JP6416139B2 - 場所打ち杭およびその構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、場所打ち杭およびその構築方法に関し、特に、鋼管の内部に掘削土を埋め戻し可能な場所打ち杭およびその構築方法に関するものである。

従来、高層構造物の基礎として場所打ちコンクリート杭（以下、場所打ち杭という。）が多く用いられている。場所打ち杭は、専用掘削機により地盤に円筒状の杭孔を掘削した後、この杭孔内に同じく円筒状に組んだ鉄筋かごを建込み、コンクリートを打設することによって築造される円柱状の杭体である。また、場所打ち杭の外殻に鋼管を用いてコンクリートと一体化させることにより、水平抵抗力を増した場所打ち鋼管コンクリート杭が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

図５に示すように、特許文献１の場所打ち杭は、掘削した杭孔１に鉄筋かご２を建込んでその上に外面に突起を有する鋼管３を挿入配置した後、鋼管３および鉄筋かご２の内部にコンクリート４を打設し、杭頭部の鋼管３と孔壁との間にセメントミルクからなる固化材５を圧入して構築されるものである。杭頭部を鋼管３で補強することで必要な耐力を得るとともに、杭頭部の鋼管３と孔壁との間に圧入された固化材５により、鋼管３と地盤間の周面摩擦力を高めることができる。

上述したいずれの場所打ち杭の築造にも、杭体と同体積の掘削土が排出されるが、近年の環境意識の高まりや残土処分費の削減の観点から、この排出土量を低減することが要請されている。このような問題に対処した従来技術として、例えば特許文献２〜４に示すような場所打ち杭が提案されている。

特許文献２の場所打ち杭は、図６に示すように、掘削した杭孔１に円筒形状の鉄筋かご２を挿入し、内側に設けた保持部６に掘削土を詰めた複数の袋体７を投入した後、この鉄筋かご２の周囲にコンクリート４を打設することで構築されるものである。

特許文献３の場所打ち杭は、図７に示すように、掘削した杭孔１に鉄筋かご２を取り付けた鋼管３を建込んで、鋼管３の内部下側と、鋼管３と孔壁との間にコンクリート４を打設するとともに、鋼管３の内部上側に掘削土８を埋め戻すことで構築されるものである。

特許文献４の場所打ち杭は、図８に示すように、掘削した杭孔１に外面に突起を有する鋼管３を建込み、鋼管３と孔壁との間にコンクリート４を打設し、鋼管３の内部に掘削土８を投入して構築されるものである。

上記の特許文献２〜４の場所打ち杭によれば、現場から排出される掘削土量を低減することができるため、掘削残土処分に係る費用を削減することが可能である。また、鋼管に埋め戻した掘削土量と同体積のコンクリート使用量を減らすことができるため、場所打ち杭全体の施工費用を低減することが可能である。

特開２００２−３３２６３４号公報 特許第５５０３８２３号公報 特開２００４−０９２０２５号公報 特開平１１−１０７２７３号公報

ところで、上記の特許文献３、４の場所打ち杭が地震等による水平力を受けると、この水平力は鋼管と、鋼管の外側に打設されるコンクリート等の固化材と、鋼管の内部に埋め戻される掘削土とに作用する。しかしながら、鋼管の外側の固化材は、杭の周面摩擦力を確保するために設けたものであるから曲げ耐力に寄与しない。また、鋼管の内部に埋め戻される掘削土も、曲げモーメントに対する抵抗力に乏しく曲げ耐力に寄与しない。したがって、固化材と掘削土は水平抵抗力を発揮する構造体としては期待できず、曲げモーメントに対する抵抗力が比較的大きい鋼管部分が、水平抵抗力の大部分を負担する構造体として機能することになる。

こうした場所打ち杭の杭頭部の曲げ耐力を増強する方法としては、鋼管材質の向上や鋼管の板厚、径の増大等が考えられる。しかしながら、鋼管材質を向上させたり、板厚、径を増大したりすると、材料費が増し経済的に不利になるため好ましくない。このため、鋼管の内部に掘削土を埋め戻し可能な場所打ち杭において、鋼管の板厚等を増大することなく、杭頭部の曲げ耐力を低コストかつ効果的に高めることのできる構造が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、鋼管の内部に掘削土を埋め戻し可能な場所打ち杭において、杭頭部の曲げ耐力を低コストかつ効果的に高めることのできる場所打ち杭およびその構築方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る場所打ち杭は、地盤に設けられた杭孔と、前記杭孔に配置された中空の鋼管と、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の空隙に前記鋼管を囲繞する態様で配置された鉄筋と、前記鉄筋を埋設する態様で前記空隙に配置された固化材とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の場所打ち杭は、上述した発明において、前記鋼管の内部に掘削土、固化体、地熱利用のための配管設備のうち少なくとも一つをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の場所打ち杭は、上述した発明において、前記鋼管は前記杭孔の上側に配置され、前記杭孔の下側には固化材が配置され、この固化材と、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の前記空隙に配置される固化材とは縁切りして配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る場所打ち杭の構築方法は、地盤に杭孔を掘削する工程と、掘削した前記杭孔に中空の鋼管を挿入配置する工程と、前記鋼管と一体または別体で、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の空隙に、前記鋼管を囲繞する態様で鉄筋を挿入配置する工程と、前記鉄筋を埋設する態様で前記空隙に固化材を充填する工程とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の場所打ち杭の構築方法は、上述した発明において、前記杭孔の掘削により発生した掘削土、固化体、地熱利用のための配管設備のうち少なくとも一つを前記鋼管の内部に投入する工程をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の場所打ち杭の構築方法は、上述した発明において、前記鋼管を前記杭孔の上側に挿入配置する一方、前記杭孔の下側に固化材を充填する工程を備え、前記杭孔の下側に充填される固化材と、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の前記空隙に充填される固化材とを分離独立して充填することを特徴とする。

本発明に係る場所打ち杭によれば、地盤に設けられた杭孔と、前記杭孔に配置された中空の鋼管と、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の空隙に前記鋼管を囲繞する態様で配置された鉄筋と、前記鉄筋を埋設する態様で前記空隙に配置された固化材とを備えるので、鋼管の内部を掘削土等用の収容空間として利用可能である。また、鉄筋が埋設された固化材および鋼管を一体的に複合した合成構造として取り扱えることから、この合成構造を杭頭部に配置することで、鋼管の板厚等を増大することなく、杭頭部の曲げ耐力を低コストかつ効果的に高めることができるという効果を奏する。

また、本発明に係る場所打ち杭の構築方法によれば、地盤に杭孔を掘削する工程と、掘削した前記杭孔に中空の鋼管を挿入配置する工程と、前記鋼管と一体または別体で、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の空隙に、前記鋼管を囲繞する態様で鉄筋を挿入配置する工程と、前記鉄筋を埋設する態様で前記空隙に固化材を充填する工程とを備えるので、鋼管の内部を掘削土等用の収容空間として利用可能である。また、施工上、前記鋼管内部と外周部の空間は分離独立した構造とすることができるため、異なる強度の固化材を打ち分けることができ、外力条件に合わせた合理的で経済的な杭設計が可能となる。

図１は、本発明に係る場所打ち杭の模式的な縦断面図である。 図２は、本発明に係る場所打ち杭の構築方法の実施の形態を示す施工手順図（その１）である。 図３は、本発明に係る場所打ち杭の構築方法の実施の形態を示す施工手順図（その２）である。 図４は、図３（４）の横断面図であり、（１）はＡ−Ａ断面図、（２）はＢ−Ｂ断面図、（３）はＣ−Ｃ断面図、（４）はＤ−Ｄ断面図、（５）はＥ−Ｅ断面図である。 図５は、従来の場所打ち杭の一例を示す縦断面図である。 図６は、従来の場所打ち杭の他の一例を示す縦断面図である。 図７は、従来の場所打ち杭の他の一例を示す縦断面図である。 図８は、従来の場所打ち杭の他の一例を示す縦断面図である。

以下に、本発明に係る場所打ち杭およびその構築方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［場所打ち杭］
まず、本発明に係る場所打ち杭の実施の形態について説明する。図１に示すように、本実施の形態に係る場所打ち杭１０は、地盤Ｇに設けられた杭孔１２と、杭孔１２に配置された中空の鋼管１４と、鉄筋かご１６（鉄筋）と、コンクリート１８（固化材）とを備える。

鉄筋かご１６は、鋼管１４の外周面１４ａと杭孔１２の孔壁１２ａとの間の空隙に鋼管１４を囲繞する態様で配置されたかご状のものである。コンクリート１８は、鉄筋かご１６を埋設する態様で空隙に配置される。つまり、鋼管１４の外周には鉄筋かご１６とコンクリート１８からなる環状の鉄筋コンクリートが充填配置される。以後、この鉄筋コンクリートを外周充填コンクリート２０という。このように本発明では、鋼管１４の外周に鉄筋かご１６とコンクリート１８からなる外周充填コンクリート２０を配置することによって一体的な構造体として成り立たせている。

鋼管１４は、内外面の一部または全体に設置された突起（不図示）を有する鋼管であり、杭頭部２２を含む杭孔１２の上側部分に配置されている。鋼管１４の内部には、杭孔１２の掘削により発生した掘削土２４が埋め戻されている。

杭孔１２の下側部分は、鉄筋コンクリートからなり、上側部分よりも断面が縮径した縮径部２６と、下方に行くに従い拡径した拡底部２８とで構成されている。縮径部２６および拡底部２８には円柱状の鉄筋かご３０が配置されている。鉄筋かご３０の上方は鋼管１４の下端に内挿され、鋼管１４と杭孔１２の下側部分とを繋ぐ継手部３２となっている。この鉄筋かご３０を埋設するようにコンクリート３４（固化材）が充填配置されている。このコンクリート３４と、上記の外周充填コンクリート２０とは縁切りして充填配置してもよいし、一体物として充填配置してもよい。
ここでは、拡底部は、下方に行くに従い拡径する構造を元に説明したが、拡底部形状は、円筒状でも構わない。

一方、鋼管１４の上端の外周面１４ａには、上方に向けて突出する複数の鉄筋３６が溶接されており、この鉄筋３６と鉄筋かご１６の上部は、鋼管１４の上端面を被覆する大径のコンクリートからなるパイルキャップ３８に定着されている。なお、地震時には、このパイルキャップ３８に図示しない上部構造からの水平力、軸方向力が入力し、場所打ち杭１０に曲げモーメント等の外力が作用することになる。この外力は一般に杭頭部２２で最大となり下方に向けて漸減する。本実施の形態では、このような外力に対抗させるために、少なくとも杭頭部２２に鋼管１４と外周充填コンクリート２０を一体的に複合した合成構造を設けて、曲げ耐力の増強を図っている。

本実施の形態の場所打ち杭１０によれば、鋼管１４の内部を掘削土２４等用の収容空間として利用可能である。収容した掘削土２４の量の分だけ、現場から排出される掘削土の量を低減でき、掘削土の処理費を低減できる。したがって、場所打ち杭の構築にかかる施工コストを大幅に低減できる。

また、杭頭部２２を、鋼管１４および外周充填コンクリート２０を一体的に複合した合成構造として取り扱えることから、外周充填コンクリート２０が曲げ耐力に寄与することとなる。したがって、鋼管１４の板厚等を増大することなく、杭頭部２２の曲げ耐力を低コストかつ効果的に高めることができる。

上記の実施の形態において、鋼管１４の内部に、杭孔１２の掘削により発生した掘削土２４を埋め戻した構成について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば地熱利用のための配管設備などを鋼管１４の内部に収容配置するようにしてもよい。このようにすれば、鋼管１４の内部を地熱用設備などとして有効利用することができる。

また、上記の実施の形態において、鋼管１４の外周側に充填配置される固化材としてコンクリート１８の場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限るものではなく、コンクリート１８の代わりに例えばセメントミルク等のグラウト材料を充填配置してもよい。

なお、上記の実施の形態において、鋼管１４のφ１、外周充填コンクリート２０の外径φ２としては、例えば、φ１＝８００〜２７００ｍｍ、φ２＝１０００〜３２００ｍｍ程度のものを用いて構成することができる。

［場所打ち杭の構築方法］
次に、本発明に係る場所打ち杭の構築方法の実施の形態について説明する。

図２および図３は、本実施の形態に係る場所打ち杭の構築方法の施工手順を示したものである。まず、図２（１）に示すように、アースドリル拡底工法によりベントナイト等の安定液（不図示）で孔壁を安定させながら地盤Ｇを掘削し、下端が所定の形状に拡底した杭孔１２を造成する。この杭孔１２の上部にスタンドパイプ４０を圧入する。

次に、図２（２）に示すように、杭孔１２に鉄筋かご３０を吊り下ろしていく。続いて、図２（３）に示すように、予め中空の鋼管１４の外周面に鉄筋かご１６を取り付けておき、この鋼管１４の下端に吊り下ろした鉄筋かご３０の上端を内挿固定した後、鋼管１４を下側の鉄筋かご３０および外周側の鉄筋かご１６と一体的に杭孔１２に吊り下ろしていく。図２（４）に示すように、杭孔１２の深さに応じて適宜、別の鋼管１４および鉄筋かご１６を溶接等により順次継ぎ足しながら連続的に吊り下ろす。

次に、図３（１）に示すように、鉄筋かご３０を杭孔１２の下側に、鋼管１４と鉄筋かご１６を、杭頭部２２を含む杭孔１２の上側に設置し終えたら、図３（２）に示すように、鋼管１４の内部中央に図示しないトレミー管を挿通配置する。そして、このトレミー管を介して鋼管１４の下側の拡底部２８、縮径部２６、継手部３２にコンクリート３４を打設する。これにより、杭孔１２の下側に鉄筋コンクリートからなる拡底部２８、縮径部２６、継手部３２が完成する。なお、継手部３２は、縮径部２６と鋼管１４とを接合する部分であり、鋼管１４の下端に上端が内挿した鉄筋かご３０を埋設する態様で鋼管１４の下側の内部および外部に充填されるコンクリート３４により形成される。

そして所定の養生期間の後、図３（３）に示すように、鋼管１４と孔壁の間の空隙に図示しないトレミー管（またはグラウト管）を挿通配置し、コンクリート１８を打設する。これにより、鋼管１４の外側の外周充填コンクリート２０が完成する。この後、中空の鋼管１４の内部には、杭孔１２の掘削により発生した掘削土などを埋め戻すことが可能である。埋め戻し後、鋼管１４の上端に図示しないパイルキャップ等を被覆設置する。このような施工手順により、図３（４）に示すような本発明の場所打ち杭１０を構築することができる。

このように本発明では、主に図４（１）のＡ−Ａ断面、（２）のＢ−Ｂ断面に示すような外周充填コンクリート２０と鋼管１４の合成構造によって地震等による水平力に抵抗することができる。

また、２段階で内側のコンクリート３４と外側のコンクリート１８を打設することにより、鋼管１４の内部に掘削土などを収容するための空間を確保できる。特に、固化材としてのコンクリートの打設または充填箇所が鋼管１４の外周側と下部側とに分離した構造であることから、コンクリートの打ち分けが可能である。外周側と下部側のコンクリートを分離施工することで、レイタンスを抑制しながら各コンクリートを健全に施工できる。また、各コンクリート強度を異なるものに設定することで合理的で経済的な杭設計が可能となる。

上記の実施の形態において、鋼管１４の下側のコンクリート３４と鋼管１４の外周のコンクリート１８を分離独立して打設する場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、コンクリート３４とコンクリート１８を同一配合のものとし、同時に打設するようにしてもよい。

また、上記の実施の形態において、鋼管１４とその外周の鉄筋かご１６を一体に吊り下ろす場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、鋼管１４と鉄筋かご１６を別に吊り下ろしてもよい。例えば鉄筋かご１６を先行して杭孔１２に建込み配置した後、鋼管１４を鉄筋かご１６に内挿配置してもよいし、これとは反対に、鋼管１４を先行して杭孔１２に建込み配置した後、鉄筋かご１６を鋼管１４に外嵌配置してもよい。このようにしても、上記と同様な作用効果を奏することができる。

また、上記の実施の形態において、鋼管１４の下部の鉄筋かご３０と鋼管１４の外周の鉄筋かご１６を別に吊り下ろす場合について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、鉄筋かご３０と鉄筋かご１６を一体に吊り下ろしてもよい。このようにしても、上記と同様な作用効果を奏することができる。

本発明では、一般化累加強度式を適用することで従来技術と比較して鋼材重量を４０％程度に低減させることができる。このため、本発明の場所打ち杭を用いれば、従来技術による設計方法と比べて鋼管１４の径や板厚をより小さく設定することが可能である。例えば、曲げモーメントＭと軸方向力Ｎの荷重条件（Ｍ，Ｎ）＝（７２００ｋＮ・ｍ，１００００ｋＮ）のとき、鋼管杭のみで耐力評価を行うと鋼管径２０００ｍｍ、板厚１６ｍｍ程度になるのに対し、本発明では鋼管径を１２００ｍｍ、板厚を１０ｍｍ、外周コンクリート径１７００ｍｍと、より経済的な設計が可能となる。

以上説明したように、本発明に係る場所打ち杭によれば、地盤に設けられた杭孔と、前記杭孔に配置された中空の鋼管と、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の空隙に前記鋼管を囲繞する態様で配置された鉄筋と、前記鉄筋を埋設する態様で前記空隙に配置された固化材とを備えるので、鋼管の内部を掘削土等用の収容空間として利用可能である。また、鉄筋が埋設された固化材および鋼管を一体的に複合した合成構造として取り扱えることから、この合成構造を杭頭部に配置することで、鋼管の板厚等を増大することなく、杭頭部の曲げ耐力を低コストかつ効果的に高めることができる。

また、本発明に係る場所打ち杭の構築方法によれば、地盤に杭孔を掘削する工程と、掘削した前記杭孔に中空の鋼管を挿入配置する工程と、前記鋼管と一体または別体で、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の空隙に、前記鋼管を囲繞する態様で鉄筋を挿入配置する工程と、前記鉄筋を埋設する態様で前記空隙に固化材を充填する工程とを備えるので、鋼管の内部を掘削土等用の収容空間として利用可能である。また、施工上、前記鋼管内部と外周部の空間は分離独立した構造とすることができるため、異なる強度の固化材を打ち分けることができ、外力条件に合わせた合理的で経済的な杭設計が可能となる。

以上のように、本発明に係る場所打ち杭およびその構築方法は、鋼管の内部に掘削土を埋め戻し可能な場所打ち杭に有用であり、特に、杭頭部の曲げ耐力を低コストかつ効果的に高めるのに適している。

１０ 場所打ち杭
１２ 杭孔
１２ａ 孔壁
１４ 鋼管
１４ａ 外周面
１６ 鉄筋かご（鉄筋）
１８ コンクリート（固化材）
２０ 外周充填コンクリート
２２ 杭頭部
２４ 掘削土
２６ 縮径部
２８ 拡底部
３０ 鉄筋かご
３２ 継手部
３４ コンクリート（固化材）
３６ 鉄筋
３８ パイルキャップ
４０ スタンドパイプ
Ｇ 地盤

Claims (2)

1. 地盤に設けられた杭孔と、前記杭孔に配置された中空の鋼管と、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の空隙に前記鋼管を囲繞する態様で配置された鉄筋と、前記鉄筋を埋設する態様で前記空隙に配置された固化材と、前記鋼管の内部に配置された掘削土、固化体、地熱利用のための配管設備のうち少なくとも一つとを備え、
   前記鋼管は前記杭孔の上側部分に配置され、前記杭孔の下側部分には鉄筋かごが配置されるとともに、前記鉄筋かごを埋設する態様で固化材が配置され、前記鉄筋かごの上方は前記鋼管の下端に内挿されて前記鋼管と前記杭孔の下側部分とを繋ぐ継手部となっており、前記鋼管の下側の内部には、前記鉄筋かごの上方を埋設する態様で固化材が配置されていることを特徴とする場所打ち杭。
2. 地盤に杭孔を掘削する工程と、
   掘削した前記杭孔に中空の鋼管を挿入配置する工程と、
   前記鋼管と一体または別体で、前記鋼管の外周面と前記杭孔の孔壁との間の空隙に、前記鋼管を囲繞する態様で鉄筋を挿入配置する工程と、
   前記鉄筋を埋設する態様で前記空隙に固化材を充填する工程と、
   前記杭孔の掘削により発生した掘削土、固化体、地熱利用のための配管設備のうち少なくとも一つを前記鋼管の内部に投入する工程と、
   前記鋼管を前記杭孔の上側部分に挿入配置する一方、前記杭孔の下側部分に鉄筋かごを挿入配置して前記鉄筋かごを埋設する態様で固化材を充填する工程と、
   前記鋼管の下端に内挿された前記鉄筋かごの上方を埋設する態様で、前記鋼管の下側の内部に固化材を充填する工程とを備えることを特徴とする場所打ち杭の構築方法。

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