JP5542519B2 - 杭頭部と基礎の接合部構造 - Google Patents

Description

本発明は杭頭部に作用する曲げモーメントを基礎に伝達させるために、杭頭部をコンクリート造の基礎中に挿入させた状態で両者を剛に接合した杭頭部と基礎の接合部構造に関するものである。

杭頭部をコンクリート造の基礎に剛に接合し、杭頭部に作用する曲げモーメントを基礎に伝達するための接合の仕方には図５−（ａ）〜（ｅ）に示す例が挙げられる。（ａ）は中空の杭頭部内にコンクリートを充填すると共に、杭頭部のコンクリートと基礎との間に跨って補強筋を配筋し、主として補強筋とコンクリートとの間の付着力によって杭頭部と基礎との間での曲げモーメントを伝達させる方法、（ｂ）は杭頭部を杭径分程度、基礎中に埋め込み、杭頭部の側面に作用する支圧力によって杭頭部と基礎との間での曲げモーメントを伝達させる方法である。

図５−（ｃ）、（ｄ）は図５−（ａ）に示す補強筋の具体的な配筋例であり、（ｃ）は補強筋を杭天端に溶接やねじ込みによって接続する場合、（ｄ）は杭本体を構成する鋼管に補強筋を直接、溶接する場合である。図５−（ｅ）は図５−（ｂ）に示す杭頭部の基礎内部での様子を示している。このように基礎中に杭頭部を挿入する場合は、基礎中での補強筋との干渉を考慮することが必要になる。

図５の例は基礎中に、杭頭部周囲のコンクリートを補強するための鉄筋（補強筋）を配筋することを前提としているため、基礎中での鉄筋混在の問題に直面する。この図５の例に対し、基礎中での鉄筋の混在を解消する目的で、杭本体の頭部に杭本体の断面を増すための拡径部材を接合することで、杭本体の径より大きい径を持つ杭頭部としての曲げモーメントの伝達能力を確保する方法がある（特許文献１参照）。

この他、杭天端の外周に凸部を突設する一方、基礎中に凸部と対になるプレートを配置し、凸部とプレートとの間に圧縮ストラットを形成させることにより杭頭部からの曲げモーメントを基礎に伝達する方法がある（特許文献２参照）。

特許第４２０９３１４号公報（請求項１、段落００１２、００２２〜００３１、図１） 特開２００８−１４４４７１号公報（請求項１、段落０００８、００１０、００１７、図１）

特許文献１では杭本体の頭部に複数枚の鋼板とコンクリートからなる拡径部材を突設した上で、拡径部材を構成する杭天端側のダイヤフラムに周方向にアンカー部材を溶接する必要があるため、杭の製作が煩雑化する難点がある。

特許文献２では杭頭部の天端外周に突設された凸部と基礎中に埋設されるプレートとの間に圧縮ストラットを形成させることから、杭天端の凸部からプレートまでの間に存在するコンクリートを通じて支圧力を伝達させることになる。

このときの圧縮力は凸部からプレートまでにかけてコーン状に拡径しながら、伝達されると考えられる。また凸部とプレートとの間に存在するアンカー筋は杭頭部の周囲に存在するコンクリート中に圧縮力が伝達されるときに、圧縮力が伝達されるコンクリートとその部分の回りに存在するコンクリートとの間に跨っていることで、両コンクリートが分離しないよう、一体性を確保する働きをすると考えられる。

但し、特許文献２のアンカー筋は基礎中に定着されるプレートに連結されていることから、プレートが受ける圧縮力により引張力を負担するが、プレートは面で圧縮力を受けるため、アンカー筋が負担する引張力が過大になる可能性がある。この関係で、プレートが負担する圧縮力に抵抗させるために、プレートに連結されるアンカー筋の本数を多くする必要が生じ、杭頭部周囲への鉄筋量が増加し、鉄筋の混在を招くことも想定される。

本発明は上記背景より、特許文献２におけるアンカー筋が負担すべき引張力を軽減しながら、杭天端から基礎との間で圧縮力を負担するコンクリートとその周囲のコンクリートとの一体性を確保する杭頭部と基礎の接合部構造を提案するものである。

請求項１に記載の発明の杭頭部と基礎の接合部構造は、コンクリート造の基礎中に杭頭部を挿入させた状態で、杭頭部を基礎に接合した接合部において、
前記杭頭部の外周に杭本体の断面からその杭本体の外周側へ、前記基礎のコンクリートとの間で支圧力を伝達し得る端部材が突出し、前記基礎中の、前記杭頭部の外周面から距離を置いた位置に、前記杭頭部からの支圧力を周囲のコンクリートに伝達する補強筋が前記杭頭部の周方向に配列しており、
前記補強筋は前記端部材の下方に位置し、下に凸のＵ字形の形状をした下端部の湾曲部と、前記端部材の上方に位置し、上に凸のＵ字形の形状をした上端部の湾曲部と、前記下端部の湾曲部と前記上端部の湾曲部をつなぐ棒状部を持ち、前記杭頭部の周方向に前記下端部の湾曲部と前記上端部の湾曲部が交互に配列して連続し、前記下端部の湾曲部と前記上端部の湾曲部の少なくとも一方の湾曲部の両側に前記棒状部が接続した形状をしていることを構成要件とする。
請求項２に記載の発明の杭頭部と基礎の接合部構造は、請求項１に記載の発明において、前記補強筋が前記杭頭部の周方向に連続して周回し、閉じた形状をしていることを構成要件とする。

端部材は杭頭部の天端等、杭本体の断面（水平断面）から杭本体の外周側へ、杭頭部外周面の周方向に連続して（連続的に）、または断続的に張り出す。連続して張り出す場合、端部材は円環状等、環状の形状をし、断続的に張り出す場合は環状の部材が周方向に分割された形状をする。端部材の形状（平面形状）は杭頭部の断面形状によって決まり、杭頭部が円形断面の場合には円環状の形状をし、多角形断面の場合はそれに対応した形状をする。端部材は基本的には板状であるが、必ずしもその必要はなく、ブロック状、あるいは棒状の場合もある。

端部材には杭本体との一体化の便宜より鋼材の使用が適するが、必ずしもその必要はない。コンクリートから受ける支圧力に抵抗可能な素材であればよく、プラスチック等も使用される。鋼材が使用される場合、端部材は杭頭部の端部である天端に、杭本体を構成する鋼管、もしくはコンクリートに定着されることにより固定された端板に溶接、もしくはボルト、アンカーボルト等によって固定される。プラスチック等の場合は融着、接着等の手段によって固定される。端部材は図４−（ｃ）に示すように端板が兼ねることもある。

杭頭部に曲げモーメントが作用し、杭頭部から基礎に例えば下向きの圧縮力が作用しようとするとき、圧縮力は図１−（ａ）に示すように端部材から基礎のコンクリートに支圧力として伝達され、端部材はコンクリートから反力を受ける。この支圧力は端部材の下面からコーン状に拡大（拡径）してコンクリート中に伝達し、コンクリートにはコンクリートをコーン破壊（引張破壊）させようとする力として作用する。このときの破壊線を図１−（ａ）に破線で示す。

図１−（ａ）では基礎１の、杭頭部２との接合部に杭頭部２が挿入される成の高い成高部１ａを有する場合を示しているが、この場合に、杭頭部２の基礎（コンクリート）中への挿入深さが浅い場合には、破壊線が成高部１ａの底面を通る位置に形成されることが想定される。破壊線が成高部１ａの底面を通る位置に形成されれば、コーン破壊に抵抗しようとするコンクリート部分の高さが小さくなるため、コンクリートが破壊する可能性を持つ。コーン破壊に抵抗しようとするコンクリート部分の高さが小さくなることは、基礎１が成高部１ａを有しない場合に生じ易い。

これに対し、図１−（ａ）に示すようにコンクリートが成高部１ａを有する場合には、杭頭部２の基礎（コンクリート）中への挿入深さを調整する（挿入深さを大きく取る）ことで、破壊線を成高部１ａとそれ以外の部分との境界を通る位置に形成させることができるため、コンクリートのコーン破壊が生じにくい形態に基礎１を形成することが可能になっている。コンクリートが成高部１ａを有する場合にも、杭頭部２の基礎中への挿入深さが小さければ（不十分であれば）、破壊線が成高部１ａの底面を通る位置に形成されることもある。

図１−（ａ）に破線で示す破壊線は基礎１のコンクリートを破壊線の下側に存在するコンクリート１１とその上側に存在するコンクリート１２に区分し、支圧力は破壊線の下側に存在するコンクリート１１を上側に存在するコンクリート１２から分断させようとする力として作用する。これに対し、縦断面上、破壊線の線上に補強筋４が配筋され、補強筋４がこの破壊線を跨るように配筋されていることで、補強筋４は破壊線で区分されるコンクリート１１、１２の一体性を確保する働きをすることになる。

ここで、補強筋４が通常の鉄筋のように１本棒の形状をしているとすれば、コンクリート１１、１２にコーン破壊を生じさせようとしている支圧力に対し、抵抗力不足、あるいは付着力不足から破壊線に関していずれか一方側に存在するコンクリート１１、１２から抜け出そうとする可能性がある。

これに対し、本発明の補強筋４は図２−（ａ）に示すように少なくとも下端部にＵ字形の形状をした部分（Ｕ字状部分：湾曲部４ａ）を有し、立面上、全体としても少なくともＵ字形の形状をしていることで、Ｕ字状に湾曲、あるいは屈曲している部分（湾曲部４ａ）に発生する、コンクリート中を伝達される圧縮力に対する反力の支圧力が補強筋４の上端部からその部分が定着される上側のコンクリート１２に伝達されることになる。この結果、補強筋４は上側のコンクリート１２からの抜け出しに対する抵抗力が増大し、破壊線を挟んだ両コンクリート１１、１２の一体性を確保する能力が高まる。

特に補強筋４は全体としても少なくともＵ字形の形状をしていることで、下端部のＵ字状部分（湾曲部４ａ）で受けたコンクリート１１からの支圧力を少なくとも２本の棒状の鉄筋を通じて上端部から上側のコンクリート１２に伝達することができるため、図２−（ｃ）に示す形状の補強筋より下端部で受けたコンクリート１１からの力の、上端部を通じてのコンクリート１２への伝達能力が高い。

「少なくとも下端部にＵ字形の形状をした部分（Ｕ字状部分：湾曲部４ａ）を有する」とは、図２−（ｂ）に示すように下端部に加え、上端部にもＵ字状部分（湾曲部４ａ）を有する場合を含むことを言う。「立面上、全体としても少なくともＵ字形の形状をする」とは、補強筋４自身が、下端部の湾曲部４ａと上端部の湾曲部４ａの少なくとも一方の湾曲部４ａの両側に棒状部が接続した形状をしていることを言い、この形状が図２−（ｂ）、図３に示すように杭頭部２の周方向に連続的に繰り返された形状をする場合があることを意味する。

補強筋４は少なくとも下端部にＵ字状部分（湾曲部４ａ）を有し、立面上、全体としても少なくともＵ字形の形状をしていることで、破壊線で区分される下側のコンクリート１１と上側のコンクリート１２に跨って配筋され、下端部のＵ字状部分（湾曲部４ａ）において下側のコンクリート１１に定着され、上端部分において上側のコンクリート１２に定着される。

また少なくとも下側のコンクリート１１中に定着される部分がＵ字状の形状をする（湾曲部４ａを有する）ことで、上記のようにコンクリート１１から伝達される圧縮力に対し、支圧力の反力を生ずるため、少なくとも下側コンクリート１１との間では支圧力によって力を伝達し合うことになる。

補強筋４はＵ字状部分（湾曲部４ａ）を少なくとも１箇所持ち、１箇所の場合が図２−（ａ）に示す形状であり、複数箇所の場合が図２−（ｂ）に示す形状である。複数の湾曲部４ａを有する場合、補強筋４は図３に示すように杭頭部２の周方向に連続して周回することもある。

補強筋４は少なくとも下端部にＵ字状部分（湾曲部４ａ）を有すればよいから、上端部分にも逆向きのＵ字状部分（湾曲部４ａ）が形成されることもある。例えば図２−（ｂ）、図３に示すように全体としてＵ字状部分（湾曲部４ａ）が補強筋４の下端部と上端部に交互に形成され、補強筋４が杭頭部２の周方向に連続する場合には、上端部のＵ字状部分（湾曲部４ａ）においても支圧力によって破壊線の上側のコンクリート１２との間で力の伝達が行われる。この場合、上端部のＵ字状部分からは下向きに支圧力がコンクリート１２に作用することになる。

その場合、補強筋４は立面上、Ｕ字形の形状をした部分が一往復以上、連続した形状をしていることになる。この場合、補強筋４は上記のように下端部（のＵ字状部分（湾曲部４ａ））において下側のコンクリート１１からの反力を支圧力として受け、その力を上端部（のＵ字状部分（湾曲部４ａ））において上側のコンクリート１２に対して支圧力によって伝達することになるため、破壊線を挟んだ両側のコンクリート１１、１２の一体化の効果が一層強まる。

補強筋が従来の形態である図２−（ｃ）に示すように下端部にＵ字状の湾曲部を持ちながらも、全体としてＵ字形の形状をせず、全体的に上部が破壊線の上側のコンクリートに跨がらないような場合には、下端部のＵ字状部分（湾曲部）が仮に支圧力を受けることができたとしても、その支圧力を破壊線の上側のコンクリートに十分に伝達することができないため、破壊線を挟んだ両側のコンクリートの一体性を確保する補強筋としての機能を持ち得ないことになる。

また特許文献２のように補強筋の下端にプレートが連結されている場合には、プレートが受ける支圧力によって補強筋が受ける引張力が過大になり、補強筋が破断する可能性があるが、本発明では補強筋が受ける引張力はＵ字状部分に作用する支圧力であるため、引張力が過大になることはなく、支圧力を負担することによって補強筋が破断する状況に至ることは回避される。

補強筋が少なくとも下端部にＵ字形の形状をした部分を有し、立面上、全体としても少なくともＵ字形の形状をしていることで、Ｕ字状部分（湾曲部）に発生する、コンクリート中を伝達される圧縮力に対する反力の支圧力を補強筋の上端部からその部分が定着される上側のコンクリートに伝達することができる。この結果、補強筋の上側のコンクリートからの抜け出しに対する抵抗力が増大し、破壊線を挟んだ両コンクリートの一体化の効果が高まる。

また補強筋が受ける引張力はＵ字状部分に作用する支圧力であるため、引張力が過大になることはなく、支圧力を負担することによって補強筋が破断する状況に至ることは回避される。

（ａ）は基礎中に挿入されている杭頭部とその周囲に配筋される補強筋の関係を示した縦断面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ線の断面図である。 （ａ）はＵ字状部分を１箇所有する補強筋の例を示した立面図、（ｂ）は複数箇所のＵ字状部分を有する補強筋の例を示した立面図、（ｃ）はＵ字状部分を有しながら、定着部のみを有する従来の補強筋を示した立面図である。 図２−（ｂ）に示す補強筋が平面上、環状に閉じた形状に形成された場合の杭頭部回りへの配筋状態を示した平面図である。 （ａ）は端部材を杭頭部の天端に固定した場合の例を示した立面図、（ｂ）は２枚（個）以上の端部材を杭頭部の側面に固定した場合の例を示した立面図、（ｃ）は杭頭部天端の端板が端部材を兼ねる場合の例を示した立面図である。 （ａ）〜（ｅ）は従来の杭頭部と基礎の接合例を示した縦断面図であり、（ｃ）、（ｄ）は（ａ）の具体例を、（ｅ）は（ｂ）の具体例を示している。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１−（ａ）はコンクリート造の基礎１中に杭頭部２を挿入させた状態で、杭頭部２を基礎１に接合した接合部の具体例を示す。（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ線の断面を示す。前記のように図１−（ａ）では基礎１の、杭頭部２との接合部に成高部１ａを形成しているが、成高部１ａは必ずしも形成される必要はない。

図面では杭頭部２を含む杭本体２０が鋼管の内周側に遠心力によってコンクリートを一体化させた鋼管コンクリート製（遠心力鉄筋コンクリート杭（ＳＣ杭））である場合の例を示しているが、杭本体２０の構造は特定されず、鋼管杭、コンクリート杭、ＰＨＣ杭、合成杭等の既製杭の他、現場造成杭も使用される。

杭頭部２の外周には杭本体２０の断面からその杭本体２０の外周側へ、基礎１のコンクリート１１、１２との間で支圧力を伝達し得る端部材３が突出する。基礎１中の、杭頭部２の外周面から距離を置いた位置には図１−（ｂ）に示すように杭頭部２からの支圧力を周囲のコンクリート１１、１２に伝達する補強筋４が杭頭部２の周方向に配列する。補強筋４は図２−（ａ）、（ｂ）に示すように少なくとも下端部にＵ字形の形状をした部分である湾曲部４ａを有し、立面上、全体としても少なくともＵ字形の形状をしている。

杭頭部２の天端には杭本体２０の端部において杭本体２０を構成するコンクリートの型枠となる端板２１が固定されており、端部材３はこの端板２１に溶接、ねじ込み（螺合）等の手段によって固定される。端部材３は杭頭部２の周方向に連続する場合は円環状等、環状のプレートが使用され、周方向に断続的に配置される場合はプレート（フラットバー）、形鋼、鉄筋、あるいはこれらを適度な長さで切断した板等が使用される。端板２１は杭本体２０の端部（天端）、もしくは杭本体２０の頭部の周囲に、杭本体２０を構成する鋼管への溶接、あるいはコンクリートへの定着等によって固定されている。

端部材３は図１−（ａ）に示すように端板２１から杭本体２０の外周側へ突出した状態で端板２１に固定される。端部材３の端板２１からの突出量は端部材３の下面からコンクリート１１、１２に支圧力が作用し得るように設定される一方、過剰な支圧力が作用しないように調整される。図１−（ａ）では端部材３から作用する支圧力の反力がコンクリート１１、１２から端部材３に作用している様子を示している。図１−（ａ）中、破線は端部材３からコンクリート１１、１２に作用する支圧力によってコンクリート１１、１２に生じさせようとするコーン破壊の破壊線を示している。

基礎１のコンクリート１１、１２は図１−（ａ）に破線で示す破壊線の上側と下側に区分され、コンクリート１１、１２はこの破壊線を境界として端部材３に作用する支圧力の伝達によって分断され（ひび割れし）ようとするが、補強筋４が縦断面上、この破壊線と交わる範囲に、すなわち両側のコンクリート１１、１２に跨って配筋されることで、区分されるコンクリート１１、１２の一体性が確保されている。図１−（ａ）では破壊線の下側のコンクリートを１１で、上側のコンクリートを１２で示している。

端部材３からの支圧力はその位置（杭本体２０の水平断面上の中心）から遠ざかる程、拡散（分散）していくから、補強筋４の配筋による両コンクリート１１、１２の一体化の効果は端部材３に近い程、高いと言える。一方、補強筋４が端部材３に接触している状態では、双方の接触面でのコンクリート１１、１２との間の付着力が期待されなくなるため、補強筋４は端部材３から少しでも離れている方がよい。

端部材３から破壊線の下側のコンクリート１１中を伝達される支圧力は図２−（ａ）に示すように補強筋４の下端部のＵ字状部分である湾曲部４ａに支圧力として伝達され、補強筋４には引張力として負担される。補強筋４が負担する引張力は補強筋４を通じて破壊線の上側のコンクリート１２に伝達され、コンクリート１２で負担される。破壊線の下側のコンクリート１１からの支圧力が上側のコンクリート１２に伝達されることで、破壊線で区分されるコンクリート１１、１２の一体性が確保される。

補強筋４は立面上、図２−（ａ）、（ｂ）のような形状に形成される。（ｃ）は対比のための従来の補強筋の形成例を示している。従来の補強筋は定着用のフックを下端部に有するのみで、全体としてはＵ字形の形状をしていない関係で、フック部分で支圧力を受けたとしても、上端部が定着されるコンクリートにまで伝達されることがない。

これに対し、本発明で使用される補強筋４は全長（全高）に亘って（全体的に）Ｕ字状の形状をし、（ｃ）に示す従来の補強筋を２本、束ねた形状をしていることで、２本の棒状部分を通じて上端部が定着されるコンクリート１２に伝達されるため、下端部のＵ字状部分（湾曲部４ａ）で受けた支圧力を損失させることなく、上端部が定着されるコンクリート１２に伝達することが可能になっている。図２−（ａ）、（ｂ）の場合、下半分が破壊線の下側のコンクリート１１中に定着される部分であり、上半分が破壊線の上側のコンクリート１２中に定着される部分になる。

特に図２−（ｂ）に示す補強筋４のように上端部にもＵ字状部分（湾曲部４ａ）を有する形状をしている場合には、下側のコンクリート１１から補強筋４を通じて伝達される引張力が上端部の湾曲部４ａにおいても下向きの支圧力によってコンクリート１２に圧縮力として伝達されるため、補強筋４による応力の伝達効果が高まり、それだけ両側のコンクリート１１、１２の一体性を強めることができる。（ｂ）に示す補強筋４は（ａ）に示すＵ字形状が４往復半した形状をしている。

図２−（ａ）に示す補強筋４を本発明で使用される補強筋４の基本形とすれば、上端部にも湾曲部４ａを形成する上では、この（ａ）に示す補強筋４が一個以上、杭頭部２の周方向に連続した形状であればよいことになる。（ｂ）に示すような形状の補強筋４は図３に示すように平面上、環状に湾曲した形状になった状態で基礎１中に配筋される。

図３は杭頭部２の周方向に閉じた（周回する）形状の補強筋４を周方向に連続させて配筋した様子を示している。図３中、実線部分は破壊線に関して上側に存在するコンクリート１２中に定着される補強筋４の上端部の湾曲部４ａを示し、破線部分は下側に存在するコンクリート１１中に定着される下端部の湾曲４ａを示している。

また図３中、２点鎖線は平面形状が環状である補強筋４を側面から見たときの様子を便宜的に、連続的に示している。２点鎖線の内、杭頭部２の断面上の中心から遠い範囲にある区間は上側のコンクリート１２中に定着される部分を、中心に近い範囲にある区間は下側のコンクリート１１中に定着される部分を示している。

図４−（ａ）〜（ｃ）は杭頭部２への端部材３の固定例を示している。図４−（ａ）は杭頭部（杭本体２０）の天端に端部材３を固定した場合であり、端板２１に溶接等によって固定した場合である。（ｂ）は杭頭部２の側面（周面）、すなわち杭本体２０を構成する鋼管の側面（周面）に杭本体２０の軸方向に２段、配列させ、溶接等により固定した場合である。（ａ）、（ｂ）は端部材３として円板、もしくは円環状の板、あるいはフラットバー等を使用した場合の例を示しているが、これらの場合、端部材３は杭本体２０の製作後に固定される。

図４−（ｃ）は端板２１が端部材３を兼ねている場合の固定例を示している。この例では端部材３である端板２１は杭本体２０の製作時に鋼管への溶接、あるいはコンクリートへの定着等によって固定される。

１……基礎、１ａ……成高部、
１１……下側のコンクリート、１２……上側のコンクリート、
２……杭頭部、２０……杭本体、２１……端板、
３……端部材、
４……補強筋、４ａ……湾曲部。

Claims (2)

1. コンクリート造の基礎中に杭頭部を挿入させた状態で、杭頭部を基礎に接合した接合部において、
   前記杭頭部の外周に杭本体の断面からその杭本体の外周側へ、前記基礎のコンクリートとの間で支圧力を伝達し得る端部材が突出し、前記基礎中の、前記杭頭部の外周面から距離を置いた位置に、前記杭頭部からの支圧力を周囲のコンクリートに伝達する補強筋が前記杭頭部の周方向に配列しており、
   前記補強筋は前記端部材の下方に位置し、下に凸のＵ字形の形状をした下端部の湾曲部と、前記端部材の上方に位置し、上に凸のＵ字形の形状をした上端部の湾曲部と、前記下端部の湾曲部と前記上端部の湾曲部をつなぐ棒状部を持ち、前記杭頭部の周方向に前記下端部の湾曲部と前記上端部の湾曲部が交互に配列して連続し、前記下端部の湾曲部と前記上端部の湾曲部の少なくとも一方の湾曲部の両側に前記棒状部が接続した形状をしていることを特徴とする杭頭部と基礎の接合部構造。
2. 前記補強筋は前記杭頭部の周方向に連続して周回し、閉じた形状をしていることを特徴とする請求項１に記載の杭頭部と基礎の接合部構造。

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