JP7348513B2 - 中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造 - Google Patents

Description

本開示は中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造に関する。

従来から中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造として、この中空杭の杭頭の中空部に鉄筋かごが配置されるとともにコンクリートが打設されたものが知られている（例えば特許文献１、２参照）。この種の杭頭接合構造では、コンクリートの内部に配置された鉄筋かごが中空杭の中空部からパイルキャップに渡って延在しており、鉄筋かごにより引き抜き耐力が確保されている。

特開２００９－７７４６号公報 特開２００９－５７７９０号公報

従来、中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造は、半剛接合であっても十分な引き抜き耐力を有するように設計されており、杭頭接合構造に作用する引き抜き力を減衰させるような構成にはなっていない。
上述の事情に鑑みて、本発明の目的は、地震時に上部構造から作用する引き抜き力を減衰させる制震機能を有する新規な中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造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中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造において、
前記パイルキャップは、
前記中空杭の上方に配置されたコンクリートによって構成されるブロック部と、
前記中空杭の中空部に充填されたコンクリートによって構成される中詰め部と、
前記ブロック部から前記中詰め部に渡って前記ブロック部及び前記中詰め部の内部に埋設された連結部材と、を含み、
前記中空杭は、中空で円筒形状の鋼管を含み、
前記中詰め部は、所定以上の引き抜き力が作用したときに前記鋼管に対して摺動可能に配置されている。

上記構成（１）によれば、中詰め部に大地震等によって所定以上の引き抜き力が作用したときに、中詰め部が鋼管に対して上方に摺動することで、引き抜き力を減衰させることができる。これにより、地震時に上部構造の過剰な揺れを抑制しながら、中空杭に作用する曲げモーメントを低減することができ、上部構造や杭の損傷を抑制することができる。また、引き抜き力が無くなると建物等の自重によって元の状態に戻ることができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、
前記中空杭は、
中空で円筒形状の外鋼管と、
前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、コンクリートによって構成された円筒形状のコンクリート部と、を含み、
前記中詰め部は、所定以上の引き抜き力が作用したときに前記鋼管としての前記内鋼管に対して摺動可能に配置されている。

上記構成（２）によれば、中空杭の最内周部が内鋼管によって構成されており、内鋼管に対し中詰め部が摺動しやすい。このため、中詰め部に所定以上の引き抜き力が作用したときに、中詰め部が鋼管に対して確実に摺動可能である。
一方、中空杭の最内周部に内鋼管が配置されているので、中空杭のコンクリート部に亀裂が生じたとしても、コンクリート部の一部が剥落し難く、中空杭は優れた変形性能を有する。このため、中空杭は、所定の引き抜き力が作用するまで優れた変形性能を発揮する一方で、所定以上の引き抜き力が作用すると曲げモーメントが低下するので損傷を免れることができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記構成（１）又は（２）において、
前記中空杭の前記鋼管と前記中詰め部との間に摩擦力を調整する被覆部を更に有する。

上記構成（３）によれば、中詰め部が鋼管に対し摺動しはじめる引き抜き力の大きさ（静止摩擦係数）や摺動時の減衰力（動摩擦係数）を適宜調整することができる。

本発明によれば、地震時に上部構造から作用する引き抜き力を減衰させる制震機能を有する新規な中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造が提供される。

杭基礎及び杭基礎によって支持される上部構造を概略的に示す図である。 杭の杭頭部とパイルキャップの杭頭接合構造を説明するための概略的な断面図である。 上杭に用いられたＷＳＣ杭の概略的な縦断面図である。 図２の杭頭接合構造に適用された連結部材を概略的に示す正面図である。 他の実施形態に適用される連結部材を概略的に示す正面図である。 図５の連結部材を概略的に示す平面図である。 他の実施形態に適用される連結部材を概略的に示す平面図である。 他の実施形態に適用される連結部材を概略的に示す正面図である。 図８の連結部材を概略的に示す平面図である。 他の実施形態の杭頭接合構造を概略的に示す断面図である。 図１０の杭頭接合に適用される連結部材の形状を概略的に示す斜視図である。 他の実施形態の杭頭接合構造を概略的に示す断面図である。 図１２の杭頭接合に適用される連結部材の形状を概略的に示す斜視図である。 他の実施形態の杭頭接合構造の中詰め部及びその周辺を拡大して概略的に示す断面図である。

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、杭基礎１及び杭基礎１によって支持される上部構造３を概略的に示す図である。杭基礎１は、地盤に形成された杭穴５に埋設された複数の杭７、複数の杭７の杭頭部にそれぞれ接合される複数のパイルキャップ９、及び、パイルキャップ９同士を連結する梁（不図示）によって構成されている。なお各杭穴５に埋設される杭７は、単杭であっても連結杭であってもよい。

図２は、杭７の杭頭部とパイルキャップ９の杭頭接合構造を説明するための概略的な断面図である。杭７は、例えば、複数の既製杭を連結した連結杭であり、最上位の上杭７ａは、中空部を有する二重鋼管付きコンクリート杭（以下、ＷＳＣ杭とも称する。なお、「ＷＳＣ」は本出願人の登録商標であるが、本明細書では登録商標の表示を省略する。登録商標の表示を省略するのはあくまで明細書の記載を簡潔にするためであって、商標権の放棄や第三者による登録商標の自由使用の許諾を意図するものではない。）によって構成されている。

杭７は、例えばセメントミルク工法によって杭穴５に埋設される。このため、図２に示したように、上杭７ａの中空部及び周囲には、ソイルセメント１３が充填されている。ただし、杭頭接合のため、上杭７ａの中空部については、上杭７ａの上端面から所定深さまでソイルセメント１３が除去されている。

図３は、上杭７ａに用いられたＷＳＣ杭の概略的な縦断面図である。図３に示したように、ＷＳＣ杭は、２つの端板１４（１４ａ，１４ｂ）と、外鋼管１５と、内鋼管１７と、杭体１９とを備える。
各端板１４は円環形状を有し、外鋼管１５は中空で円筒形状を有している。外鋼管１５の両端に端板１４が溶接によって取り付けられている。内鋼管１７は、中空で円筒形状を有しており、外鋼管１５の内径よりも小さい外径を有し、外鋼管１５の内側に同心上に配置されている。

杭体１９は、外鋼管１５の内側に設けられ、外鋼管１５の軸線方向にて２つの端板１４間に渡って延在している。杭体１９は、外鋼管１５と内鋼管１７との間に配置され、円筒形状を有する。杭体１９は、外鋼管１５の内周面及び内鋼管１７の外周面に付着している。

杭体１９は、例えば硬化性の材料を硬化させて形成されており、円筒形状のコンクリート部２１を少なくとも一部に含んでいる。コンクリート部２１は、コンクリートによって構成されており、外鋼管１５に付着した状態で外鋼管１５と内鋼管１７との間に配置されている。
コンクリート部２１と内鋼管１７との間に隙間がある場合、杭体１９は、コンクリート部２１と内鋼管１７の間に円筒形状の充填部２３を有する。充填部２３は、セメントやモルタル等のグラウトによって構成され、コンクリート部２１及び内鋼管１７に付着している。

本実施形態では、２つの端板１４のうち一方の端板１４ｂの内径は他方の端板１４ａの内径よりも大きく、内鋼管１７の一端が、端板１４ａの内周部に溶接等で接続されている。端板１４ｂの内周部と内鋼管１７の他端との間には、充填部２３の材料を充填するための開口（不図示）がある。

なお、充填部２３の材料を充填するための開口を端板１４や内鋼管１７に設ける等により、充填部２３の材料を充填可能であれば、端板１４ａ，１４ｂの内径は同一であってもよく、内鋼管１７の両端が端板１４に溶接されていてもよい。
また、外鋼管１５及び内鋼管１７の両方に端板１４が溶接されていてもよいが、一方のみに溶接され、他方には溶接されていなくてもよい。例えば、外鋼管１５にのみ端板１４が溶接され、内鋼管１７には端板１４が溶接されていなくてもよい。なお、端板１４が取り付けられている場合、ＷＳＣ杭の長さは、端板１４の外面間の長さである。ＷＳＣ杭は、例えば２ｍ以上の長さを有する。

再び図２を参照すると、杭７に接合されるパイルキャップ９は、ブロック部２５と、中詰め部２７と、連結部材２９とを含む。
ブロック部２５及び中詰め部２７は、杭７の埋設後に打設されたコンクリートによって一体に構成されている。ブロック部２５は、杭７の杭頭部の上方に配置され、例えば直方体形状を有する。中詰め部２７は、ソイルセメント１３が充填された杭孔５内に杭７を挿入した後で杭頭の中空部にコンクリートを充填することで形成されるので、中空部の形状に対応して円柱形状を有する。従って、中詰め部２７は、ＷＳＣ杭の内鋼管１７の内周面に接している。

連結部材２９は、ブロック部２５から中詰め部２７に渡ってブロック部２５及び中詰め部２７の内部に埋設されている。ここで、図４は、連結部材２９を概略的に示す正面図である。図４に示したように、連結部材２９は、複数の主筋３１と、スパイラル筋３３と、定着部材３５とを含んでいる。連結部材２９はいわゆる鉄筋かごである。

複数の主筋３１は、それぞれ例えば異形鉄筋（異形棒鋼）によって構成されている。複数の主筋３１は、それぞれ上下方向に延在し、平面でみて（上下方向にみて）同心円上に配置されるように相互に離間して配置されている。
スパイラル筋３３は、例えば異形鉄筋によって構成され、複数の主筋３１の周りを螺旋状に囲むように配置され、各主筋３１に接合されている。これにより複数の主筋３１の輪郭形状は円筒形状に保たれている。スパイラル筋３３は、少なくとも主筋３１の下側半分を囲むように設けられており、主筋３１の下端部と中詰め部２７との間での引き抜きに対する接合強度を高めている。
なおスパイラル筋３３に代えて、それぞれ環状の複数のフープ筋（帯筋）を用いてもよい。

定着部材３５は、例えばナットによって構成されている。この場合、主筋３１の端部には、ナットを螺合するための雄螺子が形成されている。なお、定着部材３５は、主筋３１の上端部とブロック部２５と間での引き抜きに対する接合強度を高められるものであればよく、螺合以外の方法で主筋３１に接合されていてもよい。

そして、図２に示した杭頭接合構造では、中詰め部２７が、所定以上の引き抜き力が作用したときに、内鋼管１７に対して内鋼管１７の軸線方向、すなわち上下方向に摺動可能に配置されている。つまり、パイルキャップ９に所定以上の引き抜き力が作用したときに、連結部材２９を埋設してあるためブロック部２５と中詰め部２７が分離することなく一体に変位可能である。一方、中空の杭７の内周面は金属製の内鋼管１７によって構成されており、ＰＨＣ杭等のようにコンクリートによって内周面が構成されている場合に比べて、摩擦係数が小さいので中詰め部２７の外周面が内鋼管１７の内周面に対して上下方向に変位しやすい。この結果として、図２に示した杭頭接合構造では、中詰め部２７が、所定以上の引き抜き力が作用したときに、内鋼管１７に対して内鋼管１７の軸線方向に摺動可能となっている。

上記構成によれば、中詰め部２７に所定以上の引き抜き力が作用したときに、中詰め部２７が内鋼管１７に対して上下方向に摺動することで、引き抜き力を減衰させることができる。これにより、地震時に上部構造３の過剰な揺れを抑制しながら、杭７に作用する曲げモーメントを低減することができ、上部構造３や杭７の損傷を抑制することができる。
また上記構成によれば、中空の杭７としてＷＳＣ杭を用いており、杭７の最内周部に内鋼管１７が配置されているので、コンクリート部２１に亀裂が生じたとしても、コンクリート部２１の一部が剥落し難く、杭７は優れた変形性能を有する。このため、杭７は、所定の引き抜き力が作用するまで優れた変形性能を発揮する一方で、所定以上の引き抜き力が作用すると曲げモーメントが低下するので損傷を免れることができる。

幾つかの実施形態では、図２に示したように、ブロック部２５に杭７の杭頭部が埋め込まれている。この場合、ブロック部２５に対する杭７の回転を許容するように、杭７の杭頭部の周囲に弾性部材３６を設置してもよく、あるいは隙間を設けておいてもよい。なお、杭７の杭頭部は、ブロック部２５に埋め込まれていなくてもよい。

幾つかの実施形態では、中詰め部２７との摩擦係数を小さくするために、中詰め部２７の外周面に対応する内鋼管１７の内周面の領域を研磨してもよい。かかる場合には、研磨する内周面の下端深さ位置と中詰め部２７の下端深さ位置とを一致させる。

以下、本発明の他の実施形態について説明するが、上述した実施形態と同一又は類似の構成については同一の名称又は符号を付して説明を省略又は簡略化し、作用効果についても説明を省略又は簡略化する。

図５は、他の実施形態に適用される連結部材３７を概略的に示す正面図である。図６は、連結部材３７を概略的に示す平面図である。幾つかの実施形態では、図４の連結部材２９に代えて、図５の連結部材３７を用いてもよい。図５の連結部材３７は、主筋３１の端部形状がＩ字型ではなく、Ｕ字型である点においてのみ、図４の連結部材２９と異なっている。連結部材３７を用いた場合、連結部材２９よりも引き抜きに対する接合強度を更に高めることができる。なお、図６に示したように、Ｕ字型の各主筋３１は、連結部材３７の周方向に沿うように配置されている。

図７は、他の実施形態に適用される連結部材３９を概略的に示す平面図である。幾つかの実施形態では、図５の連結部材３７に代えて、図７の連結部材３９を用いてもよい。図７の連結部材３９は、Ｕ字型の各主筋３１が、連結部材３９の径方向に沿うように配置されている点においてのみ、図５の連結部材３７と異なっている。

図８は、他の実施形態に適用される連結部材４１を概略的に示す正面図である。図９は、連結部材４１を概略的に示す平面図である。幾つかの実施形態では、図４の連結部材２９に代えて、図８の連結部材４１を用いてもよい。図８の連結部材４１は、主筋３１の端部形状がＩ字型ではなく、Ｌ字型である点においてのみ、図４の連結部材２９と異なっている。連結部材４１を用いた場合、連結部材２９よりも引き抜きに対する接合強度を更に高めることができる。なお、図９に示したように、Ｌ字型の各主筋３１は、連結部材４１の径方向に沿うように配置されているが、周方向に沿うように配置されていてもよい。
なお図示しないが、主筋３１として、Ｊ字型の端部形状のものを用いてもよい。更に、Ｌ字型やＪ字型の端部形状の主筋３１の場合、両端部の形状がＬ字型やＪ字型であってもよい。

図１０は、他の実施形態の杭頭接合構造を概略的に示す断面図である。図１１は、図１０の杭頭接合に適用される連結部材４３の形状を概略的に示す斜視図である。
図１１に示すように、連結部材４３は、相互に対向する一対の側面が開口した中空の直方体形状を有する。例えば、連結部材４３は、それぞれ金属製の上板４５、下板４７及び一対の側板４９によって構成されている。各側板４９の上端は上板４５に連結され、各側板４９の下端は下板４７に連結されている。そして、上板４５はブロック部２５に埋設され、下板４７は中詰め部２７に埋設されている。
連結部材４３によれば、上板４５によって、ブロック部２５と連結部材４３との間での引き抜き力に対する接合強度が高められ、下板４７によって、中詰め部２７と連結部材４３との間での引き抜き力に対する接合強度が高められる。本実施形態では、複数の連結部材４３が主筋３１と同様に、中詰め部２７の周方向に相互に所定の間隔で離間した状態で埋設されている。
なお、本実施形態では、直方体形状の連結部材４３を用いたが、これに限定されるものではなく、Ｈ鋼、アングル鋼、チャンネル鋼等の両端に四角形状の板を接合して用いてもよい。

図１２は、他の実施形態の杭頭接合構造を概略的に示す断面図である。図１３は、図１２の杭頭接合に適用される連結部材５１の形状を概略的に示す斜視図である。
図１３に示すように、連結部材５１は、それぞれ金属製の円筒部５３、及び、円筒部５３と一体に設けられた複数の突起５５によって構成される。突起５５は、円筒部５３の外周面の上側及び下側にそれぞれ設けられている。そして、上側の突起５５はブロック部２５に埋設され、下側の突起５５は中詰め部２７に埋設されている。
連結部材５１によれば、上側の突起５５によって、ブロック部２５と連結部材５１との間での引き抜き力に対する接合強度が高められ、下側の突起５５によって、中詰め部２７と連結部材５１との間での引き抜き力に対する接合強度が高められる。
なお、突起５５は、円筒部５３の内周面に設けられていてもよい。また、円筒部５３は両端が開口しているが、一端側に蓋が設けられていてもよい。

図１４は、他の実施形態の杭頭接合構造の中詰め部２７及びその周辺を拡大して概略的に示す断面図である。図１４の杭頭接合構造は、内鋼管１７と中詰め部２７との間に摩擦力を調整する被覆部を有する点において、図２の杭頭接合構造と異なっている。具体的には、本実施形態では、内鋼管１７の内周面において少なくとも中詰め部２７と対向する領域に被覆部として被覆層５７が設けられている。
被覆層５７は、中詰め部２７と内鋼管１７との間での摩擦力（静止摩擦係数や動摩擦係数）を調整するためのものであり、例えば、樹脂コーティング等によって構成される。かかる場合には、被覆層５７の下端深さ位置と中詰め部２７の下端深さ位置とを一致させる。
本実施形態では、中詰め部２７と内鋼管１７とを直接、接触させた状態（図２）よりも摩擦力が小さくなるように調整した。
上記構成によれば、被覆層５７を設けることにより、中詰め部２７が内鋼管１７に対し摺動しはじめる引き抜き力の大きさ（静止摩擦係数）や、摺動時の減衰力（動摩擦係数）を適宜調整することができる。

最後に、本発明は上述した幾つかの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や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では、内鋼管１７は、外鋼管１５と略同じ長さを有しており、一方の端板１４ａから他方の端板１４ｂまで延びて杭体１９の内周面を全域に渡って覆っているが、内鋼管１７は外鋼管１５よりも短くてもよく、少なくとも、パイルキャップ９の中詰め部２７が充填される領域に存在していればよい。
また、上述した実施形態では、連結部材２９、３７、３９、４１を上下逆に設置してもよい。
更に上述した実施形態では、杭７がＷＳＣ杭であったが、中詰め部２７と摺動する部分が金属製の部材によって構成されていれば、杭７の種類は特に限定されない。例えば、杭７は鋼管杭であってもよい。また、杭７は場所打ち杭であってもよい。

また、上述した実施形態では、ブロック部２５及び中詰め部２７は、杭７の埋設後に打設されたコンクリートによって一体に構成されているが（例えば、図２、１０、１２、１４）、中詰め部２７を構築し、その後にブロック部２５を構築してもよい。かかる場合であっても、中詰め部２７とブロック部２５に連結部材２９、３７、３９、４１、４３、５１が設置されているため、当該連結部材２９、３７、３９、４１、４３、５１を介して中詰め部２７とブロック部２５は一体化している。

更に、上述した実施形態では、杭体１９が２つの円筒形状の部分によって構成されていたが、杭体１９が１つの円筒部によって構成されていてもよい。杭体１９が１つの円筒部によって構成されている場合、杭体１９はコンクリートによって構成されている。あるいは、杭体１９が、３つ以上の円筒部によって構成されていてもよい。
また更に、杭体１９を構成するコンクリートは、無筋コンクリートであるが、鉄筋コンクリートであってもよい。

１ 杭基礎
３ 上部構造
５ 杭穴
７ 杭
７ａ 上杭
９ パイルキャップ
１３ ソイルセメント
１４、１４ａ、１４ｂ 端板
１５ 外鋼管
１７ 内鋼管
１９ 杭体
２１ コンクリート部
２３ 充填部
２５ ブロック部
２７ 中詰め部
２９、３７、３９、４１、４３、５１ 連結部材
３１ 主筋
３３ スパイラル筋
３５ 定着部材
３６ 弾性部材
４５ 上板
４７ 下板
４９ 側板
５３ 円筒部
５５ 突起
５７ 被覆層

Claims (3)

1. 中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造において、
   前記パイルキャップは、
   前記中空杭の上方に配置されたコンクリートによって構成されるブロック部と、
   前記中空杭の中空部に充填されたコンクリートによって構成される中詰め部と、
   前記ブロック部から前記中詰め部に渡って前記ブロック部及び前記中詰め部の内部に埋設された連結部材と、を含み、
   前記中空杭は、中空で円筒形状の鋼管を含み、
   前記中詰め部は、所定以上の引き抜き力が作用したときに前記鋼管に対して摺動可能に配置されている
   ことを特徴とする中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造。
2. 前記中空杭は、
   中空で円筒形状の外鋼管と、
   前記外鋼管の内側に配置された中空で円筒形状の内鋼管と、
   前記外鋼管と前記内鋼管との間に前記外鋼管に接して配置され、コンクリートによって構成された円筒形状のコンクリート部と、を含み、
   前記中詰め部は、所定以上の引き抜き力が作用したときに前記鋼管としての前記内鋼管に対して摺動可能に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造。
3. 前記中空杭の前記鋼管と前記中詰め部との間に摩擦力を調整する被覆部を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の中空杭とパイルキャップの杭頭接合構造。

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