ｍのものが用いられる。軸管１０の外径は、上部に配設する構造物や埋設深度等に応じて、適宜選択される。鋼管杭には、軸管１０の地層への貫入側端部１１の開口部が開放された開放杭と、貫入側端部１１の開口部が閉塞された閉端杭とがあるが、本実施形態の鋼管杭１は、貫入側端部１１の開口部に円板状の底板１５が溶接固定されて閉塞され、閉端杭として構成されている。したがって、杭施工機５０により鋼管杭１を地層に回転圧入して埋設しても、軸管１０内に土砂や礫等は侵入しない。本実施形態の鋼管杭１は、これに限るものではなく、用途に応じて底板１５を除いて、開放杭として構成してもよい。

本実施形態の鋼管杭１は、貫入側端部１１に掘削爪２０と掘削刃３０とを備えている。掘削爪２０は、軸管１０の貫入側端部１１の外周面に少なくとも一対設けられ、この外周面の接線方向に沿うように溶接固定されている。本実施形態では、軸管１０の貫入側端部１１の外周面において、一対の掘削爪２０が径方向に相対向するように設けられているが、これに限定されるものではなく、３個以上の掘削爪２０を軸管１０の円周方向に等間隔で配置してもよい。

各掘削爪２０は、基端部側を軸管１０の貫入側端部１１の外周面に固定し、先端側を貫入側端部１１から突出するように傾斜配置している。すなわち、掘削爪２０は、杭施工機５０により軸管１０の頭部を保持して軸管１０を回転させる正回転方向（右回転方向）に対して所定の掬い角θを有するように傾斜させて配置されている。本実施形態では、掘削爪２０の掬い角θは、掘削抵抗を軽減するため、それぞれ４０〜５０度の範囲に設定することが好ましい。４０度未満であると掘削爪２０が倒れ過ぎて爪先端部の面積が大きくなり過ぎて掘削抵抗が大きくなり、５０度を超えると掘削爪２０が起き過ぎて爪先端部の面積が小さくなり過ぎて掘削機能が低下する。より好ましくは、４５度である。

具体的には、掘削爪２０は、図４に示すように、断面が一辺Ｄ：９ｍｍの正方形で角鋼材を使用し、この角鋼材を上記軸管１０の回転方向に対して４５度の掬い角θで配置し、両端を軸方向に対して垂直に（軸管１０の軸方向を鉛直方向に一致させた状態において、水平に）切断して、傾斜した長辺Ｓが７７ｍｍの平行四辺形状を呈するように形成されている。

また、これらの掘削爪２０間には、底板１５から軸管１０の軸方向外方へ掘削刃３０を突出させている。掘削刃３０は、底板１５に上面を溶接固定すると共に、長手方向の両端部を各掘削爪２０の内側に溶接固定している。すなわち、掘削刃３０は、底板１５に対して垂直となるように軸方向外方へ向けて垂下固定され、掘削爪２０同士を連結固定し、掘削爪２０及び掘削刃３０を補強している。この掘削刃３０は、例えば、図５に示すように、軸管１０の外径φを１３９．８ｍｍとした場合に、長さＬが１３５ｍｍ、高さＨが１９ｍｍ、幅Ｗが９ｍｍの矩形平板状の鋼材により形成している。鋼材幅Ｗは、９ｍｍという必要最小限に狭くし、回転時の掘削能力を高めつつ、掘削爪２０の補強を発揮するように構成している。

図６は本発明に係る鋼管杭の他の実施形態を示す正面図、図７は同鋼管杭の側面図、図８は同鋼管杭の底面図である。なお、図１〜図３に示す部材と共通する部材には同一符号を付し、説明を省略する。

本実施形態の鋼管杭１は、貫入側端部１１に一対の掘削爪２０と、これらを連結固定する掘削刃３０との組み合わせにより、鋼管杭１として優れた掘削性能を発揮するが、図６に示すように、軸管１０の貫入側端部１１の近傍外周部に螺旋状の羽根板（オーガ）４０を溶接固定することが好ましい。羽根板４０は、螺旋状に連続した１枚の羽根板であってもよいし、間隔を隔てて螺旋状に連続した２枚以上の羽根板を設けても構わない。また、本実施形態では、軸管１０の貫入側端部１１の近傍外周部に螺旋状の羽根板４０を略３６０度、つまり略１周程度しか設けていないが、これに限定されるものではなく、２周以上周回させてもよいことは言うまでもない。羽根板４０は、例えば、鋼板を螺旋状に成形して軸管１０の貫入側端部１１の近傍外周部に溶接固定され、軸管１０の外径φを１３９．８ｍｍとした場合に、羽根板４０の外径Ｆは３２０ｍｍとしている。

なお、軸管１０の外径φや長さ、掘削爪２０を構成する角鋼材の寸法、掘削刃３０を構成する鋼材の寸法、および掘削羽根板４０の外径Ｆは例示であって、本実施形態の寸法に限定されるものではない。

次に、本実施形態の作用を説明する。図９は鋼管杭の回転圧入を行う杭施工機の一例を示す概略図、図１０（Ａ）〜（Ｅ）は鋼管杭の施工手順を示す概略図である。

図９に示すように、杭施工機５０は、リーダ５１に昇降可能に設けた回転駆動装置５２により鋼管杭１を地中に回転圧入する装置であり、無端状走行駆動装置５３を備えた自走式であって機動性に優れている。この杭施工機５０は、他に運転キャビン５４、アウトリーガ５５、杭振れ止め装置５６、シリンダ装置５７等を備えており、運転キャビン５４内の不図示の操作パネルには、傾斜計、深度計、速度計、トルク計および圧入力計等が装備され、安定した押圧・回転力を確保しうる。なお、上記の杭施工機５０は、本実施形態の鋼管杭１を地中に回転圧入する装置の一例であり、本実施形態の鋼管杭１は他の施工機によっても回転圧入することができる。

図１０において、符号「６１」は地表層、「６２」は中間層、「６３」は支持層を示す。まず、杭施工機５０のアウトリーガ５５を地上に降ろし、無端状走行駆動装置５３に負荷が掛からないように地上から少し浮かせる。この状態で、回転駆動装置５２のチャック５８で鋼管杭１の頭部を把持し、シリンダ装置５７によりリーダ５１を起こしながら鋼管杭１を吊り上げる（図１０（Ａ）参照）。

杭振れ止め装置５６により軸管１０の貫入側を保持して、鉛直性を保ちながら打設位置にセットし、鋼管杭１の建て込みを行う（図１０（Ｂ）参照）。

次に、傾斜計により鋼管杭１の鉛直性を測定し、例えば、傾斜１／１００以内を確保しつつ、打設位置に鋼管杭１の中心を合わせる。

杭芯をセットした後、杭施工機５０の回転駆動装置５２により鋼管杭１を正回転（右回転）させながら押圧力を付与して、鋼管杭１の貫入側端部１１に設けた一対の掘削爪２０と掘削刃３０とで地層を掘削しながら鋼管杭１を地中へと推進させる（図１０（Ｃ）参照）。その際、一対の掘削爪２０は、軸管１０の貫入側端部１１から先端部を突出させて配置され、軸管１０の正回転方向（右回転方向）に対して４５度の掬い角θを有しているので、掘削時の抵抗力を軽減することができる。また、掘削刃３０は、鋼材の幅Ｗを必要最小限に狭くして回転時の側面に受ける抵抗力を軽減すると共に、その両端を各掘削爪２０の内側に溶接固定して掘削爪２０同士を連結しているので、掘削爪２０および掘削刃３０の両端が共に補強され、より強固な掘削が可能となる。

１本目の鋼管杭１を埋設した後、設計深度が６．０ｍ以上となる場合は、埋設した鋼管杭１の頭部に軸管１０を全周溶接により継ぎ足す（図１０（Ｄ）参照）。杭施工機５０の深度計により埋設した鋼管杭１の深度測定を行い、設計深度に応じて２〜３本目の軸管を順次継ぎ足して埋設する（図１０（Ｅ）参照）。

回転駆動装置５２により鋼管杭１の頭部に回転トルクを加えて鋼管杭１の貫入側端部（先端部）１１を支持層６３内に食い込ませ、設計深度に達したらトルク計、圧入力計により、貫入側端部１１が支持層６３内に貫入していることを確認して埋設作業を完了する。

最後に、設計の天端レベルで鋼管杭１に接続した軸管１０の天端側をガス切断して余分の軸管部分を除去し、天端の上部開口部に不図示の円板状の鋼製蓋を全周溶接して閉塞する。

このように、鋼管杭１の施工法は、杭施工機５０により鋼管杭１を回転圧入して地中にねじ込みながら推進させていき、鋼管杭１の体積分の土砂を自動的に杭側面方向へ押圧して、無排土かつ乾式で安定した支持層６３に鋼管杭１を貫入させることができるので、残土処理や汚水処理が不要である。また、大きな騒音と振動を伴うコンクリートパイルの打設と異なり、騒音や振動の発生が殆どなく、近隣環境への影響が少ない。さらに、工場生産された一般構造用炭素鋼鋼管を杭の軸管１０として用いるため、安定した品質と高い耐久性を有し、ソイルセメント工法と異なり、養生期間を必要としない。

本実施形態の鋼管杭１によれば、鋼管杭１の貫入側端部１１に設けた一対の掘削爪２０と掘削刃３０とにより地層を掘削しながら鋼管杭１を地中へと推進する。その際、軸管１０の貫入側端部１１から突出した一対の掘削爪２０が軸管１０の正回転方向（右回転方向）に対して４５度の掬い角θを有しているので、掘削時の抵抗力を軽減することができる。また、これらの掘削爪２０は、底板１５に突設された掘削刃３０によって連結されており、これにより掘削爪２０および掘削刃３０の両端が共に補強されている。さらに、掘削刃３０は、鋼材の幅Ｗを必要最小限に狭くして回転時の側面に受ける抵抗力を軽減しているので、より強固な掘削が可能となる。したがって、本実施形態の鋼管杭は、一対の掘削爪２０と掘削刃３０とによって、優れた掘削能力を有し、地中障害物を含み締まった盛地層を掘削したり、礫質地層に打ち止め貫入する際にも破損し難く、信頼性を確保することができる。

また、図６などに示す変形例の鋼管杭１では、軸管１０の貫入側端部１１の近傍外周部に螺旋状の羽根板（オーガ）４０を溶接固定しているので、鋼管杭１の地中への推進を容易にし、杭周囲の礫等を砕くこともできる。

本発明に係る鋼管杭は、鋼管杭単独での打設のみならず、ソイルセメントやモルタル等を併用した地盤の改良や補強工事にも広く適用される。

本発明に係る鋼管杭の一実施形態を示す正面図である。 同鋼管杭の側面図である。 同鋼管杭の底面図である。 掘削爪を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 掘削刃を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は断面図である。 本発明に係る鋼管杭の他の実施形態を示す正面図である。 同鋼管杭の側面図である。 同鋼管杭の底面図である。 鋼管杭の回転圧入を行う杭施工機の一例を示す概略図である。 （Ａ）〜（Ｅ）は鋼管杭の施工手順を示す概略図である。

符号の説明

１…鋼管杭、
１０…軸管、
１１…貫入側端部、
１５…底板、
２０…掘削爪と、
３０…掘削刃、
θ…掬い角、
４０…羽根板。

Claims (7)

1. 鋼製の管体である軸管と、
   当該軸管の貫入側端部外周面に接線方向に沿って設けられ、かつ、前記軸管の回転方向に対し所定の掬い角で傾斜配置され、前記貫入側端部から先端部が突出された少なくとも２以上の掘削爪と、
   当該掘削爪間に位置し、前記軸管の貫入側端部から軸方向に突出するように前記底板に設けられた掘削刃と、
   を有し、
   前記掘削爪の先端は、前記掘削刃の先端よりも、前記軸管の前記貫入側端部から離間する方向に向かって突出していることを特徴とする鋼管杭。
2. 前記軸管は、地層に貫入する貫入側端部を底板により閉塞したことを特徴とする請求項１に記載の鋼管杭。
3. 前記掘削爪は、前記軸管の円周方向に等間隔で配置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の鋼管杭。
4. 前記掘削爪は、前記掘削刃により相互に連結したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の鋼管杭。
5. 前記掬い角は、４０度〜５０度としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の鋼管杭。
6. 前記軸管は、貫入側端部の近傍の外周部に羽根板を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の鋼管杭。
7. 前記掘削爪は、断面矩形の鋼材を前記軸管の回転方向に対して４５度の掬い角で配置し、該鋼材の両端を軸方向に対して垂直に切断したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の鋼管杭。

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