(57)【要約】ＰＨＣ杭と鋼管とを組み合わせた合成杭において、軸応力と、曲げ応力及びせん断応力との役割分担を明確化できる合成杭および該合成杭の製造方法を提供する。ＰＨＣ杭１と、ＰＨＣ杭１の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管２と、前記隙間に充填される充填材３とからなる合成杭であって、前記鋼管２は、その上端部が構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合され、その下端部が前記ＰＨＣ杭１と縁切りされている。前記充填材３は、前記鋼管２に曲げ変形が生じても当該鋼管２の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭１よりも強度及び剛性が小さい材料からなる。
2012147690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＨＣ杭と、ＰＨＣ杭の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管と、前記隙間に充填される充填材とからなる合成杭であって、
前記鋼管は、その上端部が構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合され、その下端部が前記ＰＨＣ杭と縁切りされていること、
前記充填材は、前記鋼管に曲げ変形が生じても当該鋼管の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭よりも強度及び剛性が小さい材料からなることを特徴とする、合成杭。
【請求項２】
前記隙間の上部は、前記鋼管の上端開口部に設けた平板部材で閉塞され、当該平板部材は、前記ＰＨＣ杭の上端部又は前記鋼管の上端部に接合されていることを特徴とする、請求項１に記載した合成杭。
【請求項３】
前記隙間の上部は、前記ＰＨＣ杭の上端部の端板を杭径よりも大径とした大径端板で閉塞されていることを特徴とする、請求項１に記載した合成杭。
【請求項４】
前記鋼管は、前記ＰＨＣ杭よりも短尺で、前記水平力に対し効果的に抵抗できる長さを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載した合成杭。
【請求項５】
前記充填材は、セメントミルク、モルタル、樹脂モルタル、又はアスファルトコンクリートであることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載した合成杭。
【請求項６】
前記充填材の強度は、２０〜５０Ｎ／ｍｍ2程度であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一に記載した合成杭。
【請求項７】
前記ＰＨＣ杭は支持杭であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一に記載した合成杭。
【請求項８】
前記構造物は、高層構造物又は超高層構造物であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載した合成杭。
【請求項９】
ＰＨＣ杭と、ＰＨＣ杭の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管と、前記隙間に充填される充填材とからなる合成杭の製造方法であって、
前記ＰＨＣ杭と前記鋼管とを、平坦部上に、同心の配置で鉛直方向に起立させ、前記ＰＨＣ杭の外周面と前記鋼管の内周面との間に形成した隙間に、上方から、前記鋼管に曲げ変形が生じても当該鋼管の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭よりも強度及び剛性が小さい材料からなる充填材を前記鋼管と同等高さまで充填し、当該充填材を養生させてなることを特徴とする、合成杭の製造方法。
【請求項１０】
前記合成杭は、所定の広さと深さを備えた合成杭製造用ピット内の平坦部上に、前記ＰＨＣ杭と前記鋼管とを同心の配置で鉛直方向に起立させて製造することを特徴とする、請求項９に記載した合成杭の製造方法。
【請求項１１】
前記平坦部の上面に剥離板を載置し、該剥離板の上面に前記ＰＨＣ杭と前記鋼管とを同心の配置で鉛直方向に起立させることを特徴とする、請求項９又は１０に記載した合成杭の製造方法。
【請求項１２】
前記鋼管は、その底部に平板部材が接合された有底の鋼管とし、当該有底の鋼管を、前記平坦部上に鉛直方向に起立させた後、前記ＰＨＣ杭を、前記鋼管と同心の配置で該鋼管の内部に落とし込み、前記平板部材上に鉛直方向に起立させることを特徴とする、請求項９又は１０に記載した合成杭の製造方法。
【請求項１３】
前記ＰＨＣ杭は、その一端部の端板に杭径よりも大径の平板部材を接合し、該平板部材を下向きにして前記平坦部上に鉛直方向に起立させた後、前記鋼管を、前記ＰＨＣ杭と同心の配置で該ＰＨＣ杭を取り囲むように落とし込み、前記平板部材上に鉛直方向に起立させることを特徴とする、請求項９又は１０に記載した合成杭の製造方法。
【請求項１４】
前記ＰＨＣ杭は、その一端部の端板を杭径よりも大径にした大径端板とし、該大径端板を下向きにして前記平坦部上に鉛直方向に起立させた後、前記鋼管を、前記ＰＨＣ杭と同心の配置で該ＰＨＣ杭を取り囲むように落とし込み、前記大径端板上に鉛直方向に起立させることを特徴とする、請求項９又は１０に記載した合成杭の製造方法。
【請求項１５】
前記ＰＨＣ杭の外周面、又は前記鋼管の内周面には、同心の配置に位置決めするための間隔保持部材が設けられていることを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか一に記載した合成杭の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コンクリート強度が８５Ｎ／ｍｍ2以上（好ましくは１００Ｎ／ｍｍ2以上）の高強度を発揮するコンクリート杭（以下、ＰＨＣ杭という。）と、同ＰＨＣ杭の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管と、前記隙間に充填される充填材とからなる合成杭および該合成杭の製造方法の技術分野に属し、さらに言えば、高層構造物又は超高層構造物を支持するのに好適な合成杭および該合成杭の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンクリート杭（ＰＨＣ杭含む。）は、大きな軸応力（圧縮力）を保持できるものの、水平力（曲げ応力とせん断応力）に対しては脆性的に破壊するため、構造物（特には高層構造物、超高層建物）の基礎として使用した場合の水平抵抗に十分耐えるようにするのは難しい。
一方、鋼管杭は、曲げ強度とせん断強度は大きいが、大きな軸応力を保持するためには厚肉のものを使用しなければならず、経済的な問題がある。また、杭径が大きくなると局部座屈が発生するなどの問題もある。【０００３】
そこで、これらの問題点を補う方法の一つとして、コンクリート杭と鋼管とを組み合わせてなる外殻鋼管付きコンクリート杭（以下適宜、ＳＣ杭という。）がある。
このＳＣ杭は、高強度コンクリートを鋼管の中空部に注入し、遠心成形法（遠心締固め）によって一体的に製造され、軸応力と曲げ応力とせん断応力に対し一体として抵抗する。
このＳＣ杭は、軸応力に強いコンクリート杭の長所と曲げ応力、せん断応力に強い鋼管の長所とを併せもち、大きな曲げ変形を生じても、コンクリートが鋼管の局部座屈を防止し、コンクリートは鋼管により拘束されているので大きな靭性を有する利点があり、近年その需要も増大している。【０００４】
しかし、前記ＳＣ杭は、上述したように、軸応力と曲げ応力とせん断応力に対し一体として抵抗する構成であるが故に、必然的に、ＳＣ杭を構成するコンクリート杭に、軸応力のほか曲げ応力及びせん断応力も負担させることになる。具体的には、構造物に地震等の水平力（短期荷重）が作用した場合、前記コンクリート杭は、構造物の軸応力（長期鉛直荷重）を負担している状態で、曲げ応力及びせん断応力を負担することとなり、ＳＣ杭内部のコンクリート杭が、曲げ応力やせん断応力をどの程度負担しているのか不明であった。ひいては前記コンクリート杭の破壊性状が不明であった。
よって、前記ＳＣ杭は、軸応力はコンクリート杭が負担し、曲げ応力及びせん断応力は鋼管が負担するという役割分担（機能分担）が明確でないという問題があった。
建築構造物において、高層構造物又は超高層構造物は、２次設計（保有水平耐力法、時刻歴応答解析）が必須であり、構造物の許容応力度だけでなく終局耐力、靱性の評価等が設計上の重要項目となっている。そのため、杭の部材としての性能が不明（曖昧）なものは設計が難しく、且つ確たる設計方針での設計ができないという問題があった。
要するに、前記ＳＣ杭は、軸応力はコンクリート杭が負担し、曲げ応力及びせん断応力は鋼管が負担するという役割分担（機能分担）が明確でない以上、２次設計に十分対応できるだけの杭体の性能保証がされていない状況にあった。【０００５】
ところで、上述したＳＣ杭のほかに、コンクリート杭と鋼管とを併用して杭を施工する発明は、種々開示されている（例えば、特許文献１〜５参照）。
しかしながら、前記特許文献１〜５に係る発明は、下記するように、軸応力、曲げ応力、及びせん断応力の役割分担を明確にすることを目的（課題）、構成としておらず、よって、軸応力はコンクリート杭が負担し、曲げ応力及びせん断応力は鋼管が負担するという役割分担を明確化できる構成の杭は、未だ存在しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１７０２３２号公報
【特許文献２】特開昭６１−１７６７１７号公報
【特許文献３】特開平５−２８００４６号公報
【特許文献４】特開平７−１１６３６号公報
【特許文献５】特開２０１０−２６５７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１には、鋼管杭の中心部に、支持層に到達して先端抵抗力を受ける芯杭（コンクリート杭）が前記鋼管杭との間に若干の間隙をあけて設置され、プレロードを与えられた芯杭と鋼管杭との間隙に粘弾性体が充填されており、芯杭が上載荷重を受けた際の周面摩擦抵抗力は粘弾性体及び鋼管杭を介して地面に伝達される構成が開示されている（請求項１、図１の記載等参照）。
しかし、この特許文献１に係る技術は、杭の実際的な荷重支持機能に有効で経済的な設計、施工が可能な高信頼性の杭を提供することを目的とし、芯杭と鋼管杭との間に粘弾性体を介在させた構成で実施しているので、鋼管杭は、建物や地盤からの水平力に対し積極的に抵抗できる構成ではない。
よって、この特許文献１に係る杭は、前記鋼管杭に大きな曲げ変形が生じると局部座屈を起こす虞があり、曲げ強度及びせん断応力に強い鋼管杭の特性（長所）を活かした構成で実施されておらず、軸応力はコンクリート杭が負担し、曲げ応力及びせん断応力は鋼管が負担するという役割分担ができるほどの強度（耐力）を期待することなど到底できない。【０００８】
上記特許文献２には、地表から地中に埋設した杭本体と、この杭本体の少なくとも上部の外周面を取り囲むように設けた枠体（鋼管）と、上記枠本体と枠体との間に介在させた粘性材料とを備えてなる免震杭が開示されている（請求項１、第１図の記載等参照）。
しかし、この特許文献２に係る技術は、杭本体と鋼管との間に粘性材料を介在させた構成で実施しているので、鋼管は、建物や地盤からの水平力に対し積極的に抵抗できる構成ではない。
よって、この特許文献２に係る免震杭も、上記特許文献１と同様に、前記鋼管に大きな曲げ変形が生じると局部座屈を起こす虞があり、曲げ強度及びせん断強度に強い鋼管の特性を活かした構成で実施されておらず、軸応力はコンクリート杭が負担し、曲げ応力及びせん断応力は鋼管が負担するという役割分担ができるほどの強度（耐力）を期待することなど到底できない。【０００９】
上記特許文献３に係る基礎杭は、基礎杭と鋼管とが防振材を間に挟む構成で実施しているので、鋼管は、建物や地盤からの水平力に対し積極的に抵抗する構成ではないことは明らかである。
よって、この特許文献３に係る基礎杭も、上記特許文献１、２と同様に、前記鋼管に大きな曲げ変形が生じると局部座屈を起こす虞があり、曲げ強度及びせん断強度に強い鋼管杭の特性を活かした構成で実施されておらず、軸応力はコンクリート杭が負担し、曲げ応力及びせん断応力は鋼管が負担するという役割分担ができるほどの強度（耐力）を期待することなど到底できない。【００１０】
上記特許文献４には、建造物の改造工事において、既存の建造物を取り除いた箇所に打設された既存杭に鋼管を被嵌し、該鋼管と既存杭との間隙部に高強度モルタルを充填せしめてこれらを一体化してなる既存杭を用いた杭が開示されている（請求項１の記載等参照）。
しかし、この特許文献４に係る技術は、既存杭を再利用する場合の杭の強度を増加する発明であり、前記間隙部に高強度モルタルを充填することから、鋼管は、杭の一部として機能することが求められている。よって、高強度モルタルを充填して完成した新設杭は、通常の杭の機能を期待したものにすぎない。【００１１】
上記特許文献５には、鋼管の両端部にドーナツ状の端板を固定すると共に、鋼管の内面に剥離手段を形成した後、前記鋼管内にコンクリートを注入し遠心成形して前記剥離手段の内面側に円筒状コンクリート部を形成し、該円筒状コンクリート部の両端面を前記端板の内面に定着して成形してなる鋼管被覆コンクリート杭が開示されている（請求項１、図１の記載等参照）。
しかし、この特許文献５に係る技術は、コンクリートの外面と鋼管の内面との間に剥離手段が施されているものの、該コンクリートの両端部と鋼管の両端部とは、端板を介して固定されるので、軸応力と曲げ応力とせん断応力に対し一体として抵抗する前記ＳＣ杭と、性能においてほとんど差がない。
よって、この特許文献５に係る鋼管被覆コンクリート杭は、上述したＳＣ杭の場合と同様に、軸応力はコンクリート杭が負担し、曲げ応力及びせん断応力は鋼管が負担するという役割分担（機能分担）ができない問題は、依然として解決されないままである。【００１２】
以上、要するに、コンクリート杭と鋼管とを併用して杭を施工する技術は、ＳＣ杭のほか、上記特許文献１〜５のように種々開示されているが、軸応力と、曲げ応力及びせん断応力との役割分担を明確化できる杭は、未だ存在しない。
よって、前記役割分担が明確でない以上、前記２次設計（保有水平耐力法、時刻歴応答解析）に十分対応できるだけの杭体の性能保証ができなかった。【００１３】
本発明の目的は、ＰＨＣ杭と鋼管とを組み合わせた合成杭において、軸応力と、曲げ応力及びせん断応力との役割分担を明確化できる合成杭および該合成杭の製造方法を提供することにある。
本発明の更なる目的は、前記２次設計（保有水平耐力法、時刻歴応答解析）に十分対応できるだけの杭体の性能保証ができ、低層構造物はもとより、高層構造物あるいは超高層構造物の基礎杭にも適用できる合成杭および該合成杭の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記背景技術の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る合成杭は、ＰＨＣ杭と、ＰＨＣ杭の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管と、前記隙間に充填される充填材とからなる合成杭であって、
前記鋼管は、その上端部が構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合され、その下端部が前記ＰＨＣ杭と縁切りされていること、
前記充填材は、前記鋼管に曲げ変形が生じても当該鋼管の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭よりも強度及び剛性が小さい材料からなることを特徴とする。【００１５】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した合成杭において、前記隙間の上部は、前記鋼管の上端開口部に設けた平板部材で閉塞され、当該平板部材は、前記ＰＨＣ杭の上端部又は前記鋼管の上端部に接合されていることを特徴とする。【００１６】
請求項３に記載した発明は、請求項１に記載した合成杭において、前記隙間の上部は、前記ＰＨＣ杭の上端部の端板を杭径よりも大径とした大径端板で閉塞されていることを特徴とする。【００１７】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３のいずれか一に記載した合成杭において、前記鋼管は、前記ＰＨＣ杭よりも短尺で、前記水平力に対し効果的に抵抗できる長さを有することを特徴とする。【００１８】
請求項５に記載した発明は、請求項１〜４のいずれか一に記載した合成杭において、前記充填材は、セメントミルク、モルタル、樹脂モルタル、又はアスファルトコンクリートであることを特徴とする。【００１９】
請求項６に記載した発明は、請求項１〜５のいずれか一に記載した合成杭において、前記充填材の強度は、２０〜５０Ｎ／ｍｍ2程度であることを特徴とする。【００２０】
請求項７に記載した発明は、請求項１〜６のいずれか一に記載した合成杭において、前記ＰＨＣ杭は支持杭であることを特徴とする。【００２１】
請求項８に記載した発明は、請求項１〜７のいずれか一に記載した合成杭において、前記構造物は、高層構造物又は超高層構造物であることを特徴とする。【００２２】
請求項９に記載した発明に係る合成杭の製造方法は、ＰＨＣ杭と、ＰＨＣ杭の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管と、前記隙間に充填される充填材とからなる合成杭の製造方法であって、
前記ＰＨＣ杭と前記鋼管とを、平坦部上に、同心の配置で鉛直方向に起立させ、前記ＰＨＣ杭の外周面と前記鋼管の内周面との間に形成した隙間に、上方から、前記鋼管に曲げ変形が生じても当該鋼管の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭よりも強度及び剛性が小さい材料からなる充填材を前記鋼管と同等高さまで充填し、当該充填材を養生させてなることを特徴とする。【００２３】
請求項１０に記載した発明は、請求項９に記載した合成杭の製造方法において、前記合成杭は、所定の広さと深さを備えた合成杭製造用ピット内の平坦部上に、前記ＰＨＣ杭と前記鋼管とを同心の配置で鉛直方向に起立させて製造することを特徴とする。【００２４】
請求項１１に記載した発明は、請求項９又は１０に記載した合成杭の製造方法において、前記平坦部の上面に剥離板を載置し、該剥離板の上面に前記ＰＨＣ杭と前記鋼管とを同心の配置で鉛直方向に起立させることを特徴とする。【００２５】
請求項１２に記載した発明は、請求項９又は１０に記載した合成杭の製造方法において、前記鋼管は、その底部に平板部材が接合された有底の鋼管とし、当該有底の鋼管を、前記平坦部上に鉛直方向に起立させた後、前記ＰＨＣ杭を、前記鋼管と同心の配置で該鋼管の内部に落とし込み、前記平板部材上に鉛直方向に起立させることを特徴とする。【００２６】
請求項１３に記載した発明は、請求項９又は１０に記載した合成杭の製造方法において、前記ＰＨＣ杭は、その一端部の端板に杭径よりも大径の平板部材を接合し、該平板部材を下向きにして前記平坦部上に鉛直方向に起立させた後、前記鋼管を、前記ＰＨＣ杭と同心の配置で該ＰＨＣ杭を取り囲むように落とし込み、前記平板部材上に鉛直方向に起立させることを特徴とする。【００２７】
請求項１４に記載した発明は、請求項９又は１０に記載した合成杭の製造方法において、前記ＰＨＣ杭は、その一端部の端板を杭径よりも大径にした大径端板とし、該大径端板を下向きにして前記平坦部上に鉛直方向に起立させた後、前記鋼管を、前記ＰＨＣ杭と同心の配置で該ＰＨＣ杭を取り囲むように落とし込み、前記大径端板上に鉛直方向に起立させることを特徴とする。【００２８】
請求項１５に記載した発明は、請求項９〜１４のいずれか一に記載した合成杭の製造方法において、前記ＰＨＣ杭の外周面、又は前記鋼管の内周面には、同心の配置に位置決めするための間隔保持部材が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る合成杭によれば、以下の効果を奏する。
１）鋼管２は、その上端部が構造物の基礎と地震等の水平力（短期荷重）を伝達可能に接合され、その下端部がＰＨＣ杭１と縁切りされた構成なので、鋼管２は、該鋼管２自体に生じる摩擦抵抗程度の軸力負担で済み、構造物の軸応力（長期鉛直荷重）の負担は小さい。よって、鋼管２は、前記水平力に起因する曲げ応力とせん断応力を専ら負担する構成にできる。
加えて、ＰＨＣ杭１と鋼管２とが形成する間隙に充填する充填材３の特性、すなわち前記鋼管２に曲げ変形が生じても当該鋼管２の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭１よりも強度及び剛性が小さい材料からなる特性により、前記鋼管２は、局部座屈を生じることなく前記曲げ応力とせん断応力に対して積極的に抵抗できる。
要するに、本発明に係る合成杭１０（２０、３０、４０）を構成する鋼管２は、曲げ応力とせん断応力が主体的に作用し、しかも局部座屈が防止されるので、その曲げ性能は十分な靱性性能を有することができる。
２）一方、構造物の軸応力（長期鉛直荷重）を負担するＰＨＣ杭１については、構造物に前記水平力が発生した場合、前記鋼管２が前記曲げ応力とせん断力に抵抗することに加え、前記充填材３が当該曲げ応力とせん断力のエネルギーを効果的に吸収するので、該鋼管２及び充填材３の内方に位置するＰＨＣ杭１への曲げ応力とせん断力の伝達は小さい。また、前記充填材３は、ＰＨＣ杭１より剛性（鉛直剛性）が小さいので、構造物の鉛直荷重の大部分をＰＨＣ杭１のみで負担させる構成を実現できる。ＰＨＣ杭１は高強度であるから構造物の鉛直荷重を十分に負担できる。
３）よって、本発明に係る合成杭１０（２０、３０、４０）は、軸応力に非常に強いＰＨＣ杭１と、曲げ応力、せん断応力に強い鋼管２のそれぞれの長所を活用した合理的な構造となり、もって、ＰＨＣ杭１は軸応力を専ら負担し、鋼管２は曲げ応力、せん断応力を専ら負担するので、役割分担が明確な合成杭１０（２０、３０、４０）を実現できる。
また、前記鋼管２は鉛直荷重に耐える必要がなく、かつ局部座屈を防ぐことができるので、比較的薄い鋼管（市販品）でもその性能を十分に発揮することができ、経済的である。
４）したがって、軸応力と、曲げ応力及びせん断応力との役割分担を明確化できるので、２次設計（保有水平耐力法、時刻歴応答解析）に十分対応できるだけの杭体の性能保証ができるほか、構造物の許容応力度、終局耐力、靱性の評価等の設計上の重要項目も構造設計することができ、低層構造物はもとより、高層構造物又は超高層構造物を好適に支持できる合成杭を実現できる。【００３０】
本発明に係る合成杭の製造方法によれば、以下の効果を奏する。
５）前記ＰＨＣ杭１と前記鋼管２とを鉛直方向に起立させた状態で、該ＰＨＣ杭１と鋼管２とが形成する間隙に、上方から前記充填材３を充填できるので、簡易、確実、かつ均等に充填することができる。よって、施工性に優れ、高品質の合成杭１０（２０、３０、４０）を製造できる。
６）また、前記合成杭１０（２０、３０、４０）を、所定の広さと深さを備えた合成杭製造用ピット内で製造すると、該ピットの深さ分だけ高所作業を低減化でき、充填材３の充填作業、重機の吊り上げ作業等の作業効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】Ａは、実施例１に係る合成杭を示した立面図であり、Ｂは、ＡのＢ−Ｂ線矢視断面図であり、Ｃは、Ａの合成杭の平面図である。
【図２】Ａ〜Ｃは、実施例１に係る合成杭の製造方法を段階的に示した作業工程図である。
【図３】Ａは、実施例２に係る合成杭を示した立面図であり、Ｂは、ＡのＢ−Ｂ線矢視断面図であり、Ｃは、Ａの合成杭の平面図である。
【図４】Ａ〜Ｃは、実施例２に係る合成杭の製造方法を段階的に示した作業工程図である。
【図５】Ａは、実施例３に係る合成杭を示した立面図であり、Ｂは、ＡのＢ−Ｂ線矢視断面図であり、Ｃは、Ａの合成杭の平面図である。
【図６】Ａ〜Ｃは、実施例３に係る合成杭の製造方法を段階的に示した作業工程図である。
【図７】Ａは、実施例４に係る合成杭を示した立面図であり、Ｂは、ＡのＢ−Ｂ線矢視断面図であり、Ｃは、Ａの合成杭の平面図である。
【図８】Ａ〜Ｃは、実施例４に係る合成杭の製造方法を段階的に示した作業工程図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
次に、本発明に係る合成杭および合成杭の製造方法の実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００３３】
図１Ａ〜Ｃは、本発明に係る合成杭の実施例を示している。
この合成杭１０は、ＰＨＣ杭１と、ＰＨＣ杭１の外周に隙間を確保して同心の配置に設けられる鋼管２と、前記隙間に充填される充填材３とからなり、地盤６中に建て込まれ、その上に構造物の基礎（図示省略）が構築される。
前記鋼管２は、その上端部が構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合され、その下端部が前記ＰＨＣ杭１と縁切りされている。鋼管２の上端部を構造物の基礎に接合する手段は種々あるが、例えば、前記鋼管２の上端部の外周面に上方へ突き出す鉄筋（ひげ鉄筋）を溶接接合し、基礎コンクリートを打設して、鋼管２の上端部と構造物の基礎とを水平力を伝達可能に接合する。
前記充填材３は、前記鋼管２に曲げ変形が生じても当該鋼管２の局部座屈を防止できる強度及び剛性を有し、かつ前記ＰＨＣ杭１よりも強度及び剛性が小さい材料からなる。【００３４】
ちなみに図１は、合成杭１０を、地盤６からの深さが深い（例えば３０ｍ程度の）支持層Ｓに支持杭として適用する場合の実施例を示している。この場合、前記合成杭１０の下方には、通常のＰＨＣ杭１が継ぎ足されている。また、前記合成杭１０を構成するＰＨＣ杭１と鋼管２の上端部は同等高さに揃えられ、地盤６の上面から突き出した構成で実施しているがこれに限定されない。その上部に構築される構造物の基礎の施工法に応じ、例えば地盤レベルの高さに揃えて実施することもできる。前記構造物は、低層構造物でも、高層構造物あるいは超高層構造物でもよい。前記合成杭１０は、支持層Ｓに到達しない構成でも実施できる。以下の実施例２〜４についても同様の技術的思想とする。【００３５】
前記合成杭１０を構成するＰＨＣ杭１は、その軸方向両端部にリング状の端板１ａを備えており、大きな鉛直荷重を支持できる１００Ｎ／ｍｍ2以上の強度（Ｆｃ）を有するものが好適に用いられる。前記ＰＨＣ杭１は、外径（Ｄ）が６００〜１４００ｍｍ程度、長さ（Ｌ）が１０〜２０ｍ程度の大きさが好適とされる。
なお、前記ＰＨＣ杭１の大きさは勿論これに限定されず、支持する構造物の形態、或いは地盤６の性状等に応じて適宜設計変更可能である。【００３６】
前記合成杭１０を構成する鋼管２は、外径（Ｄ）が６２０〜１６００ｍｍ程度、厚さ（ｔ）が９〜２５ｍｍ程度、長さ（Ｌ）が５〜１５ｍ程度の大きさの市販品が好適に用いられる。
具体的には、外径が６００ｍｍ程度のＰＨＣ杭１を用いるときは、外径が６２０〜８００ｍｍ程度の鋼管２を、外径が１４００ｍｍ程度のＰＨＣ杭１を用いるときは、外径が１４２０〜１６００ｍｍ程度の鋼管２を、とＰＨＣ杭１の外周面から充填材３を充填する隙間（径）を１０〜１００ｍｍ程度確保した同心配置に鋼管２を配設する。
なお、前記鋼管２の長さは、合成杭１０が支持する構造物の形態、或いは構造物に作用する水平力（曲げ応力及びせん断応力）に対し、効果的に抵抗できる長さとされる。目安として、ＰＨＣ杭１の杭径の５倍程度が好ましいとされるが、地盤６の性状に応じて適宜設計変更される。
ただし、前記鋼管２の長さは、前記ＰＨＣ杭１よりも短尺で実施することが好ましい。その理由は、経済的であることは勿論のこと、支持層Ｓまでの深さが深くて通常のＰＨＣ杭１と工場等で製造した合成杭１０とを継ぎ足す必要がある場合、鋼管２が邪魔にならないスムーズな継ぎ足し作業を行い得るからである。
また、充填材３を充填する隙間は、前記１０〜１００ｍｍ程度に限定されるものではなく、当該合成杭１０に作用する水平力（曲げ応力及びせん断応力）の大きさに応じて適宜設計変更される。【００３７】
前記合成杭１０を構成する充填材３は、前記ＰＨＣ杭１の外周面と前記鋼管２の内周面とが形成する隙間に、当該鋼管２のほぼ全長にわたって密実に充填されている。
前記充填材３は、前記ＰＨＣ杭１よりも強度及び剛性が低い材料（目安として２０〜５０Ｎ／ｍｍ2程度の強度）からなる。もちろん、一定の靱性をもち、鋼管２の局部座屈を防止できる程度の強度及び剛性を有する必要もある。
本実施例に係る充填材３は、セメントミルク、モルタル、樹脂モルタル、アスファルトコンクリート、又は相対密度が８０％以上の密詰めの砂が好適に用いられる。前記充填材３として塑性性能を有する樹脂モルタルを用いれば、エネルギー吸収材としての機能をさらに期待できる。また、前記密詰めの砂であれば圧縮特性は高く、かつ鋼管２とＰＨＣ杭１の間で発生するせん断応力に対してダイレタンシー効果によって体積圧縮を防ぐこともできる。
その他、これらの充填材３は、充填する隙間の大きさ等に応じて適宜使い分けられる。例えば、１０ｍｍ程度の狭い隙間のときはセメントミルクなどの流動性のよい材料が好適に用いられ、５０ｍｍ程度の広い隙間のときはモルタルが好適に用いられる。
このような材料からなる前記充填材３は、ＰＨＣ杭１の強度及び剛性よりも小さな材質を有することで鋼管２の曲げ応力（曲げモーメント）、及びせん断応力を効果的に吸収し、隣接するＰＨＣ杭１へ伝達し難くする構成を実現できる。また、前記充填材３は、ＰＨＣ杭１よりも剛性（鉛直剛性）が小さいので、構造物の鉛直荷重の大部分をＰＨＣ杭１のみで負担させる構成を実現できる。【００３８】
本発明に係る合成杭１０は、現場で構築することもできるし、予め工場等で製造しておき現場へ搬入することもできる。ただし、合成杭１０は通常、数十本程度用いられるので、現場作業の省力化、天候に作用されない点を考慮すると予め工場等で製造することが好ましい。
前記合成杭１０を現場で構築する場合は、一例として、掘削機を用いた中掘り工法により鋼管２の建て込みを行い、鋼管２を所定の深さに位置決めした後、その中空部にＰＨＣ杭１を該鋼管２と同心の配置で設置し、その先端が支持層Ｓへ到達するまで適宜継ぎ足して建て込む。次に、鋼管２の内周面とＰＨＣ杭１の外周面と鋼管２の下端部に位置する地盤とが形成する隙間（溝部）へ、上方から充填材３を密実に充填する。しかる後、鋼管２の上端部を構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合する。【００３９】
前記合成杭１０を工場等で製造する場合は、図２Ａ〜Ｃに段階的に示したように、地盤やコンクリート等の平坦部７の上面に、鋼管２よりも大径の剥離板５を載置し、剥離板５の上面に、重機等で鋼管２を鉛直方向に起立させる（図２Ａ）。続いて、１本のＰＨＣ杭１を、該鋼管２と同心の配置で、該鋼管２の内部に重機等で落とし込み前記剥離板５上に鉛直方向に起立させる（図２Ｂ）。続いて、前記鋼管２の内周面と前記ＰＨＣ杭１の外周面との間に形成した隙間に、上方から、前記充填材３を前記鋼管２と同等高さまで充填し、当該充填材３を養生させて合成杭１０を製造する（図３Ｃ）。養生後、前記合成杭１０は、重機等で吊り上げると剥離板５から容易に引き剥がすことができる。なお、製造手順はこれに限定されず、前記ＰＨＣ杭１を起立させた後に、鋼管２を起立させてもよい。【００４０】
かくして、工場等で製造した前記合成杭１０は現場へ搬入され、掘削機を用いた中掘り工法により建て込まれる。地盤６から支持層Ｓまでの深さが２０〜４０ｍ程度と深い場合には、貫入されたＰＨＣ杭１の最上段に継ぎ足して設置する。しかる後、前記合成杭１０を構成する鋼管２の上端部を、構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合するのである。【００４１】
従来、杭の製造は、横向きに置いた状態で製造することが多く、充填材を鋼管とＰＨＣ杭の間に均等に充填することは難しかった。このため、杭を傾斜させて充填性を高める工夫が施されてはいたが、杭の位置決め作業等に難渋し、製造効率を上げることができなかった。特に、充填材にセメントミルクやモルタル等のセメント系の材料を使う場合には均等な充填が難しく、流動性の確保が必要になったり、ブリージングによる空隙の発生も懸念された。
この点、上記構成の合成杭１０の製造方法によれば、前記鋼管２とＰＨＣ杭１とを鉛直方向に起立させた状態で、該鋼管２とＰＨＣ杭１とが形成する隙間に、上方から充填材３を充填できるので、簡易、確実、かつ均等に充填することができる。よって、施工性に優れ、高品質の合成杭１０を製造できる。【００４２】
具体的に、充填材３を前記隙間に充填する手法について、例えば、前記隙間の上方から充填材３を単に落下させて充填することもできるし、前記隙間の下端部まで注入管を挿入して、より確実な充填を図ることもできる。また、前記隙間の内部にセンサーを設け、自動的な注入管理をすることも勿論できる。注入管の管径は、前記隙間の大きさに応じて使い分けることが作業上好ましい。以下に説明する実施例２〜４についても同様の技術的思想とする。
前記ＰＨＣ杭１と鋼管２とを同心の配置に位置決めする手法について、ＰＨＣ杭１の外周面、又は前記鋼管２の内周面に、セパレータ、スペーサー等の間隔保持部材（図示省略）を設けるとスムーズな位置決め作業を行うことができる。例えば、図２Ａ〜Ｃに示すように、鋼管２を先に起立させる場合は、前記間隔保持部材を、鋼管２の上端部の外周面、又はＰＨＣ杭１の下端部の外周面に設けて行う。ＰＨＣ杭１を先に起立させる場合は、前記間隔保持部材を、ＰＨＣ杭１の上端部の外周面、又は鋼管２の下端部の外周面に設けて行う。以下に説明する実施例２〜４についても同様の技術的思想とする。
また、前記合成杭１０を、所定の広さと深さを備えた合成杭製造用ピット内で製造すると、該ピットの深さ分だけ高所作業を低減化でき、充填材３の充填作業、重機の吊り上げ作業等の作業効率を高めることができる。この合成杭製造用ピットの広さは、製造する合成杭１０の本数に応じて適宜設計変更され、深さは鋼管２の高さ程度が充填作業上好ましい。以下に説明する実施例２〜４についても同様の技術的思想とする。
【実施例２】
【００４３】
図３Ａ〜Ｃは、本発明に係る合成杭の異なる実施例を示している。
この実施例２に係る合成杭２０は、上記実施例１と比し、前記鋼管２の上端開口部に、該上端開口部を塞ぐ平板部材２ａが、溶接（全周隅肉溶接）等の接合手段で一体的に接合されている点が相違する。ＰＨＣ杭１、鋼管２、充填材３等の形態は、上記実施例１と同様なので同一の符号を付してその説明を適宜省略する。
要するに、この実施例２は、予め工場等で製造された合成杭２０を利用したもので、前記平板部材２ａは、前記充填材３の充填作業の効率、合成杭２０の品質を高めるために設けられた。【００４４】
この実施例２に係る合成杭２０の製造方法は、図４Ａ〜Ｃに段階的に示したように、前記鋼管２を、その底部に前記平板部材２ａが接合され一体化された有底の鋼管２とし、当該有底の鋼管２を、重機等で平坦部７の上面に鉛直方向に起立させる（図４Ａ）。続いて、１本のＰＨＣ杭１を、前記鋼管２と同心の配置で該鋼管２の内部に重機等で落とし込み、前記平板部材２ａ上に鉛直方向に起立させる（図４Ｂ）。続いて、前記鋼管２の内周面と前記ＰＨＣ杭１の外周面と前記平板部材２ａの上面との間に形成した隙間（溝部）に、上方から、前記充填材３を前記鋼管２と同等高さまで充填し、当該充填材３を養生して合成杭２０を製造する（図３Ｃ）。
かくして、工場等で製造した前記合成杭２０は現場へ搬入され、掘削機を用いた中掘り工法により建て込まれる。地盤６から支持層Ｓまでの深さが２０〜４０ｍ程度と深い場合には、貫入されたＰＨＣ杭１の最上段に継ぎ足して設置する。しかる後、前記合成杭２０を構成する鋼管２の上端部を、構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合する。【００４５】
上記構成の合成杭２０の製造方法によれば、前記鋼管２とＰＨＣ杭１とを鉛直方向に起立させた状態で、該鋼管２とＰＨＣ杭１とが形成する隙間に、上方から充填材３を充填できるので、上記実施例１と同様に、簡易、確実、かつ均等に充填することができる。よって、施工性に優れ、高品質の合成杭２０を製造できる。
また、この実施例２に係る合成杭２０によれば、上記実施例１と比し、鋼管２の上端開口部に平板部材２ａが設けられているものの、その他の構成は上記実施例１とまったく同様である（図１Ａ〜Ｃと図３Ａ〜Ｃとを対比して参照）。よって、この実施例２に係る合成杭１０は、上記実施例１に係る合成杭１０と同様の作用効果を奏する。
【実施例３】
【００４６】
図５Ａ〜Ｃは、本発明に係る合成杭の異なる実施例を示している。
この実施例３に係る合成杭３０は、上記実施例１と比し、前記鋼管３の上端開口部に、該開口部を塞ぐ平板部材４が載置され、該平板部材４が、前記ＰＨＣ杭の上端部と溶接等の接合手段で一体的に接合されている点が相違する。ＰＨＣ杭１、鋼管２、充填材３等の形態は、上記実施例１と同様なので同一の符号を付してその説明を適宜省略する。
要するに、この実施例３は、予め工場等で製造された合成杭３０を利用したもので、前記平板部材４は、前記充填材３の充填作業の効率、合成杭３０の品質を高めるために設けられた。【００４７】
この実施例３に係る合成杭３０の製造方法は、図６Ａ〜Ｃに段階的に示したように、一端部の端板１ａに杭径よりも大径の平板部材４を一体的に接合したＰＨＣ杭１を、該平板部材４を下向きにして、重機等で平坦部７の上面に鉛直方向に起立させる（図６Ａ）。続いて、前記鋼管２を、前記ＰＨＣ杭１と同心の配置で該ＰＨＣ杭１を取り囲むように重機等で落とし込み、前記平板部材４上に鉛直方向に起立させる（図６Ｂ）。この段階で、前記鋼管２の下端部と前記平板部材４とを接合してもよい。続いて、前記ＰＨＣ杭１の外周面と前記鋼管２の内周面と前記平板部材４の上面との間に形成した隙間（溝部）に、上方から、前記充填材３を前記鋼管２と同等高さまで充填し、当該充填材３を養生して合成杭３０を製造する（図６Ｃ）。
かくして、工場等で製造した前記合成杭３０は現場へ搬入され、掘削機を用いた中掘り工法により建て込まれる。地盤６から支持層Ｓまでの深さが２０〜４０ｍ程度と深い場合には、貫入されたＰＨＣ杭１の最上段に継ぎ足して設置する。しかる後、前記合成杭３０を構成する鋼管２の上端部を、構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合する。
なお、前記ＰＨＣ杭１に一体的に接合した前記平板部材４は、平面方向からみて、前記鋼管２の外周面形状と一致する大きさの円板状とされているが、大きさ及び形状はこれに限定されない。鋼管２を覆うことができれば、鋼管２の外径よりも大きくてもよいし、矩形状でも同様に実施できる。【００４８】
上記構成の合成杭３０の製造方法によれば、前記ＰＨＣ杭１と鋼管２とを鉛直方向に起立させた状態で、該ＰＨＣ杭１と鋼管２とが形成する隙間に、上方から充填材３を充填できるので、上記実施例１と同様に、簡易、確実、かつ均等に充填することができる。よって、施工性に優れ、高品質の合成杭３０を製造できる。
また、この実施例３に係る合成杭３０によれば、上記実施例１と比し、鋼管２の上端開口部に平板部材４が設けられているものの、その他の構成は上記実施例１とまったく同様である（図１Ａ〜Ｃと図５Ａ〜Ｃとを対比して参照）。よって、この実施例３に係る合成杭３０は、上記実施例１に係る合成杭１０と同様の作用効果を奏する。
【実施例４】
【００４９】
図７Ａ〜Ｃは、本発明に係る合成杭の異なる実施例を示している。
この実施例４に係る合成杭４０は、上記実施例１と比し、前記ＰＨＣ杭１の一端部の端板１ａを杭径よりも大径の大径端板１ａ’としている点が相違する。ＰＨＣ杭１、鋼管２、充填材３等の形態は、上記実施例１と同様なので同一の符号を付してその説明を適宜省略する。
要するに、この実施例４は、予め工場等で製造された合成杭４０を利用したもので、前記大径端板１ａ’は、前記充填材３の充填作業の効率、合成杭４０の品質を高めるために設けられた。【００５０】
この実施例４に係る合成杭４０の製造方法は、図８Ａ〜Ｃに段階的に示したように、一端部の端板１ａを杭径よりも大径の大径端板１ａ’としたＰＨＣ杭１を、該大径端板１ａ’を下向きにして、重機等で平坦部７の上面に鉛直方向に起立させる（図８Ａ）。続いて、前記鋼管２を、前記ＰＨＣ杭１と同心の配置で該ＰＨＣ杭１を取り囲むように重機等で落とし込み、前記大径端板１ａ’上に鉛直方向に起立させる（図８Ｂ）。この段階で、前記鋼管２の下端部と前記大径端板１ａ’とを接合してもよい。続いて、前記ＰＨＣ杭１の外周面と前記鋼管２の内周面と前記大径端板１ａ’の上面との間に形成した隙間（溝部）に、上方から、前記充填材３を前記鋼管２と同等高さまで充填し、当該充填材３を養生して合成杭４０を製造する（図８Ｃ）。
かくして、工場等で製造した前記合成杭４０は現場へ搬入され、掘削機を用いた中掘り工法により建て込まれる。地盤６から支持層Ｓまでの深さが２０〜４０ｍ程度と深い場合には、貫入されたＰＨＣ杭１の最上段に継ぎ足して設置する。しかる後、前記合成杭４０を構成する鋼管２の上端部を、構造物の基礎と水平力を伝達可能に接合する。【００５１】
上記構成の合成杭４０の製造方法によれば、前記ＰＨＣ杭１と鋼管２とを鉛直方向に起立させた状態で、該ＰＨＣ杭１と鋼管２とが形成する隙間に、上方から充填材３を充填できるので、上記実施例１と同様に、簡易、確実、かつ均等に充填することができる。よって、施工性に優れ、高品質の合成杭４０を製造できる。
また、この実施例４に係る合成杭４０によれば、上記実施例１と比し、ＰＨＣ杭１の上端部の端板１ａを大径端板１ａ’に形成しているものの、その他の構成は上記実施例１とまったく同様である（図１Ａ〜Ｃと図７Ａ〜Ｃとを対比して参照）。よって、この実施例４に係る合成杭４０は、上記実施例１に係る合成杭１０と同様の作用効果を奏する。【００５２】
以上、実施例を図面に基づいて説明したが、本発明は、図示例の限りではなく、その技術的思想を逸脱しない範囲において、当業者が通常に行う設計変更、応用のバリエーションの範囲を含むことを念のために言及する。
【符号の説明】
【００５３】
１    ＰＨＣ杭
１ａ  端板
２    鋼管
２ａ  平板部材
３    充填材
４    平板部材
５    剥離板
６    地盤
７    平坦部
１０、２０、３０、４０    合成杭
Ｓ    支持層
【図１】
2012147690.tif 000003
【図２】
2012147690.tif 000004
【図３】
2012147690.tif 000005
【図４】
2012147690.tif 000006
【図５】
2012147690.tif 000007
【図６】
2012147690.tif 000008
【図７】
2012147690.tif 000009
【図８】
2012147690.tif 000010
【国際調査報告】
2012147690.tif 000011
2012147690.tif 000012
2012147690.tif 000013
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