特許 7609372 載荷試験方法および解析システム

(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】2024-12-23

(45)【発行日】2025-01-07

(54)【発明の名称】載荷試験方法および解析システム

(51)【国際特許分類】

   E02D 7/18 20060101AFI20241224BHJP

   E02D 1/00 20060101ALI20241224BHJP

   E02D 33/00 20060101ALI20241224BHJP

   E02D 7/24 20060101ALI20241224BHJP

   E02D 13/06 20060101ALI20241224BHJP

   G01N 3/40 20060101ALI20241224BHJP

【ＦＩ】

E02D7/18

E02D1/00

E02D33/00

E02D7/24

E02D13/06

G01N3/40 B

G01N3/40 C

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021057118

(22)【出願日】2021-03-30

(65)【公開番号】P2022154205

(43)【公開日】2022-10-13

【審査請求日】2024-02-05

(73)【特許権者】

【識別番号】000000549

【氏名又は名称】株式会社大林組

(73)【特許権者】

【識別番号】000219406

【氏名又は名称】東亜建設工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000001258

【氏名又は名称】ＪＦＥスチール株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】397009831

【氏名又は名称】株式会社ガンケン

(73)【特許権者】

【識別番号】516304562

【氏名又は名称】株式会社シーズエンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】稲積 一訓

(72)【発明者】

【氏名】田口 博文

(72)【発明者】

【氏名】松原 秀和

(72)【発明者】

【氏名】中島 通宏

(72)【発明者】

【氏名】西村 真二

【審査官】松本 泰典

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－３４２５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０６９９９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０３７８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１１０３５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１７８３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１７２１１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－１５３４９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－３３９９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０１７１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２００６－００９４８７９（ＫＲ，Ａ）

【文献】特開平０３－０９３９１５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０２Ｄ ７／１８

Ｅ０２Ｄ １／００

Ｅ０２Ｄ ３３／００

Ｅ０２Ｄ ７／２４

Ｅ０２Ｄ １３／０６

Ｇ０１Ｎ ３／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

振動機を用いて打設した鋼管杭の載荷試験方法であって、
前記振動機により鋼管杭を上下方向に振動させることで岩盤を粉砕するとともに前記鋼管杭の中空部を通じて前記鋼管杭の先端部にジェット水を供給して岩砕粉を除去しながら前記鋼管杭を打設し、
支持層に到達後に、前記ジェット水の供給を停止し、前記振動機を加力装置として用いて前記鋼管杭に振動を付与したときの前記鋼管杭の加速度を取得し、
前記取得した加速度を用いた除荷点法により、前記岩盤の地盤抵抗を算出する
載荷試験方法。

【請求項2】

振動機を用いて打設した鋼管杭の載荷試験方法であって、
前記振動機により鋼管杭を上下方向に振動させることで岩盤を粉砕するとともに前記鋼管杭の中空部を通じて前記鋼管杭の先端部にジェット水を供給して岩砕粉を除去しながら前記鋼管杭を打設し、
支持層に到達後に、前記ジェット水の供給を停止して前記鋼管杭の中空部にグラウト材を充填し、
前記充填されたグラウト材が未硬化状態にあるときに、前記振動機を加力装置として用いて前記鋼管杭に振動を付与したときの前記鋼管杭の加速度を取得し、
前記取得した加速度を用いて前記岩盤の地盤抵抗を算出する
載荷試験方法。

【請求項3】

振動機を用いて鋼管杭を上下方向に振動させることで岩盤を粉砕するとともに前記鋼管杭の中空部を通じて前記鋼管杭の先端部にジェット水を供給して岩砕粉を除去しながら打設された前記鋼管杭の載荷試験に用いられる解析システムであって、
前記ジェット水の供給を停止した状態で、前記振動機を加力装置として前記鋼管杭に付与された振動の加速度を計測する加速度計測器と、
前記加速度を用いた除荷点法により前記岩盤の地盤抵抗を算出する情報処理装置と、を備える
解析システム。

【請求項4】

振動機を用いて鋼管杭を上下方向に振動させることで岩盤を粉砕するとともに前記鋼管杭の中空部を通じて前記鋼管杭の先端部にジェット水を供給して岩砕粉を除去しながら打設された後に前記中空部にグラウト材が充填される前記鋼管杭の載荷試験に用いられる解析システムであって、
前記ジェット水の供給が停止状態、かつ、前記中空部に充填されたグラウト材が未硬化状態にあるときに、前記振動機を加力装置として前記鋼管杭に付与された振動の加速度を計測する加速度計測器と、
前記加速度を用いて前記岩盤の地盤抵抗を算出する情報処理装置と、を備える
解析システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、岩盤に打設された鋼管杭に対して実施する載荷試験方法、および、その載荷試験に用いられる解析システムに関する。

【背景技術】

【0002】

基礎杭の支持力を評価する載荷試験法としては、静的載荷試験法、動的載荷試験法、急速載荷試験法等が知られている。例えば、動的載荷試験法では、相対載荷時間Ｔｒが５以上５００未満の急速載荷試験、相対載荷時間Ｔｒが５未満の衝撃載荷試験を行なう。これらの載荷試験では、ハンマー打設機やモンケンを加力装置として使用する。

【0003】

また、岩盤への鋼管杭の打設工法として、ガンパイル工法（登録商標）が知られている。ガンパイル工法では、先端部が補強された鋼管杭が岩盤に直接打設される。具体的には、振動機を用いて鋼管杭を上下方向に振動させることで岩盤を粉砕するとともに鋼管杭の中空部を通じて鋼管杭の先端部にジェット水を供給し、岩砕粉を除去しながら鋼管杭を打設する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開平１０－１５３４９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、鋼管杭の近傍に計測孔を形成する工程が必要であるため、載荷試験に係る手間やコストが増加する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決する載荷試験方法は、振動機を用いて打設した鋼管杭の載荷試験方法であって、前記振動機により鋼管杭を上下方向に振動させることで岩盤を粉砕するとともに前記鋼管杭の中空部を通じて前記鋼管杭の先端部にジェット水を供給して岩砕粉を除去しながら前記鋼管杭を打設し、支持層に到達後に、前記ジェット水の供給を停止し、前記振動機を加力装置として用いて前記鋼管杭に振動を付与したときの前記鋼管杭の加速度を取得し、前記取得した加速度を用いて前記岩盤の地盤抵抗を算出する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、効率的に鋼管杭の載荷試験を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】載荷試験方法の一実施形態が適用される鋼管杭を打設している様子を模式的に示す図。

【図2】解析システムの概略構成を示すブロック図。

【図3】（ａ）鋼管杭の加速度の計測結果の一例を示すグラフ、（ｂ）加速度に基づく鋼管杭の速度を示すグラフ、（ｃ）加速度に基づく鋼管杭の変位を示すグラフ、（ｄ）振動機が鋼管杭に付与した荷重を示すグラフ、（ｅ）鋼管杭に対する地盤の反力の一例を示すグラフ、（ｆ）鋼管杭の変位と地盤抵抗との関係を示すグラフ、（ｇ）ＣＡＳＥ法における鋼管杭に対する地盤の反力の一例を示すグラフ、（ｈ）ＣＡＳＥ法における鋼管杭の変位と地盤抵抗との関係を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１～図３を参照して、載荷試験方法および解析システムの一実施形態について説明する。
図１に示すように、ガンパイル工法（登録商標）は、岩盤１１に対して、先端部が補強された中空状の鋼管杭１２を振動機１３で打設する。ガンパイル工法においては、振動機１３で鋼管杭１２に上下方向の振動を与えることで岩盤１１を粉砕する。これとともに、鋼管杭１２の内側に配設された供給路１４を通じて鋼管杭１２の先端部に低圧のジェット水を供給することで岩砕粉を除去しながら鋼管杭１２を打設する。本実施形態において、打設後の鋼管杭１２の中空部には、モルタルなどのセメント系材料からなるグラウト材が充填される。なお、必ずしも鋼管杭１２の中空部にグラウト材を充填しなくてもよい。

【0010】

本実施形態の載荷試験方法は、上述したガンパイル工法により打設された鋼管杭１２に対して、振動機１３を加力装置として用いて行われる。振動機１３を加力装置とすることで衝撃載荷試験に相当する載荷試験を行うことができる。

【0011】

振動機１３は、ボックス１５、把持部１６、および、振動駆動源１７を有している。
ボックス１５は、例えば、図示されないクレーンなどにより吊り下げられている。把持部１６は、ボックス１５の下端部に支持されている。把持部１６は、図示されない把持駆動源から駆動力が付与されることにより鋼管杭１２を把持する。振動駆動源１７は、ボックス１５内に収容されている。本実施形態の振動駆動源１７は電動式である。なお、振動駆動源１７は油圧式であってもよい。振動駆動源１７は、駆動されることにより把持部１６を上下方向に振動させることで鋼管杭１２を加力する。

【0012】

鋼管杭１２には、歪み計測器１８および加速度計測器１９が取り付けられている。歪み計測器１８は、振動機１３から振動を与えられたときの鋼管杭１２の歪みを計測する。加速度計測器１９は、振動機１３から振動を与えられたときの鋼管杭１２の加速度を計測する。これら歪み計測器１８および加速度計測器１９の計測値は、解析システム２０に入力される。解析システム２０は、振動機１３を加力装置として用いて行った鋼管杭１２の載荷試験を解析するシステムである。載荷試験は、鋼管杭１２の中空部にグラウト材が充填される前、あるいは、充填されたグラウト材が未硬化状態にあるときに行われる。

【0013】

図２に示すように、解析システム２０は、情報処理装置２１が主な構成要素とされている。
情報処理装置２１は、各種情報を取得し、その取得した各種の情報、および、メモリーに記憶したプログラムや各種のデータに基づいて各種の処理を実行する。情報処理装置２１は、ＡＳＩＣ等の１つ以上の専用のハードウェア回路、コンピュータプログラム（ソフトウェア）に従って動作する１つ以上のプロセッサ、或いは、それらの組み合わせ、を含む回路として構成し得る。プロセッサは、ＣＰＵ並びに、ＲＡＭ及びＲＯＭ等のメモリーを含み、メモリーは、処理をＣＰＵに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。メモリーすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスして利用可能なあらゆる媒体を含む。

【0014】

情報処理装置２１には、上述した歪み計測器１８および加速度計測器１９のほか、入力装置２２と表示装置２３とが電気的に接続されている。
入力装置２２は、キーボードやポインティングデバイス等を備える。入力装置２２は、各種情報や各種処理の実行指示等を情報処理装置２１に入力する。

【0015】

表示装置２３は、加速度計測器１９の計測値や情報処理装置２１が実行した各種処理の結果などを表示する。情報処理装置２１は、処理部２５およびデータ記憶部２６を有する。

【0016】

処理部２５は、各種処理を実行する。処理部２５は、入力装置２２において解析開始操作がなされると解析処理を実行する。
解析処理において、処理部２５は、解析開始操作から所定の一定期間、歪み計測器１８から入力される歪みε、および、加速度計測器１９から入力される加速度ａを、その取得タイミングごとに関連付けてデータ記憶部２６に記憶する。処理部２５は、その記憶した歪みεおよび加速度ａを用いて、岩盤１１の地盤抵抗Ｒｓｏｉｌを算出する。本実施形態の処理部２５は、岩盤１１の静的抵抗成分Ｒｗを除荷点法により算出し、その算出した静的抵抗成分Ｒｗを地盤抵抗Ｒｓｏｉｌとして算出する。

【0017】

除荷点法を用いた静的抵抗成分Ｒｗの算出方法について説明する。
鋼管杭１２に対して荷重Ｆが作用したとき、その荷重Ｆの反対方向へ、鋼管杭１２の慣性抵抗成分Ｒａ（＝鋼管杭１２の質量Ｍ×加速度ａ）、鋼管杭１２の先端部が岩盤１１から受ける静的抵抗成分Ｒｗおよび動的抵抗成分Ｒｖが生じる。一方、荷重Ｆによって下方へと変位した鋼管杭１２が岩盤１１に跳ね返されるとき、その鋼管杭１２は、静止状態にある。すなわち、動的抵抗成分Ｒｖが発生しない。こうしたことから、荷重Ｆから慣性抵抗成分Ｒａを減算した値を岩盤１１からの反力Ｆｓｏｉｌとすると、鋼管杭１２の最大変位時における反力Ｆｓｏｉｌが静的抵抗成分Ｒｗとなる。

【0018】

（載荷試験の手順）
載荷試験の手順について説明する。載荷試験に先立ち、情報処理装置２１には、入力装置２２を通じて鋼管杭１２に関する対象情報が入力される。対象情報は、鋼管杭１２のヤング率のほか、内径や外径、質量Ｍなど、鋼管杭１２の機械的な特性を示す情報である。情報処理装置２１の処理部２５は、入力された対象情報をデータ記憶部２６に記憶する。

【0019】

載荷試験は、支持層に到達する所定の深度まで鋼管杭１２を打設したのち、ジェット水の供給を停止させた状態で行われる。載荷試験においては、まず、振動機１３が駆動されたのち、入力装置２２で解析開始操作がなされる。このように鋼管杭１２の打設に使用していた振動機１３を鋼管杭１２に荷重Ｆを付与する加力装置として用いることで、例えばモンケンなど、試験のための加力装置が不要となる。

【0020】

入力装置２２において解析開始操作がなされると、情報処理装置２１の処理部２５は、解析処理を開始する。解析処理において、処理部２５は、歪みεと加速度ａとをデータ記憶部２６に記憶する。そして、処理部２５は、データ記憶部２６に記憶された歪みεと鋼管杭１２のヤング率とに基づいて、各取得タイミングにおける鋼管杭１２に作用する荷重Ｆを算出する、そして、処理部２５は、その荷重Ｆ、鋼管杭１２の質量Ｍ、および、加速度ａを用いた除荷点法により静的抵抗成分Ｒｗを算出する。

【0021】

図３（ａ）～図３（ｆ）は実際に行った載荷試験の結果の一例を示すグラフである。
図３（ａ）に示すように、載荷試験において得られた加速度ａは、短時間で大きく変化するスパイク的な挙動を示す。こうした加速度ａのスパイク的な挙動は、岩盤１１に打設された鋼管杭１２に振動機１３を加力装置として用いることによって得られるものである。図３（ａ）では、下向きの加速度ａがマイナス値で示されている。

【0022】

図３（ｂ）に示すように、速度は、加速度ａを積分した値であることから、加速度ａよりもなだらかな挙動を示す。
図３（ｃ）に示すように、変位は、速度を積分した値であることから、速度よりもなだらかな挙動を示す。

【0023】

図３（ｄ）に示すように、荷重Ｆは、加速度ａほどではないが速度および変位よりもスパイク的な挙動を示す。
図３（ｅ）に示すように、岩盤１１からの反力Ｆｓｏｉｌは、加速度ａと同じようなスパイク的な挙動を示す。

【0024】

図３（ｆ）は、岩盤１１からの反力Ｆｓｏｉｌを地盤抵抗として、地盤抵抗と鋼管杭１２の変位との関係を示すグラフである。図３（ｆ）では、下方への変位量をプラスで示している。地盤抵抗は、図３（ｄ）に示すように、反力Ｆｓｏｉｌから鋼管杭１２の慣性抵抗成分Ｒａ（＝鋼管杭１２の質量Ｍ×加速度ａ）を減算した値であることから、加速度ａと同じようなスパイク的な挙動を示す。そして、最大変位時における最大値が静的抵抗成分Ｒｗ、すなわち地盤抵抗Ｒｓｏｉｌとして算出される。

【0025】

こうした地盤抵抗Ｒｓｏｉｌを算出する別の手法としてＣＡＳＥ法が知られている。ＣＡＳＥ法は、入力波および反射波を計測し、その計測した入力波および反射波に基づいて地盤の全抵抗（静的抵抗成分Ｒｗ＋動的抵抗成分Ｒｖ）を算出する。そして、その全抵抗から動的抵抗成分Ｒｖを分離した静的抵抗成分Ｒｗを地盤抵抗Ｒｓｏｉｌとして算出する手法である。

【0026】

図３（ｇ）には、図３（ａ）に示した加速度ａをＣＡＳＥ法に適用して算出された岩盤１１の反力Ｆｓｏｉｌを示す。また、図３（ｈ）には、地盤抵抗と鋼管杭１２の変位量との関係を示す。図３（ｇ）は図３（ｅ）と同じスケール、図３（ｈ）は図３（ｆ）と同じスケールで示している。

【0027】

図３（ｇ）および図３（ｈ）に示すように、ＣＡＳＥ法においては、反力Ｆｓｏｉｌおよび地盤抵抗の挙動は、上記解析処理によって得られる反力Ｆｓｏｉｌおよび地盤抵抗よりもなだらかなであった。これは、動的抵抗成分Ｒｖが鋼管杭１２の速度を用いて算出されるため、加速度ａのスパイク的な挙動を反映することができないからである。その結果、ＣＡＳＥ法によって算出される地盤抵抗Ｒｓｏｉｌは、上記解析処理によって算出される地盤抵抗Ｒｓｏｉｌよりも小さな値となった。

【0028】

本発明者らは、上記解析処理によって算出された地盤抵抗Ｒｓｏｉｌについて、ＣＡＳＥ法とは別の手法で算出された地盤抵抗Ｒｓｏｉｌとの比較を行った。具体的には、ＰＤＡ（Ｐｉｌｅ Ｄｒｉｖｉｎｇ Ａｎａｌｙｚｅｒ）を用いて算出された地盤抵抗Ｒｓｏｉｌとの比較を行った。ＰＤＡは、衝撃載荷試験システム（Ｐｉｌｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｉｎｃ．製）であり、地盤抵抗Ｒｓｏｉｌを高い精度のもとで算出することができるシステムである。比較した結果、上記解析処理で算出される地盤抵抗ＲｓｏｉｌがＰＤＡで算出される地盤抵抗と略等しいことが確認された。

【0029】

本実施形態の効果について説明する。
（１）上述した載荷試験方法は、振動機１３を用いて打設した鋼管杭１２の載荷試験方法であって、鋼管杭１２を上下方向に振動させることで岩盤１１を粉砕するとともに鋼管杭１２の中空部を通じて鋼管杭１２の先端部にジェット水を供給して岩砕粉を除去しながら鋼管杭１２を打設し、支持層に到達後に、ジェット水の供給を停止し、振動機１３を加力装置として用いて鋼管杭１２に振動を付与したときの鋼管杭１２の加速度を取得し、その取得した加速度を用いて岩盤１１の地盤抵抗Ｒｓｏｉｌを算出する。

【0030】

これにより、例えばモンケンなどの加力装置を鋼管杭１２に取り付ける工程や鋼管杭１２の近傍に計測孔を形成する工程などが不要となる。その結果、載荷試験に係る手間やコストを抑えることができる。また、取り付けられる加力装置を待機させるスペースも必要ないため、現場のスペースを有効利用することができる。

【0031】

（２）上述した載荷試験方法では、鋼管杭１２の加速度ａを用いた除荷点法により、地盤抵抗Ｒｓｏｉｌを算出する。これにより、岩盤１１の地盤抵抗Ｒｓｏｉｌを高い精度のもとで算出することができる。

【0032】

（３）鋼管杭１２の中空部に未硬化状態のグラウト材があったとしても、鋼管杭１２の振動がそのグラウト材に与える影響が小さい。このため、上述した載荷試験方法は、鋼管杭１２の中空部に充填されたグラウト材が未硬化状態にあるときに行ってもよい。すなわち、載荷試験工程とグラウト材充填工程とを同時期に行ってもよい。これにより、載荷試験に係るコストをより抑えることができる。

【0033】

以上、本発明に係る載荷試験方法および解析システムの一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0034】

・載荷試験を行うタイミングは、グラウト材の充填前であってもよいし、グラウト材の硬化後であってもよい。
・地盤抵抗Ｒｓｏｉｌの算出方法は、加速度計測器１９が計測したスパイク的な挙動を示す加速度ａそのものを用いて地盤抵抗Ｒｓｏｉｌを算出する方法であればよく、除荷点法に限られない。

【符号の説明】

【0035】

１１…岩盤、１２…鋼管杭、１３…振動機、１４…供給路、１５…ボックス、１６…把持部、１７…振動駆動源、１８…歪み計測器、１９…加速度計測器、２０…解析システム、２１…情報処理装置、２２…入力装置、２３…表示装置、２５…処理部、２６…データ記憶部

【図1】

【図2】

【図3】