JP2006029006A

JP2006029006A - 場所打ち鉄筋コンクリート杭

Info

Publication number: JP2006029006A
Application number: JP2004213120A
Authority: JP
Inventors: Toshio Shinohara; 敏雄篠原
Original assignee: JFC WELDED PIPE MANUFACTURING CO Ltd
Current assignee: JFC WELDED PIPE MANUFACTURING CO Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】施工性と熱交換効率に優れ、またコスト低減も図れる熱交換機能を有する鉄筋コンクリート杭を得る。
【解決手段】杭の全長または一部区間において、主鉄筋１の周囲にフープ筋としての機能を有するらせん状細径鋼管３を配置し、前記らせん状細径鋼管中に熱媒体を通流させて地中熱交換を行う機能を付加した。
上記構成を採用することにより、らせん状細径鋼管３がフープ筋と熱交換用細管の両方の機能を果たすため、コストを低減することができる。また、らせん状細径鋼管３を杭体内に配置しても鉄筋と同じ鋼材であり、かつ断面性能がフープ筋と同等以上であるため、鉄筋コンクリート構造としての弱点を生じない。
【選択図】図１

Description

本発明は、地中熱交換機能を有する場所打ち鉄筋コンクリート杭に関する。

省資源・省エネルギー技術、二酸化炭素排出量削減技術のひとつとして、地中熱を利用したエネルギー消費削減技術が注目されている。これは、地盤内の地中温度はある深さ以深では年中一定していることを利用して、地中から採熱あるいは地中に排熱することにより冷房、暖房、給湯、融雪などに用いるエネルギーを削減する技術である。この地中熱利用技術は、日本ではまだ試験採用段階で本格採用には至っていないが、欧米では広く普及している技術である。

地中熱利用技術には２種類の代表的な方式がある。ひとつは、ボーリング穴を用いるもので、欧米を中心に普及している方法である。この方式は、図５に示すように、ボーリング機械を用いて地盤２１に深く細い縦穴２３を設け、その中にＵ型の熱交換用細管２５を挿入する。その後熱交換用細管内に水などの熱媒体を通流させて、地盤の熱で熱媒体を昇温、または下温させ、ヒートポンプや融雪装置の熱源として利用する。熱交換用細管には挿入作業などの施工性や耐久性の面からポリエチレンなどの樹脂管が使用されている。この方式は、直径100〜200mm程度、深さ50〜150ｍ程度の削孔が必要で、そのボーリング費用が高いという欠点がある。

もうひとつの方式は、基礎杭に地中熱交換機能を兼用させるものである。杭施工時に杭体内に熱交換用細管を設け、建造物を支持する基礎杭として機能するとともに、地中熱交換材としても機能する。この方式にはさらに２つの方式があり、基礎杭として鋼管杭などの中空既製杭を用いる方式と場所打ち鉄筋コンクリート杭を用いる方式であり、本発明は後者、すなわち場所打ち鉄筋コンクリート杭を用いる方式に関する技術である。
杭として場所打ち鉄筋コンクリート杭を用いる方式の場合は、図６に示すように、地盤２１中に直径が0.7ｍ〜3.0ｍ程度の縦穴を掘削したのち、主鉄筋２７とフープ筋２９から構成される円筒状の鉄筋籠３１とともに樹脂製の熱交換用細管３３を鉄筋籠３１に沿わせて縦穴中に挿入し、その後、トレミー管を用いてコンクリート３５を打設する手順で杭を構築する（非特許文献１参照）。

また、場所打ち鉄筋コンクリート杭を用いる他の方式として、場所打ち杭を構成する鉄筋組立体の外周に伸縮性材料からなる袋体を設け、この袋体の外周に伸縮性遮水材料からなり、ヒートポンプに連通した採熱用循環媒体の導管を設け、これら鉄筋組立体、袋体および導管を場所打ち杭立坑に沈設したことを特徴とする地中採熱システムがある（特許文献１参照）。
H.Brandl著、論文名「Energy piles and diaphragmwalls for heat transfer from and into the ground.」、掲載書籍 Proceedings of ３rdInternational geotechnical seminar on deep foundations on bored and auger piles （Oct.1998） Page37〜62、編集者 W.F.Vanimpe ＆ W.Haegeman 特開平８−１７８４３５号公報（請求項１）

非特許文献１に記載された方式の場合、熱交換用細管３３は樹脂製で柔らかいため、鉄筋周囲のコンクリートに空洞を設けるに等しく、鉄筋コンクリート構造上の弱点になる。すなわち、鉄筋とその周囲のコンクリートとの結合が弱まるとともに、地震時に杭に曲げが生じたときコンクリートのひび割れ発生を助長するという問題がある。
このような構造的弱点の発生を防止するために、熱交換用細管３３を鉄筋籠から内側に離して杭中央部に配置することが考えられる。確かに、このようにすれば前述の弱点は緩和されるが、熱交換用細管３３と地盤との距離が大きくなるために、地盤と熱交換用細管３３内を流れる熱媒体との間の熱交換効率が低下するという別の問題が発生する。
また、上記いずれの場合にも、トレミーの管挿入時と引き抜き時にトレミー管が熱交換用細管３３と接触して熱交換用細管３３を損傷させる恐れが高いという問題もある。

他方、特許文献１に記載された地中採熱システムにおける方式では、場所打ち杭を構成する鉄筋組立体の外周に伸縮性材料からなる袋体を設け、この外側に導管を設けるので、熱交換効率の低下の問題や、トレミー管が接触して導管が損傷するという問題はない。
しかしながら、鉄筋組立体の外周に袋体を設けてさらにその外周に導管を設けることから袋体の設置や導管の設置が必要となり施工性が悪い。しかも、実施工においては、特許文献１のなかでも述べられているように、鉄筋組立体と袋体の間にスペーサを固定し、施工過程で当該スペーサによって鉄筋組立体と袋体の隙間を広げるという作業が必要となり、スペーサの構造の複雑さに加え、施工性が極めて悪いという問題がある。

また、上記いずれの場合にも、熱交換用細管３３又は導管が樹脂製であるために、熱伝導率が低い。さらに、ポリエチレンなどの樹脂製熱交換用細管や導管が高価であるために、地中熱利用技術の普及を阻害する要因にもなっている。

本発明は上記従来技術の有する種々の課題を解決するためになされたものであり、施工性と熱交換効率に優れ、またコスト低減も図れる熱交換機能を有する場所打ち鉄筋コンクリート杭を得ることを目的とする。

上記種々の課題を解決するために、発明者は場所打ち鉄筋コンクリート杭の構造に着目をした。
通常の場所打ち鉄筋コンクリート杭の鉄筋籠は、数本〜数10本の直線状鉄筋から成る主筋を円筒状に配置するとともに、前記主筋の周囲に鉄筋をリング状に形成したフープ筋を所定間隔で多数配置することにより構成される。そして、主筋とフープ筋は結束されて吊り下げても変形しない鉄筋籠となる（図６参照）。
このような鉄筋籠において、主筋はコンクリートと一体となって杭に作用する圧縮力、曲げモーメント、せん断力などの外力に抵抗する主要構造部材である。一方、フープ筋はコンクリートの変形を拘束して主筋とコンクリートとの一体性を確保するとともに、ひび割れの抑制やせん断耐力補強などの補助的役割を果たす補助的な部材である。

このような、場所打ち鉄筋コンクリート杭を構成する各部材の機能に着目して、鉄筋籠を構成する部材のうち補助的な部材であるフープ筋に代えてらせん状細径鋼管を用い、これを熱交換用細管として使用できないかとの着想を得た。せん状細径鋼管であれば杭に外力が作用した際に、リング状とらせん状の違いがあるもののらせん状細径鋼管はフープ筋と同じ構造上の機能を果たすことができるし、また、らせん状細径鋼管内に水などの熱媒体を通流させることにより、コンクリートと鋼材を介して地盤と熱媒体の間で効率的な熱交換を行うことができる。
本発明はかかる着想に基づいてなされたものである。

本発明に係る場所打ち鉄筋コンクリート杭は、杭の全長または一部区間において、主鉄筋の周囲にフープ筋としての機能を有するらせん状細径鋼管を配置し、前記らせん状細径鋼管中に熱媒体を通流させて地中熱交換を行う機能を付加したことを特徴とするものである。
なお、らせん状とは数学的意味におけるらせんのみを意味するのではなく、主鉄筋の周囲に配置された細径管が主鉄筋の周囲に上から下又は下から上に亘って連続的に配置される状態を含む。

本発明においては、場所打ち鉄筋コンクリート杭の全長または一部区間において、主鉄筋の周囲にフープ筋としての機能を有するらせん状細径鋼管を配置し、前記らせん状細径鋼管中に熱媒体を通流させて地中熱交換を行うようにしたので、らせん状細径鋼管は熱交換用細管の機能も果たすことができ、別途熱交換用細管を配置する従来技術に比べて小さなコストで熱交換機能付きの場所打ち鉄筋コンクリート杭を構築することができる。
熱交換用細管としてらせん状細径鋼管を杭体内に配置しても、鉄筋と同じ鋼材であるため、鉄筋コンクリート構造としての機能を十分に発揮する。また、熱交換用細管は主筋の外側に配置され地盤との距離が近いとともに、らせん状で長いために熱交換時間を長く確保することができ、かつ材料が熱伝導性の高い鋼材であるために、地盤と熱媒体との間の熱交換効率が高くなる。
らせん状細径鋼管は主筋の外側に配置され、かつ材料が鋼材であるために、トレミー管を用いたコンクリート打設時や縦穴への鉄筋籠挿入時に損傷を受ける恐れがない。

図１は本発明の一実施の形態に係る鉄筋コンクリート杭を説明するための説明図である。なお、図１は図を見やすくするために簡略化してあり、例えば通常は多数本配置される主鉄筋を２本のみ示してある。
本発明の一実施の形態に係る鉄筋コンクリート杭は、図１に示すように、主鉄筋１の周囲にフープ筋としての機能を有するらせん状細径鋼管３を杭頭部から杭先端まで配置し、該らせん状細径鋼管３に連続して杭先端から杭頭部まで延びる復管５を設け、これら主鉄筋１、らせん状細径鋼管３及び復管５から構成される鉄筋籠を地盤７に設けた縦穴に設置して、コンクリート９を打設してなるものである。

らせん状細径鋼管３は、熱媒体を通流させて地中熱交換を行うものであり、一般的な地中熱交換用細管の外径と同等の25〜35mm程度の外径にする。なお、場所打ち鉄筋コンクリート杭に使用されるフープ筋は一般に径が13mmから19mmの鉄筋であり、これを150〜300mmピッチに配置する。したがって、本実施の形態のように、外径が25〜35mm程度のらせん状細径鋼管３をフープ筋と同程度のピッチで配置すれば、フープ筋と同等以上の断面積、断面係数を確保できる。このため、フープ筋の代替として用いても強度的になんら問題がない。らせん状細径鋼管３は中空とはいえ、厚さが3〜４mm程度あるため大きな外圧を受けても樹脂管のように変形することはないからである。

上記のように構成された場所打ち鉄筋コンクリート杭においては、らせん状細径鋼管３がフープ筋と熱交換用細管の両方の機能を果たす。なお、通常は、熱媒体はらせん状細径鋼管３の頭部から入り地盤と熱交換を行った後、復管５を通ってヒートポンプなどの地上施設に戻る。また、反対の経路（復管→細径鋼管）で熱媒体を通流させてもよい。なお、復管５は図１のように直線状に配置してもよいし、曲線状であってもよい。また、復管５の材料は鋼管でも樹脂管でもよく、価格や施工性などを考慮して適宜選定すればよい。

次に、らせん状細径鋼管を用いた鉄筋籠の製作について説明する。鉄筋籠は主鉄筋１とらせん状細径鋼管３を主要部材として工場または建設現場で組み立て製作される。らせん状細径鋼管３は、長さ数ｍ〜10ｍ程度の直管をらせん状に曲げ加工しても製作できるが、このような製法では加工手間がかかるとともに、多数の継手を設ける必要があることからコスト高になる。そこで、鋼管製作工場でコイル状に形成した鋼管（鋼管工場の造管ラインの末端に設けた巻き取り機で所定の径でコイル状にした鋼管であり、〔Pipe
in Coil〕と呼ばれている。）を使用するとよい。
らせん状細径鋼管３としてコイル状鋼管を用いる場合には、コイル状鋼管を横方向（コイル面直角方向）に引っ張ることにより、容易に伸びてらせん状にすることができる。所定のらせんピッチに引き伸ばした状態で仮止めしておき、らせんの内側に主鉄筋１を配置してコイル状鋼管との交点を結束することにより、容易に鉄筋籠を製作することができる。この場合、コイル状鋼管の外径を必要とされる鉄筋籠の外径に合わせて製作しておく必要がある。

なお、杭長が長い場合、地上で組み立てた複数の鉄筋籠同士を縦穴中及び空中に吊るした状態で接続する必要がある。このとき、上下の鉄筋籠を構成する主鉄筋同士だけでなくらせん状細径鋼管同士も接続しなければならない。このような場合、あらかじめらせん状細径鋼管の端部にネジ加工を施しておき、ネジスリーブ継手で接続してもよいし、特殊な接続継手を用いて接続してもよい。接続部が構造上の弱点になる恐れがある場合は、継手部付近に別途フープ筋を配置して補強してもよい。
なお、現場における場所打ち鉄筋コンクリート杭の構築方法は、前述の背景技術の項で述べたのと同様であり、地盤７中に直径が0.7ｍ〜3.0ｍ程度の縦穴を掘削したのち、主鉄筋１とらせん状細径鋼管３から構成される円筒状の鉄筋籠を縦穴中に挿入し、その後、トレミー管を用いてコンクリート９を打設する。

以上のように構成された本実施の形態の場所打ち鉄筋コンクリート杭においては、以下に示すような効果を得ることができる。
（１）らせん状細径鋼管３がフープ筋と熱交換用細管の両方の機能を果たすため、コストを低減することができる。
（２）らせん状細径鋼管３を杭体内に配置しても鉄筋と同じ鋼材であり、かつ断面性能がフープ筋と同等以上確保できるため、鉄筋コンクリート構造として十分機能し、従来例で示した樹脂製の熱交換用細管を配置した場合のような弱点を生じない。
（３）らせん状細径鋼管３は主鉄筋１の外側に配置されて地盤との距離が近いとともに、らせん状で長いために熱交換時間を長く確保することができ、かつ材料が熱伝導性の高い鋼材であるために、地盤と熱媒体との間の熱交換効率が高くなる。
（４）らせん状細径鋼管３は主鉄筋１の外側に配置され、かつ鋼材であるために、トレミー管を用いたコンクリート打設時、鉄筋籠挿入時の接触による損傷を受ける恐れがない。
（５）らせん状細径鋼管３をコイル状鋼管を所定のらせんピッチまで引き伸ばすことにより製造できるので、製造が容易でかつコスト低減を図ることができる。

[実施の形態２]
図２は本発明の他の実施の形態を示す図であり、図１と同一部分又は相当する部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態の場所打ち鉄筋コンクリート杭は、杭頭部の一部区間を除く部分にらせん状細径鋼管３を配置し、杭頭部には通常のフープ筋１１を配置したものである。

本実施の形態の場所打ち鉄筋コンクリート杭は、前記実施の形態１の効果に加えて以下の効果を奏する。
地表面付近の地中温度は外気温によって変動するが、地表面付近を除く温度が一定している深い部分にのみらせん状細径鋼管３を配置することにより、外気温の影響を受けることなく、安定した熱交換を行うことができる。
また、杭頭部を従来のフープ筋１１としたことで、杭頭とフーチングの結合構造に複雑な配慮が不要で従来の一般的な技術を用いることができる。

[実施の形態３]
図３は本発明の他の実施の形態を示す図であり、図１と同一部分又は相当する部分には同一の符号を付してある。
本実施の形態の場所打ちコンクリート杭は、地震時に大きな曲げモーメントやせん断力を受ける場合に用いられる拡頭型場所打ち鉄筋コンクリート杭に本発明を適用したものであり、外径の大きい拡頭部９には通常のフープ筋１１を用い、拡頭部１３の下側に連続する一般部１５にらせん状細径鋼管３を用いたものである。

本実施の形態によれば、実施の形態２と同様に外気温の影響を受けず安定した熱交換を行うことができる。また、拡頭部１３から一般部１５への断面変化部１７における熱交換用細管の配管構造を単純にすることができる。もっとも、拡頭型場所打ちコンクリート杭に全長にわたってらせん状細径鋼管３を配置することを排除するものではない。

なお、上記実施の形態１〜３においては、らせん状細径鋼管３を杭上部から下部に亘る一方向のみ配置した例を示したが、図４に示すように、復管にもらせん状細径鋼管を用い、往復の二重らせん構造にしてもよい。
杭長が短くらせん状細径鋼管を長く確保することができない場合に、図４に示すような二重らせんにすることにより、十分な熱交換時間を確保することができる。

また、上記実施の形態１〜３においては、杭の全長または一部区間において、フープ筋の代替としてらせん状細径鋼管３を配置した例を示したが、本発明においては、フープ筋を通常のピッチよりも大きなピッチで配置して、その間にらせん状細径鋼管３を配置してフープ筋としての機能をもたせるようにするものを排除するものではない。

本発明の実施の形態１に係る場所打ち鉄筋コンクリート杭の説明図である。本発明の実施の形態２に係る場所打ち鉄筋コンクリート杭の説明図である。本発明の実施の形態３に係る場所打ち鉄筋コンクリート杭の説明図である。本発明の実施の形態の変形例の説明図である。地中熱利用技術の従来例を説明する説明図である。場所打ち鉄筋コンクリート杭を用いた地中熱利用技術の従来例を説明する説明図である。

符号の説明

１主鉄筋、３らせん状細径鋼管、５復管、７地盤、９コンクリート。

Claims

杭の全長または一部区間において、主鉄筋の周囲にフープ筋としての機能を有するらせん状細径鋼管を配置し、前記らせん状細径鋼管中に熱媒体を通流させて地中熱交換を行う機能を付加したことを特徴とする場所打ち鉄筋コンクリート杭。