JP4602167B2

JP4602167B2 - 杭頭部の構造

Info

Publication number: JP4602167B2
Application number: JP2005167923A
Authority: JP
Inventors: 敏雄篠原; 哲君塚; 裕二佐藤
Original assignee: Ｊｆｅ鋼管株式会社
Priority date: 2005-06-08
Filing date: 2005-06-08
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-06-08
Also published as: JP2006343004A

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。
（２）現場の作業性が悪い。
一般の建築現場においては、杭頭の高さ調整や杭頭補強鉄筋の設置、基礎コンクリートの打設などの作業は土建会社が行い、熱媒配管の設置は空調設備会社が行う。ところが、上述した従来の熱媒配管の配管方法では、両者の作業を同時並行して行う必要がある。このため、現場作業が入り乱れて施工能率が低下する。また、工事中に熱媒配管を損傷するリスクが高いとともに、損傷した場合の責任が不明確になる。これらのことは、基礎杭を地中熱交換体として利用する工事では大きな問題となっている。

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。
また、熱媒配管の取り出し口が杭の上端部となるが、この位置は基礎コンクリートの直下となり、メンテナンスのためには地盤面を掘削する必要があり、また掘削したとしても掘削地盤面と基礎コンクリートの下面に挟まれた位置となるため、メンテナンス時の作業性が極めて悪いという問題がある。

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、基礎杭を地中熱交換体として利用するものにおいて、熱媒配管のメンテナンスが容易にできるとともに、施工時の現場の作業性と安全性に優れ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、中央に穴を有する杭頭蓋を杭頭部に設置するとともに、熱媒体流動用配管を通すための曲がり管を、その一端を前記杭頭蓋の穴に挿入、または穴周囲に当接させ、他端を基礎コンクリートの側面または上面から突出させて配置したことを特徴とするものである。

（２）また、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、中央に穴を有する底蓋を杭頭近くの杭中空部に配置し、熱媒体流動用配管を通すための曲がり管を、その一端を前記底蓋の穴に挿入し、または穴周囲に当接させ、他端を基礎コンクリートの側面または上面から突出させて配置し、前記底蓋から上の杭中空部にコンクリートを中詰めしたことを特徴とするものである。

本発明においては、中央に穴を有する杭頭蓋を杭頭部に設置するとともに、熱媒体流動用配管を通すための曲がり管を、その一端を前記杭頭蓋の穴に挿入、または穴周囲に当接させ、他端を基礎コンクリートの側面または上面から突出させて配置したので、曲がり管内を通して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。
また、構造物の建設現場において、基礎コンクリート工事など基礎関連工事が終了してから熱媒配管の配管工事を行うことができる。これにより、基礎工事と熱媒配管工事が錯綜しないため、各工事を能率よく行うことができとともに、熱媒配管が工事中に損傷を受けるリスクが大幅に低減される。また、仮に損傷した場合でもその責任が明確になるという実務上有益な効果が得られる。

［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、構造物の基礎杭を地中熱交換体として利用する中空既製杭１の杭頭部の構造であって、中央に穴のあいた杭頭蓋３を杭頭部に設置するとともに、熱媒体流動用配管を通すための曲がり管５を、その一端を杭頭蓋３の穴に挿入し、他端は基礎コンクリート７の側面から突出させて配置したものである。以下、各構成をさらに詳細に説明する。
なお、通常杭頭周辺には杭頭補強鉄筋や基礎コンクリートの鉄筋が配置されているが、その鉄筋の配置方法にいくつかのタイプがあること、および図を見やすくする趣旨から、図１ではこれらの鉄筋を省略し、後述の図３、図４で一例を示すこととする。

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．杭頭蓋
杭頭蓋３には鉛直力が作用するため、一般的には杭頭蓋３には鋼製の板を用いる。なお、図１では平板状の杭頭蓋３を表しているが、杭頭蓋３の形状は平板状のものに限定されず、例えば中空既製杭１の下側に向かって凹んだ球冠状のものでもよい。
また、杭頭蓋３は杭頭に溶接等で固結しても、固結しなくてもよく、固結するかしないかは杭頭蓋３の設計によって決めるとよい。

３．曲がり管
曲がり管５の基本的な機能は、熱媒配管の通り道を確保することであり、その材質は限定されない。もっとも、曲がり管５を基礎コンクリート７中に配置するので基礎コンクリート中に空洞を設けることになるため、これが構造的弱点になる恐れがある場合は、鋼材など硬い材質にするとよい。
なお、曲がり管５は現場で杭頭蓋３にその一部を挿入して設置してもよいが、あらかじめ溶接等で杭頭蓋３に固結しておくと曲がり管５の現場での設置作業が容易になるとともに、杭頭蓋３に穴を空けたことによる強度の減少を防ぐことができる。
また、曲がり管５として、市販のいわゆるベント管を用いると非常に安く入手することができ、コストを低減できる。

また、曲がり管５の曲げ角度に関し、図１においては約90度にしたものを示しているが、これに限定されるものでなく、例えば図２に示すように135度にしてもよい。曲げ角度を135度にすることで、曲がり管５の上端側を基礎コンクリート７の上面から地表面まで突出させることができ、基礎工事を整地まで終了してから熱媒配管を設置することもできるとともに、地盤を掘削しなくとも熱媒配管の点検や補修、交換などのメンテナンスを行うことができるという効果がある。

もっとも、この曲げ角度はこれら90度、135度に限定されるものではなく、基礎コンクリート７の鉄筋の配置、基礎コンクリート７の形状、さらには建設時やメンテナンス時の施工性等を考慮して決めればよい。この意味から曲がり管５は図１、図２に示したように一箇所で曲がるようなものに限定されず、前述の種々の事情を考慮して複数箇所で曲がるようにしてもよく、その場合には可撓性を有する材質のものを用いるようにすればよい。

４．基礎コンクリート
基礎コンクリート７は、地面８の下方に構築され、その上部には構造物の柱１０または壁１０が設置される。
基礎コンクリート７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を構築する方法を図１及び熱媒配管の挿入作業中の状態を示した図３、熱媒配管の挿入作業完了時の状態を示した図４に基づいて説明する。
（１）中空既製杭１を地盤に設置した後、杭頭蓋３を杭頭部に設置する。このとき、前述したように予め曲がり管５の一端を杭頭蓋３の穴に挿入して固結している場合には杭頭蓋３と曲がり管５が同時に設置されることになる。
曲がり管５を予め杭頭蓋３に固結していない場合には、杭頭蓋３を杭頭部に設置した後、曲がり管５を設置する。

（２）次に、杭頭補強鉄筋９および基礎コンクリート用鉄筋１１を配置する（図３参照）。このとき、曲がり管５に支持が必要な場合にはこれら杭頭補強鉄筋９および基礎コンクリート用鉄筋１１で支持するようにすればよい。
なお、図３では杭頭補強鉄筋９を杭頭外周面に溶接で固定する方式を示しているが、杭頭補強鉄筋９の配置方法はこれに限定されるものでない。また、基礎コンクリート用鉄筋１１の配置についても図３に示すものに限定されるものではない。
（３）次に、基礎コンクリート用の型枠を配置して、コンクリートを打設する。
（４）さらに、熱媒配管１３を、曲がり管５を通じて中空既製杭１の中空部に挿入する（図３、図４参照）。
なお、熱媒配管１３の配管材料には、曲がり管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。

上記のような構成を採用することで、上記のような手順で施工することが可能になり、土建会社が行う基礎コンクリート工事と空調設備会社が行う熱媒配管の配管工事を完全に分離することができる。その結果、スムーズな現場施工が可能となり、従来問題であった現場作業が入り乱れて施工能率が低下するということがない。
また、基礎コンクリート工事と配管工事を完全に分離することができることから、基礎コンクリート工事中に熱媒配管を損傷する恐れもない。

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５に示す。なお、図５においては簡略化のため、鉄筋の図示は省略している。
中空既製杭１内の熱媒配管１３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、曲がり管５を通って地上に出る。熱媒配管１３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１３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１３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５に示した例は、杭体内の熱媒配管１３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、上記の実施の形態においては、曲がり管５の一端を杭頭蓋３に設けた穴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、図６に示すように曲がり管５の一端を杭頭蓋３の穴に挿入することなく当接させるようにしてもよい。
また、上記の実施の形態においては、図３、図４に示すように、杭頭補強鉄筋９を設置する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、杭頭補強鉄筋を用いずに杭頭の基礎コンクリート内に埋め込む長さを長くすることで杭頭を固定する方法を適用対象から除外するものでもない。

［実施の形態２］
図７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５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７に示すように、構造物の基礎杭を地中熱交換体として利用する中空既製杭１の杭頭部の構造であって、中央に穴のあいた底蓋１７を杭頭近くの杭中空部に配置し、熱媒体流動用配管を通すための曲がり管５を、その一端を底蓋１７の穴に挿入し、他端を基礎コンクリート７の側面から突出させて配置し、底蓋１７から上の杭中空部にコンクリートを中詰めしたものである。

本実施の形態２が実施の形態１と異なるのは、実施の形態１に設置していた杭頭蓋３に代えて底蓋１７を設置した点である。そして、底蓋１７を設置したことにより、底蓋１７から上の杭中空部にもコンクリートを中詰めする点も実施の形態１と異なる。

底蓋１７の基本的機能は、一般にまだ固まらないコンクリートが杭中空下方に落下するのを防止するものである。したがって、底蓋１７には、設計上力が作用しないため、その材質は限定されず、木材でも鋼板でもよい。もっとも、曲がり管５が鋼製の場合は、底蓋１７の材質を鋼板にすることで予め曲がり管５と底蓋１７を互いに溶接接合できるため、杭頭への設置が非常に容易になる。

図８は本実施の形態２の杭頭部の構造における杭頭補強筋９と基礎コンクリート用鉄筋１１の配筋状態と、熱媒配管１３を中空既製杭１内に挿入した状態を示している。図８に示されるように、この例では杭頭補強筋９の下端部を中空既製杭１内に挿入している点が実施の形態１と異なる。

以上のように構成された本実施の形態においては、実施の形態１で示した施工手順と同様な施工が可能となり、その結果実施の形態１と同様に、土建会社が行う基礎コンクリート工事と空調設備会社が行う熱媒配管の配管工事を完全に分離することができ、スムーズな現場施工が可能となり、従来問題であった現場作業が入り乱れて施工能率が低下するということがないという効果を得られる。
また、基礎コンクリート工事と配管工事を完全に分離することができることから、基礎コンクリート工事中に熱媒配管を損傷する恐れもないという効果も得られる。

なお、上記の実施の形態２においては、曲がり管５の一端を底蓋１７に設けた穴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、図９に示すように曲がり管５の一端を底蓋１７の穴に挿入することなく当接させるようにしてもよい。

なお、熱媒体と地中熱との熱交換の方法等については実施の形態１と同様なので詳細説明は省略する。

上記の実施の形態１、２においては杭頭蓋３、底蓋１７を設置し、これら杭頭蓋３、底蓋１７との関係で曲がり管５を配置する例を示したが、杭頭蓋３、底蓋１７を設置しない場合を排除するものではない。要するに曲がり管５は、その一端が中空既製杭１の開口部に臨み、他端が基礎コンクリート７の側面もしくは上面に開口するように配置されればよい。この場合には適当な部材で曲がり管を支持するようにして施工すればよい。

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に示した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１に係る杭頭部の構造における施工途中の状態の説明図である。本発明の実施の形態１に係る杭頭部の構造における施工完了状態の説明図である。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である。本発明の実施の形態１に示した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。本発明の実施の形態２に係る杭頭部の構造における施工完了状態の説明図である。本発明の実施の形態２に示した杭頭部の構造の変形例の説明図である。

符号の説明

１中空既製杭、３杭頭蓋、５曲がり管、７基礎コンクリート、９杭頭補強鉄筋、１１基礎コンクリート用鉄筋、１３熱媒配管、１７底蓋。

Claims

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、
中央に穴を有する杭頭蓋を杭頭部に設置するとともに、熱媒体流動用配管を通すための曲がり管を、その一端を前記杭頭蓋の穴に挿入または穴周囲に当接させ、他端を基礎コンクリートの側面または上面から突出させて配置したことを特徴とする杭頭部の構造。
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、
中央に穴を有する底蓋を杭頭近くの杭中空部に配置し、熱媒体流動用配管を通すための曲がり管を、その一端を前記底蓋の穴に挿入しまたは穴周囲に当接させ、他端を基礎コンクリートの側面または上面から突出させて配置し、前記底蓋から上の杭中空部にコンクリートを中詰めしたことを特徴とする杭頭部の構造。