JP2023105560A - 杭の施工方法、及び杭 - Google Patents

Abstract

【課題】根固め部を所望する状態に築造することができる杭の施工方法及び杭を提供すること。【解決手段】杭の施工方法は、地盤に設けた杭穴に膨張材を混ぜた第１の固定液を注入して掘削土砂と撹拌混合し、この撹拌混合した第１の混合材による杭周面部を築造する工程と、杭穴の底部に第２の固定液を注入することで第１の混合材を押し上げながら、掘削土砂と第２の固定液を撹拌混合し、この撹拌混合した第２の混合材による根固め部を杭穴の底部に築造する工程と、杭周面部及び根固め部に既製杭を沈設する工程と、を有する。【選択図】 図２

Description

特許法第３０条第２項適用申請有り １．２０２１年１月２２日 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊａｐａｎｐｉｌｅ．ｃｏ．ｊｐ／ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊａｐａｎｐｉｌｅ．ｃｏ．ｊｐ／ｍｅｔｈｏｄ／ｂｕｉｌｄｉｎｇｔｅｃｈ／ｓｍａｒｔ－ｍａｇｎｕｍ／にて発表 ２．２０２１年１月２２日 別紙記載の刊行物にて発表 ３．２０２１年２月１日 別紙記載の刊行物にて発表 ４．２０２１年２月２１日 Ｓｍａｒｔ－ＭＡＧＮＵＭ工法講習会にて発表

この発明は、例えば、地盤に設けた杭穴にソイルセメントを介して既製杭を沈設する杭の施工方法、及び杭に関する。

杭の施工方法として、例えば、プレボーリング工法が知られている。プレボーリング工法では、地盤を掘削して所定深さの杭穴を形成し、掘削土砂にセメントミルクを注入して杭穴内で撹拌混合し、撹拌混合したソイルセメントの中に既製杭を沈設する。ソイルセメントが硬化することで、既製杭と一体化されて杭が形成される。

杭が地盤から受ける許容支持力には、杭の先端に地盤から作用する先端支持力と杭周面に地盤から作用する周面摩擦力がある。杭の先端支持力を高めるため、通常、杭穴の底を所定の大きさで拡径してこの部分に既製杭の先端を囲むソイルセメントによる根固め部を設ける方法が知られている。

また、杭の周面摩擦力を高めるため、既製杭の周面部のソイルセメントに添加剤を加える方法が知られている。この場合、まず先に、杭穴の底に根固め部を築造し、根固め部の上に添加剤を加えたソイルセメントによる杭周面部を築造する。このように、根固め部を築造した後に杭周面部を築造することにより、杭周面部のソイルセメントに添加剤を確実に含ませることができる。

特開２００３－２７７７３８号公報

しかし、杭穴の底に根固め部を築造した後に、根固め部の上に杭周面部を築造すると、杭周面部のソイルセメントを撹拌混合する際に、根固め部が下方に押されて変形してしまう可能性がある。この場合、根固め部の長さが短くなってしまい、設計と異なる施工になってしまう虞がある。

また、根固め部の上に杭周面部を築造する際に、杭周面部のソイルセメントを撹拌混合することで、杭周面部のソイルセメントに含まれる石などが根固め部に入ってしまう可能性も考えられる。この場合、根固め部を所望する状態に築造することができなくなってしまう虞がある。

この発明は、根固め部を所望する状態に築造することができる杭の施工方法、及び杭を提供することを目的とする。

一態様に係る杭の施工方法は、地盤に設けた杭穴に膨張材を混ぜた第１の固定液を注入して掘削土砂と撹拌混合し、この撹拌混合した第１の混合材による杭周面部を築造する工程と、杭穴の底部に第２の固定液を注入することで第１の混合材を押し上げながら、掘削土砂と第２の固定液を撹拌混合し、この撹拌混合した第２の混合材による根固め部を杭穴の底部に築造する工程と、杭周面部及び根固め部に既製杭を沈設する工程と、を有する。

この態様の杭の施工方法によれば、杭周面部を築造した後に根固め部を築造するため、根固め部を所望する状態に築造することができる。

また、この態様の杭の施工方法は、上述した各工程の進捗状況を表示する工程をさらに有してもよい。これにより、施工者は、進捗状況をリアルタイムで確認することができ、適切な施工管理が可能となる。

また、一態様に係る杭は、地盤に設けた杭穴内で掘削土砂と固定液を撹拌混合して形成した混合材に既製杭を沈設した杭であって、混合材が、膨張材を混ぜた第１の固定液と掘削土砂を撹拌混合して杭周面部に設けた第１の混合材と、掘削土砂と第２の固定液を撹拌混合して根固め部に設けた第２の混合材と、を含む。

この態様の杭によれば、杭周面部を築造した後に根固め部を築造することができるため、根固め部を所望する状態に築造することができる。

また、一態様に係る杭は、地盤に設けた杭穴内に配置した既製杭と、膨張材を混ぜた第１の固定液と掘削土砂を杭穴内で撹拌混合した第１の混合材により既製杭の周りに形成した杭周面部と、掘削土砂と第２の固定液を杭穴内で撹拌混合した第２の混合材により既製杭の先端側の杭周面部の下方に形成した根固め部と、を有する。

この態様の杭によれば、杭周面部を築造した後に根固め部を築造することができるため、根固め部を所望する状態に築造することができる。

また、この態様の杭において、固定液は、セメントミルクであり、既製杭は、コンクリート杭であることが好ましい。

この発明によれば、根固め部を所望する状態に築造することができる杭の施工方法、及び杭を提供することができる。

図１は、実施形態に係る杭を含む杭基礎を示す概略図である。 図２は、図１の杭基礎の杭の施工方法について説明するためのフローチャートである。 図３は、図１の杭基礎の杭を施工するための軸穴の掘削工程を示す概略図である。 図４は、図３の軸穴に拡大掘削部を形成して杭周面部を築造する工程を示す概略図である。 図５は、杭先端部周辺の地盤が砂質・礫質地盤の杭穴内で図４の杭周面部の下に根固め部を築造する工程を示す概略図である。 図６は、杭先端部周辺の地盤が粘土質地盤の杭穴内で図４の杭周面部の下に根固め部を築造する工程を示す概略図である。 図７は、杭周面部及び根固め部に既製杭を沈設する工程を示す概略図である。

以下、図面を参照しながら、実施形態について説明する。
図１に示すように、建築物１００の杭基礎１０は、例えば、地盤Ｇに設けた複数の杭穴１に設けた複数本の杭８を有する。杭８の種類、長さ、径、本数、レイアウトなどは、建築物１００の重さや形状、地盤Ｇの状態などに応じて決められる。杭基礎１０は、必ずしも複数本の杭８を有する必要はなく、少なくとも１本の杭８を有していればよい。

杭８は、例えば、２本以上の既製杭を軸方向に連結した杭本体２を有する。杭本体２は、１本の既製杭により構成してもよい。既製杭として、例えば、コンクリート杭や鋼管杭などがある。本実施形態の杭基礎１０に含まれる杭８の杭本体２は、２本の中空のコンクリート杭を連結した構造を有する。

杭本体２は、例えば、本実施形態のように、円筒形のストレート杭１２の下端に節杭１４を連結した構造や、２本の節杭１４を上下に連結した構造を有する。節杭１４は、ストレート杭１２の杭径と略同径の軸部を有し、長手方向に離間した複数の円環状の節部１６を軸部の周面上に一体に備える。

杭本体２の長さは、杭本体２の先端が地盤Ｇの支持層３に達する長さにすることが望ましい。このため、杭穴１も、支持層３に達する深さに形成することが望ましい。しかし、杭本体２の長さは、必ずしも、その先端が支持層３に達する長さにする必要はない。

杭本体２の長さは、連結する既製杭の長さと本数を選択することにより調節することができる。杭本体２は、例えば、３本以上の既製杭を連結した構造を有してもよい。杭本体２を構成する既製杭の種類や径などは、当該杭本体２に要求される支持力に基づいて適切に選択すればよい。

杭８は、上述した杭本体２の他に、杭本体２の先端近くを囲むように設けた根固め部４、及び杭本体２の周面を囲むように設けた杭周面部６を有する。根固め部４及び杭周面部６は、杭穴１の内壁面と杭本体２の外周面との間にソイルセメント（硬化材）を設けてソイルセメントが硬化することにより形成される。根固め部４及び杭周面部６に設けたソイルセメントが硬化すると、根固め部４及び杭周面部６がコンクリート製の杭本体２と一体化されて杭８が形成される。杭周面部６は、根固め部４の上方に連続して設けられる。

ソイルセメントは、地盤Ｇを掘削して杭穴１を形成した際に、杭穴１内に所定量の掘削土砂を残しておき、杭穴１内に所定量のセメントミルクを注入して、セメントミルクと掘削土砂を撹拌混合することにより形成される。そして、杭穴１内のソイルセメントに杭本体２を沈設して、ソイルセメントが硬化して杭本体２と一体化することにより、杭８が形成される。なお、杭本体２と杭穴１の間に設ける硬化材として、ベントナイトや遅延剤等の添加剤をセメントミルクに加えて掘削土砂と撹拌混合したソイルセメントなどを用いることもできる。

根固め部４は、主に杭本体２の先端（図示下端）を地盤Ｇ（杭本体２の先端が支持層３に達している場合には地盤Ｇの支持層３）が支える先端支持力を大きくするため、杭本体２の先端を囲むように杭穴１の底部側に設けられる。杭周面部６は、主に杭本体２の周面が地盤Ｇから受ける周面摩擦力を大きくするため、杭本体２の周面と杭穴１の内壁面との間に設けられる。

杭穴１は、杭本体２の外径より大きい内径の杭周掘削部２２と、杭周掘削部２２の下端側を部分的に拡径した拡大掘削部２４を有する。所定の掘削装置によって地盤Ｇを掘削した軸穴の一部がそのまま杭周掘削部２２となる。杭穴１は、拡大掘削部２４を設けずに、その全長にわたって杭周掘削部２２と同径の穴とすることもできる。拡大掘削部２４は、例えば、杭穴１の全長の半分より短い長さを有し、杭穴１の底部側に設けられる。

杭本体２の外径は、ストレート杭１２の場合、その横断面の直径であり、節杭１４の場合、節部１６の直径である。つまり、本実施形態の杭本体２の外径は、節杭１４の節部１６の直径となる。

杭本体２の先端は、拡大掘削部２４内に配置される。根固め部４は、拡大掘削部２４に設けられる。言い換えると、拡大掘削部２４は、少なくとも根固め部４の長さと同じかそれ以上の長さに形成されている。杭周面部６は、本実施形態のように、杭周掘削部２２と拡大掘削部２４にわたって設けられてもよい。例えば、拡大掘削部２４の全長にわたって根固め部４を設けて、杭周面部６を杭周掘削部２２にのみ設けてもよい。

以下、図２乃至図７を参照して、上述した杭基礎１０の施工方法について説明する。
まず、杭基礎１０の施工状況を管理するため、図示しない施工管理装置を介して、以下に説明する各工程（ステップ２～５）の進捗状況を表示する（図２、ステップ１）。

施工管理装置には、掘削深度、セメントミルクの注入量、杭打機を駆動する電流値や積分電流値などの各種データが送信される。施工者は、施工管理装置を介して進捗状況をリアルタイムで確認することができ、適切な施工管理を実施することができる。施工管理装置は、例えば施工者が操作する携帯端末などであってもよい。

次に、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、杭基礎１０の各杭８を施工するための複数の軸穴１’（拡大掘削部２４を設ける前の穴）を地盤Ｇに形成する（図２、ステップ２）。
この場合、例えば、図３（ａ）、（ｂ）に示す掘削装置３０を備えた杭打機（図示せず）を用いて地盤Ｇを掘削する。地盤Ｇを掘削する軸穴１’の深さは、図３（ｂ）に示すように、軸穴１’の底が少なくとも支持層３に達する深さ（レベルＬ_０）である。

杭打機は、掘削装置３０の先端に拡大ヘッド３２を備えている。拡大ヘッド３２は、掘削径を拡大するための可動翼を有する。拡大掘削を行わない場合、拡大ヘッド３２は、拡翼機能のない掘削ヘッドになる。掘削装置３０は、拡大ヘッド３２の他に、複数の撹拌羽３４、スクリュー３６、及びスリットスクリュー３８を備えている。本実施形態では、先端から、拡大ヘッド３２、スリットスクリュー３８、撹拌羽３４、スクリュー３６、撹拌羽３４、スクリュー３６をこの順序で備えた掘削装置３０を用いた。

軸穴１’を掘削する際には、拡大ヘッド３２の可動翼を閉翼状態にして、掘削装置３０を鉛直方向に真っ直ぐに配置し、掘削装置３０を回転させるとともに拡大ヘッド３２を地盤Ｇに押し込む（図３（ａ）矢印Ｄ）。可動翼を拡翼しない状態で掘削する軸穴１’の内径は、少なくとも杭本体２の杭径より大きい径であり、杭穴１の杭周掘削部２２の径となる。

地盤Ｇを掘削する際には、必要に応じて、掘削液を軸穴１’に注入してもよい。掘削液及び後述するセメントミルクは、拡大ヘッド３２の先に吐出口を延出させた図示しない送液管を介して注入することができる。掘削液及びセメントミルクの注入量は、施工管理装置を介して表示される。掘削装置３０を回転駆動する電流値なども施工管理装置を介して表示される。

図３乃至図７において、左から右に向けて時間経過を表し、拡大ヘッド３２の移動軌跡を実線及び破線で示す。各図において、拡大ヘッド３２の可動翼を拡翼しない閉翼状態での移動軌跡を実線で示し、拡大ヘッド３２の可動翼を拡翼した拡翼状態での移動軌跡を破線で示す。

次に、図４（ｂ）～（ｇ）に示すように、杭穴１内で杭周面部６を築造する（図２、ステップ３）。また、ステップ３では、軸穴１’の底部側を拡大掘削して杭穴１の拡大掘削部２４を形成する。以下、軸穴１’の底部側に拡大掘削部２４を形成した穴を杭穴１と称する。説明を分かり易くするため、図４（ｂ）は、図３（ｂ）と同じ状態を図示している。

軸穴１’の掘削が終了した図４（ｂ）の状態から、掘削装置３０を引き上げつつ軸穴１’内に無水石膏（膨張材）を含むセメントミルクＳ_１（第１の固定液）を注入する。このとき、拡大ヘッド３２の可動翼を拡翼状態にして掘削装置３０を回転させ、軸穴１’の下端側を拡大掘削し、軸穴１’の底部に拡大掘削部２４を形成する。拡大ヘッド３２の可動翼を拡翼する際の電流値は施工管理装置を介して表示される。

拡大掘削部２４の長さ（拡大ヘッド３２の移動距離）は、杭穴１の下端近くからレベルＬ_２までの長さである。つまり、レベルＬ_２は、拡大掘削部２４の上端位置を示す。杭穴１に対する拡大掘削部２４の長さの割合は、任意に設定可能である。例えば、本実施形態のように、杭穴１の全長の約半分の長さとすることができる。拡大掘削部２４の径は、拡翼状態にした可動翼による掘削径であり、杭周掘削部２２の径より大きい。拡大掘削部２４の径は、拡大ヘッド３２を交換することにより変更可能である。

杭周面部６を築造する場合、軸穴１’の底で拡大ヘッド３２を拡翼状態にした後、軸穴１’内にセメントミルクを注入しながら掘削装置３０を回転させる。そして、図４（ｂ）～（ｇ）に示すように、拡大掘削する長さの範囲内で拡大ヘッド３２を複数回（本実施形態では３回）往復移動させる。これにより、掘削装置３０の撹拌羽３４及びスリットスクリュー３８によってセメントミルクと掘削土砂が十分に撹拌混合され、ソイルセメント（第１の混合材）による杭周面部６が築造される。

杭周面部６を築造する際に軸穴１’に注入するセメントミルクＳ_１の量は、掘削土砂とセメントミルクＳ_１の混合比が、例えば２：１となるような量である。掘削土砂は、例えば、杭穴１の掘削により生じたものであってもよく、それ以外に別途用意したものであってもよい。杭周面部６のソイルセメントに、例えば、無水石膏のような膨張材を混ぜると、ソイルセメントが硬化する際のコンクリートの収縮を抑えることができ、杭周面部６による周面摩擦力を大きくすることができる。

次に、図５（ｈ）、（ｉ）に示すように、杭周面部６の下側に根固め部４を築造する（図２、ステップ４）。ここで説明するステップ４の工程は、杭先端部周辺の地盤が砂質・礫質地盤Ｇ_ｓの場合に設けた杭穴１に対する根固め部４の築造に適したものである。

この場合、ステップ３で杭周面部６を築造した後、図５（ｈ）に示すように杭穴１の底部に配置されている拡大ヘッド３２の先端からセメントミルクＳ_１とは別のセメントミルクＳ_２（第２の固定液）を注入する。つまり、杭周面部６のソイルセメントの下端と杭穴１の底部の間にセメントミルクＳ_２を注入する。

そして、セメントミルクＳ_２の注入と並行して、拡大ヘッド３２の可動翼を拡翼状態にしたまま掘削装置３０を回転させながら、拡大ヘッド３２を杭穴１の底部Ｌ_０と根固め部上端高さＬ_１の間で複数回（本実施形態では３回）往復移動させる。これにより、杭周面部６が地表に向けて押し上げられる。

その結果、掘削土砂とセメントミルクＳ_２が杭穴１の底部近くで撹拌混合されて、杭穴１の下端側に、杭周面部６のソイルセメントとは別のソイルセメント（第２の混合材）による根固め部４が築造される。根固め部４のソイルセメントには、セメントミルクＳ_２、及び掘削土砂が含まれる。

杭穴１を設けた地盤Ｇの杭先端部周辺の地盤が粘土質地盤Ｇ_ｃである場合、ステップ４では、図６（ｈ）、（ｉ）に示すように、杭周面部６の下側に根固め部４を築造することが望ましい。

この場合、ステップ３で杭周面部６を築造した後、図４（ｇ）に示すように杭穴１の底部に配置されている拡大ヘッド３２の先端からセメントミルクＳ_１とは別のセメントミルクＳ_２（第２の固定液）を注入する。つまり、杭周面部６のソイルセメントの下端と杭穴１の下端の間にセメントミルクＳ_２を注入する。

そして、セメントミルクＳ_２の注入と並行して、拡大ヘッド３２の可動翼を拡翼状態にしたまま掘削装置３０を回転させ、拡大ヘッド３２を杭穴１の底部近くで（本実施形態では１回だけ）往復移動させる。このとき、拡大ヘッド３２を杭穴１の下端Ｌ_０と根固め部上端高さＬ_１の間で移動させる（図６（ｈ））。

この後、図６（ｉ）に示すように杭穴１の底部に保持させた拡大ヘッド３２の先端からセメントミルクＳ_２をさらに注入するとともに掘削装置３０を回転させる。これにより、杭周面部６のソイルセメントが押し上げられ、杭穴１の下端側にセメントミルクＳ_２の混合割合が比較的多いソイルセメントによる根固め部４が築造される。

根固め部４を築造する際に杭穴１に注入するセメントミルクＳ_２の量は、例えば根固め部体積と同じ量である。

ステップ４で根固め部４を築造した後、図７（ｊ）～（ｍ）に示すように、杭穴１から掘削装置３０を引き上げて、杭周面部６及び根固め部４に杭本体２を沈設する（図２、ステップ５）。

まず、拡大ヘッド３２の可動翼を閉翼状態にして、図７（ｊ）、（ｋ）に示すように掘削装置３０を杭穴１から引き上げる。このとき、掘削装置３０の一部が杭穴１の内壁に接触しないように、掘削装置３０の姿勢を鉛直な姿勢に保ちつつ杭穴１から引き上げる。

そして、図７（ｌ）、（ｍ）に示すように、杭本体２を杭穴１に挿入して、杭周面部６及び根固め部４に杭本体２を沈設する。この状態（図７（ｍ）の状態）で、杭本体２の先端は根固め部４内に配置され、杭本体２の残りの部分が杭周面部６内に配置される。

最後に、施工管理装置による進捗状況の表示を終了する（ステップ６）。

以上のように、本実施形態によると、杭周面部６を築造した後に根固め部４を築造するようにしたため、杭周面部６の築造によって根固め部４が変形する不具合を防止することができ、根固め部４を所望する状態に築造することができる。

また、本実施形態によると、杭周面部６のソイルセメントに膨張材（例えば、無水石膏）を混ぜた周面強化型の杭８であっても、杭周面部６を先に築造して根固め部４を後に築造することができ、全ての杭を同じ施工手順で施工することができる。つまり、杭周面部６のソイルセメントに膨張材（例えば、無水石膏）を含まない標準型の杭の施工手順と同じ手順で周面強化型の杭を施工することができ、杭の種類の違いによる施工手順の間違いを無くすことができる。なお、本実施形態で説明した施工手順は、杭穴１の底部における拡大掘削を行わない場合であっても実施することができる。

また、本実施形態のように根固め部４を築造する前に杭周面部６を築造することによって、杭周面部６の築造の際に、セメントミルクＳ_１と掘削土砂を十分に混ぜ合わせることができる。これにより、杭周面部６のソイルセメントの均一性を高めることができ、杭周面部６の品質を高めることができる。

また、杭周面部６のソイルセメントを十分に混ぜ合わせた後に、根固め部４を築造すると、杭周面部６のソイルセメントに含まれる石などの不純物が根固め部４に落ちてくる不具合を防止することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…杭穴、２…杭本体、３…支持層、４…根固め部、６…杭周面部、８…杭、１０…杭基礎、１２…ストレート杭、１４…節杭、１６…節部、２２…杭周掘削部、２４…拡大掘削部、３０…掘削装置、３２…拡大ヘッド、３４…撹拌羽、３６…スクリュー、３８…スリットスクリュー、Ｇ…地盤、Ｇｃ…粘土質地盤、Ｇｓ…砂質・礫質地盤、Ｓ１、Ｓ２…セメントミルク。

Claims (5)

1. 地盤に設けた杭穴に膨張材を混ぜた第１の固定液を注入して掘削土砂と撹拌混合し、この撹拌混合した第１の混合材による杭周面部を築造する工程と、
   前記杭穴の底部に第２の固定液を注入することで前記第１の混合材を押し上げながら、掘削土砂と前記第２の固定液を撹拌混合し、この撹拌混合した第２の混合材による根固め部を前記杭穴の前記底部に築造する工程と、
   前記杭周面部及び前記根固め部に既製杭を沈設する工程と、
   を有する杭の施工方法。
2. 前記各工程の進捗状況を表示する工程をさらに有する、
   請求項１の杭の施工方法。
3. 地盤に設けた杭穴内で掘削土砂と固定液を撹拌混合して形成した混合材に既製杭を沈設した杭であって、
   前記混合材が、
   膨張材を混ぜた第１の固定液と前記掘削土砂を撹拌混合して杭周面部に設けた第１の混合材と、
   掘削土砂と第２の固定液を撹拌混合して根固め部に設けた第２の混合材と、
   を含む杭。
4. 地盤に設けた杭穴内に配置した既製杭と、
   膨張材を混ぜた第１の固定液と掘削土砂を前記杭穴内で撹拌混合した第１の混合材により前記既製杭の周りに形成した杭周面部と、
   掘削土砂と第２の固定液を前記杭穴内で撹拌混合した第２の混合材により前記既製杭の先端側の前記杭周面部の下方に形成した根固め部と、
   を有する杭。
5. 前記第１の固定液及び前記第２の固定液は、セメントミルクであり、
   前記既製杭は、コンクリート杭である、
   請求項３又は請求項４の杭。