JP2007138625A - 杭の動的水平載荷試験方法及び動的水平載荷試験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静的水平載荷試験の反力装置が不要で、かつ、実験時間が短く、精度の良い水平載荷試験を低コストで実施でき、重錘方式の動的水平載荷重試験において比較的簡易な試験装置により大径の鋼管杭やコンクリート杭等の動的水平載荷試験も実施できる杭の動的水平載荷試験方法・装置を提供する。
【解決手段】杭１の上方にＩ形鋼等からなるレール１１を架設し、このレール１１に沿って懸垂式の重錘１２を人力や動力を用いて所定の速度で水平移動させ、杭頭部２に重錘１２を衝突させて加振する、重錘・レール方式の動的水平載荷試験とする。杭頭に設けた緩衝コイルばねを備えた荷重検出器で衝撃荷重を計測し、杭１と不動梁２２との間に水平に配置した変位検出器で杭の水平変位を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、杭頭に水平方向の動的荷重を与える杭の水平載荷試験方法及び水平載荷試験装置に関するものである。

杭の水平載荷試験方法として、杭頭に静的荷重を与える試験方法があり、荷重と変位の関係より地盤抵抗などの地盤パラメータを求めるものである。また、この試験方法には、載荷方向の違いにより正負交番載荷と一方向載荷に分類され、載荷時間の違いにより段階載荷と連続載荷に分類される。

図８は、静的水平載荷試験（正負交番載荷）の一例を示したものであり、試験杭９０に捨て杭を用い、試験杭９０の両側に加力装置として油圧ジャッキ９１を配置し、反力杭９２に反力を取って試験杭９０に水平方向の静的荷重を加える。Ｈ形鋼材９３とＰＣ鋼棒９４からなる反力装置を介して油圧ジャッキ９１を２本の反力杭９２に接続している。試験杭９０と油圧ジャッキ９１との間にはロードセル９５が配置される。試験杭９０には、本杭と異なった杭径の杭、本杭と異なった杭長の杭、あるいは本杭と異なる杭種（本杭がコンクリート杭に対して試験杭が鋼管杭など）が用いられる。

また、本発明に関連する先行技術文献としては、例えば特許文献１、２がある。特許文献１の発明は、杭などの鉛直方向の動的載荷試験方法であり、杭などの被打撃体の頭部をハンマー等で打撃し、被打撃体中を伝播する衝撃波を計測してその解析データから被打撃体・地盤系の支持力を算定する際、複数回の打撃を加えて、各階の打撃毎に衝撃波を計測し、各回の打撃で計測された解析データを総合して、被打撃体・地盤系の支持力を算定するものである。

特許文献２の発明は、杭の鉛直方向の急速載荷試験装置であり、杭頭を重錘で打撃して行う急速載荷試験において、重錘と杭頭との間にドーナッツ状のゴムタイヤ等からなる緩衝材を介在させるものである。

特開２００５―１８０１３７号公報 特開２００５―０６８８０２号公報

従来の静的水平載荷試験では、加力装置として油圧ジャッキを用いるため、反力装置が必要であり、この反力装置が問題点となっていた。即ち、(a) 試験結果に反力装置の影響が混入することが避けられない、（b）反力装置が必要であることから、試験装置が大掛かりになり、試験の準備に日数が掛かり、経費も高価となる、などの問題があった。

このような静的水平載荷試験の問題点を解消する方法として、鐘突き方式の動的水平加振方法が考えられているが、簡易な支持架台の上部水平梁材から重錘をワイヤ等で揺動可能に吊下げ、振り上げた重錘を発泡ポリウレタン等の緩衝材を介して杭頭に衝突させる簡易な装置であり、細い杭や木杭などに適用されるものである。

本発明は、上記の静的水平載荷試験の問題点を解消すべくなされたものであり、反力装置が不要で、かつ、実験時間が短く、精度の良い水平載荷試験を低コストで実施することができ、さらに重錘方式の動的水平載荷重試験において比較的簡易な試験装置により大径の鋼管杭やコンクリート杭などの動的水平載荷試験も実施することができる杭の動的水平載荷試験方法及び動的水平載荷試験装置を提供するものである。

本発明の請求項１に係る発明は、打設された杭の地上に突出する杭頭部に重錘により水平方向の動的荷重を加えて杭の変形特性を求める杭の水平載荷試験方法であり、杭に向けて架設または地上に設置したレールに沿って重錘を移動させ、重錘を杭頭部に衝突させて水平方向の動的荷重を加えることを特徴とする杭の動的水平載荷試験方法である。レールは水平に設置するが、これに限らず、例えば杭頭部に向かって下り勾配で傾斜させることもできる。

本発明は、杭（鋼管杭、Ｈ鋼杭、コンクリート杭、鋼コンクリート合成杭など）の水平載荷試験において、従来の油圧ジャッキによる静的水平載荷試験に代えて重錘による動的水平載荷試験とし、さらに鐘突き方式に代えて懸垂型モノレール方式または地上レール方式により重錘を支持し、人力または動力を用いて重錘を水平移動させ、杭頭部に衝突させて加振するものである（図１参照）。

従来の静的水平載荷試験における反力装置が不要となり、試験結果に反力装置の影響が混入することがなく、また簡易な試験装置とすることができるため、実験準備が容易で試験を短時間で行うことができ、精度の良い水平載荷試験を低コストで実施することができる。また、レール方式であるため、鐘突き方式などに比べ、以下の利点がある。（a）レールに沿って水平移動させるため、重い重錘を容易に加力することができる、（b）レールを長くすることにより、重錘の衝撃速度を容易に大きくすることができる、(c)レールの断面を大きくすることにより、重錘の重さを容易に大きくできる、(d)重錘の衝突後の反動を簡易な装置で制御できる、(e)レールを設置するだけでよいため、移動式とすることも容易である、など。

本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の動的水平載荷試験方法において、重錘が衝突する杭頭部外面の衝突点に設けた荷重検出器により衝撃荷重を計測し、変位検出器により杭頭部の変位量を計測することを特徴とする杭の動的水平載荷試験方法である。変位検出器には、機械式変位計、光学式等の非接触式変位計、加速度計、速度計などを用いることができる。機械式変位計を用いる場合、杭頭部から重錘の反対側に向かって距離をおいて設置された不動梁に基部を取付け、先端を杭頭部に取付ける。

一例として、重錘の質量は例えば２トン、重錘の載荷継続時間は約70ｍsec、変位量は動的荷重約70ｋＮで約15ｍｍであり、ロードセルを内蔵した荷重検出器で衝撃荷重を計測し、杭頭部と不動梁とを連結する水平配置のシリンダ型の伸縮部材とその伸縮ロッドの伸縮量を検出する変位計からなる変位検出器により杭頭部の変位量を計測する(図２参照)。不動梁は、杭頭部から重錘とは反対側に向かって十分な距離をおいてレールと直交するように配置し、杭や杭間の梁で支持した梁であり、正確な変位計測が可能となる。この変位計測は杭頭部に取付けた加速度計や速度計でも可能であり、２回積分や１回積分により変位量を求めることができるが、変位波形の低周波数成分が小さく評価されるおそれがあるため、上記の変位検出器が好ましい。なお、変位計による変位波形には高周波数のノイズが広帯域にわたって含まれるため、ハイカットフィルターを用いて除去する。なお、光学式等の非接触式変位計を用いれば、ノイズの一因と考えられる不動梁は不要になる。

本発明の請求項３に係る発明は、請求項２に記載の動的水平載荷試験方法において、荷重検出器は、杭頭部外面に配置したロードセルと、このロードセルと重錘の間で衝撃を吸収し、かつ、ロードセルに重錘による荷重を伝達する緩衝用治具とを備えていることを特徴とする杭の動的水平載荷試験方法である。

ロードセルと重錘との間に内管に対して重錘移動方向にスライドする外管を設け、ロードセルと外管の蓋体との間にコイルばねや皿ばね等のばね部材を設け、このばね部材の圧縮で重錘の衝撃を吸収する。ロードセル側と外管の蓋体側にそれぞれ硬質プラスチック等のクッション材とストッパーを兼ねる荷重伝達部材を所定のギャップをおいて取付け、衝撃を緩和しつつ荷重を伝達する(図３参照)。このような緩衝用治具を設けることにより、衝撃荷重を円滑に杭頭部に伝達することができる。また、緩衝材の効果が大きい場合には動的な載荷時間を伸長させることができる。

本発明の請求項４に係る発明は、打設された杭の地上に突出する杭頭部に重錘により水平方向の動的荷重を加えて杭の変形特性を求める杭の動的水平載荷試験装置であり、杭に向けて架設または地上に設置したレールと、前記レールに移動可能に支持された重錘を備えていることを特徴とする杭の動的水平載荷試験装置である。レールは水平に設置するが、これに限らず、例えば杭頭部に向かって下り勾配で傾斜させることもできる。

レール上を移動する移動用治具を介して重錘をレールから吊下げる懸垂型モノレール方式または重錘の下部に取付けた移動用治具によりレール上を移動させる地上レール方式の動的水平載荷試験装置である。レールは１本でもよいし、２本以上でもよい。移動用治具には、レール上を転動する車輪方式、レール上を滑動するスライダー方式などを用いることができる。

本発明の請求項５に係る発明は、請求項４に記載の動的水平載荷試験装置において、レール上を転動する車輪を有する車輪付き治具が重錘に取付けられていることを特徴とする杭の動的水平載荷試験装置である。

懸垂型モノレール方式または地上レール方式において移動用治具に車輪方式を用いた場合であり、車輪にラチェットとラチェット爪等による逆転防止機構を設けて重錘が衝突後に反動で戻ってくるのを防止することができる。これにより、重錘による動的載荷時間を伸長させること、動的荷重を大きくすること、試験時の危険を防止することが可能となる。

本発明は、以上のような構成からなるので、次のような効果が得られる。

(1) レールに沿って重錘を水平移動させ、杭頭部に衝突させて加振するため、従来の静的水平載荷試験における反力装置が不要となり、試験結果に反力装置の影響が混入することがなく、また簡易な試験装置とすることができるため、実験準備が容易で試験を短時間で行うことができ、精度の良い水平載荷試験を低コストで実施することができる。

(2) レール方式であるため、重い重錘を容易に加力することができ、レールを長くすることで重錘の衝撃速度を容易に大きくすることができ、レールの断面を大きくすることで重錘の重さを容易に大きくでき、重錘の衝突後の反動を簡易な装置で制御でき、比較的簡易な試験装置により大径の鋼管杭やコンクリート杭などの動的水平載荷試験を実施することができる。

(3) 反力装置は一般的に杭を用いているが、本発明では反力装置が不要となることにより本杭１本でも水平載荷試験が可能となり、より低コストの水平載荷試験が可能となる。

(4) 杭頭部の衝突点に設置する荷重検出器をロードセルとコイルばね等からなる緩衝用治具とから構成することにより、重錘による衝撃荷重を円滑に杭頭部に伝達することができる。また、緩衝材の効果が大きい場合には動的な載荷時間を伸長させることができる。

以下、本発明を図示する一実施形態に基づいて説明する。この実施形態は、鋼管杭の水平載荷試験に適用した場合であり、またモノレール方式の重錘による動的水平載荷試験の例である。図１は、本発明の動的水平載荷試験の一例を示す側面図及び平面図である。図２は、図１の部分を示す側面図及び平面図である。

図１において、構造物の基礎地盤には鋼管杭１が縦方向及び横方向に間隔をおいて複数本打設されており、杭頭部２が地上に所定の高さで突出している。本発明では、このような杭頭部２に対して重錘方式・レール方式の動的水平載荷試験装置１０により動的水平載荷試験を実施する。

図１の実施形態において、動的水平載荷試験装置１０は、懸垂型モノレール方式であり、鋼管杭１の上方に架設されるＩ形鋼等からなるレール１１と、このレール１１に沿って移動可能な懸垂式の重錘１２から構成され、懸垂式の重錘１２をレール１１に沿って所定の速度で水平移動させ、杭頭部２に重錘１２を衝突させて加振する動的水平載荷試験を行う。

レール１１は、複数の杭頭部２の上方に配置し、その両端部をＨ形鋼等の柱２０や梁２１で支持する。図１の実施形態では、２つの杭頭部２の間に重錘１２を配置し、２つの鋼管杭１の試験を行えるようにされている。また、一方が載荷試験のみを用途とした鋼管杭１Ａ（例えば、径500ｍｍ、長さ12ｍ）であり、他方が本設の鋼管杭１Ｂ(例えば、径800ｍｍ、長さ30ｍ）である。

重錘１２は、例えば長さ１ｍ程度の円柱形であり、円柱中心軸が水平移動方向と平行な横向きで使用される。この重錘１２の上部には、上方に突出する高さ調整可能な吊下げ部材１３が移動方向に間隔をおいて一対で設けられている。レール１１の下部フランジには、移動方向に一対のトロリー（車輪付き移動用治具）１４が装着されており、このトロリー１４に吊下げ部材１３の上部が着脱可能に接続される。

また、重錘１２の一対の吊下げ部材１３の間には、移動直角方向の左右両側に突出するハンドル１５が取付けられており、多数の人力で重錘１２を移動させ、杭頭部２に衝突させることができる。このような人力に限らず、モータと牽引ロープ等による動力を用いて移動させることもできる。

図１に示すように、杭頭部２には、水平荷重の作用高さＨが設定されており、図２に示すように、この作用高さレベルにおいて、ロードセルを用いた荷重検出器３０が杭頭部２に設けられ、重錘による動的荷重（衝撃荷重）が測定される。移動直角方向の左右両側には変位計を用いた変位検出器３１が配置され、杭の水平変位が測定される。その他、杭頭部２の移動直角方向の左右両側の側面には、加速度計（水平加速度）・ひずみゲージ（せん断）３２が取り付けられ、杭の水平加速度、せん断ひずみが測定される。また、杭頭部２の移動方向の前面（重錘側）・後面（反重錘側）、重錘１２の左右両側、トロリー１４にも加速度計３３が取り付けられ、杭の水平加速度・鉛直加速度、重錘の水平加速度が測定される。なお、トロリー１４に取付けた加速度計３３は、人力による重錘１２の速度を推定するため、また動的荷重（Ｆ＝ｍα）の計測に用いられている。

重錘１２の円柱中心軸は、作用高さレベルに一致するように高さ調整され、重錘１２の前面中心が荷重検出器３０に衝突する。図３は、緩衝用治具を備えた荷重検出器の一例を示す平面図と水平断面図であり、この荷重検出器３０は、動的荷重を測定するためのロードセル４０を杭頭部２の外面に接着し、このロードセル４０の重錘側にコイルばねを内蔵した緩衝用治具４１を設け、重錘１２による衝撃荷重を円滑に杭頭部２に伝達できる構造とされている。

緩衝用治具４１は、ロードセル４０の円筒形ケーシングの外周に内管４２を嵌め込み、この内管４２の外周に外管４３を軸方向にスライド可能に嵌め込み、ロードセル４０と外管４３の蓋体４４との間にコイルばね４５を配置し、コイルばね４５の圧縮変形により衝撃を吸収するように構成されている。さらに、ロードセル４０の重錘側と蓋体４４の反重錘側にそれぞれクッション材とストッパーを兼ねる荷重伝達部材４６、４７を間に所定のギャップが形成されるように取付け、この荷重伝達部材４６、４７の外側にコイルばね４５を配置する。この荷重伝達部材４６、４７は、硬い金属よりも硬質プラスチック等の比較的クッション作用のある材料が好ましい。また、蓋体４４の重錘側の面には、ラバーを表面に貼り付けた鋼板４８が取付けられている。ラバーは重錘に取付けてもよい。なお、杭頭部２の外面にはブラケット等の支持金具（図示せず）を取付けておき、この上に荷重検出器３０を載置する。

変位検出器３１は、図２に示すように、変位計５０とシリンダ型の伸縮部材５１からなる。杭頭部２の側面には取付片５２が固定されており、この取付片５２に伸縮部材５１の伸縮ロッド５１ａの先端が取付けられ、レール１１に直交する梁２２にシリンダ本体５１ｂの基端部が固定される。作用高さレベルに水平に配置された伸縮部材５１の下に変位計５０が水平に配置され、変位計５０のロッド先端が伸縮ロッド５１ａに接続され、杭の変位が計測される。変位計設置用の梁２２を試験杭から十分に離れた位置に設置し、かつ、Ｈ形鋼等の大きい断面の杭２３や杭間の梁２４（図１参照）で支持することにより、変位計５０が設置される梁２２を不動梁とすることができ、正確な変位計測を行うことができる。

試験杭の変位計測は、上記の変位計５０のほか、試験杭に取付けた加速度計３２で行うこともできる。加速度を２回積分して変位を求める。なお、変位計５０から求めた変位波形には高周波数のノイズが広帯域にわたって生じており、一方、加速度計３２から求めた変位波形には高周波数のノイズがない。この高周波数のノイズは、変位計５０の取付構造や固定部材の振動などが原因と推定され、また加速度計３２から得られる変位波形は、変位計５０から得られる変位波形と比べて低周波数領域が小さく評価されている。以上の２点から、変位計５０を用い、高周波数成分をハイカットフィルターにより除去するのが好ましい。なお、不動梁のいらない光学式等の非接触式変位計を用いることもできる。

図４は、重錘１２の高さ調整用治具の一例を示す側面図であり、吊下げ部材１３を上部部材１３ａと下部部材１３ｂとに分割し、高さ調整用治具６０により高さ調整可能に接続する。高さ調整用治具６０は、上部部材１３ａに固定された水平の支持板６１と、重錘１２の上面に基部が溶接で固定され、先端ボルト部が支持板６１を貫通する鉛直の高さ調整用ボルト６２と、このボルト６２の先端ボルト部に上からねじ込まれる高さ調整用ナット６３から構成されている。上部部材１３ａの上部はトロリー１４に取付けられ、下部部材１３ｂの下端は重錘１２の上面に溶接で固定され、上部部材１３ａの下部と下部部材１３ｂの上部が重ね合わされ、長孔と締付けボルト６４で連結される。ナット６３を回転させて高さ調整した後、ボルト６４を締め付けることで固定される。

図５、図６は、逆転防止機構付きのトロリー１４の一例を示した鉛直断面図、平面図及び側面図であり、重錘１２が杭に衝突した後、反動で逆方向に移動するのを防止し、重錘１２による動的載荷時間を伸長させること、動的荷重を大きくすること、試験時の危険を防止することを意図したものである。

トロリー１４は、レール１１の下部フランジ上を転動するフランジ付き車輪７０がレールを両側から挟持するように左右一対で配置され、さらに移動方向にも一対で配置されている。車輪７０は車輪軸７１にベアリングを介して回転自在に取付けられ、車輪軸７１が側面フレーム（車輪フレーム）７２に固定されている。左右一対の側面フレーム７２は下部同士が軸７３と軸受け７４により連結され、軸７３の中央部には吊りフック７５が取付けられている。吊りフック７５には吊下げ部材１３の上部が取付けられる。

このようなトロリー１４において、例えばラチェットとラチェット爪による逆転防止機構を用いて重錘の反動防止対策を行う。車輪７０と側面フレーム７２の間にラチェット（爪車）８０を配置し、車輪７０と共に一体回転できるように車輪７０にボルト等で固定する。側面フレーム７２の上部内面には、ラチェット爪８１の基端部をボルトで軸着することにより、ラチェット爪８１がラチェット８０の上で上下方向に揺動できるようにし、重錘の移動方向には先端の爪がラチェット８０の歯の上を滑り、車輪７０が自由に回転し、逆方向には先端の爪がラチェット８０の歯に噛み合い、車輪７０の逆転を阻止するように構成する。

また、重錘は２本の試験杭の間に配置することが多いので、重錘を両方向に移動でき、それぞれの方向に対して逆転防止ができるようにする。即ち、図６に示すように、移動方向に一対の車輪７０にラチェット８０及びラチェット爪８１を互いに逆転防止方向が逆向きとなるように配置し、作動させない方のラチェット爪８１を作動防止ストッパー８２の先端ピンの上に載せて、ラチェット爪８１がラチェット８０の歯に噛合しないようにし、重錘を方向転換させることなく、両方向に対応できるようにする。

この作動防止ストッパー８２は、側面フレーム７２の上にボルトで固定される取付板８３と、この取付板８３に水平に螺着されボルト８４からなる。ボルト８４の先端には係止ピン８５が設けられ、この係止ピン８５を引き込み、ラチェット爪８１を上に上げ、戻した係止ピン８５の上にラチェット爪８１を載せることにより、ラチェット爪８１が作動しなくなる。なお、これらラチェット８０・ラチェット爪８１・作動防止ストッパー８２は、図６(a)に示すように、レール１１を挟んで一対の車輪７０のそれぞれに配置するのが好ましい。

以上のような構成において、図１に示すように、レール１１に沿って重錘１２を水平移動させ、試験杭１Ａまたは１Ｂの杭頭部に重錘１２を衝突させて加振するため、従来の静的水平載荷試験における反力装置が不要となり、試験結果に反力装置の影響が混入することがなく、また簡易な試験装置とすることができるため、実験準備が容易で試験を短時間で行うことができ、精度の良い水平載荷試験を低コストで実施することができる。また、反力装置が不要となることにより試験杭１本から水平載荷試験が可能となり、より低コストの水平載荷試験が可能となる。また、レール方式であるため、鐘突き方式などに比べ、（a）レール１１に沿って水平移動させるため、重い重錘１２を容易に加力することができる、（b）レール１１を長くすることにより、重錘１２の衝撃速度を容易に大きくすることができる、(c)レール１１の断面を大きくすることにより、重錘１２の重さを容易に大きくできる、(d)重錘１２の衝突後の反動を簡易な装置で制御できる、(e)レール１１を設置するだけでよいため、装置を移動式とすることも容易である、などの利点がある。

なお、図示例はレール上を移動する移動用治具を介して重錘１２をレール１１から吊下げる懸垂型モノレール方式を示したが、重錘の下部に取付けた移動用治具によりレール上を移動させる地上レール方式でもよい。いずれの方式の場合も、レールは１本でもよいし、２本以上でもよい。また、移動用治具は、レール上を転動する車輪方式を示したが、レール上を滑動するスライダー方式などを用いることができる。さらに、レールは水平に限らず、例えば杭頭部に向かって下り勾配で傾斜させることもできる。

懸垂型モノレール方式または地上レール方式において移動用治具に車輪方式を用いた場合、車輪付きの移動用治具の車輪に逆転防止機構を設けて重錘１２の反動防止対策を施すことにより、重錘１２が杭と衝突した後に反力で戻ってくるのを防止することができ、重錘１２を人力で移動させる場合には安全であり、動力で移動させる場合には動力に負荷が生じるのを防止することができる。また、衝突後に車輪がロックされ、重錘１２が逆方向に移動しないため、重錘１２による動的載荷時間を伸長させることができ、理想的な動的水平載荷試験が可能であり、また動的荷重を大きくすることも可能となる。逆転防止機構は、図示例はラチェット及びラチェット爪の場合であるが、これに限らず、一方向クラッチなどを用いることもできる。ラチェット及びラチェット爪を用いれば、比較的簡易な機構で車輪の逆転を防止することができ、２方向の逆転防止にも容易に対応することができる。

次に、図１〜図３において、鋼管杭１は、杭頭部２が空洞であり、重錘１２が鋼管杭１に衝突したときに、空洞特有の振動が生じ、良いデータが取れない。そこで、杭頭部２の空洞内に充填物を詰め、空洞特有のモードが生じないようにする。杭頭部２の空洞内には平面視で十字状等の補強材を配置してもよい。

鋼管杭１の管内土の違いによって次の２種類の方法とする。即ち、（1）管内土が高い場合は、杭頭まで充填物を詰める。（2）管内土が低い場合は、杭頭部２内の重錘が衝突する箇所にかごや袋などを吊り下げ、この中に充填物を詰める。

また、この充填物は、後で充填物を取り除けるものと、取り除けないものの２通りに分類され、杭頭処理の次工程によって使い分ける。即ち、（1）取り除く必要のない場合は、セメント、ソイルセメント、石膏、発泡ウレタンなどを用い、（2）取り除く必要のある場合は、残土、砂、水などを用いる。水などの液体の場合は、上下に漏れないようにして充填する。

重錘の衝突により杭に陥没等の現象を生じさせないように上記の充填物を杭頭部２の空洞内に杭内面との間に隙間が生じないように充填する。前述のレール方式やその他の方式の動的水平載荷試験において杭頭部２に重錘１２が衝突し、杭に点加振での衝撃が加わっても、力が分散され、杭に均等に衝撃力が伝達されるので、杭に空洞のある場合の特有の振動は生じない。鋼管杭のように杭頭部に空洞がある杭でも、重錘を用いた動的水平載荷試験が可能となる。

また、杭頭部２の空洞内にセメント系材料や土砂などの充填物を詰めるだけでよく、杭と重錘の衝突する箇所に補強材を用いる必要がないため、杭の空洞特有の振動を容易かつ確実に防止することができ、重錘を用いた動的水平載荷試験を低コストで精度良く実施することができる。

重錘に質量２トンの円柱形を使用し、図１、図２に示す水平載荷試験装置で動的水平載荷試験を実施した結果を図７に示す。図７(a)は鋼管杭１Ａ（径500ｍｍ、長さ12ｍ）、図７(b)は鋼管杭１Ｂ(径８００mm、長さ30ｍ）の荷重−変位量曲線である。また、図７(a)は、荷重検出器に緩衝用治具あり、トロリーの反動防止対策なしの場合である。図７(b)は、荷重検出器に緩衝用治具あり、トロリーの反動防止対策ありの場合である。また、いずれの場合も杭頭部内を土砂で満たし、空洞特有のモードが生じないようにした。

図７の荷重−変位量曲線から試験杭に残留変位は残らないことがわかる。一度大きな衝撃を作用させた後に再び大きな衝撃を与えても動的荷重が大きくならない。杭に残留変位が生じていないのは、地盤は塑性領域であるが、鋼管杭が弾性領域であるためと考えられる。なお、図７(a)の小径杭と図７(b)の大径杭とを比較すると、小径杭の方が動的荷重が大きく、重量の軽い小径杭の方が大きな加速度が得られると推定される。

また、図示していないが、荷重検出器に緩衝用治具の有無でロードセルの動的荷重（フィルター処理前）を比較したところ、緩衝用治具なしでは、動的荷重の立ち上り部分に高周波数の突出するひげが発生していたが、緩衝用治具ありでは、これが解消され、効果があることが確認された。

また、図示していなが、トロリーの逆転防止対策の有無で荷重−変位量曲線を比較したところ、明確な差異が得られなかった。これは、レールの転動面が滑らかで、ロックされた車輪がスライドしたためと考えられ、レールの転動面を粗くするなどの適当な対策を講じることで、重錘による動的載荷時間を伸長させること、動的荷重を大きくすることが可能になると考えられる。なお、車輪がロックされることで衝突後に重錘が大きく移動することはないため、人力の場合は重錘が戻ってくることによる危険を防止することができ、また動力を用いた場合は動力に負荷が生じることを防止することができることはいうまでもない。

上記の動的水平載荷試験結果に基づいて波形マッチング解析を実施し、それにより地盤パラメータを同定した。動的水平載荷試験の数値シミュレーションには、解析プログラム（静的載荷試験も取り扱うことができる）を用い、鋼管杭１Ａ・鋼管杭１Ｂを梁要素にてモデル化し、マッチング解析を実施し、周辺地盤の物性値（最大水平地盤抵抗）を同定した。杭突出長は0.8ｍ、要素分割長は0.4ｍ、載荷点は杭天端から0.3ｍの位置とした。重錘の載荷継続時間は約70ｍsecである。

上記のようにして得られた地盤パラメータを用いて数値計算上の静的水平荷重−変位量関係を求め、以前に別途実施した静的水平交番載荷試験による静的水平荷重−変位量関係と比較したところ、勾配に関しては概ね良い対応を示していることが確認された。

なお、以上は鋼管杭に適用した場合について説明したが、コンクリート杭やその他の杭にも適用できることはいうまでもない。

本発明の動的水平載荷試験の一実施形態であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。 図１の部分であり、(a)は側面図、(b)は平面図である。 本発明で用いる緩衝用治具を備えた荷重検出器の一例であり、(a)は平面図、（b）は水平断面図である。 本発明で用いる懸垂式の重錘の高さ調整用治具の一例を示す側面図である。 本発明で用いる逆転防止機構付きのトロリーの一例を示す鉛直断面図である。 図５のトロリーの（a）は平面図、(b)は側面図である。 本発明の動的水平載荷試験結果であり、荷重−変位量関係を示すグラフである。 従来の静的水平載荷試験装置の一例であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。

符号の説明

１…鋼管杭
２…杭頭部
１０…動的水平載荷試験装置
１１…レール
１２…重錘
１３…吊下げ部材
１３ａ…上部部材
１３ｂ…下部部材
１４…トロリー
１５…ハンドル
２０…柱
２１…梁
２２…変位計設置用の梁（不動梁）
２３…柱
２４…梁
３０…荷重検出器
３１…変位検出器
３２…加速度計・ひずみゲージ（せん断）
３３…加速度計
４０…ロードセル
４１…緩衝用治具
４２…内管
４３…外管
４４…蓋体
４５…コイルばね
４６、４７…荷重伝達部材
４８…鋼板
５０…変位計
５１…伸縮部材
５１ａ…伸縮ロッド
５１ｂ…シリンダ本体
５２…取付片
６０…高さ調整用治具
６１…支持板
６２…高さ調整用ボルト
６３…高さ調整用ナット
６４…締付けボルト
７０…フランジ付き車輪
７１…車輪軸
７２…側面フレーム
７３…軸
７４…軸受け
７５…吊りフック
８０…ラチェット（爪車）
８１…ラチェット爪
８２…作動防止ストッパー
８３…取付板
８４…ボルト
８５…係止ピン

Claims (5)

1. 打設された杭の地上に突出する杭頭部に重錘により水平方向の動的荷重を加えて杭の変形特性を求める杭の水平載荷試験方法であり、
   杭に向けて架設または地上に設置したレールに沿って重錘を移動させ、重錘を杭頭部に衝突させて水平方向の動的荷重を加えることを特徴とする杭の動的水平載荷試験方法。
2. 請求項１に記載の動的水平載荷試験方法において、重錘が衝突する杭頭部外面の衝突点に設けた荷重検出器により衝撃荷重を計測し、変位検出器により杭頭部の変位量を計測することを特徴とする杭の動的水平載荷試験方法。
3. 請求項２に記載の動的水平載荷試験方法において、荷重検出器は、杭頭部外面に配置したロードセルと、このロードセルと重錘の間で衝撃を吸収し、かつ、ロードセルに重錘による荷重を伝達する緩衝用治具とを備えていることを特徴とする杭の動的水平載荷試験方法。
4. 打設された杭の地上に突出する杭頭部に重錘により水平方向の動的荷重を加えて杭の変形特性を求める杭の動的水平載荷試験装置であり、
   杭に向けて架設または地上に設置したレールと、前記レールに移動可能に支持された重錘を備えていることを特徴とする杭の動的水平載荷試験装置。
5. 請求項４に記載の動的水平載荷試験装置において、レール上を転動する車輪を有する車輪付き治具が重錘に取付けられていることを特徴とする杭の動的水平載荷試験装置。

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