JP6242527B1 - 杭施工用の鋼管接合構造 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼管杭等のように鋼管を地盤に回転圧入により貫入する工程を伴う杭施工の際に、短尺の鋼管同士を接合する鋼管接合構造として、大きな回転トルクを伝達可能な鋼管接合構造を提供する。
【解決手段】接合すべき一方の鋼管１の端部と他方の鋼管２の端部とに、互いにボルト接合可能なフランジ３、４をそれぞれ溶接固定してなり、各フランジ３、４はドーナツ形のフランジ基部（フランジ基板５）上に、回転方向に互いに当接可能な複数（図示例では２つ）の凸部（扇形凸部６）を設ける。両フランジ３、４は凸部６において互いに当接するので、単なる平板フランジ同士をボルト接合する構造と異なり、小径ボルトでボルト接合しても大きな回転トルクの伝達が可能となる。鋼管外周面から張り出すフランジ幅をあまり広くせずに済む。

【選択図】図３

Description

この発明は、鋼管を地盤に回転圧入により貫入する工程を伴う杭施工の際に、短尺の鋼管同士を接合する杭施工用の鋼管接合構造に関する。

杭施工法として鋼管を地盤に回転圧入により貫入する工程を伴う種々の工法がある。この種の杭施工法として、例えば鋼管杭の施工であれば、地盤に貫入する鋼管杭として必要な長さのままでは通常、搬送や施工等に支障があるので、施工現場で複数の短尺の鋼管同士を直接溶接接合して１本の鋼管杭とすることが行われている。
この溶接接合による接合方式は、溶接技能者を確保しなければならない、溶接部の品質管理を必要とする、溶接作業に長時間を要する、これらからコストアップとなる等の問題があり、溶接接合でない種々の鋼管接合構造が提案されている。

特許文献１（特開２０１１−１５７７３１）の接合構造は、鋼管の端部にフランジを溶接固定しフランジ同士をボルトで接合するフランジ接合構造である。このフランジ接合構造は、一般的なフランジ接合構造であって、単なるドーナツ形平板であるフランジにボルト孔をあけた平板フランジを鋼管端部に溶接固定して、ボルト孔を通したボルトで平板フランジ同士を締め付けて接合するものであり、両フランジ間の摩擦力によって回転トルクを伝達する。
この特許文献１は、通常の鋼管杭の施工では、地盤を掘削しながら鋼管を回転圧入させなければならず、鋼管同士の接続部に大きな力が作用するので、鋼管同士を強固に接続しなければならず、接続部の構成が複雑になるという背景のもとに、地盤を改良してソイルセメントを製造しておき、このソイルセメント内に鋼管杭を挿入するというものである（特許文献１の[０００４]参照）。

フランジ接合構造の特殊なものとして、特許文献２（特開２０１３−１１２９５３）、特許文献３（特開２０１１−６９０７２）のように、傾斜した半月板形フランジを管端部に溶接固定し、傾斜半月板形フランジ同士をボルトで接合する特殊形状のものもある。

特許文献４（特開２０１１−５２３９６）の接合構造は、一方の鋼管の端部に雄ねじ継手、他方の鋼管の端部に雌ねじ継手をそれぞれ工場にて溶接固定しておき、施工現場では一方の鋼管の雄ねじ継手と他方の鋼管の雌ねじ継手とを螺合させることで、２つの鋼管を接合するというものである。

特許文献５（特開２００２−２９４６９４）の接合構造は、２つの鋼管杭の端部どうしを互いに突き合わせ、その突合せ部の外側に鋼管スリーブをその径方向に圧縮した状態に取り付けるという接合構造である。この場合、鋼管スリーブの材質および／または断面形状を、鋼管スリーブが鋼管より先に塑性変形するように選定する。これにより、ねじ式などの機械式接合や溶接接合を使わずに、鋼管杭のような肉厚の相当厚い鋼管もきわめて簡単に接合できるとされる。

溶接接合以外の接合構造として、特許文献１〜５以外にも多くの接合構造が提案されている。例えば、特許文献６（特開２００９−１９１５２２）、特許文献７（特開２００６−２９９６６５）、特許文献８（特開２００８−６９６１１）、特許文献９（特開２０１１−６９０７１）等があるが、いずれもかなり複雑な構造を採用するものであり、それらの説明は省略する。

特開２０１１−１１５７７３１ 特開２０１３−１１２９５３ 特開２０１１−６９０７２ 特開２０１１−５２３９６ 特開２００２−２９４６９４ 特開２００９−１９１５２２ 特開２００６−２９９６６５ 特開２００８−６９６１１ 特開２０１１−６９０７１

鋼管端部に溶接固定した単なる平板フランジ同士をボルトで接合する特許文献１の鋼管接合構造の場合、回転圧入の際の回転トルクはフランジ間の摩擦力で伝達されるが、フランジ間の摩擦力を大にするためにはボルトの締付け力を大にする必要がある。そのために大径のボルトを使用するとボルト孔を大きくすることが必要となるが、鋼管外面から張り出すフランジ幅は通常あまり幅広にすることができないので、大径のボルトを用いることができない場合がある。また、高力ボルトを用いても大径にしなければ強度を満たすことができない場合がある。

特許文献２、３の鋼管接合構造は、半月板形フランジを鋼管に傾斜させて溶接固定するものであるから、半月板形フランジを鋼管の適切な位置に適切に傾斜させて精度よく溶接固定することは必ずしも簡単とは思えないので製作が繁雑であり、コストも高くなる。
この接合構造は、掘削の推進力増大の作用を期待したものと思われるが、それを特に期待しない場合には無用に繁雑になる上、大きな回転トルクを伝達可能とは思えない。

特許文献４のネジ式の鋼管接合構造は、回転圧入工法を採用して施工する場合、ネジが締まる方向の回転のみの場合はよいが、逆回転を必要とする場合（引き抜くため）にはネジが緩むので採用できない。

特許文献５の鋼管スリーブ圧縮方式の鋼管接合構造は、管軸方向及び回転方向の接合強度の安定性の確保、及び接合強度管理が難しいと思われる。

特許文献６〜９等の複雑な接合構造は、使用する部品の製造コストが高くなり、かつ施工も繁雑で施工費が高くなる。

本発明は上記背景のもとになされたもので、施工現場での溶接接合が不要であり、回転圧入の際の大きな回転トルクを伝達することが可能であり、部品の製造コストが安く済み、施工も繁雑にならずに施工コストが安く済む杭施工用の鋼管接合構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決する請求項１の発明は、鋼管を地盤に回転圧入により貫入する工程を伴う杭施工の際に、短尺の鋼管同士を接合する杭施工用の鋼管接合構造であって、
接合すべき一方の鋼管の端部と他方の鋼管の端部とに、互いにボルト接合可能なフランジをそれぞれ溶接固定してなり、各フランジは、ドーナツ形のフランジ基部上に、回転方向に互いに当接可能な複数の凸部が形成されてなり、各フランジの前記複数の凸部が、いずれも扇形状の輪郭をなす扇形凸部であることを特徴とする。

請求項２は、請求項１の杭施工用の鋼管接合構造において、前記各フランジは、前記ドーナツ形のフランジ基部が平板状のフランジ基板であり、このフランジ基板上に円周方向に間隔をあけて前記扇形凸部を形成するための扇形板を溶接固定してなることを特徴とする。

請求項３は、請求項１又は２の杭施工用の鋼管接合構造において、鋼管杭を地盤に回転圧入して鋼管杭を施工する際に、前記鋼管杭を構成する短尺の鋼管同士を接合する鋼管接合構造であることを特徴とする。

請求項４は、請求項１又は２の杭施工用の鋼管接合構造において、ケーシング鋼管を地盤に回転圧入し、セメント系注入材を注入した後、前記ケーシング鋼管を引き抜いて柱状地盤改良体を施工する際に、前記ケーシング鋼管を構成する短尺の鋼管同士を接合する鋼管接合構造であることを特徴とする。

本発明の鋼管接合構造を採用して行う杭施工において、鋼管を地盤に回転圧入する際、一方の鋼管と他方の鋼管との接合部における回転トルクの伝達はそれぞれの端部に固定されたフランジ間で伝達されるが、それぞれのフランジが、ドーナツ形のフランジ基部上に、回転方向に互いに当接可能な複数の凸部が形成されている構造なので、回転トルクの伝達は各フランジの互いに当接する凸部において行われる。この互いに当接する凸部による回転トルク伝達によれば、極めて大きな回転トルクの伝達が可能である。

したがって、両フランジを連結するボルトは、特許文献１のような単なる平板フランジ同士をボルト接合するものと異なり、両フランジ間に大きな摩擦力を発生させるための特に強い締め付け力を要求されない。したがって、大径のボルトを用いる必要がなくフランジに大きなボルト孔を開ける必要がない。杭施工用の鋼管接合構造の場合、鋼管外面から張り出すフランジ幅をあまり広く取れない場合があるので、大径のボルトを必要としないことは極めて有利である。また、フランジ幅の問題に限らず小径のボルトで済むこと自体に、部品コスト、作業性その他種々の点で有利である。

なお、大径のボルトを用いるのではなく強力な締め付け力が可能な高力ボルトを用いることで対応できる場合もあるにしても、高力ボルトは高価であり、また、締付トルク管理（例えばトルクメータを用いて行う）を必要とするが、本発明によればボルトが安価で済み、また特別な締付トルク管理を必要としない。

特許文献２、３の半月板形フランジ方式の鋼管接合構造のように鋼管に傾斜半月板形フランジを溶接固定する方式と異なり、同じフランジ接合方式でも本発明の鋼管接合構造は極めてシンプルであり、コストも安価に済む。また、大きな回転トルクを伝達可能である。

また、特許文献４のネジ接合方式では、逆方向の回転に対してネジが緩むので回転トルクの伝達が一方向に限られるが、本発明の鋼管接合構造によれば、正逆両方向の回転方向に対して回転トルクを伝達することができる。したがって、一旦地盤に貫入した鋼管（ケーシング鋼管）を引き抜く工程のある杭施工法を実施する場合にも適用できる。

特許文献５の鋼管スリーブ圧縮方式の鋼管接合構造は、管軸方向及び回転方向の接合強度の安定性の確保、及び接合強度管理が難しいが、本発明の鋼管接合構造によれば、そのような問題は全くなく、回転方向の接合強度は明確である。

特許文献６〜９等の複雑な接合構造のように、使用する部品の製造コストが高く、かつ施工も繁雑で施工費も高くなる接合構造と異なり、本発明の鋼管接合構造は極めてシンプルであり、部品のコストも安く、かつ施工も容易で施工費も安く済む。

本発明の一実施例の杭施工用の鋼管接合構造を示すもので、（イ）は上下の鋼管のフランジ接合部の正面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ断面図である。 （イ）は図１（イ）において、上下の鋼管のフランジ部がボルト接合される前の離間した状態で示した図、（ロ）は（イ）のＢ−Ｂ矢視図である。 （イ）は図２（イ）の下側のフランジ接合部を斜視図で示した図、（ロ）は図２（イ）の上側のフランジ接合部を上下逆向きにして斜視図で示した図である。 フランジの形状寸法を説明するための図で、（イ）はフランジの平面図、（ロ）は同斜視図である。 フランジ基部と凸部（扇形凸部）とを一体に鋳造したフランジを示す斜視図である。 フランジ基部に扇形凸部を３つ形成したフランジの実施例を示す平面図である。 本発明の杭施工用の鋼管接合構造の具体的適用例を示すもので、（イ）鋼管杭を施工する際に前記鋼管杭を構成する短尺の鋼管同士を接合する場合、（ロ）は柱状地盤改良体を施工する際にケーシング鋼管を構成する短尺の鋼管同士を接合する場合を示す。

以下、本発明の杭施工用の鋼管接合構造を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例の杭施工用の鋼管接合構造１０を示すもので、（イ）は上下の鋼管１、２のフランジ接合部の正面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ断面図である。
下側の鋼管１にフランジ３が溶接固定され、上側の鋼管２にフランジ４が溶接固定され、両鋼管１、２はそれぞれのフランジ３、４をボルト８を締め付けることでフランジ接合される。
図２（イ）は図１（イ）において、上下の鋼管のフランジ３、４がボルト接合される前の離間した状態で示した図、（ロ）は（イ）のＢ−Ｂ矢視図である。
図３（イ）は図２（イ）の下側鋼管１のフランジ接合部を斜視図で示した図、（ロ）は図２（イ）の上側鋼管４のフランジ接合部を上下逆向きにして斜視図で示した図である。

前記２つのフランジ３、４はそれ自体としては同一形状のものであり、図４に示すように、各フランジ３（４）は、ドーナツ形平板であるフランジ基板（フランジ基部）５上に、扇形凸部として扇形板６を溶接固定した構造である。その溶接固定は例えば扇形板６の外周及び内周で行うとよいが、さらに両端でおこなってもよい。なお、図１〜図３においては、下側鋼管１のフランジ３の扇形板６を６ａ、上側鋼管２のフランジ４の扇形板６を６ｂで区別する。図２（ロ）において扇形板６の部分を砂地ハッチングで示している。
図示例の各扇形板６はドーナツ形平板を概ね４分割（４等分）した平面形状であり、各フランジ３、４は、２つの扇形板６がそれぞれのフランジ基板５上に対向する態様で溶接固定された構造である。なお、各扇形板６は、上下のフランジ３、４を接合する際に上下の扇形板６が互いに干渉しないように９０°より僅かに小さな角度（θ＝８８°）の扇形としている。フランジ基板５に扇形板６を溶接固定した部分も同じ符号で扇形凸部６と呼ぶ。
各フランジ３、４には、ボルト８を挿通させるボルト挿通孔７を周方向に等間隔で８つ設けており、両フランジ３、４は各扇形凸部６毎に２カ所でボルト接合される。なお、図では、フランジ基板５のみにあけられたボルト挿通孔と扇形凸部６の部分（２枚重ねの部分）にあけられたボルト挿通孔とを区別せずに同じ符号７で示している。
実施例のフランジ３、４の各部の寸法は、外径Ｄ＝３２０ｍｍ、内径ｄ＝２１８ｍｍである。フランジ基板５の板厚が２０ｍｍ、扇形板６の板厚も２０ｍｍ、ボルト挿通孔７の孔径は２３ｍｍ、ボルト挿通孔７の位置は半径Ｒ＝１４０ｍｍの位置である。
なお、上記フランジ３、４のサイズは、杭の軸径（鋼管径）が２１６．３ｍｍの場合のものであるが、例えば外径２６７．４ｍｍ、３１８．５ｍｍ、３５５．６ｍｍ、４０６．４ｍｍ、４５７．２ｍｍ等の大径の軸径の場合には、フランジサイズはそれに対応する大径のものとなる。本発明の鋼管接合構造は大きな回転トルクを伝達可能なので、軸径が大サイズである場合に特に有効である。

上述した実施例の鋼管接合構造１０を採用して行う杭施工において、鋼管を地盤に回転圧入する際、下側の鋼管１と上側の鋼管２との接合部における回転トルクの伝達はそれぞれの端部に固定されたフランジ３、４間で伝達されるが、それぞれのフランジ３、４が、ドーナツ形のフランジ基板５上に、回転方向に互いに当接可能な複数の扇形凸部６が形成されている構造なので、回転トルクの伝達は各フランジ３、４の互いに当接する扇形凸部６において行われる。この互いに当接する扇形凸部６による回転トルク伝達によれば、極めて大きな回転トルクの伝達が可能である。
上記実施例の鋼管接合構造１０によれば、[発明の効果]の段落で説明した通りの種々の効果を奏する

上述した鋼管接合構造１０は、鋼管杭を地盤に回転圧入して鋼管杭を施工する際に、前記鋼管杭を構成する短尺の鋼管同士を接合する鋼管接合構造として用いることができる。
鋼管杭を施工する場合、例えば図７（イ）に示すように、鋼管先端に例えば掘削刃や掘削翼付き端面板等を持つ掘削ヘッド２０を溶接固定した鋼管杭２１を図示略の回転圧入駆動装置で地盤に回転圧入により貫入する。なお、図示例の掘削ヘッド２０は、掘削翼付き端面板として中央部が杭頭側に凹んだ形状の掘削翼付き端面板を用いているが、勿論、平板状の掘削翼付き端面板でもよい（後述する図７（ロ）の掘削ヘッド４０についても同じ）。
鋼管杭に用いる鋼管として必要な長さのままでは通常、搬送や施工等に支障があるので、複数の短尺の鋼管を用いるが、実施例の鋼管接合構造１０は、杭先端側である下側の短尺の鋼管１とその上側の短尺の鋼管２との接合に使用されている。短尺の鋼管を２本以上継ぎ足す必要がある場合には、２点鎖線で示すように下端にフランジ３を溶接固定した鋼管３０をさらに接合する。

上述した鋼管接合構造１０は、ケーシング鋼管を地盤に回転圧入し、セメント系注入材を注入した後、前記ケーシング鋼管を引き抜いて柱状地盤改良体を施工する際に、前記ケーシング鋼管を構成する短尺の鋼管同士を接合する鋼管接合構造として用いることができる。
ケーシング鋼管を地盤に回転圧入する場合、例えば図７（ロ）に示すように、ケーシング鋼管４１の先端に、例えば掘削刃や掘削翼付き端面板等を持つとともに鋼管先端から離脱可能な構造の掘削ヘッド４０を取り付ける。この掘削ヘッド４０は、ケーシング鋼管４１の貫入時にはケーシング鋼管４１と一体に回転するが、セメント系注入材を注入した後ケーシング鋼管４１を引き抜く際に貫入時と逆方向に回転させると、ケーシング鋼管４１から離脱して掘削孔底に残される。
この場合も、ケーシング鋼管４１として通常、図示のように短尺の鋼管を接合して用いる必要があるので、前記と同様に、ケーシング鋼管先端側である下側の短尺の鋼管１とその上側の短尺の鋼管２とを実施例の鋼管接合構造１０により接合することができる。

なお、柱状地盤改良体を施工する場合として、セメント系注入材に代えてソイルセメント等を注入する工法の場合にも、短尺鋼管どうしを接合する構造として本発明の鋼管接合構造を適用できる。

上述の実施例の鋼管接合構造１０におけるフランジ３、４は、ドーナツ形平板であるフランジ基板（フランジ基部）５に扇形板（扇形凸部６）を溶接固定して構成したが、図５に示すように、フランジ基部５’と扇形凸部６’とが一体に鋳造されたフランジ３’（４’）であってもよい。

図１〜図４で説明したフランジ３、４は、扇形凸部となる扇形板６がドーナツ形平板を概ね４分割（４等分）した平面形状であるが、図６に示したフランジ３”（４”）のように、ドーナツ形平板を概ね６分割（６等分）した平面形状の扇形板６”であってもよいし、分割数はこれらに限らない（扇形板６”の部分を砂地ハッチングで示した）。フランジ基板を５”で示す。
また、互いに当接する扇形凸部は、必ずしも実施例のように互いに嵌合するような態様で当接する構造に限らず、回転トルクを伝達可能に当接するものであればよい。実施例のように互いに嵌合するような扇形凸部（扇形角度８８°の扇形板）６であれば、伝達可能な回転トルクを特に大にすることができるが、回転トルク伝達には上側フランジ４の扇形凸部６の回転方向後端側（当接する側と反対側）にはスペースがあってもよいので、適宜の扇形角度を採用することができる。

１、２ 鋼管
３、３’、３” フランジ（下側鋼管のフランジ）
４、４’、４” フランジ（上側鋼管のフランジ）
５、５” フランジ基板（フランジ基部）
６、６’、６” 扇形板（扇形凸部）
７ ボルト挿通孔
８ ボルト
１０ 鋼管接合構造
２０ （鋼管杭先端に溶接固定した）掘削ヘッド
２１ 鋼管杭
４０ （ケーシング先端に離脱可能に取り付けた）掘削ヘッド
４１ ケーシング鋼管

Claims (4)

1. 鋼管を地盤に回転圧入により貫入する工程を伴う杭施工の際に、短尺の鋼管同士を接合する杭施工用の鋼管接合構造であって、
   接合すべき一方の鋼管の端部と他方の鋼管の端部とに、互いにボルト接合可能なフランジをそれぞれ溶接固定してなり、各フランジは、ドーナツ形のフランジ基部上に、回転方向に互いに当接可能な複数の凸部が形成されてなり、各フランジの前記複数の凸部が、いずれも扇形状の輪郭をなす扇形凸部であることを特徴とする。
2. 前記各フランジは、前記フランジ基部がドーナツ形平板であるフランジ基板であり、このフランジ基板上に円周方向に間隔をあけて前記扇形凸部を形成するための扇形板を溶接固定してなることを特徴とする請求項１記載の杭施工用の鋼管接合構造。
3. 鋼管杭を地盤に回転圧入して鋼管杭を施工する際に、前記鋼管杭を構成する短尺の鋼管同士を接合する鋼管接合構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の杭施工用の鋼管接合構造。
4. ケーシング鋼管を地盤に回転圧入し、セメント系注入材を注入した後、前記ケーシング鋼管を引き抜いて柱状地盤改良体を施工する際に、前記ケーシング鋼管を構成する短尺の鋼管同士を接合する鋼管接合構造であることを特徴とする請求項１又は２記載の杭施工用の鋼管接合構造。

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