橋梁設計研修 ~ 杭基礎の計画と設計 ~ ( 杭基礎の種類 ) 平成 23 年 8 月 30 日 株式会社 四電技術コンサルタント池田豊 本日の話題 杭基礎の概要 杭基礎工法の特徴 杭の材質による特徴 杭基礎工法の選定 1
1. 杭基礎の概要 1. 杭基礎の概要 1.1 基礎の種類と杭基礎の定義 基礎の種類 道路橋示方書 同解説 Ⅳ 下部構造編 ( 平成 14 年 3 月 ) による基礎形式の分類直接基礎ケーソン基礎基礎形式杭基礎鋼管矢板基礎地中連続壁基礎 2
設計法の適用範囲 1. 杭基礎の概要 1.1 基礎の種類と杭基礎の定義 杭基礎の定義 杭基礎とは 主に軟弱な地盤における構造物の建設において 浅い基礎では構造物を支えることができない地盤の場合に 深く杭を打ち込み 構造物を支える基礎 支持方式によって 支持杭と摩擦杭に分けられる 支持杭では先端を支持層に到達させ 主として杭の先端に上向きに働く先端支持力によって荷重を支える 摩擦杭では先端を支持層まで到達させず 主として杭の側面と地盤との間に働く周面摩擦力によって荷重を支える 摩擦杭は 支持層がかなり深い場合に採用されることがある 3
1. 杭基礎の概要 1.2 杭基礎に関する設計基準 道路橋示方書 同解説 Ⅳ 下部構造編 橋梁下部構造の基礎として 杭基礎の種類や選定方法 設計手法等がとりまとめられており 橋梁下部構造以外の土木構造物の杭基礎においても 同基準を参考として計画 設計している 杭基礎設計便覧 道路橋示方書 同解説を補完するものとして 道路橋示方書の背景や設計の基本的な考え方 新しい研究成果等を紹介したもの 杭基礎施工便覧 道路橋示方書 同解説を補完するものとして 道路橋示方書の規定の解説や既存工法の説明 施工計画に関するもの 施工管理の具体的な内容 施工上のトラブル事例と対策等について紹介したもの 1. 杭基礎の概要 1.2 杭基礎に関する設計基準 昭和 39 年 道路橋下部構造設計指針 昭和 55 年 道路橋示方書 同解説 Ⅳ 下部構造編 昭和 61 年 杭基礎設計便覧刊行 平成 2 年道路橋示方書 同解説改訂 道路橋示方書の改訂内容に合わせ 杭基礎設計便覧 杭基礎施工便覧も改訂されている 平成 4 年平成 6 年平成 8 年平成 14 年平成 18 年 杭基礎設計便覧改訂杭基礎施工便覧刊行 道路橋示方書 同解説改訂 道路橋示方書 同解説改訂 道路橋示方書 同解説改訂 杭基礎設計便覧改訂杭基礎施工便覧改訂 現段階での最新基準 4
1. 杭基礎の概要 1.3 杭基礎の分類 杭の工法による分類 打込み杭工法 打撃工法 バイブロハンマ工法 既製杭工法 埋込み杭工法 中掘り杭工法 プレボーリング杭工法 杭 回転杭工法 機械掘削工法 鋼管ソイルセメント杭工法 オールケーシング工法 リバース工法 場所打ち杭工法 アースドリル工法 深礎工法 1. 杭基礎の概要 1.3 杭基礎の分類 杭の材質と形状による分類 杭 鋼杭 コンクリート杭 鋼管杭 H 形鋼杭既製杭場所打ち杭 RC 杭 PHC 杭 合成杭 鋼管ソイルセメント杭 SC 杭 5
1. 杭基礎の概要 1.3 杭基礎の分類 杭の支持機構による分類 杭基礎 支持杭 先端を支持層に到達させ 主として杭の先端に上向きに働く先端支持力によって荷重を支える 摩擦杭 先端を支持層まで到達させず 主として杭の側面と地盤との間に働く周面摩擦力によって荷重を支える 1. 杭基礎の概要 1.3 杭基礎の分類 杭の支持機構による分類 支持杭 摩擦杭 支持杭の支持力 周面摩擦力 + 先端支持力 周面摩擦 先端支持力 摩擦杭の支持力 周面摩擦力 道路橋示方書 同解説では 支持杭と摩擦杭で支持力に対する安全率も変えている 6
1. 杭基礎の概要 1.3 杭基礎の分類 道路橋示方書 同解説による摩擦杭の取り扱い 道路橋示方書 同解説 Ⅳ 下部構造編 ( 平成 14 年 3 月 ) P.353~354 抜粋 2. 杭基礎工法の特徴 7
2. 杭基礎工法の特徴 2.1 打込み杭工法 打込み杭工法には 打撃工法とバイブロハンマ工法がある 打撃工法は 油圧ハンマ ディーゼルハンマ ドロップハンマ等により 既製杭の杭頭部を打撃して地中に埋め込む工法で 施工速度が速く 経済的でもあることから 古くより多く採用されてきた バイブロハンマ工法は バイブロハンマを用いて鋼管杭を所定の深さまで打ち込む工法であり 近年 載荷試験データの蓄積により 支持力評価が可能となったことから 道路橋示方書 同解説 ( 平成 14 年 3 月 ) で新たに規定された工法である 2. 杭基礎工法の特徴 2.1 打込み杭工法 打撃工法 8
2. 杭基礎工法の特徴 2.1 打込み杭工法 打撃工法 工法概要 油圧ハンマ ディーゼルハンマ ドロップハンマ等により 既製杭の杭頭部を打撃して地中に埋め込む 工法の特徴 施工速度が速く 経済的な工法である 支持層への貫入 支持力の推定が容易である 騒音 振動を伴うため 市街部での適用は困難 2. 杭基礎工法の特徴 2.1 打込み杭工法 バイブロハンマ工法 9
2. 杭基礎工法の特徴 2.1 打込み杭工法 バイブロハンマ工法 工法概要 バイブロハンマを用いて鋼管杭を所定の深さまで打ち込む 道路橋示方書 同解説 ( 平成 14 年 3 月 ) で新たに規定された工法 工法の特徴 小スペースでの施工が可能である ヤットコの使用に制約がある ( 建込前掘削等 ) 振動を伴うため 市街部での適用は困難 2. 杭基礎工法の特徴 2.2 中掘り杭工法 中掘り杭工法は 杭の内部を通して先端部をオーガ バケット等で杭径分の掘削を行いながら 所定の深さまで圧入または軽打により貫入させる工法である 中掘り杭工法では 先端処理として ハンマで打ち込む最終打撃方式 杭先端部の砂地盤あるいは砂礫地盤にセメントミルクを噴出し 撹拌混合して根固め球根を築造するセメントミルク噴出撹拌方式 コンクリートを打設するコンクリート打設方式の 3 つに分類される 本工法は 低騒音 低振動の工法であり 市街部等の騒音 振動規制区域などでよく採用される工法である 10
2. 杭基礎工法の特徴 2.2 中掘り杭工法 2. 杭基礎工法の特徴 2.2 中掘り杭工法 工法概要 杭の内部を通して先端部をオーガ バケット等で杭径分の掘削を行いながら 所定の深さまで圧入または軽打により貫入させる 工法の特徴 低騒音 低振動工法であり 規制区域でも対応可能 先端処理方式により 支持力が変わる 泥水 排土処理が必要となる 11
2. 杭基礎工法の特徴 2.3 プレボーリング杭工法 プレボーリング杭工法は 掘削ビット及びロッドを用いて掘削 泥土化した掘削孔内の地盤に 根固め液 杭周固定液を注入 撹拌混合してソイルセメント状にした後 既製コンクリート杭を沈設する工法である 従来 本工法は施工法が多種多様であり 過去の載荷試験結果が尐ないため 極限支持力度を評価するのが困難とされてきたが 上述のような施工法に限定して 道路橋示方書 同解説 ( 平成 14 年 3 月 ) で新たに規定されたものである 本工法は 低騒音 低振動の工法であり 市街部等の騒音 振動規制区域などで採用される工法である 2. 杭基礎工法の特徴 2.3 プレボーリング杭工法 12
2. 杭基礎工法の特徴 2.3 プレボーリング杭工法 工法概要 掘削ビット及びロッドを用いて掘削 泥土化した掘削孔内の地盤に 根固め液 杭周固定液を注入 撹拌混合してソイルセメント状にした後 既製コンクリート杭を沈設する 工法の特徴 低騒音 低振動工法であり 規制区域でも対応可能 掘削時の施工管理が難しい 泥水 排土処理が必要となる 2. 杭基礎工法の特徴 2.4 鋼管ソイルセメント杭工法 鋼管ソイルセメント杭工法は 原地盤中に造成したソイルセメント柱と 外面に突起 ( リブ ) を有する鋼管が一体となるように築造する工法で ソイルセメント柱の片側かぶり 100~200mm 程度となる掘削撹拌を行い ソイルセメント柱の造成と同時に あるいは造成した後に鋼管を所定の深さまで沈設する工法である 本工法は多種多様の施工法があるが 近年 載荷試験データの蓄積により 支持力評価が可能となったことから 道路橋示方書 同解説 ( 平成 14 年 3 月 ) で新たに規定された工法である 本工法は 低騒音 低振動の工法であり 市街部等の騒音 振動規制区域などで採用される工法である 13
2. 杭基礎工法の特徴 2.4 鋼管ソイルセメント杭工法 同時沈設方式 2. 杭基礎工法の特徴 2.4 鋼管ソイルセメント杭工法 後沈設方式 14
2. 杭基礎工法の特徴 2.4 鋼管ソイルセメント杭工法 工法概要 ソイルセメント柱の片側かぶり 100~200mm 程度となる掘削撹拌を行い ソイルセメント柱の造成と同時に あるいは造成した後に鋼管を所定の深さまで沈設する 工法の特徴 低騒音 低振動工法であり 規制区域でも対応可能 施工管理が他工法に比べ難しい 泥水 排土処理が必要である ( 中掘り プレボーリングに比べ尐ない ) 2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 場所打ち杭工法は 機械あるいは人力により掘削した孔の中に 現場において鉄筋コンクリート杭体を築造する工法である 道路橋示方書 同解説では 場所打ち杭工法として オールケーシング工法 リバース工法 アースドリル工法 深礎工法が規定されている 本工法は 低騒音 低振動の工法であり 市街部等の騒音 振動規制区域などでも採用可能な工法である 15
2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 オールケーシング工法 2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 オールケーシング工法 工法概要 ケーシングを反復回転させながら地盤に圧入した後 ハンマーグラブで中の土砂を掘削し 鉄筋籠を挿入後 ケーシングを抜きながらコンクリートを打設する 工法の特徴 周辺環境に与える影響が尐ない ほぼすべての土質に適用可能である ケーシング引き抜き時に鉄筋の共上がりに留意する 16
2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 リバース工法 2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 リバース工法 工法概要 ビットを回転させ地盤を切削し その土砂を孔内水とともに地上に排出することで削孔し 水は地上で土砂と分離した後 孔内に循環させ 孔壁を保護する 工法の特徴 小スペースでの施工が可能である 大径 大深度の杭施工が可能 泥水管理が重要 また泥水処理量も多い 17
2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 アースドリル工法 2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 アースドリル工法 工法概要 バケットにより掘削排土を行うもので 孔壁保護は表層ではケーシング それ以深は安定液で保護する 掘削完了後 鉄筋かごを建込み コンクリート打設する 工法の特徴 仮設が簡単で施工速度が速く経済性に優れる 小スペースでの施工が可能 大礫 玉石層や硬質地盤の掘削は困難である 18
2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 深礎工法 2. 杭基礎工法の特徴 2.5 場所打ち杭工法 深礎工法 工法概要 ライナープレート等により 孔壁の保護を行いながら内部の土を掘削排土し 鉄筋かごを建て込みコンクリートを打設する 工法の特徴 狭い敷地や傾斜地又は根切り面からの施工が可能 大径 大深度の杭施工が可能 湧水が多い場合や崩れやすい地盤には適さない 19
3. 杭の材質による特徴 3. 杭の材質による特徴 杭 鋼杭 コンクリート杭 鋼管杭 H 形鋼杭既製杭場所打ち杭 RC 杭 PHC 杭 合成杭 鋼管ソイルセメント杭 SC 杭 20
3. 杭の材質による特徴 3.1 鋼杭 杭基礎に用いられる鋼杭には H 形鋼杭と鋼管杭があり 昭和 30 年代には両方が主に用いられていたが 産業 経済の発展に伴い 鋼杭のほとんどに鋼管杭が用いられるようになった 現在では H 形鋼杭は仮設杭として用いられる場合がほとんどである 3. 杭の材質による特徴 3.1 鋼杭 ( 鋼管杭 ) 鋼管杭の材質 規格 JIS A 5525 の規格に適合するもの 材質 :SKK400 SKK490 一般には SKK400 を使用 杭体応力が決定条件になるケースでは 経済比較の上 SKK490 の使用も考慮 21
3. 杭の材質による特徴 3.1 鋼杭 ( 鋼管杭 ) 鋼管杭の構造細目 杭径 400~2,000 標準長さ 6m 以上で0.5mピッチ 肉厚 9mm 以上 (~25mm) 腐食しろ 常時水中及び土中にある部分について 外側に1mmの腐食しろを考慮する 3. 杭の材質による特徴 3.1 鋼杭 ( 鋼管杭 ) 鋼管杭の特徴 材料強度が大きく 曲げや圧縮に対して有利である コンクリート杭に比べ軽量で 運搬が容易 工場製品であるため 材料品質は保証される 杭の材質と肉厚の調整により 経済的な計画が可能 腐食環境下での計画には留意する必要がある コンクリート杭に比べ 杭単価は高額である 22
3. 杭の材質による特徴 3.2 コンクリート杭 コンクリート杭は 既製コンクリート杭と 場所打ち杭に大別される 既製コンクリート杭の種類は RC 杭 PHC 杭がある RC 杭の運搬中 あるいは施工中にひび割れが発生しやすいという欠点をプレストレスを導入することにより解消し コンクリート強度も大幅に上げたものが PHC 杭であり 現在では PHC 杭が主流である 場所打ち杭は 現場に掘削した孔の中に 鉄筋かごを建て込み コンクリートを打設して杭体を築造するものであり 1850 年ごろにフランスで開発され 日本では 1908 年に初施工されている 近年の構造物の大型化や 施工地盤の多様化に伴い 適用範囲が広く 低騒音低振動の工法である場所打ち杭の適用は広がっている 3. 杭の材質による特徴 3.2 コンクリート杭 (PHC 杭 ) PHC 杭の材質 規格 JIS A 53735による推奨仕様 種類有効プレストレスの違いによりA 種 B 種 C 種 杭体発生応力により使い分ける 23
3. 杭の材質による特徴 3.2 コンクリート杭 (PHC 杭 ) PHC 杭の構造細目 杭径 300~1,200 標準長さ 7~15mで1mピッチ (4~6mも可能) 圧縮強度 80N/mm2 以上 3. 杭の材質による特徴 3.2 コンクリート杭 (PHC 杭 ) PHC 杭の特徴 環境条件に影響を受けにくい 工場製品であるため 材料品質は保証される 鋼管杭に比べ 杭単価は安い 杭種の調整のみであり 断面選択の自由度は低い 杭長の変更に対応しづらい 杭重量が大きいため 運搬や建込みに注意を要する 24
3. 杭の材質による特徴 3.2 コンクリート杭 ( 場所打ち杭 ) 場所打ち杭の構造細目 杭径 800~ 100ピッチ コンクリート強度 30N/mm2 以上 鉄筋の最小かぶり 120mm( 深礎工法では70mm) 鉄筋量 0.4~6% D22 6 本以上 場所打ち杭の特徴 周面摩擦力が大きく 大きな支持力を得られる 鉄筋量の変更により 経済的な計画が可能 杭長の変更には 容易に対応可能 杭体の品質が 施工精度に大きく左右される 杭単価は中位である 3. 杭の材質による特徴 3.3 合成杭 合成杭は 鋼管とソイルセメントやコンクリートの複合構造の杭であり 道路橋示方書 同解説では 鋼管ソイルセメント杭と SC 杭が示されている 鋼管ソイルセメント杭は 現地盤にセメントミルクを注入し撹拌混合して造成するソイルセメント柱と 同時または後から沈設するリブ付き鋼管とを一体化した杭であり 近年 施工量が大幅に増えている SC 杭は 高強度コンクリートと鋼管との複合杭であり PHC 杭等に比較して大きな曲げ耐力 変形性能を有している 一般には PHC 杭の上杭として用いられることが多い 25
3. 杭の材質による特徴 3.3 合成杭 ( 鋼管ソイルセメント杭 ) 鋼管ソイルセメント杭の材質 規格 鋼管 JIS A 5525の規格に適合し 外面突起を有するもの ( 突起の高さ2.5mm 間隔 40mm) ソイルセメント先端部と一般部で以下のとおり 3. 杭の材質による特徴 3.3 合成杭 ( 鋼管ソイルセメント杭 ) 鋼管ソイルセメント杭の構造細目 杭径 700~1,500 程度 ( 鋼管径 500~1,200) 標準長さ 6m 以上で0.5mピッチ 鋼管肉厚 9mm 以上 (~25mm) 腐食しろ 常時水中及び土中にある部分について 外側に1mmの腐食しろを考慮する 26
3. 杭の材質による特徴 3.3 合成杭 ( 鋼管ソイルセメント杭 ) 鋼管ソイルセメント杭の特徴 杭体強度が非常に大きく 曲げや圧縮に対して有利である 低騒音低振動 低排土と 周辺環境への影響が小 ソイルセメント柱造成は慎重な施工管理が必要 腐食環境下での計画には留意する必要がある 杭単価は高額である 3. 杭の材質による特徴 3.3 合成杭 (SC 杭 ) SC 杭の構造細目 杭径 300~1,000 鋼管肉厚 4.5mm~22mm 腐食しろ 常時水中及び土中にある部分に ついて 外側に1mmを考慮 コンクリート PHC 杭と同程度 SC 杭の特徴 杭体強度が非常に大きく 曲げや圧縮に対して有利である 工場製品であるため 材料品質は保証される 腐食環境下での計画には留意する必要がある 杭単価は高額である 27
4. 杭基礎工法の選定 4. 杭基礎工法の選定 4.1 基礎形式選定表 道路橋示方書 同解説 Ⅳ 下部構造編では 参考資料として 地形及び地質条件 構造物の特性 荷重条件 施工条件 環境条件をパラメータとして 基礎形式の適合性をとりまとめた基礎形式選定表が添付されている 道路橋示方書 同解説 Ⅳ 下部構造編 P.544 杭基礎設計便覧 ( 平成 18 年度版 ) P.14 28
4. 杭基礎工法の選定 4.1 基礎形式選定表 選定条件 基礎形式 直接基礎 打込み杭基礎鋼管杭 P バ H イ C R ブ杭打 C ロ 撃杭ハ S 工ン C 法マ杭工法 中堀り杭基礎鋼 PHC 杭 SC 杭鋼管杭管ソイ最噴コ最噴コル終出打ン終出打ンセ打攪撃ク打攪撃クメ撃拌方リ撃拌方リン方方式ー方方式ート式式ト式式ト杭基礎 プレボー リング杭基礎 オー ルケー シング 場所打ち杭基礎 リバース アー スドリル 深礎 ケーソン基礎 ニュー マチック オー プン 鋼管矢板基礎 地中連続壁基礎 中間層に極軟弱層がある 支中間層に極硬い層がある 持状層中間層れき径 50mm 以下 態まにれきれき径 50~100mm でがあるれき径 100~500mm の液状化する地盤がある 5m 未満 支 5~15m 持 15~25m 地層支盤の 25~40m 持条深層 40~60m 件度の 60m 以上 状粘性土 (20 N) 態支持層の土質砂 砂れき (30 N) 傾斜が大きい (30 度程度以上 ) 支持層面の凹凸が激しい 地下水位が地表面近い 地下水湧水量が極めて多い の状態地表より2m 以上の被圧地下水 地下水流速 3m/min 以上 鉛直荷重が小さい ( 支間 20m 以下 ) 構荷鉛直荷重が普通 ( 支間 20m~50m) 造重鉛直荷重が大きい ( 支間 50m 以上 ) 物規 の模鉛直荷重に比べ水平荷重が小さい特鉛直荷重に比べ水平荷重が大きい 性支持杭 支持形式摩擦杭 水深 5m 未満 水上施工水深 5m 以上 施作業空間が狭い 工斜杭の施工条 件有毒ガスの影響 振動騒音対策 周辺環境隣接構造物に対する影響 : 適合性が高い : 適合性がある : 適合性が低い 4. 杭基礎工法の選定 4.2 工法選定のポイント 工法の抽出 上部構造種類 土質条件 施工条件 etc 工法検討 杭径 杭本数 部材諸元 概算工事費 etc 工法決定 基礎形式選定表を活用 概略計算による検討 29
4. 杭基礎工法の選定 4.2 工法選定のポイント 上部構造の種類による選定 橋台 橋脚 水平力が卓越 鉛直力も大きい 剛性が高く 大支持力が期待できる杭種 鋼管杭 鋼管ソイルセメント杭 場所打ち杭 擁壁 水平力が卓越 鉛直力は小さい 剛性が高い杭種 鋼管杭 場所打ち杭 BOX カルハ ート 水平力は小 鉛直力が卓越 経済的な杭種 鋼管杭 PHC 杭 場所打ち杭 4. 杭基礎工法の選定 4.2 工法選定のポイント 土質条件による選定 支持層に関するもの 支持層深度が深い ( 概ね 60m 以上 ) 適用可能な工法が限定される 鋼管杭 鋼管ソイルセメント杭 プレボーリング杭工法 支持層に傾斜や凹凸が予想される 杭の高止まりの可能性があり 杭長変化を考慮 PHC 杭 (SC 杭 ) の適用は困難 30
4. 杭基礎工法の選定 4.2 工法選定のポイント 土質条件による選定 中間層に関するもの 圧密層がある ネガティブフリクション ( 負の周面摩擦力 ) による支持力不足の懸念 周面摩擦力の小さい打込み杭工法 中掘り杭工法が有利 礫径の大きな礫層がある ( 概ね 50mm 以上 ) 掘削機への噛み込み等による掘削障害の懸念 特に中掘り杭工法は留意 ( 礫径が 杭内径の 1/8 以下程度が望ましい ) 4. 杭基礎工法の選定 4.2 工法選定のポイント 施工条件による選定 騒音 振動規制区域内での施工 低騒音 低振動工法の採用打込み杭工法はほぼ適用不可 施工機材 杭材料の搬入方法 施工地点までの資機材搬入ルートの確認既製杭工法は特に注意 施工ヤードの制約 施工機械の配置 材料ヤードの確保をチェック 杭基礎施工便覧 による標準ヤードを参考 31
4. 杭基礎工法の選定 4.2 工法選定のポイント 杭種 杭径比較について 1 適用可能な杭工法を抽出 計画条件 地盤条件 施工条件等を整理し 基礎形式選定表より適用可能 ( ) な杭工法を抽出 ( 絞りきれない場合 ) 基礎形式選定表では与えられない条件も考慮し 現実的に適用可能と考えられる杭工法を絞り込む 経験や過去の実績より 一般的な杭本数や杭径を想定し 経済性等より明らかに不利と考えられる工法を除外する 4. 杭基礎工法の選定 4.2 工法選定のポイント 杭種 杭径比較について 2 工法毎に 現実的な杭径と杭本数を 3 案程度想定 3 想定案の概略計算 工事費算出より 代表案を選定 4 各工法代表案により 施工性や経済性の比較検討 杭単価は高額でも 総合的には有利になることも 杭配置による上部構造 ( フーチング ) 規模の相違も考慮する 多ブロック 多基数の計画では 共通の施工機材の利用による施工性 経済性の向上など 計画条件の再確認 32
5. おわりに 杭基礎の種類総括 杭基礎の種類と工法概要 各工法の特徴 各工法で 得意分野 不得意分野がある 地盤条件 施工条件等より 施工可能な杭工法を選定 杭基礎工法の選定 基礎形式選定表の活用 各工法の特徴を把握し 最適形式を予想 ( イメージ ) することが重要 33