(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物を支持するため地盤中に構築される杭の構造であって、
前記杭が、上下方向に連続配置させた複数の杭部材から構成され、前記各杭部材どうしの接続部には、その上下二本の前記杭部材がこの接続部で折れ曲がる変位又はずれる変位を許容する変位許容部が設けられ、
前記変位許容部が、前記接続部の上側に位置する前記杭部材の下端部に凹部が形成され、前記接続部の下側に位置する前記杭部材の上端部に前記凹部に対応する凸部が形成されて、前記凹部に前記凸部が挿入された構成となっていることを特徴とする杭構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばビル等の各種構造物を例えば軟弱地盤などに構築する場合、その基礎として用いて好適な杭構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば軟弱地盤等に構築するビル等の各種構造物の基礎の一種として、杭を用いたものがある。
【０００３】
従来より、このような杭には既製杭と場所打ち杭とがあるが、いずれの場合においても、杭頭部をフーチング等で構造物の下部に剛結合させ、杭の先端部（下端部）を地中の硬質支持層にまで到達させている。したがって、杭の拘束状態は、杭頭部においては固定に近く、先端部においては半固定、十分に硬質支持層に根入れしていれば固定に近い状態となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の杭構造には、以下のような問題が存在する。
地震等の発生により、構造物およびその基礎である杭に水平方向の外力が作用した場合、杭には当然のことながら断面方向のせん断力が作用する。特に、杭の先端部は硬質支持層に根入れしてその拘束状態が半固定又は固定に近くなっているため、その上方で硬質支持層から軟弱層に変わり地盤の剛性が急変する部分では、杭に大きな断面方向のせん断力が集中して作用する。また、杭の頭部における拘束状態が固定に近いほど、外力により杭に作用する曲げモーメントは大きくなる（図１０のグラフ参照）。このように杭に作用するせん断力や曲げモーメントに耐えうるためには杭の強度を高めなければならず、これによって杭の断面が大きくなりコストが上昇し、杭が不経済なものとなる。
さらに、設計の段階では杭の先端部の拘束状態が例えば固定に近いものとして設計しても、施工後の実際の拘束状態が例えば半固定状態であったりすると、地震等の発生時に設計時に想定していたのとは異なる応力が杭に作用するという問題もある。
【０００５】
本発明は、以上のような点を考慮してなされたもので、杭の経済性を高めるとともに、周囲の地質に適合した拘束状態を実現することのできる杭構造を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、構造物を支持するため地盤中に構築される杭の構造であって、前記杭が、上下方向に連続配置させた複数の杭部材から構成され、前記各杭部材どうしの接続部には、その上下二本の前記杭部材がこの接続部で折れ曲がる変位又はずれる変位を許容する変位許容部が設けられ、前記変位許容部が、前記接続部の上側に位置する前記杭部材の下端部に凹部が形成され、前記接続部の下側に位置する前記杭部材の上端部に前記凹部に対応する凸部が形成されて、前記凹部に前記凸部が挿入された構成となっていることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る杭構造の第一および第二の実施の形態について、図１ないし図１０を参照して説明する。
【００１０】
［第一の実施の形態］
まず、ここでは、本発明に係る杭構造において、変位許容部として杭部材どうしの接合部に凹部と凸部を設け、杭がこの部分で折れ曲がって変位する構成とする場合の例を用いて説明する。
【００１１】
図１ないし図５において、符号Ｇは地盤、Ｇ１は地盤Ｇの軟弱層、Ｇ２は軟弱層Ｇ１の下方に位置する硬質支持層、１は軟弱層Ｇ１上に構築された構造物、２は構造物１を支持する杭基礎、をそれぞれ示している。
【００１２】
図１に示すように、杭基礎２は複数本の杭３から構成されており、各杭３は、杭頭部３ａが構造物１の下面に一体化され、先端部３ｂが硬質支持層Ｇ２に根入れされている。
各杭３は、上下方向に連続配置された複数（例えば３本）の杭部材５，５，５から構成されている。これら杭部材５，５，５どうしの接続部は、杭３の杭頭部３ａの近傍と、先端部３ｂの近傍とに位置するよう設けられており、各接続部には変位許容部７が設けられている。
【００１３】
図２に示すように、互いに上下に位置する二本の杭部材５，５どうしの接続部に設けられた変位許容部７は、上側に位置する杭部材５の下端部に形成された凹部８と、下側に位置する杭部材５の上端部に形成された凸部９とから構成されている。凹部８は、一定の曲率半径で形成された湾曲面形状をなしており、その表面には補強鋼板１０が配設されている。一方、凸部９は、凹部８に対応した形状に形成されており、その表面には補強鋼板１１が配設されている。
これにより、変位許容部７においては、凹部８と凸部９とによっていわばヒンジが構成され、上側に位置する杭部材５と下側に位置する杭部材５とがこの部分で折れ曲がって変位するのを許容する構成となっている。
【００１４】
さらに、各杭部材５には、その中心軸線に沿って延在する穴１２が形成されている。そして、杭３を構成するため上下方向に連続配置された杭部材５，５，５には、それぞれに形成された穴１２にワイヤー１３が連続して挿通されている。このワイヤー１３は、その下端部が、杭３の先端部３ｂ側に位置する杭部材５の内部に固定されている。
【００１５】
このような変位許容部７，７を備えた各杭３においては、地震等により水平外力が作用した場合に特に大きなせん断力が作用する杭頭部３ａと先端部３ｂとにそれぞれ変位許容部７がされており、前記水平外力が大きく作用した場合には、図２（ｂ）に示したように、変位許容部７においてその上下の杭部材５，５が折れ曲がって変位するようになっている。
【００１６】
次に、上記杭３の施工方法について説明する。
図３に示すように、杭３を構築するには、まず、従来通常の杭と同様に、セメントミルクあるいはベントナイト液注入等、孔壁の崩壊を防ぐための種々周知の工法を用いて地盤Ｇに所定深さの杭孔２０を掘削する。この杭孔２０内には、アースオーガ等による杭孔２０の掘削時に少なくともその底部に根固め液を注入しておく。
【００１７】
一方、この杭孔２０内に挿入すべき杭３は、これを構成する杭部材５，５，５を予めプレキャストコンクリートで製造しておく。そして、現場においてはこれら杭部材５，５，５の穴１２，１２，１２内にワイヤー１３を通し、このワイヤー１３を緊張させることによって、杭部材５，５，５の接続部が動かないように拘束しておく。
【００１８】
続いて、杭孔２０内に杭３を挿入するが、これに際しては挿入時に杭３を構成する杭部材５，５，５が分解・落下しないように、ワイヤーネット２１等を用いる。このワイヤーネット２１は、上下方向に延在する縦ワイヤー２１ａと、周方向に延在するフープワイヤー２１ｂとから形成されている。そして、縦ワイヤー２１ａは、杭３の周方向等間隔毎に例えば３本配置され、その下端部において一体に接続されている。また、フープワイヤー２１ｂは、各杭部材５の上端部と下端部とに位置するよう配置されて、それぞれ縦ワイヤー２１ａと交差する部分でこれに接合されている。
杭孔２０の周囲には環状の反力フレーム２２が設置され、この反力フレーム２２上に備えられた３台（図３には２台のみを図示）のウインチ２３によって、ワイヤーネット２１の各縦ワイヤー２１ａが、巻取り・繰出されるようになっている。
【００１９】
このようなワイヤーネット２１の縦ワイヤー２１ａとフープワイヤー２１ｂとで杭３を構成する杭部材５，５，５を包み込むようにして吊下し、各ウインチ２３で３本の縦ワイヤー２１ａを繰り出しつつ、杭３を杭孔２０内に圧入していく。このとき、３台のウインチ２３の動作を各々制御することによって、杭３の鉛直度を確保するようにする。
【００２０】
このようにして杭３を杭孔２０内の所定深さまで挿入した後、ワイヤーネット２１の縦ワイヤー２１ａからウインチ２３を取り外し、反力フレーム２２を撤去する。さらに、杭孔２０内の杭３の周囲空間にセメントミルクあるいは土砂等を注入し、杭３を固定する。
【００２１】
上記のようにして、図１に示したように、杭基礎２を構成する全ての杭３を構築した後、フーチング（図示なし）を形成して杭３の杭頭部３ａを固定した後、ワイヤー１３（図２参照）を緩め、杭部材５，５，５の接続部における変位を自在な状態とすることにより、構造物１の杭基礎２の構築が完了する。
【００２２】
上述した杭構造では、杭３が、上下方向に連続配置させた複数の杭部材５，５，５から構成され、各杭部材５，５どうしの接続部が、杭頭部３ａおよび先端部３ｂの近傍に位置するよう設けられて、この接続部には上下の杭部材５，５がこの部分で折れ曲がって変位するのを許容する変位許容部７が設けられた構成となっている。
このようにして、変位許容部７を、地震等による水平外力が杭３に作用した場合にその断面方向のせん断力や曲げモーメントが大きく作用する杭頭部３ａおよび先端部３ｂの近傍に配設することによって、水平外力が過大に作用しても、変位許容部７で杭部材５，５が折れ曲がって変位し、これにより杭３に作用するせん断力や曲げモーメントを小さくすることができる（図１０のグラフ参照）。このように予め杭３が変位を許容できる構造としておくことによって、従来のようにせん断力や曲げモーメントに耐え得るために杭強度の向上を図ることなく、地震による杭３の破損等の被害を被るのを防止することができ、杭３を経済的なものとすることができる。
しかも、このように杭３が変位許容部７で折れ曲がっても、鉛直荷重に対してはその支持機能を十分に発揮することができ、杭３の本来の機能を維持できるようになっている。
【００２３】
また、変位許容部７が、杭部材５，５どうしの接続部の上側に位置する杭部材５の下端部に凹部８が形成され、下側に位置する杭部材５の上端部に凸部９が形成されて、凹部８に凸部９が挿入された構成となっている。これにより、杭部材５，５どうしの接続部においては、これら凹部８と凸部９とによってヒンジのごとき機能を発揮することができ、上下二本の杭部材５，５がこの接続部で折れ曲がって変位するのを許容することができる。しかも上側に凹部８を配し下側に凸部９を配した構成としたので、この変位許容部７に周囲地盤から土砂が混入するのを防ぐことができ、その機能が損なわれるのを防止することができる。
【００２４】
なお、上記第一の実施の形態において、杭部材５，５どうしの接続部に設けた変位許容部７を、上側に凹部８を配し下側に凸部９を配する構成としたが、これら凹部８，凸部９の上下を逆転させた構成としてもよい。
【００２５】
また、杭３の施工方法については、上記の形態に限定されるものではなく、他の施工方法を適用してもよい。例えば、図４に示すように、地盤Ｇに、アースドリル工法，リバース工法等各種工法を用いて杭孔２５を掘削し、この杭孔２５内に円筒状のケーシングチューブ２６を建て込み、この後にこのケーシングチューブ２６をガイドとして杭部材５を順次吊り降ろして杭３を構築するようにしてもよい。もちろん、このケーシングチューブ２６は、杭孔２５の上部のみに設けてもよい。
またこの場合、各杭部材５を吊り降ろすには、例えば図５に示すような保持装置２７を用いてもよい。保持装置２７は、円筒状で下面に開口部２８ａが形成されたケーシング２８内に、開閉自在なバケット２９がバネ３０を介して取り付けられた構成となっている。このような保持装置２７は、無負荷時においてはバケット２９が開いた状態となっている。そして、図５（ｂ）に示すように、杭部材５の上部に設けられたフック３１をバケット２９間に挟み込んで、この保持装置２７をクレーン等で吊り上げると、バケット２９が締まってフック３１をつかみ、杭部材５を保持できるようになっている。
図４に示したように、このような保持装置２７で杭部材５を保持して杭孔２５のケーシングチューブ２６内に挿入し、杭部材５の荷重が、杭孔２５の底部又は先に挿入された他の杭部材５にかかると、図５（ｂ）に示した保持装置２７のバケット２９が開いて杭部材５のフック３１の保持を解放することができる。
【００２６】
さらに、上記第一の実施の形態において、変位許容部７を、杭３の杭頭部３ａと先端部３ｂの近傍にのみ設ける構成としたが、その数および位置については何ら限定するものではない。
例えば図６に示すように、地盤Ｇ中に中間支持層Ｇ３が存在する場合、杭３’の杭頭部３ａ’、先端部３ｂ’だけでなく、中間支持層Ｇ３と軟弱層Ｇ１との境界部近傍にも変位許容部７を配設する構成としてもよい。この中間支持層Ｇ３と軟弱層Ｇ１との境界部においては、地盤剛性が急変しているため、地震発生時等にはこの境界部で杭３’に大きなせん断力が作用する。この境界部近傍に変位許容部７を設けることによって、地震による水平外力が過大に作用したときに、この部分においても杭３’を変位させて、上記第一の実施の形態における杭３（図１参照）と同様、作用するせん断力や曲げモーメントを小さくして杭３’が破損等の被害を被るのを防止することができ、杭３’を経済的なものとすることができる。
【００２７】
［第二の実施の形態］
次に、本発明に係る杭構造の第二の実施の形態について説明する。ここでは、杭が、杭部材どうしの接合部に設けた変位許容部でずれて変位する構成とする場合の例を用いて説明する。以下に説明する第二の実施の形態において、前記第一の実施の形態と共通する構成については同符号を付し、その説明を省略する。
【００２８】
図７に示すように、構造物１の基礎である杭基礎２’は、複数本の杭３３から構成されている。
各杭３３は、杭頭部３３ａが構造物１の下面に一体化され、先端部３３ｂが硬質支持層Ｇ２に根入れされている。そして、各杭３３は、上下方向に複数（例えば３本）の杭部材３５，３５，３５が連続配置された構成となっている。そして、これら杭部材３５，３５，３５どうしの接続部は、杭３３の杭頭部３３ａの近傍と、先端部３３ｂの近傍とに位置するよう設けられており、各接続部には変位許容部３７が設けられている。
【００２９】
図８に示すように、互いに上下に位置する二本の杭部材３５，３５どうしの接続部に設けられた変位許容部３７は、上側に位置する杭部材３５の下端部に形成された平滑面３８と、下側に位置する杭部材３５の上端部に形成された平滑面３９とから構成されている。そして、これら平滑面３８，３９には、補強鋼板４０，４１が配設されている。
これにより、変位許容部３７においては、上側に位置する杭部材３５と下側に位置する杭部材３５とがこの部分で杭３３の軸線と直交する方向にずれて変位するのを許容する構成となっている。
【００３０】
さらに、各杭部材３５には、その中心軸線に沿って延在する穴１２が形成され、杭３３を構成するため上下方向に連続配置された杭部材３５，３５，３５においては、穴１２，１２，１２にワイヤー１３が連続して挿通されている。
【００３１】
図７に示したように、このような変位許容部３７，３７を備えた各杭３３においては、地震等により水平外力が作用した場合に、特に大きなせん断力が作用する杭頭部３３ａと先端部３３ｂとにそれぞれ変位許容部３７がされており、前記水平外力が大きく作用した場合には変位許容部３７においてその上下の杭部材３５，３５がずれて変位するようになっている。
【００３２】
なお、上記杭３３を構築するには、前記第一の実施の形態における杭３と同様の施工方法を用いればよい。
【００３３】
上述した杭構造では、杭３３が、上下方向に連続配置させた複数の杭部材３５，３５，３５から構成され、各杭部材３５，３５どうしの接続部には上下の杭部材３５，３５がずれて変位するのを許容する変位許容部３７が設けられた構成となっている。これにより、前記第一の実施の形態における杭３（図１参照）と同様、地震等による水平方向の外力が過大に作用しても、変位許容部３７で杭部材３５，３５がずれて変位することによって、杭３３に作用するせん断力や曲げモーメントを小さくして杭３３が破断するのを防ぎ、杭３３としての機能を維持でき、杭３３を経済的なものとすることができる。
【００３４】
なお、上記第二の実施の形態において、杭３３に変位許容部３７を、杭頭部３３ａと先端部３３ｂの近傍にのみ設ける構成としたが、前記第一の実施の形態と同様、その数および位置については何ら限定するものではなく、例えば図９に示す杭３３’のように、地盤Ｇ中に中間支持層Ｇ３が存在する場合、中間支持層Ｇ３と軟弱層Ｇ１との境界部近傍の地盤剛性が急変する部分にも変位許容部３７を配設する構成としてもよい。
【００３５】
また、上記第一および第二の実施の形態において、変位許容部７，３７を、杭３，３’，３３，３３’の杭頭部３ａ，３ａ’，３３ａ，３３ａ’、先端部３ｂ，３ｂ’，３３ｂ，３３ｂ’、および中間支持層Ｇ３と軟弱層Ｇ１との境界部近傍に配設する構成としたが、これに限定するものではない。例えば、上記以外にも水平外力によるせん断力や曲げモーメントが集中する箇所があればその位置に変位許容部７，３７を配設するようにしてもよいし、それ以外にも変位許容部７，３７を多数設ける構成としてもよい。
【００３６】
さらに、上記第一および第二の実施の形態において、構造物１を軟弱な地盤上に構築する場合の例を用いたが、もちろん、その地盤の性状については限定する意図はなく、本発明に係る杭構造は、当然のことながら普通地盤にも適用可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る杭構造によれば、杭を、上下方向に連続配置させた複数の杭部材から構成し、各杭部材どうしの接続部に、その上下二本の杭部材がこの接続部で折れ曲がる変位又はずれる変位を許容する変位許容部を設ける構成とした。 
このようにして、変位許容部を、杭の頭部や先端部等、地震等による水平方向の外力が杭に作用した場合に杭の断面方向のせん断力や曲げモーメントが大きく作用する箇所に配設することによって、水平外力が過大に作用しても、杭が変位許容部で変位することによってこの杭に作用するせん断力や曲げモーメントを小さくして、その機能を維持できるようになっている。このように予め杭が変位を許容できる構造としておくことによって、従来のようにせん断力や曲げモーメントに耐え得るための強度の向上を図ることなく、地震による杭の破損等の被害を被るのを防止することができ、杭を経済的なものとすることができる。
【００３８】
また、請求項１に係る杭構造は、変位許容部が、接続部の上側に位置する杭部材の下端部に凹部を形成し、下側に位置する杭部材の上端部に凸部を形成し、凹部に凸部を挿入した構成となっている。これにより、杭部材どうしの接続部においては、これら凹部と凸部とによってヒンジのごとき機能を発揮することができ、上下二本の杭部材がこの接続部で折れ曲がって変位するのを許容することができる。しかも、上側に凹部を配し、下側に凸部を配した構成としたので、この変位許容部に周囲地盤から土砂が混入するのを防ぐことができ、その機能が損なわれるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る杭構造を適用した構造物の杭基礎の第１の実施の形態を示す立断面図である。
【図２】前記杭基礎を構成する杭を示す図であって、（ａ）通常時、（ｂ）変位時の状態をそれぞれ示す立面図である。
【図３】前記杭の施工方法の一例を示す立断面図である。
【図４】前記杭の施工方法の他の一例を示す立断面図である。
【図５】図４に示した施工方法に用いる保持装置の一例を示す立断面図である。
【図６】本発明に係る杭構造を適用した構造物の杭基礎の第１の実施の形態における他の例を示す立断面図である。
【図７】本発明に係る杭構造を適用した構造物の杭基礎の第２の実施の形態を示す立断面図である。
【図８】前記杭基礎を構成する杭の変位許容部を示す立面図である。
【図９】本発明に係る杭構造を適用した構造物の杭基礎の第２の実施の形態における他の例を示す立断面図である。
【図１０】本発明に係る杭構造と従来の杭構造とにおいて、杭に作用する曲げモーメントの大きさを比較するためのグラフである。
【符号の説明】
１  構造物
３，３’，３３，３３’  杭
５，３５  杭部材
７，３７  変位許容部
８  凹部
９  凸部
Ｇ  地盤
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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