【論 文】 UDC ：624
．
155 日本 建築 学 会 構 造 系 論 文 報告 集 第 386 号・
昭 和 fi3 年 4 月実 大杭
の
押
し
込
み
実
験
に
よ
る
節
杭
の
支持 力 特 性
の
検 討
正 会 員 正 会 員 正 会 員小
山
大
椋
肩
杉
仁
志
＊邦 男
＊ ＊富 美
一
＊ ＊＊1，
序 円筒杭に数 個の突 起 物 を持つ 節 付き円 筒コ ン クリー
ト 杭 （以下，
「節 杭」と呼ぶ ）の支 持 力機構を検 討す る た め， 筆者 らはす でに節 杭 を乾 燥 砂 地 盤内に貫入 し た時の杭 周 地 盤の挙動 をX
線 撮 影に よっ て調ぺ る模 型 実 験1蹙実施 し た。 その結 果，
以 下の こと が分かっ た。
最 下端の節 部 をも含め た節 杭 先 端部の極限支 持 力 度は，
節 杭 本 体 部 と 同 径の 円筒 杭の先端極限支持力度の 75％程 度と な る。 節 杭の最 下 端節部よ り上 方の周 面 抵 抗は，
節 部 下 面で の抵抗が大き く，
節 部と同じ径 を持つ 円筒 杭の摩擦抵 抗 の約2．
5
倍， 節部と 同 じ径の 円筒 面で の地盤の せ ん断抵 抗の約2
倍と な る。
節 部 下 面は，
杭の貫 入 量が小さい 間は杭先端 面 と 同様， 下 方の地 盤を圧 縮 変 形しコア を形 成して周 囲の地盤を外側に押 し出そ う とする作 用 （以 下，
これ を 「節部下面の支持 作 用」と呼ぶ ）が 見 られ る。 し か し杭の貫入 量 が大き く な る と， 杭 周 地 盤に節 部径よ り 少し大 き な直 径 を持つ 円筒 形せ ん断面が生じ， そ の せ ん 断 抵 抗が節 部 下 面の抵抗の上限値と なる。
こ の値は，
杭 の根入 れによ る垂 直 圧に対す る せ ん断 抵 抗に，
節 部 下面 の支持 作用に よっ て付加さ れ る垂 直圧に対す る せ ん 断 抵 抗を加え た実験 式で説 明で きる。 しか し，
こ の実 験は縮 尺を1
／5
と し た模 型 鋼 管 杭に よるもの である こと，
地 盤 と して粒径 が均一
な乾 燥 砂 を 用い て いること，
杭を設 置したあと周 囲に砂を詰め て地 盤を作 製す る方 式であ る た め，
杭 を貫 入 する ことによ る 地 盤 状 態の変 化が 入っ てい ない こ と などか ら，
こ の実験 結 果 を実 際の杭に適用できる かど うかを検 討す る 必要が ある。
そこ で， こ の模 型 実 験で得ら れ た 諸 現象や実 験 式 を検 討す ること を 目 的と して
，
大 型 土槽を用い た実大 杭の載 荷試験を行い，
実 状に近い状 態での節杭の支持力特性 を 調べ る こ ととし た。 本 論 文は，
こ の実大 節 杭お よび比較 の た めの実 大 円 筒杭の載 荷試験 結 果と， 節杭の支 持 力 特 性の検 討 結 果につ い て述べ た も のであ る。
2．
実 験 概 要 （1
）試 験 杭実験に用い た杭は
，
図一
1 （a）に示す よ う に，
本体径D
。が300mm ， 節 部 径Dn
が 440 m 皿， 節 部間隔が 1m の節 杭と，
外 径D
が300mm
お よび450 mm の 円筒 杭 （以 下，
そ れ ぞ れ 「φ300
杭」，
「φ450杭 」 と 呼ぶ）の3
種 類で あ る。 いずれ も長さ は 4m の 鉄 筋コ ン ク リー
ト杭 であ り，同一
工場におい て遠 心 力 成 型に より製 造さ れ た。
使用 し たコ ンク リー
トの強 度 （24
日）・
ヤ ング率・
ボア ソ ン比を3個の遠心力成 型によ る供試体 （外 径200mm ，
肉厚40
mm ， 高 さ300 mm ）を用い て測定し た結果， 平 Po Po Po 断 面 番号 ひずみ計 Ds Dn 砂利 石亙
9
需
・蚕
竃
而◎一
D一
一
癒留
一
一
一
GL8
鼻
1，
5001 ，500 節杭 φ300杭 φ450杭 175001r500 6，
000 実 験地盤 （湿潤 砂 ） 1，
500 375”鼾
375 750 750375 1，
125 靄写
8
写
雷 8鼠
土圧 計 1 関西 大 学 大 学院 生 （株 ）武 智工務 所・
工 修 ＃ 関 西 大 学 教 授・
工博 雫韓 （株）武 智 工 務 所・
工 修 （昭和62年6月10日原 稿受 理 ｝ 図一1
（a） 実験土槽 （断面 ）と試 験 杭 1 1 1 0 1 1 土 圧 計 N値 測 定 番 号1
魏
廳
ii
i
。3
・2
目
図一
1（b＞ 実験 土槽 （平面） oo．
の ooooo“
頃輌
四一
ooo齢
OOo寸
Po輌
o一 舳
e の一
〇 on一
66
一
一
100琶
駟 50 0 砂 砂 利 0．
1 1．
0 10 粒 径 【mm ］ 図一
2 粒径 加 積 曲 線 表一
1 砂の諸 元 産 地 早 川 （山 梨 県 ） 均 等 係 数 Uc7、
3 最大密 度 ρ maxL9039 ／cm3 最 小 密 度 ρmm．
1．
2539／c購3 土柆子の比 重 Gs2．
69
内 部 摩 擦 角 φ 32，
1’
幻 ＊） 三紬試験｝こよ る 値 表一
2 実 験 地 盤の諸 元1 砂の 体 積 112
．
8m3 砂の重量1912tf
単位体 積重 量 γ 1、
595gf／cm3 平 均含 水比 脚 6．
5％ 相対 密 度 Dr52．
3％ 地 下 水 位 GL−
4．
5m 均 値は それ ぞれ 630kgf
／cm ： ， 4．
o×IO5kgf
／cm2，0．
22 であっ た。
（2 ） 実 験 地 盤 実 験 土 槽は，
図一
1の ように寸 法が長さ6m ， 幅4m，
深さ 4．
5−
5m，
容 積が 約IZO m3の大 型 土 槽である。
こ の土 槽は地 盤の液 状 化の実 験 を行 うために製 作され たも の でありZ ｝，
土 槽 内の地 盤に せん 断 変 形 を生じさせ る こ と がで き る よ う短辺方 向の側 壁は可 動 式に なっ て い る。
本 実 験で は こ の側 壁 を垂 直に固 定し て使用 してい る。
ま た，
長 辺 方 向の側 壁に は地 盤 との摩 擦 を小さ く す る た め ポ リエ チレ ンボー
ドが貼り付けてある。
なお， 底 面の両 端は中央 部よ りも50cm 高く なっ て い る。
実 験 地 盤は，
こ の土 槽に湿 潤 状 態の砂 を詰めた もの で ある。
使 用し た砂の粒 径 加 積 曲 線と諸 元と を，
図一
2と 表一
1に示 す。
こ の砂は粒 径の分 布 範囲 が大き く，
礫分 をll．
5
％， 細 粒 分を6．
5
％ 含んで いる。 図一
2には，
節杭の実験で用い’
る砂 利 （礫 〉の粒 径 加積曲線も併 記し てあ る。
想 定し た地 盤は均一
な ゆ るい砂地 盤 （N
値＝5− 10
） で あり，
これ を．
3〜
4 日間で造 成す ること を 目標と し た。
そこ で，
地 盤の造成 方 法を小型 土槽 （長さ2．
5m，
幅1
m，
深さ84cm
）を用いて検 討し た。 そ の結果，
次のこ と が分かっ た。 モ ンケン （底 面の寸 法30×30 cm，
重 量 25kgf）落 下 方 式で は締 固め る時の管 理を行いや すい 反 面，
1V値がユ〜
2程 度の地 盤しか得られ ず，
ま た長 時 間を 必要と す る。 バ イ ブロ プレー
トを用い ても，
モ ン ケン落 下 方 式に比べ て時 間は少 し短 く な る もの の，
同 程 度の地 盤 し か得ら れ ない。
バイ ブロ ラン マー
（自重 83kgf，
打 撃ス トロー
ク3〜6cm ，
振 動 数600〜700
vpm ） を 用い る と比 較 的 短 時 間にN
値が 5以 上の地 盤が得ら れ る。
バ イブロ ラン マー
の締め固め時の影 響 深さ は30〜40cm
である。
以 上の結 果か ら，
大 型 土 槽で の実 験 地 盤の造 成 方 法は， 次の手 順に よる こと と し た。 i
）砂 を，一
層の厚さ が約 30cm に な るまで バ ケ ッ トで実 験 土槽に投入 す る。
こ の時， バ ケッ トに取り付 けたロー
ド セル で砂の重 量 を測 定して おく。
ii
）ス コ ッ プで砂 を均 し，
バイブロプレー
トで平らにする。
iii
）バ イブロラ ン マー
で締め固め る。 以 上の作業を各層ご とに繰り返し て・
行っ た結果，
所 定の高さ まで 3日間で詰めること がで き た。 表一
2に実験 地 盤の諸 元 を示す。
表 中の γや Dr は 地 盤 全体を均一
な密 度と し て求め た値であ る。 実 験 地 盤の均一
性を検討す る た め，
地 盤内の 5ケ所で トン ビ法に よ る 標準 貫入試験 を 行っ た。
測 定 場所を 図一
1（b
）に示し， 測 定結果を 図一3
に示す。
た だ し， これ らの標 準 貫 入 試 験は すべ ての杭の貫入 が終了 し た後で 行っ た もの で ある。N
値は表 層で は小さいが，
GL −1
m 以 深で は深さによ らずほ ほ一 定の値を 示し て お り， 杭か ら離れ た所 （No ．
1，2，3
）ではN ＝
4〜
6，
杭の 近傍 （No ．
4，
5）で は N＝
5〜
7であった。
杭か ら離れ た所のN
値は， 杭を 貫入 す る前の地盤のN
値に ほぼ等しい と考え て よ か ろ う。
これ らの lm 以 深に おける N 値の平均 値は 5．
4， 標準偏差 は 0．
68 であ り，
変 動 係 数は12．
6
％であっ た。
実 験 土 槽の規模な ど を 考え る とこ の程 度のば らつ きはや むを得ない もの であ り，
ほ ぼ当 初の 目標に見 合っ た均一
な地 盤が造 成できた と言え る。 ま た，
杭の近 傍で のN
値は離れ た所の値 よりも1−
2 程度 大き く，
杭を貫入 す ることに よっ て地 盤が締め 固め ら れ たこと が分か る。 杭の貫 入によっ て地 盤 全 体が一
様 な体 積変化を生じ た と仮定す る と，
γは1．
716 gffcm3，
Pr
は65．
2
％ と な る。 次に，
地 表 面 付 近の地 盤は ほぼ乾 燥 状 態であっ たが，GL −
O．
2m 以 深で は湿っ て い た。 そこ で， 含 水 比 ω をNo
．
2の 標 準 貫入 試 験で 採 取 し た砂か ら測 定 した。
GL −
0．
8m で は w＝
4．
7％，
GL −
3．
8m では w＝8．8
％ であり，
こ の 区 間の含 水 比は採 取 地 点が深 くなる ほ ど大 き く なっ て い た。 表一
2に示 し た値は，
こ の区 間の 4点 o 2 N値46
8 1 2［
8 亠 巳 ゆ 3 4 亀 N丶
丶
ーノ
ご
、 、 ー ー ー ▲ ー ー へ，
図一
3 N 値の分 布 N値測定 番 号 十 No．
1−
0−
No．
2 一 凸一
No．
3−一
●一
一
No＿
4 三 →一一
No．
5 測 定 位 置は 図一
1（b）に示 す（1m ご と）で の平均値であ る
。
な お，
GL −
4．
5m
か ら 土 槽 底 面 まで の砂は飽 和 状 態で あっ た。 （3）貫 入 方 法 図一
1に示す位 置に お い て，
油圧 ジャ ッキ （ス トロー
ク 20 cm ）に よっ て試 験 杭を地 表か ら静的に押し込ん だ （貫 入 し た）。 貫 入は φ300
杭，
φ450
杭， 節 杭の順と し た。 貫入 量 が約3．
4m に な る まで は，
貫入速 度 を毎 分 約 10−
30mm と し た貫入速度制 御方 式を採用 し た。
こ の時の貫入量は巻 込み型 変 位 計 （容 量 2，
000 mm，
非 直線性0．
5％RO
）一
台で測 定 した。
こ の あと，
引き続 き載 荷 試 験を行っ た。 載荷試験で も貫入 速 度 制 御 方 式 を 採 用し た が，
貫 入 速 度は原 則と して毎分3mm
と し た。
こ の時の貫 入 量は摺 動 型変位計 （容量100
皿m，
非 直線 性O．
1％RO ）を 4台 用い て測 定 し た。
ま た，
変 位 計や 油 圧 ジャ ッキの ス トロー
クの 関 係か ら， 貫入 量 が 10〜
20cm ごとに除 荷 を行っ た。
節杭の貫入時に は図一
1に示 す よ うに，
杭 先 端 部の 下 方に厚さ約20
crn， 杭の周 囲に高 さ約 30 cm の砂 利を置 い て おい た。
これ らの砂 利は，
杭の貫入に伴い杭先端や 節部に押さ れ て地盤 内に 入 っ て い く。
杭 周の砂利 を適 宜 補 充して いけば，
砂 利は節 杭の周 囲に 自然に充て んされ る。 実 験 終 了後の充て ん状況は 5章 （1 ）で述べ る。 （4）測 定項目 杭 頭荷重はロー
ドセ ル （容 量200 tf）に よっ て，
杭 頭 貫入量は前 述の各 変 位 計によっ て測 定し た。 ま た，
杭に 作 用 する軸 力 を求める ため，
杭 体 内の鉄 筋に ひずみ計（箔 ゲー
ジ， ゲー
ジ 長6mm ）を図一
1（a）に示す断 面に 4 点 ずつ て ん付 し た。
さらに杭の貫 入に伴っ て生じ る地盤 中の鉛直応 力 を測る ため， 実 験 土 槽の底 面に土 圧計 （受 圧面径 50mm ， 容量40 kgf／cmz ）を 8個 設 置 した。
こ れ ら の測 定は 1−
2分ご とに行っ た。な お， 杭 を貫 入 する前と掘り出し た後に杭 体の圧 縮試 験 を 行っ て
，
荷 重とひずみ値と の較正係 数を求め た。 ま た貫入中 も空 中にある断 面につ い て は圧縮 試 験と同様の 状 態 となっ て い る ため，
こ の時の杭 頭 荷 重とひずみ値の 関 係 も軸 力 を算 定 する時の参 考と し た。 3．
土 槽 底 面の応力と抵抗値の補正 （1） 杭 頭 荷 重〜
杭 頭 貫入 量の関 係 各 杭の杭頭荷重P
。 と貫入 を始め た時か ら の杭 頭 貫入 量S
。の 関係を図一
4 （a＞〜
（c）中の 点線で示す。
なお， 図 中の実 線はP
。の補正値とS
。の 関 係で あっ て （3 ＞ で詳述す る。
これ らの図 か ら， 各サイクル の履 歴 荷 重で のP
。〜S
。関係は ほ ぼ平 行に なってい ること が 分か る。
最大荷重は，
φ300 杭で は 41．
3tf，φ450 杭で は 109．
1tf， 節杭で は127．3
tfで あっ た。
な お，
φ450 杭では載荷試 験の 第 2サ イクル と第 3サ イクル の間には12
日 間の放 置 期 間が あ る。 ま た節杭は， 途 中で杭 頭の一
部が破 損 し た た め約1
／3
の ひずみ計が コー
ドな どに損傷を受け た。
（2 ） 土槽底面の 鉛直応力 分布 最初に貫入 し た φ300
杭につ いて， 図一4
（a）の各 サ イクルの最 大 荷 重 時にお ける杭 直下で の土 圧 計に よ る鉛 直応 力 σtと P。との 関係を図一
5に，
載 荷試験の最 終サ イク ル における a； の平 面 分 布を図一
6に示す。 σ。の値 は各 サ イクル での貫入直前の値を初期値と し て お り，
地 盤の重量に よ る応 力 や そ れ まで の貫入によ る 残 留応力は 入っ て いない。 次に，
図中の点線は地 盤を半無 限弾性 体と仮 定し たMindlin
の第 1解による計 算 値を示 し て いる。この値は，
実験で測 定された先 端 抵 抗 と 摩 擦 抵 抗との値 を，
前 者に o冨
1，
000：
ca K 陌 2・ooe 3，000 4，000 杭 頭 荷 重 Po ［tf｝ 20 40 0 杭 頭 荷 重 Po 【Lf］ 50 100 0 杭 頭 荷重 Po 【tf］ 50 100 』 k kゐ
■
、 鸛 、■
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，
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O■
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、
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〇 融．
一
△．
噛
，呷
，
．
，
．
」
■
o
（の φ300杭 （b）φ450杭 測 定 値 （c） 節 杭 補 正抵 抗 値 幻 載荷 試 験 開 始一
△ 12日 間 放置一
X 杭 頭 破 損 図一
4 貫 入を始め た時から の P。
−
S。
関係 図一
68
一
2 7 自 。 こ
笛
己 1 門 b 只 煙 腮 審 ¢ や 旧 臠 紐 刊 数字は 杭 頭 貫 入 量 S。 ［mm ］ 196 386 5B4 、 丶 ＼3
，
693丶運
咽定 値1
；
lil
＼1
：
搦
丶
載
0
10 2030
40 杭 頭荷重 Po ［tf］ 図一
5 φ300杭の P。
一
σv 関係 図 2【
ミ一
。
。
出 艮 NbR 遉 幗 ま S 和 旧 遇 犂 引 0 端 1，
5001，
500 中 失 1，5001r500 図一6
φ300杭の載 荷 試験 第4サイクル に お け る σt分 布 つ い て は半 径 方 向に 5等 分 割，
円周 方 向に 4等 分 割し た 杭 先 端 面の各 中 心， また後 者につ い て は長 さ方 向に 5等 分割，
円 周方 向に 4等分割 した杭周 面の各 中心 に，
それ ぞ れ集 中 荷 重が作 用する もの と み な し て換 算 し， こ れ ら の荷 重によるσ t を 重ね合わせ て求め たものである。
こ の計 算におい て，
土槽 底 面の存 在は鏡 像 荷 重に よっ て考 慮 し たが，
土槽底面の両 端 部の高くな っ た部 分お よ び 土 槽の側壁 の存在は無 視して い る。 地 盤のボアソン比 v を数種 類変えて計算す る と，
レ＝
0．
45の と き杭頭 荷重 （貫 入 量 ）が小 さい間で 測 定 値 と 計算値と は よ く合うこ と が 分 かっ た （図一5
参照）。
他 の杭につ い ても図一5
とほ ぼ同 様の傾 向 を 示してい る。
こ れ らの図か ら，S 。
が約2，000 mm を超え ると σz の増 大が著 しい こ と，
杭 直 下の近 傍で は実 測 値は計 算 値の L5〜
2倍と な るこ と などが 分 か る。
ま た 図一
6で見ら れ る傾 向は，Kdgler
やFrohlich
な ど が指摘 し た よ う に，
弾性理論に よ る応 力 分布よ り も力の作用点 直下の 近傍に 応 力が集中す る とい っ た現 象 をよ く示 して い る と考え ら れ る。
以 上の ことは φ450
杭や節 杭の場 合でも 同様である。
（3） 土 槽 底 面の影 響の補 正 本 実 験で は載 荷 試 験 開 始 時に お い て，
杭の先 端 面と 土 槽 底 面とは 1．
6〜
1．
7m （杭律
の 3．
5〜
5．
7倍）し か離れて いない。地盤に比べ て土槽底面の剛性は非常に高いの で， 測定さ れ た杭の抵 抗値は土槽底面の 影響を受け るこ と と な る。 す な わ ち，
本 実 験 土 槽によ る実 験 結 果は，
均 質な 半無 限 地 盤での実験結果に比べ る と，
同一
貫入量に対す る貫入抵抗値は大き めあ値を示すことにな る。 そ こ で，
先 端 抵 抗Pp
や 摩 擦 抵 抗P1
の値 を定 量 的に検 討 する た めにはこ の土 槽 底 面の影 響 を 補 正 する必 要がある。 補 正する方 法とし て，
第一
に FEM が考え られ るが，
地 盤の半 無 限 状 態 を表 現し得ないことや，
境 界 条 件 や 要 素の分 割 方 法に よっ て得ら れ る値が異な ること な どの た め適当で は ない。
次に考え ら れ るのは，
鏡像荷 重を考慮 し たMindlin
の第 1解を 用い て補 正を行う方 法である。
鏡像荷重に よっ て地盤 中の支 持 層な ど を表 現 する ことはD ’Appolonia
ら3）やPQulus
ら4）を 始 め 多 くの研 究 者 が 行っ てきてお り， 岸 田・
高 野は こ れを応 用し て加 圧砂地 盤 タン クの 底面の 影 響の補正 を行っ て い る5 〕。 本 論 文で もこ の方 法を採用す る。
た だ し，
文 献5）で は ある抵 抗 値 に対す る貫入 量 を補正 して いる が，
本 実 験は貫入速 度 制 御 方 式に ょっ て杭を貫入 してい る た め，
あ る貫入量に対 する抵 抗 値 を 補 正す ること と し た。
土 槽 底 面が存 在し ない と仮 定し た と きの抵抗 値 （補正 抵 抗 値 ）を，
以 下の手 順で求める。
まず， 土槽底面の 存 在を鏡 像 荷 重に よっ て考 慮し た状 態で，
測 定さ れ たP
ρ・
と P、を作用さ せ た時に生 じ る杭先 端中心点で の鉛 直変位量Spm
をMindlin の第 1解に よっ て計 算す る。 計算は 土槽 底 面での σ2 を求め た場 合と ほ ぽ同じ方 法に よる。
次に，
鏡 像荷重を考え な い，
す な わ ち 土槽 底 面 が存 在し ない と仮 定 し た時の変 位 量Sp
、を同 様の方 法で 求め る。 こ の結 果 得 られ たS
。 ，ISpm
の値 を 補主
係 数 と す る。 最 終 貫入時に お け る補正係 数は φ300杭で は 1．
089， φ450 杭で は 1．
153，
節 杭で は 1，
168と なり，
測 定さ れ．
た抵 抗値は土槽底 面の存在に よっ て9−
17％程 度 大き く なっ てい たこと が 分 か る。
実験で測定さ れ た 抵 抗 値を こ の補 正 係 数で除 し た値を補正抵 抗 値と する。
なお，
こ の 計 算に お い ても σx の 計 算 と 同 様， 土 槽 底 面の両 端 部の高く なっ た部 分 や 土 槽の側 壁の存 在は無 視 して い る。 杭 周 面に働く荷 重に よっ て Mindlin の第 1 解か ら計 算 される地 盤の鉛 直 変 位 量は，
側 壁の位 置では 杭の 中 心 位 置の 10〜
15％と な る。 しか し，
Spm
やS
ρ‘ の計 算に対する側 壁な どの影 響は， 補 正 係 数が両 者の比 である ことか ら相 殺される た め， これ らの影 響 を無 視し ても 問題はないもの と考え ら れ る。
図一
4 （a）〜
（c） 中の実 線は，
こ の補正抵 抗 値に よるP
。− S
。関 係であっ て，
以 下では こ の補 正 抵 抗 値 を 使っ て検 討 を 進 めること とする。 4．
円筒 杭の実 験 結 果 （1 ） 載荷試 験にお け る荷重一
貫入 量関係o
冨
7
100お
く 卸【200 300 Po冒Pp，Pf ［tf］ 20 40 0 Po，PPtPf ［tf】 50 100，
，
．
Ib ， 1え
P・iP
。 …一
貫入速 度f
。 節／min．
】 ｛ 1卜
， ■ ち離
鞭
… 2．
7100 」、
、 、、
1 竃．
L2 1 、 ■1
〜
1三
3．
4 1…
3．
1．
，
■
■
．
．
≡ 2001 丶 、 竃，
．
，
■
■
，
、「
毛… 1．
93．
7 …卩
1 …，
．
騨
1…
3．
3300ll〜
三 1．
7 」 1：
」
厩 1〜
痂 、■
雪
、 11≧
昼i
… 2．
65
…
： 3．
6400旨
〜
、 3．
〇一
蓮 〔の φ300杭 （b） φ450杭 図一
7 載荷試験に お け るP。
，
P． P．一
S。
’
関 係 図 図一
7 （a） ， （b
）は， φ300杭 と φ450 杭の 載荷 試 験 における P。−
s。
’
関 係 図で ある。
た だ し，S。
’
は載 荷 試 験開始 時 か らの貫入 量である。 これ らの図に は， 先 端 抵 抗Pp
（ の断 面の軸 力）お よ び摩擦 抵抗 P！〔＝
Pe− P
，） とS
。’
と の関 係を も示 し た。P
。のP
。中に 占 める割 合は 大 き く， 70〜
80 ％に 及 んでい る。
な お，
これ らの抵 抗 値は 3 覃 （3 ）で述べ た補正 抵抗値で あ る 。 ま た 図中に は，
抵抗の増 大が ほ ぼ落ち着いた状態での 貫入 速 度 を 併記して あ る。一
般 に貫入 速度が速く な る と 抵抗は増 大す る。 本 実 験で もφ300
杭の第 1，
第 4サ イ クル，
φ450
杭の第2 〜
第5
サイクル に おいて こ の現象 が見ら れ る。 ただし，
貫入速 度によっ て変 化する のは先 端 抵 抗で あっ て，
摩 擦 抵 抗は影 響を受 けて いない こと が 分 か る。
次に各サ イ クル の摩 擦 抵抗P
ノー
Se
：
関 係におい て，
乃 に摩 擦 試 験で見られ る よ うな ピー
ク は生 じて い ない。
た だ し， φ450杭では第2サ イク ル が終了 し たあ と12 日間の放 置 期間 を置いた た め，
第3サイクルに おい て は 明瞭なピー
クが見られ残 留 摩 擦 力も増 大し て い る。 （2
｝ 軸 力分 布 図一
8は地 表 面よ り貫入 を始め て か ら の軸 力分布の推 移を示し たもの で， φ300杭の場 合で ある。
杭が地 盤に 貫 入 するの に伴っ て，
地 表 面 以 下の杭 周に はほぼ一
様 な 摩 擦 力が作 用し てい く様子が 分か る。
この傾向は φ 450 杭 も同様で あ る。 次に，
載 荷試 験にお け る軸力分布の一
例と して φ450 杭の第 2サ イク ルの 場 合 を 図一
9に示 す。
摩 擦 力は深 さ 方 向に ほ ぼ一
様に分布してい る こと が分か る。
φ300杭 も ほ ぼ同 様の分布と な る。
5．
節 杭の実 験結 果 〔1） 節 杭 を貫 入し た後の杭 周の状 況 軸 力 Pi ［tf］ 0 10 20 30 401i
f
l
：
図一8
貫 入 開始 時からの軸 力 分 布の推移 o 1F三
2 贈 3 軸 力 Pi ［tf］ 20 40 6080 図一
9 載荷 試験にお け る軸 力分 布 実 験 終 了 後，
節 杭の周 囲 を 注意 深く掘 り，
杭 体や充て ん し た砂 利の状 況を観 察し た。 た だ し，
得 られ たの は一
部を除いて定性的な状況の みで あっ て，
乱さ ない試 料の 採 取や簡 易コー
ン試 験を 試 み たもの の信 頼で きるデー
タ は得ら れ なか っ た。 観 察 結 果 を 図一
10 に示す が， 以 下 の ような点が特 筆さ れ る。
地 表から2番 目の節 部まで の間に充てんさ れ て い る砂 利の層の外 径は節 部 径よ り大 き く約75cm となっ て い る が その密 度はゆる く， 地 表 に置い て い た砂 利と変わ ら ない程 度で あっ た。
これに対商
態 っ てい る っ てい る っ てい る く い る 図一
10 節 杭の周 囲の状 況一 70 一
して， そ れ よ り下 側で は節 部とほぼ 同 じ径で あっ て
，
固 く締まっ で お り， 密度はD 。
＝
100 ％以 上 と推 定され る。
杭体表 面には砂利に削ら れ たと思わ れ る鉛直方 向の傷 が 生 じて い る。
特に節 部の下 面 では 著 しい。
節 部の直 下では，
その下 方よりも砂 利 層の径が少し大 き く なっ て い る。
砂利層の外側に は厚さ 1−
2cm の砂 利と砂の 混っ た層が形 成さ れて いる。 最 下 端の節 部よ り下側の 部 分に も砂と砂 利の混っ たもの （砂48％， 砂 利52
％） が 固結して い る。
ま た，
杭 先 端面の 下方に は約 15cm の深 さ まで非 常に固 く締まっ た砂利の層 （砂 11〜
18％，
砂利82〜89
％）が見ら れ た。
こ の部分の砂と砂利は採 取 す ること がで き たの で粒 度 試 験 を 行っ た。文 中の （ ） 内の値は ；の結果で ある。
ま た，
最 下 端 節 部 付 近で の砂 の 細 粒 分 含 有 率は 9〜
17％ となっ て お り，
実 験 前の値 （6．
5％）よ りもかな り大 きく，
こ の部 分の砂の粒 子 破 砕現象が認 め られ た。
以 上の一
の結 果 を模 型 実 験の結 果1 ）と 対 応さ せて 判 断す ると，
節杭の周 囲は貫 入 時に は次の よ うな状 態に なると考え られ る。
i
） ま ず，
砂 利は節 部によっ て生じ た穴に充て ん され る。
の 充てん され た砂 利は上 方の 節 部に押され て圧 縮され る ため 杭の本 体 部との間ですべ り を生じ，
そ の結 果杭 体 表 面に傷がで き る。iiD
節 部の下 面で圧 縮さ れ た砂 利は外 側に押し出 され るよ うに動く。 すな わ ち，
実 大杭の場 合で も模 型 実 験と同様の節 部 下 面 の支持 作用が見ら れる。
iv
）貫入量 が大き く な る と，
砂 利は杭
体と一
体に なっ て動く ように な り，
砂利層の外側 の面が せ ん断 面と な る。 その結果砂と砂利の混っ た層が 形 成さ れ，
こ の層の せ ん断 抵 抗が節 杭の杭 周 部の抵 抗 と し て作用す ることにな る。
V ）最下端の節 部か ら下 側の 部分は先端面と一
体に なっ て抵抗す る。
以上の よ う に節杭の場合，
最 下 端の節 部よ り上 方の抵 抗は，
円 筒 杭の よ う な杭 体と地盤 との摩 擦 抵 抗による も の で はな く，
模型 実 験で見られ た よ うに， 節 部 下 面の支 持 作 用 お よ び砂 利層 周 面での せ ん断 抵 抗に よるもの であ るこ とが確認された。
そこで，、
こ の部 分の抵 抗 を文 献 n にな らっ て周 面 抵 抗と呼ぶ。 （2） 載 荷 試 験に お ける荷重〜
貫入量 関 係 図一
ユ1は載 荷試験にお け る杭頭荷重P
。〜
杭頭貫入量S
。’
関 係 図であ る。
た だ し，8
。 ’ は載荷試 験 開 始 時か ら の杭 頭の 貫入量である。
図に は先 端 抵 抗と周 面 抵 抗 も示 してい る。 先 端 抵 抗と して は， の 先 端 面の抵 抗 ： 断 面の軸 力PtS
，ii
）最下端節部の抵 抗 ：節 部 をはさむ断 面の軸 力 差 （P
、。− Pl
：），iiD
両 者 を一
体 とした先 端 部 全 体の抵抗 ； 断面の軸 力P
、。の 3種 類 を考え る。
また， 周 面抵 抗P
∫は （P
。− P
、。｝と す る。
これ ら の抵 抗は 3 章 （3 ）で述べ た補正抵抗値であ る。
図一
11から，
節 杭で は全 抵 抗 中に周 面 抵 抗が占め る 割 合が円筒 杭に比べ て非 常に大きい こと， 周面 抵 抗に は o 冒．
弖1008 噸 転 200 300 Po，
Pp，
PI ［しf］ 50 100 PpP：
！ （Plo−
P1！） PI。
図一
11 載 荷 試 験に お ける P。
，
Pp，
Pノ〜
S。
’
閧 係図 o 23
【
日 ー 」 巳 尉 賦 軸 力 Pl ［tf ］ 50 100 節 杭の 姿 図 ◎一
一
冖
一
一
図一
12 載荷試 験第3サ イ クル にお け る軸 力 分 布 ピー
ク値が見ら れ ずS。
’
の増 大に伴っ て漸 増し て い る こ と，
先 端 面の抵 抗P
、2 が最 下 端の節 部 抵 抗 （P、。− P
、2＞ よ り大きい こと な ど が分か る。 （3 ）軸 力分布 載 荷 試 験の第3
サイクル での軸 力 分布図を図一12
に 示す。 節杭の周 面抵 抗は上部に おいて多少の変化が見ら れ る が，
大 局的に は円筒杭と同様ほ ぽ一
様な分布と なっ ており，
模 型 実 験で見 られ たよ うに，
節 部を は さ む 2つ の断 面の軸 力 差が大き く な るよ うな分 布 形には なっ て い な い。 模 型 実 験の場 合は杭を設 置し てからその周囲に砂 を詰 めた ため，
節 部の 下 方の砂は周 囲よりゆ るい状態で あっ た。 これ に対して，
本 実験の杭は地表面か ら貫入 さ れ た た め，
（1 ）で述べ た よ うに砂利 層は か な り密な状 態になっ て い る。
し たがっ て， 砂利 層の外 側に作 用 する せ ん断 抵 抗は よ り直 接 的に杭 体に伝 達さ れ たため，
軸 力 は一
様な分 布になっ た と判 断さ れ る。
6．
節 杭と円 筒 杭の比 較 （1） 先 端 支 持 力 度の比 較 図一
13は，
載 荷 試 験にお け る節 杭と円筒 杭と の先端 抵 抗 を， 先 端 支 持 力 度q
ρ と貫 入 量 杭 径 比S
。”
／D
の関 係で比較
し たもの である。 φ300杭と節 杭は最 終 サ イク ル の もの を， φ 450杭は 12日間 放 置 前の第 2サ イク ル の もの を採用 し て お り， S。”
は各サイク ル で の載 荷開始 時か らの貫入量 を示して い る。
また，
節 杭の先 端 支 持 力一 71 一
0 00
．
05 ＞8
劉．
O．
10理
篋
。．
1・ 先 端支 持 力度 qp ［kef／cm 弓 20 40 節 杭の先端支 持 力 度 qb〜
So’
ソDn 節 杭 先 端 面 qs＝
Pl2／As As＝
Ds2πノ4 最 下 端 節 部 qn＝
（PI。−
PIz）／An An＝ ｛Dn2−
Ds2）π／4 節杭 先端部 qb＝
P【 。／Ap 師富
nn3πノ4 図一
13 先 端 支持 力度の比 較 図 度は 5章 （2｝と同 様，
先 端 面の支 持 力 度q。
，
最 下端 節 部の支 持 力度 q。
お よ び先 端 部の支 持 力度 9bの 3種 類 を考え た。
これらの値は図中に示 す式で求め た。
ま た，
S
。”
／D
のD
は q。 に対してはD
；D 。
とし ， qnとqbに 対 し てIi D・
＝
Dn と し て計 算し た。
こ の図か ら， 節 杭の 先 端 支 持 力 度は q。＞qb＞qnの順と なっ て い るが，
いず れも円 筒 杭の先 端 支 持 力 度 よりも小さい こと が分か る。 こ れ を 定 量 的に 検 討 す るた め，S
。”
〆D
が O．
05，
0．
1，
0．
15の時の そ れ ぞ れのq
ρの値と，
円 筒 杭の平 均値に対 す る比を表一3
に示す。 節杭の先端 部の支持力度は 円筒 杭の 約70
％になっ て い る。
こ の表に は比 較のた め，
模 型 実 験に よ る値且， と， 筆者ら が多くの載荷 試 験結果か ら 作 成し，
文献G） と文献7）で提案 し た 円筒 杭と節杭 との支 持 力 算定式に お け る先端支 持力係 数 （Rp
／1V
ん，
こ こ にR
ρは先 端抵抗，N
は杭 先 端 地 盤の平 均N
値，A
ρ は杭 の先 端 断 面 積）と そ れ らの比も示して あ る。 いずれの比 も， 0．
7前 後で あっ て， 本 実 験によ る値はこれらと ほ ぼ一
致して いることが分か る 。 （2） 周 面・
摩 擦 応 力 度の比較 図一
14は （1）と同じ載 荷試 験の各 サ イ クル で の周 面 抵 抗 （円筒 杭で は摩 擦 抵 抗 ） を応 力 度で表したf
とS
。”
の関係の比 較 図である。 節 杭の周 面 応 力 度は，
図一
表一 3 先 端 支 持 力 度 の値 ［kgf／cm2 ］ 円 筒 杭 節 杭 φ300 φ450 平 均 qsq “ qb So闘
／D＝
O．
05 値比 38．
5 （o．
9η 40。
5 （1．
03） 39．
5 （1｝ 30．
5 （G，
77） 22．
5 （O．
57） 27．
3 （o．
69） 本 冥 験 S。門
／D≡
O．
10 比値 （O39．
96
．
5〕（且42．
04，
9） （411．
）2
（O34．
83．
2）（O24．
58．
2）（o29．
7D．
2 S。ツ D 胃O，
15 値 比 生 o．
6 〔o．
96） 43．
8 （LO4） 42．
2 〔1） 36，
2 （0．
86） 24．
o ω．
5729．
50．
70 模 型 冥 験1》 比 （1〕 （O．
87）〔o．
66） （O．
75） の『
7｝ 支持 力 算 定 式 打 込 み杭 係 数 比 32 〔1） 21 （D．
66｝ 埋 込 み 杭 係 数 比 21 〔1） 15 （O．
71） ゆ ー［
冊
冒 こ 国 二一
翼 R 遵 鰻 蟄 匝ζ O，
510
図一
14 20 40 60 80 杭 頭 貫 入 量 So1’ ［mm 亅 周 面・
摩擦 応 力 度の比 較 図 表一
4 周 面・
摩 擦 応 力 度の値 ［kgf／crn2 ］ 杭 300450 平 節 杭 So”冨
20mロ 値 o．
23 （O．
8臼） o．
29 （1．
且2） 0．
26 （1） し24 （4．
77） 本 冥 験 So”＝
50ロロ 値 比 o．
24 （o．
89） O．
30 （1．
n ） O．
27 （1） L36 （5。
04） So冒
冒
＝80皿 旧 値 比 0．
24 （O．
89） 0．
30 （LIPO
．
27 （1＞ 1。
40 （5．
19 模型冥 験ゆ 比 （1） （z．
5 ） 支持 力 算 定 式5》・
7｝ （打込み杭，
埋 込み杭 ） 係 数 比 0．
22 （no
．
602．
7 11の 乃 を，
節 部 径を持つ 円 筒 面の表 面 積で 除した もの であ る。 こ の図か ら節 杭の周 面 応 力 度は円筒 杭の摩 擦 応 力度よ りか な り大 きい こ と が分か る。 表一
4 に はS
。”
が 20，50
， 80mm の時のf
の値を 示し た が，
節杭の周 面 応 力 度は円 筒 杭の摩 擦 応 力 度の約 5倍に なっ て いる。
ま た， こ の表に は模 型実験で得られ た値1 ）と， 支持 力算 定 式の うち 砂 質 土の 摩 擦 抵 抗の係 数 （R
．s／N
。L
。di
， こ こ に R！。
は砂 層 中で の摩 擦 抵 抗， Nsは砂 層の平 均N
値，
Ls は砂 層 中にある杭の長さ， ψは杭の周長）と そ れ ら の比 を文献6）・
7｝の デー
タ か ら計算し た も の を合わ せ て示 し たが，
いずれも比は約2，
5
であっ た。
本実験の結果は これ らの値よ りも大きいが，
これにつ い て は次 章で検 討 す る。7．
節杭の周面抵抗の検討 （1 ＞ 模型 実 験に ょる実験 式 本 実 験で得 られ た節 杭の周面 抵 抗の値を模型実験で得 ら れ た実験式1，に よ っ て検 討 する。
こ の式は節 部 下 面の 支 持 作 用に よっ て，
充て ん材と 地 盤 との間の せ ん断 面に 働く垂 直圧 が， 図一
15の ように節 部 下 方で根 入れ に よ る垂 直圧 よ り も大き く な る と し て導いた もの であ る。 ・・一
蕩［
［
（
・7Z
・・
鳳 。周 （
ls・号
の
・
（
K7Zi・
tan
acs
十Ccs）
・
詞
洗・
・］
／
｛
ト 贓 伽（
・−
a・9）
・
。ii
／
？
lb
；
”
D
．・
讐
｝
……・
…・
………・
…… ・
……
（1 ） こ こ に，Pv
は節杭の周面抵抗，i
と n は上と下の節 部一 72 一
Z1
二
800m Z2＝
1，
800旧 Z3ニ
2，
800m噌
◎つ（
丶＝
沿
卜 su）
GL KγZi翫
週
曲 地 盤 図一
15 杭 周の垂直圧 の 分布と杭 体の寸 法 ［mm ］ に は さ ま れ た本体 部を地表 面か ら数え た順序とそ の数 （本 実 験で は n＝3
），K
は側圧係 数，
Z
‘はi
番めの本 体 部の 中心 深 さで あ り，ls
， ら，
D。
，
Dn，
α お よ び lp は図一
15に示 す杭体 各部の 寸 法であ る。
ま た，
φ。g と c。。 は地 盤 （砂 ）と 充て ん材 （礫）との 間の，
δ。s と c，。 は 杭 体 （コ ン ク リー
ト）と地 盤 （砂 ）と の間の そ れ ぞ れ 摩 擦 角と粘 着 力を示し，
δcg は杭 体 （コ ンク リー
ト）と 充てん材 （礫）と の間の摩擦角を 示し ている。
（2 ） 砂
・
礫・
コ ン ク リー
ト相 互 間の せん断・
摩 擦 試 験 地 盤 と充て ん材お よび杭 体 相 互 間の摩 擦 角と粘 着 力を 求め る た め，
試料の長さが 300mm，
幅が200
mm，
厚 さ が120mm
の 大 型一
面せ ん 断 試 験 機8，を用い てせ ん 断・
摩擦試 験を行っ た。
地 盤 と充て ん材と は本 実 験で 使っ た砂と礫を，
杭 材 とし て はコ ンクリー
トの代わ り に 水セ メ ン ト比 が 65％，
砂セメ ン ト比が2の モ ル タル を 用い た が，
この表面は サン ドペー
パー
で杭 材 と 同じ表 面 粗さ （Rmax （L ニ
O．
8m 皿 ）≒17．
2μm ）にな る よ う に仕 上 げ た。
試験は， 砂の せ ん断 試 験，
礫の せん断試 験，
砂と 礫とのせ ん断 試 験，
砂とモ ル タル との摩 擦 試 験お よ び礫 とモ ル タル と の摩 擦 試 験の 5種 類とし た。 砂や礫は せ ん 断 箱 内に適 当な厚さとなる ように入れた後，
15×20cm も し く は10
× 10cm の板を介して，
重さ1．
25kgf
の ラ ン マー
を落下して詰めた。
落下高さと回数お よび一
層の 厚さ は密度に応 じ て調 節 し た。 砂に つ い て は相 対 密 度Dr
を試 験 杭貫 入後の地 盤の平 均 密 度に合わ せ て 65％ と し たが， せ ん断 試 験で は こ の他に D。＝
＝
67，
82，
97 ％ の場 合につい て も行っ た。 礫のD
．は試 験 杭での充て ん 状 況 を考え て ほ ぼ 100 ％ （γ＝
1．
57 gf／cm3 ）と な る よ う に し た。
砂の含 水 比は 地 盤 と同じ6．
5％ と な る よ うに調 製 し，
礫は ランマー
落 下 時の分 級を防ぐ た め 湿 ら せ て お い た。
垂 直圧 σ n は0．
5，
0．
7，1．
O，
1．
5kgf
／cm2 の 4通 りとし，
加圧後15分 間 圧 密 し たの ち， せ ん断 力 を 最 大 荷 重までは荷 重 速 度が ほ ぼ一
定に，
そ れ以 後は変 位 速 度 が一
定 （lmm ／分）に な る よ うに加え た。 以下，
こ れ らの試 験で得ら れ た せ ん断・
摩擦 強度につ いて述べ る。
（i
） 砂の せん断 強 度r。 。 D，
＝
82％の場 合とσπ＝
1，
0kgf／cm2 の場 合の τ。 s と変 位 量の関 係を図一
16 （a），
（b
）に そ れ ぞ れ示す。
図中 のD
，は，
試 料 作 製 時あ
体積と重量 か ら求め た もの で あ り，
圧密に よる体積 変 化は考 慮して い ない。
また図一
17 は rss の ピー
ク 値 と anの関係で ある。
Di65 ％お よ び67
％ の場合は Tss に ピー
クが 生じて い ない ため，
せ ん 断量 が30mm の 時の値 を 採 用し て い る。 図 中の 直線は 最小 自乗 法による回帰 直線であるが，
これ らの 直線の 傾 斜 角 を砂の 内 部 摩 擦 角ilss
，
rss切 片 を粘 着 力 c。s と する と，
次の値 を得る。Dr＝
65％ ：css＝
o．
23kgf
／c皿2，
dise
＝ 27．
1°
Dr＝67
％ ：css＝
o．
29 kgf／cm2，
φss・
＝
26．
2e
Dr＝82
％ ：ces＝
O．
23kgf
／cm2t φss・
＝
43．
O
°．
Dr
＝97
％：css
＝
0．
35kgf
／c皿2，
ipss
＝
51．
8°Cssは あ ま り密 度に は影 響さ れて いない が
，
ilss
の値 に は密 度の影 響が大き く表れて いること が 分 か る。
そこ で，
D．
と tan φ。 。の 関 係を最 小自乗法で求め る と次 式 の よ うにな る。，
1．
5軍
1．
。蠶
o 10 20 変 位 量 ［tom］ 300 2 10 20 変 位量 ［RM］ 図一
16 τ。。〜
変 位 量 関 係図 30 2．
o 51 Ol［
N日
o こ 凶 己 o，の
』 0．
5 o計
0．
5 1●
0 1．
5 垂 直圧 σn ［kgf／cm2 ユ 図一
17 τ。
。
〜
an 関 係 図一 73 一
表 面 に削られ た跡 （a）下箱に砂
