JPS6010019A - 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った寒冷地パイ
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≠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欠である。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（以下永久凍土層３．！：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。また希節凍土層とは、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Ｇｉ８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
の充分な根大長が必要である。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刃を軽減化Ｔ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要部凍土地帯に８
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抗体、２は凍着
強度増大のため杭体１の外周ζこ設けた波付け、６は杭
体１内に装入したヒーＩ、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、
砂スラリ−８により埋戻されている。なお、Ｈは杭体１
の根大長をまたｈは活動層乙の厚さを示す。

このようなサーマルパイル方式においては、根太部分の
永久凍土５の温度をヒートパイプ３Ｌこより、冬季間に
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）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°フルパイルは、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、杭周面の永久凍土の融解沈下に伴なってネガティ
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刃が働くことを防止できる
。

しかしながら、サーフルパイルは活動層６の層Ｊｖ　ｈ
を多少書くすることはできるが、凍着凍上刃々ネガティ
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
ーフルバイルを使用しない場合よりもかえって凍上量が
増加し、大きな凍着凍上刃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刃を増加
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、サーフルバイルの永久凍土内への根大長Ｈをかな
り長くして凍害防止をはかっており、施工性、経済性上
からも問題がある。

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、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ックスとの混合物
１０で満たし、ケ　。

−シンク９の外周を砂スラリ−８で埋戻すことにより、
凍着凍上刃を分離するようにしたものである。なお、９
ａ　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、オイル及びワックスを混
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ック
ス等の混合物を充填した。４埋戻したりしでいるが、こ
れは現地において施工しなけ１ｔばならず、そのための
機械や装置を必要とするばｈ）ってなく、施工性の点で
もあまり良好ではない。また、オイルとワックス等の混
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っ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ってケーシング
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梨作加工を必
要とするなどの問題がある。

本発明は、上記のような従来の問題点を解決すべくなさ
れたもので、活動層及′び季節凍土層の凍結によって杭
に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を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
、凍着凍上刃が作用する寒冷地に設置する杭化おいて、
活動層又は季節凍土層の厚さ以上の長さで螺旋状の可伸
縮部を有する被覆部材を抗体に嵌装してその上端部を前
記活動層着しくは手簡凍土層の底部付近又はその下方に
おいで、ｆた上端部を地表面より上方においてそれぞｆ
ｌ、該杭体に固定し、前記可伸縮部の内壁若しくは外壁
又１ｊ内壁及び外壁に沿ってコイル状のばねを介装し、
必要に応じて前記抗体と被覆部材との間に流動性物質を
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。／ｆお、第１
図乃至第６図と同じ部分には同じ符号を（；ｊ’　Ｉ、
、説明を省略する。１１は中間に螺旋状のｉＪ伸縮部１
２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は地表上方に３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１４定され
ている。１７は可伸縮部１２の大径部の内壁１２ａ　に
沿って介装されたコイル状のばね、１８は杭体１、可伸
縮部１２及びはね１７で形成する空間に充填された流動
性物質である。

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、■常温から一５０℃程変の低温まで脆性
破壊が起らないこと、■凹稜可能の変位が活動層の凍着
凍上量（△ｅ）より大きいこと、■流動性物質１８１こ
より矢化又は腐食しないことを灸１＋、とし、これらの
条件を満すもの乏して、その代表例を表１に示す。

また、可伸縮部１２に介装したコイル状のばｉつは、夏
季活動層乙の融解沈下に対して被覆部材１１が円滑にｊ
Ｏ従復元Ｔる七共に、冬季活動層乙のＱＪ結により被覆
部材１１の過度の圧縮やつぶれ、膨張などの大変形を抑
制するためのものであり、これにより、冬季ζこおいて
、被覆部材１１が伸びた状態のとき、内部充填した流動
性物質１８が上方あるいは下方に流動して偏よることを
防止する。

はね１７の強度は、冬季の凍着凍上刃あるいは夏季の融
解沈下に追従して伸縮しつるものであればよい。即ち、
杭１０の単位面積当りに作用する凍着凍上刃の大きさを
Ｐ　（ｋｇ／ｃｍ２）、ネガティブフリクションの大き
さをＳ（ｋｇ／ｃｍ２）、杭１０の径をｄ（Ｃｍ）、活
動層乙の凍上量又は沈下−訃を△ｄ　（Ｃｍ　）　、夏
季の活動層乙の厚さｆｅａ（ｃｍ）、冬手の活動層乙の
厚さをｅｙｔ、＜ａｍ＞　とした場合、ばね１７の強度
ｋ（ｋｇ／ｃｍ２）は次式の範囲にあｉ７゜ばよい。

しかし、一般的には、凍着凍上刃に比べてネガティブフ
リクションの方が絶対値が小さいθ）で、ネガティブフ
リクションに対して伸縮可能なはね定数であることが必
要である。さらに、ばね１７の材質は、■常温から一５
０℃程度の低湿ｘｉで脆性破壊を起さないこと、■凍上
全程度の変化（−Ｑｌｌ＜に１０％程度）では可逆性を
有するこ乏、θ、）流動性物質１８により劣化又は腐食
しないこ、とを条１′１−とし、例えばステンレス鋼な
どがＭＭである。

さらに、流動性物質１８は、地域により変動はあるが、
一般に、■ポ温／′Ｊ）ら−５１ＬＩ℃程度の低配まで
流動２を動示し、（り抗体１及び被覆部材１１を劣化又
は；ズ食しｌ了い！ｊ′）Ｊ質でｊ５ることを条１キと
し、その代表例を表２に示ｆ。

２（１ 第２ 上記のように構成した凍害防止杭は、通常状のような工
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
くｈ十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を埋戻す。

（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
未凍土内へ打込み、最後に活動層６の杭１０の周囲に砂
スラリ−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りト害防止
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１０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−８も凍
結して杭１０の被覆部材１１の表面に凍着する。活動層
６が凍上すると、第５図に示すよ゛うに可伸縮部１２も
これに追従し、ばね１７と共に杭体１に沿って伸張する
。しかし、上下の円筒部１３．１４が杭体１に固定され
ているため、伸張した可伸縮部１２により固定部材１５
の下に膨張部Ｔが形成される。

可伸縮部１２の伸張に伴ない、杭体１と可伸縮部１２と
の間に充填された流動性物質１８は上方に移動し、膨張
部Ｔ内に集する。このように、活動層乙の凍上刃は可伸
縮部１２及び流動性物質１８に吸収され、杭体１には伝
わらない。また、活動層乙の凍結によって可伸縮部１２
が圧縮されても、ばね１７が介装しであるためつぶれや
膨張等の変形を生ずることがなく、シたがって流動性物
質１８が偏よることもない。

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４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
クンヨンは、可伸縮部１２及び流動性物質１８に吸収さ
れ、杭体１にはほとんど作用しない。また、ばね１７に
より可伸縮部１２の下降復元を確実かつ円滑に行なうこ
とができる。

第６図（ａ）は本発明の別の実施例の要部を示す模式図
である。本実施例は、可伸縮部１２の小径部１２ｂの外
壁に沿ってばね１７を介装したもので、その作用は（ｂ
）図に示す通りである。第７図（ａ）は本発明のさらに
別の実施例の要部を示す模式１；７ＪＣ１不実施例にお
いては、可伸縮部１２の大径部１２ａの内壁と小径部１
２ｂ　の外壁に浴゛つて、そ２−Ｌぞｊｌ。

ばね１７．１７ａ　を介装したものである。なお、（ｂ
）図はその作用説明図である。

次に寒冷地において、在来の鋼管杭をそ（７，）　、ｔ
、；使用した場合と、本発明に係る凍害防止杭を使用１
した場合との実験給茶について説明する。実験にあたっ
ては、第８図に示すような装置を使用した。

この装置は、基盤３１上に立設したフレーム３２゜６２
に反力フレーム５５を橋絡すると共に、基盤３１上に厚
さ１１００ｒｎ　の断熱材６４で囲まイ１１、内部に±
６６を充填した土僧５５を設置し、Ｃす±３６の中に模
型杭６７を建込んで模型杭６７と反力フレーム３６との
間にロー１セル６８を介装し、土槽５５内の±３６の表
面の変位を測定する変位計６９を設けたものである。

〔実験例〕

（１）鋼管杭（在来のもの） 外径：　３４　ｒｒｍ　、長さ：　４００　ｍａｎ、埋
込長＝２５０ｍｍ ＋２１　凍害防止杭（第４図の実施例に相当するもの）
（ａ）抗体の寸法 外径＝２乙５　ｒｒｒｎ　、長さ：　４　［Ｉ　Ｑ　ｍ
ｍ　、埋込長：２５０画 ｔｂ）　被覆部材の材質及び寸法 材料：クロロプレンゴム 厚さＨｌ、５ｍｍ１　被覆長：！＋００ｍｍ（ｅ）　ば
ね 材料ニステンレス ばね定数：　２０　ｋｇ／ｃｍ （ｄ）　流動性物質 イソパラフィン（Ｃ１３〜Ｃ＋ｎ　） 上記のような在来の鋼管杭と本発明に係る凍書防止杭と
を、それぞれ第８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７て一２０°
０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
間の土僧３５内の±６６の凍上量の経時変化を変位計６
９で測定した結果を第９図に、また、疎漸凍上刃の経日
、）液化をロードセル３８で測定しノこ結果を第１０図
に示す（図中Ａは在来の鋼管杭、Ｂは本発明に係る（ｉ
Ｅ害防止杭の実験給茶である）。図から明らかなように
、凍上量は両者はとんど変らないのにも７）１がわらず
、凍着凍上刃は、−４０℃においてＱ・１眉仇囚は６゜
５　（”ｇ／ｃｍ’ｌ）前後であるのに対し、不発明の
凍害防止杭（Ｂ）はほぼ０であり、蜘９視し″うる’ｅ
ｉ！Ｉ蔓に低減されたことが確認され？で。

上記の実施例では、本発明を＠管杭に喪施した場合を示
したが、本発明（二仁コンクリ−１・杭、木利杭にも寅
施することがでさ、また、従来の凍ギ、′防止杭（例え
ば第６図に示した凍着強度増大杭）にも併用することが
できる。さらに可伸縮部の形状その他各部の材質、形状
、寸法等５上記実１３ｊ：、（ｆｉｉＪに限定するもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱し乙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ｒ＋。

ば以下のような顕著な効果を挙げることかでさと）。

＋ＩＩ　杭体に対する活動層の凍着凍上刃をほぼυにす
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。

（２１可伸縮部にばねを介装したので、活動層の凍結に
より可伸縮部に過度の圧縮が加えられても、つぶれ、膨
張などの変形を生ずるおそれがなく、したがって、流動
性物質が偏在することもない。

（３）夏季活動層の融解沈下ｌこ対し、被覆部材の下降
復元を確実力）つ円滑に行なうことができる。

（４１杭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。さらに施工性、メンテナ
ンスを８６すると大幅１こコストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第５図に従来の凍着法上刃低減方法を示すも
ので、第１図は丈−フルバイル万人、第２図ｔａ）　、
　（ｂ）は凍上防止杭方式、第６図は凍漸強度増大杭方
式である。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ｔａ）は本発明の別の実施例の
要部極式図、ｆｂ）はその作用説明図、第７図（ａ）は
本発明のさらに別の実施例の要部模式図、（ｂ）はその
作用説明図、第８図は本ジＩ：明に係る凍害防止杭を実
験する装置の概念図、第７図は在来の鋼管杭と本発明に
係る凍害防止杭との坤上量の経時変化を示す線図、第１
０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ｖ−１ｉｏ・・・凍害防止杭、１１・・
・被覆部祠、１２・・・可伸縮部、１７　、１７ａ　・
・・ばね、１８・・・流動性物質。 代理人　弁理士　木村三朗 第４図 ８５ 第５図 １　、 第６図 （ａ）　（ｂ） 第７図 （ａ）　（ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 凍着凍上刃が作用する寒冷地に設置する杭において、活
   動層又は季節凍土層の厚さ以上の長さで螺旋状の可伸縮
   部を有する被覆部材を抗体に嵌装してその下端部を前記
   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おいてそれぞれ該
   抗体に固定し、前記可伸縮部の内壁若しくは外壁又は内
   壁及び外壁に溢ってコイル状のばねを介装し、必要に応
   じて前記抗体と被覆部材との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。