(57)【要約】【課題】本発明は地中に回転貫入させる回転翼付き鋼管杭に関し、その回転貫入時の合理的かつ効率的な施工を行うとともに、建築基準法施行規則で定められている長期許容支持力を確実に確保するための鋼管杭仕様を決定することが課題である。【解決手段】地中に埋設されて作用荷重を支持する鋼管杭であって、該鋼管杭の本体部を形成する鋼管と、該鋼管の先端部外周に接合される螺旋形の翼部と、前記鋼管の先端部内面に接合され、該鋼管先端部の開口を閉塞する閉塞盤と、前記鋼管の先端部下方に突出して接合され、その先端形状が三角形の切刃と、から構成され、前記切刃によって掘り起こされた地中の土が前記翼部の最下端に向けて搬出されるように、前記切刃を前記閉塞盤に接合したことを特徴とする。【選択図】図７
2005220662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設されて作用荷重を支持する鋼管杭であって、
該鋼管杭の本体部を形成する鋼管と、
該鋼管の先端部外周に接合される螺旋形の翼部と、
前記鋼管の先端部内面に接合され、該鋼管先端部の開口を閉塞する閉塞盤と、
前記鋼管の先端部下方に突出して接合され、その先端形状が三角形の切刃と、
から構成され、前記切刃によって掘り起こされた地中の土が前記翼部の最下端に向けて搬出されるように、前記切刃を前記閉塞盤に接合したことを特徴とする鋼管杭。
【請求項２】
地中に埋設されて作用荷重を支持する鋼管杭であって、
該鋼管杭の本体部を形成する鋼管と、
該鋼管先端部に接合され、該鋼管の外径に等しい外径を有し、かつ、該鋼管の板厚より大きな板厚を有する補強鋼管と、
該補強鋼管の先端部外周に接合される螺旋形の翼部と、
前記補強鋼管の先端部内面に接合され、該鋼管先端部の開口を閉塞する閉塞盤と、
前記補強鋼管の先端部下方に突出して接合され、その先端形状が三角形の切刃と、
から構成され、前記切刃によって掘り起こされた地中の土が前記翼部の最下端に向けて搬出されるように、前記切刃を前記閉塞盤に接合したことを特徴とする鋼管杭。
【請求項３】
請求項1または請求項２において、
前記翼部の外径を前記鋼管の外径の1．5倍乃至３．５倍に設定したことを特徴とする鋼管杭。
【請求項４】
本体部を構成する鋼管と、該鋼管の先端部外周に接合される螺旋形の翼部と、前記鋼管の先端部内面に接合され、該鋼管先端部の開口を閉塞する閉塞盤と、を有する鋼管杭であって、
前記鋼管の閉塞断面積と、前記翼部の投影断面積の０．５倍に等しい断面積と、の和を前記鋼管杭の有効断面積として算定した地盤の長期許容支持力を満足するように、前記鋼管及び前記翼部の板厚が設定されていることを特徴とする鋼管杭。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中に埋設されて、構造物等に作用する荷重を支持する小口径の鋼管杭に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、外径３００ｍｍ以下の小口径の鋼管杭の先端部に回転翼を接合して地中に回転貫入させ、構造物の荷重を支持する工法が、しばしば用いられている。この工法は、図１に示すように、鋼管杭の杭頭に回転力を与えて、所定の地層に鋼管杭を貫入させるものである。杭頭部に回転トルクを与えることによって、回転翼の下端が地中にくい込み、それによる地盤からの推進力により地中に杭全体を貫入させる工法であるため、地盤中への回転貫入時には、鋼管の体積分の土砂を鋼管の側面方向に押圧する。したがって、地表面に掘削残土が排出されので環境にやさしく、しかも、比較的小型の施工機械で貫入可能なため、経済性・施工性に優れている、という利点がある。
【０００３】
しかしながら、従来用いられている鋼管杭では、先端部が開口しているため閉塞効果が得られず、設計上期待した地盤の支持力特性が実際には発揮されなかったり、閉塞効果が得られるような手段を備えてはいるが、鋼管の外径や板厚と回転翼の外径や板厚とのバランスが悪く、期待した支持力が得られない場合や、合理的かつ効率的な回転貫入が行えない場合があった。
また、地盤の許容支持力を求める支持力算定式において、鋼管杭の先端部の有効断面積をどのように設定するか、技術的に明確となっていない、と言う問題があった。
さらに、地盤条件から支持力算定式によって求められる計算上の支持力値は妥当であっても、その荷重が実際に鋼管杭に作用すると、鋼管杭に発生する応力が許容値を超える場合があり、鋼管杭に使用する部材の板厚を適切に設計する必要があった。
【０００４】
以下、具体的に従来技術の問題点を説明する。
一般に、この種の杭工法に対する地盤の長期許容支持力Raは、次式で求められる（財団法人  日本建築センター『建築基準法施行規則第1条の３第1項の認定に係る性能評価業務方法書』による）。
Ra＝１／３{α・N・Ap＋（β・Ns・Ls＋γ・ｑｕ・Lc）・φ}  (kN)        （１）
ここで、式（１）において、
α：杭先端の支持力係数
β：砂質地盤における杭周面摩擦力係数
γ：粘土質地盤における杭周面摩擦力係数
N：杭先端地盤の平均N値
Ap：杭先端の有効断面積（ｍ２）
Ns：杭周囲の砂質地盤の平均N値
ｑｕ：杭周囲の粘土質地盤の平均一軸圧縮強さ（ｋN／ｍ２）
Ls：杭周囲の砂質地盤に接する有効長さ（ｍ）
Lc：杭周囲の粘土質地盤に接する有効長さ（ｍ）
φ：杭の周長（ｍ）
また、杭先端の有効断面積Apは、
Ap＝π／４・D２＋ｋ・π／４・（Dw２―D２）  （ｍ２）                （２）
ここで、式（２）において、
ｋ：回転翼の投影断面積に対する先端支持力に関与する有効断面積の係数
D：杭本体の外径（ｍ）
Dw：回転翼の外径（ｍ）
として求められる。
【０００５】
そして、式（１）において、係数α、β、γに関しては、従来、鉛直載荷試験等の試験結果に基いて各工法ごとに設定されていた。その１例を図２、図３、図４に示す。これらの試験結果から、この例においては、α＝２５０、β＝０．７０、γ＝０．１５と設定される。
また、式（１）において、杭先端有効断面積Apは、杭先端が閉塞されていない場合には杭先端鋼管の有効断面積（Ae）を採用するのが一般的であり、杭先端の閉塞効果が十分期待できる条件においては、設計上、杭先端鋼管の閉塞断面積（Ao）から、回転翼の投影断面積（Aw）と杭先端鋼管の閉塞断面積（Ao）との和（Ao＋Aw）の範囲の値を採用し得る。すなわち、式（２）において、係数ｋの値は、ｋ＝0.0〜1.0の範囲を採り得る。
このことを技術的に解説すれば、式（１）において、係数αが一定であれば、係数ｋの値が大きくなるほど、長期の許容支持力を大きく算定することができる、ということなる。したがって、係数ｋの値を、どのような技術的根拠によって、どのように設定するか、が重要な問題となる。
【０００６】
【特許文献１】特開2003−13443号公報
【特許文献２】登録実用新案公報第008369号
【非特許文献１】『最新の埋込み杭工法―日本建築センター性能評価  制度と工夫―』基礎工、Vol.31,No.9（平成15年9月号、通巻62号）  ところが、上記特許文献には、本発明の鋼管、回転翼（翼部）及び閉塞盤に相当する構成材料が開示されてはいるものの、係数ｋの値の設定方法に関してはなんらの説明も開示されていない。  また、非特許文献においても、鉛直載荷試験によって得られた先端支持力から、予め設定しておいた係数ｋを用いて係数αの値を逆算しているに過ぎない。したがって、杭先端の有効断面積Apを算定する式（２）において、係数ｋの値については、その設定根拠が理論的にあいまいであった、という課題がある。
【０００７】
次に、従来技術では、杭先端鋼管と回転翼との荷重分担が明確にされていない、という課題がある。すなわち、本来の地盤が有する支持力特性を期待するには、杭先端鋼管の外径に対し、どの程度の外径の回転翼を組み合わせるとよいのか、不明確であった。
また、この問題は、杭本体の発生応力度が許容値以下であるか否か、という課題でもあり、このような課題に対する説明は、前記文献には全く開示されていない。とくに、回転翼の外径が大きくなると、杭を回転貫入させるために大きな回転トルクが必要となるため、杭自体のねじり強さを上回る応力が発生し杭体に損傷を与える恐れがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
以上説明したように、本発明の解決しようとする課題は、実情に即した係数ｋ値をどのように設定するかという点を解決するとともに、杭先端鋼管の外径に対する適切な外径の回転翼の組み合わせを提案し、合理的かつ効率的な回転貫入を実現し、長期許容支持力に相当する荷重が作用した場合にも許容応力度以下の発生応力度に抑制するための方策を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記問題点を解決するため、本発明における鋼管杭にあっては、次のような構成とする。
すなわち、請求項１の発明では、地中に埋設されて作用荷重を支持する鋼管杭であって、
該鋼管杭の本体部を形成する鋼管と、
該鋼管の先端部外周に接合される螺旋形の翼部と、
前記鋼管の先端部内面に接合され、該鋼管先端部の開口を閉塞する閉塞盤と、
前記鋼管の先端部下方に突出して接合され、その先端形状が三角形の切刃と、
から構成され、前記切刃によって掘り起こされた地中の土が前記翼部の最下端に向けて搬出されるように、前記切刃を前記閉塞盤に接合したことを特徴とする。
また、請求項２の発明では、地中に埋設されて作用荷重を支持する鋼管杭であって、
該鋼管杭の本体部を形成する鋼管と、
該鋼管先端部に接合され、該鋼管の外径に等しい外径を有し、かつ、該鋼管の板厚より大きな板厚を有する補強鋼管と、
該補強鋼管の先端部外周に接合される螺旋形の翼部と、
前記補強鋼管の先端部内面に接合され、該鋼管先端部の開口を閉塞する閉塞盤と、
前記補強鋼管の先端部下方に突出して接合され、その先端形状が三角形の切刃と、
から構成され、前記切刃によって掘り起こされた地中の土が前記翼部の最下端に向けて搬出されるように、前記切刃を前記閉塞盤に接合したことを特徴とする。
さらに、請求項3の発明では、請求項1または請求項２において、
前記翼部の外径を前記鋼管の外径の1．5倍乃至３．５倍に設定したことを特徴とする。
さらに、請求項４の発明では、本体部を構成する鋼管と、該鋼管の先端部外周に接合される螺旋形の翼部と、前記鋼管の先端部内面に接合され、該鋼管先端部の開口を閉塞する閉塞盤と、を有する鋼管杭であって、
前記鋼管の閉塞断面積と、前記翼部の投影断面積の０．５倍に等しい断面積と、の和を前記鋼管杭の有効断面積として算定した地盤の長期許容支持力を満足するように、前記鋼管及び前記翼部の板厚が設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の構成によれば、次のような利点がある。
請求項１の発明では、鋼管杭の回転貫入時に、切刃によって掘り起こされた地中の土砂が翼部の螺旋部に運ばれ、回転貫入が容易に行われる。さらに、切刃を装備することによって、鋼管杭の建て込み時における設置精度及び回転貫入時の設置精度を高めるとともに、回転貫入時の障害物対策としても有効に機能する。また、鋼管杭の先端部は、閉塞盤の設置により、完全閉塞状態となっており、いわゆる「閉塞効果」が十分期待できる。さらに、その設置位置における鋼管の剛性を高めるさようにより、翼部と鋼管との接合部の耐久性を向上させるとともに、上記切刃を装備したことによる作用・効果を助長する。
請求項２の発明では、請求項１の発明と同様の作用・効果を有するとともに、鋼管杭１の耐力が向上し、杭先端地盤のN値が大きな場合にも適用可能となる。
請求項３の発明では、実情に即した杭先端鋼管の外径に対する適切な外径の回転翼の組み合わせを選定することができる。したがって、鋼管杭の回転貫入時の杭体の健全性を確保できるとともに、式（１）によって算定される長期許容支持力に相当する荷重を健全な状態で鋼管杭が支持できる。
請求項４の発明では、式（２）における係数ｋの値をk=0.5と設定することによって、種々の試験結果を適正に評価でき、本来の地盤が有する支持力特性を十分に期待し、かつ、鋼管杭自体が健全な状態を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明に係る鋼管杭により、従来未解明の点があるまま構造物の基礎として用いられてきた回転翼付き鋼管杭に対し、一定の制約条件を満足する仕様として具体的に提案し、その本来の性能・品質を確保するという目的を実現した。
【実施例１】
【００１２】
本発明者らは、式（２）における係数ｋの値は、杭先端鋼管の外径Dに対する回転翼の外径Dwの比、すなわち翼径比ｎ（＝Dw/D）及び回転翼と鋼管との接合部の剛性によって変動するものと考え、実物大の室内実験及び実杭に対する加力試験を行って応力状態を測定し、係数ｋの適切な値を設定するとともに、解析的方法によってその妥当性を検証した。それらの試験結果を図５、図６に示す。
図５は、回転翼接合部の上方及び下方の本体鋼管部にストレインゲージを貼付して、荷重作用時に生じる軸方向のひずみを測定して得られた回転翼の荷重分担率である。試験を実施した鋼管杭の長期許容支持力(式（１）によって求められる)に対応する荷重が作用したときの回転翼荷重分担率は約７０％となっており、次式よりｋ＝０．５と逆算される。
回転翼荷重分担率＝ｋ・Aw／（Ao＋ｋ・Aw）                                （３）
ここで、Ao：杭本体の鋼管断面積（ｍ２）
Aw：回転翼の投影面積（ｍ２）
図６は、２０例の鉛直載荷試験結果から得られた先端支持力と鋼管杭先端部の有効断面積との関係を回帰分析した結果であり、ｋ＝０．４〜０．５において最も相関が高いことが理解できる。
以上のことから、翼径比ｎが大きくなると係数ｋの値も大きくなること、すなわち、回転翼の荷重分担率が増加すること、また、回転翼と鋼管との接合部の剛性が小さな場合には係数ｋの値も小さくなる（回転翼の荷重分担率も小さくなる）という定性的傾向にあることが分かった。そして、これらの実験・試験に用いた翼径比の範囲では、ｋ≒０．５であり、回転翼と鋼管との接合部の剛性もｋ≒０．５を満足する範囲にあることが分かった。
したがって、本発明においては、鋼管杭先端部の有効断面積を算定する式（２）において、係数ｋの値がk＝０．５と設定した場合に、これを満足するような翼径比ｎと、回転翼及び鋼管の部材厚の組み合わせを検討した。
【００１３】
以下、本発明の実施形態を添付した図面に基いて説明する。
本発明において使用する鋼管杭１は、図７及び図８に示す部材から構成されている。
図７は、「標準型」の鋼管杭であり、請求項１に記載した発明に対応する構成部材を示している。鋼管杭１は、本体部を形成する鋼管２と、該鋼管２の先端部外周に接合される螺旋形の翼部３と、前記鋼管２の先端部内面に接合され、該鋼管２の先端部の開口を閉塞する閉塞盤４と、前記鋼管２の先端部下方に突出して閉塞盤４に接合され、その先端形状が三角形の切刃５と、から構成されている。ここで、切刃５は、図示したように、掘り起こされた地中の土砂が翼部３の最下端に向けて搬出されるように、その一端が翼部の最下端と近接して、鋼管２の先端下方に突出して閉塞盤４に溶接されている。
また、翼部３の鋼管２への接合は工場でのすみ肉溶接とし、その接合位置は翼部最下端が閉塞盤の接合位置と一致させるようにすることが好ましい。その理由は、閉塞盤接合位置で鋼管杭先端の剛性が大きくなることにより、鋼管杭自体の健全性を確保できるからである。
さらに、閉塞盤４は工場でのすみ肉溶接で鋼管２の先端部内周に工場で溶接され、その板厚は１２〜１６ｍｍとする。
切刃５は工場でのすみ肉溶接とし、その板厚は１６ｍｍ前後とし、杭先端下方への突出高さは鋼管外径の１／２以上とする。これによって、切刃の作用・効果を効率的に発揮させることができる。すなわち、切刃の本来の機能は、鋼管杭が地中に貫入するときに芯ずれを起こさないようにすることであり、そのため、その先端の角度は90度以下の三角形状に形成している。本発明の切刃５は、その機能に加え、上記のように構成されているので、鋼管杭１の回転に伴って地中の土を掘り起こし、さらに回転することによって、翼部３の最下端に向けて掘り起こした土を搬出するように作用する。したがって、翼部３の地中へのくい込み効果が大きくなり、スムースに鋼管杭１を地中に回転貫入させることができる。
なお、このような切刃５の作用・効果をさらに効率的にするため、切刃５は鋼管２の外周側に突出するよう、閉塞盤４に接合することが望ましい。すなわち、好ましい実施態様として、切刃５の幅を鋼管２の外径より大きく設定することである。
【００１４】
請求項１の発明は、上記のように構成されていることにより、次に述べるような作用・効果を奏する。
掘り起こされた地中の土砂が翼部３の最下端に向けて搬出されるように、切刃５の一端を翼部の最下端と近接して、鋼管２の先端下方に突出して接合しているため、鋼管杭１の回転貫入時に、切刃５によって掘り起こされた地中の土砂が翼部３の螺旋部に運ばれ、回転貫入が容易に行われる。さらに、切刃５を装備することによって、鋼管杭１の建て込み時における設置精度及び回転貫入時の設置精度を高めるとともに、回転貫入時の障害物対策としても有効に機能する。また、鋼管杭１の先端部は、閉塞盤４の設置により、完全閉塞状態となっており、いわゆる「閉塞効果」が十分期待できるとともに、その設置位置における鋼管の剛性を高め、上記切刃５を装備したことによる作用・効果を助長する。
【００１５】
図８は、「先端補強型」の鋼管杭であり、請求項２の発明に対応する構成部材を示したものである。その構成は、請求項１の発明における鋼管杭１の構成要素に加えて、補強鋼管６を構成要件としたものである。補強鋼管６は、鋼管２と等しい外径を有し、かつ、鋼管２より板厚が大きな鋼管で、鋼管２の先端部に突合せ溶接継手により工場での溶接接合とされている。
【００１６】
請求項２の発明は、上記のように構成されているため、請求項１の発明と同様の作用・効果を有するとともに、補強鋼管６の板圧を鋼管２の板厚より大きくしたため鋼管杭１の耐力が向上し、杭先端地盤のN値が大きな場合にも適用可能である。このときの詳細な応力検討結果については後述するが、鋼管杭１に発生する最大応力度は翼部３との接合位置であることから、このような作用・効果を奏するのである。
【００１７】
次に、本発明で用いられる鋼管杭の部材について、その詳細を述べる。
表１は、「標準型」の鋼管杭、すなわち、請求項１の発明で用いる鋼管２の外径D及び板厚ｔ０を示したものである。また、表２に、このとき鋼管２に溶接される翼部３の外径Dw及び板厚ｔ１を示す。
【００１８】
【表１】
2005220662.tif 000003
【００１９】
【表２】
2005220662.tif 000004
【００２０】
また、表３に「先端補強型」の鋼管杭、すなわち、請求項２の発明で用いる鋼管２の外径D及び板厚ｔ０を、表４に補強鋼管６の外径D及び板厚ｔ２を示す。なお、この場合に用いる翼部の寸法は、表２のとおりである。
表１と表３とを比較してみると、「先端補強型」の鋼管杭では杭先端に厚肉の補強鋼管を用いることにより、杭本体を構成する鋼管の板厚を小さくすることができる、と言う作用効果を奏する。
【００２１】
【表３】
2005220662.tif 000005
【００２２】
【表４】
2005220662.tif 000006
【００２３】
「標準型」の鋼管杭１は、杭本体に用いる鋼管２の板厚に応じた適切な外径及び板厚を有する翼部３を設定しているため、経済性に優れており、杭先端地盤の平均N値があまり大きくない場合に適する。
一方、長期に作用する荷重が大きくなると、「標準型」の鋼管杭では翼部や本体鋼管に許容応力度を超える応力度が発生することがある。そのため、本発明の鋼管杭においては、杭先端に本体鋼管より板厚の大きな「補強鋼管」を接合した「先端補強型」の鋼管杭を必要に応じて適切に選択・使用するものとしている。「先端補強型」の鋼管杭は、杭先端地盤の平均N値が大きく、長期に作用する荷重が大きい場合に適する。
【００２４】
次に、鋼管２の外径Dと翼部３の外径Dwとの関係について説明する。
鋼管２の外径Dに対する翼部３の外径Dwの比を翼径比（ｎ＝Ｄｗ／Ｄ）とすると、一般に、翼径比ｎを大きくするほど、式（２）によって有効断面積が増加し、したがって、式（１）から算定される長期許容支持力も大きくなる。
しかしながら、設計荷重が過大になると、鋼管杭１に発生する応力度を許容値以下とするには、部材厚を厚くする必要があり、材料費の高騰となって実際には使用できない、という問題が派生する。また、翼部の外径をむやみに大きくすると、有効断面積を算定する際の係数ｋの値に関して理論的・技術的な合理性を欠くことにもつながる。すなわち、本発明の前提であるｋ＝０．５を満足する条件が成り立たないことになる。さらに、許容応力度以下にするために翼部の板厚を過大にした場合には、溶接時の作業性や溶接部の信頼性の面から新たな問題が生じてくる。
とくに、鋼管２と翼部３との接合部については、ｋ＝０．５を満足するために、適切な部材厚の組み合わせとする必要があり、片一方の板厚を大きくするだけではこの条件を満足することが不可能である。なぜならば、溶接部の耐久性（強度）は、板厚の小さな部材によって規定されるからである。
【００２５】
以上のことから、経済性・合理性・信頼性などを総合的に勘案すると、適切な翼径比ｎが存在するはずであり、本発明者らは、このような観点から以下の検討を行った。
すなわち、式（２）においてｋ＝０．５という条件が成り立つ翼径比ｎの範囲を検証し、その範囲内で本発明の構成部材寸法を規定した。その結果を図９に示す。
図９は、表２に示した鋼管２の外径Ｄと翼部３の外径Ｄｗとの全ての組合せについて、係数ｋが変化した場合の翼部３に作用する荷重の増減割合を示したものである。これにより、翼径比がｎ＝２．０〜３．１の範囲に設定した本発明の場合には、係数ｋの値がｋ＝０．５から多少変化しても、翼部に作用する荷重値としては数％の変動幅であり、ｋ＝０．５と設定してもほとんど問題がないことが分かる。
換言すれば、翼部の荷重分担割合がほぼ一定となる翼径比（ｋ＝０．５を満足する翼径比）は、好ましくはｎ＝２．０〜３．１の範囲であり、多少の変動幅を考慮しても１．５〜３．５の範囲であると言えよう。ｎ≦１．５の範囲ではｋ≦０．４となり、ｎ≧３．５の範囲ではｋ≧０．６となって、式（１）の長期許容支持力算定式をそのまま適用することができなくなるからである。
【００２６】
鋼管杭１の応力的な健全性については、次のように検討を行った。
検討部位としては、翼部３、本体鋼管２及び両者の接合部（溶接部）７を考慮し、杭体の健全性を確保するには、それぞれに対して、
（１）  翼部３が負担する作用荷重に対して、翼部３の溶接端に生ずる応力が許容応力度以下であること
（２）  鋼管２については、翼部３から伝達される曲げモーメントと杭先端部から伝達される圧縮力によって生じる合成応力度が許容応力度以下であること
（３）  接合部７に作用する曲げモーメントが溶接によって保有する許容曲げモーメント以下であること
という条件を全て満足することが要求される。
【００２７】
そのため、まず、実際の鋼管杭１に対して加力試験を行い、翼部３に発生するひずみを測定した。その結果を図１０及び表５に示す。これらの図表から、式（１）によって求められる長期許容支持力に相当する荷重が作用しても、翼部３に発生する応力は許容応力度以下であることが分かる。
また、翼部３の外径の１０％に相当する沈下量が生じたときの最大荷重時においても、鋼管杭１は降伏状態に達しておらず、十分な健全性を有していることが確認された。
【００２８】
【表５】
2005220662.tif 000007
【００２９】
次に、上記試験結果に基いて三次元ＦＥＭを用いた解析を行った。その結果、前記好ましい翼径比の範囲内、すなわち、ｋ＝０．５を満足する本発明の場合には、鋼管２に発生する応力度より翼部３に発生する応力度のほうが大きく、構造的に翼部の応力が支配的になることが分かった。
したがって、本発明の鋼管杭１に使用する部材としては、鋼管２より翼部３の板厚を大きくする必要があり、杭先端地盤の平均N値が大きな場合に使用する「先端補強型」の鋼管杭１に対しては、鋼管２の板厚より厚い板厚を有する補強鋼管６が必要となることが分かった。
【００３０】
そこで、上記（１），（２），（３）の条件を全て満足するような鋼管２、翼部３、補強鋼管６の部材厚さの組合せを求めるための応力解析を行った。その結果、先端地盤の平均N値がそれほど大きくない場合に使用する「標準型」の鋼管杭１においては、翼部３の板厚を鋼管２の板厚の１．２倍以上とすることによって、許容応力度を超えないように、鋼管杭１の設計を行うことができるものと判断された。
また、標準型の鋼管１では許容値を超える応力度が発生すると予測されるような大きさの先端地盤平均N値に対しては、「先端補強型」の鋼管杭で使用する補強鋼管６の板厚を鋼管２の板厚の１．１倍以上とすればよいことが実証された。
【００３１】
以上の応力解析結果に基き、JIS  G  3444   （一般構造用炭素鋼管）に規定されている鋼管の規格品に対し、表１、表２、表３及び表４に示すような部材厚の組合せを設定した。なお、翼部の材質については、JIS  G  3101  （一般構造用圧延鋼材）またはJIS  G  3106 （溶接構造用圧延鋼材）に規定されている鋼材を用いることとした。
ここで、翼部３の板厚については、あまり大きくすると部材厚の差が過大になり、溶接作業や溶接強度の面で問題となるので、鋼管２の板厚の１．２倍乃至３．２倍と設定している。同様に、「先端補強型」の鋼管杭で使用する補強鋼管６の板厚は鋼管２の板厚の１．１〜１．８倍としている。
【００３２】
また、鋼管２、翼部３、補強鋼管６の板厚ｔ０、ｔ１、ｔ２を、鋼管２の外径Dに対する相対的な関係式で表わすと、次のようになる。
１）  鋼管２の板厚：ｔ０
下限値  ｔ０（ｍｉｍ）＝０．００７・D＋３  （ｍｍ）        （４）
上限値  ｔ０（ｍａｘ）＝０．００７・D＋１８（ｍｍ）        （５）
２）  翼部３の板厚：ｔ１
下限値  ｔ１（ｍｉｍ）＝０．０６・D＋５    （ｍｍ）        （６）
上限値  ｔ１（ｍａｘ）＝０．０６・D＋１６  （ｍｍ）        （７）
３）  補強鋼管の板厚：ｔ２
下限値  ｔ２（ｍｉｍ）＝０．００７・D＋５  （ｍｍ）        （８）
上限値  ｔ２（ｍａｘ）＝０．００７・D＋１９（ｍｍ）        （９）
【００３３】
このように、表１、表２、表３、表４に示した本発明の鋼管杭１において使用する部材の全ての組合せに対して、前述した応力解析の結果から、それぞれの鋼管杭１の適用限界（発生応力度が許容応力度を超えないときの、式（１）において適用可能な杭先端地盤の平均N値）が定まる。したがって、杭先端地盤の平均N値の大きさに応じて、構成部材の板厚の組合せを直ちに選択できることになる。
なお、式（１）において、本発明では、平均N値の上限値を５０と設定していることから、表１、表２、表３、表４に示した鋼管杭構成部材の全ての組合せのなかで、最も板厚の大きな組合せに対する限界N値がほぼ５０となるよう、各部材の板厚を設定した。
【００３４】
以上説明したように、本発明では、式（１）によって算定される長期許容支持力に相当する鉛直荷重が鋼管杭１に作用した場合においても、鋼管杭１に発生する応力度が許容応応力度以下となるように、かつ、杭先端地盤の平均N値の大きさに応じて適切な構成部材の板厚の組合せが選択できるように、メニューを豊富に用意したものである。
したがって、鋼管杭自体の安全性・耐久性を確保できるとともに、経済性の面でも基礎杭としての合理的な設計を可能にしたもので、杭先端地盤が有する本来の支持力特性を適切に評価し、発揮させることができる鋼管杭を提供することが可能となった。
【００３５】
次に、本発明の鋼管杭１の施工法について、若干の説明を加える。
本発明の鋼管杭１の施工法は、従来の小口径鋼管杭工法とほぼ同様であるが、上記したように、鋼管杭１に発生する応力度が許容応応力度以下となる適切な構成部材の板厚の組合せを設計時点で選択するので、設計条件を満足するための施工管理が重要となる。以下に、施工管理上重要な点を説明する。
【００３６】
図１１は、本発明の鋼管杭を施工する際のフローを示したものである。
本発明の鋼管杭の施工に当たっては、本発明の施工に熟知している者を予め施工管理者として選定し、選定された施工管理者が施工上の責任を負うこととしている。施工管理者の重要な役割の１つが、試験杭の施工に立会い、その結果を確認するとともに、杭工事の監督員または設計者に報告し、本設杭の打ち止め管理方法の承認を得ることである。打ち止め管理方法は、設計者が要求する基礎杭の品質・性能を確保するために重要な事項である。
【００３７】
杭の建て込み段階では、鋼管杭の設置位置が設計値に対して±３０ｍｍ以内となるようセットし、かつ、杭打ち機のリーダー及び鋼管杭本体の鉛直性が１／１００以内の傾斜角であることを確認する。この鉛直精度の確認方法としては、X及びYの二方向から下げ振りを用いて単位長さ当たりの偏芯量を計測することが、定量的に評価できるという点で望ましい。鋼管杭が傾斜した状態で地盤中に貫入されると、杭本体に不必要な曲げモーメントが発生し、応力的に好ましくない。
【００３８】
杭の回転貫入段階では、回転による芯ずれが生じやすいので、杭振れ止め装置に杭を挟み込んだ状態で初期貫入させるとともに、杭の鉛直性を適宜確認する。
また、杭本体に過度の応力が生じないよう、回転トルク・圧入力・貫入量を適切に制御する必要がある。とくに、回転トルク値は、杭本体が有するねじり強さを超えないよう制御することが必要で、そのため、回転駆動装置にリミッターを装備して回転トルク値が適正値以下となるよう施工管理を行う。
【００３９】
杭の継手段階では、設計者が要求する性能・品質を確保するための施工管理が必要となる。
とくに、鋼管杭の場合には、現場溶接が主流となるため、本発明では、詳細に管理基準を定めて溶接時の施工管理を行うこととしている。
まず第一に、継手部８の施工に当たっては、下杭９（既に地盤中に杭長の大半が貫入されている杭）と上杭１０（下杭に接合されて、これから地盤中に貫入される杭）の鉛直方向の軸線を同一線上に合わせることが重要となる。
【００４０】
そのため、本発明では、下杭９と上杭１０との溶接継手部８に用いる裏当て金１１（溶接される母材の溶接側の裏側に用いる溶接継手用の金具）を、図１２に示すように構成している。
すなわち、裏当て金１１は、溶接される鋼管２の内径にほぼ等しい外径を有し、環状に形成された鋼材であって、その円周面の一部に形成された幅３〜５ｍｍのスリットにより半径方向に拡大・縮小が可能とされ、軸方向の中間に３〜４個の突起１２を有する。突起１２の突起高さは溶接される鋼管２の板厚の約５０％程度とし、突起１２の直径は３．２ｍｍ、裏当て金１１の板厚は３．２ｍｍ以上としている。
また、裏当て金１１の上方外周面をテーパー状に形成している。
【００４１】
裏当て金１２を上記のように構成することにより、下杭９と上杭１０とのルート間隔（溶接する母材間の間隔）を３．２ｍｍ以上に保持することができる。したがって、溶接時の作業性が向上するとともに、溶接部の強度を含む耐久性・健全性の信頼度も高まる。
また、裏当て金１１が半径方向に拡大・縮小可能に形成されており、かつ、その上方外周にテーパーが形成されているため、上杭１０を下杭９に接続させるとき作業性が良くなり、上下杭の軸線を容易に合わせることができる。
【００４２】
この継手段階における第二の施工管理として、下杭９と上杭１０とのルート間隔の許容差を３〜８ｍｍに設定し、さらに、上下杭の鉛直方向のくい違い量を２ｍｍ以下に設定した管理基準値を設けたことである。このような管理基準を設けたことにより、下杭９と上杭１０との軸線を一致させることができ、杭本体に余計な応力が発生するのを防止することができる。
【００４３】
さらに、継手段階での施工管理として、本発明では、次のような作業手順を定めている。
１）下杭９の杭頭が施工地盤面から約１ｍの高さになるまで下杭９を貫入させる。
２）裏当て金１１の突起部１２が下杭９の上端に接するように裏当て金１１を下杭９の
内面に挿入し、仮付けする。
３）下杭９及び上杭１０の溶接部に付着している土砂、ごみ、錆び、油脂、塗料などを
ワイヤブラシ等で除去する。
４）上杭１０を吊り上げ、裏当て金１１を介して下杭９に重ね合わせる。
５）下杭９と上杭１０との軸線が同一線上となるように、上杭１０の姿勢を調整する。
６）継手部を全周溶接する。このとき、原則として、手溶接の場合は複数回に分けて、
半自動溶接の場合は１〜２層盛りとし、設計仕様どおりの溶接状態となっている
ことを外観検査によって確認する。
７）溶接後は、溶接部を急冷却しないようにし、スラグやスパッタを完全に除去した後
適切な時間をおいて杭の回転貫入を再開する。
【００４４】
溶接部の外観検査は、全数検査とし、次に示す項目に対して実施する。
ビード表面の整否（なめらかさ）
ピット、アンダーカット、クレーター等の有無及び状態（サイズ、のど厚）
溶接金属の寸法
スラグの除去状態
外観検査の結果、溶接部に割れなどの重大な欠陥を発見したときは、その箇所をグラインダーなどで削り取り、再溶接して手直しする。のど厚不足、アンダーカットなど、その他の欠陥を発見したときには、肉盛り溶接などの方法で手直しする。
【００４５】
本発明では、上記のような施工管理を行うことによって、杭本体の健全性を確保し、設計荷重によって生じる応力以外の予期しない応力の発生を極力抑制することとしている。そうすることによって、応力度解析のとおりの発生応力に抑えることができ、設計の最適化を図ることができる。
【００４６】
以上、本発明の構成及び本発明を実施する上で必要な施工管理について説明した。本発明に特徴は、従来、長期許容支持力算定式の運用に際して、未解明であった杭先端有効断面積の設定方法について、各種の実験・試験及び解析的検討を行って技術的に解明し、実情に即した鋼管杭の仕様を提案したことにある。
【００４７】
すなわち、従来は技術的根拠があいまいなままに設定されていた、鋼管外径に対する回転翼外径の大きさについて、杭体に発生する応力状態を明確にすることにより、一定の制約条件があることを見出した点にある。それによって、地盤の支持力特性に応じて適切な仕様の鋼管杭を、直ちに選択することを可能にした。
換言すれば、従来はブラックボックスとされたまま使用していた回転翼付き鋼管杭工法が、場合によっては杭体に損傷を与える恐れがあることを示唆したものであり、単なる設計変更にとどまらず、設計思想そのものを明確にしたことである。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
したがって、本発明により、この種の杭工法の信頼性が向上し、基礎杭としての適用範囲がますます拡大されるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明を含む鋼管杭工法の施工方法の概要を説明した図である。
【図２】鋼管杭の長期許容支持力算定式における係数αの設定方法を例示した図である。
【図３】鋼管杭の長期許容支持力算定式における係数βの設定方法を例示した図である。
【図４】鋼管杭の長期許容支持力算定式における係数γの設定方法を例示した図である。
【図５】回転翼の荷重分担率を説明した説明図である。
【図６】係数ｋを鉛直載荷試験結果に基づいて推測した説明図である。
【図７】本発明の第１実施例に係る構成を説明した、正面図（Ａ）、底面図（Ｂ）、閉塞盤の平面図（Ｃ）、切刃の正面図（Ｄ）である。
【図８】本発明の第２実施例に係る構成を説明した正面図（Ａ）、底面図（Ｂ）である。
【図９】翼径比の変化による回転翼の分担荷重増減割合を説明した図である。
【図１０】鋼管杭に生じる応力状態を説明した図であって、Ｄｗ＝３００ｍｍの場合の説明図（Ａ）、Ｄｗ＝６００ｍｍの場合の説明図（Ｂ）である。
【図１１】本発明を実施する場合の施工管理フローを説明した図である。
【図１２】本発明における鋼管杭の継手部の断面図（Ａ）、裏当て金の正面図（Ｂ）である。
【符号の説明】
【００５０】
１    本発明に用いる鋼管杭、
２    鋼管
３    翼部
４    閉塞盤
５    切刃
６    補強鋼管
７    鋼管または補強鋼管と翼部との接合部
８    鋼管杭の継手部
９    下杭
１０  上杭
１１  裏当て金
１２  裏当て金の突起
【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】
2005220662.tif 000013
【図７】
2005220662.tif 000014
【図８】
2005220662.tif 000015
【図９】
2005220662.tif 000016
【図１０】
2005220662.tif 000017
【図１１】
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【図１２】
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