JP2007051500A - 柱と杭の接合構造 - Google Patents

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晃司 沖
Kazuchika Konno
和近 今野
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Abstract

【課題】中掘り工法を含む杭の各種施工方法にて施工することができ、かつ実際の杭の打込み深さに関わらず柱下部を十分な深さまで杭上部内に挿入し嵌合できる柱と杭の接合構造を提供する。
【解決手段】鋼管杭3の上部31の内部に上部構造物8の柱2の下部21を挿入し、該柱下部21が挿入された鋼管杭3の上部31の内部に充填材5を充填して、前記鋼管杭3と前記柱2とを接続した柱と杭の接合構造1であって、少なくとも前記柱下部21が進入できる空間が確保できるようにして、前記鋼管杭3の上部31の内面に内周方向で連続または不連続な、圧縮力の受け部4を、前記柱2の下端21の下方に突設する。
【選択図】図2

Description

本発明は、鋼管杭の少なくとも上部に充填した充填材を介して、構造物の柱を設置する一柱一杭基礎構造の柱杭接合構造に関するものである。
一柱一杭基礎構造の構造物を構築する技術は、フーチングを設けずに行う場合、構造物の鋼管または鋼管コンクリート杭において、当該杭の鋼管の上部内面にすべり止めを設けるとともに、上記構造物の鋼管柱の下部外面にすべり止めを設け、鋼管柱の下部を杭の鋼管上部に挿嵌して、コンクリートを介し両者を接合したものがある(例えば、特許文献1参照)。あるいは、上部に柱が接合される接合部と下部に杭内に挿入される脚部とを有した柱杭接合部材を用いることで、同様の柱杭接合構造を実現したものもある(例えば、特許文献2参照)。これらの柱と杭の接合構造は、場所打ち杭やコンクリートフーチングを用いた場合のような基礎穴の掘削、型枠等の設置等の問題が発生せず、また工期も短縮できる利点もある。
特許文献1においては、杭鋼管の上部に設けられた支持板上に鋼管柱の下端を戴置する方式(第2図)が開示されているが、この場合、鋼管柱からの鉛直方向にかかる圧縮荷重を支持板より杭鋼管へと伝達するため、支持板を予め鋼管内に溶着(現実的には溶接)しておくことが必要となる。
特開昭62−284825号公報 特開平09−268573号公報
しかし、この特許文献1の場合のように、予め鋼管杭の内部を塞ぐような態様で支持板を溶着してしまうと、杭内部にオーガを挿入する中掘り工法では施工できないという問題点が発生する。ちなみにこの中掘り工法は、杭用の縦穴の掘削と杭の沈設を同時にできることから工期を短縮できる利点を持ち、現在最も重要な杭の施工方法の一つである。
また、杭が実際に支持層に到達した時の深さが、支持層までの想定深さに対し±500mm程異なることは、実際の施工現場では通常良く見られる。この時、実際の到達深さが想定深さよりも浅い場合、杭上部が想定よりも長く突き出ることになる(これを杭の高止まりと呼ぶ。)。この高止まりとなった場合、支持板が想定位置よりも高い位置に来ることになり、柱下部を構造上必要十分な深さまで杭上部内に挿嵌できなくなるという問題点も発生する。
本発明は、上記問題を解決し、中掘り工法を含む杭の各種施工方法(具体的には、先掘り工法、中堀り工法、回転挿入工法、打撃工法、並びにこれら工法を組み合わせた施工方法)にて施工することができ、かつ実際の杭の打込み深さに関わらず柱下部を十分な深さまで杭上部内に挿入し接続できる柱と杭の接合構造を提供することを目的とする。
(1)上記の課題を解決するため、本発明にかかる柱と杭の接合構造は、鋼管杭の上部の内部に上部構造物の柱の下部を挿入し、該柱下部が挿入された鋼管杭の上部の内部に充填材を充填して、前記鋼管杭と前記柱とを接続した柱と杭の接合構造であって、少なくとも前記柱下部が進入できる空間が確保できるようにして、前記鋼管杭の上部の内面に内周方向で連続または不連続な、圧縮力の受け部を、前記柱の下端の下方に突設する。
(2)上記(1)において、前記柱が下端に底板を有する。
(3)上記(1)または(2)において、前記柱の下端から下方へ前記鋼管杭の杭上部における内径の最小幅の0.5倍以上離れた位置に、前記圧縮力の受け部を設ける。
(4)本発明にかかる構造物は、上記(1)及至(3)に記載の接合構造を有する。
本発明により、実際の杭の打込み深さに関わらず柱下部を十分な深さまで杭上部内に挿入し接続でき、かつ杭の各種施工方法(先掘り工法、中堀り工法、回転挿入工法、打撃工法、並びにこれら工法を組み合わせた施工方法)にて施工することができる柱杭接合構造、およびそれら接合構造を用いた構造物を提供することが可能となる。
また、上記(2)のように柱下端に底板を付加することにより応力伝達領域が広がるので、受け部と柱下端の間にあり上部構造物の鉛直方向の圧縮荷重を鋼管杭へ伝達している充填材に対し、単位面積当たりにかかる応力が少なくなり柱杭接合構造の耐力を向上させることができる。
また、受け部を設ける位置を上記(3)のように柱の下端より、それぞれ杭上部における内径の最小幅の0.5倍以上の距離をもって下方とすることにより、充填材において鋼管杭上部に埋め込まれている柱からの圧縮荷重によって生じるせん断力に対する有効断面厚が十分厚く取れ、充填材のせん断破壊が起き難くなるので、柱杭接合構造の耐力を向上させることができる。
図1は本発明に係る構造物に関する模式図で、縦の断面から見た図である。図1において、1は地中にある本発明に係る柱と杭の接合構造、3は地中に立設された円形鋼管からなる鋼管杭、8は鋼管杭3上に建設された上部構造物、9は上部構造物8の梁、2は下部まで円形鋼管からなる上部構造物8の柱である。また、上部構造物8は、杭3により支持される部分で、少なくとも柱2と梁9からなり、地中の構造物(例えば基礎梁や地階部分等)がある場合はそれら地中構造物も含む。鋼管杭3により柱2を含む上部構造物8からの鉛直荷重(圧縮荷重と引張荷重の双方を含む)が支持される。
図2に、図1の柱と杭の接合構造1の縦断面を拡大して模式的に示した。図2に示した接合構造は、本発明に係る第1の実施の形態の例となる。鋼管杭3の上部31には柱2の下部21が差し込まれ、それらの隙間に充填材としてコンクリート5が充填され柱2と鋼管杭3を接続し一体化する。
杭上部31の内面には、柱下端22の下方に、柱2からの圧縮荷重で生じた圧縮力の受け部として鋼で作られた円形のリング4(切断部が無く、全周連続である)が2本(上のリングを41、下のリングを42とする。)取り付けられている。ここでは、柱下端22からリング41の上端までの長さh1を、0以上としている。リング4の上面と杭上部31の内面とが、隅肉溶接43で接続されている。なお、隅肉溶接43の溶接代はリングの高さに比べ十分短いので、h1はリング41の上端までとして差し支えない。また、リングの突出幅は、杭上部31の板厚以下とした。さらに、リングの溶接位置を上面としたことで、杭打設後にも杭先端の開口部よりトーチ等の施工治具を差し込み、溶接をすることができる。
上記のように構成された柱2の柱下部21と鋼管杭3の杭上部31の接合構造1においては、柱2からの圧縮荷重はコンクリート5及びリング4を介して鋼管杭1に伝達される。また、受け部の形状をリング状とし、かつリングの突出幅を杭上部31の板厚以下としたので、少なくとも柱の下部21が進入できる空間が確保できた。また、杭3とリング(受け部)4を双方とも鋼製としたので、現場や工場での溶接や、杭製造時の一体物とすることができ、受け部から杭への力の伝達の信頼性を非常に高いものとすることができ、より好ましい形態となる。
リング4の突出幅は、接合構造1が柱2からの圧縮荷重を支えるのに必要とする圧縮耐力により決まる。当該圧縮耐力と柱2からの圧縮荷重を鋼管杭3へ伝達するリング支圧部の面積とが比例することから、接合構造1が必要とする圧縮耐力が高くなれば、突出幅を広くする(あるいはリング4の内径を短くする)ことで調節する。
リング1本の突出幅で調整可能な圧縮耐力より高い圧縮耐力が必要な場合は、複数本のリングをある間隔で突設する。この場合、柱下端22の下方に有るリングのみが効果を奏する。なお、リング同士の間隔が近い場合、コンクリート5が早期にせん断破壊し易く、十分な圧縮耐力が得難い。その為、リングの間隔は十分な長さを確保する事が望ましく、目安としては、リングの突出幅の15倍程度とすると良い。
なお、中掘り工法にて施工する場合は、リングの内径に関して、オーガの掘削ビットが通過するのに問題とならない大きさとしておけば、さらに好ましい形態となる。
また、リング4は、例えばフラットバーや鉄筋棒を曲げ加工して製作する。
その他、コンクリート5を杭上部31にのみ充填する場合は、仕切板7を設置する。この仕切板7は、鉛直荷重と水平荷重双方とも支持する必要は無いので、杭上部31に固定する必要は必ずしも無い。例えば施工条件によっては、杭内部に残した土砂あるいは土砂を含んだ混合物上に載置するだけでも良い。
次に、上記のように構成される鋼管杭3と柱2の接合構造の施工方法の一例について、図1と図2を用いて説明する。
(1)建設現場において、鋼管杭3を杭打ち機により地面Eに対し鉛直に配置する。そして、鋼管杭3の内部にモーターに接続されたオーガを通す。その後、オーガによりあらかじめ定めた位置に、鋼管杭3の外径よりやや大きい内径で所定深さの縦穴を掘削しながら、杭打ち機にて鋼管杭3を沈設していく。
(2)鋼管杭3の下端が支持層Gに達すれば、オーガを鋼管杭3の内部より引抜く。
(3)ついで、仕切板7を、クレーンで鋼管杭3内の所定の位置に吊るし込んだ後、クレーンから外しワイヤーで該当位置に保持する。
(4)リング4を所定の深さに所定の本数だけ、杭上部31の内面に溶接する。鋼管杭3の上端から手を入れて、リング4の上面と杭上部31の内面が挟む空間部分を隅肉溶接する。
(5)次に、鋼管杭3の杭上部31の内部へ、上部構造物8の柱2の下部21をあらかじめ定めた位置まで挿入する。その柱下部21と杭上部3の隙間に、コンクリート5を打設する。この時、柱2の内部は中空なので、柱下部21内にもコンクリート5が充填される。なお、予め柱下部21内にコンクリートを充填しておいてもよい。
(6)コンクリート5が硬化したのち、地面Eから露出した柱2に、上部構造物8を構築する。
以上のように本実施の形態によれば、大きな穴の掘削、土砂の搬出廃棄、型枠、鉄筋等の配設等の作業、あるいは硬化したコンクリート等の除去作業等を必要とせず、工期も短縮できる。また、溶接位置をリング4の上面とすることで、杭打設後にリング4を杭上部31の内面に溶接することが可能となる。さらに、コンクリート3は仕切板7によってせき止められるので、仕切板7よりも上部のみにコンクリート5が充填され、何十mにわたってコンクリート5を充填するという不経済を防止でき、コストと施工性に優れた柱の接合構造を得ることができる。
図1の柱と杭の接合構造1の第2の実施の形態の例を、図3に縦断面図で模式的に示した。第1の実施の形態と同一のものは同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。この第2の実施の形態では、柱の下端が底板6を有している。柱2を構成する円形鋼管と底板6との接続は、溶接により行われている。そして円形リング4は、この底板6付き柱2の下端22(この実施の形態の場合は底板6の下端)の下方に2本取り付けられている。ここでは、柱の下端22からリング4のうち上にあるリング41の上端までの長さh2を、0以上としている。リング4の上面と杭上部31の内面とが、隅肉溶接43で接続されているのは、第1の実施の形態と同様である。また、リング4の形状と大きさに関しては、第1の実施の形態と同様にして決定する。
底板6は円形の鋼板で、その直径d1は、柱2を構成する円形鋼管の外径d以上である。柱2を構成する円形鋼管の下端に、上記底板6を取り付けることにより、圧縮力f(柱2からの圧縮荷重Fが広がってfとなりコンクリート5内を伝わる。)の伝達に有効なコンクリート5の領域(以下、応力伝達領域と呼ぶ)が広がるため、接合構造の耐力向上が期待できる。
底板6が有る場合の応力伝達領域を模式的に図3に示すと、柱下端22の外縁x、上リング41上端z1、柱下端22の中心cおよび下リング42上端z2とを結んだ領域となり、その内のある断面は図3のa1あるいはa2となる。同様に、底板6が無い場合の応力伝達領域を図4に示すと、柱下端22の外側の縁x、上リング41上端z1、下リング42上端z2および柱下端22の内側の縁yとを結んだ領域となり、その内のある断面は図4のb1とb2となる。a1、a2とb1、b2とを比較すると、a1、a2の方が面積が大きくなり上記領域の単位面積当りにかかる圧縮力が減るので、その結果、底板6がある場合の方が圧縮耐力は高くなり、底板6を設けた方がより好ましい形態となる。
底板の形状と大きさは、上記理由より、柱下端22におけるコンクリートとの接触幅(この場合は、底板6の直径d1の半分、図3中のx−c間)が底板が無い場合(具体的には柱下端22での板厚d2、図4中のx−y間)よりも広くなれば良いのであるから、その様な機能を有していればどの様な形状でも良い。円形以外の底板の他の形状は、具体的には、多角形や矩形、円形や多角形や矩形の底板に穴が1以上開いていたり、あるいは(円形、多角形、または矩形の)リング状であっても良い。また、底板6の厚みは、上部構造物8からの圧縮荷重Fにより変形しない強度を有することができる厚みであれば良い。
さらに本実施の形態では、底板6を鋼製としたので強固な接続効果の得られる溶接で接続したが、上部構造物8からの圧縮荷重を伝達できるのなら、例えば、接着剤等の他の接続方法を用いても構わない。また同様に、底板は鋼製で無くとも、上部構造物8からの圧縮荷重を伝達できるのなら、特に、コンクリート以上の剛性と強度を有していれば、他の材質を用いても構わない。
図5に、図1における接合構造1の第3の実施の形態の例を、縦断面図で模式的に示した。第1および第2の実施の形態と同一のものは同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。この第3の実施の形態では、柱の下端22に設けられた底板6の下端からリング4(リングが複数ある図3のような場合は、最上の位置にあるリング41)の上端まで長さh2を、杭上部31の最小幅(この場合、杭上部31は円形鋼管なので内径Dに相当する)の0.5倍以上としている。リング4の上面と杭上部31の内面とが、隅肉溶接43で固定されているのは、第1および第2の実施の形態と同様である。また、リング4の形状と大きさに関しては、第1および第2の実施の形態と同様にして決定する。
上記の構造とすることにより、杭上部31に充填されたコンクリート5のせん断力に対する有効断面厚(図5の場合は、h2に相当)が厚くなるため、接合構造のさらなる耐力向上が期待できる。一方、長さh2が杭上部における最小幅の0.5倍未満の場合を図6に示す。
底板6の下端からリング4の上端までの長さh2の長短とコンクリート5のせん断力に対する有効断面厚の関係について、図5と図6を用いて説明する。一般的に、固体表面から内部(この内部は中実)へ作用する圧縮力の伝達経路は、加力方向に対し45°の範囲内に広がると仮定できる(図5中のfを参照)。本発明においてこの45°の圧縮力の伝達範囲を適用し、その伝達範囲とリング4の上端が作る面とが交差してできる断面(図5と図6中の矢印iの範囲)が、コンクリート5の全断面となるのに必要な距離h2は、幾何学的に杭上部31の内径Dの0.5倍となる。この距離により、圧縮力fがリング4の位置においてコンクリート5の縁端部にまで広がっている構造が得られ、リング4に対して圧縮力が確実に伝達できる。杭断面が円形で無い場合は、最小幅の0.5倍以上であれば上記構造が満足できるので、長さh2が杭上部における最小幅の0.5倍以上であれば上記理由により、第1と第2の実施の形態に比べさらに好ましい形態となる。
上記説明は底板6のある場合にて説明したが、底板6が無い場合の柱下端22からリング4(リングが図3のように複数ある場合は、最上の位置にあるリング41)の上端までの長さh1が杭上部における最小幅の0.5倍以上の場合でも、同様の機能を有する。
なお、圧縮力の受け部として、第1から第3の実施の形態では周方向に連続な円形のリングとしたが、本発明においてはこれに限定しない。柱2からの圧縮荷重を伝達するに十分な充填材との付着力が得られ、かつ柱下部21通過することのできる形状であれば良い。オーガの掘削ビットが通過するのに問題とならない形状としておけば、さらに好ましい。例えば、図7(a)に示したスパイラル状の突条や、(b)に示した多数の縞状突起、(c)に示した鋼管杭3の内方に張り出して不連続に設置された弓型状の板材、並びに(d)に示した鋼管杭3の内方に張り出して不連続に設置された円弧状の角材等が考えられる。
なお、第1から第3の実施の形態ではリング4の溶接位置をリング4の上面としたが、本発明においてはこれに限定しない。工場等でリング4を溶接するのであれば、リング4の上下面を溶接すれば、リング4の杭上部31への固定はなお一層強固なものとすることが期待できる。また、リング4の下面と杭上部31の内面とを溶接した場合は、リング4の上面がコンクリート5と接し、更なる付着力の向上が期待でき尚一層好ましい。さらに、本実施の形態では、リング4の溶接を隅肉溶接にて対応したが、溶接面積が十分に取れるのならスポット溶接等その他の溶接方法でも構わない。
なお、第1から第3の実施の形態では受け部は柱下端22の下方にのみ取り付けたが、杭の高止まり等で、受け部が柱下端22より上方になっても、本発明の効果を妨げる事は無い。この場合、既に述べたように、柱下端22の下方にある受け部にて効果を奏する。
なお、第1から第3の実施の形態では受け部は柱下端22の下方にのみ取り付けたが、それに加えて、第2の圧縮力の受け部を鋼管杭3の上端部に内方に張り出して設けても良い。この構成とすることにより、柱2が引張を受けた際にコンクリート5ごと鋼管杭3より抜け出るのを防ぐ機能と共に、底板6からコンクリート5の圧縮抵抗力を介して鋼管杭3に応力伝達できる機能を、新たに有することができるので、非常に好ましい形態となる。
なお、第1から第3の実施の形態では柱2を円形鋼管としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、上部構造物8の鉛直荷重を鋼管杭3に伝達できるものならば何でも構わない。柱2の柱下部21は、角形鋼管、H形鋼等他の断面形状でも構わないし、また材質も鋼材の替わりに、鉄筋コンクリート、鉄筋鉄骨コンクリート、プレキャストコンクリート等他の材質でも構わない。
なお、第1から第3の実施の形態では鋼管杭3を円形鋼管としたが、本発明はこれに限定されるものではない。鋼管杭3は、杭上部31の断面形状と柱下部21の断面形状との組み合わせで決めればよく、例えば、角形鋼管杭や断面多角形鋼管杭や断面楕円形鋼管杭、あるいは杭上部31のみ筒状の鋼管からなる各種既製杭(鋼管杭、形鋼杭、コンクリート杭、鉄筋コンクリート杭(RC杭)、プレストレストコンクリート(PC)杭、高強度プレストレストコンクリート(PHC)杭、外殻鋼管付きコンクリート(SC)杭、高強度コンクリート拡径杭(ST)杭、鉄筋または平鋼を入れたコンクリート(PRC)杭等)を用いてもよい。
なお、第1から第3の実施の形態では、上部構造物8においては、杭上部31の内径Dよりも柱下端22の外径(dまたはd1)の方が小さくなる場合で説明したが、本発明は、これに限定するものでは無い。鋼管杭3の杭径と柱2の柱径は、それぞれ構造物の設計上からの与条件によって決まるが、その与条件の結果、杭上部31の内径Dが柱下端22の外径(dまたはd1)に施工に不具合が出るほど近かったり、あるいは杭上部31の内径Dが柱下端22の外径(dまたはd1)よりも小さかったりした場合は、鋼管杭3の直径はそのままで杭上部31の内径Dのみ拡径するか、柱下端22の外径(dまたはd1)を小さくする等して、柱下部21が杭上部31に進入できるよう調整する。また、柱下部21の差込み長さも、構造物の設計上から杭上部31に必要とされる曲げ耐力に応じて決める。
なお、第1から第3の実施の形態では柱下部21と杭上部31の中心軸が、ほぼ同一直線上にある例にて説明したが、本発明はこれに限定するものでは無い。柱下部21の中心軸と鋼管杭3の上部31の中心軸は、一致している必要は無く、鋼管杭2が上部構造物8の鉛直荷重を支えるという機能を果たせるのならば、施工現場での状況に応じてずれても構わない。
なお、第1から第3の実施の形態では充填材としてコンクリート5を用いたが、本発明はこれに限定するものでは無く、柱の下部21と杭の上部31を接続し柱下部21にかかる鉛直荷重を杭上部31へ伝達する機能を有しておれば何でも良い。例えば、モルタル等があげられる。
なお、図1において、地下構造物や基礎梁の無い場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。上部構造物の設計上の要求から地下構造物や地中に基礎梁が必要な場合は、柱杭接合構造1の上部に設ければ良い。また、柱と杭とを接合するにあたって、特許文献2に開示されているような、接合部材を用いても良い。この場合、接合部材の支柱の脚部13を本発明の柱下部21とみなす。
本発明に係る柱杭接合構造を用いた構造物に関する説明図。 本発明に係る第1の実施の形態の断面図。 本発明に係る第2の実施の形態の断面図。 第1の実施の形態における応力伝達領域の説明図。 本発明に係る第3の実施の形態の断面図。 第2の実施の形態におけるせん断力に対する有効断面厚の説明図。 受け部のその他の例を示した図。
符号の説明
1 杭と柱の接合構造
2 柱
21 柱の下部
22 柱の下端
3 鋼管杭
31 杭の上部
4、41、42 リング(受け部)
43 隅肉溶接
5 コンクリート(充填材)
6 底板
7 仕切板
8 上部構造物
9 梁
h1 柱下端からリング上端までの距離(底板が無い場合)
h2 柱下端からリング上端までの距離(底板がある場合)
a1、a2 伝達領域(底板がある場合)
b1、b2 伝達領域(底板が無い場合)
c 柱下端22の中心
d 柱下部21の外径
d1 底板6の直径
d2 柱下端22での板厚
D 杭上部31の内径(杭上部の最小幅)
E 地面
F 鉛直方向の圧縮荷重
f コンクリート5内での鉛直方向の圧縮力
G 支持層
i リング4の上端が作る面と圧縮力の伝達範囲とが交差する範囲
x 柱下端22の外側の縁
y 柱下端22の内側の縁
z1 上リング41の上端
z2 下リング42の上端

Claims (4)

  1. 鋼管杭の上部の内部に上部構造物の柱の下部を挿入し、該柱下部が挿入された鋼管杭の上部の内部に充填材を充填して、前記鋼管杭と前記柱とを接続した柱と杭の接合構造であって、
    少なくとも前記柱下部が進入できる空間が確保できるようにして、前記鋼管杭の上部の内面に内周方向で連続または不連続な、圧縮力の受け部を、前記柱の下端の下方に突設することを特徴とする柱と杭の接合構造。
  2. 前記柱が下端に底板を有することを特徴とする請求項1に記載の柱と杭の接合構造。
  3. 前記柱の下端から下方へ前記鋼管杭の杭上部における内径の最小幅の0.5倍以上離れた位置に、前記圧縮力の受け部を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の柱と杭の接合構造。
  4. 請求項1乃至3に何れか記載の柱と杭の接合構造を有することを特徴とする構造物。
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