【論 文
I
UDC ：624．
155 ：624．
04 日本 建築 学 会 構 造 系 論 文 報 告 築 第 376 号・
昭和’
62 年 6月軸 力
と
水 平 力
を
受
け
る
高
強
度
PC
杭
の
力学
的性状
に
関
す
る
実験
高 強度
PC
杭
の耐 力変 形性 能 向
上に関
する研 究
（
1
）
正 会 員 正 会 員 正 会 員 正 会 員 正 会 員黒
和
小
光
上
正 田林
木
田清
克
史
邦
治
＊章
＊ ＊ 巳＊ ＊＊朗
＊ ＊＊ ＊成
＊ ＊＊ ＊ ＊1．
序 論 い わゆる新 耐 震 設 計 法が施 行さ れ，
上部 構 造の設 計で は，
変 形 能 力に応じ て そ の建 物の持つ べき保 有 耐 力の値 を 変化 させ るとい う考え方が定 着 してきてお り，
上 部構 逧の柱，
特に鉄 筋コ ン ク リー
ト造の柱で は終 局 状 態にお い て も軸 力 を 保 持でき るよ うに，
ぜい性 的 破 壊を防ぐべ きであ る とい う考え方が共 通認 識 と なっ て い る。一
方，
杭 基 礎 構 造で は許 容応 力度に よ る設 計 方針 が 示 さ れ た段 階であ り， 地 盤の性 質も考慮しつ つ ， 杭が上部 構造 と∴ 体の もの であ る とい う考え方の も とで， 耐 力だ け で な く 変 形 性 状 も考 慮し た設 計 法はま だ確 立さ れて いないのが 現状で ある。
これ ま で， 直 接， 地 震 被 害 調 査の及 ば ない部 分であっ たこ と も あり， 下 部 構 造に関する地 震 被 害 報 告は少ない が，1978
年の宮城 県沖地 震】｝−
3｝，
1982 年の浦河沖地 震4 〕，
1983
年の日本 海中部地震5等で は杭の被 害が報告さ れ て い る。 以来，
現状の高 強度PC
杭 （PHC
杭 ）に水 平 力 が加わっ た場 合， 変 形 能 力の 乏しいぜい性 的 破 壊を 起こ す 恐 れ の あ ること は，
実 験 的に も 証 明 さ れe〕 ，PHC
杭 の変 形 性 能 改 善の必 要 性が生じ，
具体 的な提 案が され て き た7 ）・
8 ｝。
杭にどの く らい の変 形 能 力が要 求さ れる か は，
上部 構 造および地 盤との関 係で一
義 的には定ま ら ないが，
変形 に よ るエ ネル ギー
吸 収に期 待す る よりも耐力に期 待し た 設 計を行 うと して も，
すべ て の杭の 耐 力の 総 和を建 物 全 体の水 平抵抗力と み な す た めに は，
考えて いる水 平変位 の範 囲 内で，
すべ て の杭の耐 力を加 算でき る 必要が あ る。
し た がっ て，
極めて変 形 能 力の 乏しい杭が あ れ ば，
設 計 上考え ら れ る水 平 変 位の範 囲は，
こ の杭の変 形 限 界で制 ＊ 東 京工業 大 学 教 授・
工博 ＊ ＊ 東 京工業 大 学 助 教 授・
工博 ＊ ＊ ＊ 福 井 大 学 助 教 授・
工博 ＊＊＊＊ 菓京工業大学 研究生・
工修 ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ 東 京工業 大 学 大 学 院 生 （昭 和 61 年 5 月 12日原 稿 受 理1 約 を受 けることにな る。杭に変形 能 力が あ ればあ る ほ ど，
設 計上考え ら れ る水 平 変位の範 囲が広がり，
設計方 法も 多 様 化し，
変 形に よるエ ネルギー
吸 収に期 待す る設 計 も 可 能と な る が，
こ の よ うな観点か ら杭の力 学的性 質に注 目 し た系統的な 研究は ほ と ん ど行わ れていない の が 現状 であ る。 以 上の よ う な背景か ら， 本研究で は， プレ ス ト レス トコ ン ク リー
ト部 材と し て， 現 状のPHC
杭の力 学 的 性 状に関する実 験 を行い，
各 種パ ラメー
ター
の変 化が，
変 形 能 力， 軸 力 保 持 能 力， 破 壊 形 式， 等に及ぼ す影 響を 明らか に し，
ぜい 性 破 壊を防 止 し て，
じん性の あ る PHC 杭を開 発 する ための基 礎 資 料を得ることを 目 的と する。 ただ し，
本 研 究で は，
杭 頭 回 転 拘 束の場 合に限 定 し ており，
杭 頭 回 転 自由あ るい は その中 間の状 態は本 研 究の範 囲 外であ る。
2，
実 験 計 画 現 在JIS
に規 定 されるPHC 杭の う ち， 実 際に使 用 さ れ る頻 度の高いB
種 を基 準に して実 験 計 画 を行っ た。
試 験 体は表一
1に示す 30体で， 軸 方 向筋 量， らせ ん筋 量，
有 効プレ ス トレ ス ト量，
軸 力 をパ ラメー
ター
としゼいる。1
シ リー
ズ は杭の 外 径30cm，
軸 方 向 筋8−
9．
2φ，
ら せ ん筋 3．
2φ一
＠100mm，
有 効プレ ス トレ ス 80 kgf／cm ’ ， せ ん断ス パ ン 比3．
O
のB
種PHC
杭で あ る。
PHC
杭は 軸方向筋の降伏 耐力の70− 80
％ を プレス トレ ス導入の た めに使 用 して おり，
そのた めに曲げ 引 張応力に対して 余裕が な く なっ てい る。
そこ で，H
シ リー
ズは1
シ リー
ズの有 効 プレ ス トレ スを40kgf／cm2 に減 じ，
1本 当た りの軸 方 向 筋の 緊張 力 を低 減し た もの， 皿 シ リー
ズは1
シ リー
ズの軸 方 向 筋を10−
9．
2φに増や すこ と で， 1本 当た りの 緊張 力 を低 減し た もので あ る。
1
’
，
ll
’
，
田’
シ リー
ズはL
E ，
皿 シ リー
ズの ら せ ん 筋 を4．
0
φ一
＠50
mm と し，
L
ll
，
丗シ リー
ズに比べ 約3
倍の ら せ ん筋 量 と な る よ う に し た もの であ る。
1
”
，ll
”
，
皿”
シ リー
ズは1 ，H ，
皿 シ リー
ズの ら せ ん 筋 を 6，
0
φ一
＠50 mm と し，Lll
，1
皿シ リー
ズに比べ約 7倍の らせ ん筋 量と な表
一
1 試 験体一
覧 表 シ リー
ズ No．
試 験 体 軸 方 向 筋 ら せ ん 筋 有効 ブ レ ス ト レ ス （kgf！c ）歎
覧
1
軸 力 （tf ） 1 」R一
畳一
80−
3−
0 o 12JE一
ト80・
3−
1 80 35 3jB・
卜80−
3−
28一
70 qJB・
1・
80・
3−
39．
2φ 105 5 亅B・
1・
40一
き・
0 3，
2φ 0 皿 6 亅B．
1−
40−
3・
董 酬DOm黶 40 35 7JB−
！−
40・
3・
2 70 8JC−
1−
80−
3・
0lo一
0 町 9jc・
1・
80・
3・
19．
2φ 35 10 亅C・
1・
80・
3・
21
70 80・
亅i 亅B・
3・
80−
3−
O 1 0 夏’
12 亅B・
3・
80−
3−
1 35 13 亅B3・
80−
3・
28一
70 且4 亅B・
3・
呂o−
3・
39．
2φ 【05 且5 亅B−
3・
40−
3・
O 4』φ 0 『 且6JB・
3−
40−
3−
1 皀50■嗣 40 335 】7jB・
3−
40−
3・
2 70 18 亅C・
3・
BO−
3・
Olo一
o 皿，
19 亅C・
3・
BO−
3・
19．
2φ 35 20 亅C−
3・
90・
3・
2 7Q 21JB・
7・
80・
3つ 80 o ■’
，
22J8・
7・
80・
3・
L 35 23 」臼・
7・
80−
3・
28・
70 24 」8−
7−
80・
3・
39．
2φ 105 25JB−
7−
40・
3・
1 6．
0φ 35 町膊
26JB・
7・
40・
3・
2 050融日 40 了0 27JE−
7−
40−
3−
3 105 28JC一
マー
80−
3一
馳 10一
35 皿”
29JC・
了一
80・
3・
定 9・
2φ1
80 1 70 30jc・
7・
80・
3・
3 1105 133216
再畔
蝉
鰰 Z・14・15。16飃
隆
O 寒 OOON D’6 M6 8 加力 用キャップ 水 平 力 加 力点 的 P日C杭 300φ コ ン ク リー
ト厚 陛0 軸 方向筋 8 異 形PC 鋼 棒 9 o らせ ん筋 バイ ル キャツプ 底 面 Ol5o頃
8n
ヘツ デ イ ング シー
ス 泪接謂
の奩
rI
O卜
寸の
O IIlli！
…
1
：
o
3・
1 旨iilili
一〇
塗18
到
1’
150 1’
0 15 ‘68 基 礎梁 1332022 叫o 単 前： 図一
1 試 験 体 形 状・
寸 法 （例 ：せ ん断ス パ ン比3．
0） るよ うに し た もの で ある。
こ こ で， せ ん断ス パ ン比は，
Chang の方 法に よっ て 軟 弱 地 盤か ら比 較 的 堅い よく締まっ た地 盤 （深さ方 向に一
様な水 平地 盤 反 力 係 数0，
9− 8．
7kgf／cm3 ）を 想 定 し，
せ ん断スパ ン比がどの よ うに変わ る か を検討 し た結果，3．
5〜2，
0
と な る た め，一
般に杭基礎が 必要と な る軟弱 地 盤を想 定して3．
0
を基本と し た。
軸力につ い て は，
標 準 的と考え ら れ るN
値50程 度の 支 持 地 盤 を 想 定し．
長 期 支 持 力に相 当 する35tonf
を長 期 軸 力とし た。 短期 軸 力につ い て は長 期 軸 力 分だけ の変 動 が あ る と して，
70 tonf とO tonf と し た 。 しか し，
長 辺方向の骨組が3〜4
構面あ る細長い建物に短辺方 向か らの地 震力が 作 用 し，2
構 面 以上が浮き 上 がっ て片足立 ちの状 態にな ろ う と し た 場合，
圧 縮 側で長 期 軸 力分以 上 の軸 力 変 動が生 じる こと も考え られ る ことか ら，
長 期 軸 力の 3倍の軸 力 （105 tonf）につ い て も実 験 を行 うこと とし た。 こ の値は地 盤の極 限 支 持 力に椙 当す る軸 力でも あ る た め，
杭とし て は こ こまで の軸 力 を負 担でき れ ば十 分である と判 断し た。 3．
試 験 体 試験体の一
例 を 図一1
に示す。
本 論で は， 杭 頭回転 拘 束の場 合 を 対 象 として い る が， この条 件 を満た す た めの 杭の パ イル キャップ 内へ の埋 め 込み 長さ は筆 者らの研 究91に よ れば， 少な くとも杭 径 程 度は必 要であること か ら，
30cm 埋め 込 むもの と し た。
さ らに，
杭 体に損 傷 を 与えず 杭 頭の カ ッ トオ フ が で きる こ と を条 件と してt 軸 方 向筋 を45cm 伸ば して先 端にヘ ッデ ィ ングを 施し た。 す な わ ち，
軸 方向筋 まで含めて杭頭の カッ トオフ を し た 場 合に は， パ イルキャ ップ 内の杭 体コ ンク リー
トの ひび 割れ発生に よ り，
付 着力 が 劣 化して定 着 破 壊 を起こす恐 れ が ある た め，
本 論 では，PHC
杭の性 状を把 握する 目 的か ら定 着破 壊の起 こ ら ない条 件を設 定し た。
パ イル キャ ップ底 面の寸法は現行の 建 築 基 礎 構 造 設 計 規 準に規 定さ れ る基 礎ス ラブの最少へ り あ き寸法か ら，
72・cm × 72cm と し た。 杭の試 験 方 法とし て，
単 純 ばり形 式の実 験も 提案し て い る10 ｝が，
単 純ばり形式の実 験は 杭 とパ イルキャ ッ プの 結合部の状態 を完 全に は再現 し得ない こ と， パ イル キャ ッ プの 変形 まで含め た変 形 量の評価が 困難なこと，
本 論に お けるよ う な片 持ち ば り形 式の実 験に比ベパ イル キャ ップがつ いてい ない ことによる と思われ る破 壊モー
ドの差が生 じ る場 合が考え ら れ るこ と，
等の理 由により，
耐 震 設 計上の デー
タを得る た め に は，
パ イルキャ ッ プま 表一
2 使 用 材 料の力 学 的 性 質 コ ンク リー
ト 圧 縮 強度 （k8r〆c ） 割 裂 引張 強度 〔kgr／c ）臨
陣 k8r〆c ） 椀体 8η一
98956〜
6了 3．
3〜
3．
7 バイ ルキヤ
ツア 232〜
323 田〜
24L8〜
2．
o 鉄 筋 降 伏 耐 力 （kgf！C ）1
塒篇
弾 性 係 数（しf〆c ） 軸 万 向 筋 9，
2φ 且4qoO 15000 2040 ら 世ん筋 3．
2φ 4、
0φ 6，
Qφ 597053go5600一
一
．
一一
一
72
一
で含め た形で実 験を行うのが 望 ましい と判 断し
，
本 論に おける試 験 体は すべ てパ イルキャ ッ プ付き とし た。
試 験 体の製 作 順 序 として は，
t
まず，
軸方 向 筋を45 cm 露 出さ せ た状 態で杭の製 作を行い，
これを実 際の施工状 態 と同じ よ う に 鉛直に保 持し，
パ イル キャ ップ部分に必 要な配 筋 を行い，
パ イルキャ ッ プ側か らコ ンク リー
トを 打 設 し た。 図一
2 加 力 装 置ソ
ト 使 用 材 料の 力学 的 性 質 を表一
2に示す。4．
加力・
測定方 法 加 力装置 を 図一
2に示す。
試 験 体の基 礎ば り を 反力フ レー
ム内に固 定 し，
片 持 ち ばり形 式で杭の先端に軸 力と 水 平 力を作 用させ た。 軸 力 装 置は水 平 変 位に追随して滑 ら か に移 動す る ように，
ジ ャッキ と 反 力フ レー
ム の 間に ス ライ ドニー
ドルベ アリング を介在さ せ， 水平ロー
ラー
叮 1即
10 梳の
氷 甼 鰹 彫 爾 疋 D「11−・
11 陥 d）回転 “ 足肝
13噌
「A 抗のm証 形 胴 定 ゲー
ツ ホ ル ダー
o 「Lr
’
l o 「”
「
2’
o 鰹 彫 爾 疋 “ 足 形 胴 定 OT1
／
OT3／ ロT5 ／ Dτ7
〜
D丁1〜＼
L」
9「
．
／
L1
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一
／Dr4
L
一
製一
1．
．
！
OI「3円
DI1
〆
073D τ5丶
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1
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D」
o レ；〆
！
…1「
i o ド〆
Dτ11 8門
一
9 〆．
一
DT 9’
r1
’
11
0：
ト
r・
【
．
遍
， Dτ7〆
DT9
一
DTτ2’
図一
3 変 形 測 定位置 DT2
’
OT40T
6
評
1ご
0了10 単位二 圜¶ 表一
3 実験 結 果一
覧 表 P 閾a．
ビ M 駘 汽 Mu δ P口 P 「 n F P bcP scP轎
f 破壊 シ リー
ズ 闇o．
（e叩 ） （cal） 彫 式 （tf ） （t閇） （tm ）．
（閾 旧） （tf ） （国 口） （tf） （置f） （tf） 1 且D，
匹 9．
19．
9 】5．
4・
7，
了零 自 且8→
＋30→ −
226．
97．
39．
9B （D） 膃 213，
712，
912，
715．
112．
3 ±18→
＋25lo．
81L612，
8C （d） 316．
415，
815．
O15，
212．
5 よ18→ ＋2014．
716．
316，
3c （d） 4 ｝9．
518．
816，
臼 lL7 】8．
3 ±12−
P ＋1416，
71 程．
719．
5c （d） 5LO．
09，
0 0、
130．
0B．
1郷 囘5以上 4，
05．
19．
7F 皿 613．
612．
912．
寧 且7．
7 且2．
8 ± 1呂→
や229．
3lo．
213．
0s 7L5．
715．
2L5．
115 β・
15．
2零 ±15→
＋18→
・
17 【3．
114．
914．
3 匚’
〜 8 【2．
5H．
311．
823．
99．
5 ±30−●
＋427，
6 窪．
912，
4 「‘（ω 田 9 回．
2B．
414．
4 且7．
713．
2 ± 18→
＋2710．
312．
51 汚．
0s Io17，
215．
4 且5、
915．
514．
1き 土 】8→ ＋1712．
616．
416，
9s 11lO，
09．
09．
927，
2lO．
0 ± 18→
＋276．
臼 9．
5 B（o） 1’
12L3．
913．
4 晶2，
724．
210．
6鉾 柵5以上 1麁．
0B，
713．
8F 1316，
015．
415．
014，
7 聰3，
5 宝 18−
P ＋2013．
115．
415．
7c （【1） 1419．
518．
呂 16．
81L519，
3 ± 12→
＋1415，
4B．
816．
δ 【’
（【
D 1510．
09．
o10．
i30．
1 呂，
5群 伺5以 上 4．
56．
1 トL9F 皿’
1613，
212．
512．
駐 且9．
0ll．
q 宝30→ ＋388，
510，
513，
111 （0＞ 7715．
815．
515 」 18，
411 ≧，
7 ± 置8τ
ひ
＋2812，
713，
8 ！5，
0 ‘噛
Φ 〉 1812．
5n．
311．
825．
910，
7 ±30→
＋3了 o．
27．
912，
3B （ll） 田’
1915．
414．
414，
415，
312，
4 宝300 ＋3410，
214．
8t2．
51．
（【1） 2017．
516．
8 且6．
61 斗．
6L3．
2＊ ± 1B→
÷16B315．
【 17．
z1』
（の 2110．
39．
39．
915．
O9，
：ヨ ± 12→
＋t5→
・
156．
5 斥，
410、
tB （の 1’
12213
．
9B，
212．
718，
412．
o絆 ＋45以上 10．
411．
913，
3F 2317．
1馳
16．
415．
015、
013．
0 ±30｝
ウ
＋3614．
31 【1．
516，
呂 i‘（rl） 2q20219．
了 16．
窪 14．
5 凶，
2 ± 1Rゆ』
＋2216．
419．
紹 19．
Rc でrD 25 回．
2B，
512320，
611．
4 士30一
ウ
壷378．
o9，
9 【3．
5B （の 『’
2616．
115．
815，
1 ［8．
710，
3ホ ±窪0噂
＋2了 1Ll引 13．
尺 14，
欝 〔’
（b） 2719．
尾 18．
717 」 ［2．
015，
9 ± 18→
＋
2313，
01 呂．
211 レ．
3r’
（■
D 『レ
2臼 29t5216，
2n．
．
31551．
4，
，
416616．
．
8131133 材一
15，
3‡ 珂5以 上 ± 18→ ＋30→
−
241LO13．
412、
り 国．
ユ 14，
電 iS．
困 FC （の 302 σ．
820．
318．
0 ！5．
418，
8 ± 18→
＋2！ 16．
oP4．
o2 〔レ，
8 「‘d） Mu δ prnP f δ fP bcP SCP cf た し 壊 破 に 前 る す 達 ） にF
形 変 式 大 形 最 壊 た 破 し （ 験 た 経 き に で で 力 ま 加 れ で そ ま、
上 中 以 力o
加 η し i 返 角 り 材．
．
戯 ＊ ＊ た き で 力 加 で ま 断 上 破、
以 筋 し 0 向 る れ が わ 壊 思 破 と 縮 た 圧 じ げ 生 曲 に 壊 と 時 持 尼 方 壊 破 壊 同 保 ー 軸 破 縮 破 ぽ を 角 側 断 圧 断 ほ 力 材 張 ん げ ん 軸 部 引 せ 曲 せ 式 ： ： ；・
・
： 形F
BSCCS
壊 破 る る け よ お こ こ 直 力 た 置 験 値 軸 し 位 実 算 形 の 慮 面 卜 計 変 時 考 底 ン 力 時 力 樽 イ 力 力 平 平 水 水 時 力 時 れ 平 れ 割 水 力 力 を ブ メ 耐 力 平 形 割 び 時 平 平 げ「
げ 平 水 変 び ひ 始 繰 部葱
瓣
矯
麟
駆
齲
最 最 付 バ 曲 最 最 破 破 曲 せ 圧 の α （D
（の条 件が成立する よ うに し た。 ジャ ッキ と杭 先端との間 に は球座支 承を お きピンの条件が成 立す る よ うに し た
。
水 平 力の載 荷は，
ピン の条 件を満足 す る よ う な加 力 治 具 を介 し て左 右のPC
鋼 棒を交互に 引張る こと に よ り 行っ た。
載 荷 経 路につ い ては，
軸 力を一
定に保ち，
外 径30cm B種 PHC 杭の長期 許 容 曲げモー
メン トが生じる水 平 力 の 土0．
5倍， ±1．
0倍， ±2．
0 倍の荷 重で各 1回の繰 り 返 し を行っ た後，
杭の部 材 角±1
／150
， ±1／100，
±1／75，
±1
／60
， ±1／50の変形点を折 り返 し点と し て，
各 1回 の繰り 返 し を行い ， 最終 的に部 材 角 1／20程 度まで変 形 さ せ ることを原 則 とし た。
変 位は 図
一
3に示す よ うに，
試 験 体のパイル キャ ップ 部 分にゲー
ジ ホル ダー
を 固定し，
そ こ か らの相 対 変 位と して測定し た。
5．
実験結 果 表一
3に実 験 結 果一
覧を示す。
表 中の破 壊 時 変 形は，
例え ば，
±18→ − 22
は δ＝
±18mm
の繰り返し加 力の 後，
δ耳
＋30mm で折り返 し，
負側で δ＝−
22 mm の 時 に破 壊し た こと を示す。 ま た，
破 壊 形 式を表す記 号の後 に示 し た （ ）内のD
ま た はd
は，
部 材 角1
／50
の繰 り返 し加 力後に最 大 水平力に 達し た もの はD
， 部 材 角 1／50の繰り返 し加 力 以 前に最 大 水 平 力に達し たもの はd
で ある。
杭 自体の水 平 耐 力は，
軸 力に よる付 加せ ん断 力を考 慮 し たもの にな るが，
付 加せん 断 力は杭の長 さ方 向に一
様 で は ない た め， 本 論で は， 杭が外 力と し て の水 平 力を ど れ だ け負 担で き る か で評価を行う もの と し， 前 章で述べ た よ うにPC
鋼 棒 を介 して加え た水 平 力の最 大 値 を 最 大 水 平力と呼んで いる。
最 大水平力 時の軸 力に よ る付 加 曲 げ を考 慮 し たパ イル キャ ップ底 面 位 置にお ける曲 げモー
メ ン ト実 験 値Mmax
（exp ）を最 大 曲げ耐 力 計 算 値Mu （cal ）と 比較する と，
軸 力の小さ な試 験 体で実 験 値の方が若 干 低い値 を示 して いる が，
両 者は良く対 応してお り，
最 大 水 平 力は ほ ぼ杭 の曲げ耐 力まで確保されたと考え ら れ る。
その た め，
ら せ ん筋 量，
有 効 プレス トレス量 によ る最大水平 力の差は ほ と ん ど見ら れ ない。 図一
4な い し図一
6に水 平 力 （P
）と加 力点の 水平変位 （δ）の 関 係 を示 す。 プレ ス トレ ス トコ ン ク リー
ト部 材特 有の逆S
字 型の履 歴 曲 線 を描き，
軸 力が大きい ほ どス リップ型の傾 向が強まっ て い る。
最終破 壊 形 式は以 下の 4種に大 別で き る。（1） 保 持 水 平 力の低 下は あっ て も軸 力を保持し， 部 図
一
4 水 平 力と水 平 変 形の関係一 74 一
105
．
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．
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シリー
ズ．
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．
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．
脚
δ（rm ） No．
26．
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シリー
ズ 図一
5 水平力と水平 変形の関 係 且05．
tQnf ？Gt Φllf 35tonf o … tenf．
軸力．
：」
．
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．
1
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．
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，
．
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．
．
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．
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．
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．
．
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5．
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．
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．
．
．
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．
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．
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シ リー
ズ”
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．
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．
●
．
δ（man） No．
28 皿，
r．
シ 聖丿一
ズ 図一
6 水 平 力と水 平変形の関係材角
1
／20
以上まで加 力で き，
靭 性の ある性 状 を 示し た （記 号 ：F ，
写真一
1）。
写 真一
1 最 終 破 壊 状 況 （破壊形式：F，
試 験体No．
15） （2 ） 引張側軸 方向筋が破 断し た。 軸 力は保 持さ れ て お り，
ら せ ん筋も破 断し な かっ た （記 号 ：B，
写 真一
2）。
写 真一
2 最 終 破 壊 状 況 （破 壊形 式 ：B， 試 験体No，
8） （3
） せ ん断破壊し た。
せ ん断ひ び割れ を横 切る らせ ん筋が破 断し，
軸力も保持で き な く なっ た （記 号 ：S ，
写真一
3）。
．
ご謎
」
写 真一
3 最 終 破 壊 状 況 （破 壊形式 ：S，
試 験 体No．
9｝ （4 ） 曲 げ圧 縮 破 壊し た。 軸 力は保 持で きな かっ た。
高 軸 力の場 合には
，
全軸方 向筋が同 時に座 屈し，一
76
一
ら せん 筋 が破 断し た （記 号 ：C ，
写真一
4 ＞。
写 真一
4 最 終 破 壊 状 況 〔破 壊形式：C，
試 験 体No．
14） な お，
記 号 ：CS
は せん 断 破 壊 と も 曲 げ 圧縮 破 壊と も 判 断で き な いもの で， ほぼ両 者が同 時に生じ た と思わ れ るもの である。6．
変 形 能 力 図一
7は 保持水平 力が最 大 水 平 力の 95％， 90％， 85 ％ に低下 し た時の水 平 変 位の大き さ と軸 力の関 係 を実 験シリー
ズごとに示 した もの で ある。 こ こ で は，
水 平 力 が最 大に なっ た後， ほ と ん ど保 持 水 平 力の低 下なし に変 形 が増大す る場合， 最大 水平 力 時 変 形は一
義 的に決めに く くな る た め，
変 形 能 力とし て の水 平 変 位の大き さを明 確にす る意味で，
保持 水 平 力が最 大 水 平 力の 95％に低 下し た時 以 降 を考え るものと して いる。
図中右 側に示し た記 号は，
前 章で述べ た 最 終 破 壊 形 式 で あ る。
せ ん断 破 壊 ある い は曲 げ圧縮破壊の場合には，
軸力保 持 能 力 を失っ て いるが，
こ の時の変 形の大き さ を ●印で示 す。
また，
軸 方 向筋 破 断 時の変形の大き さ を× 印で示 す。
最 大 水平力の 95％，
90％， 85 ％に な る変 形 量，
軸 力 保 持 能 力を失う変形量，
あ るい は，
軸 方 向筋 破 断が生じる変 形 量が重なっ てい る もの は，
最 大 水 平 力 に達し た直後に，
急激に破 壊してい るこ と を 表 してい る。 6．
1 標 準シ リー
ズ （1
シ リー
ズ）の変形性能1
シリー
ズは，
軸 方 向 筋8−
9．
2φ，
有 効 プレス トレ ス80kgf
〆cm2，
ら せ ん筋 3．
2φ一
＠100 mm のB
種PHC
杭 で，
現 在 最 も多く
使 用さ れ ている タイ プの も のであ る。 軸 力が大きくなる ほど 変 形 能 力が小さ くな り，
軸 力35 tonf以 上で は， 曲げ 圧縮 破壊 （記 号C
＞を起こ し て，
軸力 を保持で き な く なっ たこと が わ か る。 軸 力がない場 合に は， 部 材 角1／30で引 張 側の軸 方 向 筋が破 断 し た。
どの軸 力 下で も，
最 大 水平 力の95
％，
90 ％，
85％ に な る変 形 量，
軸 力 保 持 能 力 を 失う変 形量， あ るいは，
軸 方 向 筋 破 断が生じ る変 形 量は接 近してお り，
最大水 平力 に達し た後の じん性は乏し い と い え る。
6．2
標 準シ リー
ズ （1
シリー
ズ）に対す る ら せ ん筋 量 の影 響 （1
’，
1
” シリー
ズ） ら せ ん筋 を3．2
φ一
＠100mm か ら4、
0φ一
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−
9・
2鵬 φ 有効 ブレストレス 80kgf！c 軸 方 向筋 8−
9，
2mmφ 有効 プレストレス 40kgf／c 軸 方 向 筋 10幽
9，
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ら せん 筋 3．
2φ一
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） 1 几 001t45111n 甜 桝 角 閧〔τ Ios 70 ］5 コo 亀06 〔皿
） 1 〆1001 ’4sltlo 師u角 ら せ ん 筋 4
．
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ズ ID5 70 15 LO 20 40e （叫
〕 lnOD 且μ51 ！30 鵡 樗 角 N（tenf ｝ 皿，
シリー
ズ lo5 70 ］5 10 20 30 406〔m ） LllOO 1／4S 1／30 師1イ角 ら せ ん 筋 6・
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ズ 10S 10 ］5 岶 δ（｝ 111001t451t］O 菖fiu角 s（
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シ リー
ズ 10s 70 15 o10 ZO 30 SDG ［tU） liloo ユノ4sユt］e 邯 档 角 20 た レ き 階 で 角 力 材 加 断 部 で 破
、
ま 筋 し 上 向 が る 壊 れ 破 わ憲
圧 と げ た 曲 じ 壊 と 生 持 以 方 壊 破 壊 に 明 保 説 を の 式 力 等 形 軸 号 壊 ； 記 破 F 中 図 軸 砿 縮 破 時 側 断 圧 断 同 張 ん げ ん ぼ 引 せ 曲 せ ほ BSC ○一一一
一
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．
一・
K） 賄 水 勒 が蘇
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甥 覊
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靆
昆
黷 驪
図一
7 各シ リー
ズの軸力と変形 能 力の関係 3倍に し た1
’
シ リー
ズで は，
軸力35tonfの 場 合に確
壊 形 式 が （C
）か ら軸 力 を 保 持 し，
部材角1
／20 以上まで 加 力で き た （F
）に変 化し，
大き な変形 能 力の伸び を示 し た。
しか し，
軸 力 70，
105 tonfで は ら せ ん筋量を 増 や し た効 果 が 見られ なかっ た。
ら せ ん筋 を
6，
0
φ一
＠50mm と約 7倍に した1
” シ リー
ズで は，
軸 力35 tonf の場 合に大きな変 形 能 力の伸び を 示 し た ほ か， 軸70 tonfの場 合で もらせ ん筋 量を増や し た効 果が認 φられ，
破 壊 形 式が （C
）か ら軸 力を保 持で きる引 張 側の軸 方 向 筋 破 断 （B）に変 化し，
変形能 力が 伸び た。 軸 力 105 tonf の場 合に は， 変形 能力が伸びる 傾 向は示し た もの の，
ほ と ん ど変形 能 力の改 善は な され な か っ た。1
，
1
’
，
1
”
シリー
ズ と も， 軸力O tonfで は軸 方 向筋 が破 断と なっ ている た め， ら せ ん筋 量 の 効 果はまっ た く 見ら れ ない。
6．
3 有 効 ブレス トレス量 と軸方 向 筋の プレ ス トレ ス 量の影 響 （皿，
『，
H
”
シ リー
ズ＞H
シ’
リー
ズは，
有 効ブレ ス トレス を40kgf
／c皿2 に下 げ，1
シ リー
ズに 比べ ， 軸 方 向 筋 の緊 張 力 を50 ％減 じて，
曲 げ 引 張応力に対して余 裕 を持た せ たも のであ る。1
シ リー
ズに比較し， 軸 力が ない場合に は破 壊 形 式 が （B）か ら （F ）に変化 し，
大き な変 形 能 力の伸び を示し た。
しか し，
軸 力 35tonf 以上で は，
せ ん．
断 破 壊が先 行す る よ うにな り，
．
変 形 能 力は低 下し た。 これ は， 同 じ 軸力な らば，
有効 プレス トレス量 を小さ く す る と，
曲げ耐力が ほと ん ど変わ ら ない に も か か わ らず， せ ん断 耐 力 が低 下する ため と考え ら れ る。
fi
シ リー
ズの ら せ ん 筋 を4．
0 φ一
＠50mm に したU
’
シ リー
ズで は，せ ん断 耐 力が上昇し，
軸 力35，
70
tonfの場 合に，破 壊 形 式が （S
お よびCS
）か ら （C
）に変 化し，
変形 能 力の伸 びが 見 られ た b し か し， 最終的に は軸 力 保 持 能 力 を失
っ た。
さ ら に， らせ ん 筋 を6．
0φ一
＠50mm
に し たlln
シ リー
ズ，
で は，
軸 力 35 tonfで，
ら せ ん筋に よる拘 束 効 果の た め と思わ れ る が， 曲 げ圧 縮 破 壊が遅れ，
軸 方 向 筋 破 断が先 行 し た。
軸 力70 torif 以 上で は，
変 形 能 力の伸び は見ら れ な かっ た。
6．
4
軸 方 向 筋 量 と軸 方 向 筋の緊 張 力の影 響 （皿，m
’
， 皿”
シリー
ズ） 皿 シ リー
ズは，
1
シ リー
ズの軸方 向筋を8−
9．
2φ か ら10−9，
2
φに し， 軸 方 向 筋の緊 張 力を20％ 減じ た もの で あ る。
1
シ リー
ズ と比べ ると，
軸 力がな い場 合，
わずかに変 形 能力が伸 びた が，1
シリー
ズ と同 様に軸 方 向 筋が破 断 して しまい，
軸 方 向 筋の緊 張 力を．
20
％程度減．
じ て も， 大きな効 果は見 られな かっ た。 軸力 35tonf以 上で は， 軸 方 向 筋 量が増え たこ とに よ り曲げ耐力が上昇す る た め，
せ ん断 破 壊し て し まい，1
シリー
ズ よ りも変 形 能 力 は小さ く なっ た。
皿シ リー
ズの ら せ ん筋を4．
0φ一
＠50mm に し た『 シ リー
ズで は・
， せ ん断耐力が上 昇し， 軸力35
，70tonf
で 破 壊形 式が せ ん断 破 壊 （S
）か ら曲 げ圧 縮 破 壊 （C
＞に 変 化 し た が，
変 形 能 力の伸び は極めてわず かであっ た。 破 壊 時に軸 力保持能 力を失っ て し まうこ と は変わ り な い。
軸 力が ない場 合には軸 方向筋が破 断して し ま う ため，
変 形 能 力に は変 化がな か っ た。 ら せ ん筋を さ らに 6
．
0φ一
＠50mm し たm
’ シ リー
ズで は，
軸 力35，
7e tonf の場 合に変 形 能 力が伸び，
特に 35 tonf で は伸び が大 きく，
破 壊 形 式が （C）か ら （F｝に 変わ り軸 力 を 保 持で き るよ うに なっ た。
し か し，
軸 力 70tonf以上で は破 壊 時に軸 力 保 持 能 力を失っ た。
軸 力105
tonfで は ， 最 大 水 平 力に達 し た直 後に曲 げ 圧 縮 破 壊 してお り，1
”
，ll
”
シリー
ズと 比 較して も，
変 形 能 力は ほとん ど変わ らな い。
7．
高 軸 力 下に おける ぜい性 的 曲 げ圧 縮 破 壊 発 生 原 因 に関 す る 断 面 解 析に よ る考 察 前 章で も述べ た よ うに， 現 状の PHC 杭の変 形 能 力と 軸 力の関 係は，
概 略，
図一
8の実 線の よ うな関係にあ る。 ま た，
各 種パ ラ メー
ター
を変化さ せ た結果は，
高軸力 下 では ほ と ん ど変形能力 が改善さ れず，
変形 能 力の伸び が 認め ら れ たの は軸 力の小さい場 合で あ り， 図一
8の破線 の よ う に な る。
し か し，
杭頭に あ る大き さの水 平変位が 生 じ た時にすべ て の杭の耐力の総 和を 建物全体の水平 抵 抗 力と み なすためには，
軸 力の大き さ によらず，
同 程 度 の変 形 能 力 を有 すること が理 想で あり，
図一
8に示 す 点 線の よ うに変 形 性 能が改 善さ れ る こと が望まし い。
PHC 杭は中 空 部の ある断 面を有し，
軸 方 向 筋に大き な緊 張 力を与えて い ること が，
高 軸 力 下で極めてぜい性 的な曲げ 圧縮 破 壊を す る大き な原因の一
つ であ る と思わ れ るe 中 実の 円形 断 面 部 材が， 力 学 的に 考えて合理的で あ り，
実 際に も好ま しい性 状 を示すこと が 確か め ら れ て い る］1） が， 杭の場 合に は施工的 条 件も あるた め， 上 杭だ け普通強 度コ ン ク リー
トを中 詰め す る こ とを想 定し， こ の効 果 を解 析 的に確か める こと とし た。 比 較の ため中 実円形 断 面とみ な せ る ような厚 肉タイ プ の断 面 も含め， 図一
9に示 す3種 類の断 面につ い て解 析 を行い，曲 げモー
メ ン ト（M
）と 曲 率 （φ）の関 係 を求め た。
コ ン ク リー
トお よ び軸 方 向筋の応 力・
ひずみ関係は図一
IO
に示す もの と し，
中詰め コ ン ク リー
トは周囲 か らの 拘束を考慮し，
最 大応力以 降，
応 力の低下は ないも の と し た。
断 面 解 析に当 たっ て はプレス トレス を 考 慮 し， 軸 方 向 筋と杭 体コ ンク リー
トに初 期 応 力 を与えた。
なお， 中 詰めコ ン クリー
トに は初 期 応 力 を与えて いない。 図一
11に 70 tonfの軸 力を加え た場 合につ い て，
曲げ モー
メ ン トM と曲 率 φの 関 係を示す。 3種 類の 断 面の 最 大 曲 げモー
メ ン トは ほ ぼ等し い値を示し た。 最 大 耐 力 以 降，
中空 断 面は曲 率が増 加する につ れて，
曲げモー
メ ン トが 急激に低 下して いる が，
厚 肉タイ プは曲げモー
メ ン トの低 下が わ ず かで あ る。 図一
12の応 力 分 布 図と中 立軸位置の変化に よれば，
曲率が増加する にっ れ，
中空 断 面の 中立 軸 位 置は移 動し て い るが，
ほ か の断 面で は，
中立軸位置は あ ま り移動し てい ない。
曲率の増加に伴い， 圧縮側コ ン ク リー
トが 圧壊す る と，
軸 力を 保持す る た め一 78 一
紬 力 形 怯 能 改 書 HC 椀 の 変 形 性 能ー
ター
の 座 化 碩 形 性 能 囎 変形 能力 図一
8 軸 力と変形能 力の関係薗
豐
伽 …呷
脚 …
圓
》
図一
9 解 析に用いた断面 図 σ（kgf！c ） 000 高 強 度コン ク リー
ト e 関 数 500 中 詰 め コ ン ク リー
ト ε（％ 0 0．
5 1．
0 20000 σ（kgf！Oτ
の 軸方向 筋・
2 量．
o 託 i．
o・
0．
刊 7o0．
7且 7 ε（％一
20DOtonf ！c一
20000 図一
10 コ ンク リー
トお よび軸 方 向 筋の応 力 （σ｝とひずみ 〔ε｝の 関係 M（ton「・
囗
） 20 犂5 10 5 0 Tシ1丿一
ズ F シリー
ズ 5 」 シ リー
ズ 紬 力冨
70torlf φω 0一
辱
！ca ｝ 10 15 20 図一
11 曲げモー
メント （M）と 曲 率 （φ｝の 関 係 曲率（xlO−
11c皿） 5 10 且5臥
ノ
」
ド
障
f
事
謡
高強 度コ ンク匚
丿一
ト瞬
毛
黙
蝋
一
・ 引 張 圧 臚一
looeo O 10000 0 田00 軸 方 向 筋の応 力コ ンク リー
トの応 力 図一
12 中立 軸 位置と応 力 分 布 図 （軸 力＝
70 tonf）に中 立 軸 が 中 央に向 かっ て移動 する。 中空断 面で は
，
中 空部が大きい た め，
その移 動 距離が ほ かに比べ て大き く な り，
応 力中心間距離が 短 く な る た め に曲げ モー
メン ト が 急 激に低下す る。
これに対し，
厚 肉タイ プはら せ ん 筋 内部の コ ンク リー
トが 圧縮 力を負 担す る た め，
大き な変 形に耐え ら れ る と考え ら れ る。 中詰め タイ ブの断 面は，
中詰めコ ンク リー
トの強度が 低い た め中 間の 性 状を 示 し てい る と思わ れ る。
以 上の解析の結果 よ り，
杭の中空部にコ ンク リー
トを 中詰 め し，
これに大 き な拘 束 力を与えて圧縮 力を負 担さ せ，
中立軸の移 動を少な くでき れ ば，
ぜい性 的な破 壊を 防止で き，
高 軸 力 下で の変 形 性 能 改 善に期 待がで き るも のと考え られ る。
8．
結 論 現 状の外径30cm
のPHC 杭の性 状に関 して，
せ ん断 スパ ン比 3，
0で行っ た本 実 験で得られ た知 見を要 約すれ ば 次の よ うにな る。
（1） 外径30cm ，
軸 方向筋8−9．
2
φ，
有効 プレス ト レ ス 80kgf／cm2 の杭 は，
せ ん断 スパ ン比 3．
0の 場 合， せ ん断 破 壊は先 行せず，すべて曲 げ耐力を 発揮し てい た。
（21 ら せん 筋 を 多く す ることは，
曲 げ圧 壊 を遅 ら せ る こと，
お よ び，
せ ん断 破 壊 を起こ しに く く す るこ とに 効 果が あり， 本実 験 全体を 通し て変形能力を高める効 果 が あ ることが明 確と なっ た。
し か し，
らせ ん筋量 を6．
0
φ一
＠50mm
まで増や して も，
その 効 果は軸 力 35 tonfお よび70 tonfで認め ら れ る だけであ る 。 （3
） 軸力 が小さ く，
軸方 向筋 に大き な緊 張 力を与え て い る場 合，
軸 方 向 筋の破 断 が 生 じ，
ら せ ん 筋 量に関係 な く， 変 形 能 力は ほぽ一
定と なっ て し ま う。 これ は軸方 向 筋 とし て使 用して い るPC
鋼 棒の材 料 特性に起 因す る。
こ れ を防 止 し で，
変形能 力を高めるた めに は， 伸び 能 力の ある鋼 材を使 用する か ， あるいは， 杭また は杭 頭 結 合 部に おける ディテー
ル の く ふうが必 要と思われ る が，
これは今 後の課 題と考えて い る。
（4） 地 震時の軸力の変 動を，
長 期 軸 力の 3倍まで考 慮 し た場 合，
現 状めPHC
杭で は，
特に軸 力が大 きい場 合に変 形 能 力が不 足し，
極めてぜい性 的な曲 げ圧 縮 破 壊 を起こす恐れが ある。 現 状の PHC 杭 を構 成する， ら せ ん筋 量， 軸 方 向 筋 量， 有 効 プレ ス トレ ス量等の パラメー
ター
を変 動させ て も，
この問 題は解 決 し難い。．
杭の 中空部に コ ン ク リー
トを中 詰めする ことに より，
高 軸 力 下で の変 形 能 力を高め得る可 能 性を簡 単な断 面 解 析に より示 し た。
こ の 方 法の有効性の実証実験，
お よ び，
中 詰めコ ン ク リー
トの効果に関 す る 解析 的 検証 は 次 報で 報告す る予 定で あ る。
（5） 有 効 プレ ス トレス を小さ く す る と， 軸 力が ない 場 合に は変 形 能 力が増 大する。
軸 力が大きい場 合，
らせ ん筋 量 を増や せば 曲 げ圧 縮 破 壊 型と な る。
軸 方 向 筋 が 同 量の場 合， 有 効 プレ ス トレ ス量は曲げ耐 力の大き さには ほ と んど影 響を 及 ぼ さ ないが， これ を小さ く す る と せ ん 断 耐力 が 小さ く な り，
ら せ ん筋 量が少ない 場合に は せ ん 断 破 壊をお こす場 合があ る。 （6
） 軸方向筋量 を多くす る と最 大水平 力が大き く な る た め，
ら せ ん筋 量 が少ない場 合には せ ん断 破 壊 を起こ す。らせ ん筋量 を多く す る とせ ん断破 壊は防止で き るが，6．
0
φ一
＠50mm 程 度の ら せ ん筋 量で は， 軸力が大きい時 の 曲 げ圧 縮 破 壊 時の 変 形 を増 大さ せ る効 果はな かっ た。
謝 辞 基礎 構造に関し， 東京工業大 学岸田英明教授に は日頃 よりご助言を頂い ており，
深く感 謝の意を表し ま す。 本 研 究に際して，
東 京工業 大 学 林 静雄 助 教 授，
（株 ） 日建 設 計の堀 井 昌博，
木 原 碩 美，
斎 藤安生の諸氏，
な ら びに，
前田製管 （株 ）の方々 に有益な ご助言 を頂い た。
厚 く お礼申し 上 げ ま す。 本研 究は文 部 省 科 学研究費 補 助 金一
般 研 究 （B
）の援 助 を受 けておりま す。
関 係 各 位に厚く お礼 申し上 げ ま す。
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Vel．
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pp，
141−
144SYNOPSIS
UDC:624.155:624.04
EXPEREiegENTS
ON
THE
SEISMIC
BEHAVgOR
OF
PHC
PflL,ES
Study
of theirnprovement
in
the
bearing
capacity anddeformability
of the
prestre$sed
high
strength concrete(PHC)pile,
Part1
byDr. SEMKOKUSHO, Dr. AKIRAWADA, Dr.
KATSUMI KOBAYASHI, SH[RO MITSUGI and
KUpsffNARI UEDA, Members of A.I.
J.
The
objective of this studyis
todevelope
theimproving
methodfor
thebearing
capacity anddeformability
ofPHC
piles.In
part
1,theexperiments of the cuTrently used PHC pileswere carried out, inorder toinvestigate
the seismicbehavior.
As
theresults, itwasfeund
that the currently usedPHC
pileshave
lessdeforrnability
and thatthede-formabilitycould not
be
improved, even though the value of parametersofPHC
pile was varied, Therefore, the condition of the aseismicdesign
efPHC
piles wouldbe
limited
withln a extremely smalldeflectien
range.And
thenecessity toimprove the
