JPH0132336B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、寒冷地帯における構造物基礎のう
ち、杭基礎に関し、さらに詳しくは凍害防止杭に
関するものである。 永久凍土地帯あるいは季節凍土地帯といつた寒
冷地にパイプラインの架台その他各種の構造物を
建造する場合、活動層及び季節凍土層の凍着凍
上、融解沈下といつた凍害から構造物を保護する
ことが必要不可決である。このため各種の対策工
法が用いられているが、最も一般的なものは杭基
礎である。 ここに、永久凍土地帯とは、例えばアラスカ、
カナダ、シベリヤ等の如く、季節に関係なく年間
を通じて凍結している地層（以下永久凍土層とい
う）が分布している地域をいい、その年平均気温
は０℃以下である。活動層とは、地表から永久凍
土層までの部分で、年間の温度変化の影響を大き
く受け、冬季は凍結凍上し、夏季は融解沈下する
地層をいう。また季節凍上層とは、永久凍土層が
存在しない平均気温０℃以下の地域で、冬季は凍
結し、夏季は融解する地層をいう。なお、以下の
説明では、季節凍土層を活動層に含めることがあ
る。 ところで、寒冷地における杭基礎は、永久凍土
内まで根入れし、永久凍土と杭表面の間の凍着強
度によつて、上部構造物の自重、凍着凍上力及び
ネガテイブフリクシヨンに対杭しようとするもの
であり、このためには、永久凍土と杭間の確実な
凍着強度及び永久凍土内への杭の充分な根入長が
必要である。しかしながら、永久凍土層は必ずし
も均一な性質を有しておらず、土質、温度によつ
て凍着強度に大きな相違があるため、設計上は充
分な凍着強度を持つように永久凍土内に長く根入
れしても、現実に構造物が凍害を受けることがし
ばしばあり、安全率を上乗せした設計に基づいて
根入れ長をとらなければならないので、施工性及
び経済性に大きな問題がある。このような前提条
件があるため、その対策として、杭基礎に作用す
る凍着凍上力を軽減化するための幾つかの方法
が、従来考えられている。 第１図乃至第３図は永久凍土地帯及び季節凍土
地帯において、従来行なわれている杭基礎の凍着
凍上力低減方法を示すもので、第１図がサーマル
パイル方式、第２図が凍上防止杭方式、第３図が
凍着強度増大杭方式である。 第１図はサーマルパイル方式の一例を示す縦断
面図で、１は鋼管杭、コンクリート杭等からなる
杭体、２は凍着強度増大のため杭体１の外周に設
けた波付け、３は杭体１内に装入したヒートパイ
プ、４はラジエータである。５は永久凍土層、６
は活動層で、杭体１は活動層６と永久凍土層５に
設けられた掘削孔７内に根入れされ、砂スラリー
８により埋戻されている。なお、Ｈは杭体１の根
入長をまたｈは活動層６の厚さを示す。 このようなサーマルパイル方式においては、根
入部分の永久凍土５の温度をヒートパイプ３によ
り、冬季間に強制的に冷却して冷熱を蓄えること
によつて、凍結融解厚さ（活動層６の厚さｈ）を
減少させ、これにより、凍着凍上防止力を大きく
しようとするものである。さらに、このサーマル
パイルは、夏季に上部構造からの入熱により、杭
体１の周面の永久凍土が融解するのを防止するこ
とができる。すなわち、サーマルパイル方式によ
れば、杭周囲の永久凍土の融解沈下に伴なつてネ
ガテイブフリクシヨンが杭に働くことと、冬季に
この融解部が凍結して杭に余分な凍着凍上力が働
くことを防止できる。 しかしなから、サーマルパイルは活動層６の層
厚ｈを多少薄くすることはできるが、凍着凍上力
とネガテイブフリクシヨンをそれほど低減するこ
とができず、依然として構造物の凍害を防ぐこと
はできない。例えば、使用開始１年目の冬には、
地盤深部温度の低下により、サーマルパイルを使
用しない場合よりもかえつて凍上量が増加し、大
きな凍着凍上力が発生することがある。また、２
年目以降も、活動層の温度低下が凍着凍上力を増
加させる傾向をもたらすことが考えられる。従来
の使用例では、サーマルパイルの永久凍土内への
根入長Ｈをかなり長くして凍害防止をはかつてお
り、施工性、経済性上からも問題がある。 凍止防止杭方式は、活動層と杭周面との間に、
杭と凍土間の付着を切るような材料を充填したも
ので、第２図ａに示すものは、杭体１の外側にこ
れと同心的にケーシング９を配置して二重管方式
とし、杭体１とケーシング９との間を、濃度の高
いオイルとワツクスとの混合物１０で満たし、ケ
ーシング９の外周を砂スラリー８で埋戻すことに
より、凍着凍上力を分離するようにしたものであ
る。なお、９ａはケーシングの下端に設けたフラ
ンジである。また第２図ｂに示すものは、土、オ
イル及びワツクスを混合した材料１０ａを建込み
穴７の活動層６の部分の埋戻し材料として使用し
たものである。 このような凍上防止杭方式は、杭周面にオイル
とワツクス等の混合物を充填したり埋戻したりし
ているが、これは現地において施工しなければな
らず、そのための機械や装置を必要とするばかり
でなく、施工性の点でもあまり良好ではない。ま
た、オイルとワツクス等の混合物は、現場で埋戻
し可能な程度の流動性を有しているため、夏季に
埋戻し材料が周囲地盤へ浸透して分散し、このた
め再充填の必要が生じたり、凝固点降下のため永
久凍土を溶かすといつた環境破壊が生じる。加え
て、二重管方式では、活動層の凍結融解に伴なつ
てケーシングが持上りと沈下を起し、これが上部
構造に悪影響を及ぼすことがある。 第３図は、凍着強度増大杭方式を示すもので、
杭体１の永久凍土５内への根入部に、ノツチや波
付け２を設けることにより、永久凍土５と杭体１
との間の凍着強度を増加させ、活動層６の凍着凍
上力に対杭させるようにしたものである。 この方式では、杭体１の根入部の永久凍土の性
質が必ずしも均一でなく、凍着強度にばらつきが
生じること、ノツチや波付けの形状、間隔によつ
て凍着凍上力や変化するため、これによつて大き
な凍着強度を得るためには、端部の異形棒鋼状処
理等にかなりの精度の製作加工を必要とするなど
の問題がある。 また、凍害防止杭は、設置場所における活動層
６の厚さｈに対応した長さのものを用いなければ
ならないが、活動層６の厚さｈは、地域、場所等
によつて著しく相違するため、活動層６の厚さに
対応した各種長さの杭を準備しなければならな
い。 このようなことから、凍害防止杭を例えばパイ
プラインの架台として長距離に亘つて杭基礎を設
置する場合は、従来、各種長さの杭をあらかじめ
工場で作製し、現地へ輸送して活動層６の厚さに
対応した杭を選んで設置していた。このため梱包
が面倒であるばかりでなく、荷が大きくなつて輸
送が面倒であり、また大量生産に適さないためコ
ストが上昇し、工費の増大を来たす等の問題があ
つた。 本発明の目的は、上記のような従来の問題点を
解決すべくなされたもので、杭体の表面に固体被
膜を形成すると共に、活動層及び季節凍土層の凍
結によつて杭に作用する凍着凍上力を低減する部
材を杭体に付加することにより、上部構造が受け
る凍害を防止できる凍害防止杭を得るにある。 さらに本発明の他の目的は、活動層及び季節凍
土層の厚さに対応して杭の長さを調整でき、大量
生産が可能で梱包、輸送も容易であり、コストを
低減できる凍害防止杭を実現するにある。 本発明に係る凍害防止杭は、上記の目的を達成
するため、寒冷地において杭に作用する凍着凍上
力及びネガテイブフリクシヨンを低減する形式の
杭において、表面にあらかじめ固体被膜を形成し
てなる杭体に、少くとも一部に可伸縮部を有し活
動層又は季節凍土層の厚さ以上の長さの被覆部材
を嵌装してその下端部を前記活動層若しくは季節
凍土層の底部付近又はその下方において、また必
要に応じて上端部を地表面より上方において前記
杭体に固定し、前記固体被膜と被覆部材とで形成
する空間に気体、液体などの流動性物質を充填し
たことを特徴とし、また、通常の杭を複数本に切
断した長さを有し表面にあらかじめ固体被膜を形
成してなる杭体に、可伸縮部からなる被覆部材を
嵌装してその上下端部を前記杭体の上下端部より
内側に固定し、前記固体被膜と被覆部材とで形成
する空間に気体、流体などの流動性物質を充填し
て杭部材を構成し、該杭部材を活動層又は季節凍
土層の厚さに対応して適宜連結したことを特徴と
するものである。以下図面を参照して本発明を説
明する。 第４図は本発明実施例の縦断面図である。な
お、第１図乃至第３図と同じ部分には同じ符号を
付し、説明を省略する。図において、１は杭体
で、その表面、好ましくは活動層６の厚さよりや
や長い範囲には、あらかじめ一様の厚さの固体被
膜１ａが吹付け塗装その他の手段により形成して
ある。１１は中間に蛇腹状の可伸縮部１２を有
し、その上下に円筒部１３，１４が設けられた被
覆部材で、上方の円筒部１３は地表面よりできる
だけ上方において、また下方の円筒部１４は活動
層６と永久凍土層５との境界付近又はその下方に
おいて、それぞれ固定部材１５，１６により杭体
１に水密に固定されている。１７は杭体１の固体
被膜１ａと被覆部材１１とで形成する空間に充填
された流動性物質である。 第６図ａは被覆部材１１の可伸縮部１２の要部
拡大図で、無負荷状態におけるXYZとXZとの比
は、活動層６の厚さｈの年間を通じての最大値と
最小値との比より大きければよく、また可伸縮部
１２の形状は、Sinカーブ、円弧等のほか、ｂ図
に示すような直線状でもよい。なお、被覆部材１
１の最小径部（Ｘ・Ｚ）は、流動性物質１７の充
填量を少なくするため固体被覆１ａと接触させる
ことが望ましいが、特に限定するものではなく、
離れていてもよい。 本発明に使用する固体被膜１ａは、被覆部材
１１に対する摩擦係数が杭体１の被覆部材１１に
対する摩擦係数より小さく、かつ杭体表面に塗
覆装できることを条件とし、これらの条件を満足
するものとして、その代表例を表１に示す。 また、本発明に使用する被覆部材１１は、地域
により変動はあるが、一般に、常温から−50℃
程度の低温まで脆性破壊を生じないこと、回復
可能な変位が活動層６の凍結上凍上量（h₁−ｈ）
より大きいこと、及び流動性物質により劣化ま
たは腐食しないことを条件とし、これらの条件を
満足するものとして、その代表例を表２に示す。 さらに、流動性物質１７は、地域により変動は
あるが、一般に、常温から−50℃程度の低温ま
で流動挙動を示し、杭体１及び被覆部材１１を
劣化させたり腐食したりしない物質であることを
条件とし、これらの条件を満たすものとして、そ
の代表例を第３表に示す。

【表】

【表】

【表】 上記のように構成した凍害防止杭は、通常次の
ような工法により設置される。 (1) 活動層６及び永久凍土層５を杭１０の埋設深
さ（ｈ＋Ｈ）だけ掘削し、その掘削孔７に杭１
０を建込んで杭１０の周囲に砂スラリー８を埋
戻す。ここにｈは活動層６の厚さ、Ｈは永久凍
土層への杭根入れ長さを示す。 (2) 永久凍土層５の強度が比較的小さい場合又は
未凍土に根入れする場合は、活動層６のみを掘
削し、掘削孔７に杭１０を建込んだのち杭打機
により永久凍土内又は未凍土内への打込み、最
後に活動層６の杭１０の周囲に砂スラリー８を
埋戻す。 次に上記のようにして設置した本発明に係る凍
害防止杭の作用を、第４図及び第５図を参照して
説明する。第４図は、本発明に係る凍害防止杭１
０を活動層６と永久凍土層５に掘削した掘削孔７
に設置した状態及び夏季の状態を示すものであ
る。冬季になり、活動層６が凍結すると、砂スラ
リー８も凍結して杭１０の被覆部材１１の表面に
凍着する。一方、杭体１の固体被覆１ａと被覆部
材１１との間には流動性物質１７が充填されてお
り、かつ杭体１に形成した固体被膜１ａと被覆部
材１１との間の摩擦係数は、杭体１区被覆部材１
１との間の摩擦係数より小さいので、固体被膜１
ａと被覆部材１１間のすべり抵抗は小さい。この
ため、活動層６が凍上すると、第５図に示すよう
に被覆部材１１もこれに追従し、杭体１に沿つて
引上げられて伸張する。しかし、上下の円筒部１
３，１４が杭体１に固定されているため、伸張し
た可伸縮部１２により固定部の下に膨張部１２ａ
が形成される。 被覆部材１１の伸張に伴なつて、杭体１と被覆
部材１１との間に充填された流動性物質１７は上
方に移動し、上部に形成された膨張部１２ａに集
まる。このように、活動層６が杭体１に及ぼす凍
着凍上力は、被覆部材１１と流動性物質１７に吸
収され、杭体１には伝わらない。なお、地域によ
り活動層６の変動が大きく、膨張部１２ａに多量
の流動性物質が集つたため膨張部１２ａが破損
し、流動性物質１７が漏洩するおそれのある場合
は、タンク１８を設けて膨張部１２ａと連通させ
ておき、膨張部１２ａに集つた流動性物質１７を
逃がすようにすればよい。 夏季になつて活動層６が融解沈下すると、これ
に追従して被覆部材１１も下降し、再び第４図の
状態に戻る。なお、活動層６の融解沈下に伴つて
生ずるネガテイブフリクシヨンは、流動性物質１
７に吸収され、杭体１にはほとんど作用しない。 ところで、上記のように構成した凍害防止杭
は、冬季は活動層の凍結凍上により、また夏季は
融解沈下によつて被覆部材１１は杭体１に沿つて
上下に伸縮し、特にその小径部内壁は常に杭体表
面に摺接している。このため、被覆部材１１の杭
体１との摺接部は摩耗が激しく損傷し易い。特に
流動性物質１７として気体を使用した場合は、減
摩作用がないため損傷が著しく、長期の使用に耐
えることができない。しかし、本発明において
は、杭体１の表面に、被覆部材１１との摩擦係数
が、杭体１のそれよりも小さい固体被膜１ａを形
成してあるので、被覆部材１１の損傷がほとんど
なく、したがつて長期の使用に耐えることができ
る。 第７図は本発明の別の実施例の縦断面図で、第
４図と同じ部分には同じ符号を付し、説明を省略
する。本実施例は別個に構成した筒状部２２と、
上部可伸縮部２３及び下部可伸縮部２４とを一体
に結合して被覆部材２１を構成し、上部可伸縮部
２３を地表面上において、また下部可伸縮部２４
を活動層６と永久凍土層５との境界付近又はその
下方において、それぞれ固定部材１５，１６によ
り杭体１に固定し、杭体１に形成した固体被膜１
ａと被覆部材２１との間に流動性物質１７を充填
したものである。なお、被覆部材２１及び流動性
物質１７を構成する材料（物質）、両者の組合せ
ならびに設置工法は、第４図の実施例で説明した
場合と同様である。 第７図は、掘削孔７内に上記凍害防止杭１０ａ
を設置した状態及び夏季の状態を示すものであ
る。冬季、活動層６が凍結凍上すると、第８図に
示すようにこれに追従して筒状部２２及び下部可
伸縮部２４が上昇し、下部可伸縮部２４を伸張さ
せる。この結果、上部可伸縮部２３が変形して膨
張部２３ａが形成され、下部可伸縮部２４の伸張
によつて上昇した流動性物質１７が収容される。
その他の作用は、第４図及び第５図の実施例の場
合とほぼ同様である。 第９図は第２の発明の実施例を示す縦断面図で
ある。本発明は、表面に固体被膜１ａを形成した
適宜長さの杭体１′に、蛇腹状の被覆部材１２ａ
を設けてなる杭部材３０，３０ａを連結したもの
で、杭部材３０の構成の一例を第１１図に示す。
１′は杭体で、その長さｌへ通常の杭を複数個に
切断した長さ（例えば0.5ｍ）に選ばれている。
この杭体１′の表面には表１に示す固体被膜１ａ
形成されており、蛇腹状の被覆部材１１ａは、そ
の上下端が杭体１ａの端部からそれぞれl₁、l₂だ
け内側にあるように、固定部材１５，１６により
杭体１′に水密に固定され、固体被膜１ａと被覆
部材１１ａとの間には流動性物質１７が充填され
ている。 上記のように構成した杭部材３０は、工場で生
産され、荷造りして現地まで輸送され、現場にお
いて第９図に示すように杭部材３０，３０ａ，…
の杭体１ａの端部を当接し、溶接等３１により活
動層６の厚さｈに対応した長さに連結する。 上記のように構成した凍害防止杭１０は、冬季
活動層６が凍結凍上すると、各杭部材３０，３０
ａ，…の被覆部材１１ａは、第１０図に示すよう
に変形するので、活動層６の凍上力は杭体１ａに
伝わらない。活動層６が夏季融解沈下した場合の
作用は前記第４図、第５図の実施例の場合とほぼ
同様である。 第１２図ａは、本発明のさらに別の実施例の要
部を示す縦断面である。本実施例は、被覆部材１
１の蛇腹状可伸縮部１２の各大径部と杭体１の固
定被覆１ａとの間にそれぞれリング２５を介装し
たもので、これにより砂スラリー８を介した活動
層６の圧力による可伸縮部１２の変形や破損を防
止することができる。ｂ図は、活動層６が凍結凍
上したときの、杭体１と被覆部材１１及びリング
２５との関係を示すものである。なお、このリン
グ２５は、可伸縮部１２の小径部の外周に介装し
てもよく、あるいは可伸縮部１２に埋込んでもよ
い。 さらに、本発明は被覆部材１１の可伸縮部１２
を螺旋状に形成し、その大径部内壁と固体被膜１
ａとの間、小径部外壁若しくは両者に沿つてコイ
ルばねを介装し、又はコイルばねを可伸縮部１２
に埋込んでもよい。これにより可伸縮部１２の変
形や破損を防止し、また夏季に活動層６の沈下に
際して、可伸縮部１２の復帰を確実に行なうこと
ができる。 被覆部材の可伸縮部の形状は、前記各実施例に
それぞれ示したが、本発明はこれらに限定するも
のではなく、例えば第１３図ａ〜ｄに示すように
各種の形状のものを使用することができる。 次に、寒冷地において、在来の鋼管杭をそのま
ま使用した場合と、本発明に係る凍害防止杭を使
用した場合との実験結果について説明する。実験
にあたつては、第１４図に示すような装置を使用
した。この装置はし基盤３１上に立設したフレー
ム３２，３２間に反力フレーム３３を橋絡すると
共に、基盤３１上に厚さ100mmの断熱材３４で囲
まれ、内部に土３６を充填した土槽３５を設置
し、この土３６の中に模型杭３７を建込んだ模型
杭３７と反力フレーム３３との間にロートセル３
８を介装し、土槽３５内の土３６の表面の変位を
測定する変位計３９を設けたものである。 実験例 (1) 鋼管杭（在来のもの） 外径：34mm、長さ：400mm、埋込長：250mm (2) 凍害防止杭（第４図の実施例に相当するも
の） (a) 杭体の材料及び寸法 材料：鋼管杭 外径：27.5mm、長さ：400mm、 埋込長：250mm (b) 固体被膜の材料及び寸法 材料：低密度ポリエチレン 厚さ：１mm (c) 被覆部材の材料及び寸法 材料：低密度ポリエチレン 厚さ：1.0mm、山のピツチ：9.0mm、 山と谷の差：6.0mm、被覆長：300mm (d) 流動性物質 空気 上記のような在来の鋼管杭と本発明に係る凍害
防止杭とを、それぞれ第１４図に示す実験装置に
建込んだのち実験装置を冷凍室内に設置し、常温
から開始して−20℃まで冷却し、約24時間経過後
−40℃に変更し、その状態を約48時間継続したの
ち冷却を中止した。この間の土槽３５内の土３６
の凍上量の経時変化を変位計３９で測定した結果
を第１５図に、また、凍着凍上力の経時変化をロ
ードセル３８で測定した結果を第１６図に示す
（図中Ａは在来の鋼管杭、Ｂは本発明の凍害防止
杭の実験結果である）。図から明らかなように、
凍上量は両者ほとんど変らないのにかかわらず、
凍着凍上力は、−40℃において鋼管杭Ａは3.5Kg／
cm²前後であるのに対し、本発明に係る凍害防止杭
Ｂは約0.5Kg／cm²であり、格段に低減されたこと
が確認された。 上記の実施例では、本発明を鋼管杭に実施した
場合を示したが、本発明はコンクリート杭、プラ
スチツク杭にも実施することができ、さらに、従
来の凍害防止杭（例えば第３図に示した凍着強度
増大杭）にも併用することができる。その他各部
の材質、形状、寸法等も上記実施例に限定するも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適
宜変更することができる。 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば以下のような顕著な効果を挙げることができ
る。 (1) 杭体に対する活動層の凍着凍上力を大巾に低
減することができるので、寒冷地における構造
物を凍害から充分保護することができる。 (2) 杭体に作用する凍着凍上力を低減できるの
で、杭の根入れ長を大幅に短縮できる。さらに
施工性メンテナンスを考慮すると大幅にコスト
を低減できる。 (3) 杭体の表面に摩擦係数の小さい材料で固定被
膜を形成したので、被覆部材の損傷がほとんど
なく、長期の使用に耐えることができる。 (4) 第２の発明による場合は、上記(1)〜(3)の効果
に加えて、活動層の厚さに対応して杭の長さを
調整でき、大量生産が可能梱包、輸送が容易で
あるためコストを更に低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は従来の凍着凍上力低減方法
を示すもので、第１図はサーマルパイル方式、第
２図ａ，ｂは凍上防止杭方式、第３図は凍着強度
増大杭方式の説明図である。第４図は本発明実施
例の縦断面図、第５図はその作用説明図、第６図
ａ，ｂは本発明に使用する被覆部材の可伸縮部の
構成例を示す要部拡大断面図、第７図は本発明の
別の実施例の縦断面図、第８図はその作用説明
図、第９図は本発明のさらに別の実施例の縦断面
図、第１０図は作用説明図、第１１図は要部の縦
断面図、第１２図ａは本発明の別の実施例の要部
拡大断面図、ｂはその作用説明図、第１３図ａ〜
ｄはそれぞれ被覆部材の可伸縮部の形状例を示す
模式図、第１４図は本発明に係る凍害防止杭を実
験する装置の概念図、第１５図は在来の鋼管杭と
本発明に係る凍害防止杭との凍着凍上量の経時変
化を示す線図、第１６図は同じく凍着凍上力の経
時変化を示す線図である。 １：杭体、１ａ：固体被膜、５：永久凍土層、
６：活動層、８：砂スラリー、１０，１０ａ：凍
害防止杭、１１，１１ａ，２１：被覆部材、１
２，２３，２４：可伸縮部、１７：流動性物質、
３０，３０ａ：抗部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 寒冷地において杭に作用する凍着凍上力及び
   ネガテイブフリクシヨンを低減する形式の杭にお
   いて、表面にあらかじめ後記被覆部材に対する摩
   擦係数が杭体の該被覆部材に対する摩擦係数より
   小さい固体被膜を形成してなる杭体に、少くとも
   一部に可伸縮部を有し活動層又は季節凍土層の厚
   さ以上の長さの被覆部材を嵌装してその下端部を
   前記活動層若しくは季節凍土層の底部付近又はそ
   の下方において、また上端部を地表面より上方に
   おいて前記杭体にそれぞれ固定し、前記固体被膜
   と被覆部材とで形成する空間に流動性物質を充填
   したことを特徴とする凍害防止杭。 ２ 寒冷地において杭に作用する凍着凍上力及び
   ネガテイブフリクシヨンを低減する形式の杭にお
   いて、通常の杭を複数本に切断した長さを有し表
   面にあらかじめ後記被覆部材に対する摩擦係数が
   杭体の該被覆部材に対する摩擦係数より小さい固
   体被膜を形成してなる杭体に、可伸縮部からなる
   被覆部材をそれぞれ嵌装してその上下端部を前記
   各杭体の上下端部より内側に固定し、前記各杭体
   の固定被膜と被覆部材とで形成する空間にそれぞ
   れ流動性物質を充填して杭部材を構成し、該杭部
   材を活動層又は季節凍土層の厚さに対応して適宜
   連結したことを特徴とする凍害防止杭。