コンクリート工学年次論文集，Vol.30，No.3，2008

論文

周辺架構を考慮したパイルキャップの耐震性能評価に関する実験研
究慎二*1・岸田酒井慎司*2・小林恒一*3・林靜雄*4

要旨：本研究は柱・基礎梁・（既製）杭のついたパイルキャップの破壊性状や，パイルキャップ内における各種補強筋の効果ならびにパイルキャップ周囲への応力伝達メカニズムを把握する目的で，パイルキャップの幅せい寸法と軸力をパラメータとした試験体の載荷実験を行った。パイルキャップの上下で断面の異なる部材がついているため，通常の柱・梁接合部よりも複雑な挙動が見られた。本報ではその実験結果について報告する。
キーワード：パイルキャップ，基礎梁，既製杭，袴筋，耐震性能
1. はじめにルキャップとその周囲に取り付いている杭・基礎梁・柱パイルキャップは上部構造の応力を地盤に伝達する重要な接合部の部材である。特に地震時などで外部応力から構成された十字型の部分架構とし，実在建物の約 1/4縮小モデルとした。試験体のパラメータは，が作用した場合，内部に複雑な応力が作用すると考えら①

パイルキャップの幅とせいの寸法れる。しかしながら上部構造のように多くの研究が行わ②導入軸力1)～3)，また，基礎構造は通常掘削しなければの二種類とした。パイルキャップの寸法は，2 タイプと観察することができないため，地震等の損傷を受けた場し，実物件のボリュームを想定した「標準型」タイプが合でも実際の破壊状況を把握することも難しい。以上の2 体と柱せい寸法までスケールダウンした「縮小型」タ

ような背景からパイルキャップは，応力伝達メカニズムイプが 1 体の合計 3 体とした。また軸力を導入した試験など不明確な点が多い。

体は柱の短期軸力を想定して軸力比 0.32 で導入を行っれておらず

現在，パイルキャップの設計は構造規定に基づいて行た。なお，試験体名は「RC－(軸力比)－(パイルキャップわれている。しかし，内部の各種補強筋の効果について幅せい寸法)」とする。

も考慮されておらず，多くが設計者の判断に委ねられて表－1いる。一方で根拠となる実験に乏しいのが現状である。

RC-0-500

この結果，パイルキャップは大断面化しており安全性に試験体諸元

RC-0.32-500
標準型

RC-0.32-350
縮小型は優れていると思われる一方で不経済とも考えられる。
柱既報 4),5)では二本群杭におけるパイルキャップの鉛直載荷実験結果について報告した。本研究では，一本の単パイルキャップ

杭を用いた実際の建物の柱，基礎梁，杭，パイルキャッ

鋼管杭プを縮小した試験体で載荷実験を行い，パイルキャップとその周辺架構の応力伝達メカニズム等を明らかにし，基礎梁

試験体図

0.320

軸力比設計に必要な基礎データを得ることを目的としている。

パイルキャップ（幅×せい×高さ）

2. 実験概要主筋
ｂ×Ｄ＝300mm×350mm せん断補強筋

500×500×520

350×350×520

柱2.1 試験体概要
表－1 に試験体諸元，図－1 に試験体概要，表－2 にコンクリートの力学的性状，表－3 に鋼材の力学的性状を示す。試験体は 6～10 層程度の中層の実在建物の基礎構造：12-D19(USD685)
pt=1.88(%)：U12.6@70
pw=1.19(%)
基礎梁
主筋：上下3-D19(USD685) pt=0.74(%)
せん断補強筋：U9.0@80
pw=1.2(%)
ｂ×Ｄ＝200mm×600mm 腹筋：10-D6@86
ベース筋：5-D10ベース筋：3-D10
袴筋：5-D10袴筋：3-D10パイルキャップ
せん断補強筋 ：1-D10＊ともに直筋＊幅方向、せい方向とも同一本数に関して事前分析を行い，その傾向を基にして試験体の各部材の大きさを設定した。試験体は 3 体製作し，パイ*1 芝浦工業大学大学院*2 芝浦工業大学

工学研究科

工学部建築学科

杭鋼管
アンカー筋

建設工学専攻 (正会員)

准教授・工博（正会員）*3 ジャパンパイル株式会社*4 東京工業大学

セキュアマテリアル研究センター

教授・工博（正会員）-319-：φ190.7 t=35：12-D22(USD685)

350

45 60

140300350300500

60 45350500(b)

ーＰ

柱断面＋Ｐ

86

スタブ区間

スタブ区間

ーＰ

520
40

40 88

ベース筋
アンカー筋

40 60 60 40

鋼管杭φ190.7 t=35

200

150

600＋Ｐ
・基礎梁主筋3-D19 (三体共通)
・基礎梁せん断補強筋
11-U9.0@80(RC-0-500,RC-0.32-500)
12-U9.0@80 (RC-0.32-350)
・基礎梁腹筋10-D6@86 (三体共通)

86

75

86

1950

86

600

88 40

袴筋

40375

・柱主筋
12-D19 (三体共通)
・柱せん断補強筋
14-U12.6@70(三体共通)

600

150

45 70 70 70 45(c)275575500575275

基礎梁断面350

2200

縮小型(HRC-0.32-500)

標準型(HRC-0-500,HRC-0.32-500)

単位(mm)(a)

試験体配筋
図－1表－2

試験体概要

コンクリートの力学的性状

コンクリート

圧縮強度

割裂強度

ヤング係数

N/mm2N/mm2×104N/mm2

30.22.82.395654997表－3鋼材

使用箇所

D6 (SD295A) 梁腹筋
D10 (SD295A) パイルキャップ
D19 (USD685) 柱、梁主筋
D22 (USD685) 杭アンカー筋
φ9.0
梁せん断補強筋
φ12.6
柱せん断補強筋
STKM13A-SH 鋼管杭鋼材の力学的性状
降伏応力度
2

最大応力度
2388

ヤング係数
57312N/mm
N/mm×10 N/mm
334
4801.89340
4661.876971.856941.821407
1470
1.891413
1467
2.01423508*鋼管杭の力学的性状はミルシートによる

2

1.試験体、2.かまぼこ支承、3.柱固定用治具、4.球座、5.100tf油圧ジャッキ
6.200tf油圧ジャッキ、7.PC鋼棒、8.ロードセル、9.面外拘束チャンネル

図－2

柱および基礎梁の断面は全試験体とも共通である。柱載荷装置

断面は 300mm×350mm で主筋には D19(USD685)を 12 本強筋を配筋して実物件におけるパイルキャップを再現用いた。基礎梁断面は 200mm×600mm で主筋には上端・した。なお，「RC-0.32-350」試験体は配筋スペースの下端とも D19(USD685)を各 3 本用い，組み立て筋として都合上，袴筋とベース筋は直筋で配筋を行った。杭は厚D6(SD295A)の腹筋を 10 本配筋している。パイルキャッ肉(t=35mm)の鋼管を用い，パイルキャップへ 50mm 埋め

プ内部の補強筋は D10(SD295A)鉄筋を用い，「RC-0-500」込み定着させるとともにアンカー筋 12 本を用いて定着

及び「RC-0.32-500」試験体は袴筋，ベース筋，せん断補させた。また鋼管杭内部にはコンクリート打設前にグラ-320-ウトを充填した。コンクリートは設計基準強度 27N/mm2とし，すべての試験体，全部材共通とした。
本実験ではパイルキャップの破壊性状を把握するため，通常よりもパイルキャップ周辺部材の耐力を上げて設計を行っている。この結果，標準型の「RC-0-500」及
び「RC-0.32-500」は鋼管杭の杭頭のアンカー筋の降伏で試験体の耐力が決定する。
2.3 加力方法
載荷装置図を図－2 に示す。試験体は全ての支点をピン機構で構成するように固定を行った。杭の下端はかまぼこ支承で支持した。柱の上端は PC 鋼棒を用いて反力フレームと緊結することによって所定の位置に固定した。また，柱頭部に取り付けた試験体の固定治具を柱から伸ばしたチャンネルを用いて面外方向変形を拘束し(a)RC-0-500(b)RC-0.32-500(c)RC-0.32-350た。
鉛直方向加力は 200kN 油圧ジャッキを用い，球座を介して試験体にコンクリートの圧縮強度の 0.32 に相当する軸力を導入した。水平方向加力は，左右の梁端に1000kN 油圧ジャッキを鉛直に取り付け左右の基礎梁にそれぞれ逆向きの力で正負繰り返し載荷を行った。
載荷スケジュールは荷重 Q=50kN で一回，100kN 以降は100kN 刻みで加力を行い，各 2 回ずつ繰り返した。ただし，繰り返し時及び負側の載荷は各サイクルの一回目のピーク時の変位により制御する変位制御とした。いずれの試験体も最大耐力を迎えた時点で載荷を終了した。
2.4 計測方法
基礎梁端部から試験体に導入した荷重の計測は左右の油圧ジャッキの先端に取り付けたロードセルを用いて行った。加力点における鉛直点位置および接合部せん
断変形は，試験体の上下反曲点高さに埋め込んだインサートを支点として取り付けた変位測定用治具からの変位を用いて求めた。ここで，変位測定用の治具は柱および杭の変形に追随できるように上部の反曲点はピン，下部の反曲点は鉛直方向に対して移動可能なピンローラーとなるように取り付けた。
3. 実験結果および考察
3.1 破壊状況概要
図－3 に最大変形時におけるひび割れ発生状況を示す。
試験体に生じたひび割れは観測面である前面の破壊状況を中心に記録した。すべての試験体において基礎梁の図－3

曲げひび割れ発生後，せん断ひび割れ，柱およびパイル最終破壊状況

キャップに斜め方向にひび割れが発生した後に最大耐力に至った。載荷荷重が増加するに従って基礎梁とパイプ底部の杭頭周囲には抜け出しによるひび割れが入っ

ルキャップの危険断面には両部材の逆方向の変形に伴た。上記の 2 体はパイルキャップが柱の断面よりも大きい，ねじれせん断によるひび割れが入った。
「RC-0-500」

く面外に広がっている。このため，柱の下端の危険断面及び「RC-0.32-500」は変位の増大に伴ってパイルキャッに生じたひび割れは，すぐにパイルキャップ表面に発生-321-することはなく，荷重の増加に伴って柱端のほぼ同じ位RC-0-500置からひび割れが入った。これらのひび割れは除荷するせん断力（ｋN)500と閉じた。しかし，パイルキャップ内の補強筋には除荷した場合でも，引張りひずみが残留した。
「RC-0.32-350」
試験体は，パイルキャップ底部の杭頭付近のコンクリー

400
300
200
1000トにひび割れや抜け出しなどの損傷は殆ど生じず，パイ‐1.5‐0.5‐100

0.5

1.5

2.5

3.5‐200

ルキャップに発生したせん断ひび割れが次第に大きく層間変形角 （ ×102 rad）‐300なり最大耐力時に達した。また，主要なひび割れは，パ‐400

イルキャップ下端の基礎梁主筋位置から柱と基礎梁のRC-0.32-500

上端危険断面に向けてパイルキャップを横切るようにせん断力（ｋN)

500発生した。
表－4 に各試験体の損傷発生時における層せん断力，層間変形角の値を示す。ひび割れ発生荷重は目視により400300200100

ひび割れが入ったことを確認し，その時の荷重，変形角0‐1.5をとった。

‐0.5‐1000.51.52.53.5‐2003.2 層せん断力ー層間変形角関係

層間変形角 （ ×102 rad）

‐300‐400

図－4 に層せん断力 Q－層間変形角 R の関係を示す。
層せん断力はロードセルで測定した左右の基礎梁の荷RC-0.32-350重を平均したものとし，層間変形角は基礎梁の両側の鉛せん断力（ｋN)500

直方向変位を加力点間の距離で除した値とした。各試験体とも Q－R 曲線の形状は紡錘形であった。「RC-0-500」
及び「RC-0.32-500」試験体は杭頭のアンカー筋が降伏後400300
2001000に荷重の上昇は緩やかになり，その後は杭の抜け出しが‐1.5‐0.5‐1000.51.52.53.5‐200増加したため変位のみが増大した。軸力を導入した

層間変形角 （ ×102 rad）

‐300

「RC-0.32-500」は軸力を導入していない「RC-0-500」よ‐400:パイルキャップせん断ひび割れ発生:アンカー筋降:最大耐力

りも 1 割程度耐力が上昇した。標準型の 2 体については耐力が上昇しないことを確認した時点で除荷した。
図－4「RC-0.32-350」試験体は杭のアンカー筋が降伏する直前各試験体の層せん断力－層間変形角関係にパイルキャップのせん断ひび割れが拡大したことにより耐力が決定し，それ以降は耐力が上昇しなかったた
表－4め除荷を行った。

RC-0.32-500
QR

RC-0.32-350
QR

〔kN〕

〔kN〕

〔kN〕

〔×10-2rad〕〔×10-2rad〕〔×10-2rad〕

84.6

0.07

92.00.08

75.0

188.5

0.32

276.10.58

196.00.46

アンカー降伏342.0

1.15421.5

1.58--

最大耐力

399.6

2.15445.7

2.04387.2

2.960.13.3 ひずみ分布520

正RC-0-500
QR
基礎梁曲げひび割れ発生
パイルキャップ
せん断ひび割れ155 150260

正実験結果一覧

図－5 に柱，基礎梁に貼ったひずみゲージの位置を示す。
ゲージの位置は各部材の危険断面位置を中心に貼付した。ひずみは図面上で前面と背面の同一位置にある鉄筋に貼ったひずみゲージの値を平均した。図－5 では標準型の試験体を示しているが，縮小型も同一位置へゲージ

150 7555 120 1205575 150
図－5ひずみゲージ位置を貼った。以下，各サイクルのピーク時と最大耐力時に単位(mm)おけるひずみ性状について示す。また，図ではパイルキャップおよび基礎梁の各部材の上端位置を示した。

-322-

(1) 柱主筋ひずみ図において縦軸は最下段の補強筋位置を原点とし，その図－6 に正方向載荷時における柱主筋のひずみを示す。

位置から各補強筋の位置を高さで示している。ひずみ測

ゲージの位置はパイルキャップの中心を原点とし，原点定の結果，降伏したものはなかった。すべての試験体にからゲージまでの距離を示している。右側主筋はすべておいてパイルキャップの中心位置でひずみが最大となのゲージが引っ張り方向にひずみを生じていた。全試験

り，この補強筋を中心に上下段の補強筋は距離が離れる

体とも基礎梁面(415mm)が危険断面となっている。いずほどひずみは単調に減少している。RC-0.32-350 試験体れも危険断面位置でひずみが最大となり，上下の補強筋は最大耐力時，下部で大幅にひずみが増加している。このひずみは距離が離れるにつれて減少している。一方でれは最大耐力時にパイルキャップに入ったせん断ひび

左側の主筋は，パイルキャップ面（280mm）が危険断面割れが大きく開いたためである。

位置となり，危険断面よりも上部が圧縮側，下部が引っ試験体は，パイルキャップが柱の断面よりも面外に出張り側となった。本来は正方向載荷時には圧縮側であるているが，そのことによる影響は柱のせん断補強筋の性が，このように下部で引っ張りに側に作用したのは，引状からは見られなかった。なお，負方向載荷時も正方向っ張り力の作用するアンカー筋の応力が，コンクリート載荷時と同様の傾向が見られた。の付着を通じて横に配筋された柱主筋へと伝達された(3) 基礎梁主筋ひずみためと考えられる。なお，負方向載荷時も圧縮側鉄筋で

図－8 に正方向加力時における基礎梁の上段，下段のは同様の挙動が見られた。

主筋のひずみと試験体の中心からゲージ位置までの距(2) 柱せん断補強筋離を示す。上端筋はパイルキャップよりも上側にあり，

図－7 に正側加力時における柱のせん断補強筋のうちパイルキャップ部材が基礎梁主筋のひずみに及ぼす影下端から 10 段目までの補強筋のひずみを示す。

a)RC-0-500

600+1cycle

500

高さ(mm）+4cycle300+6cycle

200パイルキャップ上端最大耐力高さ(mm）+2cycle

基礎梁上端

400

基礎梁上端300

パイルキャップ上端200+4cycle+6cycle
最大耐力

左側

0500

01000

2000

3000

基礎梁上端

400300パイルキャップ上端

200
100

右側

0‐1000+1cycle+2cycle+4cycle+6cycle最大耐力

600+2cycle

100

100

‐1000

700+1cycle

500

高さ(mm)

600

400

響は少ないと思われる。柱，梁接合部では上段筋と同じ

01000

2000

3000

0‐10001000

主筋ひずみ（μ）

3000

5000

補強筋ひずみ（μ）

主筋ひずみ（μ）b)RC-0.32-500
600

600+6cycle+8cycle200パイルキャップ上端

最大耐力

10001000

2000

3000

主筋ひずみ（μ）

400

基礎梁上端

300+4cycle+6cycle+8cycleパイルキャップ上端

200

最大耐力

500
基礎梁上端

300

パイルキャップ上端+1cycle+2cycle+4cycle+6cycle+8cycle
最大耐力

100

右側

0‐1000

400

200

100

左側

0600

+2cycle

高さ(mm)

基礎梁上端

高さ(mm）

高さ(mm）+4cycle

300

‐1000

500

+2cycle400700+1cycle+1cycle

500

0

1000

2000

主筋ひずみ（μ）

3000

0‐1000

1000

3000

5000

補強筋ひずみ（μ）

c)RC-0.32-350+1cycle+2cycle400+4cycle

基礎梁上端+6cycle

300

最大耐力

200 パイルキャップ上端

高さ(mm）

高さ(mm）

500+1cycle700500+2cycle600+4cycle500400

基礎梁上端+6cycle

300

最大耐力

200 パイルキャップ上端

左側

00

1000

2000

3000

+4cycle

基礎梁上端

300

パイルキャップ上端+6cycle
最大耐力

100

0

主筋ひずみ（μ）

図－6+2cycle

400

右側

0‐1000+1cycle

200

100

100

‐1000

600

高さ(mm)

600

1000

2000

主筋ひずみ（μ）

3000

0‐1000

-323-

3000

5000

補強筋ひずみ（μ）

図－7

柱主筋ひずみ性状1000

柱せん断補強筋ひずみ性状

6000

6000

6000

パイルキャップ

パイルキャップ+1cycle5000

主筋ひずみ（μ）+6cycle
最大耐力

2000
1000

4000

+6cycle3000+8cycle
最大耐力

2000
1000
00
‐500

+4cycle

‐300

‐100

100

300

‐300

‐100

100

‐1000

ゲージ位置（mm）

‐1000

300

5000

‐500

2000
1000

主筋ひずみ（μ）

最大耐力

300

+2cycle+4cycle+6cycle3000+8cycle
2000

最大耐力

1000

4000

ゲージ位置（mm）+4cycle3000+6cycle

2000

最大耐力

1000
0‐500

500

500

+1cycle

5000

0300

100

ゲージ位置（mm）

パイルキャップ

4000

0100

‐100+2cycle+6cycle

‐100

‐300

RC-0.32-350 上端筋+1cycle5000+4cycle

‐300

最大耐力

1000

6000

+2cycle3000+6cycle2000

パイルキャップ+1cycle4000+4cycle3000‐10006000

パイルキャップ

主筋ひずみ（μ）+2cycleRC-0.32-500 上端筋

6000

‐1000

4000

500

ゲージ位置（mm）

RC-0-500 上端筋‐500+1cycle

0‐500

500

主筋ひずみ（μ）

主筋ひずみ（μ）+4cycle

3000

5000

+2cycle+2cycle4000

パイルキャップ

主筋ひずみ（μ）

5000+1cycle‐300‐100100‐1000RC-0-500 下端筋

300‐500500

ゲージ位置（mm）

RC-0.32-500 下端筋
図－8‐300‐100‐1000100300500

ゲージ位置（mm）

RC-0.32-350 下端筋

基礎梁主筋ひずみ性状

性状が下端筋でも見られ 6) ，本実験では RC-0.32-350 試究所の共同利用研究として行われたものです。

験体がそれに当てはまる。一方で標準型の 2 体の下端筋

参考文献の性状は左右の梁ともにパイルキャップ端部でひずみ1)

小林勝巳ほか：水平力を受ける場所打ち杭―基礎梁が最大となり，パイルキャップの内部域ではひずみ勾配

部分架構の力学的特性に関する研究，日本建築学会は緩やかであった。これは，パイルキャップ内は各種の構造系論文集，第 509 号，pp.83-90，1998.7

補強筋が非常に密に配筋されており，パイルキャップと2)その内部の鉄筋が一体的に変形していたためと思われ小林勝巳ほか：側柱下の場所打ち杭―基礎梁部分架構の耐震性能に関する研究，日本建築学会構造系論

る。軸力を導入した試験体ではその傾向が顕著に表れた。

文集，第 520 号，pp.61-68，1999.6
3)

小林勝巳：場所打ち杭を用いた杭基礎構造の耐震性向上に関する研究，博士論文，2000.3

4.まとめ
実建物のパイルキャップとその周辺部材を縮小化し4)

酒井慎二ほか：2 本群杭で支持されたパイルキャた試験体の載荷実験に関して結果報告を行った。パイルップの鉛直載荷に対する耐震性能評価，コンクリー

キャップを小さくすることでパイルキャップのせん断

ト工学年次論文報告集，Vol.29，No.3，pp.415-420，

ひび割れ発生荷重は 3 割程度低い結果となり現状でのボ2007

リュームが耐震性能にも優れていると思われる。しかし，

5)ップの鉛直載荷実験，日本建築学会大会学術講演梗

補強方法によってはボリュームを抑えることも可能と概集， pp.427-428，2006.9

思われる。パイルキャップの研究は非常に少ないため今後はさらに実験データの蓄積が必要である。

田中佑二郎ほか：2 本群杭で支持されたパイルキャ

6)

柏原慎吾ほか：鉄筋コンクリート造内部梁・柱接合部の破壊性状への接合部アスペクト比の影響（その２謝辞
本研究を行うにあたり株式会社大林組の久保田篤史

破壊性状），日本建築学会大会学術講演梗概集，pp.477-478，2003.9

氏の御協力を頂きましたことに深く感謝いたします。ま7)

日本建築学会：建築基礎構造設計指針

た，高周波熱錬株式会社，東京鉄鋼株式会社に鋼材の提8)

日本建築学会：鉄筋コンクリート造建物の靭性性能供をしていただきました。本研究は応用セラミックス研-324-

保証型耐震設計指針・同解説