JP7146607B2 - 杭と上部構造との接合構造、接合構造の施工方法、及び構造物 - Google Patents

Description

本発明は、構造物に用いられる上部構造と地盤に埋め込まれた杭との接合構造、接合構造の施工方法、及びこれらを用いて構築された構造物に関する。

従来、建築構造物又は土木構造物等の構造物において、地盤に埋め込まれた杭と杭の上に建てられる柱との接合部分の構造として、杭の頭部にフーチングを設けられた構造が知られている。そして、フーチングに対し、水平方向に基礎梁が固定され、鉛直方向に柱が固定されている。この場合、基礎梁が地盤の水平方向に格子状に設置されて、複数の杭の頭部（以下、杭頭と呼ぶ）を連結している。そのため、１つの杭頭の水平方向の変位は、基礎梁と他の杭頭により強固に支持される。従って、杭の上に建てられた柱の基部は、水平方向の変位が抑制される。そのため、構造物は、地震荷重や風荷重などによる水平方向に掛かる外力が加わっても安定する。

一方で、構造物は、基礎梁があるため、その施工の際に、掘削、鉄筋、型枠、コンクリート打設、型枠撤去、及び埋め戻しの工程が必要である。そのため、構造物を施工する際に多くの資材が必要で、長期の施工期間が掛かり、多大なコストが掛かるという課題があった。

上記のような課題を解決するために、例えば特許文献１に開示されているような杭と上部構造物の接合構造が用いられている。この接合構造は、杭の頭部と柱とを直接接合し、柱から伝わる鉛直力、水平力、及び曲げモーメントを杭に伝達でき、上記の従来の構造物が有する基礎梁を不要にしたものである。特許文献１に開示されている接合構造においては、杭と柱との水平方向及び鉛直方向の位置ずれに対して効率的に位置を調整し、柱と杭とを固定できる構造になっている。これにより、構造物は、基礎梁を構築することによるコスト、工程、資材、及び労力を削減できる。

特開２００７－９４３８号公報

特許文献１に開示されている杭と上部構造物との接合構造においては、２つの杭の間に基礎梁が設けられていないため、杭頭部の水平方向の支持する構造がない。従って、柱に加わる水平力及び曲げモーメントによって、杭頭部は、水平方向に移動しやすいという課題があった。さらに、特許文献１に開示されている杭と上部構造物との接合構造を有する構造物は、その設計段階で、上部構造と杭と地盤とを一体的に解析することにより、杭頭部の変形量及び杭頭部に掛かる荷重を算出し、算出結果に応じて安全な各部材の材質や断面を定める必要がある。従って、基礎梁を省略した杭と上部構造物との接合構造を採用した構造物においては、上部構造の規模及び地盤条件の少なくとも何れかにおいて適用限界があるという課題があった。また、杭と上部構造物との接合構造を構造物に適用できたとしても、杭、柱、及び梁の断面が、地中梁を有する従来構造物に比べて増大してしまうという課題があった。

例えば、特許文献１に開示されている杭と上部構造物との接合構造は、上部構造として３階建て以上の構造物には適用が困難であり、また粘土などの軟弱地盤地域においては適用が困難であるという課題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、杭頭間に基礎梁を有しない杭と上部構造との接合構造において、杭頭を水平方向に変位させる外力が加わっても、杭頭の水平方向変位を減少することができる杭と上部構造との接合構造、接合構造の施工方法、及び構造物を提供することを目的とする。

本発明に係る杭と上部構造との接合構造は、地盤の中に設置される杭と、前記杭の上方に建てられる上部構造と、前記杭と前記上部構造の下端部とを接合する接合部と、前記杭及び前記接合部の周りに形成され、前記地盤に形成された根切りに充填材を充填して形成された固化体と、前記上部構造の下端に接合される有底筒状の接合具と、を備え、前記接合部は、前記根切りの内側に配置された前記杭の上端部である杭頭部を前記接合具で覆って形成され、前記固化体は、当該固化体の側面が前記地盤と接した状態で前記地盤に埋め込まれているものである。

本発明に係る接合構造の施工方法は、地盤の中に杭を設置する工程と、前記杭の杭頭部の周囲の前記地盤に根切りを形成する工程と、前記杭の上方に上部構造が設置される上部構造設置工程と、前記根切りの側面に充填材が接触する様に前記根切りに前記充填材を充填して固化体を形成する充填工程と、を備え、前記上部構造設置工程は、前記上部構造の下端に接合される有底筒状の接合部を、前記根切りの内側に配置された杭頭部に被せるものである。

本発明に係る構造物は、上記の杭と上部構造との接合構造を備えるものである。

本発明によれば、杭の周りに固化体を設置し、固化体が地盤に埋め込まれていることにより、杭頭部を大きくする。これにより、杭頭部が水平方向に変位する力を受けた場合においても、埋め込まれた固化体から地盤が力を受けるため、地盤は力を受ける面積が増大する。そのため、杭頭部が水平方向に変位するときに地盤が変形しにくく、固化体が設置された杭頭部の水平方向変位が減少する。従って、上記の杭と上部構造との接合構造を備える構造物は、従来よりも規模を大きくすることができ、また軟弱地盤に対しても適用の範囲が広がる。

実施の形態１に係る杭と上部構造との接合構造１０を備える構造物１００の斜視図である。 実施の形態１に係る杭と上部構造の接合構造１０の断面図である。 図１の上部構造３０に水平方向荷重Ｐが加わったときに杭５０及び固化体４０に発生する反力を示す模式図である。 固化体４０に十分強度が高い材質を用いたときの杭と上部構造との接合構造１０の作用の説明図である。 固化体４０に強度が低い材質を用いたときの杭と上部構造との接合構造１０の作用の説明図である。 固化体４０として地盤９０と同じ土を埋め戻した場合の杭と上部構造との接合構造１０の作用の説明図である。 実施の形態１に係る杭と上部構造との接合構造１０に水平方向荷重Ｐを掛けたときの水平方向変位量ｙを測定した実験結果を示す図である。 実施の形態１に係る杭と上部構造との接合構造１０の周囲の地盤９０が沈下した場合の断面図である。 実施の形態１の変形例の杭と上部構造との接合構造１０ａの断面図である。 実施の形態１の変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｂの断面図である。 実施の形態１の変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｃの断面図である。 実施の形態１の変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｄの断面図である。 実施の形態１の変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｅの断面図である。 実施の形態１の変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｆの断面図である。 実施の形態１の変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｇの断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について説明する。各図において、同一の符号を付した部位については、同一の又はこれに相当する部位を表すものであって、これは明細書の全文において共通している。また、明細書全文に表れている構成要素の形態は、あくまで例示であって、本発明は明細書内の記載のみに限定されるものではない。特に構成要素の組み合わせは、各実施の形態における組み合わせのみに限定するものではなく、他の実施の形態に記載した構成要素を別の実施の形態に適用することができる。さらに、添字で区別等している複数の同種の部位について、特に区別したり、特定したりする必要がない場合には、添字を省略して記載する場合がある。また、図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る杭と上部構造との接合構造１０を備える構造物１００の斜視図である。図２は、実施の形態１に係る杭と上部構造の接合構造１０の断面図である。図１及び図２は、杭と上部構造との接合構造１０及び構造物１００を模式的に表したものである。構造物１００は、杭５０と上部構造３０とを接合して形成されたもの全体を意味し、図２に示される杭と上部構造との接合構造１０を少なくとも１つ備える。また、構造物１００は、水平方向において、杭と上部構造との接合構造１０と、構造物１００を構成する他の構造とを接続する部材を備えていない。

例えば、構造物１００は、杭と上部構造との接合構造１０同士を接続する基礎梁（地中梁）等の構造を備えていない、建築構造物又は土木構造物である。すなわち、構造物１００は、１つの柱３１に対し、１つの杭が接続されて構成されている、一柱一杭構造を有している。なお、図１に示される構造物１００は、一例であり、上部構造３０にその他の構造部材を備えていても良い。

図２に示される杭と上部構造との接合構造１０は、地盤９０の中に設置された杭５０と、上部構造３０の下端部を構成する柱３１と、を接合する部分の構造である。柱３１の下端には接合具６０が接合されており、接合具６０は、杭５０の上端部である杭頭部５１を覆い、接合部２０を形成している。接合部２０の周りには、固化体４０が設置されている。固化体４０の周りは、地盤９０であり、固化体４０に接している。なお、構造物１００において、隣合う杭と上部構造との接合構造１０同士の間は、地盤９０のみ、又は地盤９０及び固化体同士を繋ぐ仮想線に対し交差する方向に延びる部材のみが配置されている。即ち、構造物１００は、隣合う杭と上部構造との接合構造１０の固化体同士の間を接続する基礎梁のような構造、部材を有さない。

上部構造３０は、主に柱３１と柱３１間を接続する梁３２とにより構成される。柱３１は、上部構造３０の下端部を構成しており、例えばＨ形鋼又は鋼管等の材料により構成されるものである。柱３１の下端は、接合具６０が溶接接合、ボルト止め等の接合手段により接合されている。図２において、接合具６０は、円筒部６２とトッププレート６１とを溶接等の接合手段により接合して構成されており、円筒部６２の上端がトッププレート６１により塞がれた有底筒状を成している。

杭５０は、例えば地盤９０の中に設置された鋼管杭又はコンクリート杭であり、上部構造３０を支持する杭基礎を構成する。杭５０は、その長手方向を上下方向に向けて、下端５２が地盤９０の支持層に達するように設置されるものである。杭５０の断面積及び長さは、上部構造３０の規模により適宜設定されるものである。

図２に示される様に、杭５０の杭頭部５１は、接合具６０が被せられ、上部構造３０と杭５０とが接合される。図２においては、杭５０の杭頭部５１と接合具６０との間には、隙間が無く、互いに接するように表示されているが、実際には隙間が設けられていても良い。接合具６０の上面を構成するトッププレート６１は、例えば孔（図示せず）が設けられており、孔から充填材を注入できる様に形成されている。孔から充填された充填材は、接合具６０と杭５０の杭頭部５１との隙間を満たし、固化する。上部構造３０に加わった荷重は、接合具６０と杭５０の杭頭部５１との隙間に満たされた固化した充填材を介して杭５０に伝達される。なお、充填材は、例えばコンクリート等の材料を用いることができる。実施の形態１においては、充填材としてコンクリートが用いられ、上部構造３０と杭５０とはコンクリート充填接合されている。この、上部構造３０の柱３１と杭５０の杭頭部５１とを接合した部分を接合部２０と称する。

図２に示される様に、接合部２０の周囲には固化体４０が設置されている。固化体４０は、接合部２０の側面を囲み配置され、接合部２０と接している。固化体４０は、断面において外形が台形になっている。つまり、固化体４０の上面４１は、下面４２よりも幅が広く形成されており、これは図２に示される視点に対し直交する水平方向においても同様である。固化体４０の側面４３は、上面４１から下面４２に向かうに従い接合部２０側に近づく様に傾斜する面になっている。

固化体４０は、杭５０の上端部である杭頭部５１よりも水平方向に幅が広くなっており、また接合部２０を含めた幅よりも大きい。上部構造３０に外力が加わり、杭頭部５１に対し水平方向の荷重が掛かったときに、地盤９０は、接合部２０から固化体４０を介して荷重が掛かる。このとき、地盤９０は、接合部２０から直接荷重が掛かるよりも広い面積で荷重を受けることができる。従って、杭頭部５１の水平方向変位が抑えられる。

固化体４０は、接合部２０の周囲の地盤９０を掘削し、表面９１に開口する根切り９２を形成して、充填材を根切り９２に注入することにより設置される。つまり、固化体４０は、根切り９２に充填された充填材が固化して形成されたものである。充填材は、例えば、コンクリート、モルタル、鉄鋼スラグ固化体、セメント混入地盤改良体、又はソイルセメント固化体である。

根切り９２は、地盤９０を掘削して形成される。即ち、根切り９２は、接合部２０の周りに接合部２０の側面２１から所定の距離を置いて、土などの地盤９０を構成するものを盛って形成されるものではない。地盤９０の上に土などを持って根切り９２を形成した場合、根切り９２の側面９３は、締め固める等の地盤９０の強度を上げるための工程が必要になる。よって、盛り土により根切り９２を形成するに当たり余計な作業が増え、コストの増加及び工期の長期化の懸念がある。従って、根切り９２は、地盤９０の表面９１を掘削して形成されるのが望ましく、更には掘削前に地盤９０の表面９１を整地すると共に締め固める作業をしても良い。このようにすることで、固化体４０の周りの地盤９０の強度が上がり、杭頭部５１の水平方向変位がより抑えられる。

（杭と上部構造との接合構造１０の固化体４０の作用）
図３は、図１の上部構造３０に水平方向荷重Ｐが加わったときに杭５０及び固化体４０に発生する反力を示す模式図である。図３は、杭５０の中心軸を含む断面を示している。上部構造３０に水平方向荷重Ｐが加わると、柱３１から接合部２０に荷重が伝達され、接合部２０から杭頭部５１及び固化体４０に荷重が伝達する。杭頭部５１及び固化体４０に伝達された荷重は、杭５０及び固化体４０と接する地盤９０に伝達され、地盤９０から反力を受ける。

杭５０は、杭頭部５１に水平方向の荷重が掛かると、杭５０の下端５２又は杭頭部５１と下端５２との間の点を中心として回転する様に変位する。同様に固化体４０も、杭５０の下端５２又は杭頭部５１と下端５２との間の点を中心として回転するように変位する。よって、固化体４０は、水平方向の地盤９０から側面４３に反力ｆ１を受け、下側の地盤９０から下面４２に反力ｆ３を受けることになる。また、杭５０は、固化体４０の下面４２から下に位置する杭側面５３に地盤９０から水平方向の反力ｆ２を受ける。反力ｆ２は、杭５０の剛性及び長さにもよるが、概ね杭頭部５１側が大きく下端５２に向かうに従い小さくなるように分布している。

また、固化体４０の水平方向荷重Ｐに平行な側面４３は、地盤９０に接しているため摩擦による反力ｆ５を受ける。同様に固化体４０の下面４２も水平方向に摩擦による反力ｆ４を受ける。固化体４０及び杭５０は、ｆ１～ｆ５により示される反力を受けることにより、変位が抑えられる。特に、固化体４０は、杭５０の上端に位置しており、側面４３と接している地盤９０に水平方向から支持され、変位を抑えることができる。

図４～６は、図１の上部構造３０に水平方向荷重Ｐが加わったときの杭と上部構造との接合構造１０の作用の説明図である。図４～６は、下側に表示されている（ｂ）が図１と同じ断面を示しており、上側に表示されている（ａ）が杭と上部構造との接合構造１０を平面視した図である。図４～６においては、図３における反力ｆ１～ｆ５のうち、反力ｆ１だけを考慮して固化体４０が水平方向に受ける抵抗力について説明する。

図４は、固化体４０に十分強度が高い材質を用いたときの杭と上部構造との接合構造１０の作用の説明図である。杭と上部構造との接合構造１０は、固化体４０に用いる材料の強度により、上部構造３０に加わる水平方向荷重Ｐに対する挙動が変わる。つまり、固化体４０を構成する材質の強度が高いと、固化体４０が破損せずに接合部２０からの水平方向の荷重を受け、固化体４０からの水平方向の荷重を地盤９０が受ける。これにより、地盤９０の強度及び固化体４０の水平方向の投影面積に依存して杭頭部５１の水平方向変位が抑えられる。

ここで、図３に示される、Ｐを上部構造３０に加わる外力の水平方向成分とし、Ｂ１を固化体４０の上面４１の水平方向の幅、Ｂ２を固化体４０の下面４２の水平方向の幅、Ｈを固化体４０の下面４２から上面４１までの高さ、Ｄを接合部２０の直径、とする。接合部２０の直径Ｄは、接合具６０の円筒部６２の断面の直径である。実施の形態１においては、接合具６０の上端は、固化体４０の上面４１と一致しており、接合具６０の下端は、固化体４０の下面４２と一致している。また、固化体４０の内部にある内部構造７０を地盤の表面に平行な水平方向に投影した投影面積をＡ１とし、固化体４０を水平方向に投影した投影面積をＡ２とする。

上部構造３０に外力が加わったとき、水平方向荷重Ｐは、柱３１から接合部２０に伝達され、さらに、杭頭部５１と固化体４０とに伝達される。水平方向荷重Ｐは、固化体４０の側面４３において地盤９０により支持される。従って、固化体４０が受ける水平抵抗力は、固化体４０の水平方向の投影面積分の地盤反力である。このとき、固化体４０からの力を受ける地盤９０の受圧面積は、Ａ２＝（Ｂ１＋Ｂ２）Ｈ／２で表される。地盤９０の一軸圧縮強度をｑｕとすると、図４の状態において、地盤９０が水平方向に受けることができる極限荷重Ｐｕ１は、
Ｐｕ１＝ｑｕ・Ａ２ ・・・（１）
で表すことができる。

図５は、固化体４０に強度が低い材質を用いたときの杭と上部構造との接合構造１０の作用の説明図である。固化体４０の極限せん断応力τが十分に高い場合、図４に示される様に水平方向荷重Ｐは、固化体４０の側面４３と接する地盤９０により支持される。しかし、固化体４０の極限せん断応力τが低い場合は、接合部２０から固化体４０に荷重が伝達すると固化体４０がせん断破壊する。具体的には、図５（ａ）に示される様に、接合部２０から荷重を受ける部分と受けない部分との境界Ｌで固化体４０がせん断破壊する。そのため、固化体４０がせん断破壊した後に水平方向荷重Ｐを受ける地盤９０の面積は、接合部２０を水平方向に投影した面積Ａ１＝Ｄ・Ｈになる。つまり、固化体４０の強度が低い場合は、水平方向荷重Ｐが固化体４０の全体の投影面積分の地盤９０により受けられない状態になる。なお、図５において、固化体４０の寸法は、図４と同じになっている。

従って、図５においては、水平方向荷重Ｐは、固化体４０のせん断強度Ｓと接合部２０を水平方向に投影した面積分の地盤９０により支持される。固化体４０のせん断強度Ｓは、固化体４０の材質の圧縮強度を圧縮強度Ｋとすると、固化体４０の極限せん断応力τは、τ＝Ｋ／１０で表される。また、固化体４０のせん断面積Ａ_Ｋは、図５の境界Ｌの断面積であるため、
Ａ_Ｋ＝２（Ｂ１／２＋Ｂ２／２）Ｈ／２＝（Ｂ１＋Ｂ２）Ｈ／２＝Ａ２
で表される。従って、固化体４０のせん断強度Ｓは、
Ｓ＝τＡ２
で表される。

また、図５において、地盤９０が水平方向に受けることができる極限荷重Ｐ_０は、
Ｐ_０＝ｑｕ・Ａ１
で表される。従って、図５のように固化体４０の極限せん断応力τが低い場合は、固化体４０及び地盤９０が受けられる水平方向の極限荷重Ｐｕ２は、
Ｐｕ２＝Ｐ_０＋Ｓ＝ｑｕ・Ａ１＋τＡ２ ・・・（２）
で表される。

図４及び図５から、固化体４０がせん断破壊せずに固化体４０が杭５０と一体となって挙動して地盤９０からの水平方向抵抗力を確保するための固化体４０の圧縮強度Ｋを求める。すると、図５の様に固化体４０がせん断破壊する場合の地盤９０が受けられる水平方向の極限荷重Ｐｕ２が、図４のように固化体４０が破壊しない場合の地盤９０が受けられる水平方向の極限荷重Ｐｕ１以上であれば、固化体４０が破壊せずに杭５０と一体となって挙動する。このような条件は、Ｐｕ２≧Ｐｕ１で表されるが、上記式（１）、式（２）、及びτ＝Ｋ／１０より、固化体４０に必要な圧縮強度Ｋは、
Ｋ≧１０・ｑｕ（１－Ａ１／Ａ２） ・・・（３）
と表される。

実施の形態１において、固化体４０の水平方向投影面積Ａ２は、固化体４０の内部にある接合部２０の水平方向投影面積Ａ１よりも大きいため、式（３）のＡ１／Ａ２は、０～１の範囲で変化する。よって、固化体４０の大きさ（水平方向の投影面積Ａ２）に拘わらず、固化体４０がせん断破壊せずに杭５０と一体となって挙動し、地盤９０からの水平方向抵抗力を確保するための十分条件は、Ｋ≧１０・ｑｕとなる。

以上の説明から、実施の形態１に係る固化体４０を有する杭と上部構造との接合構造１０において、固化体４０の圧縮強度をＫ≧１０・ｑｕとすることにより、固化体４０は、杭５０と一体に挙動し、水平方向荷重Ｐによる杭と上部構造との接合構造１０の水平方向変位を抑えることが可能となる。つまり、固化体４０の圧縮強度Ｋは、地盤９０の一軸圧縮強度ｑｕの１０倍以上を確保していれば良いことになる。

図６は、固化体４０として地盤９０と同じ土を埋め戻した場合の杭と上部構造との接合構造１０の作用の説明図である。根切り９２に地盤９０の土を埋め戻した場合、固化体４０の強度は、周辺の地盤９０の強度と同じである。従って、図６の状態において、地盤９０が水平方向に受けることができる極限荷重Ｐｕ３は、接合部２０の水平方向の投影面積Ａ１＝Ｄ・Ｈとして、
Ｐｕ３＝ｑｕ・Ａ１ ・・・（４）
として表される。

図７は、実施の形態１に係る杭と上部構造との接合構造１０に水平方向荷重Ｐを掛けたときの水平方向変位量ｙを測定した実験結果を示す図である。実験は、固化体４０の材質を変えて実施され、図７のＮｏ．１で示される実験結果は、固化体４０として埋戻土を用い、Ｎｏ．２及びＮｏ．４の実験結果は、固化体４０として改良土を用い、Ｎｏ．３の実験結果は、固化体４０としてコンクリートを用いている。なお、Ｎｏ．１～Ｎｏ．４の実験結果は、接合部２０の直径Ｄを全て同じ条件で実施しており、即ち、接合部２０を水平方向に投影した面積Ａ１を全て同じ値で揃えて実施している。また、Ｎｏ．１～Ｎｏ．３の実験結果は、固化体４０を水平方向に投影した投影面積Ａ２を同じ値に揃えて実施している。

図７のＮｏ．１～Ｎｏ．３に示される実験結果をそれぞれ同じ水平方向変位量ｙで比較すると、固化体４０としてコンクリートを使用したＮｏ．３の水平方向荷重Ｐが最も高く、その次に改良土を使用したＮｏ．２、埋戻土を使用したＮｏ．１と続く。コンクリートは、一般に圧縮強度が１８０００［ｋＮ／ｍ^２］であり、標準貫入試験のＮ値を３とした場合であっても、地盤９０の一軸圧縮強度は、７５［ｋＮ／ｍ^２］であるため、コンクリートの圧縮強度は、地盤９０の一軸圧縮強度の１０倍以上の強度を有している。そのため、図７のＮｏ．３の実験条件においては、固化体４０がせん断破壊することなく、地盤９０は、固化体４０の水平方向投影面積Ａ２の全体で水平方向荷重Ｐを受けることができる。よって、杭と上部構造との接合構造１０は、水平方向荷重Ｐを受けても変位を抑える効果が高い。また、Ｎｏ．３の実験結果は、所定の水平方向投影面積Ａ２を有する固化体４０を有する杭と上部構造との接合構造１０のものであるが、固化体４０の水平方向投影面積Ａ２を増加させると所定の水平方向荷重Ｐに対する水平方向変位量ｙは、小さくなる。

また、図７のＮｏ．２の実験条件においては、固化体４０として改良土を用いている。この改良土は、圧縮強度Ｋが１００［ｋＮ／ｍ^２］のものである。改良土は、地盤９０の一軸圧縮強度よりも圧縮強度が高いが、１．３倍程度である。図５に示される様に改良土により構成された固化体４０は、せん断破壊を起こしている。そのため、図７においては、Ｎｏ．２及びＮｏ．１の実験結果における所定の水平方向荷重Ｐに対する水平方向変位量ｙは、コンクリートを用いたＮｏ．３の実験結果と比較して大きい結果となっている。

なお、図７のＮｏ．２とＮｏ．４との実験結果を比較すると、水平方向荷重Ｐと水平方向変位量ｙとの関係は、ほぼ同じになっている。この２つの実験結果は、固化体４０として同じ改良土を用いているためであると考えられるが、同じ水平方向変位量ｙで比較した場合、固化体４０のせん断面積Ａ_ｋ（水平方向投影面積Ａ２）が大きいＮｏ．４のほうが、水平方向荷重Ｐが若干高い結果となっている。

固化体４０には、コンクリートだけでなく、モルタル、鉄鋼スラグ固化体、セメント混入地盤改良体、又はソイルセメント固化体等を用いることができる。これらの材質は、一般に地盤９０の一軸圧縮強度ｑｕに対し１０倍以上の圧縮強度を有しており、杭頭部５１の水平方向変位を抑えることができる。

（杭と上部構造との接合構造１０の施工方法）
以上のように、固化体４０に圧縮強度の高い材質を適用することにより、杭頭部５１の水平方向変位を抑えることができる。一例として、固化体４０にコンクリートを適用した場合の杭と上部構造との接合構造１０の施工方法について以下に説明する。

まず、地盤９０の中に杭５０が設置される。杭５０の設置方法は特に限定されるものではない。杭５０は、例えば鋼管杭である。

次に、杭５０の杭頭部５１の周囲を掘削し、根切り９２を形成する掘削工程が行われる。掘削工程は、杭頭部５１の周囲を所定の深さ、幅で地盤９０を掘削し、所定の寸法の根切り９２が形成される。根切り９２は、掘削した後で側面９３及び底面９４を突き固める等して成形しても良い。また、根切り９２の側面９３は、垂直に形成すると崩落し易いため、例えば地盤９０の表面に垂直な面に対し３０°の傾斜角度（水平面に対し６０°の傾斜角度）を持つ斜面に形成されると良い。

また、掘削工程の後に、根切り９２の底面９４に捨てコンクリート（図示せず）及びレベルモルタル（図示せず）を設けても良い。図１に示される様に、接合部２０の構成が、接合具６０を杭頭部５１に被せて接合するような構造の場合、接合具６０を捨てコンクリート及びレベルモルタルの上に置くことにより、位置を正確に出すことができる。

掘削工程の後には、杭５０の上方に上部構造３０が設置される。つまり、実施の形態１においては、杭５０の杭頭部５１に接合具６０が被せられ、接合具６０と杭頭部５１との間の隙間に充填材が注入され、接合部２０が形成される。なお、上部構造３０の柱３１は、接合具６０が杭５０に接合された後に接合されても良い。この工程を上部構造設置工程と称する。

上部構造設置工程の後に、根切り９２に固化して固化体４０となる充填材が注入される。この工程を充填工程と称する。実施の形態１において、充填材は、コンクリートである。充填材が根切り９２に充填されるため、固化体４０は、周囲の地盤９０と接して設置される。また、固化体４０は、根切り９２の形状に合わせて成形されることになる。実施の形態１においては、図１に示される様に、断面形状が台形になっており、平面視すると矩形に形成されているが、この形状に限定されるものではない。例えば、固化体４０は、断面形状が矩形で、平面視において矩形になるように根切り９２を形成すると、平面視における固化体４０の占有面積を小さくすることができ、周辺の例えば配線ピット等の構造物との干渉を避けることができる。なお、固化体４０の平面視とは、固化体４０を杭５０の軸方向視点から見た状態を指す。

杭と上部構造との接合構造１０の施工方法は、上記の工程を備える。根切り９２に充填されたコンクリートが固化すると、固化体４０となる。固化体４０の周囲の地盤９０は、埋め戻されたり盛り土をされたものではなく、当初の締め固まった状態の土により構成されている。そのため、固化体４０が接する地盤９０は、下面４２及び側面４３が締め固まった状態で強度が高い。従って、杭と上部構造との接合構造１０は、固化体４０が締め固まった地盤９０に形成された根切り９２の内面に接した状態で隙間なく形成されるため、水平方向荷重Ｐを受けても固化体４０の変位が最小限に抑えられる。

図８は、実施の形態１に係る杭と上部構造との接合構造１０の周囲の地盤９０が沈下した場合の断面図である。杭と上部構造との接合構造１０は、固化体４０が接合部２０の周囲に形成されるが、固化体４０が下方向に移動可能に構成されていても良い。実施の形態１においては、固化体４０は、例えばコンクリートを固化して形成されているため、固化体４０と接合部２０の側面２１とは接している。接合部２０の側面２１に固化体４０が引っ掛かる構造を備えないように構成することで、固化体４０と側面２１との間は、摩擦力が働くのみで、固化体４０が下方に移動可能に構成することができる。このように構成されることにより、地盤９０が沈下したときに、固化体４０が地盤９０の沈下に追従することができる。

地盤９０が沈下すると、地盤９０の表面９１、根切り９２の側面９３、及び底面９４が略平行に下方に移動する。仮に固化体４０が下方に移動できない構成であった場合、固化体４０は、当初の位置に固定されたままになり、根切り９２の内面との間に図８に示される隙間ｗが出来てしまう。そのため、杭と上部構造との接合構造１０の水平方向は、地盤９０に支持されないため、上部構造３０が水平方向荷重Ｐを受けたときに、水平方向変位が大きくなってしまう。しかし、固化体４０が接合部２０等の内部構造７０に対し下方に移動可能に構成されることにより、固化体４０は、地盤９０の沈下に追従して移動し、地盤９０と接した状態を維持できるため、水平方向変位を抑える効果を維持することができる。

（変形例）
図９は、変形例の杭と上部構造との接合構造１０ａの断面図である。実施の形態１に係る杭と上部構造との接合構造１０は、以下のように各部を変形しても良い。例えば、図２に示される杭と上部構造との接合構造１０においては、接合部２０を形成している接合具６０の上端及び下端が、固化体４０の上面４１及び下面４２と一致している。しかし、図９に示される様に変形例に係る杭と上部構造との接合構造１０ａにおいては、接合具６０は、固化体４０の上面４１よりもはみ出して設置されていても良い。この場合、水平方向投影面積Ａ１は、接合具６０及び杭５０の固化体４０の内部にある部分を水平方向に投影した面積となる。固化体４０の内部にある上部構造３０の下端部及び杭５０の一部分を内部構造７０と称する。

図１０は、変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｂの断面図である。変形例に係る杭と上部構造との接合構造１０ｂは、上部構造３０と杭５０との接合部２０が固化体４０の上面４１よりも上方に位置している。この場合、水平方向投影面積Ａ１は、固化体４０の内部に位置する杭５０の一部分を水平方向に投影した面積となる。

図１１は、変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｃの断面図である。変形例に係る杭と上部構造との接合構造１０ｃは、上部構造３０と杭５０との接合部２０の構造が異なる。接合部２０は、杭頭部５１の上端に接合されたプレート５４と上部構造３０の下端部に接合されたプレート６５とがボルト接合されている。締結固定するボルト６４は、杭と上部構造との接合構造１０ｃに複数設けられている。

図１２は、変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｄの断面図である。変形例に係る杭と上部構造との接合構造１０ｄは、上部構造３０と杭５０との接合部２０の構造が異なる。接合部２０は、杭頭部５１の上端から杭５０の内部に上部構造３０の柱３１の下端を挿し込んで構成される。柱３１と杭５０の内側面との間には、充填材を充填して固化させることにより、柱３１と杭５０とが固定されている。柱３１と杭５０との固定に用いる充填材と固化体４０を形成するための充填材は、同じでも良い。つまり、柱３１と杭５０との固定及び固化体４０を形成する充填工程とを同時に行っても良い。

図１３は、変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｅの断面図である。変形例に係る杭と上部構造との接合構造１０ｅは、内部構造７０として、接合部２０の側面２１に取り付けられたフィン８１を備える。フィン８１は、接合具６０の側面６３から突出するように設けられている。そのため、フィン８１が突出する方向と直交する方向において、水平方向投影面積Ａ１が増加する。フィン８１が設けられていることにより、内部構造７０から固化体４０に伝達される圧力を分散して、固化体４０の強度が小さい場合にも固化体４０が破壊するのを抑える効果がある。

図１４は、変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｆの断面図である。変形例に係る杭と上部構造との接合構造１０ｆは、固化体４０の内部に鉄筋８２を配置している。鉄筋８２により、固化体４０のせん断強度Ｓが補強されるため、固化体４０の水平方向の幅を大きくし、水平方向投影面積Ａ２を更に大きくすることができ、水平方向変位を抑える効果を高くすることも可能となる。鉄筋８２は、中央にある内部構造７０を取り囲む様に設置されている。鉄筋８２の本数及び配置は、図１４に示される形態のみに限定されるものではない。

図１５は、変形例の杭と上部構造との接合構造１０ｇの断面図である。杭と上部構造との接合構造１０ｇは、基本的な構造が図２に示される杭と上部構造との接合構造１０と同じである。しかし、固化体４０の内部に配置されている内部構造７０と固化体４０との間に仲介部材８０が配置されている点で異なる。仲介部材８０は、内部構造７０の側面である接合具６０の側面６３と隣合って配置されている。また、仲介部材８０と接合具６０とは、隣接していても良い。さらに、仲介部材８０と接合具６０の側面６３との間、又は仲介部材８０と固化体４０との間は、上下に移動可能に構成されている。

例えば、仲介部材８０は、薄い金属板により構成され、固化体４０と接合具６０とが直接接しないようにして、接合具６０と固化体４０とを上下に相対移動可能に構成しても良い。更に、仲介部材８０は、例えばアンボンド剤であっても良く、接合具６０の側面６３に塗布して接合具６０の側面６３と固化体４０との間の摩擦力を低下させることにより、接合具６０と固化体４０とを上下に相対移動可能に構成しても良い。

図９～図１５に示される様に、上部構造３０と杭５０との接合部２０は、固化体４０に対する位置を変更しても良いし、接合のための構造を変更しても良い。接合部２０の構造を変更しても、固化体４０が十分な圧縮強度を備えていることにより、固化体４０が破損することなく、周囲の地盤９０による水平方向変位を抑える効果を得られる。実施の形態１に係る杭と上部構造との接合構造１０、１０ａ～１０ｇのように、上部構造３０及び杭５０の形状は、様々な形態を取ることができるため、様々な建築構造物又は土木構造物に杭と上部構造との接合構造を適用することができる。

以上に本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施の形態の構成のみに限定されるものではない。例えば、接合部２０は、上述した構造のみに限定されるものではない。また、固化体４０の形状も、平面視において、正方形だけに限定されるものではなく、円形、長方形、その他の多角形に形成されても良い。さらに、上記の杭と上部構造との接合構造１０、１０ａ～１０ｇは、それぞれの構造を適宜組み合わせて用いることもできる。要するに、いわゆる当業者が必要に応じてなす種々なる変更、応用、利用の範囲をも本発明の要旨（技術的範囲）に含むことを念のため申し添える。

１０ 接合構造、１０ａ 接合構造、１０ｂ 接合構造、１０ｃ 接合構造、１０ｄ 接合構造、１０ｅ 接合構造、１０ｆ 接合構造、１０ｇ 接合構造、２０ 接合部、２１ 側面、３０ 上部構造、３１ 柱、３２ 梁、４０ 固化体、４１ 上面、４２ 下面、４３ 側面、５０ 杭、５１ 杭頭部、５２ 下端、５３ 杭側面、５４ プレート、６０ 接合具、６１ トッププレート、６２ 円筒部、６３ 側面、６４ ボルト、６５ プレート、７０ 内部構造、８０ 仲介部材、８１ フィン、８２ 鉄筋、９０ 地盤、９１ 表面、９２ 根切り、９３ 側面、９４ 底面、１００ 構造物、Ａ１ 水平方向投影面積、Ａ２ 水平方向投影面積、Ａ_Ｋ せん断面積、Ｋ 圧縮強度、Ｌ 境界、Ｐ 水平方向荷重、Ｐ０ 極限荷重、Ｐｕ１ 極限荷重、Ｐｕ２ 極限荷重、Ｐｕ３ 極限荷重、Ｓ せん断強度、ｆ１ 反力、ｆ２ 反力、ｆ３ 反力、ｆ４ 反力、ｆ５ 反力、ｑｕ 一軸圧縮強度、ｗ 隙間、ｙ 水平方向変位量、τ 極限せん断応力。

Claims (26)

1. 地盤の中に設置される杭と、
   前記杭の上方に建てられる上部構造と、
   前記杭と前記上部構造の下端部とを接合する接合部と、
   前記杭及び前記接合部の周りに形成され、前記地盤に形成された根切りに充填材を充填して形成された固化体と、
   前記上部構造の下端に接合される有底筒状の接合具と、を備え、
   前記接合部は、
   前記根切りの内側に配置された前記杭の上端部である杭頭部を前記接合具で覆って形成され、
   前記固化体は、
   当該固化体の側面が前記地盤と接した状態で前記地盤に埋め込まれている、杭と上部構造との接合構造。
2. 前記固化体の上面は、
   前記地盤の表面に位置する、請求項１に記載の杭と上部構造との接合構造。
3. 前記固化体の下面は、
   前記接合部よりも下方に位置する、請求項１又は２に記載の杭と上部構造との接合構造。
4. 前記接合部は、
   前記固化体の上面から下面の間に位置する、請求項１～３の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
5. 前記固化体の上面は、
   前記接合部よりも下方に位置する、請求項１～３の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
6. 前記固化体の前記側面は、
   前記固化体の上面から下面に向かうに従い前記杭に近づく様に傾斜している、請求項１～５の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
7. 前記地盤の一軸圧縮強度をｑｕ、前記固化体の内部にある内部構造物を前記地盤の表面に平行な水平方向に投影した投影面積をＡ１、前記固化体の前記水平方向に投影した投影面積をＡ２、前記固化体の圧縮強度をＫとしたときに、
   Ｋ≧１０・ｑｕ・（１－Ａ１／Ａ２）を満たす、請求項１～６の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
8. 前記固化体の内部にある前記内部構造物は、
   当該内部構造物の側面から外側に突出するフィンを備える、請求項７に記載の杭と上部構造との接合構造。
9. 前記固化体の圧縮強度Ｋは、
   １８Ｎ／ｍｍ^２以上である、請求項１～８の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
10. 前記固化体は、
    コンクリート、モルタル、鉄鋼スラグ固化体、セメント混入地盤改良体、又はソイルセメント固化体、の何れかである、請求項１～９の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
11. 前記接合部は、
    コンクリート充填接合により前記杭と前記接合具とを接合している、請求項１～１０の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
12. 前記杭は、鋼管杭又はコンクリート杭であり、
    前記上部構造は、鋼管又はＨ形鋼により構成された柱を含む、請求項１～１１の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
13. 前記固化体は、
    前記固化体の内側にある内部構造に対し、前記杭の軸方向において下方に移動可能に構成されている、請求項１～１２の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
14. 前記杭、前記接合部、及び前記上部構造の前記下端部の少なくとも１つの周りに隣合って配置される仲介部材を更に備え、
    前記固化体は、
    前記仲介部材の周囲に隣接して設置される、請求項１３に記載の杭と上部構造との接合構造。
15. 前記固化体は、
    前記杭の軸方向視点において、矩形である、請求項１～１４の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
16. 前記固化体は、
    前記固化体の内部にある内部構造を囲んで配置される鉄筋を内部に備える、請求項１～１５の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造。
17. 地盤の中に杭を設置する工程と、
    前記杭の杭頭部の周囲の前記地盤に根切りを形成する工程と、
    前記杭の上方に上部構造が設置される上部構造設置工程と、
    前記根切りの側面に充填材が接触する様に前記根切りに前記充填材を充填して固化体を形成する充填工程と、を備え、
    前記上部構造設置工程は、
    前記上部構造の下端に接合される有底筒状の接合部を、前記根切りの内側に配置された杭頭部に被せる工程を含む、接合構造の施工方法。
18. 前記根切りを形成する工程は、
    前記根切りの側面を上面から下面に向かうに従い前記杭に近づく様に傾斜して形成する、請求項１７に記載の接合構造の施工方法。
19. 前記根切りを形成する工程は、
    前記地盤を掘削して前記根切りを形成する、請求項１７又は１８に記載の接合構造の施工方法。
20. 前記根切りを形成する工程は、
    前記地盤の一軸圧縮強度をｑｕ、前記固化体の内部にある内部構造物を前記地盤の表面に平行な水平方向に投影した投影面積をＡ１、前記固化体の前記水平方向に投影した投影面積をＡ２、前記固化体の圧縮強度をＫとしたときに、
    Ｋ≧１０・ｑｕ・（１－Ａ１／Ａ２）を満たすように前記根切りを形成する、請求項１７～１９の何れか１項に記載の接合構造の施工方法。
21. 前記根切りを形成する工程は、
    前記地盤に杭を設置する工程の後に行われる、請求項１７～２０の何れか１項に記載の接合構造の施工方法。
22. 前記上部構造設置工程と前記充填工程との間に、前記根切りの中に配置された前記上部構造と前記杭との接合部の周囲に、前記接合部の側面に隣接して仲介部材が配置する工程を更に備え、
    前記充填工程は、
    前記仲介部材と前記根切りの側面との間に前記充填材を充填する、請求項１７～２１の何れか１項に記載の接合構造の施工方法。
23. 地盤の中に杭を設置する工程と、
    前記杭の杭頭部の周囲の前記地盤に根切りを形成する工程と、
    前記杭の上方に上部構造が設置される上部構造設置工程と、
    前記根切りに充填材を充填する充填工程と、
    前記上部構造設置工程と前記充填工程との間に、前記根切りの中に配置された前記上部構造と前記杭との接合部の周囲に、前記接合部の側面に隣接して仲介部材が配置する工程と、を備え、
    前記上部構造設置工程は、
    前記上部構造の下端に接合される有底筒状の接合部を、前記根切りの内側に配置された杭頭部に被せる工程を含み、
    前記充填工程は、
    前記仲介部材と前記根切りの側面との間に前記充填材を充填する、接合構造の施工方法。
24. 請求項１～１６の何れか１項に記載の杭と上部構造との接合構造を備える、構造物。
25. 複数の前記杭と上部構造との接合構造を備え、
    隣合う２つの前記杭と上部構造との接合構造が有するそれぞれの前記固化体同士の間は、
    前記地盤のみ、又は前記地盤及び隣合う２つの前記固化体同士を繋ぐ仮想線に対し交差する方向に延びる部材のみが配置される、請求項２４に記載の構造物。
26. 複数の前記杭と上部構造との接合構造を備え、
    隣合う２つの前記杭と上部構造との接合構造が有するそれぞれの前記固化体同士の間は、
    当該固化体同士を接続する部材を有さない、請求項２５に記載の構造物。

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