JP5040699B2

JP5040699B2 - 合成摩擦杭

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Publication number: JP5040699B2
Application number: JP2008030351A
Authority: JP
Inventors: 正宏林; 久和田近; 謙治河野; 俊輔宇佐美; 泰士脇屋
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-02-12
Filing date: 2008-02-12
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2028-02-12
Also published as: JP2009191453A

Description

本発明は、軟弱地盤の基礎杭等に使用する合成摩擦杭に関する。

軟弱地盤等においては、セメントミルクと掘削土砂とを攪拌してなるソイルセメントやコンクリート等の柱状体の中心部分に、この柱状体が硬化しないうちに芯材として鋼管杭やコンクリート杭等の既製杭を貫入させる合成摩擦杭がよく使用される。図６はこの合成摩擦杭を示す概念図で、Ｇは地盤、Ｃはソイルセメント（柱状体）、Ｐは芯材（既製杭）である。芯材Ｐの頭部が図示しない構造物のフーチングに接続されて荷重を受け、柱状体Ｃの外周が周囲の地盤Ｇと接触して摩擦支持する構造である。

合成摩擦杭においては芯材とソイルセメント柱状体との付着、すなわち一体化が重要である。特許文献１には、芯材である鋼管の表面に圧延により突起を形成したり、溶接ビードや鉄筋の溶接により突起を設けることが記載されている。
特許文献２には、芯材の最下端部、杭頭部近傍および中間部にらせん状の羽根を取り付け、この羽根に対応する部分のみにソイルセメント柱状体を築造するようにした合成摩擦杭が記載されている。これを図７により簡単に説明する。この図においてＰは芯材（既製杭）、２はこの芯材Ｐに取り付けられたらせん状の羽根、Ｃはソイルセメント柱状体、Ｆはフーチングである。この図では、芯材Ｐの最下端部、杭頭部近傍および中間部にらせん状の羽根２が取り付けられ、この羽根に対応する部分のみにソイルセメント柱状体Ｃが築造されている。らせん状の羽根付き杭とソイルセメント柱状体とが一体化し、フーチングＦからの杭荷重がなめらかにソイルセメント柱状体に分散される。しかもソイルセメント柱状体はらせん状の羽根に対応する必要個所のみに築造されるため、セメント等の固化剤の使用料が少なくてすみ、施工も効率的で、残土も少ないなどの効果を奏する。

特許文献３には、らせん状の羽根を取り付けた芯材を、ソイルセメント柱状体の中に挿入するようにした合成摩擦杭が記載されている。これを図８により簡単に説明する。この図においてＰは芯材（既製杭）、２ａ、２ｂはこの芯材Ｐに取り付けられたらせん状の羽根、Ｃ₁、Ｃ₂はソイルセメント柱状体、Ｆはフーチングである。
杭頭部近傍に取り付けられた羽根２ａを、中間部および先端部に取り付けられた羽根２ｂよりも径が大きくし、これらに対応するソイルセメント柱状体Ｃ₁、Ｃ₂も、杭頭部近傍のＣ₁の方を中間部および先端部のＣ₂よりも大径として、支圧効果により水平抵抗力を増大させている。
特開昭６３−９７７１１号公報特開２００３−８２６５８号公報特開２００３−８２６５９号公報

特許文献１に記載の圧延や溶接法による突起は、全長にわたって同一高さのものを同一ピッチで均一に形成するものと考えられ、部分的に形状やピッチを変えるという技術思想は読み取れない。また、圧延や溶接によって高い突起を形成しようとすればきわめて高価なものとなり、実質的に高々4ｍｍ程度が限度と考えられる。ソイルセメント柱状体の径も位置によって変えるという記載はなく、全体として周面摩擦力の期待できない地層に対してはむだが生じている。

特許文献２に記載の合成摩擦杭では、ソイルセメントの攪拌用ロッドを抜き差しする際や羽根付き芯材を回転貫入させる際に、ソイルセメントコラムと中間地盤が混じり、ソイルセメントコラムの強度が低下したり、ソイルセメントコラムを造成しない部分の地層に粘土質があったりすると上部の羽根の支圧力によって沈下が大きくなるなどの懸念がある。

また特許文献３に記載の合成摩擦杭は、杭頭部が軟弱な地盤の場合においては、水平抵抗力を増大させても、周面摩擦力を期待する効果は少ない。
本発明は、このような従来の技術における問題点を解消し、地層に応じてソイルセメント柱状体の径を変化させることにより、地盤の周面摩擦力を十分に活用して経済的な合成摩擦杭を実現することを目的とする。

本発明は、地盤を柱状に掘削し、掘削土砂とセメントミルクとを混合攪拌して形成したソイルセメント柱状体の中心部分に、この柱状体が硬化しないうちに芯材を貫入させ、これらが一体となって周面摩擦力を発揮するようにした合成摩擦杭において、前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦性能に応じて、前記ソイルセメント柱状体の径を変化させるとともに、前記芯材を、表面に、取付けピッチＳ、高さｈの突起を形成した芯材とし、
前記突起を、前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力度に応じて、次（１）式
τｓ ≧ ｆｓ ‥‥（１）
（ここで、τｓ：芯材とソイルセメントとの間の付着力、ｆｓ：ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力）
に基づき、前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力ｆｓと前記芯材と前記ソイルセメントとの付着力τｓが釣り合うために必要な、前記芯材と前記ソイルセメントとの付着力度τを算出し、得られた該必要な付着力度τと、前記ソイルセメントの設計強度ｑｕとから、次（２）式
τ-＝β・ｑｕ ‥‥（２）
（ここで、τ：芯材とソイルセメントとの間の付着力度、ｑｕ：ソイルセメントの設計強度）
の関係を用いて、必要な付着係数βを算出し、一方、取付けピッチＳと高さｈとの比Ｓ／ｈと付着係数βとの関係を予め求めておき、前記予め求めておいたＳ／ｈと付着係数βとの関係を用いて、前記算出された必要な付着係数βに対するＳ／ｈを判断し、該判断されたＳ／ｈを満足するように、前記取付けピッチＳと前記高さｈとを決定してなる突起とすることを特徴とする合成摩擦杭であり、望ましくはソイルセメントと地盤との間に周面摩擦力が期待できる地層では周面摩擦力が期待できない地層に比べてソイルセメント柱状体の径を相対的に大きくし、前記周面摩擦力が期待できない地層では前記周面摩擦力が期待できる地層に比べてソイルセメント柱状体の径を相対的に小さくすることを特徴とする前記の合成摩擦杭である。

本発明によれば、ボーリング等により予め地盤の状態を調査し、その結果により、ソイルセメントと地盤との間に得られる周面摩擦の性能に応じて、ソイルセメント柱状体の径を地層毎に変化させることにより地盤の地耐力を有効に活用して低コストで大きな支持力を得ることができるという、すぐれた効果を奏する。

本発明は、ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦性能に応じて、前記ソイルセメント柱状体の径を変化させたことを特徴とする合成摩擦杭であり、ソイルセメントと地盤との間に周面摩擦力が期待できる地層、例えば砂質土層や支持層ではソイルセメント柱状体の径を相対的に大きくし、周面摩擦力が期待できない地層、例えば粘性土層ではソイルセメント柱状体の径を相対的に小さくすることを特徴とする。

図１は本発明の実施例である合成摩擦杭の模式図である。Ｐは鋼管等の芯材、１ａ〜１ｃはその表面に形成した突起、Ｃ₁〜Ｃ₃はソイルセメント柱状体、Ｇ₁〜Ｇ₃は地盤で、Ｇ₁は周面摩擦力が期待できる層、Ｇ₂は周面摩擦力が期待できない層、Ｇ₃は支持層、または周面摩擦力が期待できる層とする。
突起１ａ〜１ｃは丸棒（棒鋼）、異形鉄筋、平鋼、山形鋼など、従来の技術において説明した羽根よりは小型、あるいは小断面の鋼材である。付着力を増すためには、異形鉄筋などの表面に凹凸のあるものが好ましい。形状はリング状でもらせん状でもよい。取り付け方法は溶接が実際的であるが、これも連続溶接でも、不連続溶接でもよい。また、突起の取り付けは簡単な作業であるから、工場で行うとは限らず、現地で行ってもよい。特に、地層構成が事前調査と違っていることが施工時に判明した場合でも、現地で容易に対応が可能である。

地盤Ｇ₁、Ｇ₃のように周面摩擦力が期待できる層とは、相対的にＮ値の大きい層（例えばＮ値５以上）であり、例えば砂質土系の層である。逆に地盤Ｇ₂のように周面摩擦力が期待できない層とは、相対的にＮ値の小さい層（例えばＮ値５未満）であり、一般に粘性土系の層を意味する。ソイルセメントと地盤との間に周面摩擦力が期待できる地層、すなわち図１におけるＧ₁、Ｇ₃層ではＧ₂層に比べてソイルセメント柱状体Ｃ₁、Ｃ₃の径を相対的に大きくし、周面摩擦力が期待できない地層、Ｇ₂層ではＧ₁、Ｇ₃層に比べてソイルセメント柱状体Ｃ₂の径を相対的に小さくする。

図２の模式図に示すように、合成摩擦杭は、芯材Ｐとソイルセメント柱状体Ｃとが一体となって荷重を支持するものであるから、各地層毎に
芯材ＰとソイルセメントＣとの付着力τ_s ≧
ソイルセメントＣと地盤Ｇとの摩擦力ｆ_s ・・・（１）
の関係を満足することが必要である。

図３に、従来の技術における全長にわたって均一な径のソイルセメント柱状体を構築した合成摩擦杭と、地層に応じてソイルセメント柱状体の径を変化させた本発明の合成摩擦杭との、地層毎の付着力τと摩擦力ｆの状態を模式的に示した。付着力τと摩擦力ｆが同じであれば、合成摩擦杭全体の能力を生かした合理的な構造であるといえるが、従来のものでは柱状体の径が小さいために周面摩擦力を利用しきれておらず、芯材とソイルセメントとの間の付着力が無駄になっていることがわかる。本発明では地盤の有する最大摩擦力に応じて柱状体の径を大きくし、前記の付着力をフルに活用するようにしている。

なお、ソイルセメント柱状体の径を大きくしてももともと得られる摩擦力が小さい層では、セメントなどの材料費や施工コストを考慮すると必ずしも経済的でない場合もある。そのようなときには突起の取り付けピッチを大きくして突起の数を減らすか、突起の高さを低くして付着力を小さくし、ソイルセメント柱状体の径をこれに見合ったものとする方がよい。

図３の例では、Ｇ₁〜Ｇ₃の各地層とも、付着力τと摩擦力ｆとが等しくなるようにしているが、これは前記（１）式において等号の場合に相当する。Ｇ₁、Ｇ₃層では付着力τに見合うようにソイルセメント柱状体の径を大きくして摩擦力ｆを増大させているが、Ｇ₂層ではソイルセメント柱状体Ｃ₂の径を通常のまま、すなわちＧ₁、Ｇ₃層よりも相対的に小さくし、突起を低くし、かつ数を減らして付着力τを摩擦力ｆに見合う程度にまで減少させている。

図４は、芯材とソイルセメントとの間の付着力を説明する（ａ）芯材の斜視図、（ｂ）部分断面図（模式図）で、Ｐは芯材、１は突起である。Ｓは突起１の取り付けピッチ、ｈは突起１の高さであり、付着力はＳとｈとの比、Ｓ／ｈと、ソイルセメントの強度との関係で整理することができる。
芯材である鋼管とソイルセメントとの間の付着力τは、線形な式として
τ＝β・ｑ_u ・・・（２）
と表すことができる。βは付着係数と呼ばれるもので、一般には実験により求める。例えば既存の杭工法である鋼管ソイルセメント杭では、βとして0.4という値が使用されている。またｑ_uはソイルセメントの設計強度（一軸圧縮強度）で、例えば1.0Ｎ／ｍｍ²であるとする。

いま鋼管の径を500ｍｍ、ソイルセメント柱状体の径を1000ｍｍとする。そして本発明におけるソイルセメントと地盤との間の摩擦性能、すなわち周面摩擦力度（ｋＮ／ｍ²）をパラメータとして、まずこの鋼管の単位長さ（１ｍ）当たりの周面摩擦力（ｋＮ）を求め、前記（１）式で等号が成り立つ場合として、この柱状体の周面摩擦力が鋼管の周面摩擦力と釣り合うための鋼管とソイルセメントとの間に必要な付着力度（上記のτ、ｋＮ／ｍ²）を算出し、これを上記の（２）式に代入してｑ_uで割ると、実測値ではなく、本発明において必要なβの値が得られる。

ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力度をいろいろに変えてこれらの数値を計算した結果を表１に示す。

一方、前記のＳとｈとの比、Ｓ／ｈと付着係数βとの関係を実験によって求めると、図５のようになり、Ｓ／ｈが大きくなるほど付着力は小さくなる。したがって得られたβから、この図によってＳ／ｈを判断し、突起を設計すればよい。表１の例では、得られたβが0.4以上であればＳ／ｈは１〜40、0.3〜0.4であれば40〜60、0.2〜0.3であれば60〜100、0.1〜0.2であれば100から140、0.1以下であれば突起なし、といった目安で突起を設計する。

Ｓ／ｈの組み合わせは無限にあるので、確保できる材料と加工の費用等を総合的に判断して突起の寸法やピッチを決定することが望ましい。
なお、以上芯材として鋼管の例で説明したが、本発明の芯材は鋼管に限定されるものではない。例えばコンクリート管の既製杭であってもよい。この場合は、遠心法によって製造する際の金型にくぼみを設けておくことで簡単に表面に突起を形成することができるし、突起を形成した鋼板を表面に埋め込む、あるいは巻くようにしてもよい。

本発明の合成摩擦杭の施工には、ソイルセメント柱状体を予め施工してから芯材を建て込む後沈設方式と、ソイルセメント柱状体の造成と同時に芯材を建て込む同時沈設方式とがある。杭長が比較的短い場合は、段取りなどが容易な後沈設方式が適しており、杭長が長い場合には施工の際芯材を鉛直に保持しやすい同時沈設方式が適している。
施工には、掘削ビット、あるいは攪拌翼の径が多段階に変化する掘削攪拌装置を使用するのが望ましい。多段階であればさまざまな径のソイルセメント断面を造成でき、地層構成に応じて最適な断面構造を選定することができる。拡大ソイルセメント部の造成がそれほど多くなければ、より一般的な、拡大・縮小可能な掘削攪拌装置を使用することもできる。拡大、縮小を繰り返してソイルセメント柱状体を造成してもよいし、所定深度まで縮小部に相当する通常のソイルセメント柱状体を造成し、必要個所で掘削ビット、あるいは攪拌翼を拡大して拡大部を造成してもよい。

周面部のソイルセメントは、所定強度を発揮できるように必要なセメントミルクを注入するが、一般的にセメント分の少ない貧配合のものを用いる。
なお、周面部の途中段階で、セメントミルクの配合を富配合に切り換えることにより、ソイルセメントの強度を上げ、ソイルセメント柱径をさらに大きくして大きな摩擦力を得るようにしてもよい。

先端支持力は、芯材の内面、外面に突起を設けて、支圧効果により大きな支持力を発揮させる。先端部分に対応するソイルセメントは、セメントミルクの配合の高い富配合として強度の上昇を図るのがよい。
本発明の合成摩擦杭は、拡大部と縮小部でソイルセメント柱状体に段差があるので、段差部分で支圧効果による大きな周面支持力を得ることもできる。

本発明実施例の合成摩擦杭の断面図である。本発明における付着力と摩擦力とを示す模式図である。従来の技術と本発明における付着力と摩擦力との関係を示す模式的なグラフである。本発明に係わる芯材の（ａ）斜視図および（ｂ）部分断面図である。本発明における付着係数と突起の態様との関係を示すグラフである。本発明に係わる合成摩擦杭を示す概念図である。従来の技術の一例を示す合成摩擦杭の概念図である。従来の技術の他の例を示す合成摩擦杭の概念図である。

符号の説明

１突起
２羽根
Ｃソイルセメント（柱状体）
Ｆフーチング
Ｇ地盤
Ｐ芯材（杭）

Claims

地盤を柱状に掘削し、掘削土砂とセメントミルクとを混合攪拌して形成したソイルセメント柱状体の中心部分に、この柱状体が硬化しないうちに芯材を貫入させ、これらが一体となって周面摩擦力を発揮するようにした合成摩擦杭において、
前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力度に応じて、前記ソイルセメント柱状体の径を変化させるとともに、
前記芯材を、表面に、取付けピッチＳ、高さｈの突起を形成した芯材とし、
前記突起を、
前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力度に応じて、
下記（１）式に基づき、前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力ｆｓと前記芯材と前記ソイルセメントとの付着力τｓが釣り合うために必要な、前記芯材と前記ソイルセメントとの付着力度τを算出し、
得られた該必要な付着力度τと、前記ソイルセメントの設計強度ｑｕとから、下記（２）式の関係を用いて、必要な付着係数βを算出し、
一方、取付けピッチＳと高さｈとの比Ｓ／ｈと付着係数βとの関係を予め求めておき、
前記予め求めておいたＳ／ｈと付着係数βとの関係を用いて、前記算出された必要な付着係数βに対するＳ／ｈを判断し、
該判断されたＳ／ｈを満足するように、前記取付けピッチＳと前記高さｈとを決定してなる突起とすることを特徴とする合成摩擦杭。
記
τｓ ≧ ｆｓ ‥‥（１）
ここで、τｓ：芯材とソイルセメントとの間の付着力、
ｆｓ：ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力
τ-＝β・ｑｕ ‥‥（２）
ここで、τ：芯材とソイルセメントとの間の付着力度、
ｑｕ：ソイルセメントの設計強度
ソイルセメントと地盤との間に周面摩擦力が期待できる地層では周面摩擦力が期待できない地層に比べてソイルセメント柱状体の径を相対的に大きくし、前記周面摩擦力が期待できない地層では前記周面摩擦力が期待できる地層に比べてソイルセメント柱状体の径を相対的に小さくすることを特徴とする請求項１に記載の合成摩擦杭。