拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法
【課題】拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法を得る。
【解決手段】地盤12に埋設される軸部22と、軸部22の軸方向に形成され軸部22の径よりも大径の拡径部24と、を有する多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定方法として、拡径部24の周囲の抵抗土塊Gが変位する方向が鉛直方向に対して傾いた方向(変位方向α)であると仮定して抵抗土塊Gの重量を求め、引抜き抵抗力Pを求める。このように抵抗土塊Gの変位方向αを考慮して引抜き抵抗力Pを算定することで、算定結果が現場載荷試験の結果に近い値となり、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定精度を向上させることができる。
【解決手段】地盤12に埋設される軸部22と、軸部22の軸方向に形成され軸部22の径よりも大径の拡径部24と、を有する多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定方法として、拡径部24の周囲の抵抗土塊Gが変位する方向が鉛直方向に対して傾いた方向(変位方向α)であると仮定して抵抗土塊Gの重量を求め、引抜き抵抗力Pを求める。このように抵抗土塊Gの変位方向αを考慮して引抜き抵抗力Pを算定することで、算定結果が現場載荷試験の結果に近い値となり、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定精度を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
構造物の大型化、高層化に伴い、基礎杭には高い鉛直支持性能及び引抜抵抗性能が要求されており、杭の支持力を増大させるために鉛直方向の複数箇所で杭を拡径した多段拡径杭が用いられている(例えば、特許文献1、2参照)。
【0003】
特許文献1の多段拡径杭では、引抜抵抗力が拡径部の周面摩擦、軸頭部の周面摩擦、及び杭の自重の総和で算定されている。
【0004】
特許文献2の多段拡径杭では、鉛直円筒すべり面が各々の拡径部に対して想定され、各拡径部の鉛直円筒すべり面に生じる極限周面摩擦力の和と、杭先端地盤の極限抵抗力と、軸部の極限周面摩擦力との和から杭の自重を減算した値が極限鉛直支持力とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2002−21070
【特許文献2】特開2003−138561
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の請求項1に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、前記拡径部の周囲の抵抗土塊が変位する方向が鉛直方向に対して傾いた方向であるとして前記抵抗土塊の重量を求め、引抜き抵抗力を求める。
【0008】
上記構成によれば、抵抗土塊の変位方向を考慮して引抜き抵抗力を算定しているので、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる。
【0009】
本発明の請求項2に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、前記地盤の土の内部摩擦角と、前記拡径部の外形寸法と、前記拡径部の表面の粗さ角と、前記拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、前記抵抗土塊への上載圧と、前記抵抗土塊の重量と、土の粘着力とから引抜き抵抗力の第1演算式をたて、前記第1演算式における引抜き抵抗力が最小となるときの前記変位方向角を求め、前記変位方向角を前記第1演算式に代入して引抜き抵抗力を求める。
【0010】
上記構成によれば、地盤条件、拡径部の外形寸法、拡径部の表面の粗さ角、及び抵抗土塊の変位方向等を考慮して引抜き抵抗を算定しているので、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる。
【0011】
本発明の請求項3に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、前記地盤の土の内部摩擦角と、前記拡径部の外形寸法と、前記拡径部の表面の粗さ角と、前記拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、前記抵抗土塊への上載圧と、前記抵抗土塊の重量と、前記拡径部の側面の表面積と、前記抵抗土塊の表面積と、土の粘着力とから引抜き抵抗力の第2演算式をたて、前記拡径部の側面の表面積と、前記抵抗土塊の表面積と、前記内部摩擦角と、前記粗さ角と、前記変位方向角とで求められる前記地盤のすべり面での体積変化量が、前記抵抗土塊の変位による体積増加分に一致する連続式をたて、前記連続式が0となるときの前記変位方向角を求め、前記変位方向角を前記第2演算式に代入して引抜き抵抗力を求める。
【0012】
上記構成によれば、地盤条件、拡径部の外形寸法、拡径部の表面の粗さ角、及び抵抗土塊の変位方向等を考慮して引抜き抵抗を算定しており、また、軸対称条件での問題を解決しているので、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度をさらに向上させることができる。
【0013】
本発明の請求項4に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、複数の前記拡径部の周囲の抵抗土塊の前記変位方向角を求めてから、算定対象となる前記拡径部の周囲の抵抗土塊と、該算定対象となる前記拡径部の上方にある前記拡径部の周囲の抵抗土塊との重なり分を差し引いて、算定対象となる前記拡径部の分担荷重を求める。この構成によれば、各拡径部で重なっている部分の抵抗土塊を求めて差し引くので、各拡径部毎の分担荷重を精度良く求めることができる。
【0014】
本発明の請求項5に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、地盤には前記拡径杭が複数並んで設けられ、複数の前記拡径杭の径方向で重なる領域の抵抗土塊の体積を求める。この構成によれば、隣り合う拡径杭の抵抗土塊の重なる部分を求めることにより、群杭効果による引抜き抵抗力の低減を見積もることができる。
【0015】
本発明の請求項6に係る拡径杭は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で複数の前記拡径部の引抜き抵抗力が算定された拡径杭であって、複数の前記拡径部は、それぞれの該拡径部が受け持つ引抜き抵抗力が均等となるように外径が決められている。この構成によれば、拡径杭は、複数の拡径部において引抜き抵抗力を均等に分担するので、各拡径部の分担極限荷重が小さくなるとともに変形初期の各拡径部の引抜き抵抗の合力が大きくなる。これにより、変形初期の段階から引抜き剛性を増加させることができる。
【0016】
本発明の請求項7に係る拡径杭は、複数の前記拡径部の大きさが異なっている。この構成によれば、拡径杭は、複数の大きさが異なる拡径部において引抜き抵抗力を均等に分担するので、各拡径部の分担極限荷重が小さくなるとともに変形初期の各拡径部の引抜き抵抗の合力が大きくなる。これにより、変形初期の段階から引抜き剛性を増加させることができる。
【0017】
本発明の請求項8に係る拡径杭は、前記拡径部の周囲の抵抗土塊の領域が重ならないように複数の前記軸部が水平方向に離れて設けられている。この構成によれば、各拡径杭の周囲の抵抗土塊の領域が重ならないため、群杭効果による引抜き抵抗力の低減が抑えられる。これにより、拡径杭の引抜き抵抗力の低下を抑えることができる。
【0018】
本発明の請求項9に係る拡径杭の配置設定方法は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で得られた複数の前記拡径杭の径方向で重なる領域の抵抗土塊の体積が0となるように、複数の前記拡径杭を配置する。この構成によれば、各拡径杭の抵抗土塊の領域が重なっていないため、群杭効果による引抜き抵抗力の低減が抑えられる。これにより、拡径杭の引抜き抵抗力の低下を抑えることができる。
【0019】
本発明の請求項10に係る拡径杭の施工品質判定方法は、請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で用いられた前記拡径部の表面の粗さ角と、前記地盤の土の内部摩擦角の1/2と、を比較して、前記拡径部の表面の粗さ角が前記地盤の土の内部摩擦角の1/2に近いものを施工性が良いと判定する。
【0020】
拡径杭と地盤との摩擦によるダイレタンシー量は、地盤と地盤の間のダイレタンシー角の半分程度とみなすことができ、粗さ角が0に近い場合は、孔壁のゆるみが発生したものとみなすことができる。ここで、上記構成によれば、粗さ角と地盤の土の内部摩擦角の1/2とを比較しているので、拡径杭の施工品質を判定することができる。
【発明の効果】
【0021】
本発明は、上記構成としたので、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の第1実施形態に係る建物全体の構成図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る拡径杭の施工状態を示す説明図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る拡径杭の断面図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、比較例としての従来方法1、2における拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角との違いを示す模式図である。
【図5】(a)本発明の第1実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の平面ひずみ条件での破壊モードを示す模式図である。(b)本発明の第1実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の可容速度場を示す模式図である。
【図6】本発明の第1実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の平面ひずみ条件での破壊モード(粗さ角が十分大きい場合)を示す模式図である。
【図7】本発明の第2実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、比較例としての従来方法1、2における拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角との違いを示す模式図である。
【図8】(a)本発明の第2実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の軸対称問題での破壊モードを示す模式図である。(b)本発明の第2実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の可容速度場を示す模式図である。
【図9】(a)抵抗土塊量が大小異なるときの拡径杭における杭頭引抜き量と引抜き抵抗力との関係を示すグラフである。(b)拡底杭又は多段拡径杭における杭頭引抜き量と引抜き抵抗力との関係を示すグラフである。
【図10】(a)拡径杭と他の杭とを比較した模式図である。(b)拡径杭又は他の杭の引抜き量と引抜き抵抗力との関係を示すグラフである。
【図11】(a)〜(c)本発明の第3実施形態に係る2つの拡径部の抵抗土塊を内部摩擦角の大小を変えて重ね合わせた状態を示す模式図である。
【図12】本発明の第3実施形態の他の例である4つの拡径部の抵抗土塊を重ね合わせた状態を示す模式図である。
【図13】本発明の第4実施形態に係る拡径部の外径を変化させて分担荷重を均等化させる状態を示す模式図である。
【図14】拡径部を変化させない比較例と、本発明の第4実施形態に係る拡径部とについての引抜き量と引抜き抵抗力との関係を示すグラフである。
【図15】(a)〜(d)本発明の第4実施形態の他の例として、中間拡径部の外径を小さく、又は大きくしたときの抵抗土塊形状の変化を示す模式図である。
【図16】(a)本発明の第5実施形態に係る複数の拡径杭の抵抗土塊が重なった状態を示す模式図である。(b)本発明の第5実施形態に係る複数の拡径杭の抵抗土塊が重なっていない状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第1実施形態を図面に基づき説明する。図1には、構造物の一例としての建物10が示されている。建物10は、水平方向(矢印X方向)に間隔をあけて地盤12に埋設された複数の多段拡径杭20(20A、20B、20C、20D)と、多段拡径杭20上(地盤12上)に構築された躯体(図示省略)を含む地上構造物14とで構成されている。
【0024】
地盤12は、複数の軟弱層及び支持層(図示省略)が積層された構成となっている。なお、多段拡径杭20A、20B、20C、20Dは同様の構成であるため、以後は多段拡径杭20Aについて説明し、多段拡径杭20B、20C、20Dの説明は省略する。
【0025】
多段拡径杭20Aは、鉛直方向(矢印Z方向)を軸方向とする複数の円柱状の軸部22と、軸部22の外周面から径方向外側へ拡径された複数の拡径部24とで構成されている。軸部22は、同じ外径の軸部22A及び軸部22Bで構成されている。なお、同じ外径とは、設計上の外径が同じ大きさであることを意味しており、軸部22A、22Bの外径に施工により生じる設計中心値からの誤差分の違いがあっても同じものとみなす。
【0026】
一方、拡径部24は、多段拡径杭20Aの中間で支持層(図示省略)の上部に形成された中間拡径部26と、多段拡径杭20Aの下端に形成された拡底部28とで構成されている。なお、各拡径部24の数は、本実施形態に限定されるものではなく、2つ以上の複数で適宜選択されるものである。
【0027】
次に、多段拡径杭20を掘削するための掘削機40について説明する。
【0028】
図2に示すように、多段拡径杭20(図1参照)の施工には、一例として掘削機40を用いる。掘削機40は、クレーン42と、旋回装置44と、位置決めアーム46とを含んで構成されている。クレーン42は、予め、他の掘削手段を用いて地盤12を下方向(矢印DOWN方向)に掘削して形成された杭孔52内にケリーバ48を吊り下げており、ケリーバ48を矢印UP、DOWN方向に昇降させるようになっている。
【0029】
また、クレーン42から張り出した位置決めアーム46の先端には旋回装置44が取付けられている。旋回装置44は、ケリーバ48を矢印R方向に旋回させるようになっており、ケリーバ48の下端部48Aには、径方向に拡径して杭孔52の掘削を行う拡径バケット50の上端部がピン(図示省略)で連結されている。なお、杭孔52内にはベントナイト等の安定液Lが図示しない補給管から注入されており、孔壁の倒壊を防止している。
【0030】
拡径バケット50は、杭孔52の中央に配置され回転中心となる中心軸54を有しており、中心軸54の周囲にはリンク機構56が設けられている。リンク機構56は、油圧シリンダ(図示省略)の伸縮動作によって杭孔52の外径方向に拡縮される複数のアーム部材58を有しており、アーム部材58における中心軸54とは反対側の端部に拡翼部60が取り付けられている。
【0031】
拡翼部60は、平断面が円弧状に形成されており、中心軸54を中心として4方向(90°おき)に配置されている。また、拡翼部60の外周面には、掘削用のビット(図示省略)が複数設けられている。このような構成により、拡径バケット50は、旋回装置44がケリーバ48を旋回させると、中心軸54と一体に旋回して径方向の拡径量に応じて杭孔52の内周壁を掘削するようになっている。なお、拡径バケット50の上部には、ケリーバ48及び中心軸54の中心が杭孔52の中心位置から大きくずれないように、杭孔52の内壁と接触するスタビライザ62が設けられている。
【0032】
次に、多段拡径杭20の施工手順について説明する。
【0033】
図2の地盤12において、予め、他の掘削手段を用いて鉛直方向に杭孔52を掘削する。杭孔52には、前述のようにベントナイト等の安定液Lが補給されており、孔壁の倒壊を防止している。そして、クレーン42がケリーバ48を矢印down方向へ降下させ、縮径した状態の拡径バケット50を杭孔52の底部に降下させる。
【0034】
続いて、旋回装置44が駆動され、ケリーバ48が矢印R方向に旋回する。ここで、油圧シリンダ(図示省略)を動作させることでリンク機構56のアーム部材58が水平方向に移動して、拡翼部60の拡径が行われる。そして、拡翼部60は旋回しながら拡径し、掘削ビット(図示省略)によって杭孔52の内壁が掘削され、拡径部24が形成される。このようにして、1箇所の拡径部24が形成される。
【0035】
なお、多段拡径杭20を構築するときは、予め設定された最深部まで他の掘削手段により杭孔52を掘削した後、拡径部24の設定箇所で拡翼部60を旋回しながら拡径して掘削し、拡翼部60を一旦縮径して、次の拡径部24の設置箇所に移動する一連の工程を繰り返すことにより、複数の拡径部24(中間拡径部26及び拡底部28(図1参照))を形成する。そして、各拡径部24の掘削後、縮径された拡径バケット50が引き上げられ、杭孔52の内部に鉄筋かご(図示省略)が配置されて、トレミー管(図示省略)を介して杭孔52内にコンクリートが打設される。これにより、軸部22、中間拡径部26、及び拡底部28が形成され、多段拡径杭20が完成する。
【0036】
次に、多段拡径杭20の引抜き抵抗力(Pとする)の算定方法について説明する。ここでは、平面ひずみ条件による引抜き抵抗力の算定方法について説明する。
【0037】
図3に示すように、多段拡径杭20の中間拡径部26は、軸部22Aの下端から鉛直下方へ予め設定された比率で徐々に拡径された上部26A(一点鎖線U1〜U2の範囲)と、上部26Aの下端から鉛直下方へ真っ直ぐ延設された中央部26B(一点鎖線U2〜U3の範囲)と、中央部26Bの下端から鉛直下方へ予め設定された比率で徐々に縮径された下部26C(一点鎖線U3〜U4の範囲)とで構成されている。多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pは、上部26Aによって作用するため、以後の説明では、上部26A以上の範囲(一点鎖線U2以上の範囲)について説明する。
【0038】
図4(a)、(b)には、本実施形態との比較例として、従来方法1、2で設定される抵抗土塊G1、G2(図示の網がけ領域)の形状が模式図で示されている。従来方法1は、中間拡径部26からある一定の角度で広がる範囲が全部抵抗土塊となる設定の計算方法であり、従来方法2は、地盤12の深いところに中間拡径部26をもっていったときに、抵抗土塊が広がらないで頭打ちになる設定の計算方法である。上界法によるアンカーの引抜き抵抗力Pの算定で用いられている従来方法1、2の考え方において、抵抗土塊G1、G2の形状は、地盤12の内部摩擦角φから求められ、抵抗土塊G1、G2の変位方向は、鉛直上向き(矢印Z方向)となる。
【0039】
図4(a)に示す従来方法1では、土被りhが比較的浅いアンカー基礎の引抜き抵抗土塊G1であり、土被りhが深くなると計算精度が低下することになる。そして、従来方法1では、多段拡径杭20表面の粗度の影響を考慮することができない。また、図4(b)に示す従来方法2では、抵抗土塊G2の形状が、従来方法1の土被りhが深い場合を考慮した形状となっているものの、多段拡径杭20表面の粗度の影響を考慮することができない。
【0040】
一方、図4(c)に示すように、本発明の第1実施形態において設定する抵抗土塊G3の形状は、従来方法2において多段拡径杭20表面の粗度を考慮したものであり、多段拡径杭20表面の粗度(以後、粗さ角δで表す)に応じて、抵抗土塊G3の変位方向αが鉛直上向きから水平方向に傾く(矢印M1方向の変位となる)作用を考慮した形状となっている。この変位方向αは、後述するように多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定式を最小化するαを求めることで決定することができる。
【0041】
図5(a)には、本発明の第1実施形態における中間拡径部26の上部26A及び周囲の抵抗土塊G3が模式図で示されている。また、図5(b)には、抵抗土塊G3における可容速度場が示されている。
【0042】
図5(a)において、中間拡径部26の上部26Aにおける傾斜面26Dの上端位置を点Aとし、傾斜面26Dの下端位置を点Bとする。また、点Aから水平方向(矢印X方向)に延ばした線と点Bから鉛直方向に延ばした線との交点を点Dとする。さらに、抵抗土塊G3の内部摩擦角をφとして、点A、Dを通って水平方向に延ばした線と、水平方向に対して点Bから角度α−φの方向に延びる線との交点を点Cとする。
【0043】
ここで、抵抗土塊G3における単位奥行きあたりの三角形ABDの土塊重量をWa、三角形BCDの土塊重量をWb、土の単位体積重量をγ、中間拡径部26の上部26Aの高さをH、点Aから点Bへ向けての中間拡径部26の拡大率をθとすると、土塊重量Waは(1)式、土塊重量Wbは(2)式で表される。拡大率θは、軸部22A(図1参照)の外径に相当する直径D1と、中間拡径部26の最外径に相当する直径D2とから求められる。また、辺AD上の単位奥行きあたりの上載圧をpa、辺DC上の単位奥行きあたりの上載圧をpbとすると、辺AD上に作用する上載圧の合力Paは(3)式で表され、辺DC上に作用する上載圧の合力Pbは(4)式で表される。
【0044】
【数1】
【0045】
【数2】
【0046】
【数3】
【0047】
【数4】
一方、三角形ABDの土塊の変位量をδWa、三角形BCDの土塊の変位量をδWb、中間拡径部26の変位量をδv0、三角形ABDと三角形BCDの相対変位量をδWba、辺ABにおける中間拡径部26と三角形ABDの土塊の相対変位量をδWa0で表すと、φ<α≦π/2のとき、δv0は(5)式、δWbは(6)式、δWbaは(7)式、δWa0は(8)式でそれぞれ表される。
【0048】
【数5】
【0049】
【数6】
【0050】
【数7】
【0051】
【数8】
次に、外力(引抜き抵抗力P、上載圧、及び重力)による仕事ΔWは、(9)式で表される。また、内部消散による仕事ΔEは、土のダイレタンシー角(Ψとする)が土の内部摩擦角φに等しいとすると、各土塊境界(辺BD、辺BC)における土の粘着力(cとする)による消散エネルギーであるため、(10)式のようになる。ここで、上界定理により、ΔE=ΔWであるから、引抜き抵抗力Pは(11)式で表される。よって、(11)式において、引抜き抵抗力Pが最小となるときの抵抗土塊G3の変位方向αを求め、得られた変位方向αを(11)式に代入することで、引抜き抵抗力Pを求めることができる。
【0052】
【数9】
【0053】
【数10】
【0054】
【数11】
なお、(11)式において、中間拡径部26表面の粗さ角δが十分に大きい場合は、図6に示すように変位方向β=π/2−φとなり、従来方法2(図4(b)参照)と同じ結果となる。また、(11)式から得られた変位方向αは、地盤12(図1参照)と拡径部24(図1参照)の形状、粗さ角δの条件によって異なるが、70°〜90°の範囲となる場合が多い。
【0055】
次に、本発明の第1実施形態の作用について説明する。
【0056】
数値実験の結果と、本発明の第1実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法により得られた引抜き抵抗力P及び従来方法1、2により得られた引抜き抵抗力Pの算定結果を表1に示す。なお、数値実験の解析手法には個別要素法解析を用いた。
【0057】
【表1】
表1に示すように、本発明の第1実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法により得られた引抜き抵抗力Pの方が、従来方法1、2により得られた引抜き抵抗力Pよりも数値実験の結果に近い値となることが分かった。このように、本発明の第1実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法では、抵抗土塊の変位方向が鉛直方向に対して斜め方向になることを考慮して引抜き抵抗力Pを算定しているので、抵抗土塊の変位方向を鉛直方向のみとして引抜き抵抗力Pを算定している従来方法1、2に比べて、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定精度を向上させることができる。
【0058】
ここで、多段拡径杭20の施工品質の判定方法について説明する。この施工品質の判定方法では、各拡径部24の表面の粗さ角δと土の内部摩擦角φとを用いて判定を行う。粗さ角δで判定するのは、粗さ角δが多段拡径杭20表面の粗度や杭孔52(図2参照)の孔壁のゆるみなどの築造方法によって決められる値であり、(11)式からも分かるように、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの大きさに強く影響する物理量であるためである。
【0059】
一般的に、土にせん断変形を与えると、ある一定の幅を持ったせん断帯が発生し、このせん断帯の中で体積膨張が発生する。ここで、せん断帯でせん断される部位の両方が土ではなく、一方がコンクリートの場合は、コンクリート側で体積膨張がおきないため、結果として体積膨張量が土同士の場合に比べて1/2となる。即ち、多段拡径杭20と地盤12との摩擦によるダイレタンシー量は、土−土間のダイレタンシー角の半分程度と見なすことができる。これにより、現場載荷試験における引き抜き抵抗力を再現できる粗さ角δがφ/2に近い場合は、施工性が良いことになり、粗さ角δが0に近い場合は、杭孔52の孔壁のゆるみが発生したものと見なすことができて施工品質が悪いことになる。
【0060】
このように、各拡径部24の表面の粗さ角δと、地盤12の土の内部摩擦角φの1/2とを比較することで、多段拡径杭20の施工品質を判定することができ、特に、粗さ角δが内部摩擦角φの1/2に近い場合は、施工品質が良いことが分かる。なお、粗さ角δによる判定指標は、異なる地盤においても定量的に評価できる指標である。
【0061】
次に、本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第2実施形態を図面に基づき説明する。ここでは、軸対称問題による多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定方法について説明する。なお、前述した第1実施形態と基本的に同一のものには、前記第1実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0062】
図7(a)、(b)には、本実施形態との比較例として、前述の従来方法1、2で設定される抵抗土塊G1、G2(図示の網がけ領域)の形状が模式図で示されている。上界法によるアンカーの引抜き抵抗力Pの算定で用いられている従来方法1、2の考え方において、抵抗土塊G1、G2の形状は、地盤12の内部摩擦角φから求められ、抵抗土塊G1、G2の変位方向は、鉛直上向き(矢印Z方向)となる。
【0063】
一方、図7(c)に示すように、本発明の第2実施形態において設定する抵抗土塊G4の形状は、多段拡径杭20表面の粗さ角δに応じて、抵抗土塊G4の変位方向αが鉛直上向きから水平方向に傾く(矢印M2方向の変位となる)作用を考慮した形状となっている。なお、第2実施形態における引抜き抵抗力Pの算定方法は、第1実施形態の引抜き抵抗力Pの算定方法を軸対称条件にも対応させるための方法である。
【0064】
図8(a)には、本発明の第2実施形態における中間拡径部26の上部26A及び周囲の抵抗土塊G4が模式図で示されている。また、図8(b)には、抵抗土塊G4における可容速度場が示されている。
【0065】
図8(a)において、中間拡径部26の上部26Aにおける傾斜面26Dの上端位置を点Aとし、傾斜面26Dの下端位置を点Bとする。また、点Aから水平方向(矢印X方向)に延ばした線と点Bから鉛直方向に延ばした線との交点を点Dとする。さらに、抵抗土塊G4の内部摩擦角をφとして、点A、Dを通って水平方向に延ばした線と、水平方向に対して点Bから角度α−φの方向に延びる線との交点を点Cとする。
【0066】
ここで、抵抗土塊G4における三角形ABDを中間拡径部26の中心軸Q周りに回転させたときに形成される土塊の重量をWa、三角形BCDを中間拡径部26の中心軸Q周りに回転させたときに形成される土塊の重量をWb、土の単位体積重量をγ、中間拡径部26の上部26Aの高さをH、点Aから点Bへ向けての中間拡径部26の拡大率をθ、軸部22A(図1参照)の外径に相当する直径D1、中間拡径部26の最外径に相当する直径D2とすると、土塊重量Waは(12)式、土塊重量Wbは(13)式で表される。また、辺AD上の単位面積あたりの上載圧をpa、辺DC上の単位面積あたりの上載圧をpbとすると、辺AD上に作用する上載圧の合力Paは(14)式で表され、辺DC上に作用する上載圧の合力Pbは(15)式で表される。
【0067】
【数12】
【0068】
【数13】
【0069】
【数14】
【0070】
【数15】
一方、中間拡径部26における上部26Aの側面の表面積をSAB、辺BCを中間拡径部26の中心軸Q周りに回転させたときに形成される側面の表面積をSBC、辺ACを中間拡径部26の中心軸Q周りに回転させたときに形成される環状の面積をSACとすると、SABは(16)式、SBCは(17)式、SACは(18)式でそれぞれ表される。また、前述の(11)式において、H/cosθ=SAB、H/sin(α−φ)=SBCとすると、引抜き抵抗力Pについて(19)式が得られる。
【0071】
【数16】
【0072】
【数17】
【0073】
【数18】
【0074】
【数19】
一方、抵抗土塊G4のすべり面の体積変化量(Δvとする)の連続式は(20)式で表されるので、Δv=0として変位方向αが求められる。これにより得られた変位方向αを(19)式に代入することで、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pが得られる。なお、(20)式から得られた変位方向αは、地盤12(図1参照)と拡径部24(図1参照)の形状、粗さ角δの条件によって異なるが、40°〜90°の範囲となる場合が多い。
【0075】
【数20】
次に、本発明の第2実施形態の作用について説明する。
【0076】
現場載荷試験の結果と、本発明の第2実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法により得られた引抜き抵抗力P及び従来方法1、2により得られた引抜き抵抗力Pの算定結果とを表2に示す。なお、現場載荷試験は、前述のように地盤工学会で規定された杭の引抜き試験方法(JGS 1813−2002)に基づいて行った。
【0077】
【表2】
表2に示すように、本発明の第2実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法により得られた引抜き抵抗力Pの方が、従来方法1、2により得られた引抜き抵抗力Pよりも現場載荷試験の結果に近い値であり、ほぼ等しくなることが分かった。このように、本発明の第2実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法では、抵抗土塊の変位方向が鉛直方向に対して斜め方向になることを考慮して引抜き抵抗力Pを算定し、且つ軸対称条件にも対応しているので、抵抗土塊の変位方向を鉛直方向のみとして引抜き抵抗力Pを算定している従来方法1、2に比べて、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定精度を向上させることができる。
【0078】
次に、本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第3実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第1、第2実施形態と基本的に同一のものには、前記第1、第2実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0079】
まず、本発明の第3実施形態の説明の前に、拡底杭及び多段拡径杭(いずれも拡径杭)の引抜き抵抗力の差について説明する。なお、拡底杭とは、杭の軸部の下端のみに拡径された拡底部が設けられているものであり、多段拡径杭とは、拡底部に加えて、軸部の途中に拡径された中間拡径部が1つ以上設けられているものである。
【0080】
図9(a)には、抵抗土塊の量が大、小のときの拡径杭における杭頭引抜き量と引抜き抵抗力との関係がグラフで示されている。また、図9(b)には、拡底杭(実線T1)又は多段拡径杭(破線T2)における杭頭引抜き量と引抜き抵抗力との関係がグラフで示されている。
【0081】
図9(a)に示すように、拡径杭において、拡径部の外径を大きくすることで抵抗土塊が大きくなるため、極限引抜き抵抗力を大きくすることはできる。しかし、拡径杭の引抜き量には上限(許容引抜き量)があるため、単に拡径部の外径を大きくしたとしても、許容引抜き量での引抜き抵抗力(引抜き剛性)は、あまり増加しない。ここで、図9(b)に示すように、多段拡径杭(破線T2)は、複数の拡径部で引抜き抵抗力が分担されるため各拡径部の分担極限荷重が小さくなり、杭全体の引抜き剛性が、拡底杭(実線T1)に比べて増加する傾向が見られる。このため、多段拡径杭と他の杭との比較を行う。
【0082】
図10(a)には、地盤12に埋設された直杭A、拡底杭B、多段拡径杭C、及び多段拡径杭Dが模式図で示されている。直杭Aは拡径部が無い杭であり、拡底杭Bは軸部の下端が拡径(拡底部B1)された杭である。また、多段拡径杭Cは中間拡径部C1と拡底部C2との距離が杭長の半分よりも短くなっている(近づけられている)杭であり、多段拡径杭Dは中間拡径部D1と拡底部D2との距離が杭長の半分程度となっている杭である。
【0083】
図10(b)には、図10(a)の直杭A、拡底杭B、多段拡径杭C、及び多段拡径杭Dのそれぞれについて、個別要素法解析によって得られた引抜き量と引抜き抵抗力との関係を表すグラフGA、GB、GC、GDが示されている。ここで、グラフGA、GB、GC、GDから、極限引抜き抵抗力(基準線を実線Kで表す)は、直杭Aに比べて拡底杭B、多段拡径杭C、及び多段拡径杭Dの方が大きくなっていることが分かる。
【0084】
また、変形(引抜き)初期の段階において、引抜き抵抗力は、拡底杭Bに比べて多段拡径杭C及び多段拡径杭Dの方が大きくなっていることが分かる。さらに、図10(b)において、中間拡径部D1を拡底部D2と地表面の中間に配置した多段拡径杭Dの方が、中間拡径部C1を拡底部C2に近づけた多段拡径杭Cに比べて、同一変位量における引抜抵抗力は大きくなっている。これらのことから、多段拡径杭の各拡径部(中間拡径部、拡底部)での分担荷重を精度良く求める必要があり、本発明の第3実施形態では、各拡径部で分担荷重を求める方法について説明する。
【0085】
図11(a)、(b)、(c)には、本発明の第3実施形態の一例として、同じ多段拡径杭70を層構成が異なる地盤12に設けたときの抵抗土塊が示されている。多段拡径杭70は、軸部72A、72Bと、中間拡径部74Aと、拡底部74Bとを有している。ここで、中間拡径部74Aが設けられた地盤12の上層の内部摩擦角をφ1、拡底部74Bが設けられた地盤12の下層の内部摩擦角をφ2として、図11(a)の地盤12では、φ1<φ2となっている。また、図11(b)の地盤12では、φ1=φ2であり、図11(c)の地盤12では、φ1>φ2となっている。
【0086】
次に、本発明の第3実施形態の作用について説明する。
【0087】
図11(a)において、多段拡径杭70の中間拡径部74A及び拡底部74Bにおける引抜き抵抗力の算定方法として、まず、上方にある中間拡径部74A単体の抵抗土塊G5の形状と、抵抗土塊G5の変位方向α1とを求める。続いて、下方にある拡底部74B単体の抵抗土塊G6の形状と、抵抗土塊G6の変位方向α2とを求める。続いて、拡底部74Bの抵抗土塊G6において、上方にある中間拡径部74Aの抵抗土塊G5との重なり部分を差し引く。
【0088】
同様に図11(b)、(c)において、多段拡径杭70の中間拡径部74A及び拡底部74Bにおける引抜き抵抗力の算定方法として、まず、上方にある中間拡径部74A単体の抵抗土塊G7の形状と、抵抗土塊G7の変位方向α1とを求める。続いて、下方にある拡底部74B単体の抵抗土塊G8又はG9の形状と、抵抗土塊G8又はG9の変位方向α2とを求める。続いて、拡底部74Bの抵抗土塊G8又はG9において、上方にある中間拡径部74Aの抵抗土塊G7との重なり部分を差し引く。
【0089】
これらの方法により得られた各抵抗土塊の形状を用いることで、中間拡径部74Aと拡底部74Bとの分担荷重が算定され、それぞれの引抜き抵抗力が算定される。また、多段拡径杭70全体の引抜き抵抗力は、中間拡径部74A及び拡底部74Bの引抜き抵抗力を合算することで算定される。このように、本発明の第3実施形態では、各拡径部で重なっている部分の抵抗土塊を求めて差し引くので、各拡径部毎の分担荷重を精度良く求めることができる。
【0090】
なお、図11(a)では、内部摩擦角がφ1<φ2となっているため、地盤12の下層が上層に比べて硬く、抵抗土塊G6の範囲の方が抵抗土塊G5よりも広くなっている。図11(b)では、内部摩擦角がφ1=φ2となっているため、地盤12の下層と上層の硬さが同等であり、抵抗土塊G7の範囲と抵抗土塊G8の範囲がほぼ等しくなっている。図11(c)では、内部摩擦角がφ1>φ2となっているため、地盤12の上層が下層に比べて硬く、抵抗土塊G7の範囲の方が抵抗土塊G9よりも広くなっている。
【0091】
図12には、本発明の第3実施形態の他の例として、4つの拡径部を有する多段拡径杭80における各抵抗土塊の形状が示されている。多段拡径杭80は、軸部82A、82B、82C、82Dと、下方に向けて軸部82A、82B、82C、82Dから同じ大きさで拡径された中間拡径部84A、84B、84C、及び拡底部84Dとを含んで構成されている。
【0092】
多段拡径杭80の中間拡径部84A、84B、84C、及び拡底部84Dにおける引抜き抵抗力の算定方法として、まず、上方にある中間拡径部84A単体の抵抗土塊G10の形状及び変位方向α1と、下方にある中間拡径部84B単体の抵抗土塊G11の形状及び変位方向α2とを求める。続いて、抵抗土塊G11において、抵抗土塊G10との重なり部分を差し引く。
【0093】
続いて、下方にある中間拡径部84C単体の抵抗土塊G12の形状及び変位方向α3を求め、抵抗土塊G12において、抵抗土塊G10及び抵抗土塊G11との重なり部分を差し引く。続いて、下方にある拡底部84D単体の抵抗土塊G13の形状及び変位方向α4を求め、抵抗土塊G13において、抵抗土塊G10、G11、及びG12との重なり部分を差し引く。
【0094】
これらの方法により得られた各抵抗土塊の形状を用いることで、中間拡径部84A、84B、84Cと拡底部84Dとの分担荷重が算定され、それぞれの引抜き抵抗力が算定される。また、多段拡径杭80全体の引抜き抵抗力は、中間拡径部84A、84B、84C、及び拡底部84Dの引抜き抵抗力を合算することで算定される。なお、図12において、内部摩擦角はφ4>φ1=φ3>φ2の関係となっている。
【0095】
次に、本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第4実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第1〜第3実施形態と基本的に同一のものには、前記第1〜第3実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0096】
図13(a)には、比較例として、各拡径部の外径が同じである多段拡径杭130が示されている。多段拡径杭130は、同じ外径である軸部132A、132Bと、軸部132Aの下端に形成された中間拡径部134Aと、軸部132Bの下端に形成された拡底部134Bとを含んで構成されている。多段拡径杭130では、中間拡径部134Aの最外径と拡底部134Bの最外径は等しくD3となっている。また、多段拡径杭130では、第3実施形態で説明した方法を用いて、中間拡径部134A単体での抵抗土塊がG22、拡底部134B単体での抵抗土塊がG23となっている。
【0097】
ここで、中間拡径部134A及び拡底部134Bにおいて分担される分担荷重は、中間拡径部134A及び拡底部134Bの幾何形状と地盤条件によって決められるため、一律に中間拡径部134A及び拡底部134Bの外径が同じであることを前提としてしまうと、中間拡径部134A及び拡底部134Bの分担荷重がばらつき、多段拡径杭130全体の引抜き剛性を増加させることが困難とになる。そこで、本発明の第4実施形態では、各拡径部での分担荷重が均等化されるように各拡径部の外径を変えることにした。
【0098】
図13(b)には、本発明の第4実施形態としての多段拡径杭140が示されている。多段拡径杭140は、多段拡径杭130の軸部132A、132Bと同じ軸方向長さ及び外径である軸部142A、142Bと、軸部142Aの下端に形成された中間拡径部144Aと、軸部142Bの下端に形成された拡底部144Bとを含んで構成されている。多段拡径杭140では、中間拡径部144A及び拡底部144Bでの分担荷重が均等化されるように、中間拡径部144Aの最外径がD4(>D3)、拡底部144Bの最外径がD5(<D3)となっており、中間拡径部144A単体での抵抗土塊がG24、拡底部144B単体での抵抗土塊がG25と求められている。
【0099】
次に、本発明の第4実施形態の作用について説明する。
【0100】
図14には、比較例の多段拡径杭130及び本実施形態の多段拡径杭140(図13参照)における引抜き量と引抜き抵抗力との関係がグラフで示されている。図14において、比較例の多段拡径杭130では、中間拡径部134AのグラフがT4、拡底部134BのグラフがT3であり、多段拡径杭130全体での引抜き合力のグラフはTP1となっている。多段拡径杭130では、引抜き量が許容引抜き量ΔZのときのグラフT4の値をP1、グラフT3の値をP2、グラフTP1の値をP5として、P5=P1+P2となっている。
【0101】
一方、図14において、本実施形態の多段拡径杭140では、中間拡径部144AのグラフがT6、拡底部144BのグラフがT5であり、多段拡径杭140全体での引抜き合力のグラフはTP2となっている。多段拡径杭140では、引抜き量が許容引抜き量ΔZのときのグラフT6の値をP3、グラフT5の値をP4、グラフTP2の値をP6として、P6=P3+P4となっている。なお、引抜き抵抗力P2=P4+ΔP2、P3=P1+ΔP1となっており、ΔP2<ΔP1である。
【0102】
比較例の多段拡径杭130では、許容引抜き量ΔZにおける引抜き抵抗力がP5=P1+P2となっており、本実施形態の多段拡径杭140では、許容引抜き量ΔZにおける引抜き抵抗力がP6=P3+P4=P1+ΔP1+P2−ΔP2=P5+(ΔP1−ΔP2)となっている。ここで、(ΔP1−ΔP2)>0であるから、P6>P5となり、本実施形態の多段拡径杭140の方が、比較例の多段拡径杭130よりも引抜き抵抗力が増加していることが分かる。
【0103】
このように、本発明の第4実施形態の多段拡径杭140では、各拡径部(中間拡径部144A及び拡底部144B)において引抜き抵抗力Pを均等に又は均等に近い状態で分担するので、各拡径部の分担極限荷重が小さくなるとともに、変形初期(許容引抜き量ΔZ)の各拡径部の引抜き抵抗の合力が、均等化を行わない比較例の多段拡径杭130に比べて大きくなる。即ち、本発明の第4実施形態の多段拡径杭140では、変形初期の段階から引抜き剛性を増加させることができる。
【0104】
なお、多段拡径杭140では、各拡径部それぞれの外径を変えていたが、いずれか一方を変えてもよく、例えば、図15(a)、(b)に示す他の第1例や図15(c)、(d)に示す他の第2例のようにしてもよい。
【0105】
図15(a)には、引抜き抵抗力Pの均等化前の多段拡径杭90が示されている。多段拡径杭90は、軸部92A、92Bと、軸部92Aの下端に形成された中間拡径部94Aと、軸部92Bの下端に形成された拡底部94Bとを含んで構成されている。軸部92Aは、軸部92Bよりも長く、中間拡径部94Aは、拡底部94Bに接近している。また、多段拡径杭90では、中間拡径部94Aの最外径及び拡底部94Bの最外径が等しくD6となっており、中間拡径部94A単体での抵抗土塊がG14、拡底部94B単体での抵抗土塊がG15と求められている。
【0106】
図15(b)には、多段拡径杭90において、引抜き抵抗力Pの均等化後の多段拡径杭100が示されている。多段拡径杭100は、軸部92A、92Bとそれぞれ軸方向長さ及び外径が等しい軸部102A、102Bと、軸部102Aの下端に形成された中間拡径部104Aと、軸部102Bの下端に形成された拡底部104Bとを含んで構成されている。多段拡径杭100では、拡底部104Bの外径はD6のままであるが、中間拡径部104Aの最外径はD7(<D6)と小さくなっており、中間拡径部104A単体での抵抗土塊がG16、拡底部104B単体での抵抗土塊がG17と求められている。
【0107】
ここで、図15(a)に示すように、分担荷重を均等化する前の多段拡径杭90では、中間拡径部94Aと拡底部94Bが接近しているため、上側の中間拡径部94Aが大きな荷重を負担して下側の拡底部94Bが負担する荷重が小さくなり、全体の引抜き抵抗力が低下してしまう。一方、図15(b)に示すように、多段拡径杭100では、上側の中間拡径部104Aの外径を小さくして、下側の拡底部104Bの負担を大きくすることによって、中間拡径部104Aと拡底部104Bでの分担荷重が均等化されるので、全体の引抜き抵抗力を増加させることができる。
【0108】
図15(c)には、引抜き抵抗力Pの均等化前の多段拡径杭110が示されている。多段拡径杭110は、軸方向長さ及び外径が等しい軸部112A、112Bと、軸部112Aの下端に形成された中間拡径部114Aと、軸部112Bの下端に形成された拡底部114Bとを含んで構成されている。また、多段拡径杭110では、中間拡径部114Aの最外径及び拡底部114Bの最外径が等しくD6となっており、中間拡径部114A単体での抵抗土塊がG18、拡底部114B単体での抵抗土塊がG19と求められている。なお、抵抗土塊G18よりも抵抗土塊G19の方が硬いものとする。
【0109】
図15(d)には、多段拡径杭110において、引抜き抵抗力Pの均等化後の多段拡径杭120が示されている。多段拡径杭120は、軸部112A、112Bとそれぞれ軸方向長さ及び外径が等しい軸部122A、122Bと、軸部122Aの下端に形成された中間拡径部124Aと、軸部122Bの下端に形成された拡底部124Bとを含んで構成されている。多段拡径杭120では、拡底部124Bの外径はD6のままであるが、中間拡径部104Aの最外径はD8(>D6)と大きくなっており、中間拡径部124A単体での抵抗土塊がG20、拡底部124B単体での抵抗土塊がG21と求められている。
【0110】
ここで、図15(c)に示すように、分担荷重を均等化する前の多段拡径杭110では、上側の抵抗土塊G18に比べて下側の抵抗土塊G19が大きな引抜き抵抗力となっているため、上側の中間拡径部114Aが小さな荷重を負担して下側の拡底部114Bが負担する荷重が大きくなり、全体の引抜き抵抗力が低下してしまう。一方、図15(d)に示すように、多段拡径杭120では、上側の中間拡径部124Aの外径を大きくして、下側の拡底部124Bの負担を小さくすることによって、中間拡径部124Aと拡底部124Bでの分担荷重が均等化されるので、全体の引抜き抵抗力を増加させることができる。
【0111】
次に、本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第5実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第1〜第4実施形態と基本的に同一のものには、前記第1〜第4実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0112】
図16(a)には、4本の多段拡径杭150、152、154、156が平行に並んで設けられている状態が模式的に示されている。多段拡径杭150、152、154、156は、いずれも同じ形状、同じ大きさであり、軸部151と軸部151の下端に形成された中間拡径部153とを有している。なお、中間拡径部153よりも下側の部分については図示を省略しており、多段拡径杭152、154、156における軸部151及び中間拡径部153の図示も省略している。また、図16(a)では多段拡径杭150、152、154、156のそれぞれの抵抗土塊の端部が重なっているものと仮定して説明する。
【0113】
図16(a)において、多段拡径杭150の中間拡径部153単体の抵抗土塊をG30、多段拡径杭152の中間拡径部153単体の抵抗土塊をG31、多段拡径杭154の中間拡径部153単体の抵抗土塊をG32、多段拡径杭156の中間拡径部153単体の抵抗土塊をG33とする。また、抵抗土塊G30と抵抗土塊G31との重なり部分の抵抗土塊をG34、抵抗土塊G31と抵抗土塊G32との重なり部分の抵抗土塊をG35、抵抗土塊G32と抵抗土塊G33との重なり部分の抵抗土塊をG36とする。
【0114】
さらに、各抵抗土塊G30からG33までを平面視したときの半径をR、隣接する多段拡径杭の矢印X方向における軸中心間距離の1/2を長さL、各中間拡径部153の矢印Z方向の高さをH、中間拡径部153の底辺から軸部151の途中位置(任意)までの高さをZ1、中間拡径部153の外径をD、各抵抗土塊G30からG33までにおける変位方向をα、地盤の内部摩擦角をφ、及び各中間拡径部153の底面(矢印X方向)に対する各抵抗土塊G30からG33までの下側斜面の傾斜角度をα−φとする。
【0115】
ここで、各抵抗土塊G30からG33までを平面視したときの半径Rは、Z1>Hのとき(21)式で求められ、Z1<Hのとき(22)式で求められる。また、各抵抗土塊G30からG33までを平面視したときの重なり部分の面積をS、重なり部分の体積をVとすると、R>Lとして、面積Sは(23)式で求められ、体積Vは(24)式で求められる。
【0116】
【数21】
【0117】
【数22】
【0118】
【数23】
【0119】
【数24】
次に、本発明の第5実施形態の作用について説明する。
【0120】
抵抗土塊G30からG33までのそれぞれの体積について、(24)式で求められた重なり部分の体積Vを引いて各抵抗土塊単体の体積を求める。これにより、抵抗土塊の重なり部分で隣の抵抗土塊の変位の影響を受けること(群杭効果)によって生じる引抜き抵抗力の低減を見積もることができ、各中間拡径部153単体で必要な引抜き抵抗力が得られる。なお、抵抗土塊の重なり部分の体積が必要最小限となるように設定することで、多段拡径杭の施工に対して得られる引抜き抵抗力の効率(材料費及び施工時間の低減を含む)を大きくすることができる。
【0121】
一方、図16(b)には、多段拡径杭150、152、154、156について、抵抗土塊G30、G31、G32、G33の重なり部分が無くなるように中間拡径部153の拡大径(外径)と水平方向の配置間隔が設定された状態が示されている。抵抗土塊の重なりによって引抜き抵抗力の低減が避けられない場合は、このように、重なり部分を無くして、引抜き抵抗力を大きくすればよい。
【0122】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。
【0123】
多段拡径杭20の本数は、4本だけでなく2本以上の複数本であってもよい。また、中間拡径部26の数は、1箇所又は2箇所だけでなく3箇所以上の複数箇所であってもよい。さらに、多段拡径杭20の軸方向における各拡径部24の配置は、地盤12の層構成に合わせて設定されるものであり、実施形態での配置と異なっていてもよい。
【符号の説明】
【0124】
10 建物(構造物)
12 地盤
20 多段拡径杭(拡径杭)
22 軸部
24 拡径部
26 中間拡径部(拡径部)
28 拡底部(拡径部)
70 多段拡径杭(拡径杭)
80 多段拡径杭(拡径杭)
100 多段拡径杭(拡径杭)
120 多段拡径杭(拡径杭)
130 多段拡径杭(拡径杭)
140 多段拡径杭(拡径杭)
G 抵抗土塊
【技術分野】
【0001】
本発明は、拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
構造物の大型化、高層化に伴い、基礎杭には高い鉛直支持性能及び引抜抵抗性能が要求されており、杭の支持力を増大させるために鉛直方向の複数箇所で杭を拡径した多段拡径杭が用いられている(例えば、特許文献1、2参照)。
【0003】
特許文献1の多段拡径杭では、引抜抵抗力が拡径部の周面摩擦、軸頭部の周面摩擦、及び杭の自重の総和で算定されている。
【0004】
特許文献2の多段拡径杭では、鉛直円筒すべり面が各々の拡径部に対して想定され、各拡径部の鉛直円筒すべり面に生じる極限周面摩擦力の和と、杭先端地盤の極限抵抗力と、軸部の極限周面摩擦力との和から杭の自重を減算した値が極限鉛直支持力とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2002−21070
【特許文献2】特開2003−138561
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の請求項1に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、前記拡径部の周囲の抵抗土塊が変位する方向が鉛直方向に対して傾いた方向であるとして前記抵抗土塊の重量を求め、引抜き抵抗力を求める。
【0008】
上記構成によれば、抵抗土塊の変位方向を考慮して引抜き抵抗力を算定しているので、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる。
【0009】
本発明の請求項2に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、前記地盤の土の内部摩擦角と、前記拡径部の外形寸法と、前記拡径部の表面の粗さ角と、前記拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、前記抵抗土塊への上載圧と、前記抵抗土塊の重量と、土の粘着力とから引抜き抵抗力の第1演算式をたて、前記第1演算式における引抜き抵抗力が最小となるときの前記変位方向角を求め、前記変位方向角を前記第1演算式に代入して引抜き抵抗力を求める。
【0010】
上記構成によれば、地盤条件、拡径部の外形寸法、拡径部の表面の粗さ角、及び抵抗土塊の変位方向等を考慮して引抜き抵抗を算定しているので、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる。
【0011】
本発明の請求項3に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、前記地盤の土の内部摩擦角と、前記拡径部の外形寸法と、前記拡径部の表面の粗さ角と、前記拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、前記抵抗土塊への上載圧と、前記抵抗土塊の重量と、前記拡径部の側面の表面積と、前記抵抗土塊の表面積と、土の粘着力とから引抜き抵抗力の第2演算式をたて、前記拡径部の側面の表面積と、前記抵抗土塊の表面積と、前記内部摩擦角と、前記粗さ角と、前記変位方向角とで求められる前記地盤のすべり面での体積変化量が、前記抵抗土塊の変位による体積増加分に一致する連続式をたて、前記連続式が0となるときの前記変位方向角を求め、前記変位方向角を前記第2演算式に代入して引抜き抵抗力を求める。
【0012】
上記構成によれば、地盤条件、拡径部の外形寸法、拡径部の表面の粗さ角、及び抵抗土塊の変位方向等を考慮して引抜き抵抗を算定しており、また、軸対称条件での問題を解決しているので、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度をさらに向上させることができる。
【0013】
本発明の請求項4に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、複数の前記拡径部の周囲の抵抗土塊の前記変位方向角を求めてから、算定対象となる前記拡径部の周囲の抵抗土塊と、該算定対象となる前記拡径部の上方にある前記拡径部の周囲の抵抗土塊との重なり分を差し引いて、算定対象となる前記拡径部の分担荷重を求める。この構成によれば、各拡径部で重なっている部分の抵抗土塊を求めて差し引くので、各拡径部毎の分担荷重を精度良く求めることができる。
【0014】
本発明の請求項5に係る拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法は、地盤には前記拡径杭が複数並んで設けられ、複数の前記拡径杭の径方向で重なる領域の抵抗土塊の体積を求める。この構成によれば、隣り合う拡径杭の抵抗土塊の重なる部分を求めることにより、群杭効果による引抜き抵抗力の低減を見積もることができる。
【0015】
本発明の請求項6に係る拡径杭は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で複数の前記拡径部の引抜き抵抗力が算定された拡径杭であって、複数の前記拡径部は、それぞれの該拡径部が受け持つ引抜き抵抗力が均等となるように外径が決められている。この構成によれば、拡径杭は、複数の拡径部において引抜き抵抗力を均等に分担するので、各拡径部の分担極限荷重が小さくなるとともに変形初期の各拡径部の引抜き抵抗の合力が大きくなる。これにより、変形初期の段階から引抜き剛性を増加させることができる。
【0016】
本発明の請求項7に係る拡径杭は、複数の前記拡径部の大きさが異なっている。この構成によれば、拡径杭は、複数の大きさが異なる拡径部において引抜き抵抗力を均等に分担するので、各拡径部の分担極限荷重が小さくなるとともに変形初期の各拡径部の引抜き抵抗の合力が大きくなる。これにより、変形初期の段階から引抜き剛性を増加させることができる。
【0017】
本発明の請求項8に係る拡径杭は、前記拡径部の周囲の抵抗土塊の領域が重ならないように複数の前記軸部が水平方向に離れて設けられている。この構成によれば、各拡径杭の周囲の抵抗土塊の領域が重ならないため、群杭効果による引抜き抵抗力の低減が抑えられる。これにより、拡径杭の引抜き抵抗力の低下を抑えることができる。
【0018】
本発明の請求項9に係る拡径杭の配置設定方法は、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で得られた複数の前記拡径杭の径方向で重なる領域の抵抗土塊の体積が0となるように、複数の前記拡径杭を配置する。この構成によれば、各拡径杭の抵抗土塊の領域が重なっていないため、群杭効果による引抜き抵抗力の低減が抑えられる。これにより、拡径杭の引抜き抵抗力の低下を抑えることができる。
【0019】
本発明の請求項10に係る拡径杭の施工品質判定方法は、請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で用いられた前記拡径部の表面の粗さ角と、前記地盤の土の内部摩擦角の1/2と、を比較して、前記拡径部の表面の粗さ角が前記地盤の土の内部摩擦角の1/2に近いものを施工性が良いと判定する。
【0020】
拡径杭と地盤との摩擦によるダイレタンシー量は、地盤と地盤の間のダイレタンシー角の半分程度とみなすことができ、粗さ角が0に近い場合は、孔壁のゆるみが発生したものとみなすことができる。ここで、上記構成によれば、粗さ角と地盤の土の内部摩擦角の1/2とを比較しているので、拡径杭の施工品質を判定することができる。
【発明の効果】
【0021】
本発明は、上記構成としたので、拡径杭の引抜き抵抗力の算定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の第1実施形態に係る建物全体の構成図である。
【図2】本発明の第1実施形態に係る拡径杭の施工状態を示す説明図である。
【図3】本発明の第1実施形態に係る拡径杭の断面図である。
【図4】本発明の第1実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、比較例としての従来方法1、2における拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角との違いを示す模式図である。
【図5】(a)本発明の第1実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の平面ひずみ条件での破壊モードを示す模式図である。(b)本発明の第1実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の可容速度場を示す模式図である。
【図6】本発明の第1実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の平面ひずみ条件での破壊モード(粗さ角が十分大きい場合)を示す模式図である。
【図7】本発明の第2実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、比較例としての従来方法1、2における拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角との違いを示す模式図である。
【図8】(a)本発明の第2実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の軸対称問題での破壊モードを示す模式図である。(b)本発明の第2実施形態に係る拡径部の周囲の抵抗土塊の可容速度場を示す模式図である。
【図9】(a)抵抗土塊量が大小異なるときの拡径杭における杭頭引抜き量と引抜き抵抗力との関係を示すグラフである。(b)拡底杭又は多段拡径杭における杭頭引抜き量と引抜き抵抗力との関係を示すグラフである。
【図10】(a)拡径杭と他の杭とを比較した模式図である。(b)拡径杭又は他の杭の引抜き量と引抜き抵抗力との関係を示すグラフである。
【図11】(a)〜(c)本発明の第3実施形態に係る2つの拡径部の抵抗土塊を内部摩擦角の大小を変えて重ね合わせた状態を示す模式図である。
【図12】本発明の第3実施形態の他の例である4つの拡径部の抵抗土塊を重ね合わせた状態を示す模式図である。
【図13】本発明の第4実施形態に係る拡径部の外径を変化させて分担荷重を均等化させる状態を示す模式図である。
【図14】拡径部を変化させない比較例と、本発明の第4実施形態に係る拡径部とについての引抜き量と引抜き抵抗力との関係を示すグラフである。
【図15】(a)〜(d)本発明の第4実施形態の他の例として、中間拡径部の外径を小さく、又は大きくしたときの抵抗土塊形状の変化を示す模式図である。
【図16】(a)本発明の第5実施形態に係る複数の拡径杭の抵抗土塊が重なった状態を示す模式図である。(b)本発明の第5実施形態に係る複数の拡径杭の抵抗土塊が重なっていない状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第1実施形態を図面に基づき説明する。図1には、構造物の一例としての建物10が示されている。建物10は、水平方向(矢印X方向)に間隔をあけて地盤12に埋設された複数の多段拡径杭20(20A、20B、20C、20D)と、多段拡径杭20上(地盤12上)に構築された躯体(図示省略)を含む地上構造物14とで構成されている。
【0024】
地盤12は、複数の軟弱層及び支持層(図示省略)が積層された構成となっている。なお、多段拡径杭20A、20B、20C、20Dは同様の構成であるため、以後は多段拡径杭20Aについて説明し、多段拡径杭20B、20C、20Dの説明は省略する。
【0025】
多段拡径杭20Aは、鉛直方向(矢印Z方向)を軸方向とする複数の円柱状の軸部22と、軸部22の外周面から径方向外側へ拡径された複数の拡径部24とで構成されている。軸部22は、同じ外径の軸部22A及び軸部22Bで構成されている。なお、同じ外径とは、設計上の外径が同じ大きさであることを意味しており、軸部22A、22Bの外径に施工により生じる設計中心値からの誤差分の違いがあっても同じものとみなす。
【0026】
一方、拡径部24は、多段拡径杭20Aの中間で支持層(図示省略)の上部に形成された中間拡径部26と、多段拡径杭20Aの下端に形成された拡底部28とで構成されている。なお、各拡径部24の数は、本実施形態に限定されるものではなく、2つ以上の複数で適宜選択されるものである。
【0027】
次に、多段拡径杭20を掘削するための掘削機40について説明する。
【0028】
図2に示すように、多段拡径杭20(図1参照)の施工には、一例として掘削機40を用いる。掘削機40は、クレーン42と、旋回装置44と、位置決めアーム46とを含んで構成されている。クレーン42は、予め、他の掘削手段を用いて地盤12を下方向(矢印DOWN方向)に掘削して形成された杭孔52内にケリーバ48を吊り下げており、ケリーバ48を矢印UP、DOWN方向に昇降させるようになっている。
【0029】
また、クレーン42から張り出した位置決めアーム46の先端には旋回装置44が取付けられている。旋回装置44は、ケリーバ48を矢印R方向に旋回させるようになっており、ケリーバ48の下端部48Aには、径方向に拡径して杭孔52の掘削を行う拡径バケット50の上端部がピン(図示省略)で連結されている。なお、杭孔52内にはベントナイト等の安定液Lが図示しない補給管から注入されており、孔壁の倒壊を防止している。
【0030】
拡径バケット50は、杭孔52の中央に配置され回転中心となる中心軸54を有しており、中心軸54の周囲にはリンク機構56が設けられている。リンク機構56は、油圧シリンダ(図示省略)の伸縮動作によって杭孔52の外径方向に拡縮される複数のアーム部材58を有しており、アーム部材58における中心軸54とは反対側の端部に拡翼部60が取り付けられている。
【0031】
拡翼部60は、平断面が円弧状に形成されており、中心軸54を中心として4方向(90°おき)に配置されている。また、拡翼部60の外周面には、掘削用のビット(図示省略)が複数設けられている。このような構成により、拡径バケット50は、旋回装置44がケリーバ48を旋回させると、中心軸54と一体に旋回して径方向の拡径量に応じて杭孔52の内周壁を掘削するようになっている。なお、拡径バケット50の上部には、ケリーバ48及び中心軸54の中心が杭孔52の中心位置から大きくずれないように、杭孔52の内壁と接触するスタビライザ62が設けられている。
【0032】
次に、多段拡径杭20の施工手順について説明する。
【0033】
図2の地盤12において、予め、他の掘削手段を用いて鉛直方向に杭孔52を掘削する。杭孔52には、前述のようにベントナイト等の安定液Lが補給されており、孔壁の倒壊を防止している。そして、クレーン42がケリーバ48を矢印down方向へ降下させ、縮径した状態の拡径バケット50を杭孔52の底部に降下させる。
【0034】
続いて、旋回装置44が駆動され、ケリーバ48が矢印R方向に旋回する。ここで、油圧シリンダ(図示省略)を動作させることでリンク機構56のアーム部材58が水平方向に移動して、拡翼部60の拡径が行われる。そして、拡翼部60は旋回しながら拡径し、掘削ビット(図示省略)によって杭孔52の内壁が掘削され、拡径部24が形成される。このようにして、1箇所の拡径部24が形成される。
【0035】
なお、多段拡径杭20を構築するときは、予め設定された最深部まで他の掘削手段により杭孔52を掘削した後、拡径部24の設定箇所で拡翼部60を旋回しながら拡径して掘削し、拡翼部60を一旦縮径して、次の拡径部24の設置箇所に移動する一連の工程を繰り返すことにより、複数の拡径部24(中間拡径部26及び拡底部28(図1参照))を形成する。そして、各拡径部24の掘削後、縮径された拡径バケット50が引き上げられ、杭孔52の内部に鉄筋かご(図示省略)が配置されて、トレミー管(図示省略)を介して杭孔52内にコンクリートが打設される。これにより、軸部22、中間拡径部26、及び拡底部28が形成され、多段拡径杭20が完成する。
【0036】
次に、多段拡径杭20の引抜き抵抗力(Pとする)の算定方法について説明する。ここでは、平面ひずみ条件による引抜き抵抗力の算定方法について説明する。
【0037】
図3に示すように、多段拡径杭20の中間拡径部26は、軸部22Aの下端から鉛直下方へ予め設定された比率で徐々に拡径された上部26A(一点鎖線U1〜U2の範囲)と、上部26Aの下端から鉛直下方へ真っ直ぐ延設された中央部26B(一点鎖線U2〜U3の範囲)と、中央部26Bの下端から鉛直下方へ予め設定された比率で徐々に縮径された下部26C(一点鎖線U3〜U4の範囲)とで構成されている。多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pは、上部26Aによって作用するため、以後の説明では、上部26A以上の範囲(一点鎖線U2以上の範囲)について説明する。
【0038】
図4(a)、(b)には、本実施形態との比較例として、従来方法1、2で設定される抵抗土塊G1、G2(図示の網がけ領域)の形状が模式図で示されている。従来方法1は、中間拡径部26からある一定の角度で広がる範囲が全部抵抗土塊となる設定の計算方法であり、従来方法2は、地盤12の深いところに中間拡径部26をもっていったときに、抵抗土塊が広がらないで頭打ちになる設定の計算方法である。上界法によるアンカーの引抜き抵抗力Pの算定で用いられている従来方法1、2の考え方において、抵抗土塊G1、G2の形状は、地盤12の内部摩擦角φから求められ、抵抗土塊G1、G2の変位方向は、鉛直上向き(矢印Z方向)となる。
【0039】
図4(a)に示す従来方法1では、土被りhが比較的浅いアンカー基礎の引抜き抵抗土塊G1であり、土被りhが深くなると計算精度が低下することになる。そして、従来方法1では、多段拡径杭20表面の粗度の影響を考慮することができない。また、図4(b)に示す従来方法2では、抵抗土塊G2の形状が、従来方法1の土被りhが深い場合を考慮した形状となっているものの、多段拡径杭20表面の粗度の影響を考慮することができない。
【0040】
一方、図4(c)に示すように、本発明の第1実施形態において設定する抵抗土塊G3の形状は、従来方法2において多段拡径杭20表面の粗度を考慮したものであり、多段拡径杭20表面の粗度(以後、粗さ角δで表す)に応じて、抵抗土塊G3の変位方向αが鉛直上向きから水平方向に傾く(矢印M1方向の変位となる)作用を考慮した形状となっている。この変位方向αは、後述するように多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定式を最小化するαを求めることで決定することができる。
【0041】
図5(a)には、本発明の第1実施形態における中間拡径部26の上部26A及び周囲の抵抗土塊G3が模式図で示されている。また、図5(b)には、抵抗土塊G3における可容速度場が示されている。
【0042】
図5(a)において、中間拡径部26の上部26Aにおける傾斜面26Dの上端位置を点Aとし、傾斜面26Dの下端位置を点Bとする。また、点Aから水平方向(矢印X方向)に延ばした線と点Bから鉛直方向に延ばした線との交点を点Dとする。さらに、抵抗土塊G3の内部摩擦角をφとして、点A、Dを通って水平方向に延ばした線と、水平方向に対して点Bから角度α−φの方向に延びる線との交点を点Cとする。
【0043】
ここで、抵抗土塊G3における単位奥行きあたりの三角形ABDの土塊重量をWa、三角形BCDの土塊重量をWb、土の単位体積重量をγ、中間拡径部26の上部26Aの高さをH、点Aから点Bへ向けての中間拡径部26の拡大率をθとすると、土塊重量Waは(1)式、土塊重量Wbは(2)式で表される。拡大率θは、軸部22A(図1参照)の外径に相当する直径D1と、中間拡径部26の最外径に相当する直径D2とから求められる。また、辺AD上の単位奥行きあたりの上載圧をpa、辺DC上の単位奥行きあたりの上載圧をpbとすると、辺AD上に作用する上載圧の合力Paは(3)式で表され、辺DC上に作用する上載圧の合力Pbは(4)式で表される。
【0044】
【数1】
【0045】
【数2】
【0046】
【数3】
【0047】
【数4】
一方、三角形ABDの土塊の変位量をδWa、三角形BCDの土塊の変位量をδWb、中間拡径部26の変位量をδv0、三角形ABDと三角形BCDの相対変位量をδWba、辺ABにおける中間拡径部26と三角形ABDの土塊の相対変位量をδWa0で表すと、φ<α≦π/2のとき、δv0は(5)式、δWbは(6)式、δWbaは(7)式、δWa0は(8)式でそれぞれ表される。
【0048】
【数5】
【0049】
【数6】
【0050】
【数7】
【0051】
【数8】
次に、外力(引抜き抵抗力P、上載圧、及び重力)による仕事ΔWは、(9)式で表される。また、内部消散による仕事ΔEは、土のダイレタンシー角(Ψとする)が土の内部摩擦角φに等しいとすると、各土塊境界(辺BD、辺BC)における土の粘着力(cとする)による消散エネルギーであるため、(10)式のようになる。ここで、上界定理により、ΔE=ΔWであるから、引抜き抵抗力Pは(11)式で表される。よって、(11)式において、引抜き抵抗力Pが最小となるときの抵抗土塊G3の変位方向αを求め、得られた変位方向αを(11)式に代入することで、引抜き抵抗力Pを求めることができる。
【0052】
【数9】
【0053】
【数10】
【0054】
【数11】
なお、(11)式において、中間拡径部26表面の粗さ角δが十分に大きい場合は、図6に示すように変位方向β=π/2−φとなり、従来方法2(図4(b)参照)と同じ結果となる。また、(11)式から得られた変位方向αは、地盤12(図1参照)と拡径部24(図1参照)の形状、粗さ角δの条件によって異なるが、70°〜90°の範囲となる場合が多い。
【0055】
次に、本発明の第1実施形態の作用について説明する。
【0056】
数値実験の結果と、本発明の第1実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法により得られた引抜き抵抗力P及び従来方法1、2により得られた引抜き抵抗力Pの算定結果を表1に示す。なお、数値実験の解析手法には個別要素法解析を用いた。
【0057】
【表1】
表1に示すように、本発明の第1実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法により得られた引抜き抵抗力Pの方が、従来方法1、2により得られた引抜き抵抗力Pよりも数値実験の結果に近い値となることが分かった。このように、本発明の第1実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法では、抵抗土塊の変位方向が鉛直方向に対して斜め方向になることを考慮して引抜き抵抗力Pを算定しているので、抵抗土塊の変位方向を鉛直方向のみとして引抜き抵抗力Pを算定している従来方法1、2に比べて、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定精度を向上させることができる。
【0058】
ここで、多段拡径杭20の施工品質の判定方法について説明する。この施工品質の判定方法では、各拡径部24の表面の粗さ角δと土の内部摩擦角φとを用いて判定を行う。粗さ角δで判定するのは、粗さ角δが多段拡径杭20表面の粗度や杭孔52(図2参照)の孔壁のゆるみなどの築造方法によって決められる値であり、(11)式からも分かるように、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの大きさに強く影響する物理量であるためである。
【0059】
一般的に、土にせん断変形を与えると、ある一定の幅を持ったせん断帯が発生し、このせん断帯の中で体積膨張が発生する。ここで、せん断帯でせん断される部位の両方が土ではなく、一方がコンクリートの場合は、コンクリート側で体積膨張がおきないため、結果として体積膨張量が土同士の場合に比べて1/2となる。即ち、多段拡径杭20と地盤12との摩擦によるダイレタンシー量は、土−土間のダイレタンシー角の半分程度と見なすことができる。これにより、現場載荷試験における引き抜き抵抗力を再現できる粗さ角δがφ/2に近い場合は、施工性が良いことになり、粗さ角δが0に近い場合は、杭孔52の孔壁のゆるみが発生したものと見なすことができて施工品質が悪いことになる。
【0060】
このように、各拡径部24の表面の粗さ角δと、地盤12の土の内部摩擦角φの1/2とを比較することで、多段拡径杭20の施工品質を判定することができ、特に、粗さ角δが内部摩擦角φの1/2に近い場合は、施工品質が良いことが分かる。なお、粗さ角δによる判定指標は、異なる地盤においても定量的に評価できる指標である。
【0061】
次に、本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第2実施形態を図面に基づき説明する。ここでは、軸対称問題による多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定方法について説明する。なお、前述した第1実施形態と基本的に同一のものには、前記第1実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0062】
図7(a)、(b)には、本実施形態との比較例として、前述の従来方法1、2で設定される抵抗土塊G1、G2(図示の網がけ領域)の形状が模式図で示されている。上界法によるアンカーの引抜き抵抗力Pの算定で用いられている従来方法1、2の考え方において、抵抗土塊G1、G2の形状は、地盤12の内部摩擦角φから求められ、抵抗土塊G1、G2の変位方向は、鉛直上向き(矢印Z方向)となる。
【0063】
一方、図7(c)に示すように、本発明の第2実施形態において設定する抵抗土塊G4の形状は、多段拡径杭20表面の粗さ角δに応じて、抵抗土塊G4の変位方向αが鉛直上向きから水平方向に傾く(矢印M2方向の変位となる)作用を考慮した形状となっている。なお、第2実施形態における引抜き抵抗力Pの算定方法は、第1実施形態の引抜き抵抗力Pの算定方法を軸対称条件にも対応させるための方法である。
【0064】
図8(a)には、本発明の第2実施形態における中間拡径部26の上部26A及び周囲の抵抗土塊G4が模式図で示されている。また、図8(b)には、抵抗土塊G4における可容速度場が示されている。
【0065】
図8(a)において、中間拡径部26の上部26Aにおける傾斜面26Dの上端位置を点Aとし、傾斜面26Dの下端位置を点Bとする。また、点Aから水平方向(矢印X方向)に延ばした線と点Bから鉛直方向に延ばした線との交点を点Dとする。さらに、抵抗土塊G4の内部摩擦角をφとして、点A、Dを通って水平方向に延ばした線と、水平方向に対して点Bから角度α−φの方向に延びる線との交点を点Cとする。
【0066】
ここで、抵抗土塊G4における三角形ABDを中間拡径部26の中心軸Q周りに回転させたときに形成される土塊の重量をWa、三角形BCDを中間拡径部26の中心軸Q周りに回転させたときに形成される土塊の重量をWb、土の単位体積重量をγ、中間拡径部26の上部26Aの高さをH、点Aから点Bへ向けての中間拡径部26の拡大率をθ、軸部22A(図1参照)の外径に相当する直径D1、中間拡径部26の最外径に相当する直径D2とすると、土塊重量Waは(12)式、土塊重量Wbは(13)式で表される。また、辺AD上の単位面積あたりの上載圧をpa、辺DC上の単位面積あたりの上載圧をpbとすると、辺AD上に作用する上載圧の合力Paは(14)式で表され、辺DC上に作用する上載圧の合力Pbは(15)式で表される。
【0067】
【数12】
【0068】
【数13】
【0069】
【数14】
【0070】
【数15】
一方、中間拡径部26における上部26Aの側面の表面積をSAB、辺BCを中間拡径部26の中心軸Q周りに回転させたときに形成される側面の表面積をSBC、辺ACを中間拡径部26の中心軸Q周りに回転させたときに形成される環状の面積をSACとすると、SABは(16)式、SBCは(17)式、SACは(18)式でそれぞれ表される。また、前述の(11)式において、H/cosθ=SAB、H/sin(α−φ)=SBCとすると、引抜き抵抗力Pについて(19)式が得られる。
【0071】
【数16】
【0072】
【数17】
【0073】
【数18】
【0074】
【数19】
一方、抵抗土塊G4のすべり面の体積変化量(Δvとする)の連続式は(20)式で表されるので、Δv=0として変位方向αが求められる。これにより得られた変位方向αを(19)式に代入することで、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pが得られる。なお、(20)式から得られた変位方向αは、地盤12(図1参照)と拡径部24(図1参照)の形状、粗さ角δの条件によって異なるが、40°〜90°の範囲となる場合が多い。
【0075】
【数20】
次に、本発明の第2実施形態の作用について説明する。
【0076】
現場載荷試験の結果と、本発明の第2実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法により得られた引抜き抵抗力P及び従来方法1、2により得られた引抜き抵抗力Pの算定結果とを表2に示す。なお、現場載荷試験は、前述のように地盤工学会で規定された杭の引抜き試験方法(JGS 1813−2002)に基づいて行った。
【0077】
【表2】
表2に示すように、本発明の第2実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法により得られた引抜き抵抗力Pの方が、従来方法1、2により得られた引抜き抵抗力Pよりも現場載荷試験の結果に近い値であり、ほぼ等しくなることが分かった。このように、本発明の第2実施形態の多段拡径杭20の引抜き抵抗力の算定方法では、抵抗土塊の変位方向が鉛直方向に対して斜め方向になることを考慮して引抜き抵抗力Pを算定し、且つ軸対称条件にも対応しているので、抵抗土塊の変位方向を鉛直方向のみとして引抜き抵抗力Pを算定している従来方法1、2に比べて、多段拡径杭20の引抜き抵抗力Pの算定精度を向上させることができる。
【0078】
次に、本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第3実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第1、第2実施形態と基本的に同一のものには、前記第1、第2実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0079】
まず、本発明の第3実施形態の説明の前に、拡底杭及び多段拡径杭(いずれも拡径杭)の引抜き抵抗力の差について説明する。なお、拡底杭とは、杭の軸部の下端のみに拡径された拡底部が設けられているものであり、多段拡径杭とは、拡底部に加えて、軸部の途中に拡径された中間拡径部が1つ以上設けられているものである。
【0080】
図9(a)には、抵抗土塊の量が大、小のときの拡径杭における杭頭引抜き量と引抜き抵抗力との関係がグラフで示されている。また、図9(b)には、拡底杭(実線T1)又は多段拡径杭(破線T2)における杭頭引抜き量と引抜き抵抗力との関係がグラフで示されている。
【0081】
図9(a)に示すように、拡径杭において、拡径部の外径を大きくすることで抵抗土塊が大きくなるため、極限引抜き抵抗力を大きくすることはできる。しかし、拡径杭の引抜き量には上限(許容引抜き量)があるため、単に拡径部の外径を大きくしたとしても、許容引抜き量での引抜き抵抗力(引抜き剛性)は、あまり増加しない。ここで、図9(b)に示すように、多段拡径杭(破線T2)は、複数の拡径部で引抜き抵抗力が分担されるため各拡径部の分担極限荷重が小さくなり、杭全体の引抜き剛性が、拡底杭(実線T1)に比べて増加する傾向が見られる。このため、多段拡径杭と他の杭との比較を行う。
【0082】
図10(a)には、地盤12に埋設された直杭A、拡底杭B、多段拡径杭C、及び多段拡径杭Dが模式図で示されている。直杭Aは拡径部が無い杭であり、拡底杭Bは軸部の下端が拡径(拡底部B1)された杭である。また、多段拡径杭Cは中間拡径部C1と拡底部C2との距離が杭長の半分よりも短くなっている(近づけられている)杭であり、多段拡径杭Dは中間拡径部D1と拡底部D2との距離が杭長の半分程度となっている杭である。
【0083】
図10(b)には、図10(a)の直杭A、拡底杭B、多段拡径杭C、及び多段拡径杭Dのそれぞれについて、個別要素法解析によって得られた引抜き量と引抜き抵抗力との関係を表すグラフGA、GB、GC、GDが示されている。ここで、グラフGA、GB、GC、GDから、極限引抜き抵抗力(基準線を実線Kで表す)は、直杭Aに比べて拡底杭B、多段拡径杭C、及び多段拡径杭Dの方が大きくなっていることが分かる。
【0084】
また、変形(引抜き)初期の段階において、引抜き抵抗力は、拡底杭Bに比べて多段拡径杭C及び多段拡径杭Dの方が大きくなっていることが分かる。さらに、図10(b)において、中間拡径部D1を拡底部D2と地表面の中間に配置した多段拡径杭Dの方が、中間拡径部C1を拡底部C2に近づけた多段拡径杭Cに比べて、同一変位量における引抜抵抗力は大きくなっている。これらのことから、多段拡径杭の各拡径部(中間拡径部、拡底部)での分担荷重を精度良く求める必要があり、本発明の第3実施形態では、各拡径部で分担荷重を求める方法について説明する。
【0085】
図11(a)、(b)、(c)には、本発明の第3実施形態の一例として、同じ多段拡径杭70を層構成が異なる地盤12に設けたときの抵抗土塊が示されている。多段拡径杭70は、軸部72A、72Bと、中間拡径部74Aと、拡底部74Bとを有している。ここで、中間拡径部74Aが設けられた地盤12の上層の内部摩擦角をφ1、拡底部74Bが設けられた地盤12の下層の内部摩擦角をφ2として、図11(a)の地盤12では、φ1<φ2となっている。また、図11(b)の地盤12では、φ1=φ2であり、図11(c)の地盤12では、φ1>φ2となっている。
【0086】
次に、本発明の第3実施形態の作用について説明する。
【0087】
図11(a)において、多段拡径杭70の中間拡径部74A及び拡底部74Bにおける引抜き抵抗力の算定方法として、まず、上方にある中間拡径部74A単体の抵抗土塊G5の形状と、抵抗土塊G5の変位方向α1とを求める。続いて、下方にある拡底部74B単体の抵抗土塊G6の形状と、抵抗土塊G6の変位方向α2とを求める。続いて、拡底部74Bの抵抗土塊G6において、上方にある中間拡径部74Aの抵抗土塊G5との重なり部分を差し引く。
【0088】
同様に図11(b)、(c)において、多段拡径杭70の中間拡径部74A及び拡底部74Bにおける引抜き抵抗力の算定方法として、まず、上方にある中間拡径部74A単体の抵抗土塊G7の形状と、抵抗土塊G7の変位方向α1とを求める。続いて、下方にある拡底部74B単体の抵抗土塊G8又はG9の形状と、抵抗土塊G8又はG9の変位方向α2とを求める。続いて、拡底部74Bの抵抗土塊G8又はG9において、上方にある中間拡径部74Aの抵抗土塊G7との重なり部分を差し引く。
【0089】
これらの方法により得られた各抵抗土塊の形状を用いることで、中間拡径部74Aと拡底部74Bとの分担荷重が算定され、それぞれの引抜き抵抗力が算定される。また、多段拡径杭70全体の引抜き抵抗力は、中間拡径部74A及び拡底部74Bの引抜き抵抗力を合算することで算定される。このように、本発明の第3実施形態では、各拡径部で重なっている部分の抵抗土塊を求めて差し引くので、各拡径部毎の分担荷重を精度良く求めることができる。
【0090】
なお、図11(a)では、内部摩擦角がφ1<φ2となっているため、地盤12の下層が上層に比べて硬く、抵抗土塊G6の範囲の方が抵抗土塊G5よりも広くなっている。図11(b)では、内部摩擦角がφ1=φ2となっているため、地盤12の下層と上層の硬さが同等であり、抵抗土塊G7の範囲と抵抗土塊G8の範囲がほぼ等しくなっている。図11(c)では、内部摩擦角がφ1>φ2となっているため、地盤12の上層が下層に比べて硬く、抵抗土塊G7の範囲の方が抵抗土塊G9よりも広くなっている。
【0091】
図12には、本発明の第3実施形態の他の例として、4つの拡径部を有する多段拡径杭80における各抵抗土塊の形状が示されている。多段拡径杭80は、軸部82A、82B、82C、82Dと、下方に向けて軸部82A、82B、82C、82Dから同じ大きさで拡径された中間拡径部84A、84B、84C、及び拡底部84Dとを含んで構成されている。
【0092】
多段拡径杭80の中間拡径部84A、84B、84C、及び拡底部84Dにおける引抜き抵抗力の算定方法として、まず、上方にある中間拡径部84A単体の抵抗土塊G10の形状及び変位方向α1と、下方にある中間拡径部84B単体の抵抗土塊G11の形状及び変位方向α2とを求める。続いて、抵抗土塊G11において、抵抗土塊G10との重なり部分を差し引く。
【0093】
続いて、下方にある中間拡径部84C単体の抵抗土塊G12の形状及び変位方向α3を求め、抵抗土塊G12において、抵抗土塊G10及び抵抗土塊G11との重なり部分を差し引く。続いて、下方にある拡底部84D単体の抵抗土塊G13の形状及び変位方向α4を求め、抵抗土塊G13において、抵抗土塊G10、G11、及びG12との重なり部分を差し引く。
【0094】
これらの方法により得られた各抵抗土塊の形状を用いることで、中間拡径部84A、84B、84Cと拡底部84Dとの分担荷重が算定され、それぞれの引抜き抵抗力が算定される。また、多段拡径杭80全体の引抜き抵抗力は、中間拡径部84A、84B、84C、及び拡底部84Dの引抜き抵抗力を合算することで算定される。なお、図12において、内部摩擦角はφ4>φ1=φ3>φ2の関係となっている。
【0095】
次に、本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第4実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第1〜第3実施形態と基本的に同一のものには、前記第1〜第3実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0096】
図13(a)には、比較例として、各拡径部の外径が同じである多段拡径杭130が示されている。多段拡径杭130は、同じ外径である軸部132A、132Bと、軸部132Aの下端に形成された中間拡径部134Aと、軸部132Bの下端に形成された拡底部134Bとを含んで構成されている。多段拡径杭130では、中間拡径部134Aの最外径と拡底部134Bの最外径は等しくD3となっている。また、多段拡径杭130では、第3実施形態で説明した方法を用いて、中間拡径部134A単体での抵抗土塊がG22、拡底部134B単体での抵抗土塊がG23となっている。
【0097】
ここで、中間拡径部134A及び拡底部134Bにおいて分担される分担荷重は、中間拡径部134A及び拡底部134Bの幾何形状と地盤条件によって決められるため、一律に中間拡径部134A及び拡底部134Bの外径が同じであることを前提としてしまうと、中間拡径部134A及び拡底部134Bの分担荷重がばらつき、多段拡径杭130全体の引抜き剛性を増加させることが困難とになる。そこで、本発明の第4実施形態では、各拡径部での分担荷重が均等化されるように各拡径部の外径を変えることにした。
【0098】
図13(b)には、本発明の第4実施形態としての多段拡径杭140が示されている。多段拡径杭140は、多段拡径杭130の軸部132A、132Bと同じ軸方向長さ及び外径である軸部142A、142Bと、軸部142Aの下端に形成された中間拡径部144Aと、軸部142Bの下端に形成された拡底部144Bとを含んで構成されている。多段拡径杭140では、中間拡径部144A及び拡底部144Bでの分担荷重が均等化されるように、中間拡径部144Aの最外径がD4(>D3)、拡底部144Bの最外径がD5(<D3)となっており、中間拡径部144A単体での抵抗土塊がG24、拡底部144B単体での抵抗土塊がG25と求められている。
【0099】
次に、本発明の第4実施形態の作用について説明する。
【0100】
図14には、比較例の多段拡径杭130及び本実施形態の多段拡径杭140(図13参照)における引抜き量と引抜き抵抗力との関係がグラフで示されている。図14において、比較例の多段拡径杭130では、中間拡径部134AのグラフがT4、拡底部134BのグラフがT3であり、多段拡径杭130全体での引抜き合力のグラフはTP1となっている。多段拡径杭130では、引抜き量が許容引抜き量ΔZのときのグラフT4の値をP1、グラフT3の値をP2、グラフTP1の値をP5として、P5=P1+P2となっている。
【0101】
一方、図14において、本実施形態の多段拡径杭140では、中間拡径部144AのグラフがT6、拡底部144BのグラフがT5であり、多段拡径杭140全体での引抜き合力のグラフはTP2となっている。多段拡径杭140では、引抜き量が許容引抜き量ΔZのときのグラフT6の値をP3、グラフT5の値をP4、グラフTP2の値をP6として、P6=P3+P4となっている。なお、引抜き抵抗力P2=P4+ΔP2、P3=P1+ΔP1となっており、ΔP2<ΔP1である。
【0102】
比較例の多段拡径杭130では、許容引抜き量ΔZにおける引抜き抵抗力がP5=P1+P2となっており、本実施形態の多段拡径杭140では、許容引抜き量ΔZにおける引抜き抵抗力がP6=P3+P4=P1+ΔP1+P2−ΔP2=P5+(ΔP1−ΔP2)となっている。ここで、(ΔP1−ΔP2)>0であるから、P6>P5となり、本実施形態の多段拡径杭140の方が、比較例の多段拡径杭130よりも引抜き抵抗力が増加していることが分かる。
【0103】
このように、本発明の第4実施形態の多段拡径杭140では、各拡径部(中間拡径部144A及び拡底部144B)において引抜き抵抗力Pを均等に又は均等に近い状態で分担するので、各拡径部の分担極限荷重が小さくなるとともに、変形初期(許容引抜き量ΔZ)の各拡径部の引抜き抵抗の合力が、均等化を行わない比較例の多段拡径杭130に比べて大きくなる。即ち、本発明の第4実施形態の多段拡径杭140では、変形初期の段階から引抜き剛性を増加させることができる。
【0104】
なお、多段拡径杭140では、各拡径部それぞれの外径を変えていたが、いずれか一方を変えてもよく、例えば、図15(a)、(b)に示す他の第1例や図15(c)、(d)に示す他の第2例のようにしてもよい。
【0105】
図15(a)には、引抜き抵抗力Pの均等化前の多段拡径杭90が示されている。多段拡径杭90は、軸部92A、92Bと、軸部92Aの下端に形成された中間拡径部94Aと、軸部92Bの下端に形成された拡底部94Bとを含んで構成されている。軸部92Aは、軸部92Bよりも長く、中間拡径部94Aは、拡底部94Bに接近している。また、多段拡径杭90では、中間拡径部94Aの最外径及び拡底部94Bの最外径が等しくD6となっており、中間拡径部94A単体での抵抗土塊がG14、拡底部94B単体での抵抗土塊がG15と求められている。
【0106】
図15(b)には、多段拡径杭90において、引抜き抵抗力Pの均等化後の多段拡径杭100が示されている。多段拡径杭100は、軸部92A、92Bとそれぞれ軸方向長さ及び外径が等しい軸部102A、102Bと、軸部102Aの下端に形成された中間拡径部104Aと、軸部102Bの下端に形成された拡底部104Bとを含んで構成されている。多段拡径杭100では、拡底部104Bの外径はD6のままであるが、中間拡径部104Aの最外径はD7(<D6)と小さくなっており、中間拡径部104A単体での抵抗土塊がG16、拡底部104B単体での抵抗土塊がG17と求められている。
【0107】
ここで、図15(a)に示すように、分担荷重を均等化する前の多段拡径杭90では、中間拡径部94Aと拡底部94Bが接近しているため、上側の中間拡径部94Aが大きな荷重を負担して下側の拡底部94Bが負担する荷重が小さくなり、全体の引抜き抵抗力が低下してしまう。一方、図15(b)に示すように、多段拡径杭100では、上側の中間拡径部104Aの外径を小さくして、下側の拡底部104Bの負担を大きくすることによって、中間拡径部104Aと拡底部104Bでの分担荷重が均等化されるので、全体の引抜き抵抗力を増加させることができる。
【0108】
図15(c)には、引抜き抵抗力Pの均等化前の多段拡径杭110が示されている。多段拡径杭110は、軸方向長さ及び外径が等しい軸部112A、112Bと、軸部112Aの下端に形成された中間拡径部114Aと、軸部112Bの下端に形成された拡底部114Bとを含んで構成されている。また、多段拡径杭110では、中間拡径部114Aの最外径及び拡底部114Bの最外径が等しくD6となっており、中間拡径部114A単体での抵抗土塊がG18、拡底部114B単体での抵抗土塊がG19と求められている。なお、抵抗土塊G18よりも抵抗土塊G19の方が硬いものとする。
【0109】
図15(d)には、多段拡径杭110において、引抜き抵抗力Pの均等化後の多段拡径杭120が示されている。多段拡径杭120は、軸部112A、112Bとそれぞれ軸方向長さ及び外径が等しい軸部122A、122Bと、軸部122Aの下端に形成された中間拡径部124Aと、軸部122Bの下端に形成された拡底部124Bとを含んで構成されている。多段拡径杭120では、拡底部124Bの外径はD6のままであるが、中間拡径部104Aの最外径はD8(>D6)と大きくなっており、中間拡径部124A単体での抵抗土塊がG20、拡底部124B単体での抵抗土塊がG21と求められている。
【0110】
ここで、図15(c)に示すように、分担荷重を均等化する前の多段拡径杭110では、上側の抵抗土塊G18に比べて下側の抵抗土塊G19が大きな引抜き抵抗力となっているため、上側の中間拡径部114Aが小さな荷重を負担して下側の拡底部114Bが負担する荷重が大きくなり、全体の引抜き抵抗力が低下してしまう。一方、図15(d)に示すように、多段拡径杭120では、上側の中間拡径部124Aの外径を大きくして、下側の拡底部124Bの負担を小さくすることによって、中間拡径部124Aと拡底部124Bでの分担荷重が均等化されるので、全体の引抜き抵抗力を増加させることができる。
【0111】
次に、本発明の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法、拡径杭、拡径杭の配置設定方法、及び拡径杭の施工品質判定方法の第5実施形態を図面に基づき説明する。なお、前述した第1〜第4実施形態と基本的に同一のものには、前記第1〜第4実施形態と同一の符号を付与してその説明を省略する。
【0112】
図16(a)には、4本の多段拡径杭150、152、154、156が平行に並んで設けられている状態が模式的に示されている。多段拡径杭150、152、154、156は、いずれも同じ形状、同じ大きさであり、軸部151と軸部151の下端に形成された中間拡径部153とを有している。なお、中間拡径部153よりも下側の部分については図示を省略しており、多段拡径杭152、154、156における軸部151及び中間拡径部153の図示も省略している。また、図16(a)では多段拡径杭150、152、154、156のそれぞれの抵抗土塊の端部が重なっているものと仮定して説明する。
【0113】
図16(a)において、多段拡径杭150の中間拡径部153単体の抵抗土塊をG30、多段拡径杭152の中間拡径部153単体の抵抗土塊をG31、多段拡径杭154の中間拡径部153単体の抵抗土塊をG32、多段拡径杭156の中間拡径部153単体の抵抗土塊をG33とする。また、抵抗土塊G30と抵抗土塊G31との重なり部分の抵抗土塊をG34、抵抗土塊G31と抵抗土塊G32との重なり部分の抵抗土塊をG35、抵抗土塊G32と抵抗土塊G33との重なり部分の抵抗土塊をG36とする。
【0114】
さらに、各抵抗土塊G30からG33までを平面視したときの半径をR、隣接する多段拡径杭の矢印X方向における軸中心間距離の1/2を長さL、各中間拡径部153の矢印Z方向の高さをH、中間拡径部153の底辺から軸部151の途中位置(任意)までの高さをZ1、中間拡径部153の外径をD、各抵抗土塊G30からG33までにおける変位方向をα、地盤の内部摩擦角をφ、及び各中間拡径部153の底面(矢印X方向)に対する各抵抗土塊G30からG33までの下側斜面の傾斜角度をα−φとする。
【0115】
ここで、各抵抗土塊G30からG33までを平面視したときの半径Rは、Z1>Hのとき(21)式で求められ、Z1<Hのとき(22)式で求められる。また、各抵抗土塊G30からG33までを平面視したときの重なり部分の面積をS、重なり部分の体積をVとすると、R>Lとして、面積Sは(23)式で求められ、体積Vは(24)式で求められる。
【0116】
【数21】
【0117】
【数22】
【0118】
【数23】
【0119】
【数24】
次に、本発明の第5実施形態の作用について説明する。
【0120】
抵抗土塊G30からG33までのそれぞれの体積について、(24)式で求められた重なり部分の体積Vを引いて各抵抗土塊単体の体積を求める。これにより、抵抗土塊の重なり部分で隣の抵抗土塊の変位の影響を受けること(群杭効果)によって生じる引抜き抵抗力の低減を見積もることができ、各中間拡径部153単体で必要な引抜き抵抗力が得られる。なお、抵抗土塊の重なり部分の体積が必要最小限となるように設定することで、多段拡径杭の施工に対して得られる引抜き抵抗力の効率(材料費及び施工時間の低減を含む)を大きくすることができる。
【0121】
一方、図16(b)には、多段拡径杭150、152、154、156について、抵抗土塊G30、G31、G32、G33の重なり部分が無くなるように中間拡径部153の拡大径(外径)と水平方向の配置間隔が設定された状態が示されている。抵抗土塊の重なりによって引抜き抵抗力の低減が避けられない場合は、このように、重なり部分を無くして、引抜き抵抗力を大きくすればよい。
【0122】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されない。
【0123】
多段拡径杭20の本数は、4本だけでなく2本以上の複数本であってもよい。また、中間拡径部26の数は、1箇所又は2箇所だけでなく3箇所以上の複数箇所であってもよい。さらに、多段拡径杭20の軸方向における各拡径部24の配置は、地盤12の層構成に合わせて設定されるものであり、実施形態での配置と異なっていてもよい。
【符号の説明】
【0124】
10 建物(構造物)
12 地盤
20 多段拡径杭(拡径杭)
22 軸部
24 拡径部
26 中間拡径部(拡径部)
28 拡底部(拡径部)
70 多段拡径杭(拡径杭)
80 多段拡径杭(拡径杭)
100 多段拡径杭(拡径杭)
120 多段拡径杭(拡径杭)
130 多段拡径杭(拡径杭)
140 多段拡径杭(拡径杭)
G 抵抗土塊
【特許請求の範囲】
【請求項1】
地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、
前記拡径部の周囲の抵抗土塊が変位する方向が鉛直方向に対して傾いた方向であるとして前記抵抗土塊の重量を求め、引抜き抵抗力を求める拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項2】
地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、
前記地盤の土の内部摩擦角と、
前記拡径部の外形寸法と、
前記拡径部の表面の粗さ角と、
前記拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、
前記抵抗土塊への上載圧と、
前記抵抗土塊の重量と、
土の粘着力とから引抜き抵抗力の第1演算式をたて、
前記第1演算式における引抜き抵抗力が最小となるときの前記変位方向角を求め、
前記変位方向角を前記第1演算式に代入して引抜き抵抗力を求める拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項3】
地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、
前記地盤の土の内部摩擦角と、
前記拡径部の外形寸法と、
前記拡径部の表面の粗さ角と、
前記拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、
前記抵抗土塊への上載圧と、
前記抵抗土塊の重量と、
前記拡径部の側面の表面積と、
前記抵抗土塊の表面積と、
土の粘着力とから引抜き抵抗力の第2演算式をたて、
前記拡径部の側面の表面積と、前記抵抗土塊の表面積と、前記内部摩擦角と、前記粗さ角と、前記変位方向角とで求められる前記地盤のすべり面での体積変化量が、前記抵抗土塊の変位による体積増加分に一致する連続式をたて、
前記連続式が0となるときの前記変位方向角を求め、
前記変位方向角を前記第2演算式に代入して引抜き抵抗力を求める拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項4】
複数の前記拡径部の周囲の抵抗土塊の前記変位方向角を求めてから、算定対象となる前記拡径部の周囲の抵抗土塊と、該算定対象となる前記拡径部の上方にある前記拡径部の周囲の抵抗土塊との重なり分を差し引いて、算定対象となる前記拡径部の分担荷重を求める請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項5】
地盤には前記拡径杭が複数並んで設けられ、複数の前記拡径杭の径方向で重なる領域の抵抗土塊の体積を求める請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項6】
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で複数の前記拡径部の引抜き抵抗力が算定された拡径杭であって、
複数の前記拡径部は、それぞれの該拡径部が受け持つ引抜き抵抗力が均等となるように外径が決められている拡径杭。
【請求項7】
複数の前記拡径部の大きさが異なっている請求項6に記載の拡径杭。
【請求項8】
前記拡径部の周囲の抵抗土塊の領域が重ならないように複数の前記軸部が水平方向に離れて設けられている請求項6又は請求項7に記載の拡径杭。
【請求項9】
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で得られた複数の前記拡径杭の径方向で重なる領域の抵抗土塊の体積が0となるように、複数の前記拡径杭を配置する拡径杭の配置設定方法。
【請求項10】
請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で用いられた前記拡径部の表面の粗さ角と、前記地盤の土の内部摩擦角の1/2と、を比較して、前記拡径部の表面の粗さ角が前記地盤の土の内部摩擦角の1/2に近いものを施工性が良いと判定する拡径杭の施工品質判定方法。
【請求項1】
地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、
前記拡径部の周囲の抵抗土塊が変位する方向が鉛直方向に対して傾いた方向であるとして前記抵抗土塊の重量を求め、引抜き抵抗力を求める拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項2】
地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、
前記地盤の土の内部摩擦角と、
前記拡径部の外形寸法と、
前記拡径部の表面の粗さ角と、
前記拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、
前記抵抗土塊への上載圧と、
前記抵抗土塊の重量と、
土の粘着力とから引抜き抵抗力の第1演算式をたて、
前記第1演算式における引抜き抵抗力が最小となるときの前記変位方向角を求め、
前記変位方向角を前記第1演算式に代入して引抜き抵抗力を求める拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項3】
地盤に埋設される軸部と、前記軸部の軸方向に形成され前記軸部の径よりも大径の拡径部と、を有する拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法であって、
前記地盤の土の内部摩擦角と、
前記拡径部の外形寸法と、
前記拡径部の表面の粗さ角と、
前記拡径部の周囲の抵抗土塊の変位方向角と、
前記抵抗土塊への上載圧と、
前記抵抗土塊の重量と、
前記拡径部の側面の表面積と、
前記抵抗土塊の表面積と、
土の粘着力とから引抜き抵抗力の第2演算式をたて、
前記拡径部の側面の表面積と、前記抵抗土塊の表面積と、前記内部摩擦角と、前記粗さ角と、前記変位方向角とで求められる前記地盤のすべり面での体積変化量が、前記抵抗土塊の変位による体積増加分に一致する連続式をたて、
前記連続式が0となるときの前記変位方向角を求め、
前記変位方向角を前記第2演算式に代入して引抜き抵抗力を求める拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項4】
複数の前記拡径部の周囲の抵抗土塊の前記変位方向角を求めてから、算定対象となる前記拡径部の周囲の抵抗土塊と、該算定対象となる前記拡径部の上方にある前記拡径部の周囲の抵抗土塊との重なり分を差し引いて、算定対象となる前記拡径部の分担荷重を求める請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項5】
地盤には前記拡径杭が複数並んで設けられ、複数の前記拡径杭の径方向で重なる領域の抵抗土塊の体積を求める請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法。
【請求項6】
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で複数の前記拡径部の引抜き抵抗力が算定された拡径杭であって、
複数の前記拡径部は、それぞれの該拡径部が受け持つ引抜き抵抗力が均等となるように外径が決められている拡径杭。
【請求項7】
複数の前記拡径部の大きさが異なっている請求項6に記載の拡径杭。
【請求項8】
前記拡径部の周囲の抵抗土塊の領域が重ならないように複数の前記軸部が水平方向に離れて設けられている請求項6又は請求項7に記載の拡径杭。
【請求項9】
請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で得られた複数の前記拡径杭の径方向で重なる領域の抵抗土塊の体積が0となるように、複数の前記拡径杭を配置する拡径杭の配置設定方法。
【請求項10】
請求項2から請求項5のいずれか1項に記載の拡径杭の引抜き抵抗力の算定方法で用いられた前記拡径部の表面の粗さ角と、前記地盤の土の内部摩擦角の1/2と、を比較して、前記拡径部の表面の粗さ角が前記地盤の土の内部摩擦角の1/2に近いものを施工性が良いと判定する拡径杭の施工品質判定方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【公開番号】特開2011−174251(P2011−174251A)
【公開日】平成23年9月8日(2011.9.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−37738(P2010−37738)
【出願日】平成22年2月23日(2010.2.23)
【出願人】(000003621)株式会社竹中工務店 (1,669)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成23年9月8日(2011.9.8)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年2月23日(2010.2.23)
【出願人】(000003621)株式会社竹中工務店 (1,669)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]