JP5239609B2

JP5239609B2 - 摩擦杭

Info

Publication number: JP5239609B2
Application number: JP2008207697A
Authority: JP
Inventors: 久和田近; 正宏林; 泰士脇屋; 謙治河野; 俊輔宇佐美; 和臣市川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2008-08-12
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-08-12
Also published as: JP2009068326A

Description

本発明は、建屋等の構造物を支持する基礎部分等に使用されるソイルセメント、コンクリート等の柱状体に芯材として貫入させる摩擦杭に関する。

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ことが行われる。芯材の頭部が構造物のフーチングに接続されて荷重を受け、柱状体の外周が周囲の地盤と接触して摩擦支持する構造である。

芯材と柱状体との一体化が重要であるが、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。また特許文献２には鋼管の素材として突起付き鋼板を使用することが記載されている。特許文献３には鋼管の内面または外面に肉盛溶接により高い突起を形成することが、また特許文献４には鋼管として遠心鋳造法によるダクタイル鋳鉄管を用い、金型の内面に塗布する離型材により表面を鳥肌状とすることが記載されている。この他、杭先端部にらせん状の羽根を設けたものもある。いずれも鋼管と周囲の固化体との付着力を高めることを目的としている。
特開昭６２−２６８４２２号公報特開昭６３−９７７１１号公報特開２００５−１９３２４５号公報特開２００６−２２６２３号公報

特許文献１、２に記載された圧延による突起は高さがせいぜい２、３ｍｍであり、特許文献４に記載の離型材による鳥肌状はさらに低く、面粗さによる摩擦効果は認められるものの支圧力の点ではあまり期待できない。肉盛溶接による突起の場合は、高さは十分であると思われるがきわめてコスト高となる上、芯材への熱影響も懸念される。らせん状の羽根は、取り付け加工に膨大な作業量がかかりコスト高である。

本発明は、既製杭表面に経済的で効果の期待できる突起を形成し、芯材と柱状体との一体性を向上させ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攪拌して形成したソイルセメント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貫入させる摩擦杭であって、直径200〜800mmの既製杭の外周面に、直径16〜51mmの突起付き線材を前記既製杭の軸方向と直角な面に対して、適切な傾斜角を以て取り付けて柱状体との一体性を向上させ、さらに、前記適切な傾斜角が、前記既製杭の径および前記突起付き線材の径に応じて、突起付き線材の付着力の既製杭の軸方向の成分と既製杭の軸方向の支圧力の和が最大となるようにしたものであることを特徴とする摩擦杭である。

本発明によれば、既製杭および異形鉄筋という、きわめて在庫豊富で調達の容易な部材を使用するため低コストで一体性に優れた芯材を製造することが可能であり、また適切な傾斜角を採用することにより芯材とソイルセメントとの付着力を最適に、すなわち最大に発現させることができるという、すぐれた効果を奏する。

本発明においては、摩擦杭である既製杭の表面に突起付き線材を取り付けて外側のソイルセメントとの付着力を増大させている。突起付き線材としては、コンクリートとの付着をよくするために表面に突起を形成した異形鉄筋（以下単に「鉄筋」ともいう。ＪＩＳでは異形棒鋼と称する）がもっとも一般的である。
既製杭の表面に鉄筋を取り付けた場合の、この既製杭と周囲のソイルセメントとの一体化力は、突起による鉄筋の付着力の軸方向成分（以下単に「付着力」という）と、鉄筋の軸直角方向の支圧力との合計によって発揮されるものと考えられる。既製杭の単位長さで考えて、単位長さに対して径が大きい場合には相対的に支圧力の割合が大きくなり、径が小さい場合には相対的に付着力の割合が大きくなる。

本発明において既製杭としては、鋼管杭または既製コンクリート杭を使用することができる。既製コンクリート杭としては、鉄筋コンクリート杭（ＲＣ杭）、プレストレストコンクリート杭（ＰＣ杭）、高強度プレストレストコンクリート杭（ＰＨＣ杭）、外殻鋼管付きコンクリート杭（ＳＣ杭）、高強度コンクリート拡径杭（ＳＴ杭）等を例示することができる。

既製杭の表面に突起付き線材を取り付ける方法としては、既製杭が鋼管杭、または外殻鋼管付きコンクリート杭（ＳＣ杭）の場合には、溶接によるのが好ましい。このとき、突起付き線材の線長の全てにわたって溶接する必要はなく、所定のピッチを設けて離散的に溶接すればよい。
また、既製杭が鉄筋コンクリート杭（ＲＣ杭）、プレストレストコンクリート杭（ＰＣ杭）、高強度プレストレストコンクリート杭（ＰＨＣ杭）、高強度コンクリート拡径杭（ＳＴ杭）等の既製コンクリート杭の場合には、これら既製コンクリート杭を製造する際に複数の鋼片等が表面（外周面）に露出するように形成し、これらの鋼片等に突起付き線材を溶接により取り付けるか、またはアンカー等を用いて既製コンクリート杭の表面（外周面）に複数の線材取り付け金具を設け、これらの線材取り付け金具に突起付き線材を取り付ける方法などによることができる。

上記のように、本発明においては既製杭として鋼管杭や既製コンクリート杭を用いることができるが、突起付き線材の取り付けの容易性からみて、鋼管杭、あるいは外殻鋼管付きコンクリート杭（ＳＣ杭）が好ましく、鋼管杭がもっとも好ましい。
以下においては既製杭として鋼管（鋼管杭）を用いた場合を例として説明するが、既製コンクリート杭の場合においても以下の説明は全く同じである。

いま図１（ａ）に示すように外径Ｄ、軸方向長さＬの鋼管１に直径ｄの鉄筋２を１条１周、水平面との角度θで取り付けたものを考える。図１（ｂ）は鉄筋取り付け部分の部分断面図である。溶接部分を除いた外側の半周が付着に寄与すると考える。
ソイルセメントの圧縮強度をσ_c、鉄筋の付着係数をβ、鉄筋のソイルセメントとの接触面積の軸方向（鉛直方向）成分をＳとすると、付着力τ_rは、
τ_r ＝β・σ_c・Ｓ・・・（１）
である。一方、鉄筋の支圧係数をα、鉄筋の軸方向投影面積をＡとすると、支圧力τ_sは、
τ_s ＝α・σ_c・Ａ・・・（２）
であり、一体化力はこの両者の和である。

図１の鋼管を展開してみる。ここで、角度θによって２とおりのケースが考えられる。第１に、図２（ａ）に示すように、鉄筋１周が長さＬの中で上端まで達しない場合、すなわち、
θ＜tan⁻¹（Ｌ／πＤ）
のときである。図から
Ｘ・cosθ＝πＤ
Ｘ＝πＤ／cosθ ・・・（３）
である。これを式（１）に代入すれば、接触面積の軸方向成分Ｓは、
Ｓ＝Ｘ・π・ｄ／２・sinθ ・・・（４）
となるから、付着力τ_rは、
τ_r ＝β・σ_c・Ｄ・tanθ・π²・ｄ／２・・・（５）
である。また支圧力τ_sは、
Ａ＝ｄ・Ｘcosθ
＝ｄ・πＤ・・・（６）
を式（２）に代入して、
τ_s ＝α・σ_c・ｄ・πＤ・・・（７）
となる。

つぎに、鉄筋の１周が鋼管の長さＬの中で上端まで達する場合、すなわち
θ≧tan⁻¹（Ｌ／πＤ）
のときである。図から
Ｘ・sinθ＝Ｌ
Ｘ＝Ｌ／sinθ ・・・（８）
である。したがって付着力τ_rは、
τ_r ＝β・σ_c・Ｌ・π・ｄ／２・・・（９）
であり、また支圧力τ_sは、
Ａ＝ｄ・Ｘcosθ
Ｘsinθ＝Ｌ
から、式（２）に代入して、
τ_s ＝α・σ_c・ｄＬ／tanθ ・・・（１０）
である。

よって前記したとおり、図２の（ａ）の場合の一体化力は（５）と（７）の和、（ｂ）は場合は（９）と（１０）の和である。
鋼管の径Ｄとしては、200〜800ｍｍ程度が考えられるが、例えば200ｍｍとする。鉄筋は径で16〜51ｍｍのものが市販されているが、例えば16ｍｍとする。Ｌは1000ｍｍ、ソイルセメントとの圧縮強度σ_cは１Ｎ／ｍｍ2とし、付着係数βは3、支圧係数αは5として、角度θを変化させて一体化力の変化を計算した結果を図３のグラフに示す。

付着力は取り付け角度θが０度の場合は０であり、θが増すに従って（５）式により徐々に増大するが、tanθがＬ／πＤに達すると（９）式に移行するので、以後は一定値となる。一方、支圧力の方は取り付け角度θの小さい範囲では（７）式により一定値であるが、tanθがＬ／πＤを境に（１０）式に移行して減少し、９０度で０となる。この寸法例ではθが60度において両者の合計の最大値が得られる。

同様にして鋼管径Ｄを200〜800ｍｍの範囲で変化させて一体化力の変化をプロットしたのが図４のグラフである。
鋼管径と鉄筋径が決定すれば、取り付け角度θについて、（付着力＋支圧力）が最大となる最適値が存在する。これが本発明にいう「適切な傾斜角」である。
図５は取り付け角度θを小さい角度から９０度まで変化させた摩擦杭の斜視図、図６は同じく正面図である。図６でいうと、図３で見たとおり、θ＝０度の場合は鉄筋は支圧力のみに寄与し、θ＝90度の場合は付着力のみに寄与する。これらはいずれもいわば比較例であり、本発明はこれらの中間である支圧・付着ハイブリッド形である。

本発明では、図５、６におけるハイブリッド形において傾斜角を最適とすることを提案しているが、たとえば鋼管の径が小さく、線材を曲げて溶接する加工費が割高となるようなものの場合は、コストを考慮すると必ずしも有利ではない。
巻き付ける鋼管の径および取り付け角度を変化させて付着力を測定した結果、いずれの鋼管径においても取り付け角度０度がもっとも付着力が小さく、６０度が最大であり、９０度はやや低く、３０度はさらに低いことがわかった。また鋼管径が大きくなるにつれ、上記の順序のまま、付着力は次第に大きくなっている。一方、鋼管の表面に線材を取り付けることによる製作コストは、鋼管径が小さいほど、すなわち小さい径で線材を曲げ、溶接するほど作業は困難でコストがかかっている。ただし、取り付け角度が大きい場合はそれほどでない。そこで付着力と製造コストを総合すると、鋼管径が100ｍｍ以下の場合は取り付け角度を90度近くにするのがよく、100〜200ｍｍの範囲では30度程度が適当であり、200ｍｍ以上となると取り付け角度は60度程度が望ましいという結果となる。

（ａ）は本発明実施例の摩擦杭の一部を示す斜視図、（ｂ）は鉄筋部分の部分断面図である。本発明における一体化力を説明する摩擦杭を展開したモデル図である。本発明実施例の摩擦杭における一体化力を示すグラフである。同じく本発明実施例の摩擦杭における一体化力を示すグラフである。本発明に係わる摩擦杭を比較例を含めて示す斜視図である。本発明に係わる摩擦杭を比較例を含めて示す正面図である。

符号の説明

１鋼管（既製杭）
２鉄筋（突起付き線材）
３溶接部

Claims

地盤を柱状に掘削し、掘削土砂とセメントミルクとを攪拌して形成したソイルセメント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貫入させる摩擦杭であって、直径200〜800mmの既製杭の外周面に、直径16〜51mmの突起付き線材を前記既製杭の軸方向と直角な面に対して、適切な傾斜角を以て取り付けて柱状体との一体性を向上させ、さらに、前記適切な傾斜角が、前記既製杭の径および前記突起付き線材の径に応じて、突起付き線材の付着力の既製杭の軸方向の成分と既製杭の軸方向の支圧力の和が最大となるようにしたものであることを特徴とする摩擦杭。
前記既製杭が鋼管である請求項１に記載の摩擦杭。