第 43 回地盤工学研究発表会
2008 年７月

631

E - 04 （広島）

衝撃載荷試験に用いる杭の縦波伝播速度に関する検討
載荷試験，縦波，伝播速度

ジャパンパイル(株)正 ○山本 辰徳
正1.

正 桑山 晋一

小嶋 英治

はじめに
2002 年 5 月に，地盤工学会基準「杭の鉛直載荷試験方法・同解説」 1)が発行されたが，衝撃載荷試験もこのうちの一つである。この基準では，縦波伝播速度が，「なお，縦波伝播速度は杭体の材質により異なり，鋼杭で 5,000m/s程度，コンクリート系の杭で 4,000m/s 程度の値を用いることが多い」と紹介されている。衝撃載荷試験では，計測した軸方向力の上昇波，下降波の分離，および杭頭の軸方向力の評価を行なうにあたり，正確な伝播速度を把握することは重要なことである。本論文は，杭の衝撃載荷試験に用いる，杭の伝播速度などについて検討を行なったものである。また，正確な伝播速度を与えないと，どのような弊害が生じるかも報告する。
2.

縦波の伝播速度
杭の縦波伝播速度（以下，伝播速度と略す） VL は次断面積 722.5cm2）および節杭の PHC 杭（直径 500-400，断面積 722.5cm2）である。
衝撃方法は，重錘質量300kgの自由落下方式で，落式で与えられる。
VL = E / ρ(1)

下高さ800mmとした。また，計測点は杭頭から杭径の2ここに， E は杭のヤング係数， ρ は杭の質量密度であ倍の0.8m下とした。詳細は参考文献2を参照して頂きる。杭が地中にあり杭周面が拘束されていると仮定すたい。なお，データのサンプリングタイムは15µsであれば，杭体の伝播速度は次式で表される。地中の杭の伝る。この結果，鋼管杭，直杭（PHC杭），節杭（PHC

播速度は，地盤の減衰にも影響されるが，ここではその杭）の伝播速度は，それぞれ5400m/s，4,600m/s，影響は小さいと仮定する。

4,700m/s程度であった。

VL =3.31 −νρ (1 + ν )(1 − 2ν )

E

⋅

(2)

ポアソン比は地盤の拘束の影響を受けるが，杭を用いる地盤では，地盤の拘束力が小さいと仮定し，鋼管杭の ポ ア ソ ン 比 を ν = 0.3 と す れ ば 伝 播 速 度 は
VL = 1.160 E / ρ である。また，コンクリート杭では，同様に，ν = 0.2 とすれば，伝播速度は VL = 1.054 E / ρ である。

施工さ れた杭の縦波の伝播速度

杭の伝播速度は，施工されていない杭を計るのは容易であるが，地中にある杭を計測するためには，杭にセンサーを設置しなければならない。しかし，杭頭部のセンサーで，杭の継ぎ目や不等厚により反射した波を利用して，この波から伝播速度を確認することは可能である。
(1) 不等厚を有する鋼管杭から求めた伝播速度
不等厚を有する鋼管杭から，杭の伝播速度を計測

3.

縦波の伝播速度の公称値と実測値した例を紹介する。計測した杭の諸元などは，表 13.1

公称値 から求めた杭 の縦波の伝播速度に示すとおり，直径 800mm の鋼管杭で，溶接による公 称 値 を 用 い て ，(1)式 か ら 既 製 杭 の 伝 播 速度 を求4 本継ぎ，杭長 23.58m である。
計測点は杭頭から 0.7m 下とした。図 1 に，重錘質めると，以下に示すとおり である。
鋼管杭: E =205,000N/mm2, ρ ＝7,850kg/m3, VL =5,110m/s

量 10t，落下高さ 1.44m で行なった衝撃載荷試験の，コンクリート系の杭（当社の公称値）： E =40,000N/mm23
ρ =2,650〜2,700kg/m ， VL =3,885〜3,849m/s

杭頭の軸方向力を示す。上段が入力波 F で，下段が軸方向力の上 昇波 Fu である。 ここで，入力 波とは杭コ ン ク リ ー ト 系 の 杭 の 密 度 に 一 般 的 な 値 ρ =2,400

頭の軸方向力 F (上昇波 Fu +下降波 Fd )を意味 3 ）する。

kg/m3 を用いると，VL =4,080m/s となり，地盤工学会基なお，杭頭の軸方向力は計測点の加速度およびひず

準に記載された伝播速度は ，公称値の E および ρ をかみの時刻歴波形から求めたものである。ただし，こら計算された値であることがわかる。の分離には杭の伝播速度が必要であるため，初めに3.2伝播速度を 5,400m/s と仮定し，分離した波から暫定実測し た杭体の縦波の伝播速度杭体の伝播速度を計測す るため，杭長 8m の杭体をの伝播速度を求め，更に求めた伝播速度を用いて，を行な った。試験は同様な方法から伝播速度を求めたものである。この先端を閉塞した 7m の鋼管 を地中に埋設 し，その中に結果，鋼管杭の伝播速度は 5,444m/s であった。なお，杭体を立て込んで行なった。試験杭は，鋼管杭（直伝播速度を上昇波から求めたのは，杭の不等厚の影用いて，杭頭を打撃する試 験2）2

径 400，断面積 110.6cm ），直杭の PHC 杭（直径 400，響が敏感に現れるからである。

A Consideration on propagation velocity of a longitudinal wave for Analysis of Dynamic Pile Load Test Signals
T.Yamamoto, S.Kuwayama, E.Kojima (Japan Pile Corp.)1261

(2) 既製コンクリート杭の 伝播速度
表 1 鋼管杭の諸元および伝播速度

既製コンクリート杭の無溶接継手の反射を利用して，杭の伝播速度を求めた例を紹介する。既製コン

直径・杭種

クリート杭の諸元は，表 2 に示すとおり ，直径 800mm，無溶接継ぎ手の 7 本継ぎ， 杭長 81.55m である。
図 2 に重錘質量 20t，落下高さ 1.8m，計測点を杭頭断面積(cm2)

φ800 (SKK400,t10)248.2

φ800 (SKK400,t9)

223.6から 1.0m 下とした，衝 撃 載荷試験の杭 頭の軸方向力

到達時間 伝播速度
(ms)
(m/s)
7.10
5,444
9.05
10.43
14.53
16.20

杭長(m)

6F (MN)を 示 す 。 上 段 が 入 力 波 F で， 下 段 が 軸 方向 力 の 上 昇波 Fu である。伝播速度の計測・解析方法 は (1)と同じ方法を用いた。この結果，SC 杭（外殻 鋼管付き高強F

420-2度コンクリートパイル）の 伝播速度は 5,000m/s で，2Fu (MN)

既製コンクリート杭は 4,800m/s であった 。
(3) 地中の伝播速度の変化(2)式によれば，杭周面を拘 束すれば，伝 播速度は，鋼管杭では 16％程度，コ ンクリート杭 では 5％程度

Fu10-10速くなる。実測の結果は，杭体のみの場合と比較し20Time (ms)4060

図 1 鋼管杭の杭頭の軸方向力て，鋼管杭では一致したが，既製コンクリート杭では 4％程度早くなった。こ れは，杭が施 工される地盤

表 2 既製コンクリート杭の諸元および伝播速度は軟弱であり拘束力が弱い こと，既製杭は中空部を有する断面であることから地中による影響は小さいと考直径・杭種える。したがって，コンクリート杭の伝播速度の差異は製品のばらつきと推定する。
4.

伝播速度の評価の違いによる問題点

杭の伝播速度を実測した例を示したが，伝播速度の評価がどのような問題を生じるのかを，SC 杭の例で示す。

断面積
(cm2)

φ800(SC,SKK400,t6)

2,889

φ800 (CPRC Ⅲ)
φ800 (PHC A)
φ800 (PHC A)
φ800 (PHC A)
φ800 (PHC A)

2,596
2,436
2,436
2,4362,436

φ800 (PHC105N A)

2,436

図 3 に，計測した SC 杭の伝播速度 5,000m/s とコンク

Z ⋅ v ( = Z ⋅ vu + Z ⋅ v d )で，下段がマッチング目標波である，軸方向力の上昇波 Fu である。ここに， Z は杭の機械インピーダンスで，v は粒子速度である。計測した伝播速度を用いた場合とそうでない場合を比べると，上昇波に差がF

43210-1Fu

Fu (MN)生じ，波形マッチング解析を行う際の地盤抵抗の評価に影響が生じる。
5.

129630-3F (MN)

リート杭の伝播速度 4,000m/s を用いて評価した，杭頭の軸方向力を示す。図 3 の上段が入力波 F (= Fu + Fd )および到達時間 伝播速度
(ms)
(m/s)
7.12
3.55
5,035
8.53
5,005
13.00
13.73
13.00
4,815
19.13
13.00
4,842
24.50
13.00
4,810
29.90
13.00
35.92
13.00
41.73

杭長(m)

ヤング係数の評価

0

既製杭の公称値では，密度 ρ は実測に近いが，ヤン30

Time (ms)6090

図 2 既製コンクリート杭の杭頭の軸方向力

グ係数 E は設計で用いるため，安全側の小さめの値となっている。したがって，波形マッチング解析に用い16128
40-4-8求めた方が妥当であると考えられる。
6.

F(VL=5,000)
Zv(VL=5,000)
Zv(VL=4,000)

Force (MN)

るヤング係数 E は，公称値の密度 ρ と実測値の VL からまとめ
杭の伝播速度は軸方向力の上昇波を用いて把握でき6Force (MN)ること，および伝播速度に実測値を用いることの妥当性を示した。
【参考文献】1)地盤工学会：杭の鉛直載荷試験方法・同解説，Fu(VL=5,000)
Fu(VL=4,000)

420-2

pp.227-271，2002.5．2)小嶋英治・桑山晋一：杭の鉛直載荷試
験の開発と実験による検証，第 48 回地盤工学シンポジウム，
pp.99-106，2003.11．3)小嶋英治：衝撃載荷試験の波形マッチ
ングに差分法を用いる場合の入力波の検討，日本建築学会大会学術講演梗概集 (東海)，構造Ⅱ，pp.561-562，2003.09．

1262

030Time (ms)60

図 3 SC 杭の杭頭の軸方向力など

90