(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
底部にソイルセメントによる根固め部が形成された杭孔に、ストレート状の既製杭をその下端部が前記根固め部に入り込むように埋設してなる埋込み杭の構造仕様決定方法であって、次式（１）（２）、
Ｐ≦Ｒp＋Ｒf            ・・・（１）
Ｐ≦Ｆ＋Ｒ              ・・・（２）
ただし、Ｐ：設計荷重、Ｒp：根固め部底面に作用する先端支持力、Ｒf：根固め部周面  に作用する摩擦力、Ｆ：根固め部での杭周面付着力、Ｒ：杭先端支圧力
を満足するように、杭体及び根固め部の仕様を決定し、
前記根固め部周面に作用する摩擦力Ｒfについてはゼロとし、予め決定された上記設計荷重Ｐに基づいて上記式（１）を満たす上記根固め部底面に作用する先端支持力Ｒpを算出した後、次式（Ａ）
Ｒp＝qd・Ｄe2・π/4 ・・・（Ａ）
ただし、qd：地盤の支持力度、Ｄe：根固め部径
より根固め部径Ｄeを算出し、
前記杭周面付着力Ｆについては次式（３）
Ｆ＝α・qu×Ａt         ・・・（３）
ただし、α：付着強度係数（0＜α＜1.0)、qu：ソイルセメント強度（5≦ｑu≦30Ｎ／ｍｍ2、なお、杭先端部の根固め部底面からの離隔高さＨ1＞0の場合は地盤の支持力度qd以上とする）、Ａt：付着面積
から算出するとともに、
前記杭先端支圧力Ｒについては次式（４）
Ｒ＝（Ｄp2・π/4）・qd・β ・・・（４）
ただし、Ｄp：杭軸部径、β：上記杭体の離隔によって得られる前記杭先端支圧力Ｒの増し分の割合に１を加えた利得係数（1≦β）
から算出して、
上記式（３）（４）からそれぞれ算出された前記杭周面付着力Ｆ、前記杭先端支圧力Ｒより上記式（２）に基づいて前記杭体と前記根固め部との一体性が確保されているかを確認する
ことを特徴とする埋込み杭の構造仕様決定方法。
【請求項２】
上記式（２）を満足しない場合は、上記杭先端部の根固め部底面からの離隔高さＨ1、上記杭軸部径Ｄp、上記ソイルセメント強度quのうち少なくとも１つの値を変更することを特徴とする請求項1記載の埋込み杭の構造仕様決定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、埋込み杭の構造仕様決定方法に関し、より詳細にはストレート状の既製杭の杭体と、その先端部が挿入される根固め部の仕様を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
杭孔の底部にソイルセメントによる根固め部を形成して、この杭孔に既製杭、例えばストレート状の既製杭をその下端部が根固め部に入り込むように埋設する埋込み杭工法が知られている。
【０００３】
このような埋込み杭工法において、既製杭がこれに加わる荷重によって沈下を生じないようにするためには、根固め部での地盤支持力が設計荷重以上で、かつ既製杭と根固め部との一体性が確保されていることが必要である。
【０００４】
上記のような要求を満たす杭体及び根固め部仕様とするために、従来は、根固め部径及び杭軸部径を設定し、ＦＥＭ解析結果から必要なソイルセメント強度を決定するという単純な手法がとられている。
【０００５】
ストレート杭の場合、これと根固め部との一体性が確保されていれば、杭周面に付着力が作用し、また杭先端部を根固め部底面から上方に離隔させた場合、その離隔高さに応じて杭先端部の支圧力が増大することが判明している。
【０００６】
しかし、従来の手法はこれらの作用力を構造仕様の決定に何ら加味することなくなされているため、ソイルセメントの強度が過度に大きくなったりして不経済であるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
なし
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明は上記のような技術的背景に基づいてなされたものであって、次の目的を達成するものである。
この発明の目的は、既製杭と根固め部との一体性が確保されているという条件の下では、既製杭に有利な付着力や支圧力が作用していることを考慮し、それによって経済的な杭体構造及び根固め部構造とすることができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
＜この発明の理論的背景＞
図１は、杭孔３の底部に形成されたソイルセメントによる根固め部２と、この根固め部２に下端部が入り込むように杭孔３に埋設されたストレート杭１とを示している。根固め部２に配置されたストレート杭１の下端部と根固め部２との一体性が確保されていると仮定すると、ストレート杭１が荷重Ｐを支持し鉛直方向に変位を生じないためには、根固め部２に地盤から作用する支持力が荷重Ｐ以上であることが条件となる。荷重Ｐに対抗する支持力は、根固め部２の底面に作用する先端支持力Ｒp と根固め部２の周面に作用する摩擦力Ｒf の和であり、支持条件は、
Ｐ≦Ｒp＋Ｒf・・・（１）
で示される。
【００１０】
ここで、図２に示すように、ストレート杭１に着目すると、ストレート杭１は荷重Ｐを受けることによって、これに対抗する力として杭周面に付着力が作用し、また杭先端に支圧力が作用する。したがって、ストレート杭１の先端部と根固め部との一体性が確保されるという上記仮定を満足して、ストレート杭１が鉛直方向に変位を生じないためには、これら付着力及び支圧力の和が荷重Ｐ以上であることが条件となる。すなわち、その条件は付着力をＦ、杭先端支圧力をＲとすると、
Ｐ≦Ｆ＋Ｒ・・・（２）
で示される。
【００１１】
付着力Ｆを決定するパラメータは、杭軸部径、根固め部材料（例えばソイルセメント）によって決まる根固め部強度などである。また、杭先端支圧力Ｒを決定するパラメータは、杭軸部径、根固め部２の底面からの杭先端の離隔高さ（その意義については後述する）などである。したがって、式（１）（２）を満足するという条件の下、上記各パラメータを変化させることによって、最適な杭体及び根固め部の構造仕様を選択することが可能となる。
【００１２】
この発明は、上記のような知見に基づいてなされたものであって、次のような手段を採用している。
すなわち、この発明は、底部にソイルセメントによる根固め部が形成された杭孔に、ストレート状の既製杭をその下端部が前記根固め部に入り込むように埋設してなる埋込み杭の構造仕様決定方法であって、次式（１）（２）、
Ｐ≦Ｒp＋Ｒf            ・・・（１）
Ｐ≦Ｆ＋Ｒ              ・・・（２）
ただし、Ｐ：設計荷重、Ｒp：根固め部底面に作用する先端支持力、Ｒf：根固め部周面  に作用する摩擦力、Ｆ：根固め部での杭周面付着力、Ｒ：杭先端支圧力
を満足するように、杭体及び根固め部の仕様を決定し、
前記根固め部周面に作用する摩擦力Ｒfについてはゼロとし、予め決定された上記設計荷重Ｐに基づいて上記式（１）を満たす上記根固め部底面に作用する先端支持力Ｒpを算出した後、次式（Ａ）
Ｒp＝qd・Ｄe2・π/4 ・・・（Ａ）
ただし、qd：地盤の支持力度、Ｄe：根固め部径
より根固め部径Ｄeを算出し、
前記杭周面付着力Ｆについては次式（３）
Ｆ＝α・qu×Ａt         ・・・（３）
ただし、α：付着強度係数（0＜α＜1.0)、qu：ソイルセメント強度（5≦ｑu≦30Ｎ／ｍｍ2、なお、杭先端部の根固め部底面からの離隔高さＨ1＞0の場合は地盤の支持力度qd以上とする）、Ａt：付着面積
から算出するとともに、
前記杭先端支圧力Ｒについては次式（４）
Ｒ＝（Ｄp2・π/4）・qd・β ・・・（４）
ただし、Ｄp：杭軸部径、β：上記杭体の離隔によって得られる前記杭先端支圧力Ｒの増し分の割合に１を加えた利得係数（1≦β）
から算出して、
上記式（３）（４）からそれぞれ算出された前記杭周面付着力Ｆ、前記杭先端支圧力Ｒより上記式（２）に基づいて前記杭体と前記根固め部との一体性が確保されているかを確認する
ことを特徴とする埋込み杭の構造仕様決定方法にある。
【００１３】
より具体的には、上記式（２）を満足しない場合は、上記杭先端部の根固め部底面からの離隔高さＨ1、上記杭軸部径Ｄp及び上記ソイルセメント強度quのうち少なくとも１つの値を変更することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、既製杭と根固め部との一体性が確保されているという条件の下では、既製杭に有利な付着力や支圧力が作用していることを考慮して、杭体構造及び根固め部構造を決定するので、根固め部強度などを、荷重を支持するのに過不足ないものとすることができ、経済的な設計をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】杭体と根固め部が一体となっている場合に根固め部に作用する力を示す図である。
【図２】杭体に作用する付着力を示す図である。
【図３】杭体の諸元を示す図である。
【図４】杭体及び根固め部構造仕様の決定方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】図４に引き続くフローチャートである。
【図６】ソイルセメント強度と付着強度との関係を示すグラフである。
【図７】杭先端離隔高さと、それによる支圧力の利得係数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図３は、この発明に基づき決定する杭体及び根固め部の諸元を示している。Ｄe は根固め部径、Ｈは根固め部高さ、Ｈ1 は杭先端部の根固め部底面からの離隔高さ、Ｄp は軸部径である。以下、杭体及び根固め部の構造仕様を決定する手順を図４及び図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００１７】
１．設計荷重Ｐの決定（ステップＳ1）
設計荷重Ｐは、根固め部内のストレート杭１本で支持させる荷重（KN)である。
２．施工方法の決定（ステップＳ2）
埋込み杭工法には、既製杭工法、プレボーリング工法、中掘工法などがあり、いずれかを選択する。
【００１８】
３．地盤の支持力度qd の算出（ステップＳ3）
支持力度qd （図１，２参照）は根固め部２の先端地盤が受け持つ耐力度であり、地盤のＮ値及び土質から算出する。例えば、道路橋示方書ではプレボーリング工法の場合、砂地盤：qd ＝150Ｎ(≦7500kN/m2)、礫地盤：qd ＝200Ｎ(≦10000kN/m2) と規定されている。
４．根固め部高さＨ、杭先端離隔高さＨ1 の設定（ステップＳ4）
初期設定は例えばＨ＝2.0m 、Ｈ1＝0m とする。
【００１９】
５．根固め部径Ｄe の算出（ステップＳ5)
根固め部径Ｄe は、上記（１）式より算出する。（１）式において周面摩擦力Ｒf は、Ｒf＝ｆ・Ｕ・Ｈ （ｆ：周面地盤が受け持つ摩擦力度、Ｕ：根固め部の周長、Ｈ：根固め部の高さ）で示される。周面摩擦力度ｆは根固め部２の周面が受け持つ摩擦力の度合いであり、例えば道路橋示方書ではプレボーリング工法の場合、砂地盤：ｆ＝5Ｎ(≦150kN/m2)、粘土地盤：ｆ＝10Ｎ(≦100kN/m2) と規定されている。しかし、周面摩擦力Ｒf は先端支持力Ｒp に比べて極めて小さく、また安全側をみることとしてゼロとする。したがって、根固め部径Ｄe は次式により算出される。
Ｐ＝Ｒp ＋Ｒf
＝Ｒp ＋０
＝qd・Ｄe2・π/4
【００２０】
６．軸部径Ｄp の設定（ステップＳ6)
軸部径Ｄp は杭を根固め部に挿入するために、根固め部径Ｄe に対して例えば50mmの余裕をとりＤe＞Ｄp＋50 とする。通常、既製杭は規格化されており、したがって規格品のうち当該式を満足するものを選択する。
７．付着面積Ａt の算出（ステップＳ7)
付着面積Ａt は、根固め部に入り込んでいる杭体周面の面積である。軸部径Ｄp 、根固め部高さＨ、杭先端離隔高さＨ1 が設定され、また有効付着長さは、Ｈ−Ｈ1 で示されることから、付着面積Ａt は、次式により算出される。
Ａt ＝π・Ｄp・(Ｈ−Ｈ1）
【００２１】
８．ソイルセメント強度qu の設定（ステップＳ8)
ソイルセメント強度qu は、5 〜30N/mm2 の範囲内で適宜の値を選択する。ただし、杭先端離隔高さＨ1 ＞0 とした場合は、地盤の支持力度qd ≦ソイルセメント強度qu とする。
９．ソイルセメント強度qu から付着強度の算出（ステップＳ9)
ここでいう付着強度とは、杭体周面の付着力のみで荷重を支持するとした場合のソイルセメントの強度のことである。この発明の発明者らは、根固め部内で杭先端には支圧力が作用せずに、杭周面のみに付着力が作用するようにした装置を作り、杭に荷重を加えて杭の支持力を測定した。その結果、ソイルセメント強度qu と付着強度との間には図６に示すように、付着強度＝α・qu (α：付着強度係数、0＜α＜1.0）の関係にあることが分かった。そこで、当該式から付着強度を算出する。
【００２２】
１０．付着力及び杭先端支圧力の算出（ステップＳ10)
付着力ＦはステップＳ7 で算出した付着面積Ａt と、ステップＳ9 で算出した付着強度を用い、付着力Ｆ＝付着強度×付着面積Ａt の式から求めることができる。一方、杭先端支圧力Ｒについては、この発明の発明者らの実験によれば、杭先端を根固め部底面から上方に離隔させると、ある一定高さまではそれに比例して支圧力が増大することが判明している。図７は、離隔高さＨ1 に対する軸部径Ｄp の比を横軸にとり、離隔によって得られる支圧力の増し分の割合に１を加えたものを利得係数β(≧1)とし、これを縦軸にとったグラフである。
【００２３】
杭先端支圧力Ｒは、軸部径Ｄp 、地盤の支持力度qd 及び図７のグラフに示された離隔による利得係数βを用いて、Ｒ＝(Ｄp2・π/4)・qd・βより算出する。ここで、離隔高さＨ1 ＝0 のとき、すなわち杭先端を根固め部底面まで挿入したときβ＝1 であり、Ｈ1 ＞0 のとき、すなわち杭先端を根固め部底面から離隔させたときβ＞1 である。
１３．杭体と根固め部との一体性が確保されているかの判定（ステップＳ11)
以上のようにして、付着力Ｆと杭先端支圧力Ｒとを算出したら、上記式（２）を満足するか否かを判断する。式（２）を満足する場合は、杭体と根固め部との一体性が確保され、したがって付着力Ｆ及び杭先端支圧力Ｒの算出に関与する各パラメータは設定値で良いものとし、杭体及び根固め部の構造を決定する。
【００２４】
他方、付着力Ｆ及び杭先端支圧力Ｒが式（２）を満足しない場合は、ステップＳ4 以下を再度実行し、付着力Ｆ及び杭先端支圧力Ｒの算出に関与する各パラメータの値を設定しなおす。設定値を変更するパラメータは、杭先端離隔高さＨ1 、軸部径Ｄp 、ソイルセメント強度qu のうち少なくとも１つであれば、いずれを変更してもよい。
【００２５】
この発明が適用できる杭体構造としては、コンクリート杭であっても鋼管杭であってもよい。根固め部構造としては、杭孔の下部を拡大して形成される拡大根固め部でも、拡大しない根固め部でもよい。根固め部材料は掘削土とセメントミルクとを混合撹拌して形成されるソイルセメントが一般的であるが、セメントモルタルなどの他の固化材単体としてもよい。
【符号の説明】
【００２６】
１：既製杭（ストレート杭）
２：根固め部
【図１】
0005912292.tif 000002
【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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