１．はじめに
既製コンクリート杭は，長い間，仕様規定による 接合詳細を設計上は回転固定として扱ってきた経緯 があり，回転剛性のみならず，曲げ耐力，変形性能 に関する情報が乏しいのが現状である。一方，基礎 の合理化を目的として杭頭接合部の回転剛性を低減 させる工法が数多く開発されている。一般的には杭 頭半剛接合工法と呼ばれており，杭基礎建物に地震 力が作用した際の杭頭部の曲げモーメントを，杭頭 固定状態に比べて低減させる効果がある。その反面， 杭頭部の水平変位や地中部の曲げモーメントが増え ることとなり，杭頭部，杭材の変形能や曲げ耐力の 評価が重要となる接合技術である。 本工法（SRパイルアンカー工法，Semi-Rigid Pile Anchor）は，杭頭接合筋として定着板を取り付けた 丸鋼を用いる工法で，特別なデバイスを用いること なく半剛接合を簡易に実現する杭頭接合工法である。 本工法の外観を図1に示す。防錆処理を施した丸鋼 の先端に定着板を取り付けた定着筋（アンボンドア ンカーと称す）を既製コンクリート杭の端板にねじ 込みまたはスタッド溶接で設置する。アンボンドア ンカーが水平力を受けた際に伸び，それで生じる杭 頭部の回転変形により杭頭の曲げモーメントを杭頭 固定の場合に比べて減じることができる。 キ ー ワ ー ド ： 既 製 コ ン ク リ ー ト 杭 ／ 杭 頭 接 合 部 ／ 回 転 剛 性 ／ 杭 頭 接 合 筋 ／ 丸 鋼Semi-rigid Connection System for Pile Head Condition on Pre-cast Concrete Piles
既製コンクリート杭杭頭部の半剛接合工法
要 旨
基 礎 の 合 理 化 を 目 的 と し た 杭 頭 接 合 部 が 多 く 開 発 さ れ て い る 。 当 社 で も 既 製 コ ン ク リ ー ト 杭 を 対 象 と し た 杭 頭 半 剛 接 合 工 法 で あ る SR パイルアンカー工法の技術を導入し，共同開 発 を 進 め て い る 。 こ の 度 ，SR パイルアンカー工法による SC 杭杭頭接合部の構造実験，施工 性 実 験 に よ り ，SC 杭 に お い て も 半 剛 接 合 が 実 現 し ， 安 全 に 設 計 ， 施 工 が 可 能 で あ る こ と を 実 証 し た 。 こ れ に よ り 全 種 類 の 既 製 コ ン ク リ ー ト 杭 に 本 工 法 の 適 用 が 可 能 と な っ た 。 こ こ で は ，SC 杭への適用に際して実施した構造実験，施工性実験について報告する。Abstract
A number of pile head connection systems have been developed to provide a rational foundation. A new method has been introduced to our company to improve these systems. We conducted structural experiments and a constructional experiment on a new pile head connection system called SR-pile-Anchor-System for SC-piles and confirmed that this system can be applied to not only PHC piles but also SC-piles. This paper presents details of the structural experiment and the constructional experiment.
根本 恒* 崎浜 博史* 森 清隆* 八ツ繁 公一**
SRパイルアンカー工法
by Hisashi NEMOTO, Hirofumi SAKIHAMA, Kiyotaka MORI and Koichi YATSUSHIGE Semi-Rigid pile anchor system
* 技 術 研 究 所 振 動 基 礎 研 究 室 ** 技 術 研 究 所 所 長
図1 SRパイルアンカー工法の外観 杭頭接合部の回転剛性を低減させる工法を実際の 建物に用いる場合には，接合部の曲げ耐力，剛性の 評価が重要である。特に杭頭に加わる軸力が回転剛 性に影響するので，軸力を考慮した解析評価モデル の構築が不可欠である。本工法は単純な回転機構に より，断面曲げ解析を応用した解析で簡易に接合部 の モ ー メ ン ト ～ 回 転 角 関 係 の 評 価 が 可 能 で あ り[1]， その結果，簡易な設計手法が提案されている。 こ の 度 ，SRパ イ ル ア ン カ ー 工 法 に よ る SC杭 杭 頭 接 合 部 の 構 造 実 験 ， 施 工 性 実 験 に よ り ，SC杭 に お い て も 半 剛 接 合 が 実 現 し ， 安 全 に 設 計 ， 施 工 が 可 能 で あ る こ と を 実 証 し た 。 こ れ に よ り 全 種 類 の 既 製 コ ン ク リ ー ト 杭 （PHC杭 ，PRC杭お よ び SC 杭 ） に 本 工 法 の 適 用 が 可 能 と な っ た 。 こ こ で は ， SC杭 杭 頭 接 合 部 の 水 平 加 力 実 験 を 行 い ， そ の 挙 動 を 検 討 し た 結 果 ， お よ び カ プ ラ ー の 取 り 付 け 方 法 の 妥 当 性 を 検 討 し た 施 工 性 実 験 の 結 果 に つ い て 報 告 す る 。
２．水平加力実験
アンボンドアンカーを SC 杭杭頭部に接合する方 法を，ⅰ）端板に取り付ける方法（ねじ込み式とス タッド溶接式），ⅱ）SC 杭の外殻鋼管を利用し，そ の周囲に溶接で取り付けたカプラーにねじ込む方法， の２種類としている。それぞれの方法について水平 加力実験を実施した。本実験の目的は SR パイルア ンカー工法による杭頭接合部の回転剛性，曲げ耐力， 変形性能を確認することである。 2.1 試験体 試験体は，№1 がアンボンドアンカーの接合をね じ込みとしたもの，№2 がカプラーを介したもの， の２体である。ここで，SC 杭の端板には PHC 杭に あるようなプレストレスを加える PC 鋼材が取り付 けられていないので，端板を介して杭体に伝達され るアンボンドアンカー引張力の伝達要素が不足する こととなる。そこで，SC 杭の端板に接続して杭体 コンクリート内部に定着させる杭中アンカー筋と称 する異形鉄筋を設置している。カプラー式の場合は， カプラーを SC 杭の外殻鋼管に溶接しており，アン ボンドアンカーの引張力はカプラーを介して外殻鋼 管に伝達される機構である。試験体の諸元を表 1 に 示す。また，各試験体の概要を図 2 に示す。 使用材料は以下である。 定 着 筋 に はSNR490B（ M27-φ 24.88）， 定 着 板 に はSM490A（65×65，t=22）を用いた。パイルキャ ップのコンクリートには，普通コンクリート（普通 セメント，配合強度30N/mm2）を用いた。 試 験 体 に 用 い たSC 杭 は ， 高 強 度 コ ン ク リ ー ト （Fc=105N/mm2），外殻鋼管にはSKK490相当（厚さ 6mm），端板にはSM400A（厚さ19mm）を用いた。 パイルキャップに用いたコンクリートの力学的特 性を表2に，鉄筋および鋼材の力学特性を表3に示す。 2.2 加力および測定方法 加力装置を図3に示す。試験体は杭頭部が下にな るように上下を逆転させ，パイルキャップを反力床 にPC鋼棒で固定した片持ち梁形式である。水平荷 重をパイルキャップ側と反対の杭体端部に加えるこ とで，杭頭接合部に曲げモーメントを生じさせてい る。本実験では，軸力は導入せず正負の水平力を加 えることとした。表4に示す加力サイクルに従って， 杭頭回転角で加力を制御した。 表4 加力サイクル 荷重段階 回転角(rad) 繰り返し回数 P1 ±1/1000 1 P2 ±1/500 1 P3 ±1/400 1 P4 ±1/200 2 P5 ±1/100 2 P6 ±2/100 2 P7 ±3/100 2 P8 ±5/100 1 P9 終局状態まで・ 表1 試験体の諸元（SC杭，外殻鋼管厚6mm） 杭径 (mm) 定着筋 定着長 定着板(mm) №1 （ねじ込み式） 500 16-M27 25φ 65×65,t=22 0 №2 （カプラー式） 500 14-M27 25φ 65×65,t=22 0 アンボンドアンカー 加力時 軸力(kN) 試験体名 圧縮強度 ヤング係数 (N/mm2) (N/mm2) №1 28日 34.7 30.4 №2 35日 36.3 31.6 試験体 材齢 表3 鉄筋および鋼材の力学的性質 降伏応力 引張強さ ヤング係数 伸び (N/mm2) (N/mm2) (N/mm2) (％) 定着筋 SNR490B 388 534 204 30.1 異形棒鋼 SD345 393 554 188 21.1 端板 SM400 246 434 205 38.4 外殻鋼管 SKK490 516 604 205 23.9 規格 部材名 加力方向 加力方向 試験体平面図 試験体立面図 1,030 2, 900 1,900 100 1,900 1,3 00 SR専用端板 SM400 t=19mm SRパイルアンカー SNR490B 16-M27-φ24.88 PCD450mm 90 35 62 5 900 SC杭 φ500 Fc105 杭中アンカー筋 9-M24-D25 PCD420mm 外殻鋼管SKK490 φ500 ts=6mm 340 500 2, 900 1,900 1,900 1,3 00 SR用カプラー SM490A M27 50×50×110 SRパイルアンカー SNR490B 12-M27-φ24.88 PCD550mm 900 340 500 SC杭 φ500 Fc105 外殻鋼管SKK490 φ500 ts=6mm №1 №2 図 2 試験体概要 加力装置側面図 加力装置正面図 加力方向 1500kN ｼﾞｬｯｷ 1900 20 00 90 0 29 00 90 0 図 3 加力装置概要図 表2 パイルキャップコンクリートの力学的性質
測定方法は以下である。 ・荷重の測定方法 ロードセルにより水平荷重を測定した。水平荷重 の測定値を用いて，杭頭曲げモーメントM，および せん断力Qを求めた。 ・杭頭回転角の測定方法 杭頭回転角θは，杭頭部のパイルキャップ面近傍 に取り付けた1対の杭体最外縁鉛直方向変位計の測 定値δ1およびδ2とその水平距離Lから，式（1）に より求めた。図4に模式図を示す。 θ=(δ2－δ1)／L （1） L 60 100 鉛直変位δ1 鉛直変位δ2 図4 杭頭回転角の算出 2.3 実験結果 a. 概要 表5，表6に実験結果の一覧を示す。 No.1の最大せん断力，最大曲げモーメントは，杭 頭回転角θ=±1/100の1サイクル目に生じており， 最終回転角時θ=+7/100に至ってもこれを上回るこ とはなかった。 No.2ではθ=±1/100の1サイクル目をピークに， その後のサイクルでは耐力が低下するものの，最終 段階θ=±5/100ではθ=±1/100(1)を上回る耐力とな った。 破壊モードは№1，№2ともに杭頭接合部の曲げ破 壊であった。 No.1試験体の加力状況を写真1に，破壊状況を写 真2に，パイルキャップのひび割れ状況を図5に示す。 No.2試験体についても同様に写真3，写真4，図6に 示す。 No.1では，θ=2/100の加力サイクルにおいてパイ ルキャップ表面に杭体を中心とした円周上にひび割 れが発生した。θ=3/100の加力サイクルでひび割れ が顕著に増加し，以降の加力サイクルでは細かいひ び割れと，剥離したコンクリートの浮き上がり量が 増えていることが目視にて確認された。最外縁定着 筋の引張降伏は，杭頭回転角θ=1/100の加力サイク ルであった。定着筋が引張降伏したあとは，杭頭接 合部の曲げ剛性が低下するとともに，パイルキャッ プのひび割れ，損傷が増大した。 No.2では，θ=1/100のサイクルにおいて杭体を中 心とした円周上にひび割れが発生した。θ=2/100の 加力サイクルでひび割れが顕著に増加し，以降のサ イクルではNo.1同様に細かいひび割れと剥離したコ ンクリートの浮き上がり量が増えていることが目視 にて確認された。No.2ではθ=1/100の段階からひび 割れが顕著に増加したのは，カプラーが鋼管の外側 に取り付けられており，パイルキャップのコンクリ ートに及ぼす影響が大きかったことによると考えら れる。 b. 杭頭曲げモーメントと杭頭回転角の関係 杭 頭接 合 部の 曲げ モ ーメ ント(M)～回転角(θ)関 係を，実験値と計算値で比較する。計算値は材料の 非線形性を考慮し平面保持を仮定した断面曲げ解析 から求まる杭頭接合部の曲げモーメント，中立軸位 置および定着筋のひずみ度を式（2）に代入して求 める[1]。 θ=Δb／(Dp／(2+ｒs－Ｘn0)，Δb=ε･Ｌb （2） ここで，Dp:杭径，ｒs;杭芯から定着筋までの距離， Ｘn0:圧縮縁から中立軸までの距離，ε:引張側最外 縁の定着筋のひずみ度，Ｌb:定着筋の埋め込み長さ である。回転機構の概念図を図7に示す。 図7 回転機構の概念図 断面解析では，杭頭接合部の断面積は杭体の円環 部とし（有効断面積），コンクリートは圧縮強度の 割り増しを考慮したｅ関数法に準じ（φc=3），定着 筋は完全弾塑性型としてモデル化した。
表5 実験結果（№1） せん断力 曲げﾓｰﾒﾝﾄ 回転角 (kN) (kN･m) (rad) ＋ 323 679 0.0076 － 302 633 0.0064 ＋ 341 715 0.0102 － 340 714 0.0101 加力 方向 定着筋 降伏時 最大値 破壊 モード 接合部 曲げ破壊 写真1 加力状況（№1） 写真2 破壊状況（№1） θ＝－5/100 図5 パイルキャップのひび割れ状況（№1） 表6 実験結果（№2） せん断力 曲げﾓｰﾒﾝﾄ 回転角 (kN) (kN･m) (rad) ＋ 272 570 0.0063 － 282 592 0.0056 ＋ 320 671 0.0501 － 323 677 0.0501 加力 方向 破壊 モード 定着筋 降伏時 接合部 曲げ破壊 最大値 写真3 加力状況（№2） 写真4 破壊状況（№2） θ＝－5/100 図6 パイルキャップのひび割れ状況（№2）
図 8に 実 験 よ り 得 ら れ た 杭 頭 曲 げ モ ー メ ン ト(M)と 杭頭回転角(θ)の関係を計算値と併せて示す。図中 には最外縁の定着筋が降伏した実験値を降伏曲げモ ーメント(My)として，丸印で示している。各図より 杭頭 曲げ モ ーメ ント(M)－杭頭回転角(θ)関係にお ける実験値と計算値は良い対応を示すことがわかる。 c. 許容曲げモーメントおよび終局曲げモーメント の評価 杭頭接合部の降伏曲げモーメントの計算値(cMy) と実験値(My)の比較を図9に示す。また，併せて終 局曲げモーメント(cMu)と実験における最終加力サ イクル（θ=±5/100）時の最大曲げモーメント(Mu) の比較を示す。 降伏曲げモーメントは，正側，負側ともに計算値 より 最大 で1.5倍程度大きい結果であった。また， 終局曲げモーメントの計算値は実験値を安全側に評 価していることが確認できた。 d. ひずみ度分布 定着筋のひずみ度を杭体断面方向の分布として示 したものが図10である。端板から50mmに位置する ひずみゲージの値で，荷重段階は定着筋が引張降伏 したときである。上記の断面曲げ解析により求めら れる中立軸位置を併せて示す。同図より，定着筋の 断面方向のひずみ度分布はほぼ直線となっている。 また，杭頭部に取り付けた変位計から求まる回転中 心位置を示しているが，実験による回転中心と計算 による中立軸が良い対応を示していることが確認で き る 。 以 上 よ り ，SC杭の端板に定着筋を接合した 場合，杭頭部に取り付けたカプラーに定着筋を接合 した場合ともに，定着筋のひずみ分布を平面保持仮 定として評価できることが確認できた。 e. 定着筋の付着力 杭 頭 回転 角 が±1/400時点と定着筋の降伏直前に おける，引張側最外縁の定着筋の定着筋軸方向ひず み度分布を№1について図11に示す。№2でも同様の ひずみ度分布であった。図より，定着筋の軸方向の ひ ず み 度 分 布 は ほ ぼ 一 様 で あ り ，SC杭の端板に定 着筋を接合した場合，およびカプラーを介して接合 した場合においても，定着筋とパイルキャップのコ ンクリート間に付着応力がほとんど生じないことが 確認できた。 f. 杭中アンカー筋による荷重伝達 試験体No.1の定着筋を端板に接合する場合は，定 着筋から杭中アンカー筋を介した外殻鋼管への荷重 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 接合部回転角θ（rad） 接合部曲げ モー メ ン ト M （kN m ） M-θ実験値 M-θ解析結果 定着筋引張降伏 図8 杭頭の曲げモーメント～回転角関係 0 200 400 600 800 1000 0 500 1000 計算値cMy, cMu (kNm) 実験値M y, M u ( kN m ) No.1降伏曲げモーメント No.2降伏曲げモーメント No.1終局曲げモーメント No.2終局曲げモーメント -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 接合部回転角θ（rad） 接合部曲げ モー メント M （kN m ） M-θ実験値 M-θ解析結果 定着筋引張降伏 №１ №２ -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 -300 -100 100 300 杭中心からの距離（mm） 定着 筋ひず み （ × 1 0 -6 ） No.2 図10 定着筋降伏時の歪み度分布 図 11 定着筋のひずみ度分布 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 -300 -100 100 300 杭中心からの距離（mm） 定着筋ひず み （ × 10-6） 降伏時 降伏ひずみ 中立軸解析 回転中心 No.1 図9 降伏曲げモーメント，終局曲げモーメントの比較 0 100 200 300 400 500 600 700 0 1000 2000 3000 4000 定着筋ひずみ（×10-6） 端板からの距離（ m m ） No.2 0 100 200 300 400 500 600 700 0 1000 2000 3000 4000 定着筋ひずみ（×10-6） 端板 からの 距 離 （ m m ） θ=+1/400 θ=-1/400 正加力降伏時 負加力降伏時 降伏ひずみ No.1
伝達を意図している。ここで，定着筋降伏時におけ る杭中アンカー筋と鋼管の鋼管断面方向のひずみ度 分布を図12に示す。正の値が引張ひずみで，端板か ら250mmお よ び 850mmの 距 離 に お け る 断 面 内 の 分 布 を 示 し て い る 。250mm位 置 で は 鋼 管 の ひ ず み 分 布に対して杭中アンカー筋のひずみは若干引張側に シ フ ト し て い る が ， 端 板 か ら 遠 い850mmで は 杭 中 アンカー筋のひずみが減少する傾向にある。これは， 定着筋の引張力が端板を介して杭中アンカー筋へ伝 わり、その後コンクリートとの付着によりその引張 力が減少するためと推察される。 また，杭中アンカー筋のひずみ分布から求めた付 着応力度によれば，杭中アンカー筋の全長にわたっ て付着応力が発生し，最大値は端板に近い位置で生 じる。杭中アンカー筋降伏時における付着応力度は 最大で7N/mm2程度 生じ ている が， これは 短期 許容 付着応力度を下回っている。すなわち，定着筋が降 伏に至るまで杭中アンカー筋は降伏せず，杭体コン ク リ ー ト と の 付 着 を 介 し て 定 着 筋 か ら の 荷 重 をSC 杭本体に伝達できていると考えられる。 2.4 考察 SRパイルアンカー工法のアンボンドアンカーを SC杭杭頭部に接合する方法として，端板に取り付 ける方法（ねじ込み式）と外殻鋼管の周囲に取り付 けたカプラーにねじ込む方法で杭頭接合部の水平加 力実験を実施し，その回転剛性，曲げ耐力，変形性 能等を検討した結果，以下の知見を得た。 ・端板へのねじ込み式，カプラー式ともに，試験体 の破壊モードは定着筋の降伏による杭頭接合部の曲 げ破壊であることが確認された。 ・平面保持を仮定した断面曲げ解析により得られる 杭頭 曲げ モ ーメ ント(M)－杭頭回転角(θ)関係は， 実験値とよい一致を示すことが確認された。 ・杭頭接合部の降伏曲げモーメントおよび終局曲げ モーメントの計算値は，実験値を安全側に評価して いることが確認された。 ・定着筋とパイルキャップコンクリートとの間には 付着力がほとんど生じないことが確認された。 ・端板へのねじ込み式における杭中アンカー筋は， 定 着 筋 か ら の 荷 重 をSC杭本体に伝達できることが 確認された。
３．施工性実験
本 工 法 をSC杭へ適用する場合のアンボンドアン カ ー の 取 り 付 け 方 法 の う ち カ プ ラ ー 式 はSC杭の外 殻鋼管を利用する方法で，カプラーは外殻鋼管への 現場溶接での取り付けとなる。最近では既製コンク リート杭の許容鉛直支持力の増大とともに杭径が細 くなり，SC杭1本当たりの水平力の負担が大きくな っている。その結果，杭頭固定工法における接合筋 の径，本数が増え，現場溶接の信頼性が乏しいのが 現状である。本工法では，半剛接合による曲げモー メントの低減の結果，接合筋の本数が減ることで施 工性の向上が図られるが，さらに確実な現場溶接と するための施工管理方法を採用している。これらの 妥当性を検証するために，実際に打設された現位置 のSC杭に対して施工性実験を実施した。 3.1 試験手順 カプラー式の杭頭部を図13に示す。接合筋の取り 付け時は杭頭部が掘削により露出した直後で，パイ ルキャップの形状が掘削範囲となる場合がほとんど で，溶接工の背後は地山である。このような現場の 図 12 杭中アンカー筋と外殻鋼管のひずみ度分布 -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 -300 -100 100 300 杭中心からの距離（mm） ひ ず み（ ×1 0 -6 ） 正加力時外殻鋼管 負加力時外殻鋼管 正加力時杭中ｱﾝｶｰ筋 負加力時杭中ｱﾝｶｰ筋 端板から250mm -2000 -1500 -1000 -500 0 500 1000 1500 2000 -300 -100 100 300 杭中心からの距離（mm） ひ ず み（ ×1 0 -6 ） 端板から850mm状況では溶接姿勢への制約が大きく，杭頭部を露出 させる掘削範囲を規定する必要がある。 本工法では，溶接工の作業空間を確保するために 次ぎの規定を定めた。 ・ 平 面 的 に 杭 周 面 か ら600mm以 上 の 距 離 を 確 保 す る。 ・ 深 さ は カ プ ラ ー 下 端 か ら100mm以 上 を 確保 す る 。 ・カプラー間のあきは45mm以上とする。 この状況を模擬した試験体での溶接施工性実験を写 真5に示す。パイルキャップ周りの背後の地山は， 合板を立てて模擬した。溶接終了後に溶接検査でそ の適性を判定した。 3,2 実験結果 設定した施工環境でのカプラー溶接の検査結果は， 取り付け位置，溶接ののど厚，溶接長さ，仕上がり において所定の品質を満足するものとなった。写真 6にアンボンドアンカー取り付け後のSC杭杭頭を示 す。 3.3 考察 施工性実験により，溶接の品質を確保するための 適切な作業空間を設定し，適切な溶接姿勢の確保， 溶接性能の確保が確実に行えることを確認した。
