JP6247739B2 - 多杭基礎固定システム - Google Patents

Description

本発明は、地表構造物のための多杭基礎システムに関する。より具体的には、本発明は、相互補完的な細長い杭を構造物荷重に対して斜角を成すように受け入れるための特別に形状を定めた開口部あるいは形状を有する一つ以上の考案された部材であり、支持力、上向き力、および水平力から成る面荷重を大地に伝達出来る基礎システムを形成するものの適用に関する。

以前に乱されていないか、あるいは望ましくない工事現場において新たな建設を行うために構築物基礎を造るための、より安価な、より効果的な、そして、より環境面で健全な方法を求めた研究は、本申請者によるピンで固定した基礎システムPinned Foundation System (ここに参照によって組み込まれた特許文献１を参照のこと)、構造物荷重伝達システムStructure Load Transfer Systems （ここに参照することによって組み込まれた特許文献２を参照のこと）、および、地表構造物およびそれらの工法 Surface Structures and Methods Thereof （ここに参照することによって組み込まれた特許文献３を参照のこと）の開発をもたらした。これらのシステムは、基礎エンジニアリングにおける重要な進歩であり、これまでに地表構造物のために多くの現場の利用可能性を高めている。

かなり大きな構造物の支持に用いられるほとんどの基礎システムは、大量のコンクリートと大量の掘削を必要とする。コンクリートあるいはその他のセメント質材料の利用は、ますます多くの構築物の問題解決策において望ましくない選択肢となっており、一方、掘削は、大切な地盤機能に悪影響を及ぼす可能性がある。工事現場は、この種の従来型の建設の諸影響を受けやすい場合があり、さらに、セメント自体は、再生不能資源からなるもので、その二酸化炭素排出量は合衆国の産業において第三位の大きさである。

セメント質材料にのみ依存せず、掘削を最小限に抑え、かつ多くの抗の相対的な位置を定めるための固定機構を備えたさまざまな多杭基礎システムが、先に参照した特許文献２も含めて、これまでに開発されている。かなり大きな構造物基礎における過剰なセメント質材料の必要を無くすことに加え、これらのシステムを適用可能な地表構造物の範囲を広げること、そして、基礎システムに必要な材料の容量および重量を低減することも望ましい。本発明は、これらの目的を達成するために開発された。

U.S. Pat. No. 5,039,256 U.S. Pat. No. 5,395,184 U.S. Pat. No. 6,910,832

本発明の目的は、多様な工事現場および地盤条件に、および多様な地表構造物に、適用可能な多杭基礎固定システムを建設する方法を拡張することである。

本発明の別の目的は、多様な建設工法と合わせた使用に容易に適合可能な、融通の利く多杭基礎固定システムを提供することである。

本発明の別の目的は、分布荷重と集中荷重の両方がある場合を含む、多様な分布荷重条件に対して適用可能な基礎システムを提供することである。

支持荷重、水平荷重、および上向き荷重の様々な組み合わせと割合とに対して適用可能な基礎システムを提供することも本発明の目的である。

本発明のさらなる目的は、再生不能資源の利用の必要が現行方法よりも大幅に少ない基礎システムを提供することである。

本発明のさらなる目的は、地上の構造物について、現場の掘削と、排水管理と、土砂の埋戻しとの必要が大幅に少ない基礎システムを建設する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、引き起こす浸食が現行方法よりも大幅に少ない基礎システムを建設する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、基礎システムがかみ合う地盤の含水量、排水特性、あるいは化学組成あるいは分子組成、あるいは構造健全性に、大きな悪影響あるいは変化をもたらすことなく基礎システムを建設する方法を提供することである。

本発明のさらなる目的は、既存の勾配を変えることなしに、平らな現場あるいは傾斜した現場に設置可能な基礎システムを提供することである。

本発明のさらなる目的は、凍上する地盤および体積膨張する地盤の少なくとも一つを含めて、さまざまな現場地盤および気候条件において設置可能な基礎システムを提供することである。

除去可能かつ再使用可能なものであり、および取り替え可能な部品を有する多杭基礎固定システムを提供することも、本発明の目的である。

特定の荷重の種類（複数）、性能および構造機能を持ち、標準化された建設部材として繰り返し利用が可能な多杭基礎固定システムの一連の実施例を提供することも、本発明の目的である。

地盤条件および予想される荷重に応じて杭が特定の事前に定めた長さである多杭基礎固定打ち込みシステムを提供することも、本発明の目的である。

固定機能を有し、それが場合によっては、異なる荷重および異なる構造要求性能の少なくとも一つに合わせて調整可能である基礎システムを提供することも、本発明の目的である。

本発明の上記およびその他の目的は、地表構造物を取り付ける特異的に構成された部材を用い、かつ事前に設定した角度でこれらの部材に貫通するかあるいはかみ合う複数の細長い高強度杭を用いる基礎システムによって実現される。これらの杭は、周囲の地盤と、その地盤の既存構造を変えることなく、しっかりとかみあい、それによって高レベルの水平、上向き、そして支持の各サポート（支持）をもたらす。前記部材は、選択的に配置された開口部を含み、それら開口部は、設置と締め付けがなされると、杭の固定を可能とし、高度に安定した基礎をもたらす。

本発明の様々な態様において、上向き、支持、水平の各サポート（支持）のレベルは、部材の強度、杭の数量と長さ、杭の強度およびさまざまな荷重に応じた杭の相対的な角度によって決まる。このようにして、地盤表面への貫入あるいは表層の攪乱を最小限に抑え、その一方で構造物に十分なサポート（支持）をもたらすように、基礎を設計し設置することが出来る。

固定多杭基礎の分布荷重バージョンの斜視図である。 図１の上板の平面図であり、穴形状の一態様を示す図である。 図１の上板の平面図であり、穴形状の別の態様を示す図である。 基礎の集中荷重バージョン用の上板の平面図であり、穴形状の一態様を示す図である。 基礎の集中荷重バージョン用の上板の平面図であり、穴形状の別の態様を示す図である。 図３Ｂの上板を用いた集中荷重基礎の側面図であり、第１の態様の固定タイプを示す図である。 図３Ｂの上板を用いた集中荷重基礎の側面図であり、第２の態様の固定タイプを示す図である。 図３Ｂの上板を用いた集中荷重基礎の側面図であり、第３の態様の固定タイプを示す図である。 図４Ｂおよび図１に示した固定部材、およびこれら部材の追加的な変形の一連の斜視図である。 基礎システムの他の実施例を示す側面図である。 基礎システムのさらに別の実施例を示す側断面図である。 ４ピン構成において使用可能な固定部材の第１の態様を示す斜視図である。 ４ピン構成において使用可能な固定部材の第２の態様を示す斜視図である。 ４ピン構成において使用可能な固定部材の第３の態様を示す斜視図である。 種々の杭の断面図である。 板の平面図および板と杭の斜視図である。 地表構造物の支持フレームの形成を示す側面図である。

本発明の前記特徴は、それらの具体的な実施例の添付図面とともに示される下記の詳細な説明によって、さらによく理解されるであろう。

図１は、固定多杭基礎の分布荷重バージョンの斜視図である。図１は、上板１００、固定部材１０２、杭１０４、楕円形穴１０６、締め付けナット１０８、円形穴１１０、締め付けボルト１１２、杭キャップ１１４、および円形穴１１６を含む。杭１０４は、上板１００の楕円形穴１０６に通す。上板１００および固定部材１０２は、締め付けボルト１１２によって接続し、締め付けボルト１１２は円形穴１１０および１１６を通し、締め付けナット１０８によって固定する。締め付けナット１０８を締め付けると、上板１００と固定部材１０２との距離は、固定部材１０２が杭１０４とかみ合い、楕円形穴１０６の中に杭１０４を拘束かつ固定するまで、減少する。杭キャップ１１４は、打ち込んだ管杭１０４のそうしなければ暴露されたままの開いた端部から汚染物質が侵入するのを防止するために設ける。

図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、図１の上板の平面図であり、杭を受け入れる楕円形穴および締め付けボルトを受け入れる円形穴の、異なる穴形状を示す。

図３Ａおよび図３Ｂは、それぞれ、基礎の集中荷重バージョン用の上板の平面図であり、異なる穴形状を示す。

図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃは、それぞれ、図３Ｂの上板３１０を用いた集中荷重基礎の側面図であり、異なる固定タイプを示す。図４Ｂは、固定ハブ４１０および４１２を含み、それらには細長い杭を通して所定位置に固定する。固定ハブ４１０および４１２は、中空の円筒であり、一方の側は杭と上板の接触面に適合するようにある角度に切断してある（すなわち、杭と板の楕円形開口部との角度に対応して）。固定ハブ４１０、４１２は、少なくとも一方の側に小さなねじを切った開口部を備え、位置決めねじ４１６を挿入できるようにする。各杭の一端を板を貫通させて打ち込んだ後、固定ハブ４１０および４１２を杭に被せて通し、固定ハブが板の表面に接したら、ねじを杭に対して締め付ける。固定ハブは、板の下方に保持することも可能であり、例えば、固定ハブ４１４に杭を通して、固定ハブ４１４を板の下方で固定できるようにする。固定ハブは、上板の楕円形穴よりも大きく、締め付けると、板に対する杭の動き、あるいは杭に対する板の動きを制限し、他の固定部材がするのと同様に、楕円形穴に対する杭の角度を固定すること、および、板に対する一方向あるいは二方向の杭の滑りを止めることとの少なくとも一方によって、固定状態を生み出す。

図４Ａに示す板は普通の軟鋼であるが、ばね鋼であってもよく、あるいは同様な弾性特性を持つ材料で、相互接続した部材と組み込まれた杭の上端とのあいだの張力を事前に設定出来るように、締め付けの度合いを変えることが出来るものでもよい。さらに、図示した板は平らであるが、板は、湾曲していても、Ｕ字形でも、Ｗ字形でも、あるいはその他の機能的形状であってもよい。

図５は、図４Ｂおよび図１に示した固定部材、およびこれら部材の追加的な変形の一連の斜視図である。固定部材５１０は、図３Ａに示した上板とともに用いるように設定してある。固定部材５１２は、図２Ｂに示した上板とともに用いるように設定してある。固定部材５１４は、図２Ａに示した上板とともに用いるように設定してある。動作時は、固定部材５１４の方向配置は、固定部材１０２に対して垂直であるが、図２Ａの上板の楕円形穴（およびそれらに打ち込まれる杭）の方向配置に対応しているのである。固定部材５１８は、図４Ａに示すような４本杭構成のものと共に用いるよう設定してあり、固定部材３１２にとって代わるものである。固定部材５１６は、部材５１８と同一であるが、但し、成形された凹みも備えている点が異なり、成形された凹みは、杭が固定部材とかみ合った時に、杭が成形された凹みの側面にさらに確実に固定されるように設定してある。その他の固定部材も、固定部材５１４がそうであるように、これらの成形された凹みを備えてもよい。

図６は、基礎システムの他の実施例である。この実施例においては、ばね６００および一つ以上の取り外し可能なスペーサー６０２を、上板６０６と固定部材６０８との間に設けて、スペーサー６０２が上板６０６と固定部材６０８とを事前に定めた距離だけ離すようにするので、ばね６００は伸びる。設置後に、一つ以上のスペーサ―６０２を除去してばね６００を縮めると、その結果、上板６０６と固定部材６０８との間の距離は、杭６１０が固定部材６０８とかみ合い、上板の楕円開口部内の適所に固定されるまで、縮小する。取り外し可能なスペーサ―６０２は、上板６０６と固定部材６０８との間を広げることと、そして、スペーサー６０２の除去とを容易にするように、傾斜した上面および底面を備える。

図７Ａは、基礎システムのさらに別の実施例である。この実施例においては、ブロック７００は、杭７０２を受け入れるための打ち込み空洞部７１２を備える。ブロック７００は、コンクリート、木、プラスチック、鋼、あるいは当業者が認めるであろうその他の適切な材料から成ってもよい。ブロック７００は、円錐状穴７１０の中に、穴の底部が固定部材７０４の自由な動きを妨げないように、収まるように構成されてある。ブロック７００は、キャリッジボルト７０８を受けるボルトスリーブ７０６をも備える。ボルト７０８は、ナット７１６によって締め付ける。固定部材７０４は、リテイニングリング７２０によってボルト頭部にあてて保持する。代わりに、リテイニングリングを使わずに、ボルト７０８を固定部材７０４に溶接してもよい。キャップ７１４を杭７０２に装着して、杭７０２のそうしなければ露出したままの開口端から汚染物質が入るのを防いでもよい。このブロック実施例は、図１のように、何フィートか毎に一対のピン（杭）を設けた分布荷重システムであってもよいし、あるいは図４Ａのように、二つ以上のピンと適切な固定部材を備えた集中荷重システムでもよい。先に説明した実施例と同様に、ボルトは、ブロック内において、スリーブあるいは空隙部を貫通して滑動可能であり、ボルトが固定部材７０４を引き付けることを可能とし、固定部材７０４を杭とかみ合わせ、それによって杭７０２をそれらの打ち込み空洞部７１２の中に拘束する。ブラケット７１８は、構造物を基礎システムに取り付けるのに使用できる。

図７Ｂの７２２、図７Ｃの７２６、および図７Ｄの７２８は、それぞれ、４ピン構成において使用可能な固定部材である。固定部材７２２は、角穴７２４を備え、ナット７１６を締め付ける際にキャリッジボルト７０８が回るのを防止する。杭７０２をさらにしっかりと固定するために、固定部材７２６は半楕円を備え、固定部材７２８はＶ字形切込みを備える。固定部材７２２および７２８のピラミッド形状は、固定部材５１６あるいは５１８よりも、高さも低く、頂部の幅も広くして、固定部材７０４がブロック７００の底面よりも十分に低いところで杭７０２とかみ合うように、そして、両者のあいだの隔たりを、締め付け、空間の圧縮、そして杭７０２の打ち込み空隙部における拘束ができるように、確保するためである。ある望ましい実施例において、ブロック７００の底面と固定部材７０４との間に確保される隔たりは、最小２．５４センチメートル（１インチ）である。

システム構成、地盤条件および構造的機能の違いは、杭と地表構造物部材との特定角度関係に加わって、それらの各サイズを決めることになる。一般に、支持杭の直径あるいは数量を大きくすると、それらの固有の荷重抵抗を増大させ、固定部材のサイズと強度を大きくする場合も同様である。しかしながら、特定の現場条件、例えば、凍上あるいは膨張する地盤の場合には、実施例はすべて、部材が地盤上になく、代わりに地盤より高い位置に打ち込み杭によって支持されるように設置することが出来る。

上述した実施例はすべて調整が可能であり、すなわち、ナットあるいは位置決めねじは緩めることが可能であり、あるいはスペイサーブロックは再挿入が可能であり、さらに、地盤の動きに対して、あるいはまれな荷重事象に対して補正するためには、杭および板およびブロック（および取り付けた構造物）の少なくとも一つは、調整し、水平にし、あるいは再設置することが出来る。この特徴は、さらに、すべての杭について完全な取り外しおよび取り替えのすくなくとも一つを可能にする。

望ましい実施例において、構造部材および杭は、未処理、メッキ、あるいは塗装した鋼であるが、設置の際に能力を維持しかつ損傷を受けることなく、適切に特定荷重を構造物から打ち込み杭に伝達するよう機能し、かつ荷重のもとでこれらの打ち込み杭を十分に固定するために必要な強度と特性を有する、適切な材料あるいは合金であってもよい。ガルバナイジングのような耐食処理は、何層かの適切な被覆あるいは代替保護法に置き換えてもよく、あるいは必要でない場合もありうるが、その理由は、場合によっては、例えば、仮設、ある種の合金の利用、あるいは特定の特殊環境における部材の使用において、耐食コーティングが不要となる可能性があるからである。同様に、ボルトは、すべての当該実施例において、被覆鋼であるが、必要に応じて、異なる材料および異なる締結スタイルの少なくとも一つにしてもよい。

ここに開示した全ての図の全ての杭、そして特に示してはいない本技術におけるそれらの変形は、一様な断面を持ち、適切に整合したオフセット打ち込み穴あるいは固定空隙部あるいは形状部の適切な固定効果を可能とし、さらに、再設定、腐食あるいはその他の修理方法の必要に応じて引き抜きおよび取り替えができるうえ、支持された構造物を全面的に撤去するには、杭は、取り換え無しで引き抜くことが出来る。上記の図において記述した杭は、円形中空断面であるが、様々な断面の杭を使用できることを当業者は承知している。たとえば、図８に示した断面である：円形中実８０２、長方形８０４および８０４ａ、三角形８１２、Ｈ字形８０６、Ｃ字形８０８、Ｌ字形８１０、および正方形８１４。さらに、杭を受けいれるよう設定した穴は、それらが受け入れるよう設定した杭に対応する形状であることも、当業者は理解している。たとえば、図９に示した板９０２、９０４、および９０６の長方形穴は、正方形断面の、たとえば図８に示した正方形８１４のような、杭を受け入れるよう設定してある。さらに留意すべきは、杭を受け入れるよう設定した穴の周囲の長さは、杭を斜めに（すなわち、表面に対して垂直ではなく）固定できるように、対応する杭の周囲の長さよりも長いことである。

一つの実施例において、キャップは堅い熱可塑性プラスチック製である。これらのキャップは、同様に、幾つもの似通った材料で置き換えることも可能であり、あるいは、現場の条件や、打ち込み杭の材料と断面との少なくとも一つによっては、使わないことも可能である。

特定の実施例において、杭の角度は２５度から７５度の範囲にあり、地盤条件および荷重要件によって決まるものであるが、但し、打ち込み穴平面の特定荷重経路に対する関係が維持されることと、そして、部材の杭に対する固定の関係が維持されることと次の地表構造物の関係が維持されることとの少なくとも一つとが、条件である。他の実施例では、杭の角度は９０度より少ないか、０度より大きい場合があろう。望ましい実施例においては、二つ以上の杭の角度は同じである。当業者はお分かりのように、杭は上板よりも十分に高くなるまで伸ばすことが可能であり、図１０に示すように、上にくる地表構造物、例えば床システムあるいは図示した例ではソーラーパネルの支持フレームを形成できる。

本発明は、具体的に説明した例としての用途とは別の用途があることを理解されたい。上述したアレインジメントは、本発明の原理を例示したものに過ぎない。当業者には、本発明の精神と範囲から離れることなく、その多数の改良および適応が容易にお分かりであろう。

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１２年４月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／６２５，４６２号及び２０１２年９月１２日に出願された米国特許出願第１３／６１１，２５９号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１００ 上板
１０２ 固定部材
１０４ 杭
１０６ 楕円形穴
１０８ 締め付けナット
１１０ 円形穴
１１２ 締め付けボルト
１１４ 杭キャップ
１１６ 円形穴
３１０ 上板
３１２ 固定部材
４１０ 固定ハブ
４１２ 固定ハブ
４１４ 固定ハブ
４１６ 位置決めねじ
５１０ 固定部材
５１２ 固定部材
５１４ 固定部材
５１６ 固定部材
５１８ 固定部材
６００ ばね
６０２ スペーサー
６０６ 上板
６０８ 固定部材
６１０ 杭
７００ ブロック
７０２ 杭
７０４ 固定部材
７０６ ボルトスリーブ
７０８ キャリッジボルト
７１０ 円錐状穴
７１２ 打ち込み空洞部
７１４ キャップ
７１６ ナット
７１８ ブラケット
７２０ リテイニングリング
７２２ 固定部材
７２４ 角穴
７２６ 固定部材
７２８ 固定部材
８０２ 円形中実
８０４ 長方形
８０４ａ 長方形
８０６ Ｈ字形
８０８ Ｃ字形
８１０ Ｌ字形
８１２ 三角形
８１４ 正方形
９０２ 板
９０４ 板
９０６ 長方形穴

Claims (7)

1. 非円形楕円として形成された内周囲を持ち、かつ細長い杭を受け入れるように構成された、１つ以上の開口を備えた上板と、
   前記上板に１本以上の連結器によって接続するように構成された固定部材であって、前記上板と前記固定部材との間に圧縮力を生じるように操作出来る締め付け機構を備えた固定部材と、からなる構造支持システムであって、
   前記固定部材は、前記締め付け機構を用いて、前記上板と前記固定部材との間の距離を前記圧縮力によって低減すると、前記細長い杭を前記１つ以上の開口の中に固定するように構成され、それによって前記細長い杭を前記１つ以上の開口内に固定し、
   前記上板および前記固定部材のうちの一つあるいは両方が、前記締め付け機構によってプリテンショニングを可能とするような材料でできている、構造支持システム。
2. 非円形楕円として形成された完全な又は部分的な内周囲を持ち、かつ細長い杭を受け入れるように構成された、１つ以上の開口を備えた上板と、
   ばねによって前記上板に接続した固定部材と、からなる構造支持システムであって、
   前記固定部材は、前記上板から特定の距離だけ一つ以上の取り外し可能なスペーサーによって隔てられるように構成されており、前記取り外し可能なスペーサーが前記上板と前記固定部材とを隔てている時は、前記ばねは伸張しており、前記細長い杭を打ち込み可能にしており、さらに、
   前記取り外し可能なスペーサーを取り除くと、前記ばねが圧縮力を生じて、前記固定部材と前記上板との間の距離が前記圧縮力によって低減され、それによって前記細長い杭を前記１つ以上の開口内に固定する構造支持システム。
3. 構造支持システムであって、
   液状のセメント質材料を受け入れてその後に固まらせるように構成された型であって、固まったのちの前記セメント質材料が、穴の底部が固定部材の自由な動きを可能とするように空を残すように、前記穴のなかに収まるように構成され、細長い杭を受け入れるように構成された二つ以上の空隙部と、一つ以上の連結器を受け入れるための空隙部とを備えるように、寸法が定められた前記型と、
   前記一つ以上の連結器によって前記セメント質材料に接続するように構成された前記固定部材であって、前記固定部材と前記セメント質材料との間に圧縮力を生じるように操作可能な締め付け機構を備えた前記固定部材と、を有し、
   前記締め付け機構を用いて、前記セメント質材料と前記固定部材との間の距離を、前記圧縮力によって低減されるように、前記固定部材は、前記細長い杭を、細長い杭を受け入れるように構成された前記二つ以上の空隙部に固定するように構成され、それによって前記細長い杭を細長い杭を受け入れるように構成された前記二つ以上の空隙部に固定する構造支持システム。
4. 基礎支持を提供する方法であって、
   型を用いてセメント質材料を成形する工程であって、前記セメント質材料は、固まると、穴の底部の部分が固定部材の自由な動きを可能とするような空のままで残るように、前記穴の中に納まるように構成され、細長い杭を受け入れるように構成された二つ以上の空隙部と、一つ以上の連結器を受け入れるための一つ以上の空隙部とを備える、前記成形する工程と、
   前記細長い杭を、細長い杭を受け入れるように構成された前記二つ以上の空隙部に打ち込んで貫通させる工程と、
   圧縮力を生じるように操作可能な締め付け機構を用いて、前記セメント質材料と前記固定部材との間の距離を前記圧縮力によって低減し、それによって前記細長い杭を細長い杭を受け入れるように構成された前記二つ以上の空隙部内に固定する工程と、を有し、
   前記固定部材は、前記締め付け機構によって前記セメント質材料に接続するように構成されている、基礎支持を提供する方法。
5. 構造支持システムであって、
   細長い杭を受け入れるように構成された１つ以上の開口を備えた上板と、
   前記上板に一つ以上の連結器で接続するように構成された固定部材であって、前記上板と前記固定部材との間に圧縮力を生じるように操作可能な締め付け機構を備えた前記固定部材と、有し、
   前記締め付け機構を用いて、前記上板と前記固定部材との間の距離を、前記圧縮力を生成して低減すると、前記固定部材は、前記細長い杭を前記１つ以上の開口の中に固定するように構成されており、それによって、前記細長い杭を前記１つ以上の開口に固定し、
   ソーラーパネル又は水平床システムを支持するために前記上板上に延在するように一つ以上の前記細長い杭を構成した、構造支持システム。
6. 請求項５に記載の構造支持システムによって地上に位置決めされ支持されたソーラーパネルであって、前記細長い杭は、前記パネル用のフレーム枠を少なくとも一部分提供するために前記上板上に延在している、ソーラーパネル。
7. 基礎支持体上に位置決めされる地表構造物であって、請求項５に記載の複数の構造支持システムが前記基礎支持体を提供する、地表構造物。

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