JP2012241500A

JP2012241500A - 埋込み杭の構造仕様決定方法

Info

Publication number: JP2012241500A
Application number: JP2011116008A
Authority: JP
Inventors: Hiroto Kon; 広人今
Original assignee: Japan Pile Corp
Current assignee: Japan Pile Corp
Priority date: 2011-05-24
Filing date: 2011-05-24
Publication date: 2012-12-10
Anticipated expiration: 2031-05-24
Also published as: JP5798376B2

Abstract

【課題】既製杭と根固め部との一体性が確保されているという条件の下では、既製杭に有利な支圧力が作用していることを考慮し、それによって経済的な杭体構造及び根固め部構造とすることができる方法を提供する。
【解決手段】底部に根固め部２が形成された杭孔に、下端部に突起部３を有する既製杭１を突起部３が根固め部２に入り込むように埋設してなる埋込み杭の杭体及び根固め部仕様決定方法であって、式（１）設計荷重≦地盤から決まる支持力、式（２）設計荷重≦突起部支圧力＋杭先端部支圧力を満足するように、杭体１の仕様及び根固め部２の仕様を決定する。
【選択図】図２

Description

この発明は、埋込み杭の構造仕様決定方法に関し、より詳細には先端部に節部などの突起部を有する杭体と、その先端部が挿入される根固め部の仕様を決定する方法に関する。

杭孔の底部にソイルセメントによる根固め部を形成して、この杭孔に既製杭、例えば下端部に節部を有する既製杭を節部が根固め部に入り込むように埋設する埋込み杭工法が知られている。

このような埋込み杭工法において、既製杭がこれに加わる荷重によって沈下を生じないようにするためには、根固め部での地盤支持力が設計荷重以上で、かつ既製杭と根固め部との一体性が確保されていることが必要である。

上記のような要求を満たす杭体及び根固め部仕様とするために、従来は、根固め部径及び節部径を設定し、ＦＥＭ解析結果から必要なソイルセメント強度を決定するという単純な手法がとられている。

節杭の場合、これと根固め部との一体性が確保されていれば、節部に支圧力が作用し、また杭先端部を根固め部底面から上方に離隔させた場合、その離隔高さに応じて杭先端部の支圧力が増大することが判明している。

しかし、従来の手法はこれらの作用力を構造仕様の決定に何ら加味することなくなされているため、ソイルセメントの強度が過度に大きくなったりして不経済であるという問題がある。

なし

この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、既製杭と根固め部との一体性が確保されているという条件の下では、既製杭に有利な支圧力が作用していることを考慮し、それによって経済的な杭体構造及び根固め部構造とすることができる方法を提供することにある。

＜この発明の理論的背景＞
図１は、杭孔４の底部に形成されたソイルセメントによる根固め部２と、この根固め部２に節部３を有する下端部が入り込むように杭孔３に埋設された節杭杭１とを示している。根固め部２に配置された節杭１の下端部と根固め部２との一体性が確保されていると仮定すると、節杭１が荷重Ｐを支持し鉛直方向に変位を生じないためには、根固め部２に地盤から作用する支持力が荷重Ｐ以上であることが条件となる。荷重Ｐに対抗する支持力は、根固め部２の底面に作用する先端支持力Ｒp と根固め部２の周面に作用する摩擦力Ｒf の和であり、支持条件は、
Ｐ≦Ｒp＋Ｒf・・・（１）
で示される。

ここで、図２に示すように、節杭１に着目すると、節杭１は荷重Ｐを受けることによって、これに対抗する力として節部３と杭先端に支圧力が作用する。したがって、節杭１の先端部と根固め部との一体性が確保されるという上記仮定を満足して、節杭１が鉛直方向に変位を生じないためには、これら支圧力の和が荷重Ｐ以上であることが条件となる。その条件は個々の節部３に作用する支圧力をＲ1 、節部の数をｎ、杭先端支圧力をＲ2 とすると、
Ｐ≦ｎ・Ｒ1 ＋Ｒ2・・・（２）
で示される。

節部支圧力Ｒ1 を決定するパラメータは、節部径、軸部径、根固め部材料（例えばソイルセメント）によって決まる根固め部強度などであり、節部全体での支圧力を決定するパラメータは節部の数ｎである。また、杭先端支圧力Ｒ2 を決定するパラメータは、軸部径、根固め部２の底面からの杭先端の離隔高さ（その意義については後述する）などである。したがって、式（１）（２）を満足するという条件の下、上記各パラメータを変化させることによって、最適な杭体及び根固め部の構造仕様を選択することが可能となる。

この発明は、上記のような知見に基づいてなされたものであって、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、底部に根固め部が形成された杭孔に、下端部に突起部を有する既製杭を前記突起部が前記根固め部に入り込むように埋設してなる埋込み杭の構造仕様決定方法であって、上記（１）（２）式を満足するように、杭体及び根固め部の仕様を決定することを特徴とする埋込み杭の構造仕様決定方法にある。

より具体的には、上記式（２）を満足するように、杭体の根固め部底面からの離隔高さ、突起部径及び杭軸部径、突起部の数及び根固め部強度を設定することを特徴とする。

この発明によれば、既製杭と根固め部との一体性が確保されているという条件の下では、既製杭に有利な支圧力が作用していることを考慮して、杭体構造及び根固め部構造を決定するので、根固め部強度などを、荷重を支持するのに過不足ないものとすることができ、経済的な設計をすることができる。

杭体と根固め部が一体となっている場合に根固め部に作用する力を示す図である。杭体に作用する支圧力を示す図である。杭体の諸元を示す図である。杭体及び根固め部構造仕様の決定方法の手順を示すフローチャートである。図４に引き続くフローチャートである。ソイルセメント強度と支圧強度との関係を示すグラフである。杭先端離隔高さと、それによる支圧力の利得係数との関係を示すグラフである。

図３は、この発明に基づき決定する杭体及び根固め部の諸元を示している。Ｄe は根固め部径、Ｈは根固め部高さ、Ｈ1 は杭先端部の根固め部底面からの離隔高さ、Ｄn は節部径、Ｄp は軸部径である。以下、杭体及び根固め部の構造仕様を決定する手順を図４及び図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。

１．設計荷重Ｐの決定（ステップＳ1）
設計荷重Ｐは、根固め部内の節杭１本で支持させる荷重（KN)である。
２．施工方法の決定（ステップＳ2）
埋込み杭工法には、既製杭工法、プレボーリング工法、中掘工法などがあり、いずれかを選択する。

３．地盤の支持力度qd の算出（ステップＳ3）
支持力度qd （図１，２参照）は根固め部２の先端地盤が受け持つ耐力度であり、地盤のＮ値及び土質から算出する。例えば、道路橋示方書ではプレボーリング工法の場合、砂地盤：qd ＝150Ｎ(≦7500kN/m²)、礫地盤：qd ＝200Ｎ(≦10000kN/m²) と規定されている。
４．根固め部高さＨ、杭先端離隔高さＨ1 の設定（ステップＳ4）
初期設定は例えばＨ＝2.0m 、Ｈ1＝0m とする。

５．根固め部径Ｄe の算出（ステップＳ5)
根固め部径Ｄe は、上記（１）式より算出する。（１）式において周面摩擦力Ｒf は、Ｒf＝ｆ・Ｕ・Ｈ（ｆ：周面地盤が受け持つ摩擦力度、Ｕ：根固め部の周長、Ｈ：根固め部の高さ）で示される。周面摩擦力度ｆは根固め部２の周面が受け持つ摩擦力の度合いであり、例えば道路橋示方書ではプレボーリング工法の場合、砂地盤：ｆ＝5Ｎ(≦150kN/m²)、粘土地盤：ｆ＝10Ｎ(≦100kN/m²) と規定されている。しかし、周面摩擦力Ｒf は先端支持力Ｒp に比べて極めて小さく、また安全側をみることとしてゼロとする。したがって、根固め部径Ｄe は次式により算出される。
Ｐ＝Ｒp ＋Ｒf
＝Ｒp ＋０
＝qd・Ｄe²・π/4

６．節部径Ｄn 、軸部径Ｄp の設定（ステップＳ6)
節部径Ｄn は杭を根固め部に挿入するために、根固め部径Ｄe に対して例えば50mmの余裕をとりＤe＞Ｄn＋50 とする。通常、既製杭は規格化されており、したがって規格品のうち節部径Ｄn がある値のものを選択すると、軸部径Ｄp も自ずと決まる。
７．節部支圧面積Ａt の算出（ステップＳ7)
節部支圧面積Ａt は、軸部から突出している節部の面積である。節部径Ｄn 、軸部径Ｄp が設定されていることから、節部支圧面積Ａt は、次式により算出される。
Ａt ＝（Ｄn² − Ｄp²）・π/4

８．ソイルセメント強度qu の設定（ステップＳ8)
ソイルセメント強度qu は、5 〜30N/mm² の範囲内で適宜の値を選択する。ただし、杭先端離隔高さＨ1 ＞0 とした場合は、地盤の支持力度qd ≦ソイルセメント強度qu とする。
９．ソイルセメント強度qu から支圧強度の算出（ステップＳ9)
ここでいう支圧強度とは、節部のみで荷重を支持するとした場合のソイルセメントの強度のことである。この発明の発明者らは、根固め部内で杭先端には支圧力が作用せずに、節部のみに支圧力が作用するようにした装置を作り、杭に荷重を加えて杭の支持力を測定したところ、ソイルセメント強度qu と支圧強度との間には図６に示すような関係があることが分かった。すなわち、支圧強度＝α・qu (α：支圧強度係数、α＝1.0 〜2.0）の関係にあって、支圧強度をソイルセメント強度qu よりも大きくとれる。そこで、αを1.0 〜2.0 の範囲から適宜選択して支圧強度を算出する。

１０．節部１個の支圧力Ｒ1 の算出（ステップＳ10)
節部１個の支圧力Ｒ1 はステップＳ7 で算出した支圧面積Ａt と、ステップＳ9 で算出した支圧強度を用い、支圧力Ｒ1＝支圧強度×支圧面積Ａt の式から求めることができる。
１１．節部の数の設定（ステップＳ11)
初期設定は、例えばｎ＝2 とする。

１２．節部支圧力及び杭先端支圧力の算出（ステップＳ12)
節部支圧力は個々の節部に作用する支圧力の総和であり、ステップＳ10で算出した節部支圧力Ｒ1にｎを乗じて求めることができる。一方、杭先端支圧力Ｒ2 については、この発明の発明者らの実験によれば、杭先端を根固め部底面から上方に離隔させると、ある一定高さまではそれに比例して支圧力が増大することが判明している。図７は、離隔高さＨ1 に対する軸部径Ｄp の比を横軸にとり、離隔によって得られる支圧力の増し分の割合に１を加えたものを利得係数β(≧1)とし、これを縦軸にとったグラフである。

杭先端支圧力Ｒ2 は、軸部径Ｄp 、地盤の支持力度qd 及びグラフに示された離隔による利得係数βを用いて、Ｒ2 ＝(Ｄp²・π/4)・qd・βより算出する。ここで、離隔高さＨ1 ＝0 のとき、すなわち杭先端を根固め部底面まで挿入したときβ＝1 であり、Ｈ1 ＞0 のとき、すなわち杭先端を根固め部底面から離隔させたときβ＞1 である。
１３．杭体と根固め部との一体性が確保されているかの判定（ステップＳ13)
以上のようにして、節部支圧力ｎＲ1 と杭先端支圧力Ｒ2 とを算出したら、上記式（２）を満足するか否かを判断する。式（２）を満足する場合は、杭体と根固め部との一体性が確保され、したがって節部支圧力ｎＲ1 及び杭先端支圧力Ｒ2 の算出に関与する各パラメータは設定値で良いものとし、杭体及び根固め部の構造を決定する。

他方、節部支圧力ｎＲ1 及び杭先端支圧力Ｒ2 が式（２）を満足しない場合は、ステップＳ4 以下を再度実行し、節部支圧力ｎＲ1 及び杭先端支圧力Ｒ2 の算出に関与する各パラメータの値を設定しなおす。設定値を変更するパラメータは、杭先端離隔高さＨ1 、節部径Ｄn 、軸部径Ｄp 、ソイルセメント強度qu 、節部の数ｎのうち少なくとも１つであれば、いずれを変更してもよい。

この発明が適用できる杭体構造としては、突起部として節部を設ける場合、少なくとも１つあればよい。突起部は節部に限らず、軸部の周面に多数の突起を間隔を置いて環状となるように設けたものでもよい。杭体はコンクリート杭であっても鋼管杭であってもよい。根固め部構造としては、杭孔の下部を拡大して形成される拡大根固め部でも、拡大しない根固め部でもよい。根固め部材料は掘削土とセメントミルクとを混合撹拌して形成されるソイルセメントが一般的であるが、セメントモルタルなどの他の固化材単体としてもよい。

１：既製杭（節杭）
２：根固め部
３：節部

Claims

底部に根固め部が形成された杭孔に、下端部に突起部を有する既製杭を前記突起部が前記根固め部に入り込むように埋設してなる埋込み杭の構造仕様決定方法であって、次式（１）（２）、
設計荷重≦地盤から決まる支持力・・・（１）
設計荷重≦突起部支圧力＋杭先端支圧力・・・（２）
を満足するように、杭体及び根固め部の仕様を決定することを特徴とする埋込み杭の構造仕様決定方法。
上記式（２）を満足するように、杭体の根固め部底面からの離隔高さ、突起部径及び杭軸部径、突起部の数及び根固め部強度を設定することを特徴とする請求項１記載の埋込み杭の構造仕様決定方法。