高強度鉄筋を用いた杭頭結合構造の正負交番水平載荷実験
道路・鉄道技術委員会

1. 緒言
道路橋における杭基礎およびその周辺技術の高機能化をはかるため、鋼管杭協会では、土木研究所らとともに共同研究を進めており、その中の重要課題として、鋼管ソイルセメント杭工法 1） や回転杭 1） 等の大支持力鋼管杭実用化に伴う杭頭反力増大に対応するための新しい杭頭接合構造の開発が急務となっている。
従来の道路橋基礎における鋼管杭と現状の鋼管杭頭結合構造（中詰め＋杭外周溶接鉄筋）

図2 高強度鉄筋を用いた杭頭構造（溶接レス）

フーチングの結合方法としては、フーチ部に用いる中詰め補強鉄筋の材質（強着切れによる鉄筋の抜出し有無の確認

ングの中に杭を一定長さL（ L≧D、D：度 ） を 現 状 最 大 の SD345（ 降 伏 点④高強度化補強鉄筋の必要定着長の杭径）だけ埋込み、杭頭反力（鉛直345N/mm 以上）からSD490（降伏点力、水平力、曲げモーメント）に抵抗す490N/mm2 以上）に高強度化することに（２）杭頭部結合部耐力設計で用いる仮る方法（方法Ａ）、およびフーチング内のより、構造性能とコスト性を維持しつつ、想 RC 径の合理的な評価手法の確立

杭の埋込みは最小限度（100mm）に留現場溶接レス化する方法（図 2）を提案

杭頭結合を方法 B とする場合は、杭確認

2め、主として中詰め補強鉄筋で補強するしている。本稿では、提案構造の構造性頭結合部が杭頭部より先行して損傷しなことにより杭頭反力に抵抗する方法（方能を確認し、設計法確立に資することを目いよう、フーチング内に鉄筋コンクリート断法Ｂ）の2 つの方法が道路橋示方書 2）に的として実施した実験結果を報告する。

面を仮定した断面（図 3 参照、以下、規定されている。ただし、実施工においてはフーチング内配筋の施工性確保などの理由から、ほぼ全てのケースで（方法Ｂ）が採用される傾向にある3）。

2. 正負交番水平載荷実験
2.1実験の目的

本実験では、（１）「主鉄筋（中詰め仮想 RC 断面という）におけるコンクリートおよび鉄筋の応力度の照査が必要であり、杭基礎設計便覧 1）では仮想 RC 断面の直径は、杭径（鋼管ソイルセメント

その一方で、前述の大支持力鋼管杭補強鉄筋）の高強度化した場合の杭杭では、鋼管径）に200mm を加えた径に対しては、結合方法Ｂの中詰め補強鉄頭結合部の構造性能評価」に加えて、として評価することとなっている。

筋だけでは十分な杭頭部耐力が確保でき（２）「 杭 頭 部 結 合 部 耐 力設 計で用いないことから、現状では補強鉄筋を鋼管る仮想 RC 径の合理的な評価手法の確杭外周にも現場溶接（フーチングへの埋立」に資することを目的とした。具体的な込み部 10cm 範囲のフレア溶接）して杭確認項目は以下のとおりである。

頭部耐力を高める方法（図 1）が広く用（１）「中詰め補強鉄筋の高強度化」によるいられている。しかし、本杭頭結合構造杭頭結合部の構造性能評価項目

では、現場溶接における施工条件管理①「中詰め補強鉄筋の高強度化」によや品質確認を確実に行うことは困難であり、必ずしも十分な品質保証がなされていないのが実情である。
この問題への対処として、杭頭結合

15

図1

る杭頭結合部の水平耐力確認②「中詰め補強鉄筋の高強度化」による杭頭結合部の変形性能確認③高強度鉄筋を用いた場合のコンクリート付

図3

仮想RC断面（杭頭結合方法B）

表1

正負交番水平載荷実験供試体・各供試体の鉄筋定着長

No.

径（mm）

1800

2800

3800

41000

5800

鋼管杭

中詰め補強鉄筋板厚
フーチング（mm） への埋込長

径（mm）

種類
SD295

24SD490

フーチング
Fc
本数2（主筋量） （N/mm ）24（0.95％）

16100mm
2530（4.4％）
SD490

2930

鉄筋定着長（mm2）

備考

定着長算定式Lo（N/mm2）

フーチング側

杭側（従来鉄筋強度）400831（52d相当）

560（35d相当）

No1と同一鉄筋量544※

ずれ止め t12×2段

28（2.5％）

ずれ止め t12×2段

30（4.4％）

ずれ止め t16×2段

1170

※※

831（52d相当）

560（35d相当）1460（=Lo+10d，50d相当）

同左（50d相当）1460（=Lo+10d，50d相当）

同左（50d相当）1460（=Lo+10d，50d相当）

同左（50d相当）※定着長算定のための鉄筋許容応力度を245N/mm2として道示1）算定式より算出 ※※定着長算定のための鉄筋許容応力度を295N/mm2として道示1）算定式より算出

写真1

載荷状況
（No.3供試体）

図4

水平荷重と変位の関係（No.1、SD295）

図6水平荷重と変位の関係（No.2、SD490）

図7荷重と水平変位の関係（No.3、SD490）

図8

荷重と水平変位の関係（No.4、SD490）

図9荷重と水平変位の関係（No.5、SD490）

正負交番水平載荷実験装置（No.4試験体）

ただし、これは実物においては小径る時の水平荷重 Pyを計算で求め、その域となる杭径 600mm 以下の供試体によPyを載荷させた時の変位を1δyとした。

る載荷試験結果

図5に基づいて設定4）, 5）, 6）されたものであることから、今回の実験
では、 仮 想 RC 断 面 径の評 価 法をより2.3

実験結果

水平荷重と変位の関係を図 5 ～図 9に合理的なものとする目的から杭径 800 ～示す。

1000mmの供試体を用いることとした。

（１）
水平荷重と変位の関係
杭体内への鉄筋定着長がやや短い

2.2

実験条件

表 1に実験ケースならびに結合部に用No.1、No.2 では、いずれも3δy 載荷後に一旦荷重が低下しているのに対し、杭いる鉄筋サイズ、材質、本数、鉄筋定体内への鉄筋定着長を長く（ L0+10d）着長などの条件を示す。供試体は外径したNo.3 ～ No.5では、8δy 載荷に至る800 ～ 1000mmの鋼管杭の杭頭結合部まで荷重が増加し続けた。

（いずれも方法Ｂ）を模したもので、中詰

なお、SD490 鉄筋を用いた No.2 供試

め補強鉄筋の材質はNo.1のみ SD295で体とSD295 鉄筋を用いた No.1 供試体とその他のケースはSD490となっている。

を比較すると、降伏強度の比は1.52（＝No.1とNo.2の鉄筋径および本数は同一と414kN ／ 273kN）であり、SD490 鉄筋した。また、No.1、2に比べてNo.3 ～ 5を用いたNo.2 供試体が大きく上回った。

では杭側の定着長を長めの設定とした。

また、No.3とNo.5はずれ止めのサイズ

ズレ止め厚さについては、No.1 ～ 4ではを変更した供試体であるが、水平荷重と道路橋示方書の構造細目に従って設定変位の関係において相違はなかった。

（ズレ止め厚さ12mm）する一方、No.5（２）変形性能供試体ではワンサイズ厚いズレ止め厚さ（16mm）とした。

いずれのケースでも10δy（実験降伏荷重時の変位で補正）程度に至るまで載荷は写真 1 および図 4に示す装置に降伏荷重を上回る荷重を保ち続けておより繰り返し水平荷重を静的に正負交番り、SD490 鉄筋を用いた場合でも杭頭結載荷する方法で行った。

合構造の変形性能に問題ないことが確認

載荷基準変位1δyの設定については、鉄筋およびコンクリートの材料試験結果を用いた仮想 RC 柱において、杭が降伏すできた。
（３）
鉄筋の定着状況
No.2 供試体および No.4 供試体の載荷

16実験後の鉄筋の状況を写真 2、写真 3に示す。杭側の鉄筋定着長が比較的短いNo.2供試体（杭側定着長35d 相当、ｄ：鉄筋径）では、鋼管内の鉄筋端部で30 ～ 60mm の大きな抜け出しが発生していた。なお、フーチング内（定着長52d 相当）では鉄筋抜け出しは認められなかった。
一方、杭側の鉄筋定着長が長いNo.4

写真2

実験後の鉄筋の状況（No.2供試体、杭側定着長35d＝Lo）

写真3

実験後の鉄筋の状況（No.3供試体、杭側定着長50d＝Lo＋10d）

供試体（定着長Lo+10d＝50d 相当、ｄ：鉄筋径）では、杭側、フーチング側ともに鉄筋抜け出しは認められなかった。
（４）
仮想ＲＣ断面径の評価
実験における杭頭降伏荷重（杭頭鉄筋が降伏応力度に達するときの水平荷重）に対して、計算による仮想 RC 断面の降伏耐力値と一致するように逆算した（仮想 RC 径－杭径）の値について、杭径との対比として整理したものを図 10に示す。同
図中には、既往の実験結果 4）, 5）, 6）を同様

番 載 荷 試 験によりに整理したデータも記載した。

以下のこと確認でき降伏荷重時では杭径に比例して（仮想 RC 径－杭 径 ）の値も大きく評 価できることが実験により確認できた。杭径における杭 頭 結 合

φ800mm 時において（仮想 RC 径－杭方 法 B において、径）の値は 300 ～ 340mm 程度、杭径中詰め補強鉄筋のφ1000mm 時において（仮想 RC 径－杭強 度をSD490 に高径）の値は390mm 程度であり、杭基礎めることにより結 合設計便覧 で設定されている200mmを部強度が確実に向1）上回る結果となった。
実験における最大荷重に対して、計算

図10

杭径と仮想RC柱径との関係（降伏荷重時）上するとともに、繰り返し載荷に対し十分な変形性能も保持していることが確認できによる仮想 RC 断面の終局耐力値と一致た。

するように逆算した（仮想RC径－杭径）（２）SD490 高強度鉄筋を用いた場合、の値について、杭径との対比として整理

杭側の鉄筋定着長が Lo＋10d（ｄ：鉄筋したものを図 11に示す。

径、Lo：現行設計法における定着長）

最大荷重時においても、杭径に応じであれば、鉄筋抜け出しによる破壊は生て（仮想 RC 径－杭径）の値も大きくなるじないことが確認できた。

傾向にあるが、バラツキが大きく、降伏（３）杭頭結合部の仮想RC断面径の評価荷重時の（仮想 RC 径－杭径）の値にについて、杭径の拡大とともに「仮想 RC比べてやや下回る傾向である。No.1 は径－杭径」の値も大きくなる傾向にあり、杭α=263mm、No.2 は α=166mm、No.3

径φ800mm 以上の場合、現行の設定値＝No.5 ではα＝270 ～ 325mmとなった。

200mmを上回ることが確認できた。

No.2 の供試体においては前述したように

なお、今回の実験に引続き、軸力変鋼管杭側の鉄筋定着長不足により鉄筋動の影響を考慮できる2 本の杭による組が抜け出したことにより、他のケースに比杭載荷試験を実施しており、現在評価中べて大きく低下したものと考えられる。

3. まとめ
高強度鉄筋の適用性について正負交

17た。
（１）道路橋示方書である。

図11  杭径と仮想RC柱径との関係（最大荷重時）＜参考文献＞
1）（社）
日本道路協会：杭基礎設計便覧、
平成19年1月
2）（社）
日本道路協会 ： 道路橋示方書・同解説Ⅳ下部構造編、
2002
3）（独）土木研究所 ： 橋梁基礎形式の選定手法調査,
土木研究所資料、第4037号、
2007
4）建設省土木研究所 ： 杭頭部とフーチングの結合部の設計法に関する検討、土木研究所資料、第3077号、
1992
5）建設省建築研究所 ： 杭頭接合部の力学的挙動に関する研究、建築研究報告、No.129、
1990
6）小林ら：くい頭結合部の耐荷特性に及ぼす埋込み型補強筋のかご径の影響、土木学会第42回年次
学術講演会、1987.9