(57)【要約】【課題】施工性、材料及び施工コスト等の観点から実用的に、杭頭拘束モーメントを軽減することが可能であり、杭や基礎コンクリート部材の断面を経済性に優れたものとする杭頭構造を提供する。【解決手段】杭１１の頭部に第一の球面板１４ａを下方へ向けて膨らむ配置で固定し、第二の球面板１４ｂを第一の球面板の上に重ね合せて基礎コンクリート１９に固定し、弾性体１３、弾塑性体及び縁切り部材の少なくとも一つを杭頭部の周りに設ける。なお、杭頭部の上には一枚の板材からなる球面板４３を下方へ向けて膨らむ配置で固定し、この球面板の上に基礎コンクリートを打設しても良い。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基礎コンクリートに埋め込まれる杭頭部の上に第一の球面板が下方へ向けて膨らむ配置で固定され、該第一の球面板とほぼ同じ球面を有する第二の球面板が第一の球面板の上に重ね合されて基礎コンクリートに固定されたことを特徴とする杭頭構造。
【請求項２】
基礎コンクリートに埋め込まれる杭頭部の上に、一枚の板材からなる球面板が下方へ向けて膨らむ配置で固定され、該球面板の上に基礎コンクリートが打設されたことを特徴とする杭頭構造。
【請求項３】
弾性体、弾塑性体及び縁切り部材の少なくとも一つが前記杭頭部の周りに設けられたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の杭頭構造。
【請求項４】
前記一枚の板材からなる球面板が、前記杭頭部の外周を囲むように折り曲げられた曲折部を備えることを特徴とする請求項２に記載の杭頭構造。
【請求項５】
前記一枚の板材からなる球面板の曲折部と杭頭との間に、弾性体または弾塑性体が設けられたことを特徴とする請求項４に記載の杭頭構造。
【請求項６】
複数列の杭群を有する基礎構造において、外周部に配置された杭が前記請求項１乃至前記請求項５のいずれか一項に記載された杭頭構造を備えることを特徴とする基礎構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、基礎杭の基礎コンクリートとの接合構造に関し、ＰＣ杭及び鋼管杭などの基礎杭に適用可能な杭頭構造及びこれを用いた基礎構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
基礎杭と基礎コンクリートとの接合部、すなわち、杭頭部に水平荷重が加わった場合、杭に生じる曲げモーメント分布は、杭頭部の拘束条件により、その分布が大きく異なる。多くの場合、杭は、構造物の基礎コンクリート内に杭頭部が埋め込まれて固定された状態で使用されるため、モーメント分布は杭頭固定として計算される。このような計算によれば、杭頭部のモーメントは地中部最大モーメントの数倍に達し、杭の断面照査は杭頭曲げモーメントを用いて行なわれるので、部材決定上の無駄が多くなるという欠点がある。
【０００３】
以上のような杭頭部の接合構造に関し、杭頭に球座を置いて杭頭の拘束曲げモーメントを低減する技術が、例えば、特許文献１、２に記載されている。
例えば、特許文献１では、上方に向かって膨らんだ球面状の部材が基礎杭の頂部に設けられ、この球面状部材の上に凹曲面を有する上部構造物側球面部材が重ね合され、両部材がストッパピンで枢着された杭頭構造が記載されている。この杭頭構造は、中小規模の地震に対して剛結合的な強度が期待され、大規模の地震に対しては、球面状部材と上部構造物側球面部材との接触界面に滑りを生じさせ、基礎杭に大きな曲げモーメントが発生しないように期待されるものである。
【０００４】
特許文献１、２に記載されているものは、杭頭にヒンジとしての条件が成立するように構成されたものであるため、杭頭の拘束曲げモーメントを小さくすることは可能である。しかしながら、これにより、地中部の最大曲げモーメントは逆に大きくなってしまうため、この地中部を基準に杭断面の設計照査を行うことになり、部材断面に過剰な設計箇所が多くなるという欠点がある。また杭頭における水平変位も大きくなり、杭頭に設ける治具などの部材で施工性が阻害され、さらには、材料コストも上昇するので実用性の乏しいものであった。
【０００５】
また基礎杭には、鉛直荷重と水平荷重が作用するが、実際に使用される状態では、限られた区域に多くの杭が打たれ、この上に基礎コンクリートと上部構造コンクリートが打設され、この施工の過程で杭を介して地中応力が発生する。この上載荷重によって、杭や地盤に数ｃｍの地盤沈下が発生するが、地中応力の関係で建物の中心付近の沈下量が最も大きくなり、周辺で小さくなるような不等沈下が生じる。一方、杭頭荷重は中心部の杭が小さく、周辺部の杭が大きくなる。
さらに、地震時には、水平荷重が杭に作用するが、この水平力は、基礎外周の杭と中心部の杭とでは、２倍程度の差が生じるものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−７３３９０号公報
【特許文献２】特開平１０−２２７０４０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、施工性、材料及び施工コスト等の観点から実用的に、杭頭拘束モーメントを軽減することが可能であり、杭や基礎コンクリート部材の断面を経済性に優れたものとする杭頭構造を提供することにある。
【０００８】
また本発明の別の課題は、不等沈下を低減したり、杭に作用する外力を均等化することができる基礎構造を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、基礎コンクリートに埋め込まれる杭頭部の上に第一の球面板が下方へ向けて膨らむ配置で固定され、該第一の球面板と相補な球面を有する第二の球面板が第一の球面板の上に重ね合されて基礎コンクリートに固定されたことを特徴とする杭頭構造が提供される。
本発明では、ほぼ同じ球面を有するように形成された前記第一の球面板と前記第二の球面板とを使用し、一方を下方へ向けて膨らむような配置で杭頭部上に固定し、これに他方を重ね合せて基礎コンクリートに固定するだけで構成されるため、施工が容易であり、材料コストも比較的安価に抑えることができて実用性に優れたものにできる。また地震などにより水平荷重が作用すると、杭上端に固定された第一の球面板と、基礎コンクリートに固定された第二の球面板とが、相互に当接している面で滑動あるいは回転するため、杭頭部は半固定状態の弾性ヒンジとして機能する。これにより、杭の頭部と地中部のいずれか一方に、過大な曲げモーメントが発生することは防止され、杭断面を設計するための曲げモーメントも比較的小さくすることができて、杭断面を経済性に優れたものにできる。
【００１０】
また本発明によれば、基礎コンクリートに埋め込まれる杭頭部の上に、一枚の板材からなる球面板が下方へ向けて膨らむ配置で固定され、該球面板の上に基礎コンクリートが打設されることを特徴とする杭頭構造が提供される。
本発明では、一枚の板材からなる球面板を下方へ向けて膨らむような配置で杭頭部上に固定するだけで構成されるため、断面応力的に有利で施工が容易であり、実用性に優れる。また地震などにより水平荷重が作用すると、基礎コンクリートと当接している面で球面板が滑動あるいは回転するため、杭頭部は半固定状態の弾性ヒンジとして機能する。更に、球面であるため復元力が発生し、地震後は元に戻るように作用する。
【００１１】
本発明では、弾性体、弾塑性体、縁切り材のうちの少なくとも一つを前記杭頭部の周りに設けることができる。このように弾性体や弾塑性体を配置することにより、基礎コンクリートによる杭頭部の拘束はヒンジよりも大きく、且つ完全固定よりも弱くなり、第一の球面板と第二の球面板との当接面、あるいは一枚の板材からなる球面板と基礎コンクリートとの当接面における滑動や回転をさらに容易にすることができて、杭頭部の弾性ヒンジとしての機能が確実になる。また縁切り材を配置した場合には、杭頭部外周は基礎コンクリートの付着による拘束から自由になり、上杭頭部の弾性ヒンジとしての機能を確実に備えることができる。さらに、弾性体、弾塑性体、縁切り材は、均しコンクリートを敷設する際に第一及び第二の球面板にコンクリート成分が廻り込むことを防止するための養生材としても機能し、施工性の向上が図れる。
【００１２】
本発明において、前記一枚の板材からなる球面板が、前記杭頭部の外周を囲むように折り曲げられた曲折部を備え、この曲折部と杭頭との間に、弾性体または弾塑性体が設けられように構成しても良い。
このように曲折部を備える一枚の板材からなる球面板を用いれば、この曲折部が弾性体または弾塑性体を介して杭頭部に嵌められるので、ボルトなどの固定金具を使用しなくても、杭頭部に取付けることが可能であり、建設現場における施工性を格段に向上させることができる。弾性体または弾塑性体が曲折部の内周面に予め貼着された球面板を用いれば、施工性は更に向上される。
【００１３】
本発明によれば、複数列の杭群を有する基礎構造において、外周部に配置された杭の杭頭部が、上記杭頭構造のように弾性ヒンジとして半固定状態で基礎コンクリート内に埋め込まれた基礎構造が提供される。
地震時に水平荷重が杭に伝達されると、基礎外周の杭の頭部には、内側に配置された杭のほぼ２倍程度の水平力が作用するものであるが、本発明のように外周部の杭の頭部が弾性ヒンジとして構成されると、外周部の杭頭部に作用する水平力は低減されて、内側に配置された杭は単に頭部を基礎コンクリート中に埋め込むだけで、外周部と内側部分で杭に作用する水平力を均等化できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して好適な実施形態を説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
図１は、拘束条件が異なる杭の曲げモーメント分布を比較した図である。
杭頭が地盤中に在る杭において、杭頭部に水平荷重が加わった場合、杭頭部の拘束条件により、杭に生じるモーメント分布は大きく異なる。図１の点線（１）は杭頭固定の場合のモーメント分布であり、例えば、基礎コンクリート内に杭頭部が埋め込まれて固定された杭が示すものである。また図１中の一点鎖線（３）は杭頭ヒンジの場合のモーメント分布であり、例えば、特許文献１及び２に記載された杭が示すものである。図１から判るように、（１）の杭頭固定では、杭頭部のモーメントが地中部最大モーメントの数倍に達し、（３）の杭頭ヒンジでは、地中部の最大曲げモーメントが逆に大きくなってしまう。
したがって、本発明は、実線（２）に示したように地中部の最大曲げモーメントと杭頭モーメントがほぼ同程度になって、モーメントが突出して大きくなる箇所が生じない半固定状態の杭頭弾性ヒンジを杭頭部に形成するものであり、以下、その杭頭構造の実施形態を説明する。
【００１５】
図２（ａ）（ｂ）は本発明の杭頭構造１０Ａ，１０Ｂの断面図である。
杭頭構造１０Ａでは、プレキャストコンクリートからなる既製の杭１１が地盤１８に打設され、第一の球面板１４ａが下方へ向けて膨らむような配置で杭頭上にボルト１４ｄで固定され、この第一の球面板１４ａの上に粘弾塑性材１５が設けられ、この粘弾塑性材１５のうえから第二の球面板１４ｂが第一の球面板１４ａに重ね合され、杭頭部の外周に弾性体１３が巻き付けられている。そして、弾性体１３の周りの地盤１８上には砕石１７が敷かれ、砕石１７の上に均しコンクリート１６が敷設され、さらに、基礎コンクリート１９が打設されている。第二の球面板１４ｂには定着筋１４ｃが溶接で固定されており、この定着筋１４ｃにより第二の球面板１４ｂは基礎コンクリート１９に固定される。第二の球面板１４ｂと破線で囲まれた部分１９ａは、最も圧縮応力が大きくなる部分であるので、この部分には網筋などの補強筋や高強度コンクリートを用いて、別途、製作したものを用いてもよい。
【００１６】
ここで、既製杭１１の杭頭の空洞部分には、第一の球面板１４ａの下面が密着するようにコンクリート１２が打設されている。前記第一の球面板１４ａと第二の球面板１４ｂは、ほぼ同じ球面を含むように、それぞれ板材から形成されたものであり、この板材としては、ステンレス鋼材などの防錆性能に優れた金属材料が使用されるか、あるいは耐久性が良好なメッキや防食塗装された金属材料が使用される。また第一、第二の球面板１４ａ，１４ｂは、図２（ａ）（ｂ）に示したように外周部分が折り曲げられ、ここが杭頭部への着座箇所として使われる。また前記粘弾塑性材１５としては、例えば、アスファルト、アイガスなどを使用することができる。さらに、杭頭部の外周に巻き付ける弾性体１３としては、例えば、ゴム、ウレタン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、シリコン樹脂、ポリエチレン樹脂を使用することが可能であり、一方、弾性体１３に替えて弾塑性体を使用する場合には、例えば、アスファルト、発泡ウレタン樹脂、発泡スチロール樹脂などを使用することができる。弾性体１３の厚さは、その材料に応じて実用的には杭頭が±５°程度回転できるように設定すれば良いものである。
次に、図２（ｂ）の杭頭構造１０Ｂは、図２（ａ）のプレキャストコンクリートからなる既製の杭１１に替えて、鋼管からなる杭２１に本発明を適用したものであり、杭２１の上端内部の空洞部分には、鋼板からなる補強リブ２２が固定され、この補強リブ２２または杭１１の上端面に第一の球面板１４ａが固定されている。なお、図２（ａ）の杭頭構造１０Ａと同じ構成には、同じ符号を附すことにより更なる説明は省略する。
【００１７】
以上の杭頭構造１０Ａ，１０Ｂにおいて、第一及び第二の球面板１４ａ，１４ｂは、ほぼ同じ球面形状を有する板材から形成されたものであるため、施工が容易であり、材料コストも比較的安価に抑えることができる。また第一及び第二の球面板１４ａ，１４ｂが下方へ向けて膨らむ配置で重ね合され、一方が杭頭に固定され、他方が基礎コンクリート１９に固定されているため、たとえ水平荷重が作用しても、第一の球面板１４ａと第二の球面板１４ｂとが、その当接面で相対的に滑動あるいは回転し、杭１１，２１に過大な曲げモーメントが発生することを規制することができる。したがって、杭１１，２１の断面を設計する際の曲げモーメントが小さくなり、杭断面を経済性に優れた設計にできる。
さらに、杭頭構造１０Ａ，１０Ｂでは、杭頭部の周面に弾性体１３を設けたので、基礎コンクリート１９による杭頭部の拘束はヒンジよりも大きく、且つ完全固定よりも弱くなり、第一、第二の球面板１４ａ，１４ｂどうしの滑動や回転をさらに容易にする。
【００１８】
次に、図３の杭頭構造３０は、図２の杭頭構造１０Ａ，１０Ｂとは異なり、第一の球面板３４ａと第二の球面板３４ｂは球面部分のみからなり、外周に折り曲げ部分が形成されておらず、プレキャストコンクリートからなる既製の杭３１の上端に端板３３が固定され、この端板３３に着座部材３４ｄが固定され、着座部材３４ｄはここに第一の球面板３４ａを載せるために使用される。第二の球面板３４ｂはアンカーボルト３４ｃが上方に突出するように設けられ、第一の球面板３４ａと第二の球面板３４ｂとは、粘弾塑性材１５を介在させて重ね合されている。したがって、第一の球面板３４ａは、端板３３と着座部材３４ｄを介して杭３１に固定され、一方、第二の球面板３４ｂはアンカーボルト３４ｃにより基礎コンクリート１９に固定され、第一の球面板３４ａと第二の球面板３４ｂは、その当接面で相対的に滑動あるいは回転するように設けられている。
【００１９】
次に、図４の杭頭構造４０は、一枚の板材からなる球面板４３が使用されている点で、図２及び図３の杭頭構造とは異なるものである。杭頭構造４０では、既製の杭４１の上端開口部にコンクリートが打設されて中詰めコンクリート４２が形成され、この中詰めコンクリート４２に密着すると共に、下方へ向けて膨らむ配置で球面板４３が配置され、球面板４３の折り曲げられた外周部分がボルト４６により杭４１の上端に固定され、球座部の回転を容易にするために杭外周部分を覆うように弾性体４４が取り付けられ、杭頭部の周りに縁切り材４５が巻かれている。そして、縁切り材４５の周りに均しコンクリート１６が敷設され、この上からコンクリートが打設されて基礎コンクリート１９が形成される。
【００２０】
以上の構成の杭頭構造４０において、球面板４３は杭３１に固定されている一方で、基礎コンクリート１９から縁が切られている。したがって、地震などにより水平荷重が作用すると、杭４１は、球面板４３と基礎コンクリート１９との当接面において、相対的な滑動あるいは回転するため、半固定状態の弾性ヒンジとして機能する。また杭頭構造４０は、一枚の板材からなる球面板を下方へ向けて膨らむような配置で杭頭部上に固定して構成されるものであるため、構造が簡素で施工が容易であり、実用性に優れている。
なお、杭頭構造４０では、縁切り材４５に替えて、この部分に弾性体や弾塑性体を配置しても良い。これら縁切り材４５、弾性体及び弾塑性体は、均しコンクリート１６や基礎コンクリート１９が杭頭部に付着し、杭４１と一体化するのを防止するためのものである。また弾性体や弾塑性体を設けた場合には、基礎コンクリート１９による杭頭部の拘束を緩やかにし、ここでの滑動や回転をさらに容易にすることができる。
【００２１】
次に、図５の杭頭構造６０は、球面板６４が一枚の板材から構成されている点で図４の杭頭構造４０と共通するものであるが、図２乃至図４の実施態様よりも更に建設現場における作業性が改善された点で異なる。
杭頭構造６０は、既製のコンクリート杭６１の上端開口部にコンクリートが打設されて中詰めコンクリート６２が形成され、この中詰めコンクリート６２に裏面が密着するように、下方へ向けて膨らむ配置で球面板６４が設けられ、この球面板６４の外周地盤１８の上に均しコンクリート１６が敷設され、この上からコンクリートが打設されて基礎コンクリート１９が形成される。
ここで、球面板６４は、下方へ向けて膨らんだ曲面部６４ａがほぼ中央に形成され、杭頭上にほぼ水平に配置される平面部６４ｂが曲面部６４ａの外周に形成され、平面部６４ｂのさらに外周部分がほぼ直交する方向に折り曲げられて曲折部６４ｃが形成されている。この球面板６４は、曲折部６４ｃが弾性体６５を介して杭頭部を外周から囲むように杭頭部に嵌められ、ジベル６４ｄなどにより基礎コンクリート１９に固定されるものである。なお、曲折部６４ｃの内周面と杭頭外周面との間に配置された弾性体６５は、あらかじめ曲折部６４ｃの内周面に貼着され、球面板６４と伴に杭頭部に設置されるか、あるいは杭頭外周面にあらかじめ貼着され、その後に球面板６４のみが覆い被せられる。
【００２２】
以上の構成の杭頭構造６０において、球面板６４は、その曲折部６４ｃが弾性体６５を介して杭６１に嵌められているが、杭頭部や中詰めコンクリート６２とは縁が切られている。したがって、地震などにより水平荷重が作用すると、杭６１は、球面板６４下面との当接面において、相対的な滑動あるいは回転が生じて、半固定状態の弾性ヒンジとして機能する。前記したように杭頭構造６４では、一枚の板材からなる球面板６４が曲折部６４ｃを備え、この曲折部６４ｃが弾性体６５を介して杭頭部外周に嵌められて取付けられるものであるため、構造が簡素で且つ施工が容易であり、実用性に優れている。さらに、球面板６４は、あらかじめ曲折部６４ｃの内周面に弾性体６５が貼着される構成とすれば、建設現場における作業性は格段に向上する。
なお、杭頭構造６０では、弾性体６５に替えて、この部分に弾塑性体を配置しても良い。これら弾性体６５や弾塑性体は、基礎コンクリート１９による杭頭部の拘束を緩やかにし、ここでの滑動や回転を容易にするものである。
【００２３】
次に、図６は複数列の杭群を有する基礎構造５０を簡略に示した図であって、この基礎構造５０では、外周部に配置された杭５３と基礎コンクリート部５２との接合部に、上記図２〜図５のいずれかの杭頭構造を適用する一方で、外周の杭５３よりも内側に配置された杭５１の杭頭部は、基礎コンクリート部５２に固定されるように埋め込まれている。このように外周の杭５３の杭頭部が弾性ヒンジとして半固定状態で基礎コンクリート内に埋め込まれると、内側で完全固定された杭頭部に比べ、外周部の杭頭部に作用する水平力は大きく低減されるため、外周部と内側部分で杭に作用する水平力を均等化できる。
【００２４】
なお、基礎構造５０では、外周配置された杭５３の杭頭構造５３Ａに、図２〜図５のいずれかの杭頭構造を適用し、外周配置の杭５３の頭部が、内側に配置される杭５１の頭部よりも低くくなるように形成し、少なくとも基礎コンクリート部５２の形成時には、外周部の杭５３の頭部上面と基礎コンクリート部５２との間に隙間ができる一方で、基礎コンクリート部５２の上方に構造物が構築された後に、その荷重による沈下で隙間が無くなるように構成することも可能である。
【００２５】
一般的に、複数列の杭群を有する基礎構造では、外周部に配置された杭に大きな鉛直荷重が作用し、内側に配置された杭には比較的小さな鉛直荷重が作用する。したがって、上記したように外周部の杭５３の頭部に隙間を設ければ、鉛直荷重は最初に内側に配置された杭５１に伝わり、これらの杭５１は鉛直荷重を支持すると共に徐々に沈下し、杭５３の頭部の隙間が無くなり、基礎コンクリート部５２が外周部の杭５３の頭部上面に載ったときに、外周部の杭５３にも鉛直荷重が作用する。これにより、比較的大きな鉛直荷重が内側配置の杭５１で負担されるため、外周部の杭５３の負担する鉛直荷重は低減され、杭頭の鉛直荷重の負担分布が均等化され、不等沈下を低減することが可能になる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の杭頭構造では、ほぼ同じ球面を有するように形成された第一、第二のの球面板を杭頭部に設けるか、あるいは一枚の板材からなる球面板を杭頭部に設けるだけで良いため、施工が容易であり、小地震から大地震まで有効に機能し、材料コストも安価に抑えることができる。更に、弾性ヒンジであるので、杭体の応力状況を平均化すると共に、完全なヒンジよりも杭頭の水平変位量を少なくすることができる。
【００２７】
また本発明の杭頭構造では、第一、第二の球面板どうしが相互に当接している面で滑動あるいは回転したり、あるいは一枚の板材からなる球面板と基礎コンクリートとの当接面で滑動あるいは回転することができるため、杭頭部は半固定状態の弾性ヒンジとして機能する。これにより、杭に過大な曲げモーメントが発生することは防止され、経済性に優れた杭の断面設計が可能になる。
【００２８】
さらに、杭頭部の周面に弾性体、弾塑性体及び縁切り部材を設けた場合には、基礎コンクリートによる杭頭部の拘束はヒンジよりも大きく、且つ完全固定よりも弱くなり、その材質や形状を適切に選択することにより、基礎コンクリート内での杭頭部の拘束度を任意に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】杭頭における曲げモーメント分布を比較する図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は本発明の杭頭構造の断面図である。
【図３】図２とは異なる実施態様を示す断面図である。
【図４】図２及び図３とは異なる実施態様を示す断面図である。
【図５】図２乃至図４とは異なる実施態様を示す断面図である。
【図６】本発明の基礎構造の断面図である。
【符号の説明】
１０Ａ，１０Ｂ  杭頭構造
１１  杭
１３  弾性体
１４ａ  第一の球面板
１４ｂ  第二の球面板
１５  粘弾塑性材
１９  基礎コンクリート
２１  杭
３０  杭頭構造
３１  杭
３４ａ  第一の球面板
３４ｂ  第二の球面板
４０  杭頭構造
４１  杭
４３  球面板
４４  弾性体
４５  縁切り材
５０  基礎構造
５１  内側に配置された杭
５２  基礎コンクリート
５３  外周部に配置された杭
５３Ａ  杭頭構造
６０  杭頭構造
６１  杭
６４  球面板
６４ｃ  曲折部
６５  弾性体
【図１】
2005002552.tif 000003
【図２】
2005002552.tif 000004
【図３】
2005002552.tif 000005
【図４】
2005002552.tif 000006
【図５】
2005002552.tif 000007
【図６】
2005002552.tif 000008