JP6589677B2

JP6589677B2 - 異径鋼管杭

Info

Publication number: JP6589677B2
Application number: JP2016028184A
Authority: JP
Inventors: 弘信松宮; 吉郎石濱; 裕二杉村
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-02-17
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2036-02-17
Also published as: JP2017145619A

Description

本発明は、大径部から小径部に向けて縮径するテーパ部を有する異径鋼管杭に関するものである。

主に軟弱な地盤に構造物を建設する際、構造物を支持するために、一般に杭基礎が採用される。杭は、平常時において構造物の重量を支持することに加え、地震時には耐震性能を発揮することが重要である。

杭の耐震性能を向上させる一般的な方法としては、構造物から伝達される水平力に対し、杭材自体の水平耐力を高める方法と、周辺地盤の水平強度を増加させる方法とがある。杭材の水平耐力を高める方法としては、従来、杭頭部の拡径や杭頭のＣＦＴ（コンクリート充填鋼管構造）、あるいは二重管等にすること、等が提案されている。また、周辺地盤の水平強度を増加させる方法としては、地盤改良や置換等が提案されている。しかしながら、杭材の水平耐力の向上と周辺地盤の水平強度の増加とを両立させた方法は、未だ確立されていない。

特許文献１には、住宅等の小規模建築物の基礎等の摩擦杭として用いる鋼管杭において、外径を１００〜１４５ｍｍ、勾配を１／５０〜１／１００とする鋼管杭が開示されている。

また、特許文献２には、鉛直荷重の局部的な応力集中を防止し、鉛直荷重を確実に伝達することを目的として、テーパ部分の鋼管厚を外径に略反比例するように連続的に変化させるとともに、縮径率を０以上１／１０以下とする異径鋼管杭が開示されている。

特許第５０６９８７３号公報特許第４７８９７３０号公報

しかしながら、上記特許文献１では、テーパ杭が周辺地盤の締固め効果を有することに言及しているものの、地盤改良のために最適な縮径率の範囲については言及されていない。特許文献１に開示されている鋼管杭の勾配は、縮径率が０．５／１００〜１／１００と小さく、締固め効果を発揮できるように十分に断面変化させるためには、必要長さが極めて長くなる。そのため、ストレート鋼管よりも高価なテーパ鋼管を多く用いる必要があり、コストの増大を招く。

また、特許文献２では、鉛直荷重の応力集中を防止するために、大径部、テーパ部、および小径部の断面積を一定としている。一方で、地震時の水平荷重に対して曲げモーメントを確実に伝達することを目的とした場合、１／β以浅では杭の曲げ耐力を大きくする必要があるが、１／β以深では曲げ耐力はさほど必要ではない。ところが、特許文献２の異径鋼管杭の場合、地震荷重を想定して曲げ耐力を大きくした杭頭部に合わせて、杭全体の断面積を等しくしなければならないため、鋼材重量が増加する。また、特許文献２では、縮径率を０〜１０／１００と規定しているが、下限値の縮径率０を選択した場合には、周辺地盤を改良する効果は得にくい。

本発明は、かかる課題を解決し、地震時の水平荷重に対する水平耐力の向上と、周辺地盤の水平強度の増加とを両立させた鋼管杭を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、上端側の大径部と、下端側の小径部と、前記大径部から前記小径部に向けて縮径するテーパ部とを有する異径鋼管杭であって、前記テーパ部は、板厚が一定であり、式（１）で求められる縮径率が１．５／１００〜１０／１００であり、前記大径部の板厚が、前記小径部の板厚以上であることを特徴とする、異径鋼管杭を提供する。
縮径率＝（Ｄ―ｄ）／２Ｌ・・・（１）
Ｄ：大径部の外径（ｍｍ）
ｄ：小径部の外径（ｍｍ）
Ｌ：テーパ部の長さ（ｍｍ）

前記テーパ部の上端が、前記大径部の外径Ｄに対して杭頭から２Ｄ〜８Ｄの高さに配置されていることが好ましい。なお、杭頭とは、杭と基礎スラブとの境界をさす。

本発明によれば、地震時の水平荷重に対する水平耐力の向上と、周辺地盤の水平強度の増加とを両立させることができる。

本発明の実施形態にかかる異径鋼管杭の縦断面図である。縮径率０／１００の鋼板の載荷試験による応力分布を示す図であり、（ａ）は試験体の形状を示す図、（ｂ）は等色線図、（ｃ）は縁応力分布図である。縮径率１０／１００の鋼板の載荷試験による応力分布を示す図であり、（ａ）は試験体の形状を示す図、（ｂ）は等色線図、（ｃ）は縁応力分布図である。縮径率２０／１００の鋼板の載荷試験による応力分布を示す図であり、（ａ）は試験体の形状を示す図、（ｂ）は等色線図、（ｃ）は縁応力分布図である。縮径率３０／１００の鋼板の載荷試験による応力分布を示す図であり、（ａ）は試験体の形状を示す図、（ｂ）は等色線図、（ｃ）は縁応力分布図である。テーパ部の縮径率と残留水平土圧との関係を試験する試験装置の概略を示す図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。テーパ部の縮径率と残留水平土圧との関係を試験する試験杭の仕様を示す表である。テーパ部の縮径率と残留水平土圧との関係を示すグラフである。本発明の実施例および従来例における杭の鋼材重量を比較したグラフである。

以下、本発明の実施の形態を、図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態にかかる異径鋼管杭１の形状を示す。異径鋼管杭１は、上部から順に、大径部１１、大径部１１の下端から小径部の上端に向けて縮径するテーパ部１２、および小径部１３を有している。テーパ部１２の板厚ｔ２は全長にわたって一定であり、本実施形態では、大径部１１の板厚ｔ１、テーパ部１２の板厚ｔ２、および小径部１３の板厚ｔ３は、略同一である。

そして、テーパ部１２は、下記式（１）で求められる縮径率が１．５／１００〜１０／１００である。
縮径率＝（Ｄ―ｄ）／２Ｌ・・・（１）
Ｄ：大径部の外径（ｍｍ）
ｄ：小径部の外径（ｍｍ）
Ｌ：テーパ部の長さ（ｍｍ）

本発明者らは、三次元挙動の鋼管杭のマクロな応力分布を求めるため、異径鋼管杭の正面形状を模して、縮径率０／１００、１０／１００、２０／１００、３０／１００の平面形状を有する４種類の板状の試験体を製作し、長手方向の一辺を固定した片持ち梁として、自由端側を載荷する曲げ試験を行った。

図２〜図５は、各試験体の形状および応力分布を示す。図２〜図５において、（ａ）は試験体の形状および寸法を示し、（ｂ）は各試験体の平面上における等色線図であり、（ｃ）は縁応力分布図である。試験体の材料には、板厚が６ｍｍのジアリルフタレートプリポリマー（Diallyl phthalate polymer、 a≒0.7mm/kg, E=390kg/mm）を用いた。図２〜図５の（ｂ）の右端が固定端であり、左端付近の矢印位置に荷重Ｐを載荷した。実験精度を上げるため、暗視野、明視野法により（n÷1/2）Fringeで、最大Fringe order n≒7（n=0,0.5,1,1.5・・・7）になるような荷重で実験を行った。

図２は縮径率０／１００、すなわち一定幅の場合であり、局部的な応力集中は発生せず、固定端に向けて徐々に応力が増している。図３は縮径率１０／１００の場合であり、局部的な応力集中は見られない。これに対して、図４に示す縮径率２０／１００と、図５に示す縮径率３０／１００の場合には、小径部とテーパ部との境界およびテーパ部と大径部との境界に、主応力の流れが急変する特異点が発生している。この実験より、異径鋼管杭に地震による水平荷重が作用した場合の局部的な応力集中を防ぐために、テーパ部の縮径率の最大値を１０／１００以下とした。これにより、地震荷重により杭に曲げモーメントが作用する際、異径鋼管杭の板厚を変化させることなく応力集中を防ぐことができる。

さらに、地盤改良に効果を発揮する縮径率の最小値を求めるため、縮径率０／１００、０．５／１００、１．５／１００、２．５／１００、３．５／１００の５種類の全長テーパ杭の残留水平土圧を実験により測定した。

図６は試験装置２１を示す。土槽２２の中央に、試験杭２３をスクリュージャッキ２４により圧入する。試験用の地盤として、直径５２０ｍｍの円柱形土槽に、７００ｍｍの高さで、飯豊珪砂７号を目標の相対密度になるように振動締固めにより作製した。本試験での目標の相対密度は、地盤強度の違いが杭打設後の地盤締固め効果に与える影響を確認するため、３０％と５０％の２ケースとした。全ての試験杭２３で貫入速度（１０ｍｍ／ｍｉｎ）及び貫入量（６２０ｍｍ）を一定とした。

試験杭２３は、土槽２２の側面境界の影響を受けない大きさとし、直径５２０ｍｍの土槽に対してストレート杭の直径を３４ｍｍとした。試験杭２３と砂粒子との比率に関しては、有効粒子径が杭径の１／２０以下となっている。図７は、試験杭２３の仕様の一覧を示す。既往の比較検討により、ＡＴ−５は、ストレート杭（Ｓ）に比べて大きな残留水平土圧が得られることを確認しているため、本試験では、ＡＴ−５を基準に、それよりも縮径率が大きいＡＴ−７、及び、縮径率が小さい２種類（ＡＴ−３、ＡＴ−１）を試験杭２３とし、形状による傾向を分析した。なお、全試験杭２３で、土中の排土量が一定となるように、土中杭体体積比をほぼ同一とした。

本試験では、地盤の強度上昇と土圧の上昇との間に相互関係が存在することに着目し、地盤の改良効果を示す指標を、水平土圧の増分とした。地盤の締固め効果の逐次変化及び改良範囲を評価するため、鉛直方向には、図６（ａ）に示すように地表面から１３０ｍｍ、２３０ｍｍ、３３０ｍｍ、４３０ｍｍ、５３０ｍｍの５箇所、それぞれの鉛直方向位置において、水平方向には、図６（ｂ）に示すように試験杭２３の中心から北方向３０ｍｍ、東方向４８ｍｍ、南方向７０ｍｍ、西方向１００ｍｍの位置に土圧計を設置し、水平方向の土圧を測定した。

図８は、相対密度Ｄｒが３０、５０の２種類の地盤において、縮径率０／１００（ストレート杭）の場合を１としたときの残留水平土圧を示したグラフである。図８に示す実験結果より、全ての全長テーパ杭でストレート杭よりも顕著に残留水平土圧が大きくなることがわかる。また、縮径率１．５％までは縮径率に比例して水平土圧が大きくなるものの、それを越えるとほぼ横ばいになり、縮径率３．５％では、ピーク値よりも低下している。このことより、杭体体積一定の本実験条件であれば、縮径率が１．５〜２．５％程度の範囲に残留水平土圧を最大にできる最適縮径率が存在すると示唆される。したがって、本発明は、地盤改良に効果を発揮するために、テーパ部の縮径率の最小値を１．５／１００とした。

以上のように、本発明によれば、テーパ部の縮径率を１．５／１００〜１０／１００とすることにより、大径部、テーパ部、小径部を有する異径鋼管杭において、地盤改良効果が得られるとともに、地震荷重が作用しても応力集中を低減して曲げモーメントを確実に伝達できる。したがって、鉛直支持力、水平耐力の両方を向上させることができる。また、テーパ部の板厚が略一定でよいので、製造コストを低減できる。

なお、上記実施形態では、大径部１１の板厚ｔ１、テーパ部１２の板厚ｔ２、小径部１３の板厚ｔ３を全て略同一としたが、例えば、大径部１１の板厚ｔ１もしくは小径部１３の板厚ｔ３のいずれか一方とテーパ部１２の板厚ｔ２とを略同一としてもよい。すなわち、例えば地震による水平力に対する耐力を向上させるために、大径部１１の板厚ｔ１を最も厚くし、テーパ部１２の板厚ｔ２と小径部１３の板厚ｔ３を板厚ｔ１よりも薄くしてもよい。本発明では、杭頭部となる大径部１１の板厚ｔ１を大きくし、１／β（β：杭の特性値）よりも深い位置で曲げモーメントの影響を受けない範囲は、小径部１３として外径を小さくするとともに、小径部１３の板厚ｔ３を大径部１１やテーパ部１２と略同一かまたは小さくすることができるので、鋼材の総重量を削減し、コストを低減することができる。

なお、本発明において、各部の板厚は、例えばＪＩＳＡ５５２５の表５に示される厚さｔの許容差の範囲の誤差であれば、「一定」あるいは「同一」と見なすことができる。

また、杭頭に入力される水平荷重から杭体に発生する曲げモーメントを計算する場合、下記式により求められる杭の特性値βを算定し、深度１／βで断面変化させることが広く行われている。
ｋ_ｈ＝ｋ_ｈ０（Ｄ／１０００／０．３）^-3/4
ｋ_ｈ０＝Ｅ_０／０．３＝２８００Ｎ／０．３：水平方向地盤反力係数（ｋＮ／ｍ^３）
Ｎ：地盤Ｎ値、表層では１〜１０程度と仮定
Ｄ：杭径（ｍｍ）
ＥＩ：杭の曲げ剛性（ｋＮ・ｍ^２）

鋼管杭で用いられる範囲は杭径Ｄ：４００〜１６００ｍｍ、板厚ｔ：６〜２５ｍｍ、かつ、杭径と板厚の比率を、杭径／板厚≦１００とする場合が多い。この範囲で杭径／板厚が最大値（１６００／１６）となる場合と、最小値（４００／２５）となる場合で、必要な根入れ長Ｌ＝１／βを計算し、ＬをＤを用いて表現すると、表１に示すように、２．５Ｄ＜Ｌ＜７．４Ｄとなる。したがって、異径鋼管杭１のテーパ部１２は、大径部の外径Ｄに対して、杭頭から２Ｄ〜８Ｄの範囲に配置されていることが好ましい。これにより、曲げモーメントを確実に伝達させつつ、鋼材重量を低減できる。

本発明が対象とする鋼管杭は、例えば全長１０〜８０ｍ、杭頭部側の大径部の外径４００〜１６００ｍｍ、板厚６〜２５ｍｍ程度であり、摩擦杭、支持杭の両方の用途に用いられる。このような異径鋼管杭は、例えばスパイラル、ロール、プレス等、従来公知の鋼管杭の製造方法により製造される。

本発明の異径鋼管杭１は、単体で杭基礎として用いる場合もあるが、杭を構成する一部材として用いられる場合もある。この場合は、異形鋼管杭の上下に、それぞれ、異径鋼管杭と同種の鋼部材からなる大径の上杭材および小径の下杭材が、溶接または機械式継手で接合される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明の異径鋼管杭と、従来例として上記特許文献２（図９中の先願特許）に記載された異径鋼管杭を、実構造物の杭として用いる場合の、それぞれの鋼材重量を算出した。本発明の実施例としては、地表面から１／β以下の曲げモーメントの影響を受けない範囲を小径部とし、大径部から小径部までの板厚を一定とした。従来例は、杭の断面積を一定にするため、小径部の板厚を大径部よりも大きくした。
ｋ_ｈ＝Ｅ_０／０．３＝２８００Ｎ／０．３：水平方向地盤反力係数（ｋＮ／ｍ^３）
Ｎ：地盤Ｎ値、表層では５と仮定
Ｄ：杭径（ｍｍ）
ＥＩ：杭の曲げ剛性（ｋＮ・ｍ^２）
とし、板厚や杭径が異なる８通りについて設計した結果を図９に示す。いずれの規模の杭でも、本発明例の方が、従来例よりも１割程度鋼材重量が小さくなっていることがわかる。

本発明は、建築、土木分野における構造物の杭基礎に適用され、特に地震による水平応力を受ける場合の杭として有用である。

１異径鋼管杭
１１大径部
１２テーパ部
１３小径部

Claims

上端側の大径部と、下端側の小径部と、前記大径部から前記小径部に向けて縮径するテーパ部とを有する異径鋼管杭であって、
前記テーパ部は、板厚が一定であり、式（１）で求められる縮径率が１．５／１００〜１０／１００であり、
前記大径部の板厚が、前記小径部の板厚以上であることを特徴とする、異径鋼管杭。
縮径率＝（Ｄ―ｄ）／２Ｌ・・・（１）
Ｄ：大径部の外径（ｍｍ）
ｄ：小径部の外径（ｍｍ）
Ｌ：テーパ部の長さ（ｍｍ）
前記テーパ部の上端が、前記大径部の外径Ｄに対して杭頭から２Ｄ〜８Ｄの高さに配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の異径鋼管杭。