調査分類健全性調査項目杭長地中部損傷状況既存場所打ちコンクリート杭の性能調査表 - 調査概要 Outline of investment 調査方法調査数量 No.1 No. No.3 No.4 No.5 コアボーリング ( 杭先端地盤の土質も調査 ) インティグリテ

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ときなつくとの
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1 大成建設技術センター報第 37 号 (4) 既存場所打ちコンクリート杭の性能調査渡邊徹 *1 長尾俊昌 *1 真島正人 *1 西尾博人 * Keywords : existing pile, bored pile, reuse, integrity test, durability test, rapid load test 既存杭, 場所打ち杭, 再利用, 健全性調査, 耐久性調査, 急速載荷試験 1. はじめに杭支持された建物の建替えに際して環境負荷低減やコスト工期縮減の観点から既存杭を解体することなく有効利用しようとする機運が高まっている 1) ) 特に杭径が大きく解体に要するエネルギーが莫大となる場所打ちコンクリート杭 ( 以下場所打ち杭 ) を中心に今後既存杭を積極的に利用する事例が増加すると考えられる既存杭の利用に当たっては既存杭の状態を調査し性能を評価した上で最適な利用形態を選択することが重要である本研究は既存杭の利用時に必要となる調査技術や評価方法を検討することを目的として実施している本論文は築後約 5 年経過した既存場所打ち杭に対して今後適用性の高いと判断した方法による一連の調査を実施した内容について報告するものである表 -1 既存杭の概要 Outline of existing pile 場所打ち杭種コンクリート杭アースドリル工法杭径 (mm) 約 7~19 杭長 (m) 約 1~ 杭本数 ( 本 ) 約 18 竣工年 1978~198 約 5m No.1 約 115m No. ボーリング No.5 No.4 No.3 図 -1 調査位置図 Location of investment. 既存杭と地盤の概要既存杭は RC 造 4 階建ての工場の基礎として使用されていた上部建物解体時に杭頭部は解体されたものの杭の大部分は地中に残され地盤の余力として利用されている写真 -1に既存杭杭頭部の状況を表-1に既存杭の概要を示す杭種は場所打ち杭でアースドリル工法により施工されており試験時 (~3 年 ) には建物竣工後約 5 年経過していた地盤調査位置を図 -1に調査結果の概要を図-に示す図 - 中には地盤調査位置近傍の杭断面を併記している調査地の地盤は地表面から段丘堆積物の粘性土と砂質土が互層状に堆積し G.L.-1~-m 付近で砂礫層が出現する地層構成となっている杭の先端支持層である砂礫層の出現深度は敷地内で変化しておりこれに伴って建物内の各杭長が異なっている *1 技術センター建築技術研究所建築構工法研究室 * 設計本部構造グループ 4-1 写真 -1 既存杭の杭頭部の状況 (No.5 杭, 杭径 : 約 75mm) Pile head of existing pile (Pile No.5, Φ 75mm) 土質区分 N 値建物中央部孔内水位質砂質砂礫質砂砂質質砂礫質砂質砂礫土質区分埋土砂質砂質砂礫質細砂粗砂細砂質細砂砂質砂質砂質粗砂建物端部 N 値 5 孔内水位解体部 S 波速度 (m/s) 4 図 - 土質柱状図と杭断面 Profiles of soil condition and test piles

2 調査分類健全性調査項目杭長地中部損傷状況既存場所打ちコンクリート杭の性能調査表 - 調査概要 Outline of investment 調査方法調査数量 No.1 No. No.3 No.4 No.5 コアボーリング ( 杭先端地盤の土質も調査 ) インティグリティ試験 (IT 試験 ) 地中部 : ボアホールカメラによる確認コンクリート圧縮強コアサンプリングした試験体で圧縮試験ヤング率度ヤング率測定 (JIS A に準拠 ) 耐久性中性化深度水平コアによる試験体採取後, 試験体を分割し, 破砕面でフェノールフタレイン法による試験鉄筋の引張り強度中性化試験位置近傍で試験体を斫り出し, 切断採取後, 引張り試験 (JIS G に準拠 ) 鉄筋の発錆状態試験体採取直後に目視調査支持性能鉛直載荷試験急速載荷試験 ( 軟クッション重錘落下方式 ) (JGS1815-に準拠) その他振動騒音測定急速載荷試験時の騒音振動計 ( 地表面 ) 地盤調査ボーリング,PS 検層, 物理試験, 強度試験 (1 軸,3 軸 ) - 3. 調査概要写真 - コアボーリングによる杭長調査結果 (No.5 杭杭長 =8.9m) Measurement result of pile length by core boring (Pile No.5 L=8.9m) 各種調査は図 -1 中に示す5 本の既存杭 (No.1~No.5) を対象として表 -に示す項目について行った表では 1) ) 調査項目を文献に従って分類しているここに健全性とは杭が設計図書通りの形状 ( 杭径長さ ) で施工されていることであり耐久性とは杭体が所定の性能 ( 強度品質 ) を維持していることを指すものとするなお調査方法には既存杭の調査として適用性の高いと判断した方法を主として採用している 4. 健全性調査 4.1 杭長調査杭長調査はコアボーリング及び弾性波を利用したインティグリティ試験 (IT 試験 ) により実施した写真 -は No.5 杭のコアボーリングにより採取したコンクリートコアであるコアの累積長さ及びボーリング孔長から求めた No.4 杭及びNo.5 杭の杭頭切断部からの杭長はそれぞれ 6.86mと8.9mであったなおコアボーリングに要した時間は約 1.5 日 / 本であった写真 -3はIT 試験の実施状況である IT 試験は杭頭をハンマーで軽打し打撃によって発生するパルスに対する杭の振動応答を測定して杭長を推定する手法で非破壊かつ数分で結果評価が出来ることが特徴である図 -3に No.5 杭の測定波形の一例を示す IT 試験による推定杭長写真 -3 IT 試験の状況 (No.5 杭 ) Measurement of pile length by IT System 4 8 杭先端反射 L 8.1m 杭長 (m) 図 -3 IT 試験による波形 (No.5 杭 ) Measurement result by IT System(Pile No.5) はいずれもコアボーリングによる調査結果とほぼ一致した 4. 損傷調査損傷調査は杭全長を対象として (1) コアサンプリングしたコアの観察 ()IT 試験の波形分析 (3) ボアホールカメラにより実施した (3) の調査は写真 -4に示す小型カメラをボーリング孔 4-

3 大成建設技術センター報第37号(4) に挿入し孔壁を撮影した映像を基に損傷の有無や程度をカメラ部拡大調査する方法である写真-5は No.5杭の孔壁を撮影した映像を展開したものである写真-6に加え前述のコアボーリング(写真-3)やIT試験(図-3)から杭全長に渡って損傷が無く健全であることが確認できる 5. 耐久性調査 5.1 試験体の採取方法 No.1 No.3杭の試験体の採取位置を図-4に模式的に示す(No.5杭は杭中心位置で杭頭と杭先端から採取) 圧写真-4 縮強度ヤング係数測定用の試験体は鉛直方向に中性化試験は外周面から水平方向にコアボーリングして.1m ボアホールカメラによる調査 Borehole camera 1.7m 3.3m 4.9m 6.5m 採取した鉄筋 SD3 は水平コアを行った近傍から斫り出し切断採取した 5. 調査結果表-3に調査結果の概要を示す表中の数値は調査結果の平均値であり括弧内の値が計測値の範囲を示している力学試験については図-5 図-7に示すように度数分布で整理した図中には正規分布と仮定した場合の曲線とデータ数 N 平均値 x 標準偏差 s および変動係数 Cv の各値も併記している図-5より圧縮強度の値はややばらついているもののいずれも施工時の設計基準強度(約1N/mm)を上回っていることが確認できる採取位置による強度については中央と端部ではほぼ同等杭先端部でやや大きい値を 8.m 1.7m 示したただしサンプル数が十分ではなく全体の傾向 3.3m 写真-5 を得るには至っていない 4.8m 6.5m コアボーリング孔壁展開映像(No.5杭) Image of borehole wall face ヤング係数については全体の平均測定値が.7 コンクリート圧縮強度ヤング率調査鉛直コアボーリング φ1 L 8mm 1 4 N/mm であり建築学会等で示されている強度から推定される値約 N/mm とほぼ一致した鉄筋引張り強度発錆調査 L 5mm 図-6に示すように採取位置によらず概ね一定の値を示していることが分かる図-7に示す鉄筋の引張りコンクリート中性化試験水平コアボーリング φ1 L mm 降伏強度からは鉄筋 SD3 いずれも製品の降伏強度約3N/mm を上回っていることが確認できる図-4 中性化深度は表-4に示す通り最大値は1.mmであっ耐久性試験の試験体採取位置 Location of core sampling for durability tests た既往の方法3)による推定値は約18mm(W/C=6% 中性表-3 化比率=1と仮定であり測定結果は約1/15と小さいことが分かる鉄筋の発錆調査ではいずれの杭とも錆は確材料認されず健全な状態であった耐久性調査より杭材の劣化は確認されず既存杭が施工時と同等の材料品質を維持していることが確認された従来から指摘されているように地中に設置されているという既存杭の養生条件が杭材の品質を維持する上で有利に作用したと考えられる 4-3 調査項目耐久性試験結果の概要 Results of durability tests No.1 No. No.3 No.5 圧縮強度 ( ) ( ) ( ) ( ) (N/mm) ヤング率コンクリート ( 14 N/mm) ( ) ( ) (..9) (..65) 中性化深度.4.7 (mm) () (.7) (.4 1.) 降伏強度 (399 41) (398 46) ( ) 鉄筋 (N/mm ) 発錆状態錆無し錆無し錆無し -

4 既存場所打ちコンクリート杭の性能調査度数 N=18 x=33. s=3.8 Cv=11.5% N=1 x=3. s=4.6 Cv=1.6% 端部中央部 ( 杭頭 ) 中央部 ( 杭先端 ) N=3 x=4.1 s=6.56 Cv=15.6% 図 -5 コンクリート圧縮強度 Histogram of compressive strength 度数設計基準強度圧縮強度 (N/mm ) N=3 x=.48 s=.3 Cv=9.% ヤング率 ( 1 4 N/mm ) 端部中央部 ( 杭頭 ) 中央部 ( 杭先端 ) N=11 x=.55 s=.3 Cv=11.9% N=18 x=.77 s=.6 Cv=9.5% 図 -6 コンクリートヤング率 Histogram of Young's modulus 度数 3 N=9 x=396 s=19.4 Cv=4.9% SD 3 1 の降伏強度降伏強度 (N/mm ) 図 -7 鉄筋の引張り降伏強度 Histogram of tension strength 6. 支持性能調査 6.1 支持性能調査概要既存杭の支持性能を確認する方法として敷地条件試験期間試験費用等から反力杭を必要としない急速載荷試験 (JGS1815-) が一つの有効な方法であるといわれている 1) ) 4) 4)~7) 中でも軟クッション重錘落下方式は火薬を使用しないことや比較的低騒音であること等の特徴があり市街地での使用に適している手法である今回は本方式による急速載荷試験を No.4 及びNo.5 杭に対して実施した表 -4 写真-6 及び図-8に載荷試験及び装置の概要を示すへの載荷は重さ約 39kNのモンケンをガイドを介して自由落下させることにより行った杭頭部の 6) 7) クッション材には既報の特性を有する発泡ウレタン材を用いている杭頭が地中 ( 約 G.L.-3.m) にあるため杭頭部には長さ約 3.5mの鋼製載荷治具を設置している載荷は落下高さhを段階的に変化させて多サイクルに実施する加力する方式とした計測は杭頭の荷重と変位を載荷治具に貼付したひずみゲージ及び光学式変位計を用いて行った光学式変位計はから約 15mの位置に設置した表 -4 急速載荷試験の概要 Outline of rapid load test 杭名称 No.4 杭 No.5 杭杭径約 7mm 約 75mm 杭長 6.86m 8.9m 重錘クッション材モンケン : 重量 M=39.kN (4.tf) 発泡ウレタン直径 41mm, 厚みt=13mm 荷重サイクル 8サイクル 9サイクル落下高さ h(m) 杭頭荷重杭頭変位.5, 1., 1.5,.,.5, 3., 3.5, 4..5, 1., 1.5,.,.5, 3., 3.5, 4., 5. ひずみゲージによる測定光学式変位計全景載荷治具頭部重錘 : モンケン ( 約 39.kN) アボロン式杭打ち機重錘 (39.kN) クッション材 H クッション材変位計ターゲット光学式変位計台座 8 3 G.L. 約 5 m 変位計ターゲット 7 3 約 15m ひずみゲージ上下各 4 点載荷治具 ( 既存杭 ) 写真 -6 急速載荷試験状況 Tset setup 図 -8 載荷装置の概要 Outline of loading system 4-4

5 頭部荷重 (kn) 頭部変位 (mm) (a) 荷重 (b) 変位大成建設技術センター報第 37 号 (4) h=.5m h=1.m h=3.m h=5.m h=.5m h=1.m h=3.m h=5.m 頭部荷重 (kn) h=.5m h=1.m h=1.5m h=.m h=.5m h=3.m h=3.5m h=4.m h=5.m マッチング双曲線近似頭部変位 (mm) 時間 (sec) 図 -9 治具頭部の荷重変位 ~ 経過時間関係 Time history of load and settlement 8 (a) 振動図 -1 荷重 ~ 変位量関係 Load - settlement relationship 1 (b) 騒音 6. 試験結果図 -9(a) にNo.5 杭の載荷治具の頭部 ( 以下頭部 ) の荷重と経過時間の関係を示す ( 荷重は載荷治具のキャリブレーション試験結果を基に算定 ) 図には h=.5m 1.m 3.m 5.mの結果を示している図 -9(b) には頭部変位と経過時間の関係を示した図には動的な抵抗因子を取 7) り除くために行った簡易マッチング法の結果も併記しているマッチング結果は実測値と良い対応を示している図 -1は No.5 杭の各荷重段階における頭部の荷重と変位 ( 残留変位を加算 ) の関係に簡易マッチング法の結果をプロットしたものである簡易マッチング法による結果は実測変位が最大となる点に対応した値である簡易マッチング法から求めた荷重と変位の関係は滑らかな関係とはなっていないこれは各荷重段階における荷重 ~ 変位曲線が必ずしも相似形とならないためと思われる落下高さh=3.mや3.5mのように比較的矩形に近い形状では実測最大荷重に近い荷重が得られるのに対して h=1.mや.5mのように荷重ピークが鋭い形状では小さい荷重が算定される傾向にある図には簡易マッチング法の結果を双曲線により近似した曲線を示しているこの曲線によれば No.5 杭の推定極限支持力は約 36kNとなる (No.4 杭も約 36kNであった ) 図 -11には試験時の振動騒音の計測結果を示したから1mならびにm 離れた地表面の計測値である振動レベルは落下高さに応じて増加する傾向があるがいずれの計測値ともに振動に関する法律で規定される敷地境界での基準値 (75dB) を下回った騒音レベルについては落下高さとの相関は不明瞭であった騒音レベルの最 8) 大値は反力体慣性力方式の計測値 (1mで約 1dB 載荷荷重 : 約 3kN) に比較して小さい値であった計測レベル値 (db) No.4 杭 - 距離 1m No.4 杭 - 距離 m No.5 杭 - 距離 1m No.5 杭 - 距離 m.. 4. 重錘落下高さ (m) 図 -11 載荷試験時の振動騒音測定結果 Vibration and noise level during rapid load test 重錘落下高さ (m) 6.3 載荷試験のシミュレーション地盤調査結果を基にの荷重 ~ 変位関係をハイブリッド法により解析した図 -1に土質柱状図と解析モデルの関係を示す図では杭先端は質細砂層となるが杭先端地盤が砂礫であることを確認しているため解析モデルでは杭先端 1mが砂礫層に根入れされているものと仮定し地盤を4 層でモデル化した杭は全長を8mとして16 分割した ( 杭体は梁要素 ) 杭周面ならびに先端にはそれぞれの抵抗を模擬するバネを設け杭の各節点間には Mindlin 解による相互作用を考慮している両者のバネにはともに非線形性を考慮し以下にようにして設定した摩擦バネ : 摩擦 ~ 変位関係に双曲線を仮定した摩擦力が杭円周に等分布に作用するものとして Mindlinの解を用いて初期剛性を算定した ( 地盤の変形係数にはPS 検層より得られたE を使用 ) 最大摩擦力は地盤のせん断強度とした 9) 先端バネ : 荷重度 (Rp)- 変位 (Sp) 関係を (1) 式で仮定した 3.31 ( S p / D ) /.1.1( Rp / RPu ) +.88( Rp / RPu ) = (1) (1) 式は先端載荷試験結果から提案された式であり杭径

6 既存場所打ちコンクリート杭の性能調査土質区分埋土砂質 N 値 3 6 孔内水位載荷冶具第 1 層表 -5 解析に用いた地盤定数 Soil properties used in analysis 層番号 E (kn/m) ν τmax(kn/m ) 1 3.1E E E E Vs=6m/s 5 第層砂質 Vs=17m/s 砂礫質細砂粗砂第 3 層 Vs=47m/s 第 4 層 Vs=41m/s 頭部荷重 (kn) 3 1 No.4 杭 No.5 杭シミュレーション結果細砂 1 3 頭部変位 (mm) 図 -1 解析モデル Numerical Model 図 -13 荷重 ~ 変位量関係の比較 Comparison of calculated and measued (Dp) と極限荷重度 (Rpu: 杭径の 1% の沈下時の値 ) から一義的に決定されるものである表 -5に解析に使用した地盤定数を示す地盤のせん断強度は第層では1 軸圧縮強度 quの1/を第 3 層では N 値が 3 であると仮定して 3.3 Nで求めた第 1 層については Vsとquの関係式 1) を参考にして第 1 層のqu を基に 1kN/m と仮定した図 -13にシミュレーション結果を実験結果( 簡易マッチング結果 ) とともに示す前述したように試験結果は滑らかな関係とはなっていないが解析結果との対応は良いと判断できる解析上の極限支持力 ( 杭先端の沈下量が杭径の1% となる点 ) は39kNでありマッチング結果をもとに双曲線で推定した値と概ね整合している 7. まとめ築後約 5 年経過した既存場所打ちコンクリート杭に対して健全性耐久性支持性能に関する調査を実施しその有用性を検討した健全性試験では IT 試験より得られた杭長や損傷調査結果がコアボーリングやボアホールカメラによる調査結果と対応しており既存杭についても試験の適用性が高いことを確認した耐久性試験からは杭コンクリート鉄筋に劣化は確認されず既存杭が施工時と同等の材料品質を維持していることを確認した急速載荷試験では載荷試験結果から簡易マッチング法により推定した荷重 ~ 変位関係と試験位置の地盤調査結果を基づいたハイブリッド法によるシミュレーション解析の結果と整合する結果が得られたまた試験時の騒音や振動についての測定も行い載荷試験が市街地でも適用できることを検証したこれらの調査技術を活用し既存場所打ち杭の再利用を積極的に推進したいと考えている参考文献 1) 日本建築学会構造委員会 : 基礎構造の環境への貢献, 日本建築学会,3. ) 建築業協会 : 既存杭利用の手引き,3. 3) 岸谷孝一 : 鉄筋コンクリートの耐久性, 鹿島建設技術研究所出版部,pp.163~164,198. 4) 沼上清, 矢島淳二, 阪井由尚, 三浦正悟 : 体育館増改築工事における既存 PC パイルのリサイクル利用, 日本建築学会学術講演梗概集,pp.553~558,3. 5) 地盤工学会編 : 杭の鉛直載荷試験方法同解説,. 6) 阿部秋男, 久保豊, 桑原文夫 : 重錘落下による急速載荷試験の実施例と解釈の方法, 基礎工,pp.64~68,. 7) 久保豊, 妹尾博明, 桑原文夫, 小林淳, 阿部秋男 : 重錘落下方式による杭の急速載荷試験の開発, 日本建築学会技術報告集, 第 19 号,pp.15~18,4. 8)P.Kitiyodom, T.Matsumonto and H.Matsui : STATNAMIC load testing on a bored pile for a bridge foundation and monitoring of load distribution of the piles during construction of the bridge, Int. Symposium on Field Measurement in GeoMechanics, 3. 9) 持田悟, 萩原庸嘉, 森脇登美夫, 長尾俊昌 : 場所打ちコンクリート杭の支持力性能 ( その 1), 日本建築学会大会学 4-6

杭の事前打ち込み解析

杭の事前打ち込み解析株式会社シーズエンジニアリングはじめに杭の事前打込み解析 ( : Pile Driving Prediction) は, ハンマー打撃時の杭の挙動と地盤抵抗をシミュレートする解析方法である打ち込み工法の妥当性を検討する方法で, 杭施工に最適なハンマー, 杭の肉厚材質等の仕様等を決めることができる < 特徴 > 杭施工に最適なハンマーを選定することができる杭の肉厚材質等の仕様を選定することができる

調査分類 健全性 調査項目 杭長 地中部損傷状況 既存場所打ちコンクリート杭の性能調査 表 - 調査概要 Outline of investment 調査方法 調査数量 No.1 No. No.3 No.4 No.5 コアボーリング ( 杭先端地盤の土質も調査 ) インティグリテ

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