(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤を柱状に掘削し、掘削土砂とセメントミルクとを混合攪拌して形成したソイルセメント柱状体の中心部分に、この柱状体が硬化しないうちに芯材を貫入させ、これらが一体となって周面摩擦力を発揮するようにした合成摩擦杭において、
前記芯材を、表面に、取付けピッチＳ、高さｈの突起を形成した芯材とし、
前記突起を、
前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力度に応じて、
下記（１）式に基づき、前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力ｆｓと前記芯材と前記ソイルセメントとの付着力τｓが釣り合うために必要な、前記芯材と前記ソイルセメントとの付着力度τを算出し、
得られた該必要な付着力度τと、前記ソイルセメントの設計強度ｑｕとから、下記（２）式の関係を用いて、必要な付着係数βを算出し、
一方、取付けピッチＳと高さｈとの比Ｓ／ｈが40〜140かつ付着係数βが0.1〜0.3の範囲内で両者の関係を予め求めておき、
前記予め求めておいたＳ／ｈと付着係数βとの関係を用いて、前記算出された必要な付着係数βに対するＳ／ｈを判断し、
該判断されたＳ／ｈを満足するように、前記取付けピッチＳと前記高さｈとを決定してなる突起とすることを特徴とする合成摩擦杭。
記
τｓ  ≧  ｆｓ          ‥‥（１）
ここで、τｓ：芯材とソイルセメントとの間の付着力、
ｆｓ：ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力
τ＝β・ｑｕ              ‥‥（２）
ここで、τ：芯材とソイルセメントとの間の付着力度、
ｑｕ：ソイルセメントの設計強度
【請求項２】
ソイルセメントと地盤との間に周面摩擦力が期待できる地層では周面摩擦力が期待できない地層に比べて芯材に取り付ける突起のピッチを小さくするか突起を高くし、前記周面摩擦力が期待できない地層では前記周面摩擦力が期待できる地層に比べて芯材に取り付ける突起のピッチを大きくするか突起を低くすることを特徴とする請求項１に記載の合成摩擦杭。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軟弱地盤の基礎杭等に使用する合成摩擦杭に関する。
【背景技術】
【０００２】
軟弱地盤等においては、セメントミルクと掘削土砂とを攪拌してなるソイルセメントやコンクリート等の柱状体の中心部分に、この柱状体が硬化しないうちに芯材として鋼管杭やコンクリート杭等の既製杭を貫入させる合成摩擦杭がよく使用される。図６はこの合成摩擦杭を示す概念図で、Ｇは地盤、Ｃはソイルセメント（柱状体）、Ｐは芯材（既製杭）である。芯材Ｐの頭部が図示しない構造物のフーチングに接続されて荷重を受け、柱状体Ｃの外周が周囲の地盤Ｇと接触して摩擦支持する構造である。
【０００３】
合成摩擦杭においては芯材と柱状体との付着、すなわち一体化が重要である。特許文献１には、芯材である鋼管の表面に圧延により突起を形成したり、溶接ビードや鉄筋の溶接により突起を設けることが記載されている。
また特許文献２には、合成摩擦杭に使用する既製杭が、その杭本体の外周面に、らせん状、または円盤状の羽根を有する羽根付き既製杭であって、砂質土、粘性土等の地盤土質に応じて羽根の間隔を変化させることによって地盤との間に大きな摩擦力を発揮させることが記載されている。図７によりこれを簡単に説明する。この例では地層が上下２層で変化しており、浅い部分のＧ1が砂質土層、深い部分のＧ2が粘性土層である。芯材Ｐには全長にわたって羽根２が設けられているが、Ｇ1層における取り付けピッチＬSとＧ2層における取り付けピッチＬCとでは間隔を変え、Ｇ1層では取り付けピッチを密に、またＧ2層では取り付けピッチを粗くして、対応する地層との間に無駄のない大きな摩擦力を発揮させるようにしている。
【特許文献１】特開昭６２−２６８４２２号公報
【特許文献２】特開２００３−９６７７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の圧延や溶接法による突起は、全長にわたって同一高さのものを同一ピッチで均一に形成するものと考えられ、部分的に形状やピッチを変えるという技術思想は読み取れない。また、圧延や溶接によって高い突起を形成しようとすればきわめて高価なものとなり、実質的に高々4ｍｍ程度が限度と考えられる。特許文献２に記載の羽根は特許文献１における突起に較べるとはるかに大型で支圧力も大きく、ソイルセメント柱状体の強度を有効に利用することができるものではあるが、羽根の張り出しが大きいので羽根の付け根部分に大きな曲げモーメントが発生し、杭体、羽根ともに強度を向上させなければならず、製造コストがきわめて高価なものとなる。また、セメントミルクの混合量を少なくした硬めのソイルセメントの場合に施工中に硬化が始まってしまうと、貫入抵抗が大きくなり、施工機械の能力を上げなければならないという問題点もある。
【０００５】
本発明は、コストの高い羽根ではなく杭体には突起を取り付けるものとし、突起の大きさやピッチを地層に合わせて適宜変更することでコストを上昇させずにソイルセメントの強度を有効活用し、経済的な合成摩擦杭を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、地盤を柱状に掘削し、掘削土砂とセメントミルクとを混合攪拌して形成したソイルセメント柱状体の中心部分に、この柱状体が硬化しないうちに芯材を貫入させ、これらが一体となって周面摩擦力を発揮するようにした合成摩擦杭において、前記芯材を、表面に、取付けピッチＳ、高さｈの突起を形成した芯材とし、
前記突起を、前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力度に応じて、次（１）式
τｓ  ≧  ｆｓ          ‥‥（１）
（ここで、τｓ：芯材とソイルセメントとの間の付着力、ｆｓ：ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力）
に基づき、前記ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力ｆｓと前記芯材と前記ソイルセメントとの付着力τｓが釣り合うために必要な、前記芯材と前記ソイルセメントとの付着力度τを算出し、得られた該必要な付着力度τと、前記ソイルセメントの設計強度ｑｕとから、次（２）式
τ＝β・ｑｕ              ‥‥（２）
（ここで、τ：芯材とソイルセメントとの間の付着力度、ｑｕ：ソイルセメントの設計強度）
の関係を用いて、必要な付着係数βを算出し、一方、取付けピッチＳと高さｈとの比Ｓ／ｈが40〜140かつ付着係数βが0.1〜0.3の範囲内で両者の関係を予め求めておき、前記予め求めておいたＳ／ｈと付着係数βとの関係を用いて、前記算出された必要な付着係数βに対するＳ／ｈを判断し、該判断されたＳ／ｈを満足するように、前記取付けピッチＳと前記高さｈとを決定してなる突起とすることを特徴とする合成摩擦杭であり、望ましくは、ソイルセメントと地盤との間に周面摩擦力が期待できる地層では周面摩擦力が期待できない地層に比べて芯材に取り付ける突起のピッチを小さくするか突起を高くし、前記周面摩擦力が期待できない地層では前記周面摩擦力が期待できる地層に比べて芯材に取り付ける突起のピッチを大きくするか突起を低くすることを特徴とする前記の合成摩擦杭である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ボーリング等により予め地盤の状態を調査し、その結果により、ソイルセメントと地盤との間に得られる周面摩擦の性能に応じて、杭体に取り付ける突起の大きさ、ピッチを変更することにより地盤の地耐力を有効に活用して低コストで大きな支持力を得ることができるという、すぐれた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の合成摩擦杭においては、ソイルセメントと地盤との間の摩擦性能に応じて、前記芯材表面に取り付けピッチおよび高さを変えて突起を取り付けたことを特徴とする合成摩擦杭であり、ソイルセメントと地盤との間に周面摩擦力が期待できる地層、例えば砂質土層や支持層では芯材に取り付ける突起のピッチを小さくするか突起を高くし、周面摩擦力が期待できない地層、例えば粘性土層では芯材に取り付ける突起のピッチを大きくするか突起を低くし、極端な場合は突起を設けないこともあり得る。
【実施例】
【０００９】
図１は本発明の実施例である合成摩擦杭の模式図である。Ｐは鋼管等の芯材、１ａ〜１ｃはその表面に形成した突起、Ｃはソイルセメント、Ｇ1〜Ｇ3は地盤で、Ｇ1は周面摩擦力が期待できる層、Ｇ2は周面摩擦力が期待できない層、Ｇ3は支持層、または周面摩擦力が期待できる層とする。
突起１ａ〜１ｃは丸棒（棒鋼）、異形鉄筋、平鋼、山形鋼など、従来の技術において説明した羽根よりは小型、あるいは小断面の鋼材である。付着力を増すためには、異形鉄筋などの表面に凹凸のあるものが好ましい。形状はリング状でもらせん状でもよい。取り付け方法は溶接が実際的であるが、これも連続溶接でも、不連続溶接でもよい。また、突起の取り付けは簡単な作業であるから、工場で行うとは限らず、現地で行ってもよい。特に、地層構成が事前調査と違っていることが施工時に判明した場合でも、現地で容易に対応が可能である。
【００１０】
地盤Ｇ1、Ｇ3のように周面摩擦力が期待できる層とは、Ｎ値の大きい層（例えばＮ値５以上）であり、例えば、砂質土系の層である。逆に地盤Ｇ2のように周面摩擦力が期待できない層とは、相対的にＮ値の小さい層（例えばＮ値５未満）であり、一般に粘性土系の層を意味する。ソイルセメントと地盤との間に周面摩擦力が期待できる地層、すなわち地盤Ｇ1、Ｇ3では周面摩擦力が期待できない地層に比べて芯材Ｐに取り付ける突起1a、1cのピッチを小さく、そして突起を高くし、周面摩擦力が期待できない地層、地盤Ｇ2では周面摩擦力が期待できる地層に比べて芯材Ｐに取り付ける突起1bのピッチを大きく、また突起を低くしている。
【００１１】
図２の模式図に示すように、合成摩擦杭は、芯材ＰとソイルセメントＣとが一体となって荷重を支持するものであるから、各地層毎に
芯材ＰとソイルセメントＣとの付着力τs  ≧  
ソイルセメントＣと地盤Ｇとの摩擦力ｆs        ・・・（１）
の関係を満足することが必要である。
【００１２】
図３に、従来の技術における全長にわたって均一な突起を設けた芯材を使用した合成摩擦杭と、地層に応じて突起のピッチ、高さ（これらを合わせて突起の「態様」という）を変化させた本発明の合成摩擦杭との、地層毎の付着力τと摩擦力ｆの状態を模式的に示した。付着力τと摩擦力ｆが同じであれば、合成摩擦杭全体の能力を生かした合理的な構造であるといえるが、従来のものでは突起が過剰に取り付けられ、付着力が無駄になっていることがわかる。本発明では地盤の有する最大摩擦力に応じて突起を設け、無駄のない付着力が発現されるようにしている。これにより、突起を取り付ける作業も軽減される。
【００１３】
芯材の全長にわたって均一な突起を設ける従来の技術では、杭体の径を一定としてソイルセメントの径を大きくした場合、ソイルセメントＣと地盤Ｇとの摩擦力ｆsが大きくなって上記の不等式が成立しなくなるおそれがあるが、本発明では突起高さ、ピッチのいずれも変更可能であるから、ピッチを細かくする代わりに突起を高くするなどの対応で常に上記不等式を満足させ、所望の支持力を得ることができる。
【００１４】
図４は芯材とソイルセメントとの間の付着力を説明する（ａ）は芯材の斜視図、（ｂ）は部分断面図（模式図）で、Ｐは芯材、１は突起である。Ｓは突起１の取り付けピッチ、ｈは突起１の高さであり、付着力はＳとｈとの比、Ｓ／ｈと、ソイルセメントの強度との関係で整理することができる。
芯材である鋼管とソイルセメントとの間の付着力τは、線形な式として
τ＝β・ｑu                                                  ・・・（２）
と表すことができる。βは付着係数と呼ばれるもので、一般には実験により求める。例えば既存の杭工法である鋼管ソイルセメント杭では、βとして0.4という値が使用されている。またｑuはソイルセメントの設計強度（一軸圧縮強度）で、例えば1.0Ｎ／ｍｍ2であるとする。
【００１５】
いま鋼管の径を500ｍｍ、ソイルセメント柱状体の径を1000ｍｍとする。そして本発明におけるソイルセメントと地盤との間の摩擦性能、すなわち周面摩擦力度（ｋＮ／ｍ2）をパラメータとして、まずこの鋼管の単位長さ（１ｍ）当たりの周面摩擦力（ｋＮ）を求め、前記（１）式で等号が成り立つ場合として、この柱状体の周面摩擦力が鋼管の周面摩擦力と釣り合うための鋼管とソイルセメントとの間に必要な付着力度（上記のτ、ｋＮ／ｍ2）を算出し、これを上記の（２）式に代入してｑuで割ると、実測値ではなく、本発明において必要なβの値が得られる。
【００１６】
ソイルセメントと地盤との間の周面摩擦力度をいろいろに変えてこれらの数値を計算した結果を表１に示す。
【００１７】
【表１】
0005145995.tif 000002
【００１８】
一方、前記のＳとｈとの比、Ｓ／ｈと付着係数βとの関係を実験によって求めると、図５のようになり、Ｓ／ｈが大きくなるほど付着力は小さくなる。したがって得られたβから、この図によってＳ／ｈを判断し、突起を設計すればよい。表１の例では、得られたβが0.4以上であればＳ／ｈは１〜40、0.3〜0.4であれば40〜60、0.2〜0.3であれば60〜100、0.1〜0.2であれば100から140、0.1以下であれば突起なし、といった目安で突起を設計する。
【００１９】
Ｓ／ｈの組み合わせは無限にあるので、確保できる材料と加工の費用等を総合的に判断して突起の寸法やピッチを決定することが望ましい。
なお、以上芯材として鋼管の例で説明したが、本発明の芯材は鋼管に限定されるものではない。例えばコンクリート管の既製杭であってもよい。この場合は、遠心法によって製造する際の金型にくぼみを設けておくことで簡単に表面に突起を形成することができるし、突起を形成した鋼板を表面に埋め込む、あるいは巻き付けるようにしてもよい。
【００２０】
本発明の合成摩擦杭の施工には、ソイルセメント柱状体を予め施工してから芯材を建て込む後沈設方式と、ソイルセメント柱状体の造成と同時に芯材を建て込む同時沈設方式とがある。杭長が比較的短い場合は、段取りなどが容易な後沈設方式が適しており、杭長が長い場合には施工の際芯材を鉛直に保持しやすい同時沈設方式が適している。
周面部のソイルセメントは、所定強度を発揮できるように必要なセメントミルクを注入するが、一般的にセメント分の少ない貧配合のものを用いる。また、富配合のセメントミルクを用いた場合は、特記のピッチを粗くすることできるので、加工費を低減することができる。
【００２１】
先端支持力は、芯材の内面、外面に突起を設けて、支圧効果により大きな支持力を発揮させる。先端部分に対応するソイルセメントは、セメントミルクの配合の高い富配合として強度の上昇を図るのがよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明実施例の合成摩擦杭の模式図である。
【図２】本発明における付着力と摩擦力とを示す模式図である。
【図３】従来の技術と本発明における付着力と摩擦力との関係を示す模式的なグラフである。
【図４】本発明に係わる芯材の（ａ）斜視図および（ｂ）部分断面図である。
【図５】本発明における付着係数と突起の態様との関係を示すグラフである。
【図６】本発明に係わる合成摩擦杭を示す概念図である。
【図７】従来の技術の一例を示す合成摩擦杭の概念図である。
【符号の説明】
【００２３】
１    突起
２    羽根
Ｃ    ソイルセメント
Ｇ    地盤
Ｐ    芯材（杭体）
【図１】
0005145995.tif 000003
【図２】
0005145995.tif 000004
【図３】
0005145995.tif 000005
【図４】
0005145995.tif 000006
【図５】
0005145995.tif 000007
【図６】
0005145995.tif 000008
【図７】
0005145995.tif 000009