説明

杭の品質管理方法

【課題】健全性を簡易的に評価でき、評価に対する信頼性が高い杭の品質管理方法を提供する。
【解決手段】地盤に埋設された杭を振動させることにより算出される固有振動数に基づいて杭の健全性を評価する。また、地盤に埋設された杭が複数ある場合において、地盤に埋設された複数の杭をそれぞれ振動させ、各杭の固有振動数を算出し、各杭の固有振動数に基づいて杭毎の健全性を評価することとしてもよい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、杭の品質管理方法に関し、地盤に埋設された杭の健全性を簡易的に評価でき、かつ評価に対する信頼性を高めることができる杭の品質管理方法に関する。
【背景技術】
【0002】
主に軟弱な地盤における構造物の建設において、浅い基礎では構造物を支えることが困難な場合に、深く杭を打ち込み建造物を支える基礎杭が知られている。これらの基礎杭の施工工法としては、現場で組んだ円筒状の鉄筋を削孔した地盤の中に落とし込み、コンクリート等を流し込むことで杭を形成する場所打ち杭工法や、掘削した地盤に木杭、鋼管杭、コンクリート杭等の既製杭を挿入し埋設する打ち込み杭工法が知られている。
【0003】
耐震設計が重視される近年では、地盤に埋設される杭には、従来の鉛直支持力のみならず優れた水平抵抗特性を満たすことが要求されている。これらの要求は、単に健全な杭体(例えば、高品質なコンクリート、鋼管)を用いれば満たされるものではなく、健全な杭体を用いた場合であっても杭を施工する際の地盤の緩み等に影響を受けてその性能は変動してしまうこととなる。そのため、最終的に地盤に埋設された状態での杭の品質管理、性能確認は非常に厳しく、例えば、場所打ち杭工法においては、地盤を掘削したときの土砂をみて設計で想定された支持層に届いているかを確認するしか方法はなく、地盤に埋設された杭が健全であるかどうかを正確に評価することはできない。一方で、打ち込み杭工法であれば、リバウンド量などの比較的定量的な管理指標はあるものの、この管理指標も鉛直支持力の定性的な確認に過ぎず、地盤に埋設された杭が健全であるか否かを正確に評価するには至っていない。そのため、実質的には杭の品質管理は、杭を施工するときのプロセス管理と施工後の杭頭での出来形(杭頭の杭径、杭の位置等)を記録するのみとなっているのが現状である。
【0004】
このような状況下、近時、杭体の品質管理方法として、インティグリティ試験(PI試験)等の非破壊検査法や、特許文献1に開示されるように地盤に所定の深さまで埋設した杭の頭部を捩じり、当該杭が回転し始めたときのトルクを測定し、このトルクに基づいて最大の周面摩擦力を推定する載荷試験等が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2004−225484公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、インティグリティ試験(PI試験)等の非破壊検査法は、結果の判読に高度な技術や経験を有するほか、主に杭体の欠陥の有無のみしか検知することができない。また、特許文献1に開示がされているような載荷試験等によれば、地盤緩みの有無を検証することはできるものの、載荷試験は費用が高額であるほか、準備等も大掛かりとなるため、品質管理として該手法を用いることは事実上不可能である。さらには、載荷試験は基本的に破壊検査であることから、複数の杭における全数確認を行うことはできない。
【0007】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、地盤に埋設された杭の健全性を簡易的に評価でき、かつ評価に対する信頼性を高めることができる杭の品質管理方法を提供することを主たる課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するための本発明は、地盤に埋設された杭の健全性を評価する杭の品質管理方法であって、前記地盤に埋設された杭を振動させることにより算出される固有振動数に基づいて杭の健全性を評価することを特徴とする。
【0009】
また、前記地盤に埋設された杭が複数ある場合において、前記地盤に埋設された複数の杭をそれぞれ振動させ、各杭の固有振動数を算出し、前記各杭の固有振動数に基づいて杭毎の健全性を評価することとしてもよい。
【0010】
また、前記算出される固有振動数と、予め基準値として設定された基準固有振動数とを比較して杭の健全性を評価することとしてもよい。
【0011】
また、基準固有振動数と比較する場合においては、杭の振動を起振機により行うこととしてもよい。
【0012】
また、起振機を用いる場合には、起振機により振動させた杭の変位振幅を用いて基準固有振動数を設定してもよい。
【0013】
さらに、起振機により発生させる振動の加速度振幅を一定として杭を振動させ、振動させた杭の加速度を測定し、(測定した杭の加速度)/(起振機により発生させる振動の加速度)に対してフーリエスペクトル解析を行うことにより杭の変位振幅を推定し、この推定した杭の変位振幅を用いて基準固有振動数を設定してもよい。
【0014】
さらに、前記起振機によって振動させた杭の固有振動数における変位振幅(X:実測値)を杭の基準変位(X0)で除すことにより、変位振幅を正規化し、当該正規化された変位振幅(Xn)を用いて、次式(1)により、基準振動数を設定するために必要な水平地盤反力係数(Kh)を求めてもよい。
【数1】

【0015】
さらに、前記水平地盤反力係数(Kh)を用い、基準固有振動数(ω1)を次式(2)により設定してもよい。
【数2】

ここで、式(2)中のEIは杭の曲げ剛性、ρは杭の密度、Aは杭の断面積、Lは杭の長さ、Dは杭の直径、を示す。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、杭の固有振動数により健全性を評価することでき、杭の健全性を簡易的に評価することができるとともに、本発明により評価された杭に高い信頼性を付与することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】地盤に埋設された杭の一例を示す斜視図である。
【図2】起振機を用いて杭を振動させる様子を示す概念図である。
【図3】(a)は、加速度計Aにより測定される加速度振幅の波形を示し、(b)は、加速度計Bにより測定される加速度振幅の波形を示す。
【図4】(測定した杭の加速度)/(起振機により発生させる振動の加速度)に対してフーリエスペクトル解析をした結果を示すグラフである。
【図5】基準固有振動数を算出するための境界条件を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下に、本発明の杭の品質管理方法について説明する。本発明は、地盤に埋設された杭の健全性を評価する杭の品質管理方法であって、地盤に埋設された杭を振動させ、これにより算出される杭の固有振動数に基づいて杭の健全性を評価する。
【0019】
まず初めに、地盤に埋設された杭を振動させることにより算出される固有振動数と杭の健全性との関係について説明する。地盤に埋設された杭の水平抵抗は、杭体の剛性、地盤抵抗に応じて変動し、これらは、地盤に埋設された杭の水平方向の固有振動数(以下、単に固有振動数という)として評価することができる。つまり、杭を振動させることにより算出(測定)される固有振動数は杭体の剛性、地盤抵抗に応じて変動することから、地盤に埋設された杭の固有振動数をその健全性を評価するための指標とすることができる。
【0020】
本発明は、振動により固有振動を励起させることができる地盤に埋設されたあらゆる杭に適用可能であり、例えば、打ち込み杭工法により地盤に埋設された既製杭や、場所打ち杭工法により地盤に構築される杭に適用可能である。なお、打ち込み杭工法とは、地盤に形成した掘削孔に、工場等において製作され現場に運搬された後に地盤中に打ち込まれる既製杭(鋼管杭、充填鋼管杭、H形鋼杭などの鋼杭、鉄筋コンクリート(RC)杭、プレストレストコンクリート(PC)杭、PHC杭、鉄骨コンクリート(SC)杭などの既製コンクリート杭)を挿入する工法をいい、場所打ち杭工法とは、地盤に形成した掘削孔内に鉄筋籠を挿入し、掘削孔内に生コンクリートを注入することで杭を構築する工法をいう。
【0021】
特に、本発明によれば、固有振動数に基づいて杭の健全性を客観的に評価することが可能であり、現場で構築されることから予めその剛性を評価することができない場所打ち杭法により地盤に埋設された杭の健全性の評価に特に好適に適用可能である。
【0022】
地盤に埋設された杭に固有振動を励起させる方法について特に限定はないが、地盤に杭を埋設直後であって、杭のみが地盤中に存在する場合には自由振動により固有振動を励起させることができない。このような点を考慮すると、振動装置等を用いて強制的に杭を水平方向に振動させ固有振動を励起させることが好ましい。振動をさせるに際し、振動装置を杭のいずれの位置に設置するかについても特に限定はなく、杭頭部近傍に適宜設置することができる。なお、場所打ち杭の場合は、地盤を掘削して杭頭部を掘り出して杭頭処理を行う必要があるが、杭頭処理を行う前の段階で杭を振動させてもよく、杭頭処理後に杭を振動させることとしてもよい。
【0023】
杭を振動させるための振動装置は、杭を強制的に振動させることができる機能を有するものであれば特に限定はないが、本発明においては起振機を特に好適に用いることができる。起振機は、その重量が一般的に10kg程度と小型であり、杭頭に設置するだけで、固有振動を励起させることができることから、杭が埋設された現場において固有振動数を容易に算出することが可能である。
【0024】
また、杭を振動させることで励起される固有振動から固有振動数を算出する方法についても特に限定はないが、例えば、固有振動の共振曲線と位相スペクトルから固有振動数を特定することができる。より具体的には、例えば特開2009−198366号公報には、擁壁を対象としているものの、起振機により固有振動数を特定することが開示されており、当該方法を杭に対して応用することができる。
【0025】
次に、図1を参照しながら、固有振動数の算出の一例について説明する。なお、図1は、場所打ち杭工法により、複数の杭1が地盤に埋設された状態を示す図であり、実線部は地盤から突出した部分を示し、破線部は地盤中を示す。図1(a)に示すように、地盤に埋設された杭1を振動させるために、杭1(図1に示す場合にあっては鉄筋籠2)には起振機10が設置され、この起振機10は計測器や、外部電源等と接続されている。
【0026】
ここで、杭に設置された起振機10により振動を発生することで、杭1は強制的に振動され、固有振動が励起される。励起された固有振動は起振機10に接続された計測装置により解析され固有振動数が算出される。なお、固有振動数を算出するための計測器等は、起振機10に必ずしも接続されている必要はなく、杭1に直接接続されていても良い。
【0027】
次に、固有振動数に基づく杭の健全性の評価方法について説明する。上記の方法で算出された固有振動数に基づく杭の健全性の評価方法としては、以下の(i)〜(iii)に例示される方法を挙げることができる。
【0028】
(i)上記の方法で算出された固有振動数と、予め基準値として設定された基準固有振動数とを比較することで杭の健全性の評価を行うことができる。予め基準値として設定された基準固有振動数とは、設計条件(杭諸元および地盤物性等)から算出される固有振動数の理論値であってもよく、杭体の損傷、地盤の緩みがない場合の固有振動数を実測し、これを基準固有振動数としてもよい。なお、「基準固有振動数の設定」については以下に改めて詳述する。
【0029】
ここで、杭体に損傷がある場合や地盤に緩みがある場合には、杭体に損傷がない場合や地盤に緩みがない場合の固有振動数に対し固有振動数が低くなる。したがって、基準固有振動数に対して、今回算出された固有振動数がどの程度変動したかにより、地盤に埋設された杭の健全性を評価することができる。
【0030】
(ii)また、地盤に埋設される杭が複数ある場合にあっては、地盤に埋設された複数の杭をそれぞれ振動させ、各杭の固有振動数を算出し、各杭の固有振動数と、上述した基準固有振動数とを比較することで、各杭の健全性の評価を行うことができる。
【0031】
(iii)また、(ii)において、基準固有振動数との比較を行わず、各杭の固有振動数を比較して、従来公知の統計的手法により健全性の評価を行うこともできる。例えば、図1に示すように、地盤に杭1a、杭1b、杭1c、杭1dが埋設されている場合において、算出される杭1bの固有振動数が、他の杭の固有振動数よりも低い場合には、杭1bの健全性が低いと評価することができる。
【0032】
(具体的な実施の形態)
上記で説明した本発明の品質管理方法をより具体的に説明する。
【0033】
図2は、起振機を用いて杭を振動させる様子を示す概念図である。
【0034】
図2に示すように、起振機20を杭30の先端に設置するとともに、当該起振機20に起振機の加速度を測定するための加速度計Aを設置し、さらに杭頭部に杭頭部の加速度を測定するための加速度計Bを設置する。
【0035】
ここで、上記で説明したように、起振機20により杭30を振動させ、当該杭30の固有振動数を算出(測定)する方法については特に限定されることはないが、例えば、前述したように、特開2009−198366号公報に開示されている方法を応用してもよい。
【0036】
本発明の品質管理方法にあっては、杭30の固有振動数を算出(測定)し、これと、予め基準値として設定しておいた基準固有振動数とを比較することにより、杭の健全性を評価することも特徴としている。そして、当該基準固有振動数の設定にあっては、杭30が施工されている現場の状況等に応じて、種々の仮定をするとともに、種々の物理量を用いて、適宜算出すればよく、本発明は特に限定することはないが、本願発明者は、起振機20により振動させている杭30の変位振幅を用いることによって、比較的簡単かつ正確に基準固有振動数を設定可能であることを見出した。
【0037】
杭30の変位振幅を算出するにあたっては、理論上は、杭頭部に設置された加速度計Bにより検出される加速度を2階積分すれば算出することができ、本発明においても当該方法で算出することを否定はしない。しかしながら、加速度計Bにより検出される波形は非常に複雑であり、現場において簡単に2階積分することは困難である場合も多いことに鑑み、本願発明者は鋭意検討し、以下の方法を見出した。
【0038】
すなわち、起振機20により発生させる振動の加速度振幅を一定として、つまり加速度計Aにより測定される加速度振幅を一定として杭30を振動させ、振動させた杭30の加速度を加速度計Bで測定し、(測定した杭の加速度)/(起振機により発生させる振動の加速度)、換言すれば、(加速度計Bの加速度)/(加速度計Aの加速度)に対してフーリエスペクトル解析を行うことにより杭の変位振幅を推定し、この推定した杭の変位振幅を用いて基準固有振動数を設定する方法である。
【0039】
図3(a)は、加速度計Aにより測定される加速度振幅の波形を示し、(b)は、加速度計Bにより測定される加速度振幅の波形を示す。
【0040】
図3(a)からも分かるように、起振機20により発生させる振動の加速度振幅を一定とすれば、当然に加速度計Aにより測定される加速度振幅は一定(図3(a)の場合は、約1000gal)となる。そして、この時の杭30の杭頭部の加速度振幅が図3(b)となる。なお、ここで、25秒あたりにあるピークに基づき、固有振動数を算出することも可能である。
【0041】
図4は、(測定した杭の加速度)/(起振機により発生させる振動の加速度)に対してフーリエスペクトル解析をした結果を示すグラフである。
【0042】
本発明の方法においては、2つの加速度計A、Bによって加速度振幅を測定した後、(測定した杭の加速度)/(起振機により発生させる振動の加速度)、換言すれば、(加速度計Bの加速度)/(加速度計Aの加速度)に対してフーリエスペクトル解析を行う。
【0043】
図4において、ピークPのある位置の振動数fmが杭30の固有振動数となる。また、当該ピークPにおける(測定した杭の加速度)/(起振機により発生させる振動の加速度)、つまり応答倍率B/Aのピーク値をZとすると、固有振動数fmにおける加速度振幅Yは、起振機により発生させた一定の加速度振幅の大きさAmaxを用いて次式(3)により算出することができる。
【数3】

【0044】
そして、杭30の固有振動数fmにおける加速度振幅Yを用いて、杭30の変位振幅Xを推定するにあたっては、以下の式(4)を用いることができる。
【数4】

【0045】
さらに、本発明にあっては、上記式(4)により算出した変位振幅(X:実測値)を杭の基準変位(X0)で除すことにより、変位振幅を正規化し、当該正規化された変位振幅(Xn)を用いて、次式(1)により、基準振動数を設定するために必要な水平地盤反力係数(Kh)を求めることにも特徴を有している。
【数5】

【0046】
ここで、式(1)中のKh0は設計において用いられている水平地盤反力係数であり、杭径の1%または10mmを基準変位X0とした場合の水平地盤反力係数に相当する。また、式(1)中の係数である「3」および「−2」は、発明者が行った種々の試験によって算出したものである。
【0047】
図5は、基準固有振動数を算出するための境界条件を説明するための図である。
【0048】
図5に示すように、曲げ剛性:EI、密度:ρ、断面積:A、長さ:L、直径:Dの杭が、深さLで固定されており(固定端)、この時の地盤の水平地盤反力係数がKh(上記式(1)で算出済み)であるとすると、基準固有振動数(ω1)を次式(2)によって算出することができる。
【数6】

【0049】
なお、上記式(2)は、図5に示すように、所定の境界条件、つまり曲げ剛性がEIであり、密度がρであり、断面積がAであり、長さがLであり、直径がDである杭が深さLで固定されている(固定端)と仮定した場合の式であり、従って、他の境界条件を仮定して、上記式(2)によらず解析的に基準固有振動数(ω1)を算出してもよい。
【0050】
このように、上記の実施形態によれば、起振機により杭に与える振動の加速度を一定とすることにより、この加速度と振動する杭の加速度とから固有振動数を容易に把握することができ、さらに、起振機により杭に与える振動の加速度を一定としているからこそ、当該固有振動数に対応する杭の加速度振幅をも容易に算出することができる。そして、これらの結果を基に、水平地盤反力係数を杭の変位振幅に対応したものとすることができ、比較的簡単な境界条件に基づいて基準固有振動数を設定することができる。
【0051】
そして、このような本発明によれば、目視上で評価を行うことができない、地盤中の杭の損傷、地盤の緩み等を固有振動数に基づいて客観的に評価することができ、いわゆる手抜き工事等の抑止力とすることができる。また、従来、杭の健全性を評価するための品質管理精度が低いことから、安全率を大きく考慮することで設計上の安全性を確保する必要があったが、本発明の品質管理方法によれば、安全率を小さくして杭の設計を合理化することが可能となる。
【符号の説明】
【0052】
1、30・・・杭
2・・・鉄筋籠
10、20・・・起振機

【特許請求の範囲】
【請求項1】
地盤に埋設された杭の健全性を評価する杭の品質管理方法であって、
前記地盤に埋設された杭を振動させることにより算出される固有振動数に基づいて杭の健全性を評価することを特徴とする杭の品質管理方法。
【請求項2】
前記地盤に埋設された杭が複数ある場合において、
前記地盤に埋設された複数の杭をそれぞれ振動させ、各杭の固有振動数を算出し、
前記各杭の固有振動数に基づいて杭毎の健全性を評価することを特徴とする請求項1に記載の杭の品質管理方法。
【請求項3】
前記算出される固有振動数と、予め基準値として設定された基準固有振動数とを比較して杭の健全性を評価することを特徴とする請求項1又は2に記載の杭の品質管理方法。
【請求項4】
前記杭の振動を起振機により行うことを特徴とする請求項3に記載の杭の品質管理方法。
【請求項5】
起振機により振動させた杭の変位振幅を用いて基準固有振動数を設定することを特徴とする請求項4に記載の杭の品質管理方法。
【請求項6】
起振機により発生させる振動の加速度振幅を一定として杭を振動させ、振動させた杭の加速度を測定し、(測定した杭の加速度)/(起振機により発生させる振動の加速度)に対してフーリエスペクトル解析を行うことにより杭の変位振幅を推定し、この推定した杭の変位振幅を用いて基準固有振動数を設定することを特徴とする請求項5に記載の杭の品質管理方法。
【請求項7】
前記起振機によって振動させた杭の固有振動数における変位振幅(X:実測値)を杭の基準変位(X0)で除すことにより、変位振幅を正規化し、当該正規化された変位振幅(Xn)を用いて、次式(1)により、基準固有振動数を設定するために必要な水平地盤反力係数(Kh)を求めることを特徴とする請求項5または6に記載の杭の品質管理方法。
【数1】

ここで式(1)中のKh0は設計において用いられている水平地盤反力係数である。
【請求項8】
前記水平地盤反力係数(Kh)を用い、基準固有振動数(ω1)を次式(2)により設定することを特徴とする請求項7に記載の杭の品質管理方法。
【数2】

ここで、式(2)中のEIは杭の曲げ剛性、ρは杭の密度、Aは杭の断面積、Lは杭の長さ、Dは杭の直径、を示す。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2011−220003(P2011−220003A)
【公開日】平成23年11月4日(2011.11.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−90776(P2010−90776)
【出願日】平成22年4月9日(2010.4.9)
【出願人】(000173784)公益財団法人鉄道総合技術研究所 (1,666)
【Fターム(参考)】