JP7529051B2 - 鋼管ソイルセメント合成杭、鋼管杭、及び鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ソイルセメント柱内に鋼管杭を配置することによって形成される鋼管ソイルセメント合成杭、鋼管杭、鋼管、及び鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法に関する。

特許文献１には、ソイルセメント柱と鋼管杭との間の一体性を高め、鋼管ソイルセメント合成杭の支持力を増大させる方法として、鋼管杭の外周面に窪みを形成する方法が記載されている。

特開２００８－１７５０５５号公報

鋼管ソイルセメント合成杭工法：一般社団法人鋼管杭鋼矢板技術協会

特許文献１に記載の方法によれば、地震等の要因によって鋼管杭に水平方向の変位が発生した場合、弾性係数の違いにより鋼管杭の挙動に対してソイルセメント柱が弾性的に追随できない。このため、鋼管杭とソイルセメント柱との間に肌離れが発生し、鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直支持力が低下する可能性がある。

本発明は、以上の問題を解決すべくなされたものであり、鋼管杭に水平方向の変位が発生した場合であっても鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直支持力が低下することを抑制可能な鋼管ソイルセメント合成杭、鋼管杭、鋼管、及び鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法を提供することを目的とする。

本発明に係る鋼管ソイルセメント合成杭は、地表面から地中に延伸するソイルセメント柱と、前記ソイルセメント柱内にある鋼管杭と、を備える鋼管ソイルセメント合成杭であって、前記鋼管ソイルセメント合成杭の杭頭部領域における前記鋼管杭の外周面に形成された高さ１５ｍｍ以上の複数の第１突起部と、前記鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直方向下端部から少なくとも距離３Ｄ（Ｄは鋼管杭の外径）の範囲内において、７５ｍｍ以下の配置間隔で前記鋼管杭の外周面に形成された複数の第２突起部と、を備える。

前記第１突起部は前記鋼管杭の外周面に鉄筋を溶接することにより形成されているとよい。

本発明に係る鋼管杭は、鋼管ソイルセメント合成杭を形成する鋼管杭であって、前記鋼管ソイルセメント合成杭の杭頭部領域における前記鋼管杭の外周面に形成された高さ１５ｍｍ以上の複数の第１突起部と、前記鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直方向下端部から少なくとも距離３Ｄ（Ｄは鋼管杭の外径）の範囲内において、７５ｍｍ以下の配置間隔で外周面に形成された複数の第２突起部と、を備える。

本発明に係る鋼管は、鋼管ソイルセメント合成杭の杭頭部領域用の鋼管であって、鋼管の外周面に形成された高さ１５ｍｍ以上の複数の突起部を備える。

本発明に係る鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法は、セメントミルクを土中に注入しながら原位置土と撹拌することにより地表面から地中に延伸するソイルセメント柱を地盤に造成する工程と、前記ソイルセメント柱内に鋼管杭を配置する工程と、を含む鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法であって、前記鋼管杭を配置する工程は、前記鋼管ソイルセメント合成杭の杭頭部領域における前記鋼管杭の外周面に形成された第１突起部の高さが１５ｍｍ以上、且つ、前記鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直方向下端部から少なくとも距離３Ｄ（Ｄは鋼管杭の外径）の範囲内において、前記鋼管杭の外周面に形成された第２突起部の配置間隔が７５ｍｍ以下となるように鋼管杭を配置する工程を含む。

本発明に係る鋼管ソイルセメント合成杭、鋼管杭、鋼管、及び鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法によれば、鋼管杭に水平方向の変位が発生した場合であっても鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直支持力が低下することを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭の構成を示す軸方向断面図である。 図２は、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭の構成を示す軸方向断面図である。 図３は、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭の変形例の構成を示す軸方向断面図である。 図４は、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭の変形例の構成を示す軸方向断面図である。 図５は、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭の変形例の構成を示す軸方向断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭について説明する。

〔構成〕
まず、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭の構成について説明する。

図１（ａ）に示すように、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭１は、ソイルセメント柱２と、鋼管杭３と、を備えている。本実施形態の場合、鋼管ソイルセメント合成杭１は、地表から地中にある支持地盤の中まで延伸している。以下の説明において、鋼管ソイルセメント合成杭１の杭径とはソイルセメント柱２の外径を意味し、鋼管ソイルセメント合成杭１の杭長とは鋼管杭３の上端部から下端部までの長さを意味する。

ソイルセメント柱２は、セメントミルクを土中に注入しながら原位置土と攪拌混合することにより造成される構造物であり、地表面から地中に延伸している。本実施形態においては、ソイルセメント柱２は鉛直方向に沿って延伸している。

鋼管杭３は、ソイルセメント柱２の中央部に圧入および／または沈設等により配置されている。本実施形態においては、鋼管杭３は鉛直方向に沿ってソイルセメント柱２内にある。図１（ａ），（ｂ）に示すように、鋼管杭３の少なくとも杭頭部領域Ｒ１の外周面には、高さＨ１が１５ｍｍ以上の突起部４が複数形成されている。本実施形態では、杭頭部領域Ｒ１とは、鋼管杭３の鉛直方向上端部（図１（ａ）では地表部）から鉛直方向に距離１Ｄ以上（Ｄ：鋼管杭の外径、以下鋼管杭径とする）の領域を意味する。突起部４は、本発明に係る第１突起部として機能する。地表面から地中に斜めに延伸する杭である「斜杭」の場合も同様に突起部４を形成することができる。但し、この場合、杭頭部領域Ｒ１の起点は鋼管ソイルセメント合成杭１の杭軸上とする。

一般に、地震等の要因によって発生する水平方向の変位は地上に近づくほど大きくなる。このため、水平方向の変位が発生した場合、ソイルセメント柱と鋼管杭との間の肌離れによって鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直支持力が低下するリスクは杭頭部に近いほど高くなる。また、一般に、鋼管ソイルセメント合成杭は、鋼管ソイルセメント合成杭に作用する水平方向の変位が鋼管ソイルセメント合成杭の直径（杭径）の１％以下の大きさ（但し、杭径が１５００ｍｍ以下である場合は１５ｍｍ）となるように設計されている。さらに、変位発生時の慣性力によって鋼管杭に瞬間的に発生した最大変位は鋼管杭の弾性挙動によって多少元に戻るため、変位発生後の残留変位は最大変位に比べて小さくなる。

従って、鋼管杭３の少なくとも杭頭部領域Ｒ１の外周面に高さＨ１が１５ｍｍ以上の突起部４を形成することにより、仮に地表面においてソイルセメント柱２と鋼管杭３との間に１５ｍｍの肌離れが発生しても、地表面以深においてはソイルセメント柱２と突起部４との接触が保たれる。これにより、水平方向の変位が発生した場合であっても、鋼管ソイルセメント合成杭１の鉛直支持力が低下することを抑制できる。

本実施形態は、鋼管ソイルセメント合成杭の通常適用範囲である鋼管杭径１５００ｍｍ以下のサイズを想定しているが、さらに大径サイズの鋼管ソイルセメント合成杭にも適用可能である。変位発生時の鋼管杭の変位量や変位発生後の鋼管杭の残留変位を精度よく評価できる場合には、評価結果に基づいて杭頭部領域Ｒ１の大きさを変更してもよい。突起部４の高さは、高くしすぎてもメリットはなく、逆にソイルセメント柱２の中に鋼管杭３を配置する際に抵抗が増えて施工が困難となる等のリスクも考えられることから、鋼管杭径Ｄの５％以下とするとよい。

ソイルセメント柱２と鋼管杭３との間の定着構造の破壊強度は以下に示す（ａ）支圧破壊強度及び（ｂ）剪断強度の低い方で定まることから、突起部４の高さとその配置間隔Ｐ１（図１（ｂ）参照）のバランスが重要となる。条件によってばらつきはあるものの、ソイルセメント柱２の支圧破壊強度は剪断強度の５倍程度の大きさと考えられる。このため、突起部４の高さＨ１は、突起部４の配置間隔Ｐ１の１／５以下とするとよい。

（ａ）突起部４との接触面におけるソイルセメント柱２の支圧破壊。支圧破壊強度は突起部４の高さＨ１×ソイルセメント柱２の支圧破壊強度で評価可能。
（ｂ）ソイルセメント柱２の剪断破壊。剪断破壊強度は突起部４の配置間隔Ｐ１×ソイルセメント柱２の剪断強度で評価可能。

突起部４は、ソイルセメント柱２と鋼管杭３との間の定着機能が有効に働くように、鋼管杭３の周方向に形成することが好適であるが、周方向に対して角度をつけて螺旋状に形成してもよい。突起部４は工場において鋼管を圧延成形することにより形成してもよいし、鉄筋やフラットバーを鋼管に溶接することにより形成してもよい。溶接ビードにより突起部４を成形してもよい。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、鋼管ソイルセメント合成杭１の鉛直方向下端部から軸方向に距離３Ｄ以上の領域（杭先端部領域Ｒ２）における鋼管杭３の外周面には、軸方向の配置間隔Ｐ２を７５ｍｍ以下として複数の突起部５が形成されている。突起部５は、本発明に係る第２突起部として機能する。地表面から地中に斜めに延伸する杭である「斜杭」の場合も同様に突起部５を形成することができる。但し、この場合、鉛直方向下端部の起点は鋼管ソイルセメント合成杭１の杭軸上とする。

地中深部に位置する鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直方向下端部では、水平方向の変位は僅かであることから、ソイルセメント柱と鋼管杭との間の肌離れを抑制するための突起高さを確保する必要性はない。一方、鉛直方向下端部は支持層と呼ばれる比較的強固な地盤に根入れされるが、支持層となり得る地盤は砂や石の混ざった砂礫地盤となることが多い。このため、特に径の大きい石が上下方向に複数段配置される突起部の間に混入する又は挟まることによって、ソイルセメントが十分充填されない空隙が生じ、鋼管ソイルセメント合成杭１の鉛直支持力が低下する可能性がある。

これに対して、鋼管杭３の外周面に軸方向の配置間隔Ｐ２が７５ｍｍ以下である突起部５によれば、固い支持地盤に対して鋼管杭３を根入れする際、粒径７５ｍｍ以上に分類される石が上下方向に複数段配置される突起部５の間に混入する又は挟まる。これにより、鋼管ソイルセメント合成杭１の鉛直支持力が低下することを抑制できる。非特許文献１には、支持層が位置する杭先端固化部への鋼管杭の根入れ長は１．５Ｄ以上が標準であると記載されているが、実際の支持層はその上に位置する地盤層との境界に遷移区間を有する。このため、本実施形態では、鋼管ソイルセメント合成杭１の鉛直方向下端部から少なくとも距離３Ｄの範囲内における突起部５の配置間隔を７５ｍｍ以下とした。

突起部５は、上記機能が有効に働くように、鋼管杭３の周方向に形成することが好適であるが、周方向に対して角度をつけて螺旋状に形成してもよい。突起部５は工場において鋼管を圧延成形することにより形成してもよいし、鉄筋やフラットバーを鋼管に溶接することにより形成してもよい。溶接ビードにより突起部５を成形してもよい。本実施形態においては、鋼管杭３の内周面に突起のない場合で説明したが、本発明はそれに限定されない。鋼管ソイルセメント合成杭１の仕様や性能により、鋼管杭３の内周面に適宜突起が備えられてもよい。

本実施形態のおいては、地表面から地中に鉛直方向に沿って延伸する「鉛直杭」の場合で説明をしたが、本発明はこれに限定されない。例えば地表面から地中に斜めに延伸する杭である「斜杭」の場合でも、同様の効果を得ることができる。水平力及び／又は鉛直力等の外力に対し、斜杭の場合は、鋼管ソイルセメント合成杭１の杭軸直角方向と杭軸方向の２つの分力で抵抗すると見なせる。このため、「鉛直杭」の抵抗条件と同じと考えることができる。

〔変形例〕
次に、図３～図５を参照して、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭の変形例の構成について説明する。

一般に、杭頭部から深さ１／β前後の領域では鋼管杭３の水平方向の変位の増加割合が大きくなる。βは以下に示す数式（１）により求められる鋼管杭３の特性値である。数式（１）において、ｋ_Ｃは横方向地盤反力係数、Ｄは鋼管杭の外径、Ｅｌは鋼管杭の曲げ剛性を示す。従って、図３に示すように、杭頭部から深さ１／β前後の領域を杭頭部領域Ｒ１とし、この杭頭部領域Ｒ１の外周面に高さＨ１が１５ｍｍ以上の突起部４を形成してもよい。

一般に、杭頭部から深さ３／β前後の領域では鋼管杭３の曲げ歪の変化が大きくなる。従って、図４に示すように、杭頭部から深さ３／β前後の領域を杭頭部領域Ｒ１とし、この杭頭部領域Ｒ１の外周面に高さＨ１が１５ｍｍ以上の突起部４を形成してもよい。通常、杭頭部領域Ｒ１より深い位置においては、鋼管杭３の水平方向の変位や曲げ歪の発生レベルが低くなることから、突起部の高さを１５ｍｍ以上とする必要はない。逆に大深度位置に高さの高い突起が形成されている場合、ソイルセメント柱２内に鋼管杭３を配置する際に抵抗が増えて施工が困難となる等のリスクがあることから、突起部の高さは５ｍｍ以下とするとよい。

〔施工方法〕
最後に、本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法について説明する。

本発明の一実施形態である鋼管ソイルセメント合成杭１を施工する際は、まず、セメントミルクを土中に注入しながら原位置土と攪拌混合してソイルセメント柱２を造成する。次に、外周面に突起部４を有する鋼管杭３をソイルセメント柱２内に配置する。実際の鋼管杭の施工では、運搬できる鋼管杭の長さは限られることから、複数の鋼管を鉛直方向に接続しながら鋼管杭３を構築することが一般的である。具体的には、図５に示すように、鉛直方向に上杭３ａ、中杭３ｂ、及び下杭３ｃを接続して鋼管杭３を構築する。従って、この場合には、杭頭部領域Ｒ１を通る上杭３ａの外周面に高さＨ１が１５ｍｍ以上の突起部４を形成し、中杭３ｂ及び下杭３ｃの外周面（領域Ｒ３）には高さ２ｍｍ以上５ｍｍ以下の突起部を形成するとよい。上杭３ａは、本発明に係る鋼管として機能する。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明によれば、鋼管杭に水平方向の変位が発生した場合であっても鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直支持力が低下することを抑制可能な鋼管ソイルセメント合成杭、鋼管杭、鋼管、及び鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法を提供することができる。

１ 鋼管ソイルセメント合成杭
２ ソイルセメント柱
３ 鋼管杭
４，５ 突起部

Claims (4)

1. 地表面から地中に延伸するソイルセメント柱と、前記ソイルセメント柱内にある鋼管杭と、を備え、前記ソイルセメント柱の径が延伸方向で変化しない鋼管ソイルセメント合成杭であって、
   前記鋼管ソイルセメント合成杭の杭頭部領域における前記鋼管杭の外周面に形成された高さ１５ｍｍ以上の複数の第１突起部と、
   前記鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直方向下端部から少なくとも距離３Ｄ（Ｄは鋼管杭の外径）の範囲内において、７５ｍｍ以下の配置間隔で前記鋼管杭の外周面に形成された高さ２ｍｍ以上５ｍｍ以下の複数の第２突起部と、
   を備える、鋼管ソイルセメント合成杭。
2. 前記第１突起部は前記鋼管杭の外周面に鉄筋を溶接することにより形成されている、請求項１に記載の鋼管ソイルセメント合成杭。
3. 地表面から地中に延伸するソイルセメント柱と、前記ソイルセメント柱内にある鋼管杭と、を備え、前記ソイルセメント柱の径が延伸方向で変化しない鋼管ソイルセメント合成杭を形成する鋼管杭であって、
   前記鋼管ソイルセメント合成杭の杭頭部領域における前記鋼管杭の外周面に形成された高さ１５ｍｍ以上の複数の第１突起部と、
   前記鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直方向下端部から少なくとも距離３Ｄ（Ｄは鋼管杭の外径）の範囲内において、７５ｍｍ以下の配置間隔で外周面に形成された高さ２ｍｍ以上５ｍｍ以下の複数の第２突起部と、
   を備える、鋼管杭。
4. セメントミルクを土中に注入しながら原位置土と撹拌することにより地表面から地中に延伸するソイルセメント柱を地盤に造成する工程と、前記ソイルセメント柱内に鋼管杭を配置する工程と、を含み、前記ソイルセメント柱の径が延伸方向で変化しない鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法であって、
   前記鋼管杭を配置する工程は、前記鋼管ソイルセメント合成杭の杭頭部領域における前記鋼管杭の外周面に形成された第１突起部の高さが１５ｍｍ以上、且つ、前記鋼管ソイルセメント合成杭の鉛直方向下端部から少なくとも距離３Ｄ（Ｄは鋼管杭の外径）の範囲内において、前記鋼管杭の外周面に形成された第２突起部の高さが２ｍｍ以上５ｍｍ以下、配置間隔が７５ｍｍ以下となるように鋼管杭を配置する工程を含む、鋼管ソイルセメント合成杭の施工方法。

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