二重管式の杭頭構造
【要 約】
【課 題】 小径の杭を使用して経済的で耐震効果のある杭頭構造を実現する。
【解決手段】 鋼管杭１の頭部にこれより大径の外管２を挿通し、鋼管杭１の頭部と外管２の上端部分とが埋没する状態にコンクリートを打設して一体化させる二重管式の杭頭構造において、鋼管杭１の頭部を外管２の上端よりも低くする。
【課 題】 小径の杭を使用して経済的で耐震効果のある杭頭構造を実現する。
【解決手段】 鋼管杭１の頭部にこれより大径の外管２を挿通し、鋼管杭１の頭部と外管２の上端部分とが埋没する状態にコンクリートを打設して一体化させる二重管式の杭頭構造において、鋼管杭１の頭部を外管２の上端よりも低くする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、杭基礎における二重管式の杭頭構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤内に貫入させた杭の頭部を建造物のフーチングに接続する構造の杭基礎においては、地震時に杭頭部に大きな水平力が作用し、杭頭部に大きな曲げモーメントが発生するので、曲げ耐力を高める方法として杭頭部を大断面としたり、杭頭部とフーチングとの結合度を小さくするなどの対策が講じられている。
杭頭部を拡径する構造では拡径部と杭軸部との連結加工に膨大な手間がかかり、しかもその下部に弱点部が残るなどの問題点がある。
【０００３】
そこで通常の杭を使用しながら水平耐力を向上させる杭基礎として、二重管式杭頭構造が提案されている。
特許文献１には、杭頭部に外管をかぶせ、この外管の下端部の杭との隙間にアスファルト材などのスペーサを備えて大地震においても構造物を安定的に支持する二重管式の杭頭構造が記載されている。
【０００４】
また特許文献２には、下杭の鉄筋コンクリート杭に植え込む鉛直抵抗用部材としての内部鋼管と、これを取り囲む水平抵抗用部材としての前記内部鋼管よりも短い外部鋼管とからなり、外部鋼管をその頭部以外では内部鋼管や下杭に接触しないように設置した二重管式の杭頭構造が記載されている。これを図３により簡単に説明する。１Ａは下杭の鉄筋コンクリート杭、１は内部鋼管、２は外部鋼管、３Ａは充填材である。外部鋼管２と内部鋼管１との間隙は、空間のままとするか、軟弱土またはポリウレタン等の軟弱な充填材３Ａを充填するとしている。
【特許文献１】特開２００４−１１６２２５号公報
【特許文献２】特公平１−１９４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、あるいは特許文献２に記載の発明では、杭頭部と上部構造物との接合構造について具体的な説明がなく、外管が受けた応力が確実に内側の杭に伝達されるかどうか、効果が疑わしい。
本発明は、このような問題点を解消し、小径の杭を使用して経済的で耐震効果のある杭頭構造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記の問題点を解決するため、二重管式の杭頭部構造における鋼管杭の位置をさまざまに変え、もっとも補強効果が発揮される条件について検討を行った。その結果、鋼管杭の杭頭部を外管の上端よりも下げることにより、鋼管杭の耐力をより大きくすることが可能であることを見出した。
すなわち本発明は、鋼管杭の頭部にこの鋼管杭より大径の外管を挿通し、鋼管杭の頭部と外管の上端部分とが埋没する状態にコンクリートを打設して一体化させることにより杭の水平耐力を増大させた二重管式の杭頭構造において、前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端よりも低くなっていることを特徴とする二重管式の杭頭構造であって、望ましくは前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端よりも鋼管杭の外径の１／２以上、２倍以下の範囲で低くなっている前記の二重管式の杭頭構造であり、また、鋼管杭の頭部および外管上端部分の内外面にずれ止めあるいは鉄筋を取り付けてコンクリートとの付着力を増大させた前記の二重管式の杭頭構造であって、前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端内面のずれ止めよりも外管の内径と鋼管杭の外径の差の１／２以上低くなっている前記の二重管式の杭頭構造である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、小径の杭を使用するので施工が安価でかつ容易であり、設計の自由度も大きく、地震時の水平耐力が大幅に向上するという、すぐれた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
埋め込み杭工法には中掘り方式とプレボーリング方式とがあり、本発明はそのいずれでもかまわない。
図１は本発明実施例の二重管式の杭頭構造を示す断面図、図２はその要部を示す説明図で、１は鋼管杭、２は外管、３はその中間に充填される充填材、４はずれ止め、５は鉄筋、Ｆはフーチングである。
【０００９】
本発明では内管となる鋼管杭のほかに、頭部である地表近くにこれより若干大径の外管を建て込む。鋼管杭と外管とは同時でも別々でも、またどちらを先に施工してもよい。鋼管杭の上端部分の位置は、外管の上端部分よりも低くする。
なお、フーチング部分を除いて、外管２の外側、および外管２と鋼管杭１との中間には特にコンクリートを充填しない。したがってこの部分には周囲の土砂、あるいは施工時のソイルセメントが充填材３として充填されている状態となるが、中空ではないので、外管２に作用した力が充填材３を介して分散して内管に伝達される。したがって充填材３としてはある程度以上の剛性を持つ材料が望ましいが、たとえば周囲の地盤の土などでも十分である。
【００１０】
表１は、外管上端部分に対する鋼管杭の杭頭位置を変化させてＦＥＭ解析を行った結果である。これを図２により説明すると、鋼管杭１の杭径（外径）Ｄ1は1200ｍｍ、杭下端の深度は40ｍ、外管２の径（内径）Ｄ2は1400ｍｍ、外管の長さは10ｍとした。
【００１１】
【表１】
【００１２】
鋼管杭１には鉛直荷重として14000ｋＮの軸力と2000ｋＮの水平力とが作用しており、鋼管杭１と外管２との中間にはヤング率で７Ｎ／ｍｍ2のソイルセメントが充填されている。
鋼管杭１の杭頭部の位置Ｈ1は、外管２の上端を基準として、1200ｍｍおよび200ｍｍ上げた場合、1200ｍｍ、600ｍｍおよび200ｍｍ下げた場合の５とおりとした。1200ｍｍは鋼管杭１の杭径（外径）Ｄ1に相当する。
【００１３】
外管の最大曲げモーメントは杭頭部の位置の影響をあまり受けないが、鋼管杭の最大曲げモーメントは杭頭部の位置を低くするに従い大きく低下している。この結果、鋼管杭の杭頭部位置を下げた場合、発生する曲げモーメントが小さくなるとともに必要な部材の量も減少する。しかし実際の構造では杭頭部位置まで地盤を掘り下げる必要があり、あまり杭頭部位置を低くすると施工が困難になり、施工費用も高くなる。したがって杭頭部位置の低下量Ｈ1は鋼管杭1の杭径（外径）Ｄ1の１／２以上、２倍以下とするのが妥当である。鋼管杭と外管の頭部に高低差を設けたことにより、内部に充填されるコンクリートに拘束効果が生じ、水平力および鉛直力の伝達が確実となる。
【００１４】
つぎに、鋼管杭１と外管２の上端部分の内外面に「ずれ止め」あるいは鉄筋を取り付けて、コンクリートとの付着力を増大させる。これも水平力の伝達に効果がある。特に効果の大きいのは図２に符号４で示す外管２の内面のずれ止めである。ずれ止めの効果は４５度の角度で外側に広がっていると考えられる。したがって鋼管杭１にその効果が及ぶためには、図２に示すように、ずれ止め４の下端から鋼管杭１頭部までの高低差Ｈ2 が、外管の内径Ｄ2と鋼管杭の外径Ｄ1の差の１／２以上であることが必要である。今回の実施例ではＤ2＝1400ｍｍ、Ｄ1＝1200ｍｍであるから、鋼管杭１の頭部をずれ止め４よりも
（Ｄ2−Ｄ1）／２＝100（ｍｍ）
以上低くすればよい。
【００１５】
また、特に図示しないが、本発明実施例の外管のさらに外側に当たる周囲部分を掘削し、掘削土砂とセメントミルクとを攪拌、混合してソイルセメントによる地盤改良を行えば、いっそう大きな範囲で水平耐力を増強させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明実施例の二重管式の杭頭構造を示す断面図である。
【図２】図１の要部を示す説明図である。
【図３】従来の技術における二重管式の杭頭構造の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１７】
１ 鋼管杭（内部鋼管）
１Ａ 下杭
２ 外管（外部鋼管）
３、３Ａ 充填材
４ ずれ止め
５ 鉄筋
Ｆ フーチング
Ｄ１ 外径
Ｄ２ 内径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、杭基礎における二重管式の杭頭構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤内に貫入させた杭の頭部を建造物のフーチングに接続する構造の杭基礎においては、地震時に杭頭部に大きな水平力が作用し、杭頭部に大きな曲げモーメントが発生するので、曲げ耐力を高める方法として杭頭部を大断面としたり、杭頭部とフーチングとの結合度を小さくするなどの対策が講じられている。
杭頭部を拡径する構造では拡径部と杭軸部との連結加工に膨大な手間がかかり、しかもその下部に弱点部が残るなどの問題点がある。
【０００３】
そこで通常の杭を使用しながら水平耐力を向上させる杭基礎として、二重管式杭頭構造が提案されている。
特許文献１には、杭頭部に外管をかぶせ、この外管の下端部の杭との隙間にアスファルト材などのスペーサを備えて大地震においても構造物を安定的に支持する二重管式の杭頭構造が記載されている。
【０００４】
また特許文献２には、下杭の鉄筋コンクリート杭に植え込む鉛直抵抗用部材としての内部鋼管と、これを取り囲む水平抵抗用部材としての前記内部鋼管よりも短い外部鋼管とからなり、外部鋼管をその頭部以外では内部鋼管や下杭に接触しないように設置した二重管式の杭頭構造が記載されている。これを図３により簡単に説明する。１Ａは下杭の鉄筋コンクリート杭、１は内部鋼管、２は外部鋼管、３Ａは充填材である。外部鋼管２と内部鋼管１との間隙は、空間のままとするか、軟弱土またはポリウレタン等の軟弱な充填材３Ａを充填するとしている。
【特許文献１】特開２００４−１１６２２５号公報
【特許文献２】特公平１−１９４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、あるいは特許文献２に記載の発明では、杭頭部と上部構造物との接合構造について具体的な説明がなく、外管が受けた応力が確実に内側の杭に伝達されるかどうか、効果が疑わしい。
本発明は、このような問題点を解消し、小径の杭を使用して経済的で耐震効果のある杭頭構造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記の問題点を解決するため、二重管式の杭頭部構造における鋼管杭の位置をさまざまに変え、もっとも補強効果が発揮される条件について検討を行った。その結果、鋼管杭の杭頭部を外管の上端よりも下げることにより、鋼管杭の耐力をより大きくすることが可能であることを見出した。
すなわち本発明は、鋼管杭の頭部にこの鋼管杭より大径の外管を挿通し、鋼管杭の頭部と外管の上端部分とが埋没する状態にコンクリートを打設して一体化させることにより杭の水平耐力を増大させた二重管式の杭頭構造において、前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端よりも低くなっていることを特徴とする二重管式の杭頭構造であって、望ましくは前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端よりも鋼管杭の外径の１／２以上、２倍以下の範囲で低くなっている前記の二重管式の杭頭構造であり、また、鋼管杭の頭部および外管上端部分の内外面にずれ止めあるいは鉄筋を取り付けてコンクリートとの付着力を増大させた前記の二重管式の杭頭構造であって、前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端内面のずれ止めよりも外管の内径と鋼管杭の外径の差の１／２以上低くなっている前記の二重管式の杭頭構造である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、小径の杭を使用するので施工が安価でかつ容易であり、設計の自由度も大きく、地震時の水平耐力が大幅に向上するという、すぐれた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
埋め込み杭工法には中掘り方式とプレボーリング方式とがあり、本発明はそのいずれでもかまわない。
図１は本発明実施例の二重管式の杭頭構造を示す断面図、図２はその要部を示す説明図で、１は鋼管杭、２は外管、３はその中間に充填される充填材、４はずれ止め、５は鉄筋、Ｆはフーチングである。
【０００９】
本発明では内管となる鋼管杭のほかに、頭部である地表近くにこれより若干大径の外管を建て込む。鋼管杭と外管とは同時でも別々でも、またどちらを先に施工してもよい。鋼管杭の上端部分の位置は、外管の上端部分よりも低くする。
なお、フーチング部分を除いて、外管２の外側、および外管２と鋼管杭１との中間には特にコンクリートを充填しない。したがってこの部分には周囲の土砂、あるいは施工時のソイルセメントが充填材３として充填されている状態となるが、中空ではないので、外管２に作用した力が充填材３を介して分散して内管に伝達される。したがって充填材３としてはある程度以上の剛性を持つ材料が望ましいが、たとえば周囲の地盤の土などでも十分である。
【００１０】
表１は、外管上端部分に対する鋼管杭の杭頭位置を変化させてＦＥＭ解析を行った結果である。これを図２により説明すると、鋼管杭１の杭径（外径）Ｄ1は1200ｍｍ、杭下端の深度は40ｍ、外管２の径（内径）Ｄ2は1400ｍｍ、外管の長さは10ｍとした。
【００１１】
【表１】
【００１２】
鋼管杭１には鉛直荷重として14000ｋＮの軸力と2000ｋＮの水平力とが作用しており、鋼管杭１と外管２との中間にはヤング率で７Ｎ／ｍｍ2のソイルセメントが充填されている。
鋼管杭１の杭頭部の位置Ｈ1は、外管２の上端を基準として、1200ｍｍおよび200ｍｍ上げた場合、1200ｍｍ、600ｍｍおよび200ｍｍ下げた場合の５とおりとした。1200ｍｍは鋼管杭１の杭径（外径）Ｄ1に相当する。
【００１３】
外管の最大曲げモーメントは杭頭部の位置の影響をあまり受けないが、鋼管杭の最大曲げモーメントは杭頭部の位置を低くするに従い大きく低下している。この結果、鋼管杭の杭頭部位置を下げた場合、発生する曲げモーメントが小さくなるとともに必要な部材の量も減少する。しかし実際の構造では杭頭部位置まで地盤を掘り下げる必要があり、あまり杭頭部位置を低くすると施工が困難になり、施工費用も高くなる。したがって杭頭部位置の低下量Ｈ1は鋼管杭1の杭径（外径）Ｄ1の１／２以上、２倍以下とするのが妥当である。鋼管杭と外管の頭部に高低差を設けたことにより、内部に充填されるコンクリートに拘束効果が生じ、水平力および鉛直力の伝達が確実となる。
【００１４】
つぎに、鋼管杭１と外管２の上端部分の内外面に「ずれ止め」あるいは鉄筋を取り付けて、コンクリートとの付着力を増大させる。これも水平力の伝達に効果がある。特に効果の大きいのは図２に符号４で示す外管２の内面のずれ止めである。ずれ止めの効果は４５度の角度で外側に広がっていると考えられる。したがって鋼管杭１にその効果が及ぶためには、図２に示すように、ずれ止め４の下端から鋼管杭１頭部までの高低差Ｈ2 が、外管の内径Ｄ2と鋼管杭の外径Ｄ1の差の１／２以上であることが必要である。今回の実施例ではＤ2＝1400ｍｍ、Ｄ1＝1200ｍｍであるから、鋼管杭１の頭部をずれ止め４よりも
（Ｄ2−Ｄ1）／２＝100（ｍｍ）
以上低くすればよい。
【００１５】
また、特に図示しないが、本発明実施例の外管のさらに外側に当たる周囲部分を掘削し、掘削土砂とセメントミルクとを攪拌、混合してソイルセメントによる地盤改良を行えば、いっそう大きな範囲で水平耐力を増強させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明実施例の二重管式の杭頭構造を示す断面図である。
【図２】図１の要部を示す説明図である。
【図３】従来の技術における二重管式の杭頭構造の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００１７】
１ 鋼管杭（内部鋼管）
１Ａ 下杭
２ 外管（外部鋼管）
３、３Ａ 充填材
４ ずれ止め
５ 鉄筋
Ｆ フーチング
Ｄ１ 外径
Ｄ２ 内径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管杭の頭部にこの鋼管杭より大径の外管を挿通し、鋼管杭の頭部と外管の上端部分とが埋没する状態にコンクリートを打設して一体化させることにより杭の水平耐力を増大させた二重管式の杭頭構造において、前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端よりも低くなっていることを特徴とする二重管式の杭頭構造。
【請求項２】
前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端よりも鋼管杭の外径の１／２以上、２倍以下の範囲で低くなっている請求項１に記載の二重管式の杭頭構造。
【請求項３】
鋼管杭の頭部および外管上端部分の内外面にずれ止めあるいは鉄筋を取り付けてコンクリートとの付着力を増大させた請求項１または２に記載の二重管式の杭頭構造。
【請求項４】
前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端内面のずれ止めよりも外管の内径と鋼管杭の外径の差の１／２以上低くなっている請求項３に記載の二重管式の杭頭構造。
【請求項１】
鋼管杭の頭部にこの鋼管杭より大径の外管を挿通し、鋼管杭の頭部と外管の上端部分とが埋没する状態にコンクリートを打設して一体化させることにより杭の水平耐力を増大させた二重管式の杭頭構造において、前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端よりも低くなっていることを特徴とする二重管式の杭頭構造。
【請求項２】
前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端よりも鋼管杭の外径の１／２以上、２倍以下の範囲で低くなっている請求項１に記載の二重管式の杭頭構造。
【請求項３】
鋼管杭の頭部および外管上端部分の内外面にずれ止めあるいは鉄筋を取り付けてコンクリートとの付着力を増大させた請求項１または２に記載の二重管式の杭頭構造。
【請求項４】
前記鋼管杭の頭部が前記外管の上端内面のずれ止めよりも外管の内径と鋼管杭の外径の差の１／２以上低くなっている請求項３に記載の二重管式の杭頭構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−４６８８１（Ｐ２００９−４６８８１Ａ）
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２１３９０２（Ｐ２００７−２１３９０２）
【出願日】平成１９年８月２０日（２００７．８．２０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２０日（２００７．８．２０）
【出願人】（０００００１２５８）ＪＦＥスチール株式会社 (8,589)
【Ｆターム（参考）】
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