JP4459866B2 - 杭頭部の構造 - Google Patents

Description

本発明は基礎杭の杭頭部の構造に関するもので、より詳しく言えば、基礎杭を地中熱交換体として兼用する場合の杭頭部の構造に関するものである。

地中の温度は年間を通じてほぼ一定しており、夏季は外気温より低く、冬季は外気温より高い。この地中と外気の温度差を利用して、少ないエネルギーで建築物の冷暖房や路面の融雪に必要な熱を得る地中熱利用システムがある。このシステムは欧米では既に広く普及し、日本でも徐々に増えている。

地中熱利用システムにおいては、一般には、ボーリング機械で掘った縦穴に熱媒体を流動させる細管（本明細書において、「熱媒体流動用配管」あるいは「熱媒配管」という。）を設けることにより地中熱との交換を行うが、この方法はボーリング費用が高いという欠点がある。そこで、基礎杭を地中熱交換体として兼用する方法が注目されている（特許文献１参照）。

特許文献１にも示されるように、基礎杭内に配置された熱媒配管は、通常、杭頭部からその上の基礎コンクリート（フーチング基礎、布基礎、ベタ基礎、地中梁など）中を直接通ってその外側に出、それからヒートポンプなど空調機械設備に繋がる。しかし、この配管方法は、以下の二つの問題点がある。

（１）熱媒配管が破損する恐れがある
戸建て住宅など低層建築物の多くは、基礎コンクリートと杭頭部を固結する一般の構造物と異なり、基礎コンクリートと杭の間で設計上せん断力と曲げモーメントを伝達しない構造（以下、「非固結構造」という）になっている。このため地震時には基礎コンクリートと杭がずれることがある。このような構造において熱媒配管を直接基礎コンクリート内に埋め込むと、基礎コンクリートと杭とがずれた場合に熱媒配管が潰されるなど破損する恐れがある。
このため、非固結杭頭構造の基礎杭を地中熱交換体として利用することはこれまでできなかった。
（２）熱媒配管のメンテナンスができない。
熱媒配管が杭体内で損傷したり詰まったりした場合、熱媒配管を点検、補修または交換するなどメンテナンスが必要であるが、基礎コンクリート内に埋め込まれているため取り出すことができず、メンテナンスができない。

これらの問題点の一部を解決する方法として、地中埋設管の上端付近に熱媒配管を通すための切り欠きや穴を設けて熱媒配管を地中埋設管の側面から横方向に取り出す方法が提案されている（特許文献２参照）。
特開平１−１２３９５１号公報 特開２００５−６９５３８号公報

しかし、特許文献２の方法では、地中埋設管を基礎杭と兼用した場合、大きな外力が作用する杭頭部付近の一部を切断除去することになるため、当該部分が構造的弱点になりやすいという欠点があり、構造安全上の問題がある。

本発明は上記従来技術の有する種々の課題を解決するためになされたものであり、非固結杭頭構造の基礎杭を地中熱交換体として安全に利用可能にすると共に熱媒配管のメンテナンスが容易にできる杭頭部の構造を得ることを目的としている。

（１）本発明に係る杭頭部の構造は、構造物の基礎杭である中空既製杭内に熱媒体流動用配管を配置することにより前記中空既製杭を地中熱交換体として利用する中空既製杭の杭頭部の構造であって、構造物の基礎コンクリートと前記円筒状既製杭の杭頭部の間に設置されて前記基礎コンクリートを支持する杭頭支持部材を備え、
該杭頭支持部材は、少なくとも上面が平面状に形成されて横方向に配置される管状の横部材と、該横部材の下面側に連結されて前記円筒状既製杭の杭頭部に挿入されるか、または前記円筒状既製杭の杭頭部が挿入される管状の縦部材とを有してなり、前記横部材と縦部材の連結部には熱媒体流動配管を挿通するための連通穴が設けられていることを特徴とするものである。
上記のように構成された杭頭部の構造においては、熱媒体流動配管を横部材および縦部材を経由して中空既製杭内に引き込むようにする。

上記の構成を採用することで杭頭支持部材が基礎コンクリートを非固結状態で支持した場合において地震などで基礎コンクリートと杭頭支持部材とがずれたときでも熱媒体流動配管に損傷を与えることがなくなる。すなわち、上記構成を採用することで中空既製杭を地中熱交換体として利用することが可能となるのである。なお、非固結状態とは基礎コンクリートと杭の間で設計上せん断力と曲げモーメントを伝達しない状態をいう。
なお、本発明においては杭頭支持部材と基礎コンクリートとが固結構造となる場合を排除するものではない。杭頭支持部材と基礎コンクリートとが固結構造となった場合であっても、横部材に挿入される熱媒体流動配管が基礎コンクリートに固定されないようにすれば地震の際に熱媒体流動配管の損傷を防止または抑制する効果を奏することができる。

（２）また、上記（１）に記載の杭頭支持部材を構成する横部材が角型鋼管からなり、縦部材が円形鋼管からなることを特徴とするものである。
このように、横部材として角型鋼管を、縦部材として円形鋼管をそれぞれ用いるようにすることでコストを低減できる。

本発明においては、構造物の基礎コンクリートと円筒状既製杭の杭頭部の間に設置されて前記基礎コンクリートを支持する杭頭支持部材を備え、該杭頭支持部材は、少なくとも上面が平面状に形成されて横方向に配置される管状の横部材と、該横部材の下面側に連結されて前記円筒状既製杭の杭頭部に挿入されるか、または前記円筒状既製杭の杭頭部が挿入される管状の縦部材とを有してなり、前記横部材と縦部材の連結部には熱媒体流動配管を挿通するための連通穴を設けるようにしたので、地震などによって基礎コンクリートと杭とがずれた場合にも熱媒配管が潰されるなど破損する恐れがなく、円筒状既製杭からなる基礎杭を地中熱交換体として安全に利用できると共に杭内に設置した熱媒体流動用配管をメンテナンス時には簡単に取り出すことができ、点検、補修、交換などのメンテナンスの施工性に極めて優れている。

［実施の形態１］
図１は本発明の一実施の形態に係る杭頭部の構造の説明図である。本実施の形態の杭頭部の構造は、図１に示すように、構造物の基礎杭である中空既製杭１内に熱媒体流動用配管３を配置することにより中空既製杭１を地中熱交換体として利用する中空既製杭の杭頭部の構造であって、構造物の基礎コンクリート５と円筒状既製杭１の杭頭部の間に設置されて基礎コンクリート５を支持する杭頭支持部材７を備えてなる構成である。そして、杭頭支持部材７は、横方向に配置される角型鋼管９と、角型鋼管９の下面側に連結されて円筒状既製杭１の杭頭部に挿入される短尺の円形鋼管１１とからなり、角型鋼管９と円形鋼管１１の連結部には熱媒体流動配管３を挿通するための連通穴１３が設けられている。
以下、各構成をさらに詳細に説明する。

１．中空既製杭
中空既製杭１の種類は特に限定されるものではなく、例えば鋼管杭、コンクリート杭が挙げられる。

２．杭頭支持部材
図２は杭頭支持部材７の説明図であり、図２（ａ）が正面図、図２（ｂ）が図２（ａ）の矢視Ａ−Ａ断面図、図２（ｃ）が図２（ａ）の矢視Ｂ−Ｂ断面図である。杭頭支持部材７は、図２に示されるように、本発明の横部材に相当する角型鋼管９と、本発明の縦部材に相当する円形鋼管１１から構成される。角型鋼管９の下面中央には熱媒体流動配管３を挿通するための連通穴１３が設けられており、この連通穴１３を覆うようにして円形鋼管１１が角型鋼管９に固着されており、この連通穴１３を通じて角型鋼管９と円形鋼管１１が連通している。

円形鋼管１１の外径は角型鋼管９の幅よりも小径に設定されており、円形鋼管１１の上端面を角型鋼管９の下面中央に配置したときに、円形鋼管１１の全周が角型鋼管９の下面と当接するようになっている。このようにすることで、円形鋼管１１と角型鋼管９を強固に固着できる。
また、円形鋼管１１の外径は中空既製杭１の杭頭部の内径よりも小径に設定されており、これにより円形鋼管１１を中空既製杭１の杭頭部に挿入可能になっている。なお、図１に示すように、円形鋼管１１を中空既製杭１内に挿入したときに、円形鋼管１１の外面と中空既製杭１の内面との間に一定の隙間ができるようにすることで、地震の際に杭頭支持部材７がずれても中空既製杭１にモーメントが作用しないようにできる。

なお、建築物など構造物の重量による鉛直荷重は基礎コンクリート５から角型鋼管９を通じて中空既製杭１の頭部に伝達される。このため角型鋼管９はその鉛直荷重に十分耐える強度と剛性を持つように設定する。このような杭頭構造により鉛直荷重を中空既製杭１に安全に伝達することができる。

３．基礎コンクリート
基礎コンクリート５は、地面の下方に構築され、その上部には構造物の柱または壁が設置される。
基礎コンクリート５としては、フーチング基礎、布基礎、ベタ基礎、地中梁など各種のものが含まれる。

次に図１に示した杭頭部の構造の構築方法を説明する。
（１）中空既製杭１を地盤に設置した後、円筒状既製杭１の頭部中空部に杭頭支持部材７の円形鋼管部１１を挿入する。
（２）次に、角型鋼管９の上に基礎コンクリート５を現場で造成する。この例では基礎コンクリート５と角型鋼管９は非固結構造となっている。
なお、角型鋼管９の上面にスタットジベルなどを設けて角型鋼管９と基礎コンクリート５を固結構造とするものを排除するものではない。
（３）次に、熱媒配管３を、角型鋼管９の開口部から挿入し、連通穴１３および円形鋼管１１を介して中空既製杭１の内部に挿入する。
熱媒配管３の配管材料には、杭頭支持部材７の中をスムーズに通すため、ポリエチレン管などの樹脂管や蛇腹製ステンレス管など可撓性の材料を用いる。
なお、熱媒配管３は、杭頭支持部材７を円筒状既製杭１に設置する前に杭頭支持部材７内に挿入し、その後、杭頭支持部材７を円筒状既製杭１に設置するようにしてもよい。

上記のように構成された本実施の形態の杭頭部の構造においては、建築物など構造物の重量による鉛直荷重は基礎コンクリート５から角型鋼管９を通じて中空既製杭１の頭部に伝達される。この点、上述したように角型鋼管９はその鉛直荷重に十分耐える強度と剛性を持つように設計されているので、鉛直荷重を中空既製杭１に安全に伝達することができる。

また、地震時には、基礎コンクリート５には水平力が作用するとともに、基礎構造や柱・壁構造により大きく異なるが曲げモーメントも発生する。杭頭構造が固結構造の場合、杭頭部に水平力と曲げモーメントが伝達するため、中空既製杭１はこれに耐えるだけの強度が必要になり、これを考慮して設計する必要がある。

一方、戸建て住宅など低層建築物の多くは、本例で示したように杭頭を非固結構造にして、基礎コンクリート５からの水平力と曲げモーメントを設計上受けない構造にし、強度の小さい基礎杭を使用している。具体的には、図１に示すように、角型鋼管９に基礎コンクリート５を載せるだけの単純な構造にしている。このような構造の場合、地震時に水平力が作用すると、その水平力が基礎コンクリート５と角型鋼管９との間の摩擦抵抗力を超えるとずれを生じるため、摩擦抵抗以上の水平力は杭頭部に作用しない。また、円筒状既製杭１と円形鋼管１１の間には図１に示すように一定の間隙を設けているので、基礎コンクリート５に発生した曲げモーメントは杭頭にまったく伝達しない。

このように、本実施の形態の構造では地震時に大きな水平力を受けると杭頭部と基礎コンクリート５は多少ずれることになる。このような非固結構造の杭の場合、従来例のように熱媒配管３を杭頭部から基礎コンクリート内まで配管すると熱媒配管３が杭頭部で損傷する恐れが高い。
この点、本発明においては、熱媒配管３を基礎コンクリート５内に配置することなく杭頭連結部材７内に設置するようにしたので、杭頭部と基礎コンクリート５の間でズレが発生したとしても、熱媒配管３が損傷を受けることがない。すなわち、上記構成を採用することで中空既製杭１を地中熱交換体として安全に利用することが可能となるのである。
また、中空既製杭内に設置した熱媒配管３をメンテナンス時に簡単に取り出すことができ、点検、補修、交換などのメンテナンスの施工性に極めて優れている。

上記のように熱媒配管を設置した中空既製杭からなる基礎杭を地中熱交換体とした場合の地中熱利用システム全体構成の模式図を図３に示す。
中空既製杭１内の熱媒配管３は、中空既製杭１の下端部まで挿入され、下端部で折り返して再び杭頭部、杭頭支持部材７を通って水平方向に引き出されて地上に出る。熱媒配管３の両端は地上に設置されたヒートポンプ１５に接続されている。そして、ヒートポンプ１５には空調設備へ熱媒体を流すためのパイプが配管されている。
また、中空既製杭１の中空部には水が充填されている。

上記のような構成において、熱媒配管３には不凍液などの熱媒体が図中の矢印で示す方向に流動しており、地中熱との熱交換を行う。すなわち、熱媒配管３の熱媒体と地盤の間で中空既製杭１内に充填された水を介して熱交換をする。この熱交換とは暖房時は地盤から熱媒体へ熱を受け、冷房時は熱媒体から地盤へ熱を捨てるものである。杭体内で熱交換した熱媒体はヒートポンプ１５に送られ、空調設備に必要なだけの熱交換がさらに行われる。このように地中熱を利用することで少ないエネルギーで冷暖房をすることができる。

なお、図３に示した例は、杭体内の熱媒配管３をＵ字状に形成し、中空既製杭１内に充填された水を介して間接的に熱交換する方法であるが、熱媒体と地盤との熱交換の方法はこれに限定されるものでない。例えば、中空既製杭１に充填された水を熱媒体として直接循環する方法でもよい。

また、熱媒配管３の挿入を容易にするために、例えば図４に示すような角型鋼管９と円形鋼管１１を滑らかな円弧で繋ぐガイド管１６を杭頭支持部材７内に設置するようにしてもよい。ガイド管１６としてはフレキシブルに湾曲できる材質のものが好ましく、例えば蛇腹からなるサヤ管などが好ましい。

［実施の形態２］
図４は本発明の他の実施の形態に係る杭頭部の構造の説明図であり、実施の形態１を示した図１〜図３と同一または対応する部分には同一の符号を付してある。本実施の形態の杭頭部の構造は、図４に示すように、杭頭支持部材７を構成する角型鋼管９のうち隣接する複数の角型鋼管を連結し、熱媒配管３をまとめて角型鋼管内に通すようにした例である。

このように複数の中空既製杭１を角型鋼管９で結ぶことにより、工事中における熱媒配管の損傷事故や長期使用時の劣化を防止することができる。角型鋼管９の適切な位置に取り外し可能な継ぎ手を設けることにより、熱媒配管のメンテナンスも容易に行うことができる。

なお、上記の実施の形態１、２においては、円形鋼管１１を中空既製杭１の内部に挿入する例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、円形鋼管１１の内径を中空既製杭１の外径よりも大きくして、中空既製杭１の杭頭部を円形鋼管１１内に挿入するようにしてもよい。
また、上記の実施の形態１、２においては、杭頭支持部材７を構成する横部材として角型鋼管９を用い、縦部材として円形鋼管１１を用いた例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、横部材の形状としては少なくとも上面が平面な管状部材であればよく、縦部材としては縦部材に連通穴を介して連結された管状部材であればよい。

本発明の実施の形態１に係る杭頭部の構造の説明図である。 本発明の実施の形態１に係る杭頭支持部材の説明図である。 本発明の実施の形態１の杭頭部の構造を構成する中空既製杭を地中熱交換体とした場合の地中熱利用システム全体構成の模式図である。 本発明の実施の形態１の杭頭部の構造の変形例の説明図である。 本発明の実施の形態２に係る杭頭部の構造の説明図である。

符号の説明

１ 中空既製杭、３ 熱媒配管、５ 基礎コンクリート、７ 杭頭支持部材、９ 角型鋼管、１１ 円形鋼管、１６ ガイド管。

Claims (2)

1. 構造物の基礎杭である中空既製杭内に熱媒体流動用配管を配置することにより前記中空既製杭を地中熱交換体として利用する中空既製杭の杭頭部の構造であって、
   構造物の基礎コンクリートと前記円筒状既製杭の杭頭部の間に設置されて前記基礎コンクリートを支持する杭頭支持部材を備え、
   該杭頭支持部材は、少なくとも上面が平面状に形成されて横方向に配置される管状の横部材と、該横部材の下面側に連結されて前記円筒状既製杭の杭頭部に挿入されるか、または前記円筒状既製杭の杭頭部が挿入される管状の縦部材とを有してなり、前記横部材と縦部材の連結部には熱媒体流動配管を挿通するための連通穴が設けられていることを特徴とする中空既製杭の杭頭部の構造。
2. 杭頭支持部材を構成する横部材は角型鋼管からなり、縦部材は円形鋼管からなることを特徴とする請求項１に記載の杭頭部の構造。

Images