杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法およびこれらに用いる杭
【課題】杭径の拡大または埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることが可能な杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭を提供する。
【解決手段】この杭基礎構造は、中空管からなる基礎杭Ｐ内に仕切板１０を設け、基礎杭を仕切板により鉛直方向の上部１１と下部１２とに分け、地盤Ｇ内に打設された基礎杭の下部１２の少なくとも一部１２ａを水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、基礎杭に引抜力が作用したとき引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせる。
【解決手段】この杭基礎構造は、中空管からなる基礎杭Ｐ内に仕切板１０を設け、基礎杭を仕切板により鉛直方向の上部１１と下部１２とに分け、地盤Ｇ内に打設された基礎杭の下部１２の少なくとも一部１２ａを水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、基礎杭に引抜力が作用したとき引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることが可能な杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に従来の桟橋の杭基礎構造を概略的に示す。桟橋は、図１０のように、複数本の鋼管からなる基礎杭Ｐ１、Ｐ２、・・・が水面Ｓ下の水底Ｓ１から地盤Ｇ内に支持層Ｇ１に達するように打設され、基礎杭Ｐ１、Ｐ２の上部に上部工Ｕが設置されることで構築される。
【０００３】
ここで、桟橋の設計において性能照査項目のひとつに杭の引抜に関する検討がある。すなわち、船舶着桟時の衝撃や地震による慣性力等により桟橋の上載荷重Ｄに水平方向に水平力Ｈが発生すると、例えば、地盤Ｇに打ち込まれた桟橋の基礎杭Ｐ１を引き抜こうとする作用力（引抜力）Ｖ１、基礎杭Ｐ２を押し込もうとする作用力（押込力）Ｖ２がそれぞれ発生する。この引抜力Ｖ１に対し、杭Ｐ１と地盤Ｇとの間の周面摩擦力Ｆおよび杭Ｐ１の自重を抵抗力として、杭Ｐ１が引き抜かれるか否かを判定する。ここで、杭Ｐが引き抜かれると判定された場合は杭径を拡大するかあるいは杭長を延長して杭Ｐと地盤Ｇとの接触面積を増やすことで周面摩擦力Ｆを大きくする手法を採用することが一般的である。または、杭の打設本数を増やすなど、構造全体を大きく見直すこともある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、安易に杭径を拡大すると、他の照査項目（たとえば、杭の応力度）に対しては過度に安全側な設計となり、非常に不経済な構造となることが多い。
【０００５】
また、杭長を延長する場合も、既に杭の先端が支持層Ｇ１に到達している場合は、支持層Ｇ１へ深く貫入することになり杭に負荷がかかり、杭先端の損傷や座屈が懸念される。また、支持層Ｇ１が薄い場合は、支持層を打ち抜いてしまい、杭の押込みに対する所定の支持力を得られなくなることも考えられる。
【０００６】
引抜力が問題となるのは、図１０のように、桟橋に地震時慣性力による水平力Ｈが作用した場合がほとんどであるので、桟橋の上部工Ｕや上載荷重Ｄ（たとえば、クレーン等の荷役機械）を軽量化することで、地震時慣性力（水平力Ｈ）を小さくすることも効果的である。しかし、上部工Ｕや上載荷重Ｄの軽量化はコストの増加（軽量コンクリートの利用など）や桟橋機能（荷役機械のスペックダウンなど）の低下を伴うため限度がある。
【０００７】
本発明は、上記の現状を踏まえ、杭径の拡大または埋設長の増大（すなわち、杭と地盤との間の周面摩擦力）に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることが可能な杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための杭基礎構造は、中空管からなる基礎杭内に仕切部を設け、前記基礎杭を前記仕切部により鉛直方向の上部と下部とに分け、地盤内に打設された基礎杭の前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、前記基礎杭に引抜力が作用したとき前記引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせることを特徴とする。
【０００９】
この杭基礎構造によれば、仕切部で上部と下部とに分けた基礎杭を地盤に打設し、仕切部の下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、打設された基礎杭に引抜力が作用したとき、引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせることができる。このため、杭径の拡大や埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることができる。
【００１０】
上記杭基礎構造において前記上部内に中詰材を配置することで前記引抜力に対する抵抗力を得ることが好ましい。基礎杭の上部内に中詰材を配置することで杭の引抜力に対してカウンターとして抵抗することができる。
【００１１】
また、前記下部において前記仕切部と前記基礎杭内の地盤面とに囲まれた空間を上記飽和状態の代わりに負圧にすることで、吸引力（サクション）を効果的に生じさせることができる。また、基礎杭外側の地盤に浸透流が発生し、周辺地盤の有効応力が増し、杭と地盤との間の周面摩擦力の増加に寄与できる。
【００１２】
前記基礎杭が水底に打設され、前記上部の水位を外水位と同レベル（水頭差が生じない）とすることが好ましい。
【００１３】
上記目的を達成するための杭基礎構造の施工方法は、中空管からなる基礎杭内に仕切部を設け、前記基礎杭を前記仕切部により鉛直方向の上部と下部とに分け、前記基礎杭を地盤内に打設してから、前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させてから密閉することを特徴とする。
【００１４】
この杭基礎構造の施工方法によれば、仕切部で上部と下部とに分けた基礎杭を地盤に打設し、仕切部の下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、打設された基礎杭に引抜力が作用したとき、引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせることができる。このため、杭径の拡大や埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることができる。
【００１５】
上記杭基礎構造の施工方法において前記基礎杭の打設後、前記上部内に中詰材を投入することが好ましい。これにより、杭の引抜力に対する抵抗力を得ることができる。このように、基礎杭の上部内に中詰材を配置することで杭の引抜力に対してカウンターとして抵抗することができる。
【００１６】
また、前記下部において前記仕切部と前記基礎杭内の地盤面とに囲まれた空間を上記飽和状態の代わりに負圧にすることで、打設された基礎杭において吸引力（サクション）を効果的に生じさせることができる。また、基礎杭外側の地盤に浸透流が発生し、周辺地盤の有効応力が増し、杭と地盤との間の周面摩擦力の増加に寄与できる。
【００１７】
また、前記基礎杭を水底に打設し、前記上部の水位を外水位と同レベル（水頭差が生じない）とすることが好ましい。
【００１８】
なお、上記杭基礎構造とするために、例えば、前記基礎杭の下部内と連通するようにバルブを設け、前記バルブを開き、前記基礎杭を地盤内に打設し、前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させてから、前記バルブを閉じ、前記下部内を密閉することで上記杭基礎構造を構築できる。
【００１９】
上記目的を達成するための杭は、上述の杭基礎構造または上述の杭基礎構造の施工方法に用いられる中空管からなる杭であって、杭内に仕切部を設けたことを特徴とする。
【００２０】
この杭によれば、仕切部で上部と下部とに分けた杭を地盤に打設し、仕切部の下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、打設された杭に引抜力が作用したとき引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせることができる。このため、杭径の拡大や埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭によれば、杭径の拡大または埋設長の増大（杭と地盤との間の周面摩擦力）に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【図２】第２の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【図３】第３の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【図４】第４の実施形態による鋼管杭の構成を概略的に示す図である。
【図５】図４の鋼管杭を用いて図１の杭基礎構造を構築し上部工を設置するまでの工程を説明するためのフローチャートである。
【図６】図４の鋼管杭を用いて図２の杭基礎構造を構築し上部工を設置するまでの工程を説明するためのフローチャートである。
【図７】図４の鋼管杭を用いて図３の杭基礎構造を構築し上部工を設置するまでの工程を説明するためのフローチャートである。
【図８】図１の杭基礎構造の効果を確認するための実験装置を概略的に示す図である。
【図９】図８の実験装置によりアクリル管を引き抜いた時の引抜量と荷重との関係を示すグラフである。
【図１０】従来の桟橋の杭基礎構造を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。
【００２４】
〈第１の実施形態〉
図１は第１の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【００２５】
図１のように、本実施形態による杭基礎構造は、桟橋の構築のために鋼管杭Ｐが水面Ｓ下の水底Ｓ１から地盤Ｇ内に打ち込まれるようにして必要本数が打設されてから、杭Ｐの上部に上部工Ｕが設置されるが、杭Ｐの内部に上部と下部とを隔てる仕切部として仕切板１０を設けておき、その下部１２の一部１２ａを密閉飽和状態としたものである。
【００２６】
すなわち、図１の鋼管杭Ｐは、管内に設けられた仕切板１０を有し、仕切板１０により上部１１と下部１２とに分けられる。仕切板１０は、鋼材からなり、打設前に例えば工場等で鋼管杭Ｐ内に溶接等により取り付けられ、鋼管杭Ｐの上部１１と下部１２とを完全に遮断する構造にする。
【００２７】
図１のように、鋼管杭Ｐが水底Ｓ１から地盤Ｇ内に打設されると、鋼管杭Ｐの仕切板１０の上部１１は水で満たされ、上部１１内の水位は外水位である水面Ｓと同レベルにし、杭Ｐの内外で水頭差を生じないようにする。
【００２８】
また、鋼管杭Ｐの打設後、鋼管杭Ｐの仕切板１０の下部１２の一部１２ａを密閉飽和状態とする。すなわち、鋼管杭Ｐの打設により、鋼管杭Ｐの下部１２の内部において仕切板１０と地盤表面Ｓ２との間に形成される一部１２ａは、水と地盤材料（粘性土、砂質土、礫、石材等）で満たされて飽和状態とされて下部１２は密閉状態とされる。なお、下部１２の一部１２ａは水のみで満たされて密閉飽和状態とされるようにしてもよい。ただし、地盤表面Ｓ２の高さ位置は、杭周辺の地盤条件等により、水底Ｓ１と杭Ｐの先端Ｚとの間となる。
【００２９】
上述のように、地震時慣性力による水平力により杭Ｐに鉛直方向上方に引抜力Ｖ１が作用したとき、鋼管杭Ｐ内の下部１２を密閉飽和状態としておくことにより、鋼管杭Ｐの下部１２に吸引力（サクション）が生じて引抜力Ｖ１に抵抗する抵抗力として作用する。このようにして、杭径の拡大や埋設長の増大（杭と地盤との間の周面摩擦力）に頼らずに杭Ｐの引き抜きに対する抵抗力・安定性を増大させることができる。このため、桟橋等の杭基礎構造物の地震等に対する安定性を向上させることができ、しかも杭径の拡大や埋設長の増大が伴わないので、コストがさほど嵩まず、経済的である。
【００３０】
また、仕切板１０の設置位置（設置深度）は、できるだけ鋼管杭Ｐ内の地盤表面Ｓ２と密着させて仕切板１０と地盤表面Ｓ２との距離ｔが小さいほど吸引力（サクション）の効果が高く、好ましい。また、鋼管杭Ｐの地盤Ｇへの根入れ長が長いほど吸引力（サクション）の効果が高くなる。
【００３１】
〈第２の実施形態〉
図２は第２の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【００３２】
図２の杭基礎構造は、図１の杭基礎構造の鋼管杭Ｐの上部１１（仕切板１０の上）に地盤材料等の中詰材１３を充填した点が図１の杭基礎構造と異なる。すなわち、図２のように、鋼管杭Ｐの仕切板１０の上部１１に地盤材料からなる中詰材１３を充填する。中詰材１３は、地盤材料に加えて、鋼さいやコンクリートガラ等であってもよい。中詰材１３を杭Ｐ内に充填することで杭Ｐの引抜力Ｖ１に対するカウンターとしての役割を期待できる。杭Ｐの引抜力Ｖ１に対する、鋼管杭Ｐの密閉飽和状態とされた下部１２に生じる吸引力（サクション）による抵抗力が増していっそう効果的になる。
【００３３】
なお、中詰材１３の充填高さは、なるべく水面Ｓよりも下で留めるほうが好ましい。杭頭付近まで投入し充填すると、杭重を過度に増やすことになり、杭先端における支持力不足を考慮する必要性が生じ、また、地震時などには慣性力を大きくする可能性も生じるので、杭頭付近まで充填することは好ましくない。中詰材１３の上部は水で満たされ、上部１１内の水位は図１と同様に、外水位である水面Ｓと同レベルにし、杭Ｐの内外で水頭差を生じないようにする。
【００３４】
〈第３の実施形態〉
図３は第３の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【００３５】
図３の杭基礎構造は、図２の杭基礎構造において仕切板１０の下部１２の一部１２ａに負圧を与えた点が図２の杭基礎構造と異なる。このように、下部１２の一部１２ａを図１，図２の密閉飽和状態ではなく負圧状態とすることで、吸引力（サクション）の効果が高まり、図１，図２の密閉飽和状態とされた下部１２に生じる吸引力（サクション）よりも大きくなるので、杭Ｐの引抜力Ｖ１に対する抵抗力がいっそう大きくなる。
【００３６】
また、鋼管杭Ｐの外側には水面Ｓと鋼管杭Ｐの下部１２内の水位ｈ２との水頭差ｋに応じた鋼管杭Ｐの先端に向かう浸透流ｊ（下向き浸透流）が生じる。鋼管杭Ｐの先端に向かう浸透流ｊは杭Ｐの周辺の地盤に対して有効応力の増加をもたらすことになり、杭Ｐと地盤Ｇとの間の周面摩擦力の増加に寄与することが期待できる。
【００３７】
なお、鋼管杭Ｐ内には上向きの浸透流が発生し、鋼管杭Ｐ内の地盤は有効応力の低下が想定されるが、杭Ｐの引抜力Ｖ１に対して鋼管杭Ｐ内の周面と地盤との摩擦は考慮しないため影響はない。ただし、上向きの浸透流により鋼管杭内の地盤がヒービングやボイリングを生じないように注意する必要がある。
【００３８】
〈第４の実施形態〉
図４は第４の実施形態による鋼管杭の構成を概略的に示す図である。
【００３９】
図４の構成は、図１〜図３の杭基礎構造を実現するための鋼管杭の一例である。すなわち、鋼管杭Ｐは、鋼材からなる仕切板１０が事前に工場で溶接されて取り付けられて杭Ｐの上部１１と下部１２を完全に遮断する構造を有し、さらに、図４に示すように開閉バルブ２１，２２，２３を取り付けることで、鋼管杭Ｐの内外の通水と遮断とを調整できる構造を有する。
【００４０】
バルブ２１は、鋼管杭Ｐの仕切板１０の上部１１に対応する位置に取り付ける。バルブ２２，２３は、鋼管杭Ｐの仕切板１０の下部１２の一部１２ａに対応する位置であって、バルブ２２は仕切板１０の直下に取り付け、バルブ２３はバルブ２２の下方で水底Ｓ１よりも上方に位置するように取り付ける。
【００４１】
なお、図４のバルブ２１を省略してもよく、鋼管杭Ｐに、バルブ２１の代わりに、杭Ｐの内外を連通させるようにたとえば２５ｍｍ程度の通水孔を設けるようにしてもよい。
【００４２】
また、図１，図２の杭基礎構造を構築する場合には、バルブ２３を省略してもよい。
【００４３】
次に、図４の鋼管杭Ｐを用いて図１〜図３の各杭基礎構造を構築し上部工を設置するまでの工程について図５，図６，図７の各フローチャートを参照して説明する。
【００４４】
(1)図１の杭基礎構造と上部工を構築する工程につき図５を参照して説明する。まず、バルブ２１，２２，２３を開き（Ｓ０１）、鋼管杭Ｐの上部１１の内外に水頭差が生じない状態にする。
【００４５】
次に、鋼管杭Ｐを水底Ｓ１から地盤Ｇへと杭先端Ｚが支持層Ｇ１まで達するように打設する（Ｓ０２）。これらの工程Ｓ０１，Ｓ０２を繰り返し、所定本数の鋼管杭Ｐを打設する（Ｓ０３）。次に、すべての杭Ｐのバルブ２１，２２，２３を閉じる（Ｓ０４）。上述のようにして、図１の杭基礎構造を完成させる（Ｓ０５）。次に、鋼管杭Ｐの上部に上部工を設置する（Ｓ０６）。
【００４６】
以上のようにして、図１の杭基礎構造および上部工Ｕを完成させることができる。このとき、鋼管杭Ｐ内の下部１２は密閉飽和状態となっている。
【００４７】
(2)図２の杭基礎構造と上部工を構築する工程につき図６を参照して説明する。まず、バルブ２１，２２，２３を開き（Ｓ１１）、次に、鋼管杭Ｐを水底Ｓ１から地盤Ｇへと杭先端Ｚが支持層Ｇ１まで達するように打設する（Ｓ１２）。これらの工程Ｓ１１，Ｓ１２を繰り返し、所定本数の鋼管杭Ｐを打設する（Ｓ１３）。次に、すべての鋼管杭Ｐに中詰材を杭頭より所定量投入する（Ｓ１４）。次に、すべての杭Ｐのバルブ２１，２２，２３を閉じる（Ｓ１５）。
【００４８】
上述のようにして図２の杭基礎構造を完成させる（Ｓ１６）。次に、鋼管杭Ｐの上部に上部工を設置する（Ｓ１７）。
【００４９】
以上のようにして、図２の杭基礎構造および上部工を完成させることができる。このとき、鋼管杭Ｐ内の下部１２は密閉飽和状態となっている。
【００５０】
(3)図３の杭基礎構造と上部工を構築する工程につき図７を参照して説明する。まず、バルブ２１，２２，２３を開き（Ｓ２１）、次に、鋼管杭Ｐを水底Ｓ１から地盤Ｇへと杭先端Ｚが支持層Ｇ１まで達するように打設する（Ｓ２２）。これらの工程Ｓ２１，Ｓ２２を繰り返し、所定本数の鋼管杭Ｐを打設する（Ｓ２３）。次に、すべての鋼管杭Ｐに中詰材を杭頭より所定量投入する（Ｓ２４）。
【００５１】
次に、バルブ２２にサクションホースを接続し、そのサクションホースのもう一方の端部を大気に開放する（Ｓ２５）。そして、バルブ２３にホースを接続し、そのホースのもう一方の端部に揚水ポンプを接続する（Ｓ２６）。次に、バルブ２３に接続した揚水ポンプにより鋼管杭Ｐの下部１２の一部１２ａ（仕切板１０と鋼管杭Ｐ内の地盤表面Ｓ２との間）内の水を空気に置換する（Ｓ２７）。その後、バルブ２２，２３を閉じ、バルブ２３のホース、揚水ポンプを取り外す（Ｓ２８）。
【００５２】
次に、バルブ２２のサクションホースの大気に開放した端部に真空ポンプを接続する（Ｓ２９）。次に、バルブ２２を開き、真空ポンプにより鋼管杭Ｐの下部１２の空間内を減圧し、負圧を作用させる（Ｓ３０）。所定の負圧を作用させた後、バルブ２２を閉じ、サクションホース、真空ポンプを取り外す（Ｓ３１）。上述の工程Ｓ２５〜Ｓ３１を所定本数の鋼管杭Ｐに対して繰り返す（Ｓ３２）。なお、鋼管杭の本数が多い場合等には、すべての杭のサクションホースの端部及びホースの端部をそれぞれ一個口にまとめて、工程Ｓ２５〜Ｓ３１をすべての杭に対し一回で実施するようにしてもよい。
【００５３】
上述のようにして図３の杭基礎構造を完成させる（Ｓ３３）。次に、鋼管杭Ｐの上部に上部工を設置する（Ｓ３４）。
【００５４】
以上のようにして、図３の杭基礎構造および上部工を完成させることができる。
このとき、鋼管杭Ｐの下部１２の一部１２ａは負圧空間となっている。
【実験例】
【００５５】
図１の杭基礎構造を模擬した図８の実験装置を用いて、図１の杭基礎構造の効果を確認した。すなわち、図８のように槽内に飽和粘性土地盤を作成し、その地盤に直径５ｃｍ、長さ５０ｃｍ、厚さ１ｍｍのアクリル管２本を４５ｃｍの深さで設置し、地盤の上には水を満たした。
【００５６】
実験例として一方のアクリル管の上端に塩ビ製の円板で蓋をして、隙間を水中パテで埋めて完全に密閉した。比較例として他方のアクリル管は上端に蓋をせず、そのまま用いた。
【００５７】
実験例および比較例の各アクリル管を鉛直上方に同じ速さで引き抜き、その時の抵抗力（荷重）をロードセルにより計測した。図９にその計測結果としてアクリル管の引き抜き時の引抜量と荷重との関係を示す。
【００５８】
図中の理論値１，２とは管の引き抜き時にサクション（吸引力）は考慮せず周面摩擦力のみが作用すると仮定した場合の計算値である。理論値１はアクリル管内外の全周面において摩擦力が作用するとした場合である。理論値２はアクリル管の外周面にのみ摩擦力が作用し、内部は粘性土もアクリル管と一緒に伴上がりするものとした場合である。なお、ここでは、粘性土地盤の飽和単位堆積重量を１６ｋＮ／ｍ3、粘着力を５０ｋＮ／ｍ2とした。
【００５９】
図９からわかるように、実験例は比較例に対して引き抜き初期（引抜量１０ｍｍ前後）で約２倍、引き抜き後半（引抜量８０ｍｍ前後）で約５倍の抵抗力（荷重）を示した。また、周面摩擦力のみ考慮した場合（管内外の全周面で摩擦力が作用）の理論値１に対しても３倍弱の抵抗力を示し、管の外周面にのみ摩擦力が作用した場合の理論値２に対しても５倍近い抵抗力を示している。これらの結果から、図１の杭基礎構造を模擬した本実験例は、サクションの作用がない比較例と比べて、鉛直上方への引抜力に対してサクション（吸引力）が抵抗力として有効に作用していることがわかった。
【計算例】
【００６０】
(1)図２における中詰材投入の効果の検証
【００６１】
鋼管杭φ７００−９ｔ，φ１１００−１２ｔ，φ１５００−１６ｔの３ケースの杭仕様に対し、水深１０ｍ、仕切板を水底地盤と同レベルとし、中詰材として砂を４ｍ、８ｍ投入した場合について、引き抜きにおけるバラスト投入効果に関する計算例を次の表１に示す。
【００６２】
【表１】
【００６３】
表１の計算結果では、中詰材を投入することにより、１４．６〜１３５．４ｋＮの引き抜きに対する抵抗力（押し込み力）が得られる。たとえば、引抜力が１０００ｋＮであった場合、１％〜１４％程度の分担率となる。なお、当然ではあるが、杭径および中詰材投入高さは大きいほど、また中詰材の水中単位体積重量が重いほど効果的である。
【００６４】
(2)図３における浸透流による効果の検証
【００６５】
鋼管杭の根入れ長を１０ｍ，水深を１０ｍ，鋼管杭内の水位を水底地盤より２ｍ下がり、仕切板を水底地盤と同レベル、鋼管杭の下部の空隙圧力を大気圧と等しいとして鋼管杭内外の導水勾配ｉを次の式により計算する。
【００６６】
i = h / L = (10+2) / (10+8) = 0.667
ここに、h：水頭差、L：透水長
【００６７】
図３の下向き浸透流ｊのように鋼管杭の外側に下向きに生じる浸透圧pwを次の式により計算する。
【００６８】
pw = i × γw × L = 0.667×10 × l = 6.67×L (kN/m2)
ここに、γw：水の単位体積重量（=10kN/m3）、L：浸透距離(m)
【００６９】
次に、鋼管杭外側の地盤の有効応力σ’は次の式により求めることができる。
【００７０】
σ’ = (γsat - γw)×z = ( 17 - 10 )×z = 7 ×z (kN/m2)
ここに、γsat：土の飽和単位体積重量（=17kN/m3）、z：地盤深度（m）
【００７１】
よって、浸透圧を考慮した有効応力σ’wは、次のように有効応力σ’に浸透圧pwを加えた値となる。
【００７２】
σ’w= σ’ + pw = 6.67×L + 7×z
【００７３】
ここで、浸透距離Lと地盤深度zは等しいことから浸透圧を考慮した有効応力は次式にまとめられる。
【００７４】
σ’w= 13.67×z
【００７５】
したがって、有効応力σ’と浸透圧を考慮したσ’wとの比は、
σ’w/σ’=13.67 / 7 =1.95 ≒ 2.0
となり、浸透圧により有効応力は約２倍となる。
【００７６】
鋼管杭周辺の地盤が粘性土の場合、粘性土の粘着力cuは、有効土被り圧の１次関数として次式により与えられる。
【００７７】
cu/p = 0.28〜0.30
ここに、p：圧密応力（=有効応力σ’）
【００７８】
したがって、浸透圧を加えることで粘着力cuも２倍となり、杭と地盤との間の周面摩擦力は杭の外周面積と地盤の粘着力cuの積として求めるため、周面摩擦力も２倍となる。このように、図３の水面Ｓと鋼管杭Ｐの下部１２内の水位ｈ２との水頭差ｋに応じて生じる鋼管杭Ｐ外側における下向き浸透流ｊにより、杭Ｐと地盤Ｇとの間の周面摩擦力が増加することがわかる。
【００７９】
以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本実施形態では港湾において代表的な杭基礎構造物である桟橋について記述したが、本発明はこれに限られず、水上または陸上における他の杭基礎構造物であってもよい。
【００８０】
また、杭Ｐ内に仕切板１０を取り付ける方法は溶接があるが、これに限定されず、他の方法によって取り付けるようにしてもよいことはもちろんである。
【００８１】
また、図１の杭基礎構造において図３のように仕切板１０の下部１２の一部１２ａに負圧を与えるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭によれば、杭径の拡大または埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力を増大させることができるので、杭基礎構造物の地震等に対する安定性を経済的に向上させることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 仕切板（仕切部）
１１ 上部
１２ 下部
１２ａ 下部の一部
１３ 中詰材
２１，２２，２３ 開閉バルブ、バルブ
Ｐ 鋼管杭、基礎杭、杭
Ｆ 周面摩擦力
Ｇ 地盤
Ｇ１ 支持層
Ｖ１ 杭Ｐに対する引抜力
ｊ 浸透流
Ｓ 水面
Ｓ１ 水底
Ｓ２ 杭Ｐ内の地盤表面
ｈ２ 下部１２内の水位
ｋ 水面Ｓと水位ｈ２との水頭差
Ｚ 杭Ｐの先端
【技術分野】
【０００１】
本発明は、杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることが可能な杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に従来の桟橋の杭基礎構造を概略的に示す。桟橋は、図１０のように、複数本の鋼管からなる基礎杭Ｐ１、Ｐ２、・・・が水面Ｓ下の水底Ｓ１から地盤Ｇ内に支持層Ｇ１に達するように打設され、基礎杭Ｐ１、Ｐ２の上部に上部工Ｕが設置されることで構築される。
【０００３】
ここで、桟橋の設計において性能照査項目のひとつに杭の引抜に関する検討がある。すなわち、船舶着桟時の衝撃や地震による慣性力等により桟橋の上載荷重Ｄに水平方向に水平力Ｈが発生すると、例えば、地盤Ｇに打ち込まれた桟橋の基礎杭Ｐ１を引き抜こうとする作用力（引抜力）Ｖ１、基礎杭Ｐ２を押し込もうとする作用力（押込力）Ｖ２がそれぞれ発生する。この引抜力Ｖ１に対し、杭Ｐ１と地盤Ｇとの間の周面摩擦力Ｆおよび杭Ｐ１の自重を抵抗力として、杭Ｐ１が引き抜かれるか否かを判定する。ここで、杭Ｐが引き抜かれると判定された場合は杭径を拡大するかあるいは杭長を延長して杭Ｐと地盤Ｇとの接触面積を増やすことで周面摩擦力Ｆを大きくする手法を採用することが一般的である。または、杭の打設本数を増やすなど、構造全体を大きく見直すこともある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、安易に杭径を拡大すると、他の照査項目（たとえば、杭の応力度）に対しては過度に安全側な設計となり、非常に不経済な構造となることが多い。
【０００５】
また、杭長を延長する場合も、既に杭の先端が支持層Ｇ１に到達している場合は、支持層Ｇ１へ深く貫入することになり杭に負荷がかかり、杭先端の損傷や座屈が懸念される。また、支持層Ｇ１が薄い場合は、支持層を打ち抜いてしまい、杭の押込みに対する所定の支持力を得られなくなることも考えられる。
【０００６】
引抜力が問題となるのは、図１０のように、桟橋に地震時慣性力による水平力Ｈが作用した場合がほとんどであるので、桟橋の上部工Ｕや上載荷重Ｄ（たとえば、クレーン等の荷役機械）を軽量化することで、地震時慣性力（水平力Ｈ）を小さくすることも効果的である。しかし、上部工Ｕや上載荷重Ｄの軽量化はコストの増加（軽量コンクリートの利用など）や桟橋機能（荷役機械のスペックダウンなど）の低下を伴うため限度がある。
【０００７】
本発明は、上記の現状を踏まえ、杭径の拡大または埋設長の増大（すなわち、杭と地盤との間の周面摩擦力）に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることが可能な杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための杭基礎構造は、中空管からなる基礎杭内に仕切部を設け、前記基礎杭を前記仕切部により鉛直方向の上部と下部とに分け、地盤内に打設された基礎杭の前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、前記基礎杭に引抜力が作用したとき前記引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせることを特徴とする。
【０００９】
この杭基礎構造によれば、仕切部で上部と下部とに分けた基礎杭を地盤に打設し、仕切部の下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、打設された基礎杭に引抜力が作用したとき、引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせることができる。このため、杭径の拡大や埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることができる。
【００１０】
上記杭基礎構造において前記上部内に中詰材を配置することで前記引抜力に対する抵抗力を得ることが好ましい。基礎杭の上部内に中詰材を配置することで杭の引抜力に対してカウンターとして抵抗することができる。
【００１１】
また、前記下部において前記仕切部と前記基礎杭内の地盤面とに囲まれた空間を上記飽和状態の代わりに負圧にすることで、吸引力（サクション）を効果的に生じさせることができる。また、基礎杭外側の地盤に浸透流が発生し、周辺地盤の有効応力が増し、杭と地盤との間の周面摩擦力の増加に寄与できる。
【００１２】
前記基礎杭が水底に打設され、前記上部の水位を外水位と同レベル（水頭差が生じない）とすることが好ましい。
【００１３】
上記目的を達成するための杭基礎構造の施工方法は、中空管からなる基礎杭内に仕切部を設け、前記基礎杭を前記仕切部により鉛直方向の上部と下部とに分け、前記基礎杭を地盤内に打設してから、前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させてから密閉することを特徴とする。
【００１４】
この杭基礎構造の施工方法によれば、仕切部で上部と下部とに分けた基礎杭を地盤に打設し、仕切部の下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、打設された基礎杭に引抜力が作用したとき、引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせることができる。このため、杭径の拡大や埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることができる。
【００１５】
上記杭基礎構造の施工方法において前記基礎杭の打設後、前記上部内に中詰材を投入することが好ましい。これにより、杭の引抜力に対する抵抗力を得ることができる。このように、基礎杭の上部内に中詰材を配置することで杭の引抜力に対してカウンターとして抵抗することができる。
【００１６】
また、前記下部において前記仕切部と前記基礎杭内の地盤面とに囲まれた空間を上記飽和状態の代わりに負圧にすることで、打設された基礎杭において吸引力（サクション）を効果的に生じさせることができる。また、基礎杭外側の地盤に浸透流が発生し、周辺地盤の有効応力が増し、杭と地盤との間の周面摩擦力の増加に寄与できる。
【００１７】
また、前記基礎杭を水底に打設し、前記上部の水位を外水位と同レベル（水頭差が生じない）とすることが好ましい。
【００１８】
なお、上記杭基礎構造とするために、例えば、前記基礎杭の下部内と連通するようにバルブを設け、前記バルブを開き、前記基礎杭を地盤内に打設し、前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させてから、前記バルブを閉じ、前記下部内を密閉することで上記杭基礎構造を構築できる。
【００１９】
上記目的を達成するための杭は、上述の杭基礎構造または上述の杭基礎構造の施工方法に用いられる中空管からなる杭であって、杭内に仕切部を設けたことを特徴とする。
【００２０】
この杭によれば、仕切部で上部と下部とに分けた杭を地盤に打設し、仕切部の下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、打設された杭に引抜力が作用したとき引抜力に抵抗する吸引力（サクション）を生じさせることができる。このため、杭径の拡大や埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭によれば、杭径の拡大または埋設長の増大（杭と地盤との間の周面摩擦力）に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力（安定性）を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【図２】第２の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【図３】第３の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【図４】第４の実施形態による鋼管杭の構成を概略的に示す図である。
【図５】図４の鋼管杭を用いて図１の杭基礎構造を構築し上部工を設置するまでの工程を説明するためのフローチャートである。
【図６】図４の鋼管杭を用いて図２の杭基礎構造を構築し上部工を設置するまでの工程を説明するためのフローチャートである。
【図７】図４の鋼管杭を用いて図３の杭基礎構造を構築し上部工を設置するまでの工程を説明するためのフローチャートである。
【図８】図１の杭基礎構造の効果を確認するための実験装置を概略的に示す図である。
【図９】図８の実験装置によりアクリル管を引き抜いた時の引抜量と荷重との関係を示すグラフである。
【図１０】従来の桟橋の杭基礎構造を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて説明する。
【００２４】
〈第１の実施形態〉
図１は第１の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【００２５】
図１のように、本実施形態による杭基礎構造は、桟橋の構築のために鋼管杭Ｐが水面Ｓ下の水底Ｓ１から地盤Ｇ内に打ち込まれるようにして必要本数が打設されてから、杭Ｐの上部に上部工Ｕが設置されるが、杭Ｐの内部に上部と下部とを隔てる仕切部として仕切板１０を設けておき、その下部１２の一部１２ａを密閉飽和状態としたものである。
【００２６】
すなわち、図１の鋼管杭Ｐは、管内に設けられた仕切板１０を有し、仕切板１０により上部１１と下部１２とに分けられる。仕切板１０は、鋼材からなり、打設前に例えば工場等で鋼管杭Ｐ内に溶接等により取り付けられ、鋼管杭Ｐの上部１１と下部１２とを完全に遮断する構造にする。
【００２７】
図１のように、鋼管杭Ｐが水底Ｓ１から地盤Ｇ内に打設されると、鋼管杭Ｐの仕切板１０の上部１１は水で満たされ、上部１１内の水位は外水位である水面Ｓと同レベルにし、杭Ｐの内外で水頭差を生じないようにする。
【００２８】
また、鋼管杭Ｐの打設後、鋼管杭Ｐの仕切板１０の下部１２の一部１２ａを密閉飽和状態とする。すなわち、鋼管杭Ｐの打設により、鋼管杭Ｐの下部１２の内部において仕切板１０と地盤表面Ｓ２との間に形成される一部１２ａは、水と地盤材料（粘性土、砂質土、礫、石材等）で満たされて飽和状態とされて下部１２は密閉状態とされる。なお、下部１２の一部１２ａは水のみで満たされて密閉飽和状態とされるようにしてもよい。ただし、地盤表面Ｓ２の高さ位置は、杭周辺の地盤条件等により、水底Ｓ１と杭Ｐの先端Ｚとの間となる。
【００２９】
上述のように、地震時慣性力による水平力により杭Ｐに鉛直方向上方に引抜力Ｖ１が作用したとき、鋼管杭Ｐ内の下部１２を密閉飽和状態としておくことにより、鋼管杭Ｐの下部１２に吸引力（サクション）が生じて引抜力Ｖ１に抵抗する抵抗力として作用する。このようにして、杭径の拡大や埋設長の増大（杭と地盤との間の周面摩擦力）に頼らずに杭Ｐの引き抜きに対する抵抗力・安定性を増大させることができる。このため、桟橋等の杭基礎構造物の地震等に対する安定性を向上させることができ、しかも杭径の拡大や埋設長の増大が伴わないので、コストがさほど嵩まず、経済的である。
【００３０】
また、仕切板１０の設置位置（設置深度）は、できるだけ鋼管杭Ｐ内の地盤表面Ｓ２と密着させて仕切板１０と地盤表面Ｓ２との距離ｔが小さいほど吸引力（サクション）の効果が高く、好ましい。また、鋼管杭Ｐの地盤Ｇへの根入れ長が長いほど吸引力（サクション）の効果が高くなる。
【００３１】
〈第２の実施形態〉
図２は第２の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【００３２】
図２の杭基礎構造は、図１の杭基礎構造の鋼管杭Ｐの上部１１（仕切板１０の上）に地盤材料等の中詰材１３を充填した点が図１の杭基礎構造と異なる。すなわち、図２のように、鋼管杭Ｐの仕切板１０の上部１１に地盤材料からなる中詰材１３を充填する。中詰材１３は、地盤材料に加えて、鋼さいやコンクリートガラ等であってもよい。中詰材１３を杭Ｐ内に充填することで杭Ｐの引抜力Ｖ１に対するカウンターとしての役割を期待できる。杭Ｐの引抜力Ｖ１に対する、鋼管杭Ｐの密閉飽和状態とされた下部１２に生じる吸引力（サクション）による抵抗力が増していっそう効果的になる。
【００３３】
なお、中詰材１３の充填高さは、なるべく水面Ｓよりも下で留めるほうが好ましい。杭頭付近まで投入し充填すると、杭重を過度に増やすことになり、杭先端における支持力不足を考慮する必要性が生じ、また、地震時などには慣性力を大きくする可能性も生じるので、杭頭付近まで充填することは好ましくない。中詰材１３の上部は水で満たされ、上部１１内の水位は図１と同様に、外水位である水面Ｓと同レベルにし、杭Ｐの内外で水頭差を生じないようにする。
【００３４】
〈第３の実施形態〉
図３は第３の実施形態による杭基礎構造を概略的に示す図である。
【００３５】
図３の杭基礎構造は、図２の杭基礎構造において仕切板１０の下部１２の一部１２ａに負圧を与えた点が図２の杭基礎構造と異なる。このように、下部１２の一部１２ａを図１，図２の密閉飽和状態ではなく負圧状態とすることで、吸引力（サクション）の効果が高まり、図１，図２の密閉飽和状態とされた下部１２に生じる吸引力（サクション）よりも大きくなるので、杭Ｐの引抜力Ｖ１に対する抵抗力がいっそう大きくなる。
【００３６】
また、鋼管杭Ｐの外側には水面Ｓと鋼管杭Ｐの下部１２内の水位ｈ２との水頭差ｋに応じた鋼管杭Ｐの先端に向かう浸透流ｊ（下向き浸透流）が生じる。鋼管杭Ｐの先端に向かう浸透流ｊは杭Ｐの周辺の地盤に対して有効応力の増加をもたらすことになり、杭Ｐと地盤Ｇとの間の周面摩擦力の増加に寄与することが期待できる。
【００３７】
なお、鋼管杭Ｐ内には上向きの浸透流が発生し、鋼管杭Ｐ内の地盤は有効応力の低下が想定されるが、杭Ｐの引抜力Ｖ１に対して鋼管杭Ｐ内の周面と地盤との摩擦は考慮しないため影響はない。ただし、上向きの浸透流により鋼管杭内の地盤がヒービングやボイリングを生じないように注意する必要がある。
【００３８】
〈第４の実施形態〉
図４は第４の実施形態による鋼管杭の構成を概略的に示す図である。
【００３９】
図４の構成は、図１〜図３の杭基礎構造を実現するための鋼管杭の一例である。すなわち、鋼管杭Ｐは、鋼材からなる仕切板１０が事前に工場で溶接されて取り付けられて杭Ｐの上部１１と下部１２を完全に遮断する構造を有し、さらに、図４に示すように開閉バルブ２１，２２，２３を取り付けることで、鋼管杭Ｐの内外の通水と遮断とを調整できる構造を有する。
【００４０】
バルブ２１は、鋼管杭Ｐの仕切板１０の上部１１に対応する位置に取り付ける。バルブ２２，２３は、鋼管杭Ｐの仕切板１０の下部１２の一部１２ａに対応する位置であって、バルブ２２は仕切板１０の直下に取り付け、バルブ２３はバルブ２２の下方で水底Ｓ１よりも上方に位置するように取り付ける。
【００４１】
なお、図４のバルブ２１を省略してもよく、鋼管杭Ｐに、バルブ２１の代わりに、杭Ｐの内外を連通させるようにたとえば２５ｍｍ程度の通水孔を設けるようにしてもよい。
【００４２】
また、図１，図２の杭基礎構造を構築する場合には、バルブ２３を省略してもよい。
【００４３】
次に、図４の鋼管杭Ｐを用いて図１〜図３の各杭基礎構造を構築し上部工を設置するまでの工程について図５，図６，図７の各フローチャートを参照して説明する。
【００４４】
(1)図１の杭基礎構造と上部工を構築する工程につき図５を参照して説明する。まず、バルブ２１，２２，２３を開き（Ｓ０１）、鋼管杭Ｐの上部１１の内外に水頭差が生じない状態にする。
【００４５】
次に、鋼管杭Ｐを水底Ｓ１から地盤Ｇへと杭先端Ｚが支持層Ｇ１まで達するように打設する（Ｓ０２）。これらの工程Ｓ０１，Ｓ０２を繰り返し、所定本数の鋼管杭Ｐを打設する（Ｓ０３）。次に、すべての杭Ｐのバルブ２１，２２，２３を閉じる（Ｓ０４）。上述のようにして、図１の杭基礎構造を完成させる（Ｓ０５）。次に、鋼管杭Ｐの上部に上部工を設置する（Ｓ０６）。
【００４６】
以上のようにして、図１の杭基礎構造および上部工Ｕを完成させることができる。このとき、鋼管杭Ｐ内の下部１２は密閉飽和状態となっている。
【００４７】
(2)図２の杭基礎構造と上部工を構築する工程につき図６を参照して説明する。まず、バルブ２１，２２，２３を開き（Ｓ１１）、次に、鋼管杭Ｐを水底Ｓ１から地盤Ｇへと杭先端Ｚが支持層Ｇ１まで達するように打設する（Ｓ１２）。これらの工程Ｓ１１，Ｓ１２を繰り返し、所定本数の鋼管杭Ｐを打設する（Ｓ１３）。次に、すべての鋼管杭Ｐに中詰材を杭頭より所定量投入する（Ｓ１４）。次に、すべての杭Ｐのバルブ２１，２２，２３を閉じる（Ｓ１５）。
【００４８】
上述のようにして図２の杭基礎構造を完成させる（Ｓ１６）。次に、鋼管杭Ｐの上部に上部工を設置する（Ｓ１７）。
【００４９】
以上のようにして、図２の杭基礎構造および上部工を完成させることができる。このとき、鋼管杭Ｐ内の下部１２は密閉飽和状態となっている。
【００５０】
(3)図３の杭基礎構造と上部工を構築する工程につき図７を参照して説明する。まず、バルブ２１，２２，２３を開き（Ｓ２１）、次に、鋼管杭Ｐを水底Ｓ１から地盤Ｇへと杭先端Ｚが支持層Ｇ１まで達するように打設する（Ｓ２２）。これらの工程Ｓ２１，Ｓ２２を繰り返し、所定本数の鋼管杭Ｐを打設する（Ｓ２３）。次に、すべての鋼管杭Ｐに中詰材を杭頭より所定量投入する（Ｓ２４）。
【００５１】
次に、バルブ２２にサクションホースを接続し、そのサクションホースのもう一方の端部を大気に開放する（Ｓ２５）。そして、バルブ２３にホースを接続し、そのホースのもう一方の端部に揚水ポンプを接続する（Ｓ２６）。次に、バルブ２３に接続した揚水ポンプにより鋼管杭Ｐの下部１２の一部１２ａ（仕切板１０と鋼管杭Ｐ内の地盤表面Ｓ２との間）内の水を空気に置換する（Ｓ２７）。その後、バルブ２２，２３を閉じ、バルブ２３のホース、揚水ポンプを取り外す（Ｓ２８）。
【００５２】
次に、バルブ２２のサクションホースの大気に開放した端部に真空ポンプを接続する（Ｓ２９）。次に、バルブ２２を開き、真空ポンプにより鋼管杭Ｐの下部１２の空間内を減圧し、負圧を作用させる（Ｓ３０）。所定の負圧を作用させた後、バルブ２２を閉じ、サクションホース、真空ポンプを取り外す（Ｓ３１）。上述の工程Ｓ２５〜Ｓ３１を所定本数の鋼管杭Ｐに対して繰り返す（Ｓ３２）。なお、鋼管杭の本数が多い場合等には、すべての杭のサクションホースの端部及びホースの端部をそれぞれ一個口にまとめて、工程Ｓ２５〜Ｓ３１をすべての杭に対し一回で実施するようにしてもよい。
【００５３】
上述のようにして図３の杭基礎構造を完成させる（Ｓ３３）。次に、鋼管杭Ｐの上部に上部工を設置する（Ｓ３４）。
【００５４】
以上のようにして、図３の杭基礎構造および上部工を完成させることができる。
このとき、鋼管杭Ｐの下部１２の一部１２ａは負圧空間となっている。
【実験例】
【００５５】
図１の杭基礎構造を模擬した図８の実験装置を用いて、図１の杭基礎構造の効果を確認した。すなわち、図８のように槽内に飽和粘性土地盤を作成し、その地盤に直径５ｃｍ、長さ５０ｃｍ、厚さ１ｍｍのアクリル管２本を４５ｃｍの深さで設置し、地盤の上には水を満たした。
【００５６】
実験例として一方のアクリル管の上端に塩ビ製の円板で蓋をして、隙間を水中パテで埋めて完全に密閉した。比較例として他方のアクリル管は上端に蓋をせず、そのまま用いた。
【００５７】
実験例および比較例の各アクリル管を鉛直上方に同じ速さで引き抜き、その時の抵抗力（荷重）をロードセルにより計測した。図９にその計測結果としてアクリル管の引き抜き時の引抜量と荷重との関係を示す。
【００５８】
図中の理論値１，２とは管の引き抜き時にサクション（吸引力）は考慮せず周面摩擦力のみが作用すると仮定した場合の計算値である。理論値１はアクリル管内外の全周面において摩擦力が作用するとした場合である。理論値２はアクリル管の外周面にのみ摩擦力が作用し、内部は粘性土もアクリル管と一緒に伴上がりするものとした場合である。なお、ここでは、粘性土地盤の飽和単位堆積重量を１６ｋＮ／ｍ3、粘着力を５０ｋＮ／ｍ2とした。
【００５９】
図９からわかるように、実験例は比較例に対して引き抜き初期（引抜量１０ｍｍ前後）で約２倍、引き抜き後半（引抜量８０ｍｍ前後）で約５倍の抵抗力（荷重）を示した。また、周面摩擦力のみ考慮した場合（管内外の全周面で摩擦力が作用）の理論値１に対しても３倍弱の抵抗力を示し、管の外周面にのみ摩擦力が作用した場合の理論値２に対しても５倍近い抵抗力を示している。これらの結果から、図１の杭基礎構造を模擬した本実験例は、サクションの作用がない比較例と比べて、鉛直上方への引抜力に対してサクション（吸引力）が抵抗力として有効に作用していることがわかった。
【計算例】
【００６０】
(1)図２における中詰材投入の効果の検証
【００６１】
鋼管杭φ７００−９ｔ，φ１１００−１２ｔ，φ１５００−１６ｔの３ケースの杭仕様に対し、水深１０ｍ、仕切板を水底地盤と同レベルとし、中詰材として砂を４ｍ、８ｍ投入した場合について、引き抜きにおけるバラスト投入効果に関する計算例を次の表１に示す。
【００６２】
【表１】
【００６３】
表１の計算結果では、中詰材を投入することにより、１４．６〜１３５．４ｋＮの引き抜きに対する抵抗力（押し込み力）が得られる。たとえば、引抜力が１０００ｋＮであった場合、１％〜１４％程度の分担率となる。なお、当然ではあるが、杭径および中詰材投入高さは大きいほど、また中詰材の水中単位体積重量が重いほど効果的である。
【００６４】
(2)図３における浸透流による効果の検証
【００６５】
鋼管杭の根入れ長を１０ｍ，水深を１０ｍ，鋼管杭内の水位を水底地盤より２ｍ下がり、仕切板を水底地盤と同レベル、鋼管杭の下部の空隙圧力を大気圧と等しいとして鋼管杭内外の導水勾配ｉを次の式により計算する。
【００６６】
i = h / L = (10+2) / (10+8) = 0.667
ここに、h：水頭差、L：透水長
【００６７】
図３の下向き浸透流ｊのように鋼管杭の外側に下向きに生じる浸透圧pwを次の式により計算する。
【００６８】
pw = i × γw × L = 0.667×10 × l = 6.67×L (kN/m2)
ここに、γw：水の単位体積重量（=10kN/m3）、L：浸透距離(m)
【００６９】
次に、鋼管杭外側の地盤の有効応力σ’は次の式により求めることができる。
【００７０】
σ’ = (γsat - γw)×z = ( 17 - 10 )×z = 7 ×z (kN/m2)
ここに、γsat：土の飽和単位体積重量（=17kN/m3）、z：地盤深度（m）
【００７１】
よって、浸透圧を考慮した有効応力σ’wは、次のように有効応力σ’に浸透圧pwを加えた値となる。
【００７２】
σ’w= σ’ + pw = 6.67×L + 7×z
【００７３】
ここで、浸透距離Lと地盤深度zは等しいことから浸透圧を考慮した有効応力は次式にまとめられる。
【００７４】
σ’w= 13.67×z
【００７５】
したがって、有効応力σ’と浸透圧を考慮したσ’wとの比は、
σ’w/σ’=13.67 / 7 =1.95 ≒ 2.0
となり、浸透圧により有効応力は約２倍となる。
【００７６】
鋼管杭周辺の地盤が粘性土の場合、粘性土の粘着力cuは、有効土被り圧の１次関数として次式により与えられる。
【００７７】
cu/p = 0.28〜0.30
ここに、p：圧密応力（=有効応力σ’）
【００７８】
したがって、浸透圧を加えることで粘着力cuも２倍となり、杭と地盤との間の周面摩擦力は杭の外周面積と地盤の粘着力cuの積として求めるため、周面摩擦力も２倍となる。このように、図３の水面Ｓと鋼管杭Ｐの下部１２内の水位ｈ２との水頭差ｋに応じて生じる鋼管杭Ｐ外側における下向き浸透流ｊにより、杭Ｐと地盤Ｇとの間の周面摩擦力が増加することがわかる。
【００７９】
以上のように本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、本実施形態では港湾において代表的な杭基礎構造物である桟橋について記述したが、本発明はこれに限られず、水上または陸上における他の杭基礎構造物であってもよい。
【００８０】
また、杭Ｐ内に仕切板１０を取り付ける方法は溶接があるが、これに限定されず、他の方法によって取り付けるようにしてもよいことはもちろんである。
【００８１】
また、図１の杭基礎構造において図３のように仕切板１０の下部１２の一部１２ａに負圧を与えるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の杭基礎構造、杭基礎構造の施工方法、およびこれらに用いる杭によれば、杭径の拡大または埋設長の増大に頼らずに杭の引き抜きに対する抵抗力を増大させることができるので、杭基礎構造物の地震等に対する安定性を経済的に向上させることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 仕切板（仕切部）
１１ 上部
１２ 下部
１２ａ 下部の一部
１３ 中詰材
２１，２２，２３ 開閉バルブ、バルブ
Ｐ 鋼管杭、基礎杭、杭
Ｆ 周面摩擦力
Ｇ 地盤
Ｇ１ 支持層
Ｖ１ 杭Ｐに対する引抜力
ｊ 浸透流
Ｓ 水面
Ｓ１ 水底
Ｓ２ 杭Ｐ内の地盤表面
ｈ２ 下部１２内の水位
ｋ 水面Ｓと水位ｈ２との水頭差
Ｚ 杭Ｐの先端
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空管からなる基礎杭内に仕切部を設け、前記基礎杭を前記仕切部により鉛直方向の上部と下部とに分け、
地盤内に打設された基礎杭の前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、前記基礎杭に引抜力が作用したとき前記引抜力に抵抗する吸引力を生じさせることを特徴とする杭基礎構造。
【請求項２】
前記上部内に中詰材を配置することで前記引抜力に対する抵抗力を得る請求項１に記載の杭基礎構造。
【請求項３】
前記下部において前記仕切部と前記基礎杭内の地盤面とに囲まれた空間を負圧にした請求項１または２に記載の杭基礎構造。
【請求項４】
前記基礎杭が水底に打設され、前記上部の水位を外水位と同レベルとした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の杭基礎構造。
【請求項５】
中空管からなる基礎杭内に仕切部を設け、前記基礎杭を前記仕切部により鉛直方向の上部と下部とに分け、
前記基礎杭を地盤内に打設してから、前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させてから密閉することを特徴とする杭基礎構造の施工方法。
【請求項６】
前記基礎杭の打設後、前記上部内に中詰材を投入する請求項５に記載の杭基礎構造の施工方法。
【請求項７】
前記下部において前記仕切部と前記基礎杭内の地盤面とに囲まれた空間を負圧にする請求項５または６に記載の杭基礎構造の施工方法。
【請求項８】
前記基礎杭を水底に打設し、前記上部の水位を外水位と同レベルとする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の杭基礎構造の施工方法。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の杭基礎構造または請求項５乃至８のいずれか１項に記載の杭基礎構造の施工方法に用いられる中空管からなる杭であって、杭内に仕切部を設けたことを特徴とする杭。
【請求項１】
中空管からなる基礎杭内に仕切部を設け、前記基礎杭を前記仕切部により鉛直方向の上部と下部とに分け、
地盤内に打設された基礎杭の前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させて密閉することにより、前記基礎杭に引抜力が作用したとき前記引抜力に抵抗する吸引力を生じさせることを特徴とする杭基礎構造。
【請求項２】
前記上部内に中詰材を配置することで前記引抜力に対する抵抗力を得る請求項１に記載の杭基礎構造。
【請求項３】
前記下部において前記仕切部と前記基礎杭内の地盤面とに囲まれた空間を負圧にした請求項１または２に記載の杭基礎構造。
【請求項４】
前記基礎杭が水底に打設され、前記上部の水位を外水位と同レベルとした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の杭基礎構造。
【請求項５】
中空管からなる基礎杭内に仕切部を設け、前記基礎杭を前記仕切部により鉛直方向の上部と下部とに分け、
前記基礎杭を地盤内に打設してから、前記下部の少なくとも一部を水、または、水と地盤材料とで飽和させてから密閉することを特徴とする杭基礎構造の施工方法。
【請求項６】
前記基礎杭の打設後、前記上部内に中詰材を投入する請求項５に記載の杭基礎構造の施工方法。
【請求項７】
前記下部において前記仕切部と前記基礎杭内の地盤面とに囲まれた空間を負圧にする請求項５または６に記載の杭基礎構造の施工方法。
【請求項８】
前記基礎杭を水底に打設し、前記上部の水位を外水位と同レベルとする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の杭基礎構造の施工方法。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の杭基礎構造または請求項５乃至８のいずれか１項に記載の杭基礎構造の施工方法に用いられる中空管からなる杭であって、杭内に仕切部を設けたことを特徴とする杭。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−４１７６１（Ｐ２０１２−４１７６１Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８４８６９（Ｐ２０１０−１８４８６９）
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（０００１６６６２７）五洋建設株式会社 (364)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（０００１６６６２７）五洋建設株式会社 (364)
【Ｆターム（参考）】
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