先端開放型既製杭及びそれに使用される掘削ヘッド
【課題】先端開放型既製杭において、地質に関係なく地表面からの貫入性を高め、貫入後の安定性を高める。
【解決手段】先端開放型既製杭１において、杭本体２の先端部の外周面に、杭本体２の材軸に対して傾斜した１本、もしくは複数本のブレード３を突設し、ブレード３の先端部３ａを杭本体２の外周面と内周面に跨って杭本体２の先端位置から掘進側へ突出させ、ブレード３をその先端部３ａから杭本体２の外周面まで螺旋状に連続させる。
【解決手段】先端開放型既製杭１において、杭本体２の先端部の外周面に、杭本体２の材軸に対して傾斜した１本、もしくは複数本のブレード３を突設し、ブレード３の先端部３ａを杭本体２の外周面と内周面に跨って杭本体２の先端位置から掘進側へ突出させ、ブレード３をその先端部３ａから杭本体２の外周面まで螺旋状に連続させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は排土量が少なく、地質に関係なく地表面からの貫入性がよい先端開放型既製杭、及びそれに使用される掘削ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば埋立地や盛土した地盤のような支持力の小さい地盤上に、木造住宅等のような中低層建物等の構造物を構築する場合、構造物の不同沈下を防止する上で、基礎の下に支持層に到達する杭、または地中で地盤との摩擦力により支持力を得る杭を打設、もしくは圧入する、または構築する必要がある。
【０００３】
杭として既製杭が使用される場合、杭は振動や騒音等の近隣地域への影響を低減する観点から、回転圧入により地中に挿入されることが多い。また掘進に伴う排土量を抑制する上では、先端開放型の杭の使用が適するが、回転による圧入を助けるために、杭の先端にスパイラル状の羽根や翼が固定されることもある（特許文献１〜５参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２４７１８３号公報（図１、図６〜図９）
【特許文献２】特開２００１−７３３６５号公報（図１、図２、図４、図５）
【特許文献３】特開平１１−９３１６３号公報（図２、図３）
【特許文献４】特開２００５−４２４５７号公報（図１、図２、図６）
【特許文献５】特開平９−１５１４５６号公報（図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜４のように杭本体の先端に幅の大きい、具体的には杭径の半分程度の幅を有する翼を突設した杭では、定着後に地盤から高い支持力を得る利点がある。しかしながら、目標進度に到達するまでに受ける抵抗が大きいため、硬質地盤での挿入には適せず、掘進する地盤中に転石が存在する場合には転石に跳ね返される可能性がある。特に翼が受ける抵抗が大きいことで、杭本体を回転させるためのトルクが過大になり、土砂から受ける摩擦抵抗も大きくなるため、杭本体を回転・圧入させるためのモータに高い動力を必要とする。
【０００６】
更に特許文献１〜４の場合、翼が杭本体の外周に突出する分、掘進時に切削する土砂の範囲が広くなり、杭径の２倍程度の領域の土砂を乱すことから、杭本体を貫入させるのみでは杭本体の貫入後に周辺地盤から受ける水平抵抗力が小さくなる。このため、杭本体の貫入後に地盤中にモルタルを充填する等、杭本体が受ける水平力に対する安定性を確保するための処理が必要になる。
【０００７】
特許文献４では翼を杭本体の内周側へも突出させることにより杭本体の内部への土砂の流入を抑制すると共に、杭本体に生ずる曲げ応力を軽減しようとしている。しかしながら、翼が杭本体の内周側へ突出する結果、土砂の杭本体内部への流入が阻止され易くなるため、翼以下の部分に土砂が詰まり易く、杭本体の圧入が阻害される可能性がある。
【０００８】
特許文献４の図６では杭本体の先端に長さの異なる掘削刃を突設することで掘削効率を上げようとしているが、掘削刃は杭本体内部への土砂の流入を助ける働きをしないため、前記した土砂の詰まりを防止することにはならない。
【０００９】
特許文献５では杭本体の先端に、切削のための切削爪と杭本体の圧入を助けるための螺旋状のガイド羽根を突設しているが、切削爪とガイド羽根が分離し、不連続であるため、ガイド羽根の先端が地盤から抵抗を受ける可能性がある。特にガイド羽根が切削爪の延長線（螺旋）上より上に位置するため、切削爪が切削した土砂がガイド羽根の下面側に入り込み易く、杭本体の円滑な貫入を阻害する可能性がある。
【００１０】
本発明は上記背景より、排土量が少なく、地質に関係なく貫入性のよい先端開放型既製杭及びそれに使用される掘削ヘッドを提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の先端開放型既製杭は、杭本体の先端部の外周面に、前記杭本体の材軸に対して傾斜した１本、もしくは複数本のブレードが突設され、前記ブレードの先端部が前記杭本体の外周面と内周面に跨って前記杭本体の先端位置から掘進側へ突出し、前記ブレードがその先端部から前記杭本体の外周面まで螺旋状に連続していることを構成要件とする。杭本体の先端部とブレードの先端部はそれぞれの下端部を指す。
【００１２】
杭本体先端部の外周面に突設されるブレードが杭本体の先端位置から外周面まで連続することで、ブレードの先端部が切削した土砂は杭本体の回転による掘進に伴い、ブレードの上面に沿って切削位置から運ばれるため、ブレードが地盤中で土砂から受ける抵抗が小さく、貫入性が向上する。特にブレードの先端部が杭本体の先端から突出していることで、硬質地盤においても杭本体が損傷を受ける可能性が低い。
【００１３】
またブレードの先端部が杭本体の外周面と内周面に跨ることで、杭本体の外周側と内周側に存在する土砂を切削することができ、杭本体の外周面と内周面が貫入時に受ける抵抗を低減させるため、杭本体の地中への貫入が助けられることになる。このブレード先端部の切削による抵抗低減効果は、貫入が困難な硬質地盤に杭を貫入させる場合において有効に機能する。杭本体を貫入させる過程で礫層や転石が存在するような場合には、ブレードの先端部に、これを保護するための超鋼チップを装着することもある。
【００１４】
ブレードの先端部が杭本体の外周面と内周面に跨りながらも、先端部より上の部分は杭本体の外周面に突設されるため、特許文献４のように杭本体の内周面にも突設される場合のように杭本体内部への土砂の流入を阻止することはない。よって杭本体内部での土砂の詰まりは回避され、それに起因して杭本体の貫入が阻害されることもない。
【００１５】
ブレードは杭本体の損傷を防止しながら、地中に抵抗なく貫入される上では杭本体の外周面に少なくとも１本突設されれば足りるが、請求項８に記載のように杭本体の中心に関して周方向に均等に複数個配置され、複数本、周方向に均等に突設される場合には、貫入時の安定性が得られ、鉛直性が保持される。この結果、硬質地盤に対しても杭本体が貫入中に傾斜する可能性が低下する。
【００１６】
ブレードが切削した土砂は杭本体の回転を伴う貫入に伴い、ブレードの上面に沿って杭本体に対して相対的に上方へ移動しようとする。ブレード上に留まる土砂は下方から押し上げられる土砂に押されることによりブレードの上端部から落下しようとするが、土砂の粘性が高ければ、落下するまでの間にブレード上で圧密され、塊りになる可能性がある。
【００１７】
ここで、特許文献５のようにブレードが杭本体の側面から見たとき、直線状（単なる螺旋状）である場合には、土砂が圧密されたときに、ブレードの先端部から上端部までの区間において土砂がブレード上に留まろうとし、塊りになって落下しようとする。圧密されないとしても、ブレード上の土砂は下方からの土砂に押されて落下するだけであるから、掘削孔内における土砂は単に緩められるに過ぎない。土砂が粘性土であれば、粘性によって土砂がブレードに付着した状態を維持し易いため、ブレード上に堆積し易く、土砂をブレードから自然に落下させることが難しい。
【００１８】
これに対し、請求項２に記載のようにブレードがその長さ方向の中間部で上に凸に屈曲、もしくは湾曲している場合には、その中間部の位置を挟んで杭本体の材軸に対する傾斜角度が相違するため、角度が変化する部分においてブレード上に載った土砂を杭本体の回転に伴ってブレード上から自然に落下させることが可能になる。ブレードの中間部が上に凸に屈曲等することで、ブレード上に載った土砂が粘性土の場合を含め、ブレードに付着した状態から杭本体の回転中に分離し易くなるため、付着した状態を維持しにくく、結果的にブレード上から落下し易くなる。
【００１９】
ブレード上から落下するとき、土砂は遠心力を受けて杭本体の孔壁寄りの位置から落下するため、ブレードから落下した後にその位置を通過するブレードの側面によって孔壁側へ押し付けられ易くなる。切削された土砂が孔壁に押し付けられることで、孔壁が固められ、孔壁の安定性が確保され易くなる。特許文献５の場合には切削爪によって切削された土砂がガイド羽根の下面側に入り込み易いため、ガイド羽根が土砂を孔壁へ押し付ける効果は期待されない。
【００２０】
請求項２に記載のブレードは１枚の鋼板等の板から成型される他、請求項５に記載のようにブレードの長さ方向に分割された複数個の、プレートやフラットバー等のブレード構成材からなる場合もある。この場合、複数個のブレード構成材は例えばブレードが長さ方向の中間部で屈曲等した位置で分割される形になる。
【００２１】
また請求項３に記載のようにブレードの、杭本体に対して孔壁側に位置する部分が杭本体を周方向に見たとき、孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲、もしくは湾曲している場合には、ブレード上の土砂をブレードの屈曲等した部分から孔壁側へ落下させ易くなるため、土砂の堆積を回避し易くなる。
【００２２】
併せて幅方向に屈曲等した部分がブレードから落下した土砂を杭本体の回転に伴い、孔壁に押し付ける効果を発揮し易くなるため、ブレードは孔壁を安定させ、その崩落を防止することに寄与する。ブレード上から落下した土砂を孔壁に押し付ける機能は孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲等し、孔壁に対向する部分が果たす。
【００２３】
ブレードが平坦な板である場合、ブレード上に載った土砂の落下が促されないため、前記のように切削土砂が順次送り込まれることで、ブレード上で次第に圧密され、その土砂が杭本体の回転時に抵抗になる可能性がある。これに対し、請求項２乃至請求項４では切削土砂の落下が促されるため、ブレード上での圧密の可能性が低下し、切削土砂の圧密による抵抗の発生が回避、もしくは緩和される。
【００２４】
請求項３に記載のブレードは具体的には請求項４に記載のように、ブレードがその先端部寄りの位置から上端位置へかけて捩じれた形状をすることにより、ブレードの、杭本体の外周面から遠い部分が、孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲、もしくは湾曲する。
【００２５】
請求項３に記載のブレードも１枚のプレート等から成型される他、請求項５に記載のようにブレードの幅方向に分割された複数個の、プレートやフラットバー等のブレード構成材からなる場合もある。請求項２においてブレードが捩じれる場合（請求項４）には、ブレードが上に凸に屈曲等した位置より上側の部分が幅方向に屈曲等する形になる。
【００２６】
請求項２乃至請求項５に記載のブレードは杭本体の外周面から孔壁側へ突出し、貫入時に上を向く上面と下を向く下面を有するため、杭本体の地中への貫入が完了し、杭本体が上部構造を支持したときに、杭本体の内周面及び外周面における摩擦力に加え、ブレードの上面と下面に周辺の土砂との間で摩擦力が働く。この摩擦力は杭本体の周面摩擦力に付加されるため、杭全体として支持力の向上に寄与する。
【００２７】
また特許文献４のように杭本体の先端にその断面を塞ぐ大きさの翼を突設した場合には、杭本体内に土砂が入り込まず、杭本体の内周面が空気に曝された状態になるため、地下水による腐食防止のために杭本体の先端部にコンクリート等を充填することが必要とされる。これに対し、本発明では杭本体内に土砂が入り込み、杭本体の内周面が土砂に保護されるため、コンクリートを充填する等、腐食防止のための処理は必要とされない。コンクリート等の充填が不要になることで、セメントを含んだ材料が地下水中に浸入することがないため、地下水汚染の問題は生じない。更に杭本体内に土砂が入り込むことで、排土の必要がないため、残土処理の問題も生じない。
【００２８】
ブレードの先端部によって切削された土砂は先端部より上の部分により孔壁へ押し付けられるが、杭本体はブレードによって一旦、土砂が緩められて形成される掘削孔内に挿入されることになる。ここで、杭本体の外周面と掘削孔の孔壁との間の距離が杭本体の外径に対して大きければ、杭本体が掘削孔内で傾斜し易く、不安定になる可能性がある。よって、杭本体が掘削孔内で安定する上では、ブレードの幅、すなわち杭本体の外周面からの突出幅は小さい方がよい。
【００２９】
一方、杭本体の貫入性を確保するには、ブレードが一定領域の土砂を緩める必要があるため、ブレードの突出幅がある程度確保されていることが望ましい。以上のことから、ブレードの幅は具体的には請求項６に記載のように杭本体の外径の０．０１〜０．５倍の範囲にあることが適切である。ブレードの幅は杭本体の管厚によっても変動するが、この点を含めても前記の範囲に納まることが適切である。
【００３０】
ブレードの幅が杭本体の外径の０．０１倍未満であれば、ブレードが杭本体回りの地盤を緩める効果が小さいため、杭本体が掘削孔内に貫入されにくい。一方、ブレードの幅が杭本体の外径の０．５倍を超えると、ブレードの表面が受ける抵抗が大きくなるため、杭本体が貫入時に回転しにくくなる。また杭本体の回りの地盤を緩める範囲が拡大するため、杭本体貫入後に地盤から受ける摩擦力が低下する他、杭が地震時等に受ける水平力に対する反力を地盤から受けにくくなり、水平力に対する安定性が低下する可能性がある。
【００３１】
これに対し、ブレードの幅が杭本体の外径の０．０１〜０．５倍の範囲にあれば、杭の貫入作業性が良好になるため、杭の貫入作業がし易くなる。また貫入時に杭本体回りの地盤を緩める範囲を広げることがなく、貫入後には杭本体の外周面と孔壁との間の距離を抑えることができるため、地盤から周面摩擦力を得易い。その上、杭が上部構造から受ける地震等による水平力を地盤に伝達し、地盤から反力を受け易くなるため、水平力に対する抵抗力が確保される。
【００３２】
ブレードの先端部より上の部分は先端部が切削した土砂を杭本体の回転・貫入に伴ってブレードの上方へ送り込み（掻き上げ）、孔壁に押し付けることにより孔壁の土砂を修復する働きをするため、ブレードの長さはこの働きが有効に発揮されるように決められる。
【００３３】
例えばブレードの長さが杭本体の周長の０．０４倍未満であれば、切削した土砂を上方へ掻き上げる効果が発揮されにくい。一方、杭本体に対して複数本のブレードが突設される場合に、１本のブレードの長さが杭本体の周長の０．５倍を超えれば、ブレードの幅が大きい場合と同様にブレードが土砂から受ける抵抗が大きくなる。
【００３４】
以上のことから、ブレードが複数本ある場合、ブレードの長さは請求項７に記載のように杭本体の周長の０．０４〜０．５倍の範囲にあることが適切である。複数本のブレードが突設される場合、１本のブレードの長さが杭本体の周長の０．５倍以下であることで、ブレードは杭本体を周回しない。ブレードが１本の場合には、ブレードの長さが杭本体の周長の０．５倍を超え、杭本体を周回することもある。ブレードの長さは杭本体への突設前の状態、または突設状態での長さを言う。
【００３５】
ブレードの長さが杭本体の周長の０．０４〜０．５倍の範囲にあれば、杭本体の貫入時の抵抗を抑えながら、ブレードの先端が切削した土砂を一旦、上方へ掻き上げた後にブレード上から落下させ、孔壁に押し付ける作用をブレードに発揮させることが可能になる。
【００３６】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の先端開放型既製杭は請求項９に記載のようにその先端部側の一部を構成する掘削ヘッドと既製杭の杭本体を連結することによっても製作される。この掘削ヘッドは内管と、この内管の長さより短く、前記内管の径より大きい径の外管、及び前記内管の先端と前記外管の先端との間に跨って双方に接合され、円錐台形状に成型されたリング鋼板とを備え、前記内管の内周面から前記リング鋼板を経て前記外管の外周面までに前記ブレードが突設されていることを構成要件とする。ブレードはその先端部から杭本体の外周面である外管の外周面まで螺旋状に連続する。
【００３７】
掘削ヘッドの内管と外管との間の杭本体側は開放し、この内管と外管との間の隙間に杭本体である既製杭が挿入され、掘削ヘッドと杭本体とが一体化する。請求項９に記載の掘削ヘッドは内管と外管の二重管構造であり、リング鋼板によって内管と外管との間に間隔が確保されることから、主として既製コンクリート杭と組み合わせられるが、鋼管杭との組み合わせも可能である。杭本体が既製コンクリート杭の場合、掘削ヘッドと杭本体とは、例えば既製コンクリート杭の先端部の回りに継手のために固定されているバンドプレートに外管が溶接されることにより一体化する。
【００３８】
請求項９では掘削ヘッドが杭本体とは別体で製作され、杭本体と連結されることにより先端開放型既製杭を構成するため、杭本体の厚さ（管厚）が掘削ヘッドの内管と外管との間の距離に等ければ、長さの相違する既存の既製コンクリート杭や鋼管杭と自由に組み合わせられる。従って、掘削ヘッドは単独では地盤中に貫入できない既製杭に貫入の機能を付与することができ、既製杭の用途を拡大することに寄与する。
【００３９】
請求項９ではまた、ブレードが突設されるリング鋼板が杭本体の貫入方向に対して傾斜していることで、ブレードが切削した土砂をリング鋼板が削孔の中心から孔壁側へ排除する機能を有する。ブレードにより切削された土砂はリング鋼板の傾斜により、掘削ヘッドの回転に伴い、孔底から孔壁へ移動しようとする。すなわち、リング鋼板は土砂を孔底からブレード上に載せ、ブレードが土砂を孔壁へ押し付けることを促すように作用するため、ブレードが常に孔底に接した状態を維持し易くなり、ブレードによる切削の効率が向上する。併せて土砂の孔壁への押し付け効果も高まるため、孔壁から受ける摩擦力も増大し、杭本体貫入後の摩擦力による杭本体の安定性も向上する。
【発明の効果】
【００４０】
杭本体先端部の外周面に突設されるブレードが杭本体の先端位置から外周面まで連続することで、ブレードの先端部が切削した土砂を杭本体の回転による掘進に伴い、ブレードの上面に沿って切削位置から運ぶことができるため、ブレードが地盤中で土砂から抵抗を受けることがなく、杭本体の貫入性が向上する。
【００４１】
またブレードの先端部が杭本体の外周面と内周面に跨ることで、杭本体の外周側と内周側に存在する土砂を切削し、杭本体の外周面と内周面が受ける抵抗を低減することができるため、杭本体の地中への貫入を助けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００４３】
図１は杭本体２の先端部の外周面に、杭本体２の材軸に対して傾斜した１本、もしくは複数本のブレード３が突設され、ブレード３の先端部３ａが杭本体２の外周面と内周面に跨って杭本体２の先端位置から掘進側へ突出し、ブレード３がその先端部３ａから杭本体２の外周面まで螺旋状に連続している先端開放型既製杭（以下、杭と言う）１の具体例を示す。
【００４４】
杭本体２にはブレード３が突設される関係から、主として鋼管が使用されるが、例えばブレード３にアンカーを形成しておき、このアンカーをコンクリート中に埋設することができれば、杭本体２をコンクリート杭（プレストレストコンクリート杭（ＰＨＣ杭））で成型することもある。杭本体２がコンクリート杭の場合に、ブレード３を溶接により突設する場合には、杭本体２の全長の内、少なくともブレード３が突設される区間が鋼製であればよいため、杭本体２の先端部分の外周面に鋼板が巻かれる形の場合もある。
【００４５】
図１〜図４に示すようにブレード３の先端部３ａは杭本体２先端の外周側と内周側に跨り、杭本体２先端を挟み込む鉤状をし、その内の杭本体２の外周側に位置する部分からブレード３の本体部３ｂが螺旋状に連続し、杭本体２の外周面に溶接等により一体化する。ブレード３の先端部３ａは杭本体２の先端位置から貫入側へ突出することで、地盤を掘削（切削）する掘削爪として機能する。
【００４６】
図面では杭本体２が材軸に関して時計回りに回転するときに、ブレード３が地中に進入する向きの螺旋状にブレード３を突設しているが、本体部３ｂの螺旋の向きは問われず、逆向きの場合もある。図３、図４は図１に示す杭１の側面を立体的に表した図である。
【００４７】
図面ではまた、ブレード３を杭本体２の周方向に均等に３本配置しているが、ブレード３の配置本数は任意であり、例えば杭本体２を螺旋状に周回する１本のブレード３を配置することもある。ブレード３は基本的に１枚のプレートやフラットバー等から形成されるが、複数枚のプレート等を組み合わせて形成されることもある。
【００４８】
ブレード３の本体部３ｂは長さ方向の中間部で上に凸に屈曲、もしくは湾曲し、その中間部の位置を挟んで杭本体２の材軸、または水平面に対する傾斜角度が相違する。図１に示すように本体部３ｂの前記中間部を挟んだ上側の水平面に対する傾斜角度α２は下側の水平面に対する傾斜角度α１より小さく、杭本体２の回転に伴い、本体部３ｂ上に載った土砂の本体部３ｂとの付着を切り、土砂を本体部３ｂから落下させ易くなっている。
【００４９】
またブレード３の本体部３ｂは杭本体２の外周面から離れた側（孔壁側）において、先端部３ａ寄りの側から上方側へかけて孔壁側へ捩じれた形をし、杭本体２の周方向に見たとき、孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲、もしくは湾曲している。
【００５０】
図１では本体部３ｂの中間部より上の部分が捩じれているが、先端部３ａ寄りの部分から捩じれを入れることもある。本体部３ｂの、孔壁側へ向かって捩じれた部分は本体部３ｂ上に載っている土砂の落下を促すと共に、本体部３ｂ上から落下した土砂を杭本体２の回転に伴い、孔壁に押し付ける働きをする。
【００５１】
ブレード３の本体部３ｂが先端部３ａ寄りの側から上方側へかけて捩じれた形をすることで、ブレード３が１枚の、一定幅のプレート等から形成される場合には、本体部３ｂの、杭本体２の外周面からの突出幅が先端部３ａ側から上方へかけて次第に小さくなる。
【００５２】
この突出幅の漸減により杭本体２の回転時に本体部３ｂ上に載っている土砂がその状態を維持しにくくなり、落下し易くなる。ブレード３が、幅の変化する１枚のプレートからなる場合、または幅方向に複数枚のプレート等から形成される場合には、突出幅が一定になることもある。
【００５３】
ブレード３の突出幅が漸減する場合にはまた、その突出幅が低下する部分と孔壁との間の距離が小さくなるため、杭１の回転中にブレード３が孔壁から受ける摩擦力が低減される。摩擦力の低減により杭１の貫入時の抵抗が低減されるため、杭１の貫入に要する圧力が上昇することがなく、杭打ち機４に装備されるモータ６に高い動力を必要としない利点がある。
【００５４】
図５−（ａ）、（ｂ）はブレード３が一体化した杭本体２（杭１）の回転による地中への貫入時の様子を示す。図１に示すようにブレード３の先端部３ａの幅Ｗは杭１の貫入作業性を確保しながら、貫入後の杭１の安定性を確保する関係から、杭本体２の外径Ｄの０．０１〜０．５倍の範囲にあり、例えば杭本体２の外径Ｄが６００ｍｍであるとすれば、ブレード３の幅Ｗは約６〜３００ｍｍ前後程度になる。特にブレード３先端部３ａの幅Ｗの適切な範囲は杭本体２の管厚ｔの１．２〜１．８倍程度であり、例えば管厚ｔが９ｍｍであれば、ブレード３先端部３ａの幅Ｗは約１１ｍｍ〜１６ｍｍ前後程度が好ましい。ブレード３先端部３ａの、杭本体２先端からの突出長さは地盤の性状によって変動するが、杭本体２の外径Ｄ等に関係なく、１０〜６０ｍｍ前後程度、あればよい。
【００５５】
また杭本体２の周面に沿った１本のブレード３の長さ（周長）Ｌは、複数本のブレード３に土砂の掻き上げとその後の孔壁への押し付け効果を発揮させる関係から、杭本体２の周長Ｒ（πＤ）の０．０４〜０．５倍の範囲にあり、杭本体２の外径Ｄが６００ｍｍであれば、ブレード３の長さＬは約８０〜９４０ｍｍ前後程度になる。杭本体２の外径Ｄとの関係で、最適なブレード３の長さＬの範囲は外径Ｄの約０．３〜１．０倍前後程度になる。杭本体２の外径Ｄが６００ｍｍであれば、ブレード３の長さＬの範囲は２００〜６００ｍｍが好ましく、外径Ｄが３００ｍｍであれば、１００〜３００ｍｍが好ましい
【００５６】
杭１は図７に示すように杭打ち機４のアーム５から懸垂させられた状態で、モータ６により回転させられながら、鉛直下方へ圧力が与えられることにより地中に貫入させられる。杭１に対しては例えば杭１の内外に材軸方向に沿ってワイヤ７を張架し、杭打ち機４の自重を反力としてワイヤ７の両端を引っ張ることにより杭１に鉛直下向きの圧力が与えられ、リーダ８に沿って地中に圧入される。図７−（ａ）は地盤のレベルが杭打ち機４より上に位置する場合、（ｂ）は下に位置する場合の施工要領を示す。
【００５７】
図６は杭１先端部の地中での状況を示す。杭１が回転させられることで、杭本体１の先端から突出するブレード３の先端部３ａが地盤を切削し、切削された削孔に杭１が貫入していく。削孔は図５−（ａ）に示すようにブレード３の先端部３ａの位置に形成されるため、杭１は切削された地盤中を降下し、土砂が杭本体２内に詰まることはない。
【００５８】
図５−（ａ）に示すようにブレード３の先端部３ａによる地盤の切削幅ｗは先端部３ａの幅Ｗに、杭１の貫入時の揺動による変位分を加えた程度の大きさであり、杭１を貫入させるために必要とされる掘削孔径は最小に留められ、必要以上に径の大きい掘削孔を形成せずに済んでいる。
【００５９】
ブレード３の先端部３ａによって切削された土砂は一旦、ブレード３の本体部３ｂ上に載り、杭１の掘進と共に相対的に本体部３ｂの上方へ送られるが、ブレード３が長さ方向に、または幅方向に屈曲、もしくは湾曲していることで、上方へ送られた後、本体部３ｂから落下する。本体部３ｂから落下した土砂は本体部３ｂが幅方向に屈曲、もしくは湾曲していることで、杭１の掘進に伴って土砂の下を通過するブレード３によって孔壁に押し付けられるため、切削時に緩められた孔壁は補修され、固められる。
【００６０】
前記のようにブレード３の本体部３ｂの、杭本体２からの突出幅が上方へかけて漸減することで、杭１の貫入時の抵抗は低下するため、杭１は掘削孔中に貫入し易くなっている。一方、図６に示すようにブレード３の先端部３ａが支持層に到達した貫入完了時点では、杭本体２先端部より上の孔壁の土砂が孔壁の半径方向に圧密されているため、孔壁から受ける杭１全体での摩擦力が大きくなり、それだけ周面摩擦力による支持力が増大する。
【００６１】
図８は地盤の切削効果を高めるために、杭本体２の先端に複数本のブレード３に加え、複数枚の切削爪３１を突設した杭１の製作例を示す。ここでは径と長さの異なる２本の内管２１と外管２２、及び両管２１、２２の先端間に跨る円錐台形状に成型されたリング鋼板２３から杭本体２を製作している。この場合、杭１は二重管構造になる。
【００６２】
図８の場合、内管２１と外管２２には主に鋼管が使用されるが、内管２１と外管２２の間にコンクリートを充填したコンクリート杭として杭１を成型することもできる。図８では３本のブレード３と３枚の切削爪３１を突設した場合を示しているが、それぞれの数は任意に設定される。
【００６３】
図８−（ｄ）に示すように内管２１と外管２２は、それぞれの上端の端面が揃えられ、径が小さく、長さが大きい内管２１の先端が径の大きい外管２２の先端から突出する形で組み合わせられ、両管２１、２２の先端間にリング鋼板２３が溶接される。内管２１と外管２２との間の間隔は両者間に介在するリング状の間隔保持材２４によって保持される。
【００６４】
ブレード３は先端部３ａが内管２６の内周面からリング鋼板２８の外周面に跨るように突設され、リング鋼板２８から外管２７へかけて本体部２ｂが螺旋状に突設される。切削爪３１はブレード３の先端部３ａと同様に杭本体２の外周面と内周面に跨り、杭本体２の先端位置から掘進側へ突出するが、図８の場合にはリング鋼板２３の外周面と内管２１の内周面との間に跨る形になる。
【００６５】
杭１は主として埋立地や盛土した地盤のような支持力の小さい地盤上に、木造住宅、鉄骨造構造物、鉄筋コンクリート造構造物等のような中低層建物等の構造物を構築する場合の支持杭として使用される。この他、法面補強杭、土砂崩れ防止用、水害防止用、風雪防止用、防音・防護ネット用等の基礎兼主柱として、また信号機用、街灯用、道路標識用等の基礎として、あるいはまた土砂災害発生後、復旧のための擁壁等の親杭等としても使用される。
【００６６】
図８に示す杭１は二重管構造であることから、（ａ）、（ｂ）に示すように外管２２の周方向の一部を材軸方向に切り欠くことで、山留め壁として使用される親杭横矢板の親杭として使用されることも可能である。矢板は杭１の切欠き部分に上方から挿入されることになる。
【００６７】
図９は図８に示す内管２１と外管２２、及びリング鋼板２３から製作される杭本体２の先端部側の一部を切り離し、独立させて製作した形の掘削用ヘッド２５の製作例を示す。ここに示す掘削ヘッド２５は図８に示す杭本体２と同様、径と長さが異なる内管２６と外管２７、及び円錐台形状に成型されたリング鋼板２８から製作され、リング鋼板２８の反対側の端部は開放する。内管２６と外管２７には鋼管が使用され、リング鋼板２８には扇状の鋼板が使用される。
【００６８】
掘削ヘッド２５は具体的には内管２６と、この内管２６の長さより短く、内管２６の径より大きい径の外管２７、及び内管２６の先端と外管２７の先端との間に跨って双方に接合され、円錐台形状に成型されたリング鋼板２８とを備え、内管２６の内周面からリング鋼板２８を経て外管２７の外周面までにブレード３が突設される。掘削ヘッド２５は杭本体２である既製コンクリート杭や鋼管杭等の既製杭と組み合わせられることにより先端開放型既製杭１を構成する。
【００６９】
ブレード３は図８に示す杭本体２のブレード３と同様、先端部３ａが内管２６の内周面からリング鋼板２８の外周面に跨るように突設され、リング鋼板２８から外管２７へかけて本体部２ｂが螺旋状に突設される。図９では３枚のブレード３を周方向に均等に突設しているが、隣接するブレード３、３間に図８における切削爪３１を突設することもある。
【００７０】
杭本体２である既製杭は図９−（ｂ）に示すように掘削ヘッド２５に対し、開放している側の端部から挿入され、溶接等の手段により掘削ヘッド２５に一体化する。例えば杭本体２が既製コンクリート杭（プレストレストコンクリート杭）の場合、杭本体２の両端部には継手される杭本体２との連結のためのバンドプレート２ａが固定されていることから、このバンドプレート２ａに掘削ヘッド２５の外管２７が溶接されることにより杭本体２と掘削ヘッド２５が一体化する。
【００７１】
杭本体２と掘削ヘッド２５の一体化を補うために、図９−（ｂ）に示すように外管２７の内周面に、杭本体２の軸方向にリブ２７ａを連続的に、もしくは断続的に突設すると共に、バンドプレート２ａの外周面にリブ２７ａが入り込む溝を形成しておくこともある。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の先端開放型既製杭の製作例を示した立面図である。
【図２】図１の底面図である。
【図３】図１に示す先端開放型既製杭を立体的に示した立面図である。
【図４】図３に示す先端開放型既製杭の先端側の内部を示した斜視図である。
【図５】（ａ）は図１に示す先端開放型既製杭の地中への貫入時の様子を示した縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【図６】図１に示す先端開放型既製杭の地中への貫入後の様子を示した立面図である。
【図７】（ａ）は地盤のレベルが杭打ち機より上に位置する場合の杭打ち機による先端開放型既製杭の貫入の様子を示した立面図、（ｂ）は地盤のレベルが杭打ち機より下に位置する場合の貫入の様子を示した立面図である。
【図８】（ａ）は二重管構造の杭の製作例を示した斜視図、（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）は（ｂ）の先端側の端面図、（ｄ）は杭の軸を通る面で切断した断面図である。
【図９】（ａ）は掘削ヘッドの製作例を示した斜視図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１………先端開放型既製杭
２………杭本体
２ａ……バンドプレート
２１……内管
２２……外管
２３……リング鋼板
２４……間隔保持材
２５……掘削ヘッド
２６……内管
２７……外管
２７ａ…リブ
２８……リング鋼板
３………ブレード
３ａ……先端部
３ｂ……本体部
３１……切削爪
４………杭打ち機
５………アーム
６………モータ
７………ワイヤ
８………リーダ
【技術分野】
【０００１】
本発明は排土量が少なく、地質に関係なく地表面からの貫入性がよい先端開放型既製杭、及びそれに使用される掘削ヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば埋立地や盛土した地盤のような支持力の小さい地盤上に、木造住宅等のような中低層建物等の構造物を構築する場合、構造物の不同沈下を防止する上で、基礎の下に支持層に到達する杭、または地中で地盤との摩擦力により支持力を得る杭を打設、もしくは圧入する、または構築する必要がある。
【０００３】
杭として既製杭が使用される場合、杭は振動や騒音等の近隣地域への影響を低減する観点から、回転圧入により地中に挿入されることが多い。また掘進に伴う排土量を抑制する上では、先端開放型の杭の使用が適するが、回転による圧入を助けるために、杭の先端にスパイラル状の羽根や翼が固定されることもある（特許文献１〜５参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２４７１８３号公報（図１、図６〜図９）
【特許文献２】特開２００１−７３３６５号公報（図１、図２、図４、図５）
【特許文献３】特開平１１−９３１６３号公報（図２、図３）
【特許文献４】特開２００５−４２４５７号公報（図１、図２、図６）
【特許文献５】特開平９−１５１４５６号公報（図２、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜４のように杭本体の先端に幅の大きい、具体的には杭径の半分程度の幅を有する翼を突設した杭では、定着後に地盤から高い支持力を得る利点がある。しかしながら、目標進度に到達するまでに受ける抵抗が大きいため、硬質地盤での挿入には適せず、掘進する地盤中に転石が存在する場合には転石に跳ね返される可能性がある。特に翼が受ける抵抗が大きいことで、杭本体を回転させるためのトルクが過大になり、土砂から受ける摩擦抵抗も大きくなるため、杭本体を回転・圧入させるためのモータに高い動力を必要とする。
【０００６】
更に特許文献１〜４の場合、翼が杭本体の外周に突出する分、掘進時に切削する土砂の範囲が広くなり、杭径の２倍程度の領域の土砂を乱すことから、杭本体を貫入させるのみでは杭本体の貫入後に周辺地盤から受ける水平抵抗力が小さくなる。このため、杭本体の貫入後に地盤中にモルタルを充填する等、杭本体が受ける水平力に対する安定性を確保するための処理が必要になる。
【０００７】
特許文献４では翼を杭本体の内周側へも突出させることにより杭本体の内部への土砂の流入を抑制すると共に、杭本体に生ずる曲げ応力を軽減しようとしている。しかしながら、翼が杭本体の内周側へ突出する結果、土砂の杭本体内部への流入が阻止され易くなるため、翼以下の部分に土砂が詰まり易く、杭本体の圧入が阻害される可能性がある。
【０００８】
特許文献４の図６では杭本体の先端に長さの異なる掘削刃を突設することで掘削効率を上げようとしているが、掘削刃は杭本体内部への土砂の流入を助ける働きをしないため、前記した土砂の詰まりを防止することにはならない。
【０００９】
特許文献５では杭本体の先端に、切削のための切削爪と杭本体の圧入を助けるための螺旋状のガイド羽根を突設しているが、切削爪とガイド羽根が分離し、不連続であるため、ガイド羽根の先端が地盤から抵抗を受ける可能性がある。特にガイド羽根が切削爪の延長線（螺旋）上より上に位置するため、切削爪が切削した土砂がガイド羽根の下面側に入り込み易く、杭本体の円滑な貫入を阻害する可能性がある。
【００１０】
本発明は上記背景より、排土量が少なく、地質に関係なく貫入性のよい先端開放型既製杭及びそれに使用される掘削ヘッドを提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載の先端開放型既製杭は、杭本体の先端部の外周面に、前記杭本体の材軸に対して傾斜した１本、もしくは複数本のブレードが突設され、前記ブレードの先端部が前記杭本体の外周面と内周面に跨って前記杭本体の先端位置から掘進側へ突出し、前記ブレードがその先端部から前記杭本体の外周面まで螺旋状に連続していることを構成要件とする。杭本体の先端部とブレードの先端部はそれぞれの下端部を指す。
【００１２】
杭本体先端部の外周面に突設されるブレードが杭本体の先端位置から外周面まで連続することで、ブレードの先端部が切削した土砂は杭本体の回転による掘進に伴い、ブレードの上面に沿って切削位置から運ばれるため、ブレードが地盤中で土砂から受ける抵抗が小さく、貫入性が向上する。特にブレードの先端部が杭本体の先端から突出していることで、硬質地盤においても杭本体が損傷を受ける可能性が低い。
【００１３】
またブレードの先端部が杭本体の外周面と内周面に跨ることで、杭本体の外周側と内周側に存在する土砂を切削することができ、杭本体の外周面と内周面が貫入時に受ける抵抗を低減させるため、杭本体の地中への貫入が助けられることになる。このブレード先端部の切削による抵抗低減効果は、貫入が困難な硬質地盤に杭を貫入させる場合において有効に機能する。杭本体を貫入させる過程で礫層や転石が存在するような場合には、ブレードの先端部に、これを保護するための超鋼チップを装着することもある。
【００１４】
ブレードの先端部が杭本体の外周面と内周面に跨りながらも、先端部より上の部分は杭本体の外周面に突設されるため、特許文献４のように杭本体の内周面にも突設される場合のように杭本体内部への土砂の流入を阻止することはない。よって杭本体内部での土砂の詰まりは回避され、それに起因して杭本体の貫入が阻害されることもない。
【００１５】
ブレードは杭本体の損傷を防止しながら、地中に抵抗なく貫入される上では杭本体の外周面に少なくとも１本突設されれば足りるが、請求項８に記載のように杭本体の中心に関して周方向に均等に複数個配置され、複数本、周方向に均等に突設される場合には、貫入時の安定性が得られ、鉛直性が保持される。この結果、硬質地盤に対しても杭本体が貫入中に傾斜する可能性が低下する。
【００１６】
ブレードが切削した土砂は杭本体の回転を伴う貫入に伴い、ブレードの上面に沿って杭本体に対して相対的に上方へ移動しようとする。ブレード上に留まる土砂は下方から押し上げられる土砂に押されることによりブレードの上端部から落下しようとするが、土砂の粘性が高ければ、落下するまでの間にブレード上で圧密され、塊りになる可能性がある。
【００１７】
ここで、特許文献５のようにブレードが杭本体の側面から見たとき、直線状（単なる螺旋状）である場合には、土砂が圧密されたときに、ブレードの先端部から上端部までの区間において土砂がブレード上に留まろうとし、塊りになって落下しようとする。圧密されないとしても、ブレード上の土砂は下方からの土砂に押されて落下するだけであるから、掘削孔内における土砂は単に緩められるに過ぎない。土砂が粘性土であれば、粘性によって土砂がブレードに付着した状態を維持し易いため、ブレード上に堆積し易く、土砂をブレードから自然に落下させることが難しい。
【００１８】
これに対し、請求項２に記載のようにブレードがその長さ方向の中間部で上に凸に屈曲、もしくは湾曲している場合には、その中間部の位置を挟んで杭本体の材軸に対する傾斜角度が相違するため、角度が変化する部分においてブレード上に載った土砂を杭本体の回転に伴ってブレード上から自然に落下させることが可能になる。ブレードの中間部が上に凸に屈曲等することで、ブレード上に載った土砂が粘性土の場合を含め、ブレードに付着した状態から杭本体の回転中に分離し易くなるため、付着した状態を維持しにくく、結果的にブレード上から落下し易くなる。
【００１９】
ブレード上から落下するとき、土砂は遠心力を受けて杭本体の孔壁寄りの位置から落下するため、ブレードから落下した後にその位置を通過するブレードの側面によって孔壁側へ押し付けられ易くなる。切削された土砂が孔壁に押し付けられることで、孔壁が固められ、孔壁の安定性が確保され易くなる。特許文献５の場合には切削爪によって切削された土砂がガイド羽根の下面側に入り込み易いため、ガイド羽根が土砂を孔壁へ押し付ける効果は期待されない。
【００２０】
請求項２に記載のブレードは１枚の鋼板等の板から成型される他、請求項５に記載のようにブレードの長さ方向に分割された複数個の、プレートやフラットバー等のブレード構成材からなる場合もある。この場合、複数個のブレード構成材は例えばブレードが長さ方向の中間部で屈曲等した位置で分割される形になる。
【００２１】
また請求項３に記載のようにブレードの、杭本体に対して孔壁側に位置する部分が杭本体を周方向に見たとき、孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲、もしくは湾曲している場合には、ブレード上の土砂をブレードの屈曲等した部分から孔壁側へ落下させ易くなるため、土砂の堆積を回避し易くなる。
【００２２】
併せて幅方向に屈曲等した部分がブレードから落下した土砂を杭本体の回転に伴い、孔壁に押し付ける効果を発揮し易くなるため、ブレードは孔壁を安定させ、その崩落を防止することに寄与する。ブレード上から落下した土砂を孔壁に押し付ける機能は孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲等し、孔壁に対向する部分が果たす。
【００２３】
ブレードが平坦な板である場合、ブレード上に載った土砂の落下が促されないため、前記のように切削土砂が順次送り込まれることで、ブレード上で次第に圧密され、その土砂が杭本体の回転時に抵抗になる可能性がある。これに対し、請求項２乃至請求項４では切削土砂の落下が促されるため、ブレード上での圧密の可能性が低下し、切削土砂の圧密による抵抗の発生が回避、もしくは緩和される。
【００２４】
請求項３に記載のブレードは具体的には請求項４に記載のように、ブレードがその先端部寄りの位置から上端位置へかけて捩じれた形状をすることにより、ブレードの、杭本体の外周面から遠い部分が、孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲、もしくは湾曲する。
【００２５】
請求項３に記載のブレードも１枚のプレート等から成型される他、請求項５に記載のようにブレードの幅方向に分割された複数個の、プレートやフラットバー等のブレード構成材からなる場合もある。請求項２においてブレードが捩じれる場合（請求項４）には、ブレードが上に凸に屈曲等した位置より上側の部分が幅方向に屈曲等する形になる。
【００２６】
請求項２乃至請求項５に記載のブレードは杭本体の外周面から孔壁側へ突出し、貫入時に上を向く上面と下を向く下面を有するため、杭本体の地中への貫入が完了し、杭本体が上部構造を支持したときに、杭本体の内周面及び外周面における摩擦力に加え、ブレードの上面と下面に周辺の土砂との間で摩擦力が働く。この摩擦力は杭本体の周面摩擦力に付加されるため、杭全体として支持力の向上に寄与する。
【００２７】
また特許文献４のように杭本体の先端にその断面を塞ぐ大きさの翼を突設した場合には、杭本体内に土砂が入り込まず、杭本体の内周面が空気に曝された状態になるため、地下水による腐食防止のために杭本体の先端部にコンクリート等を充填することが必要とされる。これに対し、本発明では杭本体内に土砂が入り込み、杭本体の内周面が土砂に保護されるため、コンクリートを充填する等、腐食防止のための処理は必要とされない。コンクリート等の充填が不要になることで、セメントを含んだ材料が地下水中に浸入することがないため、地下水汚染の問題は生じない。更に杭本体内に土砂が入り込むことで、排土の必要がないため、残土処理の問題も生じない。
【００２８】
ブレードの先端部によって切削された土砂は先端部より上の部分により孔壁へ押し付けられるが、杭本体はブレードによって一旦、土砂が緩められて形成される掘削孔内に挿入されることになる。ここで、杭本体の外周面と掘削孔の孔壁との間の距離が杭本体の外径に対して大きければ、杭本体が掘削孔内で傾斜し易く、不安定になる可能性がある。よって、杭本体が掘削孔内で安定する上では、ブレードの幅、すなわち杭本体の外周面からの突出幅は小さい方がよい。
【００２９】
一方、杭本体の貫入性を確保するには、ブレードが一定領域の土砂を緩める必要があるため、ブレードの突出幅がある程度確保されていることが望ましい。以上のことから、ブレードの幅は具体的には請求項６に記載のように杭本体の外径の０．０１〜０．５倍の範囲にあることが適切である。ブレードの幅は杭本体の管厚によっても変動するが、この点を含めても前記の範囲に納まることが適切である。
【００３０】
ブレードの幅が杭本体の外径の０．０１倍未満であれば、ブレードが杭本体回りの地盤を緩める効果が小さいため、杭本体が掘削孔内に貫入されにくい。一方、ブレードの幅が杭本体の外径の０．５倍を超えると、ブレードの表面が受ける抵抗が大きくなるため、杭本体が貫入時に回転しにくくなる。また杭本体の回りの地盤を緩める範囲が拡大するため、杭本体貫入後に地盤から受ける摩擦力が低下する他、杭が地震時等に受ける水平力に対する反力を地盤から受けにくくなり、水平力に対する安定性が低下する可能性がある。
【００３１】
これに対し、ブレードの幅が杭本体の外径の０．０１〜０．５倍の範囲にあれば、杭の貫入作業性が良好になるため、杭の貫入作業がし易くなる。また貫入時に杭本体回りの地盤を緩める範囲を広げることがなく、貫入後には杭本体の外周面と孔壁との間の距離を抑えることができるため、地盤から周面摩擦力を得易い。その上、杭が上部構造から受ける地震等による水平力を地盤に伝達し、地盤から反力を受け易くなるため、水平力に対する抵抗力が確保される。
【００３２】
ブレードの先端部より上の部分は先端部が切削した土砂を杭本体の回転・貫入に伴ってブレードの上方へ送り込み（掻き上げ）、孔壁に押し付けることにより孔壁の土砂を修復する働きをするため、ブレードの長さはこの働きが有効に発揮されるように決められる。
【００３３】
例えばブレードの長さが杭本体の周長の０．０４倍未満であれば、切削した土砂を上方へ掻き上げる効果が発揮されにくい。一方、杭本体に対して複数本のブレードが突設される場合に、１本のブレードの長さが杭本体の周長の０．５倍を超えれば、ブレードの幅が大きい場合と同様にブレードが土砂から受ける抵抗が大きくなる。
【００３４】
以上のことから、ブレードが複数本ある場合、ブレードの長さは請求項７に記載のように杭本体の周長の０．０４〜０．５倍の範囲にあることが適切である。複数本のブレードが突設される場合、１本のブレードの長さが杭本体の周長の０．５倍以下であることで、ブレードは杭本体を周回しない。ブレードが１本の場合には、ブレードの長さが杭本体の周長の０．５倍を超え、杭本体を周回することもある。ブレードの長さは杭本体への突設前の状態、または突設状態での長さを言う。
【００３５】
ブレードの長さが杭本体の周長の０．０４〜０．５倍の範囲にあれば、杭本体の貫入時の抵抗を抑えながら、ブレードの先端が切削した土砂を一旦、上方へ掻き上げた後にブレード上から落下させ、孔壁に押し付ける作用をブレードに発揮させることが可能になる。
【００３６】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の先端開放型既製杭は請求項９に記載のようにその先端部側の一部を構成する掘削ヘッドと既製杭の杭本体を連結することによっても製作される。この掘削ヘッドは内管と、この内管の長さより短く、前記内管の径より大きい径の外管、及び前記内管の先端と前記外管の先端との間に跨って双方に接合され、円錐台形状に成型されたリング鋼板とを備え、前記内管の内周面から前記リング鋼板を経て前記外管の外周面までに前記ブレードが突設されていることを構成要件とする。ブレードはその先端部から杭本体の外周面である外管の外周面まで螺旋状に連続する。
【００３７】
掘削ヘッドの内管と外管との間の杭本体側は開放し、この内管と外管との間の隙間に杭本体である既製杭が挿入され、掘削ヘッドと杭本体とが一体化する。請求項９に記載の掘削ヘッドは内管と外管の二重管構造であり、リング鋼板によって内管と外管との間に間隔が確保されることから、主として既製コンクリート杭と組み合わせられるが、鋼管杭との組み合わせも可能である。杭本体が既製コンクリート杭の場合、掘削ヘッドと杭本体とは、例えば既製コンクリート杭の先端部の回りに継手のために固定されているバンドプレートに外管が溶接されることにより一体化する。
【００３８】
請求項９では掘削ヘッドが杭本体とは別体で製作され、杭本体と連結されることにより先端開放型既製杭を構成するため、杭本体の厚さ（管厚）が掘削ヘッドの内管と外管との間の距離に等ければ、長さの相違する既存の既製コンクリート杭や鋼管杭と自由に組み合わせられる。従って、掘削ヘッドは単独では地盤中に貫入できない既製杭に貫入の機能を付与することができ、既製杭の用途を拡大することに寄与する。
【００３９】
請求項９ではまた、ブレードが突設されるリング鋼板が杭本体の貫入方向に対して傾斜していることで、ブレードが切削した土砂をリング鋼板が削孔の中心から孔壁側へ排除する機能を有する。ブレードにより切削された土砂はリング鋼板の傾斜により、掘削ヘッドの回転に伴い、孔底から孔壁へ移動しようとする。すなわち、リング鋼板は土砂を孔底からブレード上に載せ、ブレードが土砂を孔壁へ押し付けることを促すように作用するため、ブレードが常に孔底に接した状態を維持し易くなり、ブレードによる切削の効率が向上する。併せて土砂の孔壁への押し付け効果も高まるため、孔壁から受ける摩擦力も増大し、杭本体貫入後の摩擦力による杭本体の安定性も向上する。
【発明の効果】
【００４０】
杭本体先端部の外周面に突設されるブレードが杭本体の先端位置から外周面まで連続することで、ブレードの先端部が切削した土砂を杭本体の回転による掘進に伴い、ブレードの上面に沿って切削位置から運ぶことができるため、ブレードが地盤中で土砂から抵抗を受けることがなく、杭本体の貫入性が向上する。
【００４１】
またブレードの先端部が杭本体の外周面と内周面に跨ることで、杭本体の外周側と内周側に存在する土砂を切削し、杭本体の外周面と内周面が受ける抵抗を低減することができるため、杭本体の地中への貫入を助けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００４３】
図１は杭本体２の先端部の外周面に、杭本体２の材軸に対して傾斜した１本、もしくは複数本のブレード３が突設され、ブレード３の先端部３ａが杭本体２の外周面と内周面に跨って杭本体２の先端位置から掘進側へ突出し、ブレード３がその先端部３ａから杭本体２の外周面まで螺旋状に連続している先端開放型既製杭（以下、杭と言う）１の具体例を示す。
【００４４】
杭本体２にはブレード３が突設される関係から、主として鋼管が使用されるが、例えばブレード３にアンカーを形成しておき、このアンカーをコンクリート中に埋設することができれば、杭本体２をコンクリート杭（プレストレストコンクリート杭（ＰＨＣ杭））で成型することもある。杭本体２がコンクリート杭の場合に、ブレード３を溶接により突設する場合には、杭本体２の全長の内、少なくともブレード３が突設される区間が鋼製であればよいため、杭本体２の先端部分の外周面に鋼板が巻かれる形の場合もある。
【００４５】
図１〜図４に示すようにブレード３の先端部３ａは杭本体２先端の外周側と内周側に跨り、杭本体２先端を挟み込む鉤状をし、その内の杭本体２の外周側に位置する部分からブレード３の本体部３ｂが螺旋状に連続し、杭本体２の外周面に溶接等により一体化する。ブレード３の先端部３ａは杭本体２の先端位置から貫入側へ突出することで、地盤を掘削（切削）する掘削爪として機能する。
【００４６】
図面では杭本体２が材軸に関して時計回りに回転するときに、ブレード３が地中に進入する向きの螺旋状にブレード３を突設しているが、本体部３ｂの螺旋の向きは問われず、逆向きの場合もある。図３、図４は図１に示す杭１の側面を立体的に表した図である。
【００４７】
図面ではまた、ブレード３を杭本体２の周方向に均等に３本配置しているが、ブレード３の配置本数は任意であり、例えば杭本体２を螺旋状に周回する１本のブレード３を配置することもある。ブレード３は基本的に１枚のプレートやフラットバー等から形成されるが、複数枚のプレート等を組み合わせて形成されることもある。
【００４８】
ブレード３の本体部３ｂは長さ方向の中間部で上に凸に屈曲、もしくは湾曲し、その中間部の位置を挟んで杭本体２の材軸、または水平面に対する傾斜角度が相違する。図１に示すように本体部３ｂの前記中間部を挟んだ上側の水平面に対する傾斜角度α２は下側の水平面に対する傾斜角度α１より小さく、杭本体２の回転に伴い、本体部３ｂ上に載った土砂の本体部３ｂとの付着を切り、土砂を本体部３ｂから落下させ易くなっている。
【００４９】
またブレード３の本体部３ｂは杭本体２の外周面から離れた側（孔壁側）において、先端部３ａ寄りの側から上方側へかけて孔壁側へ捩じれた形をし、杭本体２の周方向に見たとき、孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲、もしくは湾曲している。
【００５０】
図１では本体部３ｂの中間部より上の部分が捩じれているが、先端部３ａ寄りの部分から捩じれを入れることもある。本体部３ｂの、孔壁側へ向かって捩じれた部分は本体部３ｂ上に載っている土砂の落下を促すと共に、本体部３ｂ上から落下した土砂を杭本体２の回転に伴い、孔壁に押し付ける働きをする。
【００５１】
ブレード３の本体部３ｂが先端部３ａ寄りの側から上方側へかけて捩じれた形をすることで、ブレード３が１枚の、一定幅のプレート等から形成される場合には、本体部３ｂの、杭本体２の外周面からの突出幅が先端部３ａ側から上方へかけて次第に小さくなる。
【００５２】
この突出幅の漸減により杭本体２の回転時に本体部３ｂ上に載っている土砂がその状態を維持しにくくなり、落下し易くなる。ブレード３が、幅の変化する１枚のプレートからなる場合、または幅方向に複数枚のプレート等から形成される場合には、突出幅が一定になることもある。
【００５３】
ブレード３の突出幅が漸減する場合にはまた、その突出幅が低下する部分と孔壁との間の距離が小さくなるため、杭１の回転中にブレード３が孔壁から受ける摩擦力が低減される。摩擦力の低減により杭１の貫入時の抵抗が低減されるため、杭１の貫入に要する圧力が上昇することがなく、杭打ち機４に装備されるモータ６に高い動力を必要としない利点がある。
【００５４】
図５−（ａ）、（ｂ）はブレード３が一体化した杭本体２（杭１）の回転による地中への貫入時の様子を示す。図１に示すようにブレード３の先端部３ａの幅Ｗは杭１の貫入作業性を確保しながら、貫入後の杭１の安定性を確保する関係から、杭本体２の外径Ｄの０．０１〜０．５倍の範囲にあり、例えば杭本体２の外径Ｄが６００ｍｍであるとすれば、ブレード３の幅Ｗは約６〜３００ｍｍ前後程度になる。特にブレード３先端部３ａの幅Ｗの適切な範囲は杭本体２の管厚ｔの１．２〜１．８倍程度であり、例えば管厚ｔが９ｍｍであれば、ブレード３先端部３ａの幅Ｗは約１１ｍｍ〜１６ｍｍ前後程度が好ましい。ブレード３先端部３ａの、杭本体２先端からの突出長さは地盤の性状によって変動するが、杭本体２の外径Ｄ等に関係なく、１０〜６０ｍｍ前後程度、あればよい。
【００５５】
また杭本体２の周面に沿った１本のブレード３の長さ（周長）Ｌは、複数本のブレード３に土砂の掻き上げとその後の孔壁への押し付け効果を発揮させる関係から、杭本体２の周長Ｒ（πＤ）の０．０４〜０．５倍の範囲にあり、杭本体２の外径Ｄが６００ｍｍであれば、ブレード３の長さＬは約８０〜９４０ｍｍ前後程度になる。杭本体２の外径Ｄとの関係で、最適なブレード３の長さＬの範囲は外径Ｄの約０．３〜１．０倍前後程度になる。杭本体２の外径Ｄが６００ｍｍであれば、ブレード３の長さＬの範囲は２００〜６００ｍｍが好ましく、外径Ｄが３００ｍｍであれば、１００〜３００ｍｍが好ましい
【００５６】
杭１は図７に示すように杭打ち機４のアーム５から懸垂させられた状態で、モータ６により回転させられながら、鉛直下方へ圧力が与えられることにより地中に貫入させられる。杭１に対しては例えば杭１の内外に材軸方向に沿ってワイヤ７を張架し、杭打ち機４の自重を反力としてワイヤ７の両端を引っ張ることにより杭１に鉛直下向きの圧力が与えられ、リーダ８に沿って地中に圧入される。図７−（ａ）は地盤のレベルが杭打ち機４より上に位置する場合、（ｂ）は下に位置する場合の施工要領を示す。
【００５７】
図６は杭１先端部の地中での状況を示す。杭１が回転させられることで、杭本体１の先端から突出するブレード３の先端部３ａが地盤を切削し、切削された削孔に杭１が貫入していく。削孔は図５−（ａ）に示すようにブレード３の先端部３ａの位置に形成されるため、杭１は切削された地盤中を降下し、土砂が杭本体２内に詰まることはない。
【００５８】
図５−（ａ）に示すようにブレード３の先端部３ａによる地盤の切削幅ｗは先端部３ａの幅Ｗに、杭１の貫入時の揺動による変位分を加えた程度の大きさであり、杭１を貫入させるために必要とされる掘削孔径は最小に留められ、必要以上に径の大きい掘削孔を形成せずに済んでいる。
【００５９】
ブレード３の先端部３ａによって切削された土砂は一旦、ブレード３の本体部３ｂ上に載り、杭１の掘進と共に相対的に本体部３ｂの上方へ送られるが、ブレード３が長さ方向に、または幅方向に屈曲、もしくは湾曲していることで、上方へ送られた後、本体部３ｂから落下する。本体部３ｂから落下した土砂は本体部３ｂが幅方向に屈曲、もしくは湾曲していることで、杭１の掘進に伴って土砂の下を通過するブレード３によって孔壁に押し付けられるため、切削時に緩められた孔壁は補修され、固められる。
【００６０】
前記のようにブレード３の本体部３ｂの、杭本体２からの突出幅が上方へかけて漸減することで、杭１の貫入時の抵抗は低下するため、杭１は掘削孔中に貫入し易くなっている。一方、図６に示すようにブレード３の先端部３ａが支持層に到達した貫入完了時点では、杭本体２先端部より上の孔壁の土砂が孔壁の半径方向に圧密されているため、孔壁から受ける杭１全体での摩擦力が大きくなり、それだけ周面摩擦力による支持力が増大する。
【００６１】
図８は地盤の切削効果を高めるために、杭本体２の先端に複数本のブレード３に加え、複数枚の切削爪３１を突設した杭１の製作例を示す。ここでは径と長さの異なる２本の内管２１と外管２２、及び両管２１、２２の先端間に跨る円錐台形状に成型されたリング鋼板２３から杭本体２を製作している。この場合、杭１は二重管構造になる。
【００６２】
図８の場合、内管２１と外管２２には主に鋼管が使用されるが、内管２１と外管２２の間にコンクリートを充填したコンクリート杭として杭１を成型することもできる。図８では３本のブレード３と３枚の切削爪３１を突設した場合を示しているが、それぞれの数は任意に設定される。
【００６３】
図８−（ｄ）に示すように内管２１と外管２２は、それぞれの上端の端面が揃えられ、径が小さく、長さが大きい内管２１の先端が径の大きい外管２２の先端から突出する形で組み合わせられ、両管２１、２２の先端間にリング鋼板２３が溶接される。内管２１と外管２２との間の間隔は両者間に介在するリング状の間隔保持材２４によって保持される。
【００６４】
ブレード３は先端部３ａが内管２６の内周面からリング鋼板２８の外周面に跨るように突設され、リング鋼板２８から外管２７へかけて本体部２ｂが螺旋状に突設される。切削爪３１はブレード３の先端部３ａと同様に杭本体２の外周面と内周面に跨り、杭本体２の先端位置から掘進側へ突出するが、図８の場合にはリング鋼板２３の外周面と内管２１の内周面との間に跨る形になる。
【００６５】
杭１は主として埋立地や盛土した地盤のような支持力の小さい地盤上に、木造住宅、鉄骨造構造物、鉄筋コンクリート造構造物等のような中低層建物等の構造物を構築する場合の支持杭として使用される。この他、法面補強杭、土砂崩れ防止用、水害防止用、風雪防止用、防音・防護ネット用等の基礎兼主柱として、また信号機用、街灯用、道路標識用等の基礎として、あるいはまた土砂災害発生後、復旧のための擁壁等の親杭等としても使用される。
【００６６】
図８に示す杭１は二重管構造であることから、（ａ）、（ｂ）に示すように外管２２の周方向の一部を材軸方向に切り欠くことで、山留め壁として使用される親杭横矢板の親杭として使用されることも可能である。矢板は杭１の切欠き部分に上方から挿入されることになる。
【００６７】
図９は図８に示す内管２１と外管２２、及びリング鋼板２３から製作される杭本体２の先端部側の一部を切り離し、独立させて製作した形の掘削用ヘッド２５の製作例を示す。ここに示す掘削ヘッド２５は図８に示す杭本体２と同様、径と長さが異なる内管２６と外管２７、及び円錐台形状に成型されたリング鋼板２８から製作され、リング鋼板２８の反対側の端部は開放する。内管２６と外管２７には鋼管が使用され、リング鋼板２８には扇状の鋼板が使用される。
【００６８】
掘削ヘッド２５は具体的には内管２６と、この内管２６の長さより短く、内管２６の径より大きい径の外管２７、及び内管２６の先端と外管２７の先端との間に跨って双方に接合され、円錐台形状に成型されたリング鋼板２８とを備え、内管２６の内周面からリング鋼板２８を経て外管２７の外周面までにブレード３が突設される。掘削ヘッド２５は杭本体２である既製コンクリート杭や鋼管杭等の既製杭と組み合わせられることにより先端開放型既製杭１を構成する。
【００６９】
ブレード３は図８に示す杭本体２のブレード３と同様、先端部３ａが内管２６の内周面からリング鋼板２８の外周面に跨るように突設され、リング鋼板２８から外管２７へかけて本体部２ｂが螺旋状に突設される。図９では３枚のブレード３を周方向に均等に突設しているが、隣接するブレード３、３間に図８における切削爪３１を突設することもある。
【００７０】
杭本体２である既製杭は図９−（ｂ）に示すように掘削ヘッド２５に対し、開放している側の端部から挿入され、溶接等の手段により掘削ヘッド２５に一体化する。例えば杭本体２が既製コンクリート杭（プレストレストコンクリート杭）の場合、杭本体２の両端部には継手される杭本体２との連結のためのバンドプレート２ａが固定されていることから、このバンドプレート２ａに掘削ヘッド２５の外管２７が溶接されることにより杭本体２と掘削ヘッド２５が一体化する。
【００７１】
杭本体２と掘削ヘッド２５の一体化を補うために、図９−（ｂ）に示すように外管２７の内周面に、杭本体２の軸方向にリブ２７ａを連続的に、もしくは断続的に突設すると共に、バンドプレート２ａの外周面にリブ２７ａが入り込む溝を形成しておくこともある。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の先端開放型既製杭の製作例を示した立面図である。
【図２】図１の底面図である。
【図３】図１に示す先端開放型既製杭を立体的に示した立面図である。
【図４】図３に示す先端開放型既製杭の先端側の内部を示した斜視図である。
【図５】（ａ）は図１に示す先端開放型既製杭の地中への貫入時の様子を示した縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【図６】図１に示す先端開放型既製杭の地中への貫入後の様子を示した立面図である。
【図７】（ａ）は地盤のレベルが杭打ち機より上に位置する場合の杭打ち機による先端開放型既製杭の貫入の様子を示した立面図、（ｂ）は地盤のレベルが杭打ち機より下に位置する場合の貫入の様子を示した立面図である。
【図８】（ａ）は二重管構造の杭の製作例を示した斜視図、（ｂ）は（ａ）の側面図、（ｃ）は（ｂ）の先端側の端面図、（ｄ）は杭の軸を通る面で切断した断面図である。
【図９】（ａ）は掘削ヘッドの製作例を示した斜視図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１………先端開放型既製杭
２………杭本体
２ａ……バンドプレート
２１……内管
２２……外管
２３……リング鋼板
２４……間隔保持材
２５……掘削ヘッド
２６……内管
２７……外管
２７ａ…リブ
２８……リング鋼板
３………ブレード
３ａ……先端部
３ｂ……本体部
３１……切削爪
４………杭打ち機
５………アーム
６………モータ
７………ワイヤ
８………リーダ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
杭本体の先端部の外周面に、前記杭本体の材軸に対して傾斜した１本、もしくは複数本のブレードが突設され、前記ブレードの先端部は前記杭本体の外周面と内周面に跨って前記杭本体の先端位置から掘進側へ突出し、前記ブレードはその先端部から前記杭本体の外周面まで螺旋状に連続していることを特徴とする先端開放型既製杭。
【請求項２】
前記ブレードはその長さ方向の中間部で上に凸に屈曲、もしくは湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の先端開放型既製杭。
【請求項３】
前記ブレードの、前記杭本体に対して孔壁側に位置する部分は前記杭本体を周方向に見たとき、前記孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲、もしくは湾曲していることを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載の先端開放型既製杭。
【請求項４】
前記ブレードはその先端部寄りの位置から上端位置へかけて捩じれた形状をしていることを特徴とする請求項３に記載の先端開放型既製杭。
【請求項５】
前記ブレードはその長さ方向、もしくは幅方向に分割された複数個のブレード構成材からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の先端開放型既製杭。
【請求項６】
前記ブレードの幅は前記杭本体の外径の０．０１〜０．５倍の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の先端開放型既製杭。
【請求項７】
前記ブレードの長さは前記杭本体の周長の０．０４〜０．５倍の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の先端開放型既製杭。
【請求項８】
前記ブレードは前記杭本体の中心に関して周方向に均等に複数個配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の先端開放型既製杭。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の先端開放型既製杭の先端部側の一部を構成する掘削ヘッドであり、内管と、この内管の長さより短く、前記内管の径より大きい径の外管、及び前記内管の先端と前記外管の先端との間に跨って双方に接合され、円錐台形状に成型されたリング鋼板とを備え、前記内管の内周面から前記リング鋼板を経て前記外管の外周面までに前記ブレードが突設されていることを特徴とする先端開放型既製杭用掘削ヘッド。
【請求項１】
杭本体の先端部の外周面に、前記杭本体の材軸に対して傾斜した１本、もしくは複数本のブレードが突設され、前記ブレードの先端部は前記杭本体の外周面と内周面に跨って前記杭本体の先端位置から掘進側へ突出し、前記ブレードはその先端部から前記杭本体の外周面まで螺旋状に連続していることを特徴とする先端開放型既製杭。
【請求項２】
前記ブレードはその長さ方向の中間部で上に凸に屈曲、もしくは湾曲していることを特徴とする請求項１に記載の先端開放型既製杭。
【請求項３】
前記ブレードの、前記杭本体に対して孔壁側に位置する部分は前記杭本体を周方向に見たとき、前記孔壁側が凸となるように幅方向に屈曲、もしくは湾曲していることを特徴とする請求項１、もしくは請求項２に記載の先端開放型既製杭。
【請求項４】
前記ブレードはその先端部寄りの位置から上端位置へかけて捩じれた形状をしていることを特徴とする請求項３に記載の先端開放型既製杭。
【請求項５】
前記ブレードはその長さ方向、もしくは幅方向に分割された複数個のブレード構成材からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の先端開放型既製杭。
【請求項６】
前記ブレードの幅は前記杭本体の外径の０．０１〜０．５倍の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の先端開放型既製杭。
【請求項７】
前記ブレードの長さは前記杭本体の周長の０．０４〜０．５倍の範囲にあることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の先端開放型既製杭。
【請求項８】
前記ブレードは前記杭本体の中心に関して周方向に均等に複数個配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の先端開放型既製杭。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の先端開放型既製杭の先端部側の一部を構成する掘削ヘッドであり、内管と、この内管の長さより短く、前記内管の径より大きい径の外管、及び前記内管の先端と前記外管の先端との間に跨って双方に接合され、円錐台形状に成型されたリング鋼板とを備え、前記内管の内周面から前記リング鋼板を経て前記外管の外周面までに前記ブレードが突設されていることを特徴とする先端開放型既製杭用掘削ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１１３３８７（Ｐ２００７−１１３３８７Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２５６９３９（Ｐ２００６−２５６９３９）
【出願日】平成１８年９月２２日（２００６．９．２２）
【出願人】（３０５０３９９４３）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月２２日（２００６．９．２２）
【出願人】（３０５０３９９４３）
【Ｆターム（参考）】
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