(57)【要約】【課題】建て込んで行く際の地盤からの抵抗が小さく、少ないエネルギーで安定した施工を行うことができ、かつ施工完了後には大きな支持力を発揮することができる杭および先端シューを提供する。【解決手段】杭本体１１の中空部を通した回転ロッド２１を介して先端シュー１を回転させながら先端シュー１を地盤中に貫入する。杭本体１１は先端シュー１に追随させる形で、必要に応じて押圧力を加えながら地盤中に建て込んで行く。その際、土砂が先端シュー１後部の筒状部２の開口部６を通じて杭本体１１の中空部に流入し、回転ロッド２１の外周に設けたスクリュー翼２２により上方へ移送される。先端シュー１の先端コーン部５には噴出孔７を設けてあり、水等を噴出させることで、先端シュー１の回転貫入、杭本体１１の建て込みがスムーズに行える。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空既製杭からなる杭本体と、該杭本体とは別体の先端が閉塞された回転貫入用の先端シューとからなり、前記先端シューは１または複数の翼と、前記杭本体の外径より大きい内径を有する筒状部と、トルク伝達用の回転ロッドを接続するための接続部とを有し、前記筒状部には開口部が形成されていることを特徴とする杭。
【請求項２】
中空既製杭からなる杭本体の先端部に設置される先端が閉塞された回転貫入用の先端シューであって、１または複数の翼と、前記杭本体の外径より大きい内径を有する筒状部と、トルク伝達用の回転ロッドを接続するための接続部とを有し、前記筒状部に開口部が形成されていることを特徴とする先端シュー。
【請求項３】
中空既製杭からなる杭本体と、該杭本体とは別体の先端が閉塞された回転貫入用の先端シューとからなり、前記先端シューは１または複数の翼と、前記杭本体の外径より大きい内径を有する筒状部と、トルク伝達用の回転ロッドを接続するための接続部とを有し、前記杭本体の先端部には開口部が形成されていることを特徴とする杭。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、中空既製杭からなる杭本体と該杭本体とは別体の先端が閉塞された回転貫入用の先端シューとからなる杭および該杭用の先端シューに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
既製杭を低振動・低騒音かつ無排土で地中に埋設する方法として、翼付き鋼管による回転貫入工法が実用化されている。しかし、鋼管の貫入体積分の土を外側に押しのけなければならないことと、杭本体を回転させることで地盤から大きな抵抗を受けることから大径の杭では著しく施工性が低下する。
【０００３】
これに対し、施工性を改善するために既製杭の先端に先端シューを設け、該先端シューのみを回転させ、中空部に土を取り込みながら施工する方法および構造が開発されており、そのようなものとして例えば特許文献１や特許文献２に記載されたものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４８１５７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１６７７５９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１には、中空円筒状のコンクリート杭の先端に、外側面に螺旋翼を有し、かつ中心に円筒状空洞部を有する杭推進体（先端シュー）を設け、この杭推進体のみを回転することで、コンクリート杭を建て込むことが記載されている。
【０００６】
しかし、特許文献１記載の発明の場合、構造的に杭本体と杭推進体を分離して施工することができない他、杭推進体の先端部が開端になり支持面積が減少することから、閉端杭に比べて支持性能が低くなる。
【０００７】
また、施工中に掘削土砂の取込み口を閉じることができないため、杭中空部への取り入れる土の量を調節することができない。このことから支持層においても土の取り込みを行うことになり、先端支持力を低下させる可能性がある。
【０００８】
この他、特許文献１にはセメントミルクを噴出して球状塊を作り、杭の根固めを行うことも記載されているが、開端であることから、先端から噴出したセメントミルクの多くがコンクリート杭内へ流れ込み、所期の大きさ・強度の根固めが形成されず、支持力の向上が得られない可能性がある。
【０００９】
特許文献２記載の発明は、基礎杭の外径の１．５〜２．５倍の外径を有し、外周面にスクリュー刃を突設した拡大掘削ヘッドを回転させて地中を掘削することで基礎杭を建て込むものであるが、拡大掘削ヘッドとしての先端シューは先端が大きく開口したものであり、これでは掘削土砂の取り込み量を調整できない上に、支持面積が小さいという欠点がある。
【００１０】
また、特許文献２にも、掘削穴内にセメントミルクを注入して基礎杭本体と拡大掘削ヘッドを一体化できることが記載されているが、やはりセメントミルクの多くは杭内で硬化することになり、基礎杭本体と拡大掘削ヘッドの一体性を確保することが困難である。
【００１１】
本願発明は、上述のような課題の解決を図ったものであり、先端シューを回転貫入させながらこれに追随させて杭本体を建て込んで行く際の地盤からの抵抗が小さく、少ないエネルギーで安定した施工を行うことができ、かつ施工完了後には大きな支持力を発揮することができる杭および先端シューを提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１に係る杭は、中空既製杭からなる杭本体と、該杭本体とは別体の先端が閉塞された回転貫入用の先端シューとからなり、前記先端シューは１または複数の翼と、前記杭本体の外径より大きい内径を有する筒状部と、トルク伝達用の回転ロッドを接続するための接続部とを有し、前記筒状部には開口部が形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
本願発明における杭本体としては、主として鋼管杭を対象としているが、コンクリート杭、ＰＣ杭、ＰＨＣ杭、鋼コンクリート複合杭などにも適用可能である。
【００１４】
杭先端部については、先端シューとして外形が例えば円錐形や多角錐形等のコーン部を取付けてもよいし、平坦であってもよく、あるいは翼に加え、任意の形状の掘削刃を設けてもよい。杭先端部に先端シューを設ける場合の材質としては鋼製のものが望ましいが、必要な強度が得られるものであれば特に限定されない。
【００１５】
先端シューの筒状部に開口部を設けたことで、杭本体と先端シューの相対的な上下動により、開口量を変えることができ、土砂の取り込み量の調節が自在となる。
【００１６】
また、土砂の取り込みを杭先端部からではなく側面から行うことで、杭側面の土砂も取り入れることができ、さらに支持面積が低減されないというメリットも有する。
【００１７】
なお、この開口部を翼終端部付近に位置させれば、翼により掘削された土砂をより効率的に杭本体の中空部に取り込むことができる。
【００１８】
また、この開口部の位置に関しては、先端シューの筒状部と翼との接合部に発生する曲げモーメントが最大となる位置を基準位置として、開口部の位置を該基準位置から０．１Ｄ以上（Ｄは筒状部の径）  上方に離すことが好ましい。
【００１９】
発明者らが実施した解析によれば、基準位置から上方０．１Ｄ未満の位置に開口部設けると、構造耐力が急激に低下するが、基準位置から上方０．１Ｄ以上離せば、構造耐力への影響は著しく低減する。ただし、開口部を過大に離しすぎると排土効率が低下するので、開口部は基準位置から０．１以上、かつ０．３Ｄ以下に設けることが望ましい。
【００２０】
開口部の形状に関しては、任意の形状の孔の他、筒状部の端部まで延びる切欠きでもよい。
【００２１】
本願の請求項２に係る先端シューは、上記請求項１に係る杭に用いられるものであり、中空既製杭からなる杭本体の先端部に設置される先端が閉塞された回転貫入用の先端シューであって、１または複数の翼と、前記杭本体の外径より大きい内径を有する筒状部と、トルク伝達用の回転ロッドを接続するための接続部とを有し、前記筒状部に開口部が形成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
中空既製杭からなる杭本体と組み合わせることで、請求項１の杭が構成され、地盤中に建て込むことで基礎杭の構成部材として利用することができる。
【００２３】
本願の請求項３に係る杭は、中空既製杭からなる杭本体と、該杭本体とは別体の先端が閉塞された回転貫入用の先端シューとからなり、前記先端シューは１または複数の翼と、前記杭本体の外径より大きい内径を有する筒状部と、トルク伝達用の回転ロッドを接続するための接続部とを有し、前記杭本体の先端部には開口部が形成されていることを特徴とするものである。
【００２４】
開口部以外の構成は、請求項１の場合と同様であり、請求項３では開口部を先端シューの筒状部に形成する替わりに杭本体の先端部に形成し、その開口部から土砂を杭本体の中空部に取り込むことができる。
【００２５】
なお、杭本体の先端部に形成する開口部は、好ましくは、杭本体の先端から先端シューの筒状部の長さ以内の範囲に加工することが望ましい。この場合も、杭本体と先端シューの相対的な上下動により、開口量を変えることができ、土砂の取り込み量の調節が自在となる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本願の請求項１および請求項２に係る発明の一実施形態を示したものである。
【００２７】
この例では、杭本体１１の外径よりも大きな内径を有する円筒形の筒状部２と、筒状部２の外周に設けられた３枚の翼３と、筒状部２の下端の載置板４と、載置板４の下面の円錐形のコーン部５から構成される先端シュー１の筒状部２に、鋼管杭である杭本体１１の先端部を嵌入し、先端シュー１を地盤中に回転貫入させながら、杭本体１１を追随させることで、杭本体１１を回転させずに地盤中へ埋設することを可能にしている。
【００２８】
筒状部２の翼終端部近傍には、土砂を筒状部２の外面側から杭本体１１の中空部に取り入れるための開口部としての孔６ａが形成されている。また、コーン部５の先端部や円錐面にはセメントミルク等の硬化性流体あるいはエアおよび／または水を地盤中に噴出させるための噴出孔７が形成されている。
【００２９】
先端シュー１はこれらの噴出孔７を除き先端が閉塞されている。また、筒状部２の下端の載置板４には先端シュー１を回転貫入させるために、トルク伝達用の回転ロッドを接続するためのロッド接続部８が形成されている。
【００３０】
また、施工完了後の実用時には翼３により先端支持面積が広くなることで、大きな支持力を得ることができる。
【００３１】
筒状部２の内径は杭本体１１が容易に収めることができ、施工時に両者の隙間により土砂の流入経路を形成できるように設定すればよい。例えば、筒状部２の内径は杭本体１１の外径の１０１〜１０３％とすることが考えられる。
【００３２】
なお、この例では筒状部２は鋼製部材からなり、鋼管を切断してもよいし、鋼板を曲げ加工して溶接により製作してもよい。
【００３３】
筒状部２の外周に設けられた翼３は鋼製であり、溶接等により筒状部２と接合する。翼３の役割は施工時に回転することで貫入推進力を得ることと、実用時に先端支持面積を広げて大きな支持力を得ることであり、例えば、翼３の取り付け角度を杭軸を基準として約８０°（上昇角度１０°）、翼３の外径を筒状部２の２．０倍とすることが考えられる。
【００３４】
また、本実施形態において、翼３の終端部には終端翼３ｂを設けており、終端翼３ｂを杭軸方向となす角度が翼３より小さくなるように取り付けることで、土を上方に押し上げる力を強め、杭本体１１の中空部への土砂の取り込み効率を上げることができる。例えば、杭軸方向となす角度を７５°（上昇角度１５°）とすることが考えられる。
【００３５】
先端シュー１は回転させながら地盤に貫入させるため、翼３部分に磨耗によるすり減りを生じることが懸念される。ここでは、翼３部分のすり減りをできるだけ小さくするために、翼３の始端側に杭の貫入方向に向かって幅が漸減しており、翼３より上昇角度が大きな始端翼３ａを取り付けてある。また始端翼３ａの代わりに超硬チップ等を取り付けることも考えられる。
【００３６】
載置板４は円盤状の鋼板にロッド接続部８（図１（ｂ）  に破線で示す）を形成したものであり、筒状部２の下端に溶接等により接続する。
【００３７】
コーン部５も鋼製であり載置板４の下面と溶接等により接合している。コーンの高さは高いほど貫入しやすいが、先端支持力を発揮させ難くなることから、筒状部２の径の１．０倍以下程度が望ましい。
【００３８】
また、前述のようにコーン部５の先端部および／または円錐面にエアおよび／または水を噴出させるための噴出孔７を設ける。施工中にエアおよび／または水を噴出させることにより土粒子の流動性を促進させ、地盤の掘削を容易にすることができる。
【００３９】
図１（ｃ）  は筒状部２を平面に展開して示したものである。発明者らの解析によれば、円周を複数に分割する形で、周方向に複数枚の翼３が設けられている場合、特に分割数、すなわち翼２の枚数が多くなると、筒状部２に生じる曲げモーメントが最大となる位置は単一の翼３の中央部（翼取付け部の内角１／２位置）近傍である。
【００４０】
従って、簡便的に曲げモーメントが最大となる基準位置９を求めることができる。発明者らが実施した解析によれば、基準位置９と開口部（孔６ａ）の距離Ｌが０．１Ｄ未満である場合、構造耐力は急激に低下するが、基準位置９と開口部（孔６ａ）の距離Ｌが０．１Ｄ以上であれば、開口部による構造耐力への影響が著しく低減する。
【００４１】
開口部（孔６ａ）の大きさは、小さすぎると礫等により目詰まりを起こし土砂の取り込みを阻害することも考えられることから、地盤状況を考慮して決めればよい。例えば、筒状部２の径が８００ｍｍの場合、開口部一箇所あたり縦５０ｍｍ×横３００ｍｍ程度とすることが考えられる。なお、孔６ａの断面形状は図示した長方形のものに限らず、円形、楕円形その他任意で形状でよい。
【００４２】
図２は、本願の請求項１および請求項２に係る発明の他の実施形態を示したものである。
【００４３】
基本的な構成は図１の場合と同様であるが、開口部を筒状部２の上端まで広げ、開断面の切欠き６ｂとしたものである。図１における開口部である孔６ａはガス切断等により製作しなければならないが、図２における開口部である切欠き６ｂは筒状部２を構成する鋼板の切り出し方を変えるだけでよく、残材が発生しないという利点もある。
【００４４】
図３は、本願発明の杭および先端シューを用いた基礎杭の施工の基本概念を概略的に示したものである。
【００４５】
図３（ａ）  に示すように、載置板４に形成したロッド接続部８と杭本体１１の中空部を通した回転ロッド２１を接続し、ロッド２１の杭頭部側にオーガ等でトルクを与え、先端シュー１を回転させながら地盤中に貫入する。
【００４６】
その時、土砂は筒状部２に設けられた開口部６から杭本体１１の中空部に流入し、回転ロッド２１の外周に設けたスクリュー翼２２により上方へ移送される。またコーン部５に噴出孔７を設けており、施工中にエアおよび／または水等を噴出させれば、土砂の流動性を促進させ、先端シュー１の回転貫入、杭本体１１の建て込みがスムーズに行える。
【００４７】
一方、杭本体１１は埋設される先端シュー１に追随させる形で、基本的には回転させずに先端シュー１に案内される形で、必要に応じて押圧力を加えながら地盤中に建て込んで行く。
【００４８】
軟弱な地層等において、杭本体１１の中空部内への土の取り込み量を減らしても施工が可能な場合は、図３（ｂ）  に示すように、先端シュー１と杭本体１１の相対位置を調節して、土の流入経路を変化させる（狭くする）ことにより土の取り込み量を減らすことも可能である。
【００４９】
支持層等において土の取り込みを完全に停止させたい場合は、図３（ｃ）  に示すように、杭本体１１の先端を載置板４に着座させた状態を保ちながら施工を行うことで、土を取り込まずに外側地盤へ押しやりながら施工することも可能である。
【００５０】
先端シュー１が打止め深度に到達したら、先端シュー１の回転を停止し、杭本体１１に押圧力を加えて杭本体１１を確実に載置板４に載せる。その後、先端シュー１の接続部８からロッド２１を離脱させ、図３（ｄ）  に示すように、ロッド２１を杭本体１１から引き抜く。
【００５１】
図４は、本願の請求項３に係る杭の基本概念を概略的に示したもので、開口部を先端シュー１の筒状部２に加工する変わりに杭本体１１の先端部に加工し、その開口部２２から土砂を杭本体１１の中空部に取り込むことができるようにしている。
【００５２】
図示した例では、開口部２２を杭本体１１の先端寄りに加工し、先端から開口部２２までの距離が先端シュー１の筒状部２の長さの範囲内となっており、施工時において杭本体１１と先端シュー１の相対的な上下位置関係を調整することで、土砂の取り込み量を調節することができる。
【００５３】
【発明の効果】
本願の請求項１および請求項２に係る発明では、杭本体と別体に製作された先端シューを回転貫入させながらこれに追随させて杭本体を建て込んで行く場合において、先端シューの筒状部に開口部を設けたことにより、支持面積を減らすことなく杭本体の側方から中空部に土砂を取り込むことができ、かつ先端シューが位置する杭先端部は閉塞さているので、高い先端支持力を確保することができる。
【００５４】
請求項３に係る発明も、同様に杭本体の先端部に設けた開口部から土砂を取り込むことができ、請求項１に係る発明と同様の効果が得られる。
【００５５】
また、杭本体の中空部に土砂を取り込みながら建て込むため、地盤からの抵抗が軽減され、少ないエネルギーで安定した施工を行うことができる。
【００５６】
さらに、施工時における杭本体と先端シューの相対位置関係の調節により、開口部からの土砂の取込み量を調節することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願の請求項１および請求項２に係る発明の一実施形態を示したもので、（ａ）  は杭本体が載置された先端シューの正面図、（ｂ）  は先端シューの底面図、（ｃ）  は先端シューの展開図である。
【図２】本願の請求項１および請求項２に係る発明の他の実施形態を示したもので、（ａ）  は杭本体が載置された先端シューの正面図、（ｂ）  は先端シューの底面図、（ｃ）  は先端シューの展開図である。
【図３】（ａ）  〜（ｄ）  は本願発明の杭および先端シューを用いた基礎杭の施工の基本概念を概略的に示した鉛直断面図である。
【図４】本願の請求項３に係る杭の基本概念を概略的に示した鉛直断面図である。
【符号の説明】
１…先端シュー、２…筒状部、３…翼、３ａ…始端翼、３ｂ…終端翼、４…載置板、５…コーン部、６…開口部、６ａ…孔、６ｂ…切欠き、７…噴出孔、８…ロッド接続部、９…基準位置、１１…杭本体、１２…開口部、２１…回転ロッド、２２…スクリュー翼
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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