JP5936059B2

JP5936059B2 - 既成杭

Info

Publication number: JP5936059B2
Application number: JP2012190262A
Authority: JP
Inventors: 和光高梨; 河野　重行; 重行河野; 阿曽　利光; 利光阿曽
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2016-06-15
Anticipated expiration: 2032-08-30
Also published as: JP2014047514A

Description

本発明は、既成杭に関する。

従来、既成杭の１つとして、例えば下記特許文献１に示されているような、プレストレスコンクリート（ＰＣ）杭が知られている。このＰＣ杭は、円筒状のコンクリート製の杭体の肉厚内に、軸方向（杭の長さ方向）に延在するＰＣ鋼材が埋設されており、これにより、軸方向にプレストレスを付与するものである。さらに、上記したＰＣ杭では、杭体内にリング状又は螺旋状の横筋が埋設されており、これにより、ＰＣ杭の曲げ靭性が高くなり、耐震性能を高められている。

特開平５−９８６３８号公報

しかしながら、上記した従来の技術では、大地震時の巨大な地震力により杭体のコンクリートが破壊されると、鉛直支持力を確保することができなくなる。

本発明は、上記した従来の問題が考慮されたものであり、杭体のコンクリートが破壊された場合であっても、鉛直支持力を確保することができる既成杭を提供することを目的としている。

本発明に係る既成杭は、コンクリート製の杭体の表面に全周に亘って樹脂製の補強塗膜が被覆されてなり、前記補強塗膜は、引張強度が１０〜２５ＭＰａ、破断伸びが２００％以上の物性を有するポリウレア樹脂、ポリウレタン樹脂、又はウレアウレタン樹脂からなり、前記杭体の表面に塗布された接着性を有するプライマーを介して２〜４ｍｍの塗布厚で被覆されてなり、前記杭体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、前記補強塗膜によって前記杭体の形状が保持され、変形量が減少することを特徴としている。
また、本発明に係る既成杭は、コンクリート製の杭体の表面に全周に亘って樹脂製の補強塗膜が被覆されてなり、前記補強塗膜は、引張強度が１０〜２５ＭＰａ、破断伸びが２００％以上の物性を有するポリウレア樹脂、ポリウレタン樹脂、又はウレアウレタン樹脂からなり、前記杭体に凹凸部を介して２〜４ｍｍの塗布厚で被覆されてなり、前記杭体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、前記補強塗膜によって前記杭体の形状が保持され、変形量が減少することを特徴としている。

本発明では、ポリウレア樹脂、ポリウレタン樹脂、又はウレアウレタン樹脂からなる補強塗膜が、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂であり、例えば１０〜２５ＭＰａ程度の高強度と例えば２００％以上の大きな破断伸び（伸び変形性能）を有する。このため、杭体の変形が塑性域に達しても、補強塗膜が杭体の大変形に追従して伸び変形するので、補強塗膜によって杭体の変形に応じたエネルギー吸収性能が発揮される。したがって、高い軸圧縮力及び曲げ応力に対応することが可能な既成杭を形成することができる。

仮に、高軸圧縮力及び曲げ応力を受けることにより杭体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、補強塗膜は伸びることはあっても破断せず、補強塗膜によって杭体の表面が被覆された状態が維持され、杭体の形状が保持される。
しかも、補強塗膜は変形抵抗を有しているので、地震時に杭体が撓み変形したときに、補強塗膜の変形抵抗力によって杭体を元の形状に戻す力が働く。その結果、杭体は、一旦大きく撓み変形した後に若干戻され、最終的な変形量が小さく抑えられる。
また、補強塗膜が杭体の全周に亘って設けられていることにより、杭体が補強塗膜によって包み込まれた状態、すなわち、閉じられた形状（筒状）の補強塗膜の内側に杭体が収容された状態となり、その効果（ラッピング効果）により、上記した形状保持がより効果的に発揮される。

また、本発明の構造体によれば、補強塗膜は杭体に吹き付けや塗布することによって形成されるので、従来技術のようにＰＣ鋼材を杭体に埋設する場合に比べて、容易に且つ安価に製作することができる。

本発明に係る既成杭によれば、杭体のコンクリートが破壊された場合であっても、杭体の形状が保持され、鉛直支持力を確保すると共に、残留変形がある状態でも水平耐力を保持することができる。

本発明の実施の形態による既成杭の杭頭部の側面図である。本発明の第１の実施の形態を説明するための図であり、（ａ）は既成杭の模式的に示した側面図であり、（ｂ）は既成杭のモーメント図であり、（ｃ）は既成杭が打設される地盤のＮ値を示した図である。本発明の第２の実施の形態を説明するための図であり、（ａ）は既成杭の模式的に示した側面図であり、（ｂ）は既成杭のモーメント図であり、（ｃ）は既成杭が打設される地盤のＮ値を示した図である。ポリウレア樹脂の力学的特性を示すためのグラフであり、各材料の応力ひずみ関係を示すグラフである。杭体の一部分を拡大した断面図である。実施例１による試験結果を示す図である。実施例２による試験結果を示す図である。実施例３による試験結果を示す図である。

以下、本発明に係る既成杭の実施の形態について、図面に基いて説明する。

［第１の実施の形態］
図１及び図２を参照して、本発明に係る既成杭の第１の実施の形態の構成を説明する。

図１に示す既成杭１は、円筒形状のコンクリート製の杭体２からなる、例えば鉄筋コンクリートパイル（ＲＣ杭）や高強度プレストレスコンクリートパイル（ＰＨＣ杭）、高強度プレストレス鉄筋コンクリートパイル（ＰＲＣ）等のコンクリート杭である。この既成杭１は、例えばプレボーリング後の建込工法で地盤に打設される。なお、既成杭１はセメントミルクで根固めして先端支持力を発現させてもよく、或いは、建て込み後の打撃にて先端支持力を発現させてもよい。また、本実施の形態における既成杭１の杭頭は、上部構造の基礎４に剛結されている。

既成杭１の杭体２の外周面（表面）には、樹脂製の補強塗膜３が被覆されている。この補強塗膜３は、杭体２の全周に亘って設けられている。つまり、本実施の形態における補強塗膜３は、横断面視の形状が環状（閉じられた形状）、すなわち筒形状に形成されている。また、補強塗膜３は、既成杭１の杭体２の軸方向の領域のうち、曲げモーメントが大きい領域にのみ設けられている。具体的には、図２（ｂ）に示すように杭頭剛結の既成杭１では杭頭及び杭の中間点において曲げモーメントが最大となるため、図２（ａ）に示すように補強塗膜３は杭体２の杭頭部分と軸方向の中間部分の一部とにそれぞれ設けられ、他の領域には設けられていない。なお、図２（ｂ）の曲げモーメント図は、地盤のＮ値（標準貫入試験値）が図２（ｃ）に示す条件下での上記した杭頭剛結の既成杭１の曲げモーメントを示している。

［第２の実施の形態］
図３を参照して、本発明に係る既成杭の第２の実施の形態の構成を説明する。

図３（ａ）に示すように、本実施の形態における既成杭１０では、杭頭が上部構造の基礎４にピン結合されており、図３（ｂ）に示すように杭頭ピン結合（杭頭ヒンジ）の既成杭１では杭の中間点において曲げモーメントが最大となるため、補強塗膜３は、杭体２の杭頭部分よりも下側（杭の先端側）に位置する軸方向の中間部分の一部にのみ設けられている。なお、図３（ｂ）の曲げモーメント図は、地盤のＮ値（標準貫入試験値）が図３（ｃ）に示す条件下での上記した杭頭ピン結合の既成杭１０の曲げモーメントを示している。

［補強塗膜］
上記した補強塗膜３は、杭体２の表面に吹き付けやローラーなどで塗布される樹脂製の塗膜であって、イソシアネートと、ポリオール及びアミンのうちの少なくとも一方からなる硬化剤との化学反応により形成された化合物からなる。例えば、補強塗膜３としては、イソシアネートとアミンとの化学反応により形成された化合物であるポリウレア樹脂を用いることができる。

補強塗膜３は、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂からなり、例えばポリウレア樹脂の場合は、図４に示す応力ひずみ特性を有する。補強塗膜３を構成する合成樹脂としては、例えば引張強度が鉄筋の十分の一程度の２０ＭＰａ程度（１０〜２５ＭＰａ）であって、破断伸びが２００％以上の物性を有する樹脂からなる。ポリウレア樹脂としては、例えば「スワエールＡＲ−１００（登録商標：三井化学産資株式会社製）」が用いられる。なお、補強塗膜３の厚さ寸法Ｄは、２ｍｍ以上であることが好ましい。

ここで、杭体２に補強塗膜３を被覆する施工方法としては、塗布するコンクリート表面を十分に清掃して塵等を取り除いた後、プライマーを塗布し、その後、補強塗膜材料を杭体２の表面に所定厚さだけ塗布する。これにより、杭体２の表面に補強塗膜３が形成される。なお、プライマーの塗布は省略することも可能であり、或いは、補強塗膜３と杭体２との付着性を高めるために杭体２の表面に凸凹が形成されていてもよい。

次に、上記した構成からなる既成杭１，１０の作用について、具体的に説明する。
上述したように、本実施の形態では、補強塗膜３が、せん断付着力が高く、曲げ引張強度が高く、かつ伸び性能が高い力学的特性（強度、伸び）に優れた合成樹脂であるため、杭体２の変形が塑性域に達しても、補強塗膜３が杭体の大変形に追従して伸び変形するので、補強塗膜３によって杭体の変形に応じたエネルギー吸収性能が発揮される。したがって、高い軸圧縮力及び曲げ応力に対応することが可能な既成杭１，１０を形成することができる。

仮に、高軸圧縮力及び曲げ応力を受けることにより杭体２の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、補強塗膜３は伸びることはあっても破断せず、補強塗膜３によって杭体２の表面が被覆された状態が維持され、杭体２の形状を保持される（形状保持）。

また、補強塗膜３は変形抵抗を有しているので、地震時に杭体２が撓み変形したときに、補強塗膜３の変形抵抗力によって杭体２を元の形状に戻す力が働く。その結果、杭体２は、一旦大きく撓み変形した後に若干戻され、最終的な変形量が小さく抑えられる。

また、補強塗膜３を杭体２の表面に吹き付けたり塗布したりするだけなので、容易に且つ安価に施工することができる。

また、図５に示すように、杭体２にクラックC（ひび割れ）が生じても、補強塗膜３はその伸縮性によって破断しない。この場合、補強塗膜３は伸び変形しているので、補強塗膜３の弾性力によって戻る方向の力Ｅが作用する。この力は、クラックCの幅を拡げる力Ｓに抵抗する方向に作用するため、結果的に、クラックCの開き量ｄが小さく抑えられる。

また、本実施の形態の既成杭１によれば、補強塗膜３が杭体２の全周に亘って設けられているので、杭体２が補強塗膜３によって包み込まれた状態、すなわち、閉じられた形状（筒状）の補強塗膜３の内側に杭体２が収容された状態となり、そのようなラッピング効果により、上記した形状保持がより効果的に発揮される。

上述したように、本実施の形態の既成杭１によれば、杭体２のコンクリートが破壊された場合であっても、杭体２の形状が保持され、鉛直支持力を確保すると共に、残留変形がある状態でも水平耐力を保持することができる。

次に、上述した実施の形態による既成杭１の効果を裏付けるために行った試験例（実施例１、２、３）について以下説明する。

（実施例１）
実施例１では、矩形断面の鉄筋コンクリート製の梁材を試験体に使用し、その梁材の表面にポリウレア樹脂を塗布した試験体１、２、３と、ポリウレア樹脂を塗布しない試験体４とに対して載荷装置を使用した衝撃曲げ試験を行い、ポリウレア樹脂の塗布状況を変えた試験体１〜４の変形状態（亀裂や剥離）を確認した。
各試験体１〜４の梁材は、縦１００ｍｍ×横１２０ｍｍで長さ寸法が１２００ｍｍの６面を有する構造体であり、４週強度で２５Ｎ／ｍｍ２のコンクリートを使用している。さらに、試験体１〜４の内部にＤ１３（芯被り３５ｍｍ）、せん断補強筋Ｄ６を使用している。そして、載荷条件としては、試験体１〜４を長さ方向を水平方向に向けて配置し、試験体１〜４の長さ方向の中心部に対して３０ｋＮの荷重を準静的な０．０００１ｍ／ｓの速度で載荷を付与した。

ここで、試験体１は梁材の６面に塗布厚４ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体２は梁材の６面に塗布厚２ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体３は梁材のうち長さ方向を水平方向に向けた状態で上面および下面の２面のみに塗布厚２ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したもの（４側面にポリウレア樹脂を塗布しない場合）であり、試験体４はポリウレア樹脂を施していないものである。

図６は、上記試験体１〜４において、横軸を載荷点の変形量δ（ｍｍ）とし、縦軸を荷重Ｐ（ｋＮ）とした曲げ試験結果を示している。
図６に示すように、試験体４の場合には、変形量δが略４０ｍｍで破壊し、その破壊箇所においてコンクリート片が生じた。
上下２面にポリウレア樹脂２ｍｍを塗布した試験体３の場合は、変形量δが略６０ｍｍで破壊しているが、ポリウレア樹脂を塗布しない試験体４の場合よりはじん性が高い、つまり拘束効果（ラッピング効果）を有し、一定の形状保持効果があることが確認された。
また、梁材の表面全周（６面）にポリウレア樹脂を塗布した試験体１、２においては、降伏後（図６の降伏点Ｐ１より右側）でも３０ｋＮの荷重が維持されていることが確認できることから、ラッピング効果が大きく、形状保持効果が高いことがわかる。

（実施例２）
次に、実施例２では、上記実施例１における梁材の６面に塗布厚２ｍｍでポリウレア樹脂を塗布し、衝撃曲げ試験で載荷速度を変えた試験を行い、変形状態（亀裂や剥離）を確認した。
第１試験Ｔ１は４ｍ／ｓ（高速）の載荷速度とし、第２試験Ｔ２は０．５〜１ｍ／ｓ（中速）の載荷速度とし、第３試験Ｔ３は０．１〜０．５ｍ／ｓ（低速）の載荷速度とし、第４試験Ｔ４は０．０００１ｍ／ｓ（準静的速度）の載荷速度とした。

図７は、上記第１試験Ｔ１〜第４試験Ｔ４において、横軸を載荷点の変形量δ（ｍｍ）とし、縦軸を荷重Ｐ（ｋＮ）とした曲げ試験結果を示している。
図７に示すように、各試験Ｔ１〜Ｔ４ともに降伏後でも準静的最大荷重が維持されていることがわかる。このことから、ポリウレア樹脂を梁材の６面全体にわたって塗布する場合には、載荷速度にかかわらず、準静的最大荷重が維持されることを確認することができる。このとき、梁材の試験体は大きく変形し、約５度程度の角度で屈曲していたが、コンクリート片が生じることもなく、梁材としての形状が保持されていた。このように、ポリウレア樹脂を塗布した梁材は、衝撃や持続的な加力に対して有効であり、コンクリート片の発生を防ぐことができることが確認できた。

（実施例３）
実施例３では、矩形断面の鉄筋コンクリート製の梁材を試験体に使用し、その梁材の表面にポリウレア樹脂を塗布した試験体１´、２´と、ポリウレア樹脂を塗布しない試験体３´とに対して載荷装置を使用した衝撃曲げ試験を行い、ポリウレア樹脂の塗布状況を変えた試験体１´〜３´の変形状態（亀裂や剥離）を確認した。
各試験体１´〜３´の梁材は、縦１５０ｍｍ×横１５０ｍｍで長さ寸法が４５０ｍｍの６面を有する構造体であり、４週強度で２５Ｎ／ｍｍ２のコンクリートを使用している。さらに、試験体１´〜３´の内部にＤ１３（芯被り３５ｍｍ）、せん断補強筋Ｄ６を使用している。そして、載荷条件としては、試験体１´〜３´を長さ方向を水平方向に向けて配置し、試験体１´〜３´の長さ方向の中心部に対して３０ｋＮの荷重を準静的な０．０００１ｍ／ｓの速度で載荷を付与した。

ここで、試験体１´は梁材の６面に塗布厚４ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体２´は梁材の上面以外の５面に塗布厚４ｍｍのポリウレア樹脂を塗布したものであり、試験体３´はポリウレア樹脂を施していないものである。

図８は、上記試験体１´〜３´において、横軸を載荷点の変形量δ（ｍｍ）とし、縦軸を荷重Ｐ（ｋＮ）とした曲げ試験結果を示している。
図８に示すように、試験体３´の場合には、変形量δが略０．６５ｍｍで破壊し、その破壊箇所においてコンクリート片が生じた。
上面以外の５面にポリウレア樹脂４ｍｍを塗布した試験体２´の場合は、変形量δが略９ｍｍで破壊しているが、ポリウレア樹脂を塗布しない試験体３´の場合よりはじん性が高い、つまり拘束効果（ラッピング効果）を有し、一定の形状保持効果があることが確認された。
また、梁材の表面全周（６面）にポリウレア樹脂を塗布した試験体１´においては、変形量δが略３０〜３５ｍｍで破壊しているが、５面にポリウレア樹脂を塗布した試験体２´の場合よりは更にじん性が高い、つまりラッピング効果が大きく、形状保持効果が高いことがわかる。

以上、本発明に係る構造体の実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態では、補強塗膜３が既成杭１，１０の杭体２の軸方向の領域のうち、曲げモーメントが大きい領域にのみ設けられているが、本発明は、補強塗膜３が既成杭１，１０の杭体２の軸方向領域全体に亘って設けられていてもよい。

また、上記した実施の形態では、補強塗膜３が杭体２の全周に亘って被覆されているが、本発明に係る既成杭は、補強塗膜３が杭体２の表面のうちの周方向の一部を除いて被覆した構成、つまり、補強塗膜３が横断面視Ｃ字形状の構成であってもよく、この場合でも、上記したラッピング効果をある程度は発揮することができる。さらに、補強塗膜３が杭体２の表面のうちの周方向の一部のみを被覆した構成であってもよく、この場合であっても、上記したラッピング効果が発揮されないが、上記した形状保持の効果を奏することができる。

また、杭体に節部がある場合には、その節部に応力が集中してコンクリートのひび割れが生じやすいので、本発明は、その節部の表面に補強塗膜を被覆してもよい。

また、上記した実施の形態では、杭体２の外周面に補強塗膜３が被覆されているが、本発明は、筒状の杭体２の内周面にも補強塗膜３が被覆された構成であってもよい。なお、本発明は、筒状の杭体２からなる既成杭１，１０に限定されるものではなく、柱状（中実）の杭体からなる既成杭であってもよい。

さらに、補強塗膜３において、例えばガラス片やガラス繊維、ガラスフリット等を分散させてなる不燃性を有する混入材を、ポリウレア樹脂に混入させることも可能である。あるいは混入材として、例えばコンクリート、煉瓦、瓦、石綿スレート、鉄鋼、アルミニウム、モルタル、漆喰等のガラス以外の不燃材料であっても良い。

また、上記した実施の形態では、補強塗膜３として、イソシアネートとアミンとの化学反応により形成された化合物からなるポリウレア樹脂が用いられているが、本発明は、イソシアネートとポリオールとの化学反応により形成された化合物からなるポリウレタン樹脂を補強塗膜として用いることも可能であり、また、イソシアネートとポリオールとアミンとの化学反応により形成された化合物からなる樹脂を補強塗膜として用いることも可能である。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。

１，１０・・・既成杭
２・・・杭体
３・・・補強塗膜

Claims

コンクリート製の杭体の表面に全周に亘って樹脂製の補強塗膜が被覆されてなり、
前記補強塗膜は、引張強度が１０〜２５ＭＰａ、破断伸びが２００％以上の物性を有するポリウレア樹脂、ポリウレタン樹脂、又はウレアウレタン樹脂からなり、前記杭体の表面に塗布された接着性を有するプライマーを介して２〜４ｍｍの塗布厚で被覆されてなり、
前記杭体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、前記補強塗膜によって前記杭体の形状が保持され、変形量が減少することを特徴とする既成杭。
コンクリート製の杭体の表面に全周に亘って樹脂製の補強塗膜が被覆されてなり、
前記補強塗膜は、引張強度が１０〜２５ＭＰａ、破断伸びが２００％以上の物性を有するポリウレア樹脂、ポリウレタン樹脂、又はウレアウレタン樹脂からなり、前記杭体に凹凸部を介して２〜４ｍｍの塗布厚で被覆されてなり、
前記杭体の変形が塑性域に達してコンクリートが破壊されても、前記補強塗膜によって前記杭体の形状が保持され、変形量が減少することを特徴とする既成杭。