JP6240421B2

JP6240421B2 - 杭構造および杭の製造方法

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Publication number: JP6240421B2
Application number: JP2013145930A
Authority: JP
Inventors: 岡田　弘史; 弘史岡田
Original assignee: Taisei Corp
Current assignee: Taisei Corp
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2017-11-29
Anticipated expiration: 2033-07-11
Also published as: JP2015017445A

Description

本発明は、杭構造に関する。詳しくは、地中熱を採熱あるいは放熱する杭の構造に関する。

従来より、地中熱取り込んで利用するヒートポンプシステムがある。このヒートポンプシステムでは、採熱配管を地中に設置して、この採熱配管に熱交換媒体を流通させることで、地中熱を採熱配管内の熱交換媒体に取り込んで利用する。

ここで、この採熱配管に地中熱を取り込む方法として、例えば以下の３つの方式がある。
第１に、鉛直方向に延びる採熱専用の井戸を設けて、この井戸の内部に採熱配管を設置するボアホール方式がある。第２に、建物基礎の杭を構築する際に、この杭の鉄筋コンクリート造の杭体に熱交換配管を埋め込む基礎杭方式がある。第３に、採熱配管を地中内で水平方向に設置する水平埋設方式がある。

しかしながら、ボアホール方式では、地盤内に数百ｍ程度のボーリングを新たに行って、その後、掘削孔の安定性を確保しながら、採熱配管を所定位置にセットする必要がある。採熱配管は剛性が低く湾曲し易いため、このような採熱配管を所定位置に精度良く設置することは困難であった。
また、水平埋設方式では、配管を設置するための敷地を確保する必要がある上に、掘削孔を水平に施工するため、掘削孔の安定性を確保することが困難であった。

以上の問題を解決するため、基礎杭方式が採用されることが多い。この基礎杭方式としては、例えば、鉄筋コンクリート造の杭体の外周面に、軸方向に沿って延びる採熱配管を設置する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−２５５３３７号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、採熱配管が杭体の表面に露出しており、この採熱配管を通してのみ地中熱を取り込むため、地中熱を効率よく取り込むことができない場合があった。また、杭を地中に打ち込む際に、採熱配管が損傷するおそれがあった。

本発明は、採熱配管の損傷を防止しつつ、効率よく地中熱を採熱あるいは放熱できる杭構造および杭の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の杭構造は、地中熱を採熱あるいは放熱する杭（例えば、後述の採熱杭３０、３０Ａ）の構造であって、コンクリート造の杭体（例えば、後述の杭体４０）と、当該杭体の外周面を覆う鋼管（例えば、後述の外殻鋼管５０）と、前記杭体の内部に前記鋼管の内周面に当接して設けられて熱交換媒体が流通する配管（例えば、後述の採熱配管６０Ａ、６０Ｂ、８０）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、熱交換媒体を配管に流通させると、この熱交換媒体は、鋼管および配管を介して、地中熱を採熱あるいは放熱する。このとき、鋼管は杭の外周面を構成しており、配管はこの鋼管の内周面に当接しているので、杭の周囲の地中熱を保持している土との接触面積を広く確保でき、効率よく地中熱を採熱あるいは放熱できる。また、鋼管の内周面に配管を設けたので、配管が鋼管で保護されるから、配管の損傷を防止できる。

請求項２に記載の杭構造は、前記配管の熱交換媒体が流入する流入口（例えば、後述の流入口６１、８３）と、前記配管の熱交換媒体が流出する流出口（例えば、後述の流出口６２、８４）とは、対向して配置されることを特徴とする。

この発明によれば、配管の流入口と流出口とを対向して配置した。流入口と流出口とを接近して配置すると、熱が伝わって熱交換媒体が温度変化しやすいが、このように流入口と流出口とを離して配置することで、流入口付近の熱交換媒体と流出口付近の熱交換媒体との間で熱伝導が生じるのを抑制できる。

請求項２に記載の杭構造は、前記配管は、前記鋼管の内周面に沿って当該鋼管の上端側と下端側との間を複数回往復するように設けられることを特徴とする。

本発明の杭構造は、前記配管は、前記鋼管の内周面に沿って当該鋼管の上端側から下端側に向かって螺旋状に延びる螺旋部（例えば、後述の螺旋部８１）と、当該螺旋部の下端から前記鋼管の軸方向に直線状に延びる直線部（例えば、後述の直線部８２）と、を備えることが好ましい。

本発明によれば、熱交換媒体を配管に流通させると、この熱交換媒体は、鋼管および配管を介して地中熱を採熱あるいは放熱する。このとき、鋼管は杭の外周面を構成しており、配管はこの鋼管の内周面に当接しているので、杭の周囲の地中熱を保持している土との接触面積を広く確保でき、効率よく地中熱を採熱あるいは放熱できる。また、鋼管の内周面に配管を設けたので、配管が鋼管で保護されるから、配管の損傷を防止できる。

本発明の第１実施形態に係る杭を備える建物の断面図である。前記実施形態に係る杭の横断面図および縦断面図である。前記実施形態に係る配管と鋼管との関係を示す図である。図２の領域Ａを拡大した図である。前記実施形態に係る杭の接合部分の模式図である。前記実施形態に係る杭の製造手順を説明するための図（その１）である。前記実施形態に係る杭の製造手順を説明するための図（その２）である。本発明の第２実施形態に係る配管と鋼管との関係を示す図である。前記実施形態に係る杭の製造手順を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
〔第１実施形態〕

図１は、本発明の第１実施形態に係る採熱杭３０を備える建物１の断面図である。
建物１には、基礎２を支持する杭１０が設けられている。この杭１０は、図示しないヒートポンプに接続されて、地中熱を採熱あるいは地中に放熱するものである。具体的には、この杭１０は、ここでは、２本の円筒形状で所定長さの中間杭２０と、この中間杭２０の直下に接続された１本の円筒形状で所定長さの採熱杭３０と、を備える。
これら中間杭２０および採熱杭３０は、工場で製作された後、現場に運搬され、現場にて軸方向に互いに接続されて、地中に打ち込まれている。

図２は、採熱杭３０の横断面図および縦断面図である。
採熱杭３０は、工場製作されたＳＣ杭（Ｓｔｅｅｌ＆Ｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）である。この採熱杭３０は、鉄筋コンクリート造の円筒形状の杭体４０と、この杭体４０の外周面を覆う円筒形状の鋼製の外殻鋼管５０と、杭体４０の内部で外殻鋼管５０の内周面に当接して設けられて、液体である熱交換媒体が流通する一対の採熱配管６０Ａ、６０Ｂと、を備える。
杭体４０の円筒形状の内部の空間を、杭中空部４０Ａとする。
外殻鋼管５０は、剛性の高い鋼管であり、杭体４０の外周を覆うことで、杭体４０の耐力を増大させる。

図３は、採熱配管６０Ａと外殻鋼管５０との関係を示す図であり、採熱杭３０の縦断面図である。図３では、理解の容易のため、杭体４０の表示を省略している。
以下、採熱配管６０Ａについて説明するが、採熱配管６０Ｂも採熱配管６０Ａと同様の構成である。
採熱配管６０Ａは、熱伝導率の高い材質で形成され、外殻鋼管５０の内周面に沿ってこの外殻鋼管５０の上端側と下端側との間を複数回往復するように、つづら折り状に設けられる。

この採熱配管６０Ａ、６０Ｂの一端は、熱交換媒体が流入する流入口６１であり、他端は、熱交換媒体が流出する流出口６２である。採熱配管６０Ａ、６０Ｂについて、流入口６１と流出口６２とは、採熱杭３０の中心軸を挟んで反対側に対向して配置されている（図２参照）。また、採熱配管６０Ａ、６０Ｂの流入口６１同士、および、採熱配管６０Ａ、６０Ｂの流出口６２同士は、互いに隣り合って配置されている。

図４は、図２の領域Ａを拡大した図である。
杭体４０は、杭として基礎２を支持する構造体４１と、この構造体４１の外周面を囲んで設けられた非構造体であるふかし部４２と、を備える。
ふかし部４２には、メッシュ筋４３および上述の採熱配管６０Ａが打ち込まれている。具体的には、採熱配管６０Ａは、このメッシュ筋４３と外殻鋼管５０との間に挟み込まれている。
また、採熱配管６０Ａは、断面視で蒲鉾形状であり、この蒲鉾形状の底面の部分が外殻鋼管５０の内周面に当接している。

図５は、採熱杭３０と中間杭２０との接合部分の模式図である。
中間杭２０は、鉄筋コンクリート造の円筒形状である。この中間杭２０の内部には、４本の接続配管２１が打ち込まれている。これら接続配管２１は、断熱性の高い断熱パイプであり、中間杭２０の上下端付近で内周面から杭中空部４０Ａに向かって突出した後、軸方向に延びている。

また、採熱杭３０の採熱配管６０Ａ、６０Ｂの両端部は、採熱杭３０の上端付近で、杭体４０の内周面から杭中空部４０Ａに向かって突出した後、軸方向に延びている。
採熱配管６０Ａ、６０Ｂの流入口６１と接続配管２１とは、ジョイント２２で接続されている。また、採熱配管６０Ａ、６０Ｂの流出口６２と接続配管２１とは、ジョイント２２で接続されている。また、接続配管２１同士も、ジョイント２２で接続されている。

以上の杭１０では、接続配管２１を通して、熱交換媒体を流入口６１から採熱配管６０Ａ、６０Ｂに供給する。すると、熱交換媒体は、採熱配管６０Ａ、６０Ｂを流通して、外殻鋼管５０および採熱配管６０Ａ、６０Ｂを介して採熱あるいは放熱し、その後、流出口６２から接続配管２１を通って流出する。

次に、以上の採熱杭３０の製造手順について説明する。
まず、メッシュ筋４３を用意し、このメッシュ筋４３に採熱配管６０Ａ、６０Ｂを結束線などで取り付けて、採熱配管６０Ａ、６０Ｂをメッシュ筋４３に取り付ける。さらに、この採熱配管６０Ａ、６０Ｂが取り付けられたメッシュ筋４３を、外殻鋼管５０の内径より小さく丸めて、この状態で、図６に示すように、外殻鋼管５０の内部に挿入して、採熱配管６０Ａ、６０Ｂを外殻鋼管５０内に配置する。

次に、図６に示すように、拡張治具７０をメッシュ筋４３の内側に配置する。
この拡張治具７０は、ホースの固定バンドを転用したものであり、円弧状のバンド７１と、このバンド７１の両端同士の距離を調整する調整部７２と、を備える。調整部７２は、バンド７１の両端に設けられて雌ねじが形成された雌ねじ部７３と、これら雌ねじ部７３に螺合された調整ねじ７４と、を備える。この拡張治具７０によれば、調整ねじ７４を回転させて、雌ねじ部７３同士を接近させると、バンド７１の外径が小さくなり、雌ねじ部７３同士を離隔させると、バンド７１の外径が大きくなる。

次に、図７に示すように、拡張治具７０の調整ねじ７４を調整して、バンド７１の外径を大きくする。すると、バンド７１によりメッシュ筋４３が押されて、このメッシュ筋４３が採熱配管６０Ａ、６０Ｂを外殻鋼管５０の内周面に押し付ける。これにより、採熱配管６０Ａ、６０Ｂの外殻鋼管５０に対する相対位置が保持される。
なお、図示しないが、採熱杭３０の上端付近では、メッシュ筋４３に垂直に鉄筋棒を固定して、この鉄筋棒に採熱配管６０Ａ、６０Ｂの両端部を固定することで、採熱配管６０Ａ、６０Ｂの両端部を外殻鋼管５０の中心軸に向かって突出させておく。

次に、図７に示すように、外殻鋼管５０の内部に図示しない鉄筋を配筋し、コンクリートを打設して、杭体４０を構築する。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）外殻鋼管５０は採熱杭３０の外周面を構成しており、採熱配管６０Ａ、６０Ｂはこの外殻鋼管５０の内周面に当接しているので、採熱杭３０の周囲の地中熱を保持している土との接触面積を広く確保でき、効率よく地中熱を採熱あるいは放熱できる。

（２）杭１０の採熱杭３０を、工場製作されたＳＣ杭としたので、現場で採熱配管を埋設する作業が不要であり、高品質でかつ熱交換効率に優れた杭を実現できる。また、現場で既製杭や場所打ち杭内に採熱配管を配置する必要がないので、施工日数を短縮できる。

（３）中間杭２０の接続配管２１を断熱パイプで形成したので、中間杭２０にて熱交換媒体に熱が出入りするのを防止できるから、熱交換効率を高めることができる。

（４）採熱配管６０Ａ、６０Ｂについて、流入口６１と流出口６２とを、採熱杭３０の中心軸を挟んで反対側に対向して配置した。流入口６１と流出口６２とを接近して配置すると、熱が伝わって熱交換媒体が温度変化しやすいが、このように流入口６１と流出口６２とを離して配置することで、流入口６１付近の熱交換媒体と流出口６２付近の熱交換媒体との間で熱伝導が生じるのを抑制できる。

〔第２実施形態〕
図８は、本発明の第２実施形態に係る採熱配管８０と外殻鋼管５０との関係を示す図であり、採熱杭３０Ａの縦断面図である。図８では、理解の容易のため、杭体４０の表示を省略している。
本実施形態では、採熱配管８０の構造が第１実施形態と異なる。
すなわち、採熱杭３０Ａは、一対の採熱配管６０Ａ、６０Ｂの代わりに、採熱配管８０を備えている。
採熱配管８０は、外殻鋼管５０の内周面に沿ってこの外殻鋼管５０の上端側から下端側に向かって螺旋状に延びる螺旋部８１と、この螺旋部８１の下端から外殻鋼管５０の軸方向に直線状に延びる直線部８２と、を備える。
この螺旋部８１の一端は、熱交換媒体が流入する流入口８３であり、他端は、熱交換媒体が流出する流出口８４である。

また、以上の採熱杭３０Ａの製造手順では、以下の手順で、採熱配管８０を外殻鋼管５０内に配置する。
すなわち、図９（ａ）に示すように、螺旋状の鉄筋４４に結束線などで採熱配管８０を取り付けて、その後、この螺旋状の鉄筋４４の両端を互いに反対方向（図９（ａ）中矢印で示す方向）に捩って、図９（ｂ）に示すように、鉄筋４４の螺旋の外径を外殻鋼管５０の内径よりも小さくする。この状態で、鉄筋４４を外殻鋼管５０の内部に挿入し、捻れを解放する。すると、復元力により鉄筋４４の螺旋の外径が大きくなって、鉄筋４４に取り付けられた採熱配管８０が外殻鋼管５０の内周面に押し付けられる。

本実施形態によれば、上述の（１）〜（３）と同様の効果がある。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、本実施形態では、杭１０を２本の中間杭２０と１本の採熱杭３０とで構成したが、これに限らない。すなわち、地中熱を採熱する深度に応じて、中間杭２０の本数を適宜増減させてもよいし、採熱量に応じて、採熱杭３０の本数を適宜増やしてもよい。

また、本実施形態では、採熱杭３０を工場製作されて構造性能に優れたＳＣ杭とし、外殻鋼管５０を、杭体４０の耐力を増大させる剛性の高い鋼管としたが、これに限らず、外殻鋼管を、杭体４０の耐力増大を期待できないが熱伝導率の高い薄い鋼管としてもよい。

また、杭の先端部が水底地盤で支持されて、かつ、杭体が水中に埋没される水中杭の場合には、水と接する部分に採熱杭３０を配置し、この採熱杭３０を挟んで上下に中間杭２０を設けてもよい。

１…建物
２…基礎
１０…杭
２０…中間杭
２１…接続配管
２２…ジョイント
３０、３０Ａ…採熱杭
４０…杭体
４０Ａ…杭中空部
４１…構造体
４２…ふかし部
４３…メッシュ筋
４４…鉄筋
５０…外殻鋼管
６０Ａ、６０Ｂ…採熱配管（配管）
６１…流入口
６２…流出口
７０…拡張治具
７１…バンド
７２…調整部
７３…雌ねじ部
７４…調整ねじ
８０…採熱配管（配管）
８１…螺旋部
８２…直線部
８３…流入口
８４…流出口

Claims

地中熱を採熱あるいは放熱する杭の構造であって、
当該杭は、鉄筋コンクリート造で円筒形状の中間杭と、当該中間杭の下端に接続された採熱杭と、を備え、
当該採熱杭は、コンクリート造で円筒形状の杭体と、当該杭体の外周面を覆う鋼管と、前記杭体の内部に前記鋼管の内周面に当接して設けられて熱交換媒体が流通する採熱配管と、を備え、
前記中間杭には、熱交換媒体が地上から流入するまたは熱交換媒体を地上に流出させる接続配管がコンクリートに埋設されており、当該接続配管と前記採熱杭の前記採熱配管が接続されていることを特徴とする杭構造。
前記採熱杭および前記中間杭の内部には、杭中空部が設けられ、
前記接続配管と前記採熱配管とは、当該杭中空部にて接続されており、
当該採熱杭の上端部には、前記採熱配管に熱交換媒体が流入する流入口と、前記採熱配管から熱交換媒体が流出する流出口とが、当該採熱杭の中心軸を挟んで対向して配置されているとともに、
前記採熱配管は、前記鋼管の内周面に沿って当該鋼管の上端側と下端側との間をつづら折り状に複数回往復するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の杭構造。
前記採熱杭は、工場製作されたＳＣ杭であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の杭構造。
地中熱を採熱あるいは放熱する杭の製造方法であって、
当該杭は、コンクリート造で円筒形状の杭体と、当該杭体の外周面を覆う鋼管と、前記杭体の内部に前記鋼管の内周面に当接して設けられて熱交換媒体が流通する採熱配管と、を備え、
前記採熱配管は、前記鋼管の内周面に沿って当該鋼管の上端側と下端側との間をつづら折り状に複数回往復するように設けられ、
メッシュ筋に採熱配管を取り付けて、当該メッシュ筋を前記鋼管の内径より小さく丸めて、この状態で、前記鋼管の内部に挿入する工程と、
拡張治具により、前記丸めて挿入されたメッシュ筋の直径を拡大させて、前記採熱配管を前記鋼管の内周面に押し付ける工程と、
前記鋼管の内部に鉄筋を配筋してコンクリートを打設する工程と、を備えることを特徴とする杭の製造方法。