JP2005315611A

JP2005315611A - 杭の水平載荷試験方法

Info

Publication number: JP2005315611A
Application number: JP2004131014A
Authority: JP
Inventors: Eiji Kojima; 英治小嶋
Original assignee: Geotop Corp
Current assignee: Geotop Corp
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】実際の現地地盤中での杭の挙動をより正確に把握できると共に、試験装置が大掛かりにならず低コストで実施可能な杭の水平載荷試験方法を提供する。
【解決手段】本杭１と捨て杭２を互いに反力杭として水平載荷試験を行う方法であって、捨て杭２の水平耐力が、本杭１の弾性限界を示す水平荷重以下であり、捨て杭２については塑性範囲まで水平載荷を行うと共に、本杭１については弾性範囲内での水平載荷を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は杭の水平載荷試験方法に関し、施工現場での杭の弾性範囲から塑性範囲までの挙動を精度良く把握することが可能な水平載荷試験方法に関するものである。

杭の水平載荷試験は、杭の水平抵抗に関する各種のデータを得ることを目的としており、施工現場において本杭（構造物の基礎として施工した杭）または捨て杭（載荷試験のためだけに施工した杭）を用いて行う場合と、実験室において供試杭を用いて行う場合がある。

現場における水平載荷試験では、施工現場での杭の挙動を正確に把握できるメリットがある。この場合、試験の容易さから杭の施工が終了した時点で行う。したがって、杭頭はフリーで、上部構造体の施工終了時の荷重が生じていない。この段階で水平載荷を行うと、杭頭に圧縮力が生じていないため杭の載荷方向とは反対の側に引張りが生じる。すなわち、上部構造体が未施工であるため、杭施工終了時の水平載荷試験では、圧縮力が無く、直ぐに杭に引張りが生じる。

このため、本杭を用いる場合は杭に損傷を与えない範囲で水平載荷を行う必要があることから、構造物を傷つけない範囲しか水平載荷ができず、特にコンクリート杭の場合は極めて載荷範囲の狭いデータしか得ることができない（尚、鋼管杭の場合は引張りに強いため、コンクリート杭に比べれば広いデータが得られる。）。

一方、捨て杭を用いる場合は杭に損傷を与えても良いため、本杭を用いる場合に比べて載荷範囲の広いデータを得ることができる。

また、施工現場における水平載荷試験では、杭の反力に別途の反力杭を施工することはコスト高であるため、本杭を反力杭として用いることが多い。この場合、反力杭である本杭に損傷を与えてはならないため、複数本の本杭を纏めて反力杭とする必要がある。

実験室における水平載荷試験は、施工現場における水平載荷試験に比べると簡易性の点でメリットがある反面、施工現場での杭の挙動を把握することが難しいという欠点がある。この欠点を解消する一つの方法として、特許文献１では、杭の長さ方向に沿って地盤の物理定数（ばね定数）に合わせて構成された模擬手段（圧縮ばね）によって支持した状態で水平載荷試験を行うことが記載されている。

特開２００２−３５０３０８号公報

前述のように、現場における水平載荷試験では、施工現場での杭の挙動を正確に把握できるメリットがあるものの、本杭を用いる場合（特にコンクリート杭の場合）には十分なデータを得ることが難しいといった問題がある。一方、捨て杭を用いる場合には十分なデータを得ることができる反面、本杭と同規格の捨て杭の施工に多大な費用がかかる問題がある。また、特に捨て杭を用いて弾性範囲を越えた領域（即ち、ひび割れ等が発生する塑性範囲）の載荷試験を行う場合には、複数本の本杭を纏めて反力杭とする必要があるため、試験装置が大掛かりになる問題もある。

また、特許文献１に記載の方法は、地盤の物理定数を想定した模擬手段によって杭を支持した状態で試験を行うものであるため、施工現場における杭の挙動との整合性の判断が難しいといった問題がある。

本発明の目的は、上記の事情に鑑み、施工現場での杭の挙動をより正確に把握できると共に、試験装置が大掛かりにならず低コストで実施可能な杭の水平載荷試験方法を提供することにある。

上記の目的を達成すべく成された本発明は、
本杭と捨て杭を互いに反力杭として水平載荷試験を行う方法であって、前記捨て杭の水平耐力が、前記本杭の弾性限界を示す水平荷重以下であり、前記捨て杭については塑性範囲まで水平載荷を行うと共に、前記本杭については弾性範囲内での水平載荷を行うことを特徴とする。

本発明の杭の水平載荷試験方法によれば、本杭に損傷を与えることなく、本杭については弾性範囲の載荷試験、捨て杭については塑性範囲までの載荷試験を同時に行うことができる。このため、例えば本杭と捨て杭の弾性範囲の試験結果の比較を用いて、捨て杭の塑性範囲の試験結果から、本杭の塑性範囲のデータを補完することにより、施工現場での本杭の弾性範囲から塑性範囲までの挙動を精度良く把握することができる。また、基本的に本杭１本と捨て杭１本で水平載荷試験を行うことができるため、試験装置が大掛かりにならず低コストで塑性範囲までの載荷試験を行うことができる。

本発明の水平載荷試験方法は、本杭と捨て杭を互いに反力杭として用い、捨て杭については塑性範囲まで水平載荷を行うと共に、本杭については弾性範囲内での水平載荷を行うものである。

（本杭）
本杭とは構造物の基礎として施工した杭であり、コンクリート杭（いわゆるＰＨＣ杭、ＰＲＣ杭等）や鋼管杭、ＳＣ杭等のいずれであってもかまわない。しかしながら、本発明の水平載荷試験方法は、特に本杭が引張り耐力に乏しく、従来の水平載荷試験方法では十分なデータを得ることが困難なコンクリート杭の場合に大きなメリットがある。

（捨て杭）
捨て杭とは載荷試験のためだけに施工した杭であり、本杭と同様にコンクリート杭や鋼管杭、ＳＣ杭等のいずれであってもかまわない。

但し、本発明において捨て杭は、その水平耐力が本杭の弾性限界を示す水平荷重以下のものを用いることが重要である。具体的には、本杭よりも小径の杭、本杭と異なる種類の曲げ剛性（弾性剛性）の小さな杭、等を用いることができる。

捨て杭の水平耐力が本杭の弾性限界を示す水平荷重以下であれば、本杭と捨て杭を互いに反力杭として水平載荷試験を行う際に、本杭に弾性限界を超える水平荷重が作用するのを防止でき、本杭に損傷を与えることなく、本杭については弾性範囲の載荷試験、捨て杭については塑性範囲までの載荷試験を同時に行うことができる。

以下、本発明の実施形態例を説明するが、本発明はかかる形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で適宜変更を加えることができる。

（実施形態例）
本発明の一実施形態例を図１及び図２を用いて説明する。図１及び図２は水平載荷試験装置を模式的に示した平面図及び要部立面図である。これらの図において、１は本杭、２は捨て杭、３は仮設枠体、４ａ，４ｂはジャッキ、５ａ，５ｂは不動梁（基準梁）、６ａ，６ｂは変位計、７ａ，７ｂはロードセルである。

本杭１は大径のコンクリート杭であり、捨て杭２は本杭１よりも曲げ剛性の小さな小径の鋼管杭である。そして、この捨て杭２の水平耐力は、本杭１の弾性限界を示す水平荷重以下である。

捨て杭２の杭長Ｌは、水平載荷試験に必要十分な長さであれば良く、本杭１よりも短いものを使用することができる。具体的には、例えばＣｈａｎｇの式で（Ｌ≧３／β）とみなされるような長さＬであればよい。ここで前記βは、下式で表される。
β＝（ｋ_hＢ／４ＥＩ）^1/4
（ｋ_h：水平地盤反力係数、Ｂ：杭の外径、ＥＩ：杭の曲げ剛性）

本実施形態例は本杭１本と捨て杭１本で、互いを反力杭として水平載荷試験を行うものである。即ち、本杭１と捨て杭２は互いに試験杭であり反力杭でもある。したがって、本杭１と捨て杭２の配置関係では、互いの変形に伴う周辺地盤の変形に影響を及ぼす範囲外に配置する必要がある。

本杭１と捨て杭２には、加力装置であるジャッキ４ａ，４ｂから仮設枠体３を介して水平載荷することができる。この仮設枠体３は、本杭１と捨て杭２のひずみ及びたわみに比べ無視できる剛性があるように設計されており、例えばＨ型鋼３ａ、ＰＣ鋼棒３ｂ等で構成される。

杭に作用する主な水平荷重は、土圧や水圧のような定時の一方向水平荷重と地震のような短期の交番水平荷重である。特に近年は地震による基礎の被害報告も多く、杭基礎についても耐震設計のために交番の水平載荷試験を行うことが好ましい。このため、本実施形態では、２つのジャッキ４ａ，４ｂを交換することにより交番載荷ができるように構成している。そして、ロードセル７ａ，７ｂによって荷重の計測が行われる。なお、荷重の計測はロードセルに限らず、圧力変換器等、公知のものを用いることができる。

試験杭の加力（載荷）点は、杭に局部的な破壊や変形が生じないよう適当な補強を施し、載荷点の高さは、杭が実際に荷重を受ける状態に最も近い位置とするのが良い。

載荷点の変位は試験杭の水平挙動を直接示すものであり、現地地盤の土質条件、杭本体の曲げ剛性等を総合的に評価判断するために、最も重要なデータとなる。本実施形態では、試験杭（本杭１及び捨て杭２）の水平変位は、載荷点とほぼ同じ高さで、荷重の作用線に対して対称な２点で計測を行い、両者の平均をとる。具体的は、不動梁５ａに取り付けた２つの変位計６ａによって本杭１の水平変位を測定し、不動梁５ｂに取り付けた２つの変位計６ｂによって捨て杭２の水平変位を測定する。

不動梁（基準梁）５ａ，５ｂは、基準点の間隔に応じた十分な剛性を有するものであり、外気温の変化等に影響を受けにくいように支持されている。

変位計６ａ，６ｂとしては、例えば直読式ダイアルゲージ、電気式変位計等、公知のものを用いることができる。

水平載荷試験には、単純に荷重を段階的に増加せしめて計画最大荷重まで載荷して終了するもの（一サイクル方式）と、各段階または数段階ごとに減荷して０に荷重を戻す手順を繰り返しながら載荷荷重を増大せしめて計画最大荷重に達するもの（多サイクル方式）とがある。多サイクル方式の場合は基準変位量や許容変位量付近での杭の挙動を把握しやすく、荷重−変位曲線から設計に取り入れられる荷重の範囲を設定しやすい。また履歴や変位量を考慮した地盤反力係数も求めることができる。これらの理由から多サイクル方式が望ましい。

水平載荷試験を行うにあたっては、先ず無載荷の状態で測定値の変動がないことを確認し、その後に例えば以下の手順で実施する。

先ずジャッキ４ｂが無い状態でジャッキ４ａを用いて荷重を段階的に増加せしめて水平載荷する。これにより、本杭１は紙面左方向に変位し、捨て杭２は紙面右方向に変位する。その後、段階的に減荷して０に荷重を戻し、ジャッキ４ａを取り外してジャッキ４ｂを装着し、ジャッキ４ｂを用いて荷重を段階的に増加せしめて水平載荷する。これにより、本杭１は紙面右方向に変位し、捨て杭２は紙面左方向に変位する。

上記の手順を繰り返しながら載荷荷重を増大せしめて計画最大荷重（あるいは計画最大変位）に達するまで試験を行う。この間、各段階の荷重及び各杭の変位は前述のようにして測定する。尚、反力杭の変位測定は、試験杭の水平挙動の補完に用いることができる。

また、計画最大荷重（あるいは計画最大変位）に達しない場合でも、例えば捨て杭２が破壊した時、もしくは地盤が破壊して定荷重における捨て杭２の変位増加が止まらず、荷重増加が不可能になった時には試験を終了する。

本杭１においては、杭体に損傷を与えないよう特に計画最大荷重付近では荷重−変位曲線等の変位点に注意しながら慎重に載荷を行わなければならないが、本発明の捨て杭２（本杭１の反力杭）の水平耐力は本杭１の弾性限界を示す水平荷重以下であり、本杭１が損傷を受ける前に捨て杭２は最大荷重に達する。このため、容易に且つ確実に、本杭に損傷を与えることなく、本杭については弾性範囲の載荷試験、捨て杭については塑性範囲までの載荷試験を同時に行うことができる。なお、安全を期すために、例えば本杭の埋め込み鉄筋に歪みゲージを取り付け、この歪みゲージを用いて本杭の弾性範囲を監視することが好ましい。

以上のようにして、本杭１については弾性範囲内の、捨て杭２については塑性範囲までの載荷試験を行った後、本杭１と捨て杭２の弾性範囲の試験結果の比較を用いて、捨て杭１の塑性範囲の試験結果から、本杭１の塑性範囲のデータを補完することにより、施工現場での本杭１の弾性範囲から塑性範囲までの挙動を精度良く把握することができる。上記の補完に際しては、本杭１と捨て杭２との杭径の違いを考慮し、従来の弾性の式（例えばＣｈａｎｇの式）や有限要素解析を用いて行う。

本実施形態によれば、捨て杭２の径を本杭１よりも小径のものとしているため、捨て杭の施工費を削減できる。また、捨て杭２は、その水平耐力が本杭１の弾性限界を示す水平荷重以下のものとしているため、本杭１本を反力杭として水平載荷試験を行うことができ、試験装置が大掛かりにならず低コストで塑性範囲までの載荷試験を行うことができる。また、本杭については弾性範囲の載荷試験、捨て杭については塑性範囲までの載荷試験を同時に行うことができるため、前述のような方法によって本杭の塑性範囲のデータを補完することにより、実際の地盤中での本杭の弾性範囲から塑性範囲までの挙動を精度良く把握することができる。

なお、上記実施形態例では本杭１本を反力杭としているが、例えば捨て杭の水平耐力が本杭の弾性限界と近似している場合などには、安全を期す為に本杭を複数本纏めて反力杭としても良い。

また、上記実施形態例では荷重と載荷点の水平変位のみを測定しているが、杭頭傾斜角、杭体の曲げひずみ、杭体のたわみ角などを必要に応じて測定することができる。これらの測定方法は従来の方法を用いることができる。さらに、載荷方法として交番多サイクル方式を説明したが、一方向一サイクル方式、交番一サイクル方式、一方向多サイクル方式であってもよい。

本発明の一実施形態例に係る水平載荷試験装置の平面図である。本発明の一実施形態例に係る水平載荷試験装置の立面図である。

符号の説明

１本杭
２捨て杭
３仮設枠体
３ａＨ型鋼
３ｂＰＣ鋼線
４ａ，４ｂジャッキ
５ａ，５ｂ不動梁（基準梁）
６ａ，６ｂ変位計
７ａ，７ｂロードセル

Claims

本杭と捨て杭を互いに反力杭として水平載荷試験を行う方法であって、前記捨て杭の水平耐力が、前記本杭の弾性限界を示す水平荷重以下であり、前記捨て杭については塑性範囲まで水平載荷を行うと共に、前記本杭については弾性範囲内での水平載荷を行うことを特徴とする杭の水平載荷試験方法。