JP5484165B2

JP5484165B2 - 杭の品質管理方法

Info

Publication number: JP5484165B2
Application number: JP2010090776A
Authority: JP
Inventors: 英俊西岡; 寛和大村; 昌弘篠田; 政幸神田
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2010-04-09
Filing date: 2010-04-09
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2030-04-09
Also published as: JP2011220003A

Description

本発明は、杭の品質管理方法に関し、地盤に埋設された杭の健全性を簡易的に評価でき、かつ評価に対する信頼性を高めることができる杭の品質管理方法に関する。

主に軟弱な地盤における構造物の建設において、浅い基礎では構造物を支えることが困難な場合に、深く杭を打ち込み建造物を支える基礎杭が知られている。これらの基礎杭の施工工法としては、現場で組んだ円筒状の鉄筋を削孔した地盤の中に落とし込み、コンクリート等を流し込むことで杭を形成する場所打ち杭工法や、掘削した地盤に木杭、鋼管杭、コンクリート杭等の既製杭を挿入し埋設する打ち込み杭工法が知られている。

耐震設計が重視される近年では、地盤に埋設される杭には、従来の鉛直支持力のみならず優れた水平抵抗特性を満たすことが要求されている。これらの要求は、単に健全な杭体（例えば、高品質なコンクリート、鋼管）を用いれば満たされるものではなく、健全な杭体を用いた場合であっても杭を施工する際の地盤の緩み等に影響を受けてその性能は変動してしまうこととなる。そのため、最終的に地盤に埋設された状態での杭の品質管理、性能確認は非常に厳しく、例えば、場所打ち杭工法においては、地盤を掘削したときの土砂をみて設計で想定された支持層に届いているかを確認するしか方法はなく、地盤に埋設された杭が健全であるかどうかを正確に評価することはできない。一方で、打ち込み杭工法であれば、リバウンド量などの比較的定量的な管理指標はあるものの、この管理指標も鉛直支持力の定性的な確認に過ぎず、地盤に埋設された杭が健全であるか否かを正確に評価するには至っていない。そのため、実質的には杭の品質管理は、杭を施工するときのプロセス管理と施工後の杭頭での出来形（杭頭の杭径、杭の位置等）を記録するのみとなっているのが現状である。

このような状況下、近時、杭体の品質管理方法として、インティグリティ試験（ＰＩ試験）等の非破壊検査法や、特許文献１に開示されるように地盤に所定の深さまで埋設した杭の頭部を捩じり、当該杭が回転し始めたときのトルクを測定し、このトルクに基づいて最大の周面摩擦力を推定する載荷試験等が提案されている。

特開２００４−２２５４８４公報

しかしながら、インティグリティ試験（ＰＩ試験）等の非破壊検査法は、結果の判読に高度な技術や経験を有するほか、主に杭体の欠陥の有無のみしか検知することができない。また、特許文献１に開示がされているような載荷試験等によれば、地盤緩みの有無を検証することはできるものの、載荷試験は費用が高額であるほか、準備等も大掛かりとなるため、品質管理として該手法を用いることは事実上不可能である。さらには、載荷試験は基本的に破壊検査であることから、複数の杭における全数確認を行うことはできない。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、地盤に埋設された杭の健全性を簡易的に評価でき、かつ評価に対する信頼性を高めることができる杭の品質管理方法を提供することを主たる課題とする。

上記課題を解決するための本発明は、地盤に埋設された杭の健全性を評価する杭の品質管理方法であって、前記地盤に埋設された杭を起振機により振動させることで固有振動数を算出し、前記算出された固有振動数と、起振機により振動させた杭の変位振幅を用いて予め基準値として設定された基準固有振動数と、を比較して杭の健全性を評価することを特徴とする。

また、前記地盤に埋設された杭が複数ある場合において、前記地盤に埋設された複数の杭をそれぞれ起振機により振動させ、各杭の固有振動数を算出し、前記算出された各杭の固有振動数と、起振機により振動させた杭の変位振幅を用いて予め基準値として設定された基準固有振動数と、を比較して杭の健全性を評価することとしてもよい。

さらに、起振機により発生させる振動の加速度振幅を一定として杭を振動させ、振動させた杭の加速度を測定し、（測定した杭の加速度）／（起振機により発生させる振動の加速度）に対してフーリエスペクトル解析を行うことにより杭の変位振幅を推定し、この推定した杭の変位振幅を用いて基準固有振動数を設定してもよい。

さらに、前記起振機によって振動させた杭の固有振動数における変位振幅（Ｘ：実測値）を杭の基準変位（Ｘ₀）で除すことにより、変位振幅を正規化し、当該正規化された変位振幅（Ｘ_n）を用いて、次式（１）により、基準振動数を設定するために必要な水平地盤反力係数（Ｋ_h）を求めてもよい。

さらに、前記水平地盤反力係数（Ｋ_h）を用い、基準固有振動数（ω₁）を次式（２）により設定してもよい。

ここで、式（２）中のＥＩは杭の曲げ剛性、ρは杭の密度、Ａは杭の断面積、Ｌは杭の長さ、Ｄは杭の直径、を示す。

本発明によれば、杭の固有振動数により健全性を評価することでき、杭の健全性を簡易的に評価することができるとともに、本発明により評価された杭に高い信頼性を付与することができる。

地盤に埋設された杭の一例を示す斜視図である。起振機を用いて杭を振動させる様子を示す概念図である。（ａ）は、加速度計Ａにより測定される加速度振幅の波形を示し、（ｂ）は、加速度計Ｂにより測定される加速度振幅の波形を示す。（測定した杭の加速度）／（起振機により発生させる振動の加速度）に対してフーリエスペクトル解析をした結果を示すグラフである。基準固有振動数を算出するための境界条件を説明するための図である。

以下に、本発明の杭の品質管理方法について説明する。本発明は、地盤に埋設された杭の健全性を評価する杭の品質管理方法であって、地盤に埋設された杭を振動させ、これにより算出される杭の固有振動数に基づいて杭の健全性を評価する。

まず初めに、地盤に埋設された杭を振動させることにより算出される固有振動数と杭の健全性との関係について説明する。地盤に埋設された杭の水平抵抗は、杭体の剛性、地盤抵抗に応じて変動し、これらは、地盤に埋設された杭の水平方向の固有振動数（以下、単に固有振動数という）として評価することができる。つまり、杭を振動させることにより算出（測定）される固有振動数は杭体の剛性、地盤抵抗に応じて変動することから、地盤に埋設された杭の固有振動数をその健全性を評価するための指標とすることができる。

本発明は、振動により固有振動を励起させることができる地盤に埋設されたあらゆる杭に適用可能であり、例えば、打ち込み杭工法により地盤に埋設された既製杭や、場所打ち杭工法により地盤に構築される杭に適用可能である。なお、打ち込み杭工法とは、地盤に形成した掘削孔に、工場等において製作され現場に運搬された後に地盤中に打ち込まれる既製杭（鋼管杭、充填鋼管杭、Ｈ形鋼杭などの鋼杭、鉄筋コンクリート（ＲＣ）杭、プレストレストコンクリート（ＰＣ）杭、ＰＨＣ杭、鉄骨コンクリート（ＳＣ）杭などの既製コンクリート杭）を挿入する工法をいい、場所打ち杭工法とは、地盤に形成した掘削孔内に鉄筋籠を挿入し、掘削孔内に生コンクリートを注入することで杭を構築する工法をいう。

特に、本発明によれば、固有振動数に基づいて杭の健全性を客観的に評価することが可能であり、現場で構築されることから予めその剛性を評価することができない場所打ち杭法により地盤に埋設された杭の健全性の評価に特に好適に適用可能である。

地盤に埋設された杭に固有振動を励起させる方法について特に限定はないが、地盤に杭を埋設直後であって、杭のみが地盤中に存在する場合には自由振動により固有振動を励起させることができない。このような点を考慮すると、振動装置等を用いて強制的に杭を水平方向に振動させ固有振動を励起させることが好ましい。振動をさせるに際し、振動装置を杭のいずれの位置に設置するかについても特に限定はなく、杭頭部近傍に適宜設置することができる。なお、場所打ち杭の場合は、地盤を掘削して杭頭部を掘り出して杭頭処理を行う必要があるが、杭頭処理を行う前の段階で杭を振動させてもよく、杭頭処理後に杭を振動させることとしてもよい。

杭を振動させるための振動装置は、杭を強制的に振動させることができる機能を有するものであれば特に限定はないが、本発明においては起振機を特に好適に用いることができる。起振機は、その重量が一般的に１０ｋｇ程度と小型であり、杭頭に設置するだけで、固有振動を励起させることができることから、杭が埋設された現場において固有振動数を容易に算出することが可能である。

また、杭を振動させることで励起される固有振動から固有振動数を算出する方法についても特に限定はないが、例えば、固有振動の共振曲線と位相スペクトルから固有振動数を特定することができる。より具体的には、例えば特開２００９−１９８３６６号公報には、擁壁を対象としているものの、起振機により固有振動数を特定することが開示されており、当該方法を杭に対して応用することができる。

次に、図１を参照しながら、固有振動数の算出の一例について説明する。なお、図１は、場所打ち杭工法により、複数の杭１が地盤に埋設された状態を示す図であり、実線部は地盤から突出した部分を示し、破線部は地盤中を示す。図１（ａ）に示すように、地盤に埋設された杭１を振動させるために、杭１（図１に示す場合にあっては鉄筋籠２）には起振機１０が設置され、この起振機１０は計測器や、外部電源等と接続されている。

ここで、杭に設置された起振機１０により振動を発生することで、杭１は強制的に振動され、固有振動が励起される。励起された固有振動は起振機１０に接続された計測装置により解析され固有振動数が算出される。なお、固有振動数を算出するための計測器等は、起振機１０に必ずしも接続されている必要はなく、杭１に直接接続されていても良い。

次に、固有振動数に基づく杭の健全性の評価方法について説明する。上記の方法で算出された固有振動数に基づく杭の健全性の評価方法としては、以下の（ｉ）〜（ｉｉｉ）に例示される方法を挙げることができる。

（ｉ）上記の方法で算出された固有振動数と、予め基準値として設定された基準固有振動数とを比較することで杭の健全性の評価を行うことができる。予め基準値として設定された基準固有振動数とは、設計条件（杭諸元および地盤物性等）から算出される固有振動数の理論値であってもよく、杭体の損傷、地盤の緩みがない場合の固有振動数を実測し、これを基準固有振動数としてもよい。なお、「基準固有振動数の設定」については以下に改めて詳述する。

ここで、杭体に損傷がある場合や地盤に緩みがある場合には、杭体に損傷がない場合や地盤に緩みがない場合の固有振動数に対し固有振動数が低くなる。したがって、基準固有振動数に対して、今回算出された固有振動数がどの程度変動したかにより、地盤に埋設された杭の健全性を評価することができる。

（ｉｉ）また、地盤に埋設される杭が複数ある場合にあっては、地盤に埋設された複数の杭をそれぞれ振動させ、各杭の固有振動数を算出し、各杭の固有振動数と、上述した基準固有振動数とを比較することで、各杭の健全性の評価を行うことができる。

（ｉｉｉ）また、（ｉｉ）において、基準固有振動数との比較を行わず、各杭の固有振動数を比較して、従来公知の統計的手法により健全性の評価を行うこともできる。例えば、図１に示すように、地盤に杭１ａ、杭１ｂ、杭１ｃ、杭１ｄが埋設されている場合において、算出される杭１ｂの固有振動数が、他の杭の固有振動数よりも低い場合には、杭１ｂの健全性が低いと評価することができる。

（具体的な実施の形態）
上記で説明した本発明の品質管理方法をより具体的に説明する。

図２は、起振機を用いて杭を振動させる様子を示す概念図である。

図２に示すように、起振機２０を杭３０の先端に設置するとともに、当該起振機２０に起振機の加速度を測定するための加速度計Ａを設置し、さらに杭頭部に杭頭部の加速度を測定するための加速度計Ｂを設置する。

ここで、上記で説明したように、起振機２０により杭３０を振動させ、当該杭３０の固有振動数を算出（測定）する方法については特に限定されることはないが、例えば、前述したように、特開２００９−１９８３６６号公報に開示されている方法を応用してもよい。

本発明の品質管理方法にあっては、杭３０の固有振動数を算出（測定）し、これと、予め基準値として設定しておいた基準固有振動数とを比較することにより、杭の健全性を評価することも特徴としている。そして、当該基準固有振動数の設定にあっては、杭３０が施工されている現場の状況等に応じて、種々の仮定をするとともに、種々の物理量を用いて、適宜算出すればよく、本発明は特に限定することはないが、本願発明者は、起振機２０により振動させている杭３０の変位振幅を用いることによって、比較的簡単かつ正確に基準固有振動数を設定可能であることを見出した。

杭３０の変位振幅を算出するにあたっては、理論上は、杭頭部に設置された加速度計Ｂにより検出される加速度を２階積分すれば算出することができ、本発明においても当該方法で算出することを否定はしない。しかしながら、加速度計Ｂにより検出される波形は非常に複雑であり、現場において簡単に２階積分することは困難である場合も多いことに鑑み、本願発明者は鋭意検討し、以下の方法を見出した。

すなわち、起振機２０により発生させる振動の加速度振幅を一定として、つまり加速度計Ａにより測定される加速度振幅を一定として杭３０を振動させ、振動させた杭３０の加速度を加速度計Ｂで測定し、（測定した杭の加速度）／（起振機により発生させる振動の加速度）、換言すれば、（加速度計Ｂの加速度）／（加速度計Ａの加速度）に対してフーリエスペクトル解析を行うことにより杭の変位振幅を推定し、この推定した杭の変位振幅を用いて基準固有振動数を設定する方法である。

図３（ａ）は、加速度計Ａにより測定される加速度振幅の波形を示し、（ｂ）は、加速度計Ｂにより測定される加速度振幅の波形を示す。

図３（ａ）からも分かるように、起振機２０により発生させる振動の加速度振幅を一定とすれば、当然に加速度計Ａにより測定される加速度振幅は一定（図３（ａ）の場合は、約１０００ｇａｌ）となる。そして、この時の杭３０の杭頭部の加速度振幅が図３（ｂ）となる。なお、ここで、２５秒あたりにあるピークに基づき、固有振動数を算出することも可能である。

図４は、（測定した杭の加速度）／（起振機により発生させる振動の加速度）に対してフーリエスペクトル解析をした結果を示すグラフである。

本発明の方法においては、２つの加速度計Ａ、Ｂによって加速度振幅を測定した後、（測定した杭の加速度）／（起振機により発生させる振動の加速度）、換言すれば、（加速度計Ｂの加速度）／（加速度計Ａの加速度）に対してフーリエスペクトル解析を行う。

図４において、ピークＰのある位置の振動数ｆ_mが杭３０の固有振動数となる。また、当該ピークＰにおける（測定した杭の加速度）／（起振機により発生させる振動の加速度）、つまり応答倍率Ｂ／Ａのピーク値をＺとすると、固有振動数ｆ_mにおける加速度振幅Ｙは、起振機により発生させた一定の加速度振幅の大きさＡ_maxを用いて次式（３）により算出することができる。

そして、杭３０の固有振動数ｆ_mにおける加速度振幅Ｙを用いて、杭３０の変位振幅Ｘを推定するにあたっては、以下の式（４）を用いることができる。

さらに、本発明にあっては、上記式（４）により算出した変位振幅（Ｘ：実測値）を杭の基準変位（Ｘ₀）で除すことにより、変位振幅を正規化し、当該正規化された変位振幅（Ｘ_n）を用いて、次式（１）により、基準振動数を設定するために必要な水平地盤反力係数（Ｋ_h）を求めることにも特徴を有している。

ここで、式（１）中のＫ_h0は設計において用いられている水平地盤反力係数であり、杭径の１％または１０ｍｍを基準変位Ｘ₀とした場合の水平地盤反力係数に相当する。また、式（１）中の係数である「３」および「−２」は、発明者が行った種々の試験によって算出したものである。

図５は、基準固有振動数を算出するための境界条件を説明するための図である。

図５に示すように、曲げ剛性：ＥＩ、密度：ρ、断面積：Ａ、長さ：Ｌ、直径：Ｄの杭が、深さＬで固定されており（固定端）、この時の地盤の水平地盤反力係数がＫ_h（上記式（１）で算出済み）であるとすると、基準固有振動数（ω₁）を次式（２）によって算出することができる。

なお、上記式（２）は、図５に示すように、所定の境界条件、つまり曲げ剛性がＥＩであり、密度がρであり、断面積がＡであり、長さがＬであり、直径がＤである杭が深さＬで固定されている（固定端）と仮定した場合の式であり、従って、他の境界条件を仮定して、上記式（２）によらず解析的に基準固有振動数（ω₁）を算出してもよい。

このように、上記の実施形態によれば、起振機により杭に与える振動の加速度を一定とすることにより、この加速度と振動する杭の加速度とから固有振動数を容易に把握することができ、さらに、起振機により杭に与える振動の加速度を一定としているからこそ、当該固有振動数に対応する杭の加速度振幅をも容易に算出することができる。そして、これらの結果を基に、水平地盤反力係数を杭の変位振幅に対応したものとすることができ、比較的簡単な境界条件に基づいて基準固有振動数を設定することができる。

そして、このような本発明によれば、目視上で評価を行うことができない、地盤中の杭の損傷、地盤の緩み等を固有振動数に基づいて客観的に評価することができ、いわゆる手抜き工事等の抑止力とすることができる。また、従来、杭の健全性を評価するための品質管理精度が低いことから、安全率を大きく考慮することで設計上の安全性を確保する必要があったが、本発明の品質管理方法によれば、安全率を小さくして杭の設計を合理化することが可能となる。

１、３０・・・杭
２・・・鉄筋籠
１０、２０・・・起振機

Claims

地盤に埋設された杭の健全性を評価する杭の品質管理方法であって、
前記地盤に埋設された杭を起振機により振動させることで固有振動数を算出し、
前記算出された固有振動数と、起振機により振動させた杭の変位振幅を用いて予め基準値として設定された基準固有振動数と、を比較して杭の健全性を評価することを特徴とする杭の品質管理方法。
前記地盤に埋設された杭が複数ある場合において、
前記地盤に埋設された複数の杭をそれぞれ起振機により振動させ、各杭の固有振動数を算出し、
前記算出された各杭の固有振動数と、起振機により振動させた杭の変位振幅を用いて予め基準値として設定された基準固有振動数と、を比較して杭の健全性を評価することを特徴とする請求項１に記載の杭の品質管理方法。
起振機により発生させる振動の加速度振幅を一定として杭を振動させ、振動させた杭の加速度を測定し、（測定した杭の加速度）／（起振機により発生させる振動の加速度）に対してフーリエスペクトル解析を行うことにより杭の変位振幅を推定し、この推定した杭の変位振幅を用いて前記基準固有振動数を設定することを特徴とする請求項１又は２に記載の杭の品質管理方法。
前記起振機によって振動させた杭の固有振動数における変位振幅（Ｘ：実測値）を杭の基準変位（Ｘ ₀ ）で除すことにより、変位振幅を正規化し、当該正規化された変位振幅（Ｘ _n ）を用いて、次式（１）により、基準固有振動数を設定するために必要な水平地盤反力係数（Ｋ _h ）を求めることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の杭の品質管理方法。

ここで式（１）中のＫ _h0 は設計において用いられている水平地盤反力係数である。
前記水平地盤反力係数（Ｋ _h ）を用い、基準固有振動数（ω ₁ ）を次式（２）により設定することを特徴とする請求項４に記載の杭の品質管理方法。

ここで、式（２）中のＥＩは杭の曲げ剛性、ρは杭の密度、Ａは杭の断面積、Ｌは杭の長さ、Ｄは杭の直径、を示す。