(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
杭の頭部をフーチングに埋め込むことにより、前記杭の頭部と前記フーチングとを接合する杭頭接合構造であって、
前記杭は、杭本体と、該杭本体の上端部に外挿される外管と、該外管と前記杭本体との間に配置され、前記外管と前記杭本体との間に詰め込まれる間詰め材を受け止める間詰め材受け部材とを備え、前記フーチングに埋め込まれた前記外管の上端部をクッション材で覆うと共に、該外管の頭部にモーメント荷重を伝達するモーメント荷重伝達手段を具備することを特徴とする杭頭接合構造。
【請求項２】
前記杭本体の上端部を前記外管より突出させたことを特徴とする請求項１に記載した杭頭接合構造。
【請求項３】
前記間詰め材受け部材を予め前記外管と前記杭本体との間に取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載した杭頭接合構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土木、建築構造物の杭基礎における杭頭接合構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は一般に採用される鋼管杭の杭頭接合構造を示したものであり、この杭頭接合構造は、鋼管の内部にコンクリートが充填された鋼管杭２が地中に埋め込まれると共に、該鋼管杭２の頭部が柱１の下部に形成された鉄筋コンクリート製のフーチング３に埋め込まれて接合されている。なお、図において符号４は、ずれ止めのために鋼管杭２の頭部周面に溶接されたフラットバーである。
【０００３】
ところで、杭頭接合部は、通常、杭体（鋼管杭）と同等以上の、耐力、剛性が求められるが、図５に示す杭頭接合構造においては、次のような問題がある。
図６は、フーチング３に地震時の水平力が加わった場合に、鋼管杭２に生じる曲げモーメントの分布を示したもので、図中のＡは杭頭剛結条件の場合で、Ｂはフーチング３と杭頭との接合部が破壊され、杭頭ピン条件となった場合である。
【０００４】
Ａの最大曲げモーメントＭｔは杭頭部で発生し、Ｂの場合の最大曲げモーメントＭｇは地中部で発生する。杭体の設計においては、Ｍｔ、Ｍｇどちらの曲げモーメントにも耐えられるように杭体強度を設定する必要があるが、一般にはＭｔはＭｇの２倍程度大きいため、Ｍｔで杭体強度が決定される。
従って、図５の杭頭接合構造では鋼管杭２がＭｔにも耐えられるように鋼管の板厚を大きくする必要があり、コストが高くつく。なお、杭頭部のみ鋼管の板厚を大きくすることも考えられるが、製造コスト、施工性等の面から現実的でない。
【０００５】
また、フーチング３から地中に埋設された鋼管杭２に水平力および曲げ力を伝達する際に、フーチングコンクリートに支圧力が発生する。フーチングコンクリートの水平支圧応力度は次式（１）で示され、杭径にほぼ反比例することとなる。
σch＝（Ｈ／ＤＬ）＋（６Ｍ／ＤＬ2 ）≦σca            …（１）
但し、σch：水平支圧応力度（Ｎ／ｍｍ2 ）
σca：コンクリートの許容支圧応力度（Ｎ／ｍｍ2 ）
Ｈ：杭頭水平力（Ｎ）
Ｍ：杭頭モーメント（Ｎ・ｍｍ）
Ｌ：フーチングへの杭の埋込み長（ｍｍ）
Ｄ：杭の外径（ｍｍ）
従って、大きな水平力およびモーメントが作用する場合、フーチング３への鋼管杭２の頭部の埋込み長を長くしたり、フーチングコンクリートを高強度のものとすることが必要になり、いずれもコストを低くする妨げになる。
【０００６】
このような事情から、従来においては、図７に示すように、鋼管杭又は既製コンクリート杭からなる杭本体５に外鋼管６を外挿し、杭本体５と外鋼管６を別個にソイルセメント柱７中に建て込むと共に、杭本体５及び外鋼管６の頭部をフーチング８に埋め込んで接合した二重管杭の杭頭接合構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６２−２６８４２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の杭頭接合構造においては、更なるコスト低減を図るためには、鋼管の肉厚を薄くすることが望まれるが、杭本体５及び外鋼管６の両方で鉛直荷重、水平荷重およびモーメント荷重を負担することになるため、鉛直及び水平方向の支持力と曲げ力とのバランスが悪く、外鋼管６の板厚を薄くするには限界があり、コストを低くする妨げになっている。
また、杭体の略全長に渡ってソイルセメント７を造成する必要があるため、施工性や施工コストの面でも問題が生じてくる。
本発明はこのような不都合を解消するためになされたものであり、軟弱地盤や大きな水平力が作用する場合でも、高剛性及び高耐力の構造を得ることができると共に、低コストで施工性に優れた杭頭接合構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、杭の頭部をフーチングに埋め込むことにより、前記杭の頭部と前記フーチングとを接合する杭頭接合構造であって、
前記杭は、杭本体と、該杭本体の上端部に外挿される外管と、該外管と前記杭本体との間に配置され、前記外管と前記杭本体との間に詰め込まれる間詰め材を受け止める間詰め材受け部材とを備え、前記フーチングに埋め込まれた前記外管の上端部をクッション材で覆うと共に、該外管の頭部にモーメント荷重を伝達するモーメント荷重伝達手段を具備することを特徴とする。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記杭本体の上端部を前記外管より突出させたことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２において、前記間詰め材受け部材を予め前記外管と前記杭本体との間に取り付けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明では、フーチングに頭部が埋め込まれて接合される杭が、杭本体と、該杭本体の上端部に外挿される外管と、外管と杭本体との間に配置されて、外管と記杭本体との間に詰め込まれる間詰め材を受け止める間詰め材受け部材とを備え、前記フーチングに埋め込まれた前記外管の上端部をクッション材で覆うと共に、外管の頭部にモーメント荷重を伝達するモーメント荷重伝達手段を具備しているので、杭頭接合部に作用する荷重の内、主として杭本体で鉛直荷重を支持し、杭本体及び外管でモーメントおよび水平荷重を支持することにより、鉛直及び水平方向の支持力と曲げ力とがバランスした杭頭構造とすることができ、この結果、軟弱地盤や大きな水平力が作用する場合でも、鋼管製造上コスト的に有利となる板厚範囲（９≦ｔ≦２５）内でより薄肉の鋼管を用いて、高剛性及び高耐力の杭頭構造を低コストで得ることができる。
【００１１】
また、外管と杭本体との間に間詰め材を詰め込んで、これを間詰め材受け部材によって受け止めることで、外管から作用する水平力を杭本体に伝達するようにしているので、従来のように、杭体の略全長に渡ってソイルセメントを造成する必要がなくなり、施工性の向上を図ることができると共に、施工コストの低減を図ることができる。
更に、杭本体と外管との曲げ剛性の比を変えることにより、モーメントの負担率を変えることができるので、地盤性状や鉛直荷重条件に応じて適切な杭頭構造の設計が可能となる。
ここで、外管の頭部におけるフーチングとの鉛直方向の接合強度を杭本体より小さくすると、外管及び杭本体と間詰め材受け部材との接続部には施工時に外管と杭本体とが一体に保持される程度の強度があれば良く、前記接続部の溶接仕様等を簡素化することができる。
【００１２】
更に、請求項１の発明では、前記フーチングに埋め込まれた外管の上端部をクッション材で覆うことで、容易に外管の頭部におけるフーチングとの鉛直方向の接合強度を杭本体より小さくすることができる。
請求項２の発明では、請求項１の発明に加えて、杭本体の上端部を外管より突出させることで、杭本体の上端部に打設施工機械の掴み代を確保できることから、中堀工法あるいは回転杭工法においても、杭頭キャップを変えることなく、杭本体用冶具のみでの施工を可能にすることができる。
請求項３の発明では、請求項１又は請求項２の発明に加えて、間詰め材受け部材を予め外管と杭本体との間に溶接等で取り付けることで、径の異なる杭本体と外管とを施工機械で同時に建て込むことができるので、施工期間の短縮化と施工コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態の一例を図を参照して説明する。
本発明の実施の形態の一例である杭頭接合構造は、図１に示すように、フーチング１３に頭部が埋め込まれて接合される杭１０が、内鋼管（杭本体）１１と、該内鋼管１１の上端部に外挿される外鋼管１２とを備えた二重管構造とされており、外鋼管１２の下端と内鋼管１１との間には、外鋼管１２と内鋼管１１との間に詰め込まれる間詰め材１４を受け止めるフランジ（間詰め材受け部材）１５が予め溶接等の接合手段によって取り付けられている。
【００１４】
また、内鋼管１１の上端部は外鋼管１２より突出しており、内鋼管１１のフーチング１３のコンクリート埋め込み部には、鉛直荷重伝達のための突起１６が内鋼管１１の内外面に設けられている。更に、内鋼管１１の埋め込み長は従来の設計基準（道路橋示方書ＩＶ下部工編  Ｈ１４）に準拠し、内鋼管１１の外径Ｄ以上の埋め込み長とされている。
ここで、この実施の形態では、外鋼管１２の上端部にウレタン等の剛性の小さいクッション材１７を取り付けることにより、外鋼管１２の頭部におけるフーチング１３との鉛直方向の接合強度を内鋼管１１より小さくして外鋼管１２の鉛直荷重の伝達を抑制すると共に、外鋼管１２のフーチング１３のコンクリート埋め込み部に定着用の鉄筋（モーメント荷重伝達手段）１８を溶接等により外鋼管１２の円周方向に略等間隔で複数本取り付け、鉄筋１８を介してモーメントを外鋼管１２に伝達するようにしている。
【００１５】
そして、外鋼管１２と内鋼管１１との間に詰め込まれる間詰め材１４にはコンクリートや鋼材等のように地盤に比べて剛性の高い材料が用いられ、外鋼管１２で受けたモーメント及び水平荷重を内鋼管１１に伝達するようにしている。
間詰め材１４は、外鋼管１２の下端部においてフランジ１５により閉塞されるため、荷重を受けても欠損することがない（逃げ場がない）ことから、通常では、外鋼管１２の内面突起等による定着の必要はないが、外鋼管１２の長さが短い場合等においてはフランジ１５に集中荷重が生じる可能性もあるので、内面突起等により間詰め材１４と付着をとるようにしてもよい。また、外鋼管１２の外径Ｄo は、間詰め材１４の充填性及び基礎フーチング幅を考慮し、内鋼管１１の外径Ｄに対し、１．１Ｄ≦Ｄo ≦１．５Ｄ程度を標準とするのが好ましい。
【００１６】
このようにこの実施の形態では、外鋼管１２の頭部におけるフーチング１３との鉛直方向の接合強度を内鋼管１１より小さくして外鋼管１２の鉛直荷重の伝達を抑制すると共に、外鋼管１２の頭部に取り付けた鉄筋１８を介してモーメント荷重を外鋼管１２に伝達する構造とすることで、杭頭接合部に作用する荷重の内、主として内鋼管１１で鉛直荷重を支持し、杭内鋼管１１及び外鋼管１２でモーメントおよび水平荷重を支持して、鉛直及び水平方向の支持力と曲げ力とがバランスした杭頭構造とすることができる。
【００１７】
この結果、軟弱地盤や大きな水平力が作用する場合でも、鋼管製造上コスト的に有利となる板厚範囲（９≦ｔ≦２５）内でより薄肉の鋼管を用いて、高剛性及び高耐力の杭頭構造を低コストで得ることができる。
また、外鋼管１２と内鋼管１１との間に間詰め材１４を詰め込んで、これをフランジ１５によって受け止めることで、間詰め材１４を介して外鋼管１２から作用する水平力を内鋼管１１に伝達するようにしているので、従来のように、杭体の略全長に渡ってソイルセメントを造成する必要がなくなり、施工性の向上を図ることができると共に、施工コストの低減を図ることができる。
【００１８】
更に、内鋼管１１と外鋼管１２との曲げ剛性の比を変えることにより、モーメントの負担率を変えることができるので、地盤性状や鉛直荷重条件に応じて適切な杭頭構造の設計が可能となる。
更に、外鋼管１２の頭部におけるフーチング１３との鉛直方向の接合強度を内鋼管１１より小さくしていることから、外鋼管１２及び内鋼管１１とフランジ１５との接続部には施工時に外鋼管１２と内鋼管１１とが一体に保持される程度の強度があれば良く、前記接続部の溶接仕様等を簡素化することができる。
【００１９】
更に、内鋼管１１の上端部を外鋼管１２外管より突出させているので、内鋼管１１の上端部に打設施工機械の掴み代を確保することができ、中堀工法あるいは回転杭工法においても、杭頭キャップを変えることなく、内鋼管１１用の冶具のみでの施工を可能にすることができる。
更に、フランジ１５を予め外鋼管１２と内鋼管１１との間に溶接等で取り付けているので、径の異なる内鋼管１１と外鋼管１２とを施工機械で同時に建て込むことができ、施工期間の短縮化と施工コストの低減を図ることができる。
【００２０】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
例えば、上記実施の形態では、外鋼管１２の上端部にクッション材１７を取り付けることにより、外鋼管１２の頭部におけるフーチング１３との鉛直方向の接合強度を内鋼管１１より小さくした場合を例に採ったが、これに代えて、外鋼管１２の上端部とフーチングコンクリートの間に油を介在させたり、外鋼管１２の上端部周面に突起を設けて、この突起の大きさを内鋼管１１に設けた突起１６より小さく、且つ数を少なくする等して外鋼管１２の頭部におけるフーチング１３との鉛直方向の接合強度を内鋼管１１より小さくするようにしてもよい。
また、上記実施の形態では、杭本体として鋼管杭を用いた場合を例に採ったが、これに代えて、既製コンクリート杭を用いても良い。
【実施例】
【００２１】
本発明における二重鋼管杭の杭頭接合構造（本発明例：図２）、１本の鋼管杭のみの杭頭接合構造（従来例１：図３）、内鋼管及び外鋼管の両方で鉛直荷重を負担する二重鋼管杭の杭頭接合構造（従来例２：図４）における杭頭部の曲げ剛性及び耐力を比較すると次の通りとなる。
（本発明例）
図２を参照して、杭頭部に長期設計鉛直荷重Ｖ１＝８０００ｋＮ、短期設計鉛直荷重Ｖ２＝１２０００ｋＮ、短期設計水平荷重Ｈ１＝２０００ｋＮが作用する場合、地盤のＮ値がＮ＞５０の支持層に支持された杭長３０ｍ程度の先端支持力の高い高支持力鋼管杭とすると、長期の地盤支持力は内鋼管１１の外径Ｄを１２００ｍｍとすることで確保できる。また、鋼管の長期許容圧縮応力度を１８０Ｎ／ｍｍ2 として、長期設計鉛直荷重Ｖ１＝８０００ｋＮを支持する場合、内鋼管１１の板厚はｔ＝１６ｍｍとなる。
【００２２】
また、水平荷重に対しては、地表面近くの地盤のＮ値をＮ＝５程度の砂地盤とし、杭頭モーメントおよび水平荷重を外鋼管１２で支持するものとすると、外鋼管１２の外径Ｄo ＝１５００ｍｍ、板厚ｔ＝１１ｍｍとなる。
フーチングコンクリートへの杭鋼管埋め込み長Ｌ１は、本構造では、鉛直荷重のみ伝達すればよいので、内鋼管１１の外径１２００ｍｍ＋外鋼管１２の埋め込み長１００ｍｍ＝１３００ｍｍとした。
【００２３】
（従来例１）
図３を参照して、外鋼管を用いず、鉛直荷重より定めた外径１２００ｍｍの鋼管杭２のみを用いる場合、本発明例と同等の曲げ剛性および耐力を得ようとすると、板厚はｔ＝４０ｍｍの鋼管となり、実用上の鋼管杭板厚の製造限界をはるかに超えたものとなる。
また、フーチングコンクリートの支圧強度をＦc ＝２４Ｎ／ｍｍ2 として、上記（１）式より、設計水平荷重およびモーメント荷重に対し、杭鋼管埋め込み長Ｌ１を算定すると、Ｌ１は１８００ｍｍ必要であり、本発明例と比較して５００ｍｍも長くなる。
【００２４】
（従来例２）
図４は、本発明例と同様の設計荷重に対し、特開昭６２−２６８４２１号公報の二重鋼管構造を適用した場合の例である。なお、杭頭接合構造の違いによる作用のみを比較するため、ここでは、ソイルセメント部７の形成による杭支持力の変化は考慮しないこととした。図４の構造では、外鋼管６のフーチング８への埋め込み部に鉛直荷重伝達防止の処置を施さないため、鉛直荷重に対しては、内鋼管５と外鋼管６の両方で負担することとなる。両者の負担の割合はそれぞれの軸剛性ＥＡ（Ｅ：鋼管のヤング係数、Ａ：鋼管の断面積）に応じるのが妥当と考えられる。
【００２５】
従って、本発明例と同様の外鋼管サイズ（外径：１６００ｍｍ）を適用した場合、短期設計鉛直荷重Ｖ２＝１２０００ｋＮの配分割合は、内鋼管５で約６５００ｋＮ、外鋼管６で約５５００ｋＮとなり、これを負担するためには、外鋼管６の板厚は１６ｍｍとなり、本発明例より５ｍｍ程度厚くする必要がある。
一方、内鋼管５については、負担する鉛直荷重が低減するため、本発明例の内鋼管サイズ（外径：１２００ｍｍ、板厚：１６ｍｍ）より板厚を薄くすることは可能であるが、内鋼管５の板厚を薄くすると二重鋼管構造以深の板厚は１６ｍｍ必要であるため、境界部での断面変化が生じる。その際、両断面の接合作業や加工等が必要となり、施工期間および費用の増加に繋がることから、内鋼管５の板厚を薄くすることは現実的ではない。また、内鋼管５の板厚を小さくした場合、相対的に外鋼管６で負担する鉛直荷重の割合が大きくなり、外鋼管６のさらなる板厚増加が必要となることから、内鋼管５の板厚は一律１６ｍｍとしておくことが妥当である。
【００２６】
さらにこの場合、外鋼管６で受けている鉛直荷重を内鋼管５に伝達するには、ソイルセメントと外鋼管６との付着力、及びソイルセメントと内鋼管５との付着力を介する。しかし、ソイルセメントの付着力はコンクリートの付着力に比べると弱いため、鉛直荷重を伝達するのに必要な長さ（図７では外鋼管６の長さ）が非常に長くなる。この点でも従来例２はコスト高になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態の一例である杭頭接合構造を説明するための断面図である。
【図２】本発明例を示す断面図である。
【図３】従来例１を示す断面図である。
【図４】従来例２を示す断面図である。
【図５】従来の杭頭接合構造を説明するための断面図である。
【図６】図１のフーチングに地震時水平力が加わった場合に、鋼管杭に生じる曲げモーメントの分布を示す図である。
【図７】従来の二重管杭の杭頭接合構造を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  杭
１１  内鋼管（杭本体）
１２  外鋼管
１３  フーチング
１５  フランジ（間詰め材受け部材）
１７  クッション材
１８  鉄筋（モーメント荷重伝達手段）
【図１】
0004604529.tif 000002
【図２】
0004604529.tif 000003
【図３】
0004604529.tif 000004
【図４】
0004604529.tif 000005
【図５】
0004604529.tif 000006
【図６】
0004604529.tif 000007
【図７】
0004604529.tif 000008