JP2006063568A - ソイルセメント合成杭の造成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ソイルセメント柱体と地盤との間の摩擦力を発揮させるために、ソイルセメント柱体の中に荷重を伝達させることができるらせん羽根の加工を要する芯材を設ける必要があった。らせん羽根の加工不要なソイルセメント合成杭の造成方法の提供。
【解決手段】 地盤中にセメント硬化材を注入して所定深度、所定径のソイルセメント柱状改良体を造成したのち、柱状改良体より小径の外周面に凹凸を有する樹脂製管体を回転又は圧入することにより前記所定深度以下の長さで埋設して成るソイルセメント合成杭の造成方法とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、土木，建築構造物の基礎杭に関し、特に、地盤中にセメント硬化材を注入して所定深度、所定径のソイルセメント柱状改良体を造成したのち、杭体を回転又は圧入することにより前記所定深度以下の長さで埋設して成るソイルセメント合成杭の造成方法に関するものである。

従来、地盤改良によって造成されたソイルセメント柱体の中に、補強部材として鋼管等を挿入し、ソイルセメント合成杭とする工法がある。このような工法の代表的な例としては、特開昭60-238515号公報に開示された技術（第１公知例：特許文献１）、特許第2731806号公報の技術（第２公知例：特許文献２）や、特開2001-317050号公報や特開2002-294698号公報の技術（第３公知例：特許文献３、４）がある。
第１公知例の技術は、土質固化ミルクを充填しながら杭埋設孔を掘削し、杭埋設孔の下端部を拡大掘削した後、少なくとも下端部にらせん翼を設けた基礎杭を回転させながら貫入させるものである。

第２公知例の技術は、地盤とセメントミルク等の固化材を攪拌して削孔内を所定深度までソイルセメント化し、削孔底部を、そこまで注入した固化材よりも固化後の圧縮強度が大きくなる固化材で充満させ、掘削・攪拌ロッドを引き上げて、内周面の下部に固化材との付着力を向上させるための突起を有し且つ少なくとも１枚のらせん翼が下端部に設けられている鋼管をソイルセメント化した削孔内に挿入するものである。
第３公知例の技術は、最下端部にらせん状羽根を有し、少なくとも杭頭部近傍に１枚のらせん状羽根を有し、これらのらせん状羽根を含めて中間部に複数枚のらせん状羽根を有するらせん状羽根付鋼管杭または樹脂製杭を、地盤中に造成されるソイルセメント柱体に挿入して形成することを特徴とするものである。

特開昭60-238515号公報 特許第2731806号公報 特開2001-317050号公報 特開2002-294698号公報

上記第１公知例の技術、第２公知例の技術、第３公知例の技術とも、鋼管杭または樹脂製杭をソイルセメントと一体化する工法で、特殊らせん羽根付等の加工を要する工法である。特殊羽根形状等を必須要素とするため、羽根取付け等の加工手間、加工コストを要する、輸送等に一工夫を要する等の問題がある。

本発明に係るソイルセメント合成杭の造成方法は、地盤中にセメント硬化材を注入して所定深度、所定径のソイルセメント柱状改良体を造成したのち、柱状改良体より小径の外周面に凹凸を有する樹脂製管体を回転又は圧入することにより前記所定深度以下の長さで埋設し、好ましくは当該管体中空部にセメント硬化材料を充填してソイルセメント合成杭を造成することを特徴とするものである。

本発明は）図１(a)に示す従来技術（第３公知例）にあってソイルセメント柱状改良体２への確実な施工と荷重伝達にはらせん羽根付鋼管杭3xのらせん翼4xが必須と思われたところ驚くべきことに図１(b)に示す本発明にあって、所定の樹脂製管体３を回転又は圧入することによりソイルセメント柱状改良体２に前記所定深度Lc以下の長さL1で埋設できるとともに樹脂製管体からソイルセメント柱状改良体２へ樹脂製管体外周面の凹凸４を通じて荷重伝達が行われることで、ソイルセメント柱状改良体２と一体化することが明らかとなり、さらに、支持力機構の計測と検討によりソイルセメント合成杭の上部L1は芯材を有する複合体が支持し、下部L2は芯材のないソイルセメント柱体のみで支持することにより支持力確保できることが明らかとなり、地盤中にセメント硬化材を注入して所定深度Lc、所定径Dcのソイルセメント柱状改良体２を造成したのち、柱状改良体径Dcより小径Dの外周面に凹凸４を有する樹脂製管体３を回転又は圧入することにより前記所定深度Lc以下の長さL1で埋設し、好ましくは当該管体中空部にセメント硬化材料を充填５して成るソイルセメント合成杭の造成方法から成る本発明が完成されるに至った。

本発明に係るソイルセメント合成杭の造成方法では、ソイルセメント柱状改良体と樹脂製管体更には樹脂製管体と充填したセメント硬化材料とが一体化し、凹凸を有する樹脂製管体外周面から滑らかに荷重が伝達されるため、地盤との間で大きな摩擦力を発揮することが出来る。
樹脂製管体の外周面に設けた凹凸により、接触面積増加、アンカー効果等が発揮され特殊な羽根形状等なしで荷重伝達可能となる。このため、溶接等の加工賃が不要となり安価、迅速に芯材を製造することができることとなる。本発明の樹脂製管体は羽根のない管体なので嵩張りが少なく積載が容易であり、凹凸を有するため凹凸のない管体と比べて転がりにくいため輸送が容易となる。

以下、図２により本発明の造成方法の好ましい実施形態について説明する。図２は本実施例に係る造成方法の施工工程の概要を示す地盤の断面図であり、機械式深層混合処理工法によりソイルセメント柱状改良体を造成する例である。
先ず、同図（ａ）に示すように、地盤１に於ける目的の位置にソイルセメント柱状改良体造成装置６を設置し、同図（ｂ）に示すように、機械式深層混合処理工法によってソイルセメント柱状改良体２を造成する。同図（ｃ）に示すように、ソイルセメント柱状改良体２を造成した後であって、硬化前に位置出しを行い、所定位置に柱状改良体より小径の外周面に凹凸を有する樹脂製管体３を圧入することにより前記所定深度以下の長さで埋設させ、管体３とソイルセメント柱状改良体２を一体化する。また、同図（ｄ）に示すように、当該管体中空部3aにセメント硬化材料からなる充填物５を充填することでソイルセメント合成杭が造成される。 図に示した「圧入」施工のみならず、「回転貫入」による施工も可能である。以下、順を追って、本発明のソイルセメント合成杭の造成方法を説明する。

（ソイルセメント柱状改良体の造成の説明）
ここで、機械式深層混合処理工法とは、セメント或いはセメントを主成分とした固化材と水を混練して作成したスラリーを地盤中に注入しながら、掘削翼と攪拌翼を備えた攪拌混合装置により、地盤とスラリーを機械的に攪拌混合してソイルセメント柱体を造成する地盤改良工法のことをいうものである。図示しなかったが、拌部材を設けると共に先端部に掘削ビットを設けた掘削ロッドを用いた地盤改良工法も可能である。

（樹脂製管体の施工の説明）
管体３を圧入することにより前記所定深度Lc以下の長さL1で埋設させ、管体３とソイルセメント柱体２を一体化する。圧入とは垂直方向に管体３を加圧して、ソイルセメント柱体２に管体３を入れることをいう。管体３はソイルセメント柱体２より小径例えば1/3Dc程度の径であるため、造成後のやわらかいソイルセメント柱体中にスルスルと圧入される。ソイルセメント硬化後は管体の外周面凹凸を介して一体化する。図に示した「圧入」施工のみならず、「回転貫入」による施工も可能である。管体上部を直接把持ないし、管体上部を貫通したボルト等治具を介して管体に回転力を付加し垂直方向の推進力を付与することで造成後のやわらかいソイルセメント柱体中にスルスルと回転貫入される。ソイルセメント硬化後は管体の外周面凹凸を介して一体化する。回転貫入と同時に加圧することも可能である。

（所定深度以下の長さで埋設することの説明）
図３(b)に示す様に上部は芯材を有する複合体が支持し、下部は芯材のないソイルセメント柱体のみで支持する。図３(a)に示す地盤条件において摩擦杭として用いる場合、一般的には、図３(c)に示すように、杭頭部に載荷された荷重は地中に分散なされて、深度が下方に行くに従い軸力が減少する軸力分布となるケースが多い。従って、ソイルセメント柱体下部においてはソイルセメント柱体の耐力で十分支持しうるのである。そこでソイルセメント柱体のみでは耐力が不足する上部のみに芯材を配置し補強する。

（樹脂製管体の説明）
管体３は樹脂製である。素材はポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン等である。バージン樹脂のみならず、機械的特性が主な要求性能であり、色合いなどの外観性能を要求しないため、リサイクル素材を好適に用いうる。繊維補強体や充填材による強度向上も可能である。例えばFRP粉等を添加することも可能である。樹脂製管体３の外径は100mmφ〜400mmφが設計上好適である。樹脂補強等により大径化を図ることも可能である。

施工に用いたポリエチレン樹脂製管体例を図４(a)から(c)に示す。樹脂製管体の厚さは製造上は薄いほど好適である。特にリサイクル樹脂を用いる場合などに図４(d)に示す様に樹脂中から水蒸気ないし分解ガス等が発生するため、樹脂層を薄くして発生ガスが拡散脱離する距離を短くすることにより欠陥が少なくなり機械的特性が高くなるからである。管体厚みを薄くすることで軽量であればあるほど施工エネルギー、輸送エネルギーを軽減することができる。
一方、施工時のハンドリングに必要な強度分の厚さが要求される。圧入施工では圧縮強度、回転貫入施工では圧縮強度に加えねじり強度が要求される。管体厚さは外径の１％から３０％、５％から２０％が好適である。１％より小さいと樹脂厚みが薄いため運搬時や施工時に作業性確保が困難となり、５％より小さいと管体を直接把持する施工が困難となり、２０％を超えると樹脂成型の冷却時間が大きくなり、気泡などを混在しやすくなり、３０％を超えるとセメント硬化材料を充填する中空部の容量確保が困難となる。

管体３の径Dは柱状改良体Dcより小径である。管体外径Dとソイルセメント柱状改良体径Dcの比率Dc/Dは１．５倍から５倍が好適である。ソイルセメント柱状改良体２と管体３との一体性や鉛直荷重の分散性を更に効率的にするために、ソイルセメント柱状改良体２の直径Ｄｃは、管体３の外直径Dの２倍〜４倍の範囲が好ましい。
ソイルセメント柱状改良体２の直径Ｄｃを管体３の外直径Ｄの１．５倍未満に設定した場合、ソイルセメント柱体２の周面積が小さくなり、地盤１との摩擦力が小さくなるため、ソイルセメント合成杭の支持力が減少する方向となる。
またソイルセメント柱体２の直径Ｄｃを管体３の外直径Ｄの５倍を超えて設定した場合、地盤種別にもよるが、不必要に広い範囲の地盤１を改良することになり、効果は上記範囲のものと変わらずに材料を多く使うという不経済な結果となる。

管体３はその外周面に凹凸が設けられている。一例として、図４(a)、(b)、(c)が示される。管体３の外表面には多数の凹凸を有するため、凹凸による付着力で一体化でき、荷重の円滑な伝達ができるものと考える。図４(e)に模式的に示す様に管体３の凹凸は2mm以上の凹凸深さdを有する表面形状であり、凹凸深さdの上限は樹脂層厚さd0の５倍である。凹凸深さdは5mmから樹脂層厚さd0とほぼ同程度とする範囲が好適である。
凹凸深さdが2mm未満で表面ツルツルだと荷重伝達や周面摩擦が不足する。樹脂層厚さd0を超えた凹凸深さdが付された場合、施工時に抵抗が極度に増して施工を困難とするとともに凹凸深さdがd0の５倍を超えると極限荷重載荷前に凹凸部樹脂が管体本体部から千切れる現象が起こりはじめ管体全体とソイルセメント柱体の一体化が樹脂製管体部分の強度低下で阻害される。

凹凸の形成方法は凹凸を付した型枠に溶融した樹脂を注入して成型する形成方法をはじめ、樹脂の押出成型又は樹脂成型品の切削加工、樹脂成型品への釘や鋲等を付加加工によることも可能である。スパイラル状に凹凸を形成すると回転貫入施工法を取る場合推進力を得易くなり好適である。
管体３は、単体で用いる場合もあるが、必ずしも単体での使用に限定するものではなく、長手方向に連続させて継手接合或いはネジ込み等の手段によって複数本を接続した継杭として用いても良い。長さ１ｍ〜３ｍの樹脂製管体を現場又は工場で連結し、所定長さにする。管体３の先端部は、底板により閉塞されている場合と、開端の場合があり、何れを採用しても良い。
下端部が底板３ａによって閉塞されている閉端杭の場合は、管体３がソイルセメント柱状改良体２に貫入するのに従って貫入した体積分のソイルセメントが加圧され、ソイルセメントの強度を増加させることが可能である。

（樹脂製管体中空部にセメント硬化材料を充填する工程の説明）
樹脂製管体３の内部に形成された中空部には、セメントミルクやモルタル或いはコンクリート等の中から選択された充填物６が充填される。樹脂製管体を用いるため、塩素含有量の高いエコセメント等の新規セメント系材料をも使用しうる利点がある。
管体３の内部に充填物６を充填することで、管体３の有効断面積を大きくすると共に
断面形状の変形を防止することが可能である。この結果、ソイルセメント合成杭が負担し得る鉛直荷重や水平荷重を大きくすることが可能となる。

特に、管体３の下端部が底板３ａによって閉塞されている場合には、該管体３をソイルセメント柱体２に貫入させても管体３の内部にソイルセメントが入り込むことがない。このため、管体３の内部は完全に空洞状態にあり、組成管理された性能一定の良質なセメントミルク、モルタル、コンクリートを充填することが可能である。
セメントミルクとしては、W/C40%-60%が好適である。28日圧縮強度として25MPa-50MPaである。さらに、減水剤を用いた高強度セメントミルクや高性能減水剤と微粉末シリカ等を用いた超高強度セメントミルクを充填することも可能である。
樹脂製管体の拘束によるいわゆるコンファインド効果により、セメント硬化体単体と比較して複合体のほうが圧縮強度が高くなる。

また、粒子径2.5cm以上で管体内径以下の砂利骨材をセメントミルク充填に先立って管体中空部に投入することが可能であるセメントミルクの充填量を減らせるため、施工効率を高めることができ、粒径が大きいのでセメントミルクの浸透充填が容易となり、投入された砂利とセメントミルクが一体化することで荷重伝達が図れる。
図５は、上記機械式深層混合処理工法により造成したソイルセメント合成杭を鉛直載荷試験した結果得られた鉛直荷重に対する杭頭の鉛直変位量を示すものである。
図に於いて、Ａは本発明のソイルセメント合成杭の鉛直荷重に対する杭頭の鉛直変位量を示すものである。Ｂはソイルセメント柱体２に最下端部及び杭頭部近傍と該杭頭部近傍を含む複数の位置にらせん状羽根4xを設けた鋼管杭3xを貫入させて構成したソイルセメント合成杭（第３公知例）の鉛直荷重に対する杭頭の鉛直変位量を示すものである。Ｃは鋼管杭3xのみの鉛直荷重に対する杭頭の鉛直変位量を示すものである。

同図から明らかなように、本実施例に係るソイルセメント合成杭では、鋼管杭3xのみの場合に比べて鉛直支持力を大きくとることが可能である。また、羽根付鋼管杭によるソイルセメント合成杭と遜色のない性能と評価できる。
以上詳細に説明したように本発明に係るソイルセメント合成杭の造成方法では、ソイルセメント柱体と管体および管体と充填したセメント硬化材料とが一体化し、凹凸を有する管体外周面から滑らかに荷重が伝達されるため、地盤との間で大きな摩擦力を発揮することが出来る。
管体の内部に形成された中空部にセメントミルク，モルタル，コンクリートを選択的に充填していることで、鉛直耐力のみならず、水平耐力も向上させることが出来る。

本技術により鉄資源をリサイクルされた樹脂とすることができ、輸送エネルギー、施工エネルギーの省エネルギー化が図れ、エコセメントなど環境に配慮した新素材を使用でき、環境に配慮したソイルセメント合成杭の造成が可能となる効果がある。
樹脂管体３の外周面に設けた凹凸４により、接触面積増加、アンカー効果等が発揮され特殊な羽根形状等なしで荷重伝達可能となった。このため、溶接等の加工賃が不要となり安価、迅速に芯材を製造することができることとなった。
本発明の樹脂管体３は羽根のない管体なので嵩張りが少なく積載が容易であり、凹凸を有するため凹凸のない管体と比べて転がりにくいため輸送が容易となった。

樹脂管体３は樹脂製であり、錆びない、衝撃に強い、輸送時軽い、施工時も軽い、安価であり、さらにリサイクル樹脂を使いこなした場合、環境にやさしい杭材とできる。杭芯材であるため、地中での物理的特性が主な要求性能であり、見た目や色合いなどリサイクル樹脂のかなえ難い性能を要求しない特性があるため、リサイクル樹脂を採用し易い特徴がある。さらに耐久性ある樹脂製であることから、エコセメントなど塩素含有量が高い新規なセメントをも有効に活用しうる。ソイルセメントと比較するとセメント充填物５は組成管理ができ高性能で信頼性ある硬化物が得られるという効果がある。セメント部分については建築基準法上の構造材料として認められている実績ある素材である。

さらに、砂利先詰め工法や高性能減水化技術などにより高性能化を図りうる設計の自由度が高い工法となった。複合芯材技術により中心部にあるセメント硬化物５を樹脂管体３が側面から拘束するため、コンファインド効果を発揮して強度増強が図られる効果がある。ソイルセメント柱体２のみでは耐力が不足する上部のみに芯材３を配置し補強するソイルセメント合成杭の全部にわたって芯材を設けない工法が開発できたことから使用芯材を合理的に設計でき、施工の迅速化が達成され、安価、省資源という効果がある。

従来のソイルセメント合成杭と本発明のソイルセメント合成杭との関係を説明する図である。 本実施例に係る造成方法の施工工程の概要を示す断面図である。 ソイルセメント合成杭に於けるソイルセメント柱状改良体２と樹脂製管体３と、Ｎ値地盤条件及び軸力分布の関係を説明する図である。 樹脂製管体の凹凸深さ等を説明する図である。 鉛直載荷試験の結果を示す図である。

符号の説明

Ｄ：樹脂製管体３の外径
Ｄｃ：ソイルセメント柱状改良体２の直径
ｄ0：樹脂製管体３
ｄ：樹脂製管体３の外周部凹凸４の深さ
Ｌｃ：ソイルセメント柱状改良体２の所定深度
Ｌ１：樹脂製管体３の長さ
Ｌ２：ソイルセメント柱状改良体２のみで支持する領域の長さ
１：地盤
２：ソイルセメント柱状改良体
３：樹脂製管体
３ａ：樹脂製管体中空部
３ｘ：鋼管杭
４：凹凸
４ｘ：らせん状羽根
５：セメント硬化材料からなる充填物
６：ソイルセメント柱状改良体造成装置

Claims (2)

1. 地盤中にセメント硬化材を注入して所定深度、所定径のソイルセメント柱状改良体を造成したのち、柱状改良体より小径の外周面に凹凸を有する樹脂製管体を回転又は圧入することにより前記所定深度以下の長さで埋設してなることを特徴とするソイルセメント合成杭の造成方法。
2. 樹脂製管体中空部にセメント硬化材料を充填してなることを特徴とする請求項１記載のソイルセメント合成杭の造成方法。