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日本建築学会大会学術講演梗概集（中国） 2008年 9 月

節杭を用いたプレボーリング拡大根固め工法における根固め部強度のＦＥＭによる検討
正会員〇小椋仁志*

杭 先端支持力 有限要素法

ヤング係数E （N/mm2)

ωが 1.0 と 1.25 の場合は０ｍ(着底型)、ωが 1.5 と 2.0
１．はじめにの場合は 0.5ｍ(離間型)。
プレボーリング拡大根固め工法の開発時には、根固め液として使用するセメントミルクの管理強度と配合を設定す 杭体の定数：等方弾性体、Ｅ＝40000N/mm2。ν＝0.20。
る必要がある。それらを検討する過程で、未だよく分かっ 根固め部の定数：Kotsvos モデル。Ｆは 5〜30N/mm2 の間で設定する。Ｅは文献 1)では解析結果が安全側になるよていない根固め部の強度と支持力との関係を、ＦＥＭ解析
うにＥ＝2000N/mm2 を採用していた。その後、図‑２のによって検討した 1)。
今回、解析に用いるヤング係数を実情に近い値に修正しように、杭周に充填するソイルセメント(掘削土を混合て再計算した。また、根固め部内の強度分布を変えた解析
撹拌したセメントミルク)のＥのデータが蓄積された。
Ｅは 2000N/mm2 以上が大半であり、文献 1)で用いた値も行った。本報は、その結果について述べたものである。
は小さすぎたといえる。今回の解析に用いるＥは、設
２．ＦＥＭ解析の概要
定した Ｆから、ＲＣ規準に記載の newＲＣ式に掘削土
文献 1)では、根固め液の配合を次の手順で求めている。の混合による低減率αを考慮した次式で与える。単位① 所定の先端支持力になるときの根固め部の強度Ｆを、ＦＥＭ解析によって求める。根固め部内の節杭→杭周充
体積重量γは 17kN/m3 とし、αには 0.6 を採用した。
Ｅ＝α×33500×(γ/24)2×(Ｆ/60)1/3（１）
填材・根固め材→地盤への力の流れや降伏・破壊状況は(1)式によるＦ〜Ｅ関係を図‑２に示す。
複雑で、簡単なモデルでは表現できないためである。
② 掘削土との混合撹拌による強度低下を考慮して、根固15000め液の管理強度(プラント強度)を決める。
α＝１α＝0.8α＝0.7α＝0.6③ 管理強度が発現されるのに十分なセメントミルクの配α＝0.5α＝0.4合(水セメント比)を設定する。
10000①の過程で用いたＦＥＭは、コンクリート材の構成式をKotsvos モデルとしたもので、文献 2)では根固め部内の杭先端位置 の 検討に用 い ている。以 下 に解析条 件 等5000を簡単に 示 すが、根 固 め部のヤン グ 係数 Ｅ 以 外 は
文献 2)と同じであり、詳0細は同文献や文献 3),4)を0510152025参照されたい。
圧縮強度F（N/mm2)
要素：軸対称４角形要素。
図‑２ ソイルセメントの強度とヤング係数の関係
図-１にメッシュ割り図。
杭周充填部の定数：Kotsvos モデル。 Ｆ ＝１N/mm2 。 Ｅ は杭体寸法：杭径φ800mm(１)式による 2576N/mm2 となるように Kotsvos モデル(節部径)-φ600mm(軸部から求められる剛性に係数を乗じた。νは 0.14 程度。
径)、肉厚 90mm、節部
地 盤 の 定 数 ： Duncan 等 の モ デ ル 3) 。 有 効 上 載 圧
間隔 1000mm
296kN/m2(GL‑40m)を与え、これと釣り合うように地盤根固め部 寸 法：外径 は 基の初期応力を設定(Ｋo=1)。c=0。Ｎ値が 20､40､60 に対本掘削径 850mm のω倍応した支持力を持つように剛性とφを設定。
(ω：拡大比。ω＝３．解析結果
1.0,1.25,1.5,2.0 の４解析結果の一例として図-３に(a)ω＝1.25, (b)ω=2.0 の場
とおり)。ただし、掘合の耐力比分布を示す。いずれも地盤のＮ値が 60 の場合削底から上方 0.25m まである。耐力比とは各要素に生じる応力の Kotsovos の破ではφ850mm。
壊基準に対する比であり、１になった要素は破壊状態に至根固め部の上端位置はったことになる。根固め部の強度は、(a)が 20N/mm2、(b)
杭先端より 2ｍ上方。
図‑1 ＦＥＭのメッシュ割り が 25N/mm2 である。この図から、根固め部の破壊域は最下
下端位置は杭先端からStudy on Strength of Enlarged Base by FEM Analysis in Root Enlarged andSolidified Pre-bored Piling Method used Nodular Pile

―603―

OGURA Hitoshi

端節部よりも下方が主であることが分かる。
図‑４に、ω=1.5、Ｎ値 60 のときの先端荷重Ｐp〜先端部より先に破壊するようになったため、実際の施工も考慮変位量Ｓp 曲線を示す。Ｐp は、杭先端面から 3ｍ上方の４．根固め部内での強度分布の検討して杭先端から３ｍ上方まで根固め部として解析した。

位置で杭体に与えた荷重である。この図では根固め部の強これまでの解析では、ＦやＥの値は根固め部内で一様と度を３種類想定しているが、各強度のＰp〜Ｓp 曲線は根考えていた。しかし、実際の根固め部の強度分布をみると、固め部が破壊することによって、根固め部が破壊しない弾固結時に上載圧が影響するためか根固め部内の上方は小さ性体モデルの曲線から順次離脱していくことが分かる。

く下方になるほど大きくなる傾向がある。また、図‑３(a)このＰp〜Ｓp 曲線からＳp＝80mm(節部径の 10％)の時のＰp を求め、これとＦとの関係から所定の支持力時のＦを求める。表‑１は得られたＦの値である。ヤング係数の見には杭からの力がほとんど伝わっていない。そこで、ω＝をみると、ω＝1.25 では最下端節部から上方の根固め部1.25 で上方の強度が小さい時の支持力を調べるため、表‑2直しによって、文献 1)で示した値よりも 0〜8N/mm 小さく２に示すパターンの解析を行った。表‑1 に示したＦの値なっている。なお、ω＝2 の場合は、根固め部のヤング係を根固め部の上方部分では F/4〜3F/4 に低減した。

数を大きくしたことによ

表‑２には解析結果の一例としてＮ値が 60 の場合の支持って、図‑３のようにヤン力と平均強度のケースＡに対する比も併記している。なお、

グ係数の小さい杭周充填解析を行ったのは記号が太字の 10 ケースで、残り(斜字)部の変形が進み、根固めは内挿値である。この結果から、以下のことが分かる。
①上方部分の強度が小さくても、所定の支持力(ケースＡ)
解析パターンと解析結果(ω＝1.25，Ｎ＝60)

表‑２
ケース記号ABCDEF

GHIJKLMNO

PQRS

TF3F
─
42F
─
4F─43F
─
42F
─
4F
─
42F
─
4F
─
4F
─
43F
─
42F
─
4F
─
42F
─
4F
─
4F
─
42F
─
4F
─
4F
─
4F
─
4FF

FF3F
─
43F
─
43F
─
42F
─
42F
─
4F
─
43F
─
43F
─
43F
─
42F
─
42F
─
4F
─
42F
─
42F
─
4F
─
4F
─
4ＦＦ

Ｆ

Ｆ

Ｆ

Ｆ

Ｆ

Ｆ

Ｆ

Ｆ

3F
─
43F
─
43F
─
43F
─
43F
─
43F
─
42F
─
42F
─
42F
─
4F
─
4FF

FF

FFFFFFFFFFFFFFFF(a)ω＝1.25 (b)ω＝2.0
図‑３

凡例

平均強度のＡに対する比根固め部の耐力比の分布例

支持力のＡに対する比25

荷重Pp （ｋN)

0.94 0.88 0.81 0.88 0.81 0.75 0.75 0.69 0.63 0.81 0.75 0.69 0.69 0.63 0.56 0.63 0.56 0.50 0.44
1.03 1.06 1.10 1.17 1.06 1.06 0.99 1.03 0.99 1.06 1.04 1.01 1.02 0.98 0.98 0.94 0.97 0.93 0.90

より大きくなる場合がある。これは、ケースＡよりも上方部分のＥが小さくなる結果、根固め部の力が最下端節部付20近に集まるように流れ、応力状態が圧縮になりコアの様な部分が形成されるためと推測される。

15②平均強度の比がおおむね 0.7 以上であれば、所定の支持力は確保される。
10③最下端節部から上方部分の強度がＦ/4 まで下がった場

弾性（破壊しない）
強度 15N/mm2
強度 20N/mm25合でも、支持力は所定の値の 90％程度は発揮される。
５．おわりに0

本報では、未だ両者の関係がよく分かっていない根固め
020406080
変位量 Sp (mm)

図‑４100120

表‑１Ｐp〜Ｓp 関係の例

（単位：N/mm2）

拡大比
ω

1.00
1.25
1.50
2.00

205.0
6.07.2-

本解析に多大なご指導・ご協力をいただいた岡山理科大学准教授の山崎雅弘博士に深甚の謝意を表します。

ＦＥＭ解析による根固め強度Ｆ

先端平均Ｎ値
409.4
10.411.5-

部強度と支持力について、ＦＥＭ解析によって検討した。
謝辞（ω＝1.5、N 値 60、離間型）

*1160
16.1
17.8
18.6
19.2

参考文献 １）小椋仁志・小松吾郎・真鍋雅夫・大島 章・千種信
之・細田 豊・須見光二・三村哲弘：既製杭のプレボーリング拡大根固め工法の拡大掘削径と鉛直支持力、ＧＢＲＣ、Vol.32､No.1,pp10‑21､日本建築総合試験所､2007.1
２）小椋仁志・山崎雅弘：節杭を用いたプレボーリング拡大根固め工法での杭先端の設置位置（根固め部の破壊を考慮したＦＥＭによる検討）、日本建築学会大会学術講演
梗概集 B‑1、pp.509‑510、2006.9３）山崎雅弘・竹脇 出・長岡弘明・中村恒善：既製コンクリート杭根固め部の構造耐力の施工形状
依存性、構造工学論文集、Vol.41B、pp.467‑476、1995.3 ４）山崎雅弘・長岡弘明：既製コンクリート杭根固め部の構造耐力機構,日本建築学会構造系論文集 No.491, pp.73‑80,1997.1.

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