(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤に埋め込まれる埋設部と、傾斜地に沿って転落する落下物を受けて落下抑止する地上立設部とを一体形成した杭本体を有する落下物防止杭であって、
前記地上立設部に落下物が衝突した際に、前記杭本体のうち最大曲げモーメントが作用する位置の断面変形を抑制すべく、前記杭本体の両端部を除いた位置であって、前記最大曲げモーメントが作用する位置および／またはその近傍位置に局所的に補剛手段を設けると共に、
曲げモーメントを受けた前記杭本体が自身の長手方向に沿って前記補剛手段とは独立に伸縮変形可能となるよう前記補剛手段を取り付けてある落下物防止杭。
【請求項２】
前記補剛手段が、前記杭本体を取り囲む外挿体である請求項１に記載の落下物防止杭。
【請求項３】
前記補剛手段が、前記杭本体に挿入可能な内挿体である請求項１に記載の落下物防止杭。
【請求項４】
前記外挿体或いは前記内挿体の複数を、前記杭本体の長手方向に沿って断続的に設けてある請求項２または３に記載の落下物防止杭。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤に埋め込まれる埋設部と、傾斜地に沿って転落する落下物を受けて落下抑止する地上立設部とを一体形成した杭本体を有する落下物防止杭に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の落下物防止杭Ｋとしては、例えば、図１１（イ）に示すごとく、土基礎部に円筒断面形状の杭Ｋを挿入する形式のものがあった（特開平１１−１７２６３４、特開平１１−１７２６３５参照）。このような形式の杭Ｋの吸収エネルギーは、杭Ｋが有する円筒断面の寸法・材料強度に応じて決定される。
しかし、内部が中空である杭は、図１１（ロ）に示すごとく半径方向に局部座屈が発生し易い。局部座屈が発生すれば、杭Ｋは、耐力が大幅に低下しながら変形することとなるので、吸収エネルギーは小さなものになってしまう。この局部座屈を防止するため、一般に杭Ｋの内面にコンクリートを充填することが考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の落下物防止杭Ｋのごとく、杭Ｋの内部にコンクリートを充填し、この半径方向の局部座屈を防止しようとするものは、杭Ｋのうち最大曲げモーメントが作用する位置の近傍に変形が集中する傾向がある。つまり、コンクリートが充填された杭Ｋは、曲がり変形しようとする際に、曲がり変形そのもの、および、断面変形が大幅に拘束される。このため、落下物の衝突による衝撃エネルギーを負担するための応力が一箇所に集中し易くなり、しかも、杭Ｋの曲がり外側および内側において杭Ｋの長手方向に沿って生じる応力負担が増大する。この結果、特に、引張応力が増大することで、最大曲げモーメント位置で破断し易くなるのである。
このような理由から、最大耐力は上昇するものの、変形量はそれ程大きくなく、結局、杭Ｋの吸収エネルギーは中空管と比べて大差ないものとなる。従って、このような吸収エネルギーに基づく設計を行う対策工の場合、コンクリート充填の効果があまり期待できないという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明においては、上記従来の問題を解決しつつ、杭本体に簡便な補強を施すことで、最大曲げ耐力に達した後の耐力低下を抑制し、かつ、杭の変形量を低下させないことによって吸収エネルギー性能を向上させた合理的な落下物防止杭を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（特徴構成１）
本発明に係る落下物防止杭の特徴構成は、請求項１に記載したごとく、前記地上立設部に落下物が衝突した際に、前記杭本体のうち最大曲げモーメントが作用する位置の断面変形を抑制すべく、前記杭本体の両端部を除いた位置であって、前記最大曲げモーメントが作用する位置および／またはその近傍位置に局所的に補剛手段を設けると共に、曲げモーメントを受けた前記杭本体が自身の長手方向に沿って前記補剛手段とは独立に伸縮変形可能となるよう前記補剛手段を取り付けた点にある。
（作用効果）
本構成のごとく、杭本体のうち最大曲げモーメントが作用する位置の断面変形を抑制すべく、最大曲げモーメントが作用する位置および／またはその近傍位置に補剛手段を設ける構成とすれば、杭本体に局部座屈が生じるのを有効に防止して、杭本体の吸収エネルギー性能を向上させることができる。
そして、本構成のごとく、前記補剛手段を取り付ける際に、前記杭本体の両端部を除いた位置であって、最大曲げモーメントが作用する位置および／あるいはその近傍位置に局所的に補剛手段を取り付けるものであれば、補剛手段をコンパクトに構成することができる。
この場合、杭本体のうち最大曲げモーメントが作用する位置を含めて補剛手段を取り付けるのが望ましいが、その他に、最大曲げモーメントが作用する位置そのものには補剛手段を取り付けていなくても、補剛手段による変形拘束の効果が前記最大曲げモーメント位置に及ぶのであれば、任意の位置に補剛手段を取り付けることができる。
本構成であれば、杭本体に対する補剛手段の取付作業が簡便なものとなるうえ、補剛手段の製造コストが低下するなど、落下物防止杭の性能を合理的に向上させることができる。
【０００６】
（特徴構成２）
本発明に係る落下物防止杭は、請求項２に記載したごとく、前記補剛手段を、前記杭本体を取り囲む外挿体で構成することができる。
（作用効果）
本構成のごとく、前記補剛手段を、前記杭本体を取り囲む外挿体で構成すれば、杭本体に対する取付位置の確認が容易であるから、前記最大曲げモーメントが作用する位置に確実に外挿体を取り付けることができる。
【０００７】
（特徴構成３）
本発明に係る落下物防止杭は、請求項３に記載したごとく、前記補剛手段を、前記杭本体に挿入可能な内挿体で構成することができる。
（作用効果）
本構成のごとく、前記補剛手段を、前記杭本体に挿入可能な内挿体で構成しておけば、杭本体の外径を増加させることなく杭本体を補剛することができる。よって、杭本体を埋設する穴の内径を、杭本体の外径に対して僅かに大きくするだけでよく、埋設穴の穿設作業を効率化することができる。また、杭本体を埋設穴に配置する際にも、前記補剛手段が障害となることはないから、杭本体の埋設作業を円滑に行うことができる。
【０００８】
（特徴構成４）
本発明に係る落下物防止杭は、請求項４に記載したごとく、前記外挿体或いは前記内挿体の複数を、前記杭本体の長手方向に沿って断続的に設けることができる。
（作用効果）
本構成のごとく、前記外挿体或いは前記内挿体の複数を、前記杭本体の長手方向に沿って断続的に設ける場合でも、杭本体のうち最大曲げモーメントが作用する位置の近傍を補剛することは可能である。
例えば、前記補剛手段を外挿体で構成する場合に、隣接する外挿体どうしの間隔が短い場合には、これら外挿体による補剛効果は、外挿体が設けられていない隣接部分にもある程度及ぶ。つまり、外挿体がない部分であっても、局部座屈の発生が抑制されるのである。
このように、補剛手段を断続的に設けることとすれば、補剛手段を更にコンパクトにすることができ、より経済的な補剛手段を得ることができる。しかも、取り付ける杭本体の外径さえ適合するものであれば、杭本体の管厚に応じて、補剛程度を適宜変更することができる。
例えば、管厚が大きく、杭本体そのものの曲げ耐力が大きい場合には、補剛手段どうしをより離間させて取り付けることができ、補剛手段の使用個数を減らして経済的な補剛作業を行うことができる。一方、管厚が小さく、杭本体そのものの曲げ耐力が小さい場合には、補剛手段どうしをより接近させて取り付けることで、十分な補剛効果を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（概要）
本発明に係る落下物防止杭の概要を図１に示す。
図１には、本発明の落下物防止杭Ｋ（以下、単に「杭Ｋ」と称する）を傾斜地１の下手部分に設置してある状況を示す。前記落下物防止杭Ｋは、図１の紙面奥行き方向に沿って間隔をあけた状態に複数並設してある。これにより、傾斜地１に沿って落下する落石などの落下物を受け止めようとするものである。
【００１０】
前記杭Ｋは、地盤に埋め込まれる埋設部２と、傾斜地１に沿って転落する落下物を受けて落下抑止する地上立設部３とを一体形成した杭本体Ｋ１を有する。本実施形態では、当該杭本体Ｋ１は例えば円筒形の鋳鋼管で構成してある。勿論、この他に、一般のシームレス鋼管や板巻鋼管等を用いることも可能である。
【００１１】
杭本体Ｋ１は種々の形状を採ることができる。本実施形態では、杭本体Ｋ１の外径と内径とが、杭本体Ｋ１の長手方向Ｘに沿った何れの位置でも同じとする。尚、鋳鋼管を用いる場合、鋳鋼管の製造方法によっては、外径或いは内径を、杭本体Ｋ１の一方の端部に向かって漸増させた構成をとることもできる。勿論、外径および内径の双方を杭本体Ｋ１の一方の端部に向かって漸増させてもよい。さらに、埋設部２については、長手方向Ｘのどの位置でも管厚を一定にし、地上立設部３については、上端側ほど管厚を薄く構成することもできる。ただし、前記埋設部２と地上立設部３との境界部分では、双方の外径及び内径は等しく構成する。
【００１２】
埋設した杭の地上立設部３に横向きの力が作用した場合に、杭本体Ｋ１に作用する曲げモーメントの分布は図１に示すとおりである。上下端部側には殆ど曲げモーメントは作用しない。
【００１３】
土の地盤中に埋設した落下物防止杭Ｋに作用する最大曲げモーメントは、通常埋設部２の上端部付近、即ち、地表面４の付近に作用する。しかし、厳密には、地表面４から所定の深さｄだけ地中に入った部分に作用する。これは、落下物防止杭Ｋに落石が衝突した場合に、落下物防止杭Ｋの埋設部２分も地表面４の広がり方向に沿って僅かに移動することに起因する。
【００１４】
本発明に係る落下物防止杭Ｋでは、上記最大曲げモーメントが作用する位置を確実に把握し、必要最小限の補強を施すことで、落下物防止杭Ｋを合理的に構成しようとするものである。
具体的には、埋設部２のうち、最大曲げモーメントが作用する位置であって、前記杭本体Ｋ１の両端部を除いた位置に、前記杭本体Ｋ１の長手方向Ｘに対して垂直な方向における杭本体Ｋ１の断面変形を抑制可能な補剛手段Ｓを設ける。
【００１５】
当該補剛手段Ｓとしては、例えば、前記杭本体Ｋ１を取り囲む外挿体Ｓ１で構成することができる。当該外挿体Ｓ１としては、例えば、鋳鋼製あるいは鋼製等のスリーブを用いる。当該外挿体Ｓ１を前記杭本体Ｋ１に外挿させることにより、曲げモーメントを受けた杭本体Ｋ１の断面が変形しようとするのを拘束する。外挿体Ｓ１の高さ寸法は、例えば、当該外挿体Ｓ１の外径と同程度の長さとすることができる他、前記外挿体Ｓ１の外径の２乃至３倍の高さに構成することもできる。ただし、外挿体Ｓ１のサイズは、補剛する杭本体Ｋ１の管厚等に応じて適宜変更可能である。
この結果、杭本体Ｋ１に局部座屈が発生するのを防止でき、杭本体Ｋ１の曲げ耐力を向上させることができる。
【００１６】
前記杭本体Ｋ１と前記外挿体Ｓ１とは強固に接合してはならず、例えば、杭本体Ｋ１の側に設けた固定手段１０であるストッパー１０ａによって固定する。ここでは当該ストッパー１０ａとしてブロック状のものを用い、前記杭本体Ｋ１の外周に分散させた状態に取り付けておく。つまり、前記ストッパー１０ａを取り付けた杭本体Ｋ１に前記外挿体Ｓ１をはめ込んでおく。
本構成であれば、曲げモーメントを受けた前記杭本体Ｋ１が前記外挿体Ｓ１とは独立した状態で自身の長手方向Ｘに沿って伸縮するのを許容することができる。つまり、主に断面変形が過大となるのを抑制しつつ杭本体Ｋ１の伸縮を行わせる。杭本体Ｋ１に落石が衝突し、杭本体Ｋ１に曲がりが生じる場合には、杭本体Ｋ１の外周部分のうち落石が衝突した側に引張変形が生じ、その反対側には圧縮変形が生じる。局部座屈が生じるのを防止してこれら伸縮を生じさせることで、杭本体Ｋ１の吸収エネルギーを増大させるのである。
【００１７】
尚、吸収エネルギーとは、例えば、杭本体Ｋ１の一端に曲げ力を載荷し、横軸に作用点の変位をとり、縦軸に曲げ荷重を取って整理した場合の荷重−変位曲線の積分値である。即ち、前記荷重−変位曲線と横軸とによって囲まれる面積をいう。
【００１８】
上記のごとく、杭本体Ｋ１と当該補剛手段Ｓとは相対移動できることが必要であり、少なくとも前記最大曲げモーメントが作用する部位に設けるものであればよく、前記杭本体Ｋ１の全長に亘って設ける必要はない。両者を強固に固着した場合には、杭本体Ｋ１の前記伸縮変形までもが阻止されて、杭本体Ｋ１と外挿体Ｓ１との境界部に曲げ応力が集中し、引張側に亀裂が生じる。その結果、杭本体Ｋ１の曲げ耐力は急激に低下することとなる。
【００１９】
（埋設手順）
上記杭本体Ｋ１は、例えば以下の手順で埋設する。
まず、設置対象位置に、前記埋設部２に比べて一回り大きな径の埋設穴５を形成する。次に、前記埋設穴５に埋設部２が納まるように杭を配置する。さらに、前記埋設穴５と前記埋設部２の外周部との間にモルタル６を充填して硬化させる。そして、同様にして、別の杭本体Ｋ１を図１の紙面奥行き方向に沿って間隔をあけた状態に複数並設し、落石抑止帯を形成する。
【００２０】
尚、前記埋設穴５を設ける際には、補剛手段Ｓを埋設する位置から上方に位置する埋設穴５の内径を大径に構成すれば、埋設穴５の穿設作業を極めて効率化することができる。つまり、前記埋設部２のうち前記補剛手段Ｓを設けた位置から下方の部分を挿入する穴の内径は、前記杭本体Ｋ１の外径より僅かに大径とすればよく、補剛手段Ｓが埋設される位置から上方の部分のみをより大径に穿設するだけでよいから、埋設穴５の穿設量を低減化することができるからである。
【００２１】
（効果）
本発明のごとく、杭本体Ｋ１のうち最大曲げモーメントが作用する位置の断面変形を抑制すべく、最大曲げモーメントが作用する位置および／またはその近傍位置に補剛手段Ｓを設ける構成とすれば、杭本体Ｋ１に局部座屈が生じるのを有効に防止して、杭本体Ｋ１の吸収エネルギー性能を向上させることができる。
そして、本発明のごとく、前記補剛手段Ｓを取り付ける際に、前記杭本体Ｋ１の両端部を除いた位置であって、最大曲げモーメントが作用する位置および／またはその近傍位置に局所的に補剛手段Ｓを取り付けるものであれば、補剛手段Ｓをコンパクトに構成することができる。
このように、本発明であれば、杭本体Ｋ１に対する補剛手段Ｓの取付作業が簡便であり、補剛手段Ｓの製造コスト等を低下させつつ、吸収エネルギー性能に優れた落下物防止杭を得ることができる。
【００２２】
（実験例）
〈概要〉
鋳鋼管を用い、断面形状の拘束を行った場合と拘束を行わない場合とで、鋳鋼管の吸収エネルギーに生じる差異を確認すると共に、吸収エネルギーの算定手法を導いた。併せて、杭本体Ｋ１の内部にコンクリートを充填した場合の他、開孔を設けた場合、溶接を施した場合、内面加工を施した場合についても吸収エネルギーがどのように変化するかを検討した。
これらを検討するため、静的曲げ実験と落錘式衝撃曲げ実験とを行った。
【００２３】
〈試験体〉
表１および表２に示すごとく、用いた試験体７は、外径が略１５０ｍｍφの中空鋳鋼管であって、管厚が７．８ｍｍから２０．５ｍｍまでの各種サイズの鋳鋼管を用いて実験を行った。この場合、前者の径厚比（Ｄ／ｔ）が１９．２であり、後者の径厚比が７．３であった。径厚比は、鋳鋼管の衝撃吸収エネルギーを定量的に評価するためのパラメータである。試験体７は合計で１８体使用した。
【００２４】
図８（イ）（ロ）に示すごとく、試験体７のいくつかには、断面形状を拘束する手段を施した。図８（イ）は、試験体７の側部を単に載荷治具８によって押圧するものであり、拘束手段なしの実験態様を示すものである。一方、図８（ロ）は、試験体７に外挿可能な載荷治具９を用いて試験体７の側部を押圧するものであり、拘束手段を施した実験態様を示すものである。
【００２５】
変形拘束は、鋳鋼管が落下物防止杭Ｋや落石防護柵の支柱に用いられた場合を想定し、基礎の拘束条件の違いによる影響を調べるために設けたパラメータである。具体的には、岩盤やモルタル６基礎へ根入れした場合を想定して変形拘束を施し、通常の土基礎へ根入れした場合を想定して変形拘束なしとした。
【００２６】
この他、鋳鋼管への加工の影響を検討するために、開孔を設けた鋳鋼管および溶接を施した鋳鋼管を用いた。特に、衝撃試験においては、鋳鋼管の内面形状の影響を評価するために内面加工した試験体７と内面加工しない試験体７とを用いた。
【００２７】
〈静的曲げ実験〉
静的曲げ実験の概要を図８（イ）（ロ）に示す。試験は、支点間距離１０００ｍｍにセットした試験体７中央部に載荷治具９をセットし、その上にロードセルを挟み、静荷重を載荷する３点曲げ試験を行った。実験では、荷重の他、試験体７中央部の鉛直変位、試験体７中央部から１００ｍｍ、２５０ｍｍの位置での歪みを測定した。荷重はロードセルで測定し、鉛直変位はワイヤー式変位計で、歪みは歪みゲージで測定した。
【００２８】
静的曲げ実験に供した試験体７の機械的性質を表１に示し、併せて、静的曲げ実験の結果を表３に示す。試験体７は、Ｎｏ．１からＮｏ．４までが変形拘束なしのものであり、Ｎｏ．５からＮｏ．１０までが変形拘束ありのものである。また、表３に示した吸収エネルギーは、荷重−変位曲線の変位軸に関する積分値である。
【００２９】
鋳鋼管の静的曲げ挙動は、降伏荷重に達したのち塑性変形を生じ始め、耐力が徐々に上昇した。やがて最大耐力に達し、その後耐力は徐々に低下しながら変形を続けた。載荷点の断面形状は変形が進行するにつれて局部座屈が進行し、円形断面が偏平化していく。耐力低下および局部座屈の度合いは、径厚比が大きいものほど大きかった。変形拘束ありの場合、鋳鋼管の局部座屈を治具で拘束しているため、載荷点の円形断面は偏平化が抑制され、変形拘束を施さなかった場合よりも耐力の低下が小さくなった。
静的曲げ試験は、試験機の都合で最大変位２５０ｍｍ（変位角２７度）で実験を終了したが、鋳鋼管に亀裂は発生しなかった。
【００３０】
径厚比が比較的大きいＮｏ．４試験体およびＮｏ．１０試験体についてコンクリートを充填し、その影響を調べた。変形拘束なしのＮｏ．４試験体では、中空管に比べて最大耐力およびその時の変位が上昇し、耐力面ではコンクリート充填の効果があることがわかった。しかし、変位角１５度程度で鋼管の引張側に亀裂が発生し耐力が急激に低下することから、変形能力の面においては中空管に比べて劣っていることがわかった。結局、コンクリートを充填した鋼管と中空管とを比較した結果、亀裂発生時までの吸収エネルギーは両者とも略等しかった。
【００３１】
コンクリートを充填した鋼管のうち、変形拘束なしのＮｏ．４試験体と、変形拘束ありのＮｏ．１０試験体とを比較すると、変形拘束ありの場合には、変形拘束なしの場合に比べて、引張側での亀裂発生時の変位角がやや改善される。しかし、中空管に変形拘束を施したものも耐力低下が少なくなる傾向を示すことから、耐力面・変形拘束面の何れにおいてもコンクリート充填の効果は少ないと考えられる。吸収エネルギー性能にあっては、中空管の方が良好な結果を示した。
【００３２】
一方径厚比が小さい鋳鋼管では、中空管の耐力低下の度合いが小さくなることから、コンクリート充填の効果は減少するものと予想される。
即ち、径厚比２０以下の鋳鋼管では、基礎への根入れ条件に拘わらずコンクリート充填を施すよりも中空管の方が吸収エネルギー性能に優れているといえる。
【００３３】
Ｎｏ．９試験体には、鋳鋼管にワイヤーロープなどを取り付けるために開孔を形成した場合の影響を調べるため、試験体７の中央から６５ｍｍおよび３６５ｍｍの位置の上下面に１５ｍｍφの開孔を設けた。
開孔を設けた場合には、変位曲線の全体に亘って略一定の耐力低下を伴ったまま変形が進行した。ただ、表３において、例えば、Ｎｏ．９試験体とＮｏ．５試験体とについて実験値と計算値との比に注目した場合、開孔による断面欠損を考慮すると、開孔なしの場合の値に近づくことがわかる。よって、吸収エネルギーを評価する上では、開孔の断面欠損を考慮しておけば、実用上の問題はないと考えられる。
【００３４】
Ｎｏ．８試験体は、鋳鋼管の表面に溶接を施した場合の影響を調べるためのものである。表３の結果において、Ｎｏ．８試験体とＮｏ．７試験体との比較から明らかなごとく、鋳鋼管に溶接を施した場合にも吸収エネルギー性能には殆ど差がみられなかった。
【００３５】
しかし、静的曲げ試験において、変形拘束を与えなかったNｏ．１試験体乃至Ｎｏ．４試験体と、変形拘束を与えたNｏ．５試験体乃至Ｎｏ．７試験体とを比較すると、変形拘束を与えた方が吸収エネルギーは明らかに増大していた。
【００３６】
〈落錘式衝撃曲げ実験〉
落錘式衝撃曲げ実験の場合にも静的曲げ実験と同様に支点間距離を１０００ｍｍとした試験体７の中央部に載荷治具９をセットし、その上にロードセルを挟み込んだ。この載荷治具９に重錘を自由落下させ衝撃載荷した。各試験体７の機械的性質を表２に示す。併せて、落錘式衝撃曲げ実験の結果を表４に示す。
当該実験では、衝撃荷重の他、試験体７中央部の鉛直変位、試験体７中央部から５０ｍｍ、２５０ｍｍの位置での歪みを測定した。衝撃荷重はロードセルで測定し、鉛直変位はレーザー変位計で、歪みは歪みゲージで測定した。計測データは０．１ｍｓｅｃ間隔でサンプリングした。
【００３７】
衝撃力の載荷時間は、全般に剛性の高い試験体ほど、つまり、径厚比の小さい試験体ほど短かかった。表４に示したごとく、試験体７の中央から５０ｍｍの位置での鋳鋼管の最大歪み速度は、開孔を設けた鋳鋼管以外は、８／ｓｅｃ乃至１１／ｓｅｃであり、剛性の高い試験体ほど歪み速度が大きかった。開孔を設けた鋳鋼管を想定したＮｏ．１４試験体で歪み速度が２／ｓｅｃと小さいのは、歪みゲージの貼付位置と開孔位置とが近接していたため、開孔の変形が開孔近傍の鋳鋼管本体の歪み及び歪み速度に影響を与えたためと考えられる。
【００３８】
通常、鋳鋼管は内面加工しない状態で使用されるが、静的曲げ実験・衝撃曲げ実験の双方において、鋳鋼管が有する衝撃吸収エネルギーを定量的に評価するために、Ｎｏ．１６試験体以外は全て試験体の内面を加工した。表４において、例えば、Ｎｏ．１６試験体とＮｏ．１１試験体との結果を比較すると、内面加工の有無による影響はないといえる。
その他の因子の影響として、コンクリート充填・開孔・溶接等によるものが考えられるが、これらが衝撃曲げ挙動に悪影響を及ぼすことはなく、静的曲げ挙動でみられた影響と特に変わる点はなかった。
また、溶接を施したＮｏ．１５試験体についても、Ｎｏ．１３試験体と比較する限り、衝撃曲げ挙動に与える影響は少ないと考えられる。
【００３９】
衝撃曲げ実験の吸収エネルギーは、静的曲げ実験の吸収エネルギーに比べて大きい傾向がある。その様子を例えば図９に示す。よって、衝撃吸収エネルギーは静的曲げ挙動に基づいて評価しておけば、安全側に評価することができる。
【００４０】
〈限界吸収エネルギー評価〉
落下物防止杭Ｋあるいは落石防護柵の設計は、落石エネルギーを上回るように行われる。この場合、鋳鋼管の耐力が低下する部分まで見込んで吸収エネルギーを評価しても差し支えない。ただし、評価に際しては、その杭が新設か既設対策工の補強か、あるいは、その構造が単独杭か防護柵の支柱か等の差異を評価すべきと考える。
【００４１】
そこで、ここでは実構造物として使用された場合の鋳鋼管の変位角の上限値、即ち、終局変位角を設定し、そこに到達するまでの吸収エネルギー、即ち、限界吸収エネルギーを算定すると共に、設計時の判断に役立つ安全率と変位角との関係も併せて提案することとした。
【００４２】
鋳鋼管の変形能力は、実験結果から変位角で３０度以上あるが、単独杭や防護柵の支柱のように片持梁形式で使用される場合、落石の飛び出しなどを考慮して、鋳鋼管の終局変位角は３０度とする。
【００４３】
〈設計降伏荷重の評価式〉
鋳鋼管を支柱に使用した落下物防止杭Ｋあるいは落石防護柵を設計するには、支柱に塑性ヒンジを形成させる力の算定が必要である。表３によれば、降伏荷重実験値ｅＰｙと全塑性荷重計算値ｃＰｐとの比が径厚比によらず略一定であることから、設計降伏荷重ｄＰｙの算定式は次式とすることにした。
ｄＰｙ  ＝  α・ｃＰｐ    ・・・・・・  （１）
ここで、αは、変形拘束の有無に応じて実験から求められる定数である。
式（１）を変形すると次式のようになる。
ｄＭｙ  ＝  α・ｃＭｐ    ・・・・・・  （２）
ここで、ｄＭｙ：設計用降伏曲げモーメント
ｃＭｐ：全塑性モーメント（＝σｙ・Ｚｐ）
σｙ：降伏点        Ｚｐ：塑性断面係数
【００４４】
〈限界吸収エネルギーの評価式〉
終局変位までの吸収エネルギーの実験値ｅＥｕを降伏荷重実験値ｅＰｙと終局変位σｕとの積で割った値をβとすると、限界吸収エネルギーＥｕの評価式は、次式で定式化できる。
Ｅｕ  ＝  β・ｄＰｙ・σｕ    ・・・・・・  （３）
ここに、σｕは、荷重作用位置と支点との距離をＬとすると、
σｕ  ＝  Ｌ・ｔａｎ３０°  であり、
設計降伏曲げモーメント  ｄＭｙ  は、
ｄＭｙ  ＝  ｄＰｙ・Ｌ    であるので、式（３）を変形して次式を得る。
Ｅｕ  ＝  β・ｄＭｙ・ｔａｎ３０°    ・・・・・・  （４）
【００４５】
βと径厚比Ｄ／ｔとの関係を図１０に示す。
【００４６】
表５には、安全率と部材変位角との関係を示す。
つまり、静的曲げ試験の結果を用い、各径厚比の鋳鋼管の限界吸収エネルギー実験値を安全率で割った吸収エネルギー値になるときの変位および変位角を示す。径厚比によって、安全率と変位角との関係は若干異なるものの、落石対策工設計時の目安として利用することができる。
【００４７】
以上のごとく、本実験では、鋳鋼管を試験体７として、静的曲げ実験および落錘式衝撃曲げ実験を行い、これらの実験結果を基に鋳鋼管の衝撃吸収エネルギーについてこれを定量的に評価した。
また、実際の設計時に役立つ限界吸収エネルギーの算定およびこれらに対する安全率と部材変位角との関係も示すことができた。これにより、鋳鋼管を使用した落石対策工等の吸収エネルギーに基づく設計が簡便にできるようになった。
【００４８】
（効果）
以上のごとく、本発明の落下物防止杭Ｋであれば、杭の断面形状が変化するのを抑制し、局部座屈を生じさせ難くすると共に杭の変形量を低下させ難くして、杭本体Ｋ１の吸収エネルギー性能を向上させることができる。
しかも、杭本体Ｋ１のうち最大曲げモーメントが作用する位置に、杭本体Ｋ１に比べて短い補剛手段Ｓを取り付けるだけでよいから、補剛手段Ｓをコンパクトに構成することができる。しかも、補剛手段Ｓがコンパクトになれば、杭本体Ｋ１に対する取付作業も必然的に簡便なものとなる。このように、杭の補剛作業を簡略化しながら、高強度を有する落下物防止杭Ｋを得ることができる。
【００４９】
（別実施形態）
〈１〉  前記補剛手段Ｓとしては、例えば図２に示すごとく、杭の内部に挿入可能な内挿体Ｓ２を用いてもよい。例えば、杭本体Ｋ１が変形断面を有する場合には、略円柱状の部材を用いることができる。当該内挿体Ｓ２は、例えば、鋳鋼の他、一般の鋼材を用いて構成することもできる。当該内挿体Ｓ２の高さ寸法も、前記外挿体Ｓ１と同様に、杭本体Ｋ１の外径と同等の高さ、あるいは、杭本体Ｋ１の外径に対して２乃至３倍の高さに任意に構成することができる。そして、これらの部材どうしの連結は、例えば、溶接によって仮付けしておくことができる。勿論、前述のストッパー１０ａを用いるものであってもよい。
本別実施の場合にも、杭の断面形状の変化を拘束しつつ、前記内挿体Ｓ２とは独立に杭の長手方向Ｘへの杭本体Ｋ１の伸縮を許容して吸収エネルギー性能を向上させることができる。
【００５０】
そして、本構成のごとく、前記補剛手段Ｓを前記杭本体Ｋ１に挿入可能な内挿体Ｓ２で構成しておけば、杭本体Ｋ１の外径を増加させることなく杭本体Ｋ１を補剛することができる。よって、杭本体Ｋ１を埋設する穴の内径を、杭本体Ｋ１の外径に対して僅かに大きくするだけでよく、埋設穴５の穿設作業を効率化することができる。また、杭本体Ｋ１を埋設穴５に配置する際にも、補剛手段Ｓが障害となることはないから、杭本体Ｋ１の埋設作業を円滑に行うことができる。
【００５１】
〈２〉  前記補剛手段としては、前記外挿体Ｓ１或いは前記内挿体Ｓ２の複数を、前記杭本体Ｋ１の長手方向Ｘに沿って断続的に設けるものであってもよい。この場合でも、杭本体Ｋ１のうち最大曲げモーメントが作用する深さｄの位置の近傍を補剛することは可能である。
図３には、例えば前記補剛手段Ｓを外挿体Ｓ３で構成する場合を示す。このように、隣接する外挿体Ｓ３どうしが離間しているものであっても、これら外挿体Ｓ３による補剛効果は、外挿体Ｓ３が設けられていない隣接部分にもある程度及ぶ。つまり、外挿体Ｓ３が存在しない部分であっても局部座屈の発生が抑制されるのである。
一例として、本実施形態では、一つの外挿体Ｓ３の高さ寸法は前記杭本体Ｋ１の外径の約半分に設定してある。そして、隣接する外挿体Ｓ３どうしの間隔は、当該外挿体Ｓ３の高さ寸法のさらに半分に設定してある。夫々の外挿体Ｓ３は、例えば、前述と同様にストッパー１０ａを用いて固定することができる。勿論、これら外挿体Ｓ３の高さ寸法、および、外挿体Ｓ３どうしの間隔は、用いる杭本体Ｋ１の管厚に応じて適宜変更可能である。
【００５２】
このように、補剛手段Ｓを断続的に設けることとすれば、補剛手段Ｓを更にコンパクトにすることができ、より経済的な補剛手段Ｓを得ることができる。しかも、取り付ける杭本体Ｋ１の外径さえ適合するものであれば、杭本体Ｋ１の管厚に応じて補剛程度を適宜変更することができる。
例えば、管厚が大きく杭本体Ｋ１そのものの曲げ耐力が大きい場合には、補剛手段Ｓどうしをより離間させて取り付けることができ、補剛手段Ｓの使用個数を減らして経済的な補剛作業を行うことができる。一方、管厚が小さく杭本体Ｋ１そのものの曲げ耐力が小さい場合には、補剛手段Ｓどうしをより接近させて取り付けることで十分な補剛効果を得ることができる。
【００５３】
〈３〉  前記補剛手段Ｓは、図４に示すごとく構成することもできる。即ち、前記補剛手段Ｓとして、例えば、その周面がドーナツ状に形成してある内挿体Ｓ４を用いる。当該内挿体Ｓ４は、例えば、一般の鋼材或いは鋳鋼などによって構成する。当該内挿体Ｓ４は、前述のストッパー等で固定することもできるが、例えば、杭本体Ｋ１の上方端部に設けた蓋部材１２に吊り下げた棒体１０ｃに固定することもできる。この棒体１０ｃの長さを適宜調節することで、杭本体Ｋ１のうち最大曲げモーメントが作用する位置に前記内挿体Ｓ４を固定することができる。
【００５４】
本構成の場合にも、前記杭本体Ｋ１に落下物が衝突して杭本体Ｋ１が曲がり変形した際に、特に、前記内挿体Ｓ４のうち落下物の衝突方向と同方向の部位が杭本体Ｋ１の内面に当接し、杭本体Ｋ１の断面変形を抑制して局部座屈が生じるのを防止することができる。
【００５５】
尚、図４には前記内挿体Ｓ４を一つ備えた例を示したが、この例に限られるものではない。図示は省略するが、複数の内挿体Ｓ４を取り付けるものであってもよい。例えば、最大曲げモーメントが作用する位置を挟んで上下の領域に亘って三つの内挿体Ｓ４を取り付けることができる。上下に隣接する内挿体Ｓ４どうしの間隔あるいは使用する内挿体Ｓ４の数は、杭本体Ｋ１の管厚等により適宜設定することができる。管厚が厚く杭本体Ｋ１の剛性が高い場合には、内挿体Ｓ４の間隔を広くしたり使用個数を少なくすることができる。逆に、管厚が薄く杭本体Ｋ１の剛性が低い場合には、内挿体Ｓ４の間隔を狭くしたり使用個数を多くすることができる。
【００５６】
〈４〉
本発明に係る落下物防止杭は、土基礎に埋設するものの他にコンクリート基礎に埋設して用いることができる。図５（イ）は、杭本体Ｋ１をコンクリート基礎１１に埋設した状態の側方断面図であり、図５（ロ）は、同平面図である。
杭本体Ｋ１の埋設穴５は、例えば、コンクリートを打ち込む際に型枠を用いて構成する。杭本体Ｋ１とコンクリート基礎１１との間にはモルタル６を充填してある。
【００５７】
本実施形態では、杭本体Ｋ１の地上立設部に外挿体Ｓ５を取り付けてある。当該外挿体Ｓ５は、コンクリート基礎１１の上に単に載置しておく。本実施形態にあっては、杭本体Ｋ１に落下物が衝突した際に、杭本体Ｋ１のうち最大曲げモーメントが作用する位置は、コンクリート基礎１１の上面に位置する部分である。前記外挿体Ｓ５を設けない場合には、当該部分に曲げ力が集中して杭本体Ｋ１に断面変形が生じ易くなる。このため、コンクリートの埋設穴には、前記落下物の衝突方向に対して直角方向に拡径しようとする外力が作用し、当該直角方向に引張力を受けたコンクリートが破損する場合がある。この結果、拘束力を失った杭本体Ｋ１は局部座屈し易くなるのである。
しかし、当該外挿体Ｓ５を設けることで杭本体Ｋ１の断面変形を拘束し、前記局部座屈を抑制することができる。曲げ力を受けた前記杭本体Ｋ１は、落下物が衝突した側の面において引張変形し、その裏側では圧縮変形しようとするが、このときモルタル６は比較的容易に破壊されるから、杭本体Ｋ１の変形を十分に許容することができる。
【００５８】
本構成であれば、外挿体Ｓ５を単に杭本体Ｋ１の地上立設部に落とし込むだけでよいから外挿体Ｓ５の取付構造及び取付作業が極めて簡略化することができる。しかも、外挿体Ｓ５をセットした状態では、外挿体Ｓ５の下面が、杭本体Ｋ１のうち最大曲げモーメントが作用する位置に常に接した状態となるから、杭本体Ｋ１の断面変形を確実に防止することができる。
【００５９】
〈５〉
図５で示した外挿体Ｓ５は、図６に示すごとく、その一部を切り欠いた形状にすることもできる。
杭本体Ｋ１の断面変形を拘束するには、落下物の衝突方向に対して直角な方向に杭本体Ｋ１が拡径するのを阻止すればよい。そのためには、少なくとも図６における杭本体Ｋ１の上下方向に当接し得るよう外挿体Ｓ６を構成すればよい。
尚、切欠き位置は、落下物が衝突するのと反対方向であっても差し支えない。
【００６０】
本構成であれば、図６に示すごとく埋設穴５の一部を常に露出させることができる。よって、前記外挿体Ｓ６を取り付けた後でも埋設穴５にモルタル６を充填することができ、杭本体Ｋ１の設置作業の自由度を高めることができる。
尚、外挿体Ｓ６を設置した後、外挿体Ｓ６が不用意に回転して切欠き方向が変更されるのを防止するために、外挿体Ｓ６の下面に突起部などを設けておき、これをモルタル６の内部に埋設固定する構成とすれば、落下物防止杭の信頼性をより向上させることができる。
【００６１】
〈６〉
本発明の落下物防止杭は図７に示すごとく構成することもできる。本別実施形態では、外挿体Ｓ７を、その高さ方向の半分だけコンクリート基礎１１に埋設する。ただし、外挿体Ｓ７は、コンクリート基礎１１に対して独立に移動可能に構成しておく。ここでは前記外挿体Ｓ７をモルタル６で固定してある。当該モルタル６は、杭本体Ｋ１に落下物が衝突した際の衝撃力によって破壊し得るものとする。外挿体Ｓ７は、杭本体Ｋ１に取り付けたストッパー１０ａによって受け止め支持してある。
【００６２】
本構成の場合も、杭本体Ｋ１のうち最大曲げモーメントが作用する位置はコンクリート基礎１１の上面位置である。しかし、当該実施形態では、落下物による衝撃力が作用した際に前記モルタル６が破壊され、外挿体Ｓ７と杭本体Ｋ１とは略一体となって傾くことができる。しかも、杭本体Ｋ１は外挿体Ｓ７とは独立に伸縮変形可能である。よって、本実施形態の場合にも、杭本体Ｋ１の吸収エネルギー性能を向上させることができる。
【００６３】
〈７〉
上記実施形態では、落下物防止杭Ｋについての例を示したが、この他にも、複数の落下物防止杭Ｋを断続的に埋設すると共に、隣接する落下物防止杭Ｋどうしに亘って柵を設け、落下物防止用柵を構成するものであってもよい。
【００６４】
【表１】
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【００６５】
【表２】
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【００６６】
【表３】
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【００６７】
【表４】
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【００６８】
【表５】
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【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る落下物防止杭を示す説明図
【図２】本発明の別実施形態に係る落下物防止杭を示す説明図
【図３】本発明の別実施形態に係る落下物防止杭を示す説明図
【図４】本発明の別実施形態に係る落下物防止杭を示す説明図
【図５】本発明の別実施形態に係る落下物防止杭を示す説明図
【図６】本発明の別実施形態に係る落下物防止杭を示す説明図
【図７】本発明の別実施形態に係る落下物防止杭を示す説明図
【図８】曲げ実験の手法を示す模式図
【図９】曲げ変位と吸収エネルギーとの関係を示す説明図
【図１０】限界吸収エネルギー評価を示す説明図
【図１１】従来の落下物防止杭を示す説明図
【符号の説明】
１    傾斜地
２    埋設部
３    地上立設部
Ｋ    落下物防止杭
Ｋ１  杭本体
Ｓ    補剛手段
Ｓ１  外挿体
Ｓ２  内挿体
Ｘ    杭本体の長手方向
【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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