(57)【要約】      （修正有）【課題】地球環境にやさしく、高性能、低コスト、短工期が実現できる地盤アンカーとその施工評価方法および緊張方法を提供する。【解決手段】先端に向かって縮幅する螺旋羽根を先端に向かって縮径する又は同径のロッドの周りに有する円錐羽根付きロッド２と、同幅の螺旋羽根を同径のロッドの周りに有する羽根付きロッド３と、羽根を有さないロッド４の少なくとも二つを順に一連に備えた構造で、ロッド４の頭部にトルクと押し込み力を作用させることにより、円錐羽根付きロッド２と羽根付きロッド３の少なくとも一つを定着地盤に貫入させることを特徴とする。逆回転で引き抜くことにより残置物をなくし部材の再利用を可能とする。トルクと押し込み力により地盤強度をモニタリングすることにより正確な支持層確認と引き抜き力の評価を可能とする。回転貫入に使用する施工機械によるロッドへの緊張力の導入も可能とする。【選択図】図２
2019112927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に向かって縮幅する螺旋羽根を先端に向かって縮径する又は同径のロッドの周りに有する円錐羽根付きロッドと、同幅の螺旋羽根を同径のロッドの周りに有する羽根付きロッドと、羽根を有さないロッドの少なくとも二つを順に一連に備えた構造で、ロッドの頭部にトルクと押し込み力を作用させることにより、前記円錐羽根付きロッドと前記羽根付きロッドの少なくとも一つを定着地盤に貫入させることを特徴とする地盤アンカー。
【請求項２】
逆回転させると引き抜き可能な構成であることを特徴とする、請求項１に記載した地盤アンカー。
【請求項３】
請求項１に記載の地盤アンカーの貫入施工中に前記円錐羽根付きロッドと前記羽根付きロッドの少なくとも一つに作用するトルクと押し込み力を下記の評価式に代入することによりＮ値またはコーン貫入抵抗値を算出し、定着層への到達と定着地盤への貫入長さ及び引き抜き抵抗力を評価することを特徴とする、地盤アンカーの施工評価方法。
N＝（Tb/ rw' C2+ LbC1）/（C1＋C2μγ/ C3）/（αAe）
ｑc＝（Tb/ rw' C2+ LbC1）/（C1＋C2μγ/ C3）/（βAe）
C1＝sinθ＋μcosθ、C2＝cosθ−μsinθ、C3＝sinω+μcosω
N：N値
ｑc：コーン貫入抵抗値
Tb：円錐羽根付きロッド及び羽根つきロッドに作用するトルク（作用トルク）
rw'：推進摩擦抵抗力の作用円の半径
Lb：円錐羽根付きロッド及び羽根付きロッドに作用する押し込み力（作用押し込み力）
μ：地盤とアンカーの摩擦係数
γ：「回転貫入抵抗力の作用円の半径」/「推進摩擦抵抗力の作用円の半径」
α：N値と円錐羽根付きロッドの先端貫入抵抗の関係から決まる係数
β：ｑcと円錐羽根付きロッドの先端貫入抵抗の関係から決まる係数
Ae：貫入抵抗等価円柱の断面積
θ：推進摩擦抵抗力の作用円上の羽根の傾斜角度
ω：円錐ロッド先端の中心軸からの角度
【請求項４】
前記評価式において、α≒300〜1000（kN/m2）、β≒1とすることにより、定着層への到達と定着地盤への貫入長さ及び引き抜き抵抗力を評価することを特徴とする、請求項３に記載した地盤アンカーの施工評価方法。
【請求項５】
請求項1に記載の地盤アンカーが所定の深さに到達した段階で、前記地盤アンカーの頭部に、支圧板と前記支圧板を押圧する頭部定着具とを設置して回転することにより、前記ロッドに緊張力を、前記支圧板に押圧力を導入することを特徴とする地盤アンカーの緊張方法。
【請求項６】
前記ロッドの緊張力および支圧板の押圧力を下式によって算定することを特徴とする、請求項6に記載した地盤アンカーの緊張方法。
Ｑ＝ C2（Tbt −Tbe）/ rw '/ （C1＋C2μγ/ C3）
C1＝sinθ＋μcosθ、C2＝cosθ−μsinθ、C3＝sinω+μcosω
Ｑ：ロッドに発生する緊張力または支圧板に発生する押圧力
Tbe：アンカー打ち止め時の作用トルク
Tbt：ロッドの緊張力を導入する時に作用させる作用トルク
rw'：推進摩擦抵抗力の作用円の半径
μ：地盤とアンカーの摩擦係数
γ：「回転貫入抵抗力の作用円の半径」/「推進摩擦抵抗力の作用円の半径」
θ：推進摩擦抵抗力の作用円上の羽根の傾斜角度
ω：円錐ロッド先端の中心軸からの角度
【請求項７】
請求項1に記載した地盤アンカーに用いる円錐羽根付きロッドであって、羽根ピッチが螺旋羽根最大外径の0.2〜0.8倍であることを特徴とする、円錐羽根付きロッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は建築、土木分野における地盤アンカーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地盤アンカーは、（１）本設及び仮設の山留、（２）盛り土補強、（３）ケーブル構造等の基礎反力として生じる引き抜き力や構造物に作用する浮力等の上向きの力に抵抗する要素、（４）地震や風等の水平力によって生じる引き抜き力に抵抗する要素、等に使用されている。
従来の地盤アンカーの典型例として山留用のアンカーを図１に示す。山留用アンカーは図に示すような部材から構成され、以下のようなプロセスで施工される。
１．先端に水を噴射しながら掘削歯を有するケーシングを回転することにより削孔する。
２．削孔された孔にＰＣワイヤー又は棒鋼から構成される引っ張り材を挿入する。
３．注入材（セメントミルク）を注入し、ケーシングを引き抜き、加圧する。
４．注入材硬化後引っ張り材に緊張力を導入しアンカー頭部を定着する。
【０００３】
上記のような施工を行う結果、以下のような問題点を有する。
・削孔に水を必要とし泥水（産業廃棄物）が発生する。
・「削孔→先端金物とＰＣワイヤーや棒鋼の挿入→注入材の注入→ケーシング引抜き→加圧→養生」に多くの機器や資材及び工事作業空間が必要でコストと工期がかかる。
・削孔からアンカー体築造の完成まで中断できない連続作業で行なう必要があり工程上の制約が大きい。
・注入材を使うためアンカー傾角として俯角25度以下では品質確保が難しい。
・俯角が大きい場合、アンカーの引っ張り力の水平分力が小さくなり「土留め効率」が悪い。
・注入材を用いるためＮ値20以下の地盤に定着させることが難しい。
・地盤中に伏流水が存在している（特に流速が早い）場合には、注入材の凝固と強度発現が困難であるので、注入材を用いる地盤アンカーの採用は不可能である。
・定着地盤の出現深度が当初計画から変化した場合、ＰＣワイヤーは長さ変化への対応が難しい。
・仮設地盤アンカーの場合定着体が残置され地盤中に残存物が残る。
・ＰＣワイヤー等の構成部材の再利用ができない。
・注入材を注入するため地下水汚染が発生する危険性がある。
・注入材が硬化した後に緊張力を導入するので別の機械、治具を必要としコストと工期がかかる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
従来工法に関しては日本建築学会出版の下記等があり、図１に示す構造が一般的である。
【非特許文献１】建築地盤アンカー設計施工指針・同解説」
【特許文献】
【０００５】
従来の山留工法に関しては多くの特許文献があるが、いずれの文献も削孔し定着材を注入する工法であり上記定着材に起因する問題点を解決するものはない。回転貫入させる山留用地盤アンカーに関しては実用化されたものは現状では存在しないが特許文献としては以下がある。
【特許文献１】特許第４７３８８３６号  傾斜地盤安定具及び傾斜地盤安定化工法
【特許文献２】特許第５５９５１３７号  地滑り防止方法いずれの特許も鋼管に羽根を溶接したものであり、先端羽根の縮幅や先端部ロッドの縮径は考えておらず、貫入トルクが大きいという欠点を有する。トルクと押し込み力と地盤強度の関係に言及したものもない。仮設使用は想定しておらず、引き抜くことによる再利用は考えていない。
【０００６】
盛り土用の羽根つき地盤補強部材としては下記文献がある。
【特許文献３】特開２０１６−５６５０５号  羽根つき有孔鋼管を用いた地盤補強工法本特許は施工条件の設定と排水性能に重点がおかれている特許であり、先端形状や貫入方法の特長はない。
【０００７】
連続スパイラル羽根付き杭については以下の文献がある。
【特許文献４】特許第５５１８０５０号  鋼管杭及び鋼管杭の施工方法本特許は周面摩擦を期待した杭を想定しており，開端鋼管の先端を切り欠くことが前提となっている。したがって鋼管内に土が進入するため地盤を強制的に変形させる「Displacement Pile」ではなく先端部の支持力や引き抜き抵抗力が小さい。また管内に土が侵入すると貫入のメカニズムが複雑になりトルクと地盤強度の相関が悪い。
【特許文献５】特開２００６−２０７２８７号  螺旋杭と杭打ち法本特許は先端に向かって縮径するロッドの周囲に螺旋羽根を設けている小径の杭に関するものである。同径のロッドに等幅の螺旋羽根を設けた部分（羽根付きロッドに相当する部分）を有していないかもしくは短いため、大きな引き抜き抵抗力を期待できず地盤アンカーには適さない。
【０００８】
上記いずれの文献も定着層の深さや地盤強度を正確にモニタリングできる機能を有するものや回転貫入施工機械（以下回転施工機械と称す）で緊張力を導入できるものはない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
先行技術が上記のような欠点を有す中で、本発明が解決しようとする課題は、下記に示す特長を有する地盤アンカーの提供にある。
・削孔工程がなく、掘削水を使用せず、泥水（産業廃棄物）を発生させない。
・注入材（セメントミルク）を使用せず、回転貫入で地盤を「Displace」することにより螺旋羽根を地盤に貫入し、大きな引き抜き抵抗力を得ることができる。加えて、地下水汚染を発生させず、グラウトポンプやミキサー等の仮設プラントを必要としない。
・注入材を使用する場合は不可能な場合が多い貫入方向が小さな俯角及び仰角（０度（水平）含む）の施工を可能とする。
・注入材を使用する場合は不可能な場合が多いN値20以下の砂層及び粘性土層を支持層とすることを可能とする。
・地盤強度をモニタリングしながらの施工を行い、定着地盤到達と定着長さ（羽根部の定着地盤への貫入長さ）の管理を正確に行うことを可能とする。
・施工中のトルクと押し込み力により引き抜き抵抗力の算定を可能とする。
・逆回転することによりアンカー構成部材をすべて回収し地盤に残存物を残置しない。
・回収部材を再利用し部材コストを削減する。
・定着地盤の出現深度が変化した場合に容易なアンカー長の調整を可能とする。
・回転施工機械によるロッドの緊張力（引っ張り力）の導入を可能とする。
・上記の結果、従来工法と比較して、低コスト・短工期・高性能・省工事作業スペース、を可能とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための第一の手段は、請求項１に記載した「地盤アンカーの構成部材とその貫入法」である。本地盤アンカーは、先端に向かって縮幅する螺旋羽根を先端に向かって縮径する又は同径のロッドの周りに有する「円錐羽根付きロッド」と、同幅の螺旋羽根を同径のロッドの周りに有する「羽根付きロッド」と、羽根を有さない「ロッド」の少なくとも二つを順に一連に備えた部材で構成されている。ロッドの頭部にトルクと押し込み力を作用させることにより、前記円錐羽根付きロッドと前記羽根付きロッドの少なくとも一つを定着地盤に貫入させることができ、以下のような特徴を有す。
「円錐羽根付きロッド」は貫入抵抗が小さいため、削孔せずトルクと押し込み力で固い地盤に強制的に貫入させることができる。この貫入形態は地盤を「押し広げる（Displaceする）」ため周辺地盤の締め固め効果も期待できる。又礫等の障害物が存在した場合、「円錐羽根付きロッド」はそれらを周辺に押しのける機能を有し、貫入性が確保できる。「羽根付きロッド」は「円錐羽根付きロッド」が周辺を締め固めながら強制変形して形成した空間の軌跡を追跡することにより、小さなトルクで地盤を乱さず貫入することができ、羽根径と直径が等しい地盤円柱の周面に大きな周面摩擦力を発揮する。そのため注入材（セメントミルク）を使用する必要がなく乾式施工が可能となる。したがって上記貫入方法は従来工法のような削孔水や注入材を必要としない。
【００１１】
第二の手段は、請求項２に記載した「逆回転して引き抜くこと」である。円錐羽根付きロッド、羽根付きロッドとロッドの接合部は容易に着脱が可能な機械式接手（ネジや篏合等）を用いることにより構成部材を損傷なく引き抜くことが可能である。
【００１２】
第三の手段は、請求項３、４に記載した評価式により「Ｎ値またはコーン貫入抵抗値を算出し、定着層への到達と定着地盤への貫入長さ及び引き抜き抵抗力を正確にモニタリングすること」である。この施工法はトルク値と押し込み力値から地盤強度が算定でき、サウンディングしながらの施工と正確な引き抜き抵抗力の予測が可能となる。
【００１３】
第四の手段は、請求項５，６に記載した評価式により「所定の深さに設置されたアンカー頭部に支圧板と杭頭定着具をセットし、回転施工機械によりトルクを作用させることにより緊張力を導入することおよびその緊張力をトルクにより算定すること」である。
【００１４】
第五の手段は、請求項７に記載した「最大羽根直径に対する最適な羽根ピッチ比」である。この羽根ピッチ比の「羽根付き円錐ロッド」及び「羽根付きロッド」を用いることにより、より小さなトルクで貫入することが可能
となる。
【発明の効果】
【００１５】
上記手段を適用することにより以下のような効果が期待できる。
第一の手段の効果
・小さなトルクで貫入でき、大きな引き抜き抵抗が期待できる。
・削孔を必要としないので水を使わず泥水（産業廃棄物）を発生させない。
・注入材を必要としないのでセメントミキサー等の機械が不要となり、省設備、小施工スペースが可能となる。地下水汚染も発生しない。
・注入材の養生や強度試験等が不要となる。
・注入材を必要としないため、仰角や小さな俯角（俯角0度〜25度）の方向にアンカーを貫入できる。小さな俯角のアンカーは水平分力が大きく土留め効率が高い
・注入材の加圧工程や養生を必要としないので中断も可能で工程計画の自由度が増す。
・水を使わず地盤を乱さないためにN値20以下の砂層及び粘性土層も定着層とすることができることによりアンカーの全体長さや定着層長さを短くできる。
【００１６】
第二の手段の効果
・地盤中に残置物が残らず地中障害物を発生させない。
・引き抜いた部材を何度も再利用できるので使用部材コストが低減できる
第三の手段の効果
・サウンディングを兼ねた施工ができるので正確な定着地盤への到達確認及び定着体の長さ管理が容易にできる。定着層の地盤強度が算出できるため正確な引き抜き抵抗力の確認も可能となる。
【００１７】
第四の手段の効果
回転施工機械で緊張力を導入できるので新たな緊張用の機械や冶具を必要としない。また注入材の硬化時間が必要なく工期の短縮とコストダウンが可能となる。
第五の手段の効果
・より小さなトルクで貫入できるためより小さな回転施工機械で貫入でき施工コストが低減できる。接合部に作用するトルクがより小さくなるため軽微な接合金物やロッドが使用できコスト低減が図れる。加えて、接合部の着脱作業が容易となり工期の短縮が可能となる。
【００１８】
纏めると上記五つの効果により、環境にやさしく、高性能、低コスト、短工期が実現できる地盤アンカーと施工評価方法および地盤アンカーの緊張方法の提供が可能となる。
発明の効果として山留用アンカーを中心に説明してきたが、本アンカーは盛り土補強用のアンカーや鉛直支持力を有する「引き抜き抵抗杭」としても活用でき、ほぼ同様の効果が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】既存の地盤アンカーの構成図である。
【図２】本発明の地盤アンカーの構成図である。
【図３】円錐羽根付きロッドの拡大図である。
【図４】山留に適用した施工状況図である。
【図５】杭に適用した施工状況図である。
【図６】等価円柱と等価円錐を表した図である。
【図７】推進力と作用円を表した図である。
【図８】力のつり合いを表した図である。
【図９】羽根ピッチ率とトルクの関係図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２０】
図２に示すように、本地盤アンカー１は先端に向かって縮径する又は同径のロッドの周囲に先端に向かって縮幅する螺旋羽根を有する「円錐羽根付きロッド２」と、周囲に等幅の螺旋羽根を有する「羽根付きロッド３」と、羽根を有さない「ロッド４」から構成される。図２の構成部材図2-1は「円錐羽根付きロッド」のロッドが縮径する場合を、構成部材図2-2はロッドが同径の場合を示す。「羽根付きロッド」の螺旋羽根は連続的であっても断続的であってもよく、断続的螺旋羽根の場合は連続的螺旋羽根の一部であることが望ましい。構成部材図2-1は連続的な「羽根付きロッド」を、構成部材図2-2は断続的「羽根付きロッド」を示す。図３に縮径するロッドの場合の「円錐羽根付きロッド」の拡大図を示す。
「円錐羽根付きロッド」を有する地盤アンカーは「羽根付きロッド」だけのアンカーと比較して先端貫入抵抗が小さいため貫入トルクを低減できる。加えて、直進性が良く、礫等の障害物に当たったときにそれらを周辺に移動させながら貫入する機能も有す。「羽根付きロッド」及び「ロッド」は回転施工機械や施工状況に応じて１ｍ〜１２ｍ程度に分割され、多くは機械式接手（ネジや篏合等）により接合される。
【００２１】
図４に示すように、山留用の地盤アンカー１の施工は斜めに貫入できる回転施工機械７を用いておこない、押し込み力とトルクを作用させることにより回転貫入する。施工要領は「ロッドを回転施工機械にセット→ロッド頭部と機械を接合→回転貫入」であり、これを繰り返すことによりアンカーを地盤に貫入する。押し込み力とトルクより請求項３で示す評価式を用いて地盤の強度をサウンディングし「定着層への到達」を確認する。その後、定着層の地盤強度を確認しながら所定の定着長さを確保して打ち止める。
【００２２】
所定の定着長さを確保した後必要であれば回転施工機械を使用して緊張力を導入することが可能である。その要領は「アンカー頭部の山留壁に支圧板５をセットする→アンカー頭部に頭部定着具６をセットする→トルクを作用させる→緊張力評価式により所定のトルクを確認して打ち止める」である。支圧板は台座を必要とする場合もある。導入できる緊張力は、「推進力の最大値」と等しい「アンカーの引き抜き抵抗力」、と考えられるので、回転施工機械のトルク能力があれば実務的に充分な緊張力を導入することが可能である。
【００２３】
アンカーを引き抜く場合は逆回転することにより引き抜き力を加えることなく引き抜くことができる。その要領は「ロッド又は羽根付きロッドの逆回転引き抜き→接合部を分離→ロッド又は羽根付きロッドの回収→次のロッド頭部を回転施工機械に接合」であり、これを繰り返すことによりすべてのアンカー部材を地盤より除去することができる。
以上、実施例１として山留用アンカーを取り上げたが、本アンカーは盛り土用アンカーとしても活用でき、同様の効果が期待できる。
【実施例２】
【００２４】
本アンカーは押し込み抵抗力も大きく、アンカーとしてだけではなく、鉛直支持力と引き抜き抵抗を有する「アンカー支持杭」としても使用できる。図５にその施工状況を示す。アンカー支持杭１は三点杭打機のようなトルクと押し込み力が与えられる回転施工機械11により地盤10に貫入される。アンカー支持杭として使用する場合は請求項３で示す評価式より得られるＮ値やコーン貫入抵抗値を用いて、引き抜き力に加えて鉛直支持力を評価することも可能である。
【実施例３】
【００２５】
本アンカーを地盤に貫入させる際、先端の円錐羽根付きロッド及び/または羽根付きロッドに伝達される押し込み力とトルクを「作用押し込み力Lb」と「作用トルクTb」と称す。「作用押し込み力Lb」はロッド頭部に加える押し込み力よりロッドの周面摩擦力を、「作用トルクTb」はロッド頭部に加えるトルクよりロッドの周面摩擦トルクを差し引いたものである。
以下、本地盤アンカーの貫入中に「円錐羽根付きロッド及び/または羽根付きロッド」に作用する力と力のつり合いを明確にし、作用トルクと作用押し込み力を用いた地盤強度の評価方法を導く。加えて、力のつり合い式を利用した地盤の緊張方法及び羽根の最適形状について説明する。
【００２６】
１．先端部の軸方向貫入抵抗力と回転貫入抵抗力
円錐羽根付きロッドと羽根付きロッドの先端部の貫入抵抗力は「軸方向貫入抵抗力」と「回転貫入抵抗力」がある。
＜軸方向貫入抵抗力＞
軸方向貫入抵抗力Rpは円錐羽根付きロッド又は羽根付きロッドの先端に作用する力である。Rpはコーン貫入抵抗ｑcと等価な物理量であるため、ｑcと同じく地盤強度と排土体積に比例する物理量であると考えられる。したがってRpを考えるときに、図６に示すような円錐羽根付きロッドの一回転当たりの排土体積に体積が等しく高さが羽根ピッチPの「等価円柱」を想定し、その半径をreとする。先端に向かって縮径する円錐羽根付きロッドの場合は、図６に示すような縮径するロッドと相似で底面の半径がreである円錐（「等価円錐」と称す）を想定し、「等価円錐」に作用する力を考える。
極限平衡状態において円錐周面に作用するノーマルストレス（面圧）を等分布荷重ppと仮定する。軸方向貫入抵抗Rpはppの軸方向分力と円錐の周面摩擦力μppの軸方向分力の和に等価円錐の周面積Acをかけたものであり、
Rp＝pp (sinω+μcosω）Ac     (a)
（μ：地盤とアンカーの摩擦係数、ω：円錐ロッド先端の中心軸からの角度）
である。
(a)式はω＝π/2 rad（縮径しないロッド）の場合はRp＝pp Acとなる。この場合のAcは等価円柱の断面積（等価円錐の底面積）であり、(a)式は羽根付きロッドの先端部の軸方向貫入抵抗もあらわしている。
【００２７】
＜回転貫入抵抗力＞
回転貫入抵抗力は円周方向の摩擦力μppにより生じる。図６に示すように、等価円錐の中心軸よりｒの位置の円錐周面の微小幅drの表面積は2πr・dr/sinωである。その表面積に作用する摩擦力は2πr・dr/sinω・μppである。トルクはこれにｒをかけたものであり、2πr2・(dr/sinω)μppとなる。したがってトルクの合計（回転貫入抵抗トルクTr）は、下記［数１］となる。
【数１】
2019112927.tif 000003
(b)式右辺は  (πr2 /sinω)( μpp ) (２re/3）と表すことができ、１項は円錐周面積Ac、1，2項は摩擦力の合力すなわち回転貫入抵抗力Fμ、3項はFμが作用する円の半径re'である。後述するトルクのつり合いの観点より、回転貫入抵抗力Fμが作用する円を「回転貫入抵抗力の作用円」とする。図６，７に回転貫入抵抗力の作用円とその半径re'のイメージ図を示す。
FμはFμ＝μpp Acであり、(a)式よりpp = Rp /((sinω+μcosω) Ac) であるので、Fμは
Fμ=μRp /(sinω+μcosω)  
と表すことができる。したがって、Tr＝Fμre'であるので
Tr＝μRp /(sinω+μcosω) re'
となる。
上記回転貫入抵抗トルクTrは先端がフラット（ω＝π/2 rad）の場合はμRpre'であり、等価円柱底面の回転貫入抵抗と同じである。したがって、縮径しない円錐羽根付きロッドや羽根付きロッドの場合の回転貫入抵抗トルクも同じ式で表すことができる。
【００２８】
２．羽根による推進力と推進力による推進摩擦抵抗力
＜推進力＞
推進力は羽根の総面積が大きい羽根付きロッドから主に得られるため羽根付きロッドの推進力に着目する。羽根の推進力は羽根が回転することによるクサビ効果で羽根上面に直角に作用する力（面圧）により発生する。その面圧に羽根面積をかけた合力を「羽根の推進力Pw」とし、図7にそれを示す。
＜推進力による推進摩擦抵抗力＞
推進力によって円周方向に羽根に沿った推進摩擦抵抗力μPｗが発生する。推進摩擦抵抗力をトルクに置き換えるためにはμPｗが作用する作用円の半径rw’を求める必要がある。図7に示す外径rw、内径roのドーナツ状の羽根上面に等分布の周方向の摩擦力が作用する場合の作用円の半径は以下のように求めることができる。中心よりｒの位置の微小幅drのリングの面積は2πrdrであり、それに作用する摩擦力は摩擦応力τとすると2πrdrτである。トルクはそれにアームｒをかけた  2πrdrτr=2πτr2dr  となる。推進摩擦抵抗トルクは上式を積分することにより、［数２］を得る。
【数２】
2019112927.tif 000004
作用円の半径rw’は上記推進摩擦抵抗トルクを摩擦力の合力 τπ(rw2-ro2) で割ったものであるのでの推進摩擦抵抗力の作用円の半径rw’は下式となる。
rw’=2(rw3-ro3)/( 3(rw2-ro2))
次に説明する力のつり合いを考えるとき、推進摩擦抵抗力の作用円上の羽根の周方向の傾きθが必要となる。θは「羽根の傾斜角」と称し、
θ=P/（2πrw’）=3P ( rw2- ro2) /(4π(rw3-ro 3) )
となる。
【００２９】
３．力のつり合い
図７に示す「推進摩擦抵抗力の作用円」の接線方向をΨ軸とする。図８は横軸をΨ、縦軸を鉛直（Z）方向として力のつり合いを表した図である。図中の記号の意味を以下に示す。
Htは円錐羽付きロッドに作用する作用トルクTbをΨ軸方向力に置き換えた値でTb/rw'である。
Lbは円錐羽根付きロッドに作用する作用押し込み力である。
Pwは羽根の推進力である。
Fwは「推進摩擦抵抗力の作用円」に作用する推進摩擦抵抗力μPwである。
Rpは軸方向貫入抵抗である。
Fpは「回転貫入抵抗力の作用円」に作用する回転貫入抵抗力を「推進摩擦抵抗力の作用円」の抵抗力に換算した値でγFμ＝μγRp/(sinω+μcosω)である。
γは「回転貫入抵抗力の作用円の半径」/「推進摩擦抵抗力の作用円の半径」re'/ rw'である。
θは推進摩擦抵抗力の作用円上の「羽根の傾斜角」である。
【００３０】
＜力のつり合い＞
同図の水平及び鉛直方向の力のつり合いは以下となる。
水平（Ψ軸）方向のつり合い：Ht＝μγRp/(sinω+μcosω)+Pwsinθ+μPwcosθ        
鉛直（Z軸）方向のつり合い：  Rp＝Pwcosθ+Lb−μPwsinθ
Pwに着目すると以下を得る。
Pw＝（Ht−μγRp/(sinω+μcosω)）/（sinθ＋μcosθ）
Pw＝（Rp−Lb）/（cosθ−μsinθ）
上記両式より、Pwを消去して、C1＝sinθ＋μcosθ、C2＝cosθ−μsinθ、 C3＝sinω+μcosωと置くと、以下のRpとHtとLbの関係式を得る。
Ht=（Rp（C2μγ/ C3+ C1）−LbC1）/ C2       （１）
Rp＝（Ht C2+ LbC1）/（C1＋C2μγ/ C3）      （２）
【００３１】
４．地盤強度の評価
Rpは地盤の貫入抵抗であるためコーン貫入抵抗やN値と次のような関係を有すると考えられる。
Rp＝αNAe       （３）
Rp＝βｑc Ae        （４）
α： N値とRpの関係から決まる係数
β：ｑcとRpの関係から決まる係数
N：N値
ｑc：コーン貫入抵抗
Ae：貫入抵抗等価円柱の断面積
（２）式と（３）式より
N＝（Ht C2+ LbC1）/（C1＋C2μγ/ C3）/（αAe）
（２）式と（４）式より
ｑc＝（Ht C2+ LbC1）/（C1＋C2μγ/ C3）/（βAe）
を得る
Ht ＝Tb/ rw'であるので、N値及びコーン貫入抵抗ｑcは下式により作用トルクTbと作用押し込み力Lbの関数
で表すことができる。
N＝（Tb/ rw' C2+ LbC1）/（C1＋C2μγ/ C3）/（αAe）                   （５）
ｑc＝（Tb/ rw' C2+ LbC1）/（C1＋C2μγ/ C3）/（βAe）                 （６）
C1＝sinθ＋μcosθ、C2＝cosθ−μsinθ、C3＝sinω+μcosω
【００３２】
これまでの施工試験結果より、Rp/ Ae（kN/m2）とｑc（kN/m2）はほぼ同じであることが判明している。したがってβ≒１である。またRp/ AeとＮ値の関係は、Rp/ Ae≒（300〜1000）Nであることが判明している。したがってαは300〜1000（kN/m2）の範囲の値である。β＝１の場合のαの値はＮ値とｑcの相関関係そのものであり、この値は地盤の粒径等によって変化する値と言われている。αが上記300〜1000kN/m2の範囲の値であることはＮ値とｑcの相関関係に関する既往の研究と矛盾しない。
【００３３】
５．回転施工機械による緊張力の導入と緊張力の評価
本地盤アンカーは回転施工機械を用いてアンカーに緊張力を導入することが可能である。山留アンカーの場合の緊張力の導入は以下のプロセスにより行う。
１．所定の深さに達した後山留壁に支圧板を設置する。
２．アンカー頭部にアンカー頭部の貫入を拘束する頭部定着具を装着する。
３．上記状態でトルクを作用させることによりロッドの緊張力（引っ張り力）と支圧板の押圧力を導入する。
ロッドの緊張力は以下の方法で評価することができる。
アンカーの軸方向推進力をPw’とすると、Pw’は（２）式のLb＝0の時のRpであるので、
Pw’＝Ht C2/（C1＋C2μγ/ C3）
である。アンカー打ち止め時の作用トルクをTbe、ロッド緊張力導入時の作用トルクをTbtとすると、ロッドに発生する緊張力つまり支圧板の押圧力Qは
Ｑ＝ C2（Tbt −Tbe）/ rw '/ （C1＋C2μγ/ C3）      （７）
である。
上記緊張力の導入は山留壁や盛土補強の支圧板の変形を抑制し補強効果を向上させる。
【００３４】
6．羽根の最適形状
トルクTb＝Ht rw'であるので（１）式より
Tb＝rw'（Rp（C2μη/ C3+ C1）−LbC1）/ C2    （８）
を得る。
図9は、羽根径Dw＝200ｍｍ、押し込み力Lb＝0ｋN、アンカーと地盤の摩擦係数μ＝0.5、α＝400ｋＮ/ｍ２、N値＝50の場合の羽根ピッチ率P/ Dwと作用トルクTbの関係を、ロッド径Doと羽根厚ｔを変化させた場合のグラフである。羽根ピッチ率が0.2〜0.8の場合がトルクが小さくなる最適形状であることが分かる。この特性はロッド径Do、羽根径Dw、押し込み力Lb、摩擦係数μ等が変化しても大きく変わらない。
【００３５】
６．数式中の記号
Ao       ロッドの最大径部の断面積
Ac        等価円錐の周面積
Ae        貫入抵抗等価円柱の断面積（1回転当たりの羽根付き円錐ロッドの貫入体積増分（Vw）を羽根ピッチPで除したもの）＝Vw/P＝(ｔ*( rw−ro )/2*L+ AoP) /P
ただし  L（作用円上の羽根長）＝((2πrw'）2+P2)1/2
Do       一般部のロッドの直径（円錐羽根付きロッドの最大直径）
Dw      一般部の羽根直径（円錐羽根付きロッドの羽根の最大直径）
Fp        「回転貫入抵抗力の作用円」に作用する回転貫入抵抗力を「推進摩擦抵抗力の作用円」の抵抗力に換算した値  ＝γFμ＝μγRp/(sinω+μcosω)
Fw       推進摩擦抵抗力  ＝μPw
Fμ      回転貫入抵抗力  ＝μRp/(sinω+μcosω)
Ht        作用トルクTbを推進摩擦抵抗力の作用円上の水平力に置き換えた値  = Tb/rw'
Lb      円錐羽根付きロッド及び羽根付きロッドに作用する押し込み力（作用押し込み力）
N         N値
P          羽根ピッチ（羽根が1周する間にZ方向に移動する量）
Pw       羽根の推進力
Pw’      地盤アンカー緊張時の軸方向推進力
pp        等価円錐周面に作用するノーマルストレス（面圧）
Ｑ        ロッドに発生する緊張力または支圧板に発生する押圧力
ｑc       コーン貫入抵抗
ro         ロッドの最大半径
re         円錐羽根付きロッドの貫入抵抗等価円柱の半径
re'        「回転貫入抵抗力の作用円」の半径
rw        一般部の羽根の半径（羽根つき円錐ロッドの最大羽根半径）
rw'       「推進摩擦抵抗力の作用円」の半径
Rp        軸方向貫入抵抗力
ｔ        羽根の平均厚さ
Tb       円錐羽根付きロッド及び羽根つきロッドに作用する作用トルク
Tbe      アンカー打ち止め時の作用トルク
Tbt      ロッドの緊張力を導入する時に作用させる作用トルク
Tr        等価円錐の回転貫入抵抗トルク
Z          鉛直方向座標軸
α        N値とRpの関係から決まる係数
β        ｑcとRpの関係から決まる係数
γ        「回転貫入抵抗力の作用円の半径」/「推進摩擦抵抗力の作用円の半径」＝re'/ rw'
ω        円錐ロッド先端の中心軸からの角度
μ        地盤とアンカーの摩擦係数
τ        円周方向の摩擦応力
θ        「推進摩擦抵抗力の作用円」上の羽根の傾斜角
Ψ        「推進摩擦抵抗力の作用円」に沿った座標軸
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本部材及び施工法を用いることにより、環境にやさしく、高性能、高精度、低コスト、短工期の地盤アンカーを提供できる。特に仮設地盤アンカーは再利用が可能であり大幅な部材コスト削減が可能となる。産業廃棄物が発生しない、地下水汚染がない、地中残置物がないなど、地球環境的な観点から見ても有用な工法と言える。
【符号の説明】
【００３７】
１        地盤アンカー
２        円錐羽根付きロッド
３        羽根付きロッド
４        ロッド
５        支圧版（台座を必要とする場合もある）
６        頭部定着具
７        回転施工機械
８        山留壁
９        すべり面
１０     地盤
１１  三点杭打機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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