第 44 回地盤工学研究発表会
2009 年 8 月

601

E - 04 （横浜）
鋼管杭の動的水平載荷試験法（その 4−実杭の試験検証その 3）

鋼管杭，動的水平載荷試験，波形マッチング解析

ジャパンパイル(株) 正○熊谷ジャパンパイル(株) 正小嶋
金沢大学大学院
国際松本
寒地土木研究所
国際冨澤裕道英治
樹典幸一

1. はじめに杭基礎の性能規定化に伴い，地盤性状を忠実に反映した杭設計を実施していくことが要求されている．しかし，現状の設計では地盤反力係数や杭水平方向変位量は，地盤調査結果から推定するケースがほとんどであり，その結果が実証されることは少ない．杭の実挙動を把握するには載荷試験の実施がより有効である．このような背景から，杭の性能を検証する方法として実現場で活用される載荷試験において，コストの軽減化・試験時間の短縮化が求められている．この考えに基づいて，杭の鉛直方向における載荷試験では動的手法が導入されている．しかしながら，水平方向における載荷試験では動的手法が導入されるには至っていない．そこで，筆者らは静的水平載荷試験に代わる新しい簡便な杭載荷試験法として，杭頭に水平方向の動的外力を与えて，それにより得られる動的データを用いて波形マッチング解析を実施することにより，杭の水平抵抗挙動を推定する動的水平載荷試験システムを開発してきた 2)-5)．システムの妥当性を検証するには，より多くの検証事例が必要である．筆者らは今までに 5 箇所の地盤サイトで実大鋼管杭の載荷試験を実施してきた 2) -5)．本論では既報 2) -4)に続
き，新たな現場で実大鋼管杭の静的および動的水平載荷試験を実施し，試験システムの妥当性を検討した．

3. 試験装置，試験方法および試験手順
静的水平載荷試験については，土質工学会基準「杭の水平載荷試験方法・同解説」6)に従い，一方向多サイクル方式にて実施した．載荷点は，地表面から約 300mm の位置とした．荷重範囲は約 0〜+437kN で，変位範囲は約 0〜+28mm である．動的水平載荷試験については，質量3.0ton の重錘を地表面から 500mm の位置に衝突させて，杭体に載荷した．その際，水平載荷荷重と載荷位置の水平変位を，それぞれ 15µs 間隔で測定した．

N 値0010203040500盛 土5試験杭(動的)5

礫混じり火山灰質砂

載荷試験時地表面

1010①15②軽石混じり火山灰

深さ(m)2. 試験杭および試験地盤図 1 に，試験地盤の土質柱状図を示す．同図には，試験杭（動的水平載荷試験用）の姿図を併記している．地盤は主に火山灰で構成されている．深さ約 22m 以深は礫混じり火山灰層で，杭の支持層である．なお，載荷試験時の地表面は深さ約 7.1m であった．また，後述する波形マッチング解析では，赤字①〜⑤および赤線で示したとおり，試験地盤を 5 分割してモデル化した．表 1 に，動的水平載荷試験に用いた試験杭の仕様を示す．試験杭は，外径 600mm，全長 23.5m の鋼管杭で，実際に橋脚を支持する用途に供するものである．施工方法は中掘り工法である．試験杭には，軸ひずみを測定するためのひずみゲージを，軸対称位置（5 断面）に貼り付けた．
ひずみゲージの保護材として，溝形鋼を杭の両サイドに溶接した．そのため，杭の断面二次モーメント I は，表 2 に示すような値となる．なお，動的水平載荷試験と静的水平載荷試
験は，別々の試験杭で実施した．静的用試験杭の上杭長は動的用試験杭とは異なり，5.0m である．他の物性値は共通である．なお，双方の杭における杭芯間距離は約 7.5m であった．
また，載荷試験時には試験杭を地表面から，動的用が約 1.5m，静的用が約 1.0m それぞれ突出させた．

15③

礫混じり火山灰質砂20

細 砂20④2525
礫混じり火山灰⑤3030

図 1 試験地盤の土質柱状図
表 1 試験杭の仕様(動的水平載荷試験用)
杭 種上 杭
下 杭

外 径

杭 長

板 厚

ヤング率

密 度(mm)(mm)(mm)(kPa)(t/m 3 )5.5

112.06×10 8

7.818.09600

表 2 解析における試験杭のパラメータ
断 面

杭頭からの断 面 2 次 ﾓｰﾒﾝﾄNo.
距 離 (m)4. 試験結果および解析結果(m 4 )
図 2 に，動的水平載荷試験における水平載荷荷重を示す．
10.00〜 1.25
0.883×10 - 3
これより，荷重の載荷継続時間は約 90ms，最大荷重は約21.25〜 5.50
1.144×10 - 3
160kN である．図 3〜5 に，動的水平載荷試験結果と波形マ
35.50〜 6.10
0.993×10 - 3ッチング解析結果を示す．波形マッチング解析は，解析プロ
46.10〜 23.50
0.730×10 - 3
グラム KwaveHybrid1) を用いて，図 2 に示す測定水平載荷荷Method for dynamic horizontal load test of steel- pipe- piles (part 4-Verification for actual piles part 3)
E. Kojima, H. Kumagai (Japan Pile Corp.), T. MATSUMOTO (Kanazawa University)
K .Tomisawa (Civil Engineering Research Institute for Cold Region)1201

等価密度(t/m 3 )
9.7
10.6
11.3
10.2

V s = 91N 0.337

G0 = ρ ×Vs(1)

2

解析(18ms)
解析(39ms)
試験(18ms)
試験(39ms)810

図 5 杭曲げモーメント分布(試験結果と解析結果)(2)

表 3 波形マッチング解析で求めた地盤パラメータ深さ(m)

せん断剛性(kPa)

最大水平抵抗(kPa)

7.1 〜 12.310,04291

12.3 〜 17.5

15,02591

17.5 〜 20.821,158

弾性範囲

20.8 〜 23.8

16,098弾性範囲23.8 〜 31.0

43,951

弾性範囲

450

100

400

50

35002030405060708090

100時間(ms)
図 2 水平載荷荷重
20300
250
200150100

試験
解析

15300

4150

10200

6200

0100

2

水平荷重(kN)

水平荷重(kN)

00

ここで，V s ：せん断波速度(m/s) ， N ： N 値， G 0 ：微小ひずみ時のせん断剛性， ρ ：土の湿潤密度である．
表 3 に示したせん断剛性 G は， G = 0.2G 0 となっている．
図 6 に，表 2 の地盤パラメータを用いて計算した静的な水平荷重−変位関係を試験結果と比較したものを示す．これより，計算による水平荷重−変位関係は試験結果をよく再現している．

計算試験501000500102030405060708090100

時間(ms)

200

試験
解析
15010050005105101520

水平変位(mm)2530

図 6 荷重−変位関係（静的載荷試験結果と計算結果）
5. まとめ図 3 水平変位（試験結果と解析結果）

水平荷重(kN)

水平変位(mm)

曲げモーメント(kN･m)-100-2深さ(m)重を入力条件として実施した．解析において，ひずみゲージ保護材を直接にモデル化していないため，杭各区間の重量が保護材を勘案したものとなるように，表 2 に示す等価密度の値を用いた．
図 3〜5 は，それぞれ，時間−水平変位，水平荷重−変位関係，杭曲げモーメント深度分布の試験結果と，最終の波形マッチング解析結果である．解析による水平変位は，立ち上がり部分および最大変位量に関して，試験結果とよく一致した．また，解析による水平荷重−変位関係および杭曲げモーメント深度分布は，試験結果をよく表現している．表 3 に，以上の波形マッチング解析で求めた地盤パラメータを示す．
なお，地盤のせん断剛性 G を同定するうえで，その初期値はImai7)による式(1)と波動理論による式(2)を用いた．

1520水平変位(mm)
図 4 動的な荷重−変位関係（試験結果と解析結果）

地盤が主に火山灰で構成されている実現場において，実大鋼管杭を用いた動的および静的水平載荷試験を実施した．動的水平載荷試験のデータを用いて波形マッチング解析を実施し，それに基づいて静的な水平荷重−変位関係を推定した
ところ，静的水平載荷試験結果とよい対応を示した．
【参考文献】
1)Kitiyodom,P.,Matsumoto,T.,他(2006): Analysis of static anddynamic horizontal load tests on steel pipe piles. Proceedingsof 10 th International Conference on Piling and Deep
Foundations 2)冨澤,他(2006)：鋼管杭の動的水平載荷試験法(その 1-システム開発),第 41 回地盤工学研究発表会 3)小嶋,他(2006)：鋼管杭の動的水平載荷試験法(その 2-実杭の試験検証),第 41 回地盤工学研究発表会 4)小嶋,他(2007)：
鋼管杭の動的水平載荷試験法(その 3-実杭の試験検証 2),第42 回地盤工学研究発表会 5)例えば小嶋,他(2005)：杭の動的水平載荷試験システムの開発(その 1 実大杭を用いた実験概要および実 験結果),土木 学 会第 60 回年次 学術講演会
6)(社)土質工学会(1983)：土質工学会基準 杭の水平載荷試
験方法・同解説 7)Imai,T.(1977):P- and S-wave velocities of
the ground in Japan,Proc.7th ICSMFE,Tokyo,Vol.2

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