(57)【要約】【課題】靭性が従来よりも改善されるコンクリート杭の設計方法、使用方法及びコンクリート杭を提供する。【解決手段】コンクリートを少なくとも一部に含む中空で円筒形状の杭体を備えるコンクリート杭の設計方法において、コンクリート杭に対し作用する上限軸力を決定し、コンクリート杭に対し上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに杭体の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回るように、コンクリート杭の仕様を決定する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリートを少なくとも一部に含む中空で円筒形状の杭体と、
を備えるコンクリート杭の設計方法において、
前記コンクリート杭に対し作用する上限軸力を決定し、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに前記杭体の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回るように、前記コンクリート杭の仕様を決定する
ことを特徴とするコンクリート杭の設計方法。
【請求項２】
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに前記杭体の外側部の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪み以上になる
ことを特徴とする請求項１に記載のコンクリート杭の設計方法。
【請求項３】
前記コンクリート杭は、中空で円筒形状の外殻鋼管を更に備え、
前記杭体は前記外殻鋼管の内周面に付着している
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート杭の設計方法。
【請求項４】
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延び、前記杭体に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる緊張材と、
前記杭体の内部を前記杭体の周方向に延び、前記杭体の径方向にて前記緊張材よりも外側に配置された第１補強材と、を更に備える
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のコンクリート杭の設計方法。
【請求項５】
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延びる第２補強材を更に備える、
ことを特徴とする請求項４に記載のコンクリート杭の設計方法。
【請求項６】
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記第１補強材は前記外側部の内部に配置され、
前記外側部における前記第１補強材の体積比と降伏点の積は２．４５Ｎ／ｍｍ２より大きい値である
ことを特徴とする請求項４又は５に記載のコンクリート杭の設計方法。
【請求項７】
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記最内側部はコンクリートによって構成され、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに、前記杭体の径方向にて前記杭体の内周面から前記最内側部の厚さの４分の１以上離れた位置にて前記最内側部の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回る
ことを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載のコンクリート杭の設計方法。
【請求項８】
請求項２乃至７の何れか１項に記載のコンクリート杭の設計方法を用いて製造され、前記杭体は、コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含むコンクリート杭の使用方法において、
前記杭体の最内側部の軸力及び曲げ耐力を無視して前記コンクリート杭に作用する軸力と終局曲げモーメントとの関係を表すＮＭ曲線を用意し、
前記コンクリート杭に作用する軸力及び曲げモーメントが前記ＮＭ曲線によって規定された使用可能範囲に収まり、且つ、前記コンクリート杭に作用する軸力が前記上限軸力以下になるように前記コンクリート杭を使用する
ことを特徴とするコンクリート杭の使用方法。
【請求項９】
コンクリートを少なくとも一部に含む中空で円筒形状の杭体を備えるコンクリート杭において、
前記コンクリート杭に対し所定の上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに、前記杭体の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回る
ことを特徴とするコンクリート杭。
【請求項１０】
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに前記杭体の外側部の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪み以上になる
ことを特徴とする請求項９に記載の外殻鋼管付きコンクリート杭。
【請求項１１】
前記コンクリート杭は、中空で円筒形状の外殻鋼管を更に備え、
前記杭体は前記外殻鋼管の内周面に付着している
ことを特徴とする請求項９又は１０に記載のコンクリート杭。
【請求項１２】
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延び、前記杭体に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる緊張材と、
前記杭体の内部を前記杭体の周方向に延び、前記杭体の径方向にて前記緊張材よりも外側に配置された第１補強材と、を更に備える
ことを特徴とする請求項９又は１０に記載のコンクリート杭。
【請求項１３】
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延びる第２補強材を更に備える、
ことを特徴とする請求項１２に記載のコンクリート杭。
【請求項１４】
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記第１補強材は前記外側部の内部に配置され、
前記外側部における前記第１補強材の体積比と降伏点の積は２．４５Ｎ／ｍｍ２より大きい値である
ことを特徴とする請求項１２又は１３に記載のコンクリート杭。
【請求項１５】
前記杭体は、コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記最内側部はコンクリートによって構成され、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに、前記杭体の径方向にて前記杭体の内周面から前記最内側部の厚さの４分の１以上離れた位置にて前記最内側部の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回る
ことを特徴とする請求項９乃至１４の何れか１項に記載のコンクリート杭。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は中空のコンクリート杭の設計方法、使用方法及びコンクリート杭に関する。
【背景技術】
【０００２】
既製杭の一種である外殻鋼管付きコンクリート杭（ＳＣ杭）は、一般的に、外殻鋼管と、外殻鋼管によって覆われた中空で円筒形状のコンクリートとによって構成されている（例えば特許文献１参照）。
非特許文献１及び２は、ＳＣ杭に軸力が作用している場合のＳＣ杭の曲げ変形性能を報告している。非特許文献２の図１によれば、ＳＣ杭に軸力が作用している場合（Ｎｏ．２〜Ｎｏ．７）、軸力が作用していない場合（Ｎｏ．１）に比べ、部材角の増大に伴って杭頭曲げモーメントが急激に小さくなっており、ＳＣ杭の変形性能（靭性）が低下する。これに対し、ＳＣ杭の中空部にセメントミルクやコンクリートを充填材として充填した場合（Ｎｏ．８、Ｎｏ．９）、充填していない場合（Ｎｏ．２〜Ｎｏ．７）に比べ、ＳＣ杭の靱性が向上する。具体的には、セメントミルクやコンクリートが充填されたＳＣ杭（Ｎｏ．８、Ｎｏ．９）は、塑性率（降伏時の曲率（部材角）に対する曲率（部材角）の比率）５倍まで最大曲げ耐力の約８割を保持する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２６５４４７号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】長澤和彦、木谷好伸、後庵満丸、「既製コンクリート杭の曲げ変形性能に関する研究（その１  ＳＣ杭の曲げせん断実験概要）」、日本建築学会大会学術講演梗概集（九州）２０１６年８月
【非特許文献２】石川一真、浅井陽一、「既製コンクリート杭の曲げ変形性能に関する研究（その２  ＳＣ杭の曲げせん断実験結果）」、日本建築学会大会学術講演梗概集（九州）２０１６年８月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
既製杭としてのＳＣ杭を埋込み工法で施工する場合、ＳＣ杭に生じる浮力を低減するために、ＳＣ杭には中空部が必要となる。そのため、非特許文献１及び２が開示するような中空部に充填材が充填された中実のＳＣ杭を埋め込み工法に用いることは難しい。
このため、ＳＣ杭を中実にせずに、ＳＣ杭の靭性を向上させる手段の開発が望まれる。
また、ＳＣ杭のみならず、外殻鋼管を備えていないＰＲＣ杭（プレストレスト鉄筋高強度コンクリート杭）やＰＨＣ杭（プレストレスト高強度コンクリート杭）等のコンクリート杭においても、中実にせずに、靭性を向上させる手段の開発が望まれる。
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、軸力が作用している場合であっても、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭の設計方法を提供することにある。
また、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、軸力が作用している場合であっても、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭の使用方法を提供することにある。
更に、本発明の少なくとも一実施形態の目的は、軸力が作用している場合であっても、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者は、上記目的を達成するために種々検討を重ねた結果、従来の外殻鋼管付きコンクリート杭では、終局曲げモーメントが作用したときに、コンクリートの内周面が圧壊して剥落し、靱性が低下することに着目した。そして、外殻鋼管付きコンクリート杭を中実にせずに、コンクリートの内周面の圧壊及び剥落を防止することができることを見出し、本発明に想到した。
（１）本発明の少なくとも一実施形態に係るコンクリート杭の設計方法は、
コンクリートを少なくとも一部に含む中空で円筒形状の杭体を備えるコンクリート杭の設計方法において、
前記コンクリート杭に対し作用する上限軸力を決定し、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに前記杭体の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回るように、前記コンクリート杭の仕様を決定する。
【０００７】
上記構成（１）によれば、上限軸力及び終局曲げモーメントが作用したときに、杭体の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回るので、杭体の内周面の圧壊が防止され、杭体の内周面の崩落が防止される。このため、コンクリート杭が変形し、杭体の径方向外側の部分が圧壊していたとしても、杭体の体積変化が抑制される。この結果として、上記構成（１）によって設計・製造されるコンクリート杭は、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する。
【０００８】
（２）幾つかの実施形態では、上記構成（１）において、
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに前記杭体の外側部の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪み以上になる。
【０００９】
上記構成（２）によれば、杭体の外側部の内周面の圧縮歪みがコンクリートの降伏圧縮歪みに達したとしても、最内側部の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回っているので、杭体の内周面の崩落が防止される。このため、コンクリート杭が変形し、杭体の外側部が圧壊していたとしても、杭体の体積変化が抑制される。
【００１０】
（３）幾つかの実施形態では、上記構成（１）又は（２）において、
前記コンクリート杭は、中空で円筒形状の外殻鋼管を更に備え、
前記杭体は前記外殻鋼管の内周面に付着している。
【００１１】
上記構成（３）によれば、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する外殻鋼管付きコンクリート杭の設計方法が提供される。
【００１２】
（４）幾つかの実施形態では、上記構成（１）又は（２）において、
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延び、前記杭体に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる緊張材と、
前記杭体の内部を前記杭体の周方向に延び、前記杭体の径方向にて前記緊張材よりも外側に配置された第１補強材と、を更に備える。
【００１３】
上記構成（４）によれば、杭体の周方向に延びる第１補強材によって、杭体の外側が補強される。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＨＣ杭等のコンクリート杭の設計方法が提供される。
【００１４】
（５）幾つかの実施形態では、上記構成（４）において、
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延びる第２補強材を更に備える。
【００１５】
上記構成（５）によれば、杭体の軸線方向に延びる第２補強材によって、曲げ耐力を高めることができ、より高い靱性を有するＰＲＣ杭等のコンクリート杭の設計方法が提供される。
【００１６】
（６）幾つかの実施形態では、上記構成（４）又は（５）において、
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記第１補強材は前記外側部の内部に配置され、
前記外側部における前記第１補強材の体積比と降伏点の積は２．４５Ｎ／ｍｍ２より大きい値である。
【００１７】
上記構成（６）によれば、杭体の外側部における第１補強材の体積比と降伏点の積が２．４５Ｎ／ｍｍ２より大きい値であるので、杭体の外側を確実に補強することができる。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＲＣ杭やＰＨＣ杭等のコンクリート杭の設計方法が提供される。
【００１８】
（７）幾つかの実施形態では、上記構成（２）乃至（６）の何れか１つにおいて、
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記最内側部はコンクリートによって構成され、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに、前記杭体の径方向にて前記杭体の内周面から前記最内側部の厚さの４分の１以上離れた位置にて前記最内側部の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回る。
【００１９】
円筒形状のコンクリートにおいては、径方向にて骨材の濃度分布が不均一になる場合がある。具体的には、径方向にて内周面から４分の１までの範囲で骨材の含有率が低くなり、セメントミルク（ノロ）の含有率が相対的に高くなる場合がある。このような場合、円筒形状のコンクリートにおいては、径方向にて内周面から４分の１までの範囲で、残り４分の３の範囲とは異なる特性を示す可能性がある。このため、セメントミルクの含有率が高い領域を考慮せず、最内側部のうち骨材を十分に含む領域で、最外側部の内周面を覆い続けられるようにすることが考えられる。
この点、上記構成（７）によれば、最内側部の内周面から最内側部の厚さの４分の１以上離れた位置にて最内側部の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回るので、最内側部のうちセメントミルクの含有率が高い領域を考慮せずとも、最内側部のうち骨材を十分に含む領域で、最外側部の内周面を覆い続けることができる。これにより、最内側部における骨材の濃度分布が不均一であったとしても、杭体の最内側部の体積変化を抑制することができる。この結果として、上記構成（７）によって設計・製造されるコンクリート杭は、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する。
【００２０】
（８）本発明の少なくとも一実施形態に係るコンクリート杭の使用方法は、
上記構成（２）乃至（７）の何れか１つに記載のコンクリート杭の設計方法を用いて製造され、前記杭体は、コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含むコンクリート杭の使用方法において、
前記杭体の最内側部の軸力及び曲げ耐力を無視して前記コンクリート杭に作用する軸力と終局曲げモーメントとの関係を表すＮＭ曲線を用意し、
前記コンクリート杭に作用する軸力及び曲げモーメントが前記ＮＭ曲線によって規定された使用可能範囲に収まり、且つ、前記コンクリート杭に作用する軸力が前記上限軸力以下になるように前記コンクリート杭を使用する。
【００２１】
上記構成（８）によれば、コンクリート杭に対し作用する軸力が上限軸力を超えないので、杭体の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回る。このため、軸力が作用している状態でも、コンクリート杭は優れた靱性を有する。
一方、ＮＭ曲線は、杭体の最内側部の軸力及び曲げ耐力を無視して作成されたものであるので、コンクリート杭の最低限の軸力及び終局曲げモーメントを想定したものであり、十分な安全を見込みながらコンクリート杭を使用することができる。
【００２２】
（９）本発明の少なくとも一実施形態に係るコンクリート杭は、
コンクリートを少なくとも一部に含む中空で円筒形状の杭体を備えるコンクリート杭において、
前記コンクリート杭に対し所定の上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに、前記杭体の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回る。
【００２３】
上記構成（９）によれば、上限軸力及び終局曲げモーメントが作用したときに、杭体の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回るので、杭体の内周面の圧壊が防止され、杭体の内周面の崩落が防止される。このため、コンクリート杭が変形し、杭体の径方向外側の部分が圧壊していたとしても、杭体の体積変化が抑制される。この結果として、上記構成（９）のコンクリート杭は、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する。
【００２４】
（１０）幾つかの実施形態では、上記構成（９）において、
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに前記杭体の外側部の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪み以上になる。
【００２５】
上記構成（１０）によれば、杭体の外側部の内周面の圧縮歪みがコンクリートの降伏圧縮歪みに達したとしても、最内側部の内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回っているので、杭体の内周面の崩落が防止される。このため、コンクリート杭が変形し、杭体の外側部が圧壊していたとしても、杭体の体積変化が抑制される。
【００２６】
（１１）幾つかの実施形態では、上記構成（９）又は（１０）において、
前記コンクリート杭は、中空で円筒形状の外殻鋼管を更に備え、
前記杭体は前記外殻鋼管の内周面に付着している。
【００２７】
上記構成（１１）によれば、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する外殻鋼管付きコンクリート杭が提供される。
【００２８】
（１２）幾つかの実施形態では、上記構成（９）又は（１０）において、
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延び、前記杭体に含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる緊張材と、
前記杭体の内部を前記杭体の周方向に延び、前記杭体の径方向にて前記緊張材よりも外側に配置された第１補強材と、を更に備える。
【００２９】
上記構成（１２）によれば、杭体の周方向に延びる第１補強材によって、杭体の外側が補強される。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＨＣ杭等のコンクリート杭が提供される。
【００３０】
（１３）幾つかの実施形態では、上記構成（１２）において、
前記コンクリート杭は、
前記杭体の内部を前記杭体の軸線方向に延びる第２補強材を更に備える。
【００３１】
上記構成（１３）によれば、杭体の軸線方向に延びる第２補強筋によって、曲げ耐力を高めることができ、より高い靱性を有するＰＲＣ杭等のコンクリート杭が提供される。
【００３２】
（１４）幾つかの実施形態では、上記構成（１２）又は（１３）において、
前記杭体は、
コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記第１補強材は前記外側部の内部に配置され、
前記外側部における前記第１補強材の体積比と降伏点の積は２．４５Ｎ／ｍｍ２より大きい値である。
【００３３】
上記構成（１４）によれば、杭体の外側部における第１補強材の体積比と降伏点の積が２．４５Ｎ／ｍｍ２より大きい値であるので、杭体の外側を確実に補強することができる。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＲＣ杭やＰＨＣ杭等のコンクリート杭が提供される。
【００３４】
（１５）幾つかの実施形態では、上記構成（９）乃至（１４）の何れか１つにおいて、
前記杭体は、コンクリートによって構成された円筒形状の外側部と、
前記外側部よりも前記杭体の径方向にて内側に位置し、前記杭体の内周面を構成する円筒形状の最内側部と、を含み、
前記最内側部はコンクリートによって構成され、
前記コンクリート杭に対し前記上限軸力が作用している状態で終局曲げモーメントが作用したときに、前記杭体の径方向にて前記杭体の内周面から前記最内側部の厚さの４分の１以上離れた位置にて前記最内側部の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回る。
【００３５】
円筒形状のコンクリートにおいては、径方向にて骨材の濃度分布が不均一になる場合がある。具体的には、径方向にて内周面から４分の１までの範囲で骨材の含有率が低くなり、セメントミルク（ノロ）の含有率が相対的に高くなる場合がある。このような場合、円筒形状のコンクリートにおいては、径方向にて内周面から４分の１までの範囲は、残り４分の３の範囲とは異なる特性を示す可能性がある。このため、セメントミルクの含有率が高い領域を考慮せず、最内側部のうち骨材を十分に含む領域で、最外側部の内周面を覆い続けられるようにすることが考えられる。
この点、上記構成（１５）によれば、最内側部の内周面から最内側部の厚さの４分の１以上離れた位置にて最内側部の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回るので、最内側部のうちセメントミルクの含有率が高い領域を考慮せずとも、最内側部のうち骨材を十分に含む領域で、最外側部の内周面を覆い続けることができる。つまり、最内側部における骨材の濃度分布が不均一であったとしても、杭体の最内側部の体積変化を抑制することができる。この結果として、上記構成（１５）によって設計・製造されるコンクリート杭は、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する。
【発明の効果】
【００３６】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、軸力が作用していても、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭の設計方法が提供される。
また本発明の少なくとも一実施形態によれば、軸力が作用していても、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭の使用方法が提供される。
更に本発明の少なくとも一実施形態によれば、軸力が作用していても、靭性が従来よりも改善される外殻鋼管付きコンクリート杭等の既製のコンクリート杭が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭の概略的な縦断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭の設計方法の概略的な手順を示すフローチャートである。
【図４】外殻鋼管付きコンクリート杭に軸力及び水平力が作用したときの応力度分布を説明するための図である。
【図５】図１に示した外殻鋼管付きコンクリート杭に用いられる外殻鋼管及びコンクリートにおける歪みと応力度との関係を概略的に示すグラフである。
【図６】外殻鋼管付きコンクリート杭の設計方法の仕様決定工程を説明するための図であり、平面保持仮定の下で終局曲げモーメントにより生じる最内側部の内周面における歪みと、最内側部の内周面の降伏圧縮歪みとの大小関係を概略的に示す図である。
【図７】従来の外殻鋼管付きコンクリート杭における、平面保持仮定の下で終局曲げモーメントにより生じる杭体の内周面における歪みと、杭体の内周面の降伏圧縮歪みとの大小関係を概略的に示す図である。
【図８】外殻鋼管付きコンクリート杭のＮＭ曲線を概略的に示すグラフである。
【図９】外殻鋼管付きコンクリート杭のＭ−φ曲線を概略的に示すグラフである。
【図１０】水平力により杭に発生する曲げモーメントを説明するための図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭の製造方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図１２】本発明の他の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭の図２に相当する断面図である。
【図１３】本発明の他の一実施形態に係るプレストレスト鉄筋高強度コンクリート杭（ＰＲＣ杭）の概略的な縦断面図である。
【図１４】図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う概略的な断面図である。
【図１５】図１３に示したＰＲＣ杭に用いられる異形鉄筋、ＰＣ鋼材及びコンクリートにおける歪みと応力度との関係を概略的に示すグラフである。
【図１６】ＰＲＣ杭の設計方法の仕様決定工程を説明するための図であり、平面保持仮定の下で終局曲げモーメントにより生じる最内側部の内周面における歪みと、最内側部の内周面の降伏圧縮歪みとの大小関係を概略的に示す図である。
【図１７】ＰＲＣ杭の製造方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
【図１８】ＰＲＣ杭の設計方法の他の仕様決定工程を説明するための図であり、平面保持仮定の下で終局曲げモーメントにより生じる最内側部の内周面から最内側部の厚さの４分の１離れた位置における歪みと、当該位置での降伏圧縮歪みとの大小関係を概略的に示す図である。
【図１９】本発明の他の一実施形態に係る既製のコンクリート杭の一種である節杭の概略的な縦断面である。
【図２０】本発明の他の一実施形態に係る既製のコンクリート杭の一種である拡径杭（ＳＴ杭）の概略的な縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
【００３９】
図１は、本発明の一実施形態に係る外殻鋼管付きコンクリート杭（以下、ＳＣ杭とも称する）１Ａの構成を概略的示す縦断面図である。図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
図１及び図２に示したように、ＳＣ杭１Ａは、外殻鋼管３と、杭体５Ａとを備える。
外殻鋼管３は、中空で円筒形状を有しており、例えば、ＳＫＫ材によって構成されている。外殻鋼管３は、例えば、３００ｍｍ以上１５００ｍｍ以下の外径Ｄを有し、外殻鋼管３の外径Ｄは、ＳＣ杭１Ａの外径に相当する。また、外殻鋼管３は、例えば、４．５ｍｍ以上２５ｍｍ以下の壁厚ｔｓを有する。外殻鋼管３は、例えば、３２５Ｎ／ｍｍ２の降伏強度σｓｔを有し、２０５０００Ｎ／ｍｍ２の弾性係数Ｅｓｔを有する。
【００４０】
杭体５Ａは、外殻鋼管３の内周面に付着した状態で外殻鋼管３内に配置され、コンクリートを少なくとも一部に含む。杭体５Ａは、円筒形状を有し、例えば硬化性の材料を硬化させて形成され、図２に示したように、横断面でみて壁厚ｔｃを有する。例えば、外殻鋼管３の両端には円環形状の端板７が溶接によって取り付けられ、杭体５Ａは、外殻鋼管３の軸線方向にて２つの端板７間に渡って延びている。なお、端板７が取り付けられている場合、ＳＣ杭１Ａの長さＬは、端板７の外面間の長さである。ＳＣ杭１Ａは、例えば、２ｍ以上の長さＬを有する。
【００４１】
図２に示したように、杭体５Ａは、同心に配置された２つ以上の円筒部を含む。２つ以上の円筒部は相互に付着している。
２つ以上の円筒部のうち、外殻鋼管３の内周面に付着する外側部９ａは、コンクリートによって構成されている。例えば、外側部９ａを構成するコンクリートは、８０Ｎ／ｍｍ２、８５Ｎ／ｍｍ２、１０５Ｎ／ｍｍ２、１２３Ｎ／ｍｍ２又は１４０Ｎ／ｍｍ２の設計基準強度Ｆｃを有する。コンクリートの弾性係数Ｅｃｔは、設計基準強度Ｆｃの順序に対応して、４００００Ｎ／ｍｍ２、４００００Ｎ／ｍｍ２、４２０００Ｎ／ｍｍ２又は４３０００Ｎ／ｍｍ２である。
【００４２】
２つ以上の円筒部のうち、最内側に位置する最内側部９ｂは、コンクリート又はグラウトによって構成されている。グラウトは、例えばセメントペーストやモルタルである。例えば、最内側部９ｂがコンクリートによって構成されている場合、コンクリートは、８０Ｎ／ｍｍ２、８５Ｎ／ｍｍ２、１０５Ｎ／ｍｍ２、１２３Ｎ／ｍｍ２又は１４０Ｎ／ｍｍ２の設計基準強度Ｆｃを有する。
ＳＣ杭１Ａの壁厚Ｈは、外殻鋼管３の壁厚ｔｓと杭体５Ａの壁厚ｔｃとの和であり、杭体５Ａが外側部９ａと最内側部９ｂとによって構成されている場合、外殻鋼管３の壁厚ｔｓと外側部９ａの壁厚ｔｃａと最内側部９ｂの壁厚ｔｃｂとの和（Ｈ＝ｔｓ＋ｔｃａ＋ｔｃｂ）である。
【００４３】
図３は、本発明の一実施形態に係るＳＣ杭１Ａの設計方法の概略的な手順を示すフローチャートである。
図３に示したように、ＳＣ杭１Ａの設計方法は、ＳＣ杭１Ａに作用する軸力の上限値（上限軸力）Ｎｍａｘを決定する上限軸力決定工程Ｓ１と、上限軸力Ｎｍａｘに応じてＳＣ杭１Ａの仕様を決定する仕様決定工程Ｓ２とを備えている。
【００４４】
ここで図４は、地震時にＳＣ杭１Ａの横断面に作用する応力分布を説明するための図である。図４の左上に示したように、ＳＣ杭１Ａには、上部構造から作用する軸力が作用しており、地震時には左下に示したように水平力がさらに作用する。これら軸力及び水平力が作用すると、地震時には、図４の右側に示すような応力がＳＣ杭１Ａの横断面に作用する。図４から、特に圧縮側で応力が大きくなることがわかる。
このような応力分布に起因して、従来のＳＣ杭に軸力が作用している場合、ＳＣ杭の地震時の破壊モードは、非特許文献２の写真２に示されているように、外殻鋼管が圧縮力により座屈し、外殻鋼管の内周面付近のコンクリートが圧壊し、そして、コンクリートの最内周面が圧壊して崩落するという順序をたどる。このようにコンクリートの最内周面が崩落することで、コンクリートの体積が減少し、曲げ変形が繰り返されると靱性が低下してしまう。
【００４５】
図５（ａ）は、外殻鋼管３の歪みと応力度との関係の一例を示しており、図５（ｂ）は、コンクリートの歪みと応力度との関係の一例を示している。図５の例では、外殻鋼管３は降伏歪みεｓｔで降伏し、コンクリートは降伏歪みεｃｔで降伏する。外殻鋼管３の降伏歪みεｓｔは、コンクリートの降伏歪みεｃｔよりも小さい。このため、平面保持仮定の下では、外殻鋼管がコンクリートよりも先に降伏することがわかる。
【００４６】
上述したＳＣ杭の破壊モードを踏まえると、ＳＣ杭１Ａの設計にあたっては、ＳＣ杭１Ａに作用する軸力を考慮することが重要である。そこで、上限軸力決定工程Ｓ１では、ＳＣ杭１Ａに作用する軸力（圧縮軸力）の上限値（上限軸力）Ｎｍａｘを決定する。なお、上限軸力Ｎｍａｘは、上部構造に対応して支持すべき鉛直荷重に対応して決定してもよいし、適当な任意の値から選択してもよい。
そして、仕様決定工程Ｓ２では、ＳＣ杭１Ａに対し上限軸力Ｎｍａｘが作用している状態で終局曲げモーメントＭが作用したときに杭体５Ａの内周面の圧縮歪みεｉが降伏圧縮歪みεｃｔを下回るように、ＳＣ杭１Ａの仕様を決定する。
ＳＣ杭１Ａの仕様としては、外殻鋼管３の外径Ｄ、壁厚ｔｓ及び材質（降伏歪み、弾性係数）、杭体５Ａの外側部９ａの壁厚ｔｃａ及び材質（強度、降伏歪み、弾性係数）、並びに、杭体５Ａの最内側部９ｂの壁厚ｔｃｂ及び材質（強度、降伏歪み、弾性係数）等をあげることができる。
【００４７】
上記構成によれば、上限軸力Ｎｍａｘ及び終局曲げモーメントＭが作用したときに、杭体５Ａの内周面の圧縮歪みεｉが降伏圧縮歪みεｃｔを下回るので、杭体５Ａの内周面の圧壊が防止され、杭体５Ａの内周面の崩落が防止される。このため、ＳＣ杭１Ａが変形し、杭体５Ａの径方向外側の部分が圧壊していたとしても、杭体５Ａの体積変化が抑制される。この結果として、上記構成によって設計・製造されるＳＣ杭１Ａは、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する。
【００４８】
図６は、仕様決定工程Ｓ２を説明するための図であり、ＳＣ杭１Ａの横断面での歪み分布を説明するための図である。
仕様決定工程Ｓ２では、平面保持仮定の下、ＳＣ杭１Ａの直径方向にて、外殻鋼管３の圧縮側の内面の歪みが終局歪みに到達する歪みを設定する。終局歪みは、例えば０．００５である。適当な仕様を見つけるために、歪みの分布は、圧縮側の外殻鋼管３の内面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φを変化させることで示される。ある歪みの分布において、ＳＣ杭１Ａの横断面に作用する軸力Ｎは、以下のようにして求めることができる。
【００４９】
まず、水平力が作用する方向をｙ軸にとり、ＳＣ杭１Ａの横断面をｙ軸に沿って微小長さｄｙ毎に区画する。そして、各区画に含まれる外殻鋼管３の面積ｄＳｓ、及び外側部９ａの面積ｄＳｃａを計算により求める。
そして、各面積ｄＳｓ、ｄＳｃａに作用する軸力ｄＮｓ、ｄＮｃａを、以下の式（１）〜（２）に示すように、面積ｄＳｓ、ｄＳｃａに、各区画での歪みε及び弾性係数Ｅｓｔ、Ｅｃｔを乗じて求める。
【００５０】
ｄＮｓ＝ｄＳｓ×Ｅｓｔ×ε            ・・・（１）
ｄＮｃａ＝ｄＳｃａ×Ｅｃｔ×ε        ・・・（２）
そして、以下の式（３）に示すように、すべての区画の軸力ｄＮｓ、ｄＮｃａを足し合わせることにより、ＳＣ杭１Ａに作用する軸力Ｎを求めることができる。
Ｎ＝Σ（ｄＮｓ＋ｄＮｃａ）  ・・・（３）
ただし、式（１）においてεの上限は降伏歪みεｓｔとする。また、式（２）において、コンクリートの引張力は零として考慮せず、εの上限は降伏歪みεｃｔとする。
【００５１】
かくして、圧縮側の外殻鋼管３の内面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φに応じて軸力Ｎを求めることができる。上限軸力Ｎｍａｘとしては、最内側部９ｂの圧縮側の内周面の歪みεｉが、最内側部９ｂを構成するコンクリートの降伏圧縮歪みεｃｔを下回るときの軸力Ｎが設定される。
【００５２】
ここで、図６からわかるように、ＳＣ杭１Ａに対し上限軸力Ｎｍａｘが作用しているときに終局曲げモーメントＭが作用したとき、外側部９ａの内周面における歪みは、外側部９ａの圧縮降伏歪みεｃｔを超えており、外側部９ａが圧壊してしまう可能性がある。このような場合でも、上記構成によれば、最内側部９ｂの内周面の圧縮歪みεｉが降伏圧縮歪みεｃｔを下回っているので、杭体５Ａの内周面の崩落が防止される。このため、ＳＣ杭１Ａが変形し、杭体５Ａの外側部９ａが圧壊していたとしても、杭体５Ａの体積変化が抑制される。
【００５３】
なお、図７は、従来のＳＣ杭の横断面での歪み分布を説明するための図である。従来のＳＣ杭の壁厚Ｈは、ＳＣ杭１Ａの壁厚Ｈよりも小さく、従来のＳＣ杭では、ＳＣ杭１Ａと同じ曲率φであっても、杭体の内周面の圧縮歪みεｉは、コンクリートの降伏圧縮歪みεｃｔ以上になっている。
【００５４】
図８は、ＳＣ杭１Ａにおける軸力Ｎと終局曲げモーメントＭとの関係を表すＮＭ曲線を示している。
なお、軸力Ｎに対応する終局曲げモーメントＭを求めるには、まず以下の式（４）〜（５）に示すように、各面積ｄＳｓ、ｄＳｃａに作用する曲げモーメントｄＭｓ、ｄＭｃａを、軸力ｄＮｓ、ｄＮｃａに図心からの距離ｙを乗じて求める。
ｄＭｓ＝ｄＮｓ×ｙ            ・・・（４）
ｄＭｃａ＝ｄＮｃａ×ｙ            ・・・（５）
そして、以下の式（６）に示すように、すべての区画の曲げモーメントｄＭｓ、ｄＭｃａを足し合わせることにより、各軸力Ｎに対応する終局曲げモーメントＭを求めることができる。
Ｍ＝Σ（ｄＭｓ＋ｄＭｃａ）        ・・・（６）
なお、図８には、最内側部９ｂの軸力ｄＮｃｂ及び曲げモーメントｄＭｃｂを考慮した場合のＮＭ曲線も参考のために示している。なお、軸力ｄＮｃｂは、最内側部９ｂの面積ｄＳｃｂに、各区画での歪みε及び弾性係数Ｅｃｔを乗じて求めることができる。曲げモーメントｄＭｃｂは、軸力ｄＮｃｂに図心からの距離ｙを乗じて求めることができる。
【００５５】
図９は、上限軸力Ｎｍａｘが作用したときのＳＣ杭１Ａにおける曲率φと曲げモーメントＭとの関係を表すＭ−φ曲線を示している。なお、図９には、最内側部９ｂの軸力ｄＮｃｂ及び曲げモーメントｄＭｃｂを考慮した場合のＭ−φ曲線も参考のために示している。
Ｍ−φ曲線は、上限軸力Ｎｍａｘ以下の範囲で任意の軸力Ｎにおいて、曲率φを変化させながら各曲率φに対応する曲げモーメントＭを求めることにより、求めることができる。
【００５６】
図９のＭ−φ曲線を用いれば、ＳＣ杭１Ａに水平力が作用したときに発生する曲げモーメントＭｏを以下の式（７）を用いて、ＳＣ杭１Ａの非線形性まで考慮して求めることもできる。
【００５７】
【数１】
2018145776.tif 000003
【００５８】
なお、式（７）中の記号は、図１０に示したように、以下のものを表している。
ｘ：地表面からの深さ（ｍ）
ｙ：深さｘでの杭の変位（ｍ）
Ｅ：杭のヤング係数（ｋＮ／ｍ２）
Ｉ：杭の断面２次モーメント（ｍ４）
Ｐ（ｘ）：深さｘでの水平地盤反力（ｋＮ／ｍ）
ただし、Ｐ（ｘ）は以下の式（８）で表される。
Ｐ（ｘ）＝ｋｈＢｙ        ・・・（８）
なお、式（８）中の記号は以下のものを表している。
Ｂ：杭幅
ｋｈ：水平地盤反力係数（ｋＮ／ｍ３）単位面積の地盤を単位長さ変位させるのに要する力
【００５９】
ここで、ある軸力ＮがＳＣ杭１Ａに作用しているときに、水平力が作用してＳＣ杭１Ａに曲げモーメントＭｏが発生することを想定した場合、軸力Ｎ及び曲げモーメントＭｏを表す点が、ＮＭ曲線によって囲まれた使用可能領域内に収まっており、且つ、軸力Ｎが上限軸力Ｎｍａｘ以下である必要がある。
このため、ＳＣ杭１Ａは、軸力ＮがＳＣ杭１Ａに作用しているときに、水平力が作用してＳＣ杭１Ａに曲げモーメントＭｏが発生することを想定したときに、軸力Ｎ及び曲げモーメントＭｏを表す点が、ＮＭ曲線によって囲まれた使用可能領域内に収まり、且つ、軸力Ｎが上限軸力Ｎｍａｘ以下になるように使用される。例えば、ＳＣ杭１Ａは、引き抜き力−Ｎｅが作用しているときの軸力Ｎａ−Ｎｅでの発生曲げモーメントＭｏ及び押し込み力＋Ｎｅが作用しているときの軸力Ｎａ＋Ｎｅでの発生曲げモーメントＭｏが、ＮＭ曲線によって囲まれた使用可能領域内に収まり、且つ、軸力Ｎａ＋Ｎｅが上限軸力Ｎｍａｘ以下になるように使用される（図８参照）。別の表現を使用すれば、ＳＣ杭１Ａを含む複数の杭を用いる基礎杭を設計する場合、上述した条件を満たすように基礎杭が設計される。
【００６０】
上記したＳＣ杭１Ａの使用方法によれば、ＳＣ杭１Ａに対し作用する軸力が上限軸力Ｎｍａｘを超えないので、杭体５Ａの内周面の圧縮歪みεｉが降伏圧縮歪みεｃｔを下回る。このため、軸力が作用している状態でも、ＳＣ杭１Ａは優れた靱性を有する。
一方、上述したように、ＮＭ曲線は、杭体５Ａの最内側部９ｂの軸力Ｎｃｂ及び曲げ耐力Ｍｃｂを無視して作成されたものであるので、ＳＣ杭１Ａの最低限の軸力及び終局曲げモーメントを想定したものであり、十分な安全を見込みながらＳＣ杭１Ａを使用することができる。
【００６１】
上述した実施形態では、外殻鋼管３の座屈による影響を考慮していなかったが、外殻鋼管３の降伏強度σｓｔに代えて、以下の式（９）〜（１１）に示される、終局限界圧縮耐力Ｎｕ及び終局限界引張耐力Ｎｕｌを用いてもよい。
上述したように、ＳＣ杭の破壊モードは外殻鋼管の座屈から始まるため、終局限界圧縮耐力Ｎｕ及び終局限界引張耐力Ｎｕｌを用いれば、ＳＣ杭１Ａの変形性能をより正確に求めることができる。
【００６２】
【数２】
2018145776.tif 000004
【００６３】
なお、式（９）〜（１１）中の記号は以下のものを表す。
Ｆ：鋼材の基準強度（＝σｓｔ（Ｎ／ｍｍ２）
ｔ：鋼管の厚さ（腐食しろを考慮）（ｍｍ）
ｒ：鋼管の半径（ｍｍ）
Ａ：鋼管の断面積（腐食しろを考慮）（ｍｍ２）
【００６４】
図１１は、外殻鋼管杭１Ａの製造方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
図１１に示したように、ＳＣ杭１Ａの製造方法は、外殻鋼管準備工程Ｓ１０と、第１打設工程Ｓ１１と、第１遠心成形工程Ｓ１２と、第２打設工程Ｓ１３と、第２遠心成形工程Ｓ１４とを備えている。
【００６５】
外殻鋼管準備工程Ｓ１０では外殻鋼管３を用意する。
第１打設工程Ｓ１１では、外殻鋼管３内に生コンクリートを充填する。この充填は外殻鋼管３内に挿入可能な径のスクリューフィーダー等によって行う。スクリューフィーダーは、ある程度生コンクリートが充填されてきた段階で、徐々に引き抜きながら生コンクリートを充填する。
【００６６】
第１遠心成形工程Ｓ１２では、生コンクリートが充填された外殻鋼管３を遠心成形装置の型枠内に入れ、型枠の回転により生コンクリートの遠心成形を行い、円筒形状の杭体５Ａの外側部９ａを形成する。遠心成形によりコンクリートは締め固められた状態となる。これにより、円筒形状の杭体５Ａの外側部９ａが形成される。
第１遠心成形工程Ｓ１２後に行われる第２打設工程Ｓ１３では、第１遠心成形工程Ｓ１２にて成形された生コンクリートの内側に、生コンクリートが更に充填される。
【００６７】
そして、第２遠心成形工程Ｓ１４では、第１遠心成形工程Ｓ１２と同様にして、型枠の回転により生コンクリートの遠心成形を行い、円筒形状の杭体５Ａの最内側部９ｂを形成する。これにより、円筒形状の杭体５Ａが形成される。
かかる場合に、最内側部９ｂは外側部９ａに完全に付着していなくても良い。即ち付着力が無い状態でも良い。
【００６８】
〔実施例〕
以下の表１〜表６は、上述したＳＣ杭の設計方法によって決定されたＳＣ杭の仕様と径厚比に対応する軸力比の計算結果を表している。
径厚比は、ＳＣ杭の外径Ｄに対する、ＳＣ杭の壁厚Ｈの比Ｈ／Ｄである。軸力比は、ＳＣ杭の圧縮強度Ｎｃに対する上限軸力Ｎｍａｘの比Ｎｍａｘ／Ｎｃである。ＳＣ杭の圧縮強度Ｎｃは、外殻鋼管３の断面積Ｓｓに降伏強度σｓｔを乗じた値と、外側部９ａの断面積Ｓｃａにコンクリートの強度Ｆｃを乗じた値とを足し合わせた値である。
【００６９】
なお、表１〜表６中のＳＣ杭の仕様の表記については、ｔが外殻鋼管３の壁厚を表し（単位：ｍｍ）、Ｈが外殻鋼管３の壁厚と外側部９ａの壁厚の和を表し（単位：ｍｍ）、（）内の数値が外側部９ａの強度（単位：Ｎ／ｍｍ２）を表し、＋の後の数値が最内側部９ｂの強度（単位：Ｎ／ｍｍ２）を表している。例えば、「ＳＣｔ４．５Ｈ６５（Ｆｃ８５）＋Ｆｃ８５」という仕様は、壁厚Ｈが６５ｍｍのＳＣ杭に、径厚比が所定の大きさになるよう最内側部９ｂをさらに設けたＳＣ杭を表している。従って、表１〜表６中の仕様を表すときのみ、Ｈの定義が他の箇所と異なっている点に留意されたい。
以下の表１〜表６に示す仕様及び径厚比を有するＳＣ杭は、表中の軸力比に対応する軸力Ｎ及び終局曲げモーメントが作用しても、最内側部９ｂの内周面の歪みεｉが降伏歪みεｃｔを下回る。
【００７０】
【表１】
2018145776.tif 000005
【００７１】
【表２】
2018145776.tif 000006
【００７２】
【表３】
2018145776.tif 000007
【００７３】
【表４】
2018145776.tif 000008
【００７４】
【表５】
2018145776.tif 000009
【００７５】
【表６】
2018145776.tif 000010
【００７６】
なお、表１のデータから、径厚比Ｈ／Ｄをｘとし、軸力比をｙとしたとき、軸力比ｙの最大値は、径厚比Ｈ／Ｄの関数として以下の式（１２）により求めることができる。
ｙ＝２．５８６２ｘ−０．２０８７      ・・・（１２）
同様に、表２〜６の各データから、軸力比ｙの最大値は、径厚比Ｈ／Ｄの関数として以下の式（１３）〜（１７）により求めることができる。
ｙ＝２．７２０７ｘ−０．２３７７      ・・・（１３）
ｙ＝２．５９１５ｘ−０．２０６７      ・・・（１４）
ｙ＝２．７９９２ｘ−０．２５６２      ・・・（１５）
ｙ＝２．４３０９ｘ−０．１４８        ・・・（１６）
ｙ＝２．４３９９ｘ−０．１４３１      ・・・（１７）
【００７７】
一方、表７は、従来のＳＣ杭における径厚比の最大値を示している。ＳＣ杭１Ａは、各外径Ｄにおいて、表７に示す径厚比Ｈ／Ｄよりも大きな径厚比Ｈ／Ｄを有している。そして、ＳＣ杭１Ａは、中空であるため、０．５よりも小さい径厚比Ｈ／Ｄを有している。
【００７８】
【表７】
2018145776.tif 000011
【００７９】
本発明は上述した幾つかの実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では、杭体５Ａが２つの円筒部によって構成されていたが、図１２に示すＳＣ杭１Ｂのように、杭体５Ｂが１つの円筒部によって構成されていてもよい。杭体５Ｂはコンクリートによって構成されている。あるいは、杭体が、３つ以上の円筒部によって構成されていてもよい。
また、杭体５Ａが外側部９ａ及び最内側部９ｂによって構成されている場合、外側部９ａの強度は、最内側部９ｂの強度と同じであっても、大きくても、あるいは小さくてもよい。なお、最内側部９ｂの強度を外側部９ａの強度よりも大きくすれば、最内側部９ｂの壁厚ｔｃｂを薄くすることができ、ＳＣ杭１Ａの軽量化を図ることができる。
また、上述した実施形態では、外側部９ａの内周面全域が最内側部９ｂによって覆われていたが、ＳＣ杭１Ａの軸線方向にて、相対的に大きな曲げモーメントが発生する領域にのみ最内側部９ｂを設けてもよい。つまり、ＳＣ杭１Ａの軸線方向にて、外側部９ａの内周面を最内側部９ｂによって部分的に覆ってもよい。
【００８０】
更に、杭体５Ａが外側部９ａ及び最内側部９ｂによって構成されている場合、外側部９ａ及び最内側部９ｂの両方がコンクリートによって構成されていてもよい。つまり、杭体５Ａ及び５Ｂの内周面は、中空部内に配置される鋼管によって覆われる事無くコンクリートによって構成されていてもよい。
また更に、杭体５Ａ及び５Ｂを構成するコンクリートは、無筋コンクリートであるが、鉄筋コンクリートであってもよい。
一方、上述した実施形態では、終局曲げモーメントが作用したときに杭体５Ａ,５Ｂの内周面の圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回るが、好ましくは、ＳＣ杭１Ａ,１Ｂの径方向にて、杭体５Ａ,５Ｂの内周面の位置（ｒｉ）から１０ｍｍ外側までの領域において、圧縮歪みが降伏圧縮歪みを下回る。
また、外殻鋼管３としては、ＳＫＫ材のみならず、ＳＴＫ材、ＳＭ材、ＳＳ材を用いてもよい。
【００８１】
更に本発明は、ＳＣ杭に限定されることはなく、以下に述べるように、外殻鋼管を有さない既製のコンクリート杭、その設計方法及び使用方法にも適用可能である。なお、以下の説明において、上述した実施形態と同一又は類似の構成については、同一の符号を付して説明を省略又は簡略化する。
【００８２】
図１３は、本発明の他の一実施形態に係るＰＲＣ杭（プレストレスト鉄筋高強度コンクリート杭）１０の概略的な縦断面である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う概略的な断面図である、なお、図１３は、図１４のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿う概略的な断面図である。
【００８３】
図１３及び図１４に示したように、ＰＲＣ杭１０は、外殻鋼管を有さない点においてＳＣ杭１Ａと異なっている。一方、ＰＲＣ杭１０は、緊張材としての複数のＰＣ鋼材（ＰＣ鋼棒）１２と、第１補強材としてのせん断補強筋１４と、第２補強材としての複数の異形鉄筋１６とを備えている。
【００８４】
複数のＰＣ鋼材１２は、それぞれ棒状であり、杭体５Ａの内部を杭体５Ａの軸線方向に延び、両端に配置された端板７,７間に架け渡されている。複数のＰＣ鋼材１２は、杭体５Ａの軸線方向でみて、同心上に配置されている。複数のＰＣ鋼材１２の両端は、端板７，７に係合され、複数のＰＣ鋼材１２は、端板７,７とともに、杭体５Ａに含まれるコンクリートに圧縮力を作用させる。ＰＣ鋼材１２は、例えば、６本以上３０本以下配置され、杭体５Ａの周方向にて等間隔で配置される。ＰＣ鋼材１２は、例えば１０ｍｍ以上１３ｍｍ以下の直径を有する。
【００８５】
第１補強材としてのせん断補強筋１４は、棒状であり、杭体５Ａの内部を杭体５Ａの周方向に延び、杭体５Ａの径方向にてＰＣ鋼材１２よりも外側に配置されている。本実施形態では、せん断補強筋１４は、杭体５Ａの内部を螺旋状に延びており、杭体５Ａの軸線方向にも延びている。せん断補強筋１４は、例えば、５．０ｍｍ以上７．５ｍｍ以下の直径を有し、７８５Ｎ／ｍｍ２の強度を有し、４０ｍｍ以上１００ｍｍ以下のピッチの螺旋状に延びている。なお、せん断補強筋１４は、螺旋状ではなく、杭体５Ａの周方向に延びるリング状のものを杭体５Ａの軸線方向に間隔を置いて複数設けることとしてもよい。また、せん断補強筋１４は、丸鋼や異形鉄筋によって構成されていてもよい。
【００８６】
第２補強材としての複数の異形鉄筋１６は、それぞれ棒状であり、杭体５Ａの内部を杭体５Ａの軸線方向に延び、両端に配置された端板７,７間を延びている。複数の異形鉄筋１６は、杭体５Ａの軸線方向でみて、同心上に配置され、杭体５Ａの周方向にてＰＣ鋼材１２の中間に配置されている。例えば、異形鉄筋１６が配置される円の直径は、ＰＣ鋼材１２が配置される円の直径と等しいか、わずかに小さい。
【００８７】
図１５（ａ）〜（ｃ）は、図１３に示したＰＲＣ杭１０に用いられる異形鉄筋１６、ＰＣ鋼材１２及びコンクリートにおける歪みと応力度との関係をそれぞれ概略的に示すグラフである。
図１６は、ＰＲＣ杭１０における図６に相当する図である。ＰＲＣ杭１０の場合、仕様決定工程Ｓ２では、平面保持仮定の下、ＰＲＣ杭１０の直径方向にて、杭体５Ａの圧縮側の外面の歪みが終局歪みに到達する歪みを設定する。終局歪みは、例えば０．００３５である。適当な仕様を見つけるために、歪みの分布は、圧縮側の杭体５Ａの外面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φを変化させることで示される。ある歪みの分布において、ＰＲＣ杭１０の横断面に作用する軸力Ｎは、以下のようにして求めることができる。
【００８８】
まず、水平力が作用する方向をｙ軸にとり、ＰＲＣ杭１０の横断面をｙ軸に沿って微小長さｄｙ毎に区画する。そして、各区画に含まれる杭体５Ａの外側部９ａの面積ｄＳｃａ、ＰＣ鋼材１２の面積ｄＳｐ、及び、異形鉄筋１６の面積ｄＳｒを計算により求める。
そして、各面積ｄＳｃａ、ｄＳｐ、ｄＳｒに作用する軸力ｄＮｃａ、ｄＮｐ、ｄＮｒを、以下の式（１８）〜（２０）に示すように、面積ｄＳｃａ、ｄＳｐ、ｄＳｒに、各区画での歪みε及び弾性係数Ｅｃｔ、Ｅｐｔ、Ｅｒｔを乗じて求める。
なお、図１６では、軸力や曲げモーメントの算出にあたり、計算を簡単にするために、異形鉄筋１６を等価な断面積を有する薄肉鋼管１６’にて代替し、ＰＣ鋼材１２を等価な断面積を有する薄肉鋼管１２’にて代替し、外側部９ａの面積ｄＳｃａをｄＳｃａｏとｄＳｃａｉに分けているが、必ずしもこれらの代替は必要ではない。
【００８９】
ｄＮｃａ＝ｄＳｃａ×Ｅｃｔ×ε        ・・・（１８）
ｄＮｐ＝ｄＳｐ×Ｅｐｔ×ε            ・・・（１９）
ｄＮｒ＝ｄＳｒ×Ｅｒｔ×ε            ・・・（２０）
そして、以下の式（２１）に示すように、すべての区画の軸力ｄＮｃａ、ｄＮｐ、ｄＮｒを足し合わせることにより、ＰＲＣ杭１０に作用する軸力Ｎを求めることができる。なお、軸力Ｎの算出にあたり、せん断補強筋１４に作用する軸力を考慮する必要は無い。
Ｎ＝Σ（ｄＮｃａ＋ｄＮｐ＋ｄＮｒ）  ・・・（２１）
ただし、式（１８）において、コンクリートの引張力は零として考慮せず、εの上限は降伏歪みεｃｔとする。そして、式（２０）においてεの上限は降伏歪みεｒｔとする。
なお、ＰＣ鋼材１２には、例えば、ＰＲＣ杭１０の初期の状態で約０．００５の引張歪みεｐｉが導入されている。ＰＲＣ杭１０の引張側の歪みの上限は、ＰＣ鋼材１２の引張歪みεｐによって規定され、引張歪みεｐが０．０５となるときの歪みが、ＰＲＣ杭１０の引張側の歪みの上限に設定される。
【００９０】
そして、軸力Ｎに対応する終局曲げモーメントＭを求めるには、まず以下の式（２２）〜（２４）に示すように、各面積ｄＳｃａ、ｄＳｐ、ｄＳｒに作用する曲げモーメントｄＭｃａ、ｄＭｐ、ｄＭｒを、軸力ｄＮｃａ、ｄＮｐ、ｄＮｒに図心からの距離ｙを乗じて求める。
ｄＭｃａ＝ｄＮｃａ×ｙ            ・・・（２２）
ｄＭｐ＝ｄＮｐ×ｙ            ・・・（２３）
ｄＭｒ＝ｄＮｒ×ｙ            ・・・（２４）
【００９１】
そして、以下の式（２５）に示すように、すべての区画の曲げモーメントｄＭｃａ、ｄＭｐ、ｄＭｒを足し合わせることにより、各軸力Ｎに対応する終局曲げモーメントＭを求めることができる。
Ｍ＝Σ（ｄＭｃａ＋ｄＭｐ＋ｄＭｒ）        ・・・（２５）
【００９２】
かくして、圧縮側の杭体５Ａの外面の歪みを終局歪みに固定した状態で、曲率φに応じて軸力Ｎ及び終局曲げモーメントＭを求めることができる。上限軸力Ｎｍａｘとしては、最内側部９ｂの圧縮側の内周面の歪みεｉが、最内側部９ｂを構成するコンクリートの降伏圧縮歪みεｃｔを下回るときの軸力Ｎが設定される。
【００９３】
ここで、図１６からわかるように、ＰＲＣ杭１０に対し上限軸力Ｎｍａｘが作用しているときに終局曲げモーメントＭが作用したとき、外側部９ａの内周面における歪みは、外側部９ａの圧縮降伏歪みεｃｔを超えており、外側部９ａの内周面が圧壊してしまう可能性がある。このような場合でも、上記構成によれば、最内側部９ｂの内周面の圧縮歪みεｉが降伏圧縮歪みεｃｔを下回っているので、杭体５Ａの内周面の崩落が防止される。このため、ＰＲＣ杭１０が変形し、杭体５Ａの外側部９ａが圧壊していたとしても、杭体５Ａの体積変化が抑制される。
【００９４】
なお、ＰＲＣ杭１０は、杭体５Ａの両端部の外周面を保護するための筒状材１８を更に備えていてもよい。各筒状材１８は、例えば端板７に溶接により固定され、杭体５Ａの外周面の一端部を覆う。つまり、ＰＲＣ杭１０の杭体５Ａは、外殻鋼管のような金属材によって覆われていない外周面を、軸線方向にて両端部を除く中間部に部分的にでも有していればよく、ＰＲＣ杭１０の一部が外殻鋼管によって覆われていてもよい。
【００９５】
幾つかの実施形態では、第１補強材としてのせん断補強筋１４は杭体５Ａの外側部９ａの内部に配置され、外側部９ａにおける第１補強材の体積比と降伏点（降伏強度）の積は２．４５Ｎ／ｍｍ２より大きい値である。
上記構成によれば、杭体５Ａの外側部９ａにおける第１補強材としてのせん断補強筋１４の体積比と降伏点の積が２．４５Ｎ／ｍｍ２より大きい値であるので、杭体５Ａの外側を確実に補強することができる。この結果として、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する、外殻鋼管を有さないＰＲＣ杭１０の設計方法が提供される。
【００９６】
なお、仕様決定工程Ｓ２で決定するＰＲＣ杭１０の仕様としては、杭体５Ａの外側部９ａの壁厚ｔｃａ及び材質（強度、降伏歪み、弾性係数）、杭体５Ａの最内側部９ｂの壁厚ｔｃｂ及び材質（強度、降伏歪み、弾性係数）、緊張材（ＰＣ鋼材１２）の数、寸法及び材質（強度、降伏歪み、弾性係数）、第１補強材（せん断補強筋１４）の数、寸法及び材質（強度、降伏歪み、弾性係数）、並びに、第２補強材（異形鉄筋１６）の数、寸法及び材質（強度、降伏歪み、弾性係数）等をあげることができる。
【００９７】
図１７は、ＰＲＣ杭１０の製造方法の手順を概略的に示すフローチャートである。
ＰＲＣ杭１０の製造方法は、図１１に示したＳＣ杭１Ａの製造方法と比べたときに、外殻鋼管準備工程Ｓ１０に代えて、鉄筋かご準備工程Ｓ１５を備えている。鉄筋かご準備工程Ｓ１５では、ＰＣ鋼材１２、せん断補強筋１４及び異形鉄筋１６からなる鉄筋かごを用意する。
また、ＰＲＣ杭１０の製造方法は、杭体５Ａにプレストレスを導入するために、緊張工程Ｓ１６及びプレストレス導入工程Ｓ１７を更に備えている。
【００９８】
緊張工程Ｓ１６は、第１打設工程Ｓ１１の後に行われる。緊張工程Ｓ１６では、ジャッキによってＰＣ鋼材１２を軸線方向に引っ張り、そのまま引っ張られた状態に保持する。具体的には、端板７にアダプタを取り付け、アダプタをジャッキで引っ張る。アダプタは、端板７の外面にボルトで固定される円盤形状の緊張板と、緊張板と一体に設けられ、型枠の端面を貫通して延びる緊張ロッドと、緊張ロッドに螺合可能な緊張ナットとからなる。ジャッキによって緊張ロッドを引っ張りながら、緊張ナットを型枠の端面に当接するまでねじ込むことで、ＰＣ鋼材１２を引っ張られた状態に保持することができる。
【００９９】
ＰＣ鋼材１２は、第１遠心成形工程Ｓ１２、第２打設工程Ｓ１３及び第２遠心成形工程Ｓ１４の間、引っ張られた状態に保持される。
第２遠心成形工程Ｓ１４の終了後に、所定の養生プログラムに沿って蒸気養生を行う。
蒸気養生を所定時間行った後、プレストレス導入工程Ｓ１７において、ＰＣ鋼材１２の引っ張り状態が解除される。つまり、緊張ナットが緩められる。これにより、引っ張られていたＰＣ鋼材１２が収縮しようとし、端板７，７及びＰＣ鋼材１２によって、杭体５Ａにプレストレスが導入される。つまり、ＰＲＣ杭１０が実際に使用される前から、杭体５Ａには予め圧縮力が作用させられる。
なお、プレストレス導入工程Ｓ１７は、第１遠心成形工程Ｓ１２と第２打設工程Ｓ１３との間に行ってもよい。この場合、杭体５Ａの外側部９ａにのみプレストレスが導入される。
【０１００】
図１８は、ＰＲＣ杭１０の設計方法の他の仕様決定工程Ｓ２を説明するための図であり、平面保持仮定の下で終局曲げモーメントＭにより生じる最内側部９ｂの内周面から最内側部９ｂの厚さｔｃｂの４分の１離れた位置における歪みεｉ’と、当該位置での降伏圧縮歪みεｃｔとの大小関係を概略的に示す図である。
幾つかの実施形態では、杭体５Ａの最内側部９ｂはコンクリートによって構成され、ＰＲＣ杭１０に対し上限軸力Ｎｍａｘが作用している状態で終局曲げモーメントＭが作用したときに、図１８に示したように、杭体５Ａの径方向にて杭体５Ａの内周面から最内側部９ｂの厚さｔｃｂの４分の１以上離れた位置にて最内側部９ｂの圧縮歪みεｉ’が降伏圧縮歪みを下回る。
【０１０１】
円筒形状のコンクリートにおいては、特に遠心成形されるコンクリートにおいては、径方向にて骨材の濃度分布が不均一になる場合がある。具体的には、径方向にて内周面から４分の１までの範囲で骨材の含有率が低くなり、セメントミルク（ノロ）の含有率が相対的に高くなる場合がある。このような場合、円筒形状のコンクリートにおいては、径方向にて内周面から４分の１までの範囲は、残り４分の３の範囲とは異なる特性を示す可能性がある。このため、セメントミルクの含有率が高い領域を考慮せず、最内側部のうち骨材を十分に含む領域で、最外側部の内周面を覆い続けられるようにすることが考えられる。
この点、上記構成によれば、最内側部９ｂの内周面から最内側部９ｂの厚さｔｃｂの４分の１以上離れた位置にて最内側部９ｂの圧縮歪みεｉ’が降伏圧縮歪みεｃｔを下回るので、最内側部９ｂのうちセメントミルクの含有率が高い領域を考慮せずとも、最内側部９ｂのうち骨材を十分に含む領域で、最外側部９ａの内周面を覆い続けることができる。これにより、最内側部９ｂにおける骨材の濃度分布が不均一であったとしても、杭体５Ａの最内側部９ｂの体積変化を抑制することができる。この結果として、上記構成によって設計・製造されるＰＲＣ杭１０は、軸力が作用している状態でも優れた靱性を有する。
【０１０２】
図１９は、本発明の他の一実施形態に係る既製のコンクリート杭の一種である節杭２０の概略的な縦断面図である。節杭２０は、杭体５Ａの外周面から突出する１つ以上の節部２２を有する点においてＰＲＣ杭１０と異なっている。節部２２は、コンクリートによって外側部９ａと一体に形成されている。なお、節杭２０において、軸力Ｎや終局曲げモーメントＭを算出するときに用いられる横断面の位置は、杭体５Ａの軸線方向にて、節部２２が設けられていない位置とする。
【０１０３】
図２０は、本発明の他の一実施形態に係る既製のコンクリート杭の一種である拡径杭（ＳＴ杭）３０の概略的な縦断面図である。ＳＴ杭３０は、杭体５Ａの一端部（拡径部３２）の外径が、杭体５Ａの中間部よりも大きくなっている点において、ＰＲＣ杭１０と異なっている。拡径部３２は、節部２２と同様に、コンクリートによって外側部９ａと一体に形成されている。なお、ＳＴ杭３０において、軸力Ｎや終局曲げモーメントＭを算出するときに用いられる横断面の位置は、杭体５Ａの軸線方向にて、拡径部３２が設けられていない位置とする。
【０１０４】
なお、図２０のＳＴ杭３０は、一端部のみが拡径されているが、本発明は、杭体５Ａの両端部が拡径された拡径杭や、杭体５Ａの軸線方向中間部が拡径された中間拡径杭にも適用可能である。また、図２０のＳＴ杭３０は、節部２２を有していないが、ＳＴ杭３０は、節部２２を有していてもよい。
【０１０５】
最後に、本発明は上述した幾つかの実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。  例えば、上述した実施形態において、ＰＲＣ杭１０は第２補強材として複数の異形鉄筋１６を備えていたが、異形鉄筋１６を備えていなくてもよい。つまり、本発明は、ＰＲＣ杭１０のみならず、既製のコンクリート杭の一種であるプレストレスト高強度コンクリート杭（ＰＨＣ杭）にも適用可能である。
また、ＰＲＣ杭１０において、各異形鉄筋１６は、杭体５Ａの全長に渡って延びているが、各異形鉄筋１６の長さは、杭体５Ａの全長よりも短くてもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１Ａ，１Ｂ        外殻鋼管付きコンクリート杭（ＳＣ杭）
３        外殻鋼管
５Ａ，５Ｂ        杭体
７        端板
９ａ      外側部
９ｂ      最内側部
１０      プレストレスト鉄筋高強度コンクリート杭（ＰＲＣ杭）
１２      ＰＣ鋼材（緊張材）
１４      せん断補強筋（第１補強材）
１６      異形鉄筋（第２補強材）
１８      筒状材
２０      節杭
２２      節部
３０      拡径杭（ＳＴ杭）
３２      拡径部
【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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【図２０】
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