(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造物を支持する杭体の頭部と構造物若しくは構造物の基礎フーチングとの間に配置される杭頭接合装置であり、
杭体上面に鉛直荷重を伝達する外周平板部を有し、その内側がすり鉢状に窪んだ凹型荷重受け部となっている凹部を有する杭側接合部材Ａと、
上記杭側接合部材Ａの上側に配置され、当該杭側接合部材Ａの凹部の中央上面に接する凸部と、その上面に存在し上部の基礎フーチングに接合される平板部からなる基礎側接合部材Ｂより構成されており、
上記杭側接合部材Ａと上記基礎側接合部材Ｂの両者の接触面において、上記杭側接合部材Ａの凹部の曲率半径が上記基礎側接合部材Ｂの凸部の曲率半径よりも大きく、且つ基礎側接合部材Ｂの凸部の周囲と杭側接合部材Ａの凹部の内壁面間に隙間が確保されており、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの隙間に、発泡材もしくはスポンジ状物質を充填していることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項２】
構造物を支持する杭体の頭部と構造物若しくは構造物の基礎フーチングとの間に配置される杭頭接合装置であり、
杭体上面に鉛直荷重を伝達する外周平板部を有し、中央部が上側に凸に突出した凸部を有する杭側接合部材Ａと、
上記杭側接合部材Ａの上側に配置され、当該杭側接合部材Ａの凸部を覆う下向きの凹型荷重伝達部となっている凹部を有し、その上面に存在し上部の基礎フーチングに接合される平板部からなる基礎側接合部材Ｂより構成されており、
上記杭側接合部材Ａと上記基礎側接合部材Ｂが両者の平面中央において接触し、その接触面において上記基礎側接合部材Ｂの凹部の曲率半径が上記杭側接合部材Ａの凸部の曲率半径よりも大きく、且つ上記杭側接合部材Ａの凸部の周囲と基礎側接合部材Ｂの凹部の内壁面間に隙間が確保されており、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの隙間に、発泡材もしくはスポンジ状物質を充填していることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項３】
上記請求項１または請求項２に記載の杭頭接合装置において、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの接触面で、凸部と凹部の中央接触部付近がほぼ平板状（曲率半径≒無限大）になっており、その範囲内において凸部は凹部に対して水平方向にズレることが可能となっており、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂは相対的に傾斜変形および水平変形できることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項４】
上記請求項１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの接触面で、凸部と凹部の中央接触部の中央付近に、両者の平面位置関係のずれを制限するための小さな凹凸からなる先端嵌合部を有し、上記先端嵌合部の凸部の周囲と上記先端嵌合部の凹部の内壁面間には、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂが相対的に傾斜変形できるだけの若干の隙間を有していることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項５】
上記請求項１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂにおける上記中央接触部でのずれが、ある一定値以上に達するか、もしくは、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両者間の相対的傾斜角がある一定値以上に達すると、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両部材の凸部周壁と凹部内壁面が接触するように、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両部材間の隙間が設定されていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項６】
上記請求項１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両者の中央接触部近傍の、上記凹部側に、上記凸部側に突出する突起部を設け、
上記中央接触部が一定値以上ズレずれると、上記凸部の先端近傍のみが、上記凹部側の上記突起部に接触するように設定されていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項７】
上記請求項１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両者の中央接触部の接触面付近、もしくは、上記凹部と凸部の相対面する周壁面に、潤滑用液体の塗布層、防錆用液体の塗布層、潤滑用液体の充填部、防錆用液体の充填部、固体潤滑材皮膜、もしくは弾性体材料を介在させていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項８】
上記請求項１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、
上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの隙間、もしくは杭側接合部材の周囲平板部とその上部の基礎側接合部材の間に、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの相対的ずれおよび傾斜に対する復元力を与えるゴム弾性体を配置し、杭頭の水平変形および回転変形に対する弾性ばね接合とすると同時に、装置周囲の埋め戻し土等の混入を防止していることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項９】
上記請求項１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、
基礎側接合部材Ｂ上部の接合用平板上面に、溶接により接合されたスタッドボルト、ねじ込みにより接合されたスタッドボルト、もしくは上部基礎フーチング側に固定された突起部を有しており、
この突起部の上部に構造物基礎のコンクリ−トを打設することにより、上記接合用平板と上部構造物を連結・一体化できることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項１０】
上記請求項１に記載の杭頭接合装置において、
杭側接合部材Ａの凹部外周が既製杭頭部の内径より僅かに小さく、
杭側接合部材Ａと杭体との間に僅かの水平ずれが発生すると杭体内径の内壁面に接触して水平せん断力を伝達できることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項１１】
上記請求項２に記載の杭頭接合装置において、
杭側接合部材Ａの下部に既製杭頭部の内径より僅かに小さな円筒型挿入部を設けており、
杭側接合部材Ａと杭体との間に僅かの水平ずれが発生すると杭体内径の内壁面に接触して水平せん断力を伝達できることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項１２】
上記請求項１乃至１２のいずれかに記載の杭頭接合装置において、
杭側接合部材Ａおよび基礎側接合部材Ｂが、鋼材もしくは鋳物で製造されていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【請求項１３】
上記請求項１乃至１２のいずれかに記載の杭頭接合装置を使用して、
接合部材Ａの凹部の外周直径を鋼管製既製杭の内径より僅かに小さくし、
鋼管杭打設後の上端もしくは打設後切断した上端の内面に挿入し、
杭側接合部材Ａの水平度が一定値以下に設置できる場合はそのままとし、
杭側接合部材Ａの水平度が一定値以下に確保できない場合は杭側接合部材Ａを水平に保った状態で杭体と杭側接合部材Ａを溶接接合することを特徴とする杭頭接合装置の鋼管杭への設置方法。
【請求項１４】
上記請求項１乃至１２のいずれかに記載の杭頭接合装置を、
既製コンクリート杭もしくは鋼管被覆既製コンクリート杭の上端の内面に挿入し、
杭側接合部材Ａの水平度が一定値以下に設置できる場合はそのままとし、
杭側接合部材Ａの水平度が一定値以下に確保できない場合は杭体上面を硬化性材料により水平に補修した後に、
杭側接合部材Ａを杭上端の内面に挿入することを特徴とする杭頭接合装置のコンクリート系既製杭への設置方法。
【請求項１５】
上記請求項１乃至１２のいずれかに記載の杭頭接合装置の全体もしくは杭側接合部材Ａのみ、あるいは杭側接合部材Ａの凹部外周直径より僅かに大きな円筒部材を、
場所打ちコンクリート杭のコンクリート打設前に所定の位置に設置し、
杭体コンクリートを打設し、硬化後に残りのＢ部もしくは全体を挿入設置することを特徴とする杭頭接合装置の場所打ちコンクリート杭への設置方法。
【請求項１６】
上記請求項１乃至１２のいずれかに記載の杭頭接合装置の全体、もしくは杭側接合部材Ａのみを、
場所打ちコンクリート杭のコンクリート打設後に所定の位置に設置し、
杭側接合部材Ａの周辺平板部に設けたアンカーボルト穴位置に現場で後打ちアンカーボルトを打設して杭頭接合装置を固定し、
その周囲に発泡スチロールもしくは発泡ウレタン等のスポンジ状物質を配置してその上部に基礎側コンクリートを打設することを特徴とする杭頭接合装置の場所打ちコンクリート杭への設置方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
1995年の阪神淡路大震災をはじめとしてこれまでの地震災害の経験により、構造物本体のみでなくその基礎構造体、特に杭基礎の耐震安全性の重要性が指摘されている。本発明は、構造物を支持する杭基礎の耐震安全性能を合理的且つ経済的に高める杭頭部の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤に構造物を建設する場合には、構造物を支持するために鋼杭やプレストレスト鉄筋コンクリート杭、鋼管被覆コンクリート杭などの既製杭、あるいは場所打ちコンクリート杭など各種の杭基礎が採用されている。これらの杭は、平常時における構造物の重量支持が本来の目的であるが、過去の被害地震において杭の損傷事例が多数報告されてきたために、杭基礎の耐震性能向上が耐震設計上の重要課題として指摘されてきた。
【０００３】
杭の耐震性能を向上させる最も一般的方法は、構造物によって伝達される水平力あるいは杭の周辺地層の水平変位によって強制変形を受けて杭体に発生する地震時応力（＝曲げモーメントと水平せん断力）に耐えられるように、杭体の水平方向耐力（＝曲げ耐力とせん断耐力）を高める方法である。わが国ではこれまで長年にわたって、杭体の水平方向耐力を高める各種の方法が開発・実用化されてきた。
【０００４】
杭の水平耐力を高めるこれまでの方法においては、杭体は上部の構造物もしくは基礎フーチングに杭頭部の回転変位を拘束するように剛結合により一体化する「杭頭固定」接合を前提条件としている。しかし、杭頭の回転を拘束するために却って杭頭部には大きな地震時曲げモーメントとせん断力が発生する。
【０００５】
この不合理を解消する方法として、この杭頭の接合条件を「杭頭固定」から「杭頭ピン接合」、「半剛接合」あるいは「弾性回転ばね接合」に変更すると、杭頭部に発生する地震時応力が理論的には大幅に緩和されることが従来から知られている。
【０００６】
阪神淡路大震災を契機として、近年この杭頭ピン接合を実現しようとするいくつかの試みがなされており、既に実用化された工法も存在する。これまでに実用化された杭頭接合工法には、▲１▼杭頭部に球座を導入して回転ピン接合とするもの、▲２▼杭頭部と基礎底の間をすべり支承とするもの、▲３▼杭頭部にゴム等の弾性材料を介在させて回転ばね接合しようとするもの、▲４▼杭頭部を杭軸部より小断面にして曲げ剛性を下げ、その部分の塑性化や損傷を許容して曲げ応力の発生を制限しようとするものなどがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、杭体、特に杭頭部に発生する地震時応力を大幅に低減できる「杭頭ピン接合」もしくは「杭頭回転ばね接合」を『合理的且つ経済的に』実現できる「杭体頭部とその上部の構造物もしくは基礎フーチングとの接合方法」を提供することを主課題としている。
【０００８】
また、実用的な接合方法であるために、『施工が簡単・迅速』にできること、低コストで経済的な方法であること、既製杭にも場所打ちコンクリート杭にも適用できる『適用範囲の広い接合方法』であること、を重要条件としている。
【０００９】
特に本発明は、上記従来の技術に記したこれまでに開発された既存の杭頭ピン接合工法それぞれが抱える問題点や弱点を克服・解決した接合工法の実現を重要課題としている。その問題点は、個々の工法毎に異なるので、以下に▲１▼から▲４▼の方法それぞれが抱える問題点と解決方法を以下に説明する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の点を解決するため次の構成を採用する。
〈構成１〉
構造物を支持する杭体の頭部と構造物若しくは構造物の基礎フーチングとの間に配置される杭頭接合装置であり、杭体上面に鉛直荷重を伝達する外周平板部を有し、その内側がすり鉢状に窪んだ凹型荷重受け部となっている凹部を有する杭側接合部材Ａと、上記杭側接合部材Ａの上側に配置され、当該杭側接合部材Ａの凹部の中央上面に接する凸部と、その上面に存在し上部の基礎フーチングに接合される平板部からなる基礎側接合部材Ｂより構成されており、上記杭側接合部材Ａと上記基礎側接合部材Ｂの両者の接触面において、上記杭側接合部材Ａの凹部の曲率半径が上記基礎側接合部材Ｂの凸部の曲率半径よりも大きく、且つ基礎側接合部材Ｂの凸部の周囲と杭側接合部材Ａの凹部の内壁面間に隙間が確保されていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００１１】
〈構成２〉
構造物を支持する杭体の頭部と構造物若しくは構造物の基礎フーチングとの間に配置される杭頭接合装置であり、杭体上面に鉛直荷重を伝達する外周平板部を有し、中央部が上側に凸に突出した凸部を有する杭側接合部材Ａと、上記杭側接合部材Ａの上側に配置され、当該杭側接合部材Ａの凸部を覆う下向きの凹型荷重伝達部となっている凹部を有し、その上面に存在し上部の基礎フーチングに接合される平板部からなる基礎側接合部材Ｂより構成されており、上記杭側接合部材Ａと上記基礎側接合部材Ｂが両者の平面中央において接触し、その接触面において上記基礎側接合部材Ｂの凹部の曲率半径が上記杭側接合部材Ａの凸部の曲率半径よりも大きく、且つ上記杭側接合部材Ａの凸部の周囲と基礎側接合部材Ｂの凹部の内壁面間に隙間が確保されていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００１２】
〈構成３〉
上記構成１または構成２に記載の杭頭接合装置において、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの接触面で、凸部と凹部の中央接触部付近がほぼ平板状（曲率半径≒無限大）になっており、その範囲内において凸部は凹部に対して水平方向にズレることが可能となっており、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂは相対的に傾斜変形および水平変形できることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００１３】
〈構成４〉
上記構成１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの接触面で、凸部と凹部の中央接触部の中央付近に、両者の平面位置関係のずれを制限するための小さな凹凸からなる先端嵌合部を有し、上記先端嵌合部の凸部の周囲と上記先端嵌合部の凹部の内壁面間には、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂが相対的に傾斜変形できるだけの若干の隙間を有していることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００１４】
〈構成５〉
上記構成１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂにおける上記中央接触部でのずれが、ある一定値以上に達するか、もしくは、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両者間の相対的傾斜角がある一定値以上に達すると、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両部材の凸部周壁と凹部内壁面が接触するように、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両部材間の隙間が設定されていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００１５】
〈構成６〉
上記構成１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両者間の隙間のうち、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両者の中央接触部近傍の周囲隙間が小さくなっており、上記中央接触部が一定値以上ズレずれると、上記凸部の先端近傍のみが、上記凹部の側壁に接触するように設定されていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００１６】
〈構成７〉
上記構成１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂ両者の中央接触部の接触面付近、もしくは、上記凹部と凸部の相対面する周壁面に、潤滑用液体の塗布層、防錆用液体の塗布層、潤滑用液体の充填部、防錆用液体の充填部、固体潤滑材皮膜、もしくは弾性体材料を介在させていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００１７】
〈構成８〉
上記構成１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの隙間に、杭頭周囲の埋め戻し土等が混入しないように、発泡材もしくはスポンジ状物質を充填していることを特徴とする杭体頭部と構造物との結合装置。
【００１８】
〈構成９〉
上記構成１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの隙間、もしくは杭側接合部材の周囲平板部とその上部の基礎側接合部材の間に、弾性材料を配置し、上記杭側接合部材Ａと基礎側接合部材Ｂの相対的ずれおよび傾斜に対する復元力を与えて、杭頭の水平変形および回転変形に対する弾性ばね接合とすると同時に、装置周囲の埋め戻し土等の混入を防止していることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００１９】
〈構成１０〉
上記構成１乃至３のいずれかに記載の杭頭接合装置において、基礎側接合部材Ｂ上部の接合用平板上面に、溶接により接合されたスタッドボルト、ねじ込みにより接合されたスタッドボルト、もしくは上部基礎フーチング側に固定された突起部を有しており、この突起部の上部に構造物基礎のコンクリ−トを打設することにより、上記接合用平板と上部構造物を連結・一体化できることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００２０】
〈構成１１〉
上記構成１に記載の杭頭接合装置において、杭側接合部材Ａの凹部外周が既製杭頭部の内径より僅かに小さく、杭側接合部材Ａと杭体との間に僅かの水平ずれが発生すると杭体内径の内壁面に接触して水平せん断力を伝達できることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００２１】
〈構成１２〉
上記構成２に記載の杭頭接合装置において、杭側接合部材Ａの下部に既製杭頭部の内径より僅かに小さな円筒型挿入部を設けており、杭側接合部材Ａと杭体との間に僅かの水平ずれが発生すると杭体内径の内壁面に接触して水平せん断力を伝達できることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００２２】
〈構成１３〉
上記構成１乃至１２のいずれかに記載の杭頭接合装置において、杭側接合部材Ａおよび基礎側接合部材Ｂが、鋼材もしくは鋳物で製造されていることを特徴とする杭体頭部と構造物との接合装置。
【００２３】
〈構成１４〉
上記構成１乃至１３のいずれかに記載の杭頭接合装置を使用して、接合部材Ａの凹部の外周直径を鋼管製既製杭の内径より僅かに小さくし、鋼管杭打設後の上端もしくは打設後切断した上端の内面に挿入し、杭側接合部材Ａの水平度が一定値以下に設置できる場合はそのままとし、杭側接合部材Ａの水平度が一定値以下に確保できない場合は杭側接合部材Ａを水平に保った状態で杭体と杭側接合部材Ａを溶接接合することを特徴とする杭頭接合装置の鋼管杭への設置方法。
【００２４】
〈構成１５〉
上記構成１乃至１３のいずれかに記載の杭頭接合装置を、既製コンクリート杭もしくは鋼管被覆既製コンクリート杭の上端の内面に挿入し、杭側接合部材Ａの水平度が一定値以下に設置できる場合はそのままとし、杭側接合部材Ａの水平度が一定値以下に確保できない場合は杭体上面を硬化性材料により水平に補修した後に、杭側接合部材Ａを杭上端の内面に挿入することを特徴とする杭頭接合装置のコンクリート系既製杭への設置方法。
【００２５】
〈構成１６〉
上記構成１乃至１３のいずれかに記載の杭頭接合装置の全体もしくは杭側接合部材Ａのみ、あるいは杭側接合部材Ａの凹部外周直径より僅かに大きな円筒部材を、場所打ちコンクリート杭のコンクリート打設前に所定の位置に設置し、杭体コンクリートを打設し、硬化後に残りのＢ部もしくは全体を挿入設置することを特徴とする杭頭接合装置の場所打ちコンクリート杭への設置方法。
【００２６】
〈構成１７〉
上記構成１乃至１３のいずれかに記載の杭頭接合装置の全体、もしくは杭側接合部材Ａのみを、場所打ちコンクリート杭のコンクリート打設後に所定の位置に設置し、杭側接合部材Ａの周辺平板部に設けたアンカーボルト穴位置に現場で後打ちアンカーボルトを打設して杭頭接合装置を固定し、その周囲に発砲スチロールもしくは発砲ウレタン等のスポンジ状物質を配置してその上部に基礎側コンクリートを打設することを特徴とする杭頭接合装置の場所打ちコンクリート杭への設置方法。
〈概要〉
先ず、上記の既存工法▲１▼の杭頭部に球座を導入する杭頭ピン接合方法（図１）は、球座が通常は鋼材で構成されるため比較的容易に大荷重を支持させやすいという利点があるものの、その基本メカニズムに致命的欠陥を内包している。即ち、球座は同一の曲率半径を有する凹凸両球面が対面接触しており、その曲率半径は通常１０ｃｍ前後であり大きくても数十ｃｍを越えることはない。それに対して地震時の杭の変形は、地層の水平せん断変位に引きずられて傾斜を生じるため、杭頭部付近の回転中心位置は杭頭部から２〜３ｍ下（曲率半径≒２〜３ｍ）ないし数ｍ下（曲率半径≒数ｍ）もしくはそれ以上となる場合も多く、しかもその位置は杭と地盤条件の組み合わせや地震動によって異なってくる。
【００２７】
杭の上側にある基礎フーチングは地中梁によって回転が拘束されているため球座の上面側は回転せず、杭のみが傾斜変形する。従って、球座を用いるピン接合では、図２に示すように球座の回転中心と杭傾斜の回転中心が一致せず、そのため正常な球座の回転運動が成立せず、接触面が口を開くようなズレが発生する。その結果、非常に大きな摩擦力が発生したり、隙間を開いた球面に異物が混入して球座機能が損なわれたり、場合によっては球座そのものが破損する可能性さえある。
【００２８】
この欠点を解消するには、同一曲率による面接触という球座の基本機構を放棄することである。即ち、本発明は、従来の球座の面接触条件を否定し、点接触条件を成立させる。面積を持たない点接触は現実には存在しないが、杭の傾斜変形状態をマクロに観た場合に杭頭接合位置で点接触条件を成立させることがポイントである。そのために、杭側接合部材と基礎側接合部材の両者に凹凸２部材を設け、その接触面において凹部側の曲率半径を凸面側の曲率半径より大きく設定する。そして両者の接触部から少し離れた凸部材の周囲に隙間を確保する。この２条件により、曲率半径の小さな凸杭材は凹部材に対して自由に傾斜することが可能となり、結果的に点接触条件が成立していることになる。凹凸両者の曲率半径はもともと異なっているので、杭材の回転中心位置には左右されず、杭材の円滑な傾斜・回転運動が可能になっている。
【００２９】
次に既存工法▲２▼の杭頭部と基礎底の間をすべり支承とする方法も致命的欠陥を有している。即ち、図３に示すとおり、杭材自体が傾斜するために、杭頭部のすべり面自体も傾斜することになり、基礎底面の滑り面側は地中梁で回転拘束されているため、滑りの接触面には傾斜による隙間が発生して正常なすべり面機構が成立しない。また、この機構には「すべりによる免震効果も期待できる」という主張もあるが、基礎底自体が地中に埋設されており地盤と構造物（基礎躯体）が一体化されていながら免震効果を期待するという主張は基本的矛盾を有している。
【００３０】
但し、杭頭部と基礎底間に「ある程度の相対的すべり」を導入することには他の意味がある。即ち、建物側に発生した地震時慣性力を全て杭に伝達せず、建物内の地震力をできるだけ地盤側に流すという観点では、その相対的ずれが効果を発揮する。これは、従来の杭基礎の設計思想にはなかった新しい観点であり、本発明ではその利点のみを取り入れたすべり＝「ズレ」を取り入れている。しかし、このズレが過大になると、杭に対してそのずれによるＰδモーメントを杭に付加することになるので、このずれ量は小さな値に制限されていることが重要な条件である。また、本発明は両者の接触面を曲率半径の異なる曲面で構成することにより、接触面の相対的傾斜によってもすべり条件が崩れないようにした上で、そのすべり可能領域を僅かな範囲に制限している。これが構成３である。
【００３１】
既存工法▲３▼の杭頭部にゴム等の弾性材料を介在させて回転ばね接合しようとするものは現在までに２タイプが実用化されている。一つはリング状のゴム体を溝内に封入するもので、これは回転や引き抜き力によりその噛み合わせ機構がはずれやすい欠点を持っている。もう一つは１層もしくは２〜３層程度の薄いゴム層を鋼板と加硫接着した積層ゴム体を利用するもので、機構的には全く欠陥がなく力学性能としては理想的な回転弾性ばね接合を実現している。敢えてこの方式の弱点をあげるとすれば、ゴム材料を使用するために作用荷重の使用面圧に制約があり、装置面積が大きくなるために製造コストがある程度かかってしまうことである。
【００３２】
しかしゴム弾性体の利用には、弾性の復元力ばねが得られるという他の方法では得られない長所を有している。そこで、本発明では、鉛直荷重は凹凸両部材の鋼材の接触により支持することにより大荷重支持能力を確保し、弾性復元力を得るために凹凸両接合体間の隙間にゴム体を介在させ、弾性復元力を得るという解決を図っている。これにより、本発明は大きな鉛直荷重に対しても経済的に「弾性回転ばね接合」を実現することを可能にした。
【００３３】
既存工法▲４▼の杭頭部を杭軸部より小断面にして曲げ剛性を下げ、その部分の塑性化や損傷を許容して曲げ応力の発生を制限しようとするものについては、「杭頭部の塑性化や損傷を許す」という思想は、低コスト化は可能であるが、耐震安全性の向上を第一目的とする本願発明者の設計思想には適合しない。杭頭接合工法の工夫は、杭の耐震性能向上、杭体の損傷防止を目的とするものであるのに、その最も重要な部分の損傷を前提とする方法は、その目的を忘れた解決策であり、本来の趣旨に矛盾し、しかも一旦損傷を受けたものの修復は不可能であるので、この方法は極めて不完全な解決策であると言わざるを得ない。従って、本発明ではこのような解決方法を否定し、採用しない。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施例を示す図面に基づいて説明する。
【００３５】
図１は、従来の球座を利用する杭頭ピン接合の基本構成図であり、図２は地震時にはその基本メカニズムが崩れることの説明図である。図２（２）に示すとおり、上部の基礎フーチングは地中梁により回転が拘束されており、地震時には杭側が傾斜するため、球座の回転中心と杭頭部の回転中心が一致せず、この球座方式は基本原理上致命的欠陥を有している。
【００３６】
図３は、従来のすべり支承を利用する杭頭すべり接合（杭頭ローラー接合と誤った呼称が用いられている場合もある）の場合も、その基本メカニズムが正常に成立しないことの説明図である。図３（１）はすべり板が杭側にある場合、（２）はすべり板が基礎フーチング側にある場合であるが、いずれも地震時には杭側のみが傾斜・回転するためにすべり面が口を開き、正常なすべり面の接触条件が成立しない。また、このすべり量δにより、杭には偏心モーメントＰδ（Ｐは作用鉛直荷重）が作用するため、すべり量が過大になるとピン接合により解放できるモーメントを遙かに超える大きなモーメントを杭頭に作用させることになる。
【００３７】
図４は、構成１に規定する本接合装置の基本構成を示したもので、図４（１）は鋼管杭に適用する場合、図４（２）は鋼管被覆を含むコンクリート系既製杭に適用する場合、図４（３）は場所打ちコンクリート杭に適用する場合について例示している。
【００３８】
図５は、凹凸構成を上下逆転させた構成２の基本構成を示したもので、図５（１）は鋼管杭に適用する場合、図５（２）は鋼管被覆を含むコンクリート系既製杭に適用する場合、図５（３）は場所打ちコンクリート杭に適用する場合について例示したものである。
【００３９】
図６は、本接合装置の基本原理を説明したもので、図６（１）は構成１・図４の場合、図６（２）は構成２・図５の場合である。前者（構成１・図４）は、杭側接合部材Ａを引張応力状態で荷重負担するように構成しており、後者（構成２・図５）は、杭側接合部材Ａを圧縮応力状態で荷重負担するように構成している。
【００４０】
ＡＢ両部材は支持荷重を負担するに十分安全な部材断面を有するが、本部材は通常鋼材もしくはダクタイル鋳鉄等の鋳物で構成されるので、凸部材の先端断面積を杭軸断面に対して実質的に点接触と見なせるまでに小さくすることが可能となる。更に凸部材先端を滑らかな曲面とし、これに接触する凹部側を更に曲率半径の大きい湾曲面の受け皿として構成し、その周囲に隙間を確保することにより、凹凸両部材は自由に傾斜変形することが可能となる。その凹凸両部材接触面における曲面構成方法を図６（３）に示している。
【００４１】
地震時に杭材が傾斜する時、本装置の凸部材は先端接触部を中心として傾斜する（＝転がる）のであり、従来の球座支承のように接触面のすべりによる回転運動を行うものではない。球面のすべり運動ではそのすべり摩擦が発生し、大きな抵抗力となるが、本装置では基本運動のメカニズムが「すべりではなく、接触面の転がり回転運動である」ので、原理上はすべり摩擦抵抗力が発生しない。
【００４２】
この凸部先端の位置がずれることを防止するために接触面中央に小さな凹凸嵌合部を設ける場合を図７（１）に示している。但し、この嵌合部は両者の傾斜変形を阻害することがないように両者の嵌め合い部には十分なゆとりを設けることが重要である。これが構成４の内容である。
【００４３】
また、この接触部は上記のとおり基本的に転がり運動であるので、水平抵抗力が極めて小さいのが特徴である。そのため、この先端凹凸部の凸部材断面にはある程度のせん断耐力を確保することが好ましく、杭に大きな水平せん断力を伝達するためには、凸部材と凹部材両者間の隙間を適切に設定し、ある傾斜変形以上では両者が接触し、本装置が十分なせん断耐力を発揮できるように形状設定を行う。これが構成５の内容である。
【００４４】
凹凸両部材の接触部付近における水平位置のズレ発生を防止すると同時に、上記の水平せん断力の伝達を確実に行うためには、凸部材の先端近傍の隙間を小さく構成することが確実である。そのために凹部側にずれ止め突起部を構成しているのが、図７（２）であり、構成６である。
【００４５】
以上は、ＡＢ両部材の点接触によるピン接合機構を構成する方法を示したものであるが、
【００４６】
杭頭接合工法として、 既存工法▲２▼の説明で記述したとおり、このピン接合工法に「若干のスベリ領域」を複合させることにより、杭に過大なＰδモーメントを付加することなく、建物側の地震慣性力をより多く地盤側に直接伝達することが可能となる。そのすべり領域を構成するために、凹部材側の接触部の曲率半径を大きくし平板に近づけた上で、過大なすべりを制限するためのストッパー用突起部を構成する。図７（３）はその構成例を示したもので、これは構成３と構成６を複合した構成となっている。
【００４７】
図７（３）においては、ＡＢ両部材の接触部の摩擦抵抗が少ない方がより円滑なすべりを発生させることができ、杭への水平伝達力を低減することができる。構成７は、本接合装置において最も重要な部分であるこの接触部分の潤滑性能を高め、合わせて接触面および凹凸両部材の表面（凹部材の内面側）の防錆対策を図る方法を示したものである。潤滑・防錆の両機能を同時に満足できる方法として、凹部材内側にグリース・オイル・防錆油・粘性流体などの潤滑・防錆用液体を充填する方法、ＰＴＦＥや２硫化モリブデン等の個体潤滑剤皮膜を構成する方法があり、また両者の隙間および接触面間にゴム膜等の弾性体膜を介在させることができる。
【００４８】
本接合装置は杭頭部に配置され、土中に埋め戻されるのが通常である。この時、接合部材ＡＢ間の隙間に埋め戻し土や割栗り地業の砂利や砂、あるいは捨てコンクリート等が混入すると本接合装置の変形性能を殺してしまう恐れがある。この機能喪失を防止し、本装置の確実な作動を保証するために、図４・図５に示すように接合部材ＡＢ両者の隙間に、発泡ウレタン・発泡スチロールなどスポンジ状物質を充填する。これが構成８である。これらの部材は埋め戻し土等の混入防止には十分であるが、極めて柔らかい材料であるので、地震時における本装置の作動には影響しない。
【００４９】
本接合装置は凹凸両部材の点接触機構であるので、回転変形は極めて容易で抵抗力が殆ど発生しない。本接合装置に弾性復元力を与える方法として、構成９、図９に示すように本接合装置の周縁部のＡＢ両者間の隙間にゴム体を介在させ、その弾性変形により復元力を与えることができる。また、図９（２）の下段に示すようにＡＢ両部材間の隙間全体に弾性材料を充填し、復元力と防錆性能の両者を与えることもできる。本装置では鉛直荷重は凹凸両部材間の直接接触により伝達し、ゴム体で鉛直荷重を負担する必要がないので、復元ばね性能を調整することが容易である。また、このゴム体はＡＢ両者間の隙間に埋戻し土等が混入するのを防止する機能も果たしている。
【００５０】
構成１０、図８は、本接合装置と上部基礎コンクリートとの接合方法に関するものである。本接合装置では平板上面に溶接もしくはねじ込みでスタッドボルトを取り付けている。また、図８に示すように凸部の固定機能を兼ねて、基礎フーチング内に定着用突出部を打ち込む方法も有効である。スタッドボルトおよび定着用突出部が予め用意された接合部材Ｂの上部に基礎コンクリートを打設するだけで上部基礎と本装置を一体化できるので、設置工事は簡単で迅速施工が可能である。
【００５１】
構成１１と１２は、既製杭を対象とした場合の杭体と本接合装置の接合方法に関するもので、図４、図５，図８に示すように、装置下部を杭頭部内径より僅かに小さくし、杭頭部の内部円筒部分に本装置を挿入するだけで本装置の設置が完了するようにしたものである。本装置の挿入深さは通常１０ｃｍ程度以上とし、上下動の作用があっても本装置が杭から抜け出ないようにしている。もともと本装置は浮き上がりには抵抗しないものであり、杭材には引張り力を伝達しない。
【００５２】
構成１３は、本接合装置の主要接合部材ＡＢの構成材料を規定したもので、鋼材もしくは鋳物（鋳鉄）で製造する。特に、本装置の凹凸形状は鋳物成型に適しており、ダクタイル鋳鉄がその代表的材料である。
【００５３】
構成１４〜１７は、本接合装置の設置方法・施工方法を規定したものである。構成１４・図１０は、鋼管杭に対する本接合装置の設置方法を示している。鋼管杭の打設後の杭頭が所定の高さに打設でき、杭の傾斜角も大きくない（通常、傾斜角≦1/100  rad） 場合には、本接合装置を鋼管杭の杭頭内部に挿入するだけでよい。
鋼管杭の傾斜が大きい場合および鋼管杭の杭頭を杭打設後ガス切断した場合には、図１０に示すように、本装置を杭頭内部に挿入し、装置を水平に保った状態で杭と本装置を溶接接合する。この方法により、鋼管杭が傾斜している場合やガス切断により杭頭切断面がギザギザに乱れている場合にも本接合装置を水平に設置し、鉛直荷重を杭に正常に伝達し、地震時には杭頭ピン接合として杭を守ることができる。
【００５４】
構成１５・図１１は、鋼管被覆を含むコンクリート系既製杭に対する本接合装置の設置方法を示している。打設後の杭が鉛直に打設されている場合には、本接合装置を杭頭内部に挿入するだけでよい。
杭の傾斜角が大きい（通常、傾斜角＞1/100rad）場合には、杭上面をエポキシ樹脂もしくは高強度モルタル等で水平に補修し、その強度発現後に本装置を設置する。
【００５５】
構成１６・１７は場所打ちコンクリート杭に対する本接合装置の設置方法を示している。構成１６・図１２は、接合部材Ａの中央部が下に凹型に出ている場合の施工方法で、図１２（１）のように場所打ちコンクリート杭のコンクリート打設前に接合装置全体もしくは接合部材Ａを所定の位置に取り付けるか、図１２（２）に示すように接合部材Ａの中央部が挿入できる円筒部材を取り付けた後に杭のコンクリートを打設する方法である。
このコンクリート打設前に装置を取り付ける方法を用いない場合、接合部材Ａの底部が下向きに凸型となっている装置を取り付けるためには、杭頭部のコンクリ−トに穴をあける必要があり、大きな手間と時間を要することになる。
【００５６】
構成１７・図１３は、接合部材Ａの底部が平らな装置を設置する場合の施工方法で、図１３（１）のように場所打ちコンクリート杭のコンクリート硬化後に本装置設置位置を平らに均し、薄い敷きモルタル等の上に装置を水平に設置し、その後でアンカーボルトを後打ちする（図１３（２））。場所打ちコンクリート杭の場合、この方法により容易に所定の位置に本接合装置を設置することができ、その後に図１３（３）に示すように本装置の周囲に発泡スチロールもしくは発泡ウレタン等の柔らかい緩衝材を敷いて上部の基礎コンクリートを打設すればよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上により、本発明の杭頭接合装置を採用すると、杭体と構造物あるいは基礎フーチングとの接合において以下の効果を得ることができ、また既存の杭頭ピン接合工法に対しても有利な条件を実現することができる。
▲１▼杭頭と基礎フーチングの接合条件をほぼ完全なピン接合とすることができる。
▲２▼また杭頭を適度な復元力を有する弾性回転ばね接合とすることができる。
▲３▼また、基礎底と杭頭間に若干のすべり変形を許容することができ、杭に伝わる水平力を低減することができる。
▲４▼その結果、杭体頭部に発生する地震時応力を著しく低減することができ、杭体の耐震安全性能を飛躍的に高めることができる。
▲５▼杭頭部の地震時発生応力が飛躍的に低減されるため、地中梁断面を小さくすることができ、その結果基礎底を浅くし、掘削土量を削減し、基礎工事全体のコストが大きく削減される。
▲６▼本接合装置は、鉛直支持荷重として１０トン／本以下の小荷重から１０００トン／本以上の大荷重まで対応可能である。
▲７▼本接合装置は、小径の鋼管杭、既製コンクリート杭、鋼管被覆コンクリート杭（ＳＣ杭）、および場所打ちコンクリート杭のあらゆる杭種類に対して適用できる。
▲８▼いずれの杭種類に対しても良好な施工性を有しており、極めて短工期での施工が可能である。
具体的には、杭体施工後、本装置を杭頭に設置しその上部に基礎フーチングもしくは構造体のコンクリートを打設するだけで施工が完了するので、工事が簡単・容易で迅速に行うことができる。
▲９▼本接合装置の接合部材ＡおよびＢは鋳物成型に適しており、低コストで製造可能であり且つ施工性もよいので、装置および設置工事の材工を含めて共に経済的な杭頭接合工法である。
【００５８】
以上のとおり、本発明は、杭体の地震時応力を大幅に低減できる杭頭ピン接合、若干のすべり併用ピン接合、弾性回転ばね接合を、簡便な施工方法で迅速に構築することを可能にしたものである。しかもあらゆる杭種類に、小荷重から大荷重まで対応可能であり、しかも低コストで供給可能であるので、本発明の実用性は極めて高く、耐震安全性能の優れた杭基礎構造体を経済的に実現することを可能にしたものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】    球座を用いる従来の杭頭ピン接合装置の基本構成図
【図２】    球座を用いる従来の杭頭ピン接合装置の不具合説明図
（１）建物下にある杭の地震時変形状態
（２）杭頭部付近における球座の曲率中心と杭の回転中心が一致しないことの原理説明図
【図３】    すべり支承を用いる従来の杭頭すべり（ローラー）接合の不具合説明図
（１）すべり板を杭側（下側）に設置する場合の地震時変形状態
（２）すべり板を基礎フーチング側（上側）に設置する場合の地震時変形状態
【図４】    本発明の杭頭接合装置の断面構成説明図（凹型荷重受け部を下側（杭側）に配置する場合）
（１）鋼管杭に適用する場合の装置断面構成例
（２）コンクリート系既製杭（ＳＣ杭含む）に適用する場合の例
（３）場所打ちコンクリート杭に適用する場合の例
【図５】    本発明の杭頭接合装置の断面構成説明図（凹型荷重受け部を上側（基礎フーチング側）に配置する場合）
（１）鋼管杭に適用する場合の装置断面構成例
（２）コンクリート系既製杭（ＳＣ杭含む）に適用する場合の例
（３）場所打ちコンクリート杭に適用する場合の例
【図６】    本発明装置の作動原理のメカニズム説明図
（１）凹型荷重受け部を下側（杭側）に配置する場合
（２）凹型荷重受け部を上側（基礎フーチング側）に配置する場合
（３）凹凸部材接触部の曲率構成説明図
【図７】    凹凸両部材接触部周辺の構成説明図
（１）接触部中央に先端嵌合部を設けた場合
（２）凸部材先端近傍の凹部材側にズレ止め用突起部を設けた場合
（３）接触部にスベリ領域を構成し、
その外側の凹部材に上記（２）のズレ止め用突起部を設けた場合
【図８】    杭および基礎との接合用部材の構成説明図
（１）鋼管杭の場合
（２）コンクリート系既製杭（ＳＣ杭含む）の場合
（３）場所打ちコンクリート杭の場合
【図９】    ゴム等の弾性材料により回転弾性ばねの復元力を付与する構成方法の例
（１）鋼管杭の場合
（２）コンクリート系既製杭（ＳＣ杭含む）の場合
（３）場所打ちコンクリート杭の場合
【図１０】  鋼管杭に本接合装置を設置する場合の施工方法説明図
（１）鋼管杭杭頭の切断、および装置吊り込み
（２）本装置を所定の位置に保った状態で現場溶接、吊りボルト撤去
（３）上側に凸の装置の設置状態
【図１１】  コンクリート系既製杭（ＳＣ杭含む）に本接合装置を設置する場合の施工方法説明図
（１）本接合装置の吊り込み
（２）本装置設置後、吊りボルト撤去、上部基礎コンクリート打設
【図１２】  場所打ちコンクリート杭に本接合装置を設置する場合の施工方法説明図（凹部材が下側に出ている装置の場合）
（１）下側凹部材もしくは装置全体を所定の位置に配置し、鉄筋かごや仮設部材で固定した後、杭コンクリートを打設する施工方法
（２）下側凹部材を後から挿入設置できる円筒部材を杭コンクリート打設前に取り付け、杭コンクリート打設する。後に本装置を設置する施工方法
（３）同上円筒部材内に本装置を挿入設置し、グラウトにより固定する方法
【図１３】  場所打ちコンクリート杭に本接合装置を設置する場合の施工方法説明図（凹部材が上側にある装置の場合）
（１）場所打ちコンクリートは通常どおり構築し、杭コンクリート打設後に本装置設置位置を水平にならし、本装置部材Ａ（下側）を吊り込む。
（２）本装置部材Ａを設置し、現場にてアンカーボルトを後打する。
（３）本装置部材Ｂ（上側）を吊り込み、設置し、周囲に発泡スチロール等の上下コンクリートの干渉防止、埋め戻し土の混入防止を兼ねた保護材料を配置した後、装置上部の基礎コンクリートを打設する。
【符号の説明】
１：建物もしくは上部構造物
10：基礎フーチング
11：地中梁
２：杭
21：鋼管杭
22：コンクリート系既製杭（ＳＣ杭含む）
23：場所打ちコンクリート杭
24：杭用鉄筋かご
３：球座を用いる杭頭ピン接合装置
3A：杭側部材
3B：基礎フーチング側部材
31：球座の接触すべり面
４：すべり支承による杭頭接合装置
41：すべり板
42：すべり面支持部材
５：本発明の杭頭接合装置（凹型部材が杭側（下側）の場合）
5A：杭側接合部材（凹型部材）
5B：基礎側接合部材（凸型部材）
5C：隙間充填緩衝材
5D：復元力用弾性体（ゴム体）
51：凹部材側接触面
52：すべり用クリアランス
53：ストッパー用突起部
54：基礎側固定用平板
55：スタッドボルト
56：定着用突出部
57：設置用吊りボルト
58：円筒型打ち込み枠
59：グラウト材
６：本発明の杭頭接合装置（凹型部材が基礎フーチング側（下側）の場合）
6A：杭側接合部材（凸型部材）
6B：基礎側接合部材（凹型部材）
6C：隙間充填緩衝材
6D：復元力用弾性体（ゴム体）
61：凹部材側接触面
64：基礎側固定用平板
65：スタッドボルト
66：アンカーボルト
【図１】
0003741426.tif 000002
【図２】
0003741426.tif 000003
【図３】
0003741426.tif 000004
【図４】
0003741426.tif 000005
【図５】
0003741426.tif 000006
【図６】
0003741426.tif 000007
【図７】
0003741426.tif 000008
【図８】
0003741426.tif 000009
【図９】
0003741426.tif 000010
【図１０】
0003741426.tif 000011
【図１１】
0003741426.tif 000012
【図１２】
0003741426.tif 000013
【図１３】
0003741426.tif 000014