特許 7447652 引抜き抵抗力の評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-04

(45)【発行日】2024-03-12

(54)【発明の名称】引抜き抵抗力の評価方法

(51)【国際特許分類】

   E02D 5/48 20060101AFI20240305BHJP

【ＦＩ】

E02D5/48

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020071521

(22)【出願日】2020-04-13

(65)【公開番号】P2021167539

(43)【公開日】2021-10-21

【審査請求日】2023-03-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 直子

【審査官】彦田 克文

(56)【参考文献】

【文献】特許第４８５６９０３（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】特開２０１１－１７４２５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３４８５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３２２２５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－３２２２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０２１０７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２５２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】鈴木直子 外３名，拡底杭・節付き杭の鉛直荷重～変位の関係と抵抗力の評価，日本建築学会構造系論文集，第７５巻、第６５６号，日本，日本建築学会，2010年10月，pp.1847-1856

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｄ ５／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸部と、該軸部に設けた節部とを備える節付き杭の、引抜き時における前記節部の引抜き抵抗力を評価するための、引抜き抵抗力の評価方法であって、
前記節付き杭に引抜き力が作用した際の、前記節部の周辺地盤における地中応力の影響範囲を推定する推定工程と、
前記地中応力の影響範囲と前記節部の根入れ長とを比較し、前記地中応力の影響範囲が地表面に達するか否かを検証する検証工程と、
前記地中応力の影響範囲が地表面に達する場合に、前記節部の引抜き抵抗力を、前記節部から地表面にかけて発生する破壊面と前記節付き杭の軸部との間の土塊の重量と、該土塊の重量と前記破壊面のせん断抵抗に基づいて算定する評価工程と、
を備えることを特徴とする引抜き抵抗力の評価方法。

【請求項2】

請求項１に記載の引抜き抵抗力の評価方法において、
前記評価工程では、前記破壊面が円筒形状を想定して算出した引抜き抵抗力と、コーン状を推定した算出した引抜き抵抗力とを比較し、数値の小さい方を前記節部の引抜き抵抗力として採用することを特徴とする引抜き抵抗力の評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、節付き杭の引抜き時に負担する節部の引抜き抵抗力を評価するための、引抜き抵抗力の評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、建物の大型化及び高層化に対応する基礎杭として、杭長の長大化を抑えつつ高い鉛直支持力を確保することの可能な節付き杭を採用する場合が多い。例えば特許文献１で示すように、節付き杭には、鉛直支持力を増大させるため、軸部の下端部に拡底部を有するとともに、軸部の中間部に１つもしくは複数の節部が設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許４８５６９０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

節付き杭に設けられた節部は、鉛直支持力だけでなく引抜き抵抗力を負担可能であるが、その根入れ長によって負担できる引抜き抵抗力が異なる。具体的には、節付き杭に所定の引抜き力が作用されると、節部の根入れ長が十分確保されている場合、もしくは節部全体が硬質な中間層や支持層等に埋設されている場合には、節部が地盤中で引抜き力に抵抗し続け、長期にわたって引抜き抵抗力を負担する。

【0005】

一方、節部の根入れ長が浅い場合には、節部が地盤中で引抜き力に抵抗するものの、地盤中に節部から地表面に達する破壊面が発生し、引抜き抵抗力を失う。このように、根入れ長の浅い節部は、地盤に破壊面が発生するまで引抜き抵抗力を有しているにもかかわらず、設計に反映させない場合が多い。

【0006】

このため、節付き杭に引抜き抵抗力を要求される場合には、その大小によらず節部を根入れ長が十分確保できる深度位置に設けるよう設計するなど、施工性および経済性の面で不利な設計計画となっていた。

【0007】

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、その主な目的は、場所打ちコンクリート造の節付き杭において、節部の引抜き抵抗力を適切に評価することの可能な、引抜き抵抗力の評価方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

かかる目的を達成するため、本発明の引抜き抵抗力の評価方法は、軸部と、該軸部に設けた節部とを備える節付き杭の、引抜き時における前記節部の引抜き抵抗力を評価するための、引抜き抵抗力の評価方法であって、前記節付き杭に引抜き力が作用した際の、前記節部の周辺地盤における地中応力の影響範囲を推定する推定工程と、前記地中応力の影響範囲と前記節部の根入れ長とを比較し、前記地中応力の影響範囲が地表面に達するか否かを検証する検証工程と、前記地中応力の影響範囲が地表面に達する場合に、前記節部の引抜き抵抗力を、前記節部から地表面にかけて発生する破壊面と前記節付き杭の軸部との間の土塊の重量と、該土塊の重量と前記破壊面のせん断抵抗に基づいて算定する評価工程と、を備えることを特徴とする。

【0009】

また、本発明の引抜き抵抗力の評価方法は、前記評価工程では、前記破壊面が円筒形状を想定して算出した引抜き抵抗力と、コーン状を推定した算出した引抜き抵抗力とを比較し、数値の小さい方を前記節部の引抜き抵抗力として採用することを特徴とする。

【0010】

本発明の引抜き抵抗力の評価方法によれば、節部の根入れ長と地中応力の影響範囲に基づいて地中応力の影響範囲が地表面に達するか否かを検証し、検証した結果に基づいて節部の引抜き抵抗力を適切に評価することができる。これにより、従来では引抜き抵抗力を設計に考慮していなかった根入れ長の浅い節部について、鉛直支持力だけでなく引抜き抵抗力を併せて設計に反映することが可能となる。

【0011】

また、節部を、節つき杭に作用する引抜き力に抵抗することを目的として設ける場合に、節部の根入れ長を、要求される引抜き抵抗力の大きさに応じて設定でき、安全性と経済性を兼ね備えた合理的な節付き杭の設計を行うことが可能となる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、場所打ちコンクリート造の節付き杭に設ける節部の引抜き抵抗力を適切に評価することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施の形態における節付き杭の概略を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態における節付き杭に設けた節部の詳細を示す図である。

【図3】本発明の実施の形態における節部の上向き円錐台部を表層に根入れした節付き杭を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態における節部の根入れ長と地中応力の影響範囲を示す図である。

【図5】本発明の実施の形態における節部における引抜き抵抗力の評価方法の流れを示す図である。

【図6】本発明の実施の形態における模型杭の引抜き実験の様子を示す図である。

【図7】本発明の実施の形態における模型杭の引抜き実験より得た杭頭変位と杭頭荷重の関係を示すグラフである。

【図8】本発明の実施の形態における節付き杭の引抜き抵抗機構及び破壊形態をす図である。

【図9】本発明の実施の形態における（地中応力の影響長さＬｓ/突出幅Ｄｎ）と拡径比Ｄｃとの関係を示すグラフである。

【図10】本発明の実施の形態における地盤に破壊面が発生した際に節部の直上に形成される土塊を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

本発明は、場所打ちコンクリート造の節付き杭について、節付き杭の引抜き時に節部が負担する引抜き抵抗力を評価するものである。以下に、図１～１０を参照しつつ、節付き杭における引抜き抵抗力の評価方法の詳細を説明する。

【0015】

図１（ａ）（ｂ）で示すように、建物を支持する節付き杭１は、支持層Ｇ３に到達する杭長を有し、軸部２と、軸部２の下端に設けられる拡底部３と、軸部２の中間部に設けられる節部４とを備える。

【0016】

節部４は、図２で示すように、軸部２より径の大きい円筒部４１と、円筒部４１の上側に位置する上向き円錐台部４２と、円筒部４１の下側に位置する下向き円錐台部４３とを組み合わせた形状を有している。

【0017】

このような形状の節部４は、図１（ａ）（ｂ）で示すように、少なくとも下向き円錐台部４３が支持層Ｇ３中もしくは砂礫層等の中間層Ｇ２に根入れされており、節付き杭１に押込み力が作用された場合には、拡底部３と節部４とでこれに抵抗する。一方、節付き杭１に引抜き力が作用された場合には、節部４の上向き円錐台部４２が地盤中でどのように埋設されているかにより、その引抜き抵抗機構が異なる。

【0018】

例えば、図３で示すような、節部４の上向き円錐台部４２が表層Ｇ１に設けられている状態において、節部４の根入れ長Ｈが十分確保されている場合、節部４近傍の地盤に破壊が生じることなく常時、節部４は地盤中で引抜き力に抵抗する。

【0019】

節部４の根入れ長Ｈが十分確保された場合とは、図４（ａ）で示すように、節付き杭１に引抜き力が作用されて上向き円錐台部４２が地盤を押圧した際に、地中応力の影響範囲Ａが地盤内に収まる場合をいう。なお、地中応力の影響範囲Ａとは、上向き円錐台部４２が地盤を押圧した際の支圧効果が及ぶ範囲を指す。

【0020】

一方、節部４の根入れ長Ｈが十分でない、つまり図４（ｂ）で示すような、地中応力の影響範囲Ａが地盤内に収まらない場合には、節部４は地盤中で引抜き力に抵抗するものの、やがて図１０（ａ）（ｂ）で示すように、地盤に地表面に達する破壊面Ｆｓが発生して、抵抗する力は失われていく。つまり、根入れ長Ｈが十分でない節部４であっても、地盤に破壊面Ｆｓが発生するまでの期間は、引抜き抵抗力を負担する。

【0021】

＜模型杭を用いた引抜き実験＞
上記の節付き杭１に引抜き力が作用した際の節部４の引抜き抵抗機構（地中応力の影響範囲が地表面に到達するか否か）と、根入れ長Ｈが浅い場合に、節部４の周辺地盤に発生する破壊形態（破壊面Ｆｓの形状）を確認するべく、以下のような実験を行った。

【0022】

実験は、図６（ａ）～（ｃ）で示すように、半割の模型杭１’を使って遠心力模型実験を実施し、引抜き時の節部４’の抵抗機構を確認した。地盤材料には乾燥した豊浦砂を採用し、容器内で所定の相対密度の模型地盤Ｇ’を作成した。

【0023】

一方、模型杭１’の寸法は、図２を参照し、軸部径Ｄ０＝４８ｍｍ、節部径Ｄ＝６８ｍｍ、節部突出幅Ｄｎ＝１０ｍｍ、上部傾斜角θｎ＝２０°とした。この模型杭１’を、図６（ａ）～（ｃ）で示すような３通り（Ｃａｓｅ１～Ｃａｓｅ３）の根入れ長Ｈで模型地盤Ｇ’に貫入した。

【0024】

Ｃａｓｅ１は、根入れ長Ｈ＝２０Ｄｎに設定され、節部４の根入れ長Ｈが十分な場合に相当する（比較例）。一方、Ｃａｓｅ２及びＣａｓｅ３は、節部４の根入れ長Ｈが浅い場合に相当し、Ｃａｓｅ２は、根入れ長Ｈ＝１２Ｄｎに設定され、Ｃａｓｅ３は、根入れ長Ｈ＝６Ｄｎに設定されている。なお、模型杭１’には、杭頭部に変位計ＤＧを設置している。

【0025】

このような模型杭１’を模型地盤Ｇ’に埋設したのち、模型杭１’に引抜き力を作用させたところ、変位計ＤＧの計測結果から、図７で示すような、杭頭変位と杭頭荷重の関係を得た。また、図８（ａ）～（ｃ）は、これらＣａｓｅ１～Ｃａｓｅ３について、模型杭１’の周辺地盤における変位を画像解析によりコンターで表したものである。

【0026】

図８（ａ）の節部４を十分に根入れしたＣａｓｅ１では、節部４近傍の模型地盤Ｇ’中に地表面に達するような破壊面は認められない。図７をみると、杭頭変位が増加するに伴って杭頭荷重も増加しており、常時節部４が引抜き力に抵抗している様子がわかる。

【0027】

図８（ｂ）（ｃ）の根入れ長Ｈが十分ではないＣａｓｅ２およびＣａｓｅ３ではいずれも、節部４近傍の模型地盤Ｇ’中に地表面まで到達する破壊面Ｆｓが形成されている。図７をみると、Ｃａｓｅ１より根入れ長Ｈの浅いＣａｓｅ２では、杭頭変位が増加するに伴って杭頭荷重が徐々に低下し、節部４が引抜き力に抵抗する力を徐々に失われていく様子がわかる。

【0028】

また、最も根入れ長Ｈの浅いＣａｓｅ３では、杭頭変位が小さい時点で杭頭荷重が低下し、その後横ばいとなっている。つまり、模型杭１’に引抜き力を作用させた後の早い時点で、節部４が引抜き力に抵抗する力を失っている様子がわかる。

【0029】

さらに、根入れ長Ｈが浅い場合の破壊形態を見ると、Ｃａｓｅ２では、節部４近傍の模型地盤Ｇ’中に、円筒状の破壊面Ｆｓを生じている。そして、Ｃａｓｅ３では、節部４’近傍の模型地盤Ｇ’中に、コーン状の破壊面Ｆｓが生じている様子が見てとれる。

【0030】

上記の実験結果から、節付き杭１の引抜き時における節部Ａの引抜き抵抗機構（を検証し、この検証結果に基づいて選択した最適な評価式を用いて、節部４の引抜き抵抗力を評価することとした。

【0031】

≪≪引抜き抵抗力の評価方法≫≫
以下に、節付き杭１に設けた節部４による引抜き抵抗力を評価する手順を、図５のフローを参照しつつ説明する。

【0032】

≪節付き杭の寸法確認：ＳＴＥＰ１≫
まず、節付き杭１の寸法を確認する。具体的には、図２で示すように、軸部径Ｄ０、節部径Ｄ、軸部２に対する節部４の突出幅Ｄｎ、節上部角度θｎ、及び節部４の根入れ長Ｈを確認する。

【0033】

ここで、突出幅Ｄｎは、節部径Ｄと軸部径Ｄ０との差の１/２であり、節上部角度θｎは、節付き杭１を縦方向に半割した際の上向き円錐台部４２の傾斜面と軸部２の外周面とにより形成される内角である。また、節部径Ｄを軸部径Ｄ０で除することにより算定される拡径比Ｄｃを算定しておくと良い。

【0034】

≪地中応力の影響範囲の推定及び検証：ＳＴＥＰ２≫
次に、節付き杭１に引抜き力が作用した際の節部４の引抜き抵抗機構を推定するべく、節部４の周辺地盤における地中応力の影響範囲Ａと節部４の根入れ長Ｈとを比較し、地中応力の影響範囲Ａが地盤中に収まるか否かを検証する。

【0035】

＜地中応力の影響長さＬｓの推定方法＞
比較するにあたって本実施の形態では、地中応力の影響長さＬｓを採用する。地中応力の影響長さＬｓは、図４（ａ）（ｂ）で示すように、地中応力の影響範囲Ａにおける鉛直方向の最長部に相当する。この地中応力の影響長さＬｓについて、発明者は以下の解析に基づいて、（地中応力の影響長さＬｓ/突出幅Ｄｎ）と拡径比Ｄｃとの間に、図９（ａ）で示すような関係があることを見出した。

【0036】

解析は、図９（ｂ）で示すような、拡径比Ｄ０の異なる４種類の節付き杭１が固結シルト中に埋設されている場合を想定し、節付き杭１における引抜き時の挙動についてＦＥＭによるシミュレーション解析を行った。なお、上向き円錐台部４２における傾斜面の極限摩擦力度は、無限大と仮定している。

【0037】

まず、節付き杭１に引抜き力を作用させ、節付き杭１の変位が節部径Ｄの１０％に達するときの節部４周辺地盤に生じる地盤の鉛直応力分布を求めた。次に、この分布に基づいて、鉛直応力が節部４の支圧力度の１０％に低下する位置までの距離を求め、この距離を地中応力の影響長さＬｓとした。

【0038】

その結果、拡径比Ｄｃが大きいほど地盤に対する節部４の載荷面積が大きくなり、地中応力の影響範囲Ａが広くなる傾向が認められた。そこで、地中応力の影響長さＬｓを突出幅Ｄｎで除した値と、拡径比Ｄｃとの関係をプロットしたところ、図９（ａ）で示すように、地中応力の影響長さＬｓを突出幅Ｄｎで除した値は、拡径比Ｄｃの増加に伴って減少し、ある一定値に収束することを見出した。

【0039】

この解析結果に基づき回帰分析を行って近似曲線を作成し、この近所曲線に、ＳＴＥＰ１で確認した節付き杭１の突出幅Ｄｎ及び拡径比Ｄｃを代入することにより、節付き杭１各々に対応した地中応力の影響長さＬｓを推定することとした。

【0040】

こうして推定した地中応力の影響長さＬｓと節部４の根入れ長Ｈとを比較して、地中応力の影響範囲Ａが地盤内に収まるか否かを検証する。

【0041】

≪引抜き抵抗力の評価工程：ＳＴＥＰ３－１≫
図４（ａ）で示すように、根入れ長Ｈが地中応力の影響長さＬｓより長い場合、地中応力の影響範囲Ａは地盤内に収まる。つまり、節付き杭１の引抜き時において、節部４がこれに抵抗する際、節部４近傍の地盤に節部４から地表面に到達するような破壊は発生しないものと推定できる。

【0042】

したがって、従来より節部４の根入れ長Ｈが十分確保されている場合に採用されている評価式を適宜採用し、節部４の引抜き抵抗力Ｆ（Ｆａ）を算定すればよい。なお、引抜き抵抗力Ｆ（Ｆａ）は、例えば以下の（１）式により算定できる。

【0043】

事例として挙げる（１）式は、節部４における円筒部４１の最外縁より鉛直上方向に、円筒面状のせん断面が形成されることを想定している。そして、このせん断面付近の地盤の極限せん断抵抗力度に基づいて、節部４が負担する引抜抵抗力Ｆ（Ｆａ）を評価する方法である。なお、（１）式の詳細は、特許４８５６９０３号公報に譲る。

【0044】

Ｆａ＝ｆ_si×Ａ_NP・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
Ａ_NP：せん断力を受ける円筒面の面積（ｍ²）
ｆ_si：せん断面付近の地盤の極限せん断抵抗力度（ｋＮ/ｍ²）

【0045】

≪引抜き抵抗力の評価工程：ＳＴＥＰ３－２≫
一方、地中応力の影響長さＬｓが根入れ長Ｈより長い場合、地中応力の影響範囲Ａが地盤内に収まらず、地表面に到達する。つまり、節付き杭１の引抜き時において、節部４がこれに抵抗する際、節部４近傍の地盤に節部４から地表面に到達するような破壊面Ｆｓが発生するものと推定できる。

【0046】

したがって、節部４の引抜き抵抗力Ｆは、破壊面Ｆｓが形成されたことにより節部４上に形成された抵抗土塊の重量と、抵抗土塊と破壊面Ｆｒのせん断抵抗力との和となる。ところで、前述した模型杭を用いた引抜き実験により、節部４から地表面に達する破壊面Ｆｓが発生した際の破壊形態は、図６（ｂ）（ｃ）で示すように、円筒形状もしくはコーン状の２通りがある。

【0047】

したがって、地中応力の影響範囲Ａが地表面に到達する場合の引抜き抵抗力Ｆは、図１０（ａ）で示すような、節部４上に節部径Ｄに基づく円筒形状の破壊土塊Ｃ１が形成される場合と、図１０（ａ）で示すような、コーン状の破壊土塊Ｃ２が形成される場合の各々で算定を行う。なお、コーン状の破壊土塊Ｃ２は、破壊面Ｆｒと軸部２と節部４の上向き円錐台部４２とにより囲まれた土塊である。

【0048】

節部径Ｄに基づく円筒形状の破壊土塊Ｃ１を想定した場合の引抜き抵抗力Ｆ（Ｆｒ）は、以下の（２）式で算定できる。また、コーン状の破壊土塊Ｃ２を想定した場合の引抜き抵抗力Ｆ（Ｆｃ）は、以下の（３）式で算定できる。

【0049】

Ｆｒ＝Ｗｇ＋Ｒｆ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）
Ｗｇ：節部直上の円筒形の土塊重量 (ｋＮ)
Ｒｆ：円筒状破壊時の円筒面のせん断抵抗力 (ｋＮ)

【0050】

Ｆｃ＝Ｗｇ＋Ｆｖ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
Ｗｇ：コーン状の土塊重量(ｋＮ)
Ｆｖ：コーン状破壊面のせん断抵抗力の鉛直成分 (ｋＮ)

【0051】

こうして上記の（２）式で算定した引抜き抵抗力Ｆ（Ｆｒ）と（３）式で算定した引抜き抵抗力Ｆ（Ｆｃ）とを比較し、数値の小さいものを節付き杭１の引抜き抵抗力Ｆとして採用する。

【0052】

上記のとおり、節部４の根入れ長Ｈと地中応力の影響範囲Ａに基づいて地中応力の影響範囲Ａが地表面に達するか否かを検証し、検証した結果に基づいて節部４の引抜き抵抗力Ｆを適切に評価することができる。これにより、従来では引抜き抵抗力Ｆを設計に考慮していなかった根入れ長Ｈの浅い節部４について、鉛直支持力だけでなく引抜き抵抗力を併せて設計に反映することが可能となる。

【0053】

また、節部４を、節つき杭１に作用する引抜き力に抵抗することを目的として設ける場合に、節部４の根入れ長Ｈを、要求される引抜き抵抗力Ｆの大きさに応じて設定でき、安全性と経済性を兼ね備えた合理的な節付き杭１の設計を行うことが可能となる。

【0054】

なお、本発明の引抜き抵抗力の評価方法は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能であることはいうまでもない。

【0055】

例えば、本実施の形態では節部４について、円筒部４１と上向き円錐台部４２と下向き円錐台部４３とを組みあわせた形状のものを採用した。しかし、その形状は、これに限定されるものではなく、いずれの形状の節部４であっても採用することが可能である。

【0056】

また、本実施の形態では、地中応力の影響長さＬｓを推定するにあたり、地盤が固結シルトである場合を事例に挙げて実験を行い、拡径比Ｄｃとの関係に係る近似曲線を示した。これら近似曲線は、節部４を設ける地盤の種類に対応させて適宜同様の実験を行って作成すればよい。こうすると、地盤が固結シルトではない場合にも、地中応力の影響長さＬｓを推定することが可能となる。

【符号の説明】

【0057】

１ 節付き杭
２ 軸部
３ 拡底部
４ 節部
４１ 円筒部
４２ 上向き円錐台部
４３ 下向き円錐台部
Ｇ１ 表層
Ｇ２ 中間層
Ｇ３ 支持層
Ｃ１ 破壊土塊（円筒形状）
Ｃ２ 破壊土塊（コーン状）
１’ 模型杭
２’ 軸部
４’ 節部
Ｇ’ 模型地盤

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】