JP3664361B2 - 鋼管製支持杭の埋設施工方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木建築構造物を構築する場合において、埋め込み杭工法またはソイルセメント工法を採用して地盤に支持杭を埋設する場合に適用される、鋼管製支持杭の埋設施工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、埋め込杭工法で施工された支持杭の先端支持力を向上させるには、支持杭の先端部の径を拡大することが有効であるとの知見があり、従来から、
１）杭先端に取り付けた袋体に、これらに地上からモルタル等を圧入して拡張させ拡大 根固め部を形成する方法（特開昭６３−１８１８１１号公報等）
２）杭先端のみに軸部より大きな径を有する拡大先端シューを取り付けた方法
３）杭先端から杭径の２倍〜４倍程度の範囲において、軸部より大きな径を有する既製 杭を地盤支持層に埋め込む方法
などが知られている。
【０００３】
上記１）の方法では、先端部の径拡大部の形状の確認が地中のためできないことや、形状に起因した径拡大部の耐力にばらつきが生じやすいことなど、品質保証に難点があった。また、２）、３）の方法では、予め先端部を地上にて加工するため、先端部構造の品質保証上の問題はないが、以下に示すように、大きな支持力が得られないという難点があった。
杭先端部の地盤の支持層に埋め込まれた部分の耐力は、杭先端が地盤を押す支圧力により、地盤に伝達される力と、杭の支持層に埋め込まれた部分の表面から地盤に伝達される力により成り立つ。
【０００４】
上記の方法では、杭の周面から地盤に伝達される力は、杭表面と地盤の間の摩擦力による。
すなわち、杭先端に先端拡大シューを取り付ける２）の方法は、杭先端部の面積を拡大し、先端が地盤を押す支圧力により地盤に伝達される力を増加させることを狙ったものである。また、軸部より大きな径を有する既製杭を地盤支持層に埋め込む３）の方法は、先端が地盤を押す支圧力により地盤に伝達される力の増加に加えて、杭の周面の表面積をも大きくすることで、杭周面から摩擦力により地盤に伝わる力の増大をも図ったものである。
しかしながら、上記の各構造では、杭の周面と地盤との間の力の伝達は、摩擦力により伝達され、その力が小さいため、大きな支持力が得られないという難点があった。
【０００５】
杭周面から地盤に伝わる力の増大を図った方法としては、支圧用の突起が鋼管杭の先端に溶接されたもの（特公平１−２５８４８号公報、実開平２−５０４２９号公報）等が考案されているが、いずれも複雑な鋼材の加工や溶接作業を必要とするため、コストがかかるという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の既存の支持杭の先端構造の難点を解決でき、地盤の支持層に埋設される支持杭周面から地盤に伝達される力を増大させることで、大きな支持力を発揮させることができる、支持杭の埋設施工方法と、支持杭を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の要旨は、下記（１）〜（４）に示す通りである。
（１） 埋め込み杭工法またはソイルセメント工法により、地盤中に鋼管製支持杭を埋設施工する際に、予め、地盤の支持層に埋没させるスリットの無い鋼管製支持杭の先端部領域の所定の部分を、該鋼管製支持杭内部に拡径ブロックを有する複数の油圧シリンダーが該鋼管製支持杭の径方向に配置され且つ進退機構を備えた拡径装置を挿入し、内部から局部拡径して外周に突起部または拡径部と突起部を形成しておき、この支持杭を立孔に挿入して前記先端部領域を地盤の支持層の根固め部に埋没させ、根固め部に注入の根固め液を固化させて地盤の支持層に固定することを特徴とする鋼管製支持杭の埋設施工方法。
【０００８】
（２） 前記根固め部に注入の根固め液を固化させて地盤の支持層に固定するとともに、この支持杭の内部にコンクリートなどの充填固化材を充填して固化させることを特徴とする前記（１）記載の鋼管製支持杭の埋設施工方法。
（３） 前記鋼管製支持杭を内部から局部拡径の後、該鋼管製支持杭の内部にコンクリートを内張りまたは充填し、その後、該支持杭を立孔に挿入することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の鋼管製支持杭の埋設施工方法。
（４） 前記鋼管製支持杭が、内面と外面のいずれか一方または双方にスパイラル状または横縞状の突条を有することを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の鋼管製支持杭の埋設施工方法。
管製支持杭。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、埋め込み杭工法またはソイルセメント工法により、支持杭の先端部を地盤の支持層に埋設施工する場合に適用される鋼管製支持杭の埋設施工方法である。
【００１０】
本発明では、埋め込み杭工法またはソイルセメント工法により、支持杭の先端部を地盤の支持層に埋設施工する場合に、予め、支持層に埋設する支持杭の先端部領域の外周に突起部または拡径部を形成しておき、この支持杭を立孔に挿入して、該先端部領域を地盤の支持層の根固め部に埋没させ、根固め部に注入の根固液を固化させて固定するものであり、主として支持杭の軸方向の荷重に対して周面摩擦力を増大させることにより、杭周面からの反力を増大させ、先端部の反力と合わせて全体として支持層での地盤の生じる圧力球根を大きくして、支持杭による支持力を強化するものである。
【００１１】
本発明で用いる支持杭は鋼管製支持杭であり、地盤の支持層に埋設する支持杭の先端部領域の外周に形成する突起部または拡径部を有するものである。
【００１２】
（１）突起部
突起部としては、周方向に連続する一条または複数条の断面が半円状のリング状の突条（節形状の突起部）や螺旋状の突条、周方向に不連続的にして配設される複数条の断面半円状の突条、あるいは、独立して配設される複数の半球状の突起等を用いることができる。
【００１３】
この突起部の形成方法としては、鋼管製支持杭の場合では、内部に拡径機構を挿入・配置し、所定部分を拡径する方法を用いることができる。この突起部の高さは外径の５％以上にすることが好ましい。ただし、突起部の高さが高すぎると、支持杭を埋設するための孔径を大きくする必要があり、孔の掘削コスト負担が大きくなる。
また、突起部は内部から拡径して形成されるため、突起部の厚みがそれだけ薄くなり強度が低下する。
【００１４】
これらのことも考慮すると、この突起部の高さは、最大でも支持杭の外径の３５％程度に押さえることが好ましい。
突起部は、拡径して形成する場合に厚みが薄くなり強度が低下するので、少なくともこの突起部を形成した先端部領域の内部に、コンクリートを内張り、または充填・固化させて補強することが有効である。
【００１５】
（２）拡径部
拡径部は、地盤支持層に埋設する支持杭の先端部領域に形成するものであり、この拡径部は、地盤支持層にすっぽり埋没させるものであり、その外径を上部領域の支持杭の外径より大きくして、先端部領域で軸方向の荷重に対する支圧力を強化するものである。この拡径部には、突起部を形成して、拡径部効果と突起部効果を同時に得ることが有効である。
【００１６】
この拡径部の形成方法としては、先端部領域とその上部領域を径の異なる鋼管で構成し、先端部領域の鋼管の径を上部領域の鋼管の径より大きい径にし、この上下の鋼管をリング状の円板を介して、または上部領域の鋼管の下部を拡管して、溶接により接続して先端部領域に拡径部を形成することができる。または、鋼管製支持杭の先端部領域を内部から拡径することによっても拡径部を形成することができる。
【００１７】
この鋼管製支持杭の先端部領域の拡径部に突起部を形成する場合、先端部領域を構成する鋼管として予め突起を形成した鋼管（例えば縞鋼板を曲げ加工して溶接した鋼管）を用いたり、先端部領域を内部から局部的に拡径することによって、突起を形成することができる。
なお、鋼管製支持杭として、内面と外面のいずれか一方または双方にスパイラル状または横縞状の突起を有するものを用いてもよく、この支持杭の先端部領域に上記の拡径部形成方法を選択して、先端部領域に拡径部と突起部を形成してもよい。
【００１８】
本発明では、突起部を形成した杭の先端部領域を地盤の支持層へ埋設することにより、突起部が支持層を押すため、杭先端と同様に支圧力による伝達が行われるため、杭周面より地盤に伝達される力が増大して、杭の支持力を向上させることができる。このことを発明者らは、有限要素法による数値解析により確認した。
【００１９】
鋼管製支持杭の場合では、予め鋼管杭内に強度などについて品質管理された円筒型のコンクリート等の固化体を内張りしたり、固化体を充填することにより、鋼管のみの場合のような杭体の耐力低下を確実に防ぐことができる。
鋼管製支持杭単独の場合には、一般に、突起部を有する鋼管の軸方向耐力は、突起部のない鋼管に比べて小さいが、鋼管内部にも充満する根固め液が固結することで、耐力低下が押さえられる。
さらに、地盤の支持層に埋設される先端部領域の外径を、その上部領域の外径より大きくすることによっても、支持杭先端の支持力を向上することができ、この拡径部に突起部を形成することによって、支持杭先端の支持力を一段と向上させることができる。
【００２０】
上記した本発明による支持杭は、埋め込み杭工法の他、ソイルセメント工法において建て込む支持杭としても適用することができる。
また、内面と外面のいずれか一方または双方にスパイラル状または横縞状の突起を有するものを用いれば、鋼管表面の摩擦による力の伝達をも向上させることができ、地盤の支持層に埋設される先端部領域を拡径させれば、支持杭先端の支持力を一段と向上させることもできる。
【００２１】
【実施例】
本発明による支持杭の実施例について、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明による鋼管製支持杭の先端部構造例を示したものである。この例での鋼管製支持杭１６は、地盤の支持層に形成した根固め部２に埋没される先端部領域の外周に、周方向に連続する断面半円径形のリング状の突起部１７を軸方向に４列配設したものである。
【００２２】
図２は、本発明による鋼管製支持杭の先端部構造例を示したものである。この例での鋼管製支持杭１８は、地盤の支持層に形成される根固め部２に埋没される先端部領域の外周に、周方向に不連続の独立した半球状の多数の突起部１９を千鳥状に配設したものである。
【００２３】
図３は、本発明による鋼管製支持杭の先端部構造例を示したものである。この例での鋼管製支持杭２０は、地盤の支持層に形成した根固め部２に埋没される先端部領域の外周に、周方向に連続する断面半円径形のリング状の突起部２１を軸方向に４列配設し、内部にコンクリート２２を充填したものである。
【００２４】
図４は、本発明による鋼管製支持杭の他の先端部構造例を示したものである。この例での鋼管製支持杭２３は、地盤の支持層に形成する根固め部２に埋没される先端部領域に拡径部２４を形成し、その外周に、周方向に連続する断面半円径形のリング状の突起部２５を軸方向に４列配設し、内部にコンクリート２６を内張したものである。
【００２５】
なお、本発明の支持杭は、上記の各例に限定されるものではない。この支持杭の構造条件は、地盤条件、支持構造物条件、荷重条件、要求される支持圧条件、埋設施工条件等に応じて、上記請求項を満足する範囲内で適宜変更し得るものである。
【００２６】
前記図１〜図４に示した鋼管製支持杭１６、１８、２０、２３の突起部および拡径部は、例えば図５に示すように、鋼管２７内に挿入して鋼管を拡径する拡径機構２８と、この拡径機構の進退機構２９を備えた拡径装置３０によって形成することができる。
【００２７】
この拡径装置３０の拡径機構２８は、より具体的には、図６および図７に示すように、油圧室３１と受圧板３２よりなる放射状に配置された、６つのシリンダー３３ａ〜３３ｆと、各シリンダーの受圧板３２に連結されたロッド３４の先端部にそれぞれ連結された６つの拡径ブロック３５ａ〜３５ｆからなり、油圧室３１にホース３６を介して油を圧送することにより、受圧板３２を半径方向に押し出し、受圧板３２に連結されたロッド３４を介して各拡径ブロック３５ａ〜３５ｆを半径方向に移動させることによって、その外径を拡径することができる。
【００２８】
この６つの拡径ブロック３５ａ〜３５ｆの拡径によって、鋼管２７の内面に強力な拡径力を作用させ、鋼管２７を局部拡径することができ、進退機構２９により拡径領域（位置）を調整することができる。
拡径機構２８による拡径部の形状は、拡径ブロック３５ａ〜３５ｆの外面形状によって決まる。この例では、拡径ブロック３５ａ〜３５ｆの外面形状は、形成する突起部や拡径部条件に応じて選択すればよい。
【００２９】
ここでは、図１に示すような、周方向に連続する断面半円形のリング状の突起部（突条）１７を形成できる形状になっており、図１に示すように軸方向に４列形成する場合には、ここでは進退機構２９で拡径機構２８の軸方向の位置を変えて、４回の拡径動作を行えばよい。
なお、拡径ブロック３５ａ〜３５ｆを鋼管の軸方向に２列〜３列配置することによって、拡径機構による拡径動作の回数を減らすことができる。
【００３０】
本発明による支持杭の埋設施工方法（手順）を、埋め込み杭工法を適用する場合を例として、図８の（１）〜（５）に基づき説明する。
この例は、地盤の支持層に形成する根固め部に埋没させる先端部領域を拡径し、この拡径部２４の外周に、周方向に連続する断面半円径形のリング状の突起部２５を軸方向に４列配設した、前記図４に示す内部にコンクリートを内張２６した鋼管製支持杭２３を使用した例で示している。
【００３１】
（１）地盤ａに掘削装置３７で孔３８を穿孔する。
（２）大掘削装置３９でこの孔３８を拡大しながら地盤ａの支持層ａｓに、この拡大孔４０より大径の根固め部２を形成する。
（３）拡大孔４０に根固め液４１、周囲固め液４２を注入する。
（４）拡大孔４０に支持杭２３を挿入する。
（５）拡径部２４と突起部２５を形成した支持杭２３の先端部領域を、根固め部２の根固め液４１中に埋没するように位置させ、周囲固め液４２、根固め液４１を養生・固化させる。
【００３２】
このようにして、図８に示すように、鋼管製支持杭２３の先端部領域に形成した、外周に突起２５を形成した拡径部２４を、地盤の支持層ａｓに形成した根固め部２に埋没させ、固化した根固め液４１を介して固定することができ、拡径部２４と突起２５の効果で、この鋼管製支持杭２３における支持力を強化することができる。
なお、ここでは予めコンクリートを内張（２６）した鋼管製支持杭２３を用いたが、鋼管製単独の支持杭であっても同様にして埋設施工することができる。
【００３３】
上記の埋設施工方法は、埋め込み杭工法について説明したが、ソイルセメント工法を用いて、支持杭の先端部領域を、根固め部において根固め液で固化して固定する埋設施工方法での適用も可能である。
なお、本発明の埋設施工方法は、上記の例に限定されるものではない。使用する支持杭の構造条件、施工手順等は、地盤条件、支持構造物条件、荷重条件、要求される支持圧条件、埋設施工条件等に応じて、上記請求項を満足する範囲内で適宜変更し得るものである。
【００３４】
［実験例］
本発明による支持杭例での支持力について、数値解析に基づいて評価実験を行った。
この評価実験で用いられた鋼管製支持杭例を図１０に縦断面図で示し、その評価結果を図１１に示した。この評価実験では、先端から２０００mmを地盤の支持層に埋設する先端部領域として、この領域での形状条件の異なる４種の鋼管製支持杭を用いた。
【００３５】
図１０において、（ａ）は８００mm径を有する杭例を示す。（ｂ）には、８００mm径で、先端部のみを１０００mmに拡径した断面台形のリング状の突起部を一つ有する杭例を示す。（ｃ）は、８００mm径で、支持層に埋設する先端部領域を全長さにわたり、１０００mmに拡径した杭例を示す。（ｄ）は本発明の杭例であり、８００mm径で、支持層に埋設する先端部領域に、１０００mmに拡径し断面台形のリング状の突起部を４個形成した杭例を示す先端構造を示す。
図１１は、上記の４つの先端部形状（寸法）の異なる杭の評価結果を示したものであり、ここでは、杭に加わる垂直荷重と、杭の沈下変位の関係を有限要素モデルを用いて解析した結果で評価する。
【００３６】
各杭における荷重と沈下変位の関係について、以下に簡単に説明する。
８００mm径で、先端部のみを１０００mmに拡径した突起部を一つ有する図１０（ｂ）の杭の場合（ｂ）や、支持層に埋設する先端部領域を全長さにわたり１０００mmに拡径した図１０（ｃ）の杭の場合（ｃ）は、８００mm径を有する図１０（ａ）の杭の場合（ａ）よりも同じ荷重を載荷したときの沈下変位が小さく、杭としての支持力機能が優れていることがわかる。
【００３７】
しかし、さらに８００mm径で、支持層に埋設する先端部領域に、１０００mmに拡径した断面台形のリング状の突起部を４個形成した図１０（ｄ）の本発明の杭の場合（ｄ）は、８００mm径で先端部を１０００mmに拡径し断面台形のリング状の突起部を一つ形成した図１０（ｂ）の杭の場合（ｂ）や、支持層に埋設する先端部領域の全長さ１０００mmを拡径した図１０（ｃ）の杭の場合（ｃ）よりも同じ荷重を載荷したときの沈下変位が明らかに小さく、杭としての支持力機能が最も優れていることがわかった。
【００３８】
なお、図１０（ｃ）の支持杭の場合で、拡径部を支持層に形成した根固め部内に完全に埋没させ、根固め液で固定した場合には、段差効果により支持力機能を向上させることができることがわかった。したがって、図１０（ｃ）の支持杭で、本発明を適用して拡径部の外周に突起部を形成して、支持層に形成した根固め部内に完全に埋没させれば、図１０（ｃ）の支持杭よりさらに支持力機能を向上させることができることもわかった。
【００３９】
鋼管製支持杭の単独の場合では、強度面では同様とはいえない場合もあるが、同様の形状のものは、拡径部を支持層に形成した根固め部内に完全に埋没させ、根固め液で固定することを条件とすれば、支持力は同様に評価できることも別途確認されている。
【００４０】
【発明の効果】
本発明では、埋め込み杭工法またはソイルセメント工法により、地盤の支持層に埋設施工する場合に、支持層に埋設する支持杭の先端部領域に突起部や拡径部を形成するものであり、杭先端部の周面部の支圧力を増大させることにより、従来の先端部の杭周面部に突起部のない杭に比較し、杭先端部の圧力球根を増大させることができ、次のような優れた効果を得ることができる。
【００４１】
杭先端部領域の外径を実質的に拡大させることができるので、大きな鉛直支持力を得ることができる。そのため、一本当たりの鉛直支持力を増大させることができるので、
ａ．杭体材料強度を限界一杯まで使用できる経済設計ができる、
ｂ．杭体に高強度材が使用できるので、杭体の材料費を低減できる、
ｃ．杭体の施工本数を削減できるので、施工費を低減できる、
など杭体施工工事を大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の鋼管製支持杭の先端部領域の構造例を示す一部断面側面説明図。
【図２】 本発明の鋼管製支持杭の先端部領域の他の構造例を示す一部断面側面説明図。
【図３】 本発明の鋼管製支持杭の先端部領域の他の構造例を示す一部断面側面説明図。
【図４】 本発明の鋼管製支持杭の先端部領域の他の構造例を示す一部断面側面説明図。
【図５】 本発明で鋼管製支持杭の先端部領域に拡径部や突起部を形成するために用いる拡径装置の一部断面側面説明図。
【図６】 図７における拡径機構の構造例を示す一部断面側面説明図。
【図７】 図８のＡａ−Ａｂ矢視一部切欠断面説明図。
【図８】 本発明による支持杭の埋設施工例（手順例）を示す側断面説明図。
【図９】 図８における支持杭の先端部領域の拡大説明図。
【図１０】 本発明の実験例で用いた支持杭の先端部領域の形状例を示す側断面説明図。
【図１１】 図１０に示した各支持杭における荷重と沈下量との関係を、有限要素モデルを用いて解析した結果を示す説明図。
【符号の説明】
２：根固め部 ａ：地盤
ａｓ：支持層 １６：鋼管製支持杭
１７：突起部（突条） １８：鋼管製支持杭
１９：突起部 ２０：鋼管製支持杭
２１：突起部（突条） ２２：コンクリート
２３：鋼管製支持杭 ２４：拡径部
２５：突起部（突条） ２６：コンクリート
２７：鋼管 ２８：拡径機構
２９：退機構 ３０：拡径装置
３１：油圧室 ３２：受圧板
３３ａ〜３３ｆ：油圧シリンダー ３４：ロッド
３５ａ〜３５ｆ：拡径ブロック ３６：油圧ホース
３７：掘削装置 ３８：孔
３９：大掘削装置 ４０：拡大孔
４１：根固め液 ４２：周囲固め液

Claims (4)

1. 埋め込み杭工法またはソイルセメント工法により、地盤中に鋼管製支持杭を埋設施工する際に、予め、地盤の支持層に埋没させるスリットの無い鋼管製支持杭の先端部領域の所定の部分を、該鋼管製支持杭内部に拡径ブロックを有する複数の油圧シリンダーが該鋼管製支持杭の径方向に配置され且つ進退機構を備えた拡径装置を挿入し、内部から局部拡径して外周に突起部または拡径部と突起部を形成しておき、この支持杭を立孔に挿入して前記先端部領域を地盤の支持層の根固め部に埋没させ、根固め部に注入の根固め液を固化させて地盤の支持層に固定することを特徴とする鋼管製支持杭の埋設施工方法。
2. 前記根固め部に注入の根固め液を固化させて地盤の支持層に固定するとともに、この支持杭の内部にコンクリートなどの充填固化材を充填して固化させることを特徴とする請求項１記載の鋼管製支持杭の埋設施工方法。
3. 前記鋼管製支持杭を内部から局部拡径の後、該鋼管製支持杭の内部にコンクリートを内張りまたは充填し、その後、該支持杭を立孔に挿入することを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管製支持杭の埋設施工方法。
4. 前記鋼管製支持杭が、内面と外面のいずれか一方または双方にスパイラル状または横縞状の突条を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼管製支持杭の埋設施工方法。

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