JP7171328B2 - 場所打ち拡径杭の構築方法 - Google Patents

Description

本発明は、場所打ち拡径杭の構築方法に関する。

一般に、場所打ち杭工法は、杭の上部ほど地震時の応力が大きくなるため、杭頭部において必要な曲げ耐力及びせん断耐力を確保できるコンクリート強度および断面寸法により杭全体を設計する。
一方、場所打ち杭１本当たりの支持力を増大させるために、杭先端や杭の長手方向の複数個所に支持力が期待できる地層に対応させて複数の拡径部を形成するように設計される多段場所打ち拡径杭工法においては（特許文献１参照）、拡径部に大きな支持力を負担させることができるため、拡径部を除く軸部の杭径を小さくすることが可能となる。しかし、軸部の杭径を絞り過ぎると、軸部に応力が集中することから、軸部に必要な設計耐力が、その他の部分の設計耐力を大きく上回り、拡径の長所を生かせず、返って不経済になる場合がある。

特開Ｈ４－２６５３１２号公報

本発明は、場所打ち拡径杭の前記問題点を解決することを目的とするものであり、拡径部で大きな支持力を担いつつ、軸部に発生する大きな断面応力に対抗できる場所打ち拡径杭の構築方法を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、拡径部を備えた場所打ち拡径杭の構築方法である。

請求項２に記載の場所打ち拡径杭の構築方法では、拡径部を備えた場所打ち拡径杭の構築方法であって、前記拡径部内に設定された先行打設高さまで低強度の下部コンクリートを打設する第一工程と、トレミー管の下端が前記先行打設高さの下方に位置した状態で高強度の上部コンクリートの供給を開始し、切替完了高さまで上部コンクリートを供給する第二工程と、前記切替完了高さの上方に上部コンクリートを打設する第三工程と、を備えている。前記先行打設高さは、設計により設定された下部コンクリートの打設を完了させる位置であって、前記先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートと同等の体積の下部コンクリートが、前記先行打設高さの下側から前記先行打設高さよりも上側の前記トレミー管を中心とした環状領域に移動すると仮定し、前記環状領域の上端が前記切替完了高さ以下に位置するように、設定されている。また、前記切替完了高さは、場所打ち拡径杭に作用する応力に基づいて、前記下部コンクリートから前記上部コンクリートへの切り替えが完了するように設定された設計上の位置である。
請求項２に記載の発明では、前記環状領域を主筋、帯筋、あるいは鉄筋籠の形状保持筋の外側部分と仮定して先行打設高さを設定する。

請求項３に記載の発明は、前記先行打設高さＨ_Ｌを式１により算出するものである。
Ｈ_Ｌ ≦ Ｈ － ｈ ・・・ 式１
ｈ ＝ Ｖ ／ Ｓ
Ｖ ＝ Ｖ１ ＋ Ｖ２
Ｖ １ ＝ π φｒ ^２ ／ ４ × Δｈ
Ｖ ２ ＝ ２ ／ ３ × π φ ^２ ／ ４ × Δｈo
ここで、
Ｈ ： 切替完了高さ
ｈ ： 環状領域の高さ
Ｖ ： 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの体積
Ｖ１ ： 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの円柱部分の体積
Ｖ２ ： 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの先端部分の体積
Ｓ ： 環状領域の傾斜を考慮した等価な断面積
φｒ ： 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの円柱部分の直径
Δｈ ： 第二工程において下部コンクリートに挿入するトレミー管の深さ
Δｈo ： 第二工程において供給された上部コンクリートの下端からトレミー管先端までの距離である下部流出深さ

本発明の場所打ち拡径杭の構築方法によれば、大きな支持力を負担する拡径部より上方の軸部に応力が集中しても、拡径部内にコンクリートの強度境界を設けられ、強度境界より上方側の上部コンクリートを下方側の下部コンクリートより高強度としたことで、軸部に必要な設計耐力を補うことができるため、軸部の杭径を合理的に絞ることが可能となる。
また、打設コンクリートの強度の変化点を合理的に拡径部内に設けることが可能となり、必要な耐力を有した場所打ち拡径杭を経済的に施工できる。
また、先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートにより先行打設高さの下側から上側に移動する下部コンクリートの量を仮定して先行打設高さを設定するため、設計上の切替完了高さの近傍で、コンクリートの切り替えを完了できる。そのため、強度が異なるコンクリートを高さ方向で連続して打設する場合において、打設コンクリートの強度の変化点を合理的に設定することが可能となる。その結果、必要な耐力を有した場所打ち拡径杭を経済的に施工できる。
なお、下部コンクリートは、先行打設高さの上側において鉄筋の外周側を移動することが予想されるため、主筋、帯筋、あるいは鉄筋籠の形状保持筋などの外側部分を環状領域と仮定する請求項４ に記載の場所打ち拡径杭の構築方法によれば、切替完了高さをより合理的に算出できる。
さらに、場所打ちコンクリート杭の形状に応じた先行打設高さを設定できる。

第一実施形態に係る場所打ちコンクリート杭の一部を示す断面図である。 図１に示す場所打ちコンクリート杭の施工状況を示す断面図であって、(ａ) は第一工程、（ｂ）は第二工程、（ｃ）は第三工程である。 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートを示す斜視図である。 環状領域を示す斜視図である。 試験施工における場所打ちコンクリート杭の断面図である。 第二実施形態に係る場所打ちコンクリート杭の一部を示す断面図である。

＜第一実施形態＞
第一実施形態では、場所打ちコンクリート杭１において、合理的な杭の構築を目的として、強度の異なる二種類のコンクリートを深さ方向に連続して打設する場合について説明する（図１参照）。すなわち、地震時に応力が大きくなる杭上部のコンクリート強度を高くするために、下部コンクリート２の上に下部コンクリート２よりも設計基準強度が高い上部コンクリート３を打ち継ぐ場所打ちコンクリート杭１（コンクリート構造物）の構築方法である。本実施形態では、杭径が１．３ｍの場所打ちコンクリート杭１を施工する。場所打ちコンクリート杭１には、内径が１．０ｍの鉄筋かご４を配筋する。また、下部コンクリート２の設計基準強度Ｆｃを３０Ｎ/ｍｍ^２、上部コンクリート３の設計基準強度を８０Ｎ/ｍｍ^２とする。
本実施形態のコンクリート構造物の構築方法は、所定高さ（以下、「先行打設高さ」とう）まで下部コンクリート２を打設する第一工程（図２（ａ）参照）と、下部コンクリート２のコンクリート打設面よりも下方から上部コンクリート３の打設を開始して下部コンクリート２の一部を切替完了高さまで押し上げる第二工程（図２（ｂ）参照）と、切替完了高さの上方に上部コンクリート３を打設する第三工程（図２（ｃ）参照）とを備えている。

第一工程では、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、先行打設高さＨ_Ｌまで下部コンクリート２を打設する。下部コンクリート２は、地中に形成された掘削孔６内に挿入されたトレミー管５を利用して掘削孔６の下端から供給する。トレミー管５は、コンクリート打設面２ａの上昇に伴って上昇させる。先行打設高さＨＬは、下部コンクリート２の充填が完了する位置である切替完了高さＨの下方に設定する。すなわち、場所打ちコンクリート杭１に作用する応力の推定値（設計値）から切替完了高さＨ（コンクリート強度を高くする範囲）を設定し、この切替完了高さＨにおいてコンクリートが完全に切り替えられるように、先行打設高さＨ_Ｌを設定する。
第二工程では、図２（ｂ）に示すように、トレミー管５の下端が先行打設高さＨ_Ｌの下方に位置した状態で上部コンクリート３の供給を開始し、トレミー管５を引き上げつつ切替完了高さＨまで上部コンクリート３を供給する。上部コンクリート３を先行打設高さＨ_Ｌよりも下側に供給すると、上部コンクリート３が下部コンクリート２を押しのけながら注入される。上部コンクリート３は、下部コンクリート２内において供給開始時点のトレー管５の直下に半楕円状または半円状（先端部分３１）に供給された後、先端部分３１の直上に上部コンクリート３が円柱状（円柱部分３２）に供給される（図２（ｃ）参照）。一方、下部コンクリート２は、上部コンクリート３が供給されることによって、先行打高さＨ_Ｌの下側に供給された上部コンクリート３と同等の体積の下部コンクリート２が先行打設高さＨ_Ｌの下側から先行打設高さよりも上側に移動する。このとき、先行打設高さＨ_Ｌの上側に移動した下部コンクリート２は、先行打設高さＨ_Ｌよりも上側の鉄筋籠の形状保持筋の外側部分（トレミー管５を中心とした環状領域２１）に移動する。図２（ｃ）に示すように、先行打設高さＨ_Ｌの上側に移動した下部コンクリート２（環状領域２１）の上端は、切替完了高さＨ以下に位置する。
第三工程では、既打設コンクリート（上部コンクリート３）に下端を挿入した状態で、トレミー管５を引き上げつつ切替完了高さＨの上方に上部コンクリート３を打設する。

先行打設高さＨ_Ｌは式１により算出する。式１は、場所打ちコンクリート杭１の作用応力に基づいて設定された切替完了高さＨから、上部コンクリート３の供給により上側に押し上げられる下部コンクリート２の環状領域２１の高さｈを差し引くことにより先行打設高さＨ_Ｌを算出するものである。環状領域の高さｈは、先行打設高さＨ_Ｌよりも下側に供給された上部コンクリート３の体積Ｖが、環状領域２１に移動した下部コンクリート２の体積であるとして、環状領域２１の体積から算出する。ここで、先行打設高さＨ_Ｌよりも下側に供給された上部コンクリート３は、図３に示すように、先端部分３１と円柱部分３２の体積の合計とする。一方、環状領域２１は、図４に示すように、内径φｉ、外径φoの円筒状体とする。本実施形態では、下部流出深さΔｈoを０ｍｍ～８００ｍｍの範囲内、好ましくは０ｍｍ～５００ｍｍの範囲内とし、円柱部分の直径φｒおよび環状領域２１の内径φｉを１０００ｍｍ～２０００ｍｍの範囲内とする（図３参照）。なお、下部流出深さΔｈo、円柱部分の直径φｒおよび環状領域２１の内径φｉは、限定されるものではなく、適宜設定すればよい。
Ｈ_Ｌ ≦ Ｈ － ｈ ・・・ 式１
ｈ ＝ Ｖ ／ Ｓ
Ｖ ＝ Ｖ１ ＋ Ｖ２
Ｖ １ ＝ π φｒ^２ ／ ４ × Δｈ
Ｖ ２ ＝ ２ ／ ３ × π φｒ^２／ ４ × Δｈo
Ｓ ＝ π ／ ４ × （ φｏ^２－ φｉ^２ ）
Ｈ ： 切替完了高さ
ｈ ： 環状領域の高さ
Ｖ ： 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの体積
Ｖ１ ： 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの円柱部分の体積
Ｖ２ ： 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの先端部分の体積
Ｓ ： 環状領域の傾斜等を考慮した等価な断面積
φｏ ： 場所打ちコンクリート杭の外径
φｉ ： 環状領域の内径
φｒ ： 先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの円柱部分の直径
Δｈ ： 第二工程において下部コンクリートに挿入するトレミー管の深さ
Δｈo： 第二工程において供給された上部コンクリートの下端からトレミー管先端までの距離である下部流出深さ

以上、本実施形態のコンクリート構造物の構築方法によれば、設計上の切替完了高さの傍で、コンクリートの切り替えを完了させることができるため、強度が異なるコンクリートを高さ方向で連続して打設する場合において、打設コンクリートの強度の変化点を合理的に設定することが可能となる。その結果、必要な耐力を有した場所打ちコンクリート杭１を経済的に施工することができる。
下部コンクリート２は、先行打設高さの上側において鉄筋籠の外周側を移動することが予想されるため、鉄筋籠の形状保持筋の外側部分を環状領域と仮定することで、切替完了高さをより合理的に算出することができる。

以下、式１を利用して先行打設高さＨ_Ｌを算出した計算例を示す。本計算例では、下部コンクリート２に挿入するトレミー管５の深さΔｈを１．０ｍとし、表１に示すように、杭の外径φoを０．７ｍ～３．３ｍの範囲内、環状領域の内径φｉを０．４、０．７、１．０、１．２または１．３ｍとして計算を行い、環状領域の高さｈを算出した。表１に計算結果を示す。

次に、場所打ちコンクリート杭１の試験施工を行い、本実施形態のコンクリート部材の構築方法の評価を行った。
場所打ちコンクリートは、杭径φo＝１．３ｍ、鉄筋かごの内径φｉ＝１．０ｍとし、設計基準強度Ｆｃを３０Ｎ/ｍｍ^２の下部コンクリート２の上に設計基準強度を８０Ｎ/ｍｍ^２の上部コンクリート３を打ち継いだ。
場所打ちコンクリートの施工は、まず、下部コンクリート２を２．８ｍの高さまで打設した（第一工程）。次に、下部コンクリート２にトレミー管５の先端を１ｍ挿入した状態（Δｈ＝１．０ｍ）で上部コンクリート３の供給を開始し、トレミー管５を引き上げながら、打設面が高さ６．０ｍになるまで上部コンクリート３を打設した（第二工程および第三工程）。
施工後の場所打ちコンクリート杭１を切断して断面を確認すると、図５に示すように、４．２ｍ位置（切替完了高さＨ＝４．２ｍ）において、コンクリートが上部コンクリート３に切り替わった。すなわち、環状領域の高さｈは１．４ｍであった。
表１の計算例において、杭の外径φo＝１．３ｍ、鉄筋かごの内径φｉ＝１．０ｍでは、環状領域の高さｈが１．９ｍであった。したがって、式１によって先行打設高さＨ_Ｌを算出すれば、実施工に比べて環状領域の高さｈを大きくすることができ、安全側で設定することができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態では、第一実施形態と同様に、場所打ちコンクリート杭１において、合理的な杭の構築を目的として、異なる強度のコンクリートを深さ方向に連続して打設する場合について説明する。
第二実施形態では、図６に示すように、杭の先端側に向かうに従って拡径する拡径部７を有する場所打ちコンクリート杭１ａを施工する点で、杭全長にわたって杭径が同一の第一実施形態と異なっている。
本実施形態では、拡径部７の高さ方向中間部に切替完了高さを設定する。先行打設高さＨ_Ｌは式１により算出する。このとき、先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリート３の体積（上部コンクリートに置換される下部コンクリートの体積と等しくなる環状領域２１の体積）Ｖ５を、拡径部７の傾斜を考慮して算出する。すなわち、体積Ｖ５を円錐台（上部直径φ_Ｈ２，下部直径φ_Ｈ２+２ΔＨ×tanθ，高さΔＨ、θ：拡径部の傾斜角、上部水平面積Ｓ１＝π・φ_Ｈ２ ^２／４、下部水平面積Ｓ２＝π・（φ_Ｈ２+２ΔＨ×tanθ）²／４）の体積Ｖ_３から円柱（直径φi，高さΔＨ、水平面の面積Ｓ０＝π・φ_i ²／４）の体積Ｖ４を差し引いて算出し、それが先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリート３の体積Ｖと等しいとすることにより、先行打設高さを求めることができる。このとき、環状領域の傾斜等を考慮した等価な断面Ｓは、式２より評価できる。
Ｓ＝（Ｓ１＋√（Ｓ１×Ｓ２）＋Ｓ２）／３－Ｓ０・・・ 式２
この他の第二実施形態のコンクリート構造物の構築方法の詳細は、第一実施形態で示したコンクリート構造物の構築方法と同様なため、詳細な説明は省略する。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は前述の実施形態に限られず、前記の各構成要素については本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、一本の場所打ちコンクリート杭１に対して、一本のトレミー管５により施工する場合について説明したが、トレミー管５の本数は限定されるものではなく、例えば、複数本（図面では二本）のトレミー管５を利用してもよい。トレミー管５を二本使用する場合は、トレミー管５ごとに置換部分を考慮して検討する。各トレミー管５により打設された上部コンクリート３同士がラップする場合には、その部分を２重に考慮しないようにして体積Ｖを算出する。
前記実施形態では、環状領域を鉄筋籠の形状保持筋の外側部分としたが、環状領域は鉄筋籠の形状保持筋の外側部分に限定されるものではなく、例えば、主筋、帯筋などの鉄筋の外側部分（被り部分）であってもよい。また、環状領域は必ずしも鉄筋等の被り部分である必要はない。
また、前記実施形態では、トレミー管５を引き上げつつコンクリートを打設する場合について説明したが、コンクリートは必ずしもトレミー管５を引き上げながら打設する必要はなく、トレミー管５を固定した状態で打設してもよい。

１ 場所打ちコンクリート杭
２ 下部コンクリート
３ 上部コンクリート
４ 鉄筋かご
５ トレミー管
６ 掘削孔
７ 拡径部

Claims (3)

1. 拡径部を備えた場所打ち拡径杭の構築方法であって、
   前記拡径部内に設定された先行打設高さまで低強度の下部コンクリートを打設する第一工程と、
   トレミー管の下端が前記先行打設高さの下方に位置した状態で高強度の上部コンクリートの供給を開始し、切替完了高さまで上部コンクリートを供給する第二工程と、
   前記切替完了高さの上方に上部コンクリートを打設する第三工程と、を備えており、
   前記先行打設高さは、設計により設定された下部コンクリートの打設を完了させる位置であって、前記先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートと同等の体積の下部コンクリートが、前記先行打設高さの下側から前記先行打設高さよりも上側の前記トレミー管を中心とした環状領域に移動すると仮定し、前記環状領域の上端が前記切替完了高さ以下に位置するように、設定されていて、
   前記切替完了高さは、場所打ち拡径杭に作用する応力に基づいて、前記下部コンクリートから前記上部コンクリートへの切り替えが完了するように設定された設計上の位置であることを特徴とする場所打ち拡径杭の構築方法。
2. 前記環状領域が主筋、帯筋、あるいは鉄筋籠の形状保持筋の外側部分であると仮定していることを特徴とする、請求項１に記載の場所打ち拡径杭の構築方法。
3. 前記先行打設高さＨ_Ｌを式１により算出することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の場所打ち拡径杭の構築方法。
   Ｈ_Ｌ ≦ Ｈ － ｈ ・・・ 式１
   ｈ ＝ Ｖ ／ Ｓ
   Ｖ ＝ Ｖ１ ＋ Ｖ２
   Ｖ１ ＝ π φｒ^２ ／ ４ × Δｈ
   Ｖ２ ＝ ２ ／ ３ × π φｒ^２／ ４ × Δｈo
   ここで、
   Ｈ ：切替完了高さ
   ｈ ：環状領域の高さ
   Ｖ ：先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの体積
   Ｖ１ ：先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの円柱部分の体積
   Ｖ２ ：先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの先端部分の体積
   Ｓ ：環状領域の傾斜を考慮した等価な断面積
   φｒ ：先行打設高さよりも下側に供給した上部コンクリートの円柱部分の直径
   Δｈ ：第二工程において下部コンクリートに挿入するトレミー管の深さ
   Δｈo：第二工程において供給された上部コンクリートの下端からトレミー管先端までの距離である下部流出深さ

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