JP7216275B2

JP7216275B2 - セメント硬化物の圧縮強度評価方法

Info

Publication number: JP7216275B2
Application number: JP2018224684A
Authority: JP
Inventors: 一真石川
Original assignee: Japan Pile Corp
Current assignee: Japan Pile Corp
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2023-02-01
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: JP2020085823A

Description

本開示は、地中の所定深さで固結させられ、側圧（土圧や水圧）を受けるセメント硬化物の圧縮強度評価方法に関する。

既製杭の埋込み工法によって構築される杭基礎では、既製杭の先端（下端）部が根固め部内に配置される。既製杭が所定の先端支持力を発揮するためには、根固め部が所定の圧縮強度（必要圧縮強度）を有していることが求められる。なお、必要圧縮強度は、杭基礎の設計時にＦＥＭ（有限要素法）解析や支持力算定式（釣り合いの式）などに基づいて設定される。

根固め部は、杭孔内にセメントミルクを所定量注入し、固化させることにより形成される。根固め部の圧縮強度はセメントミルクの配合、注入量及びセメントミルクと掘削土との混合割合によって変化するため、施工した根固め部が必要圧縮強度を有していることを確認する必要がある。そのために、特許文献１が開示するように、杭穴内から未固結のセメントミルク又はソイルセメントを採取している。そして、採取したセメントミルク又はソイルセメントを養生して供試体（テストピース）を作製し、該供試体の一軸圧縮試験結果が必要圧縮強度以上であるか否かを確認している。また、セメントミルク又はソイルセメントの固結後に杭穴内からボーリングによって供試体を採取し、該供試体の一軸圧縮試験結果が必要圧縮強度以上であるか否かを確認している。

特開２０１１－２２００９３号公報

地中の根固め部には深さに応じて側圧が作用しており、根固め部の圧縮強度には側圧による割増分がある。それにもかかわらず、従来の根固め部の圧縮強度試験では供試体に側圧を作用させずに一軸圧縮強度測定装置で測定しており、側圧による割増分が考慮されてこなかった。側圧による割増分を見込まなければ、必要圧縮強度を満たすために、根固め部となるセメントミルクの配合を過剰な強度を有するようにしなければならず、コストアップを招いてしまう。

また、根固め部以外にも、既製杭の周りの杭周面部や場所打ち杭等の地中で硬化させられるセメント硬化物（コンクリート、モルタル、セメントミルク、ソイルセメント等）についても、同様の問題があった。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、地中の所定深さで固結させられるセメント硬化物の圧縮強度を正確に評価可能であるセメント硬化物の圧縮強度評価方法を提供することにある。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るセメント硬化物の圧縮強度評価方法は、
地中の所定深さで固結させられるセメント硬化物の圧縮強度評価方法において、
前記セメント硬化物又は前記セメント硬化物の材料から供試体を作製する供試体作製工程と、
前記供試体に側圧を載荷せずに前記供試体の一軸圧縮強度を測定する一軸圧縮強度測定工程と、
前記供試体の引張強度を求める引張強度取得工程と、
前記セメント硬化物に地中で作用する側圧を求める側圧取得工程と、
前記供試体の一軸圧縮強度、前記供試体の引張強度、及び、前記側圧取得工程にて求められた前記側圧に基づいて、前記地中の所定深さにおける前記セメント硬化物の圧縮強度が、前記セメント硬化物に設計上要求される必要圧縮強度以上であるか否か判定する圧縮強度判定工程と、
を備える。

上記構成（１）によれば、供試体の一軸圧縮強度のみならずセメント硬化物に作用する側圧に基づいて、地中の所定深さにおけるセメント硬化物の圧縮強度が必要圧縮強度以上であるか否かを判定しているので、地中の所定深さにおけるセメント硬化物の圧縮強度を正確に評価することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、
前記セメント硬化物は、既製杭の下端部を囲む根固め部、既製杭の周囲を囲む杭周面部、又は、場所打ち杭である。
上記構成（２）によれば、地中の所定深さにおける根固め部、杭周面部又は場所打ち杭の圧縮強度を正確に評価することができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、地中の所定深さにおけるセメント硬化物の圧縮強度を正確に評価可能なセメント硬化物の圧縮強度の評価方法が提供される。

本発明の一実施形態に係るセメント硬化物の圧縮強度評価方法によって評価される杭基礎の根固め部を説明するための図である。セメント硬化物の圧縮強度評価方法の概略的な手順を示すフローチャートである。圧縮強度判定工程を説明するための図である。地下水位を考慮して側圧σ_３を求める方法を説明するための図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。

図１は、本発明の一実施形態に係るセメント硬化物の圧縮強度評価方法（以下、単に評価方法とも称する）によって評価されるセメント硬化物としての杭基礎１の根固め部３を説明するための図である。図２は、評価方法の概略的な手順を示すフローチャートである。

図１に示したように、杭基礎１は、プレボーリング工法や中掘工法等のセメントミルクを用いた埋込み工法によって構築され、杭穴５内に１つ以上の既製杭７が配置されている。既製杭７は、例えばＳＣ杭（外殻鋼管付きコンクリート杭）、ＰＨＣ杭（プレストレスト高強度コンクリート杭）、ＰＣ杭（プレストレストコンクリート杭）等である。既製杭７の下端部は、根固め部３内に配置されている。根固め部３は、杭穴５に注入されたセメントミルク（根固め液）、又は、注入されたセメントミルクと掘削土からなるソイルセメントが固化したものである。根固め部３の圧縮強度σ_１ｆは、セメントミルク又はソイルセメントの配合や固化条件等によって変化する。

図２に示したように、評価方法は、供試体作製工程Ｓ１と、一軸圧縮強度測定工程Ｓ２と、引張強度取得工程Ｓ３と、側圧取得工程Ｓ４と、圧縮強度判定工程Ｓ５と、を備えている。
供試体作製工程Ｓ１では、一軸圧縮強度測定工程Ｓ２及び必要に応じて引張強度取得工程Ｓ３に供される供試体を固結した根固め部３又は未固結の根固め部３の材料（杭穴５の底部に充填された未固結のセメントミルク又はソイルセメント）から作製する。固結した根固め部３から作製する場合、固結した根固め部３の一部をボーリングによって抜き取って供試体を作製するか、根固め部３を掘り起こして供試体を作製する。未固結の根固め部３の材料から作製する場合、杭穴５の底部内の未固結のセメントミルク又はソイルセメントを採取し、地上で養生して固結させて供試体を作製する。

一軸圧縮強度測定工程Ｓ２では、供試体の一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃを測定する。一軸圧縮強度測定工程Ｓ２では、供試体に側圧を載荷せずに、一軸方向にのみ圧縮荷重を載荷する。

引張強度取得工程Ｓ３では、供試体の引張強度_ｂＦ_ｔを求める。引張強度_ｂＦ_ｔは、供試体の引張試験を行って直接求めることができるが、一般的にセメント硬化物の引張強度_ｂＦ_ｔは、圧縮強度_ｂＦ_ｃの１／１０程度であることが知られている。このため、引張強度_ｂＦ_ｔを測定せずに、以下の式（１）により簡易的に求めてもよい。
_ｂＦ_ｔ＝０．１_ｂＦ_ｃ・・・（１）
なお、式（１）中の係数０．１は一例であり、これに限定されるものではない。

側圧取得工程Ｓ４では、根固め部３に地中で作用する側圧σ_３を求める。根固め部３には、図１に示したように、周辺の地盤から深さに応じて側圧σ_３が作用する。側圧σ_３は、上載圧（土かぶり厚）ｐ_ｖ（ｋＮ／ｍ^２）及び土圧係数Ｋから以下の式（２）により求めることができる。
σ_３＝ｐ_ｖ×Ｋ・・・（２）

なお、上載圧ｐ_ｖは、図１に示したように、地層ｉの単位体積重量γｔ_ｉ（ｋＮ/ｍ^３）及び地層ｉの層厚Ｚ_ｉ（ｍ）から以下の式（３）により求めることができる。
ｐ_ｖ＝Σ（γｔ_ｉ×Ｚ_ｉ）・・・（３）

土圧係数Ｋには、根固め部３と周囲の土（地盤）との関係（根固め部３が土から離れる、根固め部３が静止している、根固め部３が土を押す）によって、主働土圧係数Ｋ_Ａ、静止土圧係数Ｋ_Ｏ、又は受働土圧係数Ｋ_Ｐの何れかを用いることができる。通常、土圧係数Ｋとして、静止土圧係数Ｋ_Ｏが用いられる。静止土圧係数Ｋ_Ｏの値は、０．５とするのが一般的であるが、他の値（例えばヤーキーの静止土圧係数：Ｋ_Ｏ＝１－ｓｉｎφ）を用いてもよい。

圧縮強度判定工程Ｓ５では、供試体の一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃ、供試体の引張強度_ｂＦ_ｔ、及び、側圧σ_３に基づいて、地中の所定深さ（原位置）における根固め部３の圧縮強度σ_１ｆが、根固め部３に設計上要求される必要圧縮強度σ_１ｆ’以上であるか否か判定する。
なお、地中の所定深さにおける根固め部３の圧縮強度σ_１ｆは、側圧σ_３が作用しているときの根固め部３の三軸圧縮強度に相当する。

ここで、図３は、圧縮強度判定工程Ｓ５を説明するための図である。
図３に示したクーロンの破壊線及びモールの応力円によれば、圧縮強度σ_１ｆ、側圧σ_３、一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃ、及び、引張強度_ｂＦ_ｔの間には、以下の式（４）及び式（５）により示される関係がある。なお、式（５）は式（４）を変形したものである。
σ_１ｆ＝σ_３＋_ｂＦ_ｃ＋（_ｂＦ_ｃ－_ｂＦ_ｔ）・σ_３／_ｂＦ_ｔ・・・（４）
σ_１ｆ＝_ｂＦ_ｃ（１＋σ_３／_ｂＦ_ｔ）・・・（５）
そして、式（５）に式（１）を代入すると、以下の概算的な式（６）が得られる。
σ_１ｆ＝_ｂＦ_ｃ＋１０σ_３・・・（６）

式（５）から、圧縮強度σ_１ｆは、一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃよりも（１＋σ_３／_ｂＦ_ｔ）倍大きくなることがわかり、式（６）から、圧縮強度σ_１ｆは、一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃよりも１０σ_３だけ大きくなることがわかる。つまり、側圧σ_３が作用しているときの圧縮強度σ_１ｆについては、側圧σ_３が作用していないときの一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃと比べたときに所定の割増分Δσを見込むことができることがわかる。

そして、根固め部３に設計上要求される必要圧縮強度σ_１ｆ’が、一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃに割増分Δσを見込んだ圧縮強度σ_１ｆ以下であると判定するには、以下の式（７）が満たされていればよい。
σ_１ｆ－σ_１ｆ’≧０・・・（７）
式（７）に式（５）又は式（６）を代入すると、それぞれ式（８）又は式（９）が得られる。
_ｂＦ_ｃ≧σ_１ｆ’／（１＋σ_３／_ｂＦ_ｔ）・・・（８）
_ｂＦ_ｃ≧σ_１ｆ’－１０σ_３・・・（９）

かくして、圧縮強度判定工程Ｓ５では、式（８）又は概算的な式（９）が成立するか否かによって、根固め部３に設計上要求される必要圧縮強度σ_１ｆ’が圧縮強度σ_１ｆ以下であるか否かを判定することができる。

なお、式（８）又は式（９）の右辺を基準値_ｂＦ_ｃｔｈとすれば、根固め部３に設計上要求される必要圧縮強度σ_１ｆ’が根固め部３の圧縮強度σ_１ｆ以下であるか否かを判定することは、一軸圧縮強度測定工程Ｓ２で測定された一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃが、基準値_ｂＦ_ｃｔｈ以上であるか否かを判定することと等しいということができる。

上記したセメント硬化物の圧縮強度評価方法によれば、供試体の一軸圧縮強度_ｂＦ_ｃのみならず根固め部３に作用する側圧σ_３に基づいて、地中の所定深さにおける根固め部３の圧縮強度σ_１ｆが必要圧縮強度σ_１ｆ’以上であるか否かを判定しているので、地中の所定深さにおける根固め部３の圧縮強度σ_１ｆを正確に評価することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では、側圧σ_３を取得する際、地下水位を考慮していなかったが、地下水位を考慮してもよい。図４は、地下水位を考慮して側圧σ_３を求める方法を説明するための図である。図４に示したように、地下水位を考慮する場合、地下水位よりも下方の地層ｊの単位体積重量として、水中単位体積重量γ_ｊ’を用いる。そして、上載圧として、以下の有効上載圧ｐ_ｖ’を用いる。
ｐ_ｖ’＝Σ（γｔ_ｉ×Ｚ_ｉ）＋Σ（γ_ｊ’×Ｚ_ｊ）・・・（１０）

一方、側圧σ_３には、有効上載圧ｐ_ｖ’からの寄与以外に、静水圧ｐ_ｗからの寄与が含まれる。静水圧ｐ_ｗは、水の単位体積重量γ_ｗを用いて以下の式によって表される。
ｐ_ｗ＝Σ（γ_ｗ×Ｚ_ｊ）・・・（１１）
そして、静水圧は等方的に作用するので、地下水位を考慮する場合、側圧σ_３は次式によって求めることができる。
σ_３＝ｐ_ｖ’×Ｋ＋ｐ_ｗ・・・（１２）

また、本発明に係るセメント硬化物の圧縮強度評価方法の適用対象は、根固め部３に限定されることはなく、地中で硬化させられるセメント硬化物（コンクリート、モルタル、セメントミルク、ソイルセメント等）にも適用可能である。この種のセメント硬化物として、例えば、コンクリートによって構成される場所打ち杭（不図示）や、ソイルセメントによって構成される既製杭７の周りの杭周面部９（図１参照）等を挙げることができる。

１杭基礎
３根固め部
５杭穴
７既製杭
９杭周面部
Ｓ１供試体作製工程
Ｓ２一軸圧縮強度測定工程
Ｓ３引張強度取得工程
Ｓ４側圧取得工程
Ｓ５圧縮強度判定工程

Claims

地中の所定深さで固結させられるセメント硬化物の圧縮強度評価方法において、
前記セメント硬化物又は前記セメント硬化物の材料から供試体を作製する供試体作製工程と、
前記供試体に側圧を載荷せずに前記供試体の一軸圧縮強度を測定する一軸圧縮強度測定工程と、
前記供試体の引張強度を求める引張強度取得工程と、
前記セメント硬化物に地中で作用する側圧を求める側圧取得工程と、
前記供試体の一軸圧縮強度、前記供試体の引張強度、及び、前記側圧取得工程にて求められた前記側圧に基づいて、前記地中の所定深さにおける前記セメント硬化物の圧縮強度が、前記セメント硬化物に設計上要求される必要圧縮強度以上であるか否か判定する圧縮強度判定工程と、
を備えることを特徴とするセメント硬化物の圧縮強度評価方法。
前記セメント硬化物は、既製杭の下端部を囲む根固め部、既製杭の周囲を囲む杭周面部、又は、場所打ち杭であることを特徴とする請求項１に記載のセメント硬化物の圧縮強度評価方法。