(57)【要約】【課題】  鋼管の板厚を厚くすることなく、施工時に作用する大きな土圧に十分耐え得る杭体を有し、貫入性能がよく、大きな先端支持力を得ることができる先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭を提供する。【解決手段】  鋼管２の先端部又はその近傍に翼３が取付けられ、鋼管２に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設される先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭１において、鋼管２の大きな土圧が作用する部位又はその近傍の内壁に、鋼材からなる座屈防止用部材１０を設けた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管の先端部又はその近傍に翼が取付けられ、前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設される先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭において、
前記鋼管の大きな土圧が作用する部位又はその近傍の内壁に、鋼材からなる座屈防止用部材を設けたことを特徴とするねじ込み式鋼管杭。
【請求項２】
前記座屈防止用部材が、リング状であることを特徴とする請求項１記載のねじ込み式鋼管杭。
【請求項３】
前記座屈防止用部材が、円盤状であることを特徴とする請求項１記載のねじ込み式鋼管杭。
【請求項４】
前記座屈防止用部材が、鋼材を十字状、三角形状又はＹ字状に組合わせて形成したものであることを特徴とする請求項１記載のねじ込み式鋼管杭。
【請求項５】
前記座屈防止用部材を、前記鋼管内の長手方向に複数設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のねじ込み式鋼管杭。
【請求項６】
複数の鋼管が溶接接合され、先端部又はその近傍に翼が取付けられて前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設される先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭において、
前記鋼管の溶接接合部の裏当金に、請求項１〜３のいずれかに記載の座屈防止用部材を用いたことを特徴とするねじ込み式鋼管杭。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、先端部又はその近傍に翼が取付けられた鋼管に回転力を与えることにより、翼の木ねじ作用によって地中に埋設する先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鋼管の先端部やその近傍に翼を取付けて、地上に設置した施工機械によって回転力を与えることにより、翼の木ねじ作用により地中に貫入して埋設するねじ込み式鋼管杭は、従来から種々提案されており、低振動、低騒音、無排土で施工できると共に、埋設後に翼の面積を利用して大きな先端支持力が得られるため、土木、建築の分野で実用化されている。
【０００３】
このようなねじ込み式鋼管杭には、大別して、杭先端部が開口され、施工にあたっては掘削した土砂を杭体内にとり込むようにしたもの（先端開口型ねじ込み式鋼管杭）と、杭先端部が閉塞され、施工にあたっては掘削した土砂を杭体の側方に移動させるようにしたもの（先端閉塞型ねじ込み式鋼管杭）とがある。
【０００４】
上述のようなねじ込み式鋼管杭の一例として、鋼管の先端部より当該鋼管の内径の２〜４倍の上方位置の内壁に、スクリュー状の閉塞翼板を設けた鋼管杭を、その推進方向に回転させながら圧入し、鋼管杭の先端部が地盤の支持層近傍に達したのちは、鋼管杭を反転させつつ圧入し、鋼管杭の先端内部に圧密土を形成するように施工し、先端閉塞効果を促進して支持力を大きくするようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
また、鋼管の先端部外周に螺旋羽根を設けると共に、鋼管の先端部より上方の鋼管内に、鋼管杭の埋設時において土砂の閉塞を促進する開孔リブを設け、この開孔リブより下方の鋼管内周と開孔リブとにより有効筒状部を形成するようにしたものがある。
このねじ込み式鋼管杭によれば、下端部が開口されているので貫入抵抗、貫入のためのトルクを小さくすることができ、開孔リブにより有効筒状部内に土砂の閉塞を促進し、強固な支持底部を形成することができるとしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
さらに、鋼管の先端部外周面に、鋼管の外径のほぼ２倍の外径を有する螺旋翼をほぼ一巻にわたって突設すると共に、鋼管の先端開口部に底板を取付けて閉塞したものがある。このねじ込み式鋼管杭は、無排土で容易かつ効率よく沈設することができ、大きな先端支持力が得られるとしている（例えば、特許文献３参照）。
【０００７】
【特許文献１】特許第２５１６４７５号公報（第２頁、図１−３）
【特許文献２】特開平８−２２６１２４号公報（第３頁、図１）
【特許文献３】特公平２−６２６４８号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１のねじ込み式鋼管杭は、鋼管の内部にスクリュー状の閉塞翼板を有するだけなので、杭体を回転させても沈設させるのに十分な推進力を得ることができない。特に、杭体内部に土砂が入って閉塞状態になったときは、閉塞翼板が土砂に埋まって推進力を得ることができなくなるため、強固な地盤への貫入が不可能になる。
【０００９】
特許文献２のねじ込み式鋼管杭は、杭体の先端部が開口されているため、貫入抵抗、トルクを小さくすることができるが、先端部が開口しているため有効筒状部内に土砂を閉塞したとしても大きな先端支持力を得ることができない。このため、十分な先端支持力を得るためには、強固な支持層へ杭径の何倍もの長さの貫入が必要となり、きわめて不経済である。なお、先端部が開口された大径の鋼管杭では、一般に、施工にあたって土砂を鋼管杭内に取り込んでも、先端開口部の閉塞効果を得るのは難かしいとされている。
【００１０】
さらに、特許文献３のねじ込み式鋼管杭は、鋼管の先端開口部を底板で閉塞しているため大きな先端支持力を得ることができるが、杭体内が中空のため施工時に杭体に土圧が作用し、局部座屈を起こすおそれがあるため、鋼管の板厚を厚くしなければならない。
【００１１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、鋼管の板厚を厚くすることなく施工時に作用する大きな土圧に十分耐えられる杭体を有し、貫入性能がよく、大きな先端支持力を得ることができる先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭を提供することを目的としたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、鋼管の先端部又はその近傍に翼が取付けられ、前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設される先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭において、前記鋼管の大きな土圧が作用する部位又はその近傍の内壁に、鋼材からなる座屈防止用部材を設けたものである。
【００１３】
上記の座屈防止用部材をリング状に形成した。
また、円盤状に形成した。
さらに、鋼材を十字状、三角形状又はＹ字状に組合わせて形成した。
また、上記の座屈防止用部材を、前記鋼管内の長手方向に複数設けた。
【００１４】
また、本発明は、複数の鋼管が溶接接合され、先端部又はその近傍に翼が取付けられて前記鋼管に回転力を与えることにより地中に貫入して埋設される先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭において、前記鋼管の溶接接合部の裏当金に、上記いずれかの座屈防止用部材を用いたものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ねじ込み式鋼管杭の大きな土圧が作用する部位又はその近傍の内壁に座屈防止用部材を設けたので、施工にあたり土圧によって杭体に局部座屈を生ずることがなく、信頼性の高い先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
前述のように、先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭においては、大きな先端支持力が得られるばかりでなく、周面摩擦による地盤支持力を増大させることができるが、施工時に杭体積分の土砂を側方に移動させるため、中空（空洞）の杭体（鋼管）に非常に大きな土圧（受働土圧）が作用することになる。例えば、深度３０ｍ、先端部近傍のＮ値３０の砂層に、杭径１０００ｍｍの先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭を施工した場合、空洞拡張理論を用いた解析では、静止土圧の約４倍の土圧が作用することになる。このため、大きな土圧の中で空洞の鋼管杭を施工すると局部座屈を生じるおそれがある。
このような局部座屈を避けるためには、鋼管の板厚を厚くすることが有効であるが、ねじ込み式鋼管杭を施工するために、鋼管の板厚を設計時に必要な板厚（例えば、構造物を支えるために必要な板厚）よりも厚くすることは、経済的でない。
【００１７】
そこで、本発明においては、大きな土圧により鋼管に局部座屈が発生するのを防止するために、鋼管の内壁に座屈防止用部材を設けた。円筒シェルの座屈理論によれば、材端が円形を保持する短かい管は長い管より座屈荷重が大きいことが知られているので、鋼管が円形を保持するように座屈防止用部材を設けることにより、鋼管全体の座屈強度が増大し、鋼管の板厚を厚くすることなく、大きな土圧が作用しても局部座屈を生ずることがない。なお、この座屈防止用部材は、鋼管が円形を保持できればよいので、それほど剛なものを用いる必要はない。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１８】
［実施の形態１］
図１は本発明の実施の形態１に係るねじ込み式鋼管杭の模式的断面図及び平面図である。
図において、２は鋼管、３は鋼管２の先端部に傾斜して取付けられ、かつ鋼管２の先端開口部を覆って閉塞した鋼製翼である。１０は鋼管２の長手方向（上下方向）の鋼管に大きな土圧が作用する部位又はその近傍の内壁に、溶接などにより取付けられた鋼材からなるリング状の座屈防止用部材で、これらにより、本発明に係る先端閉塞型のねじ込み式鋼管杭１（以下、単に鋼管杭という）を構成している。
【００１９】
鋼管杭１を構成する鋼製翼３は、図には鋼管２の先端部にレ字状の２つの取付部を設けると共に、鋼管２の外径より大きい径（例えば、鋼管２の外径の２倍程度）の鋼製円盤を２分割して半円状の翼板を形成し、この翼板を鋼管２の取付部に、先端開口部を覆って溶接によりそれぞれ斜めに取付けて形成したものを示してあるが、例えば、鋼管の先端部に代えて、鋼管の先端部近傍の外周に、ドーナツ状鋼板を複数に分割した翼板又は螺旋状の鋼製翼を取付けると共に、鋼管の先端開口部を底板で閉塞するようにするなど、本発明においては鋼製翼３の形状、構造、取付位置などについては特に限定するものではなく、適宜選択することができる。
【００２０】
また、座屈防止用部材１０は、例えば、外径が鋼管２の内径とほぼ等しく、断面四角形のリング状の鋼材あるいは円形に曲げ加工した鉄筋棒や形鋼からなり、強度よりも剛性の高い材料を用いることが望ましい。なお、リング状の鋼材の断面積の大きさや形状、鉄筋棒の外径などは、これらが取付けられる鋼管の外径、板厚、施工する地盤の状態などによって異なり、設計の際にそれぞれ決定される（以下の実施の形態においても同様である）。
【００２１】
次に、座屈防止用部材１０の取付位置について説明する。
鋼管杭（以下、杭体ということがある）に作用する土圧は、地盤のＮ値に応じて変化し、Ｎ値が大きい場所では大きな座屈強度を有する杭体を必要とする。この土圧は、施工時に杭体を上下に移動させるなどして、杭体の周面にある土砂を軟化して移動させることによりある程度低減することが可能であるが、施工時間がかかること、地盤によっては軟化状態がすぐに回復し、全く効果が得られない場合があること、杭体の周囲から土砂が地上に排出されて無排土で施工ができなくなること、施工機械を操作するオペレータの熟練度に影響することなど、不確定要素が大きいため、この施工方法による土圧の軽減は期待することはできない。
【００２２】
図２は、例えば杭径１０００ｍｍ、杭長３０ｍの鋼管杭１を施工する地盤の一例を示すもので、縦軸に土質及びその深さを、横軸にそのＮ値を示す。図に示すように、表土層から粘土層までの深さほぼ１７〜１８ｍの範囲はＮ値がきわめて小さく、ほぼ１８ｍ以深は砂層でＮ値が急激に大きくなり、深さ２０〜２２ｍ近傍ではＮ値が５０となり、深さ２３〜２４ｍ近傍のシルト層ではＮ値は１０程度と小さくなるが再びＮ値が大きくなり、ほぼ２７ｍ以深の砂層（支持層）ではＮ値が５０になっている。
【００２３】
このような地盤に鋼管杭１を貫入施工する場合、深さ２０〜２２ｍ近傍（中間層）と、深さほぼ２７ｍ以深（支持層）とに大きなＮ値の地層が存在するため、鋼管杭１はこれに対応して大きな土圧を受けることになる。この場合、空洞拡張理論を用いた解析によれば、中間層及び支持層では、鋼管杭１には約２Ｎ／ｍｍ2の土圧が作用することになる。
【００２４】
したがって、鋼管杭１に作用する土圧の高い位置、即ち、支持層と中間層に対応する位置、換言すれば鋼管杭１の先端部近傍及び先端部からほぼ１０ｍ上方の位置の内壁に座屈防止用部材１０を設ければ、鋼管杭１は剛性が高くなって土圧による局部座屈を生じることなく円形を保持することができる。このように中間層を有する地盤では、杭先端部が支持層に到達するまで杭体は中間層を通過するので、その区間には座屈防止用部材１０を１か所または複数か所設けて、局部座屈を生じないようにする。また、連続的に大きな土圧が作用する場合は、座屈防止用部材１０の間隔を短く設置すればよい。ただし、先端部には鋼製翼３が設けられて大きな剛性を有しているため、その付近は土圧により局部座屈を生じるおそれがなく、先端部は座屈防止用部材と同じ効果を有すると考えてよい。
【００２５】
図３は座屈防止用部材１０を設けた杭径１０００ｍｍの鋼管杭１の板厚と土圧及び複数の座屈防止用部材１０の取付位置（間隔、ｍ）の関係を示す線図で、縦軸に土圧（Ｎ／ｍｍ2）、横軸に板厚（ｍｍ）を示す。
いま、例えば、鋼管杭１に２Ｎ／ｍｍ2の外圧が作用した場合、座屈防止用部材１０の間隔を１０ｍとした場合、鋼管は１８ｍｍ以上の板厚が必要であり、間隔を７ｍとした場合は板厚は約１６ｍｍ、間隔を５ｍとした場合は、板厚は約１４ｍｍでよいことがわかる（図２参照）。
【００２６】
また、図４は、座屈防止用部材１０を設けた杭径１５００ｍｍの鋼管杭１の場合、板厚はどの程度の土圧に耐えられるかを示す線図で、縦軸に土圧（Ｎ／ｍｍ2）、横軸に板厚（ｍｍ）を示す。鋼管の板厚を２０ｍｍとした場合、座屈防止用部材１０の間隔が１０ｍの場合は約１．５Ｎ／ｍｍ2、７ｍの場合は約２Ｎ／ｍｍ2、５ｍの場合は約３Ｎ／ｍｍ2の土圧に耐えられることがわかる。
【００２７】
図３、図４から、鋼管杭１に５ｍの間隔で座屈防止用部材１０を設ければ、小径の場合は勿論、大径の鋼管杭１の場合でも、板厚１４ｍｍで２Ｎ／ｍｍ2程度の土圧に十分耐え得ることがわかった。
【００２８】
上記の説明から、図２に示す地盤に杭径１０００ｍｍの鋼管杭１を施工する場合、共用時の板厚は１４ｍｍであるが、土圧による座屈を防止するためには、施工上２０ｍｍの板厚を必要とするため不経済である。また、設計上局部座屈が発生する区間のみ板厚を厚くすることも考えられるが、設計、製造が複雑となりコストの上昇は避けられない。
【００２９】
そこで、本実施の形態においては、鋼管杭１の先端部から１０ｍ上方（図１のＬ1）の位置の内壁に、リング状の第１の座屈防止用部材１０を設け、さらに、地盤の状態に応じて、第１の座屈防止用部材１０の５ｍ上方（図１のＬ2）に第２の座屈防止用部材１０を設けた。以下これに準じて５ｍの間隔で座屈防止用部材１０を設けてもよい。なお、図２に示すように、鋼管杭１の先端部から５ｍ上方の位置に座屈防止用部材１０を設け、その上方に５ｍ間隔で座屈防止用部材１０を設けてもよいが、前述のように、鋼管杭１の先端部には鋼製翼３が取付けられて大きな剛性が付与されているので、先端部から５ｍ上方の座屈防止用部材１０は省略してもよい。
【００３０】
上記のように構成した鋼管杭１は、その杭頭部が地上に設けた施工機械に連結されて回転され（頭部回転方式）、鋼製翼３により杭先端部近傍の地盤を掘削軟化しながら、鋼製翼３の木ねじ作用により地中に貫入され、埋設される。このとき、杭先端部近傍の土砂は鋼管杭１の外周部に移動し、管内には侵入しない。
施工にあたっては、外周に移動した土砂により杭体に大きな土圧が作用するが、杭体の内壁に座屈防止用部材１０が設けられているので、局部座屈を生じることがない。
【００３１】
また、鋼管杭１の胴体をチャッキングして回転（胴体回転方式）して施工してもよく、この場合、座屈防止用部材１０が設けられているため、杭体の変形を防止することができる。なお、施工後においても隣接する鋼管杭１の施工により大きな土圧が作用することがあるため、杭体内に建設残土や、コンクリート、ソイルセメントなどを投入して合成し、座屈しにくい状態にしてもよい。
【００３２】
本実施の形態によれば、鋼管杭１の大きな土圧が作用する部位又はその近傍の内壁に座屈防止用部材１０を設けたので、施工にあたり土圧によって杭体に局部座屈が発生するのを防止することができ、能率よく施工することができる。
また、鋼管杭１には、施工の際にトルクや押込み力が作用するが、これらの外力に対して座屈防止用部材１０が補剛効果を有するので、鋼管杭１の変形や破損などを防止することができる。
さらに、鋼管杭１は先端開口部が閉塞されているので、鋼製翼３と相俟って大きな先端支持力を得ることができ、また、鋼管杭１の外周部に移動した土砂により周面摩擦力が増大するため、信頼性の高いねじ込み式鋼管杭１を提供することができる。
【００３３】
［実施の形態２］
図５は本発明の実施の形態２に係るねじ込み式鋼管杭の模式的断面図及び平面図、図６は本実施の形態の他の例の平面説明図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
実施の形態１では、施工時に杭体に大きな土圧が作用する部位又はその近傍の内壁にリング状の座屈防止用部材１０を設けた場合を示したが、本実施の形態は、リング状の座屈防止用部材１０に代えて、棒鋼材等からなるリブ状の座屈防止用部材１０を設けたものである。
【００３４】
図５は、断面四角形等の多角形の鋼棒、鉄筋棒、形鋼等によって形成した十字状リブ１１からなる座屈防止用部材１０を鋼管杭１の内壁に溶接により取付けたものである。
図６（ａ）は、図５の場合と同様の鋼材により三角形状リブ１２からなる座屈防止用部材１０を鋼管杭１の内壁に取付けたもの、図６（ｂ）は、同様の材料で形成したＹ字状リブ１３からなる座屈防止用部材１０を鋼管杭１の内壁に取付けたものである。
【００３５】
本実施の形態に係る座屈防止用部材１０の取付位置は、実施の形態１の場合と同様であり、実施の形態１の場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
【００３６】
［実施の形態３］
図７は本発明の実施の形態３に係るねじ込み式鋼管杭の模式的断面図及び平面図である。なお、実施の形態１と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、実施の形態１のリング状の座屈防止用部材１０に代えて、鋼管杭１の内径とほぼ等しい外径の円形鋼板１４により座屈防止用部材１０を形成し、鋼管杭１の内壁に取付けたもので、その取付位置は実施の形態１の場合と同様である。
本実施の形態においても実施の形態１の場合とほぼ同様の効果を得ることができるが、特に、比較的杭径の小さい鋼管杭に実施して有効である。
【００３７】
［実施の形態４］
鋼管杭１が長尺になると、必ず現場で鋼管を継ぐための溶接作業が発生する。例えば、杭長が３６ｍであれば、１本１２ｍの杭３本を溶接により接合して構成する。このとき、現場での溶接部は２か所となる。そして、杭と杭とを溶接により接合する場合は、通常リング状の裏当金を用いている。
本実施の形態は、この裏当金に、実施の形態１に係るリング状の座屈防止用部材１０を用い、杭体の座屈強度を高めたものである。
【００３８】
杭の接合に剛性の大きいリング状の座屈防止用部材１０からなる裏当金を用いた場合、最初の接合部が杭先端部から１０〜１２ｍ程度、次の接合部までの間隔が１０〜１２ｍ程度と開くため、実施の形態１の場合のように５ｍ間隔で座屈防止用部材１０を設けた場合に比べて、杭体の座屈強度は若干低下するが、裏当金は杭の溶接接合時には必ず使用するものであるから、これによりコストの上昇を抑えることができる。
【００３９】
上記の説明では、杭の接合時の裏当金としてリング状の座屈防止用部材１０を用いた場合を示したが、これに代えて、実施の形態３に係る円形鋼板１４からなる座屈防止用部材１０を用いてもよい。
また、地盤の状態その他の状況により、杭の継部（接合部）の中間部に、実施の形態１〜３のいずれかに係る座屈防止用部材１０を取付けてもよい。
本実施の形態によれば、実施の形態１の場合とほぼ同様の効果を得ることができる。
また、溶接以外の接合方法として、ねじ継手等があるが、このような継手部もその部分の剛性を大きくすれば、座屈防止用部材１０と同様の効果が得られる。
【００４０】
［比較例］
次に、従来のねじ込み式鋼管杭と、本発明の実施の形態１に係るねじ込み式鋼管杭との比較例について説明する。
鋼管杭は、杭径１０００ｍｍ、板厚１４ｍｍ、長さ３０ｍで、従来のものはこの鋼管杭をそのまま使用し、本発明に係る鋼管杭１は、上記と同じ構造の鋼管杭に、先端部から５ｍ上方の内壁、及びこれから５ｍ上方の内壁に、一辺１９ｍｍで断面四角形のリング状の座屈防止用部材１０をそれぞれ溶接により接合したものを用いた。なお、施工は、図２に示す土質と同様の地盤で行った。
【００４１】
従来の鋼管杭を施工機械により回転して、地盤中に支持層に達するまで貫入し、ついで鋼管杭を反対方向に回転して引上げて検査したところ、杭体の先端部からほぼ１０ｍ上方の位置に局部座屈が発生していた。
同様に、本発明に係る鋼管杭１を支持層に達するまで地盤中に貫入したのち、鋼管杭１を反対方向に回転させて引上げたところ、杭体にはなんら異常が認められなかった。
なお、上記の説明では、支持層まで貫入した鋼管杭を、反対方向に回転して引上げて検査をする場合について説明したが、鋼管杭を支持層まで貫入したままの状態で、鋼管杭の内部にカメラを挿入して観察し、局部座屈の発生の有無を検査してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１に係るねじ込み式鋼管杭の模式的断面図及び平面図である。
【図２】本実施の形態に係るねじ込み式鋼管杭を施工する地盤の一例と、これに対応する従来のねじ込み式鋼管杭と本実施の形態に係るねじ込み式鋼管杭との関係を示す説明図である。
【図３】杭径１０００ｍｍのねじ込み式鋼管杭の板厚と土圧、及び複数の座屈防止用部材の取付位置の関係を示す線図である。
【図４】杭径１５００ｍｍのねじ込み式鋼管杭の板厚はどの程度の土圧に耐えられるかを示す線図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係るねじ込み式鋼管杭の模式的断面図及び平面図である。
【図６】実施の形態２の他の例の説明図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係るねじ込み式鋼管杭の模式的断面図及び平面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  ねじ込み式鋼管杭、２  鋼管、３  鋼製翼、１０  座屈防止用部材。
【図１】
2005171496.tif 000003
【図２】
2005171496.tif 000004
【図３】
2005171496.tif 000005
【図４】
2005171496.tif 000006
【図５】
2005171496.tif 000007
【図６】
2005171496.tif 000008
【図７】
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