JP6733905B2 - 杭頭部の二重管構造、及びその設計方法 - Google Patents
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Description
その主なものとして、スペース節約や施工効率が良いことから、杭頭部の外側もしくは内側に、円筒状の水平抵抗部材を本杭と同一中心軸として配置し、その隙間をコンクリート等で充填するなどした合成構造が好まれている。
建築分野では、定着筋を設置する方法が主流であるが、杭1本に作用する地震時水平力が大きく、定着筋の設置だけで杭頭応力をパイルキャップに伝達できない場合には、パイルキャップ内に杭頭を埋込み、杭側面のコンクリートによる抵抗分を減じた応力に対して定着筋を設置している。
この免震構造では、杭頭部と管体との間に弾性材(ゴム体)が充填される。
この特許文献2で提案されている杭頭接合部は、杭頭部に生じる応力に対して、本杭と外管が一体化した合成構造として抵抗するものと考えられ、水平力に対して抵抗できる鉄筋量を、本杭と外管間に充填するコンクリート内に配置することが必要となる。
また、特許文献2では、本杭の上端部のみが基礎に僅かに埋め込まれていて、本杭と外管間に配置できる鉄筋量は限られており、杭頭接合部の耐力が、本杭と外管がコンクリートで一体化した耐力よりも小さい場合には、本構造の性能を十分に発揮できない可能性がある。
鉛直荷重を支持する本杭の頭部に被せるように設置されて、地震時水平力の一部を負担する外管を備える杭頭部の二重管構造であって、
前記本杭は外殻鋼管付きコンクリート杭、遠心力プレストレスト鉄筋コンクリート杭またはプレテンション方式遠心力高強度プレストレスコンクリート杭であり、
前記本杭頭部の天端を前記外管の天端よりも突出させて、前記本杭頭部の天端と前記外管の天端をパイルキャップに埋め込んで、
前記パイルキャップ下の前記本杭頭部と前記外管の間に一軸圧縮強度が0.1〜5.0N/mm2となるソイルセメントが形成されるか、または水・土・泥水もしくは空隙が形成されており、
前記外管の天端外周面に定着筋の下端を溶接して、この定着筋を前記パイルキャップに埋め込み、前記外管の前記パイルキャップへの埋め込み深さを、前記外管に溶接した前記定着筋の必要溶接長に被りを加えた値、かつ100mm以上とし、
前記本杭頭部の天端外周面に定着筋の下端を溶接、あるいは天端上面に定着筋の下端を溶接もしくはネジ嵌合して、この定着筋を前記パイルキャップに埋め込み、前記本杭の前記パイルキャップへの埋め込み深さを、前記外管の前記埋め込み深さに、100mm以上を加えたものとすることを特徴とする。
請求項1に記載の杭頭部の二重管構造を設計する方法であって、
前記外管が負担する水平荷重による前記外管頂部の杭頭曲げモーメントM1、前記外管の杭頭接合部曲げ耐力T1、前記外管に溶接した前記定着筋の引張圧縮抵抗と前記外管の鉛直方向の圧縮抵抗A、相互作用係数αの関係において、下式
M1<T1=A×α ・・・式〔1〕
を満足するよう前記外管に溶接した前記定着筋の仕様及び本数を決定して設計することを特徴とする。
請求項1に記載の杭頭部の二重管構造を設計する方法であって、
前記本杭が負担する水平荷重による前記本杭頂部の杭頭曲げモーメントM2、前記本杭の杭頭接合部曲げ耐力T2、前記本杭に溶接またはネジ嵌合した前記定着筋の引張圧縮抵抗と前記本杭の鉛直方向の圧縮抵抗B、前記本杭の側面抵抗C、相互作用係数βの関係に
おいて、下式
M2<T2=B+C×β ・・・式〔2〕
を満足するよう前記本杭に溶接またはネジ嵌合した前記定着筋の仕様及び本数、本杭の埋込み深さを決定して設計することを特徴とする。
本発明では、鉛直荷重を負担する杭と水平荷重を負担する杭を一体化させた合成構造とした考え方に基づく杭頭接合構造とは異なり、本杭と外管がそれぞれ水平力を負担する二重管杭の性能を発揮させるための杭頭補強構造と、本杭と外管それぞれの負担水平力に応じて、別々に杭頭接合部を設計する。
これにより、本杭と外管とを各々独立して構造設計できるようになり、課題であった杭頭接合部の設計を容易とする。
ここで、杭頭接合部とは、それぞれパイルキャップに埋め込まれている本杭と外管と定着筋からなる。
(実施形態)
図1及び図2は本発明を適用した杭頭部の二重管構造の一実施形態の構成を示すもので、1は本杭、2は外管、3はパイルキャップである。
そして、本杭1及び外管2ともに、パイルキャップ3と接合するための鉄筋4・5を設置する。すなわち、パイルキャップ3には、本杭1の天端あるいは外周に設けた定着筋4と、外管2の天端外周面に設けた定着筋5も埋め込まれている。
また、在来工法に比べて、杭の仕様あるいは杭径を低減できることから、杭のコストダウンが可能になる。
図4は実施例1の杭頭接合構造を示すもので、本杭がSC杭(Steel Composite Concrete Piles;外殻鋼管付きコンクリート杭)の場合である。
実施例1では、図示のように、本杭1頭部の天端外周面に定着筋4の下端を溶接もしくは天端上面に溶接あるいはネジ嵌合して、外管2の天端外周面に定着筋5の下端を溶接して、これら本杭1頭部の天端及び定着筋4と外管2の天端及び定着筋5をパイルキャップ3に埋め込む。
図5は実施例2の杭頭接合構造を示すもので、本杭がPRC杭(Pretensioned & Reinforced Spun High Strength Concrete Piles;遠心力プレストレスト鉄筋コンクリート杭)・PHC杭(Pretensioned Spun High Strength Concrete Piles;プレテンション方式遠心力高強度プレストレスコンクリート杭)の場合である。
実施例2では、図示のように、本杭1頭部の天端上面に定着筋4の下端を溶接あるいはネジ嵌合して、外管2の天端外周面に定着筋5の下端を溶接して、これら本杭1頭部の天端及び定着筋4と外管2の天端及び定着筋5をパイルキャップ3に埋め込む。
ここで、パイルキャップ3への外管2の埋め込み深さは、外管2に設置する定着筋5の必要溶接長に被りを加えた値、かつ100mm以上とする。
なお、相互作用係数とは、本杭1と外管2それぞれが水平力を負担することによって、パイルキャップ3内で変形することから、外管2に及ぼす本杭1の影響を相互作用係数α、本杭1に及ぼす外管2の影響を相互作用係数βとする。
なお、本杭1と外管2それぞれに水平荷重が作用することにより、相互作用が生じることから、その影響を考慮した構造設計方法とする。
同一中心軸の本杭1と外管2の一組が受ける地震時水平力に対して、本杭1の仕様(径、長さ、コンクリート強度など)及び外管2の仕様(径、長さ、肉厚など)に、地盤の状態(地質、深さ、N値など)を考慮した応力解析モデルを構築して、本杭1と外管2の水平荷重分担割合(例えば、図7)を算定する。
具体的には、杭頭補強構造を実際に現場で構築し、水平載荷試験を実施した結果、本杭1と外管2の水平荷重分担割合は、図7に示すとおり、本杭:外管=5:5〜2:8の範囲であることが示された。従って、この水平荷重分担割合を参考に、応力解析結果に基づいて、本杭1と外管2の杭頭接合部を設計する。
仮定段階では、例えば、相互作用係数を無視して、一般の設計方法に準じて定着筋の仕様および必要本数を仮定する。
なお、外管2のパイルキャップ3への埋め込み深さL1は、定着筋5の溶接長+被りを考慮した値、かつ100mm以上とする。
ここで、上記一般の設計方法とは、外管径D2+(100〜200)mmの仮想円柱を想定した鉄筋コンクリート断面による曲げ耐力が、外管2の負担水平力による曲げモーメントを上回るように鉄筋の仕様および本数を決定する。
仮定段階では、例えば、相互作用係数を無視して、一般の設計方法に準じて定着筋の仕様および必要本数と埋込み深さを仮定する。
本杭1のパイルキャップ3への埋め込み深さL2は、例えばSC杭の場合(図4)には、本杭1への定着筋4の溶接長を考慮して、外管2の埋め込み深さL1に、本杭1に設置する定着筋4の必要溶接長、かつ100mm以上を加えたものとする。
ここで、上記一般の設計方法とは、本杭径D1+(100〜200)mmの仮想円柱を想定した鉄筋コンクリート断面による曲げ耐力が、本杭1の負担水平力による曲げモーメントを上回るように鉄筋の仕様および本数を決定する。
外管2に及ぼす本杭1の影響係数である相互作用係数αは、図8に示すように、パイルキャップ3への外管2の埋め込み深さL1と、本杭1と外管2の埋め込み深さL2・L1の差(外管2天端から本杭1天端の突出長)から、図9をもとに決定する。この関係は、本杭1と外管2からなる杭頭補強構造の室内構造実験に基づいて定めた。
また、ステップS12において、曲げ耐力1が設計曲げモーメント未満であれば、パイルキャップ3への外管2天端の埋め込みによる曲げ耐力2を入力し(ステップS14)、定着筋5による曲げ耐力1にパイルキャップ3への外管2天端の埋め込みによる曲げ耐力2を加えて(ステップS15)、その和の曲げ耐力1+2が設計曲げモーメント以上か否かを判別し(ステップS16)、以上であれば設計を終了する(ステップS17)。
本杭1に及ぼす外管2の影響係数である相互作用係数βは、図8に示すように、パイルキャップ3への外管2の埋め込み深さL1と、本杭1と外管2の埋め込み深さL2・L1の差(外管2天端から本杭1天端の突出長)から、図13をもとに決定する。この関係は、本杭と外管からなる杭頭補強構造の室内構造実験に基づいて定めた。
外管2が負担する水平荷重による外管2頂部の杭頭曲げモーメントM1、外管2の杭頭接合部曲げ耐力T1、外管定着筋5の引張圧縮抵抗と外管2の鉛直方向の圧縮抵抗A、相互作用係数αの関係において、下式〔1〕を満足するような外管定着筋5の仕様及び本数を決定する。
M1<T1=A×α ・・・式〔1〕
本杭1が負担する水平荷重による本杭1頂部の杭頭曲げモーメントM2、本杭1の杭頭接合部曲げ耐力T2、本杭定着筋4の引張圧縮抵抗と本杭1の鉛直方向の圧縮抵抗B、本杭側面抵抗C、相互作用係数βの関係において、下式〔2〕を満足するような本杭定着筋4の仕様及び本数を決定する。
M2<T2=B+C×β ・・・式〔2〕
すなわち、本杭側面抵抗Cは、外管2天端から突出している本杭1側面のコンクリート支圧抵抗であり、一般的に用いられている下式から算出される。
C=D×l2/6×fc―Q0×l/6
ここで、D:本杭径、l:外管天端から本杭の突出長、fc:パイルキャップコンクリートの短期許容圧縮応力度(さらに支圧係数を考慮する場合もある)、Q0:本杭の負担水平力である。
また、ステップS32において、曲げ耐力1が設計曲げモーメント未満であれば、パイルキャップ3への本杭1天端の埋め込みによる曲げ耐力2を入力し(ステップS34)、定着筋4による曲げ耐力1にパイルキャップ3への本杭1天端の埋め込みによる曲げ耐力2を加えて(ステップS35)、その和の曲げ耐力1+2が設計曲げモーメント以上か否かを判別し(ステップS36)、以上であれば設計を終了する(ステップS37)。
なお、パイルキャップ3下端までの本杭1と外管2の間には、ソイルセメント8を掘削・排出してパイルキャップ3と同じコンクリートを打設する。
以上の実施形態の他、具体的な細部構造や手法等について適宜に変更可能であることは勿論である。
2 外管
3 パイルキャップ
4 本杭定着筋
5 外管定着筋
6 先端根固め部
7 杭周固定部
8 ソイルセメントまたは水(もしくは土・泥水・空隙)
Claims (3)
- 鉛直荷重を支持する本杭の頭部に被せるように設置されて、地震時水平力の一部を負担する外管を備える杭頭部の二重管構造であって、
前記本杭は外殻鋼管付きコンクリート杭、遠心力プレストレスト鉄筋コンクリート杭またはプレテンション方式遠心力高強度プレストレスコンクリート杭であり、
前記本杭頭部の天端を前記外管の天端よりも突出させて、前記本杭頭部の天端と前記外管の天端をパイルキャップに埋め込んで、
前記パイルキャップ下の前記本杭頭部と前記外管の間に一軸圧縮強度が0.1〜5.0N/mm2となるソイルセメントが形成されるか、または水・土・泥水もしくは空隙が形成されており、
前記外管の天端外周面に定着筋の下端を溶接して、この定着筋を前記パイルキャップに埋め込み、前記外管の前記パイルキャップへの埋め込み深さを、前記外管に溶接した前記定着筋の必要溶接長に被りを加えた値、かつ100mm以上とし、
前記本杭頭部の天端外周面に定着筋の下端を溶接、あるいは天端上面に定着筋の下端を溶接もしくはネジ嵌合して、この定着筋を前記パイルキャップに埋め込み、前記本杭の前記パイルキャップへの埋め込み深さを、前記外管の前記埋め込み深さに、100mm以上を加えたものとすることを特徴とする杭頭部の二重管構造。 - 請求項1に記載の杭頭部の二重管構造を設計する方法であって、
前記外管が負担する水平荷重による前記外管頂部の杭頭曲げモーメントM1、前記外管の杭頭接合部曲げ耐力T1、前記外管に溶接した前記定着筋の引張圧縮抵抗と前記外管の鉛直方向の圧縮抵抗A、相互作用係数αの関係において、下式
M1<T1=A×α ・・・式〔1〕
を満足するよう前記外管に溶接した前記定着筋の仕様及び本数を決定して設計することを特徴とする杭頭部の二重管構造の設計方法。 - 請求項1に記載の杭頭部の二重管構造を設計する方法であって、
前記本杭が負担する水平荷重による前記本杭頂部の杭頭曲げモーメントM2、前記本杭の杭頭接合部曲げ耐力T2、前記本杭に溶接あるいはネジ嵌合した前記定着筋の引張圧縮抵抗と前記本杭の鉛直方向の圧縮抵抗B、前記本杭の側面抵抗C、相互作用係数βの関係において、下式
M2<T2=B+C×β ・・・式〔2〕
を満足するよう前記本杭に溶接あるいはネジ嵌合した前記定着筋の仕様及び本数を決定して設計することを特徴とする杭頭部の二重管構造の設計方法。
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