JP6796959B2 - コンクリート基礎と杭の剛結合構造 - Google Patents

Description

本発明は、コンクリート基礎と杭の剛結合構造に関するものである。

コンクリート基礎と杭の結合構造には、剛結合構造（完全固定構造とも言い、固定度が１）とピン結合構造（ヒンジ結合構造とも言い、固定度が０）、剛結合構造とピン結合構造の間の半剛結合構造（半固定構造とも言い、固定度が０と１の間）があり、それぞれにメリットとデメリットを有している。

剛結合構造は他の結合構造に比してコンクリート基礎と杭頭の接合が強固であることから、コンクリート基礎に作用した水平荷重に対して杭の水平変位は小さくなり、ピン結合構造の杭の水平変位の1/2程度となる。したがって、水平変位量によって杭の設計が支配される場合において、剛結合構造は極めて有意である。

また、剛結合構造は他の結合構造に比して施工実績も多く、構造信頼性も高いことから、橋梁等、公共建築物を構成するコンクリート基礎と杭の接合構造において一般に適用されている。

剛結合構造は一般に、コンクリート基礎に対して杭の杭頭を100mm程度埋設した上で、杭頭補強筋をコンクリート基礎内に配設する方法と、コンクリート基礎に対して杭の杭頭を杭径分の長さ埋設する方法のいずれかの方法によって形成される。

コンクリート基礎に対して杭の杭頭を100mm程度埋設し、杭頭補強筋をコンクリート基礎内に配設する方法の場合、杭頭補強筋の配筋や溶接、さらには、杭頭補強筋を配筋した後にコンクリート基礎の下側鉄筋の配筋が余儀なくされるなど、施工性が悪く、施工に手間と時間を要するといった課題がある。

一方、コンクリート基礎に対して杭の杭頭を杭径長さ埋設する方法の場合、杭頭の天端面からコンクリート基礎に作用する押抜きせん断力に抗するためにコンクリート基礎の厚みを厚くする必要が生じ、コンクリート基礎の厚み増に起因して施工コストが増加するといった課題がある。

このように、代表的な二種類の剛結合構造の形態にはそれぞれに固有の課題があることから、これらの課題を解消できる剛結合構造の開発が望まれている。

ここで、特許文献１，２には、コンクリート基礎と杭の接合構造に関する技術が開示されている。

特許文献１に記載の構造物基礎の支持構造は、構造物基礎の底面側に設けられた根入れ部の内部に杭頭部を嵌入させるものであり、根入れ部と杭頭部との間に天端部から底面側に向かって拡大する間隙を備えた構造を有するものである。

一方、特許文献２に記載のコンクリート基礎の支持構造は、コンクリート基礎を杭の杭頭上に載置状態にて支持するとともに、杭頭において杭頭の上端から下方へ向かって広がるテーパ部を設け、テーパ部の少なくとも一部をコンクリート基礎に埋設したものである。

特開２００４−１６２２５９号公報 特開２００５−２００８８６号公報

特許文献１，２に記載のコンクリート基礎と杭の接合構造はいずれも、それぞれに固有の構成によって杭頭に生じ得る曲げモーメントを低減できるという効果を奏する。

しかしながら、いずれの接合構造も剛結合構造を対象としたものではなく、ピン結合構造もしくは半剛結合構造を対象としており、したがって、上記する課題、すなわち、上記する代表的な二種類の剛結合構造の形態に内在する課題を解消できるものではない。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、杭頭補強筋を不要として施工性が良好であるとともに、コンクリート基礎の厚みを増加させることを要しないコンクリート基礎と杭の剛結合構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるコンクリート基礎と杭の剛結合構造は、コンクリート基礎と杭の剛結合構造であって、前記杭の杭頭のうち、杭天端面から杭径長さ範囲の埋設領域が該杭天端面に向かって縮径した切頭円錐形を呈しており、前記埋設領域が前記コンクリート基礎に埋設されているものである。

本発明のコンクリート基礎と杭の剛結合構造は、杭の杭頭のうち、杭天端面から杭径長さ範囲の埋設領域が杭天端面に向かって縮径した切頭円錐形を呈していて、この埋設領域がコンクリート基礎に埋設されることにより、まず、杭頭補強筋を不要とした剛結合構造となっている。

さらに、杭の杭頭のうち、切頭円錐形の埋設領域がコンクリート基礎に埋設されることにより、すり鉢状を呈した押抜きせん断面の起点を杭天端面から埋設領域の下端（コンクリート基礎の下端）まで下げることができ、結果としてコンクリート基礎の厚みを厚くすることなく、所定の押抜きせん断面を確保することができる。

この押抜きせん断面の起点が下がることは、本発明者等の解析にて検証されている。押抜きせん断面の起点が下がる理由を概説すると、杭からコンクリート基礎に対して押抜き力（押込み力）が作用した際に、埋設領域の切頭円錐形の側面（縦断面的に見た際のテーパー状の側面）からは斜め方向に向かう押込み力がコンクリート基礎に作用し、この側面からの押込み力によって埋設領域の下端（コンクリート基礎の下端）からの押抜きせん断面が形成されるためである。

上記する切頭円錐形を縦断面的に見た際のテーパ状の側面のテーパ角度に関しては特に限定はないが、埋設領域の頂部（杭天端面）において、杭の内側に配筋された縦方向の主筋が外部に露出しない程度のテーパ角度が設定されるのがよく、鉛直線からテーパ線までの角度として、たとえば5度〜20度程度の範囲が挙げられる。

ここで、本発明の剛結合構造で適用される杭としては、主として鋼管杭、PHC杭、SC杭等の既成杭が挙げられるが、場所打ち杭を排除するものではない。

このように、杭頭の埋設領域を切頭円錐形とすることにより、押抜きせん断面を杭天端面から埋設領域の下端にシフトさせるといった思想はこれまでにない新規かつ斬新な思想であり、本発明の剛結合構造を適用することで、杭天端面からコンクリート基礎の上面までに形成されるすり鉢状を呈した押抜きせん断面の面積をより大きくすることができ、このことにより、コンクリート基礎の厚みを増加させる必要性を解消することが可能になる。

本発明のコンクリート基礎と杭の剛結合構造によれば、杭の杭頭のうち、杭天端面から杭径長さ範囲の埋設領域が杭天端面に向かって縮径した切頭円錐形を呈していて、この埋設領域がコンクリート基礎に埋設されることにより、杭頭補強筋を不要として施工性を良好にしながら、コンクリート基礎の厚みを増加させることを不要にできる。したがって、施工コストを削減しながら、品質に優れたコンクリート基礎と杭の剛結合構造を提供することができる。

本発明の剛結合構造の実施の形態を示した模式図である。 剛結合構造を構成する杭の杭頭を示した斜視図である。 （ａ）、（ｂ）ともに従来の剛結合構造における押抜きせん断面を説明した図である。 解析に用いた３ケースの剛結合構造であり、（ａ）はケース１：埋込みなしのケースを示した図であり、（ｂ）はケース２：テーパなしのケースを示した図であり、（ｃ）はケース３：テーパありのケースを示した図である。 解析モデルを説明した模式図である。 解析結果のうち、各ケースの変位−荷重相関グラフを示した図である。 解析結果のうち、ケース２，３の最大主ひずみコンター図を示した図である。

以下、図面を参照して本発明のコンクリート基礎と杭の剛結合構造の実施の形態を説明する。なお、図示例において、コンクリート基礎内の配筋等の図示は省略している。

（コンクリート基礎と杭の剛結合構造の実施の形態）
図１は本発明の剛結合構造の実施の形態を示した模式図であり、図２は剛結合構造を構成する杭の杭頭を示した斜視図である。

杭２の杭頭のうち、天端面２ｃから杭径長さ範囲：Ｄの埋設領域２ａが天端面２ｃに向かって縮径した切頭円錐形を呈している。図示する剛結合構造１０は、杭２の埋設領域２ａがコンクリート基礎１に埋設されて形成されている。

図２で示す杭２の切頭円錐形を呈した埋設領域２ａの側面２ｂを図１のように縦断面的に見ると、側面２ｂは鉛直線からテーパ線までの角度θを有するテーパ状となっている。このテーパ角度θは、たとえば5度〜20度程度の範囲に設定でき、杭２の内側に配筋された縦方向の主筋が外部に露出しない程度にテーパ角度が設定される。

杭２としては、鋼管杭、PHC杭、SC杭等の既成杭が適用される。
杭２の杭頭がコンクリート基礎１に対して杭径長さ埋設されていることから、杭頭補強筋を不要とした剛結合構造１０が形成される。

ここで、剛結合構造１０において、杭２からコンクリート基礎１へ押抜き力が作用した際に生じる押抜きせん断面Ｓが下方へシフトすることを説明する。

まず、押抜きせん断面Ｓの下方へのシフトを説明する前に、従来の剛結合構造で生じる押抜きせん断面を図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。ここで、図３（ａ）はコンクリート基礎に杭頭を杭径Ｄだけ埋設して形成された剛結合構造のケースを示した図であり、図３（ｂ）はコンクリート基礎に杭頭を100mm埋設し、杭頭補強筋を配設して形成された剛結合構造のケースを示した図である。

図３（ａ）で示す剛結合構造では、コンクリート基礎に対して杭から押抜き力Ｑが作用した際に、杭の天端面から45°の角度ですり鉢状に広がる押抜きせん断面が形成される。

杭の天端面からコンクリート基礎の上面までの離間はt1であるが、作用した押抜き力Ｑに対して所望の押抜きせん断耐力を確保するべく、場合によってはこの離間t1を長くする必要が生じ、この結果、コンクリート基礎の厚みを増加せざるを得ない場合がある。

一方、図３（ｂ）で示す剛結合構造では、杭頭の埋設長が図３（ａ）で示す剛結合構造に比して少ない分、杭の天端面からコンクリート基礎の上面までの離間t2は離間t1に比して長くなる結果、コンクリート基礎に対して杭から押抜き力Ｑが作用した際に形成される押抜きせん断面の面積が大きくなる。そのため、コンクリート基礎の厚みを増加させる必要性は極めて少なくなる。

しかしながら、杭頭補強筋の配設が余儀なくされることから、杭頭補強筋の配筋や溶接、杭頭補強筋を配筋した後にコンクリート基礎の下側鉄筋の配筋をおこなわざるを得ないなどの理由で施工性が悪くなり、施工に手間と時間を要することになる。

これに対し、図１で示す剛結合構造１０では、コンクリート基礎１に対して杭２から押抜き力Ｑが作用した際に、埋設領域２ａの切頭円錐形のテーパ側面２ｂから斜め方向に向かう押込み力Ｐがコンクリート基礎１に作用し、このテーパ側面２ｂからの押込み力Ｐにより、実際に形成される押抜きせん断面Ｓは、杭２の天端面２ｃからの押抜きせん断面Ｓ’ではなく、埋設領域２ａの下端（コンクリート基礎１の下端）からの押抜きせん断面Ｓとなる。

このように、杭頭の埋設領域２ａを切頭円錐形とすることにより、押抜きせん断面Ｓの起点を杭天端面２ｃから埋設領域２ａの下端にシフトさせることができる。

この結果、押抜きせん断面Ｓの面積を大きくすることができ、杭頭補強筋を不要としながら、コンクリート基礎１の厚みを増加させる必要性を無くすことができる。

なお、せん断耐力向上の別の根拠として、コンクリート基礎１に対して杭２から押抜きせん断力Ｑが作用した際に、杭頭が切頭円錐形を呈していることから、杭頭がくさびのような挙動を示し、このくさび効果によってもせん断耐力が向上すると言える。

（本発明の剛結合構造のせん断耐力を検証した解析とその結果）
本発明者等は、本発明の剛結合構造のせん断耐力を検証する解析をおこなった。

＜解析概要＞
図４は解析に用いた３ケースの剛結合構造であり、図４（ａ）はケース１：埋込みなしのケースを示した図であり、図４（ｂ）はケース２：テーパなしのケースを示した図であり、図４（ｃ）はケース３：テーパありのケースを示した図である。

試験体の構造仕様のうち、コンクリート基礎に関しては、コンクリートの圧縮強度26.3N/mm²、鉄筋D16が150mm間隔で格子状に配置され、降伏強度370N/mm²で、2000mm×2000mmの正方形状を有し、ケース１の版厚180mm、ケース２，３の版厚330mmのコンクリート基礎とした。このコンクリート基礎に対し、ケース１では径150mmの既成杭をコンクリート基礎に対して埋め込ませずに配設し、ケース２では径150mmの既成杭を杭径だけ埋め込ませ、ケース３では径150mmで切頭円錐形の杭頭を杭径150mmだけ埋め込ませて各ケースの試験体とした。

図５に解析モデルを示す。この解析モデルは、鉄筋コンクリート版の対称性を考慮した1/4モデルとし、コンクリートはソリッド要素、鉄筋はビーム要素とした。鉄筋とコンクリート間の付着応力−すべり関係には飯塚モデルを適用した。なお、「飯塚モデル」は、飯塚・檜貝・斉藤・高橋：かぶり厚の影響を考慮した異形鉄筋の付着応力−すべり−ひずみ関係、土木学会論文集E2、Vol.67、No.2、2011に記載されている。

コンクリートの構成則に関し、圧縮側はパラボリックカーブ、引張側はコンクリート標準示方書の引張軟化曲線を用いた。ひび割れモデルは固定ひび割れモデルとし、ひび割れ面でのせん断伝達モデルはAl- Mahaidiモデルとした。また、ケース２，３では、杭頭部とコンクリート間にインターフェイス要素を設定し、法線方向はテンションカットオフとし、接線方向は摩擦力（静止摩擦係数μ=0.5）を考慮した。また、杭頭部はコンクリートと同じ剛性を有する弾性体とし、各荷重載荷面に強制変位を作用させて載荷した。ここで、解析プログラムにはDIANA9.6を用いた。

＜解析結果＞
図６は、解析結果のうち、各ケースの変位−荷重相関グラフを示した図である。図６においては参考として、ケース１，２のコンクリート標準示方書（以下、「コ示」とする）の押抜きせん断耐力も併記している。

同図より、ケース１の押抜きせん断耐力（330kN）は、コ示耐力（295kN）と同程度の結果が得られた。これに対し、ケース２では、押抜きせん断耐力（400kN）がコ示耐力を約100kN上回る結果となった。これは、コ示耐力では杭頭周面の摩擦力を考慮していないのに対し、本解析モデルでは摩擦力を考慮していることが主な理由である。

一方、ケース３はケース２の押抜きせん断耐力の約2倍の押抜きせん断耐力となった。この耐力の違いは杭頭のテーパ側面による効果であると推察される。

次に、図７は、解析結果のうち、ケース２，３の最大主ひずみコンター図を示した図である。

P=400kNに着目すると、ケース２では杭天端面から斜め方向にせん断ひび割れが発生しているのに対し、ケース３にはせん断ひび割れが生じていないことが分かる。これは、杭頭にテーパ側面を設けることで、杭頭のテーパ側面とコンクリート間の面直力（テーパ側面に直交する方向の力でN）が増加し、この面直力の増加に伴い、摩擦力（F=μN）が増大することになり、杭天端面に対するテーパ側面の荷重分担率が増加し、その結果、杭頭上部の応力が低減されたことが理由として考えられる。

次に、ケース３のせん断ひび割れ発生後の挙動に着目すると、図６および図７より、ケース２では、せん断ひび割れの発生と同時に荷重が低下し、押抜きせん断破壊が生じた（P=400kN）。これに対し、ケース３では、せん断ひび割れが発生し（P=640kN）、鉄筋の一部が降伏した後（P=740kN）も荷重が増加する結果となった。これは、杭頭がテーパ側面を有していることにより、杭頭がくさびのようにテーパ側面で押抜きせん断力を分担しているからであると推察される。

このように、三次元非線形有限要素解析である本解析により、従来の剛結合構造に比して本発明の剛結合構造の押抜きせん断耐力が大幅に向上することが検証されている。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…コンクリート基礎、２…杭、２ａ…埋設領域、２ｂ…側面（テーパ側面）、２ｃ…天端面（杭天端面）、１０…剛結合構造（コンクリート基礎と杭の剛結合構造）

Claims (1)

1. コンクリート基礎と杭の剛結合構造であって、
   前記杭の杭頭のうち、杭天端面から杭径長さ範囲の埋設領域が該杭天端面に向かって縮径した切頭円錐形を呈しており、
   前記埋設領域が前記コンクリート基礎に埋設されており、
   前記杭天端面と前記コンクリート基礎の上面までの間に離間があり、前記杭の内部に配筋されている縦方向の主筋が該杭天端面から上方に露出していない、コンクリート基礎と杭の剛結合構造。

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