JP4093580B2

JP4093580B2 - 基礎杭の支持力測定方法

Info

Publication number: JP4093580B2
Application number: JP2004151359A
Authority: JP
Inventors: 友昭境
Original assignee: アプライドリサーチ株式会社
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2024-05-21
Also published as: JP2005330743A

Description

本発明は、基礎杭の支持力を簡易かつ高精度に測定可能な基礎杭の支持力測定方法に関する。

基礎杭の支持力を測定する方法としては、下記特許文献１に記載される静的載荷試験法、動的載荷試験法（衝撃載荷試験法ともいわれる）、急速載荷試験法および先端載荷試験法等が知られている。

このうち、前記静的載荷試験法は、図６に示されるように、試験対象の基礎杭３１の周囲に反力杭３２を打設して、この反力杭３２による載荷フレームを組んだ上でジャッキ３３により前記基礎杭３１の支持力を測定する方法であり、前記動的載荷試験法は、図７に示されるように、基礎杭４１の頭部に緩衝ブロック４２を設置し、その上方よりハンマー４３を落下させ、このハンマー４３の衝撃時加速度に基づいて前記基礎杭４１の波動解析を行うことにより支持力を推定評価する方法である。

また、急速載荷試験法は、地盤工学会基準の動的載荷試験方法（JGS 1818 2002)であり、ジェット燃料を利用したスタナミック試験法と、杭頭にクッション材を使用した方法との２つに大別される。前者のスタナミック試験法は、図８に示されるように、重り５２をジェット燃料により爆発させ、その反力を基礎杭５１の頭部に０．２秒程載荷し、頭部の変位をレーザ（図示せず）により計測するとともに、載荷荷重をロードセル５３により計測して、この計測データに基づいて前記基礎杭５１の支持力を推定評価する方法であり、後者のクッション材を使用した方法は、杭頭にクッション材を設置した状態でおもりによる動的打撃を０．０５秒程与え、頭部の変位をレーザ（図示せず）により計測するとともに、載荷荷重をロードセル５３により計測して、この計測データに基づいて前記基礎杭５１の支持力を推定評価する方法である。上記急速載荷試験方法は載荷時間が０．０５〜０．２秒であり、杭体に伝わる縦波による波動現象を無視することができるため、実験結果からリアルタイムに杭の荷重−変位関係を推定することができる利点がある。

さらに、図示はしないが、先端載荷試験法は、予め基礎杭の先端にジャッキを埋設しておき、この基礎杭先端部の支持力を測定する方法である。
特開平１０−１５３４９７号公報

上述した各種試験法の中で、静的載荷試験法が最も精度の高い方法であるが、載荷荷重を確保するための反力装置、載荷装置などの大掛かりな載荷装置が必要となるとともに、試験に時間と費用を要する問題があった。

同様に、前記先端載荷試験法も、基礎杭先端にジャッキと計測装置とを埋め込む必要があり、時間や費用が高く付くようになる。

前記急速載荷試験法は、特別の装置を用意しなければならず、コスト高となるとともに、ロードセル等の測定機器の設置や変位計による計測に手間が掛かるなどの問題があった。

一方、前記動的載荷試験法は、これら３種類の方法に比して簡便かつ低コストで実施可能な方法であるが、精度が不十分になる問題があるとともに、基礎杭の頭部に力および速度を測定するセンサーを取り付けなければならず、ある程度の手間を要さざるを得なかった。

そこで本発明の主たる課題は、基礎杭に対して特別な加工や大掛かりな装置を配置する必要がなく、高精度に基礎杭の支持力が測定可能な方法及び測定装置を提供することにある。

前記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、加速度計を取り付けたハンマーと、前記加速度計からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置とからなる測定装置を用い、前記ハンマーにより基礎杭の頭部に打撃を与え、前記加速度計により計測された加速度に基づく解析処理により基礎杭の支持力を求めるようにした基礎杭の支持力測定方法であって、
前記ハンマーの落下高さを変えた複数のケースについて、下記(I)〜(III)の手順によって、杭頭における荷重（Ｆ）と変位（Ｓ）とを求め、杭頭における荷重（Ｆ）−変位（Ｓ）曲線を得るとともに、その比例関係が変化する遷移点若しくはその近傍値をもって基礎杭の降伏点として支持力を求めることを特徴とする基礎杭の支持力測定方法が提供される。
(I)前記加速度計によって計測された加速度（ａ）にハンマー質量ｍを乗ずることによって最大打撃力（Ｆ）を求めるとともに、前記加速度（ａ）を０から無限大の間で時間積分することによってハンマー初速度（Ｖ _０）を求める手順
(II)下式(4)によって杭系のバネ係数（ｋ）を求める手順

ここで、Ｚ：杭頭での機械インピーダンスで、杭頭に作用する最大打撃力（Ｆ）をハンマー初速度（Ｖ _０）で除することによって求める。
(III)杭頭の静的変位（Ｓ）を下式(5)により求める手順

上記請求項１記載の発明においては、加速度計を取り付けたハンマーと、前記加速度計からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置とからなる測定装置を用い、杭支持力を測定するものであるため、基礎杭に対して特別な加工や大掛かりな装置を配置する必要がなく、基礎杭の支持力を簡単に測定することが可能となる。

前記解析処理は、具体的には、前記ハンマーの落下高さを変えた複数のケースについて、前記加速度計によって計測された加速度にハンマー質量を乗じて得られる最大打撃力（Ｆ）と、前記加速度（ａ）を時間積分して得られるハンマー初速度（Ｖ_０）とから杭系のバネ係数（ｋ）を求め、杭−地盤系が単弦振動系であるとの仮定の下、杭頭の静的変位（Ｓ）を求めることにより、杭頭における荷重（Ｆ）−変位（Ｓ）曲線を得るようにするものである。

請求項２に係る本発明として、前記ハンマーは、基礎杭の質量の５倍以上の質量を持つものを使用する請求項１記載の基礎杭の支持力測定方法が提供される。ハンマー質量が基礎杭の質量の５倍以上である条件を満たせば、地盤工学会基準の動的載荷試験方法（JGS 1818 2002)で定める相対載荷時間の条件を満たすことができる。

以上詳説のとおり本発明によれば、基礎杭に対して特別な加工や大掛かりな装置を配置する必要がなく、高精度に基礎杭の支持力測定が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。
〔装置構成〕
基礎杭の支持力測定装置１は、図１に示されるように、加速度計３、３を取り付けたハンマー２と、前記加速度計３、３からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置４とからなる測定装置であり、前記ハンマー２を種々の高さから落下させることにより、前記ハンマーの衝突初速度を変化させた各ケースにて基礎杭５の頭部に打撃を与え、前記加速度計３、３により計測された加速度に基づいた解析処理により、基礎杭の支持力を求めるものである。

前記加速度計３、３は１個配置とすることでもよいが、基礎杭の打撃時にハンマーの回転による雑音信号を除去するために、対向する面にそれぞれ計２個取り付けるのが望ましい。なお、符号６は各加速度計３、３からの配線を集合するための配線中継具である。

前記解析処理は、具体的には、ハンマーの落下高さを変えた複数のケースについて、前記加速度計によって計測された加速度にハンマー質量を乗じて得られる最大打撃力（Ｆ）と、前記加速度（ａ）を時間積分して得られるハンマー初速度（Ｖ_０）とから杭系のバネ係数（ｋ）を求め、杭−地盤系が単弦振動系であるとの仮定の下、杭頭の静的変位（Ｓ）を求めることにより、杭頭における荷重（Ｆ）−変位（Ｓ）曲線を得るものである。

以下、さらに具体的に本発明の解析原理について詳述する。

杭−地盤系が単弦振動系として取り扱い得るとし、質量ｍのハンマー２が初速度Ｖで杭頭に衝突するとする。この時、杭−地盤系はバネとして作用するとし、この時のバネ係数をｋとおく。エネルギー保存の法則より、ハンマーの運動エネルギーと、杭体の弾性力による位置エネルギーは同じとなるから、杭頭の最大変位をｕとおくと、下式(1)が成立する。

また、杭に作用する最大力Ｆは、下式(2)であるから、上記(1)式及び下式(2)から下式(3)が得られる。

上式(3)から、杭頭に作用する最大力Ｆをハンマ初速度Ｖで除することにより、杭頭での機械インピーダンスＺが得られることになる。

また、上記(3)は変形すると下式(4)となり、これから杭系のバネ係数ｋが得られることになる。

バネ係数ｋが得られたならば、杭頭の静的変位Ｓは、杭−地盤系が単弦振動系であると仮定すると、動的最大変位の１／２となるから、下式(5)により杭頭での静的変位Ｓを求めることができる。

以上を理論付けることができるから、上式(3)において、ハンマの質量は既知であるから，最大打撃力Ｆと、ハンマー２が杭に衝突するときの初速度Ｖが計測されれば，杭系のバネ係数ｋが求まり、式(5)を用いて杭頭での静的変位Ｓが求まることになる。

ここで、上式(3)においては、ハンマー２は剛体であるから，ハンマー２に作用する最大加速度をａとすると、Ｆ＝ｍａとして最大打撃力Ｆが測定されることになる。また、ハンマー２に作用している加速度ａが杭−地盤系からの反力による減速加速度であるから、測定された加速度ａを０から無限大の間で時間積分することによってハンマの初速度Ｖが求められる。

以上のように、ハンマー２の加速度波形を計測し、解析処理を行うことにより、荷重Ｆと変位Ｓとが求まり、ハンマー２の落下高さを変えた複数のケースでこの計測を行うことにより、杭頭での荷重Ｆ−変位Ｓ曲線を得られることになる。

杭頭での荷重−変位曲線が得られれば、この荷重−変位曲線において、その比例関係が変化する遷移点若しくはその近傍値をもって基礎杭の降伏点とし、支持力を求めるようにすればよい。

ところで、地盤工学会基準の動的載荷試験方法（JGS 1818 2002)では、波動が杭を１往復する時間を１として載荷時間がその何倍になっているかを「相対載荷時間」として定義し、該相対載荷時間が急速載荷の条件として、５以上と定めている。

１次元弾性体をみなし得る杭を、剛なハンマーで打撃した時の打撃力の理論解(St. Venant 解 )は、下式(6)で与えられる。

しかし、上式(6)では、打撃力の継続時間を一意に定義することができない。そこで、ハンマーの持つ運動エネルギーが全て杭に伝達されるまでの時間を継続時間と定義すると、打撃力の継続時間は、杭と機械インピーダンスが等しい弾性ハンマーによる打撃力の継続時間となり、相対載荷時間は下式(7)として与えられることになる。

上式(7)において、杭の質量の５倍以上の質量を持つハンマーで打撃すれば，急速載荷試験の条件が満たされるということになる。

(1)試験方法
本実施例で試験対象とした杭は、先端羽式の小型鋼管杭(EAZET杭)である。この杭は鋼管であることから質量が小さく，かつ先端支持杭として施工されることから支持力機構が簡単であり、本発明で提案する支持力想定方法に適していると考えられる。試験対象杭の諸元を下表１に示す。

使用するハンマーの質量は、１ton、２ton及び５tonの３種とした。No.１及びNo.２杭については急速載荷試験の必要条件が満たされることになるが、No.３杭では５tonハンマーを使用した場合でも相対載荷時間の条件が満たされないことになっている。

試験は、単にハンマー２の対角方向に２カ所加速度計を取り付け，任意の落下高さ位置から自由落下させ、この時の加速度波形を計測するという方法である。なお、Ａ／Ｄ変換のサンプリング時間間隔は０．２msであり、地盤工学会基準の要請基準を満たしている。

(2)試験概要
本発明は、杭頭での荷重−変位曲線を推定する方法であることから、比較検証のため本発明法以外に、軟クッションを用いた急速載荷試験方法と静的載荷試験とを実施した。軟クッションを用いた急速載荷試験の測定結果は、ハンマー・杭−地盤系を単弦振動系とした波形マッチング法（境友昭:比較的長周期の動的載荷試験における杭頭荷重変位関係の解析方法,第29回土質工学研究発表会講演集,pp.1427-1428,1994）によってバネ係数、粘性抵抗および降伏支持力の値を推定した。

(3) 試験結果
図２は，φ114mm杭を1tonハンマーで打撃した時の波形マッチング解析結果を示すものである。測定値と計算値に若干の違いはあるが，極限抵抗力166kN、バネ係数１MN/m、粘性抵抗216kN/m/sと計算される。図２〜図５に示す「急速載荷」のバイリニア線図は、この解析結果を示すものである．
試験・解析結果を図２〜図５に示す。ここで、図３は実施例におけるNo.１杭の試験結果を示す図、図４は実施例におけるNo.２杭の試験結果を示す図、図５は実施例におけるNo.３杭の試験結果を示す図である。
静的載荷試験結果から得られる杭頭バネ係数と比較すると、クッションを用いた急速載荷試験及び本発明載荷試験法の試験結果のバネ係数は小さく計算されているが、急速載荷試験結果を波形マッチングで解析した結果と、本発明載荷試験法との結果はほぼ一致している。

降伏点については、静的載荷試験、軟クッションを用いた急速載荷試験及び本発明載荷試験の結果はおおよそ同等ということができる。ただし、波形マッチング解析では，支持力をバイリニアとして入力するため降伏点と極限支持力が同じに設定されるという問題点があるが、本発明載荷試験法では，このような力学モデルを前提としないため降伏点以降の挙動についても静的載荷試験と同様の傾向で測定できている．

〔他の形態例〕
(1)上記形態例では、杭頭における荷重−変位曲線において、その比例関係が変化する遷移点若しくはその近傍値をもって基礎杭の降伏点としたが、これ以外に、例えば建築関係において採用されている支持力決定方法のように、杭径の１０％が沈下した時の抵抗力を支持力とする、というような決め方であってもよい。

本発明は、新設した基礎杭または既設の基礎杭の健全度測定などに好適に使用できるものである。

本発明に係る支持力測定装置１の構成図である。実施例における波形マッチング解析の結果を示す図である。実施例におけるNo.１杭の試験結果を示す図である。実施例におけるNo.２杭の試験結果を示す図である。実施例におけるNo.３杭の試験結果を示す図である。従来の静的載荷試験法を示す図である。従来の動的載荷試験法を示す図である。従来の急速載荷試験法を示す図である。

符号の説明

１…支持力測定装置、２…ハンマー、３…加速度計、４…演算処理装置、５…基礎杭

Claims

加速度計を取り付けたハンマーと、前記加速度計からの信号が入力されるとともに、この信号に基づく解析処理を行う演算処理装置とからなる測定装置を用い、前記ハンマーにより基礎杭の頭部に打撃を与え、前記加速度計により計測された加速度に基づく解析処理により基礎杭の支持力を求めるようにした基礎杭の支持力測定方法であって、
前記ハンマーの落下高さを変えた複数のケースについて、下記(I)〜(III)の手順によって、杭頭における荷重（Ｆ）と変位（Ｓ）とを求め、杭頭における荷重（Ｆ）−変位（Ｓ）曲線を得るとともに、その比例関係が変化する遷移点若しくはその近傍値をもって基礎杭の降伏点として支持力を求めることを特徴とする基礎杭の支持力測定方法。
(I)前記加速度計によって計測された加速度（ａ）にハンマー質量ｍを乗ずることによって最大打撃力（Ｆ）を求めるとともに、前記加速度（ａ）を０から無限大の間で時間積分することによってハンマー初速度（Ｖ _０）を求める手順
(II)下式(4)によって杭系のバネ係数（ｋ）を求める手順

ここで、Ｚ：杭頭での機械インピーダンスで、杭頭に作用する最大打撃力（Ｆ）をハンマー初速度（Ｖ _０）で除することによって求める。
(III)杭頭の静的変位（Ｓ）を下式(5)により求める手順
前記ハンマーは、基礎杭の質量の５倍以上の質量を持つものを使用する請求項１記載の基礎杭の支持力測定方法。