JP2008057184A

JP2008057184A - Ｈ型ｐｃ杭を用いた地中壁の構築方法

Info

Publication number: JP2008057184A
Application number: JP2006234334A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Takahashi; 司高橋; Hisashi Iwai; 久岩井; Shin Kudo; 慎工藤; Masanari Koda; 真生香田; Nobuaki Arai; 信章荒井
Original assignee: PS Mitsubishi Construction Co Ltd
Current assignee: PS Mitsubishi Construction Co Ltd
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】Ｈ型ＰＣ杭からなる地中壁を土留めとして使用する場合、中掘圧入工法では圧入不可能な硬質地盤があるときＨ型ＰＣ杭の根入れ不足を補い、土留めとしての安定を確保する。
【解決手段】中掘圧入工法により、オーガードリルでＨ型ＰＣ杭１０を硬質地盤まで沈下させ、Ｈ型ＰＣ杭１０の空部１４に掘削機を挿入してＨ型ＰＣ杭１０の下端１２より下方の地盤に中空孔２１を掘削し、中空孔２１及びＨ型ＰＣ杭１０の空部１４に亘る鋼材２０を挿入し、鋼材２０を中空孔２１内及びＨ型ＰＣ杭１０内に固定し、鋼材２０に地中壁１の曲げモーメントを支持させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｈ型ＰＣ杭を用いた地中壁の構築方法に関し、さらに詳しくは、中掘圧入工法ではＨ型ＰＣ杭の圧入が不可能な硬質地盤や岩盤層がある地盤において、地中壁の土圧による曲げモーメントを支持するための根入れ不足を補う技術に関する。

Ｈ型ＰＣ杭は、Ｈ型断面を備えたプレキャストプレストレストコンクリート杭であり、これを連接して地中に沈下させ、強固な地中壁を容易に施工する技術がある（例えば、特許文献１参照。）。

Ｈ型ＰＣ杭を連接して形成した地中壁は強度が大きく止水性に富み、施工が容易であるなどのすぐれた特性を有する。このようなＨ型ＰＣ杭による地中壁の施工には、Ｈ型ＰＣ杭の軸方向凹条内にオーガードリルを添装し、地盤を掘削して揚土しながらＨ型ＰＣ杭を地中に沈下させる、いわゆる中掘圧入工法が採用される。

このような中掘圧入工法によって、Ｈ型ＰＣ杭を地中に圧入して地中壁を形成する場合、対象地盤は、Ｎ値が４０程度までの土砂を主体とする地盤に限られており、Ｎ値が５０を超えるような硬質地盤、又は礫径がφ２００ｍｍを超える礫層や玉石混じり層、又は岩盤層等がある場合は、中掘圧入工法によってＨ型ＰＣ杭を地中に沈下させることは困難であった。

従って、比較的浅い地層に硬質地盤や岩盤層等がある場合、Ｈ型ＰＣ杭の根入れが不十分となって、地中壁自身に地中壁の土圧による曲げモーメントを支持させることが困難な場合がある。この場合に、土圧による曲げモーメントに対抗する切梁等を地中壁相互間に架け渡して用いることができる場合、又は単独独立でタイ材を設けることができれば問題はないが、地中壁が単独独立でタイ材を使用することができないのものであったり、構造上切梁が邪魔になるなど、切梁を施すことができないような条件のときは、Ｈ型ＰＣ杭によるすぐれた地中壁構築技術を利用することができないなどの不具合があった。
特開２００５−２３５７６号公報（第２−６頁、図１）

Ｈ型ＰＣ杭によって地中壁を形成し、これを土留めとして使用する場合に、中掘圧入工法ではＨ型ＰＣ杭を地中に圧入することが不可能な硬質地盤や岩盤層がある場合には、Ｈ型ＰＣ杭自身が土圧に抵抗する曲げモーメントを支持することができるようにＨ型ＰＣ杭を十分に深く地中に根入れすることができない。

本発明はこのような場合にＨ型ＰＣ杭の根入れ不足を補い、地中壁が土留壁として安定性を確保することができるようにした技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、Ｈ型ＰＣ杭を地中に連接沈下させて地中壁を構築するに当り、沈下させるＨ型ＰＣ杭の軸方向凹条内にオーガードリルを添装して地盤を掘削しつつＨ型ＰＣ杭を地中に沈下させ、次いで、隣接するＨ型ＰＣ杭同士が形成する空部に掘削機を挿入してＨ型ＰＣ杭の下端より下方の地盤に中空孔を掘削し、該中空孔及びＨ型ＰＣ杭の空部に亘る鋼材を前記Ｈ型ＰＣ杭の空部内に上方から挿入し、硬化材料を注入して前記鋼材を前記中空孔内及びＨ型ＰＣ杭内に固定し、前記鋼材に地中壁の曲げモーメントを支持させることを特徴とするＨ型ＰＣ杭を用いた地中壁の構築方法である。

ここで掘削機とは、硬質地盤や岩盤層等に掘削孔を掘削することができるものを云い、例えば、アースオーガ（ロックオーガ）、ローラビット（リバースサーキュレーションドリル）、ボタンビット（ダウンザホールハンマ）、ボーリングマシン用ドリルパイプやビットなどを云う。

また、硬化材料とは例えばコンクリート、モルタル、セメントミルク等のセメント系硬化材料又はポゾラン効果を有する硬化材等を云う。

本発明は硬質地盤や岩盤層にプレボーリングによって埋込み杭を設け、この埋込み杭によって土圧による地中壁の曲げモーメントを支持させ、土留めとしての安定性を確保するものである。

本発明によれば、中掘圧入工法ではＨ型ＰＣ杭を地中に圧入することが不可能な硬質地盤や岩盤層がある地盤において、Ｈ型ＰＣ杭によって地中壁を形成し、Ｈ型ＰＣ杭の根入れ不足を補い、土留めとしての安定性を確保することができる。

このことにより、強度が大きく止水性に富み、施工が容易な、Ｈ型ＰＣ杭によるすぐれた土留壁を、上記地中条件の場合においても容易にかつ安価に施工することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１に本発明の構築方法によって構築された地中壁１の模式的斜視図を示した。

この地中壁１はＨ型ＰＣ杭１０を連接して地中に形成した地中壁であって、図１はその構造の一部を模式的に示す斜視図である。図１は模式図であって、地層の記載等は省略し、また、地中壁１の一部を切欠いて示すと共に、地中に形成した中空孔２１及びその中に挿入された鋼材２０を概念的に示してある。

Ｈ型ＰＣ杭１０は軸方向凹条１１内にオーガードリルを添装してオーガドリルで地盤を掘削しつつ地中に沈下され、順次連設して地中壁１を形成する。すなわち、中掘圧入工法によって順次連接しながら地中に沈下される。

中掘圧入工法ではＨ型ＰＣ杭を硬質地盤や岩盤層中を沈下させることができない。従って、このような地層に杭底１２が到達すると、オーガードリルを用いてＨ型ＰＣ杭を引続き沈下させることはできない。そこで隣接するＨ型ＰＣ杭相互間の空部に掘削機を挿入して、この杭底１２より下方の硬質の地盤を掘削して中空孔２１を形成する。

鋼材２０は、下端側をこの中空孔２１内に根入れして硬化材料２２（例えばモルタル）によって固定されると共に、上端側をＨ型ＰＣ杭の空部１４内に硬化材料１３（例えばコンクリート）によって固定されている。この鋼材２０は、地中壁１が土圧によって受ける曲げモーメントに抵抗して、側圧による地中壁の曲げモーメントを支持するものである。鋼材２０はその目的に合致するように、断面寸法、長さ、配置位置、設置本数等を定めて施工される。

次に本発明の実施例について、図２〜図１４を参照して説明する。

図２は、地中壁を構築すべき位置の地表１００上に杭打機２００を設置し、Ｈ型ＰＣ杭１０を通常の地層１０１中に沈下させる中掘圧入工程を示している。杭打機２００はＨ型ＰＣ杭１０を吊下げ、これをリーダー２０１に沿って圧入機２０３により降下させ、地中に圧入する。このとき、Ｈ型ＰＣ杭１０の軸方向凹条１１内にオーガードリル３０を添装する。駆動部２０２はオーガードリル３０を駆動する。

図３はこのときのＨ型ＰＣ杭１０の断面図（図２のＡ−Ａ矢視図）を示すもので、沈下させようとするＨ型ＰＣ杭１０のフランジを、既に地中に沈設しているＨ型ＰＣ杭１０ａに隣接させて、Ｈ型ＰＣ杭１０の軸方向凹条１１内にオーガードリル３０を添装し、土砂を掘削しながらＨ型ＰＣ杭１０を地中に沈下させる。

この中掘圧入工法では、Ｎ値が４０程度までの通常の地層１０１中を沈下させることはできるが、Ｎ値が５０以上の硬岩層１１０や礫層等の中を沈下させることができない。

図４はＨ型ＰＣ杭１０の下端が硬岩層１１０に到達した時の状態を示すものである。オーガードリル３０を抜き取ったあとの隣接するＨ型ＰＣ杭１０相互間の空部内の土砂４１をクラムシエル４０等によって地表に排土する工程を示している。この排土は、クラムシエル４０を昇降させるクレーン車２２０、排土をダンプ車等に積込むバックホー２１０などを用いて行われる。

図５は図４のＢ−Ｂ矢視図を示すもので、Ｈ型ＰＣ杭１０の断面図を示している。隣接するＨ型ＰＣ杭相互間の空部内に土砂４１が存在している状態を示している。

図６は硬岩層１１０中に掘削孔を掘削する工程を示すものである。掘削機２３０から例えば掘削ビット５０をＨ型ＰＣ１０杭内に保護管５１内を通って硬岩層１１０まで挿入し、硬岩層１１０を掘削する。

図７は図６のＣ−Ｃ矢視図で、図７の工程におけるＨ型ＰＣ杭１０の断面図を示している。Ｈ型ＰＣ杭１０の空部１４内に保護管５１を挿入し、この保護管５１内に排土用スパイラル羽根を有する掘削ビット５０を挿入する。保護管５１は固定装置５２によって、Ｈ型ＰＣ杭１０の空部１４内に固定されている。図８は図７の部分拡大図、図９は図８の側面図である。

図９に示すようにＨ型ＰＣ杭１０内の空部１４に保護管５１が固定装置５２によって固定され、保護管５１内に掘削ビット５０が挿入されている。掘削ビット５０はスパイラル羽根５３を備え、回転５４を与えられて地中に掘削孔を掘削すると共に、掘削土をスパイラル羽根５３によって保護管５１内を揚土させ、地上に排土５５する。

図１０はクレーン車２４０を用いて鋼材２０をＨ型ＰＣ杭内に挿入する工程を示している。鋼材２０の下端側は硬岩層１１０内に掘削した掘削孔内２１内に挿入され、硬化材料２２例えばモルタル注入によって掘削孔２１内に固定される。

図１１はこの工程におけるＨ型ＰＣ杭１０の平面図である。鋼材２０はＨ型ＰＣ杭１０の空所１４内に挿入され、さらに掘削孔２１内に挿入される。挿入後掘削孔２１内に硬化材料２２を充填して鋼材２０の下端側を掘削孔２１内に固定する。

図１２は、Ｈ型ＰＣ杭１０内及び硬岩層１１０内の掘削孔内に鋼材２０を挿入して固定し、Ｈ型ＰＣ杭１０（地中壁１）の側部の地層１０２の土砂を除去して地中壁１を土留壁１とした状態を示している。この土留壁１は、地層１０１の土圧による曲げモーメントを鋼材２０によって支持されている。

図１３はそのときのＨ型ＰＣ杭１０の平面図（図１２のＥ−Ｅ矢視図）、図１４は図１２のＦ−Ｆ矢視図を示す説明図である。

次に、本発明の一例を示すＦＥＭ解析の結果について説明する。本発明に係る地中壁の構造ではＨ型ＰＣ杭と鋼材との境目となる箇所において断面剛性が大きく異なるため、変位が大きくなることが予想された。またＨ型ＰＣ杭と鋼材とでは地盤に抵抗する面積も異なり、地盤の塑性化による影響も考えられるので、これらを明らかにするためにＦＥＭ解析を行った。ＦＥＭ解析は図１５に示すような積層地層に本発明を適用した例について行った。この地層は表１に示すような諸元を有している。

断面寸法が高さＨ（厚さ）６４０ｍｍ×幅１０５０ｍｍのＨ型ＰＣ杭を用い、これを地中に連接沈下させてを構築しさらに根入れを行った本発明の実施例の地中壁１を対象とする。

沈下させるＨ型ＰＣ杭の沈下は、軸方向凹条内に２連のオーガードリルを添装して地盤を掘削しつつ行うが、Ｎ値が３５までの上記地層、すなわち地表１００から硬岩層（地層Ｄ）の上面１１０までの深さ６．７ｍの地層（地層Ａ，Ｂ，Ｃ）に施工できる。これより下方の地層ＤはＮ値が５０であり、Ｈ型ＰＣ杭をオーガードリルにより沈下させることは困難である。Ｈ型ＰＣ杭の前面の土砂１２１を地表から廃土底面１２０まで５．７ｍ除去すると、Ｈ型ＰＣ杭の根入れ長さが不足で、この土留壁１は土圧による曲げモーメントを支持することができない。

そこで、隣接するＨ型ＰＣ杭同士が形成する空部に掘削機を挿入してＨ型ＰＣ杭の下端より下方の地盤に直径４００ｍｍ、深さ３．３ｍの中空孔を掘削し、Ｈ型ＰＣ杭の空部全長及び掘削した中空孔全長に亘るＨ形鋼材を前記Ｈ型ＰＣ杭の空部内に上方から挿入し、硬化材料を注入して前記Ｈ形鋼材を前記Ｈ型ＰＣ杭内の空部内及び中前記中空孔内に固定し、Ｈ形鋼材２０とＨ型ＰＣ杭１０及び中空孔とを一体化し、本発明に係る地中壁１とした。

図１６は以上のように形成された地中壁１と地層を解析する本発明の一例のＦＥＭモデル７０を示す斜視図である。ＦＥＭメッシュ７１の配設は図１６に示すとおりである。そして、図１６に示すように地中壁の背面側の地表に１０ｋＮ／ｍ^２の上載荷重７２を載荷し、解析を行った。

図１７はＨ型ＰＣ杭１０、Ｈ形鋼材２０、中空孔内に形成されたモルタル杭２１を示す説明図、図１８はその頂部の詳細を示す斜視図で、Ｈ型ＰＣ杭１０の中空孔内にＨ形鋼材２０が挿入され硬化材料（コンクリート）２２が充填されている。

ＦＥＭ解析の結果は図１９〜図２１に変位の等高線（単位ｍｍ）で示した。図１９は、ＦＥＭモデル７０の全体斜視図（変位分布図）で本発明の地中壁１が土圧による曲げモーメントを保持し、その背面に大きな圧縮応力が分布作用していることが明確である。全体最大変位は地中壁１の背面に生じ、３．５２ｍｍである。図２０，２１はそれぞれＨ型ＰＣ杭１０及びＨ形鋼材２０の変位分布を示す側面図である。Ｈ型ＰＣ杭１０では高さ方向中間部に最大変位３．５２ｍｍ、底部に最小変位２．９９ｍｍが生じている。Ｈ形鋼材２０では高さ方向上半分に最大値３．５２ｍｍが生じ、下端部に最小変位２．３８ｍｍが生じている。

次に、計算結果を示す変位寸法図を図２２に示した。図２２に示すように、Ｈ型ＰＣ杭１０及びＨ形鋼材２０は矢印７３で示す方向に塑性化による変位７４（寸法２．３８ｍｍ）移動し、かつ前方に倒れるように微少量傾いている。

構造物全体系の天端の許容変位値は５０ｍｍ程度と考えてよいが、図２２に示すように、解析結果、３．５２ｍｍと非常に小さい。地盤の塑性化による変位７４は、Ｈ形鋼材２０の根入れ部下端の変位から推測すると、２．３８ｍｍである。Ｈ型ＰＣ杭１０の傾きによる天端の変位は０．５３ｍｍであり、回転角も０．００００８ｒａｄと非常に小さい。Ｈ型鋼材２０の傾きによる変位は０．６１ｍｍであり、回転角も０．０００１９ｒａｄと小さい。

以上のＨ型ＰＣ杭１０とＨ形鋼材２０の変位および、回転角が異なることからＨ型ＰＣ杭１０とＨ形鋼材２０の境となる箇所では微少ではあるが、Ｈ形鋼材２０が折れるように変形している。Ｈ型ＰＣ杭１０及びＨ形鋼材２０に作用する応力度は、Ｈ型ＰＣ杭で１．０６Ｎ／ｍｍ^２，Ｈ型鋼材で１３．１２Ｎ／ｍｍ^２であり、それぞれ許容応力度以内であり、構造上全く問題はない。

本発明の実施例を示す模式的斜視図である。Ｈ型ＰＣ杭の中掘圧入工程を示す図である。図２の工程でのＨ型ＰＣ杭の断面図（図２のＡ−Ａ矢視図）である。Ｈ型ＰＣ杭の排土工程を示す図である。図４の工程でのＨ型ＰＣ杭の断面図（図４のＢ−Ｂ矢視図）である。杭下方地盤に掘削孔を掘削する工程を示す図である。図６の工程でのＨ型ＰＣ杭の断面図（図６のＣ−Ｃ矢視図）である。図７の部分拡大図である。杭下方地盤に掘削孔を掘削する工程を示す図である。鋼材を挿入する工程を示す図である。図１０の工程におけるＨ型ＰＣ杭の断面図（図１０のＤ−Ｄ矢視図）である。土留壁の縦断面図（図１０のＥ−Ｅ矢視図）である。図１２におけるＨ型ＰＣ杭の断面図（図１０のＦ−Ｆ矢視図）である。図１３のＦ−Ｆ矢視図である。計算例の条件を示す説明図である。ＦＥＭモデルを示す斜視図である。Ｈ型ＰＣ杭とモルタル杭の斜視図である。Ｈ型ＰＣ杭の斜視図である。ＦＥＭ解析結果を示す地層の斜視図である。ＦＥＭ解析結果を示す説明図である。ＦＥＭ解析結果を示す説明図である。計算結果を示す変位寸法図である。

符号の説明

１地中壁（土留壁）
１０Ｈ型ＰＣ杭
１１軸方向凹条
１２杭底
１３充填硬化材料
１４空部
１５キャップ
２０鋼材（Ｈ形鋼材）
２１モルタル杭
２２硬化材料
３０オーガードリル
４０クラムシエル
４１土砂
５０掘削ビット
５１保護管
５２固定装置
５３スパイラル羽根
５４回転
５５排土
６０掘削孔
７０ＦＥＭモデル
７１メッシュ
７２上載荷重
７３矢印
７４塑性化による変位
１０１通常の地層
１０２地層
１１０硬岩層上面
１２０排土底面
１２１土砂
２００杭打機
２０１リーダー
２０２駆動部
２０３圧入機
２１０バックホー
２２０クレーン車
２３０掘削機
２４０クレーン車

Claims

Ｈ型ＰＣ杭を地中に連接沈下させて地中壁を構築するに当り、沈下させるＨ型ＰＣ杭の軸方向凹条内にオーガードリルを添装して地盤を掘削しつつＨ型ＰＣ杭を地中に沈下させ、次いで、隣接するＨ型ＰＣ杭同士が形成する空部に掘削機を挿入してＨ型ＰＣ杭の下端より下方の地盤に中空孔を掘削し、該中空孔及びＨ型ＰＣ杭の空部に亘る鋼材を前記Ｈ型ＰＣ杭の空部内に上方から挿入し、硬化材料を注入して前記鋼材を前記中空孔内及びＨ型ＰＣ杭内に固定し、前記鋼材に地中壁の曲げモーメントを支持させることを特徴とするＨ型ＰＣ杭を用いた地中壁の構築方法。