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E - 04「杭頭縁切り工法」における杭頭部摩擦材と砂との摩擦せん断実験

杭, 摩擦, 室内実験関西大学 学生会員 ○方田公章 正会員 伊藤淳志
ジャパンパイル 正会員 小林恒一 小椋仁志
エービーシー建材研究所 野瀬貴弘

１．はじめに建物の基礎を杭基礎として設計する場合、杭頭部の構造としては、固定とする剛結合と、回転を可能とするピン結合とがある。剛結合の場合は杭頭部に生じる曲げモーメントが大きくなり、ピン結合の場合はその設計や施工が難しくなることが考えられる。そこで、杭基礎の耐震性を向上させるための杭頭接合の一つの方法として、杭と基礎スラブとの間に砂、砂利や捨てコンクリートなどを介在し、杭頭を基礎スラブにつながない方式が考えられる。この方式によれば、介在する材料を調整することにより、比較的簡便に杭頭に作用するせん断力を制御することができよう。このような方式の工法を、筆者らは「杭頭縁切り工法」と呼んでいる。この工法を開発するための基礎実験として、中型単純せん断試験機を用いて、杭頭部に装着する摩擦材を塗布した鋼板と砂との摩擦せん断実験を行い、その結果は文献１）において報告した。今回は、施工性を考慮してFRP を下地材として選定し、さらに前報よりも摩擦係数を低減させるための種々のスリップ剤を塗布した摩擦板について、砂との摩擦せん断実験を行ったので以下に報告する。
300２．実験概要

ローラーSt実験に使用した中型単純せん断機の主要部を図 1 に示す。せん断箱は、内法 300×

せん断力

Sf

Sd

200mm、厚さ 20mm の鋼製フレームを6 段積み重ねたものであり、供試体作製時に各フ140

砂レーム間に厚さ約 4mm のスペーサーを仮設し、供試体作製後にこれらを取り除くことによって、拘束圧負荷時およびせん断中の圧縮に対処できる。この結果、拘束圧負荷変位計

後の供試体高さは約140mm となっている。せん断箱の内周面にはグリスを塗布した上摩擦板 フレーム

ガイド
拘束圧でビニールシートを張り付け、すきまからの砂漏れを防いでいる。
使用した試料砂は、粒径75μm〜1.2mm に調整した気乾状態の淀川砂であって、その図1 実験装置（単位：mm）諸元を表 1 に示す。供試体はせん断箱内に6 層に分けて砂をタンピングして作製した。

表１ 淀川砂の諸元

結果として、相対密度Dr は全試験の平均で約71％となっている。摩擦材として、表 2に示したごとく、鋼板（厚さ 12 ㎜）または FRP（厚さ 11 ㎜）を下地として、これらにビ土粒子の密度 ρs

2.64g/cm3

平均粒径 D500.53mm

ニルエステル樹脂系の床材を塗布し、さらにその上に 3 種類のスリップ剤を塗布したものの使用を計画した。なお、試験前に測定した摩擦材の表面粗さはいずれも最大高さ Rmax が３μm 以下であった。また、圧縮強度は約200N/mm2 である。

均等係数 Uc2.01

間隙比 e0.720

相対密度 Dr71%

拘束圧σは、供試体に先行してかかるフレームやローラーなどの自重 11.8kN/㎡のほか、表２ 摩擦材50,100,300 および 500kN/㎡の 4 通り（摩擦材 E は 500kN/㎡を除く）を加えた。せん断試験は、供試体に設定拘束圧を加えた後、定圧状態で毎分1mm の速度で加力し、全変位量が 50mm 以上となるようにした。

３．実験結果実験結果の一例として、摩擦材 A を用い、拘束圧σ＝100 kN/㎡の場
合のせん断応力τおよび垂直ひずみεと全変位 St、すべり変位 Sf およ

記号AB
CDE

下地
FRP
(厚さ11mm）
鋼板(厚さ12mm)

スリップ剤
なし
シリコンパウダー
ポリエチレンワックス
フッソパウダーなし

びせん断変位 Sd（図 1 参照）との関係を図 2 に示した。ただし、変位量 20mm までの範囲に限ってある。同図より、せん断の初期では全変位の大部分をせん断変形が占め、τがピークに達した以後はすべり変位が支配的となっていることが分かる。またεは初期において負（圧縮）となっているが、τのピークあたりより膨張に転じている。これらの傾向は他の拘束圧および他の摩擦材の場合もほぼ同様であった。なお、ピーク以後τがのこぎり状に増減している。この原因については定かではないが、砂と摩擦材との滑りの特性が現れているものと推測される。図 3 は、摩擦材 A におけるせん断応力比τ/σ-St 関係を示したものである。いずれの曲線も、τ/σのピークまではほぼ同様であるが、ピーク時のτ/σおよび St はいずれもσの増加に伴って増大している。図 4 は各摩擦材のσ＝50kN/㎡の場合のτ/σ-St 関係を比較して示したものであり、ピーク値に違いが見られる。しかし、σの大きさが異なる場合は、ピーク値の大小関係に違いが見られた。

Friction and Shear Tests on Method of Pile Head Joint with Sliding Mechanism
HOUDA Kimiaki, ITO Atsushi (Kansai Univ.),KOBAYASHI Koichi, OGURA Hitoshi (JAPAN PILE Corp.),NOSE Takahiro (ABC Research Laboratory for Building Materials Co., Ltd.)

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0.6
下 か ら σ =50,100,300,500kN/㎡

500.4

40300.2
全 変 位 St

20

す べ り 変 位 Sf

100

せ ん 断 変 位 Sd000510155101520

変位量 St(mm)20

図 3 τ /σ -S t 関 係 （ 摩 擦 材 A）

0.15
（膨張）

0.10.6
下 か ら E,A,B,D,C

0.05
0.4

0
‑0.05

0.2

‑0.1

（圧縮）

‑0.15
0510150200

変位量 S(mm)5101520

変位量 St(mm)
図4

図 2 τ ,ε -S関 係 (摩 擦 材 A,σ ＝ 100kN/㎡ ）τ /σ ＝ 0.53002CAD

τ /σ -S t 関 係 （ σ ＝ 50kN/㎡ ）AECDB0.41.5B2000.3

10.2
100E0.5E000200

400

600

0

拘束圧σ（kN/㎡）
図 5 τ y -σ 関 係

200400

図6S fy -σ 関 係

拘束圧σ（kN/㎡）

600

全実験について、ピーク時のせん断応力τy とσとの関係を図 5 に示した。同図において、摩擦材 E を除いてτy /σは概ね 0.3〜0.5の範囲にあり、σが大きいほどτy /σが大きくなる傾向が見られる。ただし、材料の違いによる顕著な差は見られない。また、下地がFRP である摩擦材 A に比べ、下地が鋼板である摩擦材 E のτy /σが小さくなっているが、これは下地材の剛性の違いによるものと考えられる。図 6 には、各実験でのピーク時のすべり変位 Sfy とσとの関係を示した。ばらつきはあるものの、Sfy は概ねσに伴って増加している。ただし、全て2mm 以下の比較的小さな値であった。

４．おわりに以上、杭頭縁切り工法に関する研究の一環として、文献１）に引き続き、FRP を下地とした杭頭部摩擦材と砂との摩擦せん断実験を行った。今回の実験ではスリップ剤の違いによる顕著な影響は認められなかったが、FRP を下地として使用することが可能であり、スリップ剤を塗布することにより摩擦係数を低減できることが確認された。最後に今回の実験を行うにあたり多大のご協力をいただいた関
西大学卒業研究生の河合泰志、湯川洋平の両氏に謝意を表する。
［参考文献］ 1)伊藤淳志, 小林恒一, 小椋仁志, 野瀬貴弘：「杭頭縁切り工法」における杭頭部鋼板と砂との摩擦性状に関する基礎実
験,第 40 回地盤工学研究発表会, pp1667〜1668, 2005.71436