JPS6010017A - 凍害防止杭 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、寒冷地帯に訃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った寒冷地にパ
イプラインの架台その他各棟の構造物を建造する場合、
活動層及び季節凍土層の凍ｊ？凍上、融解沈下といった
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１−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、
シベリャ等の如く、季節に関係なく年間を通じて凍結し
ている地層（以Ｆ水久凍土層という）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
Ｆ１−る地層をいう。また季節凍土層とは、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７１４
ｊ結し、夏季は融解する地層をいう。なお、以上の説明
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、水久株士内まで根
入れし、永久凍土と杭表面の間の請求涜輝度によって、
上部構造物の自重、凍着凍上刃及びネガティブフリクシ
ョンに対抗しようとするものであり、このためず二は、
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
の充分々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、上清、温度に
よって凍着強度に大きな相違があるため、設計上は充分
な凍雁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刃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６図は永久凍土地帯及び季節凍土地帯にお
いて、従来性なわれている杭基礎の凍着法上刃低減方法
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６図が凍屑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抗体、２は凍
着強１屍、噌大のため杭体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はラジェータで
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
、イルスラリー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＠層６の厚さを示す。

このようなサーマルパイル方式に訃いては、根太部分の
永久凍±５の温１現をヒートバイブロにより、冬季間Ｃ
戸強制的に冷却して冷熱を蓄えることによって、凍結融
解厚さく活動層乙の厚さｈ）忙減少させ、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ζ二重部構造からの入
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ドに伴なってオ・ガテ
イブフリクショ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ｔｌ、！ｌＩくこと
を防止できる。

しかしながら、サーマルパイルは活動層６の層ｌｌ！＋
＋を羊少薄くすることはできるが、凍着凍上刃とネガテ
ィブフリクションをそれほど低減することができず、依
然として１′１ｑ造物の凍害を防ぐこと１・までキ々い
。例えば、１実用開始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
えって凍上量が増加し、大きなｃＩＫ　７ｉ’ｆ凍上刃
が発生することがある。また、２・リニ目以降も、活動
層の温度低下が凍着凍上刃を増加させる傾向ヶもたらす
ことが考えられる。従来の使用例では、サーマルパイル
の水久即土内への根入長■（をかなり長くして凍害防Ｉ
Ｅ全はかつており、施工性、軽斬件上からも問題がある
。

凍上防止杭万式は、活動層と杭周面との間に、杭と凍土
間のイτＪ’　ＭＸを切るような材料を充填したもので
、第２図（ａｌ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を配置して二重前方式とし、杭体１
とケーシング９との間を、濃度の旨いオイルとワックス
との混合物１０で満たし、ケーシング９の外周を砂スラ
リ−８で埋戻ずことにより、凍着凍上刃を分離するよう
にしたものである。なお、９αはケーシングの下端に設
けた７ランンである、また第２１１（ｂＪに示すものは
、士、オイル及びワックスを混合した材料１ｏａｉ建込
み穴７の活動層６の部分の埋戻し材料として使用シたも
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ック
ス等の混合物を充填したり埋戻した（Ｊしているが、こ
れは現地に２い゛ｃ施工しなけれｔ：ｆ７）。

らず、そのための機械や装置を必要とするば、θ）りで
なく、施工性の点でもあ寸り良好ではない。でた、オイ
ルとワックス等の混合物は、現場で叩ノにし可能な程度
の流動性金有しているため、夏季に埋戻し材料が周囲地
盤へ決めして分散し、こゾ）ため再充填の必要が生じた
り、凝固点師ドのたｄ）永久凍土を溶かすといった環境
破壊が生じる、加えて、二重前方式では、活動層のτ未
結融解に伴なってケーシングが持上りと沈ドを起し、こ
れが上部構造に悪影響を及ぼすことがある。

第６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の凍着凍上刃に対抗させるようにした
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（二ばらつきが生しること、
ノツチや波付けの形状、間隔によって凍着凍上刃が変化
するため、これによっ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。

本発明は、上記のよう々従来の問題点を解決すべくなさ
れたもので、活動層及び季節凍上層の凍結（＝よって杭
（二作用する凍着凍上刃及び夏季に発生するネガティブ
フリクションを低減する部材を抗体に付加することによ
り、上部構造が受ける凍害全防止することを目的とする
ものである。

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刃及びネガティ
ブフリクションを低ｉｆる形式の杭において、少なくと
も一部に蛇腹状の可伸縮部を有し活動層又は季節凍土層
の厚さ以ヒの技への被覆部材を抗体に嵌装し、その下端
部を前記活動層又は季節凍土層の底部以下、好寸しくは
底部と同じ位置（二おいて、また上端部を地表面よりで
きるだけ上方にシいてそれぞれ前記抗体に固定し、該抗
体と前記被覆部材とで形Ｉ戎する空間（二流動性物質を
充填したことを特徴とするものである。以下図面を用い
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、粋。

第１図乃至第６図と同じ部分には同じ符号？ｒ　（’Ｊ
’　ｔ、　。

説明を省略する。１１は中間に蛇腹状の１■伸稲部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１６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と被覆部材１１とで形成する墾間に充填さ
れた流動性物質である。

第６１閤（α）は被覆部材１１の可伸縮部１２の要部拡
大図で、無負荷状態（二おけるＸＹＺとＸｚとの比は、
活を助層６のｒＩさ１１の年間をＪｌｎじての最大値と
最小値との比より太きければよく、また可伸縮部１２の
形状は、Ｓ団カーブ、円弧等のほか、（ｂ１図に示すよ
うな直線状でも工い。なお、被蹄部材１１の最小径部（
Ｘ−Ｚ）は、流動性物質１７の充填冴を少なくするため
杭体１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。

本発明に使用する被覆部材１１は、地域Ｃニより変動は
あるが、一般に、■常温から一５０℃程度の紙幅まで脆
性破壊を生じないこと、■回復可能々変位が活動層６の
凍結凍上量（ｈ、−ｈ）より犬六いこと、及び■流動性
物質により劣化または腐えしないこと全条件とし、これ
らの条件を満足するものとして、その代表例、ｉＰ１＋
＝示す。

また、流動性物質１７は、地域（二より変動はあるが、
一般に、■常温から一５０℃程度の低温まで流動挙動を
示し、■杭体１及び被物部（Ａ１１を劣化させたり腐食
したりしない物質であること全条件とし、これらの条件
を満だ１−ものとして、その代表例′ｆ：第２表に示す
。

表２ 上記のように構成した凍害防止杭は、西常次のような工
法（二より設置鐵される、 （１）活動層６及び永久凍土層５を杭１ｏの叩没深さく
　１＋　＋　Ｈ’）だけ誦削し、そのｉｌｌ’ｊ削孔７
に杭１（］を建込んで杭１０の周囲Ｃ二部スラリー８を
埋Ｊｉｆ、　−１１−。

ここにｈは活＠層６の厚さ、Ｈは永久・・姓土層への杭
根入れ長さを示′ｔ、ｌ。

（２）永久凍土層５の強度がｔｔｔ咬的小さい用台又は
未凍土に根入れする場合は、活ｆｄＪ層６のみ’＜　＋
Ｊｉ！削し、創削孔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打込み、最後（二部・曲
者６の杭１０の周囲（二部スラリー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・（６して説明゛ｆる
。第４図は、本発明に係る凍イ防しｆｊ’１；１０を活
動層６と永久凍土層５にＪｌｌｌ削した１ｊｌｊ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−８も凍
結して杭１０の被覆部材１１の表面（１凍ｌ、”ｊする
。一方、杭体１と被覆部材１１との間には流１功洗物質
１７が充填されているため両者間のすべり抵抗は小さい
、このため、活＠層６が凍上すると、・体５図（二示す
ように被覆部月１１もこれに追従し、杭体１に沿って引
手げられて伸張する。しかし、上下の円筒部１３．１４
が杭体１に固定さｉ′シているため、伸張した可伸縮部
１２により固定？１１５の１：に膨張部１２（Ｚが形成
される。

波１部拐１１の伸張に伴なって、杭体１と仇惟ｉ１Ｊ　
＋４１１との間（：充填された流動性物質１７は上方に
押上げられ、」二部に形成された膨張部１２αに集まｂ
ｏこのように、活動層６が杭体１に及ぼ−４−凍滝凍」
−力は、被映部材１１と流動性物質１７に吸収され、杭
体１には全く伝わらない。なお、地域により活動層６の
変動が大きく、膨張部１２（１に多量の流動性物質が嘔
ったため膨張部１２ａが破４Ｗ、　Ｌ、流むの作物Ｗ１
７が漏洩するおそれのあるＪＪ）台は、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
った流動性物質１７を逃がすようにすればよい。

夏季になって活動層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４１図の状態に戻る、
なお、活動層乙の融解沈下に伴って生ずるネガティブフ
リクションは、流動性物Ｊ７憤１７に吸収され、杭体１
には行とんど作用しない、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、
８９明を山路する。本実施例は別個に購成し、た筒状部
２２と、下部可伸縮部２６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１戊し、上部再伸ｌＲ１
−１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との境界イ」近又はその下方
において、それぞれ固定部材１５．１６＋ｎ、にり杭体
１に固定し、杭体１と被覆部材２１との間にＲ，動性物
質１７を充填したものである。な卦、被覆部材２１及び
流動性物質１７を構成するＡＫ　４゛＋（物質）、両者
の組合せならびに設置釘工法は、化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Ｚ内に上記凍害防１Ｅ杭１０（Ｚ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（二示すようＣ二これ
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、下部可伸縮部２３が変形して膨張部２３αが
形成され、下部可伸縮部２４の伸張Ｃ二よって上昇した
流動性物質１７が収容される。その他の作用は、第４図
及びｉ鳥５図の実施例の場合とほぼ同様である。

？ｔｆＪ９　Ｊ図は、本発明のさら（二側の実施例の要
部を示す縦断面である。本実施例は、被覆部材１１の蛇
（１ν状可伸縮部１２の各大径部と杭体１との間Ｃ二そ
れぞれリング２５を介装したもので、これ（二より砂ス
ラリ−８（ｉｌ−介した活動層乙の圧力による可伸縮部
１２の変形や破損を防ＩＬすることができる。

（ｂ１図は、活＠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
。なか、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ｒｉＪＩ１１］縮部１２
に埋休部１２よい。

被覆部材の可伸縮部の形状は、前記各実施例（二それぞ
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１０図（ａｌ〜（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
る凍上防止杭で使用した場合との実験結果（二ついて説
明する。４験にあたってしま、第１１図に示すような装
［火を使用した。この装置は、基盤３１上に立設した）
ｌ／　−ム３２．３２間に反力フレーム３６金橋絡する
と共に、基盤６１上に厚さ１００ｍｍの断熱材ろ４で囲
まれ、内部に土３６を充填した土槽３５を設ｉ〆ｔし、
この±３６の中ζ二模型杭ろ７を建込んで倶Ｊ（す杭６
７と反力フレーム３３との間にロードセル６日を介装し
、土槽６５内の±３６の表面の変位を曲１定する変位計
６９を設けたものである、〔実験例〕 （１）鋼管杭（在来のもの 外径：６４Ｍ、長さ：　４００　ｍｍ、埋込量：２５０
ｍ［［ｌ （２〉凍害防止杭（第４図の実施例に相当するもの）（
α）抗体の寸法 外径：２７．５ｍｍ、長さ：４００ｍｍ、埋込長：２５
０価 （ｂ）被覆部材の材質及び寸法 低密度ポリエチレン 厚さ：１．５ｍｍ、山のピッチ：９．Ｏｍｍ。

山と谷の差：６．Ｏｙｍ、被覆長：３００ｍｍｆＣ１流
！１ψ性物−質− イソパラフィン（０１３〜Ｃ＋ｓ　） 上記のような在来の鋼管杭と本発明（１係る？東害防止
杭とを、それぞれ第１１図１＝示す実験装置猷にＩＪ１
込んだのち実験装置を冷凍室内（二股（葭し、常温から
開始して一り０℃捷で冷去１１シ、約２４１寺１樹経過
後−４０℃に変（し、その状態を約４８時ＩＩＪ１継続
したのち冷却を中止した。この間の土、槽ろ５１月の±
３６の凍上量の経時変化を変位君子ろ９でＩ１１定した
結果を第１２図Ｃ二、また、凍着凍上刃の経μ存変化を
ロードセル６８で測足した結Ｊ４馬を第１３図に示す（
図中Ａは在来の鋼管杭、Ｂ）ま本発明の凍杏防ＩＥ杭の
実験結果である）。１力）ら明ら力）なよう（二、凍上
量は両者はとんど変らないのにかかわらず、凍着凍上刃
は、−４０℃において谷１１萱抗（Ａ＋は３．５　Ａ？
　／　ｃＡ前後であるのに対し、本発明に係る凍害防止
杭ＣＢ＋はほぼ０であり、格段に低、城さ力、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１、ミ施した場合
を示したが、本発明はコンクリート杭、木利杭（二も実
施することができ、さらに、従来の凍害防１）：、杭（
例えば第６図（−示した凍屈強）Ｗ増大杭）にも併用す
ることができる。その他各部の材仙、形状、寸法等も上
記実施例に限定するものＣ１・」々く、本発明の要旨を
逸脱しない範囲で適宜変史することができる。

以上の説明から明らかなようＣ二、本発明によＩ′１゜
ば以下のような顕著な効果を挙げることができる。

（１）抗体に対する活動層の凍着凍上カケは／ＩＯにす
ることができるので、寒冷地における溝造゛吻を凍害か
ら充分保護することができる。

（２）抗体に作用する凍着凍上刃を低減できるので、杭
の根入れ長を大幅に短縮できる。さらに施−１−件、メ
ンテナンスを考慮すると大幅にコストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至礪３（スは従来の凍泄凍上刃低減方法を示す
もので、＠ｉ図はサーマルパイル方式、第２図ｆａｌ　
、　（／Ｊｌは凍上防止杭方式、第５図は凍着強度増大
杭方式である。第４図は本発明実施例の縦ＩＥＩｉ面図
、ｉ：傅５図はその作用説明図、第６図（αｌ　、　（
ｂ＋は本発明に使用する被覆部相の可伸縮部の構成例を
示す要部拡大１析面図、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ｆ立部材の
可伸縮部の形状例を示す模式図、第１１図は本発明Ｃ１
係る凍害防ＩＰ杭を実験する装置の概念図、第１２図は
在来の鋼イア杭と本発明に係る凍害防止杭との凍〃を凍
上量の経時変化を示す線図、ｉ（！、１３図は同じく凍
着凍上刃の経時変化を示す線図である。 １：杭体、５：永久凍土層、６：活動層、８：砂スラリ
−，１０，１０ａ：凍害防止杭、１１．２１：被覆部材
、１２，２３，２４：町（ｉＪ縮ｒ）１≦、１５．１６
　：固ず部材。 代理人弁理士　木　村　三　朗 第７図 第８図 第９図 （ａ）　（１）） 第１０図 （ａ）（ｂ） （ｃ）　（ｄ）

Claims (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カ−ｒ　
   イア−７リクシヨンを低減する形式の杭において、少な
   くとも一部に蛇腹状の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抗体に嵌装し、その
   下端部を前記活動層着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訃い
   てそれぞれ前記抗体に固定し、該抗体と前記被覆部材と
   で形成する空間に流動性物質全充填したことを特徴とす
   る凍害防止杭、