深い基盤

深基礎は、建物の荷重を、浅基礎が地下層または一定範囲の深さに伝達するのに比べて、地表からさらに深いところまで伝達する基礎の一種です。杭または杭打ちは、建築現場で地中深くに打ち込まれたり掘削されたりする深基礎の垂直構造要素です。

超高層ビルなどでは、地質工学エンジニアが浅い基礎よりも深い基礎を推奨する理由はたくさんあります。一般的な理由のいくつかは、非常に大きな設計荷重、浅い深さでの貧弱な土壌、または敷地境界線などのサイトの制約です。杭（ポールに類似）、橋脚（柱に類似）、掘削シャフト、ケーソンなど、さまざまなタイプの深基礎を表すために使用されるさまざまな用語があります。杭は通常、現場で地中に打ち込まれますが、他の深基礎は通常、掘削と掘削を使用して設置されます。命名規則は、エンジニアリングの分野や会社によって異なる場合があります。深基礎は、木材、鋼鉄、鉄筋コンクリート、またはプレストレストコンクリートで作ることができます。

プレハブ杭は、杭打ち機を使用して地面に打ち込まれます。打ち込み杭は、木材、鉄筋コンクリート、または鋼鉄で作られています。木製杭は、背の高い木の幹から作られています。コンクリート杭には、正方形、八角形、円形の断面（フランキ杭など）があります。鉄筋で補強され、プレストレストが施されていることがよくあります。鋼鉄杭は、パイプ杭または何らかの梁断面（H 型杭など）です。歴史的に、木製杭では、必要な打ち込み深さが 1 本の杭では長すぎる場合に、複数のセグメントを端から端まで接続するためにスプライスが使用されていました。今日では、スプライスは鋼鉄杭で一般的ですが、コンクリート杭は機械的およびその他の手段でスプライスできます。シャフトを掘削するのではなく、杭を打ち込む方が有利なのは、杭を打ち込むことで移動する土壌が周囲の土壌を圧縮し、杭の側面に対する摩擦が大きくなり、その結果、杭の耐荷重性が向上するためです。打ち込み杭は、その設置方法から、耐荷重能力が「テスト済み」であるとも考えられており、杭打ち業者協会のモットーは「打ち込み杭はテスト済みの杭である！」です。^[1]

打ち込み杭に頼る基礎では、杭頭（杭の頭が埋め込まれる大きなコンクリートブロック）で接続された杭のグループが使用されることが多く、1 つの杭では耐えられないほどの荷重を分散します。杭頭と独立杭は通常、基礎要素を結び付けるために地盤梁で接続されます。軽い構造要素は地盤梁で支えられ、重い要素は杭頭に直接支えられます。^{[引用が必要]}

モノパイル基礎は、一般に直径の大きい単一の基礎構造要素を使用して、地上の大きな構造物のすべての荷重 (重量、風など) を支えます。

近年、浅瀬の海底に固定底式洋上風力発電所を経済的に建設するために、多数のモノパイル基礎^[2]が利用されています。^[3] たとえば、デンマーク西部の北海にあるホーンズ・レブ風力発電所では、海底 25 メートルの深さに沈められた直径 4 メートルの大型モノパイル 80 本が使用されています。^[4]一方、イングランド沖のリン・アンド・インナー・ダウジング風力発電所は、最大 18 メートルの深さの海底に直径 4.7 メートルのモノパイル基礎の上に 100 基以上のタービンが設置され、2008 年に稼働を開始しました。^[5]

砂地における風力タービン海底モノパイル基礎の一般的な建設プロセスには、直径約 4 メートル、壁厚約 50 mm の大型中空鋼製杭を、杭周囲の浸食を最小限に抑えるために 0.5 m の大きな石と砂利の層を貫通して、海底約 25 m の深さまで打ち込むことが含まれます。トランジション ピース (ボート着岸設備、陰極防食、海底ケーブル用ケーブル ダクト、タービン タワー フランジなどの事前設置機能付き) を打ち込んだ杭に取り付け、杭の中心から砂と水を取り除き、コンクリートで置き換えます。さらに、直径最大 0.5 m のさらに大きな石の層を海底表面に敷き詰め、長期的な浸食防止を図ります。^[3]

ケーソン、ドリルシャフト、ドリル橋脚、掘削孔内鋳造杭（CIDH 杭）、または現場打ち杭とも呼ばれるこの杭は、地面にボーリング孔を掘削し、そのボーリング孔にコンクリート（および多くの場合何らかの補強材）を入れて杭を形成するものです。ロータリー式ボーリング技術では、他のどの杭打ち方法よりも直径の大きい杭を使用でき、特に密度が高く硬い地層でも杭を建設できます。建設方法は、現場の地質、特に掘削が「乾燥した」地盤条件で行われるのか、それとも水で飽和した地層で行われるのかによって異なります。コンクリートを注入する前にボーリング孔の側面が剥がれ落ちる可能性がある場合は、 ケーシングがよく使用されます。

端部支持杭の場合、ボーリングは、ボーリング孔が十分な深さまで伸びて（ソケット形成）、十分に強い層に達するまで続けられます。現場の地質に応じて、これは岩層、硬盤、またはその他の高密度で強い層になります。杭の直径と杭の深さは、地盤条件、荷重条件、およびプロジェクトの性質に大きく依存します。支持層が水平でない場合、杭の深さはプロジェクト全体で大幅に異なる場合があります。掘削された杭は、さまざまな方法でテストして、設置中の杭の完全性を検証できます。

アンダーリーミング杭は、直径が最大 6 メートルの拡大された基礎を機械的に形成します。^[要出典]この形状は逆円錐で、安定した土壌または岩石でのみ形成できます。基礎直径が大きいため、直杭よりも大きな支持力が得られます。

これらの杭は、季節的な水分変動の影響を受けることが多い膨張性土壌や、緩い地層や軟らかい地層に適しています。また、経済性が有利な通常の地盤条件でも使用されます。 ^{[6] [全文引用が必要]}

リーミング杭基礎は以下の土壌に使用されます:-

1. アンダーリーミング杭は黒綿土で使用されます。 このタイプの土は水と接触すると膨張し、水が除去されると収縮します。そのため、このような粘土の上に建設するとひび割れが発生します。この欠陥を除去するために、基礎にアンダーリーミング杭が使用されます。

2. 支持力の低い場所では、アンダーリーミング杭が使用される。古くなった土（埋め立て土）

3.地下水位が高い砂質土では、アンダーリーミング杭が使用されます。

4. 基礎の基部に揚力が発生する場合は、アンダーリーミング杭が使用されます。

オーガーキャスト杭は、連続飛行オーガリング(CFA) 杭とも呼ばれ、中空のステムを持つ連続飛行オーガを使用して、必要な深さまたは抵抗の程度まで地面を掘削することによって形成されます。ケーシングは必要ありません。次に、セメントグラウトミックスがオーガのステムからポンプで送り込まれます。セメント グラウトが送り込まれる間、オーガはゆっくりと引き抜かれ、土壌がフライトに沿って上方に運ばれます。流動性セメント グラウトのシャフトが地面の高さまで形成されます。補強材を取り付けることができます。厳格な品質管理に加えて最近の技術革新により、必要に応じて杭の全長にわたって補強ケージを配置できるようになりました。^[要出典]

オーガーキャスト杭は、騒音や環境への配慮が求められる現場では、外乱を最小限に抑える目的でよく使用されます。オーガーキャスト杭は、廃棄物処理コストが高いため、汚染された土壌での使用には適していません。このような場合、置換杭 (オリビエ杭など) は、オーガーキャスト杭のコスト効率と環境への影響を最小限に抑えることができます。障害物や玉石、岩石を含む地盤では、設計杭先端標高を超える堆積物が発生する可能性があるため、オーガーキャスト杭はあまり適していません。^{[引用が必要]}

小型のセクショナルフライトオーガー杭打ち機もパイルドラフト基礎に使用できます。これらは、連続フライトオーガーリグと同じタイプの杭を生産しますが、より小型で軽量な機器を使用します。この杭打ち方法は、高速でコスト効率が高く、ほとんどの地盤タイプに適しています。^{[6] [7]}

掘削杭基礎では、杭は構造物が載っている地盤梁と接続され、時には杭に直接重い柱荷重がかかる。住宅建築では、杭が地上より上に延長され、杭に支えられた木製の梁が構造物を支えるために使用される。このタイプの基礎は、建設中または改造中に配線やダクトを敷設できる床下空間を建物の下に作り出す。^[8]

ジェットパイル工法では、高圧水を使用して杭を打つ。^[9]高圧水が高圧ジェット流で土壌を切断し、杭をはめ込む。^[10]ジェットパイル工法の利点の1つは、水ジェットが杭を滑らかにし、地盤を柔らかくすることです。^[11]この工法はノルウェーで使用されています。^[12]

マイクロパイルは直径が小さく、通常は直径 300 mm 未満の要素で、掘削されてその場でグラウト注入されます。通常、要素の側面に沿った表面摩擦によって容量を得ますが、硬い岩石でもエンドベアリングとして使用できます。マイクロパイルは通常、断面の 40% 以上を占める鋼で大幅に補強されています。直接的な構造サポートとして、または地盤補強要素として使用できます。比較的高価で、これらの要素を設置するために使用される機器の種類のため、アクセス制限や非常に困難な地盤条件 (玉石や岩、建設廃棄物、カルスト、環境感受性) が存在する場合、または既存の構造物を改造する場合によく使用されます。困難な地盤では、新しい建設基礎要素に使用されることもあります。一般的な用途には、アンダーピニング、橋梁、送電塔、斜面安定化プロジェクトなどがあります。^{[7] [13] [14] [15]}

三脚リグを使用して杭を打つことは、杭を打つためのより伝統的な方法の 1 つです。一般的に、他のほとんどの杭打ち方法よりも単価は高くなりますが、^{[引用が必要]、}いくつかの利点があるため、今日まで使用され続けています。三脚システムは、現場に持ち込むのが簡単で費用もかからないため、杭の数が少ない作業に最適です。^{[説明が必要]}

シートパイルは、薄い鋼板を連結して地中に連続した障壁を作る打ち込み杭の一種です。シートパイルの主な用途は、恒久的な工事を進めるために建設される擁壁やコッファダムです。通常、シートパイルの設置には、振動ハンマー、T クレーン、クロール ドリリングが使用されます。^[要出典]

ソルジャーパイルはキングパイルまたはベルリンウォールとも呼ばれ、約 2 ～ 3 メートル間隔で配置されたH 型鋼で構成され、掘削前に打ち込まれるか、掘削されます。掘削が進むにつれて、H 型パイルのフランジの後ろに水平方向の木材シート (ラギング) が挿入されます。

水平方向の土圧は、ラギングと比較してソルジャーパイルの相対的な剛性により、ソルジャーパイルに集中します。掘削後すぐにラギングを設置して土壌の損失を防ぐことで、土壌の移動と沈下を最小限に抑えます。 ^[要出典]ラギングは、ソルジャーパイルの間隔と土壌の種類に応じて、木材、プレキャストコンクリート、ショットクリート、および鋼板で構築できます。

ソルジャーパイルは、過剰に固められた粘土、ある程度の凝集力がある地下水面より高い土壌、砂のように効果的に排水できる排水性土壌など、壁をしっかりと構築しても沈下が生じない条件に最適です。^[要出典]

適さない土壌としては、軟らかい粘土や、緩い砂などの大きな動きを許す弱い流動性土などがある。また、掘削の底を超えて壁を延長することは不可能であり、排水が必要になることが多い。^[要出典]

スクリュー杭は、螺旋杭やスクリュー基礎とも呼ばれ、19 世紀半ばからスクリュー杭灯台の基礎として使用されてきました。^[要出典]スクリュー杭は、機械によって必要な深さまで地中に埋め込まれる、螺旋状のフィンが付いた亜鉛メッキ鉄管です。スクリューは土壌に荷重を分散し、それに応じてサイズが決まります。

吸引杭は、水中で浮体式プラットフォームを固定するために使用されます。管状の杭を海底に打ち込み（または、より一般的には柔らかい海底に数メートル落とし）、次にポンプで管状の杭の上部から水を吸い上げて、杭をさらに下方に引き下げます。

杭の直径と高さの比率は、土壌の種類によって異なります。砂は貫入しにくいですが、保持力は優れているため、高さは直径の半分程度で十分です。粘土や泥は貫入しやすいですが、保持力は劣るため、高さは直径の 8 倍程度まで必要になります。砂利は開放的な性質を持っているため、設置中に水が地面を流れ、「パイピング」流 (土中の弱い経路を通って水が沸騰する) が発生します。したがって、砂利の海底ではサクションパイルは使用できません。^[要出典]

地面が継続的に凍結している高緯度地域では、凍結杭が主な構造基礎工法として使用されます。

凍結杭は、周囲の凍った地盤と杭の表面との結合によって強度を得ます。^[要出典]

永久凍土が溶ける状況では、凍結杭基礎は特に影響を受けやすい。建物が不適切に建設されると、その下の地面が溶け、基礎システムが機能しなくなる可能性がある。^[要出典]

振動石柱は、排水性や支持力の低い土壌に粗骨材の柱を設置して土壌を改良する地盤改良技術です。 ^[要出典]

海洋構造物特有の、病院杭（ギャロー杭とも呼ばれる）は、改修工事中に海洋構造物の構成要素を一時的に支えるために建設されます。たとえば、河川のポンツーンを撤去する場合、ブロー杭を病院杭に取り付けて支えます。これらは通常の杭で、通常はチェーンまたはフックで取り付けられます。^[要出典]

杭壁は、打ち込みまたは掘削が可能です。作業スペースが限られており、オープンカット掘削が実行できない場合に、杭壁は特別な利点を提供します。どちらの方法も、水を含む地層であっても、掘削面を一時的または恒久的に保持する技術的に効果的で費用対効果の高い手段を提供します。恒久的な作業に使用する場合、これらの壁は、保持土からの横方向の荷重に加えて垂直方向の荷重にも耐えるように設計できます。どちらの方法の施工も、基礎支持杭の場合と同じです。隣接する壁は、隣接する杭の間に小さな隙間を設けて施工されます。杭の間隔は、適切な曲げ剛性を提供するために変えることができます。

セカント杭壁は、交互に並ぶ「雌」杭の間に、その後に「雄」杭を建設するためのスペースが残るように構築されます。^{[説明が必要]}「雄」杭の建設では、「雌」杭の穴のコンクリートを掘削し、「雄」杭を間に差し込みます。雄杭には鉄筋ケージが設置されますが、場合によっては雌杭も補強されます。^{[引用が必要]}

セカント パイル壁は、設計要件に応じて、真のハード/ハード、ハード/中間 (堅い)、またはハード/ソフトのいずれかになります。ハードとは構造コンクリートを指し、堅いまたはソフトとは、通常、ベントナイトを含む弱いグラウト ミックスを指します。^{[引用が必要]すべての種類の壁は、自立型}カンチレバーとして構築することも、スペースと基礎構造の設計が許せば、支えることもできます。境界壁の合意で許可されている場合は、グラウンド アンカーをタイ バックとして使用できます。

スラリー壁は、地下水の流れを防ぐためにベントナイトと水を混ぜて地中に造られた障壁です。周囲の土壌の水圧によって崩壊する溝も、スラリーが水圧とバランスをとるため崩壊しません。

これらは本質的に、杭（上記参照）、ブロック、またはより大きな体積の形態をとる 現場補強のバリエーションです。

セメント、石灰/生石灰、フライアッシュ、スラッジ、その他の結合剤（安定剤と呼ばれることもあります）を土壌に混ぜて、支持力を高めます。結果はコンクリートほど堅固ではありませんが、元の土壌の支持力が向上したと見なすことができます。

この技術は、粘土や泥炭などの有機質土壌に最もよく適用されます。混合は、通常掘削機に取り付けられた装置で混合しながら土壌にバインダーを注入するか、塊を掘削し、バインダーと別々に混合して目的の場所に再充填することによって実行できます。この技術は、汚染物質を結合する手段として、汚染物質を掘削して埋め立て地や処理場に運ぶ代わりに、軽度汚染された塊に使用することもできます。

名前が示すように、木材杭は木で作られています。

歴史的に、木材は多くの地域で豊富に存在し、地元で入手可能な資源でした。今日でも、木材杭はコンクリートや鋼鉄杭よりも手頃な価格です。他の種類の杭 (鋼鉄またはコンクリート) と比較すると、木材の供給源/種類によっては、木材杭は重い荷重には適さない場合があります。

木材杭に関する主な考慮事項は、地下水位より上では腐らないように保護する必要があるということです。木材は地下水位より下では長期間保存できます。木材が腐るためには、水と酸素という 2 つの要素が必要です。地下水位より下では、水は豊富であっても溶存酸素が不足します。したがって、木材は地下水位より下で長期間保存される傾向があります。1648 年、アムステルダム王宮は13,659 本の木材杭の上に建設されましたが、これらの木材杭は地下水位より下にあったため、現在も残っています。地下水位より上で使用される木材は、圧力処理 (アルカリ性第 4 級銅(ACQ)、クロム酸銅ヒ酸(CCA)、クレオソートなど) を使用したさまざまな形式の木材保存によって、腐敗や害虫から保護できます。

木製杭の継ぎ合わせは今でもかなり一般的で、継ぎ合わせがすべての杭材の中で最も簡単です。継ぎ合わせの通常の方法は、最初に主杭を打ち込み、その長さの半分の鋼管（通常長さ 60～100 cm、内径は最小先端径以上）を主杭の端に打ち込むことです。次に、従杭を管のもう一方の端に差し込み、打ち込みを続けます。鋼管は、打ち込み中に 2 つの杭が互いに追従するようにするためだけのものです。揚力が必要な場合は、継ぎ目にボルト、コーチ スクリュー、スパイクなどを組み込んで、必要な能力を持たせることができます。

鋳鉄は杭打ちに使われることがあります。これらは延性がある場合があります。^[要出典]

パイプ杭は鋼管杭基礎の一種であり、傾斜杭（斜杭） に適しています。

パイプ杭は、オープンエンドまたはクローズドエンドのどちらでも打ち込むことができます。オープンエンドで打ち込むと、土がパイプまたはチューブの底部に入り込みます。空のパイプが必要な場合は、打ち込み後に水ジェットまたはオーガーを使用して内部の土を取り除くことができます。クローズドエンドパイプ杭は、杭の底部を鋼板または鋳鋼シューで覆って構築されます。

場合によっては、モーメント容量や耐腐食性を高めるために、パイプパイルにコンクリートを充填することもあります。英国では、コストを削減するため、これは通常行われません。^[要出典]これらの場合、腐食防止は、鋼の犠牲厚を考慮するか、より高級な鋼を採用することによって行われます。コンクリート充填パイプパイルが腐食した場合、杭の耐荷重容量のほとんどはコンクリートによって損なわれずに残りますが、空のパイプパイルでは失われます。パイプパイルの構造容量は、主に鋼の強度とコンクリートの強度（充填されている場合）に基づいて計算されます。現場の状況と地域の建築基準法に応じて、腐食に対する考慮が払われます。鋼管パイルは、杭打ち業界向けに特別に製造された新しい鋼か、石油やガスの探査など他の目的で以前に使用された再生鋼管ケーシングのいずれかです。

H 型杭は、深基礎用に地中に打ち込まれる構造用梁です。溶接または機械式ドライブフィット スプライサーで簡単に切断または接合できます。杭をpH値の低い土壌に打ち込むと腐食の危険があるため、腐食プロセスを遅らせたり、腐食をなくしたりするために、コールタール エポキシまたは陰極保護を適用できます。鋼製杭の断面積を単に大きくすることで、設計時にある程度の腐食を見込むのが一般的です。このようにして、腐食プロセスを最大 50 年まで延長できます。^{[引用が必要]}

コンクリート杭は通常、必要な引張強度を確保し、取り扱いや打ち込みに耐え、十分な曲げ抵抗を提供するために、鉄筋とプレストレスト鋼材を使用して製造されます。

長い杭は、取り扱いや輸送が困難になることがあります。杭継ぎを使用すると、2 本以上の短い杭を 1 本の長い杭に接合できます。杭継ぎは、プレキャスト杭とプレストレスト コンクリート杭の両方で使用できます。

「合成杭」とは、鋼鉄とコンクリートの部材を端から端まで固定して 1 つの杭を形成した杭です。パイプと H 形鋼、鋼鉄とコンクリートなど、異なる材料または異なる形状の材料を組み合わせたものです。

杭を地面に打ち込むために使用される建設機械：^[16]

• 杭打ち機は、杭を設計どおりの位置に打設するための装置です。
• ディーゼル杭打ち機は杭を地面に打ち込むための装置です。
• 油圧ハンマーは、高圧流体によって分散された落下部品の衝撃によって、強固な材料（岩石、土、金属）または杭打ち要素を処理するために使用される油圧掘削機、油圧機械（固定式岩石破砕機、ローダー、マニピュレーター、杭打ちハンマー）の取り外し可能な作業装置です。
• 振動杭打ち機は、砂質土や粘土質土に杭を打ち込む機械です。
• 圧入式杭打ち機は、静的な力の伝達によって杭を地中に打ち込む機械である。^[17]
• 万能掘削機。

交換杭の建設に使用された建設機械：^[16]

• セクショナルフライトオーガーまたは連続フライトオーガー
• 逆循環掘削
• リングビット同心円掘削

• ユーロコード EN 1997
• 国際マイクロパイル学会
• ポストイングラウンド工法は、アースファスト工法またはポストホール工法とも呼ばれ、木造建築物の歴史的な建築方法です。
• 高床式住宅は、湖畔の家としても知られ、杭の上に建てられた古代の歴史的な家屋の一種です。
• 浅い基礎
• 杭橋
• ラーセンシートパイル

• Italiantrivelle Foundation Industry は、Wayback Machineで 2014 年 6 月 25 日にアーカイブされました。Deep Foundation の Web ポータル Italiantrivelle は、Foundation Industry に関する情報の第一のソースです。(リンクは削除または更新する必要があります。不適切なコンテンツへのリンクです)
• Fleming, WGK 他著、1985 年、「Piling Engineering」、Surrey University Press、Hunt, RE、「Geotechnical Engineering Analysis and Evaluation」、1986 年、McGraw-Hill。
• コドゥート、ドナルド P. 『基礎設計：原則と実践』第 2 版、Prentice-Hall Inc.、2001 年。
• NAVFAC DM 7.02 基礎と土構造、米国海軍施設技術司令部、1986 年。
• ラジャパクセ、ルワン、杭の設計と施工ガイド、2003
• トムリンソン、PJ、杭の設計と施工の実践、1984年
• 有機土壌の安定化 2012年2月22日アーカイブウェイバックマシン
• シートパイルハンドブック、2010

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