JPS6010016A

JPS6010016A - 凍害防止杭

Info

Publication number: JPS6010016A
Application number: JP11603783A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kidera; 木寺　謙「じ」; Shigeru Nakagawa; 茂中川; Takashi Takeda; 孝武田; Katsumi Omori; 大森　克己; Toshiyuki Okuma; 俊之大熊
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1983-06-29
Filing date: 1983-06-29
Publication date: 1985-01-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、寒冷地帯における構造物基礎のうち、杭基礎
に関し、さらに詳しくは凍害防止杭に関するものである
。

永久凍土地帯あるいは季節凍土地帯といった寒冷地にパ
イプラインの架台その他各種の構造物を建造する場合、
活動層及び季節凍土層の凍着凍上、融解沈下といった凍
害から構造物を保護することが必要不可欠である。この
ため各種の対策工法が用いられているが、最も一般的な
ものは杭ノ１（礎である。

ここに、永久凍土地帯とは、例えばアラスカ、カナダ、
シベリャ等の如く、季節に関係ブＩく年間を通じて凍結
している地層（以下永久凍土層という）が分布している
地域をいい、その年平均気温は０℃以下である。活動層
とは、地表から永久凍土層までの部分で、年間の温度変
化の影響を大きく受け、冬季は凍結凍上し、夏季は融解
沈下する地層をいう。また季節凍土層とは、永久凍土層
が存在しない平均気温０℃以下の地域で、冬季は凍結し
、夏季は融解する地層をいう。なお、以下の説明では、
季節凍土層を活動層に含めることか才。

る。

ところで、寒冷地における杭基礎は、永久凍土内まで根
入れし、永久凍土と杭表面の間の凍着強度によって、上
部構造物の自重、凍結凍上刃及びネガティブフリクショ
ンに対抗しようとするものであり、このためには、永久
凍土と杭間の確実な凍着強度及び永久凍土内への杭の充
分な根大長が必要である。しかしながら、永久凍土層は
必ずしも均一な性質を有しておらず、土質、温度によっ
て凍着強度の大きな相違があるため、設計上は充分な凍
着強度を持つように永久凍土内に長く根入れしても、現
実に構造物が凍害を受けることがしばしばあり、安全率
を上乗せした設計に基づいて根入れ長をとらなければな
らないので、施工性及び経済性に大きな問題がある。こ
のような前提条件があるため、その対策として、杭基礎
に作用する凍着凍上刃を軽減化するための幾つかの方法
が従来考えられている。

第１図乃至第６図は永久凍土地帯及び季節凍土地帯にお
いて、従来性なわれ薔いる杭基礎の凍着凍上刃低減方法
を示すもので、第１図がサーマルパイル方式、第２図が
凍上防止杭方式、第６図が凍着強度増大杭方式である。

第１図はサーマルパイル方式の一例を示す縦断面図で、
１は鋼管杭、コンクリナト杭等からなる抗体、２は凍着
強度増大のため杭体１の外周に設けた波付け、６は杭体
１内に装入したヒートパイプ、４はラジェータである。

５は永久凍土層、６は活動層で、杭体１は活動層６と永
久凍土層５に設けられた掘削孔７内に根入れされ、砂ス
ラ１７−８により埋戻されている。なお、Ｈは杭体１の
根大長をまたｈは活動Ｈ！Ｉ６の厚さを示す。

このようなサーマルパイプ方式においては、根太部分の
永久凍土５の温度をヒートパイプ３により、冬季間に強
制的に冷却して冷熱を蓄えろことによって、凍結融解厚
さく活動Ｒ６の厚さ五）を減少させ、これにより、凍着
凍上防止力を大ぎくしようとするものである。さらに、
このサーマルパイルは、夏季に上部構造からの入熱によ
り、相体１の周囲の永久凍害が融解するのを防止するこ
とができる。すなわち、サーマルパイル方式によれば、
杭周囲の永久凍土の融解沈下に伴なってネガティブフリ
クションが杭に働くことと、冬季にこの融解部が凍結し
て杭に余分な凍着凍上刃が働くことを防止できる。

しかしながら、サーマルパイルは活動層６０層ＷＬｈを
多少薄くすることはできるが、凍着凍上力とネガティブ
７リクシヨンをそれほど低減することができず、依然と
して本′ｌ造物の凍害を防ぐことはできない。例えば、
使用開始１年目の冬には、地盤深部温度の低下により、
サーマルパイルを使用しない場合よりもかえって凍上量
が増加し、大きｌＬ凍凍着上上刃発生することがある。

また、２年目以降も、活動層の温度低下が凍着凍上力を
増加させる傾向をもたらすことが考えられる。従来の使
用例では、サーマルパイルの永久凍土内への根大長Ｈな
かなり長くして凍害防止をはかっており、施工性、経済
性上からも問題がある。

凍上防止杭方式は、活動層と杭周面との間に、杭と凍土
間の付着を切るような材料を充填したもので、第２図（
α）に示すものは、杭体１の外側にこれと同心的にケー
シング９を配置して二重管方式とし、杭体１とケーシン
グ９との間を、濃度の高いオイルとワックスとの混合物
１ｏで満たし、ケーシング９の外周を砂スレリー８で埋
戻すことにより、凍着凍上刃を公庫ｃするようにしたも
のである。なお、９αはケーシングの下端に設けたフラ
ンジである。また第２図（ｂ）に示すものは、土、オイ
ル及びワックスを混合した材料１ｏαを建込み穴７の活
動屑乙の部分の埋戻し材料として使用したものである。

このような凍上防止杭方式は、杭周囲にオイルとワック
ス等の混合物を充填したり埋戻したりしているが、これ
は現地において施工しなけオ目」ならず、そのための機
械や装置を必要と１′るばがりでなく、施工性の点でも
あまり良好ではない。廿、た、オイルとワックス等の混
合物は、現場で坤Ｌ・３し可能な程度の流動性を有して
いるため、夏七丁；に埋戻し材料が周囲地盤へ浸透して
分散し、このため再充填の必要ｂ１生じたり、凝固点降
下のため永久凍土を溶かすといった環境破壊が生じる。

加えて、二重管方式では、活動層の凍結融解に伴なって
ケーシングが持上りと沈下を起し、こオ′１が上部構造
に悪影響を及ぼすことがある。

第３図は、凍着強度増大杭方式を示すもので、杭体１の
永久凍土５内への根入部に、ノツチや波付け２を設ける
ことにより、永久凍土５と杭体１との間の凍着強度を増
加させ、活動層６の凍着凍上刃に対抗させるようにした
ものである。

この方式では、杭体１の根入部の永久凍土の性質が必ず
しも均一でなく、凍着強度にばらつきが生じること、ノ
ツチや波付けの形状、間隔によって凍着凍上刃が変化す
るため、これによって大きな凍着強度を得るためには、
端部の異形棒鋼状処理等にかなりの精度の製作加工を必
要とするなどの問題がある。

本発明は、上記のような従来の問題点を解決すべくなさ
れたもので、活動層及び季節凍土層の凍結によって杭、
に作用する凍着凍上刃及び夏季に発生するネガティブフ
リクションを低減する部材を抗体に付加することにより
、上部構造物が受ける凍害を防止することを目的とする
ものである。

本発明に係る凍害防止杭は、上記の目的を達成するため
、凍着凍上刃が作用する寒冷地に設置する杭において、
杭体に、円筒部の下方に可伸縮部を設けてなる被覆部材
を前記可伸縮部が活動層又は季節凍土層中に位置するご
とく嵌装してその下しくは底部と同じ位置において前記
抗体に固定すると共に、上端部を地表面から上に出し、
該抗体と前記被覆部材とで形成した空間に流動性物質を
充填したことを特徴とするものである。以下図面を用い
て本発明を説明する、第４図は本発明実施例の縦断面図である。なお第１図乃
至第３図と同じ部分には同じ符号を付し、説明を省略す
るｎ１１は、内径が杭体１の外径より僅かに大きい円筒
部１２と、可伸縮部１３とを一体に結合してなる被覆部
材で、その下部は固定部材１４により杭体１に水密に固
定されている。１５は杭体１と被覆部材１１とで形成す
る空間に充填された流動性物質である。々お、可伸縮部
１６は、圧縮状態のときの長さＸと伸長状態のときの長
さｙとの関係が、ｘ＋ｈ２≦ｙ　ただし、ｈ２：活動層
の凍上量に々るように選ばれている。、また、再伸ｍｉ
［１１２は、杭１０を建込んだとき活動層６中に位置す
るように設けられており、被覆部材１１の下端部は、活動層６と永久凍土層
５との境界付近又はその下方で杭体１に固定されている
。

本発明に使用する被覆部材１１０円筒部１２の材料は、
地域により変動はあるが、一般に、■常温から一５０℃
程度の低温まで脆性破壊が起らないこと、■活動層乙の
凍着凍上によってほとんど変形しないこと、■流動性物
質１５により劣化又は睨食しないことを条件とし、これ
らの条件を満すものとして、その代表例を表１に示す。

また、可伸縮部１６の材料は、地域により変動があるが
、一般に、■常温から−５０’Ｃ程度の低温まで脆性破
壊が起らないこと、■回復可能な変位が活動ｍ６の凍上
量（ｈ２）より大きいこと、■流動性物質１５により劣
化又は腐食しないことを条件とし、これらの条件を満す
ものとして、その代表例を表２に示す。なお、円筒部１
２と可伸縮部１３とを同じ材料で構成した場合は、両者
を分鳥珀せず一体に構成してもよい。

さらに１流動性物質１５は、地域により変動はあるが、
一般拠、■常温から一５０℃程度の低温まで流動挙動又
は粘弾性挙動を示し、■杭体１及び被覆部材１１を劣化
又は腐食しない物質であることを必要条件とし、その代
表例を表６に示す。

表　１表　２表１と同じ材料の可伸縮構造体、又は、天然ゴム、イン
プレンゴム、スチレン・ブタジェンゴム、ブタジェンゴ
ム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレン◇プｐピ
レンゴム、エチレン〇プロピレンＯジエンゴム−ニトロ
ソゴム　ボ１１上記のように構成した凍害防止杭は、通
常次のような工法により設置される。

（１）活動層６及び永久凍土層５を杭１０の埋ｙｙ深さ
くｈ＋Ｈ）だけ掘削し、その掘削孔７に杭１０を建込ん
で杭１０の周囲に砂スラリ−８を埋戻す。ここに、ｈは
活動層乙の厚さ、Ｈは永久凍土層５への杭根入れ長さを
示す。

（２）永久凍土Ｒ５の強度が比較的小さい場合又は未凍
土に根入れする場合は、活動層６のみを掘削し、掘削孔
７に杭１０を建込んだのち杭打機により永久凍土内又は
未凍土内へ打込み、ＩＩｙ後に活動層６の杭１０の周囲
に砂スラリ−８を埋戻す。

次に上記のようにして設置した本発明に係る凍害防止杭
の作用を、第４図及び第５図を参照して説明する。第４
図は、本発明に係る凍害防止４７＋、１０を活動層６と
永冬凍土層５に掘削した掘削孔７に設置した状態及び夏
季の状態を示すものである。

冬季になり、活動層６が凍結すると、砂スラリ−８も凍
結して杭１０の被群部材１１の表面に凍着する。一方、
杭体１と被Ｐ−１（刺１１との間には流動性物質１５が
充填されているため両者間のすべり抵抗は小さい。この
ため、活動層６が凍上すると、第５図に示すように円筒
部１２もこれに追従して引上げられ、可伸縮部１３は活
動層６の凍上と円筒部１２の上昇によって伸張する。

可伸縮部１３の伸張に伴なって、杭体１と可伸縮部１３
との間に充填された流動性物質１５は上方に押上げられ
る。このようにして、活動層６が杭体１に及ぼす凍着凍
上刃は可伸縮部１３に吸収され、杭体１には全く伝わら
ない。

夏季になって活動層６が融解沈下すると、これに追従し
て被覆部材１１も下降し、可伸縮部１３は収縮して再び
第４図の状態に戻る。なお、活動層６の融解沈下に伴な
って生ずるネガティブフリクションは、流動性物質１５
に吸収され、杭体１にはほとんど作用しない。

本発明は、さらに、被ｆ４部材１１の可伸縮部１６を螺
旋状に形成し、小径部の外周若しくは大径部の内周又は
両者に沿ってコイルバネを介装してもよい。このように
構成することＫより、活動Ｆｔ６の融解沈下による被覆
部材１１の夏季位置までの復元を容易にすると共に、活
動層乙の圧力による可伸縮部１６の変形、破損等を防止
することができる。なお、コイルばねは可伸縮部１６に
埋込んでもよい。

次に寒冷地において、在来の鋼管杭をそのまま使用した
礫、合と、本発明に係る凍上防止杭、を使用した場合と
の実験結果について説明する。実験にあたっては、第６
図に示すような装置を使用した。

この装置は、基盤３１上に立設したフレーム３２．３２
に反力フレーム３３を橋絡すると共に、ＪＪＡ盤６盤上
１上さ１００ｍ＋＋＋の断熱材６４で囲まれ、内部に土
６６を充填した土ｔａ３５を設置し、この上６６の中に
模型杭３７を建込んで模型杭６７と反力フレーム３６と
の間にロード′セル３８を介装し、土槽３５内の土３６
の表面の変位を測定する変位計３９を設けたものである
。

〔実験例〕

（１）　鋼管杭（在来のもの）外径：３４ｉｆｉ、長さ：　４００　ｍｍｓ埋込長：２
５０朋（２）　本発明に係る凍害防止杭（α）抗体の寸法外径：　２７．５ｍ＋ｍ、、　ｆ＆さ：４００＋＋＋ｍ
、押込長：２５０よ（ｂ）　円筒部の材質及び寸法低密度ポリエチレン厚さ：１．５ｍｍ１長さ：２５［］ｍｍ内径：　２９．
５１（ｃ）　可伸縮部の材質及び寸法クロロブレンゴム厚さ：２罷、長さ：５０朋（山　流動性物質シリコングリス上記のような在来の鋼管杭と本発明に係る凍害防止杭、
とな、それぞれ第６図に示す実験装置に建込んだのち実
験装置を冷凍室内に設置し、常温から開始して一２０℃
まで冷却し、約２４時間経過後−４０℃に変更し、その
状態を約４８時間紅綬したのち冷却を中止した。この間
の土［９３５内の土３６の凍上量の経時変化を変位計６
９で測定した結果を第７図に、また凍着凍上刃の経時変
化をロードセル３８で測定した結果を第８図に示す（な
お、図中Ａは在来の鋼管杭、Ｂは本発明の在１！害防止
杭の実験結果である）。図から明らか／、（ように、凍
上量は鋼管杭（至）に比べて本発明に係る凍害防止杭（
Ｂ／の方が大きいのにか〜わらず、凍着氾！上刃は、−
４０℃において鋼管杭（５）は３．５　ｋｇ／　（７７
程度であるのに対し、本発明に係る凍害防止杭ｊ３はほ
ぼ０〜０．１ｋｇ／７で、無視しうる程度に低減された
ことが確認された。

上記の実施例では、本発明を鋼管杭に実施した場合を示
したが、本発明はコンクリート杭、木イ；４杭にも実施
することができ、さらに、従来の凍害防止杭（例えば第
６図に示した凍着強度増大イノ“ｌ）にも併用すること
ができる。また、可伸縮部の形状その他各部の形状、材
質、寸法等も上記実施例に１ｊ：、！定するものではな
く、本発明の狡旨を逸脱しない範囲で滴宜変更すること
ができる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば以下の
ような顕著な効果を挙げることができる。

（Ｊ）　抗体に対する活動層の凍着凍上刃のはｙＯに１
′ることかできるので、寒冷地における構造物を凍害か
ら充分保設することができる。

１２１　わ“１１体に作用する凍Ｍ凍上刃を低減できる
ので、杭の根入れ長を大幅に短縮できる。さらに施工性
、メンテナンスを考慮すると大幅にコストを低減できる
。

【図面の簡単な説明】

色１図乃至第６図は従来の凍着凍上刃低減方法を示すも
ので、第１図はザーマルパイル方式、第２図（α）、Ｃ
ｂ）は凍上防止杭方式、第６図は凍着強度増大イノ式で
ある。第４図は本発明実施例の縦断面図、第５図はその
作用説明図、第６図は本発明に係る凍害防止抗を実験す
る装置の概念崗、第７図は在来の鋼管杭と本発明に係る
凍害防止杭との凍′；ｆｆ！凍上量の経時変化を示す線
図、第８図は同じく凍着凍上刃の経時変化を示す線図で
ある。１：抗体、５：永久凍土層、６：活動層、８：砂スラリ
−，１０：凍害防止４−・ｌ、１１：被）：、部材、１
２：円筒部、１６：可伸縮部、１５　：　７ｉじ動性物
質。代理人　弁理士　木　村　三　朗トー：−セーエーーーーー第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】

凍着凍上刃が作用する寒冷地に設置する杭において、抗
体に、円筒部の下方に可伸縮部を設けてなる波釘部分を
前記可伸縮部が活動層又は季節凍土層中に位置するごと
く嵌装してその下部を前記活動層又は季節凍土層の底部
付近又はその下方において前記抗体に固定し、該抗体と
前記被覆部材とで形成した空間に流動性物質を充填した
ことを特徴とする凍害防止杭。