(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼管杭の頭部にこの鋼管杭より大径の外管を挿通し、前記鋼管杭の頭部と前記外管の上端部分とが埋没する状態にコンクリートを打設してフーチングを構築するとともに、該フーチングに埋設する前記鋼管杭と前記外管の上端部分の内外面にずれ止めおよび／または鉄筋を取り付け、前記フーチングの下部の前記鋼管杭と前記外管との中間に形成される空間内にヤング率で10〜10000Ｎ／ｍｍ2の物質を充填して杭の水平耐力を増大させたことを特徴とする二重管式の杭頭構造。
【請求項２】
前記フーチングに埋設する前記鋼管杭と前記外管の上端部分の外面に前記鉄筋を取り付け、かつ前記上端部分の内面に前記ずれ止めを取り付けることを特徴とする請求項１に記載の二重管式の杭頭構造。
【請求項３】
前記外管の長さが、外管の杭の特性値βに対して0.5／β〜0.7／βである請求項１または２に記載の二重管式の杭頭構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、杭基礎における二重管式の杭頭構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤内に貫入させた杭の頭部を建造物のフーチングに接続する構造の杭基礎においては、地震時に杭頭部に大きな水平力が作用するため、杭頭部を大断面に拡大したり、杭頭部とフーチングとの結合度を小さくするなどの対策が講じられている。
杭頭部を拡径する構造では拡径部と杭軸部との連結加工に膨大な手間がかかり、しかもその下部に弱点部が残るなどの問題点がある。
【０００３】
そこで通常の杭を使用しながら水平耐力を向上させる杭基礎として、二重管式杭頭構造が提案されている。
特許文献１には、杭頭部に外管をかぶせ、この外管の下端部の杭との隙間にアスファルト材などのスペーサを備えて大地震においても構造物を安定的に支持する二重管式の杭頭構造が記載されている。スペーサは土砂の侵入を防ぎ、杭と外管との間に確実に空間を形成させ、耐震性能と施工性を向上させる。
【０００４】
また特許文献２には、下杭の鉄筋コンクリート杭に植え込む鉛直抵抗用部材としての内部鋼管と、これを取り囲む水平抵抗用部材としての前記内部鋼管よりも短い外部鋼管とからなり、外部鋼管をその頭部以外では内部鋼管や下杭に接触しないように設置した二重管式の杭頭構造が記載されている。これを図４により簡単に説明する。１Ａは下杭の鉄筋コンクリート杭、１は内部鋼管、２は外部鋼管、３Ａは充填材である。外部鋼管２と内部鋼管１との間隙は、空間のままとするか、軟弱土またはポリウレタン等の軟弱な充填材３Ａを充填するとしている。
【特許文献１】特開２００４−１１６２２５号公報
【特許文献２】特公平１−１９４８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１記載の発明では外管が受けた水平力が確実に内側の杭に伝達されるかどうかが問題であり、効果が疑わしい。特許文献２に記載の発明では、空隙内への充填材について、その特性については何ら言及がない。また外管を内部鋼管よりも短くするとの記載はあるが、具体的な数値は示されていない。
本発明は、充填材の特性や外管の長さを具体的に特定し、小径の杭を使用して経済的で耐震効果のある杭頭構造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、鋼管杭の頭部にこの鋼管杭より大径の外管を挿通し、鋼管杭の頭部と外管の上端部分とが埋没する状態にコンクリートを打設してフーチングを構築するとともに、該フーチングに埋設する前記鋼管杭と前記外管の上端部分の内外面にずれ止めおよび／または鉄筋を取り付け、前記フーチングの下部の鋼管杭と外管との中間に形成される空間内にヤング率で10〜10000Ｎ／ｍｍ2の物質を充填して杭の水平耐力を増大させたことを特徴とする二重管式の杭頭構造であり、望ましくは前記フーチングに埋設する前記鋼管杭と前記外管の上端部分の外面に前記鉄筋を取り付け、かつ前記上端部分の内面に前記ずれ止めを取り付ける前記の二重管式の杭頭構造、また前記外管の長さが、外管の杭の特性値βに対して0.5／β〜0.7／βである前記の二重管式の杭頭構造である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、小径の杭を使用するので施工が安価でかつ容易であり、設計の自由度も大きく、地震時の水平耐力が大幅に向上するという、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】
埋め込み杭工法には中掘り方式とプレボーリング方式とがあるが、本発明はそのいずれでもかまわない。
本発明では内管となる杭のほかに、頭部である地表近くにこれより若干大径の外管を建て込む。内管、外管は同時でも別々でも、またどちらを先にしてもよい。
内管の上端部分の内部と、外管の上端部分が外周を含めて埋没する状態にコンクリートを打設してフーチングを構築する。
【０００９】
内管と外管の上端部分の内外面に「ずれ止め」あるいは鉄筋を取り付けて、コンクリートとの付着力を増大させる。これも水平力の伝達に効果がある。
フーチング部分を除いて、外管の外側、および外管と内管との隙間には特にコンクリートを充填しない。しかし中空とはしないので、周囲の土砂、あるいは施工時のソイルセメント等が隙間材として存在する状態である。外管に作用した水平力は隙間材を介し、分散して内管に伝達される。したがって隙間材としてはある程度以上の剛性が必要である。
【００１０】
図２は、隙間内に充填される物質の剛性を変えて解析を行った結果を示す。鋼管杭の杭径は1200ｍｍ、杭長は40ｍ、外管の径は1400ｍｍ、長さは5ｍとし、二次元平面骨組み法により、隙間材のヤング率を０〜10000の範囲で変化させて解析した。なお、ヤング率０は隙間内に物質が充填されていない場合である。また鋼管杭の杭径や外管の径は以下特に断りのない限り外径を意味する。
【００１１】
鋼管杭には鉛直荷重として14000ｋＮの軸力が作用しており、鋼管杭または外管が降伏する水平荷重を求めた。図２に見るように、10n単位で比較すると、100Ｎ／ｍｍ2を最大としてそれ以下でも、またそれ以上でも水平荷重は低下している。
そこで本発明では好ましい隙間材のヤング率の値を10〜10000Ｎ／ｍｍ2とした。コンクリートはヤング率で25000Ｎ／ｍｍ2程度である。このような剛性の高い物質を充填しようとすると、施行の際に空隙内に土砂が入らないようにするか、あるいは侵入した土砂を排除しなければならないので、施工コストが増大してしまう。むしろヤング率で10〜70Ｎ／ｍｍ2程度の周辺の土砂や、杭の打設の際に発生したヤング率で500〜5000Ｎ／ｍｍ2程度のソイルセメントをそのまま隙間材として使用すれば好ましい地震耐力が実現できるのである。
【００１２】
つぎに、隙間材のヤング率を10〜70Ｎ／ｍｍ2とし、鋼管杭の径を1200ｍｍ、杭長を40ｍ、外管の径を1800ｍｍとして外管の長さを変化させて同様の解析を行った。その結果を図３に示す。
図３に見るように外管の長さが8ｍのときに水平荷重が最大となっており、6ｍよりも短くなったとき、すなわち外管の杭の特性値βに対して0.5／β以下の場合に水平荷重は大きく減少している。また8ｍを超えると減少している。
【００１３】
なおβは一般に杭の特性値と呼ばれる指標で、次式で定義される。
β＝（ｋh・Ｂ／４Ｋ）1/4  （１／ｍ）
ここにｋhは地盤の深さｚにおける水平地盤反力係数（単位はｋＮ／ｍ3）、Ｂは杭径（ｍ）、Ｋは杭体の曲げ剛性（ｋＮ・ｍ2）である。この例ではβは0.083となる。
本発明では好ましい外管の長さを0.5／β〜0.7／β（ｍ）とした。外管をいたずらに長くしても水平耐力は向上せずむしろ低下し、一方で材料費や製造コストが増加するので上記の範囲がもっとも好ましい。
【実施例】
【００１４】
本発明実施例の二重管式杭頭構造の断面を図1に示す。１は鋼管杭、２は外管、３は隙間材、４はずれ止め、５は鉄筋、Ｆはフーチングである。鋼管杭１の径は1200ｍｍ、厚さは25ｍｍ、外管２の径は1400ｍｍ、厚さは25ｍｍ、外管２の長さは5ｍで、本実施例の場合、ｋh＝1540ｋＮ／ｍ3、Ｂ＝1.20ｍ、Ｋ＝3.13×106ｋＮ・ｍ2であるから、βは0.11とした。したがって5ｍは0.55／βに相当する。地盤のＮ値は１である。
【００１５】
鋼管杭１および外管２の上端部内面に「ずれ止め４」を２段に取り付け、さらに鋼管杭１および外管２の上端部外面に鉄筋５を取り付けてフーチングＦへの定着を図っている。
鋼管杭１と外管２とは直接接触せず、隙間には隙間材３としてヤング率で70Ｎ／ｍｍ2のソイルセメントが充填されている。
鉛直荷重は14000ｋＮであり、水平荷重1199ｋＮで鋼管杭が降伏する。同じ条件で外管による補強がない場合には水平荷重420ｋＮで鋼管杭が降伏するので、二重管式としたことにより水平耐力が大幅に増加している。なお、同等の効果を発揮する補強を拡頭構造やＣＦＴ（コンクリート充填鋼管）構造で行った場合と比較しても、約4割のコスト削減が達成できた。
【００１６】
なお、とくに図示しないが、本発明実施例の外管のさらに外側に当たる周囲部分を掘削し、掘削土砂とセメントミルクとを攪拌、混合してソイルセメントによる地盤改良を行えば、いっそう大きな範囲で水平耐力を増強させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明実施例を示す二重管式杭頭構造の断面図である。
【図２】本発明実施例におけるヤング率と水平荷重との関係を示すグラフである。
【図３】本発明実施例における鋼管長さと水平荷重との関係を示すグラフである。
【図４】従来の技術における二重管式杭頭構造の断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１    鋼管杭（内部鋼管）
１Ａ  鉄筋コンクリート杭
２    外管（外部鋼管）
３    隙間材
３Ａ  充填材
４    ずれ止め
５    鉄筋
Ｆ    フーチング
【図１】
0005109531.tif 000002
【図２】
0005109531.tif 000003
【図３】
0005109531.tif 000004
【図４】
0005109531.tif 000005