特開 2024-99278 先端支持力の推定方法、圧入施工システム、およびプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024099278

(43)【公開日】2024-07-25

(54)【発明の名称】先端支持力の推定方法、圧入施工システム、およびプログラム

(51)【国際特許分類】

   E02D 13/06 20060101AFI20240718BHJP

   E02D 7/20 20060101ALI20240718BHJP

   E02D 1/00 20060101ALI20240718BHJP

【ＦＩ】

E02D13/06

E02D7/20

E02D1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023003115

(22)【出願日】2023-01-12

(71)【出願人】

【識別番号】000141521

【氏名又は名称】株式会社技研製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100141139

【弁理士】

【氏名又は名称】及川 周

(74)【代理人】

【識別番号】100167553

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 久典

(74)【代理人】

【識別番号】100206081

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡 央

(72)【発明者】

【氏名】北村 精男

(72)【発明者】

【氏名】石原 行博

【テーマコード（参考）】

2D043

2D050

【Ｆターム（参考）】

2D043AA01

2D043AB03

2D043AC05

2D043BB05

2D050AA06

2D050CB21

2D050FF04

(57)【要約】

【課題】推定精度を向上させることが可能な先端支持力の推定方法、圧入施工システム、およびプログラムを提供する。
【解決手段】先端支持力の推定方法は、杭を地盤に圧入する工程と、前記杭が前記地盤に圧入されるときの先端抵抗力度を取得する工程と、取得された前記先端抵抗力度に基づき、前記杭の閉塞状態を演算する工程と、演算された前記閉塞状態に基づき、前記杭の先端における前記地盤による支持力である先端支持力を推定する工程と、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

杭を地盤に圧入する工程と、
前記杭が前記地盤に圧入されるときの先端抵抗力度を取得する工程と、
取得された前記先端抵抗力度に基づき、前記杭の閉塞状態を演算する工程と、
演算された前記閉塞状態に基づき、前記杭の先端における前記地盤による支持力である先端支持力を推定する工程と、を有する、先端支持力の推定方法。

【請求項2】

前記杭は管状杭であり、
前記閉塞状態はIFRである、請求項１に記載の先端支持力の推定方法。

【請求項3】

以下の数式（７）、（１２）に基づき、前記IFRを演算する、請求項２に記載の先端支持力の推定方法。

【数7】

【数12】

ただし、ｚは貫入深度であり、λは比例定数であり、h_scは管内土長であり、q_baは圧入施工時の前記先端抵抗力度であり、q_cはコーン貫入試験におけるコーン指数である。

【請求項4】

杭を地盤に圧入する圧入装置と、
前記杭の先端における前記地盤による支持力である先端支持力を推定する推定部と、を備え、
前記推定部は、前記圧入装置によって前記杭が前記地盤に圧入されるときの先端抵抗力度を取得し、取得された前記先端抵抗力度に基づいて前記杭の閉塞状態を演算し、演算された前記閉塞状態に基づき前記先端支持力を推定する、圧入施工システム。

【請求項5】

コンピュータに、
杭が地盤に圧入されるときの先端抵抗力度を取得する処理と、
取得された前記先端抵抗力度に基づき、前記杭の閉塞状態を演算する処理と、
演算された前記閉塞状態に基づき、前記杭の先端における前記地盤による支持力である先端支持力を推定する処理と、
を実行させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、先端支持力の推定方法、圧入施工システム、およびプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

非特許文献１には、杭を地盤に圧入した際の、先端支持力（base capacity）を推定する方法が開示されている。この推定方法では、土圧係数K、および土圧係数Kに応じて決定される係数βを用いて、先端支持力を推定している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Yukihiro Ishihara, et al. “Assessment of base capacity of open-ended tubular piles installed by the Rotary Cutting Press-in method”, Soils and Foundations, 60 (2020) 1189－1201

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

非特許文献１の推定方法では、土圧係数Kの値に応じて、先端支持力の推定値が大きく変動する。ここで、土圧係数Kを正確に把握することは難しい。このため、非特許文献１の推定方法においては、先端支持力の推定精度を向上させる点で、改善の余地があった。

【0005】

本発明はこのような事情を考慮してなされ、推定精度を向上させることが可能な先端支持力の推定方法、圧入施工システム、およびプログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明の態様１に係る先端支持力の推定方法は、杭を地盤に圧入する工程と、前記杭が前記地盤に圧入されるときの先端抵抗力度を取得する工程と、取得された前記先端抵抗力度に基づき、前記杭の閉塞状態を演算する工程と、演算された前記閉塞状態に基づき、前記杭の先端における前記地盤による支持力である先端支持力を推定する工程と、を有する。

【0007】

本発明の態様２に係る圧入施工システムは、杭を地盤に圧入する圧入装置と、前記杭の先端における前記地盤による支持力である先端支持力を推定する推定部と、を備え、前記推定部は、前記圧入装置によって前記杭が前記地盤に圧入されるときの先端抵抗力度を取得し、取得された前記先端抵抗力度に基づいて前記杭の閉塞状態を演算し、演算された前記閉塞状態に基づき前記先端支持力を推定する。

【0008】

本発明の態様３に係るプログラムは、コンピュータに、杭が地盤に圧入されるときの先端抵抗力度を取得する処理と、取得された前記先端抵抗力度に基づき、前記杭の閉塞状態を演算する処理と、演算された前記閉塞状態に基づき、前記杭の先端における前記地盤による支持力である先端支持力を推定する処理と、を実行させる。

【発明の効果】

【0009】

本発明の上記態様によれば、推定精度を向上させることが可能な先端支持力の推定方法、圧入施工システム、およびプログラムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本実施形態に係る圧入施工システムの概略図である。

【図2】杭の先端の応力状態等を説明する図である。

【図3】実施例および比較例に係る先端支持力の推定結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本実施形態の圧入施工システムについて、図面に基づいて説明する。
図１に示すように、圧入施工システム１は、圧入装置２と、推定部３と、を備えている。圧入装置２は、杭４を把持することが可能なチャックを有している。圧入装置２は、杭４を把持したチャックを繰り返し昇降させることで、杭４を地盤に圧入することが可能である。圧入装置２は、杭４を回転させながら地盤に圧入してもよいし、杭４を回転させずに地盤に圧入してもよい。

【0012】

杭４は、鋼管杭、鋼矢板、および鋼管矢板のいずれであってもよい。鋼管杭および鋼管矢板は、管状杭の一種である。また、これら以外の種類の、先端が開いた形状の杭４を用いてもよい。「先端が開いた形状の杭」とは、地盤に杭が圧入される際に、先端を土砂等が閉塞し得る種類の杭を指す。杭４の先端の具体的な形状は、例えば円形であってもよいし、Ｃ字状であってもよい。

【0013】

推定部３は、杭４の先端支持力を推定するように構成されている。推定部３は、例えば、圧入装置２を制御するためのコンピュータ等である。推定部３は、圧入装置２に有線接続または無線接続されている。先端支持力とは、杭４の先端（下端）における、地盤による支持力である。以下、杭４が鋼管杭である場合を例にして、先端支持力の推定方法について説明する。

【0014】

まず、以下の説明において用いる各パラメータの定義を記載する。
Q_bf:先端支持力
q_bf：先端支持力度（圧力）
q_bi：管内土を押上げる圧力
q_c：CPT（コーン貫入試験）におけるコーン指数
q_BI：当該時点までのq_biの最大値
q_ba：圧入施工時の先端抵抗力度（圧力）
A_b,closed：杭の先端断面積（杭の内空部も含めた全断面積）
D_i：杭の内径
D_o：杭の外径
h_sc：管内土長
IFR（Incremental Filling Ratio）：閉塞状態を表す指標
K：土圧係数
z：貫入深度
β：杭内の鉛直有効応力と摩擦応力を関連付ける係数
γ：土の単位体積重量
γ_w：水の単位体積重量
δ_sp：杭と土との壁面摩擦角
τ_i：管内土と杭内周面との間の摩擦応力
λ：比例定数

【0015】

まず、非特許文献１における、先端支持力Q_bfの算出方法の概略を説明する。
図２は、杭４の先端の応力状態等を説明する図である。図２に示す摩擦応力τ_iは、以下の数式（１）によって算出される。数式（１）におけるq_bi’については後述する。

【数1】

【0016】

また、数式（１）における係数βは、以下の数式（２）によって算出される。

【数2】

【0017】

図２に示す、高さδh_scの微小要素に作用する力のつり合いは、以下の数式（３）によって表される。

【数3】

【0018】

杭４の先端の間隙水圧をγ_w×h_scと仮定すると、q_bi’は以下の数式（４）によって表される。

【数4】

【0019】

数式（３）を数式（４）に代入して整理すると、以下の数式（５）が得られる。

【数5】

【0020】

押上げ圧力q_biおよび閉塞状態を表す指標IFRは、先述の非特許文献１等に記載されているように、以下の数式（６）（７）によって表される。

【数6】

【数7】

【0021】

数式（５）～（７）を用いて、押上げ圧力q_biおよび閉塞状態を表す指標IFRを消去すると、数式（８）が得られる。

【数8】

【0022】

数式（８）をdh_scについて解き、数式（７）に代入することで、IFRが得られる。このようにして得られたIFRを、先端支持力式に代入することで、先端支持力Q_bfが得られる。先端支持式の一例として、以下の数式（９）、（１０）が挙げられる。

【数9】

【数10】

【0023】

以上が、非特許文献１に開示されている方法の概略である。次に、本実施形態に係る先端支持力Q_bfの推定方法について、非特許文献１とは異なる点を説明する。
本実施形態では、先端支持力Q_bfを推定するために、圧入施工時の先端抵抗力度q_baを取得し、その値に基づき、IFRを演算する。本明細書において、「圧入施工時の先端抵抗力度q_baを取得する」ことには、圧入施工時に計測手段を用いて先端抵抗力度q_baを得ること、および、圧入施工時の施工データ（圧入力やトルクなど）を用いて推定された先端抵抗力度q_baの値を利用すること、が含まれる。施工データを用いて先端抵抗力度を推定する方法については、既知の技術（例えば、特開２０１４－１７７８２６号公報、特開２０１５－１７４９３号公報、特開２０１７－２６２３号公報に記載の技術）を適用することができる。本実施形態において、先端抵抗力度q_baは数式（１１）によって表される。

【数11】

【0024】

圧入施工時の先端抵抗力度q_baを計測手段により得る方法としては、例えば、開端杭に作用する軸応力に対して閉塞状態を考慮して算出することが挙げられる。開端杭の軸応力は、杭４の先端近傍の周面に、ひずみゲージを貼り付けて、杭４に作用する軸ひずみを計測することにより得てもよい。あるいは、杭４を二重管構造として、内空部（二重管の隙間）に、センサー（小型土圧計等）を配置してもよい。センサーの受圧面を、二重管の隙間の底部に配置することで、軸応力と同等の圧力を計測できる。閉塞状態の情報を計測手段により得る方法としては、例えば、鋼管の頭部付近から鋼管内の土の表面までの距離を計測してIFRを求めることが挙げられる。

【0025】

本実施形態では、数式（６）に代えて、以下の数式（１２）を用いる。つまり、押上げ圧力q_biに代えて先端抵抗力度q_baを用いる。

【数12】

【0026】

上記数式（１２）をIFRについて解くことで、IFRが得られる。このようにして得られたIFRを、先端支持力式に代入することで、先端支持力Q_bfが得られる。先端支持力式の一例としては、先述の数式（９）、（１０）が挙げられる。

【0027】

推定部３は、本実施形態に係る先端支持力の推定方法を実行することができるように構成されている。推定部３の機能は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、推定部３の機能のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予め推定部３のＨＤＤやフラッシュメモリなどの記憶装置（非一過性の記憶媒体を備える記憶装置）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体（非一過性の記憶媒体）がドライブ装置に装着されることで推定部３のＨＤＤやフラッシュメモリにインストールされてもよい。

【0028】

上記の通り、本実施形態では、先端抵抗力度q_baを用いて先端支持力Q_bfを推定する。推定部３が先端支持力Q_bfを推定するに当たり、先端抵抗力度q_baが、外部から推定部３に入力されてもよい。この場合、先端抵抗力度q_baを測定または演算するための構成要素（センサ、ＣＰＵ等）が、推定部３に接続される。あるいは、推定部３が圧入装置２を制御し、圧入装置２が杭４を圧入する際の各種データを用いて、推定部３が先端支持力Q_bfを演算してもよい。いずれの場合も、推定部３が「先端抵抗力度q_baを取得」することに含まれる。

【0029】

図３は、本実施形態に係る先端支持力の推定方法を適用した結果の一例を示すグラフである。図３において、縦軸は先端支持力の推定結果であり、横軸は実測された先端支持力である。×印によって示される実施例は、本実施形態の先端支持力の推定方法を用いた結果を示す。〇印によって示される比較例は、非特許文献１に開示された推定方法を用いた結果を示す。なお、比較例については、Ｋ＝０．３～０．６としたデータを示している。

【0030】

図３に示す通り、比較例では、土圧係数Ｋの値に応じて推定結果（縦軸の値）が大きく変動している。これは、非特許文献１の方法では、土圧係数Ｋおよび管内土の押上げ圧力q_biに依存した推定を行っているためである。これに対して、実施例では、土圧係数Ｋおよび押上げ圧力q_biに代えて、圧入施工時の先端抵抗力度q_baを用いている。先端抵抗力度q_baは、土圧係数Ｋよりも精度よく取得することができる。したがって、非特許文献１の方法（比較例）と比較して、本実施形態の方法（実施例）のほうが、精度よく先端支持力を推定することが可能である。

【0031】

また、図３の比較例では、土圧係数Ｋの値に応じて、推定結果（縦軸の値）が実測結果（横軸の値）よりも大きくなる場合がある。これに対して、実施例の推定結果（縦軸の値）は、実測結果（横軸の値）よりも小さくなっている。言い換えると、杭４が構造物を支える強度の指標となる先端支持力が、実際よりも低く見積もられており、より安全側の推定結果であるといえる。

【0032】

以上説明したように、本実施形態に係る先端支持力の推定方法は、杭４を地盤に圧入する工程と、杭４が地盤に圧入されるときの先端抵抗力度q_baを取得する工程と、取得された先端抵抗力度q_baに基づき、IFR（杭４の閉塞状態）を演算する工程と、演算されたIFRに基づき、杭４の先端における地盤による支持力である先端支持力Q_bfを推定する工程と、を有する。

【0033】

また、本実施形態に係る圧入施工システム１は、杭４を地盤に圧入する圧入装置２と、杭４の先端における地盤による支持力である先端支持力Q_bfを推定する推定部３と、を備え、推定部３は、圧入装置２によって杭４が地盤に圧入されるときの先端抵抗力度q_baを取得し、取得された先端抵抗力度q_baに基づいてIFRを演算し、演算されたIFRに基づき先端支持力Q_bfを推定する。

【0034】

また、本実施形態に係るプログラムは、コンピュータに、杭４が地盤に圧入されるときの先端抵抗力度q_baを取得する処理と、取得された先端抵抗力度q_ba(est)に基づき、IFRを演算する処理と、演算されたIFRに基づき、杭４の先端における地盤による支持力である先端支持力Q_bfを推定する処理と、を実行させる。

【0035】

このような先端支持力の推定方法、圧入施工システム１、あるいはプログラムにより、先端支持力Q_bfの推定精度を向上させることができる。

【0036】

上記説明した実施形態は、以下のように表現することができる。
プログラムを記憶した記憶装置と、
ハードウェアプロセッサと、を備え、
前記ハードウェアプロセッサが前記プログラムを実行することにより、
杭が地盤に圧入されるときの先端抵抗力度を取得する処理と、
取得された前記先端抵抗力度に基づき、ＩＦＲ値を演算する処理と、
演算された前記ＩＦＲ値に基づき、前記杭の先端における前記地盤による支持力である先端支持力を推定する処理と、が行われるように構成されている、圧入施工システム。

【0037】

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

【0038】

例えば、前記実施形態では、杭４が鋼管杭である場合を例にして、先端支持力の推定方法を説明した。しかしながら、杭４が鋼管杭ではない場合にも、本実施形態の推定方法を応用することが可能である。

【0039】

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0040】

１…圧入施工システム ２…圧入装置 ３…推定部 ４…杭

【図1】

【図2】

【図3】