JP6504016B2

JP6504016B2 - 杭の鉛直支持力確認装置及び方法

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Publication number: JP6504016B2
Application number: JP2015206640A
Authority: JP
Inventors: 俊彦南部; 隆棚邉
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2019-04-24
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: JP2017078291A

Description

本発明は、地盤に杭を施工するに先だって当該地盤に杭を施工した際に得られる杭の鉛直支持力を杭の施工前に確認する装置及び方法に関する。

杭の鉛直支持力を確認する方法として、打撃工法にあってはハンマーのラム重量、同落下高さ、貫入量、リバウンド量などから鉛直支持力を杭施工中に確認する方法がある。
しかしながら、打撃工法以外の杭工法にあっては、施工前や施工中に杭の鉛直支持力を確認する方法がない。

そのため、例えば杭の施工後に載荷試験により確認する方法等が行われている。その具体例としては特許文献１の［従来技術］の欄に記載されているように、測定対象の杭（試験杭）の周囲に２本あるいは４本の反力杭を打設すると共に、試験杭の上方において反力杭に支持された主梁およびこれに係合する副梁を備えた反力桁装置を構築すると共に、前記試験杭と主梁との間に加圧用ジャッキを配設し、該ジャッキにより試験杭に押圧力を作用させ、その反力を副梁に間接的に係合すると共に前記反力杭に係合する引張り材を介して前記複数の反力杭により受けるようにした載荷装置を用いるというものである（特許文献１の段落［０００２］〜［０００３］参照）。

特開２００２−４７６７７号公報

しかしながら、上記のような載荷装置を用いる方法の場合は、特許文献１にも記載されているように、反力杭の施工が必要になると共に、反力桁装置の施工が必要になるので、載荷試験にかかる試験費用や所要日数が工事に大きな負担となっている。
また、コンクリートを現場で硬化させて杭を構築する場所打ち杭の場合、そもそも硬化した後でなければ載荷試験ができず、杭の打設後おおよそ１ヵ月後でないと載荷試験ができないという問題がある。
さらに、施工後に実施される載荷試験において鉛直支持力不足が判明した場合は、当初の計画よりも杭の本数を増やす、いわゆる増し杭などによる対応しか取れないという問題もある。

以上のような事情から、杭を施工する前に杭を施工した場合の鉛直支持力を確認（予測）できる装置及び方法の開発が望まれていた。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、杭を施工する前に杭を施工した場合の鉛直支持力を精度よく確認できる杭の鉛直支持力確認装置及び方法を提供することを目的としている。

（１）本発明に係る杭の鉛直支持力確認装置は、鋼管からなる本体と、該本体の先端部に設けられた螺旋状の翼部と、前記本体の先端部に該先端開口を塞ぐように設けられた底板と、先端が底板の上面側に固定され、他端が本体の内面に設けられた支持板に固定された鋼管からなる内筒と、該内筒の周面に設けられて内筒の軸方向のひずみを計測するひずみ計と、該ひずみ計の計測値に基づいて、前記底板に生ずる貫入抵抗Ｐ_ｐを演算する演算装置とを備えたことを特徴とするものである。

（２）本発明に係る杭の鉛直支持力確認装置は、鋼管からなる本体と、該本体の先端部に設けられた螺旋状の翼部と、前記本体の先端部に該先端開口を塞ぐように設けられた底板と、先端が底板の上面側に固定され、他端が本体の内面に設けられた支持板に固定された鋼管からなる内筒と、前記本体の上端部の周面に設けられて本体の当該部位の軸方向のひずみを計測する第１ひずみ計と、前記本体における翼部の近傍上部周面に設けられて前記本体の当該部位の軸方向のひずみを計測する第２ひずみ計と、前記内筒の周面に設けられて内筒の軸方向のひずみを計測する第３ひずみ計と、前記第１ひずみ計の計測値に基づいて押し込み力Ｐ_ｏを演算し、前記第２ひずみ計の計測値に基づいて翼の推進力Ｐ_ｗを演算し、前記第３ひずみ計の計測値に基づいて貫入抵抗Ｐ_ｐを演算し、これらＰ_ｏ、Ｐ_ｗ、Ｐ_ｐの値を用いて、前記本体に生ずる周面摩擦力Ｐ_ｆを、Ｐ_ｆ＝Ｐ_ｗ−Ｐ_ｐ＋Ｐ_ｏとして演算する演算装置とを備えたことを特徴とするものである。

（３）また、上記（２）に記載のものにおいて、押し込み力Ｐ_ｏを、第１ひずみ計の計測値に代えて本体を地盤に押し込むジャッキの元圧を計測して該計測値に基づいて演算するようにしたことを特徴とするものである。

（４）本発明に係る杭の鉛直支持力確認方法は、上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の杭の鉛直支持力確認装置を用いた杭の鉛直支持力確認方法であって、
計測対象とする地盤に前記鉛直支持力確認装置をねじ込みながら、前記演算装置によって演算される貫入抵抗Ｐ_ｐ、又は貫入抵抗Ｐ_ｐ及び周面摩擦力Ｐ_ｆに基づいて杭の鉛直支持力を確認することを特徴とするものである。

本発明においては、鋼管からなる本体と、該本体の先端部に設けられた螺旋状の翼部と、前記本体の先端部に該先端開口を塞ぐように設けられた底板と、先端が底板の上面側に固定され、他端が本体の内面に設けられた支持板に固定された鋼管からなる内筒と、該内筒に生じる軸方向のひずみを計測するひずみ計と、該ひずみ計によって前記内筒に生ずるひずみを計測し、該ひずみに基づいて、前記底板に生ずる貫入抵抗Ｐ_ｐを演算する演算装置とを備えたことにより、杭を施工する前に杭を施工した場合の鉛直支持力を精度よく確認することができる。

本発明の実施の形態に係る杭の鉛直支持力確認装置の説明図である。

［実施の形態１］
本発明に係る杭の鉛直支持力確認装置１を図１に基づいて説明する。
杭の鉛直支持力確認装置１の基本的な形状は鋼管杭と同様であり、鋼管からなる本体３と、本体３の先端部に設けられた螺旋状の翼部５と、本体３の先端部に該先端部から１〜２cm下方側に離れた位置に本体３の先端開口を塞ぐように設けられた底板７と、先端が底板７の上面側に固定され、他端が本体３の内周面に設けられた円環板９に固定された鋼管からなる内筒１１とを備えている。

また、杭の鉛直支持力確認装置１は、本体３の上端部の内周面に設けられて本体３の当該部位の軸方向のひずみを計測する第１ひずみ計１３と、本体３における翼部５の近傍上部内周面に設けられて本体３の当該部位の軸方向のひずみを計測する第２ひずみ計１５と、内筒１１の内周面に設けられて内筒１１の軸方向のひずみを計測する第３ひずみ計１７とを備えている。
さらに、第１ひずみ計１３の計測値に基づいて押し込み力Ｐ_ｏを演算し、第２ひずみ計１５の計測値に基づいて翼の推進力Ｐ_ｗを演算し、第３ひずみ計１７の計測値に基づいて貫入抵抗Ｐ_ｐを演算し、これらＰ_ｏ、Ｐ_ｗ、Ｐ_ｐの値を用いて、本体３に生ずる周面摩擦力Ｐ_ｆを演算する演算装置１９を備えている。
なお、杭の鉛直支持力確認装置１は、図１に示すように、演算装置１９の演算結果を表示する表示部２１を備えるのが望ましい。
以下、各構成について説明する。

＜本体＞
本体３は、外径が例えばφ400mm〜φ600mmの鋼管からなる。本体３の先端近傍に翼部５が溶接されており、翼部５の推進力によって本体３が地中に回転貫入される。
本体３の上端部の外周面には、図示しない突起が設けられ、該突起に回転力が付与される。

＜翼部＞
翼部５は、本体３に推進力を与えるものであり、例えば螺旋翼によって構成されている。

＜底板＞
底板７は、本体３の先端開口を閉塞し、本体３が回転貫入する際に土砂が本体３内に入るのを防止する機能を有する。
該機能を発揮するためには、底板７の面積は本体３の先端開口と同等又は若干大きくすればよいが、底板７は、先端支持力を演算するための地盤反力を受けるという機能も有しているので、これらの機能を発揮するという観点から、底板７は本体３の先端開口と同等にするのが望ましい。

＜内筒＞
内筒１１は、本体３と同じ材質の鋼管からなり、底板７を本体３の先端部に該先端部から１〜２cm下方側に離れた位置に支持するものである。内筒１１の下端側に底板７が固定され、内筒１１の上端は本体３の内周面に設けられた円環板９に固定されている。
なお、内筒１１の上端側は、円環板９に固定しなくとも、本体３の内周面に連結するように設けられた支持板に固定するようにしてもよい。

＜ひずみ計＞
第１ひずみ計１３は、本体３の上端部の内周面に設けられて本体３の当該部位の軸方向のひずみを計測する。
本体３の上端部には、本体３を地盤に貫入させるための押しこみ力が付与され、この押し込み力に起因して生ずる軸方向のひずみを計測することで、押し込み力を求めることができる。
本例において、第１ひずみ計１３は本体３の周方向１８０°離れた位置で、かつ軸方向が同じ位置に１個づつ設置（１対設置）しており、このような配置にすることで曲げひずみをキャンセルして軸方向ひずみを正確に計測することができる。
なお、ひずみ計は一般に断線することも考えられるので２対以上設けるようにしてもよい。
また、本例では、第１ひずみ計１３を本体３の内周面に設けているが、本体３の外周面に設けるようにしてもよい。外周面に設ける場合には、外力によって破損しないように保護すればよい。また、第１ひずみ計１３を外周面に設けたとしても、配線は本体３の内側を通すため、配線を通すための孔を本体３に設ける必要がある。この場合、孔の位置は第１ひずみ計１３の設置位置から遠ざけるようにする。
以上のような、ひずみ計の設置位置、設置個数に関しては、後述の第２ひずみ計１５、第３ひずみ計１７でも同様である。

第２ひずみ計１５は、本体３における翼部５の近傍上部の内周面に設けられて本体３の当該部位の軸方向のひずみを計測する。第２ひずみ計１５の本体３における軸方向の位置は、翼部５と円環板９の間であって、両者の中間位置付近が好ましい。両者の中間位置にすることで、両端部の影響を少なくできる。
本体３が回転貫入する際に翼部５が回転すると、土が翼部５によって掬い上げられ、掬い上げた土は翼上面に沿って上方へ押し上げられる。そして、押し上げられた土は次第に締め固まり、この土の反力によって翼部５に推進力が生ずる。このとき、本体３における翼部５の近傍上部には翼部５を介して下方への引張力が作用するので、該引張力によって本体３の当該部位に生ずるひずみを計測することで、翼部５の推進力を求めることができる。

第３ひずみ計１７は、内筒１１の内周面に設けられて内筒１１の軸方向のひずみを計測する。第３ひずみ計１７の内筒１１における軸方向の位置は、底板７と円環板９の間であって、両者の中間位置付近が好ましい。両者の中間位置にすることで、両端部の影響を少なくできる。
本体３が回転貫入する際に底板７には地盤反力が作用し、該地盤反力によって内筒１１は圧縮力を受ける。したがって、内筒１１に生ずるひずみを計測することで、地盤反力を求めることができる。

＜演算装置＞
演算装置１９は、第１ひずみ計１３の計測値に基づいて押し込み力Ｐ_ｏを演算し、第２ひずみ計１５の計測値に基づいて翼の推進力Ｐ_ｗを演算し、第３ひずみ計１７の計測値に基づいて貫入抵抗Ｐ_ｐを演算し、これらＰ_ｏ、Ｐ_ｗ、Ｐ_ｐの値を用いて、本体３に生ずる周面摩擦力Ｐ_ｆを演算する。
なお、演算装置１９におけるＰ_ｏ、Ｐ_ｗ、Ｐ_ｐの演算方法の詳細は、後述の実施の形態２で説明する。

＜表示部＞
表示部２１は、演算装置１９の演算結果を表示するものである。表示部２１を設けることで、本体３が回転貫入している際に、本体３の推進途中の任意の深度における杭の鉛直支持力を確認できる。

［実施の形態２］
次に、上記のように構成された杭の鉛直支持力確認装置１を用いて、杭の鉛直支持力を確認する方法について説明する。
杭の鉛直支持力確認装置１を、確認対象とする地盤上に立設して回転させ、翼部５に推進力を生じさせて地中にねじ込む。
回転貫入している間、各ひずみ計は測定値を出力するので、これを記録するようにする。
この杭の鉛直支持力確認装置１が地中にねじ込まれるときの鉛直方向の力の釣り合いを式で表すと下式（１）となる。
Ｐ_ｗ＋Ｐ_ｏ≧Ｐ_ｐ＋Ｐ_ｆ・・・（１）
ここで、
Ｐ_ｗは、翼が回転することにより掬い上げた土を翼上面に沿って上方へ押し上げることにより次第に締め固まった土の反力から翼部５に生じる推進力
Ｐ_ｆは本体３と地盤の摩擦抵抗
Ｐ_ｐは底板７に生じる地盤の貫入抵抗
Ｐ_ｏは本体３に加えられる押しこみ力である。

一般の杭と同様にＰ_ｐ、Ｐ_ｆは接している土の強度や深さに応じて大きさが決まる。
また、Ｐ_ｗも接している土の強度や深さに応じて大きさが変わりながら杭の鉛直支持力確認装置１を地中に引き込む働きをする。翼部５の推進力は、底板７が接する地盤の上載圧を減少させて底板７の貫入抵抗を減少させる働きもする。
これらの結果、杭の鉛直支持力確認装置１は主として翼部５の推進力のみで杭が地中へ貫入して行くが、貫入抵抗のＰ_ｐとＰ_ｆが、翼推進力Ｐ_ｗより大きいと貫入できなくなり、不足分をＰ_ｏとして付加する。

上記のことから、杭の鉛直支持力確認装置１を回転貫入中にＰ_ｗ、Ｐ_ｐ、Ｐ_ｏの値を求めることによって、最終的に施工される杭が地盤から受ける鉛直支持力を事前に確認することができる。
前述したように、本体３に加えられる押しこみ力Ｐ_ｏは、本体３の軸力として第１ひずみ計１３の計測値を用いて求めることができる。
また、翼部５の推進力Ｐ_ｗは、第２ひずみ計１５の計測値を用いて求めることができる。
また、地盤の貫入抵抗Ｐ_ｐは、内筒１１の軸力として第３ひずみ計１７の計測値を用いて求めることができる。
さらに、本体３と地盤の摩擦抵抗Ｐ_ｆは、（１）式の不等号を等号した式を変形して、Ｐ_ｆ＝Ｐ_ｗ−Ｐ_ｐ＋Ｐ_ｏより求めることができる。

ここで、Ｐ_ｗ、Ｐ_ｐ、Ｐ_ｏ及びＰ_ｆの求め方について説明する。
本体３を構成する鋼管の外径：Ｄ_１、厚み：ｔ_１と、内筒１１を構成する鋼管の外径：Ｄ_２、厚みｔ_２とする。
本体３を構成する鋼管の断面積Ａ_１は、：Ａ_１＝πＤ_１ ^２／４−π(Ｄ_１−２ｔ_１)^２／４＝πｔ_１(Ｄ_１−ｔ_１)となる。
また、内筒１１を構成する鋼管の断面積Ａ_２は、：Ａ_２＝πＤ_２ ^２／４−π(Ｄ_２−２ｔ_２)^２／４＝πｔ_２(Ｄ_２−ｔ_２)となる。

第１ひずみ計１３の計測値をε_０、第２ひずみ計１５の計測値をε_ｗ、第３ひずみ計１７の計測値をε_ｐとし、本体３及び内筒１１を構成する鋼管のヤング率をＥとすると、本体３における第１ひずみ計１３が取り付けられた部位の軸方向応力σ_０は、σ_０＝Ｅ・ε_０、また本体３における第２ひずみ計１５が取り付けられた部位の軸方向応力σ_ｗはσ_ｗ＝Ｅ・ε_ｗ、さらに、内筒１１における第３ひずみ計１７が取り付けられた部位の軸方向応力σ_ｐは、σ_ｐ＝Ｅ・ε_ｐとなる。

そして、これらσ_０、σ_ｗ、σ_ｐを用いて、本体３に加えられる押し込み力Ｐ_０は、Ｐ_０＝σ_０・Ａ_１、土の反力から翼部５に生じる推進力Ｐ_ｗは、Ｐ_ｗ＝σ_ｗ・Ａ_１、底板７に生じる地盤の貫入抵抗Ｐ_ｐは、Ｐ_ｐ＝σ_ｐ・Ａ_２としても求めることができる。
また、前述したように、本体３と地盤の摩擦抵抗Ｐ_ｆは、Ｐ_ｆ＝Ｐ_ｗ−Ｐ_ｐ＋Ｐ_ｏより求めることができる。

地盤から決まる杭の鉛直支持力は一般的に「先端支持力」＋「周面摩擦力」で表される。
先端支持力は、貫入抵抗Ｐ_ｐとして求められ、また周面摩擦力は、上記の摩擦抵抗Ｐ_ｆとして求められる。
したがって、本実施の形態の杭の鉛直支持力確認装置１を地中にねじ込むことで、適宜、貫入抵抗Ｐ_ｐと摩擦抵抗Ｐ_ｆが得られ、これによって、所定の深さにおける杭の鉛直支持力を確認することができる。

なお、先端支持力は、杭径の二乗に比例し、周面摩擦力は、杭径に比例するが、上述のように、杭の鉛直支持力は一般的に「先端支持力」＋「周面摩擦力」で表されるため、「先端支持力」と「周面摩擦力」のそれぞれを個別に求めることができなければ、換言すれば「先端支持力」と「周面摩擦力」の配分が分からなければ、杭径が変わった際の鉛直支持力を求めることができない。
この点、本実施の形態の杭の鉛直支持力確認装置１では、先端支持力と周面摩擦力をそれぞれ個別に求めることができ、かつ、Ｐ_０、Ｐ_ｗ、Ｐ_ｐを、それぞれ単位面積あたりの荷重に換算することができるので、計測されたＰ_０、Ｐ_ｗ、Ｐ_ｐの値から打設深度が同じで杭径の異なる杭における「鉛直支持力」を算出することができる。

したがって、杭の鉛直支持力確認装置１における本体３の径を、計画された本施工で予定されている杭径と同一にすることができない場合であっても、計測値から本施工の杭径の場合での「周面摩擦力」と「先端支持力」を個別に算出することができる。
これによって例えば、期待していた鉛直支持力が当初の予定杭径では確保できないことが判明した場合に本施工用の杭径を太くした場合の「周面摩擦力」と「先端支持力」を算出したり、あるいは期待していた以上の過剰の鉛直支持力が見込めることが判明した場合には本施工用の杭径を細くした場合の「周面摩擦力」と「先端支持力」を算出したりして、本施工前に過不足の無い適切な杭設計を行うことも出来る。
このように、Ｐ_ｐとＰ_ｆを個別に導出できることにより、予定杭径で不足が無いかの検証に加え、打設深度が同じ場合で、杭径を違えた場合の鉛直支持力も確認することが可能となる。
また、現場ごとに杭径をあわせた新たな杭の鉛直支持力確認装置１を作るのは非効率であるため、以前に製作・使用した近い径の杭の鉛直支持力確認装置１を使いまわすことも出来る。

なお、上記の説明では、杭の鉛直支持力として、周面摩擦力と先端支持力との両方を考慮して杭の鉛直支持力を確認することにしているが、得られた値のうちの先端支持力だけで杭の設計を考えてもよい。（この場合、周面摩擦には期待しないことを意味する。）
また、上記の説明では、Ｐ_ｏをひずみ計で計測する例を示したが、Ｐ_ｏをジャッキ元圧の計測値に基づいて求めるようにしてもよい。

本実施の形態に係る杭の鉛直支持力確認装置１の実際の運用方法について説明する。
(1)回転貫入前に各ひずみゲージのゼロ点を取る。
(2)杭の鉛直支持力確認装置１を地中に回転貫入。その間、演算装置１９は常に計測値を出力し、表示部２１に表示させたり、記録をしたりする。
(3)杭の鉛直支持力確認装置１を予定深さまで回転貫入させる。なお、予定深さ到達前に期待鉛直支持力が確認できた場合にも、予定深さまでは進めるのが好ましい。
逆に、予定深さに到達しても期待鉛直支持力に達しない場合であっても、予定深さまで回転貫入した時点で完了とする。
(4)杭の鉛直支持力確認装置１を逆回転して地中から回収する。
(5)計測された杭の鉛直支持力の値に基づいて、杭の施工本数、杭径等を決定する。

なお、上記の説明では、予定深さまで回転貫入させた時点で完了するようにしたが、期待する鉛直支持力が得られるまで、計測値をモニターしながら更に回転貫入を進めるようにしてもよい。

１鉛直支持力確認装置
３本体
５翼部
７底板
９円環板
１１内筒
１３第１ひずみ計
１５第２ひずみ計
１７第３ひずみ計
１９演算装置
２１表示部

Claims

鋼管からなる本体と、該本体の先端部に設けられた螺旋状の翼部と、前記本体の先端部に該先端開口を塞ぐように設けられた底板と、先端が底板の上面側に固定され、他端が本体の内面に設けられた支持板に固定された鋼管からなる内筒と、該内筒の周面に設けられて内筒の軸方向のひずみを計測するひずみ計と、該ひずみ計の計測値に基づいて、前記底板に生ずる貫入抵抗Ｐｐを演算する演算装置とを備えたことを特徴とする杭の鉛直支持力確認装置。
鋼管からなる本体と、該本体の先端部に設けられた螺旋状の翼部と、前記本体の先端部に該先端開口を塞ぐように設けられた底板と、先端が底板の上面側に固定され、他端が本体の内面に設けられた支持板に固定された鋼管からなる内筒と、前記本体の上端部の周面に設けられて本体の当該部位の軸方向のひずみを計測する第１ひずみ計と、前記本体における翼部の近傍上部周面に設けられて前記本体の当該部位の軸方向のひずみを計測する第２ひずみ計と、前記内筒の周面に設けられて内筒の軸方向のひずみを計測する第３ひずみ計と、前記第１ひずみ計の計測値に基づいて押し込み力Ｐｏを演算し、前記第２ひずみ計の計測値に基づいて翼の推進力Ｐｗを演算し、前記第３ひずみ計の計測値に基づいて貫入抵抗Ｐｐを演算し、これらＰｏ、Ｐｗ、Ｐｐの値を用いて、前記本体に生ずる周面摩擦力Ｐｆを、Ｐｆ＝Ｐｗ−Ｐｐ＋Ｐｏとして演算する演算装置とを備えたことを特徴とする杭の鉛直支持力確認装置。
押し込み力Ｐｏを、第１ひずみ計の計測値に代えて本体を地盤に押し込むジャッキの元圧を計測して該計測値に基づいて演算するようにしたことを特徴とする請求項２記載の杭の鉛直支持力確認装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の杭の鉛直支持力確認装置を用いた杭の鉛直支持力確認方法であって、
計測対象とする地盤に前記鉛直支持力確認装置をねじ込みながら、前記演算装置によって演算される貫入抵抗Ｐｐ、又は貫入抵抗Ｐｐ及び周面摩擦力Ｐｆに基づいて杭の鉛直支持力を確認することを特徴とする杭の鉛直支持力確認方法。