JP5674188B2 - 発熱を抑えた基礎杭構造 - Google Patents
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Description
本発明は、基礎杭の根固め部造成時の発熱を抑えることを特徴とする発熱を抑えた基礎杭構造の構築に関する。
いわゆる先堀り形式の基礎杭構造では、支持地盤に至る杭穴の下端部に根固め液を充填して根固め部として、既製杭を杭穴内に沈設して、下端部を根固め層内に位置させていた。この場合、通常は、杭穴の下端部にセメントミルクを充填して、掘削泥土と攪拌混合して、根固め部を形成していた。また、根固め部の品質をより高める場合には、杭穴底からセメントミルクを充填して、杭穴の下端部の掘削泥土を比重の重いセメントミルクに置換していた。
この場合に、使用するセメントは一般的に普通セメントを使用しているが、根固め部が固化するまで既製杭を杭穴に保持しなければならず（通常１日ほど）、施工効率を効率を考慮して早期に固化させるために、早強セメントを使用する場合もあった。
一方、ダムなどの大量にコンクリートを打設する構造物では、セメントの水和反応による発熱を抑えた低熱セメントを使用する場合もあった。また、地盤改良の分野では、温度を上げて、水分を蒸発させて地盤改良効果を高める提案もなされていた（特許文献２）、低発熱セメントを使用する場合（特許文献１）もあった。
従来の技術では、前記のように、既製杭を埋設する場合には、早期に固化させたり、根固め部の強度を高めたりする必要はあったが、固化強度発現を遅らしたり根固め部の強度を低下させたりすることは無かった。
前記従来の技術では、根固め部における発熱については、一切着目されてこなかった。その理由として、根固め部の体積がそう大きくなく、例えば既製杭の杭径φ４０ｃｍの場合、根固め部の外径６０ｃｍ、根固め部の高さ１００ｃｍ程度であり、この場合には、根固め部の体積は、０．５７ｍ３程度に過ぎなかった。従って、ダムなどのコンクリート構造体と異なり、そう大きな体積であるとの認識がなかったと考えられる。即ち、基礎杭構造の根固め部では、外周及び底は地盤に接しているので、根固め部で出された水和反応熱は土に放出されると漠然と考えられていた。
ところが、従来に比べ高支持力化が進み、根固め部が巨大化し、杭径φ１２０ｃｍ、根固め部の径２１０ｃｍ、根固め部高さ３３０ｃｍの場合も見られるようになり、この場合には根固め部の体積は１１．４３ｃｍ３にもなり、従来の２０倍程度にもなっていた。従って、マスコンクリート同様に、コンクリートの発熱を考慮する必要がでてきた。
また、この様な根固め部を有する基礎杭では、根固め部の強度が基礎杭の支持力におよぼす影響が無視できなく、極力掘削土砂混入の少ない根固め部を築造するなどの根固め部の品質管理も重要であり、従って水和熱による温度の管理が重要になってきた。
また、セメントミルクでは、一般のコンクリートに比べ骨材が無いので、単位体積当たりのセメント量がコンクリートに比べて１．５〜４倍程度となるため、非常に大きな発熱が生じる可能性もあった。また、杭穴充填材として一般に使用されるソイルセメントに比べても同じくらいのセメント量の多さとなっていた。
そこでこの発明では、「冷却液を充填した冷却パイプ」からなる冷却手段を根固め部に埋設したので、前記問題点を解決した。
即ちこの発明は、根固め部を形成した杭穴内に既製杭を埋設して、以下のように構成することを特徴とする発熱を抑えた基礎杭構造である。
(1) 前記根固め部は、水硬性材料からなる充填材を固化してなり、前記充填材内に冷却手段を埋設してなる。
(2) 前記冷却手段は、冷却液を充填した冷却パイプとし、該冷却パイプは、並列した縦部を前記既製杭の中空部に位置させ、下部折り返し部を前記既製杭の下端から下方に突出させて構成する。
(1) 前記根固め部は、水硬性材料からなる充填材を固化してなり、前記充填材内に冷却手段を埋設してなる。
(2) 前記冷却手段は、冷却液を充填した冷却パイプとし、該冷却パイプは、並列した縦部を前記既製杭の中空部に位置させ、下部折り返し部を前記既製杭の下端から下方に突出させて構成する。
また、前記において、以下のように構成したことを特徴とする発熱を抑えた基礎杭構造である。
(1) 冷却パイプは、その両開口を地上に突出させ、該開口を地上の循環装置に連結して、前記冷却パイプ内に冷却液を循環させる構成とした。
(3) 根固め部が固化した後に、地上で前記冷却液を抜いて、少なくとも根固め部に位置する部分に水硬性材料を充填する。
(1) 冷却パイプは、その両開口を地上に突出させ、該開口を地上の循環装置に連結して、前記冷却パイプ内に冷却液を循環させる構成とした。
(3) 根固め部が固化した後に、地上で前記冷却液を抜いて、少なくとも根固め部に位置する部分に水硬性材料を充填する。
この発明は、根固め部の充填材内に冷却液を入れてなる冷却パイプを埋設するので、充填材の反応熱を吸収して、根固め部から反応熱を除去できる。
（１） この発明の冷却手段は、杭穴の根固め部に充填する充填材は水硬性材料に、「前記水硬性材料が固化した状態の比熱」より小さい比熱の骨材を混入させて構成する。
「水硬性材料」は、掘削泥土と置換したセメントミルク、あるいはセメントミルクに掘削泥土を撹拌混合してなるソイルセメントなど、水にセメントをベースとした材料で、さらに細骨材を混ぜたモルタルや、更に粗骨材を混ぜたコンクリートのいずれも含む概念である。
通常コンクリートの比熱は０．８４であり、例えば、
・砂：約０．２
・ガラス：０．１〜０．２
・鉄：０．１
であり、これらの材料を使用する。この場合、良質な（充分な強度等を有する）材料の場合には、骨材として、作用することが考えられ、充填材の固化強度をさらに高めることもできる。
「水硬性材料」は、掘削泥土と置換したセメントミルク、あるいはセメントミルクに掘削泥土を撹拌混合してなるソイルセメントなど、水にセメントをベースとした材料で、さらに細骨材を混ぜたモルタルや、更に粗骨材を混ぜたコンクリートのいずれも含む概念である。
通常コンクリートの比熱は０．８４であり、例えば、
・砂：約０．２
・ガラス：０．１〜０．２
・鉄：０．１
であり、これらの材料を使用する。この場合、良質な（充分な強度等を有する）材料の場合には、骨材として、作用することが考えられ、充填材の固化強度をさらに高めることもできる。
（２） また、この発明は、杭穴２１の根固め部２３内に冷却液を充填した冷却パイプ１を配置して、冷却手段を構成する。この場合、杭穴２１内には既製杭４０が埋設されているので、既製杭４０と杭穴２１壁の間、既製杭４０の中空部４２を通して、根固め部２３内に冷却パイプ１を至らせる。
この場合、通常は、冷却パイプ１は地上２０に開放して、冷却液を循環させて使用する（図１（ｅ）、図２）。また、冷却パイプ１を閉塞して、構成することもできる（図３）。
この場合、通常は、冷却パイプ１は地上２０に開放して、冷却液を循環させて使用する（図１（ｅ）、図２）。また、冷却パイプ１を閉塞して、構成することもできる（図３）。
（３） また、充填材２５に比熱が小さな材料からなる冷却手段を混入したものを根固め部２３に埋設して、さらに冷却パイプ１を配置して、根固め部２３を冷却することもできる。
（４） また、これらの場合、充填材２５に、セメントの固化遅延材を使用することにより、ゆっくり固化反応をさせることにより、発熱時間をずらして、更に発熱量を軽減することもできる。
図面に基づき、この発明の実施例を説明する。
１．基礎杭構造の構築
（１） 地上２０から掘削ロッド３０で、杭穴２１を掘削する。この場合、杭穴２１は、軸部２２に続き支持地盤に至った部分で底２４を拡大して、拡大根固め部２３を形成する（図１（ａ）（ｂ））。
（２） 掘削ロッド３０を引き上げる際に、掘削ロッド３０の下端部から拡大根固め部２３内にセメントミルクを注入して、拡大根固め部２３内の掘削泥土を、セメントミルクに置換して充填材２５として、拡大根固め部２３内に充填される（図１（ｃ））。また、この状態で、拡大根固め部２３の上方には、セメントミルクと掘削泥土とを撹拌混合して形成したソイルセメントが充填されている。
この場合、セメントミルクに固化遅延剤からなるセメントの反応熱を軽減する混和剤を混ぜることもできる。
この場合、セメントミルクに固化遅延剤からなるセメントの反応熱を軽減する混和剤を混ぜることもできる。
（３） 続いて、通常の方法で杭穴２１内に既製杭４０を下降して、既製杭４０の下端４１を拡大根固め部２３内に位置させ、地上２０で既製杭４０の上端部を支持する（図１（ｄ））。既製杭４０は、上下に開放した中空部４２を有し、この状態で、拡大根固め部２３内では既製杭４０の外面４３側及び中空部４２は充填材２５に充たされている（図１（ｄ））。また、この状態で杭穴２１の軸部２２では、内に既製杭４０の外面４３と中空部４２内は、ソイルセメントからなる杭周固定液で充たされている。
（４） 続いて、既製杭４０の中空部４２内に、冷却パイプ１を埋設する。冷却パイプ１は、並列した縦部２、３の両端２ａ、３端を地上２０に位置させて、中間部を既製杭４０の中空部４２内に下降して、下部折返し部５を既製杭４０の下端４１から下方に突出させる（図１（ｅ））。下部折返し部５は、両縦部２、３の下端３ｂ、３ｂを、直線状の下横部４で連結した略Ｕ字状に形成され、下横部４が拡大根固め部２３の底２４に沿って配置される。
冷却パイプ１は、例えば、外径Ｄ２：１０００ｃｍ、内径Ｄ１：７４０ｃｍの既製杭４０の場合、外径２．７ｃｍを使用する（図１（ｅ））。
根固め部が高さＬ１：３０００ｃｍの場合、
根固め部２３に位置する縦部２、３の長さＬ２：２７００ｃｍ 、横部の長さＬ３：５００ｃｍで、延べで、
Ｌ２×２＋Ｌ３＝５９００ｃｍ
の長さが根固め部内に位置する。
従って、表面積は、
２．７×π×５９００＝５００２０ｃｍ２
程度となる。
冷却パイプ１は、例えば、外径Ｄ２：１０００ｃｍ、内径Ｄ１：７４０ｃｍの既製杭４０の場合、外径２．７ｃｍを使用する（図１（ｅ））。
根固め部が高さＬ１：３０００ｃｍの場合、
根固め部２３に位置する縦部２、３の長さＬ２：２７００ｃｍ 、横部の長さＬ３：５００ｃｍで、延べで、
Ｌ２×２＋Ｌ３＝５９００ｃｍ
の長さが根固め部内に位置する。
従って、表面積は、
２．７×π×５９００＝５００２０ｃｍ２
程度となる。
（５） 続いて、冷却パイプ１内に、縦部２、３の上端を循環装置に連結して、冷却液（例えば、水）を循環させる。循環装置は、冷却液槽、ポンプ、温度センサー、各種弁からなる（図示していない）。
通常、現場で調達する水の場合、通常５℃〜２０℃程度の温度であり、前記のように表面積 で冷却できるので、充分に冷却することができる。
この場合、既製杭４０の下端部に温度センサーを設置して、あるいは別途温度センサーを設けたロッドを下降して、拡大根固め部内に温度センサーを位置させ、拡大根固め部２３内の温度を計測しながら、最適な温度の冷却液を循環させることもできる（図示していない）。
また、冷却パイプ１の縦部２、３の上端２ａ、３ａで温度を測定して、拡大根固め部２３を通過する前後での温度を計測して、温度差から拡大根固め部２３内の発熱量を計測して、冷却液の温度を調節することもできる（図示していない）。
通常、現場で調達する水の場合、通常５℃〜２０℃程度の温度であり、前記のように表面積 で冷却できるので、充分に冷却することができる。
この場合、既製杭４０の下端部に温度センサーを設置して、あるいは別途温度センサーを設けたロッドを下降して、拡大根固め部内に温度センサーを位置させ、拡大根固め部２３内の温度を計測しながら、最適な温度の冷却液を循環させることもできる（図示していない）。
また、冷却パイプ１の縦部２、３の上端２ａ、３ａで温度を測定して、拡大根固め部２３を通過する前後での温度を計測して、温度差から拡大根固め部２３内の発熱量を計測して、冷却液の温度を調節することもできる（図示していない）。
（６） 拡大根固め部２３が固化したらならば、冷却パイプ１を埋設した状態で基礎杭構造５０を構成する（図１（ｅ））。
この場合、冷却パイプ１内の冷却液は、そのまま残置し、あるいは冷却液を地上２０で抜いて空洞とすることもできる。さらに、空洞となった冷却パイプ１内で、少なくとも拡大根固め部２３に位置する部分にセメントミルク等の固化物を充填することもできる（図示していない）。
また、冷却パイプ１内の暖められた熱を、地上で利用することもできる。
この場合、冷却パイプ１内の冷却液は、そのまま残置し、あるいは冷却液を地上２０で抜いて空洞とすることもできる。さらに、空洞となった冷却パイプ１内で、少なくとも拡大根固め部２３に位置する部分にセメントミルク等の固化物を充填することもできる（図示していない）。
また、冷却パイプ１内の暖められた熱を、地上で利用することもできる。
２．他の実施例
（１） 前記実施例において、充填材２５として、掘削泥土と置換したセメントミルクとしたが、冷却手段を混入した材料とすることもできる。
例えば、充填材２５として、セメントに骨材となる砂、樹脂粒、金属粉などセメントと比較して比重の小さい素材を１種または複数使用し、所定量の水、必要であれば混和剤を混錬して、構成する。セメントは普通セメント、早強セメント、低熱セメント、高炉セメントなど水硬性材料であればよい。混和剤は減水剤、遅延剤、流動化剤など特に限定しない。
例えば、充填材２５として、セメントに骨材となる砂、樹脂粒、金属粉などセメントと比較して比重の小さい素材を１種または複数使用し、所定量の水、必要であれば混和剤を混錬して、構成する。セメントは普通セメント、早強セメント、低熱セメント、高炉セメントなど水硬性材料であればよい。混和剤は減水剤、遅延剤、流動化剤など特に限定しない。
（２） また、前記実施例において、冷却パイプ１の下折返し部５は、直線状の下横部４で形成したが、螺旋状に形成することもできる（図２）。この場合には、冷却パイプ１の長さを長くできるので、拡大根固め部２３の充填材２５に接する冷却パイプ１の表面積を増加でき、冷却能力を強化できる。またとりわけ、冷却パイプから冷却液を抜いて、冷却パイプ１内にモルタルなどの水硬性材料を充填すれば、冷却パイプが補強材料となる。従って、鉛直荷重が作用した際に最も影響力のある既製杭４０下方の拡大根固め部２３内を強化できる。
この場合、パイプからなる下螺旋部７を、軸を縦にして、既製杭４０の下端４１よりも下方に配置して、下螺旋部７の上端７ａを縦部２の下端２ｂを、下螺旋部７の下端７ｂを縦部３の下端３ｂに連結する（図２（ａ）（ｂ））。この場合、既製杭４０の内径Ｄ１より小さな外径の下螺旋部７とし（図２（ａ））、あるいは、既製杭４０の外径Ｄ２より径の大きな下螺旋部７として配置する（図２（ｂ））。
また、下螺旋部８を、軸を横にして配置することもできる。既製杭４０の外径Ｄ２より長い長さの下螺旋部８を、軸を横にして配置して、下螺旋部８の一端８ａを一方の縦部２の下端２ａに、他端８ｂを他方の縦部３の下端３ａに連結する（図２（ｃ））。
また、下螺旋部９を、位相を変えて二重に形成して、軸を縦にして配置することもできる（図２（ｄ）（ｅ））。この場合には、下螺旋部９では、下端で折り返して、上端９ａ、９ｂで上方にのみ開放している。従って、下螺旋部９を縦に配置して、下螺旋部９の一上端９ａで、縦部２の下端２ｂに連結した、他方の上端９ｂで他の縦部３の下端２に連結する（図２（ｄ）（ｅ））。この場合、より螺旋ピッチが狭い（冷却パイプが長い）下螺旋部９を形成でき、この場合、下螺旋部９の径を既製杭４０の内径Ｄ１より小さく形成し（図２（ｄ））、あるいは既製杭４０の外径Ｄ２よりも大径に形成することもできる（図２（ｅ））。
この場合、パイプからなる下螺旋部７を、軸を縦にして、既製杭４０の下端４１よりも下方に配置して、下螺旋部７の上端７ａを縦部２の下端２ｂを、下螺旋部７の下端７ｂを縦部３の下端３ｂに連結する（図２（ａ）（ｂ））。この場合、既製杭４０の内径Ｄ１より小さな外径の下螺旋部７とし（図２（ａ））、あるいは、既製杭４０の外径Ｄ２より径の大きな下螺旋部７として配置する（図２（ｂ））。
また、下螺旋部８を、軸を横にして配置することもできる。既製杭４０の外径Ｄ２より長い長さの下螺旋部８を、軸を横にして配置して、下螺旋部８の一端８ａを一方の縦部２の下端２ａに、他端８ｂを他方の縦部３の下端３ａに連結する（図２（ｃ））。
また、下螺旋部９を、位相を変えて二重に形成して、軸を縦にして配置することもできる（図２（ｄ）（ｅ））。この場合には、下螺旋部９では、下端で折り返して、上端９ａ、９ｂで上方にのみ開放している。従って、下螺旋部９を縦に配置して、下螺旋部９の一上端９ａで、縦部２の下端２ｂに連結した、他方の上端９ｂで他の縦部３の下端２に連結する（図２（ｄ）（ｅ））。この場合、より螺旋ピッチが狭い（冷却パイプが長い）下螺旋部９を形成でき、この場合、下螺旋部９の径を既製杭４０の内径Ｄ１より小さく形成し（図２（ｄ））、あるいは既製杭４０の外径Ｄ２よりも大径に形成することもできる（図２（ｅ））。
（３） また、前記実施例において、冷却パイプ１の開放端、即ち、縦部２、３の上端２ａ、３ａを地上２０に位置させ、冷却パイプ１内に冷却液を循環させたが、冷却パイプ１内に冷却液を充填した状態で冷却パイプ１を密封することもできる（図３）。この場合、冷却パイプ１内の冷却液により上部が低温で、下部は高温となるが、自然に温度差が平均化して、下部を冷やすことができる。
また、この場合、冷却パイプ１の下端部に前記図２（ｂ）と同様の下螺旋部７を形成して、縦部２、３の上端２ａ、３ａを既製杭４０の上縦部に位置させ、縦部２、３の上端２ａ、３ａを線状の上横部１１で連結する（図３（ａ））。
また、冷却パイプ１の上端にも位相を変えた上螺旋部１２を形成して、上螺旋部１２は上端が閉塞して、上螺旋部１２の下端１２ａ、１２ｂに開放して、下端１２ａに縦部２の上端２ａ、下端１２ｂに縦部３の上端３ａを夫々連結する（図３（ｂ））。
また、この場合、冷却パイプ１の下端部に前記図２（ｂ）と同様の下螺旋部７を形成して、縦部２、３の上端２ａ、３ａを既製杭４０の上縦部に位置させ、縦部２、３の上端２ａ、３ａを線状の上横部１１で連結する（図３（ａ））。
また、冷却パイプ１の上端にも位相を変えた上螺旋部１２を形成して、上螺旋部１２は上端が閉塞して、上螺旋部１２の下端１２ａ、１２ｂに開放して、下端１２ａに縦部２の上端２ａ、下端１２ｂに縦部３の上端３ａを夫々連結する（図３（ｂ））。
（４） また、前記実施例において、既製杭４０を埋設した後に、冷却パイプ１を埋設したが、既製杭４０の中空部４２に冷却パイプ１を取り付けた状態で、既製杭４０と冷却パイプ１を同時に埋設することもできる（図示していない）。
（５） また、前記実施例において、冷却パイプ１を既製杭４０の中空部４２に埋設したが、既製杭４０の肉厚内に埋設することもできる（図示していない）。
（６） また、前記実施例において、冷却パイプ１を既製杭４０よりも先に埋設したが、杭穴２１内に冷却パイプ１を先ず埋設して、その後に既製杭４０を埋設することもできる（図示していない）。
（７） また、前記において、１種類の冷却パイプ１を使用したが、複数個の冷却パイプ１を使用して、更に異なる構造の冷却パイプ１（図１（ｅ）、図２（ａ）から（ｅ）、図３（ａ）（ｂ））を組み合わせて使用することもできる。
１ 冷却パイプ
２、３ 冷却パイプの縦部
２ａ、３ａ 縦部の上端
２ｂ、３ｂ 縦部の下端
４ 冷却パイプの下横部
５ 下折返し部
７ 下螺旋部
７ａ 下螺旋部７の上端
７ｂ 下螺旋部７の下端
８ 下螺旋部
８ａ 下螺旋部８の一端
８ｂ 下螺旋部８の他端
９ 下螺旋部
９ａ、９ｂ 下螺旋部９の上端
１１ 上横部
１２ 上螺旋部
１２ａ、１２ｂ 上螺旋部１２の下端
１５ 上折返し部
２０ 地上
２１ 杭穴
２２ 杭穴の軸部
２３ 杭穴の拡大根固め部
２４ 拡大根固め部の底
２５ 充填材
３０ 掘削ロッド
４０ 既製杭
４１ 既製杭の下端
４２ 既製杭の中空部
４３ 既製杭の外面
５０ 基礎杭構造
２、３ 冷却パイプの縦部
２ａ、３ａ 縦部の上端
２ｂ、３ｂ 縦部の下端
４ 冷却パイプの下横部
５ 下折返し部
７ 下螺旋部
７ａ 下螺旋部７の上端
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２２ 杭穴の軸部
２３ 杭穴の拡大根固め部
２４ 拡大根固め部の底
２５ 充填材
３０ 掘削ロッド
４０ 既製杭
４１ 既製杭の下端
４２ 既製杭の中空部
４３ 既製杭の外面
５０ 基礎杭構造
Claims (2)
- 根固め部を形成した杭穴内に既製杭を埋設して、以下のように構成することを特徴とする発熱を抑えた基礎杭構造。
(1) 前記根固め部は、水硬性材料からなる充填材を固化してなり、前記充填材内に冷却手段を埋設してなる。
(2) 前記冷却手段は、冷却液を充填した冷却パイプとし、該冷却パイプは、並列した縦部を前記既製杭の中空部に位置させ、下部折り返し部を前記既製杭の下端から下方に突出させて構成する。 - 以下のように構成したことを特徴とする請求項１記載の発熱を抑えた基礎杭構造。
(1) 冷却パイプは、その両開口を地上に突出させ、該開口を地上の循環装置に連結して、前記冷却パイプ内に冷却液を循環させる構成とした。
(3) 根固め部が固化した後に、地上で前記冷却液を抜いて、少なくとも根固め部に位置する部分に水硬性材料を充填する。
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