(57)【要約】【課題】杭頭半剛接合構法を実現する上において容易に施工可能で施工時の管理も容易な杭頭支持構造を提供する。【解決手段】  杭と構造物が、杭本体よりも小さい断面積で接合又は接触している杭頭支持構造において、当該接合又は接触部の周囲に形成された杭頭と構造物との間の空隙に、面積が異なる同心状の開口を有する複数の緩衝層が挟持されている杭頭支持構造を提案する。好ましくは、前記複数の緩衝層の内、最上層の剛性・強度・耐熱性は、他の層の剛性・強度・耐熱性以上である杭頭支持構造である。前記緩衝層は、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタンまたはポリ塩化ビニルの発泡体、スタイロフォーム、石膏ボード、発泡コンクリート、木質材、厚紙、布、不織布の何れかからなる層を含むことができる。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
杭と構造物が、杭本体よりも小さい断面積で接合又は接触している杭頭支持構造において、当該接合部又は接触部の周囲に形成された杭頭と構造物との間の空隙に、面積が異なる同心状の開口を有する複数の緩衝層が挟持されている杭頭支持構造。
【請求項２】
前記複数の緩衝層の内、最上層の剛性、強度および耐熱性は、他の層の剛性、強度および耐熱性以上である前記請求項１に記載の杭頭支持構造。
【請求項３】
前記緩衝層は、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタンまたはポリ塩化ビニルの発泡体、スタイロフォーム、石膏ボード、発泡コンクリート、木質材、厚紙、布、不織布の何れかからなる層を含む請求項１ないし２のいずれかに記載の杭頭支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造物を支持する杭の杭頭支持構造に関する。より具体的には、本発明は、杭本体よりも小さい断面積で構造物の基礎を支持する杭頭支持構造において、杭頂部と構造物の下部との間の空隙に、同心状の開口を有する複数の緩衝層を挟持した杭頭支持構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、杭を有する構造物と地盤との関係を模式的に示したものである。構造物１０は杭３０に支持されており、杭の下端は支持地盤５０に支持されている。杭３０の杭頭部２０は基礎下部と接して構造物を支持している。杭３０は、通常時には、構造物の自重を軸方向力として受け、地震時には、構造物の自重と共に上下・水平方向の地震荷重を受ける。
図２は、コンクリート杭の構造を例示したものである。コンクリート３３内には軸方向に主筋３１が延び、当該主筋３１を周方向に拘束するように帯筋３２が巻回されている。コンクリート杭は、圧縮力、引張力、曲げモーメントに対して、コンクリート３３と主筋３１で抵抗する複合構造である。
【０００３】
図３は、従来の杭と構造物の基礎との接合方式、いわゆる剛接合を図示したものである。図３に示したように、剛接合においては、杭３０の全断面を基礎１１に接触させると共に、杭の軸方向主筋３１を基礎に定着させる。しかし、剛接合構造は、地震時においては杭頭部と基礎に大きな応力が発生する。この応力集中を回避するために、杭頭部と基礎との接合方法に関する合理的な解決が求められていた。
【０００４】
この問題を解決する方法として、杭頭部と構造物の基礎との接合部の剛性を低減することで地震時に杭頭部に作用する曲げモーメントを低減する、いわゆる杭頭半剛接合が開発されている。
図４は、杭頭部の剛性が杭の曲げモーメントに与える影響に関する試算結果を示すものである。杭頭を剛接合にした場合（破線）は杭頭部での曲げモーメントが極めて大きく、杭頭をピン接合にした場合（点線）は杭頭部の曲げモーメントは当然ゼロであるものの杭頭直下での曲げモーメントが非常に大きくなることが示されている。杭頭を半剛接合とした場合（実線）の最大モーメントの値は上記２者の何れよりも小さく、最も合理的な構造であることが分かる。
【０００５】
文献１（特開平８−２０９６０号公報）は、上記杭頭半剛接合構法の一例を具体的に開示したもので、杭頂部には円筒状の突出部が形成され、杭は当該突出部の頂部で構造物の基礎下面と接している。突出部の断面積は杭本体の断面積よりも小さいために、杭本体の全断面積で構造物の基礎と剛接する場合に比較して接合部の剛性が低減されている。同公報の図１に図示された実施例によれば、前記突出部とその近傍の杭頭部は、構造物の基礎下面に形成された凹部に収容されて、杭と当該凹部との間の空隙にはスタイロフォーム等の緩衝材が挟持されて、基礎と杭頭部との間の相対変形が許容されている。
【０００６】
文献２（特開２００２−２４２２０７号公報）は、上記杭頭半剛接合構法をさらに改良した構造を開示したものである。構造物を支持する接合部又は接触部の面積が杭本体の断面積よりも小さい点は文献１と同様であるが、杭頭部の断面積は頂部に向かって漸減している。同文献の実施例によれば、図５（ａ）、（ｂ）に示したように、杭頭部は円錐台状であり、当該円錐台の斜面と基礎下面との間には空隙が形成されて杭端部の基礎に対する相対変位を許容している。
当該構造によれば、地震時に杭頭部の接合部又は接触部の縁部近傍に発生する応力集中が緩和され、一層合理的な構造設計が可能になる。
【０００７】
また、文献３（特開２００３−２７４９８号公報）は、杭頭の断面積を接合部又は接触部の近傍で漸減する代わりに、基礎底部の断面積を接合部又は接触部に向かって漸減させることによって上記と同様の効果を達成している。図５（ｃ）、（ｄ）に示した文献３の実施例によれば、基礎下部は接合部又は接触部に向かって、つまり下方に向かって断面積が漸減する倒立円錐台の形状をしており、当該形状は、特許文献２に開示された杭頭の形状と丁度上下を逆さにしたものである。
【特許文献１】特開平８−２０９６０号公報
【特許文献２】特開２００２−２４２２０７号公報
【特許文献３】特開２００３−２７４９８号公報
【０００８】
文献２に開示されている杭頭半剛接合構法の製造工程の例を以下に説明する。
【０００９】
現場打ち等によって杭を打設した後、一般的には杭頭のコンクリートを除去して鉄筋を露出させる。次に、杭頭部に円筒状の側部用型枠と穴明き円盤状の頂部用型枠を設置し、コンクリートを流し込むことによって杭頭部を成形する。その際に用いられる頂部用型枠は、図６に示すように、中央に開口を有する穴明き円盤状であって、上下方向の厚みは中央開口の縁の部分が０であって外周に向かって次第に増加し、外周部分で最大値となる形状である。
【００１０】
頂部型枠は、地震時の構造物基礎下部と杭頭部との相対変位を許容することができるように、スタイロフォーム等の発泡材料が使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
杭頭部を成形する際に使用される杭頂部用型枠は、上述のように内部に円錐台状の斜面を有するリング状である（図６）。このような三次元的局面で定義された形状を切り出すには、緩衝材としてスタイロフォームを使用する場合であっても、特別な治具を必要とするため現場での成形は困難である。また、治具を使用して切断を行ったとしても、寸法精度が低下しがちである。さらに、内縁部及び外縁部は鋭角なので、特に縁部が破損し易いという問題もある。
【００１２】
また、杭頭部を成形する際には、流し込まれたコンクリート上にスタイロフォーム等からなる頂部用型枠の上面が露出している状態となるが、スタイロフォームは剛性・強度・耐熱性ともに低いので、当該型枠の上に不用意に物を載せたり作業者が歩いたり、あるいは近傍での溶接時の発熱等によって損傷するようなことがないよう格別の注意を払わなければならないという不便がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上述のいわゆる杭頭半剛接合構法に関する上記の課題を解決することを目的としたもので、第１の実施形態によれば、杭と構造物が、杭本体よりも小さい断面積で接合又は接触している杭頭支持構造において、当該接合部又は接触部の周囲に形成された杭頭と構造物との間の空隙に、面積が異なる同心状の開口を有する複数の緩衝層が挟持されている杭頭支持構造を提供するものである。
当該構造は、杭の断面積が上方に向かって減少して接合部又は接触部に至る形状および構造物の基礎下部の断面積が下方に向かって減少して接合部又は接触部に至る形状の何れの場合も同様に適用することができる。
また、複数の緩衝層は、２層以上であればよく、その層数には制限はない。
【００１４】
本発明の第２の実施形態は、上述の特徴に加えてさらに、前記複数の緩衝層の内、最上層の剛性、強度および耐熱性は、他の層のそれぞれ剛性、強度および耐熱性以上である杭頭支持構造に関するものである。
緩衝層のうちの最上層のみがそれ以外の層よりも高い剛性、強度および耐熱性を有していてもよいし、最上層を含む数層がそれより下の層よりも高い剛性等を有していてもよい。当該最上層は、物の搭載、人の歩行、あるいは近傍で溶接等の作業によって容易に損傷等を受けることがない程度の剛性、強度および耐熱性を有するのが望ましい。
【００１５】
具体的には、最上層には木質材、石膏ボード、鋼板、セメント系の成形板等を使用することができる。
【００１６】
本発明の第３の実施形態は、さらに、前記緩衝層として、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタンまたはポリ塩化ビニルの発泡体、スタイロフォーム、石膏ボード、発泡コンクリート、木質材、厚紙、布、不織布の何れかからなる層を含む杭頭支持構造に関する。
【００１７】
緩衝層は、杭頭部の成形時には型枠として機能すると同時に、地震時等、杭頭部と構造物の基礎との間に相対変位が生じるときには当該相対変位を拘束しないものであることが必要である。当該機能を満足することができる材料であれば種々の材料を使用することができるが、上述のものは特に有効に使用できる材料である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の実施形態によった場合、緩衝層は面積が異なる同心状の開口を有する複数の部材から構成されており、各部材は円筒形状の内表面によって定義された開口を有する穴明き盤に過ぎない。スタイロフォーム等の板を穴明き盤状に加工することは容易なので、特別な治具無しで、また建築現場においても容易に製造することができる。また、鋭角のエッジを有さないので、縁部の損傷に格別な配慮をすることも不要である。
また、積層の数を適宜設定することによって実質的には滑らかな円錐台状の斜面と同等の形状を成形することができる。
【００１９】
本発明の第２の実施形態に関して、杭頭の断面積が頂部に向かって減少する形状の場合、接合部又は接触部を形成するのは最上層である。この層の剛性と強度が他の層の剛性と強度以上であれば、杭頭部にコンクリートを打設する際に頂部用型枠の浮き上がりを防止するために当該最上層を支持具によって押えても型枠が損傷する恐れがない。また、型枠を設置した状態でその上部に物を搭載するようなことも可能であり、耐熱性を有しているので近傍での溶接作業にも支障を生じない。さらに、杭頭の上に構造物の基礎を打設する場合に、最上層を基礎コンクリートの下部型枠として使用することも支障なく行える。
【００２０】
一方、構造物の基礎の断面積が下方に向かって減少する形状の場合においても、最上層の剛性、強度および耐熱性がその他の層以上であれば、前述したのと同じ理由によって型枠の損傷を防ぐことが可能である。
【００２１】
本発明の第３の実施形態によった場合、杭頭部あるいは構造物の基礎下部を適切に成形することができると同時に、杭頭部と構造物の基礎下部の間に相対変位が生じるような場合には、緩衝層が変形して両者の相対変位を拘束しない。
【００２２】
緩衝層を構成する各層は、それぞれ独立した部材であっても良いし、相互に接着された一体構造であっても良い。特に、最上層の剛性が他の層の剛性よりも高い場合、全体を一体構造とすることによって型枠全体の強度が増加し、取り扱いが容易になる等の利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の好ましい実施例を図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２４】
図７は、本発明の１つの好ましい実施例を図示したもの、図８は特に杭頭部近傍を拡大して示したものである。
地盤中に打ち込まれた杭１３０は、軸方向に延びる主筋１３１と主筋の外周に巻回された帯筋１３２とを有する。当該帯筋１３２は、スパイラル筋であっても良い。
【００２５】
図８により詳細に示すように、杭頭部は頂部に向かって、つまり上方に向かって断面積が減少しており、接合部又は接触部１２１の面積は杭本体の断面積よりも小さい。接合部又は接触部１２１の周囲には同心リング状の階段面１２２が形成されている。当該階段面１２２は、厳密には図９に示すような形状であるが、図８では単純に、階段面は傾斜角θを有する円錐台状の斜面によって示した。
【００２６】
一方、基礎下面が前記接合部又は接触部１２１に於いて杭頂部と接合されている。本実施例では、さらに、８本の芯鉄筋１３５が杭頭部と基礎とを貫くように鉛直方向に延びており、その周囲を補強リング１４０が取り囲んで芯鉄筋の位置と形状を保持している。
【００２７】
本発明において、芯鉄筋１３５が杭頭と構造物の基礎を貫通することは必ずしも必要ではなく、図１０〜１１に示したように、杭頭部と基礎がコンクリートのみで結合されている構造、基礎が杭頭上に単に載置されているのみの構造等であっても同様に適用することができる。さらに、接合部又は接触部へ向けて断面積が次第に減少している部分は、図１０（ｃ）に示すように四角錐台等の角錐状であっても良く、図１１に示すように肩部があって、その後次第に面積が減少するものであっても良い。図７〜８、１０〜１１では何れも断面積が階段状に減少する部位を斜面で図示した。
【００２８】
杭頭部と基礎下面との間の、階段状に形成された環状の空隙１２４には、緩衝材が介装されている。地震時等、構造物の基礎下面と杭頭部とが相対的に変位を生じ、空隙が狭くなった際、緩衝材は自由に変形することができるので、力学的には杭頭と構造物の基礎は接合部又は接触部においてのみ接合されているものと見なすことができる。
【００２９】
緩衝材として使用することができる材料は、上記のような変形を許容するものであれば良いが、杭頭と基礎は鉄筋コンクリート構造であることを考えると、コンクリートに比較して格段に剛性および強度の低い材料であることが好ましい。具体的には、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリウレタンまたはポリ塩化ビニルの発泡体、スタイロフォーム、石膏ボード、発泡コンクリート、木質材、厚紙、布、不織布等を使用することができる。
また、内部に多くの気泡を有するために一定以上の力を受けると見かけ上の体積が縮小する（気泡がつぶれる）発泡材料を用いることが特に好ましい。
【００３０】
次に、上記接合部の製造工程を説明する。
図１２は現場で打設された鉄筋コンクリート杭２２０の杭頭部を示す図である。コンクリート打設直後の杭２２０の頂部２５１の面積は、杭本体の断面積と実質的に同一である。次に、既に述べたように、杭頭部の成形のために、一旦、杭頭部のコンクリートを取り除いて主筋２３１と帯筋２３２を露出させる（図１３）。
【００３１】
図１４は、コンクリートを一旦除去した杭の上部に杭頭部を成形するための型枠を搭載した状態を示す。搭載された型枠は、円筒部２６０、穴明き天板２６１を有し、穴明き天板２６１の中央には開口２６２が形成されている。穴明き天板２６１は図１４（ａ）に示すように円形であっても良いし、円形以外、例えば同図（ｂ）に示すように正方形であっても良い。穴明き天板２６１が円形で無い場合は、当該天板２６１は当然円筒部２６０の上に搭載される形になる。
【００３２】
図１５は、図１４で示した状態の内部を示す断面図の例を示すものである。主筋２３１と帯筋２３２が露出した部分を覆うように型枠が搭載されており、型枠の穴明き天板２６１の下面には、３層の緩衝層２６２〜２６４から構成される緩衝材が設けられている。緩衝層は何れも中央に開口２７０を有するが、その開口直径は下に位置する緩衝層ほど大である。本実施例の場合、穴明き天板２６１は合板であり、緩衝層２６２〜２６４はいずれもスタイロフォームである。
図１４、１５に図示したように、緩衝層２６２〜２６４についても、円形に限らず多角形等、外径は自由であることは穴明き天板と同様である。
【００３３】
図１６は、杭頭部の頂部の形状を成形する頂部用型枠の一例を示すものである。型枠は図１４に示したように穴明きリング状および円筒状であってもよいし、図１６に示すように穴明きリングおよび円筒を周方向に等分割した形状であっても良い。等分割した型枠の場合には、設置が容易であり、特に芯鉄筋が杭頭を貫通しているような場合にはその差が顕著である。
図１６（ｂ）は、２分割が可能な長方形の頂部用型枠を例示したものである。
【００３４】
図１７、１８はこのような型枠を使用して打設された杭頭を示す。杭頭の外形は円筒状であるが、側面には天板２６１および緩衝層２６２〜２６４の側面が露出している。図１５から明らかなように、杭の頂部にはコンクリートの接合部又は接触部２２１が露出している。
図１７（ｂ）、１８（ｂ）は、型枠の外形が正方形の場合を例示したものである。
【００３５】
図１９は、上述の型枠にコンクリートを打設して得られた杭頭部のコンクリート構造を図示したものである。図から明らかなように、杭頭部は同心円状の階段が形成され、断面積は頂部に行くに従って段階的に減少している。その頂部である平坦部は基礎下面が接する接合部又は接触部である。ただし、杭頭側面の型枠を取り外した状態でも上面の緩衝材は設置したままであることから、図１９に示したコンクリート構造が露出しているわけではない点は上述のとおりである。
【００３６】
次の工程では、前記杭頂部を型枠の底部として使用して基礎コンクリートを打設する。前出の図７、８は、接合部又は接触部１２１の上に基礎等が立ち上がっている状態を模式的に示すものである。
【００３７】
上記の実施例では杭頭部の断面積を接合部又は接触部に向けて次第に減少させる構造を例にとって本発明を説明したが、杭頂部は平坦であって、逆に基礎下端部の断面積が接合部又は接触部に向けて次第に減少するものであっても良いことは既に述べた。
上述の実施例は本発明の好適な実施例であるが、本発明は上記の実施例に拘束されるものではなく、実施例に基づいて当業者に可能な全ての変更は、特許請求の範囲及びその均等の範囲に含まれる限り本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】杭を有する構造物と地盤の概念を示す断面図
【図２】鉄筋コンクリート杭の内部構造を示す概念図
【図３】杭頭と基礎とを剛接合した従来構造の概念図
【図４】杭・基礎接合部の接合剛性と地震時に杭に発生する曲げモーメントの関係を示す試算結果
【図５】従来の杭頭半剛接合構法による杭・基礎接合部を示す概念図
【図６】従来の型枠を示す断面図と斜視図
【図７】本発明による杭頭支持構造の概念図
【図８】本発明による杭頭支持構造近傍の杭と基礎の構造を示す断面図
【図９】杭頭部の形状と構造物の基礎下面とを示す概念図
【図１０】本発明による杭頭支持構造の変形例を示す概念図
【図１１】本発明による杭頭支持構造の変形例を示す概念図
【図１２】打設後の杭頭部を示す斜視図
【図１３】杭頭部のコンクリートを一部除去した状態を示す斜視図
【図１４】杭頭部に成形のための型枠を設置した状態を示す斜視図
【図１５】図１４に示した状態の断面図
【図１６】分割された頂部用型枠の斜視図
【図１７】型枠を取り外した杭頭部の立面図
【図１８】型枠を取り外した杭頭部の斜視図
【図１９】杭頭部内部のコンクリート部材の形状を示す斜視図
【符号の説明】
【００３９】
１０    構造物
２０    杭・基礎接合部
２１、１２１    接合部又は接触部
２２    断面積が階段状に減少する部分
３０    杭
３１、１３１、２３１    主筋
３２、１３２、２３２    帯筋
４０    地盤
５０    支持地盤
１２４  空隙
２６１  穴明き天板
２６２〜２６４  緩衝層
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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