JPS6310253B2 - - Google Patents

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つた寒
冷地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、
融解沈下といつ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基礎で
ある。 ここに、永久凍土地帯とは、例えばアラスカ、
カナダ、シベリヤ等の如く、季節に関係なく年間
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があ
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
度によつて、上部構造物の自重、凍着凍上力及び
ネガテイブフリクシヨ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入長が
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、温度によつ
て凍着強度に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
る凍着凍上力を軽減化するための幾つかの寸法
が、従来考えられている。 第１図乃至第３図は永久凍土地帯及び季節凍土
地帯において、従来行なわれている杭基礎の凍着
凍上力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３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、コンクリート杭等からなる
杭体、２は凍着強度増大のため杭体１の外周に設
けた波付け、３は杭体１内に装入したヒートパイ
プ、４はラジエータである。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
設けられた堀削孔７内に根入れされ、砂スラリー
８により埋戻されている。なお、Ｈは杭体１の根
入長をまたｈは活動層６の厚さを示す。 このようなサーマルパイル方式においては、根
入部分の永久凍土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ること
によつて、凍結融解厚さ（活動層６の厚さｈ）を
減少させ、これにより、凍着凍上防止力を大きく
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より、杭体
１の周面の永久凍土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、杭周面の永久凍土の融解沈下に伴なつてネガ
テイブフリクシヨ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力が働く
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６の層
厚ｈを多少薄くすることはできるが、凍着凍上力
とネガテイブフリクシヨンをそれほど低減するこ
とができず、依然として構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つて凍上量が増加し、大
きな凍着凍上力が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
根入長Ｈをかなり長くして凍害防止をはかつてお
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、
杭と凍上間の付着を切るような材料を充填したも
ので、第２図ａ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
いオイルとワツクスとの混合物１０で満たし、ケ
ーシング９の外周を砂スラリー８で埋戻すことに
より、凍着凍上力を分離するようにしたものであ
る。なお、９ａ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
ル及びワツクスを混合した材料１０ａを建込み穴
７の活動層６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、杭周面にオイル
とワツ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ればな
らず、そのための機械や装置を必要とするばかり
でなく、施工性の点でもあまり良好ではない。ま
た、オイルとワツクス等の混合物は、現場で埋戻
し可能な程度の流動性を有しているため、夏季に
埋戻し材料が周囲地盤へ浸透して分散し、このた
め再充填の必要が生じたり、凝固点降下のため永
久凍土を溶かすといつ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つ
てケーシングが持上りと沈下を起し、これが上部
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
上力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、間隔によつ
て凍着凍上力が変化するため、これによつて大き
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
結によつて杭に作用する凍着凍上力及び夏季に発
生するネガテイブフリクシヨンを低減する部材を
杭体に付加することにより、上部構造が受ける凍
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、凍着凍上力が作用する寒冷地に設置す
る杭において、活動層又は季節凍土層の厚さ以上
の長さで螺旋状の可伸縮部を有する被覆部材を杭
体に嵌装してその上端部を前記活動層若しくは季
節凍土層の底部付近又はその下方において、また
上端部を地表面より上方においてそれぞれ該杭体
に固定し、前記可伸縮部の内壁若しくは外壁又は
内壁及び外壁に沿つてコイル状のばねを介装し、
必要に応じて前記杭体と被覆部材との間に流動性
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。１１は中間に螺旋状の可
伸縮部１２を有し、その上下に円筒部１３，１４
が設けられた被覆部材で、上方の円筒部１３は地
表上方において、また下方の円筒部１４は活動層
６と永久凍土層５との境界付近又はその下方にお
いて、それぞれ固定部材１５，１６により杭体１
に固定されている。１７は可伸縮部１２の大径部
の内壁１２ａに沿つて介装されたコイル状のば
ね、１８は杭体１、可伸縮部１２及びばね１７で
形成する空間に充填された流動性物質である。 本発明に使用する被覆部材１１は、地域により
変動はあるが、一般に、常温から−50℃程度の
低温まで脆性破壊が起らないこと、回復可能の
変位が活動層の凍着凍上量（△ｌ）より大きいこ
と、流動性物質１８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１に示す。 また、可伸縮部１２に介装したコイル状のばね
は、夏季活動層６の融解沈下に対して被覆部材１
１が円滑に追従復元すると共に、冬季活動層６の
凍結により被覆部材１１の過度や圧縮やつぶれ、
膨張などの大変形を抑制するためのものであり、
これにより、冬季において、被覆部材１１が伸び
た状態のとき、内部充填した流動性物質１８が上
方あるいは下方に流動して偏よることを防止す
る。 ばね１７の強度は、冬季の凍着凍上力あるいは
夏季の融解沈下に追従して伸縮しうるものであれ
ばよい。即ち、杭１０の単位面積当りに作用する
凍着凍上力の大きさをＰ（Kg／cm²）、ネガテイブフ
リクシヨンの大きさをＳ（Kg／cm²）、杭１０の径を
ｄ（cm）、活動層６の凍上量又は沈下量を△ｌ
（cm）、夏季の活動層６の厚さをl₃（cm）、冬季の活
動層６の厚さをlw（cm）とした場合、ばね１７の
強度ｋ（Kg／cm²）は次式の範囲にあればよい。 冬季 ０＜ｋ≦π・ｄ・ｐ・l_W／△ｌ ……(1) 夏季 ０＜ｋ≦π・ｄ・ｓ・l_S／△ｌ ……(2) しかし、一般的には、凍着凍上力に比べてネガ
テイブフリクシヨンの方が絶対値が小さいので、
ネガテイブフリクシヨンに対して伸縮可能なばね
定数であることが必要である。さらに、ばね１７
の材質は、常温から−50℃程度の低温まで脆性
破壊を起さないこと、凍上量程度の変化（一般
に10％程度）では可逆性を有すること、流動性
物質１８により劣化又は腐食しないことを条件と
し、例えばステンレス鋼などが適当である。 さらに流動性物質１８は、地域により変動はあ
るが、一般に、常温から−50℃程度の低温まで
流動挙動示し、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条件とし、その
代表例を表２に示す。

【表】

【表】

【表】 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の埋設深
さ（ｈ＋Ｈ）だけ掘削し、その掘削孔７に杭１
０を建込んで杭１０の周囲に砂スラリー８を埋
戻す。 (2) 永久凍土層５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、最後
に活動層６の杭１０の周囲に砂スラリー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杭１
０を活動層６と永久凍土層５に掘削したを掘削孔
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
リー８も凍結して杭１０の被覆部材１１の表面に
凍着する。活動層６が凍上すると、第５図に示す
ように可伸縮部１２もこれに追従し、ばね１７と
共に杭体１に沿つて伸張する。しかし、上下の円
筒部１３，１４が杭体１に固定されているため、
伸張した可伸縮部１２により固定部材１５の下に
膨張部Ｔが形成される。 可伸縮部１２の伸張に伴ない、杭体１と可伸縮
部１２との間に充填された流動性物質１８は上方
に移動し、膨張部Ｔ内に集まる。このように、活
動層６の凍上力は可伸縮部１２及び流動性物質１
８に吸収され、杭体１には伝わらない。また、活
動層６の凍結によつて可伸縮部１２が圧縮されて
も、ばね１７が介装してあるつぶれや膨張等の変
形を生ずることなく、したがつて流動性物質１８
が偏よることもない。 夏季になつて活動層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、再び第４図の
状態に戻る。なお、活動層６の融解沈下に伴つて
生ずるネガテイブフリクシヨンは、可伸縮部１２
及び流動性物質１８に吸収され、杭体１にはほと
んど作用しない。また、ばね１７により可伸縮部
１２の下降復元を確実かつ円滑に行なうことがで
きる。 第６図ａは本発明の別の実施例の要部を示す模
式図である。本実施例は、可伸縮部１２の小型部
１２ｂの外壁に沿つてばね１７を介装したもの
で、その作用はｂ図に示す通りである。第７図ａ
は本発明のさらに別の実施例の要部を示す模式図
で、本実施例においては、可伸縮部１２の大径部
１２ａの内壁と小径部１２ｂの外壁に沿つて、そ
れぞればね１７，１７ａを介装したものである。
なお、ｂ図はその作用説明図である。 次に寒冷地において、在来の鋼管杭をそのまま
使用した場合と、本発明に係る凍害防止杭を使用
した場合との実験結果について説明する。実験に
あたつては、第８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、基盤３１上に厚さ100mmの断熱材３４で囲ま
れ、内部に土３６を充填した土槽３５を設置し、
この土３６の中に模型杭３７を建込んで模型杭３
７と反力フレーム３３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：34mm、長さ400mm、埋込長：250mm (2) 凍害防止杭（第４図の実施例に相当するも
の） (a) 杭体の寸法 外径：27.5mm、長さ：400mm、埋込長：250
mm (b) 被覆部材の材質及び寸法 材料：クロロプレンゴム 厚さ：1.5mm、被覆長：300mm (c) ばね 材料：ステンレス ばね定数：20Kg／cm (d) 流動性物質 イソパラフイン（C₁₃〜C₁₈） 上記のような在来の鋼管杭と本発明に係る凍害
防止杭とを、それぞれ第８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−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時間継続したのち
冷却を中止した。この間の土槽３５内の土３６の
凍土量の経時変化を変位計３９で測定した結果を
第９図に、また、凍着凍上力の経時変化をロード
セル３８で測定した結果を第１０図に示す（図中
Ａは在来の鋼管杭、Ｂは本発明に係る凍害防止杭
の実験結果である）。図から明らかなように、凍
上量は両者ほとんど変らないのにもかかわらず、
凍着凍上力は、−40℃において鋼管杭(A)は3.5
（Kg／cm²）前後であるのに対し、本発明の凍害防
止杭(B)はほぼ０であり、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、木材
杭にも実施することができ、また、従来の凍害防
止杭（例えば第３図に示した凍着強度増大杭）に
も併用することができる。さらに可伸縮部１２の
形状その他各部の材質、形状、寸法等も上記実施
例に限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱
しない範囲で適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。 (1) 杭体に対する活動層の凍着凍上力をほぼ０に
することができるので、寒冷地における構造物
を凍害から充分保護することができる。 (2) 螺旋状の可伸縮部にコイル状のばねを介装し
たので、活動層の凍結により可伸縮部に過度の
圧縮が加えられても、つぶれ、膨張などの変形
を生ずるおそれがなく、したがつて、流動性物
質が偏在することもない。 (3) 螺旋状の可伸縮部にコイル状のばねを介装し
たので、夏季活動層の融解沈下に対して被覆部
材の下降復元を確実かつ円滑に行なうことがで
きる。 (4) 杭体に作用する凍着凍上力を低減できるので
杭の根入れ長を大幅に短縮できる。さらに、構
造が簡単で施工性、メンテナンス性を考慮する
と大幅にコストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は従来の凍着凍上力低減方法
を示すもので、第１図はサーマルパイル方式、第
２図ａ，ｂは凍上防止杭方式、第３図は凍着強度
増大杭方式である。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ａは本発
明の別の実施例の要部模式図、ｂはその作用説明
図、第７図ａは本発明のさらに別の実施例の要部
模式図、ｂはその作用説明図、第８図は本発明に
係る凍害防止杭を実験する装置の概念図、第９図
は在来の鋼管杭と本発明に係る凍害防止杭との凍
上量の経時変化を示す線図、第１０図は同じく凍
着凍上力の経時変化を示す線図である。 １……杭体、５……永久凍土層、６……活動
層、８……砂スラリー、１０……凍害防止杭、１
１……被覆部材、１２……可伸縮部、１７，１７
ａ……ばね、１８……流動性物質。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 凍着凍上力が作用する寒冷地に設置する杭に
   おいて、螺旋状の可伸縮部を有し活動層又は季節
   凍土層の厚さ以上の長さの被覆部材を杭体に嵌装
   してその下端部を前記活動層若しくは季節凍土層
   の底部付近又はその下方において、また上端部を
   地表面より上方においてそれぞれ該杭体に固定
   し、前記可伸縮部の内壁若しくは外壁又は内壁及
   び外壁に沿つてコイル状のばねを介装し、前記杭
   体と被覆部材との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。