JP6569171B2

JP6569171B2 - 螺旋状杭

Info

Publication number: JP6569171B2
Application number: JP2014182258A
Authority: JP
Inventors: 永田　誠; 誠永田; 橋本　徹; 徹橋本; 貴大黒川
Original assignee: Hinode Ltd
Current assignee: Hinode Ltd
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2034-09-08
Also published as: JP2016056546A

Description

本発明は、螺旋状杭に関する。

土木や建築の分野では、構造物や工作物を支える基礎の構築が行われる。構造物や工作物を支える基礎としては、例えば、コンクリートを打設して構築するものや、杭を地盤に貫入して構築するものがある。コンクリートを打設する場合、掘削残土が発生し、コンクリートを打設した後の養生にも時間を要するため、施工を開始してから供用開始に至るまでに時間がかかる。そこで、近年では、掘削残土の抑制や、施工時間の短縮、早期の供用開始が可能な杭が注目され、各種の改良を施したものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特許第５４３７９４４号公報

構造物や工作物を支える杭の一種に、螺旋状の杭がある。螺旋状の杭には、各種のものが提案されているが、例えば、帯状の鋼板をねじって製作した平鋼ねじり杭の場合、杭に作用する軸方向の力が杭の中心軸に集中することから応力の最大値を低減するため全体の厚さが厚い平鋼を使用する必要があるので、より大きな構造物や工作物に使用するためには重量が大きくなり、材料のコストも高くなっていた。また、平鋼ねじり杭を製造する際のねじり工程も平鋼全体の厚さが厚くなれば、作業効率が悪くなり高コストとなる。

そこで、本願は、杭の中心軸周りに発生する応力の集中を緩和し、強度を改善することにより、より大きな構造物や工作物に適用でき、同じ強度であれば低コストで軽量化された螺旋状杭を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明では、中心軸の両側へ対称に突出形成される螺旋部分の肉厚を、螺旋部分の外縁から中心軸へ向けて漸次厚くし、杭の中心軸と直交する断面の応力分布の均等化を図ることにより、中心軸の発生応力を緩和することにした。

詳細には、螺旋状の杭であって、前記杭の中心軸と直交する断面において前記中心軸の両側へ対称に突出形成される螺旋部分を有しており、前記断面における前記螺旋部分の肉厚が前記螺旋部分の外縁から前記中心軸へ向けて漸次厚くなるように形成される螺旋状杭。

ここで、杭の中心軸とは、杭の貫入方向に延在する杭の中心部分であり、杭の芯に相当する部位である。また、「漸次」には「しだいに」或いは「だんだん」との意が含まれるが、本願において「漸次」とは、厚みや径等の寸法の変化率が一定の態様に限定されるものでなく、寸法の変化率が増減しながら寸法が増減する態様を含む概念である。よって、例えば、肉厚が螺旋部分の外縁から中心軸へ向けて漸次厚くなるように形成される、との記載には、肉厚が一定の増加率で漸次厚くなることにより断面視略ひし形の形状を呈するもののみならず、肉厚の増加率を徐々に低下させながら漸次厚くなることにより断面視略楕円形の形状を呈するものが含まれる。

上記螺旋状杭では、螺旋状杭が支える軸方向の力を螺旋状杭の中心部において長手方向に延在する中心軸が主に支える。前記螺旋状杭は、螺旋部分の肉厚を外縁から中心軸に向けて漸次厚くした結果、杭の中心軸に発生する応力の集中が緩和され、杭の中心軸と直交する断面の応力分布の均等化が図られることにより、強度が改善されることになる。

なお、上記螺旋状杭は、地盤への貫入方向に向けて全体または一部が漸次縮径していてもよい。このような螺旋状杭であれば、応力分布の均等化により応力の集中を緩和し、強度の改善が図られる他、貫入開始時における螺旋状杭のスムーズな地盤への貫入を実現することができる。

また、上記螺旋状杭は、地盤への貫入方向に向けて前記螺旋部分の肉厚が漸次薄く形成されていてもよい。このような螺旋状杭であれば、応力分布の均等化により応力の集中を緩和し、強度の改善が図られる他、貫入開始時における螺旋状杭のスムーズな地盤への貫入を実現することができ、軸力に対して高い支持力を発揮する。

また、上記螺旋状杭は、地盤への貫入方向に向けて全体または一部が漸次拡径していてもよい。このような螺旋状杭であれば、応力分布の均等化により応力の集中を緩和し、強度の改善が図られる他、地盤への貫入方向に向けて漸次拡径しているので地盤の深い部分における螺旋部分の引き抜き抵抗力が増し、螺旋状杭を地盤に強固に固定することができる。

また、上記螺旋状杭は、地盤への貫入方向に向けて漸次縮径している部分と漸次拡径している部分を一箇所または複数箇所備えていてもよい。このような螺旋状杭であれば、応力分布の均等化により応力の集中を緩和し、強度の改善が図られる他、地盤への貫入方向に向けて漸次縮径している箇所では軸力に対して高い支持力を発揮するうえ、地盤への貫入方向に向けて漸次拡径している箇所では引き抜き抵抗力が増し、杭全体として軸力に対する高い支持力と引き抜き抵抗力を発揮することができる。

上記螺旋状杭であれば、杭の中心軸に加わる応力の集中が緩和され、杭の中心軸と直交する断面の応力分布の均等化および最大応力低減が図られるので、強度が改善される。このため、従来の平鋼ねじり杭と比べると、同じ断面積の場合、より大きな構造物や工作物を支えることができ、同じ強度の場合、軽量で低コストとなる。また、鋳造により成形した場合、ねじり工程が不要となるため、更に低コストを実現できる。

図１は、実施形態に係る螺旋状杭を示した図である。図２は、実施形態に係る螺旋状杭を、図１の符号Ａ−Ａが示す線に沿って切断した場合の断面図である。図３は、螺旋状杭に発生する応力分布のシミュレーション結果の一例を示した図である。図４は、螺旋状杭の各部に発生する応力をプロットしたグラフである。図５は、第１変形例に係る螺旋状杭を示した図である。図６は、第４変形例に係る螺旋状杭を示した図である。

以下、本願発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本願発明の一態様であり、本願発明の技術的範囲を限定するものではない。

＜実施形態＞
図１は、実施形態に係る螺旋状杭を示した図である。また、図２は、実施形態に係る螺旋状杭１を、図１の符号Ａ−Ａが示す線に沿って切断した場合の断面図である。本実施形態に係る螺旋状杭１は、杭の中心軸２と直交する断面において中心軸２の両側へ対称に突出形成される螺旋部分３ａ，３ｂを有しており、当該断面における螺旋部分３ａ，３ｂの肉厚が螺旋部分３ａ，３ｂの外縁４ａ，４ｂから中心軸２へ向けて漸次厚くなるように形成されている。このため、螺旋状杭１の中心軸２と直交する断面形状は、図２に示されるように略ひし形になっており、ひし形の２本の対角線の交点に相当する部位に中心軸２が位置し、ひし形が有する２本の対角線のうち長い方の対角線に沿って突出するように螺旋部分３ａ，３ｂが形成されていることになる。また、ひし形を構成する４つの辺が、螺旋部分３ａ，３ｂの主要な表面である螺旋面５ａ１，５ａ２，５ｂ１，５ｂ２に相当する部位となる。なお、螺旋状杭１は、螺旋部分３ａ，３ｂの外縁４ａ，４ｂから中心軸２へ向けて漸次厚くなるように形成されていればよく、断面視略ひし形のものに限定されない。螺旋状杭１は、例えば、断面視略楕円形のものやその他各種の断面形状のものであってもよい。

螺旋状杭１は、土木分野の工作物である歩道橋、道路標識等の設置に用いられるＦ型柱、小型標識、カーブミラー、防護柵、車止め、遊具等の各種工作物や、建築分野の構造物であるアパート、倉庫、太陽光パネル、戸建住宅、小規模店舗、プレハブ等の各種構造物の基礎に適用可能である。また、螺旋状杭１は、砂質土と粘性土とを問わず貫入可能であり、軟弱な地盤でも適用可能である。螺旋状杭１は、各種の地盤に貫入され、各種工作物や構造物の基礎に適用された場合、支持力を発揮するとともに、強風や地震発生時にも耐えうる引き抜き抵抗力を発揮する。

螺旋状杭１は、例えば、鋳造によって製作されるのが好適であるが、その他の各種技術を用いて製作されてもよい。螺旋状杭１を鋳造で製作すれば、製作過程における残留応力や残留歪みが発生せず、帯状の鋼板をねじって製作する場合に比べて、螺旋部分３ａ，３ｂのねじれ度合が長手方向に均一な高精度の螺旋状杭１を製作工程にねじり工程の作業がないため低コストで製作することができる。

＜シミュレーション結果＞
上記実施形態に係る螺旋状杭１の効果をシミュレーションで検証したので、その結果を以下に示す。

図３は、下面を全拘束し軸方向の荷重をかけた際に螺旋状杭に発生する応力分布のシミュレーション結果の一例を示した図である。図３において「実施例１」から「実施例４」までに示すシミュレーションモデルが上記実施形態に係る螺旋状杭１に相当し、図３において「比較例」に示すシミュレーションモデルが帯状の鋼板をねじって製作した従来の平鋼ねじり杭に相当する。図３に示される応力分布のシミュレーション結果から明らかなように、中心軸と直交する断面における螺旋部分の肉厚が、螺旋部分の外縁から中心軸へ向けて漸次厚くなるように形成されている「実施例１」から「実施例４」までの各モデルの応力分布は、螺旋部分の外縁から中心軸までの肉厚が一定である「比較例」の応力分布に比べて、応力分布の均等化が図られており、また、杭の中心軸に加わる応力の集中が緩和されていることが判る。また、「実施例１」から「実施例４」までの各モデルの応力分布を比較すると判るように、中心軸付近の肉厚が厚くなるに従って応力分布の均等化が図られており、中心軸付近の肉厚が極めて厚い「実施例３」や「実施例４」は特に応力分布の均等化が著しいことが判る。

図４は、螺旋状杭の各部に発生する応力をプロットしたグラフである。図４のグラフは、図３において破線で示した部分に発生している応力をプロットしたグラフであり、横軸
が測点の位置を示し、縦軸が応力の大きさを示している。図４のグラフから明らかなように、応力分布が最も均等化しているのは「実施例４」であり、中心軸付近の肉厚が薄くなるにつれて応力分布のばらつきが増大していき、「比較例」に至っては「実施例４」に発生する最大応力の３倍近い応力が発生していることが判る。「比較例」と断面積を同じくした「実施例１」においても、図４から「比較例」の最大応力に比べ最大応力が低減されていることが判る。

これらのシミュレーション結果より、上記実施形態に係る螺旋状杭１は、帯状の鋼板をねじって製作した従来の平鋼ねじり杭よりも応力分布の均等化により応力の集中を緩和することにより強度が改善されることが判る。

＜第１変形例＞
なお、上記実施形態に係る螺旋状杭１は、地盤への貫入方向に向けて全体または一部が漸次縮径していてもよい。図５は、本第１変形例に係る螺旋状杭を示した図である。本第１変形例の螺旋状杭１１は、地盤への貫入方向に向けて漸次縮径している他は、上記実施形態に係る螺旋状杭１と同様、杭の中心軸１２と直交する断面において中心軸１２の両側へ対称に突出形成される螺旋部分１３ａ，１３ｂを有しており、当該断面における螺旋部分１３ａ，１３ｂの肉厚が螺旋部分１３ａ，１３ｂの外縁１４ａ，１４ｂから中心軸１２へ向けて漸次厚くなるように形成されている。そして、上記実施形態に係る螺旋状杭１が上端から下端へ至るまで径で一定なのに対し、本第１変形例の螺旋状杭１１は、地盤への貫入方向に向けて漸次縮径しているため、螺旋状杭１１の中心軸１２も地盤への貫入方向に向けて漸次縮径しており、中心軸１２の下端の径が細くなっている。なお、螺旋状杭１１の長手方向における螺旋の間隔（ピッチ）は上端から下端へ至るまで一定なので、図５を見ると判るように、外縁１４ａ，１４ｂ部分の傾斜角が上端から下端へ至るに従い漸次増大している。

本第１変形例に係る螺旋状杭１１であれば、上記実施形態に係る螺旋状杭１と同様に応力分布の均等化により応力の集中を緩和し、強度の改善が図られる他、地盤への貫入方向に向けて漸次縮径しているので貫入開始時に螺旋状杭１１を比較的スムーズに地盤へ貫入させることができ、貫入完了後は下端側よりも拡径の上端側が地盤に貫入していることにより螺旋状杭１１が地盤に強固に固定された状態となる。

＜第２変形例＞
ところで、上記実施形態に係る螺旋状杭１は、地盤への貫入方向に向けて全体または一部が漸次拡径していてもよい。本第２変形例に係る螺旋状杭は、図５に示す第１変形例の螺旋状杭１１を上下反転させたものに相当するものであり、地盤への貫入方向に向けて漸次拡径している他は、上記実施形態に係る螺旋状杭１と同様、杭の中心軸と直交する断面において中心軸の両側へ対称に突出形成される螺旋部分を有しており、当該断面における螺旋部分の肉厚が螺旋部分の外縁から中心軸へ向けて漸次厚くなるように形成される。

本第２変形例に係る螺旋状杭であれば、上記実施形態に係る螺旋状杭１と同様に応力分布の均等化により応力の集中を緩和し、強度の改善が図られる他、地盤への貫入方向に向けて漸次拡径しているので地盤の深い部分における螺旋部分の引き抜き抵抗力が増し、螺旋状杭を地盤に強固に固定することができる。

＜第３変形例＞
また、上記実施形態に係る螺旋状杭１は、地盤への貫入方向に向けて螺旋部分３ａ，３ｂの肉厚が漸次薄く形成されていてもよい。本第３変形例に係る螺旋状杭は、図１に示した実施形態の螺旋状杭１と基本的に同様の外観を呈するので、上記実施形態に係る螺旋状杭１と同様に応力分布の均等化により応力の集中が緩和し、強度の改善が図られる他、地
盤への貫入方向に向けて螺旋部分の肉厚が漸次薄く形成されているので貫入開始時に螺旋状杭を比較的スムーズに地盤へ貫入させることができ、貫入完了後は下端側よりも厚肉な上端側の螺旋部分が地盤に貫入していることにより、螺旋状杭が地盤に強固に固定された状態となる。

＜第４変形例＞
また、上記実施形態に係る螺旋状杭１は、地盤への貫入方向に向けて漸次縮径している部分と漸次拡径している部分を一箇所または複数箇所備えていてもよい。図６は、本第４変形例に係る螺旋状杭を示した図である。本第４変形例に係る螺旋状杭１１’は、地盤への貫入方向に向けて漸次縮径している部分と漸次拡径している部分を一箇所または複数箇所備えたものであり、図５に示す第１変形例に係る螺旋状杭１１と、第１変形例に係る螺旋状杭１１を上下反転させたものを組み合わせるように形成される。よって、本第４変形例に係る螺旋状杭１１’は、上記実施形態や各変形例と同様に、螺旋部分１３ａ’，１３ｂ’の肉厚が螺旋部分１３ａ’，１３ｂ’の外縁１４ａ’，１４ｂ’から中心軸１２’へ向けて漸次厚くなるように形成されている。そして、本第４変形例に係る螺旋状杭１１’は、図６の一点鎖線を見ると明らかなように、下側へ向けて漸次縮径している部分Ｓと、下側へ向けて漸次拡径している部分Ｋとを備えている。本第４変形例に係る螺旋状杭１１’であれば、杭の中心軸１２’に加わる応力の集中が緩和され、杭の中心軸１２’と直行する断面の応力分布の均等化および最大応力低減が図られる他、下側へ向けて漸次縮径している部分Ｓでは軸力に対して高い支持力が発揮され、下側へ向けて漸次拡径している部分Ｋでは引き抜き抵抗力が増すので、杭全体として軸力に対する高い支持力と引き抜き抵抗力が発揮される。

１，１１，１１’・・螺旋状杭
２，１２，１２’・・中心軸
３ａ，３ｂ，１３ａ，１３ｂ，１３ａ’，１３ｂ’・・螺旋部分
４ａ，４ｂ，１４ａ，１４ｂ，１４ａ’，１４ｂ’・・外縁
５ａ１，５ａ２，５ｂ１，５ｂ２・・螺旋面

Claims

鋳造により成形された螺旋状の杭であって、前記杭の中心軸と直交する断面において前記中心軸の両側へ対称に２方向のみへ突出形成される螺旋部分を有しており、前記断面における前記螺旋部分の肉厚が前記螺旋部分の外縁から前記中心軸へ向けて漸次厚くなる断面視略ひし形の断面形状を呈し、ひし形を構成する４つの辺が、前記螺旋部分の主要な表面である螺旋面に相当する部位となるように形成されており、地盤への貫入方向における螺旋の間隔は一定であり、且つ、地盤への貫入方向に向けて全体または一部が、漸次縮径しているとともに前記螺旋部分の肉厚が漸次薄く形成されていることにより、前記螺旋面の上面に地盤が位置することによる引き抜き抵抗力を発揮する螺旋状杭。
鋳造により成形された螺旋状の杭であって、前記杭の中心軸と直交する断面において前記中心軸の両側へ対称に２方向のみへ突出形成される螺旋部分を有しており、前記断面における前記螺旋部分の肉厚が前記螺旋部分の外縁から前記中心軸へ向けて漸次厚くなる断面視略ひし形の断面形状を呈し、ひし形を構成する４つの辺が、前記螺旋部分の主要な表面である螺旋面に相当する部位となるように形成されており、地盤への貫入方向における螺旋の間隔は一定であり、且つ、地盤への貫入方向に向けて全体または一部が、漸次拡径しているとともに前記螺旋部分の肉厚が漸次薄く形成されていることにより、前記螺旋面の上面に地盤が位置することによる引き抜き抵抗力を発揮する螺旋状杭。