JP4352425B2 - コンクリート製既製杭を使用した基礎杭構造及び該基礎杭の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート製の既製杭を使用し、下端部にセメントミルクを注入して固化させた固化体(以下、本明細書においてはこの「セメントミルクを注入して固化させた固化体」を「場所打コンクリート」と記す)による拡大球根を有する基礎杭構造及びその構築方法に関する。

従来、コンクリート製の既製杭、即ちコンクリート製既製杭を使用した拡大球根付きの基礎杭としては、図６（ａ）に示すように、拡大ビット付きの掘削ヘッド（図示せず）を使用して地表面から既製杭挿入穴１を掘削形成し、その最奥部（下端部）にて拡径部２を形成する。この拡径部２は通常、固形地盤等の支持力の高い支持層３内に達する深さ位置に形成する。

このようにして既製杭挿入穴２を形成した後、既製杭挿入穴１内にセメントミルク４を所定深さまで注入し、次いで図６（ｂ）に示すように既製杭挿入穴１内にコンクリート製既製杭５を挿入し、その下端部を拡径部２内でセメントミルク４内に埋め込み、これが固化することによって形成される場所打コンクリート４ａによってコンクリート製既製杭５と一体化させた拡大球根６が形成されるようになっている（例えば特許文献１）。

この種の拡大球根付きの基礎杭における杭下端部の極限支持力Ｐｕは、通常次式によって算出される。

Ｐｕ＝ｑ３（π／４・Ｄ２）
式中 ｑ３＝２００Ｎ程度、Ｎは地盤のＮ値、Ｄは拡大球根底面の直径を表す。

従って、この極限支持力を増大させるには、拡大球根下端の面積を大きくする必要があり、このため上述のコンクリート製既製杭５の下端に太径部５ａが一体に成形されている。

また、拡大球根を構成する場所打コンクリートとその内部に埋め込まれるコンクリート製既製杭との一体化を強化するために、図７に示すように節杭と称されるコンクリート製既製杭１０が使用されている。同図において図６に示した従来例と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。この種のコンクリート製既製杭１０は軸部１０ａの下端部外周に環状の突出部１０ｂが複数一体成形されており、コンクリート製既製杭１０にかかる垂直荷重が所定の応力伝達角度θで拡大球根６を構成している場所打コンクリート４ａに伝わり、支持層３に支持されるようになっている（例えば特許文献２）。
特開平５−２３０８３２号公報 特開２００１−２４８１５６号公報

上述した図６に示すような下端に太径部を設けたコンクリート製既製杭を使用した基礎杭にあっては、太径部４ａの外周面と拡大球根５を構成している場所打コンクリート４ａとは、コンクリートの付着力によって固着されているものであるため、一定以上の鉛直荷重がコンクリート製既製杭４にかかるとごく小さい荷重で滑りが生じ、基礎杭の安全率が低いという問題があった。

また、図７に示すように外周に環状の突出部１０ｂを一体に有するコンクリート製既製杭１０を使用した基礎杭の場合にあっては、拡大球根６構成しているコンクリート既製杭１０周囲の場所打コンクリート４ａの耐力を超える鉛直荷重がかかった場合、前述した応力伝達角度θ方向の荷重によって拡大球根６が図８に示すように全体が破損されてしまうという問題があった。

本発明は上述の如き従来の問題に鑑み、常時連続してかかる鉛直荷重に対しては拡大球根を構成している場所打コンクリートと既製杭の太径部とが滑りを生じることなく一体となってこれに対抗し、時折発生する巨大地震時における異常な鉛直荷重が一定以上に達した際には、前記太径部の外週面と場所打コンクリートとの間において滑りを生じさせ、杭下端部の極限荷重を超えた鉛直荷重が作用した場合でも拡大球根の全体は破壊されず、杭底部のみの損傷におさえ、巨大地震後も機能を維持できるコンクリート製既製杭を使用した基礎杭構造及び該基礎杭の構築方法の提供を目的としてなされたものである。

上述の如き従来の問題を解決し、所期の目的を達成するための請求項１に記載の発明の特徴は、地表より掘削形成され、下端部に拡径部を有する既製杭挿入穴と、該既製杭挿入穴内に挿入されたコンクリート製既製杭と、該コンクリート製既製杭と前記既製杭挿入穴内壁との隙間を埋めた場所打コンクリートとからなり、前記既製杭挿入穴下端部の拡径部にセメントミルクを使用した場所打コンクリート内にコンクリート製既製杭下端を埋め込んだ拡大球根部を備えてなるコンクリート製既製杭を使用した基礎杭構造において、
前記コンクリート製既製杭の下端に前記既製杭挿入穴下端の拡径部内に挿入される太径部を一体に有し、該太径部はその上端から杭下端面に至るまで略等径の円筒状となし、該太径部の一部に円周方向に連続した浅底の環状凹溝を１又は複数備え、該環状凹溝は、その内部が前記場所打コンクリートで埋められ、かつ該環状凹溝の凹溝開放縁部間の溝幅を、前記拡大球根の下端部における極限支持力の１／５〜１／３の鉛直荷重によって、前記環状凹溝内に入り込んでいる場所打ちコンクリートの前記環状凹溝開放縁間部分に亀裂が入り前記太径部表面と場所打コンクリートとに微小な滑りが生じる大きさに形成されていることにある。

また、請求項２に記載の発明の特徴は、地表より既製杭挿入穴を掘削形成し、該既製杭挿入穴の最低部に拡径部を形成し、該既製杭挿入穴内にセメントミルクを注入した後、コンクリート製既製杭を挿入し、前記拡径部内でコンクリート製既製杭の下端を前記セメントミルクによる場所打コンクリートによって埋め込み、下端に拡大球根を一体成形するコンクリート製既製杭を使用した基礎杭構築方法において、
前記コンクリート製既製杭下端に前記拡径部内に挿入される太径部を形成しておき、かつその太径部の外面に円周方向に向けて連続した浅底の環状凹溝を形成しておき、該太径部を前記既製杭挿入穴内の拡径部内のセメントミルク内に挿入して埋設し、前記コンクリート製既製杭下端の太径部とその外側のセメントミルクによる場所打コンクリート部とによって拡大球根を形成し、かつ該環状凹溝の凹溝開放縁部間を、前記拡大球根の下端部における極限支持力の１／５〜１／３の鉛直荷重によって、前記環状凹溝内に入り込んでいる場所打ちコンクリートの前記環状凹溝開放縁間部分に亀裂が入り前記太径部表面と場所打コンクリートとに微小な滑りが生じる大きさに形成することにある。

上述したように本発明に係るコンクリート製既製杭を使用した基礎杭構造及び該基礎杭の構築方法においては、コンクリート製既製杭下端に太径部の外周に周方向に連続した浅底の環状凹溝を設け、拡大球根の下端部における極限支持力より小さい鉛直荷重によって前記太径部表面と場所打コンクリートとに滑りが生じるようにしたことにより、極限支持力を超える鉛直荷重が作用した場合においても拡大球根が破損して機能しなくなることが少なくなり、また、通常の鉛直荷重に対する対抗力もたかくなり安全性の高い支持杭が得られることとなったものである。

次に、本発明の実施の形態を図１〜図５について説明する。

図１は本発明に使用するコンクリート製既製杭Ａの下端部を示しており、この既製杭は円柱状をした軸部２０を有し、その下端に拡大球根用の太径部２１が一体に形成されている。この太径部２１は外周面が上下に亘って等径の円筒形に形成され、下端面２２は前記円筒形の胴部外周と等径となっている。図中２４は補強バンドである。

この円筒形の胴部外周面に、円周方向に向けて連続した浅底の環状凹溝２３ａ，２３ｂが上下に間隔を隔てて形成されている。

この凹溝２３ａ，２３ｂは、図２に示すように内面における上部下向き面ａが脱型用のテーパーをつけた略水平、奥部縦向き面ｂが垂直、下部上向き面ｃが４５°程度の外方斜め上向きにそれぞれ形成されている。そしてその大きさは、一例として、太径部下端面直径が３５０ｍｍのものを標準として深さＢを１５ｍｍ、高さ（奥部縦向き面の上下幅）Ｈを５５ｍｍとし、各太径部下端面直径毎にこれと略同じ比率に成形する。これらの計算値を太径部２１の大きさ毎に表すと第１表の如くである。

また、凹溝２３ａ，２３ｂの形成位置は、一例として太径部下端面直径が３５０ｍｍのものを標準として太径部下端面２２から下側凹溝２３ａの上部下向き面ａまでの長さ、及び該面ａから上側凹溝２３ｂの上部下向き面までの長さｈを２５０ｍｍとし、各太径部下端面直径毎にこれと略同じ比率に成形する。これらの計算値を太径部の大きさ毎に表すと第２表の如くである。

これらの計算値から、各異なった太径部毎に第３表の如く決定している。

このように構成される太径部２１を有する既製杭Ａを使用して基礎杭を構築するに際しては、図３に示すように従来と同様、地表より既製杭挿入穴３０を泥土が充填された状態で掘削形成し、該既製杭挿入穴３０の最低部に拡径部３１を形成し、該既製杭挿入穴内にセメントミルクを注入した後既製杭Ａを挿入し、拡径部３１内で既製杭Ａの下端の太径部２１をセメントミルクによる場所打コンクリート３２によって埋め込む。

このようにして構成される基礎杭の凹溝部分における負担軸力、即ち溝部負担軸力は以下の如くである。

前述した呼び名３０３５（杭軸部直径３００ｍｍ、太径部下端直径３５０ｍｍ）の既製杭を使用した場合の凹溝１条の最大せん断力Ｐは実験の結果からＰ＝２５０ｋＮであった。このことから、凹溝２条の最大せん断力をＰｕ１（ｋＮ）、図４に示すように太径部下端直径をＤ２（ｍｍ）、図５に示すように各２条の凹溝の全開放縁部面積をＡｃ（ｍ^２）とすると、凹溝に充填された場所打コンクリートに作用する最大せん断応力度（せん断強度）τｕ（Ｎ／ｍｍ ^２ ）は、以下のとおりとなる。

尚、図４中の

は、杭全体の最大鉛直荷重の設計値を示しており、括弧内の２４Ｎ／ｍｍ ^２ は、Ｎ値が６０のときの既製杭太径部下端面に掛かる単位面積当たりの荷重が２４ニュートン／ｍｍ ^２ であることを示している。

また図４中の式ｑｐ＝２５Ｎ／ｍｍ ^２ は、拡大球根のコンクリートの最大耐体力（応力度）の設計値を示しており、２５ニュートン／ｍｍ ^２ であることを示している。

更に、同図中の式

は、拡大球根下端面下の地盤の地盤耐力（応力度）を示しており、括弧内は上記と同様にＮ値が６０のときの拡大球根下端面に掛かる単位面積当たりの荷重が１２ニュートン／ｍｍ ^２ であることを示している。

更に、同図中式

におけるＡｐは既製杭の太径部下端面の面積であり、Ａｐ＝π／４・（Ｄ _２ ） ^２ である。Ｐｕは、既製杭に対し最大鉛直荷重が作用した際の応力を示しており、Ｐｕ＝ｑｋ×拡大球根下端面面積π／４・（Ｄｋ） ^２ となるようにＤｋ即ち拡大球根直径を選定していることを示している。

上記の溝部せん断強度τｕを用いて、前記呼び名３５４０〜８０９５の溝部負担軸力Ｐｕ１を算定した計算結果、及び拡大球根下端面における極限支持力Ｐｕ（ｋＮ）を次式（１）により、地盤のＮ値を６０として算出した値、及びこれと溝部負担軸力Ｐｕ１との比は第４表の如くである。

このように構成される拡大球根付きの基礎杭にあっては、太径部２１に形成した凹溝２３ａ，２３ｂは、杭端部の極限支持力を増大させるものではなく、ある一定の荷重まで既製杭太径部２１とその外側の場所打ちコンクリート３２との一体性を向上させるものであり、一定の荷重を超える鉛直荷重が作用した時は、凹溝２３ａ，２３ｂ内に入り込んでいる場所打ちコンクリート３２の前記環状凹溝開放縁間部分に亀裂が入り、太径部外周と場所打ちコンクリートとの間で滑りが生じ、これによって拡大球根の先端面にのみ荷重が伝達される。

このように一定の荷重を超えた鉛直荷重が加わって太径部２１外周面と場所打ちコンクリート３２間で微小な滑りが生じることにより、拡大球根先端面の極限支持力（極限荷重）を超えた鉛直荷重が加わっても、拡大球根は破壊乃至は過大な損傷を受けずに必要な機能を保持することができる。

また、既製杭太径部２１と場所打ちコンクリート３２との間で、極限支持力より小さい鉛直荷重による滑りが生じた場合であっても、場所打ちコンクリート３２の滑り面は微小なひび割れ程度の損傷が生じるのみであるため、コンクリートのヒーリング現象によって自然に修復され、損傷発生以前の状態に回復する。

更に、前述したように、溝部負担最大支持力Ｐｕ１と極限支持力Ｐｕとの比率は使用する既製杭の太径部直径が３５０ｍｍ〜９５０ｍｍの範囲においてＰｕ／Ｐｕ１＝４．３〜４．６であるが、これは拡大球根先端部の極限支持力に対する比率のみを考慮したものであり、これに杭周囲の摩擦力を加えた鉛直支持力を考慮すると、極限支持力の１／５〜１／３程度の鉛直荷重が作用した際に、凹溝存在による支持効果が最大となる。

また、極限支持力は拡大球根先端部のみによって受け持たせるものであるため、拡大球根の下端部が地底の支持層に達していれば充分であり、完全に支持層内に埋設される必要はなく、従って、地底の支持層に高低差のある場所で支持杭を造成する際における支持杭の安全率が向上する。

本発明に使用するコンクリート製既製杭の下端部分を示す側面図である。 同上凹溝部分の部分拡大断面図である。 本発明に係る基礎杭下端部の縦断面図である。 同上の支持力機構を示す説明図である。 同上の溝部負担軸力説明用の説明図である。 （ａ）、（ｂ）は従来のコンクリート製既製杭を使用した拡大球根付き支持杭構築工程を示す断面図である。 他の従来例を示す断面図である。 同上の極限荷重を超えた最の破損状況を示す断面図である。

符号の説明

Ａ コンクリート製既製杭
ａ 上部下向き面
ｂ 奥部縦向き面ｂ
ｃ 下部上向き面
２０ 軸部
２１ 太径部
２２ 下端面
２３ａ，２３ｂ 凹溝
２４ 補強バンド
３０ 既製杭挿入穴
３１ 拡径部
３２ 場所打コンクリート

Claims (2)

1. 地表より掘削形成された既製杭挿入穴内に挿入されたコンクリート製既製杭と、該コンクリート製既製杭と前記既製杭挿入穴内壁との隙間を埋めているセメントミルクを注入して固化させた固化体とからなり、前記既製杭挿入穴下端部に形成した拡径部内の前記固化体内にコンクリート製既製杭下端を埋め込むことにより拡大球根部を一体に形成してなるコンクリート製既製杭を使用した基礎杭構造において、
   前記コンクリート製既製杭の下端に前記既製杭挿入穴下端の拡径部内に挿入される太径部を一体に有し、該太径部はその上端から杭下端面に至るまで略等径の円筒状となし、該太径部の一部に円周方向に連続した浅底の環状凹溝を１又は複数備え、該環状凹溝は、その内部が前記セメントミルクを注入して固化させた固化体で埋められ、かつ該環状凹溝の凹溝開放縁部間の溝幅を、前記拡大球根の下端部における極限支持力の１／５〜１／３の鉛直荷重によって、前記環状凹溝内に入り込んでいるセメントミルクを注入して固化させた固化体の前記環状凹溝開放縁間部分に亀裂が入り前記太径部表面と前記固化体との間に微小な滑りが生じる大きさに形成されていることを特徴としてなる基礎杭構造。
2. 地表より既製杭挿入穴を掘削形成し、該既製杭挿入穴の最低部に拡径部を形成し、該既製杭挿入穴内にセメントミルクを注入した後、コンクリート製既製杭を挿入し、前記拡径部内でコンクリート製既製杭の下端を、前記セメントミルクを注入して固化させた固化体内に埋め込ませることにより下端に拡大球根を一体成形するコンクリート製既製杭を使用した基礎杭構築方法において、
   前記コンクリート製既製杭下端に前記拡径部内に挿入される太径部を形成しておき、かつその太径部の外面に円周方向に向けて連続した浅底の環状凹溝を形成しておき、該太径部を前記既製杭挿入穴内の拡径部内のセメントミルク内に挿入して埋設し、前記コンクリート製既製杭下端の太径部とその外側の前記セメントミルクを注入して固化させた固化体とによって拡大球根を形成し、かつ該環状凹溝の凹溝開放縁部間を、前記拡大球根の下端部における極限支持力の１／５〜１／３の鉛直荷重によって、前記環状凹溝内に入り込んでいるセメントミルクを注入して固化させた固化体の前記環状凹溝開放縁間部分に亀裂が入り、該固化体と前記太径部表面との間に微小な滑りが生じる大きさに形成することを特徴としてなるコンクリート製既製杭を使用した基礎杭構築方法。

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