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杭の種類はどのくらい?設計者が教える杭の種類と各杭の特徴、施工方法

杭には、多くの種類があります。支持力の取り方や、杭の材料、工法など様々な種類に分類されます。種類が多いだけに、現役の設計者でも、各杭の種類や特徴を知っている人は少ないです。


そこで今回は、私が構造設計の実務を通して知った、杭の種類や各杭の特徴などについて説明します。


そもそも杭って何?

杭とは、建物を支える基礎の1つです。下図を見てください。

杭は、上図のように建物を支えるために必要な円形の柱です。建物を支える基礎は、強くて固い支持層の上に造ることが基本です。支持層が浅い位置に出る場合、直接基礎で済みます。下図をみてください。これは直接基礎の模式図です。

支持層が浅い位置に出現するなら、直接基礎(簡単に言うとコンクリートの塊)を地盤に設置し、建物を支えます。


しかし、支持層が深い位置(例えば地面から数10m下)にあると、基礎はとても深い位置まで伸ばす必要があります。それは不経済ですし、施工難しいのです。


そのため、前述した杭を支持層まで到達させ、建物を支えます。杭が何かわかって頂けたところで、杭の種類について説明しましょう。

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杭の支持力の取り方による種類

まず、杭は支持力の取り方(建物の支え方)による種類があります。大まかに2種類です。


先端支持力杭

先端支持力杭とは、数m〜数十m下の支持層(固い地盤)まで杭を到達させることで、建物を支える杭です。沈下や液状化を起こさない固い地盤に杭を設置するので、地震時も安心です。実績も多く、信頼性が高い方法です。


摩擦杭

摩擦杭とは、杭周面と接する地盤による摩擦力で建物を支える杭です。支持層に到達させる必要がないので、杭が短くなり経済性が高いメリットがあります。詳細は下記の記事が参考になります。

摩擦杭ってなに?現役設計者が教える摩擦杭の特徴と、メリット・デメリット


杭の造り方よる種類

次に杭の造り方による種類です。主に、下記の2つの種類があります。


既製杭

既製杭とは、「既製品の杭」という意味です。あらかじめ工場で杭を製作し、出荷します。それを建設現場まで運び、杭を設置するわけです。既製杭は、工場で製作されるので品質が高いメリットがあります。現場では、杭を設置するだけなので施工自体も簡単です。


但し、数十mの長い杭になると、長すぎて工場で製作できないことや、トラックに運んで出荷できないため、10m程度までの杭を複数本繋ぎ合わせます。例えば30mの杭が必要な場合、

のように、10mの杭を3本出荷するのです。よって、現場で杭を接合し(継手を設ける)打設します。


場所打ち杭

場所打ち杭は、現場で杭を製作する方法です。現場で杭を製作するため、十分な管理の上施工を行う必要があります。この杭は、鉄筋コンクリート造の杭で、1本の杭を造るために数時間要します。よって時間と労力がかかるデメリットがあります。


但し、場所打ち杭は現場で杭を製作するため、杭径の大きさに既製杭ほど制約がありません。例えば、一般的な既製杭だと直径600mmが限界だとしても、場所打ち杭だと1000mmの杭も築造可能です。建物の規模が大きく、大きい支持力が求められる場合や、既製杭の施工が難しい場合(大きな岩が出現する、特殊な地盤など)は場所打ち杭を採用します。


杭の材料による種類

杭は様々な材料で造られます。以前は、木で杭を造ることもありました。現在も、地盤改良工法の一種として木杭を用いますが、建物を支える杭としては使われないので今回は説明を省略します。


鋼管杭

鋼管杭とは、文字通り鋼を材料とした杭です。鋼管なので、筒状になっています。鋼は土中では錆びるため、あらかじめ腐食代1mmを見込んでいます。鋼管はロール成形といって、鋼板を円形に折り曲げて製作されます。そのため、厚い板を折り曲げることは難しく、杭の強度は高くありません。結果として、大きな支持力をとることができないのです。


しかし、軽量であることや施工性の良さから簡易な建物や、建物重量が軽い場合に採用されることが多い杭です。

また、鋼は様々な形状にできるため、鋼管の先端に羽根と呼ばれる部材を取り付け支持力を高める工法もあります。


コンクリート杭

コンクリート杭は、鉄筋コンクリートによる杭のことです。もっと言えば、単なる鉄筋コンクリートではなくプレストレスをかけたコンクリート杭が一般的です。建物に用いる鉄筋コンクリートの強度が24N/muである一方で、杭の場合は85 N/muや105 N/muと超高強度コンクリートを使用します。そのため高い支持力が得られます。


前述した場所打ち杭も、コンクリート杭の一種です。コンクリートは土中でも腐食する心配がありません。また、コンクリート強度が高いこと、杭の厚みが厚いことで支持力が大きくとれます。よって、大規模な建物になるとコンクリート杭を用います。


杭の施工方法による種類

最後に杭の施工方法による種類を説明します。同じ、既製杭でも施工方法が違えば、支持力の計算式も異なります。それだけ施工方法は重要なのです。今回は、代表的な施工方法を説明します。


埋め込み杭工法

まず、大きな分類として埋め込み杭工法があります。これは、現在既製杭の施工方法として最も主流です。埋め込み杭工法には、下記の2つがあります。


プレボーリング杭工法

プレボーリング杭工法は、最も実績が多い杭の施工方法です。杭を打設するポイントをあらかじめ掘り、そこに杭を打設します。一見、「当たり前だろ」と思うかもしれませんが、比較的新しい工法です。名前の由来は、「pre+boring」という英語名です。和訳すると、前もって孔を掘るということでしょうか。


既に孔が掘ってあるので、杭を打設するときも静かです。周辺環境に優しい工法です。


中堀り杭工法

中堀り杭工法は、土を掘りながら杭を打設する方法です。中堀り杭工法に用いる杭は、中空になっています。この杭を打設すると同時に、中空部分から土を排土しながら掘り進めます。残土が少なくて済み、環境にも優しい方法ですが制約もあります。


例えば、土中に岩がある場合、杭の中空部分から掘り出すことができません。また、掘り進める地盤の強度が高いと、上手く掘れないこともあります。前述したプレボーリング工法と支持力の算定式が異なるので注意しましょう。


打ち込み杭工法

以前までは、多く採用された杭工法です。打撃工法とも言います。打ち込み杭工法とは、杭を釘のようにカンカン叩いて土中に打設します(大掛かりなハンマーのようなもので杭を叩きます)。


強度が高いため、杭径を小さくできるなど経済的メリットも多いことが特徴です。また、あらかじめボーリングする必要もなく、施工性も良いのです。


但し、打設するときの騒音、振動が大きな問題です。近年は、周辺環境への影響が大きいことから採用されることはほとんどありません。


回転杭工法

回転杭工法は、杭を回転させながら打設する工法です。これは、羽根付き鋼管杭を施工するとき代表的な方法です。羽根付き鋼管杭は、杭先端に羽根が付いています。この羽根が杭径より大きいため、より高い支持力を期待できます。


回転杭工法は、杭を回転させながら打設するので残土もありません。環境に優しい方法と言えます。


オールケーシング工法

オールケーシング工法とは、場所打ち杭に用いられる施工方法です。ケーシングチューブと呼ばれる筒を土中に立て込みながら、ケーシング内の土などを排出します。「オール」という意味は、杭の全長にケーシングを建て込むことが理由です。これでケーシング内は中空になるので、周辺の土の影響を受けません。


例えば、ケーシングがない場合だと、せっかく掘った孔が崩れてしまうことが多々あります。オールケーシング工法なら、その心配がないので施工的にも信頼性が高いのです。


アースドリル工法

アースドリル工法はアースドリルと呼ばれる掘削機で、地盤を掘り進み排土します。表層部はケーシングを用いて、以降は安定液で保護します。オールケーシング工法と比べて仮説費用が安いメリットがあります。また、施工速度も速く工賃もやすく済みます。


但し、安定液による孔壁の保護ができない場合、孔壁が崩れる恐れがあります。


まとめ

以上、長くなりましたが杭の種類について説明しました。杭は本当に様々な種類があり、分類の方法を変えるだけで色んな杭の名称があります。1つ1つ順番に覚えていくのも方法の1つですが、今回の記事のように、見方を変えて杭の種類を覚えると案外すんなり理解できますよ。

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