鋼管杭及びその施工方法
【課題】鋼管杭およびその施工方法を提供すること。
【解決手段】先端が開口している中空の鋼管杭であって、前記鋼管杭の先端部に、先端へ向かって外周面および内周面がそれぞれ漸次縮径するテーパー状外周面２およびテーパー状内周面３を有し、鋼管杭の先端に掘削ビット６を備えている。テーパー状部分４の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率が０．３〜５．５である。鋼管杭１の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）とこれに対する鋼管杭先端の外径Ｄ２との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．６０〜０．９５の範囲とされている。前記のような鋼管杭１を、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって硬質地盤を含む地盤に回転圧入する。
【解決手段】先端が開口している中空の鋼管杭であって、前記鋼管杭の先端部に、先端へ向かって外周面および内周面がそれぞれ漸次縮径するテーパー状外周面２およびテーパー状内周面３を有し、鋼管杭の先端に掘削ビット６を備えている。テーパー状部分４の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率が０．３〜５．５である。鋼管杭１の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）とこれに対する鋼管杭先端の外径Ｄ２との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．６０〜０．９５の範囲とされている。前記のような鋼管杭１を、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって硬質地盤を含む地盤に回転圧入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、港湾構造物あるいは橋梁の基礎や建物の基礎等、土木・建築分野においてに使用される鋼管杭及びその施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、杭外周面の摩擦力を期待する摩擦杭であって、杭の周面摩擦力を高める手段として、杭の先端部外周面をテーパー状外周面とすること、または杭全長の外周面をテーパー状外周面とすることは知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、テーパー状外周面を有するテーパー状杭を格子状に打ち込んで地盤表層部を締め固めて液状化防止を図るようにすることも知られている（例えば、特許文献３参照）
また、負の周面摩擦力を除去するためにテーパー状杭を地盤に貫入させることも知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００３】
また、杭の先端部に、円錐状のコーンを設けて先端が閉塞した閉端杭とすると共に、テーパー状外周面とする形態も知られている（例えば、特許文献５参照）。
【０００４】
前記従来のテーパー杭は、杭周面での高い摩擦力を獲得することを目的とし、杭先端支持力の獲得や、杭施工時における抵抗となる先端閉塞を低減することを目的とする技術ではない。
【０００５】
なお、場所打ち鉄筋コンクリート杭や既成コンクリート杭を埋設するために、先端側をテーパー状外周面およびテーパー状内周面としたケーシングを用いることも知られている（例えば、特許文献６，７参照）。
【０００６】
前記従来のテーパー状外周面およびテーパー状内周面としたケーシングは、杭周面摩擦力を大きくして杭の垂直荷重支持力を増大するとともに、掘削残土を低減することを目的としており、杭先端支持力の獲得や杭施工時の抵抗を低減することを目的とするものではなく、杭施工時における抵抗となる先端閉塞を低減することを目的とする技術ではない。
【０００７】
ところで、鋼管杭には、その先端が閉塞している閉端杭と、先端が開口している開端杭とがあり、本発明は、杭先端が開口している開端杭に属する。
また、鋼管杭には、支持層まで打ち込まないで周面摩擦力を主に発揮させて支持力を期待する摩擦杭と、支持層に打ち込んで杭先端部での支持力を主に発揮させて支持力を期待する支持杭とがあり、本発明は、鋼管杭を支持層に打ち込んで杭先端部での支持力を発揮させて支持力を期待する支持杭に属する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３４６５号公報
【特許文献２】特開２００７−３２７２８０号公報
【特許文献３】特開２００８−１９０１１６号公報
【特許文献４】特開昭５７−８１５２６号公報
【特許文献５】特開平８−２８４１６０号公報
【特許文献６】特開２００８−２９７７５２号公報
【特許文献７】特開２００５−２４８４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
杭を回転圧入施工によって地中に貫入させる際、貫入深度が大きくなるに従い、管内閉塞土の抵抗が大きく発生するため、高い押込み力・回転力が必要となる。ここで、押込み力とは、杭を地中の貫入方向に押し下げるために加える力を指す。また、回転力は、杭を回すために加える力を指す。
杭を回転圧入するための押込み力を確保するためには、反力が必要となり、反力を確保するためには、回転圧入施工機にカウンタウェイトを設置したり、アンカー等を設けたりすることが必要となるが、これらの輸送費や作業費、材料費などが必要となり、杭の施工コストが増加することになる。また、反力が大きくなると、回転圧入施工機も大能力化・大型化することになるので、杭施工コストを一段と増加させることになる。
さらに、杭の推進力を獲得するために、杭に推進用の螺旋翼あるいは羽根などの治具を取付けると、加工費および取付け費用や材料費が掛かることに加え、軟弱地盤の施工においては、逆に、螺旋翼あるいは羽根の間隔で、施工速度が制限されてしまうため、施工速度の低下に繋がる。
また、既成杭を支持層に貫入後、より高い支持力を獲得するために、既成杭の先端を確実に閉塞させる工法があるが、そのためには、杭先端の土を完全に排除した後、コンクリートを打設したり、杭先端にセメントミルクを注入して根固め部を造成したりする必要があった。
【００１０】
また、先端が開口している杭であってその杭先端部に掘削ビットを設けたビット付き開端杭では、回転圧入施工時には貫入量に伴い、管内に土が流入してきて堆積し、杭先端部の閉塞度合が高まり、杭圧入時の抵抗の原因となる。前記の杭先端の閉塞は、管内に流入した砂や粘土や石といった地盤を構成する材料(土)と、杭内側の内周面との摩擦によって生じる。
特に、杭回転圧入施工時に問題となるのは、杭を地中の貫入方向に押し込む押込み力であり、これは、杭回転圧入施工時においては、反力を、通常、錘や施工用の機械自体の自重で得るため、反力を大きくするためには、錘が多く必要になり不経済である。回転方向の力は、反力を反力獲得用の棒状の治具等で他の重機などに当てるなどして取ることができるため、問題になることは少ない。
したがって、回転圧入施工により杭を施工する場合には、杭を地中の貫入方向に押し込む押込み力を小さくすることができると、杭一本当たりの施工コストの低減を図ることができ、多数本地盤に回転圧入される杭のトータルの施工コストを格段に低減する上で重要になる。
本発明は前記の課題を有利に解消した、鋼管杭およびその施工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の課題を有利に解決するために、第１発明の鋼管杭においては、先端が開口してい中空の鋼管杭であって、前記鋼管杭の先端部に、先端へ向かって外周面および内周面がそれぞれ漸次縮径するテーパー状外周面およびテーパー状内周面を有し、鋼管杭の先端に掘削ビットを備えていることを特徴とする。
また、第２発明では、第１発明の鋼管杭において、鋼管杭の先端の掘削ビットは、鋼管杭の外径が一定の定常部の外周面から鋼管杭の半径方向で中心よりに離れた位置に配置されていることを特徴とする。
また、第３発明では、第１発明または第２発明の鋼管杭において、テーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．３〜５．５であることを特徴とする。
また、第４発明では、第１発明〜第３発明からのいずれかの鋼管杭において、テーパー状部分先端の外径（Ｄ２）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．６０〜０．９５の範囲とされていることを特徴とする
。
第５発明では、第１発明〜第４発明からのいずれかの鋼管杭において、テーパー状部分先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたことを特徴とする。
第６発明の鋼管杭の施工方法においては、第１発明〜第５発明の鋼管杭を、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって地盤に圧入することを特徴とする。
また、第７発明では、第６発明の鋼管杭の施工方法において、第１発明〜第５発明のいずれかの鋼管杭を、硬質地盤を含む地盤に回転圧入することを特徴とする。
第８発明の鋼管杭の施工方法では、第６発明または第７発明の鋼管杭の施工方法において、施工途中において、地中で鋼管杭を上下動させることで、鋼管杭内の土の高さを下げるようしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１発明によると、先端が開口している中空の鋼管杭であって、前記鋼管杭の先端部に、先端へ向かって外周面および内周面がそれぞれ漸次縮径するテーパー状外周面およびテーパー状内周面を有し、鋼管杭の先端に掘削ビットを備えているので、前記テーパー状部分により、杭内周面の摩擦による抵抗を軽減して施工性の向上を図ることができ、また、前記テーパー状部分により、杭底面の投影面積が増加し、地盤に対して抵抗するため、容易に高い支持力を得ることができる。また、地盤の拘束圧の高い深い支持層や硬い岩盤層などでは、テーパー状部分の底面投影面積の部分で高い圧縮荷重を負担できるため、通常のストレートな開端杭よりも高い支持力を発揮することができる。
通常、打ち込み杭などで、杭先端を閉塞させるためには、一定以上支持層に杭を貫入させる必要があるが、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭では、小さい貫入量でも、支持力の獲得が可能であり、また施工時間の短縮などが可能である等の効果が得られる。
第２発明によると、第１発明の鋼管杭において、鋼管杭の先端の掘削ビットは、鋼管杭の外径が一定の定常部の外周面から鋼管杭の半径方向で中心よりに離れた位置に配置されているので、ストレートな鋼管杭に比べて、回転圧入鋼管杭の平面外径の小型化を図ることができ、掘削外径が小さくなる分、掘削量が少なく、および施工性を向上させることができる効果が得られる。
第３発明によると、第１発明または第２発明の鋼管杭において、テーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．３〜５．５であるので、軟弱地盤においては、ストレートな鋼管杭に比べて、杭内周面の摩擦による抵抗を軽減して施工性の向上を図ることができ、支持層においては、少ない貫入量で高い支持力を発揮することができる効果が得られる。
第４発明によると、第１発明〜第３発明からのいずれかの鋼管杭において、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）とこれに対する鋼管杭先端の外径（Ｄ２）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．６０〜０．９５の範囲とされているので、ストレートな鋼管杭を施工する場合に比べて、回転圧入施工機におけるカウンタウェイトを少なくしたり、杭施工機械の小型化を図ることができると共に中間層における施工性の向上を図り、また支持層における貫入量の低減を図りながら支持力の増大を図ることが可能な先端テーパー状部分付きの鋼管杭とすることができる効果が得られる。
第５発明によると、第１発明〜第４発明からのいずれかの鋼管杭において、鋼管杭先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたので、先端地盤を掘削しながら効率よく施工することが可能な鋼管杭とすることができる効果が得られる。
第６発明によると、第１発明〜第５発明の鋼管杭を、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって地盤に圧入するので、先端部にテーパー状部分および掘削ビットを有する鋼管杭を用いて、施工コストを低減して施工することができ、また、ストレートな杭に比べて、支持層に対する貫入量が少なくても、高い支持力を有する基礎杭を施工性よく、低コストで施工することができる効果が得られる。
第７発明によると、第１発明〜第５発明のいずれかの鋼管杭を、硬質地盤を含む地盤に
回転圧入するので、硬質地盤を含む地盤であっても、低コストで施工することができ、また、硬質地盤の支持層に貫入させる場合には、ストレートな杭に比べて、支持層に対する貫入量が少なくても、高い支持力を有する基礎杭を施工することができる等の効果が得られる。
第８発明によると、第６発明または第７発明の鋼管杭の施工方法において、施工途中において、地中で鋼管杭を上下動させることで、鋼管杭内の土の高さを下げるようしたので、管内周面摩擦を低減しながら効率よく施工することができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）はａ−ａ断面図、（ｄ）は（ｂ）のｂ−ｂ矢視図である。
【図２】本発明の第２実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）は（ｂ）のｃ−ｃ断面図、（ｄ）は（ｂ）のｄ−ｄ断面図である。
【図３】回転圧入施工機により、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を地盤に回転圧入している状態を示す正面図である。
【図４】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を用いて、地盤に回転圧入する場合の土の流れを示す説明図である。
【図５】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を支持層に回転圧入した状態を示す縦断正面図である。
【図６】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を支持層へ圧入した場合の圧入深さと、管内土の高さと、先端テーパー状部分付近の寸法との関係を示す縦断正面図である。
【図７】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭と比較例としてのストレート杭について、杭の閉塞断面積あたりの押し込み力と、杭径に対する貫入量の比との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭と比較例としてのストレート杭について、杭径に対する先端沈下量の比と、杭の先端荷重度との関係を示すグラフである。
【図９】杭外径に対するテーパー状部分の長さの比と、先端テーパー状部分付き鋼管杭の必要押し込み力と、ストレート杭の必要押し込み力との比率である必要押し込み力比率との関係を示すグラフである。
【図１０】テーパー状部分の縮径率（Ｄ２／Ｄ１）と必要押し込み力比率との関係を示すグラフである。
【図１１】杭先端部の抵抗を示すものであって、（ａ）は比較例のストレート杭の場合を示す縦断正面図、（ｂ）は本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭の場合を示す縦断正面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）は（ｂ）のｅ−ｅ断面図、（ｄ）は（ｂ）のｆ−ｆ矢視図である。
【図１３】比較例としての鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）は（ｂ）のｇ−ｇ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１（ａ）〜（ｄ）には、本発明の第１実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１が示されている。
【００１６】
本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、回転圧入工法により打設される鋼管杭でその先端が開口している鋼管杭であり、その先端部には、テーパー状部分４を備え、そのテーパー状部分４の外周面および内周面には、それぞれ、先端に向かって杭長手方向に漸次縮径するテーパー状外周面２およびテーパー状内周面３が設けられている。また、テーパー状部分４の先端には、周方向に等角度間隔をおいて複数の掘削ビット６を備えている。複数の偶数個掘削ビット６を設ける場合には、対称に配置され、複数の奇数個配置する場合には等角度間隔をおいて設けられる。掘削ビット６は、適宜ホルダー部を介して鋼管杭先端部に固定されている。
【００１７】
このように、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の先端に掘削ビット６を設けると、地盤が硬質であっても、回転圧入工法において、図３に示すような回転圧入施工機７や、杭打ち用のリーダーを備えた杭施工機械を用いて、先端部地盤を掘削しながら、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を地盤、特に、図５に示すように、硬質地盤からなる支持層８に掘削しながら貫入させることができる。
【００１８】
図示の形態では、テーパー状部分４の先端部に掘削ビット６を備えており、鋼管杭の先端の掘削ビット６は、鋼管杭１の外径が一定の定常部の外周面９から鋼管杭の半径方向で中心よりに離れた位置に配置されているので、図１３に示すようなストレートな鋼管杭１０の先端部に掘削ビット６を設ける場合に比べて、掘削ビット付きの鋼管杭の平面外径寸法を小さくコンパクトにすることができ、複数の鋼管杭を複数段に荷積みしてトラック輸送する場合に、掘削ビット６が隣接する鋼管杭に干渉しないので、スペーサ等を介在させなくても、安定した状態で荷積みすることができ、また、地盤に回転圧入した場合に、図１３に示すようなストレートな鋼管杭１０の先端部に掘削ビット６を設ける場合に比べて、掘削ビット６により杭半径方向外側の地盤を大きく乱す恐れを排除することができる。
【００１９】
なお、本発明において、硬質地盤とは岩盤を言い、その岩盤は、軟岩系岩盤（圧縮強度〜２５ＭＰａ未満）と硬岩系岩盤（圧縮強度：２５ＭＰａ以上）とに分けられるが、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１はいずれの岩盤にも適用可能である。
【００２０】
前記のテーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の断面形態としては、杭長手方向の片側の断面形態として、外側および内側が、図示のように直線状であってもよく、図示を省略するが、曲線状であってもよい。テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の断面形態としては、杭中心軸上から半径方向で外側に向かって凸（半径方向で内側に向かって凹）でも、杭中心軸上から半径方向で内側に向かって凸（半径方向で外側に向かって凹）でもよい。
【００２１】
前記のように、杭先端部を縮径したテーパー状部分４を設けることにより、図４に矢印で示すように、積極的に土を杭の外側に流れるようにすることで、管内に流入する土を減らすことが可能となり、また、杭先端部の開口面積を減らすことで、管内に流入する土を
減らすことが可能となり、これらにより、杭先端部が管内土による閉塞の発生を抑制し、管内土と杭内周面との摩擦を軽減し、杭押込み力の軽減を図ることを可能にしている。
【００２２】
杭先端部にテーパー状部分４を設けることで、テーパー状外周面３に作用する土の抵抗は増大するが、回転圧入施工する工法を採用することで、杭周面の摩擦の増大を抑制することが可能である利点も生かしている。
【００２３】
テーパー状部分４の先端の外径Ｄ２と鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率である縮径率が小さく、テーパー状部分４の杭長手方向（軸方向）の長さＨ1と、外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率（Ｈ1／Ｄ１）が小さくなりすぎると［換言すると、テーパー状部分４のテーパー角θ（°）が大きくなりすぎると］、回転圧入施工時に、テーパー状部分４に作用する面圧による抵抗が高くなり、施工障害を生じる恐れがあるため、実施形態では、これらの比率を所定の範囲内に制限することで、良好な回転圧入施工性を図ることができるようにしている。なお、本発明では、前記のテーパー状部分４の杭長手方向（杭軸方向と同じ）の長さＨ1と、テーパー状部分４先端の外径Ｄ２と、外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１と、テーパー角θとの間には、ｔａｎθ＝（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｈ1の関係がある。また施工時には、テーパー状部分４は、地盤に対して回転方向と貫入方向鉛直が組み合わされた動きをすることに加え、杭の貫入方向とテーパー角θを有するため、地盤に対してせん断力および圧縮力を同時に作用させるとともに地盤を側方に押し広げる効果が発揮され、効率良く地盤を乱すことができ、テーパー状部分４の施工時の抵抗は小さいものとなる。
【００２４】
テーパー状部分４を設けることで、杭底面の投影面積が増加するため、支持層に貫入させた場合、テーパー状部分４により、確実な支持力を得ることができる。先端が開口している開端杭で支持力確保のためには、管内閉塞が不十分であっても確実な支持力を発揮することができる。テーパー状部分４の底面投影面積の部分で高い圧縮荷重を負担できるため、通常のストレートな開端杭を回転圧入施工して貫入させた場合よりも高い支持力を発揮することができる。
さらに、地盤の拘束圧が十分な硬質な地盤においては、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、確実に高い支持力を発揮し、先端が閉塞したストレートな鋼管杭を回転圧入施工によって貫入させた場合よりも高い支持力が期待できる。
先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を回転圧入施工する場合、その施工中に、地中で先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を上動および下動を交互に繰り返すことで、上動時に、管内の土が管の下方に落下し、下動時に落下した土が管外に押しのけられるため、管内の土の高さを下げることが可能となり、鋼管杭内周面１２と管内土１４の接触面を少なくして管内土１４との摩擦を軽減することで、施工荷重を低減することが可能となる。
【００２５】
本発明では、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ1と、外径が一定の定常部の外径Ｄ１との比率（Ｈ1／Ｄ１）が０．３〜５．５に設定される。すなわち、Ｈ1／Ｄ１が０．３〜５．５に設定される。
また、テーパー状部分先端の外径Ｄ２と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が、０．６０〜０．９５の範囲の外径Ｄ２に縮径されている。
【００２６】
前記のようにＨ1／Ｄ１を０．３〜５．５に設定した理由および先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のテーパー状部分４先端の外径Ｄ２を設定した理由について、図６〜図１０を参照して説明する。
先ず、図９を参照して説明すると、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を０．９とした場合で、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ1と、外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率（Ｈ1／Ｄ１）と、必要押し込み力比率（先端テーパー状部分付き鋼管杭１の必要押し込み力と
、ストレートな鋼管杭１０の必要押し込み力との比率）との関係を実験により調べたグラフである。
実験に用いた先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の緒元は、定常部の外径（Ｄ１）が１００ｍｍであり、鋼管部分の肉厚（ｔ）が４．２ｍｍであり、テーパー状部分４先端の外径（Ｄ２）が９０ｍｍである。また、全長に渡り外径（Ｄ１）が一定のストレートな鋼管杭１０の外径（Ｄ１）および鋼管部分の肉厚（ｔ）は、前記の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１と同じである。
【００２７】
図９から、Ｈ1／Ｄ１が０．３の時、必要押し込み力比率は０．９であり、また、Ｈ1／Ｄ１が０．４の時、必要押し込み力比率は０．６であり、また、Ｈ1／Ｄ１が１．３５の時、必要押し込み力比率は０．６であり、また、Ｈ1／Ｄ１が５．５の時、必要押し込み力比率は０．９０であることがわかる。このことから、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ1と、外径が一定の定常部の外径Ｄ１との比率（Ｈ1／Ｄ１）が０．３〜５．５の時、すなわち、Ｈ1／Ｄ１が０．３〜５．５の時に、必要押し込み力比率は、０．９以下になり、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、ストレートな鋼管杭１０に比べて少なくとも１割、必要押し込み力を低減することができることがわかる。
また、Ｈ1／Ｄ１が０．４０〜１．３５の時に、必要押し込み力比率は、０．６以下になり、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、ストレートな鋼管杭１０に比べて４割、必要押し込み力を低減することができることがわかる。
【００２８】
そして、図１０には、実験値をプロットして結んだ曲線を示し、この図は、鋼管杭先端の外径Ｄ２と鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率である縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を横軸にとり、各種縮径率の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１について、必要押し込み力比率を実験により調べて比較したグラフである。
【００２９】
図１０に示すように、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．６０の時、必要押し込み力比率は０．９であり、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．７５の時、必要押し込み力比率は０．６であり、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．９２の時、必要押し込み力比率は０．６０であり、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．９５の時、必要押し込み力比率は０．９０であることがわかる。
これらの図９および図１０に示す下に凸のグラフから、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．６０〜０．９５の範囲において、必要押し込み力比率が０．９０以下に低減し、必要押し込み力を少なくとも１０％低減することができ、また、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．７５〜０．９２の範囲において、必要押し込み力比率が０．６０以下になり、必要押し込み力が４０％低減することができることがわかる。
したがって、Ｈ1／Ｄ１を０．３〜５．５とし、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．６０〜０．９５とするのが好ましく、より好ましくは、Ｈ1／Ｄ１を０．３〜５．５とし、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を０．７５〜０．９２の範囲にするのがよい。
【００３０】
押し込み力比率が０．９以下に下がると、カウンタウェイト（錘）を大きく減らせることができ、例えば、必要押し込み力８６ｔ（トン），反力ウェイト６６ｔ（トン），回転圧入施工機械の重量２０ｔ（トン）の回転圧入施工設備の場合、必要押し込み力が１０％低減できれば８．６ｔ（トン）減とすることができ、カウンタウェイトを１３％減らすことが可能になる。
また、図９に示すように、Ｈ1／Ｄ１が０．４０〜１．３５であれば、必要押し込み力比率が０．６以下にできるため、さらにカウンタウェイトを軽減できることがわかる。このように、必要押し込み力比率を０．６以下にすると、回転圧入施工機を一段下の小型の回転圧入施工機を用いて杭を回転圧入施工することができるので、特に望ましい。
【００３１】
本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を地盤に回転圧入した場合に抵抗低減メカニズムについて、図１０並びに図１１を参照して説明する。
図１１（ａ）のストレート鋼管杭１０および図１１（ｂ）の先端テーパー付きの鋼管杭１において、ａおよびａ´を先端閉塞部での抵抗、ｂを先端外周面での抵抗、ｂ´をテーパー状部分による抵抗、ｃおよびｃ´を外周面摩擦による抵抗とした場合、また、τを管内土による抵抗とする。
このような場合、図１１（ａ）において、ａ＝τとなるから、図１１（ｂ）のように、Ｈ1／Ｄ１を小さくする（換言すると、テーパー状部分４のテーパー角（θ）を大きくする）と、テーパー状部分による抵抗ｂ´が増加するようになり、また、図１１（ｂ）において、テーパー状部分４の縮径率を増加させると、先端閉塞部での抵抗ａ´が減少し、テーパー状部分による抵抗ｂ´が増加するようになり、図１０の線図において、水平な部分（縮径率で７０％程度〜８０％程度の範囲）は、これらの抵抗の増減の効果により、釣り合う範囲である。
【００３２】
図２には、本発明の第２実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１が示されている。
この形態では、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のテーパー状部分４のＨ1／Ｄ１を、前記実施より大きく（テーパー角（θ）を小さく）した形態であり、その他の構成は、前記第１実施形態と同様である。本発明ではこのような形態でもよい。なお、前記実施形態と同様な部分には、同様な符号を付した。
【００３３】
なお、本発明を実施する場合、図１２に示す第３実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のように、テーパー状部分の先端に、図１または図２に示す掘削ビット６間に、図１２に示すように、テーパー状部分の先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部５を設けるようにした形態でもよい。あるいは図示を省略するが、掘削ビット６を兼ねた掘削方向に向かって尖らせた尖り部５を設けるようにしてもよい。
【００３４】
前記の掘削方向に向かって尖らせた尖り部５としては、掘進方向に向かって尖らせた尖り部５とすればよい。前記の場合に、杭周方向に尖らせた部分を備えていてもよい。
これらの形態のように、テーパー状部分の先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部５を設けると、地盤が硬質であっても、掘削ビット６と尖り部５によりあるいは鋼管杭先端部の掘削ビット６を兼ねた尖り部５により、杭打設施工時において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる。
【００３５】
前記のような本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を施工する場合には、従来と同様、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって地盤に圧入すればよく、図３に示すような回転圧入施工機７により、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の周側面を把持して回転圧入施工した場合では、従来の鋼管杭１０、すなわち、鋼管杭の外径Ｄ１およびその肉厚ｔが同じであるストレートな鋼管杭１０を施工する場合に比べて、本発明の先端テーパー状部分付き鋼管杭１は、図７に示す押し込み力当たりの貫入量、図８に示す先端荷重度（ｋＮ／ｍ２）の点で優れていることがわかる。
【００３６】
さらに説明すると、図７は、図６に示すように杭径Ｄ１，テーパー状部分４先端の外径Ｄ２の杭を用いた施工時の施工荷重である杭の閉塞断面積当りの押込み力（ｋＮ／ｍ２）−貫入量／杭径（Ｈ２／Ｄ１）の関係が示され、ストレートな鋼管杭（図７では、ストレート杭と表記した）に比べて、本発明の先端テーパー状部分付き鋼管杭１では、貫入量が大きいことがわかる。なお、符号１４は、管内土、符号１５は地盤である。
また、図８には、硬質地盤中に鋼管を杭径Ｄ１の３倍の長さ分、回転圧入施工した後に、静的に荷重をかけた際の、先端荷重度（ｋＮ／ｍ２）−先端沈下量／杭径（Ｄ１）の関係が示され、ストレート杭に比べて、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、先端荷重度が大きく、高い支持力が発揮されていることがわかる。
【００３７】
本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を施工する場合には、軟質地盤下の支持層まで貫入したり、硬質地盤を含む地盤に回転圧入すればよい。
【００３８】
なお、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を施工する場合に、施工途中で、地中で先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を上下動させることで、鋼管杭内の土（管内土）の高さを下げるようにすると、鋼管杭内における管内土と鋼管杭内周面１２との付着面積が少なくなるため、その分、抵抗が少なくなり、施工機械の負担を軽減し、効率よく施工することができる。
なお、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を上下動させる手段としては、回転圧入施工機７により先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を把持した状態で、回転圧入施工機７における液圧式等の伸縮式ジャッキ１３を伸縮させると、容易に先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を上下動させることができる。
【００３９】
本発明の先端部にテーパー状部分を有する鋼管杭１の鋼管本体部分を製作方法としては、１本の鋼管の先端部を、冷間曲げ成形によりテーパー状部分を形成するように製作してもよく、また、冷間プレス成型によりテーパー状部分を形成するように製作してもよく、あるいは扇状の帯鋼板を冷間曲げテーパー状に加工して両側縁部を溶接により接合して、大外径部が接続すべき鋼管とほぼ同じ外径のテーパー状の短管を製作し、そのテーパー状の短管の上端部を、１本の鋼管の先端部に溶接により固定して、テーパー状部分を有する鋼管杭本体を製作してもよい。また、１本の鋼管の先端部を、塑性加工して、先端部にテーパー状部分を有する鋼管杭本体を製作してもよい。このような各種の形態のテーパー状部分４に掘削ビット６を備えたホルダーを固定するようにして、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を製作するようにすればよい。
【符号の説明】
【００４０】
１ 先端テーパー状部分付きの鋼管杭
２ テーパー状外周面
３ テーパー状内周面
４ テーパー状部分
５ 尖り部
６ 掘削ビット
７ 回転圧入施工機
８ 支持層
９ 外径Ｄ１が一定の杭外周面
１０ ストレートな鋼管杭
１１ 砂（または土）
１２ 鋼管杭内周面
１３ 伸縮式ジャッキ
１４ 管内土
１５ 地盤
【技術分野】
【０００１】
本発明は、港湾構造物あるいは橋梁の基礎や建物の基礎等、土木・建築分野においてに使用される鋼管杭及びその施工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、杭外周面の摩擦力を期待する摩擦杭であって、杭の周面摩擦力を高める手段として、杭の先端部外周面をテーパー状外周面とすること、または杭全長の外周面をテーパー状外周面とすることは知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、テーパー状外周面を有するテーパー状杭を格子状に打ち込んで地盤表層部を締め固めて液状化防止を図るようにすることも知られている（例えば、特許文献３参照）
また、負の周面摩擦力を除去するためにテーパー状杭を地盤に貫入させることも知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００３】
また、杭の先端部に、円錐状のコーンを設けて先端が閉塞した閉端杭とすると共に、テーパー状外周面とする形態も知られている（例えば、特許文献５参照）。
【０００４】
前記従来のテーパー杭は、杭周面での高い摩擦力を獲得することを目的とし、杭先端支持力の獲得や、杭施工時における抵抗となる先端閉塞を低減することを目的とする技術ではない。
【０００５】
なお、場所打ち鉄筋コンクリート杭や既成コンクリート杭を埋設するために、先端側をテーパー状外周面およびテーパー状内周面としたケーシングを用いることも知られている（例えば、特許文献６，７参照）。
【０００６】
前記従来のテーパー状外周面およびテーパー状内周面としたケーシングは、杭周面摩擦力を大きくして杭の垂直荷重支持力を増大するとともに、掘削残土を低減することを目的としており、杭先端支持力の獲得や杭施工時の抵抗を低減することを目的とするものではなく、杭施工時における抵抗となる先端閉塞を低減することを目的とする技術ではない。
【０００７】
ところで、鋼管杭には、その先端が閉塞している閉端杭と、先端が開口している開端杭とがあり、本発明は、杭先端が開口している開端杭に属する。
また、鋼管杭には、支持層まで打ち込まないで周面摩擦力を主に発揮させて支持力を期待する摩擦杭と、支持層に打ち込んで杭先端部での支持力を主に発揮させて支持力を期待する支持杭とがあり、本発明は、鋼管杭を支持層に打ち込んで杭先端部での支持力を発揮させて支持力を期待する支持杭に属する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３４６５号公報
【特許文献２】特開２００７−３２７２８０号公報
【特許文献３】特開２００８−１９０１１６号公報
【特許文献４】特開昭５７−８１５２６号公報
【特許文献５】特開平８−２８４１６０号公報
【特許文献６】特開２００８−２９７７５２号公報
【特許文献７】特開２００５−２４８４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
杭を回転圧入施工によって地中に貫入させる際、貫入深度が大きくなるに従い、管内閉塞土の抵抗が大きく発生するため、高い押込み力・回転力が必要となる。ここで、押込み力とは、杭を地中の貫入方向に押し下げるために加える力を指す。また、回転力は、杭を回すために加える力を指す。
杭を回転圧入するための押込み力を確保するためには、反力が必要となり、反力を確保するためには、回転圧入施工機にカウンタウェイトを設置したり、アンカー等を設けたりすることが必要となるが、これらの輸送費や作業費、材料費などが必要となり、杭の施工コストが増加することになる。また、反力が大きくなると、回転圧入施工機も大能力化・大型化することになるので、杭施工コストを一段と増加させることになる。
さらに、杭の推進力を獲得するために、杭に推進用の螺旋翼あるいは羽根などの治具を取付けると、加工費および取付け費用や材料費が掛かることに加え、軟弱地盤の施工においては、逆に、螺旋翼あるいは羽根の間隔で、施工速度が制限されてしまうため、施工速度の低下に繋がる。
また、既成杭を支持層に貫入後、より高い支持力を獲得するために、既成杭の先端を確実に閉塞させる工法があるが、そのためには、杭先端の土を完全に排除した後、コンクリートを打設したり、杭先端にセメントミルクを注入して根固め部を造成したりする必要があった。
【００１０】
また、先端が開口している杭であってその杭先端部に掘削ビットを設けたビット付き開端杭では、回転圧入施工時には貫入量に伴い、管内に土が流入してきて堆積し、杭先端部の閉塞度合が高まり、杭圧入時の抵抗の原因となる。前記の杭先端の閉塞は、管内に流入した砂や粘土や石といった地盤を構成する材料(土)と、杭内側の内周面との摩擦によって生じる。
特に、杭回転圧入施工時に問題となるのは、杭を地中の貫入方向に押し込む押込み力であり、これは、杭回転圧入施工時においては、反力を、通常、錘や施工用の機械自体の自重で得るため、反力を大きくするためには、錘が多く必要になり不経済である。回転方向の力は、反力を反力獲得用の棒状の治具等で他の重機などに当てるなどして取ることができるため、問題になることは少ない。
したがって、回転圧入施工により杭を施工する場合には、杭を地中の貫入方向に押し込む押込み力を小さくすることができると、杭一本当たりの施工コストの低減を図ることができ、多数本地盤に回転圧入される杭のトータルの施工コストを格段に低減する上で重要になる。
本発明は前記の課題を有利に解消した、鋼管杭およびその施工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の課題を有利に解決するために、第１発明の鋼管杭においては、先端が開口してい中空の鋼管杭であって、前記鋼管杭の先端部に、先端へ向かって外周面および内周面がそれぞれ漸次縮径するテーパー状外周面およびテーパー状内周面を有し、鋼管杭の先端に掘削ビットを備えていることを特徴とする。
また、第２発明では、第１発明の鋼管杭において、鋼管杭の先端の掘削ビットは、鋼管杭の外径が一定の定常部の外周面から鋼管杭の半径方向で中心よりに離れた位置に配置されていることを特徴とする。
また、第３発明では、第１発明または第２発明の鋼管杭において、テーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．３〜５．５であることを特徴とする。
また、第４発明では、第１発明〜第３発明からのいずれかの鋼管杭において、テーパー状部分先端の外径（Ｄ２）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．６０〜０．９５の範囲とされていることを特徴とする
。
第５発明では、第１発明〜第４発明からのいずれかの鋼管杭において、テーパー状部分先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたことを特徴とする。
第６発明の鋼管杭の施工方法においては、第１発明〜第５発明の鋼管杭を、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって地盤に圧入することを特徴とする。
また、第７発明では、第６発明の鋼管杭の施工方法において、第１発明〜第５発明のいずれかの鋼管杭を、硬質地盤を含む地盤に回転圧入することを特徴とする。
第８発明の鋼管杭の施工方法では、第６発明または第７発明の鋼管杭の施工方法において、施工途中において、地中で鋼管杭を上下動させることで、鋼管杭内の土の高さを下げるようしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１発明によると、先端が開口している中空の鋼管杭であって、前記鋼管杭の先端部に、先端へ向かって外周面および内周面がそれぞれ漸次縮径するテーパー状外周面およびテーパー状内周面を有し、鋼管杭の先端に掘削ビットを備えているので、前記テーパー状部分により、杭内周面の摩擦による抵抗を軽減して施工性の向上を図ることができ、また、前記テーパー状部分により、杭底面の投影面積が増加し、地盤に対して抵抗するため、容易に高い支持力を得ることができる。また、地盤の拘束圧の高い深い支持層や硬い岩盤層などでは、テーパー状部分の底面投影面積の部分で高い圧縮荷重を負担できるため、通常のストレートな開端杭よりも高い支持力を発揮することができる。
通常、打ち込み杭などで、杭先端を閉塞させるためには、一定以上支持層に杭を貫入させる必要があるが、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭では、小さい貫入量でも、支持力の獲得が可能であり、また施工時間の短縮などが可能である等の効果が得られる。
第２発明によると、第１発明の鋼管杭において、鋼管杭の先端の掘削ビットは、鋼管杭の外径が一定の定常部の外周面から鋼管杭の半径方向で中心よりに離れた位置に配置されているので、ストレートな鋼管杭に比べて、回転圧入鋼管杭の平面外径の小型化を図ることができ、掘削外径が小さくなる分、掘削量が少なく、および施工性を向上させることができる効果が得られる。
第３発明によると、第１発明または第２発明の鋼管杭において、テーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．３〜５．５であるので、軟弱地盤においては、ストレートな鋼管杭に比べて、杭内周面の摩擦による抵抗を軽減して施工性の向上を図ることができ、支持層においては、少ない貫入量で高い支持力を発揮することができる効果が得られる。
第４発明によると、第１発明〜第３発明からのいずれかの鋼管杭において、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）とこれに対する鋼管杭先端の外径（Ｄ２）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．６０〜０．９５の範囲とされているので、ストレートな鋼管杭を施工する場合に比べて、回転圧入施工機におけるカウンタウェイトを少なくしたり、杭施工機械の小型化を図ることができると共に中間層における施工性の向上を図り、また支持層における貫入量の低減を図りながら支持力の増大を図ることが可能な先端テーパー状部分付きの鋼管杭とすることができる効果が得られる。
第５発明によると、第１発明〜第４発明からのいずれかの鋼管杭において、鋼管杭先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたので、先端地盤を掘削しながら効率よく施工することが可能な鋼管杭とすることができる効果が得られる。
第６発明によると、第１発明〜第５発明の鋼管杭を、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって地盤に圧入するので、先端部にテーパー状部分および掘削ビットを有する鋼管杭を用いて、施工コストを低減して施工することができ、また、ストレートな杭に比べて、支持層に対する貫入量が少なくても、高い支持力を有する基礎杭を施工性よく、低コストで施工することができる効果が得られる。
第７発明によると、第１発明〜第５発明のいずれかの鋼管杭を、硬質地盤を含む地盤に
回転圧入するので、硬質地盤を含む地盤であっても、低コストで施工することができ、また、硬質地盤の支持層に貫入させる場合には、ストレートな杭に比べて、支持層に対する貫入量が少なくても、高い支持力を有する基礎杭を施工することができる等の効果が得られる。
第８発明によると、第６発明または第７発明の鋼管杭の施工方法において、施工途中において、地中で鋼管杭を上下動させることで、鋼管杭内の土の高さを下げるようしたので、管内周面摩擦を低減しながら効率よく施工することができる等の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）はａ−ａ断面図、（ｄ）は（ｂ）のｂ−ｂ矢視図である。
【図２】本発明の第２実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）は（ｂ）のｃ−ｃ断面図、（ｄ）は（ｂ）のｄ−ｄ断面図である。
【図３】回転圧入施工機により、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を地盤に回転圧入している状態を示す正面図である。
【図４】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を用いて、地盤に回転圧入する場合の土の流れを示す説明図である。
【図５】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を支持層に回転圧入した状態を示す縦断正面図である。
【図６】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を支持層へ圧入した場合の圧入深さと、管内土の高さと、先端テーパー状部分付近の寸法との関係を示す縦断正面図である。
【図７】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭と比較例としてのストレート杭について、杭の閉塞断面積あたりの押し込み力と、杭径に対する貫入量の比との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭と比較例としてのストレート杭について、杭径に対する先端沈下量の比と、杭の先端荷重度との関係を示すグラフである。
【図９】杭外径に対するテーパー状部分の長さの比と、先端テーパー状部分付き鋼管杭の必要押し込み力と、ストレート杭の必要押し込み力との比率である必要押し込み力比率との関係を示すグラフである。
【図１０】テーパー状部分の縮径率（Ｄ２／Ｄ１）と必要押し込み力比率との関係を示すグラフである。
【図１１】杭先端部の抵抗を示すものであって、（ａ）は比較例のストレート杭の場合を示す縦断正面図、（ｂ）は本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭の場合を示す縦断正面図である。
【図１２】本発明の第３実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）は（ｂ）のｅ−ｅ断面図、（ｄ）は（ｂ）のｆ−ｆ矢視図である。
【図１３】比較例としての鋼管杭を示すものであって、（ａ）は正面図、（ｂ）は縦断正面図、（ｃ）は（ｂ）のｇ−ｇ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１（ａ）〜（ｄ）には、本発明の第１実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１が示されている。
【００１６】
本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、回転圧入工法により打設される鋼管杭でその先端が開口している鋼管杭であり、その先端部には、テーパー状部分４を備え、そのテーパー状部分４の外周面および内周面には、それぞれ、先端に向かって杭長手方向に漸次縮径するテーパー状外周面２およびテーパー状内周面３が設けられている。また、テーパー状部分４の先端には、周方向に等角度間隔をおいて複数の掘削ビット６を備えている。複数の偶数個掘削ビット６を設ける場合には、対称に配置され、複数の奇数個配置する場合には等角度間隔をおいて設けられる。掘削ビット６は、適宜ホルダー部を介して鋼管杭先端部に固定されている。
【００１７】
このように、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の先端に掘削ビット６を設けると、地盤が硬質であっても、回転圧入工法において、図３に示すような回転圧入施工機７や、杭打ち用のリーダーを備えた杭施工機械を用いて、先端部地盤を掘削しながら、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を地盤、特に、図５に示すように、硬質地盤からなる支持層８に掘削しながら貫入させることができる。
【００１８】
図示の形態では、テーパー状部分４の先端部に掘削ビット６を備えており、鋼管杭の先端の掘削ビット６は、鋼管杭１の外径が一定の定常部の外周面９から鋼管杭の半径方向で中心よりに離れた位置に配置されているので、図１３に示すようなストレートな鋼管杭１０の先端部に掘削ビット６を設ける場合に比べて、掘削ビット付きの鋼管杭の平面外径寸法を小さくコンパクトにすることができ、複数の鋼管杭を複数段に荷積みしてトラック輸送する場合に、掘削ビット６が隣接する鋼管杭に干渉しないので、スペーサ等を介在させなくても、安定した状態で荷積みすることができ、また、地盤に回転圧入した場合に、図１３に示すようなストレートな鋼管杭１０の先端部に掘削ビット６を設ける場合に比べて、掘削ビット６により杭半径方向外側の地盤を大きく乱す恐れを排除することができる。
【００１９】
なお、本発明において、硬質地盤とは岩盤を言い、その岩盤は、軟岩系岩盤（圧縮強度〜２５ＭＰａ未満）と硬岩系岩盤（圧縮強度：２５ＭＰａ以上）とに分けられるが、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１はいずれの岩盤にも適用可能である。
【００２０】
前記のテーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の断面形態としては、杭長手方向の片側の断面形態として、外側および内側が、図示のように直線状であってもよく、図示を省略するが、曲線状であってもよい。テーパー状外周面２およびテーパー状内周面３の杭長手方向の断面形態としては、杭中心軸上から半径方向で外側に向かって凸（半径方向で内側に向かって凹）でも、杭中心軸上から半径方向で内側に向かって凸（半径方向で外側に向かって凹）でもよい。
【００２１】
前記のように、杭先端部を縮径したテーパー状部分４を設けることにより、図４に矢印で示すように、積極的に土を杭の外側に流れるようにすることで、管内に流入する土を減らすことが可能となり、また、杭先端部の開口面積を減らすことで、管内に流入する土を
減らすことが可能となり、これらにより、杭先端部が管内土による閉塞の発生を抑制し、管内土と杭内周面との摩擦を軽減し、杭押込み力の軽減を図ることを可能にしている。
【００２２】
杭先端部にテーパー状部分４を設けることで、テーパー状外周面３に作用する土の抵抗は増大するが、回転圧入施工する工法を採用することで、杭周面の摩擦の増大を抑制することが可能である利点も生かしている。
【００２３】
テーパー状部分４の先端の外径Ｄ２と鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率である縮径率が小さく、テーパー状部分４の杭長手方向（軸方向）の長さＨ1と、外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率（Ｈ1／Ｄ１）が小さくなりすぎると［換言すると、テーパー状部分４のテーパー角θ（°）が大きくなりすぎると］、回転圧入施工時に、テーパー状部分４に作用する面圧による抵抗が高くなり、施工障害を生じる恐れがあるため、実施形態では、これらの比率を所定の範囲内に制限することで、良好な回転圧入施工性を図ることができるようにしている。なお、本発明では、前記のテーパー状部分４の杭長手方向（杭軸方向と同じ）の長さＨ1と、テーパー状部分４先端の外径Ｄ２と、外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１と、テーパー角θとの間には、ｔａｎθ＝（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｈ1の関係がある。また施工時には、テーパー状部分４は、地盤に対して回転方向と貫入方向鉛直が組み合わされた動きをすることに加え、杭の貫入方向とテーパー角θを有するため、地盤に対してせん断力および圧縮力を同時に作用させるとともに地盤を側方に押し広げる効果が発揮され、効率良く地盤を乱すことができ、テーパー状部分４の施工時の抵抗は小さいものとなる。
【００２４】
テーパー状部分４を設けることで、杭底面の投影面積が増加するため、支持層に貫入させた場合、テーパー状部分４により、確実な支持力を得ることができる。先端が開口している開端杭で支持力確保のためには、管内閉塞が不十分であっても確実な支持力を発揮することができる。テーパー状部分４の底面投影面積の部分で高い圧縮荷重を負担できるため、通常のストレートな開端杭を回転圧入施工して貫入させた場合よりも高い支持力を発揮することができる。
さらに、地盤の拘束圧が十分な硬質な地盤においては、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１は、確実に高い支持力を発揮し、先端が閉塞したストレートな鋼管杭を回転圧入施工によって貫入させた場合よりも高い支持力が期待できる。
先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を回転圧入施工する場合、その施工中に、地中で先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を上動および下動を交互に繰り返すことで、上動時に、管内の土が管の下方に落下し、下動時に落下した土が管外に押しのけられるため、管内の土の高さを下げることが可能となり、鋼管杭内周面１２と管内土１４の接触面を少なくして管内土１４との摩擦を軽減することで、施工荷重を低減することが可能となる。
【００２５】
本発明では、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ1と、外径が一定の定常部の外径Ｄ１との比率（Ｈ1／Ｄ１）が０．３〜５．５に設定される。すなわち、Ｈ1／Ｄ１が０．３〜５．５に設定される。
また、テーパー状部分先端の外径Ｄ２と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が、０．６０〜０．９５の範囲の外径Ｄ２に縮径されている。
【００２６】
前記のようにＨ1／Ｄ１を０．３〜５．５に設定した理由および先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のテーパー状部分４先端の外径Ｄ２を設定した理由について、図６〜図１０を参照して説明する。
先ず、図９を参照して説明すると、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を０．９とした場合で、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ1と、外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率（Ｈ1／Ｄ１）と、必要押し込み力比率（先端テーパー状部分付き鋼管杭１の必要押し込み力と
、ストレートな鋼管杭１０の必要押し込み力との比率）との関係を実験により調べたグラフである。
実験に用いた先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の緒元は、定常部の外径（Ｄ１）が１００ｍｍであり、鋼管部分の肉厚（ｔ）が４．２ｍｍであり、テーパー状部分４先端の外径（Ｄ２）が９０ｍｍである。また、全長に渡り外径（Ｄ１）が一定のストレートな鋼管杭１０の外径（Ｄ１）および鋼管部分の肉厚（ｔ）は、前記の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１と同じである。
【００２７】
図９から、Ｈ1／Ｄ１が０．３の時、必要押し込み力比率は０．９であり、また、Ｈ1／Ｄ１が０．４の時、必要押し込み力比率は０．６であり、また、Ｈ1／Ｄ１が１．３５の時、必要押し込み力比率は０．６であり、また、Ｈ1／Ｄ１が５．５の時、必要押し込み力比率は０．９０であることがわかる。このことから、テーパー状部分４の杭長手方向の長さＨ1と、外径が一定の定常部の外径Ｄ１との比率（Ｈ1／Ｄ１）が０．３〜５．５の時、すなわち、Ｈ1／Ｄ１が０．３〜５．５の時に、必要押し込み力比率は、０．９以下になり、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、ストレートな鋼管杭１０に比べて少なくとも１割、必要押し込み力を低減することができることがわかる。
また、Ｈ1／Ｄ１が０．４０〜１．３５の時に、必要押し込み力比率は、０．６以下になり、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、ストレートな鋼管杭１０に比べて４割、必要押し込み力を低減することができることがわかる。
【００２８】
そして、図１０には、実験値をプロットして結んだ曲線を示し、この図は、鋼管杭先端の外径Ｄ２と鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径Ｄ１との比率である縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を横軸にとり、各種縮径率の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１について、必要押し込み力比率を実験により調べて比較したグラフである。
【００２９】
図１０に示すように、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．６０の時、必要押し込み力比率は０．９であり、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．７５の時、必要押し込み力比率は０．６であり、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．９２の時、必要押し込み力比率は０．６０であり、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．９５の時、必要押し込み力比率は０．９０であることがわかる。
これらの図９および図１０に示す下に凸のグラフから、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．６０〜０．９５の範囲において、必要押し込み力比率が０．９０以下に低減し、必要押し込み力を少なくとも１０％低減することができ、また、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．７５〜０．９２の範囲において、必要押し込み力比率が０．６０以下になり、必要押し込み力が４０％低減することができることがわかる。
したがって、Ｈ1／Ｄ１を０．３〜５．５とし、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）が０．６０〜０．９５とするのが好ましく、より好ましくは、Ｈ1／Ｄ１を０．３〜５．５とし、縮径率（Ｄ２／Ｄ１）を０．７５〜０．９２の範囲にするのがよい。
【００３０】
押し込み力比率が０．９以下に下がると、カウンタウェイト（錘）を大きく減らせることができ、例えば、必要押し込み力８６ｔ（トン），反力ウェイト６６ｔ（トン），回転圧入施工機械の重量２０ｔ（トン）の回転圧入施工設備の場合、必要押し込み力が１０％低減できれば８．６ｔ（トン）減とすることができ、カウンタウェイトを１３％減らすことが可能になる。
また、図９に示すように、Ｈ1／Ｄ１が０．４０〜１．３５であれば、必要押し込み力比率が０．６以下にできるため、さらにカウンタウェイトを軽減できることがわかる。このように、必要押し込み力比率を０．６以下にすると、回転圧入施工機を一段下の小型の回転圧入施工機を用いて杭を回転圧入施工することができるので、特に望ましい。
【００３１】
本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を地盤に回転圧入した場合に抵抗低減メカニズムについて、図１０並びに図１１を参照して説明する。
図１１（ａ）のストレート鋼管杭１０および図１１（ｂ）の先端テーパー付きの鋼管杭１において、ａおよびａ´を先端閉塞部での抵抗、ｂを先端外周面での抵抗、ｂ´をテーパー状部分による抵抗、ｃおよびｃ´を外周面摩擦による抵抗とした場合、また、τを管内土による抵抗とする。
このような場合、図１１（ａ）において、ａ＝τとなるから、図１１（ｂ）のように、Ｈ1／Ｄ１を小さくする（換言すると、テーパー状部分４のテーパー角（θ）を大きくする）と、テーパー状部分による抵抗ｂ´が増加するようになり、また、図１１（ｂ）において、テーパー状部分４の縮径率を増加させると、先端閉塞部での抵抗ａ´が減少し、テーパー状部分による抵抗ｂ´が増加するようになり、図１０の線図において、水平な部分（縮径率で７０％程度〜８０％程度の範囲）は、これらの抵抗の増減の効果により、釣り合う範囲である。
【００３２】
図２には、本発明の第２実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１が示されている。
この形態では、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のテーパー状部分４のＨ1／Ｄ１を、前記実施より大きく（テーパー角（θ）を小さく）した形態であり、その他の構成は、前記第１実施形態と同様である。本発明ではこのような形態でもよい。なお、前記実施形態と同様な部分には、同様な符号を付した。
【００３３】
なお、本発明を実施する場合、図１２に示す第３実施形態の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１のように、テーパー状部分の先端に、図１または図２に示す掘削ビット６間に、図１２に示すように、テーパー状部分の先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部５を設けるようにした形態でもよい。あるいは図示を省略するが、掘削ビット６を兼ねた掘削方向に向かって尖らせた尖り部５を設けるようにしてもよい。
【００３４】
前記の掘削方向に向かって尖らせた尖り部５としては、掘進方向に向かって尖らせた尖り部５とすればよい。前記の場合に、杭周方向に尖らせた部分を備えていてもよい。
これらの形態のように、テーパー状部分の先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部５を設けると、地盤が硬質であっても、掘削ビット６と尖り部５によりあるいは鋼管杭先端部の掘削ビット６を兼ねた尖り部５により、杭打設施工時において、先端部地盤を破壊または掘削しながら、鋼管杭を地盤に貫入させることができる。
【００３５】
前記のような本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を施工する場合には、従来と同様、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって地盤に圧入すればよく、図３に示すような回転圧入施工機７により、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１の周側面を把持して回転圧入施工した場合では、従来の鋼管杭１０、すなわち、鋼管杭の外径Ｄ１およびその肉厚ｔが同じであるストレートな鋼管杭１０を施工する場合に比べて、本発明の先端テーパー状部分付き鋼管杭１は、図７に示す押し込み力当たりの貫入量、図８に示す先端荷重度（ｋＮ／ｍ２）の点で優れていることがわかる。
【００３６】
さらに説明すると、図７は、図６に示すように杭径Ｄ１，テーパー状部分４先端の外径Ｄ２の杭を用いた施工時の施工荷重である杭の閉塞断面積当りの押込み力（ｋＮ／ｍ２）−貫入量／杭径（Ｈ２／Ｄ１）の関係が示され、ストレートな鋼管杭（図７では、ストレート杭と表記した）に比べて、本発明の先端テーパー状部分付き鋼管杭１では、貫入量が大きいことがわかる。なお、符号１４は、管内土、符号１５は地盤である。
また、図８には、硬質地盤中に鋼管を杭径Ｄ１の３倍の長さ分、回転圧入施工した後に、静的に荷重をかけた際の、先端荷重度（ｋＮ／ｍ２）−先端沈下量／杭径（Ｄ１）の関係が示され、ストレート杭に比べて、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１では、先端荷重度が大きく、高い支持力が発揮されていることがわかる。
【００３７】
本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を施工する場合には、軟質地盤下の支持層まで貫入したり、硬質地盤を含む地盤に回転圧入すればよい。
【００３８】
なお、本発明の先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を施工する場合に、施工途中で、地中で先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を上下動させることで、鋼管杭内の土（管内土）の高さを下げるようにすると、鋼管杭内における管内土と鋼管杭内周面１２との付着面積が少なくなるため、その分、抵抗が少なくなり、施工機械の負担を軽減し、効率よく施工することができる。
なお、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を上下動させる手段としては、回転圧入施工機７により先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を把持した状態で、回転圧入施工機７における液圧式等の伸縮式ジャッキ１３を伸縮させると、容易に先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を上下動させることができる。
【００３９】
本発明の先端部にテーパー状部分を有する鋼管杭１の鋼管本体部分を製作方法としては、１本の鋼管の先端部を、冷間曲げ成形によりテーパー状部分を形成するように製作してもよく、また、冷間プレス成型によりテーパー状部分を形成するように製作してもよく、あるいは扇状の帯鋼板を冷間曲げテーパー状に加工して両側縁部を溶接により接合して、大外径部が接続すべき鋼管とほぼ同じ外径のテーパー状の短管を製作し、そのテーパー状の短管の上端部を、１本の鋼管の先端部に溶接により固定して、テーパー状部分を有する鋼管杭本体を製作してもよい。また、１本の鋼管の先端部を、塑性加工して、先端部にテーパー状部分を有する鋼管杭本体を製作してもよい。このような各種の形態のテーパー状部分４に掘削ビット６を備えたホルダーを固定するようにして、先端テーパー状部分付きの鋼管杭１を製作するようにすればよい。
【符号の説明】
【００４０】
１ 先端テーパー状部分付きの鋼管杭
２ テーパー状外周面
３ テーパー状内周面
４ テーパー状部分
５ 尖り部
６ 掘削ビット
７ 回転圧入施工機
８ 支持層
９ 外径Ｄ１が一定の杭外周面
１０ ストレートな鋼管杭
１１ 砂（または土）
１２ 鋼管杭内周面
１３ 伸縮式ジャッキ
１４ 管内土
１５ 地盤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端が開口している中空の鋼管杭であって、
前記鋼管杭の先端部に、先端へ向かって外周面および内周面がそれぞれ漸次縮径するテーパー状外周面およびテーパー状内周面を有し、鋼管杭の先端に掘削ビットを備えていることを特徴とする鋼管杭。
【請求項２】
鋼管杭の先端の掘削ビットは、鋼管杭の外径が一定の定常部の外周面から鋼管杭の半径方向で中心よりに離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管杭。
【請求項３】
テーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．３〜５．５であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管杭。
【請求項４】
テーパー状部分先端の外径（Ｄ２）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．６０〜０．９５の範囲とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼管杭。
【請求項５】
鋼管杭先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼管杭。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼管杭を、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって地盤に圧入することを特徴とする鋼管杭の施工方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼管杭を、硬質地盤を含む地盤に回転圧入することを特徴とする請求項６に記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７の鋼管杭の施工方法において、施工途中において、地中で鋼管杭を回転させながら、あるいは回転を加えずに、または、それらを組合せながら上下動させることで、鋼管杭内の土の高さを下げるようにしたことを特徴とする鋼管杭の施工方法。
【請求項１】
先端が開口している中空の鋼管杭であって、
前記鋼管杭の先端部に、先端へ向かって外周面および内周面がそれぞれ漸次縮径するテーパー状外周面およびテーパー状内周面を有し、鋼管杭の先端に掘削ビットを備えていることを特徴とする鋼管杭。
【請求項２】
鋼管杭の先端の掘削ビットは、鋼管杭の外径が一定の定常部の外周面から鋼管杭の半径方向で中心よりに離れた位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の鋼管杭。
【請求項３】
テーパー状部分の杭長手方向の長さ（Ｈ１）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｈ１／Ｄ１）が０．３〜５．５であることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼管杭。
【請求項４】
テーパー状部分先端の外径（Ｄ２）と、鋼管杭の外径が一定の定常部の杭外径（Ｄ１）との比率（Ｄ２／Ｄ１）である縮径率が、０．６０〜０．９５の範囲とされていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の鋼管杭。
【請求項５】
鋼管杭先端に、掘削方向に向かって尖らせた尖り部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の鋼管杭。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼管杭を、鋼管杭に回転力および押込み力を付与する回転圧入工法によって地盤に圧入することを特徴とする鋼管杭の施工方法。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の鋼管杭を、硬質地盤を含む地盤に回転圧入することを特徴とする請求項６に記載の鋼管杭の施工方法。
【請求項８】
請求項６または請求項７の鋼管杭の施工方法において、施工途中において、地中で鋼管杭を回転させながら、あるいは回転を加えずに、または、それらを組合せながら上下動させることで、鋼管杭内の土の高さを下げるようにしたことを特徴とする鋼管杭の施工方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２４２４６５（Ｐ２０１０−２４２４６５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９５７３２（Ｐ２００９−９５７３２）
【出願日】平成２１年４月１０日（２００９．４．１０）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１０日（２００９．４．１０）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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