第 44 回地盤工学研究発表会
2009 年 8 月

586

E - 04 （横浜）

模型杭を用いた「杭頭縁切り工法」における摩擦材と砂の繰返し摩擦実験
ジャパンパイル㈱杭 摩擦 室内実験○正 会 員 石川一真

関西大学

国際会員 伊藤淳志

エービーシー建材研究所
１．はじめに国際会員 小椋仁志

野瀬貴弘

杭基礎の耐震性を向上させるため、図１のように杭頭と基礎スラブとを結合せず、間に砂や砂利、捨てコンクリートなどを介在させる方式を、筆者等は「杭頭縁切り工法」

基礎スラブと呼んでいる。この工法では、介在させる土質材料や杭頭部端摩擦材板に設置する摩擦材を調整することによって、比較的簡便に杭

表１

砂・砂利

2.615 g/cm3
0.59 mm1.85
1.352 g/cm3
1.611 g/cm3

土粒子の密度 ρs
平均粒径 D50
均等係数 Uc
最小密度 ρmin
最大密度 ρmaxに伝達される水平力を制御する事が出来ると考えられる。本工法を開発するための基礎実験として、これまで床材料を主体と使用砂の諸元杭した種々の摩擦材について、砂との摩擦せん断実験を行い、本工法に適した摩擦板を選定してきた 1）〜3）。また、高拘束圧下において地震時を想定した繰返し摩擦実験を行い、本工法の有効性および摩擦板の耐久性を検討してきた 4）。今回は、より実施 図１

杭頭縁切り工法概念図
250

工に近い状況を模擬するために模型杭を用い、さらに現実の建物の荷重から求めた拘束圧にて繰返し摩擦実験を行ったので、拘束圧これまでの実験結果と合わせて検討し、報告する。
２．実験概要ローラー実験に使用した装置を図２に示す。杭は一辺変位計250mm の角型鋼管で模擬し、基礎スラブには 350×550×150mmのコンクリート体を用いた。実験の簡便のため、杭と基礎スラ摩擦板ブの位置は上下を逆にしてある。杭には鋼管内寸より小さい摩砂杭
せん断力20擦板（一辺 223mm）をはめ込んで取り付け、摩擦板とコンクリ

コンクリートートとの間には砂を設置した。砂は、粒径 75μm〜1.2mm に調150整した淀川砂であって、その諸元を表１に示す。砂の層厚は20mm とした。杭の上面にはローラーを設けており、杭にせん

図２

実験装置（単位：mm）断力を与えた際に、余分な抵抗が発生しないようにしている。
表２

摩擦板は、既報の実験にて選定された、厚さ 12mm の FRP 板に摩擦材
砂の含水比 W
拘束圧 σ

変性ビニルエステル樹脂を塗布し表面を UV 硬化させたものを採用し、その表面粗さは 0.002mm 程度である。
摩擦実験は、杭に軸力を与えた後、静的に水平方向へ加力し、0.8した。摩擦板と砂の間に働く拘束圧は、N 値が 30 未満の地盤に0.6

摩 擦 杭 で 支 持 さ れ た 中 層 RC 建 物 の 荷 重 を 参 考 に し 、 σ=5000kN/m2 と 10000kN/m2 の 2 種類とした。
３．実験結果せん断応力比τ/σおよび杭の鉛直変位 Sv と水平変位 Sh との関係を図３および図 4 に示す。この図および既報の実験結果

3)4)

せん断応力比τ/σ変位量が±15mm までの正負交番繰返し加力を 3 サイクル実施

から次のことがわかる。τ/σ−Sh 関係にお③全ての加力において、τ/σ＝0.2程度で変位がスリップする。
（これは杭と摩擦板のずれの影響と推測される。）④第 1 サイクルの正側加力時のτ/σは 0.5 程度だが、第 1 サイクル負側加力以降は 0.6 以上の値に収束する。

0.40.20.0-0.2-0.4-0.80 -20

鉛直変位Sv（mm）〜5mm 程度変位が戻る。

②正負共に除荷すると 3

第1サイクル
第2サイクル
第3サイクル-0.6

いて、①第 1 サイクルの正側加力において既報の実験結果に見られたような明確な降伏点がない。

実験の種類

FRP下地変性ビニルエステル樹脂塗布
0.083 %（気乾状態）
5000 および 10000 kN/m2

Sv−Sh 関係において、繰返しサイクルが増すにつれて鉛直変位の増分は減少する。
また、実験終了後の砂は粒子破砕を起こしていた。その砂は-15-10-505変位量S（㎜）101520-15-10-505水平変位Sh(mm)101520

図３τ/σ，Sv−Sh 関係-2-4-6-8-10-20（σ＝5000kN/m2）

Cyclic Friction Tests with Model Pile on Method of Pile Head Joint with Sliding Mechanism
ISHIKAWA Kazuma, OGURA Hitoshi(JAPAN PILE Corp.),
ITO Atsushi(Kansai Univ.),
NOSE Takahiro(ABC Research Laboratory for Building Materials Co.,Ltd.)

1171

0.8

非常に固く締まっており、摩擦板の表面に固着していた。これある。σ=10000kN/m2 の実験後の摩擦板に固着していた砂の粒度分析結果を図５に示す。実験前の砂と比較すると、粒子破砕によって平均粒径は約 1/10 になった。
また、実験終了後の摩擦板表面には砂による傷があり、表面せん断応力比τ/σは拘束圧が比較的小さい既報の実験では見られなかった現象で0.40.20.0-0.2-0.4-0.6

粗さは 0.02mm 弱と実験前の約 10 倍であった。

-0.80 -20

既報の実験において、本研究と同じ摩擦材を用いた実験の結果を、τ/σ−Sh 関係における降伏せん断応力比
τy/σについてまとめたものを表３および図６に示す。文献 3ではσ=50、100、300、500kN/㎡の単調摩擦実験およびσ=100、300 kN/㎡の繰返し摩擦実験が行われており、τ/σ−Sh 関係に鉛直変位Sv（mm）

４．考察

第1サイクル
第2サイクル
第3サイクル

0.6-15-10-505変位量S（㎜）101520-15-10-505
水平変位Sh(mm)101520

図４τ/σ，Sv−Sh 関係-2-4-6-8-10現れた降伏点のτ/σをτy/σとして採用した。文献 4 では繰返-20し摩擦実験が行われており、σ=500、1000 kN/㎡の場合は降伏点が現れたが、σ=3000、5000 kN/㎡の場合は明確な降伏点がみ（σ＝10000kN/m2）

られないため、ほぼ降伏したとみられる S=＋10mm 時のτ/σを100

τy/σとして採用した。本研究においても同様とした。
①拘束圧を大きくτy/σが増大する傾向がある。

②繰返し摩擦実験において、

文献４のσ=3000、5000 kN/㎡の場合を除くと、第 2 サイクルのτy/σは第 1 サイクルよりも大きくなる。

80通過質量百分率(%)

これらの結果より、次のことがわかる。

すると、単調摩擦実験および繰返し摩擦実験の第 1 サイクルの6040
実験前
実験後

20

ここで、砂の粒径と摩擦板の表面粗さが摩擦抵抗に及ぼす影響について検討した研究 5）によると、摩擦板の表面粗さ Rmax

00.001を砂の平均粒径 D50 で除した正規化粗さ Rn が大きくなるにつれて摩擦板と砂の降伏摩擦係数も大きくなり、Rn=0.1 程度にな0.01

図５

ると砂の内部ですべりが生じ、砂のせん断抵抗が発揮される事が報告されている。

表３

本研究において、σ=10000 kN/㎡の摩擦実験の前後での Rnを求めると、実験前では Rn=0.003 であるが、実験後では Rn=0.3となっている。これより、砂の粒子破砕と摩擦板に傷がつく事によって、砂の粒径に対する摩擦板の表面粗さが大きくなり、砂と摩擦板の境界ではなく砂層の内部ですべるようになったと考えられる。これは、実験終了後に粒子破砕した砂が摩擦板に固着していたことからも裏付けられる。
また、第 1 サイクル正側加力時のτ/σ−Sh 関係に明確な降伏点が見られない事は、水平加力につれて粒子破砕が進行し、0.1
粒径(mm)

110

粒度分析結果試験結果一覧表

拘束圧σ実験種類（kN/m2）
50
単調100
摩擦実験
300
文献3500
100
300
500
繰返し
1000
文献4
摩擦実験
3000
5000
5000
本研究
10000

降伏せん断応力比τy/σ
第1サイクル 第2サイクル
0.35
0.30
0.35
0.36
0.43
0.45
0.45
0.53
0.38
0.49
0.38
0.45
0.53
0.53
0.55
0.52
0.47
0.60
0.490.65

摩擦板と砂の降伏せん断応力比が徐々に上がったためと考えら
５．おわりに今回の実験により、高拘束下では砂の内部にせん断面が形成され、摩擦板と砂の境界面ですべりが生じる場合より、大きなせん断応力比を発生させることが分かった。
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中村一也氏、島袋幹也氏に謝意を表する。
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

降伏せん断応力比 τ y/σ0.7れる。

0.60.50.4
0.3
0.20.1

単調摩擦実験
繰返し摩擦実験 第1サイクル
繰返し摩擦実験 第2サイクル法」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
0.0
地盤工学研究発表会(函館)，pp.1667〜1668，2005.7 2)方田公章･伊藤
02000
4000
6000
8000
10000
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
拘束圧σ （kN/m 2 ）
摩擦材と砂との摩擦せん断実験，第 41 回地盤工学研究発表会(鹿児島)，
図６ τy/σ−σ関係
pp.1435〜1436，2006.7 3)方田公章･伊藤淳志･小林恒一･小椋仁志･野瀬貴弘：「杭頭縁切り工法」における杭頭部摩擦材と砂との摩擦性状に関する実験，第 42 回地盤工学研究発表会(名古屋)，pp.1317〜1318，2007.7 4) 伊藤淳志･小林恒一･小椋仁志･野瀬貴弘：「杭頭縁切り工法」における摩擦材と砂との繰返し摩擦実験，日本建築学会大会講演梗概集，pp.615〜616，2008.9 5) 矢島淳二･上杉守道･岸田英明･林繁樹：砂−鋼材間の摩擦抵抗に正規化粗さが及ぼす影響（その 2），第 21 回土質工学研究発表会(札幌)，pp.287〜288，S61.61172