JPH0553895B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、寒冷地帯における構造物基礎のうち
の杭基礎に関し、さらに詳しくは土壌の凍結凍
上、融解沈下による杭への影響を防止する凍害防
止杭に関するものである。

〔従来技術〕

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
ことが必要不可欠であり、その為に使用する資材
の内最も一般的なものは杭基礎である。

なお、本発明で今後述べる永久凍土地帯とは、
例えば、アラスカ、カナダ、シベリカ等の如く、
季節に無関係に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、この場合その年平均気温は０℃以下であ
る。

また、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。

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抗しようとするもの
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、設計上では充分な凍
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、施行性及び経済
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。

永久凍土地帯および季節凍土地帯において、従
来行われている杭基礎の凍着凍上力低減方法を具
体的に示すと例えば第５図〜第７図に示したよう
なものがある。

このうち、第５図に示したものは、サーマルパ
イル方式、第６図が凍上防止杭方式、第７図が凍
着強度増大杭方式である。

第５図はサーマルバイル方式の一例を示す縦断
面図、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、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の厚さを示している。

このようなサーマルパイプ方式においては、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、凍着凍上防止効果を大き
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の固面の永久凍土が
溶融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、冬季にこの溶解部が
凍結して杭に余分な凍着凍上力が働くことを防止
しているものである。

また、凍上防止杭方式は、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、そのうち第６図ａに示したものは、
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６図ｂに示すものは、土、オイルおよび
ワツクスを混合した材料１０ａを建込み、穴７の
活動層６の部分に埋戻し材料として使用したもの
である。

さらに、第７図に示したものは、凍着強度増大
杭方式の例であり、杭体１の永久凍土５内への根
入れ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と凍着凍上力に対抗させるようにし
たものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、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を必要以上に長くして凍害防止を
図つているが、施行性、経済性の観点からすると
問題がある。

一方、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、施行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
伴つてケーシングが持上りと沈下を起こし、これ
が上部構造に悪影響を及ぼすことがある。

凍着強度増大杭方式では、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
ばらつきが生じると、ノツチや波付けの形状、間
隔によつて凍着凍上力が変化するため、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に製作加工を必要と
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
対応した各種の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互つて杭基礎を設
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、工費の増大を来す
等の問題があつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、前述のような従来の問題点を解決す
べく鋭意検討の結果到達したもので、表面にネガ
テイブフリクシヨンを低減する層を形成し、寒冷
地の冬季には凍結凍上し夏季には融解沈下する活
動層を貫いて永久凍土又は固定地盤に打設又は埋
設される凍害防止杭において、 該杭の表面に形成されるネガテイブフリクシヨ
ンを低減する層が、少なくとも前記活動層に渡つ
て前記杭を被覆形成する長さ0.5〜５ｍとしたプ
ラスチツク被覆体であり、 該プラスチツク被覆体が、前記杭表面に形成さ
れた接着層と、該接着層上に形成された３フツ化
又は４フツ化エチレンを組成の一部とした低摩擦
層との２層からなるものである。

〔作用〕

本発明に係る凍害防止杭は、上述の目的を達成
するため、鋼管などからなる杭体の外面に杭体と
密着したプラスチツク被膜を形成させ、かかる被
膜が、活動層の厚さに対応した長さ以上の平滑な
被膜部を構成させたことを特徴としているもので
ある。

以下、図面に基づいてさらに具体的に説明す
る。

第１図は、本発明に基づいて行つた実施した際
の縦断面図であり、第５図〜第７図と同一機能部
分には同じ符号を付し、説明は省略した。

第１図において、１は杭体で、その表面活動層
６の厚さ以上の長さにわたつて接着プラスチツク
１１を形成し、さらにその外面に低摩擦プラスチ
ツク層１２を形成している点に本発明の特徴があ
る。

このプラスチツク被覆層は、凍着凍上力をより
低減させるために、下端部１４が活動層もしくは
季節凍土層の底部付近またはその下方に、また上
端部１３が地表面より上方に位置するように被覆
することが好ましい。

接着性プラスチツク被覆層１１は、杭体である
鋼管１と低摩擦プラスチツク被覆層１２とを接着
もしくは密着させるためのもので、低摩擦プラス
チツク被覆層１２を構成する主成分であるプラス
チツクあるいはそれを変成したものなどを使用す
ることができる。

杭体／接着層／低摩擦層の系における密着力
は、 土壌の凍結凍上あるいは融解沈下によつて土壌
と低摩擦層の間に生じる剪断力に打勝つ大きさを
必要とする。

また、低摩擦プラスチツク被覆層１２は、ポリ
オレフインやポリアミドなどの熱可塑性プラスチ
ツク、エポキシ樹脂などの熱硬化性プラスチツク
に１重量％以上の３フツ化エチレンまたは４フツ
化エチレンの微粉末を添加したものを用いること
ができる。

このとき、添加量が、１重量％未満であるとき
は、摩擦力低減効果が小さいので凍上力低減効果
が低く、本発明で期待している低摩擦プラスチツ
ク層としては不十分なものとなる。

本発明において、接着層１１を用いないことも
考えられるが、この場合杭体と低摩擦層間の密着
性が小さいため、端部から水などが侵入し、凍害
防止杭としての長期安定性が失われるので好まし
くない。

上述のような各要件を組合せることにより構成
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および永久凍土層５を、杭１０の埋
設深さ（ｈ＋Ｈ）だけ掘削し、その掘削孔７に
杭１０を建込んで杭１０の周囲に砂スラリ８を
埋め戻す。

(2) 永久凍土層５の強度が、比較的小さい場合ま
たは未だ凍土となつていない土壌に根入れする
場合は、活動層６のみを掘削し掘削孔７を杭１
０を建込んだのち杭打ち機により永久凍土内ま
たは未だ凍土となつていない土壌に打ち込み、
最後に活動層６の杭１０の周囲に砂スラリ８を
埋めもどす。

なお本発明は、以上に述べたように、凍害防止
杭に関するものであるが、ここに記載されている
作用、構成の一部を利用して寒冷地における柱、
消火栓、ガス管、水道管における凍害防止に適用
することが出来る。

寒冷地において、在来の鋼管をそのまま使用し
た場合と、本発明に係る凍上防止杭を使用した場
合との実験結果について説明する。

実験にあつたては、第２図に示したような装置
を使用した。

この装置は、基盤１５上に立設したフレーム１
６，１６間に反力フレーム１７を橋渡しすると共
に、基盤１５上に厚さ100mmの断熱材１８で囲ま
れ、内部に土２０を充填した土槽１９を配置し、
この土２０の中に模型杭２１を建て込んだ。

この模型杭２１と反力フレーム１７との間にロ
ードセル２２を介在させ、土槽１９内の土２０の
表面の変位を測定する変位計２３を設けたもので
ある。

〔実施例〕

以下、具体的に実施例を示し本発明をさらに詳
細に説明する。

(1) 鋼管杭（在来のもの） 外径：34mm、長さ400mm、梅込み長：250mm (2) 凍害防止杭（第１図に示したものに相当）
杭体：(1)と同じもの 被覆： Ａ接着層： 酸無水物をグラフト重合したポ
リプロピレン（0.2mm厚、被覆長300mm） 低摩擦層：エチレン・プロピレン共重合体80重
量部に４フツ化エチレン微粉末（平均粒径10μ
ｍ）20重量部を混合したもの（0.8mm厚さ、被覆
長300mm） Ｂ接着層：変成シリコン系エラストマー
（0.2mm厚さ、被覆長300mm） 低摩擦層：４フツ化エチレン（0.8mm厚
さ、被覆長300mm） 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２図に示した装置内に建
込んだのち実験装置を冷凍室内に置き、常温から
−40℃まで冷却を行い、その状態を約24時間保持
してから冷却を中止した。

この間におきた凍着凍上力を、ロードセル２２
で測定した結果を第３図に示した（図中、(1)は、
在来の鋼管杭、(2)Ａ、Ｂは本発明の凍上防止杭を
示したものである）が、この図の挙動から明らか
なように、−40℃における凍着凍上力は鋼管杭(1)
では2400Kg前後であるのに対し、一方の鋼管杭(2)
は250〜350Kgとなり、格段に低減していることが
確認された。

上記の実施例では、本発明を通常の鋼管杭に対
して適用した場合を示したが、さらに従来の凍害
防止杭（例えば、第７図に示した凍着強度増大
杭）にも適用することができる。

本発明の凍害防止杭は、例えば次のようにして
製造することができる。

(1) ブラストや酸洗いなど所定の処理をほどこし
た鋼管１を支持ロール２９で長さ方向に搬送
し、鋼管加熱装置２４で鋼管を予熱し、第１塗
装ゾーン２５で接着層１１を形成し、必要に応
じてさらに鋼管を加熱したのち、第２ゾーン２
７で３フツ化ないしは４フツ化エチレン微粉末
が添加されている低摩擦層１２を形成し冷却手
段２８で冷却する（第４図）。

塗装ゾーンの型式は、材料の種類によつて選
択することができ例えば熱可塑性プラスチツク
では、クロスヘツドによる押し出し被覆や流動
浸漬法による粉体被覆を使用することができ、
熱硬化性プラスチツクでは、スプレー塗装静電
粉体塗装法を採用することができる。

押し出し被覆の場合は、接着層と低摩擦層を
共押し出し成型することも可能である。

(2) ブラストや酸洗いなど、所定の処理を施した
鋼管表面に、変成シリコン系樹脂などからなる
粘着剤が３フツ化もしくは４フツ化エチレンが
主成分である低摩擦層表面に塗布された型式の
積層テープを被覆する。

本発明による凍害防止杭の製造は、上述の方法
にのみ限定されるものではなく、従来公知の手段
の中から必要に応じて適宜選択することができ
る。

なお、本発明は、鋼管の外面に接着層と低摩擦
層の２層のプラスチツク被覆を形成することを特
徴とするものであるが、運搬や施行時に表面に疵
が生じることを防ぐため、さらにその外装に保護
被覆層を設けてもよく、また経済的観点からは接
着層と低摩擦層の間の他の材料からなる中間層を
設けてもよい。

〔発明の効果〕

本発明に従つて得た凍害防止杭においては、つ
ぎに記すような効果を期待することができる。

(1) 杭体に対する活動層の凍着凍上力を大幅に低
減させることができるので、寒冷地における構
造物を凍害から十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、た杭の根入れ長を大幅に短縮できるのみな
らず、施行性、メンテナンスを考慮すると大幅
にコストを低減することができる。

(3) 製造が容易で杭体表面に形成された固体被膜
は、防食効果も有しているため、長期間にわた
つての使用が可能である。

(4) 大量生産が可能で、梱包、輸送が容易である
ためにコスト低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従つて形成した凍害防止杭の
断面図、第２図は実験装置の断面図、第３図は時
間経過に伴う凍着凍上力の挙動を示すグラフ、第
４図は凍害防止杭の一製造例を示す正面図、第５
図〜第７図は従来の杭基礎を説明する断面図であ
る。 １……杭、２……波付け、３……ヒートパイ
プ、４……ラジエータ、５……永久凍土層、６…
…活動層、７……掘削孔、８……砂スラリ、９…
…ケーシング、１０……オイルとワツクスの混合
物、１１……接着プラスチツク層、１２……低摩
擦プラスチツク層、１３，１４……上、下端部、
１５……基盤、１６……フレーム、１７……反力
フレーム、１８……断熱材、１９……土槽、２０
……土、２１……模型杭、２２……ロードセル、
２３……変位計、２４……加熱装置、２５……第
１塗装ゾーン、２６……加熱装置、２７……第２
ゾーン、２８……冷却手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 表面にネガテイブフリクシヨンを低減する層
   を形成し、寒冷地の冬季には凍結凍上し夏季には
   融解沈下する活動層を貫いて永久凍土又は固定地
   盤に打設又は埋設される凍害防止杭において、 該杭の表面に形成されるネガテイブフリクシヨ
   ンを低減する層が、少なくとも前記活動層に渡つ
   て前記杭を被覆形成する長さ0.5〜５ｍとしたプ
   ラスチツク被覆体であり、 該プラスチツク被覆体が、前記杭表面に形成さ
   れた接着層と、該接着層上に形成された３フツ化
   又は４フツ化エチレンを組成の一部とした低摩擦
   層との２層からなることを特徴とする凍害防止
   杭。 ２ 前記低摩擦層を形成するプラスチツクとして
   ３フツ化又は４フツ化エチレンを１重量％以上含
   有させたものを使用することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の凍害防止杭。